CN104238099A - 一种大变倍比红外双波段共口径共变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大变倍比红外双波段共口径共变焦光学系统，由沿光轴从左到右依次设置的公共前固定组、公共变倍组、公共补偿组、公共后固定组、用于反射长波红外光和透射中波红外光的分光棱镜、分光棱镜的反射光路上设置的长波红外光后固定组、分光棱镜透射光路上设置的中波红外焦距补偿组以及中波红外光后固定组七部分组成。本发明在连续变焦过程中，双波段对应焦距差值小于其焦深，双波段目标信息可以由同一系统接收，且不需要光路切换，解决了目前双波段系统面临的难题。

Description

一种大变倍比红外双波段共口径共变焦光学系统

技术领域

本发明属于光学设备技术领域，具体涉及一种大变倍比红外双波段共口径共变焦光学系统。

背景技术

随着红外热成像技术的迅速发展和使用环境日趋复杂，对变焦成像光学系统的探测范围、探测同步性和实时性等性能提出的要求愈来愈高。相对于红外单波段定焦、红外单波段定点变焦以及单波段小变倍比变焦光学系统，大变倍比双波段甚至多波段连续变焦光学系统具有更大的优势，可以拥有更多的观察通道，在宽探测距离范围内有利于更迅速地发现目标，能够获得更全面的目标信息，还可以实现短焦大视场连续搜索，长焦小视场精确观察目标。因此，大变倍比红外多波段连续变焦光学系统已经成为红外技术发展及应用的一个重要方向。此类系统具备多波段宽探测范围内检测目标的本领，可以同时检测不同辐射波段的被测目标，也能适应烟雾干扰、昼夜交替、火山爆发等复杂恶劣的工作环境。

目前国内研究红外双波段变焦光学系统所采用的方法一般是设计出两款单一辐射波段光学系统，然后将此两款光学系统通过机械结构组装到同一个镜筒中，最终实现双波段变焦探测目标的目的。此种系统一般通过采用双光路切换来进行观测、搜索目标，面临着切换时间长的问题。如果两款单波段系统变倍比较大，会因为变焦范围较宽和两个系统的中心波长之间的差异，导致光路切换后，前后时刻系统探测距离发生变化而引起目标丢失，系统可靠性将会降低。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中的问题，提出一种大变倍比红外双波段共口径共变焦光学系统，该系统在连续变焦过程中，双波段对应焦距差值小于其焦深，双波段目标信息可以由同一系统接收，且不需要光路切换，解决了目前双波段系统面临的难题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：包括沿光轴方向依次设置的公共前固定组、能够沿轴向移动的公共变倍组、公共补偿组、公共后固定组以及用于反射长波红外光、透射中波红外光的第一分光棱镜；第一分光棱镜的反射光路上设置有长波红外光后固定组，反射光由长波非制冷接收器件成像；第一分光棱镜的透射光路上设置有中波红外焦距补偿组和中波红外光后固定组，透射光由中波红外非制冷接收器件成像。

所述的公共前固定组包括沿光轴方向依次设置的第一双弯月正透镜和第二双弯月正透镜，第二双弯月正透镜朝向物距面加有衍射非球面。

所述的第一双弯月正透镜由AMTIR1制成，第二双弯月正透镜由GERMANIUM制成。

所述的公共变倍组、公共补偿组以及公共后固定组为沿光轴方向依次设置的第一双凹面负透镜、第一双凸面正透镜以及第二双凹负透镜，第二双凹负透镜朝向物距面加有非球面。

所述的第一双凹面负透镜由GERMANIUM制成。第一双凸面正透镜由AMTIR1制成。第一双弯月负透镜由GERMANIUM制成。

所述的长波红外光后固定组包括沿分光棱镜反射光路依次设置的第三双弯月正透镜和第四双弯月正透镜；其中，第三双弯月正透镜朝向物距的面加有衍射面。

所述的第三双弯月正透镜由GERMANIUM制成，第四双弯月正透镜由ZNS_BROAD制成。

所述的中波红外焦距补偿组和中波红外光后固定组包括沿分光棱镜透射光路依次设置的第五双弯月正透镜和第六双弯月正透镜；其中，第五双弯月正透镜朝向物距的面加有衍射面。

所述的第五双弯月正透镜由GERMANIUM制成，第六双弯月正透镜由ZNS_BROAD制成。

所述的第一分光棱镜由GERMANIUM制成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用共口径共变焦形式，在连续变焦过程中，随公共变倍组以及公共补偿组之间的补偿移动，保证像面稳定，实现中波红外和长波红外双波段共口径共变焦，保持F数以及视场变化一致，且无需进行光路转换和重新搜索，大大减少了光学系统的反应时间，不易丢失目标；

2.本发明采用中双波段光学系统在同一系统接收，复杂程度低，体积小，结构紧凑，无后续控制电路和复杂的机械结构，减轻成本负担和加工难度，这对于实现系统的紧凑化、轻型化具有重要的现实意义；

