一種雙組聯(lián)動紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種雙組聯(lián)動紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外成像系統(tǒng)具有全天候工作、無需輔助照明等優(yōu)點，在告警、偵察和制導(dǎo)等軍事 領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。對于軍用設(shè)備，通常地面上的主要目標為地面掩體、工廠、大壩、坦 克、裝甲運輸車、汽車與士兵等。這些目標表面溫度一般不高，輻射能量小，熱輻射的峰值集 中在長波紅外波段。此外，在大氣傳輸過程中紅外線易被物質(zhì)所吸收，但對于薄霧來說，長 波紅外更容易通過，這樣，相對于中波(3μπι~5μπ0紅外，長波紅外成像系統(tǒng)在探測識別方面 更具優(yōu)勢。
[0003]紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)是通過改變透鏡組之間的間隔來實現(xiàn)的，按像面補償方式的不 同，通常分為光學(xué)補償和機械補償兩種。光學(xué)補償式變焦系統(tǒng)，因移動組同時擔(dān)負變倍與補 償?shù)墓δ?，不易實現(xiàn)大變倍比的變焦系統(tǒng);機械補償式變焦系統(tǒng)，系統(tǒng)組元之間變化的間隔 較少，系統(tǒng)總體長度較長，不易實現(xiàn)小型化。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種雙組聯(lián)動紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有的光學(xué) 系統(tǒng)不易實現(xiàn)大變倍比的問題。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括一種雙組聯(lián)動紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，包括 從物方到像方沿光軸依次設(shè)置的前固定組、第一變倍組、補償組、第二變倍組和后固定組， 所述第一變倍組和第二變倍組同方向、同速度在光軸上做軸向線性運動，所述補償組在光 軸上以相對方向做軸向非線性運動，以實現(xiàn)連續(xù)變焦。
[0006] 所述前固定組為一個前固定透鏡，該前固定透鏡為凸面朝向物方的彎月形正透 鏡;第一變倍組為第一變倍透鏡，該第一變倍透鏡為一個雙凹負透鏡;補償組為一個補償透 鏡，該補償透鏡為一個凸面朝向物方的彎月形正透鏡;第二變倍組為第二變倍透鏡，該第二 變倍透鏡為一個凸面朝向物方的彎月形負透鏡;所述后固定組由依次設(shè)置的第一后固定組 和第二后固定組構(gòu)成，所述第一后固定組由依次設(shè)置的第一后固定透鏡和第二后固定透鏡 構(gòu)成，所述第二后固定組由依次設(shè)置的第三后固定透鏡和第四后固定透鏡構(gòu)成，所述第一 后固定透鏡為一個凹面朝向物方的彎月形正透鏡，所述第二后固定透鏡為一個凹面朝向物 方的彎月正透鏡，所述第三后固定透鏡為凹面朝向物方的彎月形正透鏡，所述第四后固定 透鏡為一個凹面朝向物方的彎月形負透鏡。
[0007] 該光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)指標為：波段:7 · 7μπι~9 · 5μL?;焦距：f' = 33mm~500mm;視 場：20.62°~1.38。
[0008] 所述光學(xué)系統(tǒng)還包括一個探測器，所述探測器為像元數(shù):320 X 256，像元尺寸為30 ym，F(xiàn)#為3的長波制冷型探測器。
[0009]所述前固定透鏡的靠近物方的表面、補償透鏡的靠近像方的表面和第三后固定透 鏡的靠近物方的表面為非球面。
