一种长焦距、大口径、多视场中波红外光学系统的制作方法

本实用新型涉及红外光学系统领域，具体涉及一种长焦距、大口径、多视场中波红外光学系统。

背景技术：

红外光学系统具有夜间穿透能力强、识别伪装能力强，能够被动接收红外辐射、隐蔽性好、不易受干扰等优点，在军事、民用方面均展现了卓越的性能。一般情况下，短焦距光学系统视场较宽，但其空间分辨率低；长焦距光学系统视场较窄，但具有高的空间分辨率。在军事侦察、对地观测等领域的工作过程中，根据任务的要求，既要对目标进行搜索，又要对目标进行瞄准，这就同时需要光学系统具备大视场的搜索和较高空间分辨率的瞄准。因此，使用一个具备长短焦距、大小视场自由切换的变焦系统可以同时完成对目标搜索和瞄准的任务。

连续变焦系统具有既可以搜索大视场范围内的目标又可以瞄准小视场范围内的目标的优点，因此红外连续变焦系统在陆、海、空等军事领域被广泛地使用。为了能够使跟踪搜索目标的范围更大以致获取更多更详细的有用信息，就必须提高系统的变倍比，因此研究设计具有高变倍比、结构紧凑、复杂程度低、重量轻的大变倍比红外光学系统具有重要意义。

连续变焦光学系统的优点是变焦过程中目标图像能够始终保持清晰，能够实现变焦范围内任意视场的变换。应用在光电跟踪瞄准系统时，系统在连续变焦过程中不会丢失跟踪目标。但是连续变焦系统结构复杂，装调难度大，变焦过程中焦距精度及光轴一致性都难保证。此外，视场切换或连续变化过程中，视场变化时间也是一项重要指标，因为连续变焦的变焦时间长，目前约为6s。然而，战场态势瞬息万变、战机稍纵即逝，视场切换时间过长会贻误战机。因此，连续变焦也有其不利的方面。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种长焦距、大口径、多视场中波红外光学系统，以增加系统对目标的探测、识别距离，同时提高了对光线的聚光能力及系统的灵敏度。

为了解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种长焦距、大口径、多视场中波红外光学系统，包括相互平行分布的第一光轴和第二光轴，在第一光轴上沿由物方至像方的方向依次同轴设有次反射镜、第一弯月形负透镜、第一弯月形正透镜以及主反射镜，在第二光轴上沿由物方至像方的方向依次同轴设有第二弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、第二弯月形负透镜以及第三弯月形正透镜；主反射镜的镜面朝向物方方向设置，在主反射镜上开设有供光线由第一弯月形正透镜向像方方向传播的中心孔以及供光线由第三弯月形正透镜向像方方向传播的旁孔，次反射镜的镜面朝向像方方向设置，并用于将来自于主反射镜的光线朝向第一弯月形负透镜反射，双凹负透镜和第二弯月形负透镜固联设置并组成变焦镜组，变焦镜组设置在一个用于带动变焦镜组沿第二光轴轴向移动的第一切换执行机构上；在主反射镜朝向像方的一侧设有垂直于第一光轴和第二光轴的第三光轴以及用于将来自于第一弯月形正透镜的光线或来自于第三弯月形正透镜的光线朝向沿第三光轴方向反射的反射镜组，在第三光轴上依次同轴设有成像面、第三弯月形负透镜以及第四弯月形正透镜，反射镜组包括第三平面反射镜、用于将来自于第一弯月形正透镜的光线朝向第三平面反射镜反射的第一平面反射镜、用于将来自于第三弯月形正透镜的光线朝向第三平面反射镜反射的第二平面反射镜以及用于将来自于第三平面反射镜的光线朝向第四弯月形正透镜方向反射的第四平面反射镜，其中的第二平面反射镜设置在第二切换执行机构上，第二切换执行机构用于将第二平面反射镜切入第一平面反射镜和第三平面反射镜之间以阻挡来自于第一弯月形正透镜的光线射向第三平面反射镜并使来自于第三弯月形正透镜的光线射向第三平面反射镜，或将第二平面反射镜切出第一平面反射镜和第三平面反射镜之间以切断来自于第三弯月形正透镜的光线射向第三平面反射镜并使来自于第一弯月形正透镜的光线射向第三平面反射镜。