3.本发明中波红外与长波红外双波段对应焦距差值控制在一个焦深范围之内，实现了中波红外和长波红外双波段共焦，以及对被测目标同步观测、同步跟踪、同步测量，便于后期图像的融合。

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为第一双凹面负透镜；L4为第一双凸面正透镜；L5为第一双弯月负透镜；L6为第一组分光棱镜；L7为第三双弯月正透镜；L8为第四双弯月正透镜；L9为第五双弯月正透镜；L10为第六双弯月正透镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明由沿光轴从左到右依次设置的公共前固定组、公共变倍组、公共补偿组、公共后固定组、用于反射长波红外光和透射中波红外光的分光棱镜、分光棱镜的反射光路上设置的长波红外光后固定组、分光棱镜透射光路上设置的中波红外焦距补偿组以及中波红外光后固定组七部分组成，具体的：

参见图1，本发明沿光轴依次设置的公共前固定组、公共变倍组、公共补偿组、公共后固定组以及用于反射长波红外光、透射中波红外光的第一分光棱镜L6；第一分光棱镜L6的反射光路上设置有长波红外光后固定组，第一分光棱镜L6的透射光路上设置有中波红外焦距补偿组和中波红外光后固定组。第一分光棱镜L6由GERMANIUM制成。

公共前固定组包括沿光轴方向依次设置的第一双弯月正透镜L1和第二双弯月正透镜L2，第二双弯月正透镜L2朝向物距面加有衍射非球面；第一双弯月正透镜L1由AMTIR1制成，第二双弯月正透镜L2由GERMANIUM制成。。

公共变倍组包括沿光轴方向依次设置的第一双凹面负透镜L3；第一双凹面负透镜L3由GERMANIUM制成。公共补偿组包括第一双凸面正透镜L4；第一双凸面正透镜L4由AMTIR1制成。公共后固定组包括第二双凹负透镜L5，第二双凹负透镜L5朝向物距面加有非球面；第一双弯月负透镜L5由GERMANIUM制成。

长波红外后固定组包括分光棱镜L6的反射光路依次设置的第三双弯月正透镜L7、第四双弯月正透镜L8；其中，第三双弯月正透镜L7朝向物距的面加有衍射面；第三双弯月正透镜L7由GERMANIUM制成，第四双弯月正透镜L8由ZNS_BROAD制成。

红外双波段共焦补偿组和中波红外后固定组包括分光棱镜L6的透射光路依次设置的第五双弯月正透镜L9、第六双弯月正透镜L10；其中，第五双弯月正透镜L9朝向物距的面加有衍射面；第五双弯月正透镜L9由GERMANIUM制成，第六双弯月正透镜L10由ZNS_BROAD制成。

本发明的原理：

本发明共口径部分是由公共前固定组，公共变倍组，公共补偿组和公共后固定组组成，且材料均能透过中波和长波红外，其中AMTIR1、GERMANIUM、ZNS_BROAD三种材料物化性能较为稳定，有利于降低宽波段产生的色差。变焦形式采用机械式正组补偿形式，变焦比达到20X，系统变倍补偿曲线光滑，双波段共变焦。为了减轻公共部分系统像差负担，所在公共前固定组第二片透镜朝向物距面加有衍射非球面。公共后固定组第一片透镜朝向物距的面加有非球面。中波红外光后固定组第一片透镜朝向物距的面加有衍射面。长波红外光后固定组第一片透镜朝向物距的面加有衍射面。采用焦距被动补偿法，通过加入焦距补偿组补偿由波长不一致引起的焦距变化量，使双波段的焦距差异小于焦深值。

由于国内目前满足本发明的红外双色探测器产品极其缺乏，所以对本系统进行分光设置。本发明主要分为九个组元，分别为：公共前固定组、公共变倍组、公共补偿组、公共后固定组、一组分光棱镜、长波红外光后固定组、中波红外光后固定组以及相应的焦距补偿组。所述公共前固定组为两片双弯月正透镜，所述公共变倍组为一片双凹面负透镜，所述公共补偿组为一片双凸面正透镜；所述公共后固定组为一片双弯月负透镜；第一组分光棱镜反射长波红外光，透射中波红外光。

公共前固定组为两片双弯月正透镜，沿光轴方向材料依次为AMTIR1和GERMANIUM，其中第二片透镜朝向物距面加有衍射非球面。公共变倍组为一片双凹面负透镜，材料为GERMANIUM。公共补偿组为一片双凸面正透镜；沿光轴方向材料为AMTIR1。公共后固定组为一片双弯月负透镜；沿光轴材料为GERMANIUM，其中第一片透镜朝向物距面加有非球面。第一组分光棱镜，材料为GERMANIUM。长波红外光后固定组包括两片双弯月正透镜，沿光轴方向材料依次为GERMANIUM和ZNS_BROAD，其中第一片双弯月正透镜朝向物距的面加有衍射球面。中波红外光后固定组包括两片双弯月正透镜，沿光轴材料依次为GERMANIUM和ZNS_BROAD，其中第一片透镜朝向物距的面加有衍射面。如图2所示。

