大相对孔径近红外共光路双视场消热差光学成像系统

摘要

本发明提出的一种大相对孔径近红外共光路双视场消热差光学成像系统，前固定镜组由物面之后排列固联的三片正、负、正透镜组成，后固定镜组依次由五片正、负、正、正、负透镜组成，前固定镜组、后固定镜组在变焦过程中固定不动；中间变倍镜组由负、正透镜胶合而成的第一胶合透镜组和第三负透镜组成；变倍镜组以固联在镜筒上的电机作为驱动源，通过齿轮－导轨机构驱动，沿光轴方向前后移动实现两档双视场变焦，并与前固定镜组和后固定镜组共同构成光学成像系统。本发明采用光学被消热差技术，在两档双视场间切换而系统总长不变，且在对同一景物成像时，在-40℃～60℃温度范围内不经调焦都具有较好的成像质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种主要用于近红外波段的消热差双视场光学成像系统。具体而言，本发明涉及一种使用双视场变焦且具有光学被动消热差功能的近红外光学成像系统。

背景技术

近红外光学成像系统可以复现可见光图像的大部分细节，且具有较好的微光夜视能力、云雾和烟雾穿透能力，相比于可见光探测具有更远的工作距离，成为未来光学成像系统的一个发展方向。而普通光学玻璃材料在近红外波段具有高的透过率，为低成本近红外光学成像系统的应用提供了极大的便利，且普通光学玻璃材料在近红外波段的温度折射率系数很小，环境温度的变化对近红外光学成像系统性能的影响主要表现在由透镜材料和连接件的热膨胀导致的透镜表面曲率半径、厚度和透镜间间隔的变化导致的热离焦。但较为恶劣的应用环境中，要求光学成像系统在-40℃～+60℃温度范围内具有好的成像质量，温度范围跨度较大，此时由透镜材料和连接件的热膨胀导致的热离焦必须加以考虑，因此大范围的温度变化对近红外光学成像系统的影响不可忽略。

现有技术中采用的近红外双视场设计主要是透射式系统，其中又包括分光路与共光路两种实现形式。分光路双视场光学成像系统可以通过分焦面或共焦面两种方法实现，分焦面的设计利用了两个不同的光学成像系统与两个不同探测器焦面集成加以实现，相当于两个光学成像系统，设计简单，但整个系统体积大，成本高，而且两个光学成像系统的同轴性很难保证；分焦面的设计则是将大小两个视场的光线通过分光元件会聚于同一焦面，通过机械或电子学的方式实现双视场切换，集成度变高，但由于采用了分光元件，系统仍具有较大的体积，且双视场调共轴较为困难。共光路双视场光学成像系统主要通过透镜单元的轴向移动与切入切出两种方式加以实现，两者都是利用了物像交换原则，前者通过移动光学成像系统光路中的某组元件，实现双视场切换，具有体积紧凑，集成度高等优点，但变倍范围较小；后者通过将某组元件移入移出光路实现双视场切换，体积较大，但可以实现更大的变倍比。

中国专利公开号CN102890335A公开了一种双视场星位标定数字镜头光学成像系统，采用共光路轴向移动式的设计型式，通过轴向移动变倍镜组组元，实现了70/200mm接近3倍的变焦比，具有较大的后工作距，且F数达1.5，系统设计波段为可见光波段，但可工作于夜间低照度条件，表明该设计可以在近红外波段工作，但该系统的10片透镜材料中共采用了9种普通光学玻璃材料，材料种类较多，且该材料组合消色差能力有限，难以应用于更宽的波段范围。另外，该系统并未实现无热化的设计。

中国专利公开号CN103676151A公开了一种近红外双视场光学成像系统，该系统采用了分光路分焦面的设计型式实现双视场成像。该系统工作波段为700nm～1100nm，共采用了14种光学零件、6种玻璃材料，长焦焦距为61mm,短焦焦距为21mm,采用电动光圈实现对系统F数的控制，具有较好的成像质量。但该系统分光路分焦面的设计使整个光学成像系统集成度低，装校复杂，不利于工程化应用，且该光学成像系统并不具备被动消热差功能。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种具有大相对孔径，且能实现双视场变焦，并能自动适应环境温度变化的近红外光学成像系统。