优选的，第一平面反射镜和第三平面反射镜相互平行设置，第四平面反射镜垂直于第一平面反射镜和第三平面反射镜设置。

优选的，次反射镜的有效焦距f1满足-1.6f≤f1≤-1.4f；第一弯月形负透镜的有效焦距f2满足-3.2f≤f2≤-2.8f；第一弯月形正透镜的有效焦距f3满足4.0f≤f3≤4.5f；主反射镜的有效焦距f4满足-4.37f≤f4≤-4.25f；第二弯月形正透镜的有效焦距f7满足2.3f≤f7≤2.4f；双凹负透镜的有效焦距f8满足-0.5f≤f8≤-0.47f；双凸正透镜的有效焦距f9满足0.9f≤f9≤1.0f；第二弯月形负透镜的有效焦距f10满足-2.8f≤f10≤-2.5f；第三弯月形正透镜的有效焦距f11满足4.4f≤f11≤5.1f；第四弯月形正透镜的有效焦距f14满足0.35f≤f14≤0.4f；第三弯月形负透镜的有效焦距f15满足-0.65f≤f15≤-0.6f，其中的f均为中波红外光学系统短焦时的焦距。

优选的，第一弯月形正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜以及第三弯月形负透镜朝向像方一侧的表面均为偶次非球面；第一弯月形正透镜朝向像方一侧的表面满足面型方程：

，

其中的c1为第一弯月形正透镜朝向像方一侧表面的曲率，r1为第一弯月形正透镜的垂直于光轴方向的径向坐标，k1为第一弯月形正透镜朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A1为第一弯月形正透镜朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B1为第一弯月形正透镜朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C1为第一弯月形正透镜朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D1为第一弯月形正透镜朝向像方一侧表面的十阶非球面系数；双凹负透镜朝向像方一侧的表面满足面型方程：

，

其中的c2为双凹负透镜朝向像方一侧表面的曲率，r2为双凹负透镜的垂直于光轴方向的径向坐标，k2为双凹负透镜朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A2为双凹负透镜朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B2为双凹负透镜朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C2为双凹负透镜朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D2为双凹负透镜朝向像方一侧表面的十阶非球面系数；双凸正透镜朝向像方一侧的表面满足面型方程：

，

其中的c3为双凸正透镜朝向像方一侧表面的曲率，r3为双凸正透镜的垂直于光轴方向的径向坐标，k3为双凸正透镜朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A3为双凸正透镜朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B3为双凸正透镜朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C3为双凸正透镜朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D3为双凸正透镜朝向像方一侧表面的十阶非球面系数；第三弯月形负透镜朝向像方一侧的表面满足面型方程：

，

其中的c4为第三弯月形负透镜朝向像方一侧表面的曲率，r4为第三弯月形负透镜的垂直于光轴方向的径向坐标，k4为第三弯月形负透镜朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A4为第三弯月形负透镜朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B4为第三弯月形负透镜朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C4为第三弯月形负透镜朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D4为第三弯月形负透镜朝向像方一侧表面的十阶非球面系数。

有益效果

1.本实用新型通过第二平面反射镜的切入和切出实现窄视场和其他三个的视场的切换，第二平面反射镜切出后形成折反式系统，实现了长焦化，提高了对目标的探测、识别能力，适用于高空远距离侦察。解决了由于高质量、大口径的透红外材料很难熔炼，因此透射式红外光学系统难于实现长焦距、大口径的技术问题。

2.通过双凹负透镜与第二弯月形负透镜固联设置，其在第二光轴上做等距、等速、同向的前后联动，以实现短焦、次短焦及次长焦焦距变化。结构简单容易制造，对控制系统的精度要求较低，克服机械补偿系统需要复杂的凸轮结构或双丝杠的精密配合才能保证变焦过程中图像保持清晰的缺点。

3.采用二次成像系统，一次成像位于第三平面反射镜和第四平面反射镜之间，二次成像位于成像面上，系统视场外的杂散光不能穿过视场光阑到达像面，可有效降低杂散光对光学系统成像的影响，提高了信噪比。系统实现冷光阑效率100%，不会造成光束切割，因此，减少了能量损失，提高了系统灵敏度。

