專利名稱：一種長波致冷紅外焦平面探測器變焦距透鏡系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種紅外變焦距透鏡系統(tǒng)，尤其涉及一種用于長波致冷紅外焦平 面探測器的變焦距透鏡系統(tǒng)。
背景技術：
傳統(tǒng)定焦距紅外鏡頭僅有一個固定焦距固定視場只能觀測一定范圍內的場景情 況，無法實現(xiàn)精確搜索、跟蹤的功能，大大限制其更廣泛的應用。而新型紅外雙視場光學系 統(tǒng)雖然可以實現(xiàn)小焦距寬視場的搜索和大焦距窄視場的跟蹤等功能，但是系統(tǒng)在兩個焦距 以外是不可成像的，在焦距變換過程中很容易導致目標的丟失。紅外變焦距透鏡系統(tǒng)可以 彌補上述非連續(xù)變焦系統(tǒng)在使用中的缺點。紅外連續(xù)變焦距透鏡系統(tǒng)是一種焦距可以連續(xù)變化而在變焦過程中像面保持穩(wěn) 定且像質保持良好的系統(tǒng)。變焦距系統(tǒng)在一定范圍內可以改變焦距從而可以得到不同大小 視場角、不同大小的影像和不同景物范圍，在民用和軍事方面都有重要的使用價值。根據(jù)變 焦過程中補償方式的不同可分為機械補償方式變焦距系統(tǒng)和光學補償方式變焦距系統(tǒng)。1.光學補償技術光學補償技術是利用幾個運動組元固定在一起作同方向同速 度的移動達到在變焦的同時能夠減少像面移動。其缺點是這種技術主要用于早期凸輪曲線技術不十分成熟且精細加工精度低的 條件下，整個變焦過程中只有幾個離散的點能夠達到像面平衡，可以說其并不屬于完全意 義上的連續(xù)變焦距系統(tǒng)。當今的變焦距系統(tǒng)幾乎都不使用光學補償技術。2.機械補償技術隨著電子計算機在光學設計中的普遍應用以及凸輪加工精度 的提高，機械補償技術得到了長足的發(fā)展。機械補償技術的變焦距系統(tǒng)一般含有前固定組、 變倍組、補償組和后固定組。變倍組作線性移動，補償組作相對少量非線性移動，以達到光 學系統(tǒng)既變倍而像面位置又穩(wěn)定的要求。機械補償技術是變焦系統(tǒng)主流的補償技術，可以在整個變焦過程中達到像面平衡 的目的，保證成像的連續(xù)性，在具體應用中保證搜索和跟蹤過程中不丟失目標，延伸其應用 領域，擴大適用范圍。其難點是凸輪曲線的繪制和機械加工過程中的精度保證。當今的紅外變焦距透鏡系統(tǒng)大部分應用于長波非致冷紅外焦平面探測器和中波 致冷紅外焦平面探測器，用于長波致冷紅外焦平面探測器的紅外變焦距透鏡系統(tǒng)的研究至 今還未見報道。系統(tǒng)的F數(shù)定義為焦距與光闌孔徑的比值，表征系統(tǒng)通光量大小的參數(shù)，在變焦 距系統(tǒng)中保持穩(wěn)定的F數(shù)可以使系統(tǒng)的靈敏度不變，有效提高其應用領域。
