本發(fā)明屬于紅外熱成像領(lǐng)域，涉及一種雙波段紅外共孔徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在紅外成像領(lǐng)域，隨著應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)的要求也在不斷提升，從傳統(tǒng)的單波段系統(tǒng)向多波段系統(tǒng)拓展，從傳統(tǒng)的定焦系統(tǒng)到變焦系統(tǒng)拓展。由于不同物體在不同波段的紅外輻射特性存在差異，因此多波段探測(cè)能力可以獲得目標(biāo)更多維度的光譜特征，顯著增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別能力，提升系統(tǒng)性能。

2、然而，現(xiàn)有的紅外雙波段變焦光學(xué)系統(tǒng)，受限于系統(tǒng)難度，往往分開各自設(shè)計(jì)與組裝，最后裝配固定在一起，形成分孔徑紅外雙波段變焦光學(xué)系統(tǒng)。這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、體積大、重量重，且不同波段存在觀測(cè)區(qū)域的焦距誤差與光軸瞄準(zhǔn)誤差。針對(duì)這一問(wèn)題，目前已有部分專家學(xué)者開展了共孔徑紅外雙波段變焦光學(xué)系統(tǒng)的研制工作。但是現(xiàn)有的研究文獻(xiàn)，要么采用了離軸反射式的光路型式，對(duì)裝調(diào)工藝要求極高；少數(shù)采用透射式的光路型式的成果中，普遍在雙波段系統(tǒng)中，引入了多個(gè)二元衍射元件，而二元衍射元件在寬波段系統(tǒng)中，存在明顯的衍射效率問(wèn)題，會(huì)顯著降低光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率，影響系統(tǒng)性能。

3、目前國(guó)內(nèi)已公開發(fā)表的專利文獻(xiàn)中，以可見光/紅外雙波段系統(tǒng)為主，少量中長(zhǎng)波紅外雙波段系統(tǒng)，普遍存在透鏡片數(shù)量多、使用二元衍射面，帶來(lái)能量轉(zhuǎn)換效率低、采用折反式導(dǎo)致對(duì)裝調(diào)精度要求高等問(wèn)題。

4、針對(duì)現(xiàn)有的紅外雙波段變焦光學(xué)系統(tǒng)，或者是非制冷、或者是分孔徑，或者雖然實(shí)現(xiàn)了制冷型共孔徑，但是系統(tǒng)復(fù)雜度高、透鏡片數(shù)量過(guò)多、或者在寬波段條件下使用二元衍射面顯著降低衍射效率影響光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率等問(wèn)題，開發(fā)一款光學(xué)透過(guò)率良好的制冷型雙波段紅外共孔徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，成為當(dāng)前紅外技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。

5、比如公告號(hào)為cn105372796b的中國(guó)發(fā)明專利，公開了一種制冷式共口徑中/長(zhǎng)波紅外雙波段雙視場(chǎng)兩檔變焦光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用分光棱鏡分光，但其在中波光路與長(zhǎng)波光路中，各自分別需要12個(gè)與10個(gè)透鏡片，鏡片數(shù)量多；且在公共前固定組、公共補(bǔ)償組、中波紅外光后固定組、長(zhǎng)波紅外光后固定組中，使用了4個(gè)二元衍射元件(公共光路含2個(gè))，這會(huì)使得衍射效率明顯下降，對(duì)系統(tǒng)的光學(xué)透過(guò)率帶來(lái)不利影響。

6、又比如公告號(hào)為cn106950684b的中國(guó)發(fā)明專利，公開了一種集成紅外雙波段20x變焦光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)為非制冷紅外系統(tǒng)，無(wú)法獲得制冷型紅外系統(tǒng)高靈敏度、高性能水平的優(yōu)勢(shì)；且該系統(tǒng)在公共前固定組、中波紅外光后固定組、長(zhǎng)波紅外光后固定組中，使用了3個(gè)二元衍射元件(公共光路含1個(gè))，這也存在同樣的衍射效率低帶來(lái)的能量轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題。

7、又比如公告號(hào)為cn112180571b的中國(guó)發(fā)明專利，公開了一種共孔徑紅外雙波段雙視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用的是疊層雙色紅外探測(cè)器，這種探測(cè)器價(jià)格昂貴，數(shù)量稀少，應(yīng)用門檻高，且目前響應(yīng)性能無(wú)法與單波段紅外探測(cè)器相媲美；另外，該系統(tǒng)采用了12片紅外透鏡片，這也會(huì)帶來(lái)光學(xué)透過(guò)率水平的下降，影響系統(tǒng)遠(yuǎn)距離探測(cè)能力。

