一種制冷式紅外雙波段共光路同步連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種制冷式紅外雙波段共光路同步連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，包括沿光軸依次設(shè)置的公共前固定組、公共變倍組以及公共補(bǔ)償組；公共補(bǔ)償組的出射光線(xiàn)通過(guò)第一平面反射鏡的反射后進(jìn)入二次成像系統(tǒng)的前組，二次成像系統(tǒng)的前組的出射光線(xiàn)經(jīng)過(guò)第二平面反射鏡的反射后進(jìn)入二次成像系統(tǒng)的后組；二次成像系統(tǒng)的后組的出射光線(xiàn)通過(guò)制冷探測(cè)器保護(hù)玻璃后投影到系統(tǒng)相面上；第一平面反射鏡和第二平面反射鏡將光路折疊成U型，制冷探測(cè)器保護(hù)玻璃與系統(tǒng)像面之間設(shè)置有冷光闌；本發(fā)明采用制冷式紅外探測(cè)器作為系統(tǒng)的成像探測(cè)器，結(jié)合二次成像設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)制冷型系統(tǒng)100％冷光闌效率，有效剔除目標(biāo)視場(chǎng)以外的雜散紅外輻射，大幅度提高傳統(tǒng)紅外光學(xué)系統(tǒng)分辨率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種制冷式紅外雙波段共光路同步連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種制冷式紅外雙波段共光路同步連續(xù) 變焦光學(xué)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 工業(yè)檢測(cè)和安防偵察領(lǐng)域?qū)Χ嗖ǘ纬上窆鈱W(xué)系統(tǒng)的識(shí)別速率、精準(zhǔn)度性能提出了 越來(lái)越高的要求。紅外雙波段共光路同步連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)具有全天候偵查、精確、全面 獲取目標(biāo)信息的特點(diǎn)，同時(shí)也兼?zhèn)淞诉B續(xù)變焦系統(tǒng)探測(cè)范圍廣、搜索速度快，能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行 不間斷觀(guān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)需用不同波段觀(guān)察時(shí)，無(wú)需切換光路或更換設(shè)備，即可直接觀(guān)測(cè)，有 效防止在光路轉(zhuǎn)換過(guò)程中造成目標(biāo)丟失的問(wèn)題。同時(shí)，雙波段同步連續(xù)變焦既可大視場(chǎng)搜 索，小視場(chǎng)跟蹤，切換過(guò)程無(wú)視場(chǎng)轉(zhuǎn)換突變，全程跟蹤，為精確軍事打擊提供了有力的技術(shù) 支持。
[0003] 目前有關(guān)紅外雙波段連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)多是使用非制冷式探測(cè)器作為成 像接收器。這類(lèi)探測(cè)器雖然價(jià)格便宜，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上也較為簡(jiǎn)單，但其分辨率上遠(yuǎn)不及制冷 式探測(cè)器。采用制冷式探測(cè)器能夠大幅度提高紅外雙波段光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，有效剔除目標(biāo) 視場(chǎng)以外的雜散紅外輻射，達(dá)到精確跟蹤、探測(cè)、捕捉目標(biāo)圖像的目的。