本發(fā)明涉及非制冷雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)及應(yīng)用該系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭，屬于光學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

紅外成像系統(tǒng)具有全天候工作、無需輔助照明、隱蔽性好、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點，在告警、偵察和制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域和民用工程中得到了廣泛應(yīng)用。

隨著技術(shù)的發(fā)展進步，非制冷紅外系統(tǒng)的像元尺寸不斷減小、靈敏度不斷提高，而其價格卻逐步降低。此外，因其不需要制冷機，系統(tǒng)可靠性好、能夠?qū)崿F(xiàn)小型化，所以越來越廣泛應(yīng)用于安防監(jiān)控、車載等領(lǐng)域。

紅外變焦系統(tǒng)有分檔變焦和連續(xù)變焦兩種，由于連續(xù)變焦系統(tǒng)所需透鏡片數(shù)過多，會導(dǎo)致系統(tǒng)透射比下降，且系統(tǒng)質(zhì)量較大。此外，為保持系統(tǒng)在連續(xù)變焦過程中始終保持清晰成像，對伺服控制系統(tǒng)的精度要求高。因此，在某些特殊情況下，常使用兩檔變焦系統(tǒng)來代替連續(xù)變焦系統(tǒng)。

與連續(xù)變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)相比，兩檔或多檔變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)更加簡捷、透過率高、系統(tǒng)裝調(diào)難度低、視場切換時間短、伺服控制容易等優(yōu)點。在現(xiàn)代軍事中，紅外雙視場變焦光學(xué)系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于制導(dǎo)、監(jiān)控、紅外前視系統(tǒng)、目標(biāo)探測和追蹤等領(lǐng)域；在民用方面，紅外雙視場變焦光學(xué)系統(tǒng)可用于照相、空間遙感等領(lǐng)域。

雙視場光學(xué)系統(tǒng)一般有兩種變焦方式：變倍組移入移出切換式變換視場、變倍組沿光軸方向平行移動式變視場。切換式光學(xué)系統(tǒng)由于透鏡組的切入、切出需要較大的空間，因而光學(xué)系統(tǒng)的橫向尺寸較大，而且多次的透鏡組切入、切出易使兩個視場光軸的一致性變差。而軸向移動式移動元件少、質(zhì)量輕，且無需另設(shè)調(diào)焦機構(gòu)即可同時實現(xiàn)變焦和精密調(diào)焦的功能。

中國專利cn201510388632.4及cn201610789592.9均為切換式非制冷雙視場光學(xué)系統(tǒng)，由于需要透鏡進行切入和切出，光學(xué)系統(tǒng)的橫向尺寸較大，不利于實現(xiàn)系統(tǒng)小型化。

中國專利cn201310661268.5介紹了一種雙視場長波紅外光學(xué)被動消熱差光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由7片透鏡組成，實現(xiàn)50/150兩檔變焦，系統(tǒng)總長240mm；中國專利cn201210339814.9、cn201320153758.x、cn201410057627.0均為5片透鏡雙視場光學(xué)系統(tǒng)。由于光學(xué)系統(tǒng)的t數(shù)為f^#為光學(xué)系統(tǒng)f數(shù)(焦距與口徑之比)，τ為光學(xué)系統(tǒng)的總透過率?？梢娨獪p小光學(xué)系統(tǒng)的t值就要提高光學(xué)系統(tǒng)的總透過率，因此，減少系統(tǒng)的透鏡數(shù)量具有重要意義，較多的透鏡數(shù)量不利于提高光能利用率。

中國專利cn201620521779.6及cn201620524144.1介紹了軸向移動式的雙視場光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)均由4片透鏡組成，光學(xué)系統(tǒng)在像元為17μm的紅外探測器所對應(yīng)空間頻率為30lp/mm時的傳遞函數(shù)低、成像質(zhì)量不佳、光學(xué)分辨率不高；此外系統(tǒng)在變倍組透鏡中使用了衍射面透鏡，由于衍射面對系統(tǒng)的裝調(diào)精度要求高，變倍組在運動過程中的定位誤差會降低系統(tǒng)的成像質(zhì)量。因此，該系統(tǒng)裝配效率低、生產(chǎn)成本高。