8、由上述分析可見，現(xiàn)有的制冷型雙波段紅外共孔徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)面臨諸多挑戰(zhàn)，如透鏡鏡片數(shù)量多、使用衍射元件帶來(lái)寬波段的衍射效率問(wèn)題、系統(tǒng)復(fù)雜度高等問(wèn)題。解決上述問(wèn)題，研制一款適配制冷型探測(cè)器的光學(xué)透過(guò)率良好的雙波段紅外共孔徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，具有極高的價(jià)值與應(yīng)用潛力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種雙波段紅外共孔徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，解決現(xiàn)有的紅外雙波段變焦光學(xué)系統(tǒng)，或者是非制冷、或者是分孔徑，或者雖然實(shí)現(xiàn)了制冷型共孔徑，但是系統(tǒng)復(fù)雜度高、透鏡片數(shù)量過(guò)多、或者在寬波段條件下使用二元衍射面顯著降低衍射效率影響光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率等問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、一種雙波段紅外共孔徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，沿光軸方向從物方到像方，依次設(shè)置了雙波段前固定透鏡組、雙波段變倍透鏡組、雙波段補(bǔ)償透鏡組、可反射長(zhǎng)波紅外并透射中波紅外的分光棱鏡，在分光棱鏡的透射中波紅外光路上設(shè)置中波后固定透鏡組，在分光棱鏡的反射長(zhǎng)波紅外光路上設(shè)置長(zhǎng)波后固定透鏡組；

4、雙波段前固定透鏡組由一片彎向像方的負(fù)光焦度的彎月型寬光譜硫化鋅透鏡和一片彎向像方的正光焦度的硫系玻璃透鏡組成；雙波段變倍透鏡組是一片彎向物方的負(fù)光焦度的彎月型硒化鋅透鏡；雙波段補(bǔ)償透鏡組是一片彎向像方的正光焦度的彎月型鍺透鏡；

5、在中波后固定透鏡組后設(shè)置制冷型中波紅外探測(cè)器，在長(zhǎng)波后固定透鏡組后設(shè)置制冷型長(zhǎng)波紅外探測(cè)器。

6、雙波段變倍透鏡組和雙波段補(bǔ)償透鏡組能沿光軸前后相對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)地活動(dòng)設(shè)置在雙波段前固定透鏡組與分光棱鏡之間。

7、雙波段變倍透鏡組的光焦度為雙波段補(bǔ)償透鏡組的光焦度為

8、中波后固定透鏡組由4片透鏡片或小于4片的透鏡片組成，長(zhǎng)波后固定透鏡組由3片透鏡片或小于3片的透鏡片組成。

9、中波后固定透鏡組為正光焦度，依次由一片彎向物方的負(fù)光焦度的彎月型鍺透鏡、一片彎向像方的正光焦度的彎月型藍(lán)寶石透鏡、一片彎向物方的負(fù)光焦度的彎月型寬光譜硫化鋅透鏡和一片雙凸的正光焦度的硅透鏡組成。

10、長(zhǎng)波后固定透鏡組為正光焦度，依次由一片彎向像方的正光焦度的彎月型鍺透鏡、一片彎向物方的負(fù)光焦度的硫系玻璃透鏡、一片彎向像方的正光焦度的彎月型鍺透鏡組成。

11、分光棱鏡為znse材料。

12、構(gòu)成雙波段前固定透鏡組、雙波段變倍透鏡組、雙波段補(bǔ)償透鏡組、中波后固定透鏡組和長(zhǎng)波后固定透鏡組的透鏡片是不具有衍射面的球面或非球面透鏡。

13、構(gòu)成雙波段前固定透鏡組、雙波段變倍透鏡組、雙波段補(bǔ)償透鏡組、中波后固定透鏡組和長(zhǎng)波后固定透鏡組的透鏡片表面均鍍有增透膜。

14、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：1、系統(tǒng)型式簡(jiǎn)潔，在共孔徑共變焦部分的光路中，僅采用四片紅外透鏡，即實(shí)現(xiàn)中波長(zhǎng)波雙波段的變焦光線會(huì)聚到中間像面上；2、在雙波段前固定透鏡組與分光棱鏡之間設(shè)置可沿光軸前后獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的雙波段變倍透鏡組和加雙波段補(bǔ)償透鏡組，獲得系統(tǒng)焦距與視場(chǎng)的改變，實(shí)現(xiàn)變焦成像；3、沒(méi)有使用衍射元件，尤其在雙波段共光路部分沒(méi)有使用衍射元件，避免了因波段范圍寬造成衍射效率的大幅下降，影響光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率；4、實(shí)現(xiàn)了共孔徑共變焦成像，避免了不同波段存在觀測(cè)區(qū)域的焦距誤差與光軸瞄準(zhǔn)誤差，方便中波長(zhǎng)波雙波段圖像進(jìn)行像素級(jí)配準(zhǔn)，提升系統(tǒng)性能；5、在分光棱鏡之后的光路中，中波后固定透鏡組僅包含4片透鏡片、長(zhǎng)波后固定透鏡組僅包含3片透鏡片，即可各自將中間像面的像再次成像到各自波段的制冷型紅外探測(cè)器的焦平面上，各自實(shí)現(xiàn)100％冷光闌匹配；6、采用分光棱鏡的方式，避免了現(xiàn)階段應(yīng)用中長(zhǎng)波雙波段疊層探測(cè)器帶來(lái)的昂貴成本與響應(yīng)下降的問(wèn)題，可以利用單色探測(cè)器的性能優(yōu)勢(shì)，提升共孔徑雙波段成像探測(cè)系統(tǒng)的性能；特別適用于需要共孔徑雙波段高性能成像探測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景。

