一种多视场中波红外光学系统的制作方法

本实用新型涉及前视红外成像系统领域，具体涉及一种多视场中波红外光学系统。

背景技术：

由于前视红外(FLIR)成像系统是被动探测，具有隐蔽性好和抗电子干扰强的特点，可以快速的获取所覆盖空域的目标信息，已被广泛应用于制导、监控及目标探测和追踪等领域。

在前视红外系统中，红外光学系统是获取目标信息的第一环节，红外光学系统分为单视场、多视场、连续变焦等几种。单视场红外光学系统由于功能单一，实际使用有所限制，难以满足现代红外光学系统的发展需求。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，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。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种多视场中波红外光学系统及其视场切换方法，结构简单，视场切换时间短，控制在1s以内，成像质量高，视场切换过程中光轴一致性可达到1个像素，与现有的单视场和连续变焦红外光学系统相比，更加简捷实用。

为了解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种多视场中波红外光学系统，包括由物方至像方方向依次同轴分布在光轴上的第一弯月形正透镜、次反射镜、第一双凹负透镜、第一双凸正透镜、第一弯月形负透镜、第二弯月形负透镜、第二双凹负透镜、第二双凸正透镜、主反射镜、第二弯月形正透镜以及成像面；主反射镜的镜面朝向物方方向设置，在主反射镜的中心位置开设有供光线由第二双凸正透镜至第二弯月形正透镜传播的中心孔；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双凹负透镜反射，且次反射镜设置在一个用于将次反射镜切出或切入光轴的第一切换执行机构上；第一双凹负透镜和第一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光轴轴向移动的第二切换执行机构上；第二弯月形正透镜为调焦镜，第二弯月形正透镜设置在一个用于带动第二弯月形正透镜沿光轴轴向移动的调焦执行机构上。

优选的，第一弯月形正透镜的光焦度为正，第一弯月形正透镜的有效焦距f1满足3.4f≤f1≤3.5f；次反射镜的有效焦距f2满足2.2f≤f2≤2.4f；第一双凹负透镜的光焦度为负，第一双凹负透镜的有效焦距f3满足-0.82f≤f3≤-0.8f；第一双凸正透镜的光焦度为正，第一双凸正透镜的有效焦距f4满足0.9f≤f4≤0.98f；第一弯月形负透镜的光焦度为负，第一弯月形负透镜的有效焦距f5满足-5.75f≤f5≤-5.15f；第二弯月形负透镜的光焦度为负，第二弯月形负透镜的有效焦距f6满足-4.5f≤f6≤-3.85f；第二双凹负透镜的光焦度为负，第二双凹负透镜的有效焦距f7满足-0.55f≤f7≤-0.25f；第二双凸正透镜的光焦度为正，第二双凸正透镜的有效焦距f8满足0.29f≤f8≤0.39f；主反射镜的有效焦距f9满足6.0f≤f9≤6.2f；第二弯月形正透镜的光焦度为正，第二弯月形正透镜的有效焦距f10满足0.47f≤f10≤0.55f；其中的f均代表多视场中波红外光学系统短焦时的焦距。

优选的，第一双凹负透镜、第一双凸正透镜以及第二弯月形负透镜朝向像方一侧的表面均为偶次非球面；第一双凹负透镜朝向像方一侧的表面满足面型方程：

，

其中的c1为第一双凹负透镜朝向像方一侧表面的曲率，r1为第一双凹负透镜的垂直于光轴方向的径向坐标，k1为第一双凹负透镜朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A1为第一双凹负透镜朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B1为第一双凹负透镜朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C1为第一双凹负透镜朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D1为第一双凹负透镜朝向像方一侧表面的十阶非球面系数；第一双凸正透镜朝向像方一侧的表面满足面型方程：

，

其中的c2为第一双凸正透镜朝向像方一侧表面的曲率，r2为第一双凸正透镜的垂直于光轴方向的径向坐标，k2为第一双凸正透镜朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A2为第一双凸正透镜朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B2为第一双凸正透镜朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C2为第一双凸正透镜朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D2为第一双凸正透镜朝向像方一侧表面的十阶非球面系数；第二弯月形负透镜朝向像方一侧的表面满足面型方程：