[0010]所述前固定透鏡、第一變倍透鏡、第二變倍透鏡、第一后固定透鏡、第三后固定透 鏡和第四后固定透鏡的材料為單晶鍺，所述補償透鏡和第二后固定透鏡的材料為硒化鋅。 [0011]所述前固定透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為148.72_，靠近像方的表面的曲 率半徑為206.69mm;第一變倍透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為-552.84mm，靠近像方的 表面的曲率半徑為122.92mm;補償透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為63.70mm，靠近像方 的表面的曲率半徑為75.84mm;第二變倍透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為40.48mm，靠 近像方的表面的曲率半徑為31.42mm;第一后固定透鏡的靠近物方的表面的曲率半徑為-47.25mm，靠近像方的表面的曲率半徑為-50.22mm;第二后固定透鏡的靠近物方的表面的曲 率半徑為-193.95mm，靠近像方的表面的曲率半徑為-84.76mm;第三后固定透鏡的靠近物方 的表面的曲率半徑為24.15mm，靠近像方的表面的曲率半徑為44.41mm;第四后固定透鏡的 靠近物方的表面的曲率半徑為65.58mm，靠近像方的表面的曲率半徑為26.54_。
[0012]所述前固定透鏡的厚度為14mm，第一變倍透鏡的厚度為3.85mm，補償透鏡的厚度 為10mm，第二變倍透鏡的厚度為8.86mm，第一后固定透鏡的厚度為4mm，第二后固定透鏡的 厚度為3.5mm，第三后固定透鏡的厚度為5.12_，第四后固定透鏡的厚度為5mm;前固定透鏡 與第一變倍透鏡之間的間隔為20mm~93.24mm，第一變倍透鏡與補償透鏡之間的間隔為 0.76mm~135mm，補償透鏡與第二變倍透鏡之間的間隔為2mm~136.23mm，第二變倍透鏡與 第一后固定透鏡之間的間隔為7.04mm~80.29mm，第一后固定透鏡與第二后固定透鏡之間 的間隔為〇. 5mm，第三后固定透鏡與第四后固定透鏡之間的間隔為3mm。
[0013]所述第二后固定透鏡與第三后固定透鏡之間的光路上設(shè)置有兩個反射鏡，第二后 固定透鏡射出的光線依次經(jīng)這兩個反射鏡的反射后射入到第三后固定透鏡中；第二后固定 透鏡與第一反射鏡之間的間隔為20mm，第一反射鏡與第二反射鏡之間的間隔為100mm，第二 反射鏡與第三后固定透鏡之間的間隔為20_。
[0014] 本發(fā)明提供的光學(xué)系統(tǒng)中，兩個變倍組之間設(shè)置有一個補償組，在變倍時，這兩個 變倍組同方向、同速度沿著光軸做軸向線性移動，而補償組沿著與變倍組相反的方向、沿光 軸做軸向非線性移動，通過這種運動方式實現(xiàn)連續(xù)變焦，實現(xiàn)短焦、中焦和長焦的隨意變 換，所以，該光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大變倍比;并且，該光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡個數(shù)較少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡 單，不復(fù)雜，易實現(xiàn)小型化。在不需要增加移動組元及系統(tǒng)控制難度的同時，可以減少系統(tǒng) 鏡片數(shù)量、實現(xiàn)小型化同時能夠提高光學(xué)系統(tǒng)的變倍比。
【附圖說明】
[0015] 圖1是雙組聯(lián)動紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2是光學(xué)系統(tǒng)變倍組和補償組之間的移動過程示意圖；
[0017]圖3是光學(xué)系統(tǒng)在短焦狀態(tài)下的透鏡位置關(guān)系示意圖；
[0018]圖4是光學(xué)系統(tǒng)在中焦狀態(tài)下的透鏡位置關(guān)系示意圖；
[0019]圖5是光學(xué)系統(tǒng)在長焦狀態(tài)下的透鏡位置關(guān)系示意圖；
[0020]圖6是光學(xué)系統(tǒng)在短焦狀態(tài)下的傳遞函數(shù)圖；
[0021 ]圖7是光學(xué)系統(tǒng)在中焦狀態(tài)下的傳遞函數(shù)圖；
[0022]圖8是光學(xué)系統(tǒng)在長焦狀態(tài)下的傳遞函數(shù)圖；
[0023] 圖9是光學(xué)系統(tǒng)在短焦狀態(tài)下的場曲畸變圖；
