一种大面阵双视场中波红外扫描光学系统的制作方法

1.本发明专利属于光学技术领域，具体涉及一种大面阵双视场中波红外扫描光学系统。


背景技术：

2.红外热成像技术具备可全天候工作、隐蔽性好、抗干扰能力强、定位精度高、图像易于观察等优点，在军事、测温、电力巡线、边界安防等领域得到了广泛应用。
3.传统红外光学系统用于稳定跟踪或者凝视监测，感知范围很小，因此需要外部信息指挥引导，这在很大程度上限制了其应用范围。如果红外光学系统能够实现连续扫描搜索，则能够极大地扩展其探测范围。
4.随着搜索与跟踪一体化的应用需求，发展了连续扫描型面阵探测器成像系统。连续扫描型面阵成像系统在积分时间内的扫描，会导致焦平面和景物之间产生相对运动，造成拖尾，使图像变得模糊。通过回摆补偿技术，可实现同时具备红外周扫搜索以及凝视跟踪功能的面阵扫描红外系统。
5.此外，光学系统焦距越长，对目标的作用距离越远，但其视场也越小。而大面阵探测器有效缓解光学系统焦距与视场之间的矛盾，从而保证红外光学系统具有足够的作用距离和全景扫描效率。
6.为了满足新的应用需求，基于面阵探测器的扫描型红外搜索跟踪系统的相关应用研究陆续被开展。
7.2017年，专利(授权公告号：cn 104932094 b)公开了一种用于面阵全景扫描的中波红外成像镜头。该镜头共有12片透镜，具有连续变焦功能，系统焦距为 27mm～450mm，可以配合320
×
256，30μm和640
×
512，15μm中波制冷红外探测器使用。该专利虽然具有搜索和跟踪两种工作模式，但是共有12片透镜，系统透过率低，且不支持大面阵红外探测器。
8.2020年，专利(授权公告号：cn 108008529 b)公开了一种翻转式中波两档红外光学系统。该光学系统共有9片透镜，系统光圈f数为2.0，工作波段为3.7～4.8μm，焦距为100mm或400mm，可以配合320
×
256，30μm和640
×
512，15μm中波制冷红外探测器使用。该专利虽然透镜数较少，系统透过率高，但不具备搜索和跟踪两种工作模式，且不支持大面阵红外探测器。
9.2020年，专利(授权公告号：cn 110749986 a)公开了一种红外连续变焦面阵扫描光学系统。该光学系统共有10片透镜，系统光圈f数为4.0，工作波段为3.7～4.8μ m，系统焦距为60mm～360mm，可以配合320
×
256，30μm和640
×
512，15μm中波制冷红外探测器使用。该专利虽然具有搜索和跟踪两种工作模式，但系统光圈f数为 4.0，远距离探测性能较差，透镜数也较多，且不支持大面阵红外探测器。
10.2020年，专利(授权公告号：cn 112114425 a)公开了一种扫描型中波红外光学系统。该光学系统共有10片透镜，系统光圈f数为2.0，工作波段为3.7～4.8μm，系统焦距为180mm，可以配合640
×
512，25μm中波制冷红外探测器使用。该专利虽然具有搜索和跟踪两
种工作模式，但为定焦系统，系统焦距也较短，且透镜数也较多。
11.由此可见，目前报道的红外面阵扫描光学系统多为定焦或者连续变焦设计，光学系统的透镜数量较多，光学透过率较低，在较大程度上限制了其远距离探测性能，且不支持大面阵红外探测器，导致扫描光学系统的扫描效率较低。


技术实现要素：

12.发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对当前光学系统的透镜数量较多，光学透过率较低，远距离探测性能不佳，且不支持大面阵红外探测器等问题，提供一种大面阵双视场中波红外扫描光学系统。
13.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大面阵双视场中波红外扫描光学系统，沿光轴方向从物方到像方依次包括第一主物镜(1)、第二次物镜(2)、第一变倍透镜(3)、第二变倍透镜(4)、折转反射镜(5)、调焦镜(6)、第一后组透镜(7)、第二后组透镜(8)、第三后组透镜(9)、扫描振镜(10)以及第四后组透镜(11)；
