一种变焦距红外光学系统及变焦装置和制造方法.pdf

本发明涉及一种变焦距红外光学系统及变焦装置和制造方法，具体是涉及多档变焦红外光学系统和直线切入的变焦装置及制造方法。它包括一个长焦透镜组和变倍透镜组，透镜材料均是能工作于红外波段的光学材料；所述长焦透镜组由前固定透镜组和后固定透镜组构成；变倍透镜组位于前固定透镜组和后固定透镜组之间：当长焦成像时，变倍透镜组位于前固定透镜组与后固定透镜组之间的光路以外；当变焦距成像时，变倍透镜组通过控制机构平行移动直线切入前固定透镜组与后固定透镜组之间的光路中，且变倍透镜组中心光轴与前、后固定透镜组之间的中心光轴重合。本发明优点是：采用直线切入变焦方式的多档变焦红外光学系统，弥补了传统变焦方式的缺陷，能够有效提高系统作用距离与分辨能力，实现多档焦距与视场。

1.  一种变焦距红外光学系统，其特征在于：它包括一个长焦透镜组(1)和变倍透镜组(2)，透镜材料均是能工作于红外波段的光学材料；所述长焦透镜组(1)由前固定透镜组(1.1)和后固定透镜组(1.2)构成；变倍透镜组(2)位于前固定透镜组(1.1)和后固定透镜组(1.2)之间：
当长焦成像时，变倍透镜组(2)位于前固定透镜组(1.1)与后固定透镜组(1.2)之间的光路以外；当变焦距成像时，变倍透镜组(2)通过控制机构平行移动直线切入前固定透镜组(1.1)与后固定透镜组(1.2)之间的光路中，且直线切入时的变倍透镜组中心光轴与前、后固定透镜组之间的中心光轴(1.10)重合。

2.  根据权利要求1所述的变焦距红外光学系统，其特征在于：所述前固定透镜组(1.1)包括前第一固定透镜(1.1a)和前第二固定透镜(1.1b)；变倍透镜组(2)每组由至少两个透镜构成。

3.  根据权利要求1或2所述的变焦距红外光学系统，其特征在于：所述控制机构是包括有直线导轨的手动机构或电动机构。

4.  根据权利要求1所述的变焦距红外光学系统，其特征在于：所述透镜材料是单晶锗或单晶硅。

5.  一种红外光学系统变焦装置，其特征在于：它有一个壳体(4)，其内部安装有光学透镜组，包括：一个长焦透镜组(1)和变倍透镜组(2)；透镜材料均是能工作于红外波段的光学材料；所述长焦透镜组(1)由安装于壳体(4)一端的前固定透镜组(1.1)和安装于壳体(4)另一端的后固定透镜组(1.2)组成；前固定透镜组(1.1)与后固定透镜组(1.2)之间有一个用于平行直线移动变倍透镜组(2)的控制机构(3)；该控制机构(3)包括导轨(3.1)，丝杆(3.2)以及壳体(4)外的电机(3.3)；导轨(3.1)垂直于前固定透镜组(1.1)与后固定透镜组(1.2)之间的前、后固定透镜组中心光轴(1.0)，变倍透镜组(2)安装在导轨(3.1)上；用于驱动变倍透镜组(2)的丝杆(3.2)与变倍透镜组(2)连接，电机(3.3)与丝杆(3.2)连接；当长焦成像时，变倍透镜组(2)位于前固定透镜组(1.1)与后固定透镜组(1.2)之间的光路以外；当变焦距成像时，变倍透镜组(2)通过控制机构(3)平行移动直线切入前固定透镜组(1.1)与后固定透镜组(1.2)之间的光路中，且变倍透镜组中心光轴与前、后固定透镜组之间的中心光轴(1.0)重合。

6.  根据权利要求5所述的红外光学系统变焦装置，其特征在于：所述前固定透镜组(1.1)由两个固定透镜构成；后固定透镜组(1.2)由一个透镜组或一个反射镜与一个透镜组构成。

7.  根据权利要求5所述的红外光学系统变焦装置，其特征在于：所述变倍透镜组(2)有一组或多组，每组由两个或不少于两个透镜构成。

8.  根据权利要求7所述的红外光学系统变焦装置，其特征在于：所述变倍透镜组(2)有两组，它是能分别切入前固定透镜组(1.1)与后固定透镜组(1.2)之间的光路中的第一变倍透镜组(2.1)和第二变倍透镜组(2.2)；该第一变倍透镜组(2.1)和第二变倍透镜组(2.2)均由三个透镜构成；第一变倍透镜组(2.1)和第二变倍透镜组(2.2)各自有独立的导轨(3.1)，丝杆(3.2)及电机(3.3)。

