本發(fā)明涉及紅外光學系統(tǒng)，特別涉及一種具有雙孔徑三檔變焦的中波紅外光學系統(tǒng)。

背景技術：

近年來，隨著紅外光學技術的長足發(fā)展及其應用范圍的不斷擴展，對紅外變焦光學系統(tǒng)的需求日益增強。紅外變焦光學系統(tǒng)能實現(xiàn)焦距在一定范圍內的改變，而在各焦距位置像面穩(wěn)定并且保持良好的像質，從而實現(xiàn)像面景物的大小可變，產生定焦鏡頭無法達到的良好的視覺效果，可以達到大視場搜索目標，小視場仔細觀察目標的目的，在軍用和民用領域有著廣闊的應用。

光電裝備對紅外變焦光學系統(tǒng)的要求是要實現(xiàn)更大的視場和更大的變倍比。在制冷型紅外變倍光學系統(tǒng)中，短焦（大視場）的焦距若太短，光線在前兩片透鏡上折轉角度就會很小，導致其冷反射很難控制，強行控制冷反射往往導致像質很差、像差平衡優(yōu)化設計失敗。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種具有雙孔徑三檔變焦的中波紅外光學系統(tǒng)，可用于制冷式中波紅外焦平面探測器。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種中波紅外光學系統(tǒng)，從物方到像方順序安裝的裝置包括雙孔徑物鏡組、變焦組、調焦鏡組、反射鏡組和二次成像后組；所述的雙孔徑物鏡組由主物鏡組透鏡一、主物鏡組透鏡二、短焦主物鏡組透鏡一、短焦主物鏡組透鏡二、短焦折轉反射鏡和短焦固定透鏡組成；所述的變焦組由可繞旋轉中心旋轉的短焦變倍反射鏡、短焦變倍透鏡、中焦變倍透鏡一、中焦變倍透鏡二組成；所述的調焦鏡組為可前后移動的調焦鏡；所述的反射鏡組由可將光路折疊180°的反射鏡一和反射鏡二組成；所述的二次成像后組由后組透鏡一、后組透鏡二和后組透鏡三組成，用于將一次像面再次成像于像面上。

所述的一種中波紅外光學系統(tǒng)，其短焦折轉反射鏡在光路中與光軸成45°角安裝，將光路折轉90°，短焦變倍反射鏡旋入光路中時，在光路中相對于短焦折轉反射鏡成180°，再次將光路折轉90°，最終將短焦光路平移一定距離后進入主光路中。

所述的一種中波紅外光學系統(tǒng)，其反射鏡一在光路中與光軸成45°角安裝，將光路折轉90°，反射鏡二在光路中相對于第一反射鏡成90°角安裝，再次將光路折轉90°。

所述的一種中波紅外光學系統(tǒng)，其主物鏡組透鏡一、主物鏡組透鏡二、短焦主物鏡組透鏡一、短焦主物鏡組透鏡二、短焦固定透鏡、短焦變倍透鏡、中焦變倍透鏡一、中焦變倍透鏡二、調焦鏡、后組透鏡一、后組透鏡二、后組透鏡三的光焦度分別為正、負、負、正、正、正、負、正、負、負、正、正。

所述的一種中波紅外光學系統(tǒng)，其正透鏡均采用硅材料，所述的負透鏡均采用鍺材料。

所述的一種中波紅外光學系統(tǒng)，其主物鏡組透鏡一、短焦主物鏡組透鏡二、短焦固定透鏡、短焦變倍透鏡、中焦變倍透鏡二、調焦鏡、后組透鏡一、后組透鏡二、后組透鏡三為球面透鏡。

所述的一種中波紅外光學系統(tǒng)，其主物鏡組透鏡二、短焦主物鏡組透鏡一、中焦變倍透鏡一為非球面透鏡。

本發(fā)明的有益效果是：

1，控制了冷發(fā)射：短焦與長焦的主物鏡透鏡組不共用，短焦和長焦分為兩個孔徑的這一模式完全不同于傳統(tǒng)的變焦光學系統(tǒng)結構，能夠在滿足高成像質量的同時實現(xiàn)對冷反射的較好控制；

2，實現(xiàn)三檔焦距切換：通過在長焦會聚光路中轉入一組反射鏡和透鏡的組合，實現(xiàn)長焦和短焦焦距的切換，通過在長焦會聚光路中轉入一組透鏡和透鏡的組合，實現(xiàn)長焦和中焦焦距的切換；

