長波紅外三視場光學系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種長波紅外三視場光學系統(tǒng)，從物方到像方依次由前固定組、變倍組、后固定組、光學平板、第一反射鏡、第二反射鏡和二次成像組組成；前固定組透鏡的第二表面、后固定組中的第一透鏡的第二表面、二次成像組中的第二透鏡的第一表面均采用高次非球面；光學系統(tǒng)工作波段為7.7～9.5μm，F(xiàn)#為3，視場分別為0.96°×0.72°，6°×4.5°，27°×21°。本發(fā)明移動一組變倍組，打入一塊光學平板，即可實現(xiàn)大、中、小三個視場，且三個視場的光軸一致性好，變倍比最大可達28倍，成像質量優(yōu)良；變倍組最大行程小于100mm，實現(xiàn)100%冷屏效率；U型折疊的光路設計，使光學系統(tǒng)體積小、結構緊湊，裝調簡單，利于批量生產。
【專利說明】長波紅外三視場光學系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光學成像【技術領域】，涉及一種長波紅外三視場光學系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]高分辨率的紅外成像系統(tǒng)在導航、觀察、跟蹤、瞄準等方面具有廣泛的需求。地面目標的溫度低，輻射能量小，其紅外輻射多集中在紅外長波波段。紅外光學系統(tǒng)是紅外成像系統(tǒng)的重要組成部分，用于匯聚紅外輻射能量、變焦、消熱、控制成像質量和把紅外輻射能量聚焦到焦面上。單視場紅外光學系統(tǒng)由于功能單一，實際使用有所限制，難以滿足現(xiàn)代紅外光學系統(tǒng)的發(fā)展需求。三視場紅外光學系統(tǒng)由于具有大小不同三個視場，大視場可用于大范圍搜索疑似目標，再進一步用中視場進行觀察與識別，進而用小視場進行跟蹤與瞄準，具有結構簡單，視場切換時間短，成像質量高、簡潔、實用等優(yōu)點，因而在現(xiàn)代紅外光學系統(tǒng)中得到廣泛應用。
[0003]變焦光學系統(tǒng)按照其變焦過程中焦距值是否連續(xù)變化可分為兩類:一類為連續(xù)變焦，另一類為非連續(xù)變焦，即斷續(xù)變焦系統(tǒng)。紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)可以通過運動透鏡組光學補償線性移動或機械補償非線性移動來實現(xiàn)焦距變化，且像面保持不變，但在設計、材料選擇、冷屏匹配等方面都有較大的困難，并且這類系統(tǒng)軸向尺寸長，前部透鏡口徑大，裝調過程中保持像面清晰有很大難度。
[0004]目前，紅外斷續(xù)變焦系統(tǒng)通常使用的主要有兩檔變倍和三檔變倍。紅外斷續(xù)變焦系統(tǒng)可以分成幾種不同類型，第一種為切入型斷續(xù)變焦系統(tǒng)，可以分多組以不同順序多次切入(出)不同組件，每切入(出)一組光學組件就可以獲得一次不同系統(tǒng)焦距變化；第二種為改變間隔型斷續(xù)變焦系統(tǒng)，通過在光學系統(tǒng)中，部分光學組件沿光軸方向移動，改變光學間隔以實現(xiàn)系統(tǒng)焦距變化，但在移動過程中只能在幾個特定位置上保持系統(tǒng)像面大小和位置不變且成像質量滿足要求。
[0005]切入型斷續(xù)變焦系統(tǒng)能實現(xiàn)兩個或三個焦距的變化，但實現(xiàn)三個焦距的變化時，需要分別打入兩組不同的光學部件，系統(tǒng)體積會增大。打入光學部件的光軸難以和原系統(tǒng)的光軸重合且機構較多，對光學和機構加工要求很高。通過本發(fā)明的實施僅需打入一塊光學平板，可以有效地減少打入光學部件以及機構的數量，裝調過程中光軸一致性的問題得到很好的解決；改變間隔型斷續(xù)變焦系統(tǒng)可以實現(xiàn)三個焦距的變化，但需要移動兩組以上的光學組件，且光學組件移動的行程會較長，這樣會使整機的體積增大，導致重量上升。通過本發(fā)明的實施可以有效地減少移動光學部件以及機構的數量，且行程會縮短，這樣體積重量都可以得到減小。

【發(fā)明內容】

