一种宽波段多视场光学系统的制作方法

本发明属于光学技术领域，具体为一种应用于军民两用领域的宽波段多视场光学系统。

背景技术：

现在的光电成像系统绝大多数工作在单一波段，鉴于目标所处区域的不同、气候温度的改变、目标的伪装，单一波段的系统获取的信息减弱，特别是探测目标本身的操作或者行为的改变导致辐射特性改变等原因，使成像系统探测不到目标或者探测准确度下降。如果一个光电成像系统能同时在多个波段获取目标信息，就可对复杂的背景进行抑制，提高对目标的探测效果，在预警、搜索和跟踪系统中能明显的降低虚警率。

目前，国内外可见光、近红外、短波红外的探测还是依靠各自独立的传感器来实现，覆盖可见光、近红外、短波红外整个波段范围的单一宽波段探测系统国内外均未见报道。

由于光学材料的折射率、色散在不同波段呈现出的特性差异较大，造成在整个宽波段范围(0.4～2.5μm)光学系统的像差校正非常困难，同时在宽波段范围(0.4～2.5μm)内可选的光学材料有限，也增加了宽波段光学系统设计的难度。

国内外多视场变倍光学系统普遍采用的实现方式，分为切入方式和轴向移动方式。切入方式多视场光学系统通过不同变倍镜组切换的方式实现视场的转换，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。轴向移动方式多视场光学系统通过变倍镜组与补偿镜组在光轴上移动不同位置实现视场的转换，该方式的优点是系统的体积小、重量轻。缺点是由于采用轴向移动的方式，所有光学元件为各视场所共用，由于现有光学元件设计能力不足，造成了整个光学系统的透过率偏低。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种用于可见光、近红外、短波红外的宽波段多视场光学系统。

本发明的技术方案为：

所述一种宽波段多视场光学系统，由前组物镜(1)、变倍透镜组(2)、补偿透镜组(3)、固定透镜组(4)、探测器焦平面(5)组成系统光路；其中变倍透镜组(2)和补偿透镜组(3)能够由电机驱动沿光轴移动；其特征在于：变倍透镜组(2)和补偿透镜组(3)处于窄视场对应位置时，窄视场焦距范围150m～300mm；变倍透镜组(2)和补偿透镜组(3)处于中视场对应位置时，中视场焦距范围50mm～100mm；变倍透镜组(2)和补偿透镜组(3)处于宽视场对应位置时，宽视场焦距范围10mm～30mm；适用波长范围0.4μm～2.5μm。

进一步的优选方案，所述一种宽波段多视场光学系统，其特征在于：探测器为320×256、384×288或640×512宽波段焦平面探测器。

进一步的优选方案，所述一种宽波段多视场光学系统，其特征在于：

前组物镜(1)沿光路分为前组物镜(1-1)和前组物镜(1-2)，前组物镜(1-1)的入射面半径为154.2mm，出射面半径为100.3mm，中心厚度2mm；前组物镜(1-2)的入射面半径为101.3mm，出射面半径为-496mm，中心厚度22mm；前组物镜(1-1)出射面与前组物镜(1-2)入射面间隔0.9mm；前组物镜(1-1)采用KZFS12材料；前组物镜(1-2)采用CAF2材料；

变倍透镜组(2)沿光路分为变倍透镜(2-1)和变倍透镜(2-2)；变倍透镜(2-1)的入射面半径为237.06mm，出射面半径为-204.5mm，中心厚度7mm；前组物镜(1-2)出射面与变倍透镜(2-1)入射面的间隔为窄视场190mm，中视场108mm，宽视场20mm；变倍透镜(2-2)的入射面半径为-36.55mm，出射面半径为49.4mm，中心厚度2mm；变倍透镜(2-1)出射面与变倍透镜(2-2)入射面间隔9mm；变倍透镜(2-1)采用NLAK21材料；变倍透镜(2-2)采用CAF2材料；

补偿透镜组(3)的入射面为非球面，半径为49.4mm，出射面半径为-80.7mm，中心厚度4.5mm；变倍透镜(2-2)出射面与补偿透镜组(3)入射面的间隔为窄视场8mm，中视场92mm，宽视场183mm；补偿透镜组(3)采用ZF7材料；

固定透镜组(4)沿光路分为固定透镜组(4-1)、光阑、固定透镜组(4-2)、固定透镜组(4-3)、固定透镜组(4-4)、固定透镜组(4-5)、固定透镜组(4-6)、固定透镜组(4-7)；

补偿透镜组(3)出射面与固定透镜组(4-1)入射面的间隔为窄视场15mm，中视场13mm，宽视场10mm；

固定透镜组(4-1)的入射面半径为-20.4mm，出射面半径为-58.7mm，中心厚度2mm；固定透镜组(4-1)出射面与光阑间隔0.1mm；固定透镜组(4-1)采用ZF7材料；