3，變焦時間快，運動機構可靠性高：采用旋轉兩組光學元件的方式，變焦機構可采用軸承滾動摩擦運動，變焦阻力小，變焦時間快，不易卡滯，可靠性高；

4，成像質量好：采用了非球面及多種紅外光學材料的組合搭配，像差校正良好，各焦距成像清晰銳利；

5，適裝性好：采用反射鏡折疊光路縮短了光學系統(tǒng)的總長，采用二次成像縮小了物鏡口徑。

附圖說明

圖1是本發(fā)明光學系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明光學系統(tǒng)調節(jié)到短焦時的結構示意圖；

圖3是本發(fā)明光學系統(tǒng)調節(jié)到中焦時的結構示意圖；

圖4是本發(fā)明光學系統(tǒng)調節(jié)到長焦時的結構示意圖；

圖5是本發(fā)明光學系統(tǒng)調節(jié)到短焦時的成像傳函圖；

圖6是本發(fā)明光學系統(tǒng)調節(jié)到中焦時的成像傳函圖；

圖7是本發(fā)明光學系統(tǒng)調節(jié)到長焦時的成像傳函圖。

各附圖標記為：1—主物鏡組透鏡一，2—主物鏡組透鏡二，3—短焦主物鏡組透鏡一，4—短焦主物鏡組透鏡二，5—短焦折轉反射鏡，6—短焦固定透鏡，7—短焦變倍反射鏡，8—短焦變倍透鏡，9—中焦變倍透鏡一，10—中焦變倍透鏡二，11—調焦鏡，12—反射鏡一，13—后組透鏡一，14—后組透鏡二，15—反射鏡二，16—后組透鏡三。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

參照圖1所示，本發(fā)明公開了一種雙孔徑三檔變焦中波紅外光學系統(tǒng)，系統(tǒng)光圈f為4.0，波段為3～5μm，焦距為短焦18mm、中焦62.5mm、長焦250mm三檔，從物方到像方順序安裝的裝置包括雙孔徑物鏡組、變焦組、調焦鏡組、反射鏡組和二次成像后組。

所述的雙孔徑物鏡組由主物鏡組透鏡一1、主物鏡組透鏡二2、短焦主物鏡組透鏡一3、短焦主物鏡組透鏡二4、短焦折轉反射鏡5和短焦固定透鏡6組成，短焦與長焦、中焦的主物鏡組不共用，分為兩個孔徑。

所述的變焦組由短焦變倍反射鏡7、短焦變倍透鏡8、中焦變倍透鏡一9、中焦變倍透鏡二10組成，短焦變倍反射鏡7和短焦變倍透鏡8、中焦變倍透鏡一9和中焦變倍透鏡二10可繞旋轉中心旋轉實現(xiàn)三檔焦距變化；短焦折轉反射鏡5在短焦光路中與光軸成45°角安裝，用于將光路折轉90°，短焦變倍反射鏡7旋入光路中時，在光路中相對于短焦折轉反射鏡5成180°，用于再次將光路折轉90°，最終將短焦光路平移一定距離后進入主光路中。

所述的調焦鏡組為可前后移動的調焦鏡11，實現(xiàn)近距離成像和高低溫下像面漂移的補償。

所述的反射鏡組由反射鏡一12和反射鏡二15組成，可將光路折疊180°；反射鏡一12在光路中與光軸成45°角安裝，用于將光路折轉90°，反射鏡二15在光路中相對于第一反射鏡12成90°角安裝，用于再次將光路折轉90°。最終將光路折轉180°。

所述的二次成像后組由后組透鏡一13、后組透鏡二14和后組透鏡三16組成，二次成像后組用于將一次像面再次成像于像面即探測器的靶面上；系統(tǒng)的孔徑光闌設置在探測器冷光闌位置處，滿足100%冷光闌效率要求，避免鏡筒等熱背景產生的雜散光進入探測器，提高輸出圖像的信噪比。

本光學系統(tǒng)中主物鏡組透鏡一1、主物鏡組透鏡二2、短焦主物鏡組透鏡一3、短焦主物鏡組透鏡二4、短焦固定透鏡6、短焦變倍透鏡8、中焦變倍透鏡一9、中焦變倍透鏡二10、調焦鏡11、后組透鏡一13、后組透鏡二14和后組透鏡三16各為一片，共有12片透鏡；短焦折轉反射鏡5、短焦變倍反射鏡7、反射鏡一12和反射鏡二15各為一片，共4片反射鏡。

