一种多视场中波红外光学系统及其视场切换方法技术方案

本发明专利技术涉及前视红外成像系统领域，具体的涉及一种多视场中波红外光学系统及其视场切换方法。包括由物方至像方方向依次同轴分布在光轴上的第一弯月形正透镜、次反射镜、第一双凹负透镜、第一双凸正透镜、第一弯月形负透镜、第二弯月形负透镜、第二双凹负透镜、第二双凸正透镜、主反射镜、第二弯月形正透镜以及成像面。本发明专利技术结构简单，视场切换时间短，控制在1s以内，成像质量高，视场切换过程中光轴一致性可达到1个像素，与现有的单视场和连续变焦红外光学系统相比，更加简捷实用。

A multi field of view medium wave infrared optical system and its field of view switching method

The invention relates to the field of forward-looking infrared imaging system, in particular to a multi-field medium-wave infrared optical system and its field-of-view switching method. It includes the first meniscus positive lens, the secondary mirror, the first concave negative lens, the first double convex positive lens, the first meniscus negative lens, the second meniscus negative lens, the second double concave negative lens, the second double convex positive lens, the main mirror and the second meniscus positive lens, which are coaxially distributed on the optical axis from the object to the image direction. And imaging plane. The invention has the advantages of simple structure, short field of view switching time, controlled within 1s, high imaging quality, and one pixel optical axis consistency during field of view switching. Compared with the existing single field of view and continuous zoom infrared optical system, the invention is more simple and practical.