申請?zhí)枮?01010516394.8的中國專利申請公開了一種非制冷雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)56.7mm/114.3mm兩檔變焦，光學(xué)總長達(dá)232mm，光學(xué)系統(tǒng)太長，不利于實現(xiàn)成像系統(tǒng)的小型化、輕量化。該系統(tǒng)適配像元為25μm的探測器，目前主流紅外探測器的像元為17μm以下，分辨率不能滿足現(xiàn)行探測器。此外，由于其透鏡數(shù)量多，導(dǎo)致中光學(xué)系統(tǒng)透過率低，不利于提高光能利用率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的非制冷雙視場光學(xué)系統(tǒng)鏡片數(shù)量多、切換復(fù)雜、對系統(tǒng)裝配誤差要求高等問題，本發(fā)明提供一種非制冷雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)及應(yīng)用該系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭。

所述的一種非制冷雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)，包括從物方至像方依次同軸設(shè)置的前固定會聚透鏡組、移動變倍透鏡組、后固定會聚透鏡組、探測器保護玻璃和用于成像的成像探測器焦平面，所述的移動變倍透鏡組在前固定會聚透鏡組和后固定會聚透鏡組之間移動從而進行雙視場切換，其中，前固定會聚透鏡組包括彎月形正透鏡i，移動變倍透鏡組包括雙凹負(fù)透鏡，其技術(shù)方案在于：所述的后固定會聚透鏡組由依次設(shè)置的彎月形正透鏡ii和彎月形正透鏡iii組成。

優(yōu)選的，所述的移動變倍透鏡組沿著光軸方向移動導(dǎo)程d滿足：53mm≤d≤59mm。

優(yōu)選的，所述的彎月形正透鏡i、雙凹負(fù)透鏡、彎月形正透鏡ii和彎月形正透鏡iii的材質(zhì)為單晶鍺。

進一步的，所述的彎月形正透鏡i滿足以下條件：1.2≤f1/f≤1.6，其中f為由前固定會聚透鏡組、移動變倍透鏡組和后固定會聚透鏡組組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距、f1為彎月形正透鏡i的有效焦距；

所述的雙凹負(fù)透鏡滿足以下條件：-0.45≤f2/f≤-0.34，其中f為由前固定會聚透鏡組、移動變倍透鏡組和后固定會聚透鏡組組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距、f2為雙凹負(fù)透鏡的有效焦距；

所述的彎月形正透鏡ii滿足以下條件：0.4≤f3/f≤0.5，其中f為由前固定會聚透鏡組、移動變倍透鏡組和后固定會聚透鏡組組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距、f3為彎月形正透鏡ii的有效焦距；

所述的彎月形正透鏡iii滿足以下條件：0.42≤f4/f≤0.55，其中f為由前固定會聚透鏡組、移動變倍透鏡組和后固定會聚透鏡組組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距、f4為彎月形正透鏡iii的有效焦距。

進一步的，所述彎月形正透鏡i與所述彎月形正透鏡ii之間軸距為t13，所述彎月形正透鏡ii與所述彎月形正透鏡iii之間軸距為t34，所述彎月形正透鏡ii于光軸上的厚度為ct3，滿足以下條件：22≤(t13+t34)/ct3≤23.5。

進一步的，所述的彎月形正透鏡i的后表面采用偶次非球面，滿足方程：

其中c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k為二次曲線常數(shù)，a為四階非球面系數(shù)、b六階非球面系數(shù)、c為八階非球面系數(shù)、d為十階非球面系數(shù)。

進一步的，所述的彎月形正透鏡iii的前表面采用衍射非球面，滿足方程：

其中c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k為二次曲線常數(shù)，a為四階非球面系數(shù)、b六階非球面系數(shù)、c為八階非球面系數(shù)、d為十階非球面系數(shù)；hor為衍射級次，c1、c2、c3為衍射面系數(shù)，λ0為設(shè)計中心波長；n為彎月形正透鏡iii的折射率，n0為空氣折射率。

