一种小型轻量化中波连续变焦制冷红外光学系统的制作方法

1.本发明涉及一种小型轻量化中波连续变焦制冷红外光学系统，属于中波连续变焦制冷红外光学系统技术领域。


背景技术：

2.近年来红外热成像技术飞速发展，在军事、工业以及民用领域有着广泛应用。中波制冷探测器灵敏度高，价格较同类型长波探测器具有明显优势，可搭配多视场镜头或连续变焦镜头实现短焦端大视场搜索以及长焦端小视场的跟踪识别功能。
3.市面上现有大倍率连续变焦中波制冷光学系统主要是直线型和折叠式u型两种结构。直线型为实现大倍率变焦通常整体光路较长，整机较为笨重；折叠式u型结构通过增加反射镜将光路折叠，减少横向长度，但也增加了系统纵向尺寸，同时反射镜的装调较为复杂，整机很难做到小型轻量化。在手持热像仪和机载光电吊舱等系统中对镜头的体积、重量都有较严格限制，因此中波连续变焦镜头的小型化、轻量化符合市场要求和技术发展的方向。


技术实现要素：

4.本发明提供一种焦距为19mm～200mm、具有10.5倍变倍比、f#为4.0的小型轻量化的中波制冷连续变焦光学系统。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
6.一种小型轻量化中波连续变焦制冷红外光学系统，从物方到像方依次由固定组g1、变倍组g2、补偿组g3和中继组g4组成；
7.固定组g1由第一透镜、第二透镜和第三透镜组成，第一透镜为具有正光焦度、且凸面弯向物方的弯月形非球面透镜，第二透镜为具有负光焦度、且凸面弯向物方的弯月形非球面透镜，第三透镜为具有正光焦度、且凸面弯向物方的弯月形非球面透镜；
8.变倍组g2由第四透镜组成，第四透镜为具有负光焦度的双凹非球面透镜；
9.补偿组g3由第五透镜组成，第五透镜为具有正光焦度的双凸衍射透镜；
10.中继组g4由第六透镜、第七透镜和第八透镜组成，第六透镜为具有正光焦度、且凸面弯向像方的弯月形非球面透镜，第七透镜为具有负光焦度、且凸面弯向像方的弯月形非球面透镜，第八透镜为具有正光焦度、且凸面弯向像方的弯月形非球面透镜。
11.上述光学系统采用二次成像方式，由变倍组和中继组构成光学系统，以减小镜片口径，采用机械补偿变焦设计，由前固定组、负变焦组、正补偿组成，并在变焦部分取消后固定组以减少镜片数量，整个光学系统共8个镜片组成，镜片数量少，总重轻。
12.上述小型轻量化中波连续变焦制冷红外光学系统，通过变倍组g2线性运动进行焦距变倍，补偿组g3通过曲线运动保证像面稳定,保持总长不变。也即本连续变焦光学系统采用负组变倍、正组补偿的机械变焦结构设计，通过改变变倍组g2与补偿组g3的相对位置实现焦距的变倍，在变倍的过程中保持光学系统的像面稳定和光学总长不变。运动的实现采
用现有技术即可，本技术对此没有特别改进，因此不再赘述。
13.为了提高成像品质，设光学系统最小焦距为fn,其中，固定组g1焦距fg1与最小焦距fn满足：0.4≤fg1/fn≤0.42，变倍组g2焦距fg2与最小焦距fn满足：
‑
0.42≤fg2/fn≤
‑
0.4，补偿组g3焦距fg3与最小焦距fn满足：0.45≤fg3/fn≤0.48，中继组g4的放大倍率满足：2.8≤β≤2.9。
14.优选，设光学系统最大焦距为fm,光学总长为t,光学系统总长(从第一镜片到像面距离)与光学系统最大焦距之比满足t/fm≤0.5。
15.为了进一步提高成像品质，第一镜片到第八镜片的焦距依次为f1，f2，f3，f4,f5,f6,f7,f8；4.4≤f1/fn≤4.5；
‑
3.8≤f2/fn≤
‑