为了实现上述目的，本发明提供的一种近红外双视场共光路消热差光学成像系统，包括：从物面5到焦面1依次排列固联的前固定镜组4、变倍镜组3和后固定镜组2，其特征在于：所述前固定镜组4由物面之后排列固联的第一正透镜401和第一负透镜402和第二正透镜403组成，后固定镜组2依次由第三正透镜201、第四负透镜202与第四正透镜203、第二胶合镜组、第五正透镜204和第五负透镜205组成，前固定镜组4、后固定镜组2在变焦过程中固定不动；中间变倍镜组3具有负光焦度，由第二负透镜301与第三正透镜302胶合而成第一胶合透镜组和第三负透镜303组成，其中，前固定镜组4依次采用重镧火石玻璃HZLAF68B、重火石玻璃HZF88和氟冕牌玻璃HFK61三片透镜材料配对组合，后固定镜组2依次采用氟冕牌玻璃HFK61、重火石玻璃HZF88、重镧火石玻璃HZLAF68B、重镧火石玻璃HZLAF68B、重火石玻璃HZF88五片透镜材料配对组合；在长短焦位置时，光阑位置保持不变，固定于第四正透镜201靠近物面一侧；变倍镜组3依次由镧火石玻璃HLAF3B、重火石玻璃HZF88和重钡火石玻璃HZBAF50三片透镜材料组成，以固联在镜筒上的电机作为驱动源，通过齿轮－导轨机构驱动，沿光轴方向前后移动实现两档双视场变焦，在向长焦方向变化时，变倍镜组3朝向焦面1一侧运动，在向短焦变化时，变倍镜组3朝向物面5一侧直线运动实现视场及时切换，并与前固定镜组4和后固定镜组2共同构成完整的光学成像系统。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明基于光学被动消热差原理，在近红外波段(0.9μm～1.7μm)，采用物像交换原则的双视场变焦方式，在-40℃～60℃温度变化范围内，焦距能从50mm到150mm切换变化。在-40℃～60℃的温度范围内，在50mm和150mm焦距的位置时，对同一景物成像，无需调焦，所有焦距所有视场的调制传递函数MTF都能保持截止频率为34lp/mm时在0.6以上。由具有负光焦度的变倍镜组3，在变视场过程中始终在光轴上前后移动，变倍时光圈F数恒定，总长固定不变，质心变化较小，系统体积小，结构紧凑，变焦方式简单。

本发明所述系统采用的光学玻璃材料皆可由其它对应牌号或折射率色散特性相近的光学玻璃或其它特种材料替换，此时只需对本光学结构中各镜片的曲率半径、厚度、镜片间隔等进行修改，即可在高低温下获得与本发明相近或更为优良的光学性能。其中，氟冕牌玻璃HFK61可由FCD1或S-FPL51或N-PK52A代替；镧火石玻璃HLAF3B可由LAF2或S-LAM2或N-LAF2代替；重火石玻璃HZF88可由FDS18代替；重钡火石玻璃HZBAF50可由BACED5或S-BAM25或N-SSK5代替；重镧火石玻璃HZLAF68B可由TAFD30或S-LAH55或N-LASF31代替。本发明所述系统采用的光学玻璃材料也可由其它对应牌号或折射率色散特性相近的光学玻璃或其它特种材料替换。

本发明镜筒材料采用线膨胀系数为236×10^-7/K的铝合金材料，即可保证光学成像系统在-40℃～60℃的温度范围内的成像质量。当然，本设计还可以采用其它热膨胀系数更低或更高的镜筒材料，采用本光学结构对镜片的曲率半径、厚度和镜片间隔等进行修改，则可在高低温下获得与本发明相近或更为优良的光学性能。同时，由于本发明仅采用了11片透镜，整个光学成像系统具有较好的公差特性。

