一种10倍连续变焦的中波制冷红外光学系统的制作方法

本发明属于光学系统，具体涉及一种10倍连续变焦的中波制冷红外光学系统。

背景技术：

1、红外成像技术因其全天候、环境适应能力强等优势广泛应用于目标探测、识别、跟踪等领域，中波制冷型探测器由于具有灵敏度高的优势，在相关军事具有广阔的应用前景。尤其是在要求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和识别的应用场景下，该场景下通常要求在变焦范围内目标始终能够清晰成像，且变焦过程中不能丢失感兴趣目标，这时候要求光学系统具备所要求焦距范围内的连续变倍功能。

2、随着红外器件制备水平、红外元件加工能力和光学设计水平的提高，更大变倍比、更小体积重量的中波红外连续变焦光学系统被提出。中国专利申请cn110673314a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，其中包含1片衍射镜片，首片镜片较大；中国专利申请cn106950684a公开了一种集成红外双波段20×变焦光学系统，其中采用3片衍射镜片，增加了加工难度，同时会降低光能透过率；中国专利申请cn103389570a公开了一种具有高变焦比的中波红外连续变焦光学系统，采用变倍组透镜a和透镜b与补偿组透镜c和透镜d交叉排列运动的方式变焦，该系统无法折转布局，轴向尺寸较长。

3、通过上述现有技术可知，目前连续变焦中波制冷红外光学系统设计过程会采用衍射镜片，可减少镜片使用数量，但不可避免会影响系统的光能透过率，同时由于衍射镜片的微纳加工结构更易被腐蚀，对整个系统的抗腐蚀设计提出更高的要求。此外，上述现有技术中未考虑小型化因素，控制长焦状态下的首片透镜尺寸，也未考虑折转布局为系统小型化带来的优势。

技术实现思路

1、鉴于上述，本发明的目的是提供一种10倍连续变焦的中波制冷红外光学系统，该光学系统包含9片透镜，变倍组和补偿组仅包含1片透镜，且长焦时入瞳与首片透镜距离近，系统结构紧凑、体积小。

2、为实现上述发明目的，实施例提供的一种10倍连续变焦的中波制冷红外光学系统，包括按照处于同一光轴且沿光路依次设置的焦距为 f1的前固定组(1)、焦距为 f2的变倍组(2)、焦距为 f3的中间固定组(3)、焦距为 f4的补偿组(4)、第一平面反射镜(5)、第二平面反射镜(6)、焦距为 f7的后固定组(7)、焦距为 f8的二次成像固定组(8)、制冷探测器冷光阑(9)和焦平面(10)，其中，后固定组(7)包括焦距为 f71的后固定组第一透镜(71)和焦距为 f72的后固定组第二透镜(72)，二次成像固定组(8)包括焦距为 f81的二次成像固定组第一透镜(81)、焦距为 f82的二次成像固定组第二透镜(82)和焦距为 f83的二次成像固定组第三透镜(83)，光学成像系统满足以下条件：

3、；

4、其中， f表示光学成像系统的长焦焦距。

5、优选地，所述系统采用二次成像结构，一次成像位于后固定组(7)与二次成像固定组(8)之间，另一次成像位于焦平面(10)上。

6、优选地，所述前固定组(1)、变倍组(2)、中间固定组(3)、补偿组(4)、第一平面反射镜(5)、第二平面反射镜(6)、后固定组(7)形成一次成像组；

7、一次成像组中的变倍组(2)物侧面和中间固定组(3)像侧面采用扁椭球面设计，变倍组(2)像侧面和中间固定组(3)物侧面采用偶次非球面设计，一次成像组中其余透镜表面均采用标准球面设计。

8、优选地，所述变倍组(2)和补偿组(4)均采用1片透镜实现，且变倍组(2)和补偿组(4)之间的中间固定组(3)包含1片透镜。

9、优选地，所述二次成像固定组(8)作为二次成像组；

10、二次成像组中采用三片式折射镜组，即二次成像固定组第一透镜(81)、二次成像固定组第二透镜(82)以及二次成像固定组第三透镜(83)均为单片折射镜，其中二次成像固定组第一透镜(81)像侧面、二次成像固定组第二透镜(82)物侧面采用偶次非球面设计，二次成像组中其余透镜表面均采用标准球面设计。

11、优选地，所述系统对3.7-4.8μm中红外波段范围内的目标，通过控制变倍组(2)和补偿组(4)移动，能够实现50-500mm焦距范围内的连续变焦，以进行大范围搜索和小范围观测。

12、优选地，所述焦平面(10)的像素阵列为640×512，f数取值为3≤f≤5。

13、优选地，所述前固定组(1)采用单片透镜，且该单片透镜口径小于120mm，通过第一平面反射镜(5)、第二平面反射镜(6)将光路折回，形成u型结构的光学系统。

14、优选地，当光学系统的焦距 f处于50-500mm范围内时，前固定组(1)与变倍组(2)之间的间距范围s1为111.379-236.684mm，变倍组(2)与中间固定组(3)之间的间距范围s2为9.082-134.387mm，中间固定组(3)与补偿组(4)之间的间距范围s3为65.745-162.738mm，补偿组(4)与第一平面反射镜(5)之间的间距范围s4为47.603-144.597mm。

