一种非制冷双视场红外光学系统及应用该系统的光学镜头技术方案

针对现有技术中的非制冷双视场光学系统镜片数量多、切换复杂、对系统装配误差要求高等问题，本实用新型专利技术提供一种非制冷双视场红外光学系统及应用该系统的光学镜头，包括从物方至像方依次同轴设置的前固定会聚透镜组、移动变倍透镜组、后固定会聚透镜组、探测器保护玻璃和用于成像的成像探测器焦平面，所述的移动变倍透镜组在前固定会聚透镜组和后固定会聚透镜组之间移动从而进行双视场切换，其技术方案在于：所述的后固定会聚透镜组由依次设置的弯月形正透镜II和弯月形正透镜III组成。本实用新型专利技术透镜数量少，光能利用率高，双视场成像清晰，各透镜光焦度及表面曲率的合理配置降低系统误差敏感度、提高装配效率、降低生产成本。

Uncooled dual field of view infrared optical system and optical lens applied to the system

Based on the existing technology in the number of uncooled dual FOV optical system lens, switching to higher requirements, complex assembly system error, the utility model provides an uncooled optical lens and dual field of view infrared optical system and the application of the system, including the object space to the image set Fang Yi coaxial fixed front converging lens, mobile the zoom lens group, after fixed convergence protective glass lens group, and detector for imaging detector focal plane imaging, moving the zoom lens group before converging lens group and fixed fixed lens group between the moving and dual field switching, the technical scheme is: the fixed lens a group of meniscus arranged positive lens II and meniscus lens is III. The utility model has the advantages of small number of lens, high utilization rate of light energy, clear imaging of double field of view, reasonable configuration of the focal plane diopter and surface curvature of the lenses, and the system error sensitivity, the assembly efficiency and the production cost are reduced.

