一种15mm-250mm焦距的小型化中波制冷红外连续变焦光学系统的制作方法

1.本发明涉及一种15mm-250mm焦距的小型化中波制冷红外连续变焦光学系统，属于光学技术领域。


背景技术：

2.近些年来，随着红外技术的不断发展，各种红外探测材料及组件技术逐步成熟，红外技术在民航、安防、边防、工业、建筑、交通、户外以及自动化等众多领域应用广泛。
3.红外大气窗口有三个波段，分别是1～3μm(短波)、3～5μm(中波)和8～14μm(长波)，其中中波红外(3μm～5μm)探测系统的应用更具优势，在大气监测、气体探测和红外对抗等多个方面，中波红外探测系统有着重要的作用。同时，中波红外在军用红外探测领域具有重大研究价值，尤其是在红外热成像、红外制导方面研究前景广阔。
4.目前红外成像组件正向小型化、高分辨率的方向发展，中波红外连续变焦红外系统也成为研究的重点。查阅资料，专利cn202021233714.4公布了一种轻小型中波红外制冷连续变焦镜头，其有效焦距efl＝30～240mm(变倍8x)，光学系统总长＝142mm；另外cn201821513144.7公布的变焦镜头，镜片数目多达8片，这些专利中公布红外连续变焦镜头存在尺寸大、变倍数小、镜片过多导致的系统透过率低、成本高等问题，这与红外成像机芯小型化趋势相反。