[0006]針對現(xiàn)有紅外斷續(xù)變焦系統(tǒng)的不足，本發(fā)明提供一種大變倍比長波紅外三視場光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)變焦方式新穎，切換時間短，裝配調整簡單，縱向尺寸緊湊，透鏡組元之間空間尺寸大，透過率高，成像效果較好。[0007] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明所述的長波紅外三視場光學系統(tǒng)采用的技術方案是:從物方到像方依次由前固定組、變倍組、后固定組、光學平板、第一反射鏡、第二反射鏡和二次成像組組成，其中:
前固定組為一凸面朝向物側的彎月形正透鏡，其作用是將物方景物會聚；
變倍組由兩片透鏡構成，通過軸向移動變倍組可以改變光學系統(tǒng)的焦距，即改變變倍倍率，同時可進行調焦與溫度補償；
后固定組由兩片透鏡構成，其作用是將物方景物會聚成成像系統(tǒng)的一次實像；
光學平板的作用是當切換到大視場時，放置于后固定組的兩片透鏡之間，進行光路平移，保證像面穩(wěn)定；
第一反射鏡成45度放置于后固定組后，其作用是減小光路的橫向尺寸；
第二反射鏡成45度放置于二次成像組前，其作用是折轉光路；光學系統(tǒng)的一次實像的成像位置在第一反射鏡和第二反射鏡之間；
二次成像組由兩片透鏡構成，其作用是將一次像面聚焦于二次像面，實現(xiàn)100%冷屏效率以及有效縮小前固定組的口徑。
[0008]本發(fā)明所述的前固定組透鏡的第二表面、后固定組中的第一透鏡的第二表面、二次成像組中的第二透鏡的第一表面均采用高次非球面。
[0009]本發(fā)明所述的長波紅外三視場光學系統(tǒng)，其工作波段為7.7~9.5 μ m，F(xiàn)#為3，視場分別為 0.96° X0.72°，6° X4.5° ,27° Χ21°。
[0010]本發(fā)明的工作原理是:目標的輻射光線首先經過前固定組、變倍組、后固定組后匯聚，形成一次像面，再通過二次成像透鏡組進行二次成像。變倍組與后固定組間隔最小時，光學系統(tǒng)處于小視場；變倍組沿光軸從靠近后固定組的位置向前固定組移動，實現(xiàn)小視場到中視場的變換；變倍組沿光軸再向前固定組移動，同時在后固定組中間切入一塊光學平板，實現(xiàn)中視場到大視場的變換。光學系統(tǒng)小視場的有效焦距與大視場的有效焦距之比就是變倍比。
[0011]本發(fā)明的技術效果是:采用兩種斷續(xù)變焦混合的方式，移動一組變倍組，打入一塊光學平板，可實現(xiàn)大、中、小三個視場，且達到28倍的變倍比，在三個視場成像質量優(yōu)良。與其他系統(tǒng)相比減少打入光學部件以及機構的數量，裝調過程中光軸一致性的問題得到很好的解決，具有裝調簡單，利于批量生產的特點。
[0012]本發(fā)明采用二次成像技術，從小視場變換到大視場，僅由7組鏡片實現(xiàn)，變倍組最大行程小于100mm，實現(xiàn)100%冷屏效率。采用兩個45°放置的反射鏡對光路進行U型折疊的設計，使光學系統(tǒng)具有緊湊的結構，長X寬X高的尺寸小于280 mmX200 mmX200 mm。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的光學系統(tǒng)在長焦位置(F=560 mm)的示意圖；
圖2為本發(fā)明的光學系統(tǒng)在中焦位置(F=92 mm)的示意圖；
圖3為本發(fā)明的光學系統(tǒng)在短焦位置(F=20 mm)的示意圖。
[0014]圖中，I為前固定組,2為變倍組,21為變倍組第一透鏡,22為變倍組第二透鏡,3為后固定組，31為后固定組第一透鏡,32為后固定組第二透鏡,4為第一反射鏡,5為第二反射鏡，6為二次成像組，61為二次成像組第一透鏡，62為二次成像組第二透鏡，7為光學平板?！揪唧w實施方式】
[0015]以下結合附圖，通過實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0016]該實施例是本發(fā)明應用于制冷型384 X 288元25 μ m凝視型焦平面探測器的例子。
[0017]圖1、圖2、圖3分別是本發(fā)明所述的長波紅外三視場光學系統(tǒng)在長焦、中焦、短焦位置時的示意圖。其特征在于:從物方到像方依次由正光焦度的前固定組1、負光焦度的變倍組2、正光焦度的后固定組3、光學平板7、第一反射鏡4、第二反射鏡5和正光焦度的二次成像組6組成。
[0018]其中，前固定組I為一凸面朝向物側的彎月形鍺正透鏡，其作用是將物方景物會聚。