光阑与固定透镜组(4-2)入射面间隔0.7mm；固定透镜组(4-2)入射面为非球面，半径为-229.3mm，出射面半径为-14.98mm，中心厚度4.2mm；固定透镜组(4-2)采用NLAF2材料；

固定透镜组(4-3)入射面与固定透镜组(4-2)出射面间隔0.1mm；固定透镜组(4-3)入射面半径为-15.06mm，出射面半径为-23.5mm，中心厚度2mm；固定透镜组(4-3)采用NLAK9材料；

固定透镜组(4-4)入射面与固定透镜组(4-3)出射面间隔0.1mm；固定透镜组(4-4)入射面半径为104.78mm，出射面半径为16.47mm，中心厚度2mm；固定透镜组(4-4)采用PSF67材料；

固定透镜组(4-5)入射面与固定透镜组(4-4)出射面间隔0.1mm；固定透镜组(4-5)入射面半径为14.99mm，出射面半径为-16.25mm，中心厚度10mm；固定透镜组(4-5)采用CAF2材料；

固定透镜组(4-6)入射面与固定透镜组(4-5)出射面间隔0.1mm；固定透镜组(4-6)入射面半径为-22.43mm，出射面半径为30.21mm，中心厚度6.5mm；固定透镜组(4-6)采用F2材料；

固定透镜组(4-7)入射面与固定透镜组(4-6)出射面间隔10mm；固定透镜组(4-7)入射面半径为13.66mm，出射面半径为21.63mm，中心厚度9mm；固定透镜组(4-7)采用SF11材料；

固定透镜组(4-7)出射面与探测器焦平面间隔19mm。

有益效果

本发明宽波段多视场光学系统在可见光、近红外、短波红外宽波段范围内同时获得优良像质，并通过轴向切换透镜组的方法实现了多视场的转换，使宽波段多视场光学系统同时实现宽波段探测和具有高的成像质量，而且运动机构简单易于控制。其相对于现有技术明显的优点如下：

1可见光、近红外、短波红外宽波段光学系统

采用非球面设计方法和多种光学材料组合，在可见光、近红外、短波红外宽波段范围内很好的校正了二级光谱、色差、球差等像差，在宽波段范围内同时获得了优良像质。

2多视场

针对不同的使用需求，可提供窄、中、宽多个光学视场，窄视场用于远距离目标的识别；中视场用于目标的探测；宽视场用于大范围搜索及导航。

3轴向变倍

采用轴向移动方式实现三视场光学系统，通过变倍透镜组与补偿透镜组在光轴上的不同位置实现三视场的转换，同时补偿透镜组承担调焦功能，该方式的优点是系统的体积小、重量轻、机构简单。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明宽波段多视场光学系统窄视场光路图；

图2是本发明宽波段多视场光学系统中视场光路图；

图3是本发明宽波段多视场光学系统宽视场光路图；

图4是本发明宽波段多视场光学系统窄视场MTF图；

图5是本发明宽波段多视场光学系统中视场MTF图；

图6是本发明宽波段多视场光学系统宽视场MTF图；

其中，1-前组物镜、2-变倍透镜组、3-补偿透镜组、4-固定透镜组、5-探测器焦平面。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参阅图1～3，本发明宽波段多视场光学系统由前组物镜1、变倍透镜组2、补偿透镜组3、固定透镜组4、探测器焦平面5组成系统光路，其中变倍透镜组2和补偿透镜组3能够由电机驱动沿光轴移动。

当变倍透镜组2、补偿透镜组3分别位于A1、B1位置时，构成窄视场光路；当电机分别驱动变倍透镜组2、补偿透镜组3移动到A2、B2位置时，构成中视场光路；当电机分别驱动变倍透镜组2、补偿透镜组3移动到A3、B3位置时，构成宽视场光路；当电机分别驱动变倍透镜组2、补偿透镜组3回到A1、B1位置时，恢复为窄视场光路。实现宽、中、窄三视场的轴向变换。

当变倍透镜组2和补偿透镜组3处于窄视场对应位置时，窄视场焦距范围150m～300mm；变倍透镜组2和补偿透镜组3处于中视场对应位置时，中视场焦距范围50mm～100mm；变倍透镜组2和补偿透镜组3处于宽视场对应位置时，宽视场焦距范围10mm～30mm；适用波长范围0.4μm～2.5μm；适用的探测器为320×256、384×288、640×512宽波段焦平面探测器。

系统光路具体光学参数见下表所示，为了提高各视场的成像质量，光路中加入了部分非球面参与像差平衡。

光学参数表(单位：mm)

本发明宽波段多视场光学系统通过采用非球面设计方法和多种光学材料组合，在可见光、近红外、短波红外宽波段范围内很好的校正了二级光谱、色差、球差等像差，在宽波段范围内同时获得了优良像质。通过轴向切换透镜组的方法实现多视场的转换，使宽波段多视场光学系统同时实现宽波段探测和具有高的成像质量，而且运动机构简单易于控制。具有较大的实际应用价值。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。