9.  一种生产权利要求5至8任何一个权利要求所述红外光学系统变焦装置的制造方法，其特征在于，它包括下述步骤：
A、光学透镜组的确定：前固定透镜组(1.1)与后固定透镜组(1.2)是正焦距组元，变倍透镜组(2)由负正组合的透镜组构成，在确定前固定透镜组(1.1)焦距与后固定透镜组(1.2)放大倍率后，再计算变倍透镜组(2)的负正透镜组的焦距；透镜材料均是能工作于红外波段的光学材料；
B、控制机构的制造：控制机构(3)是变倍透镜组(2)的传动机构也是支撑机构，各组件的技术参数包括：
a)组件配合精度：用于满足变倍透镜组中心光轴与前、后固定透镜组之间的中心光轴(1.0)重合度；
b)螺杆(3.2)、电机(3.3)参数：用于限定直线切入时变倍透镜组中心光轴与前、后固定透镜组之间的中心光轴(1.10)重合及分离的速度；
c)变倍透镜组中心光轴与前、后固定透镜组之间的中心光轴(1.10)重合及分离的定位精确度参数，以光轴到位和偏移精度计量。

10.  根据权利要求9所述红外光学系统变焦装置的制造方法，其特征在于，所述变倍透镜组(2)负正透镜组的焦距是通过光路计算中的正切计算法来获得：
首先，初始设定前固定透镜组(1.1)与变倍透镜组(2)的间隔、变倍透镜组(2)负正透镜之间的间隔、变倍透镜组(2)到一次成像面的间隔，开始追迹一条已知投射高的光线，通过计算得到该光线在各个镜组的入射孔径角、出射孔径角、投射高；然后通过公式：tanU′＝tanU+h/f′与h′＝h-dtanU分别得到变倍透镜组(2)的负正透镜组的焦距。