發(fā)明內容本實用新型的目的是提供一種恒定F數(shù)長波致冷紅外變焦距透鏡系統(tǒng)，可在焦距 30mm 90mm范圍內連續(xù)變焦，并實現(xiàn)100%的冷光闌效率，以解決熱成像系統(tǒng)空間小焦距、 寬視場的大范圍搜索監(jiān)控和大焦距、窄視場的跟蹤功能，提高熱成像系統(tǒng)的靈敏度。[0011]本實用新型所述的長波致冷紅外焦平面探測器變焦距透鏡系統(tǒng)的技術方案為由 前固定組透鏡、變焦組透鏡、補償組透鏡和后固定組透鏡組成，工作波段為8 12um，四組 透鏡的光焦度分配依次為正、負、正、正結構。前固定組透鏡的焦距范圍為20mm 50mm，變 焦組透鏡能軸向移動以調整光學系統(tǒng)的焦距，由于移動變焦組透鏡會產(chǎn)生32. 5mm的像面 偏移，導致同一個光學系統(tǒng)不能實現(xiàn)連續(xù)變焦，因此，通過補償組透鏡作非線性移動來達到 像面平衡，其移動范圍為變焦組透鏡調整焦距從30mm到90mm過程中，補償組透鏡與后固定 組透鏡的距離從60mm到31. 5mm，光線在變焦組透鏡和補償組透鏡之間成一次像。這種設 計可以有效地減小光學系統(tǒng)的重量和光軸方向和徑向的尺寸，并且有利于光學系統(tǒng)與紅外 探測器的匹配。后固定組透鏡使通過前固定組透鏡、變焦組透鏡、補償組透鏡的光線聚焦于 紅外探測器焦平面，焦距選取25mm時可以縮短光學系統(tǒng)的總長，并且補償光學系統(tǒng)產(chǎn)生的 像差。光學系統(tǒng)在長焦時，孔徑光闌與前固定組透鏡共軛，這樣可以減小前固定組透鏡的孔 徑，降低成本。本實用新型采用機械補償方式，變焦組透鏡和補償組透鏡的運動曲線平滑， 在系統(tǒng)變焦過程中無卡滯現(xiàn)象。光學系統(tǒng)所有透鏡全部采用光學鍺單晶材料。為了便于與 致冷型紅外焦平面探測器結構相匹配，提高整個系統(tǒng)的靈敏度及成像質量，減少雜散光對 系統(tǒng)的干擾，系統(tǒng)的孔徑光闌與致冷型紅外焦平面探測器的冷光闌重合以達到100%冷光 闌效率。前固定組透鏡的前表面、變焦組透鏡的后表面、補償組透鏡的前表面和后固定組 透鏡的后表面采用偶次非球面，并且變焦組透鏡和后固定組透鏡的非球面上疊加二元衍射 面。上述非球面及二元衍射面(DOE)的使用可以消除球差、彗差、像散、色差等像差，大幅度 提高像質量，簡化系統(tǒng)。本實用新型經(jīng)試用證明光學系統(tǒng)結構緊湊、重量輕、調焦過程平滑無卡滯，系統(tǒng) 可在焦距30mm 90mm范圍內連續(xù)變焦并且獲得良好的成像質量。各個視場成像質量接近 衍射極限，并且具有100%的冷光闌效率，解決了熱成像系統(tǒng)空間小焦距、寬視場的大范圍 搜索監(jiān)控和大焦距、窄視場的跟蹤功能，并且由于連續(xù)變焦而不會丟失觀測目標，大大提高 了紅外熱成像系統(tǒng)的應用范圍。系統(tǒng)具備體積小、重量輕、結構緊湊、可靠性高等優(yōu)點。

圖1為本實用新型的光學結構圖；圖2為本實用新型在焦距為90mm時的光學結構圖；圖3為本實用新型在焦距為60mm時的光學結構圖；圖4為本實用新型在焦距為30mm時的光學結構圖。圖5為本實用新型在焦距為90mm時的調制傳遞函數(shù)圖；圖6為本實用新型在焦距為60mm時的調制傳遞函數(shù)圖；圖7為本實用新型在焦距為30mm時的調制傳遞函數(shù)圖。圖中，1為前固定組透鏡，2為變焦組透鏡，3為補償組透鏡，4為后固定組透鏡，5為 紅外致冷探測器窗口，6為冷光闌，7是探測器窗口，8為探測器焦平面陣列，dl為前固定組 透鏡與變焦組透鏡的距離，d2為變焦組透鏡與補償組透鏡的距離，d3為補償組透鏡與后固 定組透鏡的距離。
