一种入瞳前置红外连续变焦光学系统

本发明属于光电，涉及一种红外光学系统。具体而言，本发明涉及一种中波红外波段，体积紧凑，具有外置入瞳，可适配制冷型红外探测器，能实现连续变焦功能的光学系统。

背景技术：

1、近年来，在载荷小型化、轻量化、低功耗和低成本的要求下，各类光电系统逐渐转向模块化发展。特别是对于大中型光电系统，研制基于光瞳匹配，可实现多波段共孔径连续变焦功能的模块化光学系统变得尤为重要。其中，具有外置入瞳的光学系统一方面可独立完成光学成像功能，另一方面，还可与无焦光学系统匹配组合，构成更长焦距或更大视场的光学系统，是实现上述光学系统的重要组成部分。另外，将具有外置入瞳的光学系统倒置使用，还可满足目标模拟器等对入瞳距有特殊要求的应用。因此，研制具有外置入瞳的变焦红外光学系统具有重要现实意义。

2、现有技术中公开的具有外置入瞳的光学系统，或无法适配制冷型红外探测器；或无法实现连续变焦功能；或系统结构复杂。

3、公开号为cn102323671a、cn109739013a、cn100504502和cn110989142a等中国专利公开的具有实入瞳的光学系统，无法适配制冷型红外探测器。

4、2009年，刊载于中国期刊《红外与激光工程》，第38卷第3期，题为《大入瞳距双通道红外投影系统设计》；2015年，刊载于中国期刊《光学学报》第35卷第4期，题为《红外目标模拟器光学系统设计》；以及2016年，刊载于美国期刊applied optics第55卷第28期题为《diffraction analysis for dmd-based scene_projectors in the long-waveinfrared》的文献，公开了不同类型的入瞳外置型红外光学系统，主要用作目标模拟器，无法实现对制冷型红外探测器的有效适配。

5、2004年，刊载于中国期刊《光学技术》第30卷第4期，题为《基于变焦系统的红外成像目标模拟器研究》的学术论文，公开了一种具有实出瞳的红外变焦投影光学系统，其虽然具备外置入瞳与连续变焦功能，但同样无法适配制冷型红外探测器。

6、2008年，刊载于spie第6940卷，题为《3rd generation flir demonstrator》的文献，公开了一种具备外置入瞳且适配制冷型探测器的双视场红外光学系统，采用变倍补偿两个镜组轴向移动的方式实现了约53.8mm与110.7mm两个焦距位置的切换，但无法实现连续变焦功能。

7、2010年，刊载于spies第7652卷，题为《optical concepts for dual bandinfrared continuous zoom lenses》的文献，公开了一种具有外置入瞳且适配制冷型探测器的双色红外连续变焦光学系统。采用两个镜组轴向移动的方式实现了从38～130mm范围约3.4x的连续变焦，适配阵列为640×480，像元尺寸为20μm的中长波双色红外探测器，为了实现空间折叠，系统总长达265mm。所述光学结构也很难实现更小的体积。

8、中国专利cn113433677a公开了一种具有外置入瞳且适配制冷型红外探测器的双视场光学系统，但无法实现连续变焦。

技术实现思路

1、本发明针对现有具有外置入瞳的光学系统，要么光阑后置或前置，不具有外置入瞳；要么无法适配制冷型红外探测器；要么具有外置入瞳，但不具备连续变焦功能；要么系统结构复杂、无法实现小型化的技术问题，提供一种入瞳前置红外连续变焦光学系统。

2、本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

3、一种入瞳前置红外连续变焦光学系统，其特殊之处是，包括探测器组件(1)、中继镜组(2)、像差稳定镜组(3)、补偿镜组(4)、变倍镜组(5)、前固定镜组(6)、入瞳(7)；所述前固定镜组(6)、变倍镜组(5)、补偿镜组(4)、像差稳定镜组(3)、中继镜组(2)从物方至像方沿光轴依次同轴排列，所述探测器组件(1)位于所述中继镜组(2)的像方侧，所述入瞳(7)位于前固定镜组(6)的物方侧；所述变倍镜组(5)、补偿镜组(4)、像差稳定镜组(3)均可以沿光轴方向移动，实现连续变焦；所述前固定镜组(6)、补偿镜组(4)、像差稳定镜组(3)、中继镜组(2)均具有正光焦度；所述变倍镜组(5)具有负光焦度，为单片式负透镜结构；设所述变倍镜组位于长焦位置时的放大倍率为m5，则m5满足以下条件式：1.4<|m5|<3.2。