一种变焦距红外光学系统及变焦装置和制造方法
技术领域
本发明涉及一种变焦距红外光学系统及变焦装置和制造方法，具体是涉及多档变焦距红外光学系统和直线切入的变焦装置及制造方法。
背景技术
变焦距光学系统，是利用光学系统中一组或以上的透镜组的移动，改变系统的组合焦距，同时保持最后像面不变。由于变焦距光学系统能在一定范围内迅速改变系统的焦距，获得不同比例的象与视场，在光学应用领域中均得到了大量运用。变焦距红外光学系统，则是采用工作于红外波段的红外光学材料作为透镜组元，将外界的红外能量辐射进行聚焦，会聚成像到红外探测器靶面上。光学系统由固定透镜组元与移动透镜组元组成，移动透镜组元在系统中移动改变焦距以获得不同的视场倍率，实现不同的观察效果。
变焦距红外光学系统，特别是与制冷型探测器配合使用时，需要确保系统孔径光阑与探测器冷屏相吻合，从而实现制冷型探测器所需的100％冷光阑效应。因此，传统变焦距红外光学系统一般是采用变焦透镜组沿光轴方向移动，在不同的位置实现不同的光焦度，从而获得不同的放大倍率。一般有两档变焦与连续变焦两种变焦方式，前者是利用变倍组的两个共轭位置变焦成像，后者则是采用多个镜组移动补偿变焦成像。传统方式变焦的光学系统变焦透镜组始终处于光路中参与成像，对系统的各个焦距都产生作用，这种技术方式存在以下主要缺陷：
(1)长焦系统透镜多，透过率相对不高。由于变焦镜组始终处于光路中参与成像，为了同时兼顾长短焦各个视场的成像质量，系统需要较多数量的透镜进行像差平衡与整体优化，从而造成系统长焦端透镜数量多，透过率不高，制约了系统作用距离的提高。
(2)像质受到变焦因素影响。由于变焦镜组在各个视场均参与成像，因此变焦镜组的加工误差与装调定位误差就直接对各个视场的成像质量造成负面影响，制约了系统分辨能力的提高。
(3)视场与运动组元数量有限制。利用变倍组的共轭位置成像的两倍变焦系统只能实现两个视场的变换，而连续变焦系统能够实现多个视场变换，但运动组元多，而且系统变倍倍率越大，系统变倍组轴向移动行程就越长，视场切换时间也就越长。
近年来出现了采用翻转运动机构实现两档变焦的红外光学系统，与传统的变焦形式有所区别，得到了一定的应用。但这种变倍透镜组旋转运动实现变焦的方式，由于运动方式所限，为了避免变倍透镜组切割长焦光线，需要变倍透镜组的正负透镜之间留出足够的间隔，以保证长焦光路不受影响，变倍透镜组的轴向长度就比较长，也限制了光学设计的自由度；同时由于变倍透镜组轴向长度太长，采用这种变焦方式的系统在空间有限的情况下，一般工作视场只设置2个。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的传统轴向运动变焦系统与翻转运动变焦系统存在的不足，本发明采用直线切入变焦方式的多档变焦距红外光学系统，弥补了传统变焦距方式的缺陷，能够有效提高系统作用距离与分辨能力，实现多档焦距与视场。
本发明一种变焦距红外光学系统的技术方案是：
一种变焦距红外光学系统，其特征在于：它包括一个长焦透镜组和变倍透镜组，透镜材料均是能工作于红外波段的光学材料；所述长焦透镜组由前固定透镜组和后固定透镜组构成；变倍透镜组位于前固定透镜组和后固定透镜组之间：
当长焦成像时，变倍透镜组位于前固定透镜组与后固定透镜组之间的光路以外；当变焦距成像时，变倍透镜组通过控制机构平行移动直线切入前固定透镜组与后固定透镜组之间的光路中，且直线切入时的变倍透镜组中心光轴与前、后固定透镜组之间的中心光轴重合。
进一步的、具有附加技术特征的技术方案是：
所述的变焦距红外光学系统，其前固定透镜组包括前第一固定透镜和前第二固定透镜；变倍透镜组每组由至少两个透镜构成。
所述的变焦距红外光学系统，其控制机构是包括有直线导轨的手动机构或电动机构。
所述的变焦距红外光学系统，其透镜材料是单晶锗或单晶硅。
本发明一种红外光学系统变焦装置的技术方案是：
一种红外光学系统变焦装置，其特征在于：它有一个壳体，其内部安装有光学透镜组，包括：一个长焦透镜组和变倍透镜组；透镜材料均是能工作于红外波段的光学材料；所述长焦透镜组由安装于壳体一端的前固定透镜组和安装于壳体另一端的后固定透镜组组成；前固定透镜组与后固定透镜组之间有一个用于平行直线移动变倍透镜组的控制机构；该控制机构包括导轨，丝杆以及壳体外的电机；导轨垂直于前固定透镜组与后固定透镜组之间的前、后固定透镜组中心光轴，变倍透镜组安装在导轨上；用于驱动变倍透镜组的丝杆与变倍透镜组连接，电机与丝杆连接；当长焦成像时，变倍透镜组位于前固定透镜组与后固定透镜组之间的光路以外；当变焦距成像时，变倍透镜组通过控制机构平行移动直线切入前固定透镜组与后固定透镜组之间的光路中，且变倍透镜组中心光轴与前、后固定透镜组之间的中心光轴重合。
