一种负补偿式大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统的制作方法

本发明涉及机载光电吊舱红外热像仪技术领域，具体涉及一种负补偿式大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统。

背景技术：

机载光电吊舱系统要求红外热像仪既能够实现大视场的目标搜索，又能够实现远距离目标的小视场跟踪、识别；因此，红外热像仪的光学系统需要设计为连续变焦光学系统来实现这一功能；

连续变焦红外光学系统在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，保证应用在机载光电吊舱时，系统在连续变焦过程中不会丢失跟踪目标，而且能够根据场景和目标特征选择合适的工作视场来提高人机功效；

目前机载光电吊舱系统使用的红外探测器以640×512中波制冷型器件为主，随着红外探测器向着多波段、大面阵、高灵敏度发展，机载光电吊舱系统配备的红外系统也向高清数字化方向发展；美国flir公司的starsafire380-hdc吊舱配备了1280×720像元的中波制冷连续变焦红外热像仪，加拿大l-3通信公司的wescam公司的mx-25吊舱配备了1280×720像元的中波制冷连续变焦红外热像仪，法国airbus公司的argos-iihd/hdt吊舱配备了1280×1024像元的中波制冷连续变焦红外热像仪，但国内机载光电吊舱系统最高均为640×512像元的中波制冷红外热像仪；

大面阵规模的红外探测器需要适配大靶面的红外光学系统，否则系统输出的图像会出现黑角；因此，设计红外光学系统时，其靶面大小要求大于所选红外探测器的靶面尺寸；同时为提高机载光电吊舱探测距离，对红外光学系统的变焦倍数也有较高要求，因此大靶面连续红外光学系统的总长、体积会相应较大，这与机载光电吊舱对大靶面红外光学系统的总长、体积、重量的要求成为一个矛盾；目前国内未见有能够适配1280×1024大靶面、中波制冷型探测器的连续变焦光学系统。

技术实现要素：

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种负补偿式大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统，采用二次成像、连续变焦设计，减小了光学系统直径；经光学及镜头设计，在满足系统成像质量的前提下，得到仅采用10片镜头的组合，因此具有较高的透过率，提高了系统灵敏度，同时有效控制了光学系统总长度；采用圆柱凸轮控制变倍组、补偿组运动，具有补偿结构简单的优点；增加视场光阑结构，降低了杂散光对系统成像的影响，提高了系统信噪比；采用冷光阑，且实现效率100％，减少了光束能量损失，提高了系统灵敏度；通过两个平面反射镜改变了系统光轴方向，有效缩短光学系统总长度；该发明的连续变焦红外光学系统具有成像质量高，光学总长小，变倍、补偿结构简单，信噪比、灵敏度高的优点，满足了对光学系统体积、重量、成像质量都有严苛要求的机载光电吊舱系统的需求，填补了国内适配于1280×1024大靶面、中波制冷型探测器连续变焦光学系统的空白。

为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种负补偿式大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统，采用机械负组补偿、二次成像、连续变焦设计；包括前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、红外探测器；所述前固定组包括第一弯月形负透镜、第一弯月形正透镜；所述变倍组包括第二弯月形正透镜、双凹负透镜；所述补偿组包括第二弯月形负透镜；所述后固定组包括第三弯月形正透镜、第三弯月形负透镜、第四弯月形负透镜、第四弯月形正透镜、第五弯月形正透镜；所述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组共计有10片光学镜头；所述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、红外探测器以从左至右依序排列，共光轴设置；所述红外探测器为1280×1024像元阵列的大靶面中波制冷探测器，红外探测器设置在第二像平面；在变焦过程中，变倍组、补偿组沿光轴移动，前固定组、后固定组、红外探测器保持原位，变倍组第二弯月形正透镜、双凹负透镜之间的距离保持恒定。

进一步的，在变焦过程中，所述变倍组、补偿组按照不同的运动规律沿光轴移动；因补偿组第二弯月形负透镜的光焦点为负，在系统由短焦向长焦变化时，变倍组和补偿组先是互相靠拢，然后一起向右移动，因此具有光学系统总长度小的特点；变倍组、补偿组的运动规律通过两个圆柱凸轮控制实现；所述两个凸轮的包络线分别为变倍组、补偿组的运动规律曲线；