[0019]變倍組第一透鏡21和變倍組第二透鏡22構成變倍組2，通過軸向移動變倍組可以改變光學系統(tǒng)的焦距，即改變變倍倍率，同時可進行調焦與溫度補償。
[0020]后固定組第一透鏡31和后固定組第二透鏡32構成后固定組3，其作用是將物方景物會聚成成像系統(tǒng)的一次實像，即形成一次像面。
[0021]第一反射鏡4成45度放置于后固定透鏡組3后，其作用是減小光路的橫向尺寸。
[0022]第二反射鏡5成45度放置于二次成像組6前，其作用是折轉光路。光學系統(tǒng)的一次實像成像在第一反射鏡4和第二反射鏡5之間。
[0023]二次成像組第一透鏡61和二次成像組第二透鏡62構成二次成像組6，其作用是將一次像面聚焦于二次像面。可 實現(xiàn)10 0%冷屏效率以及有效縮小前固定組的口徑。
[0024]光學平板7的作用是當切換到大視場時，放置于后固定組3的兩片透鏡31和32之間，進行光路平移，保證像面穩(wěn)定。
[0025]為提高成像質量，減小溫度變化對成像質量的影響，前固定組I的第二表面S2、后固定組第一透鏡31的第二表面S8和二次成像組第二透鏡62的第一表面S15均采用高次非球面。
[0026]該光學系統(tǒng)的工作波段為7.7~9.5 μ m，F(xiàn)#為3，變倍比為28倍，視場分別為0.96° Χ0.72° ,6° Χ4.5° ,27° Χ2。
[0027]如圖1和圖2所示，當光學系統(tǒng)從小視場調整到中視場時，變倍組2沿光軸從靠近后固定組3的位置向前固定組I移動,移動距離為38mm,此時一次像面位置不變。
[0028]如圖2和圖3所示，當光學系統(tǒng)從中視場調整到大視場時，變倍組2沿光軸再向前固定組I移動，移動距離為60_，同時在后固定組3的第一透鏡31和第二透鏡32之間切入光學平板7，改變后固定組3的有效焦距，用以補償變倍組2移動帶來的像面位移。切入的光學平板7不會帶來光軸的偏移，對于瞄準系統(tǒng)來說三個視場的光軸偏移量較好控制，對裝調有較大的優(yōu)勢。
[0029]表一:本發(fā)明光學系統(tǒng)的優(yōu)選實施例
【權利要求】
1.一種長波紅外三視場光學系統(tǒng)，其特征在于:從物方到像方依次由前固定組⑴、變倍組⑵、后固定組⑶、光學平板⑴、第一反射鏡⑷、第二反射鏡(5)和二次成像組(6)組成，其中: 前固定組⑴為一凸面朝向物側的彎月形正透鏡，其作用是將物方景物會聚； 變倍組⑵由兩片透鏡構成，通過軸向移動變倍組可以改變光學系統(tǒng)的焦距，即改變變倍倍率，同時可進行調焦與溫度補償； 后固定組⑶由兩片透鏡構成，其作用是將物方景物會聚成成像系統(tǒng)的一次實像； 光學平板⑴的作用是當切換到大視場時，放置于后固定組的兩片透鏡之間，進行光路平移，保證像面穩(wěn)定； 第一反射鏡⑷成45度放置于后固定組后，其作用是減小光路的橫向尺寸； 第二反射鏡(5)成45度放置于二次成像組前，其作用是折轉光路；光學系統(tǒng)的一次實像的成像位置在第一反射鏡和第二反射鏡之間； 二次成像組(6)由兩片透鏡構成，其作用是將一次像面聚焦于二次像面，實現(xiàn)100%冷屏效率以及有效縮小前固定組的口徑。
2.按照權利要求1所述的長波紅外三視場光學系統(tǒng)，其特征在于:前固定組⑴透鏡的第二表面(S2)、后固定組中的第一透鏡(31)的第二表面(S8)、二次成像組中的第二透鏡(62)的第一表面(S15)均采用高次非球面。
3.按照權利要求1所述的長波紅外三視場光學系統(tǒng)，其特征在于:其工作波段為7.7 ~9.5 μ m，F(xiàn)# 為 3，視場分別為 0.96° X0.72°，6。X4.5。,27° Χ21°。
4.按照權利要求1所述的長波紅外三視場光學系統(tǒng)，其特征在于:在小視場、中視場時，光學平板(7)不切入光路；當切換到大視場時，光學平板(7)切入光路并位于后固定組第一透鏡(31)和后固定組第二透鏡(32 )之間。
5.按照權利要求1所述的長波紅外三視場光學系統(tǒng)，其特征在于:光學平板(7)的材料為硒化鋅，厚度為17mm。
【文檔編號】G02B15/00GK103558679SQ201310469820
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月10日 優(yōu)先權日:2013年10月10日
【發(fā)明者】馮曉燕, 陳呂吉, 李萍 申請人:昆明物理研究所