技術(shù)特征：

1.一種雙波段紅外共孔徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，沿光軸方向從物方到像方，依次設(shè)置了雙波段前固定透鏡組(100)、雙波段變倍透鏡組(200)、雙波段補(bǔ)償透鏡組(300)、可反射長(zhǎng)波紅外并透射中波紅外的分光棱鏡(400)，在分光棱鏡(400)的透射中波紅外光路上設(shè)置中波后固定透鏡組(500)，在分光棱鏡(400)的反射長(zhǎng)波紅外光路上設(shè)置長(zhǎng)波后固定透鏡組(600)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波段紅外共孔徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：雙波段變倍透鏡組(200)和雙波段補(bǔ)償透鏡組(300)能沿光軸前后相對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)地活動(dòng)設(shè)置在雙波段前固定透鏡組(100)與分光棱鏡(400)之間。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波段紅外共孔徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：雙波段變倍透鏡組(200)的光焦度為-0.004<φ<-0.002、雙波段補(bǔ)償透鏡組(300)的光焦度為0.015<φ<0.025。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波段紅外共孔徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：中波后固定透鏡組(500)由4片透鏡片或小于4片的透鏡片組成，長(zhǎng)波后固定透鏡組(600)由3片透鏡片或小于3片的透鏡片組成。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙波段紅外共孔徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：中波后固定透鏡組(500)為正光焦度，依次由一片彎向物方的負(fù)光焦度的彎月型鍺透鏡(501)、一片彎向像方的正光焦度的彎月型藍(lán)寶石透鏡(502)、一片彎向物方的負(fù)光焦度的彎月型寬光譜硫化鋅透鏡(503)和一片雙凸的正光焦度的硅透鏡(504)組成。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙波段紅外共孔徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：長(zhǎng)波后固定透鏡組(600)為正光焦度，依次由一片彎向像方的正光焦度的彎月型鍺透鏡(601)、一片彎向物方的負(fù)光焦度的硫系玻璃透鏡(602)、一片彎向像方的正光焦度的彎月型鍺透鏡(603)組成。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波段紅外共孔徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：分光棱鏡(400)為znse材料。

8.根據(jù)權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的雙波段紅外共孔徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：構(gòu)成雙波段前固定透鏡組(100)、雙波段變倍透鏡組(200)、雙波段補(bǔ)償透鏡組(300)、中波后固定透鏡組(500)和長(zhǎng)波后固定透鏡組(600)的透鏡片是不具有衍射面的球面或非球面透鏡。

9.根據(jù)權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的雙波段紅外共孔徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：構(gòu)成雙波段前固定透鏡組(100)、雙波段變倍透鏡組(200)、雙波段補(bǔ)償透鏡組(300)、中波后固定透鏡組(500)和長(zhǎng)波后固定透鏡組(600)的透鏡片表面均鍍有增透膜。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種雙波段紅外共孔徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)，沿光軸方向從物面到像面依次包括：雙波段前固定透鏡組、雙波段變倍透鏡組、雙波段補(bǔ)償透鏡組、可反射長(zhǎng)波紅外并透射中波紅外的分光棱鏡，在分光棱鏡之后的透射光路上分別設(shè)置了中波后固定透鏡組與長(zhǎng)波后固定透鏡組，并在之后分別放置了制冷型中波與長(zhǎng)波紅外探測(cè)器用于最終成像。本發(fā)明系統(tǒng)型式簡(jiǎn)潔，透鏡用量少，沒(méi)有使用衍射元件，解決現(xiàn)有的紅外雙波段變焦光學(xué)系統(tǒng)，或者是非制冷、或者是分孔徑，或者雖然實(shí)現(xiàn)了制冷型共孔徑，但是系統(tǒng)復(fù)雜度高、透鏡片數(shù)量過(guò)多、或者在寬波段條件下使用二元衍射面顯著降低衍射效率影響光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率等問(wèn)題。

技術(shù)研發(fā)人員：于洋,高思莉,丁學(xué)專,蹇毅,周潘偉,李爭(zhēng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10