專利名稱：一種長焦距大相對孔徑變焦距光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種變焦距光學成像系統(tǒng)，特別涉及一種采用同軸透射結構的、工作于中波紅外波段的長焦距、大相對孔徑變焦距光學成像系統(tǒng)。
背景技術：
變焦距光學成像系統(tǒng)，在不改變光學系統(tǒng)位置的前提下，可實現對不同距離處的目標物成像，能有效提高探測識別效率。克服了傳統(tǒng)的定焦系統(tǒng)由于焦距長、相對孔徑大等要求造成系統(tǒng)體積龐大，進而難以通過移動系統(tǒng)實現不同距離成像的困難。自英國數學家于1834年首次提出變焦的概念，至今已有150多年的發(fā)展歷史。目前，變焦距光學成像技術已得到了多方面的關注和應用，從較早的應用于電影攝影物鏡的設計，到當前世界各國研究熱點的成像光譜儀前置物鏡的設計等，這些設計大多涉及可見
光、可見近紅外、或短波紅外波段的變焦距光學成像系統(tǒng)。隨著紅外焦平面技術的不斷進步及其實際應用范圍的逐步擴展，對紅外變焦距光學成像系統(tǒng)的需求日益增強，不僅具有上述變焦距系統(tǒng)的特點，同時具有紅外系統(tǒng)環(huán)境適應性好、隱蔽性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，可有效提聞目標的紅外探測與識別能力。光學成像系統(tǒng)成像質量的好壞直接影響其探測效果。對于一般的光學成像系統(tǒng)，特別是紅外系統(tǒng)，受材料的限制，很難在滿足長焦距和大相對孔徑的同時，實現寬波段內消色差和二級光譜。目前，報導的中波紅外波段變焦距光學成像系統(tǒng)，大多工作波段在3 5m，帶寬小，焦距短，設計難度相對小。在本發(fā)明作出之前文獻報導了一種變焦距光學系統(tǒng)([J]紅外技術，2009年第31卷第12期)，其結構簡單，成像質量好，工作波段為3 5m，變焦范圍為30 150mm,最長焦距僅為150mm。文獻還報導了一種變焦距光學系統(tǒng)([J]應用光學，2006年，第27卷第I期)，變焦范圍13 275mm，雖然長焦端接近300mm，但其系統(tǒng)中采用了三個非球面，大大增加了系統(tǒng)加工難度和制造成本，且系統(tǒng)工作波段范圍小，僅3. 7 4. Sm。無法滿足長焦距、大相對孔徑的中波紅外變焦距成像光學系統(tǒng)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有技術存在的不足，提供一種適用波段寬(中波紅外7. 7 10. 3m)、相對孔徑大、成像性能優(yōu)、結構簡單、研制成本低的長焦距3X連續(xù)變焦的變焦距光學成像系統(tǒng)。本發(fā)明所采用的技術方案是提供一種長焦距大相對孔徑變焦距光學成像系統(tǒng)，它為透射式光學系統(tǒng)，工作在中波紅外波段；所述光成像學系統(tǒng)的結構為同軸結構，包括安裝于一個鏡筒內的四個透鏡組，沿光線入射方向，依次為前固定組、變倍組、補償組和后固定組；平面反射鏡(5)置于前固定組與變倍組之間，與光軸成45度角；所述前固定組，沿光線入射方向，依次為一塊第一正透鏡(11)、一塊負透鏡(12)和一塊第二正透鏡(13);所述各透鏡相對于變焦距成像光學系統(tǒng)長焦距的歸一化焦距依次對應為f’ n> f’ 12、f’ 13，對應值范圍分別為I. 2彡f’ n彡I. 4、-2. 3彡f’ 12彡-2. I和2· 6 < f，13< 2· 8 ;所述變倍組，沿光線入射方向，依次為一塊負透鏡(21)和一塊正透鏡(22);各透鏡相對于變焦距成像光學系統(tǒng)長焦距的歸一化焦距依次對應為f’ 21、f’ 22，對應值范圍分別為-O. 4彡f’21 ( -O. 2和O. 15 ( f’22 ( O. 3 ;所述變倍組的正透鏡(22)，其后表面為高次非球面，非球面系數包括四次方、六次方和八次方項，分別為e2224、e2226和e2228，取值范圍為