【技术实现步骤摘要】
一种多视场中波红外光学系统及其视场切换方法
本专利技术涉及前视红外成像系统领域，具体涉及一种多视场中波红外光学系统及其视场切换方法。
技术介绍
由于前视红外(FLIR)成像系统是被动探测，具有隐蔽性好和抗电子干扰强的特点，可以快速的获取所覆盖空域的目标信息，已被广泛应用于制导、监控及目标探测和追踪等领域。在前视红外系统中，红外光学系统是获取目标信息的第一环节，红外光学系统分为单视场、多视场、连续变焦等几种。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。连续变焦光学系统的优点是变焦过程中目标图像能够始终保持清晰，能够实现变焦范围内任意视场的变换。应用在光电跟踪瞄准系统时，系统在连续变焦过程中不会丢失跟踪目标。但是连续变焦系统结构复杂，装调难度大，变焦过程中焦距精度及光轴一致性都难保证。此外，连续变焦的变焦时间长，目前约为6s。然而，战场态势瞬息万变、战机稍纵即逝，视场切换时间过长会贻误战机。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种多视场中波红外光学系统及其视场切换方法，结构简单，视场切换时间短，控制在1s以内，成像质量高，视场切换过程中光轴一致性可达到1个像素，与现有的单视场和连续变焦红外光学系统相比，更加简捷实用。为了解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种多视场中波红外光学系统，包括由物方至像方方向依次同轴分布在光轴上的第一弯月形正透镜、次反射镜、第一双凹负透镜、第一双凸正透镜、第一弯月形负透镜、第二弯月形负透镜、第二双凹负透镜、第二双凸正透镜、主反射镜、第二弯月形正透镜以及成像面；主反射镜的镜面朝向物方方向设置，在主反射镜的中心位置开设有供光线由第二双凸正透镜至第二弯月形正透镜传播的中心孔；次反射镜的镜面朝向像方方向设置并用于将来自于主反射镜的光线朝向第一双凹负透镜反射，且次反射镜设置在一个用于将次反射镜切出或切入光轴的第一切换执行机构上；第一双凹负透镜和第一弯月形负透镜固联设置并组成变焦镜组，变焦镜组设置在一个用于带动变焦镜组沿光轴轴向移动的第二切换执行机构上；第二弯月形正透镜为调焦镜，第二弯月形正透镜设置在一个用于带动第二弯月形正透镜沿光轴轴向移动的调焦执行机构上。优选的，第一弯月形正透镜的光焦度为正，第一弯月形正透镜的有效焦距f1满足3.4f≤f1≤3.5f；次反射镜的有效焦距f2满足2.2f≤f2≤2.4f；第一双凹负透镜的光焦度为负，第一双凹负透镜的有效焦距f3满足-0.82f≤f3≤-0.8f；第一双凸正透镜的光焦度为正，第一双凸正透镜的有效焦距f4满足0.9f≤f4≤0.98f；第一弯月形负透镜的光焦度为负，第一弯月形负透镜的有效焦距f5满足-5.75f≤f5≤-5.15f；第二弯月形负透镜的光焦度为负，第二弯月形负透镜的有效焦距f6满足-4.5f≤f6≤-3.85f；第二双凹负透镜的光焦度为负，第二双凹负透镜的有效焦距f7满足-0.55f≤f7≤-0.25f；第二双凸正透镜的光焦度为正，第二双凸正透镜的有效焦距f8满足0.29f≤f8≤0.39f；主反射镜的有效焦距f9满足6.0f≤f9≤6.2f；第二弯月形正透镜的光焦度为正，第二弯月形正透镜的有效焦距f10满足0.47f≤f10≤0.55f；其中的f均代表多视场中波红外光学系统短焦时的焦距。优选的，第一双凹负透镜、第一双凸正透镜以及第二弯月形负透镜朝向像方一侧的表面均为偶次非球面；第一双凹负透镜朝向像方一侧的表面满足面型方程：，其中的c1为第一双凹负透镜朝向像方一侧表面的曲率，r1为第一双凹负透镜的垂直于光轴方向的径向坐标，k1为第一双凹负透镜朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A1为第一双凹负透镜朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B1为第一双凹负透镜朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C1为第一双凹负透镜朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D1为第一双凹负透镜朝向像方一侧表面的十阶非球面系数；第一双凸正透镜朝向像方一侧的表面满足面型方程：，其中的c2为第一双凸正透镜朝向像方一侧表面的曲率，r2为第一双凸正透镜的垂直于光轴方向的径向坐标，k2为第一双凸正透镜朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A2为第一双凸正透镜朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B2为第一双凸正透镜朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C2为第一双凸正透镜朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D2为第一双凸正透镜朝向像方一侧表面的十阶非球面系数；第二弯月形负透镜朝向像方一侧的表面满足面型方程：，其中的c3为第二弯月形负透镜朝向像方一侧表面的曲率，r3为第二弯月形负透镜的垂直于光轴方向的径向坐标，k3为第二弯月形负透镜朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A3为第二弯月形负透镜朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B3为第二弯月形负透镜朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C3为第二弯月形负透镜朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D3为第二弯月形负透镜朝向像方一侧表面的十阶非球面系数。优选的，第一弯月形负透镜朝向像方一侧的表面为衍射非球面，并满足面型方程：，其中的c4为第一弯月形负透镜朝向像方一侧表面的曲率，r4为第一弯月形负透镜的垂直于光轴方向的径向坐标，k4为第一弯月形负透镜朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A4为第一弯月形负透镜朝向像方一侧表面的四阶非球面系数，B4为第一弯月形负透镜朝向像方一侧表面的六阶非球面系数，C4为第一弯月形负透镜朝向像方一侧表面的八阶非球面系数，D4为第一弯月形负透镜朝向像方一侧表面的十阶非球面系数，HOR为第一弯月形负透镜的衍射级次，C1、C2、C3均为第一弯月形负透镜的衍射面系数，λ0为设计中心波长，n为第一弯月形负透镜的折射率，n0为空气折射率。一种多视场中波红外光学系统的视场切换方法，包括短焦成像切换、次短焦成像切换、次长焦成像切换以及长焦成像切换；短焦成像切换的方法为：将次反射镜切出光轴，将变焦镜组沿光轴的轴向移动至靠近物方的位置；次短焦成像切换的方法为：将次反射镜切出光轴，将变焦镜组沿光轴的轴向移动至物方和像方之间的位置；次长焦成像切换的方法为：将次反射镜切出光轴，将变焦镜组沿光轴的轴向移动至靠近像方的位置；长焦成像切换的方法为：将次反射镜切入光轴，将变焦镜组沿光轴的轴向移动至靠近像方的位置。有益效果1.本专利技术通过优化配置系统中各反射镜及透镜光焦度及间隔，实现了长焦焦距800mm，F#为4的红外光成像光学系统，提高了对目标的探测、识别能力，适用于高空远距离侦察。2.通过第一双凹负透镜与第一弯月形负透镜固联设置组成变焦镜组，变焦镜组在光轴上做等距、等速、同向的前后联动，以实现短焦、次短焦及次长焦焦距变化。结构简单容易制造，对控制系统的精度要求较低，克服了机械补偿系统需要复杂的凸轮结构或双丝杠的精密配合才能保证变焦过程中图像保持清晰的缺点。3.当次反射镜切入主光路后，第一弯月形正透镜不参与成像，主反射镜、次反射镜及后续透镜组成折反系统，实现了大口径、长焦化红外光学系统。4.本专利技术采用二次成像系统，其中的一次像面位于第二弯月形负透镜和第二双凹负透镜之间，二次像面位于最终的成像面上，系统视场外的杂散光不能穿过视场光阑到达像面，可有效降低杂散光对光学系统成像的影响，提高系统的信噪比。附图说明图1为本专利技术处于长焦成像状态下（本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多视场中波红外光学系统，其特征在于：包括由物方至像方方向依次同轴分布在光轴上的第一弯月形正透镜（1）、次反射镜（2）、第一双凹负透镜（3）、第一双凸正透镜（4）、第一弯月形负透镜（5）、第二弯月形负透镜（6）、第二双凹负透镜（7）、第二双凸正透镜（8）、主反射镜（9）、第二弯月形正透镜（10）以及成像面（11）；主反射镜（9）的镜面朝向物方方向设置，在主反射镜（9）的中心位置开设有供光线由第二双凸正透镜（8）至第二弯月形正透镜（10）传播的中心孔；次反射镜（2）的镜面朝向像方方向设置并用于将来自于主反射镜（9）的光线朝向第一双凹负透镜（3）反射，且次反射镜（2）设置在一个用于将次反射镜（2）切出或切入光轴的第一切换执行机构上；第一双凹负透镜（3）和第一弯月形负透镜（5）固联设置并组成变焦镜组，变焦镜组设置在一个用于带动变焦镜组沿光轴轴向移动的第二切换执行机构上；第二弯月形正透镜（10）为调焦镜，第二弯月形正透镜（10）设置在一个用于带动第二弯月形正透镜（10）沿光轴轴向移动的调焦执行机构上。