3.9；2.3≤f3/fn≤2.4；
‑
0.42≤f4/fn≤
‑
0.4；0.4≤f5/fn≤0.5；0.2≤f6/fn≤0.3；
‑
0.3≤f7/fn≤
‑
0.2；0.3≤f8/fn≤0.4。
16.为使光学系统获得比较好的成像质量，第一透镜为硅透镜；第二透镜为锗透镜；第三透镜为硅透镜；第四透镜为锌透镜；第五透镜为硅透镜；第六透镜为硅透镜；第七透镜为硫系irg209透镜；第八透镜为硅透镜。
17.从物方到像方，第一透镜的两侧面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两侧面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两侧面依次为第三物侧面和第三像侧面，第四透镜的两侧面依次为第四物侧面和第四像侧面，第五透镜的两侧面依次为第五物侧面和第五像侧面，第六透镜的两侧面依次为第六物侧面和第六像侧面，第七透镜的两侧面依次为第七物侧面和第七像侧面，第八透镜的两侧面依次为第八物侧面和第八像侧面。
18.为使光学系统获得比较好的成像质量，光学系统中使用非球面减小包括色差在内的多种像差，第一物侧面为球面，第一像侧面为非球面；第二物侧面为球面，第二像侧面为非球面；第三物侧面为非球面，第三像侧面为非球面；第四物侧面为球面，第四像侧面为非球面；第五物侧面为衍射面，第五像侧面为非球面；第六物侧面为球面，第六像侧面为非球面；第七物侧面为非球面，第七像侧面为球面；第八物侧面为非球面，第八像侧面为球面。
19.本技术所采用的非球面方程为：
[0020][0021]
其中，za：非球面沿光轴方向的透镜矢高；r：表面与光轴oo’交点处的曲率半径；y：透镜垂直于光轴方向的半口径；k：圆锥系数；a、b、c、d非球面系数；
[0022]
本技术所采用的衍射面方程为：
[0023]
φ＝a1y2 a2y4 a3y6[0024]
其中，φ：为衍射面的位相；y：透镜垂直于光轴方向的半口径；a1、a2、a3衍射面位相系数。
[0025]
为了进一步提升像质，第一物侧面的曲率半径为39.460
±
0.02mm，第一像侧面的曲率半径为42.0762
±
0.02mm；第二物侧面的曲率半径为40.5750
±
0.02mm，第二像侧面的曲率半径为32.2593
±
0.02mm；第三物侧面的曲率半径为25.3772
±
0.02mm，第三像侧面的曲率半径为29.8201
±
0.02mm；第四物侧面的曲率半径为
‑
30.5782
±
0.02mm，第四像侧面的曲率半径为17.5055
±
0.02mm；第五物侧面的曲率半径为26.2993
±
0.02mm，第五像侧面的曲率半径为
‑
103.4469
±
0.02mm；第六物侧面的曲率半径为
‑
30.4500
±
0.02mm，第六像侧面
的曲率半径为
‑
9.0352
±
0.02mm；第七物侧面的曲率半径为
‑
8.6411
±
0.02mm，第七像侧面的曲率半径为
‑
43.5977
±
0.02mm；第八物侧面的曲率半径为
‑
28.1993
±
0.02mm，第八像侧面的曲率半径为
‑
11.6357
±
0.02mm。
[0026]
第一透镜的中心厚度为5.8
±
0.01mm；第二透镜的中心厚度为3.05
±
0.01mm；第三透镜的中心厚度为3.8
±
0.01mm；第四透镜的中心厚度为1.00
±
0.01mm；第五透镜的中心厚度为2.37
±
0.01mm；第六透镜的中心厚度为1.52
±
