CN107942480A - 一种新型变倍比的折反混合红外光学成像系统 - Google Patents

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任栖锋
王宇
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Abstract

本发明公开了一种新型变倍比的折反混合红外光学成像系统，实现在宽视场低倍率和窄视场高倍率之间切换的红外目标观测，解决现有双视场红外光学系统结构复杂、体积较大、调焦稳定性差的技术问题。该系统从物面到像面依次包括：反射切换组，是高变倍比的切换组件；透射补偿组，具有负光焦度，补偿不同物距、不同温度下，像面的漂移；透射固定组，具有独立成像的能力；红外焦平面探测器FPA，是短焦和长焦系统共用的接受面。当系统长焦工作时，反射切换组、透射补偿组和透射固定组，构成窄视场高倍率系统；当系统处于短焦时，反射切换组被移出光路，实现宽视场的目标观测。本发明由于反射系统的应用，相对透射系统，结构更加紧凑、成像质量良好，具有更高的光轴稳定性。

Description

一种新型变倍比的折反混合红外光学成像系统
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种新型变倍比的折反混合红外光学成像系统。
背景技术
红外探测系统是通过探测目标的红外辐射特性对目标进行探测与识别，具有被动探测、隐蔽性强、抗干扰性强、可实现全天候探测搜索等优点，同时在烟、雾、雪、霾、风沙等能见度差的不良气象条件下可穿透上述气象的限制，对目标进行识别探测。红外光学系统作为红外成像仪的核心部件，从探测视场上，可以分为单视场、双视场、多视场以及连续变焦等形式。双视场红外光学系统可以实现短焦宽视场和长焦窄视场间的转换，切换机构简单，在军民红外探测领域有不可替代的地位。
之前的文献报道的变倍比红外光学成像系统，大多数是通过调焦组和补偿组在光轴方向上的移动，实现光学系统的变焦。如专利号为CN201010516394.8的非制冷双视场红外光学系统中国发明专利、CN201420073363.3的一种小尺寸非制冷双视场红外光学系统中国实用新型专利等等。轴向移动光学镜组的方式，变倍过程时间长、要求光轴定位精度、稳定性较高，无法实现视场快速切换，容易造成观测目标的丢失。专利申请号CN201510388632.4中国发明专利也报道了通过凸轮结构实现红外成像双视场切换的方式，但切换镜组中，包括切换变倍组、调焦组等，结构复杂，不利于光学技术的实现。
发明内容
本发明为了解决现有的双视场红外光学系统结构繁琐、调焦复杂的技术问题，提出了一种新型变倍比的折反混合红外光学成像系统，将透射光学系统宽视场的优点，与反射式光学系统长焦距、设计结构紧凑的特点相结合，仅使用一个焦平面探测器，通过设备在折反系统和透射系统之间的切换，改变系统的焦距，实现切换红外光学系统倍率的使用目的，同时，减小红外光学系统的体积，提高切换过程中的光轴稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种新型变倍比的折反混合红外光学成像系统，从物方到像方依次包括反射切换组、透射补偿组、透射固定组和红外焦平面探测器；其中，
光学系统长焦窄视场的工作状态时，物方光线经过主镜反射，汇聚到次反射镜，光线在透射补偿组前汇聚，形成一次像面，并经过后方透射补偿组的补偿，再通过透射固定组，成像于焦面位置；
光学系统短焦宽视场的工作状态时，通过切换装置，将反射切换组绕其中心区域旋转90°，移出光路，物方光线直接通过透射补偿组和透射固定组，进行成像，将光线汇聚于焦面的位置。
其中，反射切换组是同轴反射光学系统，具有一定的遮拦比，表面均为非球面，透射补偿组有1～4个镜片组成，面型可以球面、非球面和衍射面等；透射固定组由多个镜片组成，可以独立成像于焦平面处，面型可以球面、非球面和衍射面等。
其中，光学系统镜组材料均采用红外常用的锗、硒化锌、硅、硫化锌等材料，其大部分光学元件均可采用金刚石车床车削加工，加工精度高；红外光学系统，反射镜组表面镀增反膜，透射镜组表面镀增透膜，以提高光学系统的透过率。
其中，红外探测器为焦平面探测器，制冷型和非制冷型均可。
本发明的原理在于：本发明提供了一种新型变倍比的折反混合红外光学成像系统，从物方到像方依次包括反射切换组、透射补偿组、透射固定组和探测器。
所述的反射切换组，具有正光焦度，对光线起到汇聚的作用；
所述的透射补偿组，具有负光焦度，用于补偿不同物距、不同温度下，像面的漂移；
所述的透射固定组，是独立的短焦透射成像系统，具有正光焦度，将光线汇聚于焦平面探测器；
所述的光学系统工作中，当系统处在长焦时，反射切换组和透射固定组同时在光路中，实现窄视场高倍率的目标观测；当系统处于短焦时，反射切换组被移去，仅有透射固定组工作，实现宽视场的目标观测；
所述的光学系统反射切换组是同轴反射光学系统。由主反射镜和次反射镜组成，因为次镜在主镜前方，遮挡部分光线进入光学系统，所以存在一定的遮拦比，主镜是中心有通光孔的非球凹面反射镜，次镜是和主镜匹配的非球凸面反射镜；
