CN104238095B - 一种制冷式红外双波段共光路同步连续变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制冷式红外双波段共光路同步连续变焦光学系统，包括沿光轴依次设置的公共前固定组、公共变倍组以及公共补偿组；公共补偿组的出射光线通过第一平面反射镜的反射后进入二次成像系统的前组，二次成像系统的前组的出射光线经过第二平面反射镜的反射后进入二次成像系统的后组；二次成像系统的后组的出射光线通过制冷探测器保护玻璃后投影到系统相面上；第一平面反射镜和第二平面反射镜将光路折叠成U型，制冷探测器保护玻璃与系统像面之间设置有冷光阑；本发明采用制冷式红外探测器作为系统的成像探测器，结合二次成像设计，实现制冷型系统100％冷光阑效率，有效剔除目标视场以外的杂散红外辐射，大幅度提高传统红外光学系统分辨率。

Description

一种制冷式红外双波段共光路同步连续变焦光学系统

技术领域

本发明属于光学设备技术领域，具体涉及一种制冷式红外双波段共光路同步连续变焦光学系统。

背景技术

工业检测和安防侦察领域对多波段成像光学系统的识别速率、精准度性能提出了越来越高的要求。红外双波段共光路同步连续变焦光学系统具有全天候侦查、精确、全面获取目标信息的特点，同时也兼备了连续变焦系统探测范围广、搜索速度快，能对目标进行不间断观测的优点。当需用不同波段观察时，无需切换光路或更换设备，即可直接观测，有效防止在光路转换过程中造成目标丢失的问题。同时，双波段同步连续变焦既可大视场搜索，小视场跟踪，切换过程无视场转换突变，全程跟踪，为精确军事打击提供了有力的技术支持。

目前有关红外双波段连续变焦光学系统的设计多是使用非制冷式探测器作为成像接收器。这类探测器虽然价格便宜，在系统结构上也较为简单，但其分辨率上远不及制冷式探测器。采用制冷式探测器能够大幅度提高红外双波段光学系统的优势，有效剔除目标视场以外的杂散红外辐射，达到精确跟踪、探测、捕捉目标图像的目的。然而，采用制冷式探测器的红外光学系统在设计时需要使用二次成像设计型式并满足100％冷光阑效率，加大了设计的难度。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中的问题，提供一种中波和长波红外波段共光路且用于制冷探测器的制冷式红外双波段共光路同步连续变焦光学系统，该光学系统能够将中波和长波红外光路集成在一个系统中，并实现中波和长波红外两个波段同时、共同变焦。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：包括沿光轴依次设置的公共前固定组、公共变倍组以及公共补偿组；公共补偿组的出射光线通过第一平面反射镜的反射后进入二次成像系统的前组，二次成像系统的前组的出射光线经过第二平面反射镜的反射后进入二次成像系统的后组；二次成像系统的后组的出射光线通过制冷探测器保护玻璃后投影到系统相面上；第一平面反射镜和第二平面反射镜将光路折叠成U型，制冷探测器保护玻璃与系统像面之间设置有冷光阑。

所述的公共前固定组为第一双弯月正透镜，第一双弯月正透镜朝向像侧的面加有非球面。

所述的第一双弯月正透镜由单晶锗制成。

所述的公共变倍组包括沿光轴方向依次设置的第二双弯月正透镜和双凹面负透镜，第二双弯月正透镜朝向物侧的面加有衍射非球面。

所述的第二双弯月正透镜和双凹面负透镜均由单晶锗制成。

所述的公共补偿组包括沿光轴方向依次设置的第三双弯月正透镜、第四双弯月正透镜以及第一双弯月负透镜，第一双弯月负透镜朝向物侧的面加有非球面.

所述的第三双弯月正透镜和第四双弯月正透镜有单晶硅制成，第一双弯月负透镜有单晶锗制成。

所述的制冷探测器保护玻璃采用由单晶锗制成的平行平板。

所述二次成像系统的前组包括沿光轴方向依次设置的第五双弯月正透镜和第二双弯月负透镜；二次成像系统的后组包括沿光轴方向依次设置的第三双弯月负透镜和双凸面正透镜，双凸面正透镜朝向物侧的面加有衍射非球面。

所述的第五双弯月正透镜由单晶硅制成，第二双弯月负透镜由单晶锗制成；第三双弯月负透镜由单晶锗制成，双凸面正透镜由硒化锌制成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用制冷式红外探测器作为系统的成像探测器，结合二次成像设计，实现制冷型系统100％冷光阑效率，有效剔除目标视场以外的杂散红外辐射，大幅度提高传统红外光学系统分辨率。

本发明采用红外双波段全部共光路结构型式，将红外中波与红外长波整合到一个光学系统中。和传统共光路相比，系统整合度高，不存在利用分光棱镜进行分光路的结构，红外双波段同时入射，利用一个探测器同时接受红外双波段图像。同时，在兼顾单波段系统优势的同时，利用两个波段相互融合有效剔除目标信息伪装信号，大大降低虚警率，并提升了对目标信息的获取量。