附图说明

图1为本实用新型处于长焦成像状态下（焦距1000mm）的光路图；

图2为图1中主反射镜的左视图；

图3为本实用新型处于次长焦成像状态下（焦距200mm）的光路图；

图4为本实用新型处于次短焦成像状态下（焦距120mm）的光路图；

图5为本实用新型处于短焦成像状态下（焦距40mm）的光路图；

图6为本实用新型处于长焦成像状态下（焦距1000mm）的传递函数图；

图7为本实用新型处于次长焦成像状态下（焦距200mm）的传递函数图；

图8为本实用新型处于次短焦成像状态下（焦距120mm）的传递函数图；

图9为本实用新型处于短焦成像状态下（焦距40mm）的传递函数图；

图10为本实用新型处于长焦成像状态下（焦距1000mm）的点列图；

图11为本实用新型处于次长焦成像状态下（焦距200mm）的点列图；

图12为本实用新型处于次短焦成像状态下（焦距120mm）的点列图；

图13为本实用新型处于短焦成像状态下（焦距40mm）的点列图；

图14为本实用新型处于长焦成像状态下（焦距1000mm）的场曲、畸变图；

图15为本实用新型处于次长焦成像状态下（焦距200mm）的场曲、畸变图；

图16为本实用新型处于次短焦成像状态下（焦距120mm）的场曲、畸变图；

图17为本实用新型处于短焦成像状态下（焦距40mm）的场曲、畸变图；

图中标记：1、次反射镜，2、第一弯月形负透镜，3、第一弯月形正透镜，4、主反射镜，401、中心孔，402、旁孔，5、第一平面反射镜，6、第二平面反射镜，7、第二弯月形正透镜，8、双凹负透镜，9、双凸正透镜，10、第二弯月形负透镜，11、第三弯月形正透镜，12、第三平面反射镜，13、第四平面反射镜，14、第四弯月形正透镜，15、第三弯月形负透镜，16、成像面。

具体实施方式

如图1至图17所示，本实用新型的一种长焦距、大口径、多视场中波红外光学系统，包括相互平行分布的第一光轴和第二光轴，在第一光轴上沿由物方至像方的方向依次同轴设有次反射镜1、第一弯月形负透镜2、第一弯月形正透镜3以及主反射镜4，在第二光轴上沿由物方至像方的方向依次同轴设有第二弯月形正透镜7、双凹负透镜8、双凸正透镜9、第二弯月形负透镜10以及第三弯月形正透镜11。

主反射镜4的镜面朝向物方方向设置，用于在本实用新型的长焦成像模式中将物方反射的自然光反射至次反射镜1上，再由次反射镜1将光线反射后依次通过设置在第一光轴上的多个透镜。在主反射镜4上开设有供光线由第一弯月形正透镜3向像方方向传播的中心孔401以及供光线由第三弯月形正透镜11向像方方向传播的旁孔402。次反射镜1的镜面朝向像方方向设置，并用于将来自于主反射镜4的光线朝向第一弯月形负透镜2反射。双凹负透镜8和第二弯月形负透镜10固联设置并组成变焦镜组，变焦镜组设置在一个用于带动变焦镜组沿第二光轴轴向移动的第一切换执行机构上。双凹负透镜8凹负透镜与第二弯月形负透镜10固联设置，其在第二光轴上做等距、等速、同向的前后联动，以实现本实用新型中剩余三个视场即短焦、次短焦及次长焦成像模式之间的切换。在短焦时，变焦镜组在靠近物方的位置；在次短焦时，变焦镜组位于物方和像方中间的位置，在次长焦是，变焦镜组在靠近像方的位置。

在主反射镜4朝向像方的一侧设有垂直于第一光轴和第二光轴的第三光轴以及用于将来自于第一弯月形正透镜3的光线或来自于第三弯月形正透镜11的光线朝向沿第三光轴方向反射的反射镜组。

