CN105278087A - 一种三视场红外光学系统及光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三视场红外光学系统及光学装置，属于光学设备技术领域。本发明的三视场红外光学系统，包括沿光路依次设置的第一物镜、变倍镜组、调焦镜组、固定折转反射镜组、会聚镜组，固定折转反射镜组包括第一、二、三平面反射镜，第一、二平面反射镜之间设置有补偿镜组，变倍镜组和补偿镜组能够移入光路而形成中视场光路或者移出光路而形成小视场光路，光学系统还包括沿光路依次设置的第二物镜、固定镜组、切换反射镜，第二物镜、固定镜组、切换反射镜与所述会聚镜组共同组成了大视场光路，切换反射镜能够对大视场光路与中视场光路或小视场光路进行切换。本发明的三视场红外光学系统实现了结构的紧凑，还能消除大视场的冷反射现象。

Description

一种三视场红外光学系统及光学装置

技术领域

本发明涉及一种三视场红外光学系统及光学装置，属于光学设备技术领域。

背景技术

远程光电探测系统需要具有非常远的作用距离和高分辨率成像性能，且要能满足高集成性、小体积的要求。目前，红外成像系统在导航、观察、跟踪等领域有着越来越广泛的应用，而单视场红外光学系统由于功能单一无法满足现代红外光学系统的发展需求，三视场红外光学系统有大小不同三个视场，大视场可以用于大范围搜索目标，中视场可以进一步观察和识别，小视场可以进行精确的跟踪与瞄准，在现代红外光学系统中得到了广泛的应用。

红外光学系统的变焦按照变焦过程中焦距是否连续变化可以分为两类，连续变焦和非连续变焦。连续变焦是通过运动透镜组光绪补偿线性移动或机械补偿非线性移动来实现焦距变化，能保持像面不变，但是在设计、材料选择和冷屏匹配方面存在一定不足，并且这类系统轴向尺寸长，前部透镜口径大，装调过程中保持像面清晰难度较大。

非连续变焦又可分为改变间隔型非连续变焦系统和切入型非连续变焦系统，改变间隔型非连续变焦系统是通过在光学系统中使部分光学组件沿光轴移动位置，改变间隔以实现系统焦距变化。申请公布号为CN104297923A的中国发明专利(申请公布日为2015年1月21日)公开了一种基于光学补偿法的两组元三视场红外光学系统，包括探测器、会聚透镜组、折转反射镜组、固定透镜组、补偿透镜组、变倍透镜组和前组红外物镜，其变倍透镜组或补偿透镜组通过轴向移动来实现窄、中、宽视场的变换。其变倍透镜组或补偿透镜组分别在A1和A2及B1和B2位置变化时，实现窄、中、宽视场的变化。但是该光学系统中，光学组件的移动形成较长，还会导致整机体积增大，重量上升。

切入型非连续变焦系统是分多组以不同顺序多次切入或者切出光学组件，以获得不同的焦距变化，也容易引起光学系统的体积增大。

上述所有光学系统由于共用部分光路，会导致大视场光路的冷反射严重，影响对目标的探测和识别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光路结构紧凑且能够消除大视场冷反射的三视场红外光学系统。本发明的目的还在于提供一种使用上述光学系统的光学装置。

为了实现以上目的，本发明的三视场红外光学系统的技术方案如下：

一种三视场红外光学系统，包括沿光路依次设置的第一物镜、变倍镜组、调焦镜组、固定折转反射镜组、会聚镜组，所述固定折转反射镜组包括沿光路依次设置的第一平面反射镜、第二平面反射镜及第三平面反射镜，在所述第一平面反射镜和第二平面反射镜之间设置有补偿镜组，所述变倍镜组和补偿镜组能够移入光路而形成中视场光路或者移出光路而形成小视场光路，所述光学系统还包括沿光路依次设置的第二物镜、固定镜组、切换反射镜，所述第二物镜、固定镜组、切换反射镜与所述会聚镜组共同组成了大视场光路，所述切换反射镜能够对大视场光路与中视场光路或小视场光路进行切换。

本发明的三视场红外光学系统通过旋转变倍镜组和补偿镜组来实现中视场光路和小视场光路之间的切换，通过切换反射镜来实现大视场的切入和切出。中、小视场共用一条光路，大视场单独使用一条光路，三个光路共用会聚光路，实现了结构的紧凑的同时，还能消除大视场的冷反射现象。固定折转反射镜组包括沿光轴依次设置的第一平面反射镜、第二平面反射镜及第三平面反射镜，第一平面反射镜靠近调焦镜组，第三平面反射镜靠近会聚镜组，三个平面反射镜使中、小视场光纤经过三次反射后进入会聚光路，进而在探测器上成像。这种光路空间折叠的方式使光路空间更为紧凑。