14.所述第一变倍透镜(3)和第二变倍透镜(4)，通过在光路上的切入、切出，用于实现光学系统的焦距切换功能；
15.所述折转反射镜(5)和扫描振镜(10)用于对光路进行折转，改变光线传播方向；
16.所述第二变倍透镜(4)的入射面(s7)为非球面加衍射面，所述调焦镜(6)的入射面(s10)、第四后组透镜(11)的出射面(s20)均为非球面，用于校正所述光学系统的像差；
17.所述光学系统的光圈f数为2.0，工作波段为3.7
‑
4.8μm，成像圆直径不小于φ20.5mm，能够配合大面阵红外探测器使用。
18.进一步地，所述第一变倍透镜(3)和第二变倍透镜(4)切出光路，光学系统为长焦工作状态，焦距为450mm；所述第一变倍透镜(3)和第二变倍透镜(4)切入光路，光学系统为短焦工作状态，焦距为150mm；通过将第一变倍透镜(3)和第二变倍透镜(4)切入、切出光路，实现双视场切换。
19.更进一步地，所述光学系统的双视场切换方式能够保证长短焦工作状态共光轴、共像面，降低后期光机装调的难度。
20.进一步地，通过引入非球面和衍射面，结合光学系统中透镜的光焦度，所述光学系统在长短焦工作状态下，都能够完成像差校正的工作；且在长焦工作状态下，透镜的数量减少，系统具有很高的光学透过率，远距离目标探测和搜索能力提高。
21.进一步地，所述第一主物镜(1)、第二次物镜(2)、第一变倍透镜(3)为凸面朝向物方弯月形透镜；所述第二变倍透镜(4)为双凸形透镜；所述调焦镜(6)为凸面朝向扫描振镜(10)的弯月形透镜。
22.进一步地，所述第一后组透镜(7)为凸面朝向扫描振镜(10)的弯月形透镜；所述第二后组透镜(8)为凸面朝向折转反射镜(5)的弯月形透镜；所述第三后组透镜(9)为双凹形透镜；所述第四后组透镜(11)为凸面朝向扫描振镜(10)的弯月形透镜。
23.进一步地，所述第一主物镜(1)、第二次物镜(2)、第一变倍透镜(3)、第二变倍透镜(4)、调焦镜(6)的光焦度分配依次为正
‑
负
‑
负
‑
正
‑
负结构。
24.进一步地，所述第一后组透镜(7)、第二后组透镜(8)、第三后组透镜(9)以及第四后组透镜(11)的光焦度分配依次为正
‑
正
‑
负
‑
正结构。
25.进一步地，所述第一主物镜(1)、第一变倍透镜(3)、第二变倍透镜(4)、第一后组透镜(7)、第二后组透镜(8)以及第四后组透镜(11)的透镜材料为单晶硅。
26.进一步地，所述第二次物镜(2)、调焦镜(6)以及第三后组透镜(9)的透镜材料为单晶锗。
27.更进一步地，本发明的大面阵双视场中波红外扫描光学系统，所述光学系统的透镜材料为单晶硅或者单晶锗，而没有使用硒化锌和硫化锌等价格昂贵的材料，有效降低了光学系统的成本。
28.进一步地，所述大面阵红外探测器包括：探测器阵列为640
×
512，像元大小为25um 的制冷型中波红外探测器和探测器阵列为1280
×
1024，像元大小为12μm的制冷型中波红外探测器。
29.更进一步地，大面阵红外探测器能够有效增加长焦工作状态光学系统的视场，从而保证所述红外光学系统具有足够的作用距离和全景扫描效率。
30.进一步地，所述光学系统能够支持的制冷探测器的冷光阑能够与光学系统的孔径光阑重合，满足制冷型红外光学系统100％冷光阑效率的要求。
31.进一步地，所述光学系统采用u型结构形式，所述折转反射镜(5)与光路呈45
°
角放置，将来自物方的成像光束进行90
°
折转；扫描振镜(10)也与光路呈45
°
角放置，对光路进行折转；有效缩短了光学系统的长度，使得光学系统的结构非常紧凑。
32.进一步地，所述扫描振镜(10)处于锁定状态时，系统工作于凝视跟踪模式用于静态目标观测以及低速目标的稳定跟踪，变焦过程中，长焦工作状态的畸变为1.5％，短焦工作状态的畸变小于3％；将所述光学系统固定到匀速转动的平台上，通过扫描振镜(10)实现像移补偿，系统工作于扫描搜索模式。