4、上述探测器组件(1)包括探测器焦面(101)、探测器冷阑(102)、探测器窗口(103)；所述探测器焦面(101)、探测器冷阑(102)、探测器窗口(103)依次沿光轴排列，所述探测器窗口(103)与中继镜组(2)相邻。

5、上述前固定镜组(6)为单片式弯月形正透镜结构，设所述前固定镜组(6)的焦距为f6，光学系统长焦端的焦距为fl，fl和f6满足以下条件：4.0<|fl/f6|<7.2。

6、上述补偿镜组(4)为单片式正透镜结构，设补偿镜组(4)位于长焦位置时的放大倍率为m4，m4满足如下条件：0.8<|m4|<1.4。

7、上述像差稳定镜组(3)为单片式正透镜结构，设像差稳定镜组(3)位于长焦位置时的放大倍率为m3，m3满足如下条件：1.4<|m3|<2.7。

8、上述中继镜组(2)为三分离结构，包括第四正透镜(201)、第三负透镜(202)、第三正透镜(203)；所述第四正透镜(201)、第三负透镜(202)、第三正透镜(203)沿光轴依次排列设置，所述第三正透镜(203)与像差稳定镜组(3)相邻，所述第四正透镜(201)与探测器组件(1)相邻；所述中继镜组(2)位于长焦位置时的放大倍率为m2，m2满足如下条件：0.95<|m2|<2.4。

9、上述前固定镜组(6)、变倍镜组(5)、补偿镜组(4)、像差稳定镜组(3)、中继镜组(2)采用硅、锗和硫系玻璃材料配对组合。

10、上述中继镜组(2)可通过驱动机构，沿光轴方向前后移动，对在不同温度或不同工作距条件下产生的离焦进行主动调焦补偿。

11、优选的，|fl/f6|＝5.29，|m5|＝2.13，|m4|＝1.08，|m3|＝1.71，|m2|＝1.35。

12、本发明的有益效果是：

13、1、本发明一种入瞳前置红外连续变焦光学系统，采用机械补偿变焦方式，变焦核由变倍镜组、补偿镜组和像差稳定镜组构成，为三动组结构，能够实现长焦比不大于0.6、变倍比不小于5、相对孔径不大于1/4的连续变焦功能。在焦距连续变化的过程中，入瞳位置稳定位于前置镜组靠近物方外侧特定距离范围，所有焦距中心视场及边缘视场均具有较好的成像质量。

14、2、本发明一种入瞳前置红外连续变焦光学系统，变焦核由变倍镜组、补偿镜组和像差稳定镜组构成，通过驱动机构在光学系统光轴方向按着设定规律前后直线移动实现连续变焦，变焦方式简单，且为内变焦，变焦过程总长固定不变，质心变化较小。

15、3、本发明一种入瞳前置红外连续变焦光学系统，前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组、像差稳定镜组和中继镜组均采用锗、硅或硫系玻璃材料配对组合，具有较好的加工特性。当采用其他红外光学材料时，只需对所述各镜组光焦度做相应调整，即可获得相近或更为优良的成像性能。

16、4、本发明一种入瞳前置红外连续变焦光学系统，光学系统孔径光阑与探测器组件中的探测器冷阑重合，实现了光学系统与探测器组件的100％冷光阑匹配。

17、5、本发明一种入瞳前置红外连续变焦光学系统，适用于各类观察、瞄准、搜索、跟踪等用途，特别地，适合各类对尺寸重量要求严格的应用场合。

18、6、本发明一种入瞳前置红外连续变焦光学系统，光学系统与探测器组件间可放置滤光片，当光学系统需要工作于不同谱段时，切入相应谱段的滤光片，此时，即可获得对应谱段的光学影像。

19、7、本发明一种入瞳前置红外连续变焦光学系统，体积小巧，结构紧凑，具有外置入瞳，可与无焦望远镜匹配使用，构成更长焦距或更大变倍范围的光学系统。特别适用于各类摆扫成像、周视成像等系统。