3.8E_8 ^ e2224 ^ 4. 3E_8, _9. 80E_14 ^ e2226 ^ _9. 3E_14,0. 7E_17 ^ e2228 ^ I. 2E_17 ；所述補償組，沿光線入射方向，依次為一塊負透鏡(31)和一塊正透鏡(32);各透鏡相對于變焦距成像光學系統(tǒng)長焦距的歸一化焦距依次對應為f’ 31、f’ 32，對應值范圍分別為-O. 7 彡 r 31 ( -O. 5 和 O. I 彡 f’ 32 彡 O. 3 ;所述后固定組，沿光線入射方向，依次為一塊第一正透鏡(41)和一塊第二正透鏡
(42);各透鏡相對于變焦距成像光學系統(tǒng)長焦距的歸一化焦距依次對應為f’ 41和f’ 42 ;所述后固定組的第二正透鏡(42)，其后表面為高次非球面，非球面系數包括四次方、六次方、八次方和十次方項，分別為e4224、e4226、e422i^P e42210,取值范圍分別為-I. 2E-6 ( e4224 ( -O. 7E_6，_2· 5E_10 ^ e4226 ^ _2. OE-IO，3. 5Ε_13 ^ e4228 ^ 4. 0Ε_13，_2· 5Ε_16 ^ e42210 ^ _2· 0Ε_16 0所述前固定組的第一正透鏡(11)、負透鏡(12)和第二正透鏡(13)的折射率依次對應為ηη、η12和η13 ;所述變倍組的負透鏡(21)和正透鏡(22)的折射率依次對應為n21和n22 ;所述補償組的負透鏡(31)和正透鏡(32)的折射率依次對應為n31和n32 ;所述后固定組的第一正透鏡(41)和第二正透鏡(42)的折射率依次對應為n41和n42 ;它們對應的取值范圍分別為 3. 60 ( nn ( 4. 15,2. 21 ( n12 ( 2. 76,2. 32 ( n13 ( 2. 87,3. 70 ( n21 ( 4. 25、3. 83 ( n22 ( 4. 18,2. 30 ( n31 ( 2. 75,3. 50 ( n32 ( 4. 15,2. 31 ( n41 ( 2. 56 和3. 62 ^ n42 < 4. 17。本發(fā)明所述的一種長焦距大相對孔徑變焦距成像光學系統(tǒng)，它為3倍連續(xù)變焦距光學成像系統(tǒng)，焦距變化范圍為IOOmm 300mm ;它的光學筒長小于450mm。與現有技術相比，本發(fā)明的特點在于I、采用同軸透射二次成像結構，具有適用波段寬、焦距長、相對孔徑大、非球面數少、制造成本低的優(yōu)點。2、利用平面反射鏡進行光路轉折，有效減小系統(tǒng)雜散光和外形尺寸。3、本發(fā)明涉及的長焦距、大相對孔徑變焦距光學成像系統(tǒng)，具有寬波段消色差好、像散小、畸變小的特點。


圖I是本發(fā)明實施例提供的長焦距大相對孔徑變焦距光學成像系統(tǒng)的結構示意(成像光路)圖；圖2是本發(fā)明實施例提供的長焦距大相對孔徑變焦距光學成像系統(tǒng)分別在短焦、中焦和長焦三個位置處像面的光線追跡點列圖；圖3是本發(fā)明實施例提供的長焦距大相對·孔徑變焦距光學成像系統(tǒng)分別在短焦、中焦和長焦三個位置處的能量集中度曲線；圖4是本發(fā)明實施例提供的長焦距大相對孔徑變焦距光學成像系統(tǒng)分別在短焦、中焦和長焦三個位置處的畸變曲線；
