一种三组联动紧凑型高变倍比红外连续变焦光学系统的制作方法

本发明属于红外光学系统，涉及一种三组联动紧凑型高变倍比红外连续变焦光学系统，应用于军民两用领域的三组联动紧凑型高变倍比红外连续变焦光学系统。

背景技术：

红外连续变焦热像仪是一种焦距可连续变化、而像面位置保持稳定并且在变焦过程中像质保持良好的成像系统。定焦红外热像仪在像面上欲得到不同大小的像，必须改变目标物体与镜头之间的距离或更换不同焦距的镜头。而红外连续变焦热像仪可以连续改变系统焦距，因此，可以在像面上得到连续改变大小的目标像，对于光电探测及侦察、跟踪等都非常有利。

通常的红外连续变焦镜头变倍比在10到20倍之间并且轴向尺寸过长，通常需要通过平面反射镜折转光路，空间体积大。难以满足高变倍比、小尺寸的实际使用需求。高变倍比、紧凑型连续变焦光学系统在导航、搜索、侦察等军用、警用领域的应用需求非常广泛。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种三组联动紧凑型高变倍比红外连续变焦光学系统。

技术方案

一种三组联动紧凑型高变倍比红外连续变焦光学系统，其特征在于包括窄视场光路、中视场光路和宽视场光路；窄视场光路的构成为：按光路走向依次为物镜1、变倍透镜2、第一补偿透镜3、第二补偿透镜4和会聚透镜组5；所述会聚透镜组5包括依次排列的第一会聚透镜5-1、第二会聚透镜5-2和第三会聚透镜5-3；第一光学面到最后一光学面的轴向空间长度为180mm；沿光轴改变变倍透镜2、第一补偿透镜3和第二补偿透镜4的相互的间隔厚度，能够得到包括窄视场光路、中间视场光路至宽视场光路的高变倍比红外连续变焦光学系统。

在会聚透镜组5光路之后设有探测器6构成三组联动紧凑型高变倍比红外连续变焦光学装置。

所述探测器F数为5.5，像素数320×240、像素大小30μm的焦平面探测器或像素数640×480、像素大小15μm的焦平面探测器；其适用波长：3μm～5μm。

当变倍透镜2、第一补偿透镜3和第二补偿透镜4分别位于A₁、B₁和C₁位置时，构成焦距为687.5㎜的窄视场光路；所述A₁、B₁和C₁位置时，物镜1与变倍透镜2间隔为87mm，变倍透镜2与第一补偿透镜3间隔为4mm，第一补偿透镜3与第二补偿透镜4间隔为25mm，第二补偿透镜4与会聚透镜组5间隔为0.5mm。

当变倍透镜2、第一补偿透镜3和第二补偿透镜4分别位于A₂、B₂和C₂位置时，构成焦距为22.4mm宽视场光路；所述A₂、B₂和C₂位置时，物镜1与变倍透镜2间隔为8mm，变倍透镜2与第一补偿透镜3间隔为101mm，第一补偿透镜3与第二补偿透镜4间隔为4mm，第二补偿透镜4与会聚透镜组5间隔为3.5mm。

所述物镜1、变倍透镜2、第一补偿透镜3、第二补偿透镜4和会聚透镜组5材料配合为物镜1和第一补偿透镜3为单晶硅；变倍透镜2、第二补偿透镜4、第一会聚透镜5-1和第三会聚透镜5-3为单晶锗；第二会聚透镜5-2为硫化锌。

有益效果

本发明提出的一种三组联动紧凑型高变倍比红外连续变焦光学系统，采用双补偿组设计方法实现变倍组、补偿组三组联动，实现大变倍比，通过采用非球面、衍射面，降低高级像差、轴上点与轴外点像差、细光束与宽光束像差、各种色差并压缩轴向空间，在全视场和全孔径内获得满意的像质。

