一種大變倍比紅外雙波段共口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大變倍比紅外雙波段共口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，由沿光軸從左到右依次設(shè)置的公共前固定組、公共變倍組、公共補(bǔ)償組、公共后固定組、用于反射長波紅外光和透射中波紅外光的分光棱鏡、分光棱鏡的反射光路上設(shè)置的長波紅外光后固定組、分光棱鏡透射光路上設(shè)置的中波紅外焦距補(bǔ)償組以及中波紅外光后固定組七部分組成。本發(fā)明在連續(xù)變焦過程中，雙波段對應(yīng)焦距差值小于其焦深，雙波段目標(biāo)信息可以由同一系統(tǒng)接收，且不需要光路切換，解決了目前雙波段系統(tǒng)面臨的難題。
【專利說明】一種大變倍比紅外雙波段共口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種大變倍比紅外雙波段共口徑共變焦 光學(xué)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著紅外熱成像技術(shù)的迅速發(fā)展和使用環(huán)境日趨復(fù)雜，對變焦成像光學(xué)系統(tǒng)的探 測范圍、探測同步性和實(shí)時(shí)性等性能提出的要求愈來愈高。相對于紅外單波段定焦、紅外單 波段定點(diǎn)變焦以及單波段小變倍比變焦光學(xué)系統(tǒng)，大變倍比雙波段甚至多波段連續(xù)變焦光 學(xué)系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢，可以擁有更多的觀察通道，在寬探測距離范圍內(nèi)有利于更迅速地 發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，能夠獲得更全面的目標(biāo)信息，還可以實(shí)現(xiàn)短焦大視場連續(xù)搜索，長焦小視場精確 觀察目標(biāo)。因此，大變倍比紅外多波段連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)成為紅外技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用的 一個(gè)重要方向。此類系統(tǒng)具備多波段寬探測范圍內(nèi)檢測目標(biāo)的本領(lǐng)，可以同時(shí)檢測不同輻 射波段的被測目標(biāo)，也能適應(yīng)煙霧干擾、晝夜交替、火山爆發(fā)等復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境。
[0003]目前國內(nèi)研究紅外雙波段變焦光學(xué)系統(tǒng)所采用的方法一般是設(shè)計(jì)出兩款單一輻 射波段光學(xué)系統(tǒng)，然后將此兩款光學(xué)系統(tǒng)通過機(jī)械結(jié)構(gòu)組裝到同一個(gè)鏡筒中，最終實(shí)現(xiàn)雙 波段變焦探測目標(biāo)的目的。此種系統(tǒng)一般通過采用雙光路切換來進(jìn)行觀測、搜索目標(biāo)，面臨 著切換時(shí)間長的問題。如果兩款單波段系統(tǒng)變倍比較大，會因?yàn)樽兘狗秶^寬和兩個(gè)系統(tǒng) 的中心波長之間的差異，導(dǎo)致光路切換后，前后時(shí)刻系統(tǒng)探測距離發(fā)生變化而引起目標(biāo)丟 失，系統(tǒng)可靠性將會降低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提出一種大變倍比紅外雙波段共 口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在連續(xù)變焦過程中，雙波段對應(yīng)焦距差值小于其焦深，雙波段 目標(biāo)信息可以由同一系統(tǒng)接收，且不需要光路切換，解決了目前雙波段系統(tǒng)面臨的難題。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：包括沿光軸方向依次設(shè)置的公 共前固定組、能夠沿軸向移動的公共變倍組、公共補(bǔ)償組、公共后固定組以及用于反射長波 紅外光、透射中波紅外光的第一分光棱鏡；第一分光棱鏡的反射光路上設(shè)置有長波紅外光 后固定組，反射光由長波非制冷接收器件成像；第一分光棱鏡的透射光路上設(shè)置有中波紅 外焦距補(bǔ)償組和中波紅外光后固定組，透射光由中波紅外非制冷接收器件成像。
