一种大靶面高分辨率红外变焦光学系统

本发明属于红外热成像领域，涉及一种大靶面高分辨率红外变焦光学系统。

背景技术：

1、在红外成像领域，随着应用场景的不断拓展，对红外光学系统的性能要求也日益提高。然而，传统红外光学系统往往存在靶面尺寸小、分辨率低、系统复杂度高、成像质量受温差影响大、透过率低等问题，难以满足目前对大靶面尺寸、高分辨率、宽温度范围稳定变焦、高能量转换效率、轻便型系统的需求。大靶面红外探测器能够接收更多的红外辐射能量，提高成像系统的信噪比和分辨率，因此，这种探测器在远距离成像、高精度测量等领域具有重要应用价值。

2、另一方面，制冷型红外系统以其高灵敏度、高性能水平、宽温度范围适应能力等多重优势，在红外成像领域中占据重要地位。但是与制冷型探测器相匹配的红外变焦光学系统，受限于红外光学材料种类有限、且与制冷型红外探测器配合，光学系统的出瞳需要限制位于探测器冷光阑处等因素影响，因此，制冷型红外变焦光学系统的设计限制多、难度大。

3、基于上述两点原因，开发一款制冷型大靶面高分辨率红外变焦光学系统，成为当前红外技术领域亟待解决的问题。

4、现有的制冷型红外变焦光学系统，适配的靶面尺寸主流水平不超过320×256×30μm或者640×512×15μm。其中320×256×30μm这种规格的靶面在民用领域较为常见，仅能满足普通的夜视和热成像需求；随着技术的不断发展，640×512×15μm这种规格的靶面逐渐在高端市场和特定应用场景中得到应用。但是，与可见光系统相比，红外成像系统的靶面尺寸小，分辨率低的问题，使其应用严重受限。

5、首先，大靶面的红外变焦光学系统容易产生各种像差，如球差、彗差、像散、畸变等。这些像差会严重影响成像质量，需要进行精确的校正。其次，红外光学系统对温度变化非常敏感，温度变化会导致红外光学材料的折射率发生变化，从而影响成像质量。对于大靶面的红外变焦光学系统，这种影响更加明显。第三，随着靶面尺寸的扩大，红外光学系统特别是变焦光学系统的复杂度也会随之大幅增加，需要更多的镜片平衡大靶面像差。上述这些问题，极大地增加了大靶面红外变焦光学系统的设计难度。

6、目前国内已公开的文献中，尚未见到实现了1280×1024×15μm大靶面尺寸的红外变焦光学系统的记载。

7、公告号为cn113448067b的中国发明专利，公开了一种切换式变焦的消热差型长波红外变焦镜头，该系统适配640×512×15μm的靶面，采用了8个镜片，为切换式分档变焦系统。

8、公告号为cn216310402u的中国实用新型专利，公开了一种大变倍比紧凑型红外变焦镜头，该光学系统采用了八个透镜片，且前固定组大口径的镜片采用了二片，大口径镜片数量多，增加了镜片重量与提高了成本，另外，由焦距和视场参数关系可推算出适配640×512×15μm的靶面尺寸。

9、公告号为cn108020911b的中国发明专利，公开了一种具有超长焦距的30倍中波红外变焦光学系统，由该文参数可测算出其适配约640×512×10μm的靶面尺寸且为非制冷型，不需要冷光阑匹配，并且该光学系统采用了10片透镜片，包含了4个衍射面，系统复杂度高。

10、由上述现有技术可见，现有的红外变焦光学系统的设计和制造面临诸多挑战，如靶面尺寸小、分辨率低、系统复杂度高、透镜数量多、镜片重量重、透过率低、成像质量受环境温度影响等问题。解决上述问题，研制一款适配制冷型探测器的大靶面高分辨率红外变焦光学系统，具有极高的价值与应用潜力。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种大靶面高分辨率红外变焦光学系统，解决了现有的红外变焦光学系统靶面尺寸小、分辨率低、系统复杂度高、透镜数量多、镜片重量重、透过率低、成像质量受环境温度影响等问题。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种大靶面高分辨率红外变焦光学系统，在入射光线线路上沿光轴方向从物方到像方，依次设置前固定透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组、后固定透镜组和制冷式红外探测器；

4、前固定透镜组是一片弯向像方的正光焦度的弯月型硅透镜，变倍透镜组是一片弯向像方的负光焦度的平凹型或弯月型的锗透镜，补偿透镜组是一片弯向物方的正光焦度的弯月型硅透镜；

