一种高光轴精度、小型化双视场制冷中波红外光学系统的制作方法

本实用新型属于红外光学系统技术领域，具体涉及一种高光轴精度、小型化双视场制冷中波红外光学系统。

背景技术：

随着红外探测器技术的发展，红外探测器的像元尺寸逐渐减小，面阵规模逐渐增大，这为设计制造结构紧凑、分辨率高的机载热成像设备奠定了基础。探测器面元尺寸的减小对红外光学系统的成像质量提出更高的要求。另外，为了满足红外前视系统搜索与跟踪目标的目的，前视红外光学系统一般需要双视场设计。

目前相关报道的双视场红外光学系统如CN103676111A、ZL201210524051.5及大多数相关论文所提到的双视场镜头均为移动式，移动式双视场镜头的缺点在于光轴一致性不好控制，且镜片数多，影响透过率。

2011年刊载于中国文献《应用光学》杂志，第32卷第4期，第767～772页，名称为《被动无热化切换式长波红外双视场望远镜》，其中公开的光学镜头，虽然是通过切入两块透镜实现了光学系统双视场，但其工作波段为长波红外(7.7～10.3μm)，且使用镜片多达11片。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不能同时满足中波红外高光轴精度、小型化双视场制冷红外光学系统的要求，提供了一种切换速度快、透镜利用率高的旋转插入式双视场红外光学系统。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型的技术方案如下。

一种高光轴精度、小型化双视场制冷中波红外光学系统，所述系统包括沿光轴方向依次设置的光焦度为正的第一透镜、光焦度为正的切入式镜组、光焦度为正的第四透镜、第一反射镜、第二反射镜、光焦度为正的第五透镜、光焦度为负的第六透镜，保护玻璃、冷屏和焦平面；

切入式镜组垂直于光轴方向上下移动，焦距从55mm到220mm切换变化，实现两档双视场变焦；在向长焦变化时，切入式镜组切换出光轴，不参与长焦成像，调焦为第四透镜和第五透镜。

第一反射镜倾斜与光轴成45°放置，第二反射镜倾斜与光轴成-45°放置，用于将光路折叠。

进一步的，所述切入式镜组由光焦度为负的第二透镜和光焦度为正的第三透镜组成。

有益效果

小视场下，切入式镜组切出系统，系统放大倍率高，光轴精度受外界影响较大，设计中，令小视场下的光学零件不动，大视场时切入镜组，可以有效的保证两档切换时的光轴精度。

本实用新型采用小像差互补技术，即在满足系统总性能的情况下，要求系统的各个透镜甚至各个表面都产生很小的像差，利用系统总体各透镜相互之间关系来消除像差。如此设计的优点：(1)能更加合理、有效的分配系统各个表面的光焦度和入射角；(2)由于采用小像差互补技术，有比较宽松的加工和装调公差，利用现有普通红外镜头的加工和装调水平就能确保系统质量，利于批量生产。

本实用新型所述系统采用旋转插入式的变视场结构，系统通过硅、锗、硒化锌三种材料搭配来校正色差，并采用衍射面及非球面来校正球差与控制畸变，来实现高变倍比。光学系统采用两个45°倾斜的反射镜，用来折叠光路，保证整机系统具有较小的尺寸、体积，紧凑的特点。

附图说明

图1为本实用新型所述光学系统的示意图；

图2为本实用新型所述光学系统短焦MTF曲线，其横轴为每毫米的线对数(line pair per millimeter)，纵轴为对比度数值；

图3为本实用新型所述光学系统长焦MTF曲线，其横轴为每毫米的线对数(line pair per millimeter)，纵轴为对比度数值；

图4为本实用新型所述光学系统短焦公差图；

图5为本实用新型所述光学系统长焦公差图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步详细的说明。

一种高光轴精度、小型化双视场制冷红外光学系统，所述系统包括从物方到像方依次设置的正的第一透镜1、光焦度为正的切入式镜组2、光焦度为正的第四透镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、光焦度为正的第五透镜6、光焦度为负的第六透镜7，保护玻璃8、冷屏9和焦平面10；

其中切入式镜组2由光焦度为负的第二透镜和光焦度为正的第三透镜组成。

切入式镜组2垂直于光轴方向上下移动，实现两档双视场变焦，焦距从55mm到220mm切换变化，在向长焦变化时，切入式镜组2切换出光轴，不参与长焦成像。通过微调第四透镜6和第五透镜7实现调焦。

所述系统的具体参数如表一所示。

在表一中，曲率半径是指每个表面的曲率半径，间距是指两相邻表面间的距离，举例来说，表面S1的间距，即表面S1至表面S2间的距离。备注栏中各透镜所对应的厚度、玻璃材料请参同列中各间距、玻璃材料对应的数值。

第一透镜前表面、第三透镜后表面、第四透镜后表面和第五透镜前表面为非球面，其非球面系数如表二所示。

非球面以面定点为基准的光轴方向的位变定义如下：

Z＝(1/R)Y²/{1+[1-(1+K)(Y/R)²]^1/2}+A(Y⁴)+B(Y⁶)+C(Y⁸)+D(Y¹⁰)

其中，Z为光轴方向的位变，Y为光轴的高，R为近轴曲率半径，K为Conic系数，A、B、C、D为非球面系数。

同时，第一透镜前表面，第三透镜后表面，第五透镜前表面为衍射面，衍射面系数见表三。

衍射面的位相表达式如下：

Φ＝2π/λ0(C1×r²+C2×r⁴+C3×r⁶)

其中，Φ为衍射面的位相，λ0为中心波长，r为径向坐标，C1、C2、C3为衍射面相位系数。

本实用新型所述系统中：有效焦距为55/220mm，F数为3，视场角为6.7°/1.7°。

图2中短焦MTF曲线和图3中长焦MTF曲线结果表明，该系统的光学性能非常优良，已经接近衍射极限。短焦MTF@30lp/mm接近0.4，长焦MTF@30lp/mm接近0.4。

图4中短焦公差图和图5中长焦公差图结果表明，长焦、短焦情况下，按CODEV软件默认公差(较松)完成加工装配，光学系统30lp/mm边缘视场传递函数为0.2，系统公差比较宽松。

综上所述，实用新型包括但不限于以上实施例，凡是在本实用新型的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本实用新型的保护范围之内。