进一步的、具有附加技术特征的技术方案是：
所述的红外光学系统变焦装置，其前固定透镜组由两个固定透镜构成；后固定透镜组由一个透镜组或一个反射镜与一个透镜组构成。
所述的红外光学系统变焦装置，其变倍透镜组有一组或多组，每组由两个或不少于两个透镜构成。
所述的红外光学系统变焦装置，其变倍透镜组有两组，它是能分别切入前固定透镜组与后固定透镜组之间的光路中的第一变倍透镜组和第二变倍透镜组；该第一变倍透镜组和第二变倍透镜组均由三个透镜构成；第一变倍透镜组和第二变倍透镜组各自有独立的导轨，丝杆及电机。
所述的红外光学系统变焦装置，其透镜材料均是能工作于红外波段的光学材料。
本发明的一种实现上述红外光学系统变焦装置的制造方法，它包括下述步骤：
A、光学透镜组的确定：前固定透镜组与后固定透镜组是正焦距组元，变倍透镜组由负正组合的透镜组构成，在确定前固定透镜组焦距与后固定透镜组放大倍率后，再计算变倍透镜组的负正透镜组的焦距；透镜材料均是能工作于红外波段的光学材料；
B、控制机构的制造：控制机构是变倍透镜组的传动机构也是支撑机构，各组件的技术参数包括：
a、组件配合精度：用于满足变倍透镜组中心光轴与前、后固定透镜组之间的中心光轴重合度；
b、螺杆、电机参数：用于限定直线切入时变倍透镜组中心光轴与前、后固定透镜组之间的中心光轴重合及分离的速度；
c、变倍透镜组中心光轴与前、后固定透镜组之间的中心光轴重合及分离的定位精确度参数，以光轴到位和偏移精度计量。
进一步的、具有附加技术特征的技术方案是：
所述红外光学系统变焦装置的制造方法，其变倍透镜组负正透镜组的焦距是通过光路计算中的正切计算法来获得：
首先，初始设定前固定透镜组与变倍透镜组的间隔、变倍透镜组负正透镜之间的间隔、变倍透镜组到一次成像面的间隔，开始追迹一条已知投射高的光线，通过计算得到该光线在各个镜组的入射孔径角、出射孔径角、投射高；然后通过公式tanU′＝tanU+h/f′与h′＝h-dtanU分别得到变倍透镜组的负正透镜组的焦距。
本发明的突出特点和积极效果主要有：
(1)能够有效减少系统长焦端透镜数量，提高红外光学系统长焦透过率。切换变焦距红外光学系统在长焦端工作时，变倍透镜组是位于光路以外而不参与长焦成像，这样长焦端的系统透镜数量可以大大减少，从而提高长焦系统透过率，提高系统对远距离目标的探测能力。
(2)能够有效减少系统的误差因素，提高系统长焦端像质。切换变焦距红外光学系统的变倍透镜组在长焦成像时处于光路以外，因此对长焦成像质量不构成影响，这样变焦镜组的加工误差与装调定位误差就不会影响长焦端的成像质量，从而保证长焦系统拥有更优的像质，提高了系统长焦端的分辨能力。
(3)能够实现多个视场的自由组合。利用变倍透镜组在长焦成像处于光路以外且设计自由度大的特点，可以设计多个变倍透镜组，与长焦视场组合使用，实现多个视场灵活多变的自由组合，甚至在使用中可以直接从长焦切换到短焦，而不需要中间视场的过渡。
附图说明
图1为本发明变焦距红外光学系统的长焦透镜组原理示意图；
图2为本发明变焦距红外光学系统的变倍透镜组直线切入长焦透镜组后的原理示意图；
图3为本发明变焦距红外光学系统有两个变倍透镜组的原理示意图；
图4为本发明一种红外光学系统变焦装置结构剖视图；
图5为小视场传函图；
图6为中视场传函图；
图7为大视场传函图。
图中标记对应的名称如下：
1-长焦透镜组；1.1-前固定透镜组；1.2-后固定透镜组；1.1a-前第一固定透镜；1.1b-前第二固定透镜；1.10-前、后固定透镜组之间的中心光轴；2-变倍透镜组；2.1-第一变倍透镜组；2.2-第二变倍透镜组；2.10-第一变倍透镜组中心光轴；2.20-第二变倍透镜组中心光轴；3-控制机构；3.1-导轨；3.2-丝杆；3.3-电机；3.4-联轴器；4-壳体。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明如下：
如图1、2、3所示，是本发明一种变焦距红外光学系统的一个实施例：
一种变焦距红外光学系统，它有一个长焦透镜组1和变倍透镜组2，透镜材料均是能工作于红外波段的光学材料；所述长焦透镜组1由前固定透镜组1.1和后固定透镜组1.2构成；变倍透镜组2位于前固定透镜组1.1和后固定透镜组1.2之间：当长焦成像时，变倍透镜组2位于前固定透镜组1.1与后固定透镜组1.2之间的光路以外；当变焦距成像时，变倍透镜组2通过控制机构平行移动直线切入前固定透镜组1.1与后固定透镜组1.2之间的光路中，且直线切入时的变倍透镜组中心光轴与前、后固定透镜组之间的中心光轴1.10重合。所述的前固定透镜组1.1有前第一固定透镜1.1a和前第二固定透镜1.1b；变倍透镜组2每组由至少两个透镜构成。本实施例变倍透镜组2有两组，每组由三个透镜构成。所述的控制机构有直线导轨的电动机构，也可以是手动机构。所述的透镜材料是单晶锗，也可选用单晶硅。