所述的光学系统透射补偿组，由1～4片透镜组成，面型可以球面、非球面和衍射面；
所述的光学系统透射固定组，具体镜片数量，可以根据设计参数，如视场，F数确定，由多个镜片构成的红外镜头；
所述的光学系统，通过绕反射镜组中心区域旋转90°的方式，实现宽视场和窄视场的切换，在宽视场时，所述的反射切换组不切入光路中；
本发明产生的有益效果是：
本发明提出了一种新型变倍比的折反混合红外光学成像系统。
本发明由于使用反射光学系统，结构紧凑，在保证成像质量的前提下，双视场切换的光轴稳定性高，运动部件较少，避免了间隙配合误差对光学系统光轴对准的影响。
本发明具有以下优点：
1、本发明的一种变倍比的折反混合红外光学成像系统，采用反射式和透射式相结合的方式，充分发挥了反射系统大光焦度的优势，也利用了透射系统大视场的设计特点，有效减轻了系统重量，缩短了系统尺寸。
2、本发明的一种变倍比的折反混合红外光学成像系统，反射镜切换过程约束较多，能够保证长焦镜头切换中光轴稳定性。
附图说明
图1为本发明的折反混合的变倍比红外光学成像系统在长焦时的示意图。图1标号说明：1-反射切换镜组，处于长焦工作状态；2-透射补偿镜组；3-透射固定镜组；4-红外探测器组件。
图2为本发明的折反混合的变倍比红外光学成像系统在短焦时的示意图。图2标号说明：2-透射补偿镜组、3-透射固定镜组、4-红外探测器组件、5-反射切换镜组，此时，系统处于短焦工作状态，相对长焦工作状态反射切换镜组，绕其中心旋转了90°。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，结合附图和具体实施方式做以详细说明说明。
参见图1：本发明提供的一种新型变倍比的折反混合红外光学成像系统，从物方到像方依次包括反射切换组1、透射补偿组2、透射固定组3和红外探测器4。
图1是光学系统长焦窄视场的工作状态，物方光线经过主镜5反射，汇聚到次反射镜6，光线在透射补偿组2前汇聚，形成一次像面。并经过后方透射补偿组2的补偿，再通过透射固定组3的汇聚，成像于焦面位置。
图2是光学系统短焦宽视场的工作状态，通过切换装置，将反射切换组5绕其中心区域旋转90°，移出光路。物方光线直接通过透射补偿组2和透射固定组3，进行成像，将光线汇聚于焦面的位置。
光学系统镜组材料均采用红外常用的锗、硒化锌、硅、硫化锌等材料，其大部分光学元件均可采用金刚石车床车削加工，加工精度高。
红外光学系统，反射镜组表面镀增反膜，透射镜组表面镀增透膜，以提高光学系统的透过率。
本发明提供的变倍比的折反混合红外光学成像系统，是双视场切换的光学系统，由反射镜组、补偿镜组和透射固定组构成的光路是长焦距高倍率的光学系统，使用反射式的结构缩小本段光学系统的总长，发挥反射式系统的优势。通过切换装置，将反射镜组和补偿镜组移出光路的方式，转变为仅由透射固定组构成的大视场低倍率的光学系统，通过反远距的光学结构形式拉远光学系统像面位置，与长焦距光学系统像面位置保持一致，保证在变倍过程中，不需要移动更多部件，达到变焦的目的，保证成像的清晰。
显然，上述实施方式仅为清楚地说明所做的举例，对具体的实施方式未做限定。对于不同的应用领域，技术人员可以在上述说明的基础上，做出其他不同形式的变化或改进。这里无需也无法对所有的实施方式予以论述。而由此所引申出的显而易见的变化或改进仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种新型变倍比的折反混合红外光学成像系统，其特征在于：从物方到像方依次包括反射切换组(1)、透射补偿组(2)、透射固定组(3)和红外焦平面探测器(4)；其中，
光学系统长焦窄视场的工作状态时，物方光线经过主镜(5)反射，汇聚到次反射镜(6)，光线在透射补偿组(2)前汇聚，形成一次像面，并经过后方透射补偿组(2)的补偿，再通过透射固定组(3)，成像于焦面位置；
光学系统短焦宽视场的工作状态时，通过切换装置，将反射切换组(1)绕其中心区域旋转90°，移出光路，物方光线直接通过透射补偿组(2)和透射固定组(3)，进行成像，将光线汇聚于焦面的位置。
2.根据权利要求1所述的一种新型变倍比的折反混合红外光学成像系统，其特征在于：反射切换组(1)是同轴反射光学系统，具有一定的遮拦比，表面均为非球面，透射补偿组有1～4个镜片组成，面型可以球面、非球面和衍射面等；透射固定组由多个镜片组成，可以独立成像于焦平面处，面型可以球面、非球面和衍射面等。
3.根据权利要求1所述的一种新型变倍比的折反混合红外光学成像系统，其特征在于：光学系统镜组材料均采用红外常用的锗、硒化锌、硅、硫化锌等材料，其大部分光学元件均可采用金刚石车床车削加工，加工精度高；红外光学系统，反射镜组表面镀增反膜，透射镜组表面镀增透膜，以提高光学系统的透过率。
4.根据权利要求1所述的一种新型变倍比的折反混合红外光学成像系统，其特征在于，红外探测器为焦平面探测器(4)，制冷型和非制冷型均可。
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