所述的主物鏡組透鏡一1、主物鏡組透鏡二2、短焦主物鏡組透鏡一3、短焦主物鏡組透鏡二4、短焦固定透鏡6、短焦變倍透鏡8、中焦變倍透鏡一9、中焦變倍透鏡二10、調焦鏡11、后組透鏡一13、后組透鏡二14、后組透鏡三16的光焦度分別為正、負、負、正、正、正、負、正、負、負、正、正；正透鏡均采用硅材料，負透鏡均采用鍺材料；所述的主物鏡組透鏡一1、短焦主物鏡組透鏡二4、短焦固定透鏡6、短焦變倍透鏡8、中焦變倍透鏡二10、調焦鏡11、后組透鏡一13、后組透鏡二14、后組透鏡三16為球面透鏡；所述的主物鏡組透鏡二2、短焦主物鏡組透鏡一3、中焦變倍透鏡一9為非球面透鏡。

本光學系統(tǒng)實現(xiàn)了f18mm、f62.5mm和f250mm三檔變焦，為了規(guī)避短焦的冷反射，采用雙孔徑方式，即短焦和長焦分為兩個孔徑，短焦與長焦的主物鏡組不共用，只共用后端光學系統(tǒng)部分，能夠實現(xiàn)對冷反射的較好控制，視場切換（變焦）方式是在長焦端切入一個反射鏡和一個透鏡的方式切換到短焦，仍然采用類似翻轉變倍的機構實現(xiàn)變倍，充分利用現(xiàn)有成熟結構形式，減小變倍機構的復雜程度；規(guī)避了對冷反射的控制難度，能夠實現(xiàn)對更大視場的優(yōu)化設計。

翻轉式變倍系統(tǒng)能夠實現(xiàn)快速變焦，滿足變焦時間要求，結構尺寸能夠做得更緊湊，另外由于長焦是空檔，可以提高透過率，提高發(fā)現(xiàn)識別目標的能力。但在設計時要保證變倍組在長焦端不能遮擋光路。

本光學系統(tǒng)根據制冷式紅外光學系統(tǒng)的特點，采用二次成像的光學系統(tǒng)結構形式。這種結構形式的透鏡口徑較小，并保證達到100％冷光闌效率；整個光學系統(tǒng)分為前組和后組兩部分，變倍功能在第一成像組件中實現(xiàn)；一次成像的前組完成變焦功能，調焦功能設置在一次成像的前組上，并補償環(huán)境溫度變化引起的像面位移。

本光學系統(tǒng)采用反射鏡折疊光路，壓縮光學系統(tǒng)的總長，減小體積，提高適裝性，可以采用非球面等特殊面形提高像質，本光學系統(tǒng)采用了硅、鍺兩種材料和非球面設計，實現(xiàn)像差的良好校正，保證了成像質量。

如圖2、圖5所示，物方光線通過主物鏡組透鏡一1、主物鏡組透鏡二2、中焦變倍透鏡一9、中焦變倍透鏡二10和調焦鏡11成像于反射鏡一12和后組透鏡一13之間，短焦變倍反射鏡7和短焦變倍透鏡8旋入光路中、中焦變倍透鏡一9和中焦變倍透鏡二10旋出光路，此時為短焦，物方光線通過短焦主物鏡組透鏡一3、短焦主物鏡組透鏡二4、短焦折轉反射鏡5、短焦固定透鏡6、短焦變倍反射鏡7、短焦變倍透鏡8和調焦鏡11成像于反射鏡一12和后組透鏡一13之間。

如圖3、圖6所示，物方光線通過主物鏡組透鏡一1、主物鏡組透鏡二2、中焦變倍透鏡一9、中焦變倍透鏡二10和調焦鏡11成像于反射鏡一12和后組透鏡一13之間，中焦變倍透鏡一9和中焦變倍透鏡二10旋入光路、短焦變倍反射鏡7和短焦變倍透鏡8旋出光路，此時為中焦。

如圖4、圖7所示，短焦變倍反射鏡7和短焦變倍透鏡8、中焦變倍透鏡一9和中焦變倍透鏡二10均旋出光路，此時為空擋，焦距為長焦，物方光線通過主物鏡組透鏡一1、主物鏡組透鏡二2、調焦鏡11成像于反射鏡一12和后組透鏡一13之間。

本光學系統(tǒng)通過采用雙孔徑設計技術，實現(xiàn)了焦距18/62.5/250mm的三檔可變，短焦水平視場達到了30°，擴大了設備觀察范圍；雙孔徑設計技術具有一定先進性，可擴展應用到其他需要有大視場的變焦紅外光學系統(tǒng)中，應用前景廣闊。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，以及部分運用的實施例，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。