所述变倍镜组和补偿镜组呈L型设置，L型设置可以减小折转光学系统的长度，充分利用固定镜组前后光学构型的空间，使系统更加紧凑。

所述三视场红外光学系统还包括依次设置在固定折转反射镜组和会聚镜组之间的光阑和滤光片。

所述切换反射镜设置于第三平面反射镜和所述光阑之间，能够实现大视场的切入和切出，使大视场与中、小视场方便地共用同一会聚光路。

小视场光路的焦距为917mm，中视场光路的焦距为160mm，大视场光路的焦距为24mm。

所述第一物镜和第二物镜的材料为硅，第一调焦镜的材料为锗，第二调焦镜的材料为硅，固定折转反射镜组的材料均为K9玻璃，第一会聚镜的材料为氟化钙，第二会聚镜的材料为硅，变倍镜组的材料为锗，第一补偿镜的材料为锗，第二补偿镜的材料为硅，第一固定镜的材料为硒化锌，第二固定镜的材料为锗，第三固定镜的材料为硅。上述各光学组件共引入了七个非球面和一个衍射面，通过较少的透镜数量实现了校正像差、提高像质的作用。

本发明的光学装置的技术方案如下：

一种光学装置，使用上述的三视场红外光学系统。

本发明的三视场红外光学系统采用大口径长焦光学设计，并通过旋转变倍方式和切换反射方式的结合实现三个视场之间的方便转换，实现了高变倍比、高分辨率，而且空间折转使结构紧凑，体积小，重量轻，大视场单独一路光的实现方式较好的消除大视场的冷反射现象，并对大视场进行无热化设计，减少了相应的调焦部件。本发明采用二次成像系统减小前端物镜尺寸，保持系统冷光阑效率为100％。

附图说明

图1是本发明的光学装置的三视场红外光学系统窄视场光路图；

图2是本发明的光学装置的三视场红外光学系统中视场光路图；

图3是本发明的光学装置的三视场红外光学系统宽视场光路图；

图4是本发明的光学装置的三视场红外光学系统会聚光路图。

具体实施方式

本发明的光学装置的实施例：

如图1-4所示，本发明的光学装置包括三视场红外光学系统，三视场红外光学系统包括沿光轴依次顺序设置的第一物镜1、变倍镜组11、调焦镜组、固定折转反射镜组、光阑7、滤光片8、会聚镜组和探测器19，其中固定折转反射镜组由依次设置的第一平面反射镜4、第二平面反射镜5及第三平面反射镜6，第一平面反射镜靠近调焦镜组，光路从第一物镜经过变倍镜组、调焦镜组后分别在第一平面反射镜4、第二平面反射镜5及第三平面反射镜6处改变方向，在所述第一平面反射镜4和第二平面反射镜5之间设置有补偿镜组，上述光学组件均同光轴设置，本实施例中，探测器为制冷型红外焦平面探测器。调焦镜组包括第一调焦透镜2和第二调焦透镜3并列同轴设置组成，变倍镜组11为一个变倍透镜，设置在第二调焦透镜3和第一平面反射镜之间，补偿镜组由第一补偿透镜12和第二补偿透镜13并列同轴设置组成，补偿镜组设置在第一平面反射镜4和第二平面反射镜5之间，光阑7、滤光片8和会聚镜组依次顺序设置在第三平面反射镜6和探测器之间，光阑7靠近第三平面反射镜设置，会聚镜组靠近探测器设置，会聚镜组由第一会聚透镜9和第二会聚透镜10并列同轴设置组成。第一物镜1、变倍镜组11、调焦镜组、固定折转反射镜组、补偿镜组、光阑7、滤光片8、会聚镜组和探测器19共同构成了该光学系统的中视场光路。

变倍镜组的透镜与补偿镜组的透镜在光路轴线构成的平面上的界面呈L型，在本实施例中，二者相互垂直。变倍镜组和补偿镜组均能够沿光路径向方向旋转，从而能够移出或者移入由第一物镜、调焦镜组、固定折转反射镜组、补偿镜组、会聚镜组构成的光路，变倍镜组和补偿镜组移入该光路后，即构成了中视场光路，移出该光路后，即构成了小视场光路。