然而，采用制冷式探 測(cè)器的紅外光學(xué)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要使用二次成像設(shè)計(jì)型式并滿(mǎn)足100%冷光闌效率，加大 了設(shè)計(jì)的難度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，提供一種中波和長(zhǎng)波紅外波段共 光路且用于制冷探測(cè)器的制冷式紅外雙波段共光路同步連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)能 夠?qū)⒅胁ê烷L(zhǎng)波紅外光路集成在一個(gè)系統(tǒng)中，并實(shí)現(xiàn)中波和長(zhǎng)波紅外兩個(gè)波段同時(shí)、共同 變焦。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：包括沿光軸依次設(shè)置的公共前 固定組、公共變倍組以及公共補(bǔ)償組；公共補(bǔ)償組的出射光線(xiàn)通過(guò)第一平面反射鏡的反射 后進(jìn)入二次成像系統(tǒng)的前組，二次成像系統(tǒng)的前組的出射光線(xiàn)經(jīng)過(guò)第二平面反射鏡的反射 后進(jìn)入二次成像系統(tǒng)的后組；二次成像系統(tǒng)的后組的出射光線(xiàn)通過(guò)制冷探測(cè)器保護(hù)玻璃后 投影到系統(tǒng)相面上；第一平面反射鏡和第二平面反射鏡將光路折疊成U型，制冷探測(cè)器保 護(hù)玻璃與系統(tǒng)像面之間設(shè)置有冷光闌。
[0006] 所述的公共前固定組為第一雙彎月正透鏡，第一雙彎月正透鏡朝向像距的面加有 非球面。
[0007] 所述的第一雙彎月正透鏡由單晶鍺制成。
[0008] 所述的公共變倍組包括沿光軸方向依次設(shè)置的第二雙彎月正透鏡和雙凹面負(fù)透 鏡，第二雙彎月正透鏡朝向物距的面加有衍射非球面。
[0009] 所述的第二雙彎月正透鏡和雙凹面負(fù)透鏡均由單晶鍺制成。
[0010] 所述的公共補(bǔ)償組包括沿光軸方向依次設(shè)置的第三雙彎月正透鏡、第四雙彎月正 透鏡以及第一雙彎月負(fù)透鏡，第一雙彎月負(fù)透鏡朝向物距的面加有非球面.
[0011] 所述的第三雙彎月正透鏡和第四雙彎月正透鏡有單晶硅制成，第一雙彎月負(fù)透鏡 有單晶鍺制成。
[0012] 所述的制冷探測(cè)器保護(hù)玻璃采用由單晶鍺制成的平行平板。
[0013] 所述二次成像系統(tǒng)的前組包括沿光軸方向依次設(shè)置的第五雙彎月正透鏡和第二 雙彎月負(fù)透鏡；二次成像系統(tǒng)的后組包括沿光軸方向依次設(shè)置的第三雙彎月負(fù)透鏡和雙凸 面正透鏡，雙凸面正透鏡朝向物距的面加有衍射非球面。
[0014] 所述的第五雙彎月正透鏡由單晶硅制成，第二雙彎月負(fù)透鏡由單晶鍺制成；第三 雙彎月負(fù)透鏡由單晶鍺制成，雙凸面正透鏡由硒化鋅制成。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0016] 本發(fā)明采用制冷式紅外探測(cè)器作為系統(tǒng)的成像探測(cè)器，結(jié)合二次成像設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn) 制冷型系統(tǒng)100%冷光闌效率，有效剔除目標(biāo)視場(chǎng)以外的雜散紅外輻射，大幅度提高傳統(tǒng)紅 外光學(xué)系統(tǒng)分辨率。
[0017] 本發(fā)明采用紅外雙波段全部共光路結(jié)構(gòu)型式，將紅外中波與紅外長(zhǎng)波整合到一個(gè) 光學(xué)系統(tǒng)中。和傳統(tǒng)共光路相比，系統(tǒng)整合度高，不存在利用分光棱鏡進(jìn)行分光路的結(jié)構(gòu)， 紅外雙波段同時(shí)入射，利用一個(gè)探測(cè)器同時(shí)接受紅外雙波段圖像。同時(shí)，在兼顧單波段系統(tǒng) 優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，利用兩個(gè)波段相互融合有效剔除目標(biāo)信息偽裝信號(hào)，大大降低虛警率，并提升 了對(duì)目標(biāo)信息的獲取量。
