两组元三视场红外光学系统及其视场变换方法
【专利摘要】本发明涉及两组元三视场红外光学系统及其视场变换方法，系统包括探测器、会聚透镜组、折转反射镜组、固定透镜组、补偿透镜组、变倍透镜组和前组红外物镜，变倍透镜组或补偿透镜组轴向移动来实现窄、中、宽视场的变换；通过对变倍透镜组和补偿透镜组分别使用光学补偿法变焦原理实现三视场，显著地简化采用三组元或四组元系统实现三视场的机构复杂程度；既能够保证光学系统高的光轴精度和高的光学透过率，又能显著地简化机构复杂程度，使红外三视场同时具有高的成像质量及效果，并且大、中、窄光学视场的相互转换只需移动一组透镜既可实现，透镜组到位精度高、到位时间短、不同视场光轴一致性高、控制简单、可靠性高、运动机构简单。
【专利说明】两组元三视场红外光学系统及其视场变换方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于红外光学【技术领域】，涉及一种基于光学补偿法的两组元三视场红外光 学系统及其视场变换方法。
【背景技术】
[0002] 光学补偿法变焦系统是在保持光学系统中一部分透镜位置不变，另一部分用作变 倍和补偿的透镜组采用机械的方法相对固连在一起，该部分透镜组沿光轴方向按一定规律 移动实现光学系统焦距的改变。
[0003] 按照光学补偿法变焦理论对于无限远物体成像，如果由分离的透镜组组成的光学 补偿式变焦光学系统存在η个间隔，就会有η个焦距的像面处在同一个位置。
[0004] 采用光学补偿法实现三视场光学系统，必须存在至少3个间隔，也就是说必须采 用三组元系统或四组元系统才能实现三视场变焦距光学系统。计算组元数目是从最后一个 变倍镜组向左去数，有几个透镜组就有几个完全补偿像面偏移的点，即像面位置一致的个 数与组元数目一样。
[0005] 根据光学补偿法变焦距理论，三组元或四组元系统才能实现三视场光学系统，两 组元系统只能实现双视场光学系统，不能够实现三视场光学系统。并且采用三组元或四组 元系统实现三视场光学系统时，由于移动组中间存在固定组，造成机构设计复杂、重量重， 控制系统负载较大，不易控制。
[0006] 现有的申请号为201210535594. 7的中国专利申请：一种轴向变焦三视场红外 光学系统，该红外光学系统包括探测器、会聚透镜组、折转反射镜组、固定透镜组、补偿透镜 组、变倍透镜组和前组红外物镜，前组红外物镜、变倍透镜组、补偿透镜组和固定透镜组依 次共轴设置在探测光路中，折转反射镜组设置在该探测光路中，会聚透镜组设置在折转反 射镜组的反射光路上，各光学参数满足高斯光学计算，探测器设置在会聚透镜组会聚光路 上，补偿透镜组和变倍透镜组上设置有驱动电机，该光学系统采用机械补偿法实现轴向宽、 中、窄三视场变换，在每次宽、中、窄视场之间变换时，需要两个电机分别控制驱动补偿透镜 组和变倍透镜组同时运动，并且变倍透镜组合补充透镜组两者之间要保持一定的位置关系 才能实现，这种光学系统的视场变换时透镜组到位精度低、到位时间长、不同视场光轴一致 性差、控制复杂、可靠性低、运动机构复杂。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种两组元三视场红外光学系统及其视场变换方法，以解决 现有采用机械补偿法的光学系统视场变换时透镜组到位精度低、到位时间长、不同视场光 轴一致性差、控制复杂、可靠性低、运动机构复杂的问题；同时可以解决采用三组元或四组 元光学补偿法实现三视场光学系统时，由于移动组中间存在固定组，造成机构设计复杂、控 制系统负载较大，不易控制的问题。
[0008] 为实现上述目的，本发明的基于光学补偿法的两组元三视场红外光学系统包括探 测器、会聚透镜组、折转反射镜组、固定透镜组、补偿透镜组、变倍透镜组和前组红外物镜， 所述变倍透镜组或补偿透镜组轴向移动来实现窄、中、宽视场的变换。
[0009] 所述变倍透镜组和补偿透镜组分别位于Al、B1位置时构成窄视场光路；变倍透 镜组位置不动，补偿透镜组轴向移动到B2位置后构成中视场光路；补偿透镜组位置不动， 变倍透镜组轴向移动到A2位置后构成宽视场光路，所述Al、A2、Bl、B2均位于前组红外物 镜与固定透镜组之间的光轴上。