具體實施方式

以下結合附圖，通過實施例對本實用新型作進一步的詳細說明。如圖1所示，本實用新型所述的長波致冷紅外焦平面探測器變焦距透鏡系統(tǒng)由正 光焦度的前固定組透鏡1、負光焦度的變焦組透鏡2、正光焦度的補償組透鏡3和正光焦度 的后固定組透鏡4四片折射式透鏡組成，四片透鏡全部采用鍺材料，工作波段為8 12um。 前固定組透鏡1的前表面鍍類金剛石硬碳膜層進行保護，其余透鏡表面鍍高效增透膜。前 固定組透鏡1的前表面、變焦組透鏡2的后表面、補償組透鏡3的前表面和后固定組透鏡4 的后表面采用偶次非球面，并且變焦組透鏡2和后固定組透鏡4的非球面上疊加二元衍射 面。前固定組透鏡1的后表面、變焦組透鏡2的前表面、補償組透鏡3的后表面和后固定組 透鏡4的前表面皆采用普通球面。偶次非球面的方程為
權利要求一種長波致冷紅外焦平面探測器變焦距透鏡系統(tǒng)，其特征在于由前固定組透鏡(1)、變焦組透鏡(2)、補償組透鏡(3)和后固定組透鏡(4)組成，工作波段為8～12um，四組透鏡的光焦度分配依次為正、負、正、正結構，所有透鏡全部采用光學鍺單晶材料，前固定組透鏡(1)的前表面、變焦組透鏡(2)的后表面、補償組透鏡(3)的前表面和后固定組透鏡(4)的后表面采用偶次非球面，并且變焦組透鏡(2)和后固定組透鏡(4)的非球面上疊加二元衍射面，透鏡其余光學工作表面采用普通球面。
2.根據(jù)權利要求1所述的長波致冷紅外焦平面探測器變焦距透鏡系統(tǒng)，其特征在于 前固定組透鏡(1)的焦距范圍為20mm 50mm，變焦組透鏡(2)的調焦范圍為30mm 90mm。
3.根據(jù)權利要求1所述的長波致冷紅外焦平面探測器變焦距透鏡系統(tǒng)，其特征在于 補償組透鏡⑶作非線性移動，其移動范圍為變焦組透鏡⑵調整焦距從30mm到90mm過程 中，補償組透鏡⑶與后固定組透鏡⑷的距離從60mm到31. 5mm，光線在變焦組透鏡⑵ 和補償組透鏡(3)之間成一次像。
4.根據(jù)權利要求1所述的長波致冷紅外焦平面探測器變焦距透鏡系統(tǒng)，其特征在于 光學系統(tǒng)在長焦時，孔徑光闌與前固定組透鏡(1)共軛。
專利摘要一種長波致冷紅外焦平面探測器變焦距透鏡系統(tǒng)，由前固定組透鏡、變焦組透鏡、補償組透鏡和后固定組透鏡組成，工作波段為8～12μm，四組透鏡的光焦度分配依次為正、負、正、正結構，透鏡全部采用光學鍺單晶材料并采用非球面及二元衍射面設計，使結構緊湊、重量輕、調焦過程平滑無卡滯，系統(tǒng)可在焦距30mm～90mm范圍內連續(xù)變焦并獲得良好的成像質量，各個視場成像質量接近衍射極限，并且具有100％的冷光闌效率，解決了熱成像系統(tǒng)空間小焦距、寬視場的大范圍搜索監(jiān)控和大焦距、窄視場的跟蹤功能，并且由于連續(xù)變焦而不會丟失觀測目標，大大提高了紅外熱成像系統(tǒng)的應用范圍。
文檔編號G02B3/02GK201732204SQ201020257998
公開日2011年2月2日 申請日期2010年7月14日 優(yōu)先權日2010年7月14日
發(fā)明者丁黎梅, 張瑩昭, 李洪兵, 李茂忠, 王喬方, 白玉琢, 陳勇林, 陳驥 申請人:昆明物理研究所