[0018] 本發(fā)明采用紅外雙波段同步連續(xù)變焦形式，系統(tǒng)在連續(xù)變焦時(shí)紅外雙波段能夠同 時(shí)工作，避免了傳統(tǒng)紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)在切換譜段這一短暫時(shí)間間隔中造成目標(biāo)丟失的問(wèn) 題，且系統(tǒng)在連續(xù)變焦過(guò)程中始終保持圖像大小穩(wěn)定一致。此外，系統(tǒng)具有大變倍比的特 點(diǎn)，即可以大視場(chǎng)搜索，又可以小視場(chǎng)跟蹤，切換過(guò)程無(wú)視場(chǎng)轉(zhuǎn)換突變。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明透鏡及透鏡面的示意圖。
[0021] 其中，Ll為第一雙彎月正透鏡；L2為第二雙彎月正透鏡；L3為雙凹面負(fù)透鏡；L4 為第三雙彎月正透鏡；L5為第四雙彎月正透鏡；L6為第一雙彎月負(fù)透鏡；L7為第五雙彎月 正透鏡；L8為第二雙彎月負(fù)透鏡；L9為第三雙彎月負(fù)透鏡；LlO為雙凸面正透鏡；Lll為保 護(hù)玻璃。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0023] 參見(jiàn)圖1和圖2,本發(fā)明包括沿光軸依次設(shè)置的公共前固定組、公共變倍組、公共 補(bǔ)償組、第一平面反射鏡S13、二次成像組的前組、第二平面反射鏡S18、二次成像組的后組 以及制冷探測(cè)器保護(hù)玻璃LI1 ;第一平面反射鏡S13和第二平面反射鏡S18將光路折疊成U 型。保護(hù)玻璃與系統(tǒng)像面之間設(shè)置有冷光闌S25,制冷探測(cè)器保護(hù)玻璃Lll為平行平板L11， 平行平板Lll由單晶鍺制成。公共前固定組為第一雙彎月正透鏡L1，第一雙彎月正透鏡Ll 朝向像距的面S2加有非球面，第一雙彎月正透鏡LI由單晶鍺制成。公共變倍組包括沿光 軸方向依次設(shè)置的第二雙彎月正透鏡L2和雙凹面負(fù)透鏡L3,第二雙彎月正透鏡L2朝向物 距的面S3加有衍射非球面，第二雙彎月正透鏡L2和雙凹面負(fù)透鏡L3均由單晶鍺制成。公 共補(bǔ)償組包括沿光軸方向依次設(shè)置的第三雙彎月正透鏡L4、第四雙彎月正透鏡L5以及第 一雙彎月負(fù)透鏡L6,第一雙彎月負(fù)透鏡L6朝向物距的面SI1加有非球面，第三雙彎月正透 鏡L4和第四雙彎月正透鏡L5有單晶硅制成，第一雙彎月負(fù)透鏡L6有單晶鍺制成。
[0024] 二次成像系統(tǒng)的前組包括沿光軸方向依次設(shè)置的第五雙彎月正透鏡L7和第二雙 彎月負(fù)透鏡L8,第五雙彎月正透鏡L7由單晶硅制成，第二雙彎月負(fù)透鏡L8由單晶鍺制成。 二次成像系統(tǒng)的后組包括沿光軸方向依次設(shè)置的第三雙彎月負(fù)透鏡L9和雙凸面正透鏡 L10,雙凸面正透鏡LlO朝向物距的面S21加有衍射非球面，第三雙彎月負(fù)透鏡L9由單晶鍺 制成，雙凸面正透鏡LlO由硒化鋅制成。
[0025] 本發(fā)明的原理：
[0026] 本發(fā)明由公共前固定組，公共變倍組、公共補(bǔ)償組、二次成像系統(tǒng)（包括二次成像 系統(tǒng)的前組和后組）、兩片平面反射鏡以及一片保護(hù)玻璃組成。滿(mǎn)足同時(shí)透過(guò)中波和長(zhǎng)波 紅外光波的要求，并實(shí)現(xiàn)雙波段同步變焦。前固定組采用單晶硅，物化性能良好，利于作為 系統(tǒng)的窗口。變倍組兩片正負(fù)光焦度分離的單晶鍺平衡了前固定組產(chǎn)生的大量負(fù)球差，且 和前固定組的單晶硅搭配校正了一定量的色差。補(bǔ)償組采用了三分離結(jié)構(gòu)，很好的平滑了 光線(xiàn)，減少高級(jí)像差的產(chǎn)生。系統(tǒng)最后一片采用硒化鋅材料能進(jìn)一步校正殘余色差，減小二 級(jí)光譜。變焦形式采用機(jī)械式正組補(bǔ)償形式，變焦比達(dá)到25X，系統(tǒng)變焦補(bǔ)償曲線(xiàn)光滑、順 暢。為了進(jìn)一步減小系統(tǒng)自身像差，在公共前固定組第一片透鏡朝向像距面加有非球面，公 共變倍組第一片透鏡朝向物距面加有衍射非球面，公共補(bǔ)償組第三片透鏡朝向物距的面加 有非球面，二次成像系統(tǒng)的后組第二片朝向物距的面加有衍射非球面。為了減少縱向長(zhǎng)度， 添加了兩個(gè)平面反射鏡，使系統(tǒng)折疊成U型。