進一步的，所述的由前固定會聚透鏡組、移動變倍透鏡組和后固定會聚透鏡組組成的光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)參數(shù)為：工作波段：8μm～12μm；f^#：1；焦距：25mm/100mm兩檔；光學(xué)長度：≤150mm；像面直徑：φ14mm；其中，f^#為光學(xué)系統(tǒng)的焦距/光學(xué)系統(tǒng)入射光瞳直徑。

一種應(yīng)用上述一種雙視場非制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭，其技術(shù)方案是：所述的光學(xué)鏡頭的光學(xué)長度ttl與由前固定會聚透鏡組、移動變倍透鏡組和后固定會聚透鏡組組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)的焦距f滿足以下條件：ttl/f≤1.5。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明透鏡數(shù)量少，光能利用率高，雙視場成像清晰；利用單晶鍺材料的折射率大于4、具有很高的阿貝數(shù)、色散小的光學(xué)特性來減小像差，降低光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計難度、提高成像質(zhì)量。在系統(tǒng)的短焦和長焦位置，利用雙凹負(fù)透鏡微小的位移來對系統(tǒng)進行調(diào)焦，實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)對不同距離目標(biāo)的清晰成像，無需另設(shè)調(diào)焦機構(gòu)。各透鏡光焦度及表面曲率的合理配置降低系統(tǒng)誤差敏感度、提高裝配效率、降低生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1為光學(xué)系統(tǒng)光路圖。

圖2為實施例i的光學(xué)系統(tǒng)在短焦?fàn)顟B(tài)光路圖。

圖3為實施例i的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)光路圖。

圖4為實施例i在短焦?fàn)顟B(tài)的傳遞函數(shù)圖。

圖5為實施例i在長焦?fàn)顟B(tài)的傳遞函數(shù)圖。

圖6為實施例i在短焦與長焦?fàn)顟B(tài)的點列圖。

圖7為實施例i在短焦?fàn)顟B(tài)場曲、畸變圖。

圖8為實施例i在長焦?fàn)顟B(tài)的場曲、畸變圖。

圖9為實施例i衍射面形狀圖。

圖10為實施例ii在短焦?fàn)顟B(tài)光路圖。

圖11為實施例ii在長焦?fàn)顟B(tài)光路圖。

圖12為實施例ii在短焦?fàn)顟B(tài)的傳遞函數(shù)圖。

圖13為實施例ii在長焦?fàn)顟B(tài)的傳遞函數(shù)圖。

圖14為實施例ii在短焦與長焦?fàn)顟B(tài)的點列圖。

圖15為實施例ii在短焦?fàn)顟B(tài)場曲、畸變圖。

圖16為實施例ii在長焦?fàn)顟B(tài)的場曲、畸變圖。

圖17為實施例ii衍射面形狀圖。

其中，1為彎月形正透鏡i，2為雙凹負(fù)透鏡，3為彎月形正透鏡ii，4為彎月形正透鏡iii，5為探測器保護玻璃，6為成像探測器焦平面，7為前固定會聚透鏡組，8為移動變倍透鏡組，9為后固定會聚透鏡組。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步的說明。

如圖1，一種雙視場非制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)，包括從物方至像方依次同軸設(shè)置的前固定會聚透鏡組7、移動變倍透鏡組8、后固定會聚透鏡組9、探測器保護玻璃5和用于成像的成像探測器焦平面6，所述的移動變倍透鏡組8在前固定會聚透鏡組7和后固定會聚透鏡組9之間移動從而進行雙視場切換，其中，前固定會聚透鏡組7包括彎月形正透鏡i1，移動變倍透鏡組8包括雙凹負(fù)透鏡2，其技術(shù)方案在于：所述的后固定會聚透鏡組9由依次設(shè)置的彎月形正透鏡ii3和彎月形正透鏡iii4組成。