[0006] 所述的公共前固定組包括沿光軸方向依次設(shè)置的第一雙彎月正透鏡和第二雙彎 月正透鏡，第二雙彎月正透鏡朝向物距面加有衍射非球面。
[0007] 所述的第一雙彎月正透鏡由AMTIRl制成，第二雙彎月正透鏡由GERMANIUM制成。
[0008] 所述的公共變倍組、公共補(bǔ)償組以及公共后固定組為沿光軸方向依次設(shè)置的第一 雙凹面負(fù)透鏡、第一雙凸面正透鏡以及第二雙凹負(fù)透鏡，第二雙凹負(fù)透鏡朝向物距面加有 非球面。
[0009] 所述的第一雙凹面負(fù)透鏡由GERMANIUM制成。第一雙凸面正透鏡由AMTIRl制成。 弟一雙彎月負(fù)透鏡由GERMANIUM制成。
[0010] 所述的長波紅外光后固定組包括沿分光棱鏡反射光路依次設(shè)置的第三雙彎月正 透鏡和第四雙彎月正透鏡；其中，第三雙彎月正透鏡朝向物距的面加有衍射面。
[0011] 所述的第三雙彎月正透鏡由GERMANIUM制成，第四雙彎月正透鏡由ZNS_BR0AD制 成。
[0012] 所述的中波紅外焦距補(bǔ)償組和中波紅外光后固定組包括沿分光棱鏡透射光路依 次設(shè)置的第五雙彎月正透鏡和第六雙彎月正透鏡；其中，第五雙彎月正透鏡朝向物距的面 加有衍射面。
[0013] 所述的第五雙彎月正透鏡由GERMANIUM制成，第六雙彎月正透鏡由ZNS_BR0AD制 成。
[0014] 所述的第一分光棱鏡由GERMANIUM制成。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0016] 1.本發(fā)明采用共口徑共變焦形式，在連續(xù)變焦過程中，隨公共變倍組以及公共補(bǔ) 償組之間的補(bǔ)償移動，保證像面穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)中波紅外和長波紅外雙波段共口徑共變焦，保持F數(shù)以及視場變化一致，且無需進(jìn)行光路轉(zhuǎn)換和重新搜索，大大減少了光學(xué)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí) 間，不易丟失目標(biāo)；
[0017] 2.本發(fā)明采用中雙波段光學(xué)系統(tǒng)在同一系統(tǒng)接收，復(fù)雜程度低，體積小，結(jié)構(gòu)緊 湊，無后續(xù)控制電路和復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，減輕成本負(fù)擔(dān)和加工難度，這對于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的緊湊 化、輕型化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義；
[0018] 3.本發(fā)明中波紅外與長波紅外雙波段對應(yīng)焦距差值控制在一個(gè)焦深范圍之內(nèi)，實(shí) 現(xiàn)了中波紅外和長波紅外雙波段共焦，以及對被測目標(biāo)同步觀測、同步跟蹤、同步測量，便 于后期圖像的融合。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明透鏡及透鏡面的示意圖。
[0021] 其中，Ll為第一雙彎月正透鏡；L2為第二雙彎月正透鏡；L3為第一雙凹面負(fù)透鏡； L4為第一雙凸面正透鏡；L5為第一雙彎月負(fù)透鏡；L6為第一組分光棱鏡；L7為第三雙彎月 正透鏡；L8為第四雙彎月正透鏡；L9為第五雙彎月正透鏡；LlO為第六雙彎月正透鏡。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0023] 本發(fā)明由沿光軸從左到右依次設(shè)置的公共前固定組、公共變倍組、公共補(bǔ)償組、公 共后固定組、用于反射長波紅外光和透射中波紅外光的分光棱鏡、分光棱鏡的反射光路上 設(shè)置的長波紅外光后固定組、分光棱鏡透射光路上設(shè)置的中波紅外焦距補(bǔ)償組以及中波紅 外光后固定組七部分組成，具體的：
[0024] 參見圖1，本發(fā)明沿光軸依次設(shè)置的公共前固定組、公共變倍組、公共補(bǔ)償組、公共 后固定組以及用于反射長波紅外光、透射中波紅外光的第一分光棱鏡L6;第一分光棱鏡L6 的反射光路上設(shè)置有長波紅外光后固定組，第一分光棱鏡L6的透射光路上設(shè)置有中波紅 外焦距補(bǔ)償組和中波紅外光后固定組。第一分光棱鏡L6由GERMANIUM制成。