33.有益效果：(1)具备双视场切换功能，能够根据目标距离和任务需求灵活调整光学系统的工作模式和焦距；(2)该光学系统能够适配大面阵红外探测器，能够有效缓解光学系统焦距与视场之间的矛盾，从而保证红外光学系统具有足够的作用距离和全景扫描效率；(3)通过对透镜进行光焦度分配，引入非球面和衍射面，在长焦工作状态下，仅利用7片透镜完成像差校正工作，保证了光学系统具有很高的光学透过率，并在一定程度上简化了光学系统的结构，具备优良的远距离探测性能。
附图说明
34.图1为本发明光学系统的光路结构示意图；
35.其中，1
‑
第一主物镜，2
‑
第二次物镜，3
‑
第一变倍透镜，4
‑
第二变倍透镜，5
‑
折转反射镜，6
‑
调焦镜，7
‑
第一后组透镜，8
‑
第二后组透镜，9
‑
第三后组透镜，10
‑
扫描振镜， 11
‑
第四后组透镜；
36.图2为本发明长焦工作状态的光学系统示意图；
37.图3为本发明短焦工作状态的光学系统示意图；
38.图4为本发明光学系统长焦工作状态的光学调制传递函数图；
39.图5为本发明光学系统短焦工作状态的光学调制传递函数图；
40.图6为本发明光学系统长焦工作状态的纵向球差、场曲和畸变图；
41.图7为本发明光学系统短焦工作状态的纵向球差、场曲和畸变图；
42.图8为本发明光学系统长焦工作状态的点列图；
43.图9为本发明光学系统短焦工作状态的点列图。
具体实施方式
44.下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明。
45.如图1所示，本发明的一种大面阵双视场中波红外扫描光学系统，包括第一主物镜1，第二次物镜2，第一变倍透镜3，第二变倍透镜4，折转反射镜5，调焦镜6，第一后组透镜7，第二后组透镜8，第三后组透镜9，扫描振镜10和第四后组透镜11。
46.其中，第一主物镜1为正光焦度的单晶硅透镜，且所述第一主物镜1为凸面朝向物方的弯月形透镜；第二次物镜2为负光焦度的单晶锗透镜，且所述第二次物镜2为凸面朝向物方的弯月形透镜；第一变倍透镜3为负光焦度的单晶硅透镜，且所述第一变倍透镜3为凸面朝向物方的弯月形透镜；第二变倍透镜4为正光焦度的单晶硅透镜，且所述第二变倍透镜4为双凸形透镜；调焦镜6为负光焦度的单晶锗透镜，且所述调焦镜6为凸面朝向扫描振镜10的弯月形透镜；第一后组透镜7为正光焦度的单晶硅透镜，且所述第一后组透镜7为凸面朝向扫描振镜10的弯月形透镜；第二后组透镜8为正光焦度的单晶硅透镜，且所述第二后组透镜8为凸面朝向折转反射镜5的弯月形透镜；第三后组透镜9为负光焦度的单晶锗透镜，且所述第三后组透镜9为双凹形透镜；第四后组透镜11为正光焦度的单晶硅透镜，且所述第四后组透镜11为凸面朝向扫描振镜10的弯月形透镜。
47.所述光学系统的透镜材料为单晶硅或者单晶锗，而没有使用硒化锌和硫化锌等价格昂贵的材料，有效降低了光学系统的成本。
48.本发明的大面阵双视场中波红外扫描光学系统各个透镜的具体参数如下表1所示。
49.表1光学系统参数表
50.[0051][0052]
在表1中，曲率半径为每个表面的曲率半径，间隔是指相邻两表面之间的距离。
[0053]
由上述镜片组成的光学系统达到了如下的光学指标：
[0054]
(1)焦距：450mm/150mm；
[0055]
(2)光圈f数：2.0；
[0056]
(3)成像圆直径：不小于φ20.5mm；
[0057]
(4)工作波段：3.7um～4.8um；
[0058]
(5)适配探测器：640
×
512，25um制冷型中波红外探测器或者1280
×
1024，12μm 制冷型中波红外探测器。
[0059]
如图2、3所示，本发明的大面阵双视场中波红外扫描光学系统具有双视场切换功能，能够根据目标距离和任务需求灵活调整光学系统的焦距。所述光学系统通过第一变倍透镜3和第二变倍透镜4切入、切出光路实现双视场切换；第一变倍透镜3和第二变倍透镜4切出光路为长焦工作状态，系统焦距为450mm；第一变倍透镜3和第二变倍透镜4切入光路为短焦工作状态，系统焦距为150mm。
[0060]
为了尽可能提高光学系统透过率，保证系统远距离探测性能，同时也为了简化光学系统结构，本发明通过引入3个非球面和1个衍射面，短焦工作状态下能够利用9片透镜完