在第三光轴上依次同轴设有成像面16、第三弯月形负透镜15以及第四弯月形正透镜14。

反射镜组包括第三平面反射镜12、用于将来自于第一弯月形正透镜3的光线朝向第三平面反射镜12反射的第一平面反射镜5、用于将来自于第三弯月形正透镜11的光线朝向第三平面反射镜12反射的第二平面反射镜6以及用于将来自于第三平面反射镜12的光线朝向第四弯月形正透镜14方向反射的第四平面反射镜13，其中的第二平面反射镜6设置在第二切换执行机构上，第二切换执行机构用于将第二平面反射镜6切入第一平面反射镜5和第三平面反射镜12之间以阻挡来自于第一弯月形正透镜3的光线射向第三平面反射镜12并使来自于第三弯月形正透镜11的光线射向第三平面反射镜12，或将第二平面反射镜6切出第一平面反射镜5和第三平面反射镜12之间以切断来自于第三弯月形正透镜11的光线射向第三平面反射镜12并使来自于第一弯月形正透镜3的光线射向第三平面反射镜12，第一平面反射镜5、第二平面反射镜6、第三平面反射镜12和第四平面反射镜13均倾斜于第一光轴设置，第一平面反射镜5和第三平面反射镜12相互平行设置，第四平面反射镜13垂直于第一平面反射镜5和第三平面反射镜12设置。

本实用新型中通过第二平面反射镜6切入或切出第一平面反射镜5和第二平面反射镜6之间的光路来实现窄场的长焦成像与其他三个视场的切换。当第二平面反射镜6切出光路后，第二弯月形正透镜7、双凹负透镜8、双凸正透镜9、第二弯月形负透镜10、第三弯月形正透镜11均不参与成像，主反射镜4、次反射镜1及第一弯月形负透镜2、第一弯月形正透镜3、第一平面反射镜5、第三平面反射镜12、第四平面反射镜13、第四弯月形正透镜14、第三弯月形负透镜15组成折反系统，实现了大口径、长焦化红外光学系统；当第二平面反射镜6切入光路后，次反射镜1、第一弯月形负透镜2、第一弯月形正透镜3、主反射镜4、第一平面反射镜5均不参与成像，第二弯月形正透镜7、双凹负透镜8、双凸正透镜9、第二弯月形负透镜10、第三弯月形正透镜11、第二平面反射镜6、第三平面反射镜12、第四平面反射镜13、第四弯月形正透镜14、第三弯月形负透镜15组成透射式系统实现其余三个视场成像。

在具体的光路传输中，当第二平面反射镜6切出光路后，由物面反射自然光所发出的光线经主反射镜4反射后到达次反射镜1，经次反射镜1反射后到达第一弯月形负透镜2，经第一弯月形负透镜2发散后到达第一弯月形正透镜3，经第一弯月形正透镜3会聚后到达第一平面反射镜5，经过第一平面反射镜5反射后到达第三平面反射镜12，经过第三平面反射镜12反射后到达第四平面反射镜13，经过第四平面反射镜13反射后到达第四弯月形正透镜14，经过第四弯月形正透镜14会聚后到达第三弯月形负透镜15，经过第三弯月形负透镜15发散后成像在成像面16。

当第二平面反射镜6切入光路后，由物面反射自然光所发出的光线经第二弯月形正透镜7会聚后到达双凹负透镜8，经过双凹负透镜8发散后到达双凸正透镜9，经过双凸正透镜9会聚后到达第二弯月形负透镜10，经过第二弯月形负透镜10发散后到达第三弯月形正透镜11，经过第三弯月形正透镜11会聚后到达第二平面反射镜6，经过第二平面反射镜6反射后到达第三平面反射镜12，经过第三平面反射镜12反射后到达第四平面反射镜13，经过第四平面反射镜13反射后到达第四弯月形正透镜14，经过第四弯月形正透镜14会聚后到达第三弯月形负透镜15，经过第三弯月形负透镜15发散后成像在成像面16。

次反射镜1的有效焦距f1满足-1.6 f≤f1≤-1.4f；第一弯月形负透镜2的有效焦距f2满足-3.2f≤f2≤-2.8f；第一弯月形正透镜3的有效焦距f3满足4.0f≤f3≤4.5f；主反射镜4的有效焦距f4满足-4.37f≤f4≤-4.25f；第二弯月形正透镜7的有效焦距f7满足2.3f≤f7≤2.4f；双凹负透镜8的有效焦距f8满足-0.5f≤f8≤-0.47f；双凸正透镜9的有效焦距f9满足0.9f≤f9≤1.0f；第二弯月形负透镜10的有效焦距f10满足-2.8f≤f10≤-2.5f；第三弯月形正透镜11的有效焦距f11满足4.4f≤f11≤5.1f；第四弯月形正透镜14的有效焦距f14满足0.35f≤f14≤0.4f；第三弯月形负透镜15的有效焦距f15满足-0.65f≤f15≤-0.6f，其中的f均为中波红外光学系统短焦时的焦距。