[0025] 公共前固定組包括沿光軸方向依次設(shè)置的第一雙彎月正透鏡Ll和第二雙彎月 正透鏡L2,第二雙彎月正透鏡L2朝向物距面加有衍射非球面；第一雙彎月正透鏡Ll由 AMTIRl制成，第二雙彎月正透鏡L2由GERMANIUM制成。。
[0026] 公共變倍組包括沿光軸方向依次設(shè)置的第一雙凹面負(fù)透鏡L3 ;第一雙凹面負(fù)透 鏡L3由GERMANIUM制成。公共補(bǔ)償組包括第一雙凸面正透鏡L4 ;第一雙凸面正透鏡L4由 AMTIRl制成。公共后固定組包括第二雙凹負(fù)透鏡L5,第二雙凹負(fù)透鏡L5朝向物距面加有 非球面；第一雙彎月負(fù)透鏡L5由GERMANIUM制成。
[0027] 長波紅外后固定組包括分光棱鏡L6的反射光路依次設(shè)置的第三雙彎月正透鏡 L7、第四雙彎月正透鏡L8 ;其中，第三雙彎月正透鏡L7朝向物距的面加有衍射面；第三雙彎 月正透鏡L7由GERMANIUM制成，第四雙彎月正透鏡L8由ZNS_BR0AD制成。
[0028] 紅外雙波段共焦補(bǔ)償組和中波紅外后固定組包括分光棱鏡L6的透射光路依次設(shè) 置的第五雙彎月正透鏡L9、第六雙彎月正透鏡LlO;其中，第五雙彎月正透鏡L9朝向物距 的面加有衍射面；第五雙彎月正透鏡L9由GERMANIUM制成，第六雙彎月正透鏡LlO由ZNS_ BROAD制成。
[0029] 本發(fā)明的原理：
[0030] 本發(fā)明共口徑部分是由公共前固定組，公共變倍組，公共補(bǔ)償組和公共后固定組 組成，且材料均能透過中波和長波紅外，其中AMTIR1、GERMANIUM、ZNS_BR0AD三種材料物化 性能較為穩(wěn)定，有利于降低寬波段產(chǎn)生的色差。變焦形式采用機(jī)械式正組補(bǔ)償形式，變焦比 達(dá)到20X，系統(tǒng)變倍補(bǔ)償曲線光滑，雙波段共變焦。為了減輕公共部分系統(tǒng)像差負(fù)擔(dān)，所在公 共前固定組第二片透鏡朝向物距面加有衍射非球面。公共后固定組第一片透鏡朝向物距的 面加有非球面。中波紅外光后固定組第一片透鏡朝向物距的面加有衍射面。長波紅外光后 固定組第一片透鏡朝向物距的面加有衍射面。采用焦距被動補(bǔ)償法，通過加入焦距補(bǔ)償組 補(bǔ)償由波長不一致引起的焦距變化量，使雙波段的焦距差異小于焦深值。
[0031] 由于國內(nèi)目前滿足本發(fā)明的紅外雙色探測器產(chǎn)品極其缺乏，所以對本系統(tǒng)進(jìn)行分 光設(shè)置。本發(fā)明主要分為九個(gè)組元，分別為：公共前固定組、公共變倍組、公共補(bǔ)償組、公共 后固定組、一組分光棱鏡、長波紅外光后固定組、中波紅外光后固定組以及相應(yīng)的焦距補(bǔ)償 組。所述公共前固定組為兩片雙彎月正透鏡，所述公共變倍組為一片雙凹面負(fù)透鏡，所述公 共補(bǔ)償組為一片雙凸面正透鏡；所述公共后固定組為一片雙彎月負(fù)透鏡；第一組分光棱鏡 反射長波紅外光，透射中波紅外光。
[0032] 公共前固定組為兩片雙彎月正透鏡，沿光軸方向材料依次為AMTIRl和 GERMANIUM，其中第二片透鏡朝向物距面加有衍射非球面。公共變倍組為一片雙凹面負(fù)透 鏡，材料為GERMANIUM。公共補(bǔ)償組為一片雙凸面正透鏡；沿光軸方向材料為AMTIR1。公 共后固定組為一片雙彎月負(fù)透鏡；沿光軸材料為GERMANIUM，其中第一片透鏡朝向物距面 加有非球面。第一組分光棱鏡，材料為GERMANIUM。長波紅外光后固定組包括兩片雙彎月 正透鏡，沿光軸方向材料依次為GERMANIUM和ZNS_BR0AD，其中第一片雙彎月正透鏡朝向 物距的面加有衍射球面。中波紅外光后固定組包括兩片雙彎月正透鏡，沿光軸材料依次為 GERMANIUM和ZNS_BR0AD，其中第一片透鏡朝向物距的面加有衍射面。如圖2所示。
[0033] 為了更詳細(xì)說明，下面給出本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)：表1表示大變倍比 紅外雙波段共口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)（透鏡曲率、厚度、透鏡間隔及材料）；
[0034] 表1大變倍比紅外雙波段共口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

【權(quán)利要求】
