一种轴向变倍短波三视场光学系统的制作方法

本发明属于三视场光学系统，具体涉及一种轴向变倍短波三视场光学系统。

背景技术：

工作于短波红外波段的热像仪即具有可见光的摄像机的设计特点，又具有中长波红外热像仪的能量特征，属于介于辐射能量理论和光度学理论的一种热像仪。可实现穿透烟、雾、霾、雪等限制以及识别伪装的能力，可以对飞机、导弹等高温尾焰目标实现远距离、全天候观察。

工作于可见光(0.4-0.8μm)波段的光学系统，虽然其材料可以应用于短波光学系统，但因波段不同，导致光学材料的色散系数不一样，透镜表面镀膜也不一样，因此可见光镜头或光学系统不能直接应用于短波波段的成像。也就是说虽然材料同名，但实质性质已相差甚远。碍于短波探测器的发展，短波红外光学系统一直未得到足够的重视。

国内外红外三视场变倍光学系统的实现方式，分为径向切入方式和轴向移动方式。径向切入方式三视场光学系统通过不同变倍镜组切换的方式实现三视场的转换，该方式的优点是窄视场具有最高的光轴精度和最高的光学透过率。缺点是由于采用径向切换方式造成了系统径向尺寸过大、运动机构复杂并且重量较重。轴向移动方式三视场光学系统通过变倍镜组与补偿镜组在光轴上的不同位置实现三视场的转换，该方式的优点是系统的体积小、重量轻。

专利cn104297899a公开了一种大视场被动消热差短波红外光学系统，工作于0.9-2.5μm，由六块透镜构成，并引入了非球面，f数为1.4，焦距为24.7mm。但因其为单视场光学系统，无法实现多视场的探测与识别的需求，作用距离有限。

工作于中长波红外波段的三视场光学系统已经有较多的报道，如cn103558679b，揭露了一种长波三视场光学系统，焦距为20mm、92mm、560mm。通过轴向移动一组透镜，并切入一块平板玻璃实现三视场。又如cn104297923a所揭露的两组元三视场红外光学系统，通过轴向变倍、机械补偿实现了三视场设计。但是均因其工作波段为长波或者中波，无法应用于短波成像系统，而红外短波三视场光学系统则还未见诸报道。

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，本发明提出一种轴向变倍短波三视场光学系统，能够在保证光学系统各视场的光学成像质量下，实现三视场成像，同时可以实现变f数的功能。通过变倍组3及补偿组4的移动实现三视场，并通过移动补偿组4实现热离焦的补偿，实现在较大的温度范围内成像。

技术方案

一种轴向变倍短波三视场光学系统，其特征在于包括物面1、前固定透镜组2、变倍透镜组3、补偿透镜组4、可变口径光阑5、后固定透镜组6和探测器像面7，其中同一透镜实体上前表面为靠近物面1的表面，后表面为靠近像面7的表面；所述前固定透镜组2包括双凸正透镜201、双凹负透镜202和弯月正透镜203，三片透镜之间轴向中心距离从物面到像面方向依次为4.3mm、0.5mm；；所述变倍透镜组3包括弯月负透镜301、双凹负透镜302、双凸正透镜303和双凹负透镜304，四片透镜之间轴向中心距离从物面到像面方向依次为15.6mm、0.5mm、2.3mm；所述补偿透镜组4包括双凸正透镜401、弯月负透镜402和弯月正透镜403，三片透镜之间轴向中心距离从物面到像面方向依次为0.5mm、0.8mm；所述后固定透镜组6包括弯月正透镜601、弯月负透镜602和弯月正透镜603，弯月正透镜601距离可变口径光阑5轴向中心距离为0.5mm，三片透镜之间轴向中心距离从物面到像面方向依次为3.2mm、3mm、3.1mm；

调整前固定透镜组2与变倍透镜组3之间轴向中心间距为3mm，变倍透镜组3与补偿透镜组4之间轴向中心间距为145.9mm，补偿透镜组4与可变口径光阑5之间轴向中心间距为3mm，构成光学系统大视场光路，此时可变口径光阑5全口径为38.9mm；

调整前固定透镜组2与变倍透镜组3之间轴向中心间距为53.6mm，变倍透镜组3与补偿透镜组4之间轴向中心间距为86.5mm，补偿透镜组4与可变口径光阑5之间轴向中心间距为11.7mm，构成光学系统中视场光路，此时可变口径光阑5全口径约为19.3mm；

调整前固定透镜组2与变倍透镜组3之间轴向中心间距为59.5mm，变倍透镜组3与补偿透镜组4之间轴向中心间距为3mm，补偿透镜组4与可变口径光阑5之间轴向中心间距为89.4mm，构成光学系统小视场光路，此时可变口径光阑5全口径为12.9mm。