，

其中的c3为第二弯月形负透镜朝向像方一侧表面的曲率，r3为第二弯月形负透镜的垂直于光轴方向的径向坐标，k3为第二弯月形负透镜朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A3为第二弯月形负透镜朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B3为第二弯月形负透镜朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C3为第二弯月形负透镜朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D3为第二弯月形负透镜朝向像方一侧表面的十阶非球面系数。

优选的，第一弯月形负透镜朝向像方一侧的表面为衍射非球面，并满足面型方程：

，

其中的c4为第一弯月形负透镜朝向像方一侧表面的曲率，r4为第一弯月形负透镜的垂直于光轴方向的径向坐标，k4为第一弯月形负透镜朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A4为第一弯月形负透镜朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B4为第一弯月形负透镜朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C4为第一弯月形负透镜朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D4为第一弯月形负透镜朝向像方一侧表面的十阶非球面系数，HOR为第一弯月形负透镜的衍射级次，C1、C2、C3均为第一弯月形负透镜的衍射面系数，λ0为设计中心波长，n为第一弯月形负透镜的折射率，n0为空气折射率。

有益效果

1.本实用新型通过优化配置系统中各反射镜及透镜光焦度及间隔，实现了长焦焦距800mm，F^# 为4的红外光成像光学系统，提高了对目标的探测、识别能力，适用于高空远距离侦察。

2.通过第一双凹负透镜与第一弯月形负透镜固联设置组成变焦镜组，变焦镜组在光轴上做等距、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，克服了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.当次反射镜切入主光路后，第一弯月形正透镜不参与成像，主反射镜、次反射镜及后续透镜组成折反系统，实现了大口径、长焦化红外光学系统。

4.本实用新型采用二次成像系统，其中的一次像面位于第二弯月形负透镜和第二双凹负透镜之间，二次像面位于最终的成像面上，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，提高系统的信噪比。

附图说明

图1为本实用新型处于长焦成像状态下（焦距800mm）的光路图；

图2为本实用新型处于次长焦成像状态下（焦距200mm）的光路图；

图3为本实用新型处于次短焦成像状态下（焦距120mm）的光路图；

图4为本实用新型处于短焦成像状态下（焦距40mm）的光路图；

图5为本实用新型处于长焦成像状态下（焦距800mm）的传递函数图；

图6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7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8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9为本实用新型处于长焦成像状态下（焦距800mm）的场曲、畸变图；

图10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11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12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13为本实用新型的衍射面相位图。

图中标记：1、第一弯月形正透镜，2、次反射镜，3、第一双凹负透镜，4、第一双凸正透镜，5、第一弯月形负透镜，6、第二弯月形负透镜，7、第二双凹负透镜，8、第二双凸正透镜，9、主反射镜，10、第二弯月形正透镜，11、成像面。

具体实施方式

如图1至图13所示，本实用新型的一种多视场中波红外光学系统，包括由物方至像方方向依次同轴分布在光轴上的第一弯月形正透镜1、次反射镜2、第一双凹负透镜3、第一双凸正透镜4、第一弯月形负透镜5、第二弯月形负透镜6、第二双凹负透镜7、第二双凸正透镜8、主反射镜9、第二弯月形正透镜10以及成像面11。

主反射镜9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来自物方反射的自然光线反射至次反射镜2上，再由次反射镜2将光线反射后依次通过第一双凹负透镜3、第一双凸正透镜4、第一弯月形负透镜5、第二弯月形负透镜6、第二双凹负透镜7、第二双凸正透镜8、第二弯月形正透镜10直至成像面11。在主反射镜9的中心位置开设有供光线由第二双凸正透镜8至第二弯月形正透镜10传播的中心孔。