圖5是本發(fā)明實施例提供的長焦距大相對孔徑變焦距光學成像系統(tǒng)分別在短焦、中焦和長焦三個位置處的像面相對照度曲線；圖6是本發(fā)明實施例提供的長焦距大相對孔徑變焦距光學成像系統(tǒng)分別在短焦、中焦和長焦三個位置處的調制傳遞函數曲線。圖中11、前固定組的第一正透鏡；12、前固定組的負透鏡；13、前固定組的第二正透鏡；21、變倍組的負透鏡；22、變倍組的正透鏡；31、補償組的負透鏡；32、補償組的正透鏡；41、后固定組的第一正透鏡；42、后固定組的第二正透鏡；5、平面反射鏡；6、中間一次成像位置；7、變焦距系統(tǒng)的像平面。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對發(fā)明的實施方案作進一步的具體闡述。實施例本實施例的技術方案是提供一種長焦距、大相對孔徑、中波紅外波段變焦距光學成像系統(tǒng)，它的工作波段為7. 7m 10. 3m，系統(tǒng)F數為F/#=3，連續(xù)變焦范圍為IOOmm 300mmo參見附圖1，它是本實施例提供的長焦距、大相對孔徑、中波紅外波段變焦距光學成像系的結構示意(成像光路)圖；該變焦距光學成像系統(tǒng)包括前固定組、變倍組、補償組和后固定組，前固定組由前固定組的第一正透鏡11，前固定組的負透鏡12和前固定組的第二正透鏡13組成；變倍組由變倍組的負透鏡21，變倍組的正透鏡22組成；補償組由補償組的負透鏡31，補償組的正透鏡32組成；后固定組由后固定組的第一正透鏡41，后固定組的第二正透鏡42組成。平面反射鏡5位于前固定組與變倍組之間，與光軸成45度角放置；中間一次成像位置6位于平面反射鏡5與變倍組之間；變焦距系統(tǒng)的像平面7位于焦平面探測器的光敏面。利用Zemax光學設計軟件，對應各透鏡相關參數的優(yōu)化設計結果如下沿光線方向，透鏡11前后表面的曲率半徑分別為965. 5mm和5350. 4臟，厚度為29. 8mm，折射率為3. 75 ;透鏡12前后表面的曲率半徑分別為-403. 1mm、-742. 7mm,厚度為10. 0mm,折射率為2. 53 ;透鏡13前后表面的曲率半徑分別為106. 9mm、106. 8mm，厚度為16. 5mm，折射率為2. 55 ;透鏡21前后表面的曲率半徑分別為-56. 2mm、-83. 7mm，厚度為13. 2mm，折射率為
4.10 ;透鏡22前后表面的曲率半徑分別為-965. 3mm、-182. 5mm，厚度為17. 7mm，折射率為3. 95，后表面的高次非球面系數四次方項e2224為4. 1E-8、六次方項e2226為-9. 6E-14和八次方項e2228為I. 0E-17 ;透鏡31前后表面的曲率半徑分別為46. 9mm、34. 6mm,厚度為10. 0mm,折射率為2. 55 ;透鏡32前后表面的曲率半徑分別為41. 0mm、43. 3mm，厚度為12. 4mm，折射率為3. 85 ;透鏡41前后表面的曲率半徑分別為178. 8mm、247. 8mm、厚度為8. 0mm，折射率為
2.43 ;透鏡42的曲率半徑依次分別為⑴、-220. 5mm，厚度為5. 0mm，折射率為3. 85，后表面的高次非球面系數四次方項e4224為-I. 0E-6、六次方項e4226為_2. 3E-10、八次方項e4228為
3.8E-13 和十次方項 e42210 為-2. 3E-16。前固定組的透鏡11與透鏡12的間距為161. 9mm，透鏡12與透鏡13的間距為125. 4mm ;變倍組的透鏡21和透鏡22的間距為20. 9mm ;補償組的透鏡31與透鏡32的間距為6. 4mm ;后固定組的透鏡41與透鏡42的間距為13. 5mm ;前固定組與變倍組之間的間距為191. 8mm (長焦端)、223. 2mm (中焦端)、288. 9mm (短焦端)；變倍組與補償組之間的距離為97. 9mm (長焦端)、81. 9mm (中焦端)、25. 3mm (短焦端)；補償組與后固定組之間的距離為34. 7mm (長焦端)、19.4mm (中焦端)、10.3mm (短焦端)。采用平面反射鏡轉折光路后，按上述數據的光學系統(tǒng)總長將減小約一半。