【技术实现步骤摘要】
一种非制冷双视场红外光学系统及应用该系统的光学镜头
本技术涉及非制冷双视场红外光学系统及应用该系统的光学镜头，属于光学领域。
技术介绍
红外成像系统具有全天候工作、无需辅助照明、隐蔽性好、环境适应性好等优点，在告警、侦察和制导等军事领域和民用工程中得到了广泛应用。随着技术的发展进步，非制冷红外系统的像元尺寸不断减小、灵敏度不断提高，而其价格却逐步降低。此外，因其不需要制冷机，系统可靠性好、能够实现小型化，所以越来越广泛应用于安防监控、车载等领域。红外变焦系统有分档变焦和连续变焦两种，由于连续变焦系统所需透镜片数过多，会导致系统透射比下降，且系统质量较大。此外，为保持系统在连续变焦过程中始终保持清晰成像，对伺服控制系统的精度要求高。因此，在某些特殊情况下，常使用两档变焦系统来代替连续变焦系统。与连续变焦红外光学系统相比，两档或多档变焦红外光学系统具有结构更加简捷、透过率高、系统装调难度低、视场切换时间短、伺服控制容易等优点。在现代军事中，红外双视场变焦光学系统已被广泛应用于制导、监控、红外前视系统、目标探测和追踪等领域；在民用方面，红外双视场变焦光学系统可用于照相、空间遥感等领域。双视场光学系统一般有两种变焦方式：变倍组移入移出切换式变换视场、变倍组沿光轴方向平行移动式变视场。切换式光学系统由于透镜组的切入、切出需要较大的空间，因而光学系统的横向尺寸较大，而且多次的透镜组切入、切出易使两个视场光轴的一致性变差。而轴向移动式移动元件少、质量轻，且无需另设调焦机构即可同时实现变焦和精密调焦的功能。中国专利CN201510388632.4及CN201610789592.9均为切换式非制冷双视场光学系统，由于需要透镜进行切入和切出，光学系统的横向尺寸较大，不利于实现系统小型化。中国专利CN201310661268.5介绍了一种双视场长波红外光学被动消热差光学系统，该系统由7片透镜组成，实现50/150两档变焦，系统总长240mm；中国专利CN201210339814.9、CN201320153758.x、CN201410057627.0均为5片透镜双视场光学系统。由于光学系统的T数为F#为光学系统F数(焦距与口径之比)，τ为光学系统的总透过率。可见要减小光学系统的T值就要提高光学系统的总透过率，因此，减少系统的透镜数量具有重要意义，较多的透镜数量不利于提高光能利用率。中国专利CN201620521779.6及CN201620524144.1介绍了轴向移动式的双视场光学系统，系统均由4片透镜组成，光学系统在像元为17μm的红外探测器所对应空间频率为30lp/mm时的传递函数低、成像质量不佳、光学分辨率不高；此外系统在变倍组透镜中使用了衍射面透镜，由于衍射面对系统的装调精度要求高，变倍组在运动过程中的定位误差会降低系统的成像质量。因此，该系统装配效率低、生产成本高。申请号为201010516394.8的中国专利申请公开了一种非制冷双视场红外光学系统，该系统实现56.7mm/114.3mm两档变焦，光学总长达232mm，光学系统太长，不利于实现成像系统的小型化、轻量化。该系统适配像元为25μm的探测器，目前主流红外探测器的像元为17μm以下，分辨率不能满足现行探测器。此外，由于其透镜数量多，导致中光学系统透过率低，不利于提高光能利用率。
技术实现思路
针对现有技术中的非制冷双视场光学系统镜片数量多、切换复杂、对系统装配误差要求高等问题，本技术提供一种非制冷双视场红外光学系统及应用该系统的光学镜头。所述的一种非制冷双视场红外光学系统，包括从物方至像方依次同轴设置的前固定会聚透镜组、移动变倍透镜组、后固定会聚透镜组、探测器保护玻璃和用于成像的成像探测器焦平面，所述的移动变倍透镜组在前固定会聚透镜组和后固定会聚透镜组之间移动从而进行双视场切换，其中，前固定会聚透镜组包括弯月形正透镜I，移动变倍透镜组包括双凹负透镜，其技术方案在于：所述的后固定会聚透镜组由依次设置的弯月形正透镜II和弯月形正透镜III组成。优选的，所述的移动变倍透镜组沿着光轴方向移动导程d满足：53mm≤d≤59mm。优选的，所述的弯月形正透镜I、双凹负透镜、弯月形正透镜II和弯月形正透镜III的材质为单晶锗。进一步的，所述的弯月形正透镜I满足以下条件：1.2≤f1/f≤1.6，其中f为由前固定会聚透镜组、移动变倍透镜组和后固定会聚透镜组组成的光学系统在长焦状态下的焦距、f1为弯月形正透镜I的有效焦距；所述的双凹负透镜满足以下条件：-0.45≤f2/f≤-0.34，其中f为由前固定会聚透镜组、移动变倍透镜组和后固定会聚透镜组组成的光学系统在长焦状态下的焦距、f2为双凹负透镜的有效焦距；所述的弯月形正透镜II满足以下条件：0.4≤f3/f≤0.5，其中f为由前固定会聚透镜组、移动变倍透镜组和后固定会聚透镜组组成的光学系统在长焦状态下的焦距、f3为弯月形正透镜II的有效焦距；所述的弯月形正透镜III满足以下条件：0.42≤f4/f≤0.55，其中f为由前固定会聚透镜组、移动变倍透镜组和后固定会聚透镜组组成的光学系统在长焦状态下的焦距、f4为弯月形正透镜III的有效焦距。进一步的，所述弯月形正透镜I与所述弯月形正透镜II之间轴距为T13，所述弯月形正透镜II与所述弯月形正透镜III之间轴距为T34，所述弯月形正透镜II于光轴上的厚度为CT3，满足以下条件：22≤(T13+T34)/CT3≤23.5。进一步的，所述的弯月形正透镜I的后表面采用偶次非球面，满足方程：其中c为曲率，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数、D为十阶非球面系数。进一步的，所述的弯月形正透镜III的前表面采用衍射非球面，满足方程：其中c为曲率，r为垂直光轴方向的径向坐标，k为二次曲线常数，A为四阶非球面系数、B六阶非球面系数、C为八阶非球面系数、D为十阶非球面系数；HOR为衍射级次，C1、C2、C3为衍射面系数，λ0为设计中心波长；n为弯月形正透镜III的折射率，n0为空气折射率。进一步的，所述的由前固定会聚透镜组、移动变倍透镜组和后固定会聚透镜组组成的光学系统实现的技术参数为：工作波段：8μm～12μm；F#：1；焦距：25mm/100mm两档；光学长度：≤150mm；像面直径：Φ14mm；其中，F#为光学系统的焦距/光学系统入射光瞳直径。一种应用上述一种双视场非制冷红外光学系统的光学镜头，其技术方案是：所述的光学镜头的光学长度TTL与由前固定会聚透镜组、移动变倍透镜组和后固定会聚透镜组组成的光学系统在长焦状态的焦距f满足以下条件：TTL/f≤1.5。本技术的有益效果是：本技术透镜数量少，光能利用率高，双视场成像清晰；利用单晶锗材料的折射率大于4、具有很高的阿贝数、色散小的光学特性来减小像差，降低光学系统的设计难度、提高成像质量。在系统的短焦和长焦位置，利用双凹负透镜微小的位移来对系统进行调焦，实现光学系统对不同距离目标的清晰成像，无需另设调焦机构。各透镜光焦度及表面曲率的合理配置降低系统误差敏感度、提高装配效率、降低生产成本。附图说明图1为光学系统光路图。图2为实施例I的光学系统在短焦状态光路图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非制冷双视场红外光学系统，包括从物方至像方依次同轴设置的前固定会聚透镜组(7)、移动变倍透镜组(8)、后固定会聚透镜组(9)、探测器保护玻璃(5)和用于成像的成像探测器焦平面(6)，所述的移动变倍透镜组在前固定会聚透镜组和后固定会聚透镜组之间移动从而进行双视场切换，其中，前固定会聚透镜组(7)包括弯月形正透镜I(1)，移动变倍透镜组(8)包括双凹负透镜(2)，其特征在于：所述的后固定会聚透镜组(9)由依次设置的弯月形正透镜II(3)和弯月形正透镜III(4)组成。