本发明采用与镜筒材料线膨胀系数相匹配的透镜材料组合和-40℃～60℃全温度范围内光学被动补偿的消热差方式，补偿了因镜筒材料温度变化造成的热胀冷缩而导致的离焦。

本发明通过弯曲关键表面与镀制宽波段减反膜的方法，所涉及的光学成像系统在各视场都具有较好的鬼像抑制特性。鬼像是杂散光的一种,是由成真实像的光线在工作表面经过偶数次反射产生在像面的像。对于成像光学成像系统,鬼像会增加像面上的噪声,降低像面的对比度和光学成像系统的光学传递函数。

本发明光学成像系统具有较大的后工作距离(后工作距为光学成像系统后固定镜组靠近焦面侧最后一面到焦面的距离)，在不能获得相应近红外0.9～1.7μm宽波段探测器时，在透镜205与焦面间插入相应的分光元件可对近红外0.9～1.7μm宽波段范围分焦面成像；在需要对近红外0.9～1.7μm宽波段范围分波段成像时，在透镜205与焦面间插入相应于不同成像波段的滤光片，可实现共焦面多波段的成像。

本发明适用于各类光电瞄准吊舱和转塔、军警民用监控、搜索与跟踪瞄准等用途。

附图说明

为了进一步清楚阐述本发明，下面将提供具体实施方式并与附图相结合，对本技术方案进行说明，但是不应当将其理解为对本发明的限定。

图1是本发明的近红外双视场被动消热差光学成像系统透镜模型示意图；

图2是图1的构造示意图；

图3～图4为本发明不同焦距时的示意图，其中，图3为150mm焦距，图4为50mm焦距。

图中：1焦面，2后固定镜组，3变倍镜组,4前固定镜组,5物面,201第三正透镜,202第四负透镜，203第四正透镜、204第五正透镜，205第五负透镜，301第二负透镜，302第三正透镜，303第三负透镜，401第一正透镜，402第一负透镜，403第二正透镜，

具体实施方式

参阅图1描述了近红外双视场被动消热差光学成像系统基于物像交换原则的换视场原理，光学成像系统在焦距的变化过程中系统总长不变，其中，前固定镜组4、后固定镜组2和焦面1的位置恒定；在变焦过程中，变倍镜组3在光轴上快速前后方向运动。窄视场时，变倍镜组3往靠近像面1方向一侧平移；在从窄视场向宽视场变化过程中，变倍镜组3向物面5方向一侧移动。

为消热差和色差,所述前固定镜组4依次由采用重镧火石玻璃HZLAF68B、重火石玻璃HZF88和氟冕牌玻璃HFK61三片透镜材料的三片式三分离透镜组组成，具有较小的残余波段内色差和热差。

为消热差和色差并实现双视场变焦，所述变倍镜组3具负的光焦度，且采用了线膨胀系数α_i较小且色散能力较弱的材料组合。具体而言，变倍镜组3由第二负透镜301与第三正透镜302胶合而成的第一胶合透镜组和第三负透镜303组成，以保证个变倍镜组不会引入较大的热差与色差，同时，变倍镜组3以固联在镜筒上的电机作为驱动源，通过齿轮-导轨机构驱动变倍镜组在光学成像系统光轴方向前后快速直线移动实现视场切换。

所述后固定镜组2为了平衡前边剩余的热差和色差，采用消除残余波段间色差和热差能力较强的依次由采用氟冕牌玻璃HFK61、由重火石玻璃HZF88和重镧火石玻璃HZLAF68B胶合而成的第二胶合镜组、重镧火石玻璃HZLAF68B、重火石玻璃HZF88五片式分离透镜组组成。

通过透镜材料按以上规律的配对组合，配合普铝合金镜筒的线膨胀系数α_L和长度L，并基于物像交换原则的双视场变焦结构，实现了同时消热差的共光路近红外双视场变焦的功能。