次反射镜2的镜面朝向像方方向设置并用于在本实用新型的长焦成像模式中将来自于主反射镜9的光线朝向第一双凹负透镜3反射，且次反射镜2设置在一个用于将次反射镜2切出或切入光轴的第一切换执行机构上。当次反射镜2切入光轴后，第一弯月形正透镜1不参与成像，主反射镜9、次反射镜2及后续透镜组成折反系统，实现了大口径、长焦化红外光学系统，即本实用新型多视场中的长焦成像；当次反射镜2切出主光路后，主反射镜9及次反射镜2均不参与成像，其余透镜组成透射式系统，实现其余三个视场成像，即短焦成像、次短焦成像以及次长焦成像。

具体的光线传播路径如下：当次反射镜2切入光轴后，由物面反射自然光所发出的光线经主反射镜9反射后到达次反射镜2，经次反射镜2反射后到达第一双凹负透镜3，经第一双凹负透镜3发散后到达第一双凸正透镜4，经第一双凸正透镜4会聚后到达第一弯月形负透镜5，经第一弯月形负透镜5发散后到达第二弯月形负透镜6，经第二弯月形负透镜6发散后到达第二双凹负透镜7，经第二双凹负透镜7发散后到达第二双凸正透镜8，经第二双凸正透镜8会聚后到达第二弯月形正透镜10，经第二弯月形正透镜10会聚后成像在成像面11。

当次反射镜2切出光轴后，由物面反射自然光所发出的光线经第一弯月形正透镜1会聚后到达第一双凹负透镜3，经第一双凹负透镜3发散后到达第一双凸正透镜4，经第一双凸正透镜4会聚后到达第一弯月形负透镜5，经第一弯月形负透镜5发散后到达第二弯月形负透镜6，经第二弯月形负透镜6发散后到达第二双凹负透镜7，经第二双凹负透镜7发散后到达第二双凸正透镜8，经第二双凸正透镜8会聚后到达第二弯月形正透镜10，经第二弯月形正透镜10会聚后成像在成像面11。

第一双凹负透镜3和第一弯月形负透镜5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光轴轴向移动的第二切换执行机构上，通过第二切换执行机构使得第一双凹负透镜3和第一弯月形负透镜5可沿光轴轴向做等距、等速并同向联动，以实现本实用新型短焦、次短焦以及次长焦的焦距变化。在次反射镜2切出光轴的状态下，如图4所示，当变焦镜组位于靠近物方的位置时，使得本实用新型处于短焦成像模式；如图3所示，当变焦镜组位于物方和像方中间的位置时，使得本实用新型处于次短焦成像模式；如图2所示，当变焦镜组位于靠近像方的位置时，使得本实用新型处于次长焦成像模式；如图1所示，在本实用新型处于次长焦成像模式状态下将次反射镜2切入光轴，即可使得本实用新型处于长焦成像模式。

第二弯月形正透镜10为调焦镜，第二弯月形正透镜10设置在一个用于带动第二弯月形正透镜10沿光轴轴向移动的调焦执行机构上。当观察目标的距离发生变化时，通过调焦执行机构带动第二弯月形正透镜10轴向移动进行调焦，从而保证系统成像清晰。

第一弯月形正透镜1的光焦度为正，第一弯月形正透镜1的有效焦距f1满足3.4 f≤f1≤3.5f；次反射镜2的有效焦距f2满足2.2 f≤f2≤2.4 f；第一双凹负透镜3的光焦度为负，第一双凹负透镜3的有效焦距f3满足-0.82f≤f3≤-0.8f；第一双凸正透镜4的光焦度为正，第一双凸正透镜4的有效焦距f4满足0.9f≤f4≤0.98f；第一弯月形负透镜5的光焦度为负，第一弯月形负透镜5的有效焦距f5满足-5.75f≤f5≤-5.15f；第二弯月形负透镜6的光焦度为负，第二弯月形负透镜6的有效焦距f6满足-4.5f≤f6≤-3.85f；第二双凹负透镜7的光焦度为负，第二双凹负透镜7的有效焦距f7满足-0.55f≤f7≤-0.25f；第二双凸正透镜8的光焦度为正，第二双凸正透镜8的有效焦距f8满足0.29f≤f8≤0.39f；主反射镜9的有效焦距f9满足6.0f≤f9≤6.2f；第二弯月形正透镜10的光焦度为正，第二弯月形正透镜10的有效焦距f10满足0.47f≤f10≤0.55f；其中的f均代表多视场中波红外光学系统短焦时的焦距。