技术实现要素：

5.本发明提供一种15mm-250mm焦距的小型化中波制冷红外连续变焦光学系统，适用于中波红外制冷探测器，光学系统具有整体长度较短，光学透过率高、成像优良的特点。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种15mm-250mm焦距的小型化中波制冷红外连续变焦光学系统，包括沿光路传播方向依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组和二次成像镜组；
8.前固定组是具有正屈光度的第一透镜，第一透镜采用硅材料；变倍组是具有负屈光度的第二透镜，第二透镜采用单晶锗材料；补偿组是具有正屈光度的第三透镜，第三透镜采用硅材料；沿光路传播方向，后固定组是由具有正屈光度的第四透镜和具有负屈光度的第五透镜组成，第四透镜采用硅材料，第五透镜采用单晶锗材料；二次成像镜组是具有正屈光度的第六透镜，第六透镜采用硅材料；
9.前固定组与变倍组之间的空气间隔为15.2-35.1mm；变倍组与补偿组之间的空气间隔为35.7-2.1mm；补偿组与后固定组之间的空气间隔是2-17.8mm；
10.第一透镜入射面s1为球面，出射面s2为衍射面；第二透镜入射面s3为球面，出射面s4为非球面；第三透镜入射面s5为非球面，出射面s6为球面；第四透镜入射面s7为非球面，出射面s8为球面；第五透镜入射面s9为球面，出射面s10为非球面；第六透镜入射面s11为衍射面，出射面s12为球面。
11.本技术15mm-250mm焦距的小型化中波制冷红外连续变焦光学系统总长度t小于120mm。
12.本技术15mm-250mm焦距的小型化中波制冷红外连续变焦光学系统适用于中波红外波段3-5μm，焦距为15mm-250mm。
13.为了进一步提高成像效果，第四透镜与第五透镜之间的空气间隔是0.43
±
0.02mm；第五透镜与第六透镜之间的空气间隔是15.37
±
0.02mm。
14.为了兼顾成像效果和成像稳定性，第一透镜的中心厚度为7.50
±
0.02mm；第二透镜的中心厚度为1.60
±
0.02mm；第三透镜的中心厚度为3.80
±
0.02mm；第四透镜的中心厚度为3.20
±
0.02mm；第五透镜的中心厚度为5.30
±
0.02mm；第六透镜的中心厚度为3.00
±
0.02mm。
15.为了进一步更好地确保成像效果，第一透镜入射面s1的曲率半径为63.20
±
0.01mm，第一透镜出射面s2的曲率半径为132.31
±
0.01mm；第二透镜入射面s3的曲率半径为-75.49
±
0.01mm，第二透镜出射面s4的曲率半径为33.45
±
0.01mm；第三透镜入射面s5的曲率半径为98.32
±
0.01mm，第三透镜出射面s6的曲率半径为-53.02
±
0.01mm；第四透镜入射面s7的曲率半径为13.46
±
0.01mm，第四透镜出射面s8的曲率半径为34.33
±
0.01mm；第五透镜入射面s9的曲率半径为27.08
±
0.01mm，第五透镜出射面s10的曲率半径为7.32
±
0.01mm；第六透镜入射面s11的曲率半径为33.39
±
0.01mm，第六透镜出射面s12的曲率半径为-25.57
±
0.01mm。第一透镜的外径为68-70.5mm，第二透镜的外径为21.6-22mm，第三透镜的外径为25mm，第四透镜的外径为14.8-16.6mm，第五透镜的外径为10-15mm，第六透镜的外径为14mm.
16.上述非曲面满足下面表达式：
[0017][0018]
其中，z(y)是非球面沿光轴方向的透镜失高；r是透镜的曲率半径；y是透镜垂直与光轴方向的半口径；k是圆锥系数；a、b、c、d、e是非球面系数；
[0019]
衍射面满足表达式：其中，是衍射面的位相；y是透镜垂直于光轴方向的半口径；a1、a2是衍射面位相系数。
[0020]
上述15mm-250mm焦距的小型化中波制冷红外连续变焦光学系统，适用于中波红外制冷探测器，探测器f数为4.0，探测器像素阵列为640x512，像元尺寸为15μm，兼容320x256探测器面阵30μm像素中波制冷探测器。
[0021]
本发明未提及的技术均参照现有技术。
[0022]
本发明15mm-250mm焦距的小型化中波制冷红外连续变焦光学系统，使用6片镜片，数目较少、结构简单、紧凑、合理，成本低，光学系统总长度t小于120mm；该光学系统能够实现变倍数高达16.7倍，成像质量清晰。
附图说明
[0023]
图1是具体实施例短焦状态光学系统示意图；
[0024]
图2是具体实施例中焦状态光学系统示意图；
[0025]
图3是具体实施例长焦状态光学系统示意图；
[0026]
图4是具体实施例短焦状态mtf曲线图；
[0027]
图5是具体实施例中焦状态mtf曲线图；
[0028]
图6是具体实施例长焦状态mtf曲线图；
[0029]
图7是具体实施例短焦状态光斑图；
[0030]
图8是具体实施例中焦状态光斑图；
[0031]
图9是具体实施例长焦状态光斑图；
[0032]
图10是具体实施例短焦状态场曲畸变图；
[0033]
图11是具体实施例中焦状态场曲畸变图；
[0034]
图12是具体实施例长焦状态场曲畸变图。
具体实施方式
[0035]
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。
[0036]