在图2所描述的近红外光学被动消热差双视场光学成像系统中，从物面5到焦面1依次排列前固定镜组4、变倍镜组3和后固定镜组2。前固定镜组4由三片间距恒定的采用重镧火石玻璃HZLAF68B的第一正透镜401、采用重火石玻璃HZF88的第一负透镜402和采用氟冕牌玻璃HFK61的第二正透镜403组成。光学成像系统分为前固定组4、变焦组3、后固定组2，其中，变焦组3具有负光焦度，由采用镧火石玻璃HLAF3B的第二负透镜301与重火石玻璃HZF88的第三正透镜302胶合而成的第一胶合透镜组和采用重钡火石玻璃HZBAF50的第三负透镜303组成，在光轴上快速前后运动，并在移动到两端位置时对应有两个视场，即两个焦距。后固定镜组2固定放置在变焦组镜3之后；由以采用氟冕牌玻璃HFK61的第三正透镜201、采用重火石玻璃HZF88的第四负透镜202与重镧火石玻璃HZLAF68B的第四正透镜203组成的第二胶合镜组、重镧火石玻璃HZLAF68B的第五正透镜204和重火石玻璃HZF88的第五负透镜205构成。前固定组4、后固定组2在变焦过程中固定不动。变倍镜组3与前固定镜组4和后固定镜组2共同构成完整的光学成像系统，光学成像系统焦距从50mm到150mm切换而系统总长不变，在对同一景物成像时，在-40℃～60℃温度范围不经调焦都具有较好的成像质量。

光学成像系统共三个镜组，此时焦距为150mm，从物面5到焦面1依次排列前固定镜组4、变倍镜组3和后固定镜组2。所述物面5之后为由第一正透镜401和第一负透镜402和第二正透镜403构成的前固定组；后固定组依次由第三正透镜201、第四负透镜202与第四正透镜203组成的第二胶合镜组、第五正透镜204和第五负透镜205组成；长短焦时系统孔径光阑固定位于第四正透镜201靠近物面一侧上，位置不变；中间变倍镜组3具有负光焦度，由第二负透镜301与第三正透镜302胶合而成的第一胶合透镜组和第三负透镜303组成，沿光轴方向前后移动实现两档双视场变焦，在向长焦变化时，变倍镜组3朝向焦面1一侧运动；在向短焦变化时，变倍镜组3朝向物面5一侧运动，运动过程为快速直线运动，实现视场及时切换。

前固定镜组4是由焦距约为130.12mm,采用采用重镧火石玻璃HZLAF68B的第一正透镜401、焦距约为-205.36mm,采用重火石玻璃HZF88的第一负透镜402和焦距约为220.65mm,采用氟冕牌玻璃HFK61的第二正透镜403组成的三片式透镜组。

变倍镜组3具有负光焦度，由焦距约为-142.62mm,采用镧火石玻璃HLAF3B的第二负透镜301与重火石玻璃HZF88的第三正透镜302胶合而成的第一胶合透镜组和焦距约为-51.64mm,采用重钡火石玻璃HZBAF50的第三负透镜303组成，。在变焦过程中始终在光轴上前后移动，在长焦150mm焦距时，第二负透镜301朝向物面一侧的面顶点距离第二正透镜403朝向焦面一侧面的顶点距离为63.33mm；在短焦50mm焦距时，第二负透镜301朝向物面一侧的面顶点距离第二正透镜403朝向焦面一侧面的顶点距离为26.88mm。

后固定镜组2由五片透镜构成，为由焦距约为66.74mm,采用氟冕牌玻璃HFK61的第三正透镜201、焦距约为103.90mm,采用重火石玻璃HZF88的第四负透镜202与重镧火石玻璃HZLAF68B的第四正透镜203组成的第二胶合镜组、焦距约为79.24mm,采用重镧火石玻璃HZLAF68B的第五正透镜204和焦距约为-89.09mm,采用重火石玻璃HZF88的第五负透镜205构成。焦面位于后固定组的第五负透镜205靠近焦面1一侧顶点距离约30.64mm处。