进一步的，所述后固定组中设置有第一平面反射镜、第二平面反射镜；所述第一平面反射镜设置在第四弯月形负透镜和第四弯月形正透镜之间；所述第二平面反射镜设置在第四弯月形正透镜和第五弯月形正透镜之间；所述第一平面反射镜、第二平面反射镜法线与光轴设置有45°夹角；经两次平面反射镜反射，改变了入射光的传播方向，使光学系统后半段与前半段在长度方向重叠，有效缩短了光学系统总长度。

进一步的，所述以上各透镜焦距需满足以下条件：

-6.4f≤f1≤-6.5f，3.1f≤f2≤3.2f，13.0f≤f3≤13.1f，-0.9f≤f4≤-0.8f，-2.1f≤f5≤-2.0f，1.1f≤f6≤1.2f，-12.2f≤f7≤-12.1f，-7.55f≤f8≤-7.45f，3.2f≤f10≤3.3f，0.7f≤f12≤0.8f；

其中：f为光学系统短焦时的焦距，

f1为第一弯月形负透镜有效焦距，

f2为第一弯月形正透镜有效焦距，

f3为第二弯月形正透镜有效焦距，

f4为双凹负透镜有效焦距，

f5为第二弯月形负透镜有效焦距，

f6为第三弯月形正透镜有效焦距，

f7为第三弯月形负透镜有效焦距，

f8为第四弯月形负透镜有效焦距，

f10为第四弯月形正透镜有效焦距，

f12为第五弯月形正透镜有效焦距。

进一步的，所述第二弯月形正透镜、第三弯月形正透镜、第四弯月形负透镜、第四弯月形正透镜入光侧表面均采用偶次非球面，具有加工方便、相差及畸变小、成像清晰的优点。

进一步的，所述第二弯月形正透镜入光侧的面型方程为：

其中：c1为第二弯月形正透镜朝向物方一侧表面的曲率，r1为第二弯月形正透镜朝向物方一侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k1为第二弯月形正透镜朝向物方一侧表面的二次曲线常数，a1为第二弯月形正透镜朝向物方一侧表面的四阶非球面系数、b1为第二弯月形正透镜朝向物方一侧表面的六阶非球面系数、c1为第二弯月形正透镜朝向物方一侧表面的八阶非球面系数。

进一步的，所述第三弯月形正透镜入光侧的面型方程为：

其中：c2为第三弯月形正透镜朝向物方一侧表面的曲率，r2为第三弯月形正透镜朝向物方一侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k2为第三弯月形正透镜朝向物方一侧表面的二次曲线常数，a2为第三弯月形正透镜朝向物方一侧表面的四阶非球面系数、b2为第三弯月形正透镜朝向物方一侧表面的六阶非球面系数、c2为第三弯月形正透镜朝向物方一侧表面的八阶非球面系数。

进一步的，所述第四弯月形负透镜入光侧的面型方程为：

其中，c3为第四弯月形负透镜朝向物方一侧的表面的曲率，r3为第四弯月形负透镜朝向物方一侧的表面垂直光轴方向的径向坐标，k3为第四弯月形负透镜朝向物方一侧的表面的二次曲线常数，a3为第四弯月形负透镜朝向物方一侧的表面的四阶非球面系数、b3为第四弯月形负透镜朝向物方一侧的表面的六阶非球面系数、c3为第四弯月形负透镜朝向物方一侧的表面的八阶非球面系数。

进一步的，所述第四弯月形正透镜入光侧的面型方程为：

其中，c4为第四弯月形正透镜朝向物方一侧表面的曲率，r4为第四弯月形正透镜朝向物方一侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k4为第四弯月形正透镜朝向物方一侧表面的二次曲线常数，a4为第四弯月形正透镜朝向物方一侧表面的四阶非球面系数、b4为第四弯月形正透镜朝向物方一侧表面的六阶非球面系数、c4为第四弯月形正透镜朝向物方一侧表面的八阶非球面系数。