[0027] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題及局限性，本發(fā)明主要包括五個(gè)組元、兩片平面反射鏡 和一片平行平板保護(hù)玻璃。其中五個(gè)組元分別為：公共前固定組、公共變倍組、公共補(bǔ)償組、 二次成像系統(tǒng)的前組以及二次成像系統(tǒng)的后組。所述公共前固定組為單片雙彎月正透鏡， 所述公共變倍組由一片雙彎月正透鏡和一片雙凹面負(fù)透鏡組成，所述公共補(bǔ)償組由兩片雙 彎月負(fù)透鏡和一片雙彎月負(fù)透鏡組成，所述二次成像系統(tǒng)的前組由一片雙彎月正透鏡和一 片雙彎月負(fù)透鏡組成，所述二次成像系統(tǒng)的后組由一片雙彎月負(fù)透鏡和一片雙凸面正透鏡 組成。兩片平面反射鏡沿光路按照將光線(xiàn)反射90°的方式放置，使光路折疊成U型。保護(hù) 玻璃為一片平行平板，用于保護(hù)制冷探測(cè)器。其中，公共前固定組為一片雙彎月正透鏡，材 料為單晶硅，雙彎月正透鏡朝向像距面加有非球面。公共變倍組由一片雙彎月正透鏡和一 片雙凹面負(fù)透鏡組成，材料均為單晶鍺，其中第一片透鏡朝向物距面加有衍射非球面。公共 補(bǔ)償組為兩片雙彎月正透鏡和一片雙彎月負(fù)透鏡組成，沿光軸方向材料依次為單晶硅、單 晶硅和單晶鍺，其中雙彎月負(fù)透鏡朝向物距的面加有非球面。二次成像系統(tǒng)的前組包括一 片雙彎月正透鏡和一片雙彎月負(fù)透鏡，沿光軸方向材料分別為單晶硅和單晶鍺。二次成像 系統(tǒng)的后組包括一片雙彎月負(fù)透鏡和一片雙凸面正透鏡，沿光軸方向材料依次為單晶鍺和 硒化鋅，其中雙凸面正透鏡朝向物距的面加有衍射非球面。
[0028] 本發(fā)明的使用過(guò)程如下：
[0029] 在實(shí)際使用過(guò)程中，公共前固定組、二次成像系統(tǒng)的前組以及二次成像系統(tǒng)的后 組均固定不動(dòng)，公共變焦組和公共補(bǔ)償組按照事先給出的變倍補(bǔ)償參數(shù)曲線(xiàn)，并由外部步 進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)進(jìn)行非線(xiàn)性移動(dòng)來(lái)改變焦距大小，同時(shí)連續(xù)平滑補(bǔ)償成像面，使成像面穩(wěn)定。
[0030] 當(dāng)由于晝夜交替、煙霧干擾以及遮擋隱藏等原因，需要利用不同波段觀(guān)測(cè)時(shí)，制冷 式紅外雙波段共光路同步連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)無(wú)需光路轉(zhuǎn)換，根據(jù)原來(lái)光路鎖定的目標(biāo)，直 接利用所需波段對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)在紅外雙波段情況下對(duì)目標(biāo)的同步成 像、同步跟蹤與測(cè)量。系統(tǒng)無(wú)需重新對(duì)準(zhǔn)和搜索目標(biāo)，反應(yīng)速度大大提高，并有效地避免了 由于光路轉(zhuǎn)換而失去移動(dòng)速度較快的目標(biāo)。
[0031] 如圖2所示，為了取得優(yōu)異的效果，下面給出本發(fā)明部件所采用的具體參數(shù)：表1 表示集成多波段連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)基本透鏡數(shù)據(jù)（透鏡曲率、厚度、透鏡間隔及材料）；
[0032] 表1紅外雙波段連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

【權(quán)利要求】
1. 一種制冷式紅外雙波段共光路同步連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：包括沿光軸依 次設(shè)置的公共前固定組、公共變倍組以及公共補(bǔ)償組；公共補(bǔ)償組的出射光線(xiàn)通過(guò)第一平 面反射鏡（S13)的反射后進(jìn)入二次成像系統(tǒng)的前組，二次成像系統(tǒng)的前組的出射光線(xiàn)經(jīng)過(guò) 第二平面反射鏡（S18)的反射后進(jìn)入二次成像系統(tǒng)的后組；二次成像系統(tǒng)的后組的出射光 線(xiàn)通過(guò)制冷探測(cè)器保護(hù)玻璃（L11)后投影到系統(tǒng)相面上；第一平面反射鏡（S13)和第二平 