为了更详细说明，下面给出本发明光学系统结构的具体参数：表1表示大变倍比红外双波段共口径共变焦光学系统结构参数(透镜曲率、厚度、透镜间隔及材料)；

表1大变倍比红外双波段共口径共变焦光学系统结构参数

表2表示与移动组份有关的数据(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D4变倍组与补偿组间距D6补偿组与后固定组间距)

	短焦8/mm	次短焦42.44/mm	中焦80.88/mm	次长焦121.051/mm	长焦160/mm
						D2	21.47532	195.851805	232.072992	248.322908	258.913264
D4	316.36168	113.733908	59.448644	27.305441	6.186752
						D6	1.86068	30.111963	48.17604	64.069326	74.597659

表3表示系统使用的非球面、衍射面数据。

表3实施非球面和衍射面系数

本发明的使用过程如下：

在系统使用过程中，公共前固定组固定不动，公共变倍组通过沿轴向移动来改变中波和长波红外的系统焦距，来提高变倍比，再利用凸轮机构按照变焦曲线带动公共补偿组来抵消由焦距改变引起的有害像面移动，再经棱镜分光后，通过长波红外光后固定组来补偿共口径部分所代入的像差，最终由长波非制冷接收器件成像，中波红外光通过焦距补偿组和中波后固定组来补偿长波红外和中波红外之间的焦距差异以及共口径部分代入的像差，使得中波红外与长波红外双波段焦距差值小于系统最小焦深值，最后由中波红外非制冷接收器件成像。

在昼夜温差较大、烟尘干扰、雾霾等恶劣环境下使用本双波段共口径共光路共连续变焦光学系统观测目标，通过共口径部分，然后经过分光由两个探测器接收，实现对目标进行短焦大视场搜索，长焦小视场仔细观察，同时系统可以不需切换光路、重新对准以及重新搜索目标，而是直接锁定被测目标，再进行实时观测、同步检测、同步搜索与跟踪，不易丢失目标。

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 (10)

1.一种大变倍比红外双波段共口径共变焦光学系统，其特征在于：包括沿光轴方向依次设置的公共前固定组、能够沿轴向移动的公共变倍组、公共补偿组、公共后固定组以及用于反射长波红外光、透射中波红外光的第一分光棱镜(L6)；第一分光棱镜(L6)的反射光路上设置有长波红外光后固定组，反射光由长波非制冷接收器件成像；第一分光棱镜(L6)的透射光路上设置有中波红外焦距补偿组和中波红外光后固定组，透射光由中波红外非制冷接收器件成像。

2.根据权利要求1所述的大变倍比红外双波段共口径共变焦光学系统，其特征在于：所述的公共前固定组包括沿光轴方向依次设置的第一双弯月正透镜(L1)和第二双弯月正透镜(L2)，第二双弯月正透镜(L2)朝向物距面加有衍射非球面。

3.根据权利要求2所述的大变倍比红外双波段共口径共变焦光学系统，其特征在于：所述的第一双弯月正透镜(L1)由AMTIR1制成，第二双弯月正透镜(L2)由GERMANIUM制成。

4.根据权利要求1所述的大变倍比红外双波段共口径共变焦光学系统，其特征在于：所述的公共变倍组、公共补偿组以及公共后固定组为沿光轴方向依次设置的第一双凹面负透镜(L3)、第一双凸面正透镜(L4)以及第二双凹负透镜(L5)，第二双凹负透镜(L5)朝向物距面加有非球面。

5.根据权利要求4所述的大变倍比红外双波段共口径共变焦光学系统，其特征在于：所述的第一双凹面负透镜(L3)由GERMANIUM制成；第一双凸面正透镜(L4)由AMTIR1制成；第一双弯月负透镜(L5)由GERMANIUM制成。

6.根据权利要求1所述的大变倍比红外双波段共口径共变焦光学系统，其特征在于：所述的长波红外光后固定组包括沿分光棱镜(L6)反射光路依次设置的第三双弯月正透镜(L7)和第四双弯月正透镜(L8)；其中，第三双弯月正透镜(L7)朝向物距的面加有衍射面。

7.根据权利要求6所述的大变倍比红外双波段共口径共变焦光学系统，其特征在于：所述的第三双弯月正透镜(L7)由GERMANIUM制成，第四双弯月正透镜(L8)由ZNS_BROAD制成。

8.根据权利要求1所述的大变倍比红外双波段共口径共变焦光学系统，其特征在于：所述的中波红外焦距补偿组和中波红外光后固定组包括沿分光棱镜(L6)透射光路依次设置的第五双弯月正透镜(L9)和第六双弯月正透镜(L10)；其中，第五双弯月正透镜(L9)朝向物距的面加有衍射面。

9.根据权利要求8所述的大变倍比红外双波段共口径共变焦光学系统，其特征在于：所述的第五双弯月正透镜(L9)由GERMANIUM制成，第六双弯月正透镜(L10)由ZNS_BROAD制成。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的大变倍比红外双波段共口径共变焦光学系统，其特征在于：所述的第一分光棱镜(L6)由GERMANIUM制成。