进一步的，所述第五弯月形正透镜出光侧表面采用衍射非球面，非球面上设置有衍射光栅，以进一步提高光学系统的成像质量；其面型方程为：

其中c5为第五弯月形正透镜朝向像方一侧表面的曲率，r5为第五弯月形正透镜朝向像方一侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k5为第五弯月形正透镜朝向像方一侧表面的二次曲线常数，a5为第五弯月形正透镜朝向像方一侧表面的四阶非球面系数、b5为第五弯月形正透镜朝向像方一侧表面的六阶非球面系数、c5为第五弯月形正透镜朝向像方一侧表面的八阶非球面系数；hor为第五弯月形正透镜朝向像方一侧表面的衍射级次，c1、c2为第五弯月形正透镜朝向像方一侧表面的衍射系数，n为第五弯月形正透镜光学材料的折射率，n0为空气的折射率，λ0为光学系统设计中心波长。

进一步的，系统设置有视场光阑、孔径光阑；所述视场光阑设置在光学视场光阑像平面处，视场光阑用于拦阻视场外的杂散光；所述孔径光阑为冷观澜，冷光阑效率为100％，孔径光阑设置在固定组的第五弯月形正透镜与红外探测器之间，孔径光阑确定了光学系统孔径，同时用于消除光学系统自身噪音。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明公开的一种负补偿式大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统，采用二次成像连续变焦设计，减小了光学系统直径；经光学及镜头设计，在满足系统成像质量的前提下，得到仅采用10片镜头的组合，因此具有较高的透过率，提高了系统灵敏度，同时有效控制了光学系统总长度；采用圆柱凸轮控制变倍组、补偿组运动，具有补偿结构简单的优点；增加视场光阑结构，降低了杂散光对系统成像的影响，提高了系统信噪比；采用冷光阑，且实现效率100％，减少了光束能量损失，提高了系统灵敏度；通过两个平面反射镜改变了系统光轴方向，有效缩短光学系统总长度；该发明的连续变焦红外光学系统具有成像质量高，光学总长小，变倍、补偿结构简单，信噪比、灵敏度高的优点，满足了对光学系统体积、重量、成像质量都有严苛要求的机载光电吊舱系统的需求，填补了国内适配于1280×1024大靶面、中波制冷型探测器连续变焦光学系统的空白。

附图说明

图1为该光学系统短焦30mm时的光路图；

图2为该光学系统中焦250mm时的光路图；

图3为该光学系统长焦500mm时的光路图；

图4为该光学系统短焦30mm时的传递函数图；

图5为该光学系统中焦250mm时的传递函数图；

图6为该光学系统长焦500mm时的传递函数图；

图7为该光学系统短焦30mm时的点列图；

图8为该光学系统中焦250mm时的点列图；

图9为该光学系统长焦500mm时的点列图；

图中：1、第一弯月形负透镜；2、第一弯月形正透镜；3、第二弯月形正透镜；4、双凹负透镜；5、第二弯月形负透镜；6、第三弯月形正透镜；7、第三弯月形负透镜；8、第四弯月形负透镜；9、第一平面反射镜；10、第四弯月形正透镜；11、第二平面反射镜；12、第五弯月形正透镜；13、红外探测器。

具体实施方式

通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。

一种负补偿式大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统，采用机械负组补偿、二次成像、连续变焦设计；包括前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、红外探测器13；所述前固定组包括第一弯月形负透镜1、第一弯月形正透镜2；所述变倍组包括第二弯月形正透镜3、双凹负透镜4；所述补偿组包括第二弯月形负透镜5；所述后固定组包括第三弯月形正透镜6、第三弯月形负透镜7、第四弯月形负透镜8、第四弯月形正透镜10、第五弯月形正透镜12；所述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组共计有10片光学镜头；所述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、红外探测器13以从左至右依序排列，共光轴设置；所述红外探测器13为1280×1024像元阵列的大靶面中波制冷探测器，红外探测器13设置在第二像平面；在变焦过程中，变倍组、补偿组沿光轴移动，前固定组、后固定组、红外探测器13保持原位，变倍组第二弯月形正透镜3、双凹负透镜4之间的距离保持恒定；系统还设置有视场光阑、孔径光阑；所述视场光阑设置在光学视场光阑像平面处；所述孔径光阑为冷观澜，孔径光阑设置在固定组的第五弯月形正透镜12与红外探测器13之间；