[0010] 所述变倍透镜组和补偿透镜组分别位于A2、B2位置时构成宽视场光路；补偿透镜 组位置不动，变倍透镜组轴向移动到A1位置后构成中视场光路；变倍透镜组位置不动，补 偿透镜组轴向移动到B1位置后构成宽视场光路，所述Al、A2、Bl、B2均位于前组红外物镜 与固定透镜组之间的光轴上。
[0011] 基于光学补偿法的两组兀三视场红外光学系统的视场变换方法的技术方案如下： 窄、中、宽视场的变换是通过变倍透镜组或补偿透镜组轴向移动来实现。
[0012] 进一步的，当变倍透镜组和补偿透镜组分别位于Al、B1位置时构成窄视场光路； 窄视场向中视场变换时，只需将补偿透镜组轴向移动到B2位置即可；中视场向宽视场变换 时，只需将变倍透镜组轴向移动到A2位置即可，所述A1、A2、B1、B2均位于前组红外物镜与 固定透镜组之间的光轴上。
[0013] 进一步的，当变倍透镜组和补偿透镜组分别位于A2、B2位置时构成宽视场光路； 宽视场向中视场变换时，只需将变倍透镜组轴向移动到A1位置即可；中视场向窄视场变换 时，只需将补偿透镜组轴向移动到B1位置即可，所述4132、81、82均位于前组红外物镜与 固定透镜组之间的光轴上。
[0014] 本发明的两组元三视场红外光学系统及其视场变换方法，通过应用两次两组元光 学补偿法实现红外三视场变焦距光学系统，通过对变倍透镜组和补偿透镜组分别使用光 学补偿法变焦原理，即应用两次两组元系统，实现了三视场，能够显著地简化采用三组元或 四组元系统实现三视场的机构复杂程度；既能够在保证光学系统高的光轴精度和高的光学 透过率的同时，又能显著地简化机构复杂程度，使红外三视场同时具有高的成像质量及效 果，并且大、中、窄光学视场的相互转换只需移动一组透镜既可实现，这种方式透镜组到位 精度高、到位时间短、不同视场光轴一致性高、控制简单、可靠性高、运动机构简单。不仅能 解决现有采用机械补偿法的光学系统视场变换时透镜组到位精度低、到位时间长、不同视 场光轴一致性差、控制复杂、可靠性低、运动机构复杂的问题；同时可以解决采用三组元或 四组元光学补偿法实现三视场光学系统时，由于移动组中间存在固定组，造成机构设计复 杂、控制系统负载较大，不易控制的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是光学系统实施例的窄视场光路图；
[0016] 图2是光学系统实施例的中视场光路图；
[0017] 图3是光学系统实施例的宽视场光路图。
【具体实施方式】
[0018] 一、基于光学补偿法的两组元三视场红外光学系统
[0019] 如图1、2、3所示，基于光学补偿法的两组元三视场红外光学系统包括探测器10、 第一会聚透镜组9、第二会聚透镜组8、第一折转反射镜组7、第三会聚透镜组6、第二折转反 射镜组5、固定透镜组4、补偿透镜组3、变倍透镜组2和前组红外物镜1，前组红外物镜1、 变倍透镜组2、补偿透镜组3和固定透镜组4依次共轴设置在探测光路中，第二折转反射镜 组5设置在该探测光路中，第三会聚透镜组6设置在第二折转反射镜组5的反射光路上， 第一会聚透镜组9、第二会聚透镜组8设置在第一折转反射镜组7的反射光路上，各光学参 数满足高斯光学计算，探测器10设置在第一会聚透镜组1会聚光路上，变倍透镜组2或补 偿透镜组3轴向移动来实现窄、中、宽视场的变换。
[0020] 如图1所示，变倍透镜组和补偿透镜组分别位于A1、B1位置时构成窄视场光路；变 倍透镜组位置不动，补偿透镜组轴向移动到B2位置后构成中视场光路，如图2所示；补偿透 镜组位置不动，变倍透镜组轴向移动到A2位置后构成宽视场光路，如图2所示，A1、A2、B1、 B2均位于前组红外物镜与固定透镜组之间的光轴上。
[0021] 变倍透镜组和补偿透镜组分别位于A2、B2位置时构成宽视场光路；补偿透镜组位 置不动，变倍透镜组轴向移动到A1位置后恢复中视场光路；变倍透镜组位置不动，补偿透 镜组轴向移动到B1位置后恢复宽视场光路。
