一种中波红外光学系统的制作方法

本发明涉及红外光学系统，特别涉及一种具有双孔径三档变焦的中波红外光学系统。

背景技术：

近年来，随着红外光学技术的长足发展及其应用范围的不断扩展，对红外变焦光学系统的需求日益增强。红外变焦光学系统能实现焦距在一定范围内的改变，而在各焦距位置像面稳定并且保持良好的像质，从而实现像面景物的大小可变，产生定焦镜头无法达到的良好的视觉效果，可以达到大视场搜索目标，小视场仔细观察目标的目的，在军用和民用领域有着广阔的应用。

光电装备对红外变焦光学系统的要求是要实现更大的视场和更大的变倍比。在制冷型红外变倍光学系统中，短焦（大视场）的焦距若太短，光线在前两片透镜上折转角度就会很小，导致其冷反射很难控制，强行控制冷反射往往导致像质很差、像差平衡优化设计失败。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有双孔径三档变焦的中波红外光学系统，可用于制冷式中波红外焦平面探测器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种中波红外光学系统，从物方到像方顺序安装的装置包括双孔径物镜组、变焦组、调焦镜组、反射镜组和二次成像后组；所述的双孔径物镜组由主物镜组透镜一、主物镜组透镜二、短焦主物镜组透镜一、短焦主物镜组透镜二、短焦折转反射镜和短焦固定透镜组成；所述的变焦组由可绕旋转中心旋转的短焦变倍反射镜、短焦变倍透镜、中焦变倍透镜一、中焦变倍透镜二组成；所述的调焦镜组为可前后移动的调焦镜；所述的反射镜组由可将光路折叠180°的反射镜一和反射镜二组成；所述的二次成像后组由后组透镜一、后组透镜二和后组透镜三组成，用于将一次像面再次成像于像面上。

所述的一种中波红外光学系统，其短焦折转反射镜在光路中与光轴成45°角安装，将光路折转90°，短焦变倍反射镜旋入光路中时，在光路中相对于短焦折转反射镜成180°，再次将光路折转90°，最终将短焦光路平移一定距离后进入主光路中。

所述的一种中波红外光学系统，其反射镜一在光路中与光轴成45°角安装，将光路折转90°，反射镜二在光路中相对于第一反射镜成90°角安装，再次将光路折转90°。

所述的一种中波红外光学系统，其主物镜组透镜一、主物镜组透镜二、短焦主物镜组透镜一、短焦主物镜组透镜二、短焦固定透镜、短焦变倍透镜、中焦变倍透镜一、中焦变倍透镜二、调焦镜、后组透镜一、后组透镜二、后组透镜三的光焦度分别为正、负、负、正、正、正、负、正、负、负、正、正。

所述的一种中波红外光学系统，其正透镜均采用硅材料，所述的负透镜均采用锗材料。

所述的一种中波红外光学系统，其主物镜组透镜一、短焦主物镜组透镜二、短焦固定透镜、短焦变倍透镜、中焦变倍透镜二、调焦镜、后组透镜一、后组透镜二、后组透镜三为球面透镜。

所述的一种中波红外光学系统，其主物镜组透镜二、短焦主物镜组透镜一、中焦变倍透镜一为非球面透镜。

本发明的有益效果是：

1，控制了冷发射：短焦与长焦的主物镜透镜组不共用，短焦和长焦分为两个孔径的这一模式完全不同于传统的变焦光学系统结构，能够在满足高成像质量的同时实现对冷反射的较好控制；

2，实现三档焦距切换：通过在长焦会聚光路中转入一组反射镜和透镜的组合，实现长焦和短焦焦距的切换，通过在长焦会聚光路中转入一组透镜和透镜的组合，实现长焦和中焦焦距的切换；

3，变焦时间快，运动机构可靠性高：采用旋转两组光学元件的方式，变焦机构可采用轴承滚动摩擦运动，变焦阻力小，变焦时间快，不易卡滞，可靠性高；

4，成像质量好：采用了非球面及多种红外光学材料的组合搭配，像差校正良好，各焦距成像清晰锐利；

5，适装性好：采用反射镜折叠光路缩短了光学系统的总长，采用二次成像缩小了物镜口径。

附图说明

图1是本发明光学系统的结构示意图；

图2是本发明光学系统调节到短焦时的结构示意图；

图3是本发明光学系统调节到中焦时的结构示意图；

图4是本发明光学系统调节到长焦时的结构示意图；

图5是本发明光学系统调节到短焦时的成像传函图；

图6是本发明光学系统调节到中焦时的成像传函图；

图7是本发明光学系统调节到长焦时的成像传函图。

各附图标记为：1—主物镜组透镜一，2—主物镜组透镜二，3—短焦主物镜组透镜一，4—短焦主物镜组透镜二，5—短焦折转反射镜，6—短焦固定透镜，7—短焦变倍反射镜，8—短焦变倍透镜，9—中焦变倍透镜一，10—中焦变倍透镜二，11—调焦镜，12—反射镜一，13—后组透镜一，14—后组透镜二，15—反射镜二，16—后组透镜三。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1所示，本发明公开了一种双孔径三档变焦中波红外光学系统，系统光圈f为4.0，波段为3～5μm，焦距为短焦18mm、中焦62.5mm、长焦250mm三档，从物方到像方顺序安装的装置包括双孔径物镜组、变焦组、调焦镜组、反射镜组和二次成像后组。

所述的双孔径物镜组由主物镜组透镜一1、主物镜组透镜二2、短焦主物镜组透镜一3、短焦主物镜组透镜二4、短焦折转反射镜5和短焦固定透镜6组成，短焦与长焦、中焦的主物镜组不共用，分为两个孔径。