1. 一種大變倍比紅外雙波段共口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：包括沿光軸方向依 次設(shè)置的公共前固定組、能夠沿軸向移動的公共變倍組、公共補(bǔ)償組、公共后固定組以及用 于反射長波紅外光、透射中波紅外光的第一分光棱鏡（L6);第一分光棱鏡（L6)的反射光路 上設(shè)置有長波紅外光后固定組，反射光由長波非制冷接收器件成像；第一分光棱鏡（L6)的 透射光路上設(shè)置有中波紅外焦距補(bǔ)償組和中波紅外光后固定組，透射光由中波紅外非制冷 接收器件成像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大變倍比紅外雙波段共口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于： 所述的公共前固定組包括沿光軸方向依次設(shè)置的第一雙彎月正透鏡（L1)和第二雙彎月正 透鏡（L2)，第二雙彎月正透鏡（L2)朝向物距面加有衍射非球面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大變倍比紅外雙波段共口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于： 所述的第一雙彎月正透鏡（L1)由AMTIR1制成，第二雙彎月正透鏡（L2)由GERMANIUM制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大變倍比紅外雙波段共口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于： 所述的公共變倍組、公共補(bǔ)償組以及公共后固定組為沿光軸方向依次設(shè)置的第一雙凹面負(fù) 透鏡（L3)、第一雙凸面正透鏡（L4)以及第二雙凹負(fù)透鏡（L5)，第二雙凹負(fù)透鏡（L5)朝向 物距面加有非球面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的大變倍比紅外雙波段共口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于： 所述的第一雙凹面負(fù)透鏡（L3)由GERMANIUM制成；第一雙凸面正透鏡（L4)由AMTIR1制 成；第一雙彎月負(fù)透鏡（L5)由GERMANIUM制成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大變倍比紅外雙波段共口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于： 所述的長波紅外光后固定組包括沿分光棱鏡（L6)反射光路依次設(shè)置的第三雙彎月正透鏡 (L7)和第四雙彎月正透鏡（L8);其中，第三雙彎月正透鏡（L7)朝向物距的面加有衍射面。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的大變倍比紅外雙波段共口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于： 所述的第三雙彎月正透鏡（L7)由GERMANIUM制成，第四雙彎月正透鏡（L8)由ZNS_BROAD 制成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大變倍比紅外雙波段共口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于： 所述的中波紅外焦距補(bǔ)償組和中波紅外光后固定組包括沿分光棱鏡（L6)透射光路依次設(shè) 置的第五雙彎月正透鏡（L9)和第六雙彎月正透鏡（L10);其中，第五雙彎月正透鏡（L9)朝 向物距的面加有衍射面。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的大變倍比紅外雙波段共口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于： 所述的第五雙彎月正透鏡（L9)由GERMANIUM制成，第六雙彎月正透鏡（L10)由ZNS_BROAD 制成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9任意一項(xiàng)所述的大變倍比紅外雙波段共口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)， 其特征在于：所述的第一分光棱鏡（L6)由GERMANIUM制成。
【文檔編號】G02B15/20GK104238099SQ201410478730
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】高明, 劉鈞, 呂宏, 米振洲 申請人:西安工業(yè)大學(xué)