優(yōu)選的，所述的移動變倍透鏡組8沿著光軸方向移動導(dǎo)程d滿足：53mm≤d≤59mm。

優(yōu)選的，所述的彎月形正透鏡i1、雙凹負(fù)透鏡2、彎月形正透鏡ii3和彎月形正透鏡iii4的材質(zhì)為單晶鍺。

進一步的，所述的彎月形正透鏡i1滿足以下條件：1.2≤f1/f≤1.6，其中f為由前固定會聚透鏡組7、移動變倍透鏡組8和后固定會聚透鏡組9組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距、f1為彎月形正透鏡i1的有效焦距；

所述的雙凹負(fù)透鏡2滿足以下條件：-0.45≤f2/f≤-0.34，其中f為由前固定會聚透鏡組7、移動變倍透鏡組8和后固定會聚透鏡組9組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距、f2為雙凹負(fù)透鏡2的有效焦距；

所述的彎月形正透鏡ii3滿足以下條件：0.4≤f3/f≤0.5，其中f為由前固定會聚透鏡組7、移動變倍透鏡組8和后固定會聚透鏡組9組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距、f3為彎月形正透鏡ii3的有效焦距；

所述的彎月形正透鏡iii4滿足以下條件：0.42≤f4/f≤0.55，其中f為由前固定會聚透鏡組7、移動變倍透鏡組8和后固定會聚透鏡組9組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距、f4為彎月形正透鏡iii4的有效焦距。

進一步的，所述彎月形正透鏡i1與所述彎月形正透鏡ii3之間軸距為t13，所述彎月形正透鏡ii3與所述彎月形正透鏡iii4之間軸距為t34，所述彎月形正透鏡ii3于光軸上的厚度為ct3，滿足以下條件：22≤(t13+t34)/ct3≤23.5。

進一步的，所述的彎月形正透鏡i1的后表面采用偶次非球面，滿足方程：

其中c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k為二次曲線常數(shù)，a為四階非球面系數(shù)、b六階非球面系數(shù)、c為八階非球面系數(shù)、d為十階非球面系數(shù)。

進一步的，所述的彎月形正透鏡ii3的前表面采用衍射非球面，滿足方程：

其中c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k為二次曲線常數(shù)，a為四階非球面系數(shù)、b六階非球面系數(shù)、c為八階非球面系數(shù)、d為十階非球面系數(shù)；hor為衍射級次，c1、c2、c3為衍射面系數(shù)，λ0為設(shè)計中心波長；n為彎月形正透鏡iii4的折射率，n0為空氣折射率。

進一步的，所述的由前固定會聚透鏡組7、移動變倍透鏡組8和后固定會聚透鏡組9組成的光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)參數(shù)為：工作波段：8μm～12μm；f^#：1；焦距：25mm/100mm兩檔；光學(xué)長度：≤150mm；像面直徑：φ14mm；其中，f^#為光學(xué)系統(tǒng)的焦距/光學(xué)系統(tǒng)入射光瞳直徑。

所述的一種應(yīng)用上述的一種雙視場非制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭，其技術(shù)方案是：光學(xué)鏡頭的光學(xué)長度ttl與f滿足以下條件：ttl/f≤1.5；其中f為由前固定會聚透鏡組7、移動變倍透鏡組8和后固定會聚透鏡組9組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距。

具體實施例i：如圖1～9，彎月形正透鏡i1與雙凹負(fù)透鏡2之間的間隔為10.77mm/69.24mm，雙凹負(fù)透鏡2與彎月形正透鏡ii3之間的間隔為60.81mm/2.33mm，彎月形正透鏡ii3與彎月形正透鏡iii4之間的間隔為46.27mm，彎月形正透鏡iii4與探測器保護玻璃5之間的間隔為8mm。

本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)：

表i：透鏡參數(shù)

表ii：非球面系數(shù)的值

彎月形正透鏡i1的后表面采用偶次非球面，根據(jù)以下公式(1)進行矢高計算，滿足方程：

其中c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k為二次曲線常數(shù)，a為四階非球面系數(shù)、b六階非球面系數(shù)、c為八階非球面系數(shù)、d為十階非球面系數(shù)。

表iii：衍射非球面系數(shù)

