本發(fā)明涉及非制冷雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)及應(yīng)用該系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭，屬于光學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

紅外成像系統(tǒng)具有全天候工作、無需輔助照明、隱蔽性好、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，在告警、偵察和制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域和民用工程中得到了廣泛應(yīng)用。

隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，非制冷紅外系統(tǒng)的像元尺寸不斷減小、靈敏度不斷提高，而其價(jià)格卻逐步降低。此外，因其不需要制冷機(jī)，系統(tǒng)可靠性好、能夠?qū)崿F(xiàn)小型化，所以越來越廣泛應(yīng)用于安防監(jiān)控、車載等領(lǐng)域。

紅外變焦系統(tǒng)有分檔變焦和連續(xù)變焦兩種，由于連續(xù)變焦系統(tǒng)所需透鏡片數(shù)過多，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)透射比下降，且系統(tǒng)質(zhì)量較大。此外，為保持系統(tǒng)在連續(xù)變焦過程中始終保持清晰成像，對伺服控制系統(tǒng)的精度要求高。因此，在某些特殊情況下，常使用兩檔變焦系統(tǒng)來代替連續(xù)變焦系統(tǒng)。

與連續(xù)變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)相比，兩檔或多檔變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)更加簡捷、透過率高、系統(tǒng)裝調(diào)難度低、視場切換時(shí)間短、伺服控制容易等優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)代軍事中，紅外雙視場變焦光學(xué)系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于制導(dǎo)、監(jiān)控、紅外前視系統(tǒng)、目標(biāo)探測和追蹤等領(lǐng)域；在民用方面，紅外雙視場變焦光學(xué)系統(tǒng)可用于照相、空間遙感等領(lǐng)域。

雙視場光學(xué)系統(tǒng)一般有兩種變焦方式：變倍組移入移出切換式變換視場、變倍組沿光軸方向平行移動(dòng)式變視場。切換式光學(xué)系統(tǒng)由于透鏡組的切入、切出需要較大的空間，因而光學(xué)系統(tǒng)的橫向尺寸較大，而且多次的透鏡組切入、切出易使兩個(gè)視場光軸的一致性變差。而軸向移動(dòng)式移動(dòng)元件少、質(zhì)量輕，且無需另設(shè)調(diào)焦機(jī)構(gòu)即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)變焦和精密調(diào)焦的功能。

中國專利cn201510388632.4及cn201610789592.9均為切換式非制冷雙視場光學(xué)系統(tǒng)，由于需要透鏡進(jìn)行切入和切出，光學(xué)系統(tǒng)的橫向尺寸較大，不利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化。

中國專利cn201310661268.5介紹了一種雙視場長波紅外光學(xué)被動(dòng)消熱差光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由7片透鏡組成，實(shí)現(xiàn)50/150兩檔變焦，系統(tǒng)總長240mm；中國專利cn201210339814.9、cn201320153758.x、cn201410057627.0均為5片透鏡雙視場光學(xué)系統(tǒng)。由于光學(xué)系統(tǒng)的t數(shù)為f^#為光學(xué)系統(tǒng)f數(shù)(焦距與口徑之比)，τ為光學(xué)系統(tǒng)的總透過率。可見要減小光學(xué)系統(tǒng)的t值就要提高光學(xué)系統(tǒng)的總透過率，因此，減少系統(tǒng)的透鏡數(shù)量具有重要意義，較多的透鏡數(shù)量不利于提高光能利用率。

中國專利cn201620521779.6及cn201620524144.1介紹了軸向移動(dòng)式的雙視場光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)均由4片透鏡組成，光學(xué)系統(tǒng)在像元為17μm的紅外探測器所對應(yīng)空間頻率為30lp/mm時(shí)的傳遞函數(shù)低、成像質(zhì)量不佳、光學(xué)分辨率不高；此外系統(tǒng)在變倍組透鏡中使用了衍射面透鏡，由于衍射面對系統(tǒng)的裝調(diào)精度要求高，變倍組在運(yùn)動(dòng)過程中的定位誤差會(huì)降低系統(tǒng)的成像質(zhì)量。因此，該系統(tǒng)裝配效率低、生產(chǎn)成本高。