本发明采用红外双波段同步连续变焦形式，系统在连续变焦时红外双波段能够同时工作，避免了传统红外连续变焦系统在切换谱段这一短暂时间间隔中造成目标丢失的问题，且系统在连续变焦过程中始终保持图像大小稳定一致。此外，系统具有大变倍比的特点，即可以大视场搜索，又可以小视场跟踪，切换过程无视场转换突变。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明透镜及透镜面的示意图。

其中，L1为第一双弯月正透镜；L2为第二双弯月正透镜；L3为双凹面负透镜；L4为第三双弯月正透镜；L5为第四双弯月正透镜；L6为第一双弯月负透镜；L7为第五双弯月正透镜；L8为第二双弯月负透镜；L9为第三双弯月负透镜；L10为双凸面正透镜；L11为保护玻璃。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参见图1和图2，本发明包括沿光轴依次设置的公共前固定组、公共变倍组、公共补偿组、第一平面反射镜S13、二次成像组的前组、第二平面反射镜S18、二次成像组的后组以及制冷探测器保护玻璃L11；第一平面反射镜S13和第二平面反射镜S18将光路折叠成U型。保护玻璃与系统像面之间设置有冷光阑S25，制冷探测器保护玻璃L11为平行平板L11，平行平板L11由单晶锗制成。公共前固定组为第一双弯月正透镜L1，第一双弯月正透镜L1朝向像侧的面S2加有非球面，第一双弯月正透镜L1由单晶锗制成。公共变倍组包括沿光轴方向依次设置的第二双弯月正透镜L2和双凹面负透镜L3，第二双弯月正透镜L2朝向物侧的面S3加有衍射非球面，第二双弯月正透镜L2和双凹面负透镜L3均由单晶锗制成。公共补偿组包括沿光轴方向依次设置的第三双弯月正透镜L4、第四双弯月正透镜L5以及第一双弯月负透镜L6，第一双弯月负透镜L6朝向物侧的面S11加有非球面，第三双弯月正透镜L4和第四双弯月正透镜L5有单晶硅制成，第一双弯月负透镜L6有单晶锗制成。

二次成像系统的前组包括沿光轴方向依次设置的第五双弯月正透镜L7和第二双弯月负透镜L8，第五双弯月正透镜L7由单晶硅制成，第二双弯月负透镜L8由单晶锗制成。二次成像系统的后组包括沿光轴方向依次设置的第三双弯月负透镜L9和双凸面正透镜L10，双凸面正透镜L10朝向物侧的面S21加有衍射非球面，第三双弯月负透镜L9由单晶锗制成，双凸面正透镜L10由硒化锌制成。

本发明的原理：

本发明由公共前固定组，公共变倍组、公共补偿组、二次成像系统(包括二次成像系统的前组和后组)、两片平面反射镜以及一片保护玻璃组成。满足同时透过中波和长波红外光波的要求，并实现双波段同步变焦。前固定组采用单晶硅，物化性能良好，利于作为系统的窗口。变倍组两片正负光焦度分离的单晶锗平衡了前固定组产生的大量负球差，且和前固定组的单晶硅搭配校正了一定量的色差。补偿组采用了三分离结构，很好的平滑了光线，减少高级像差的产生。系统最后一片采用硒化锌材料能进一步校正残余色差，减小二级光谱。变焦形式采用机械式正组补偿形式，变焦比达到25X，系统变焦补偿曲线光滑、顺畅。为了进一步减小系统自身像差，在公共前固定组第一片透镜朝向像距面加有非球面，公共变倍组第一片透镜朝向物距面加有衍射非球面，公共补偿组第三片透镜朝向物侧的面加有非球面，二次成像系统的后组第二片朝向物侧的面加有衍射非球面。为了减少纵向长度，添加了两个平面反射镜，使系统折叠成U型。

针对现有技术存在的问题及局限性，本发明主要包括五个组元、两片平面反射镜和一片平行平板保护玻璃。其中五个组元分别为：公共前固定组、公共变倍组、公共补偿组、二次成像系统的前组以及二次成像系统的后组。所述公共前固定组为单片双弯月正透镜，所述公共变倍组由一片双弯月正透镜和一片双凹面负透镜组成，所述公共补偿组由两片双弯月负透镜和一片双弯月负透镜组成，所述二次成像系统的前组由一片双弯月正透镜和一片双弯月负透镜组成，所述二次成像系统的后组由一片双弯月负透镜和一片双凸面正透镜组成。两片平面反射镜沿光路按照将光线反射90°的方式放置，使光路折叠成U型。保护玻璃为一片平行平板，用于保护制冷探测器。其中，公共前固定组为一片双弯月正透镜，材料为单晶硅，双弯月正透镜朝向像距面加有非球面。公共变倍组由一片双弯月正透镜和一片双凹面负透镜组成，材料均为单晶锗，其中第一片透镜朝向物距面加有衍射非球面。公共补偿组为两片双弯月正透镜和一片双弯月负透镜组成，沿光轴方向材料依次为单晶硅、单晶硅和单晶锗，其中双弯月负透镜朝向物侧的面加有非球面。二次成像系统的前组包括一片双弯月正透镜和一片双弯月负透镜，沿光轴方向材料分别为单晶硅和单晶锗。二次成像系统的后组包括一片双弯月负透镜和一片双凸面正透镜，沿光轴方向材料依次为单晶锗和硒化锌，其中双凸面正透镜朝向物侧的面加有衍射非球面。