15、优选地，所述系统中二次成像固定组(8)的出瞳与制冷探测器冷光阑(9)重合。

16、与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：

17、（1）本发明光学系统采用制冷中红外探测器，因而光学系统中二次成像固定组的出瞳需要与制冷探测器冷光阑匹配，以实现100%制冷探测器冷光阑效率；同时系统采用二次成像结构，在出瞳与制冷探测器冷光阑匹配的前提下，使得入瞳位于首片透镜附近成为可能，有效降低了光学系统整体口径。

18、（2）本发明光学系统由9片光学透镜构成，其中不含衍射面，仅包含4片偶次非球面透镜，其余均为球面透镜，系统结构简单，光能透过率高，抗腐蚀；且由于中红外非球面可采用金刚石单点车加工，加工难度较低，整体加工成本低。

19、（3）本发明光学系统，变倍组和补偿组均采用1片透镜实现，结构简单，使得变倍组和补偿组移动到对应变焦位置时的驱动过程更易实现。

20、（4）本发明光学系统采用二次成像设计，一次成像结构实现变焦功能，二次成像结构补偿剩余像差，使得系统在50~500mm变焦过程关键点处成像接近衍射极限。

21、（5）本发明光学系统采用u型设计布局，为中红外制冷探测器安置留有充足空间，系统布局合理、结构紧凑，整个系统体积重量实现小型化。

技术特征：

1.一种10倍连续变焦的中波制冷红外光学系统，其特征在于，包括按照处于同一光轴且沿光路依次设置的焦距为f1的前固定组(1)、焦距为f2的变倍组(2)、焦距为f3的中间固定组(3)、焦距为f4的补偿组(4)、第一平面反射镜(5)、第二平面反射镜(6)、焦距为f7的后固定组(7)、焦距为f8的二次成像固定组(8)、制冷探测器冷光阑(9)和焦平面(10)，其中，后固定组(7)包括焦距为f71的后固定组第一透镜(71)和焦距为f72的后固定组第二透镜(72)，二次成像固定组(8)包括焦距为f81的二次成像固定组第一透镜(81)、焦距为f82的二次成像固定组第二透镜(82)和焦距为f83的二次成像固定组第三透镜(83)，光学成像系统满足以下条件：

2.根据权利要求1所述的10倍连续变焦的中波制冷红外光学系统，其特征在于，所述系统采用二次成像结构，一次成像位于后固定组(7)与二次成像固定组(8)之间，另一次成像位于焦平面(10)上。

3.根据权利要求1所述的10倍连续变焦的中波制冷红外光学系统，其特征在于，所述前固定组(1)、变倍组(2)、中间固定组(3)、补偿组(4)、第一平面反射镜(5)、第二平面反射镜(6)、后固定组(7)形成一次成像组；

4.根据权利要求1所述的10倍连续变焦的中波制冷红外光学系统，其特征在于，所述变倍组(2)和补偿组(4)均采用1片透镜实现，且变倍组(2)和补偿组(4)之间的中间固定组(3)包含1片透镜。

5.根据权利要求1所述的10倍连续变焦的中波制冷红外光学系统，其特征在于，所述二次成像固定组(8)作为二次成像组；

6.根据权利要求1所述的10倍连续变焦的中波制冷红外光学系统，其特征在于，所述系统对3.7-4.8μm中红外波段范围内的目标，通过控制变倍组(2)和补偿组(4)移动，能够实现50-500mm焦距范围内的连续变焦，以进行大范围搜索和小范围观测。

7.根据权利要求1所述的10倍连续变焦的中波制冷红外光学系统，其特征在于，所述焦平面(10)的像素阵列为640×512，f数取值为3≤f≤5。

8.根据权利要求1所述的10倍连续变焦的中波制冷红外光学系统，其特征在于，所述前固定组(1)采用单片透镜，且该单片透镜口径小于120mm，通过第一平面反射镜(5)、第二平面反射镜(6)将光路折回，形成u型结构的光学系统。

9.根据权利要求1所述的10倍连续变焦的中波制冷红外光学系统，其特征在于，当光学系统的焦距f处于50-500mm范围内时，前固定组(1)与变倍组(2)之间的间距范围s1为111.379-236.684mm，变倍组(2)与中间固定组(3)之间的间距范围s2为9.082-134.387mm，中间固定组(3)与补偿组(4)之间的间距范围s3为65.745-162.738mm，补偿组(4)与第一平面反射镜(5)之间的间距范围s4为47.603-144.597mm。

10.根据权利要求1所述的10倍连续变焦的中波制冷红外光学系统，其特征在于，所述系统中二次成像固定组(8)的出瞳与制冷探测器冷光阑(9)重合。

技术总结
本发明公开了一种10倍连续变焦的中波制冷红外光学系统，包括按照处于同一光轴且沿光路依次设置的前固定组(1)、变倍组(2)、中间固定组(3)、补偿组(4)、第一平面反射镜(5)、第二平面反射镜(6)、后固定组(7)、二次成像固定组(8)、制冷探测器冷光阑(9)和焦平面(10)。该光学系统包含9片透镜，变倍组和补偿组仅包含1片透镜，且长焦时入瞳与首片透镜距离近，系统结构紧凑、体积小，光能透过率高，抗腐蚀；且由于中红外非球面可采用金刚石单点车加工，加工难度较低，整体加工成本低。

技术研发人员：魏雅喆,王跃明,刘浩
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15