成像差校正工作；长焦工作状态下仅利用7片透镜完成了大面阵光学系统的像差校正工作，具有较高的光学透过率。
[0061]
图4为长焦450mm光学调制传递函数图，图5为短焦150mm光学调制传递函数图。如图4、5所示，所述光学系统在长短焦工作状态下，通过合理地光焦度分配、材料组合以及非球面和衍射面的引入，能很好的校正系统像差，各视场均接近衍射极限，成像质量良好。
[0062]
其中，第二变倍透镜4的入射面s7为非球面加衍射面；调焦镜6的入射面s10为非球面；第四后组透镜11的出射面s20为非球面。
[0063]
s7、s10和s20的非球面面型方程如下：
[0064][0065]
式中：z为光轴方向的位置；r为径向高度；c为曲率半径；k为圆锥系数；a、b、c、 d为非球面系数。
[0066]
与之对应的各个非球面的非球面系数如下表2所示：
[0067]
表2非球面系数表
[0068]
表面kabcds70
‑
8.15e
‑
83.55e
‑
11
‑
7.28e
‑
144.91e
‑
17s1001.61e
‑6‑
1.67e
‑9‑
3.53e
‑
121.44e
‑
14s2003.72e
‑
71.95e
‑9‑
9.34e
‑
123.78e
‑
14
[0069]
衍射面s7的衍射表面微结构分布为：
[0070][0071]
式中：h(r)为衍射表面微结构高度；m为衍射级次；n为基底材料在波长λ处的折转率； n0为基底材料在中心波长λ0处的折转率；int为取整函数；c1、c2、c3为衍射系数。
[0072]
与之对应的衍射面的衍射系数如下表3所示：
[0073]
表3衍射系数表
[0074]
表面mλ0c1c2c3s714.2μm
‑
6.02e
‑5‑
8.89e
‑
10
‑
5.29e
‑
12
[0075]
如图6、7所示，本发明的大面阵双视场中波红外扫描光学系统的球差和场曲得到了有效控制；长焦工作状态的畸变为1.5％，短焦工作状态的畸变小于3％。
[0076]
如图8、9所示，本发明的大面阵双视场中波红外扫描光学系统各个视场的点列图 rms均方根半径值远小于制冷型中波红外探测器的像元尺寸，能量集中度好，综合性能优良。
[0077]
本发明的大面阵双视场中波红外扫描光学系统，所述光学系统的孔径光阑与制冷探测器的冷光阑重合，满足制冷型红外光学系统100％冷光阑效率的要求，能够在最大程度上压缩光学系统的入瞳直径，从而减小光学系统的体积。
[0078]
本发明的大面阵双视场中波红外扫描光学系统具有两种工作模式：分别为凝视跟踪模式和扫描搜索模式。凝视跟踪模式通过锁定扫描振镜10位置实现，该工作模式下的光
学系统相当于传统的双视场中波红外光学系统，可用于静态目标观测以及低速目标的稳定跟踪；扫描搜索模式则将该大面阵双视场中波红外扫描光学系统固定到匀速转动的平台上，通过扫描振镜10实现像移补偿，进而实现全景扫描。
[0079]
当大面阵双视场中波红外扫描光学系统处于扫描成像模式时，扫描振镜10的有效回摆角度α与光学系统扫描速度ω存在如下关系：
[0080][0081]
式中：γ为由第一主物镜1，第二次物镜2，第一变倍透镜3，第二变倍透镜4，调焦镜6，第一后组透镜7，第二后组透镜8以及第三后组透镜9组成的光学系统的角放大倍率；τ为制冷型中波红外探测器的积分时间。
[0082]
本发明的光学系统属于大面阵成像光学系统，配合大面阵红外探测器，能够有效增加长焦工作状态光学系统的视场，缓解光学系统焦距与视场之间的矛盾，从而保证所发明的红外光学系统具有足够的作用距离和全景扫描效率。
[0083]
此外，本发明的大面阵双视场中波红外扫描光学系统采用u型结构形式，利用折转反射镜5和扫描振镜10对光路进行了折转，有效缩短了光学系统的长度；同时整个光学系统仅包含9片透镜，使得光学系统的结构非常简单紧凑。
[0084]
本发明提供了一种大面阵双视场中波红外扫描光学系统的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。