[发明专利]长波红外三视场光学系统

说明书

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，涉及一种长波红外三视场光学系统。

背景技术

高分辨率的红外成像系统在导航、观察、跟踪、瞄准等方面具有广泛的需求。地面目标的温度低，辐射能量小，其红外辐射多集中在红外长波波段。红外光学系统是红外成像系统的重要组成部分，用于汇聚红外辐射能量、变焦、消热、控制成像质量和把红外辐射能量聚焦到焦面上。单视场红外光学系统由于功能单一，实际使用有所限制，难以满足现代红外光学系统的发展需求。三视场红外光学系统由于具有大小不同三个视场，大视场可用于大范围搜索疑似目标，再进一步用中视场进行观察与识别，进而用小视场进行跟踪与瞄准，具有结构简单，视场切换时间短，成像质量高、简洁、实用等优点，因而在现代红外光学系统中得到广泛应用。

变焦光学系统按照其变焦过程中焦距值是否连续变化可分为两类：一类为连续变焦，另一类为非连续变焦，即断续变焦系统。红外连续变焦系统可以通过运动透镜组光学补偿线性移动或机械补偿非线性移动来实现焦距变化，且像面保持不变，但在设计、材料选择、冷屏匹配等方面都有较大的困难，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有很大难度。

目前，红外断续变焦系统通常使用的主要有两档变倍和三档变倍。红外断续变焦系统可以分成几种不同类型，第一种为切入型断续变焦系统，可以分多组以不同顺序多次切入（出）不同组件，每切入（出）一组光学组件就可以获得一次不同系统焦距变化；第二种为改变间隔型断续变焦系统，通过在光学系统中，部分光学组件沿光轴方向移动，改变光学间隔以实现系统焦距变化，但在移动过程中只能在几个特定位置上保持系统像面大小和位置不变且成像质量满足要求。

切入型断续变焦系统能实现两个或三个焦距的变化，但实现三个焦距的变化时，需要分别打入两组不同的光学部件，系统体积会增大。打入光学部件的光轴难以和原系统的光轴重合且机构较多，对光学和机构加工要求很高。通过本发明的实施仅需打入一块光学平板，可以有效地减少打入光学部件以及机构的数量，装调过程中光轴一致性的问题得到很好的解决；改变间隔型断续变焦系统可以实现三个焦距的变化，但需要移动两组以上的光学组件，且光学组件移动的行程会较长，这样会使整机的体积增大，导致重量上升。 通过本发明的实施可以有效地减少移动光学部件以及机构的数量，且行程会缩短，这样体积重量都可以得到减小。

发明内容

针对现有红外断续变焦系统的不足，本发明提供一种大变倍比长波红外三视场光学系统，该系统变焦方式新颖，切换时间短，装配调整简单，纵向尺寸紧凑，透镜组元之间空间尺寸大，透过率高，成像效果较好。

为了解决上述技术问题，本发明所述的长波红外三视场光学系统采用的技术方案是：从物方到像方依次由前固定组、变倍组、后固定组、光学平板、第一反射镜、第二反射镜和二次成像组组成，其中：

前固定组为一凸面朝向物侧的弯月形正透镜，其作用是将物方景物会聚；

变倍组由两片透镜构成，通过轴向移动变倍组可以改变光学系统的焦距，即改变变倍倍率，同时可进行调焦与温度补偿；

后固定组由两片透镜构成，其作用是将物方景物会聚成成像系统的一次实像；

光学平板的作用是当切换到大视场时，放置于后固定组的两片透镜之间，进行光路平移，保证像面稳定；

第一反射镜成45度放置于后固定组后，其作用是减小光路的横向尺寸；

第二反射镜成45度放置于二次成像组前，其作用是折转光路；光学系统的一次实像的成像位置在第一反射镜和第二反射镜之间；

二次成像组由两片透镜构成，其作用是将一次像面聚焦于二次像面，实现100%冷屏效率以及有效缩小前固定组的口径。

本发明所述的前固定组透镜的第二表面、后固定组中的第一透镜的第二表面、二次成像组中的第二透镜的第一表面均采用高次非球面。

本发明所述的长波红外三视场光学系统，其工作波段为7.7～9.5μm，F#为3，视场分别为0.96°×0.72°，6°×4.5°，27°×21°。

本发明的工作原理是：目标的辐射光线首先经过前固定组、变倍组、后固定组后汇聚，形成一次像面，再通过二次成像透镜组进行二次成像。变倍组与后固定组间隔最小时，光学系统处于小视场；变倍组沿光轴从靠近后固定组的位置向前固定组移动，实现小视场到中视场的变换；变倍组沿光轴再向前固定组移动，同时在后固定组中间切入一块光学平板，实现中视场到大视场的变换。光学系统小视场的有效焦距与大视场的有效焦距之比就是变倍比。