所述的变焦组由短焦变倍反射镜7、短焦变倍透镜8、中焦变倍透镜一9、中焦变倍透镜二10组成，短焦变倍反射镜7和短焦变倍透镜8、中焦变倍透镜一9和中焦变倍透镜二10可绕旋转中心旋转实现三档焦距变化；短焦折转反射镜5在短焦光路中与光轴成45°角安装，用于将光路折转90°，短焦变倍反射镜7旋入光路中时，在光路中相对于短焦折转反射镜5成180°，用于再次将光路折转90°，最终将短焦光路平移一定距离后进入主光路中。

所述的调焦镜组为可前后移动的调焦镜11，实现近距离成像和高低温下像面漂移的补偿。

所述的反射镜组由反射镜一12和反射镜二15组成，可将光路折叠180°；反射镜一12在光路中与光轴成45°角安装，用于将光路折转90°，反射镜二15在光路中相对于第一反射镜12成90°角安装，用于再次将光路折转90°。最终将光路折转180°。

所述的二次成像后组由后组透镜一13、后组透镜二14和后组透镜三16组成，二次成像后组用于将一次像面再次成像于像面即探测器的靶面上；系统的孔径光阑设置在探测器冷光阑位置处，满足100%冷光阑效率要求，避免镜筒等热背景产生的杂散光进入探测器，提高输出图像的信噪比。

本光学系统中主物镜组透镜一1、主物镜组透镜二2、短焦主物镜组透镜一3、短焦主物镜组透镜二4、短焦固定透镜6、短焦变倍透镜8、中焦变倍透镜一9、中焦变倍透镜二10、调焦镜11、后组透镜一13、后组透镜二14和后组透镜三16各为一片，共有12片透镜；短焦折转反射镜5、短焦变倍反射镜7、反射镜一12和反射镜二15各为一片，共4片反射镜。

所述的主物镜组透镜一1、主物镜组透镜二2、短焦主物镜组透镜一3、短焦主物镜组透镜二4、短焦固定透镜6、短焦变倍透镜8、中焦变倍透镜一9、中焦变倍透镜二10、调焦镜11、后组透镜一13、后组透镜二14、后组透镜三16的光焦度分别为正、负、负、正、正、正、负、正、负、负、正、正；正透镜均采用硅材料，负透镜均采用锗材料；所述的主物镜组透镜一1、短焦主物镜组透镜二4、短焦固定透镜6、短焦变倍透镜8、中焦变倍透镜二10、调焦镜11、后组透镜一13、后组透镜二14、后组透镜三16为球面透镜；所述的主物镜组透镜二2、短焦主物镜组透镜一3、中焦变倍透镜一9为非球面透镜。

本光学系统实现了f18mm、f62.5mm和f250mm三档变焦，为了规避短焦的冷反射，采用双孔径方式，即短焦和长焦分为两个孔径，短焦与长焦的主物镜组不共用，只共用后端光学系统部分，能够实现对冷反射的较好控制，视场切换（变焦）方式是在长焦端切入一个反射镜和一个透镜的方式切换到短焦，仍然采用类似翻转变倍的机构实现变倍，充分利用现有成熟结构形式，减小变倍机构的复杂程度；规避了对冷反射的控制难度，能够实现对更大视场的优化设计。

翻转式变倍系统能够实现快速变焦，满足变焦时间要求，结构尺寸能够做得更紧凑，另外由于长焦是空档，可以提高透过率，提高发现识别目标的能力。但在设计时要保证变倍组在长焦端不能遮挡光路。

本光学系统根据制冷式红外光学系统的特点，采用二次成像的光学系统结构形式。这种结构形式的透镜口径较小，并保证达到100％冷光阑效率；整个光学系统分为前组和后组两部分，变倍功能在第一成像组件中实现；一次成像的前组完成变焦功能，调焦功能设置在一次成像的前组上，并补偿环境温度变化引起的像面位移。

本光学系统采用反射镜折叠光路，压缩光学系统的总长，减小体积，提高适装性，可以采用非球面等特殊面形提高像质，本光学系统采用了硅、锗两种材料和非球面设计，实现像差的良好校正，保证了成像质量。

如图2、图5所示，物方光线通过主物镜组透镜一1、主物镜组透镜二2、中焦变倍透镜一9、中焦变倍透镜二10和调焦镜11成像于反射镜一12和后组透镜一13之间，短焦变倍反射镜7和短焦变倍透镜8旋入光路中、中焦变倍透镜一9和中焦变倍透镜二10旋出光路，此时为短焦，物方光线通过短焦主物镜组透镜一3、短焦主物镜组透镜二4、短焦折转反射镜5、短焦固定透镜6、短焦变倍反射镜7、短焦变倍透镜8和调焦镜11成像于反射镜一12和后组透镜一13之间。

如图3、图6所示，物方光线通过主物镜组透镜一1、主物镜组透镜二2、中焦变倍透镜一9、中焦变倍透镜二10和调焦镜11成像于反射镜一12和后组透镜一13之间，中焦变倍透镜一9和中焦变倍透镜二10旋入光路、短焦变倍反射镜7和短焦变倍透镜8旋出光路，此时为中焦。

如图4、图7所示，短焦变倍反射镜7和短焦变倍透镜8、中焦变倍透镜一9和中焦变倍透镜二10均旋出光路，此时为空挡，焦距为长焦，物方光线通过主物镜组透镜一1、主物镜组透镜二2、调焦镜11成像于反射镜一12和后组透镜一13之间。

本光学系统通过采用双孔径设计技术，实现了焦距18/62.5/250mm的三档可变，短焦水平视场达到了30°，扩大了设备观察范围；双孔径设计技术具有一定先进性，可扩展应用到其他需要有大视场的变焦红外光学系统中，应用前景广阔。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。