在变焦过程中，所述变倍组、补偿组按照不同的运动规律沿光轴移动，两者运动规律通过两个圆柱凸轮控制实现；所述两个凸轮的包络线分别为变倍组、补偿组的运动规律曲线；

所述后固定组中设置有第一平面反射镜9、第二平面反射镜11；所述第一平面反射镜9设置在第四弯月形负透镜8和第四弯月形正透镜10之间；所述第二平面反射镜11设置在第四弯月形正透镜10和第五弯月形正透镜12之间；所述第一平面反射镜9、第二平面反射镜11的法线与光轴设置有45°夹角；

所述以上各透镜焦距需满足以下条件：

-6.4f≤f1≤-6.5f，3.1f≤f2≤3.2f，13.0f≤f3≤13.1f，-0.9f≤f4≤-0.8f，-2.1f≤f5≤-2.0f，1.1f≤f6≤1.2f，-12.2f≤f7≤-12.1f，-7.55f≤f8≤-7.45f，3.2f≤f10≤3.3f，0.7f≤f12≤0.8f；

其中：f为光学系统短焦时的焦距，

f1为第一弯月形负透镜(1)有效焦距，

f2为第一弯月形正透镜(2)有效焦距，

f3为第二弯月形正透镜(3)有效焦距，

f4为双凹负透镜(4)有效焦距，

f5为第二弯月形负透镜(5)有效焦距，

f6为第三弯月形正透镜(6)有效焦距，

f7为第三弯月形负透镜(7)有效焦距，

f8为第四弯月形负透镜(8)有效焦距，

f10为第四弯月形正透镜(10)有效焦距，

f12为第五弯月形正透镜(12)有效焦距；

所述第二弯月形正透镜3、第三弯月形正透镜6、第四弯月形负透镜8、第四弯月形正透镜10入光侧表面均采用偶次非球面面型；

所述第二弯月形正透镜3入光侧的面型方程为：

其中：c1为第二弯月形正透镜朝向物方一侧表面的曲率，r1为第二弯月形正透镜朝向物方一侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k1为第二弯月形正透镜朝向物方一侧表面的二次曲线常数，a1为第二弯月形正透镜朝向物方一侧表面的四阶非球面系数、b1为第二弯月形正透镜朝向物方一侧表面的六阶非球面系数、c1为第二弯月形正透镜朝向物方一侧表面的八阶非球面系数；

所述第三弯月形正透镜6入光侧的面型方程为：

其中：c2为第三弯月形正透镜朝向物方一侧表面的曲率，r2为第三弯月形正透镜朝向物方一侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k2为第三弯月形正透镜朝向物方一侧表面的二次曲线常数，a2为第三弯月形正透镜朝向物方一侧表面的四阶非球面系数、b2为第三弯月形正透镜朝向物方一侧表面的六阶非球面系数、c2为第三弯月形正透镜朝向物方一侧表面的八阶非球面系数；

所述第四弯月形负透镜8入光侧的面型方程为：

其中，c3为第四弯月形负透镜朝向物方一侧的表面的曲率，r3为第四弯月形负透镜朝向物方一侧的表面垂直光轴方向的径向坐标，k3为第四弯月形负透镜朝向物方一侧的表面的二次曲线常数，a3为第四弯月形负透镜朝向物方一侧的表面的四阶非球面系数、b3为第四弯月形负透镜朝向物方一侧的表面的六阶非球面系数、c3为第四弯月形负透镜朝向物方一侧的表面的八阶非球面系数；