如图4所示，是本发明一种红外光学系统变焦装置的实施例：
一种红外光学系统变焦装置，它有一个壳体4，其内部安装有光学透镜组，内部有：一个长焦透镜组1和变倍透镜组2；透镜材料均是能工作于红外波段的光学材料；所述长焦透镜组1由安装于壳体4一端的前固定透镜组1.1和安装于壳体4另一端的后固定透镜组1.2组成；前固定透镜组1.1与后固定透镜组1.2之间有一个用于平行直线移动变倍透镜组2的控制机构3；该控制机构3有导轨3.1，丝杆3.2以及壳体4外的电机3.3；导轨3.1垂直于前固定透镜组1.1与后固定透镜组1.2之间的前、后固定透镜组中心光轴1.0，变倍透镜组2安装在导轨3.1上；用于驱动变倍透镜组2的丝杆3.2与变倍透镜组2连接，电机3.3与丝杆3.2连接；当长焦成像时，变倍透镜组2位于前固定透镜组1.1与后固定透镜组1.2之间的光路以外；当变焦距成像时，变倍透镜组2通过控制机构3平行移动直线切入前固定透镜组1.1与后固定透镜组1.2之间的光路中，且变倍透镜组中心光轴与前、后固定透镜组之间的中心光轴1.0重合。所述的前固定透镜组1.1由两个固定透镜构成；后固定透镜组1.2由一个反射镜与一个透镜组构成，也可以是由一个透镜组构成。所述的变倍透镜组2有一组或多组，每组由两个或不少于两个透镜构成，本实施例变倍透镜组2有两组，每组由三个透镜构成，它是能分别切入前固定透镜组1.1与后固定透镜组1.2之间的光路中的第一变倍透镜组2.1和第二变倍透镜组2.2；该第一变倍透镜组2.1和第二变倍透镜组2.2均由三个透镜构成；第一变倍透镜组2.1和第二变倍透镜组2.2各自有独立的导轨3.1，丝杆3.2及电机3.3。透镜材料均是能工作于红外波段的光学材料，具体用单晶锗，也可选用单晶硅。
如图5、6、7所示是本实施例的技术效果部分图：
红外光学系统变焦装置完成了前固定透镜组1.1、后固定透镜组1.2、第一变倍透镜组2.1、第二变倍透镜组2.2、切入运动机构等各个组件的设计与优化：红外光学系统的前固定组1.1与后固定组1.2形成系统的小视场，当第一变倍透镜组2.1切入系统后形成系统的大视场，当第二变倍透镜组2.2切入系统后形成系统的中视场，从而形成三档工作视场，如图5为小视场传函图、如图6为中视场传函图、如图7为大视场传函图，三档工作视场之间能够自由切换使用。整体系统为二次成像形式，满足制冷型红外系统100％冷光阑效应。三个视场的传函优良，弥散斑满足系统分辨需求，在系统工作温度范围内能够实现不同温度的像面补偿，各个视场的冷反射都在可接收范围内，成像结果能够满足使用需求。直线切入的控制机构能够迅速切入变倍透镜组，实现视场变换，最终满足了多档视场的观察目的。
红外光学系统变焦装置还有实施例：与上述变焦装置不同的是，其变倍透镜组2有一组，由三个透镜构成，因此，控制机构3只有一个导轨3.1，一个丝杆3.2，一个电机3.3。
本发明的一种实现上述红外光学系统变焦装置的制造方法，其步骤如下：
A、光学透镜组的确定：前固定透镜组1.1与后固定透镜组1.2是正焦距组元，变倍透镜组2由负正组合的透镜组构成，在确定前固定透镜组1.1焦距与后固定透镜组1.2放大倍率后，再计算变倍透镜组2的负正透镜组的焦距；透镜材料均是能工作于红外波段的光学材料，具体用单晶锗，也可选用单晶硅；
B、控制机构的制造：控制机构3是变倍透镜组2的传动机构也是支撑机构，各组件的技术参数包括：
a)组件配合精度：用于满足变倍透镜组中心光轴与前、后固定透镜组之间的中心光轴1.0重合度；
b)螺杆3.2、电机3.3参数：用于限定直线切入时变倍透镜组中心光轴与前、后固定透镜组之间的中心光轴1.10重合及分离的速度；
c)变倍透镜组中心光轴与前、后固定透镜组之间的中心光轴1.10重合及分离的定位精确度参数，以光轴到位和偏移精度计量；
变倍透镜组2负正透镜组的焦距是通过光路计算中的正切计算法来获得：
首先，初始设定前固定透镜组1.1与变倍透镜组2的间隔、变倍透镜组2负正透镜之间的间隔、变倍透镜组2到一次成像面的间隔，开始追迹一条已知投射高的光线，通过计算得到该光线在各个镜组的入射孔径角、出射孔径角、投射高；然后通过公式tanU′＝tanU+h/f′与h′＝h-dtanU，对各个镜组反复运算，分别得到变倍透镜组2的负正透镜组的焦距。