由圖I可見，該系統(tǒng)只采用了九片透鏡，除前固定組三片透鏡外，其余組都只有兩片分離的透鏡組成，且隨著焦距變化，變倍組與補償組的間距逐漸減小；每組采用透鏡分離的形式，且基本采用正透鏡高折射率、負透鏡低折射率材料的原則，減小場曲和色差；該系統(tǒng)相對孔徑大，球差明顯，在變倍組和后固定組像差敏感面分別采用高次非球面，減小球差；圖中可看出，光線在系統(tǒng)內6處進行了一次成像，可起到很好的雜光抑制效果和有效減小筒長的作用。參見附圖2，它是本實施例所述的光學系統(tǒng)分別在長焦、中焦、和短焦三個位置處的光線追跡點列圖，即目標物經變焦距光學成像系統(tǒng)后在其像平面上的情況。(a)圖為短焦·端(f = 100mm), (b)圖為中焦端(f = 200mm), (c)圖為長焦端(f = 300mm);圖中的圓圈是Airy斑，可見，系統(tǒng)在各焦距位置、各波長的不同視場處的點列圖都能落在Airy斑內，表示系統(tǒng)達到衍射極限的聚焦性能。參見附圖3，它是本實施例所述的光學系統(tǒng)分別在長焦、中焦、和短焦三個位置處的能量集中度曲線，(a)圖為短焦端(f= 100mm), (b)圖為中焦端(f = 200mm), (c)圖為長焦端(f = 300mm);橫坐標表示包圍圓半徑大小,縱坐標表示能量集中度數值，中波紅外探測器像元大小為30μπιΧ30μπι，由圖中可以看出，系統(tǒng)在各焦距位置、各視場處、單個探測器像元內的成像光束能量集中度都在80%以上，探測器可很好地探測到目標。附圖4是本實施例所述的光學系統(tǒng)分別在長焦、中焦、和短焦三個位置處的畸變曲線，(a)圖為短焦端(f = 100mm), (b)圖為中焦端(f = 200mm), (c)圖為長焦端(f =300mm);橫坐標是畸變數值，縱坐標表示視場?？梢姡诙探苟嘶冏畲?，小于2%。附圖5是本實施例所述的光學系統(tǒng)分別在長焦、中焦、和短焦三個位置處的像面照度分布曲線，(a)圖為短焦端(f= 100mm), (b)圖為中焦端(f = 200mm)，(c)圖為長焦端(f = 300mm);橫坐標是像高，縱坐標是像面中心至邊緣的照度分布情況?？梢?，在各焦距位置，像面上邊緣照度相對于中心點照度下降不到10%，表明像面上照度分布均勻。附圖6是本實施例所述的光學系統(tǒng)分別在長焦、中焦、和短焦三個位置處的調制傳遞函數曲線，(a)圖為短焦端(f= 100mm), (b)圖為中焦端(f = 200mm), (c)圖為長焦端(f = 300mm);橫坐標是空間頻率，縱坐標是光學函數值?？梢姡谔綔y器乃奎斯特頻率161p/mm處，光學系統(tǒng)的傳遞函數值均接近衍射極限，高于O. 4。
權利要求
1.一種長焦距大相對孔徑變焦距光學成像系統(tǒng)，其特征在于它為透射式光學系統(tǒng)，工作在中波紅外波段；所述光成像學系統(tǒng)的結構為同軸結構，包括安裝于一個鏡筒內的四個透鏡組，沿光線入射方向，依次為前固定組、變倍組、補償組和后固定組；平面反射鏡(5)置于前固定組與變倍組之間，與光軸成45度角； 所述前固定組，沿光線入射方向，依次為一塊第一正透鏡(11)、一塊負透鏡(12)和一塊第二正透鏡(13);所述各透鏡相對于變焦距成像光學系統(tǒng)長焦距的歸一化焦距依次對應為廣n,f^ 12、廣13，對應值范圍分別為I. 2彡/ 1.4、-2. 3彡廣12< -2. I和2.6 彡 /，13彡 2. 8 ; 所述變倍組，沿光線入射方向，依次為一塊負透鏡(21)和一塊正透鏡(22);各透鏡相對于變焦距成像光學系統(tǒng)長焦距的歸一化焦距依次對應為f，21、f，22，對應值范圍分別為-O. 4 < f\x < -O. 2和O. 15 < f\2 ( O. 3 ;所述變倍組的正透鏡(22)，其后表面為高次非球面，非球面系數包括四次方、六次方和八次方項，分別為e2224、e2226和e2228，取值范圍為3.8E_8 ^ e2224 ^ 4. 