0.01mm；第七透镜的中心厚度为1.00
±
0.01mm；第八透镜的中心厚度为3.12
±
0.01mm；第一透镜与第二透镜之间的中心间隔为0.35
±
0.01mm；第二透镜与第三透镜之间的中心间隔为1.25
±
0.01mm；第三透镜与第四透镜之间的中心间隔为移动量z1；第四透镜与第五透镜之间的中心间隔为移动量z2；第五透镜与第六透镜之间的中心间隔为z3＝64.39
‑
z1
‑
z2；第六透镜与第七透镜之间的中心间隔为1.17
±
0.01mm；第七透镜与第八透镜之间的中心间隔为1.40
±
0.01mm。
[0027]
上述小型轻量化中波连续变焦制冷红外光学系统，焦距为19mm～200mm,具有10.5倍变倍比，f#4.0。
[0028]
本发明未提及的技术均参照现有技术。
[0029]
本发明小型轻量化中波连续变焦制冷红外光学系统，具有小型化，轻量化的特征：
[0030]
1)光学系统总长短，光学系统从第一片镜片到最后一片镜片总长为72.6mm，光学系统总长(从第一镜片到像面距离)与光学系统最大焦距之比t/fm≤0.5。
[0031]
2)光学系统口径小、镜片数量少，总重轻，本发明镜片总数为8片，采用二次成像设计减小最大镜片口径，最大镜片口径仅为54mm；采用折衍混合设计方式，并采用大量非球面设计减少镜片数量，减轻系统总重量，像质优良，同时非球面面型平缓平滑，有利于非球面加工，提高产品良率。
附图说明
[0032]
图1为本发明小型轻量化中波连续变焦制冷红外光学系统示意图；
[0033]
图2为本发明小型轻量化中波连续变焦制冷红外光学系统的大视场的结构状态示意图；
[0034]
图3为本发明小型轻量化中波连续变焦制冷红外光学系统的中间视场的结构状态示意图；
[0035]
图4为本发明小型轻量化中波连续变焦制冷红外光学系统的窄视场的结构状态示意图；
[0036]
图5为本发明小型轻量化中波连续变焦制冷红外光学系统的大视场传递函数曲线图；
[0037]
图6为本发明小型轻量化中波连续变焦制冷红外光学系统的中间视场传递函数曲线图；
[0038]
图7为本发明小型轻量化中波连续变焦制冷红外光学系统的窄视场传递函数曲线图；
[0039]
图中，g1为固定组，g2为变倍组，g3为补偿组，g4为中继组，l1为第一透镜，l2为第二透镜，l3为第三透镜，l4为第四透镜，l5为第五透镜，l6为第六透镜，l7为第七透镜，l8为第八透镜，a为物方，b为像方。
具体实施方式
[0040]
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0041]
如图1
‑
4所示，一种小型轻量化中波连续变焦制冷红外光学系统，从物方到像方依次由固定组g1、变倍组g2、补偿组g3和中继组g4组成；
[0042]
固定组g1由第一透镜、第二透镜和第三透镜组成，第一透镜为具有正光焦度、且凸面弯向物方的弯月形非球面透镜，第二透镜为具有负光焦度、且凸面弯向物方的弯月形非球面透镜，第三透镜为具有正光焦度、且凸面弯向物方的弯月形非球面透镜；
[0043]
变倍组g2由第四透镜组成，第四透镜为具有负光焦度的双凹非球面透镜；
[0044]
补偿组g3由第五透镜组成，第五透镜为具有正光焦度的双凸衍射透镜；
[0045]
中继组g4由第六透镜、第七透镜和第八透镜组成，第六透镜为具有正光焦度、且凸面弯向像方的弯月形非球面透镜，第七透镜为具有负光焦度、且凸面弯向像方的弯月形非球面透镜，第八透镜为具有正光焦度、且凸面弯向像方的弯月形非球面透镜。
[0046]