本发明的优点：

1高变倍比连续变焦：实现了30倍光学连续变焦、焦距可连续变化，可获得连续变大、缩小的图像并且像面位置保持稳定，在变焦过程中像质保持良好。

2构型紧凑：整个光学系统轴向长度短，仅为180mm，比同类光学系统长度缩短了近60％。

3成像质量优：采用非球面、衍射面设计，使得连续变焦光学系统设计的自由度变大，光学系统优化设计可选择的变量增多，使得光学系统像差设计易于达到优良结果，获得优良像质。

附图说明

图1为本发明现有技术光路示意图；

图2为本发明窄视场光路示意图；

图3为本发明中间视场光路示意图a；

图4为本发明中间视场光路示意图b；

图5为本发明中间视场光路示意图c；

图6为本发明宽视场光路示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

变焦光学系统由前固定组、变倍组、第1补偿组、第2补偿组和后固定组五组透镜组成，变焦距系统的核心是可移动透镜组倍率的改变。设计中通过采用非球面、衍射面，降低高级像差、轴上点与轴外点像差、细光束与宽光束像差、各种色差，在全视场、全孔径、全变焦范围内获得满意的像质。

前固定组为物镜1，变倍组为变倍透镜2，第1补偿组为第一补偿透镜3，第2补偿组为第二补偿透镜4，后固定组为会聚透镜组5组成光路系统；会聚透镜组5后设有探测器6，构成三组联动紧凑型高变倍比红外连续变焦光学探测器。

按光路走向依次包括物镜1、变倍透镜2、补偿透镜3、补偿透镜4、会聚透镜组5、探测器6组成。当变倍透镜2、补偿透镜3、补偿透镜4处于图示A₁、B₁和C₁位置时，构成光学系统窄视场光路。当变倍透镜2、补偿透镜3、补偿透镜4沿轴向移动，处于图示A₂、B₂和C₂位置时，构成光学系统宽视场光路。当变倍透镜2、补偿透镜3、补偿透镜4沿轴向移动回到图示A₁、B₁和C₁位置时，视场回到窄视场光路。在整个变焦过程中图像始终保持清晰。

所述A₁、B₁和C₁位置时，物镜1与变倍透镜2间隔为87mm，变倍透镜2与第一补偿透镜3间隔为4mm，第一补偿透镜3与第二补偿透镜4间隔为25mm，第二补偿透镜4与会聚透镜组5间隔为0.5mm。

所述A₂、B₂和C₂位置时，物镜1与变倍透镜2间隔为8mm，变倍透镜2与第一补偿透镜3间隔为101mm，第一补偿透镜3与第二补偿透镜4间隔为4mm，第二补偿透镜4与会聚透镜组5间隔为3.5mm；

当沿光轴改变变倍透镜2、第一补偿透镜3和第二补偿透镜4的相互的间隔厚度，且不包含A₁、B₁和C₁位置和A₂、B₂和C₂位置时，能够得到连续变焦的中间视场光路，见图3、图4和图5。

具体光学参数见下表所示：

外界景物辐射经物镜1、变倍透镜2、补偿透镜3、补偿透镜4、会聚透镜组5聚焦到探测器6焦平面上。当变倍透镜2、补偿透镜3、补偿透镜4处于图示A1B1C1位置时，构成光学系统窄视场光路。当变倍透镜2、补偿透镜3、补偿透镜4沿轴向移动，处于图示A2B2C2位置时，构成光学系统宽视场光路。当变倍透镜2、补偿透镜3、补偿透镜4沿轴向移动回到图示A1B1C1位置时，视场回到窄视场光路。变焦过程中图像始终保持清晰。

窄视场焦距为687.5㎜、宽视场焦距为22.4mm，变倍比30倍；系统采用二次成像的方式；系统第一光学面到最后一光学面的轴向空间长度为180mm。F数：5.5；全视场内畸变≤5％。其特征还在于：其适用的探测器为像素数320×240、像素大小30μm的中波红外焦平面探测器或像素数640×480、像素大小15μm的中波红外焦平面探测器，适用波长：3μm～5μm；中心有效成像面积：9.6mm×7.2mm；保护玻璃厚度为1mm材料为单晶硅；距保护玻璃22.75mm为探测器像面。