[0024] 圖10是光學(xué)系統(tǒng)在中焦狀態(tài)下的場曲畸變圖；
[0025]圖11是光學(xué)系統(tǒng)在長焦狀態(tài)下的場曲畸變圖；
[0026] 圖12是光學(xué)系統(tǒng)在短焦狀態(tài)下的點列圖；
[0027] 圖13是光學(xué)系統(tǒng)在中焦狀態(tài)下的點列圖；
[0028] 圖14是光學(xué)系統(tǒng)在長焦狀態(tài)下的點列圖；
[0029]圖15是光學(xué)系統(tǒng)變焦曲線圖；
[0030]圖16是光學(xué)系統(tǒng)凸輪運動曲線圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
[0032] 如圖1所示，雙組聯(lián)動紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)包括從物方到像方沿光軸依次設(shè)置 的前固定組、第一變倍組、補償組、第二變倍組和后固定組，其中，前固定組為前固定透鏡A， 第一變倍組為變倍透鏡B-1，補償組為補償透鏡C，第二變倍組為變倍透鏡B-2。如圖2所示， 在變焦時，變倍透鏡B-1和變倍透鏡B-2在光軸上做同方向、同速度的軸向線性運動，以實現(xiàn) 系統(tǒng)焦距的變化;補償透鏡C在光軸上沿相對方向做軸向非線性運動，以補償變焦過程中像 面位移，從而保持系統(tǒng)像面穩(wěn)定，即補償透鏡C與兩個變倍透鏡的運動方向時刻相反，比如： 當(dāng)變倍透鏡B-1和變倍透鏡B-2向左運動時，補償透鏡C向右運動。另外，為了便于實現(xiàn)變倍 透鏡B-1和變倍透鏡B-2做同方向、同速度的運動，可以將這兩個變倍透鏡固聯(lián)在一起。
[0033] 該變焦系統(tǒng)在焦距的變化過程中，變倍組與補償組的相對位置是一一對應(yīng)的，補 償組的非線性運動取決于決變倍組的線性運動。變倍組線性運動的斜率不同則補償組的非 線性曲線就不同。因此，在變倍組與補償組二者相對位移保持不變的情況下，以及能夠?qū)崿F(xiàn) 連續(xù)變焦的前提下，變倍組和補償組可以有不同的運動曲線。另外，這在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時需 要考慮如何降低運動過程中的摩擦力，從而優(yōu)化出最佳運動曲線。
[0034] 該光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)指標為：波段：7·7μηι~9·5μηι;焦距：f =33mm~500mm;視 場:20.62°~1.38;并且，其適配像元數(shù):320 X 256，像元尺寸為30ym，F(xiàn)#為3的長波制冷型探 測器。
[0035] 在本實施例中，后固定組包括依次設(shè)置的后固定組D和后固定組F，其中，后固定組 D包括依次設(shè)置的兩個透鏡，后固定透鏡D-1和后固定透鏡D-2;后固定組F包括依次設(shè)置的 兩個透鏡，后固定透鏡F-1和后固定透鏡F-2。另外，為了適應(yīng)機載光電設(shè)備對紅外光學(xué)系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)不能太長的要求，該光學(xué)系統(tǒng)中引入兩個折疊反射鏡:反射鏡E-1和反射鏡E-2,這兩個 反射鏡設(shè)置在后固定透鏡D-2和后固定透鏡F-1之間，后固定透鏡D-2射出的光線依次經(jīng)這 兩個反射鏡的反射后射入到后固定透鏡F-1中。這兩個反射鏡對光路進行兩次轉(zhuǎn)折，形成 "U"型結(jié)構(gòu)，縮短了系統(tǒng)長度。
[0036] 本實施例中，透鏡A為一個凸面朝向物方的彎月形正透鏡，透鏡B-1為一個雙凹負 透鏡，透鏡C為一個凸面朝向物方的彎月形正透鏡，透鏡B-2為一個凸面朝向物方的彎月形 負透鏡，透鏡D-1為一個凹面朝向物方的彎月形正透鏡，透鏡D-2為一個凹面朝向物方的彎 月正透鏡。折疊反射鏡E-1與光軸成45°放置，折疊反射鏡E-2與光軸成45°放置，通過這兩個 反射鏡的反射，能夠使光路的方向改變180°。透鏡F-1為一個凹面朝向物方的彎月形正透 鏡，透鏡F-2為一個凹面朝向物方的彎月形負透鏡。
[0037] 光線從正透鏡A、負透