第一弯月形正透镜3、双凹负透镜8、双凸正透镜9以及第三弯月形负透镜15朝向像方一侧的表面均为偶次非球面。

第一弯月形正透镜3朝向像方一侧的表面满足面型方程：

，

其中的c1为第一弯月形正透镜3朝向像方一侧表面的曲率，r1为第一弯月形正透镜3的垂直于光轴方向的径向坐标，k1为第一弯月形正透镜3朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A1为第一弯月形正透镜3朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B1为第一弯月形正透镜3朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C1为第一弯月形正透镜3朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D1为第一弯月形正透镜3朝向像方一侧表面的十阶非球面系数。

双凹负透镜8朝向像方一侧的表面满足面型方程：

，

其中的c2为双凹负透镜8朝向像方一侧表面的曲率，r2为双凹负透镜8的垂直于光轴方向的径向坐标，k2为双凹负透镜8朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A2为双凹负透镜8朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B2为双凹负透镜8朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C2为双凹负透镜8朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D2为双凹负透镜8朝向像方一侧表面的十阶非球面系数。

双凸正透镜9朝向像方一侧的表面满足面型方程：

，

其中的c3为双凸正透镜9朝向像方一侧表面的曲率，r3为双凸正透镜9的垂直于光轴方向的径向坐标，k3为双凸正透镜9朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A3为双凸正透镜9朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B3为双凸正透镜9朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C3为双凸正透镜9朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D3为双凸正透镜9朝向像方一侧表面的十阶非球面系数。

第三弯月形负透镜15朝向像方一侧的表面满足面型方程：

，

其中的c4为第三弯月形负透镜15朝向像方一侧表面的曲率，r4为第三弯月形负透镜15的垂直于光轴方向的径向坐标，k4为第三弯月形负透镜15朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A4为第三弯月形负透镜15朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B4为第三弯月形负透镜15朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C4为第三弯月形负透镜15朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D4为第三弯月形负透镜15朝向像方一侧表面的十阶非球面系数。

本实施例中，该光学系统实现的技术指标为：波段：3.7μm～4.8μm；相对孔径：1:4.0；视场：0.68°/3.52°/5.86°/17.5°；焦距：1000mm/200mm/120mm/40mm，遮拦比：≤0.3。

表1列出根据本实用新型的光学系统在焦距为1000mm时实施例的详细数据，其包含各透镜的面型、曲率半径、厚度、口径、材料。其中，透镜的曲率半径、厚度、口径的单位为mm。

表2列出根据本实用新型的光学系统在焦距为200mm/120mm/40mm时实施例的详细数据，其包含各透镜的面型、曲率半径、厚度、口径、材料。其中，透镜的曲率半径、厚度、口径的单位为mm。

表3列出了根据本实用新型中第一弯月形正透镜3、双凹负透镜8、双凸正透镜9以及第三弯月形负透镜15各非球面的系数值。

本实用新型的长焦距、大口径、多视场中波红外光学系统的视场成像切换方法，包括短焦成像切换、次短焦成像切换、次长焦成像切换以及长焦成像切换；

短焦成像切换的方法为：将次第二平面反射镜6切入第一平面反射镜5和第三平面反射镜12之间，将变焦镜组沿第二光轴的轴向移动至靠近物方的位置；

次短焦成像切换的方法为：将次第二平面反射镜6切入第一平面反射镜5和第三平面反射镜12之间，将变焦镜组沿第二光轴的轴向移动至物方和像方之间的位置；

次长焦成像切换的方法为：将次第二平面反射镜6切入第一平面反射镜5和第三平面反射镜12之间，将变焦镜组沿第二光轴的轴向移动至靠近像方的位置；

长焦成像切换的方法为：将次第二平面反射镜6切出第一平面反射镜5和第三平面反射镜12之间，将变焦镜组沿第二光轴的轴向移动至靠近像方的位置。