上述连续变焦光学系统采用负组变倍、正组补偿的机械变焦结构设计，通过改变变焦组g2与补偿组g3的相对位置实现焦距的变倍，在变倍的过程中保持光学系统的像面稳定和光学总长不变。
[0047]
设光学系统最小焦距为fn,其中，固定组g1焦距fg1与最小焦距fn满足：0.4≤fg1/fn≤0.42，变倍组g2焦距fg2与最小焦距fn满足：
‑
0.42≤fg2/fn≤
‑
0.4，补偿组g3焦距fg3与最小焦距fn满足：0.45≤fg3/fn≤0.48，中继组g4的放大倍率满足：2.8≤β≤2.9。
[0048]
设光学系统最大焦距为fm,光学总长为t,光学系统总长与光学系统最大焦距之比满足t/fm≤0.5。
[0049]
第一镜片到第八镜片的焦距依次为f1，f2，f3，f4,f5,f6,f7,f8；4.4≤f1/fn≤4.5；
‑
3.8≤f2/fn≤
‑
3.9；2.3≤f3/fn≤2.4；
‑
0.42≤f4/fn≤
‑
0.4；0.4≤f5/fn≤0.5；0.2≤f6/fn≤0.3；
‑
0.3≤f7/fn≤
‑
0.2；0.3≤f8/fn≤0.4。
[0050]
表1光学系统的技术指标
[0051][0052][0053]
表2光学系统具体光学参数：
[0054][0055]
表2中，曲率半径是指每个镜片表面的曲率半径，厚度或间隔是指镜片厚度或相邻镜片表面距离，材料是镜片所用材料，空气是指两个透镜之间介质为空气。从物方到像方，第一透镜l1的两侧面依次为第一物侧面s1和第一像侧面s2，第二透镜l2的两侧面依次为第二物侧面s3和第二像侧面s4，第三透镜l3的两侧面依次为第三物侧面s5和第三像侧面s6，第四透镜l4的两侧面依次为第四物侧面s7和第四像侧面s8，第五透镜l5的两侧面依次为第五物侧面s9和第五像侧面s10，第六透镜l6的两侧面依次为第六物侧面s11和第六像侧面s12，第七透镜l7的两侧面依次为第七物侧面s13和第七像侧面s14，第八透镜l8的两侧面依次为第八物侧面s15和第八像侧面s16。
[0056]
为使光学系统获得比较好的成像质量，光学系统中使用非球面减小包括色差在内的多种像差。
[0057]
表3各侧面的非球面系数
[0058][0059]
表3中各表面所采用的非球面方程为：
[0060][0061]
其中各量的含义如下：
[0062]
za：非球面沿光轴方向的透镜矢高；
[0063]
r：表面与光轴oo’交点处的曲率半径；
[0064]
y：透镜垂直于光轴方向的半口径；
[0065]
k：圆锥系数；
[0066]
a、b、c、d非球面系数。
[0067]
表4各侧面的衍射面系数
[0068][0069]
表4所采用的衍射面方程为：
[0070]
φ＝a1y2 a2y4 a3y6[0071]
其中：
[0072]
φ：为衍射面的位相；
[0073]
y：透镜垂直于光轴方向的半口径；
[0074]
a1、a2、a3衍射面位相系数。
[0075]
表5在不同焦距状态下，z1和z2距离
[0076][0077]
如附图1所示，光学系统从第一片镜片到最后一片镜片总长为72.6mm，光学系统总长(从第一镜片到像面距离)与光学系统最大焦距之比t/fm≤0.5，最大镜片口径仅为54mm。
[0078]
如附图2～4所示，分别为本光学系统在大视场、中间视场、窄视场三种工作状态下的结构示意图。
[0079]
如附图5～7所示，分别为本光学系统在大视场、中间视场、窄视场三种工作状态下的光学传递函数曲线图，17lp的传函值均大于0.4，具有优良的成像质量。