【技术特征摘要】
1.一种多视场中波红外光学系统，其特征在于：包括由物方至像方方向依次同轴分布在光轴上的第一弯月形正透镜（1）、次反射镜（2）、第一双凹负透镜（3）、第一双凸正透镜（4）、第一弯月形负透镜（5）、第二弯月形负透镜（6）、第二双凹负透镜（7）、第二双凸正透镜（8）、主反射镜（9）、第二弯月形正透镜（10）以及成像面（11）；主反射镜（9）的镜面朝向物方方向设置，在主反射镜（9）的中心位置开设有供光线由第二双凸正透镜（8）至第二弯月形正透镜（10）传播的中心孔；次反射镜（2）的镜面朝向像方方向设置并用于将来自于主反射镜（9）的光线朝向第一双凹负透镜（3）反射，且次反射镜（2）设置在一个用于将次反射镜（2）切出或切入光轴的第一切换执行机构上；第一双凹负透镜（3）和第一弯月形负透镜（5）固联设置并组成变焦镜组，变焦镜组设置在一个用于带动变焦镜组沿光轴轴向移动的第二切换执行机构上；第二弯月形正透镜（10）为调焦镜，第二弯月形正透镜（10）设置在一个用于带动第二弯月形正透镜（10）沿光轴轴向移动的调焦执行机构上。2.根据权利要求1所述的一种多视场中波红外光学系统，其特征在于：第一弯月形正透镜（1）的光焦度为正，第一弯月形正透镜（1）的有效焦距f1满足3.4f≤f1≤3.5f；次反射镜（2）的有效焦距f2满足2.2f≤f2≤2.4f；第一双凹负透镜（3）的光焦度为负，第一双凹负透镜（3）的有效焦距f3满足-0.82f≤f3≤-0.8f；第一双凸正透镜（4）的光焦度为正，第一双凸正透镜（4）的有效焦距f4满足0.9f≤f4≤0.98f；第一弯月形负透镜（5）的光焦度为负，第一弯月形负透镜（5）的有效焦距f5满足-5.75f≤f5≤-5.15f；第二弯月形负透镜（6）的光焦度为负，第二弯月形负透镜（6）的有效焦距f6满足-4.5f≤f6≤-3.85f；第二双凹负透镜（7）的光焦度为负，第二双凹负透镜（7）的有效焦距f7满足-0.55f≤f7≤-0.25f；第二双凸正透镜（8）的光焦度为正，第二双凸正透镜（8）的有效焦距f8满足0.29f≤f8≤0.39f；主反射镜（9）的有效焦距f9满足6.0f≤f9≤6.2f；第二弯月形正透镜（10）的光焦度为正，第二弯月形正透镜（10）的有效焦距f10满足0.47f≤f10≤0.55f；其中的f均代表多视场中波红外光学系统短焦时的焦距。3.根据权利要求1所述的一种多视场中波红外光学系统，其特征在于：第一双凹负透镜（3）、第一双凸正透镜（4）以及第二弯月形负透镜（6）朝向像方一侧的表面均为偶次非球面；第一双凹负透镜（3）朝向像方一侧的表面满足面型方程：，其中的c1为第一双凹负透镜（3）朝向像方一侧表面的曲率，r1为第一双凹负透镜（3）的垂直于光轴方向的径向坐标，k1为第一双凹负透镜（3）朝向像方一侧表面的二次曲线常数，A1为第一双凹负透镜（3...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴海清，李同海，赵新亮，谈大伟，李泽宇，
申请(专利权)人：凯迈洛阳测控有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41