【技术特征摘要】
1.一种非制冷双视场红外光学系统，包括从物方至像方依次同轴设置的前固定会聚透镜组(7)、移动变倍透镜组(8)、后固定会聚透镜组(9)、探测器保护玻璃(5)和用于成像的成像探测器焦平面(6)，所述的移动变倍透镜组在前固定会聚透镜组和后固定会聚透镜组之间移动从而进行双视场切换，其中，前固定会聚透镜组(7)包括弯月形正透镜I(1)，移动变倍透镜组(8)包括双凹负透镜(2)，其特征在于：所述的后固定会聚透镜组(9)由依次设置的弯月形正透镜II(3)和弯月形正透镜III(4)组成。2.根据权利要求1所述的一种非制冷双视场红外光学系统，其特征是：所述的移动变倍透镜组(8)沿着光轴方向移动导程d满足：53mm≤d≤59mm。3.根据权利要求1所述的一种非制冷双视场红外光学系统，其特征是：所述的弯月形正透镜I(1)、双凹负透镜(2)、弯月形正透镜II(3)和弯月形正透镜III(4)的材质为单晶锗。4.根据权利要求1所述的一种非制冷双视场红外光学系统，其特征是：所述的弯月形正透镜I(1)满足以下条件：1.2≤f1/f≤1.6，其中f为由前固定会聚透镜组(7)、移动变倍透镜组(8)和后固定会聚透镜组(9)组成的光学系统在长焦状态下的焦距、f1为弯月形正透镜I(1)的有效焦距；所述的双凹负透镜(2)满足以下条件：-0.45≤f2/f≤-0.34，其中f为由前固定会聚透镜组(7)、移动变倍透镜组(8)和后固定会聚透镜组(9)组成的光学系统在长焦状态下的焦距、f2为双凹负透镜(2)的有效焦距；所述的弯月形正透镜II(3)满足以下条件：0.4≤f3/f≤0.5，其中f为由前固定会聚透镜组(7)、移动变倍透镜组(8)和后固定会聚透镜组(9)组成的光学系统在长焦状态下的焦距、f3为弯月形正透镜II(3)的有效焦距；所述的弯月形正透镜III(4)满足以下条件：0.42≤f4/f≤0.55，其中f为由前固定会聚透镜组(7)、移动变倍透镜组(8)和后固定会聚透镜组(9)组成的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志广，王宗俐，吴海清，李同海，谈大伟，
申请(专利权)人：凯迈洛阳测控有限公司，
类型：新型
国别省市：河南,41