對彎月形正透鏡iii4的前表面采用衍射非球面，根據(jù)以下公式(2)進行矢高計算，滿足方程：

其中c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k為二次曲線常數(shù)，a為四階非球面系數(shù)、b六階非球面系數(shù)、c為八階非球面系數(shù)、d為十階非球面系數(shù)；hor為衍射級次，c1、c2、c3為衍射面系數(shù)，λ0為設(shè)計中心波長；n為彎月形正透鏡iii4折射率，n0為空氣折射率。

如圖4可知，在短焦?fàn)顟B(tài)下對應(yīng)空間頻率為30lp/mm時，系統(tǒng)傳遞函數(shù)最低為0.5，滿足設(shè)計要求。

如圖5可知，在長焦?fàn)顟B(tài)下對應(yīng)空間頻率為30lp/mm時，系統(tǒng)傳遞函數(shù)最低為0.5，滿足設(shè)計要求。

如圖6可知，本發(fā)明的系統(tǒng)點斑rms直徑均在一個像元直徑范圍內(nèi)。

如圖7可知，本發(fā)明在短焦?fàn)顟B(tài)下系統(tǒng)畸變小于4.5％，滿足設(shè)計要求。

如圖8可知，本發(fā)明在長焦?fàn)顟B(tài)下系統(tǒng)畸變小于0.5％，滿足設(shè)計要求。

如圖9可知，本發(fā)明隨著徑向坐標(biāo)的增加，衍射面的環(huán)帶密度增大。衍射面的環(huán)帶數(shù)為3，技術(shù)方案尺寸為5mm，現(xiàn)有的制作工藝能夠滿足上述衍射面的加工制作。

具體實施例ii：如圖10～17，彎月形正透鏡i1與雙凹負(fù)透鏡2之間的間隔為10.77mm/64.41mm，雙凹負(fù)透鏡2與彎月形正透鏡ii3之間的間隔為58.61mm/4.97mm，彎月形正透鏡ii3與彎月形正透鏡iii4之間的間隔為46.71mm，彎月形正透鏡iii4與探測器保護玻璃5之間的間隔為8mm。

本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)：

表iv：透鏡參數(shù)

表v：非球面參數(shù)

彎月形正透鏡i1的后表面采用偶次非球面，根據(jù)以下公式(3)進行矢高計算，滿足方程：

其中c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k為二次曲線常數(shù)，a為四階非球面系數(shù)、b六階非球面系數(shù)、c為八階非球面系數(shù)、d為十階非球面系數(shù)。

表vi：衍射面參數(shù)

彎月形正透鏡iii4的前表面采用衍射非球面，根據(jù)以下公式(4)進行矢高計算，滿足方程：

其中c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k為二次曲線常數(shù)，a為四階非球面系數(shù)、b六階非球面系數(shù)、c為八階非球面系數(shù)、d為十階非球面系數(shù)；hor為衍射級次，c1、c2、c3為衍射面系數(shù)，λ0為設(shè)計中心波長；n為彎月形正透鏡iii4折射率，n0為空氣折射率。

如圖12可知，在短焦?fàn)顟B(tài)下對應(yīng)空間頻率為30lp/mm時，系統(tǒng)傳遞函數(shù)最低為0.45，滿足設(shè)計要求。

如圖13可知，在長焦?fàn)顟B(tài)下對應(yīng)空間頻率為30lp/mm時，系統(tǒng)傳遞函數(shù)最低為0.4，滿足設(shè)計要求。

如圖14可知，本發(fā)明的系統(tǒng)點斑rms直徑均在一個像元直徑范圍內(nèi)。

如圖15可知，本發(fā)明在短焦?fàn)顟B(tài)時系統(tǒng)畸變小于5％，滿足設(shè)計要求。

如圖16可知，本發(fā)明在長焦?fàn)顟B(tài)時系統(tǒng)畸變小于0.5％，滿足設(shè)計要求。

如圖17可知，本發(fā)明隨著徑向坐標(biāo)的增加，衍射面的環(huán)帶密度增大。衍射面的環(huán)帶數(shù)為3，技術(shù)方案尺寸為5mm，現(xiàn)有的制作工藝能夠滿足上述衍射面的加工制作。

以上所述僅為發(fā)明的較佳實施例而己，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。