第一双凹负透镜3、第一双凸正透镜4以及第二弯月形负透镜6朝向像方一侧的表面均为偶次非球面；第一双凹负透镜3朝向像方一侧的表面满足面型方程：

，

其中的c1为第一双凹负透镜3朝向像方一侧表面的曲率，r1为第一双凹负透镜3的垂直于光轴方向的径向坐标，k1为第一双凹负透镜3朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A1为第一双凹负透镜3朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B1为第一双凹负透镜3朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C1为第一双凹负透镜3朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D1为第一双凹负透镜3朝向像方一侧表面的十阶非球面系数，省略号代表12次方、14次方、16次方……，下同；第一双凸正透镜4朝向像方一侧的表面满足面型方程：

，

其中的c2为第一双凸正透镜4朝向像方一侧表面的曲率，r2为第一双凸正透镜4的垂直于光轴方向的径向坐标，k2为第一双凸正透镜4朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A2为第一双凸正透镜4朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B2为第一双凸正透镜4朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C2为第一双凸正透镜4朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D2为第一双凸正透镜4朝向像方一侧表面的十阶非球面系数；第二弯月形负透镜6朝向像方一侧的表面满足面型方程：

，

其中的c3为第二弯月形负透镜6朝向像方一侧表面的曲率，r3为第二弯月形负透镜6的垂直于光轴方向的径向坐标，k3为第二弯月形负透镜6朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A3为第二弯月形负透镜6朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B3为第二弯月形负透镜6朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C3为第二弯月形负透镜6朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D3为第二弯月形负透镜6朝向像方一侧表面的十阶非球面系数。

第一弯月形负透镜5朝向像方一侧的表面为衍射非球面，并满足面型方程：

，

其中的c4为第一弯月形负透镜5朝向像方一侧表面的曲率，r4为第一弯月形负透镜5的垂直于光轴方向的径向坐标，k4为第一弯月形负透镜5朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A4为第一弯月形负透镜5朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B4为第一弯月形负透镜5朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C4为第一弯月形负透镜5朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D4为第一弯月形负透镜5朝向像方一侧表面的十阶非球面系数，HOR为第一弯月形负透镜5的衍射级次，C1、C2、C3均为第一弯月形负透镜5的衍射面系数，λ0为设计中心波长，n为第一弯月形负透镜5的折射率，n0为空气折射率。

本实施例中：本实用新型实现的技术指标为：波段：3.7μm～4.8μm；相对孔径：1:4.0；视场：0.88°/3.52°/5.86°/17.5°；焦距：800mm/200mm/120mm/40mm，遮拦比：≤0.25。

表1列出根据本实用新型如图1-4的红外光学系统的实施例的详细数据，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。

表二中列出了本实用新型各透镜中非球面的系数值：

表3列出了本实用新型衍射非球面系数的取值：

本实施例中光学系统处于长焦800mm、次长焦200mm、次短焦120mm、短焦40mm时透镜的位置如下表2所示，其中D1为次反射镜2与第一双凹负透镜3之间于光轴上的距离，D2为第一双凹负透镜3与第一双凸正透镜4之间于光轴上的距离，D3为第一双凸正透镜4与第一弯月形负透镜5之间于光轴上的距离， D4为第一弯月形负透镜5与第二弯月形负透镜6之间于光轴上的距离，取值如表4，单位为mm：

本实用新型的一种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：将次反射镜2通过第一切换执行机构切出光轴，将变焦镜组通过第二切换执行机构沿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：将次反射镜2第一切换执行机构切出光轴，将变焦镜组通过第二切换执行机构沿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：将次反射镜2第一切换执行机构切出光轴，将变焦镜组通过第二切换执行机构沿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：将次反射镜2第一切换执行机构切入光轴，将变焦镜组通过第二切换执行机构沿光轴的轴向移动至靠近像方的位置。