光学系统还包括依次顺序设置的第二物镜14、固定镜组、切换反射镜18，固定镜组由第一固定透镜15、第二固定透镜16和第三固定透镜17并列同轴设置组成，第二物镜为小物镜，第二物镜14、固定镜组和切换反射镜与上述光阑、滤光片、会聚镜组、探测器构成了大视场光路。红外光从第二物镜14进入，经过固定镜组后，由切换反射镜18改变方向，经过光阑、滤光片和会聚透镜后，在探测器上成像。切换反射镜可以进行大视场光路与中、小视场光路之间的切换。切换反射镜18切入光路，那么中、小视场光路不成像，切换反射镜18切出，那么中、小视场光路成像。

本实施例中，小视场光路的焦距为917mm，中视场光路的焦距为160mm，大视场光路的焦距为24mm，光学系统的最大口径为233mm，光学系统的体积为230mm×276mm×233mm。

本实施例中，小视场使用5片透镜、中视场使用8片透镜、大视场使用6片透镜，实现了高变倍比的三视场光路的搭建。

所述第一物镜和第二物镜的材料为硅，第一调焦镜的材料为锗，第二调焦镜的材料为硅，固定折转反射镜组的材料均为K9玻璃，第一会聚镜的材料为氟化钙，第二会聚镜的材料为硅，变倍镜组的材料为锗，第一补偿镜的材料为锗，第二补偿镜的材料为硅，第一固定镜的材料为硒化锌，第二固定镜的材料为锗，第三固定镜的材料为硅。上述各光学组件共引入了七个非球面和一个衍射面，通过较少的透镜数量实现了校正像差、提高像质的作用。具体参数和材料如表1-3所示。

表1小视场光学系统组成及参数

表2中视场光学系统组成及参数

表3大视场光学系统组成及参数

本实施例的光学装置在使用时，首先使用大视场光路对目标进行探测，这时通过转动切换反射镜18切入大视场光路，光线经过大视场光路在制冷型红外焦平面探测器上成像，然后通过中小视场光路对目标进行识别，通过切换反射镜切出大视场光路，光线经过中视场光路在探测器上成像，利用小视场对目标进行识别时，将变倍镜组11和补偿镜组旋转出光路即可利用小视场光路进行识别。

在本发明的光学装置的其他实施例中，变倍镜组、调焦镜组、固定折转反射镜组、补偿镜组、会聚镜组、固定镜组的透镜或者反射镜的数量可以视具体需要而设置。

在其他实施例中，光学系统可以不包括光阑和滤光片。

在其他实施例中，变倍镜组和补偿镜组可以平行设置在第一平面发射镜的同一侧。

本发明的三视场红外光学系统的实施例与上述光学装置的实施例中的三视场红外光学系统的结构完全一致，此处不再一一赘述。另外，上述光学装置的实施例中的各种三视场红外光学系统的替代方式也适用于本发明的三视场红外光学系统的实施例。

Claims (6)

1.一种三视场红外光学系统，其特征在于，包括沿光路依次共轴设置的第一物镜(1)、变倍镜组(11)、调焦镜组、固定折转反射镜组、会聚镜组，所述固定折转反射镜组包括沿光路依次设置的第一平面反射镜(4)、第二平面反射镜(5)及第三平面反射镜(6)，在所述第一平面反射镜(4)和第二平面反射镜(5)之间设置有补偿镜组，所述变倍镜组和补偿镜组能够移入光路而形成中视场光路或者移出光路而形成小视场光路，所述光学系统还包括沿光路依次设置的第二物镜(14)、固定镜组、切换反射镜，所述第二物镜、固定镜组、切换反射镜(18)与所述会聚镜组共同组成了大视场光路，所述切换反射镜能够对大视场光路与中视场光路或小视场光路进行切换。

2.如权利要求1所述的三视场红外光学系统，其特征在于，所述变倍镜组和补偿镜组呈L型设置。

3.如权利要求1所述的三视场红外光学系统，其特征在于，还包括依次设置在固定折转反射镜组和会聚镜组之间的光阑(7)和滤光片(8)。

4.如权利要求3所述的三视场红外光学系统，其特征在于，所述切换反射镜设置于第三平面反射镜(6)和所述光阑(7)之间。

5.如权利要求1所述的三视场红外光学系统，其特征在于，小视场光路的焦距为917mm，中视场光路的焦距为160mm，大视场光路的焦距为24mm-40mm。

6.一种光学装置，其特征在于，使用如权利要求1-5任意一项所述的三视场红外光学系统。