[0022] 窄视场焦距在250醒?480mm范围内、中视场焦距在60mm?120mm范围内、宽视 场焦距在l〇mm?30mm范围内；系统采用二次成像的方式；光学系统F数：f/2、f/3、f/4均 可；并采用反射镜组折叠光路。其适用的探测器可为320X256、384X288、640X512的制冷 型红外焦平面探测器，适用波长：中波3 μ m?5 μ m、长波8 μ m?12 μ m。具体光学参数如 下表1所示。
[0023] 采用二组元光学补偿法，根据物像交换原则，在两个共轭位置处形成两个横向放 大率，使其互成倒数，从而构成系统的两视场变焦。对光学系统中的变倍透镜组和补偿透镜 组分别采用二组元光学补偿法设计，构成系统的三视场变焦。
[0024] 对于两组元三视场红外光学系统，补偿透镜组在长焦、中焦时满足物像交换原 贝1J，变倍透镜组在中焦、短焦时满足物像交换原则。根据以下公式可确定两组元三视场红外 光学系统各透镜的参数及位置关系。
[0025] 设宽视场、中视场、窄视场焦距分别为fw、fm、f n ;窄中视场、中宽视场变倍比分别为 皿^為^宽冲视场前固定组^变倍透镜组凋定透镜组的焦距分别为^^广^广^中、 窄视场前固定组、变倍透镜组、固定透镜组的焦距分别为Γ 12、Γ 22、f' 32;变倍透镜组的 宽视场/中视场/窄视场横向放大率和物像距分别为和lls、Γ ls、 lu、1' u、12S、1' 2s、121、1' 21、13S、1' 3s;宽视场/中视场时前固定组与变倍透镜组的间隔分 别为d12s、d121，变倍透镜组与固定组的间隔为d 23s、d231 ;中视场/窄视场时前固定组与变倍 透镜组的间隔分别为d' 12s、d' 121，变倍透镜组与固定组的间隔为d' 23s、d' 231。
[0026] 窄视场焦距
[0027] 中视场焦距
[0028] 横向放大率
【权利要求】
1. 基于光学补偿法的两组元三视场红外光学系统，包括探测器、会聚透镜组、折转反射 镜组、固定透镜组、补偿透镜组、变倍透镜组和前组红外物镜，其特征在于：所述变倍透镜组 或补偿透镜组轴向移动来实现窄、中、宽视场的变换。
2. 根据权利要求1所述的基于光学补偿法的两组元三视场红外光学系统，其特征在 于：所述变倍透镜组和补偿透镜组分别位于Al、B1位置时构成窄视场光路；变倍透镜组位 置不动，补偿透镜组轴向移动到B2位置后构成中视场光路；补偿透镜组位置不动，变倍透 镜组轴向移动到A2位置后构成宽视场光路，所述Al、A2、Bl、B2均位于前组红外物镜与固 定透镜组之间的光轴上。
3. 根据权利要求1所述的基于光学补偿法的两组元三视场红外光学系统，其特征在 于：所述变倍透镜组和补偿透镜组分别位于A2、B2位置时构成宽视场光路；补偿透镜组位 置不动，变倍透镜组轴向移动到A1位置后构成中视场光路；变倍透镜组位置不动，补偿透 镜组轴向移动到B1位置后构成宽视场光路，所述Al、A2、Bl、B2均位于前组红外物镜与固 定透镜组之间的光轴上。
4. 一种如权利要求1所述基于光学补偿法的两组兀三视场红外光学系统的视场变换 方法，其特征在于，窄、中、宽视场的变换是通过变倍透镜组或补偿透镜组轴向移动来实现。
5. 根据权利要求4所述的视场变换方法，其特征在于：当变倍透镜组和补偿透镜组分 别位于Al、B1位置时构成窄视场光路；窄视场向中视场变换时，只需将补偿透镜组轴向移 动到B2位置即可；中视场向宽视场变换时，只需将变倍透镜组轴向移动到A2位置即可，所 述Al、A2、Bl、B2均位于前组红外物镜与固定透镜组之间的光轴上。
6. 根据权利要求4所述的视场变换方法，其特征在于：当变倍透镜组和补偿透镜组分 别位于A2、B2位置时构成宽视场光路；宽视场向中视场变换时，只需将变倍透镜组轴向移 动到A1位置即可；中视场向窄视场变换时，只需将补偿透镜组轴向移动到B1位置即可，所 述Al、A2、Bl、B2均位于前组红外物镜与固定透镜组之间的光轴上。
【文档编号】G02B27/00GK104297923SQ201310624755
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】张良, 李明锁, 潘晓东 申请人:中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所