申請?zhí)枮?01010516394.8的中國專利申請公開了一種非制冷雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)56.7mm/114.3mm兩檔變焦，光學(xué)總長達(dá)232mm，光學(xué)系統(tǒng)太長，不利于實(shí)現(xiàn)成像系統(tǒng)的小型化、輕量化。該系統(tǒng)適配像元為25μm的探測器，目前主流紅外探測器的像元為17μm以下，分辨率不能滿足現(xiàn)行探測器。此外，由于其透鏡數(shù)量多，導(dǎo)致中光學(xué)系統(tǒng)透過率低，不利于提高光能利用率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的非制冷雙視場光學(xué)系統(tǒng)鏡片數(shù)量多、切換復(fù)雜、對系統(tǒng)裝配誤差要求高等問題，本發(fā)明提供一種非制冷雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)及應(yīng)用該系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭。

所述的一種非制冷雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)，包括從物方至像方依次同軸設(shè)置的前固定會(huì)聚透鏡組、移動(dòng)變倍透鏡組、后固定會(huì)聚透鏡組、探測器保護(hù)玻璃和用于成像的成像探測器焦平面，所述的移動(dòng)變倍透鏡組在前固定會(huì)聚透鏡組和后固定會(huì)聚透鏡組之間移動(dòng)從而進(jìn)行雙視場切換，其中，前固定會(huì)聚透鏡組包括彎月形正透鏡i，移動(dòng)變倍透鏡組包括雙凹負(fù)透鏡，其技術(shù)方案在于：所述的后固定會(huì)聚透鏡組由依次設(shè)置的彎月形正透鏡ii和彎月形正透鏡iii組成。

優(yōu)選的，所述的移動(dòng)變倍透鏡組沿著光軸方向移動(dòng)導(dǎo)程d滿足：53mm≤d≤59mm。

優(yōu)選的，所述的彎月形正透鏡i、雙凹負(fù)透鏡、彎月形正透鏡ii和彎月形正透鏡iii的材質(zhì)為單晶鍺。

進(jìn)一步的，所述的彎月形正透鏡i滿足以下條件：1.2≤f1/f≤1.6，其中f為由前固定會(huì)聚透鏡組、移動(dòng)變倍透鏡組和后固定會(huì)聚透鏡組組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距、f1為彎月形正透鏡i的有效焦距；

所述的雙凹負(fù)透鏡滿足以下條件：-0.45≤f2/f≤-0.34，其中f為由前固定會(huì)聚透鏡組、移動(dòng)變倍透鏡組和后固定會(huì)聚透鏡組組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距、f2為雙凹負(fù)透鏡的有效焦距；

所述的彎月形正透鏡ii滿足以下條件：0.4≤f3/f≤0.5，其中f為由前固定會(huì)聚透鏡組、移動(dòng)變倍透鏡組和后固定會(huì)聚透鏡組組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距、f3為彎月形正透鏡ii的有效焦距；

所述的彎月形正透鏡iii滿足以下條件：0.42≤f4/f≤0.55，其中f為由前固定會(huì)聚透鏡組、移動(dòng)變倍透鏡組和后固定會(huì)聚透鏡組組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距、f4為彎月形正透鏡iii的有效焦距。

進(jìn)一步的，所述彎月形正透鏡i與所述彎月形正透鏡ii之間軸距為t13，所述彎月形正透鏡ii與所述彎月形正透鏡iii之間軸距為t34，所述彎月形正透鏡ii于光軸上的厚度為ct3，滿足以下條件：22≤(t13+t34)/ct3≤23.5。