所述可变口径光阑5通过电机调节口径，小视场为6、中视场为4、大视场为2。

所述双凸正透镜201玻璃材料为hzk20，前表面半径133mm，后表面半径为-249，透镜中心厚29mm，全口径134mm；所述双凹负透镜202玻璃材料为hzf62，前表面半径-229mm，后表面半径为345mm，透镜中心厚3mm，全口径127mm；所述弯月正透镜203玻璃材料为hzk20，前表面半径120mm，后表面半径为2730mm，透镜中心厚17mm，全口径119mm。

所述弯月负透镜301玻璃材料为hfk61，前表面半径124mm，后表面半径为40mm，透镜中心厚6mm，口径65；所述双凹负透镜302玻璃材料为hfk61，前表面半径-69mm，后表面半径为72mm，透镜中心厚3mm，全口径52mm；所述双凸正透镜303玻璃材料为hzf62，前表面半径57mm，后表面半径为-159mm，透镜中心厚11mm，全口径53mm。

所述双凹负透镜304玻璃材料为hzlaf52，前表面半径-86mm，后表面半径为75mm，透镜中心厚3mm，全口径52；所述双凸正透镜401玻璃材料为hzk20，前表面半径60mm，后表面半径约-381，透镜中心厚9mm，全口径51mm；所述弯月负透镜402玻璃材料为hzf62，前表面半径70mm，后表面半径为34mm，透镜中心厚3mm，全口径49mm；所述弯月正透镜403玻璃材料为hfk61，前表面半径35mm，后表面半径为19000mm，透镜中心厚11mm，全口径45mm。

所述弯月正透镜601玻璃材料为hzk20，前表面半径82mm，后表面半径为272，透镜中心厚4mm，全口径38mm；所述弯月负透镜602玻璃材料为hzf62，前表面半径-84mm，后表面半径为-136mm，透镜中心厚3mm，全口径37mm；所述弯月正透镜603玻璃材料为hzk20，前表面半径-127mm，后表面半径为-77mm，透镜中心厚3mm，全口径32mm。

有益效果

本发明提出的一种轴向变倍短波三视场光学系统，依据可见光光学系统设计方法，采取轴向变倍、机械补偿的方法，设计了应用于短波0.9-1.7μm波段的轴向变倍三视场光学系统，焦距分别为40mm、120mm、360mm；通过变倍组3及补偿组4的移动实现大、中、小三个视场，并通过移动补偿组4实现热离焦的补偿，实现在较大的温度范围内成像；采用可变光阑实现大、中、小三个视场的f数可调，以实现按需选择系统通光口径，控制防止过曝光；全部选取常用的可见光玻璃材料，并全部使用球面来实现高像质，未使用任何非球面等。

有益效果：

1、光学系统为工作在0.9-1.7μm波段的红外三视场成像系统，实现了轴向移动方式的9倍变倍比的设计；

2、f数可变，小视场为6、中视场为4、大视场为2，用以调整进光量，防止过曝光；

3、全部为球面透镜，且采用常用且有库存的光学玻璃，材料获取、加工容易；

4、可变光阑的应用，可以实现系统像面照度的可调，减轻后端电子白平衡的处理难度。

附图说明

图1是本发明的大视场光学系统结构视图；

图2是本发明的中视场光学系统结构视图；

图3是本发明的小视场光学系统结构视图；

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

光学系统包括无限远处的物面1、前固定透镜组2、变倍透镜组3、补偿透镜组4、可变口径光阑5、后固定透镜组6、探测器像面7组成。同一透镜实体上前表面为靠近物面1的表面，后表面为靠近像面7的表面，以下不再赘述。

按光路走向依次包括无限远处的物面1、前固定透镜组2、变倍透镜组3、补偿透镜组4、可变口径光阑5、后固定透镜组6、探测器像面7组成。其中前固定组由三片透镜构成，双凸正透镜201、双凹负透镜202、弯月正透镜203构成；变倍透镜组由四片透镜构成，弯月负透镜301、双凹负透镜302、双凸正透镜303、双凹负透镜304构成；补偿透镜组由三片透镜构成，双凸正透镜401、弯月负透镜402、弯月正透镜403构成；后固定组由三片透镜构成，弯月正透镜601、弯月负透镜602、弯月正透镜603构成。

其中前固定组由三片透镜构成，双凸正透镜201、双凹负透镜202、弯月正透镜203构成：透镜201玻璃材料为hzk20，前表面半径约133mm，后表面半径约为-249，透镜中心厚约29mm，全口径约134mm；透镜202玻璃材料为hzf62，前表面半径约-229mm，后表面半径约为345mm，透镜中心厚约3mm，全口径约127mm；透镜203玻璃材料为hzk20，前表面半径约120mm，后表面半径约为2730mm，透镜中心厚约17mm，全口径约119mm。三片透镜之间轴向中心距离从左到右方向(即就是物面到像面方向，以下不再赘述)依次约为4.3mm、0.5mm。