本发明所采用的镜筒材料为普通铝合金材料，其热膨胀系数为236×10^-7/K的普通铝合金材料，无需其它热膨胀系数更低的镜筒材料。当然，采用其它热膨胀系数更低或更高的镜筒材料，采用本光学结构对镜片的曲率半径、厚度和镜片间隔等进行修改，则可在高低温下获得与本发明相近或更为优良的光学性能。

本实施实例将该光学设计结构应用于0.9～1.7μm近红外焦平面探测器上，像元尺寸为15μm×15μm，对角线长度为12.28mm，像元数为640×512，实施实例采用光圈数F#1.4。其中，F#即为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D。

本实施例中，从前固定组靠近物面5一侧的面到像面1的总长为240mm，最大口径小于130mm，焦距范围50mm～150mm，变倍比为3×。具有较小的体积，且属于内变焦，变倍过程中质心变化不大，系统总长恒定，F数恒定。

参阅图3。图3描述了焦距为150mm的近红外双视场被动消热差光学成像系统实施例，其中，变倍镜组3由双凹透镜第二负透镜301，双凸透镜第三正透镜302，双凹透镜第三负透镜303同光轴顺次排列构成，后固定镜组2由双凸透镜第三正透镜201、凸凹透镜第四负透镜202、凸透镜第四正透镜203、凸凹透镜第五正透镜204、凹透镜第五负透镜205同光轴顺次排列构成，构成前固定镜组4由面向物面5，紧贴第一负透镜402一侧凹面的前固定组镜片401和排列在第一负透镜402另一侧凹面的弯月透镜第二正透镜403构成。

参阅图4。图4描述了焦距为50mm的近红外双视场被动消热差光学成像系统实施例，其中，从物面5到焦面1沿光轴依次排列前固定组镜片双凸透镜第一正透镜401、双凹透镜第一负透镜402和凸凹透镜第二正透镜403、变倍镜组镜片双凹透镜第二负透镜301、双凸透镜第三正透镜302、双凹透镜第三负透镜303和后固定组镜片双凸透镜第三正透镜201、凸凹透镜第四负透镜202、凸透镜第四正透镜203、凸凹透镜第五正透镜204、凹透镜第五负透镜205。长短焦时系统孔径光阑固定位于双凸透镜第四正透镜201靠近物面一侧上，位置不变；中间变倍镜组3具有负光焦度，以固联在镜筒上的电机作为驱动源，通过齿轮-导轨机构驱动镜组在光学成像系统光轴方向前后快速直线移动，实现两档双视场变焦，在向长焦变化时，变倍镜组3朝向焦面1一侧运动；在向短焦变化时，变倍镜组3朝向物面5一侧运动，运动过程为快速直线运动，实现及时切换，并与前固定镜组4和后固定镜组2共同构成完整的光学成像系统。后固定镜组(2)靠近焦面(1)侧最后一面到焦面(1)的距离为光学成像系统的后工作距,后工作距大于前固定镜组(4)靠近物面(5)一侧的面到像面(1)的距离的八分之一。工作距为光学成像系统后固定镜组靠近焦面侧最后一面到焦面的距离为30.64mm，可以保证在不能获得相应近红外0.9～1.7μm宽波段探测器时，在透镜(205)与焦面(1)之间插入相应的分光元件对近红外0.9～1.7μm波段范围进行宽波段分焦面成像；在需要对近红外0.9～1.7μm宽波段范围分波段成像时，在透镜(205)与焦面(1)之间插入对应于不同波段的滤光片，实现在近红外0.9～1.7μm宽波段范围共焦面多波段成像。

通过透镜材料按以上规律的配对组合，配合普通铝合金制镜筒的线膨胀系数α_L和长度L，并基于物像交换原则的双视场变焦结构，实现了同时消热差和色差的双视场变焦的功能。

以上利用实施实例对本发明的描述，其意图是示例性的，不对本发明的保护范围起限制作用。因此，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明所提出的权利要求范围的条件内，可对所描述的本发明进行特征替换或修改。