3E_8, _9. 80E_14 ^ e2226 ^ _9. 3E_14,0. 7E_17 ^ e2228 ^ I. 2E_17 ； 所述補償組，沿光線入射方向，依次為一塊負透鏡(31)和一塊正透鏡(32);各透鏡相對于變焦距成像光學系統(tǒng)長焦距的歸一化焦距依次對應為f，31、f，32，對應值范圍分別為-O. 7 彡 f，31 ( -O. 5 和 O. I 彡 32 彡 O. 3 ; 所述后固定組，沿光線入射方向，依次為一塊第一正透鏡(41)和一塊第二正透鏡(42);各透鏡相對于變焦距成像光學系統(tǒng)長焦距的歸一化焦距依次對應為和f，位;所述后固定組的第二正透鏡(42)，其后表面為高次非球面，非球面系數包括四次方、六次方、八次方和十次方項，分別為 e4224、e4226、e422i^P e4221(l,取值范圍分別為-I. 2E-6 ^ e4224 < ~0. 7E-6, _2·5E_10 ^ e4226 ^ _2. OE-IO, 3. 5Ε_13 ^ e4228 ^ 4. 0Ε_13, -2. 5Ε_16 ^ e4221(l ^ -2. 0Ε_16。
2.根據權利要求I所述的一種長焦距大相對孔徑變焦距光學成像系統(tǒng)，其特征在于所述前固定組的第一正透鏡(11)、負透鏡(12)和第二正透鏡(13)的折射率依次對應為nn,nl2和/ 13 ;所述變倍組的負透鏡(21)和正透鏡(22)的折射率依次對應為/ 21和/ 22 ;所述補償組的負透鏡(31)和正透鏡(32)的折射率依次對應為/ 31和/ 32 ;所述后固定組的第一正透鏡(41)和第二正透鏡(42)的折射率依次對應為/ 41和/ 42 ;它們對應的取值范圍分別為 3. 60 彡 Iill ( 4. 15,2. 21 ( n12 ( 2. 76,2. 32 ( nl j ( 2. 87,3. 70 ( n21 ( 4. 25、3. 83 ( n22 ( 4. 18,2. 30 ( η Λ ( 2. 75,3. 50 ( / 32 ( 4. 15,2. 31 ( n41 ( 2. 56 和3. 62 ^ / 42 < 4· 17。
3.根據權利要求I所述的一種長焦距大相對孔徑變焦距成像光學系統(tǒng)，其特征在于它為3倍連續(xù)變焦距光學成像系統(tǒng)，焦距變化范圍為IOOmm 300mm。
4.根據權利要求I所述的一種長焦距大相對孔徑變焦距成像光學系統(tǒng)，其特征在于它的光學筒長小于450mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種長焦距大相對孔徑變焦距光學系統(tǒng)，工作于中波紅外波段。它包括前固定組、變倍組、補償組和后固定組。系統(tǒng)共有九片透鏡組成，前固定組為三片透鏡，其余透鏡組均為兩片透鏡組成。通過采用特殊的紅外光學材料，并進行材料的合理的優(yōu)化組合，實現中波紅外寬波段內消色差。為使得光學系統(tǒng)在各成像位置均達到衍射極限的成像性能，在變倍組和后固定組中分別引入了一個非球面。為減小系統(tǒng)尺寸，設計中采用二次成像和平面反射鏡折疊光路等方法。本發(fā)明采用同軸透射式結構、采用透鏡片數少、加工容易、系統(tǒng)變焦范圍大、可探測距離大、相對孔徑大、能量利用率高、適用波段范圍寬、色差小、畸變小、像面照度分布均勻，成像性能優(yōu)。
文檔編號G02B15/173GK102879890SQ201210234119
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月6日 優(yōu)先權日2012年7月6日
發(fā)明者季軼群, 石榮寶, 賀虎成 申請人:蘇州大學