所述第四弯月形正透镜10入光侧的面型方程为：

其中，c4为第四弯月形正透镜朝向物方一侧表面的曲率，r4为第四弯月形正透镜朝向物方一侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k4为第四弯月形正透镜朝向物方一侧表面的二次曲线常数，a4为第四弯月形正透镜朝向物方一侧表面的四阶非球面系数、b4为第四弯月形正透镜朝向物方一侧表面的六阶非球面系数、c4为第四弯月形正透镜朝向物方一侧表面的八阶非球面系数；

所述第五弯月形正透镜12出光侧表面采用衍射非球面面型，非球面上设置有衍射光栅，其面型方程为：

其中c5为第五弯月形正透镜朝向像方一侧表面的曲率，r5为第五弯月形正透镜朝向像方一侧表面垂直光轴方向的径向坐标，k5为第五弯月形正透镜朝向像方一侧表面的二次曲线常数，a5为第五弯月形正透镜朝向像方一侧表面的四阶非球面系数、b5为第五弯月形正透镜朝向像方一侧表面的六阶非球面系数、c5为第五弯月形正透镜朝向像方一侧表面的八阶非球面系数；hor为第五弯月形正透镜朝向像方一侧表面的衍射级次，c1、c2为第五弯月形正透镜朝向像方一侧表面的衍射系数，n为第五弯月形正透镜光学材料的折射率，n0为空气的折射率，λ0为光学系统设计中心波长。

基于以上负补偿式大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统的各光学镜片和器件配置、光路设计、光学镜片焦距及各镜片面型的设计准则等技术特征，结合该系统实现的具体技术指标，给出了以下较佳的具体实施例：

具体技术指标：

波段：3.7μm～4.8μm；相对孔径：1:4；焦距：30mm～500mm；适配12801024，像元尺寸为15μm的中波制冷探测器；

表1：本发明的光学系统在焦距为30mm～500mm时实施例的详细数据，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1

表2：本发明的第二弯月形正透镜(3)入光侧表面的非球面系数；

表2

表3：本发明的第三弯月形正透镜(6)入光侧表面的非球面系数；

表3

表4：根据本发明的第四弯月形负透镜(8)朝向物方一侧表面的非球面系数；

表4

表5：根据本发明的第四弯月形正透镜(10)朝向物方一侧表面的非球面系数。

表5

表6：根据本发明的第五弯月形正透镜(12)朝向物方一侧的衍射非球面系数。

表6

负补偿式大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统在工作时，具体光线传输过程如下：由目标所发出的红外光经第一弯月形负透镜(1)发散后到达第一弯月形正透镜(2)，经第一弯月形正透镜(2)会聚后到达第二弯月形正透镜(3)，经第二弯月形正透镜(3)会聚后到达双凹负透镜(4)，经双凹负透镜(4)发散后到达第二弯月形负透镜(5)，经第二弯月形负透镜(5)发散后到达第三弯月形正透镜(6)，经第三弯月形正透镜(6)会聚后到达第三弯月形负透镜(7)，经第三弯月形负透镜(7)发散后到达第四弯月形负透镜(8)，经第四弯月形负透镜(8)发散后到达第一平面反射镜(9)，经第一平面反射镜(9)反射后到达第四弯月形正透镜(10)，经第四弯月形正透镜(10)会聚后到达第二平面反射镜(11)，经第二平面反射镜(11)反射后到达第五弯月形正透镜(12)，经第五弯月形正透镜(12)会聚，穿过视场光阑，滤除系统视场外的杂散光，最终成像在红外探测器(13)。

负补偿式大靶面中波制冷红外连续变焦光学系统在工作时，变倍组、补偿组运动规律如下：光学系统在短焦时，变倍组在靠近物方的位置，补偿组在靠近像方的位置；在从短焦到长焦变化过程中，所述变倍组与补偿透镜沿光轴先由两端向中间逐渐靠近，然后一起向右运动；变倍组沿光轴的运动实现焦距变化，补偿组沿光轴的运动补偿变倍组移动所引起的像面离焦，从而实现变焦全过程的清晰成像。

本发明未详述部分为现有技术。