面反射鏡（S18)將光路折疊成U型，制冷探測(cè)器保護(hù)玻璃（L11)與系統(tǒng)像面之間設(shè)置有冷 光闌（S25)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷式紅外雙波段共光路同步連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于：所述的公共前固定組為第一雙彎月正透鏡（L1)，第一雙彎月正透鏡（L1)朝向像距的面 (S2)加有非球面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制冷式紅外雙波段共光路同步連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于：所述的第一雙彎月正透鏡（L1)由單晶鍺制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷式紅外雙波段共光路同步連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于：所述的公共變倍組包括沿光軸方向依次設(shè)置的第二雙彎月正透鏡（L2)和雙凹面負(fù)透 鏡（L3)，第二雙彎月正透鏡（L2)朝向物距的面（S3)加有衍射非球面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制冷式紅外雙波段共光路同步連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于：所述的第二雙彎月正透鏡（L2)和雙凹面負(fù)透鏡（L3)均由單晶鍺制成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷式紅外雙波段共光路同步連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于：所述的公共補(bǔ)償組包括沿光軸方向依次設(shè)置的第三雙彎月正透鏡（L4)、第四雙彎月正 透鏡（L5)以及第一雙彎月負(fù)透鏡（L6)，第一雙彎月負(fù)透鏡（L6)朝向物距的面（S11)加有 非球面。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制冷式紅外雙波段共光路同步連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在 于：所述的第三雙彎月正透鏡（L4)和第四雙彎月正透鏡（L5)有單晶硅制成，第一雙彎月負(fù) 透鏡（L6)有單晶鍺制成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述的制冷式紅外雙波段共光路同步連續(xù)變焦光學(xué)系 統(tǒng)，其特征在于：所述的制冷探測(cè)器保護(hù)玻璃采用由單晶鍺制成的平行平板（L11)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述的制冷式紅外雙波段共光路同步連續(xù)變焦光學(xué) 系統(tǒng)，其特征在于：所述二次成像系統(tǒng)的前組包括沿光軸方向依次設(shè)置的第五雙彎月正透 鏡（L7)和第二雙彎月負(fù)透鏡（L8);二次成像系統(tǒng)的后組包括沿光軸方向依次設(shè)置的第三 雙彎月負(fù)透鏡（L9)和雙凸面正透鏡（L10)，雙凸面正透鏡（L10)朝向物距的面（S21)加有 衍射非球面。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的制冷式紅外雙波段共光路同步連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征 在于：所述的第五雙彎月正透鏡（L7)由單晶硅制成，第二雙彎月負(fù)透鏡（L8)由單晶鍺制 成；第三雙彎月負(fù)透鏡（L9)由單晶鍺制成，雙凸面正透鏡（L10)由硒化鋅制成。
【文檔編號(hào)】G02B15/163GK104238095SQ201410478270
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】高明, 劉鈞, 呂宏, 王嘯騰 申請(qǐng)人:西安工業(yè)大學(xué)