如图1-3所示，一种15mm-250mm焦距的小型化中波制冷红外连续变焦光学系统，包括沿光路传播方向依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组和二次成像镜组；
[0037]
前固定组是具有正屈光度的第一透镜，第一透镜采用硅材料；变倍组是具有负屈光度的第二透镜，第二透镜采用单晶锗材料；补偿组是具有正屈光度的第三透镜，第三透镜采用硅材料；沿光路传播方向，后固定组是由具有正屈光度的第四透镜和具有负屈光度的第五透镜组成，第四透镜采用硅材料，第五透镜采用单晶锗材料；二次成像镜组是具有正屈光度的第六透镜，第六透镜采用硅材料；
[0038]
前固定组与变倍组之间的空气间隔为15.2-35.1mm；变倍组与补偿组之间的空气间隔为35.7-2.1mm；补偿组与后固定组之间的空气间隔是2-17.8mm；第四透镜与第五透镜之间的空气间隔是0.43mm；第五透镜与第六透镜之间的空气间隔是15.37mm。
[0039]
第一透镜入射面s1为球面，出射面s2为衍射面；第二透镜入射面s3为球面，出射面s4为非球面；第三透镜入射面s5为非球面，出射面s6为球面；第四透镜入射面s7为非球面，出射面s8为球面；第五透镜入射面s9为球面，出射面s10为非球面；第六透镜入射面s11为衍射面，出射面s12为球面。第一透镜入射面s1的曲率半径为63.20mm，第一透镜出射面s2的曲率半径为132.31mm；第二透镜入射面s3的曲率半径为-75.49mm，第二透镜出射面s4的曲率半径为33.45mm；第三透镜入射面s5的曲率半径为98.32mm，第三透镜出射面s6的曲率半径为-53.02mm；第四透镜入射面s7的曲率半径为13.46mm，第四透镜出射面s8的曲率半径为34.33mm；第五透镜入射面s9的曲率半径为27.08mm，第五透镜出射面s10的曲率半径为7.32mm；第六透镜入射面s11的曲率半径为33.39mm，第六透镜出射面s12的曲率半径为-25.57mm。第一透镜的中心厚度为7.50mm；第二透镜的中心厚度为1.60mm；第三透镜的中心厚度为3.80mm；第四透镜的中心厚度为3.20mm；第五透镜的中心厚度为5.30mm；第六透镜的中心厚度为3.00mm。
[0040]
上述15mm-250mm焦距的小型化中波制冷红外连续变焦光学系统，光学系统总长度t小于120mm，适用于中波红外波段3-5μm，焦距为15mm-250mm，探测器f数为4.0，探测器为中波制冷探测器，探测器像素阵列为640x512，像元尺寸为15μm，兼容320x256探测器面阵30μm
像素中波制冷探测器。
[0041]
本实施例的光学系统参数参见表1、表2、表3。
[0042]
表1为光学元件参数表
[0043][0044][0045]
表1中采用的非球面方程
[0046][0047]
方程中各量的含义如下：
[0048]
z(y)是非球面沿光轴方向的透镜失高；
[0049]
r是透镜的曲率半径；
[0050]
y是透镜垂直与光轴方向的半口径；
[0051]
k是圆锥系数；
[0052]
a、b、c、d、e是非球面系数，具体数据参见表2。
[0053]
表2为实施例的非球面系数
[0054]
非球面kabcdes201.55e-07-1.71e-11
ꢀꢀꢀ
s40-2.52e-055.60e-08-2.73e-108.39e-13 s50-4.53e-061.57e-099.99e-12
ꢀꢀ
s70-4.91e-054.24e-07-1.22e-09-2.81e-113.67e-13s100-1.46e-031.49e-051.37e-06
ꢀꢀ
s110-1.58e-047.56e-07-1.79e-09
ꢀꢀ
[0055]
表3为实施例的衍射面系数
[0056]
衍射面衍射级中心波长a1a2s234.004μm-18.40-10.34s117.004μm-53.324.62
[0057]
以上衍射面采用的表达式是：
[0058][0059]
表达式中各量的含义如下：
[0060]
是衍射面的位相；
[0061]
y是透镜垂直于光轴方向的半口径；
[0062]
a1、a2是衍射面位相系数。
[0063]
图1-3，分别是上述15mm-250mm焦距的小型化中波制冷红外连续变焦光学系统在短焦(焦距是15mm)、中焦(焦距是90mm)、长焦(焦距是250mm)处的光路图。
[0064]
图4-6，分别是上述15mm-250mm焦距的小型化中波制冷红外连续变焦光学系统在短焦(焦距是15mm)、中焦(焦距是90mm)、长焦(焦距是250mm)处的光学传递函数mtf图(mtf@20lp/mm)。图7-9，分别是上述15mm-250mm焦距的小型化中波制冷红外连续变焦光学系统在短焦(焦距是15mm)、中焦(焦距是90mm)、长焦(焦距是250mm)光斑图。图10-12分别是上述15mm-250mm焦距的小型化中波制冷红外连续变焦光学系统在短焦(焦距是15mm)、中焦(焦距是90mm)、长焦(焦距是250mm)场曲畸变图，从图4-12可以看出，上述15mm-250mm焦距的小型化中波制冷红外连续变焦光学系统的像差矫正良好，光学表现接近系统衍射极限，场曲小于0.5％，畸变小于4％，综合光路图分析，光学系统简洁、稳定、成像质量良好。
[0065]
本实施例，光学系统总长度t小于120mm，轴向尺寸紧凑，可用于各种光学载荷体积小、重量轻的场合，并且光学系统能够实现大变倍、成像质量清晰等特点。