5、孔径光阑与制冷式红外探测器冷光阑位置和大小重合。

6、变倍透镜组和补偿透镜组能沿光轴前后相对独立运动地设置在前固定透镜组与后固定透镜组之间。

7、前固定透镜组的焦距f1与长焦端的焦距fl满足条件式：

8、0.15<f1/fl<0.5。

9、变倍透镜组和补偿透镜组不具有衍射面；后固定透镜组具有非球面和衍射面。

10、后固定透镜组包括后固定透镜前组和中继成像透镜组。

11、后固定透镜前组以及中继成像透镜组均为正光焦度。

12、后固定透镜前组是一片弯向像方的正光焦度的弯月型锗透镜。

13、中继成像透镜组由第五透镜、第六透镜和第七透镜组成，其中，第五透镜是一片正光焦度的双凸型硅透镜，第六透镜是一片负光焦度的双凹型锗透镜，第七透镜是一片弯向物方的正光焦度的弯月型硅透镜。

14、后固定透镜前组的光焦度为中继镜组的光焦度为

15、变倍透镜组的光焦度为补偿透镜组的光焦度为

16、本发明的优点在于：1、系统型式简洁，仅采用七片红外透镜，在可实现连续变焦的同时，适配不小于1280×1024×15μm的大靶面尺寸，适配制冷型红外探测器；2、系统前固定透镜组仅用一片大口径镜片，利于镜片减重；3、温度补偿型式简洁高效，不增加多余运动部件，仅利用现有的变焦补偿运动镜片实现高低温宽温度范围的像质补偿；4、全系统具有靶面尺寸大、空间分辨率高、系统轻便、镜片数目少、透过率高、100％冷光阑匹配、抗冷反射能力强、图像均匀度好等优点，能提升动态范围，捕获更多场景信息，提高成像质量，特别适用于需要高精度测量、高分辨率监控或远距离探测的应用场景。

1.一种大靶面高分辨率红外变焦光学系统，在入射光线线路上沿光轴方向从物方到像方，依次设置前固定透镜组(100)、变倍透镜组(200)、补偿透镜组(300)、后固定透镜组(400)和制冷型红外探测器(500)；

2.根据权利要求1所述的大靶面高分辨率红外变焦光学系统，其特征在于：变倍透镜组(200)和补偿透镜组(300)能沿光轴前后相对独立运动地设置在前固定透镜组(100)与后固定透镜组(400)之间。

3.根据权利要求1所述的大靶面高分辨率红外变焦光学系统，其特征在于：前固定透镜组(100)的焦距f1与长焦端的焦距fl满足条件式：

4.根据权利要求1所述的大靶面高分辨率红外变焦光学系统，其特征在于：变倍透镜组(200)和补偿透镜组(300)不具有衍射面；后固定透镜组(400)具有非球面和衍射面。

5.根据权利要求4所述的大靶面高分辨率红外变焦光学系统，其特征在于：后固定透镜组(400)包括后固定透镜前组(410)和中继成像透镜组(420)。

6.根据权利要求5所述的大靶面高分辨率红外变焦光学系统，其特征在于：后固定透镜前组(410)以及中继成像透镜组(420)均为正光焦度。

7.根据权利要求6所述的大靶面高分辨率红外变焦光学系统，其特征在于：后固定透镜前组(410)是一片弯向像方的正光焦度的弯月型锗透镜。

8.根据权利要求6所述的大靶面高分辨率红外变焦光学系统，其特征在于：中继成像透镜组(420)由第五透镜(421)、第六透镜(422)和第七透镜(423)组成，其中，第五透镜(421)是一片正光焦度的双凸型硅透镜，第六透镜(422)是一片负光焦度的双凹型锗透镜，第七透镜(423)是一片弯向物方的正光焦度的弯月型硅透镜。

9.根据权利要求6所述的大靶面高分辨率红外变焦光学系统，其特征在于：后固定透镜前组(410)的光焦度为0.005<φ<0.010，中继镜组(420)的光焦度为0.03<φ<0.08。

10.根据权利要求2所述的大靶面高分辨率红外变焦光学系统，其特征在于：变倍透镜组(200)的光焦度为-0.07<φ<-0.05，补偿透镜组(300)的光焦度为0.01<φ<0.03。