变倍透镜组由四片透镜构成，弯月负透镜301、双凹负透镜302、双凸正透镜303、双凹负透镜304构成：透镜301玻璃材料为hfk61，前表面半径约124mm，后表面半径约为40mm，透镜中心厚约6mm，口径约65；透镜302玻璃材料为hfk61，前表面半径约-69mm，后表面半径约为72mm，透镜中心厚约3mm，全口径约52mm；透镜303玻璃材料为hzf62，前表面半径约57mm，后表面半径约为-159mm，透镜中心厚约11mm，全口径约53mm；透镜304玻璃材料为hzlaf52，前表面半径约-86mm，后表面半径约为75mm，透镜中心厚约3mm，全口径约52。四片透镜之间轴向中心距离从左到右方向依次约为15.6mm、0.5mm、2.3mm。

补偿透镜组由三片透镜构成，双凸正透镜401、弯月负透镜402、弯月正透镜403构成；透镜401玻璃材料为hzk20，前表面半径约60mm，后表面半径约为-381，透镜中心厚约9mm，全口径约51mm；透镜402玻璃材料为hzf62，前表面半径约70mm，后表面半径约为34mm，透镜中心厚约3mm，全口径约49mm；透镜403玻璃材料为hfk61，前表面半径约35mm，后表面半径约为19000mm，透镜中心厚约11mm，全口径约45mm。三片透镜之间轴向中心距离从左到右方向依次约为0.5mm、0.8mm。

后固定组由三片透镜构成，弯月正透镜601、弯月负透镜602、弯月正透镜603构成。透镜601玻璃材料为hzk20，前表面半径约82mm，后表面半径约为272，透镜中心厚约4mm，全口径约38mm；透镜602玻璃材料为hzf62，前表面半径约-84mm，后表面半径约为-136mm，透镜中心厚约3mm，全口径约37mm；透镜603玻璃材料为hzk20，前表面半径约-127mm，后表面半径约为-77mm，透镜中心厚约3mm，全口径约32mm。透镜601距离可变口径光阑5轴向中心距离为0.5mm。三片透镜之间轴向中心距离从左到右方向依次约为3.2mm、3mm、3.1mm。

当变倍透镜组3和补偿透镜组4处于图1所示位置时，构成光学系统大视场光路；透镜组2与透镜组3之间轴向中心间距约为3mm，透镜组3与透镜组4之间轴向中心间距约为145.9mm，透镜组4与可变口径光阑5之间轴向中心间距约为3mm，构成光学系统大视场光路，此时可变口径光阑5全口径约为38.9mm；

当变倍透镜组3沿轴向和补偿透镜组4沿轴向相互靠近移动，处于图2所示位置时，构成光学系统中视场光路；透镜组2与透镜组3之间轴向中心间距约为53.6mm，透镜组3与透镜组4之间轴向中心间距约为86.5mm，透镜组4与可变口径光阑5之间轴向中心间距约为11.7mm，构成光学系统中视场光路，此时可变口径光阑5全口径约为19.3mm；

当变倍透镜组3和补偿透镜组4沿轴向继续相互靠近移动，处于图3所示位置时，构成光学系统小视场光路。透镜组2与透镜组3之间轴向中心间距约为59.5mm，透镜组3与透镜组4之间轴向中心间距约为3mm，透镜组4与可变口径光阑5之间轴向中心间距约为89.4mm，构成光学系统小视场光路，此时可变口径光阑5全口径约为12.9mm。

透镜组的移动，依靠步进电机驱动，沿导轨或光杆直线移动。当温度变化时可通过前后移动补偿透镜组4实现热离焦的补偿，即就是机械被动消热差法。可变口径光阑5可以通过电机调节口径，实现不同视场下f数的调节，同时还可以实现在不同亮暗视场下的像面照度调节。

透镜组的移动，依靠步进电机驱动，沿导轨或光杆直线移动。当温度变化时可通过前后移动补偿透镜组4实现热离焦的补偿。

可变口径光阑5可以通过电机调节口径，实现不同视场下f数的调节，同时还可以实现在不同亮暗视场下的像面照度调节。

大视场焦距为360㎜(f数为6)、中视场焦距为120mm(f数为4)、小视场焦距为40mm(f数为2)；系统采用一次成像的方式；系统第一面——透镜201前表面到探测器像面的轴向空间长度为360mm。全视场内畸变大、中、小视场分别小于等于3.5％、1.5％、0.06％。全视场内mtf评价在20lp/mm处大、中、小视场分别大于等于0.597、0.714、0.629。

其适用的探测器为像素数640×512、像素大小25μm的短波红外焦平面探测器，适用波长：0.9μm-1.7μm；中心波长：1.3μm；有效成像面积：16mm×12.8mm。