本发明的使用过程如下：

在实际使用过程中，公共前固定组、二次成像系统的前组以及二次成像系统的后组均固定不动，公共变焦组和公共补偿组按照事先给出的变倍补偿参数曲线，并由外部步进电机带动进行非线性移动来改变焦距大小，同时连续平滑补偿成像面，使成像面稳定。

当由于昼夜交替、烟雾干扰以及遮挡隐藏等原因，需要利用不同波段观测时，制冷式红外双波段共光路同步连续变焦光学系统无需光路转换，根据原来光路锁定的目标，直接利用所需波段对目标进行实时观测，实现光学系统在红外双波段情况下对目标的同步成像、同步跟踪与测量。系统无需重新对准和搜索目标，反应速度大大提高，并有效地避免了由于光路转换而失去移动速度较快的目标。

如图2所示，为了取得优异的效果，下面给出本发明部件所采用的具体参数：表1表示集成多波段连续变焦光学系统基本透镜数据(透镜曲率、厚度、透镜间隔及材料)；

表1红外双波段连续变焦光学系统结构参数

表2表示与变倍有关的数据(变倍组和补偿组的移动量)；

表2实施系统各组分移动间距

(D2为前固定组与变倍组间距D6变倍组与补偿组间距D12补偿组第一平面反射镜间距)

	短焦14.8/mm	次短焦103.6/mm	中焦192.4/mm	次长焦281.2/mm	长焦370/mm
						D2	30.90	111.63	124.20	129.99	133.54
D6	157.82	57.58	34.39	20.33	9.89
						D12	23.84	43.35	53.98	62.25	69.14

表3表示系统非球面、衍射面数据；

表3实施非球面和衍射面系数

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种制冷式红外双波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于：包括沿光轴依次设置的公共前固定组、公共变倍组以及公共补偿组；公共补偿组的出射光线通过第一平面反射镜(S13)的反射后进入二次成像系统的前组，二次成像系统的前组的出射光线经过第二平面反射镜(S18)的反射后进入二次成像系统的后组；二次成像系统的后组的出射光线通过制冷探测器保护玻璃(L11)后投影到系统相面上；第一平面反射镜(S13)和第二平面反射镜(S18)将光路折叠成U型，制冷探测器保护玻璃(L11)与系统像面之间设置有冷光阑(S25)；

所述的公共前固定组为第一双弯月正透镜(L1)，第一双弯月正透镜(L1)朝向像侧的面(S2)加有非球面。

2.根据权利要求1所述的制冷式红外双波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于：所述的第一双弯月正透镜(L1)由单晶锗制成。

3.根据权利要求1所述的制冷式红外双波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于：所述的公共变倍组包括沿光轴方向依次设置的第二双弯月正透镜(L2)和双凹面负透镜(L3)，第二双弯月正透镜(L2)朝向物侧的面(S3)加有衍射非球面。

4.根据权利要求3所述的制冷式红外双波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于：所述的第二双弯月正透镜(L2)和双凹面负透镜(L3)均由单晶锗制成。

5.根据权利要求1所述的制冷式红外双波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于：所述的公共补偿组包括沿光轴方向依次设置的第三双弯月正透镜(L4)、第四双弯月正透镜(L5)以及第一双弯月负透镜(L6)，第一双弯月负透镜(L6)朝向物侧的面(S11)加有非球面。

6.根据权利要求5所述的制冷式红外双波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于：所述的第三双弯月正透镜(L4)和第四双弯月正透镜(L5)由单晶硅制成，第一双弯月负透镜(L6)由单晶锗制成。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的制冷式红外双波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于：所述的制冷探测器保护玻璃采用由单晶锗制成的平行平板(L11)。

8.根据权利要求1至6任意一项所述的制冷式红外双波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于：所述二次成像系统的前组包括沿光轴方向依次设置的第五双弯月正透镜(L7)和第二双弯月负透镜(L8)；二次成像系统的后组包括沿光轴方向依次设置的第三双弯月负透镜(L9)和双凸面正透镜(L10)，双凸面正透镜(L10)朝向物侧的面(S21)加有衍射非球面。

9.根据权利要求8所述的制冷式红外双波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于：所述的第五双弯月正透镜(L7)由单晶硅制成，第二双弯月负透镜(L8)由单晶锗制成；第三双弯月负透镜(L9)由单晶锗制成，双凸面正透镜(L10)由硒化锌制成。