進(jìn)一步的，所述的彎月形正透鏡i的后表面采用偶次非球面，滿足方程：

其中c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k為二次曲線常數(shù)，a為四階非球面系數(shù)、b六階非球面系數(shù)、c為八階非球面系數(shù)、d為十階非球面系數(shù)。

進(jìn)一步的，所述的彎月形正透鏡iii的前表面采用衍射非球面，滿足方程：

其中c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k為二次曲線常數(shù)，a為四階非球面系數(shù)、b六階非球面系數(shù)、c為八階非球面系數(shù)、d為十階非球面系數(shù)；hor為衍射級(jí)次，c1、c2、c3為衍射面系數(shù)，λ0為設(shè)計(jì)中心波長；n為彎月形正透鏡iii的折射率，n0為空氣折射率。

進(jìn)一步的，所述的由前固定會(huì)聚透鏡組、移動(dòng)變倍透鏡組和后固定會(huì)聚透鏡組組成的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)參數(shù)為：工作波段：8μm～12μm；f^#：1；焦距：25mm/100mm兩檔；光學(xué)長度：≤150mm；像面直徑：φ14mm；其中，f^#為光學(xué)系統(tǒng)的焦距/光學(xué)系統(tǒng)入射光瞳直徑。

一種應(yīng)用上述一種雙視場非制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭，其技術(shù)方案是：所述的光學(xué)鏡頭的光學(xué)長度ttl與由前固定會(huì)聚透鏡組、移動(dòng)變倍透鏡組和后固定會(huì)聚透鏡組組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)的焦距f滿足以下條件：ttl/f≤1.5。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明透鏡數(shù)量少，光能利用率高，雙視場成像清晰；利用單晶鍺材料的折射率大于4、具有很高的阿貝數(shù)、色散小的光學(xué)特性來減小像差，降低光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度、提高成像質(zhì)量。在系統(tǒng)的短焦和長焦位置，利用雙凹負(fù)透鏡微小的位移來對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)焦，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)對不同距離目標(biāo)的清晰成像，無需另設(shè)調(diào)焦機(jī)構(gòu)。各透鏡光焦度及表面曲率的合理配置降低系統(tǒng)誤差敏感度、提高裝配效率、降低生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1為光學(xué)系統(tǒng)光路圖。

圖2為實(shí)施例i的光學(xué)系統(tǒng)在短焦?fàn)顟B(tài)光路圖。

圖3為實(shí)施例i的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)光路圖。

圖4為實(shí)施例i在短焦?fàn)顟B(tài)的傳遞函數(shù)圖。

圖5為實(shí)施例i在長焦?fàn)顟B(tài)的傳遞函數(shù)圖。

圖6為實(shí)施例i在短焦與長焦?fàn)顟B(tài)的點(diǎn)列圖。

圖7為實(shí)施例i在短焦?fàn)顟B(tài)場曲、畸變圖。

圖8為實(shí)施例i在長焦?fàn)顟B(tài)的場曲、畸變圖。

圖9為實(shí)施例i衍射面形狀圖。

圖10為實(shí)施例ii在短焦?fàn)顟B(tài)光路圖。

圖11為實(shí)施例ii在長焦?fàn)顟B(tài)光路圖。

圖12為實(shí)施例ii在短焦?fàn)顟B(tài)的傳遞函數(shù)圖。

圖13為實(shí)施例ii在長焦?fàn)顟B(tài)的傳遞函數(shù)圖。

圖14為實(shí)施例ii在短焦與長焦?fàn)顟B(tài)的點(diǎn)列圖。

圖15為實(shí)施例ii在短焦?fàn)顟B(tài)場曲、畸變圖。

圖16為實(shí)施例ii在長焦?fàn)顟B(tài)的場曲、畸變圖。

圖17為實(shí)施例ii衍射面形狀圖。

其中，1為彎月形正透鏡i，2為雙凹負(fù)透鏡，3為彎月形正透鏡ii，4為彎月形正透鏡iii，5為探測器保護(hù)玻璃，6為成像探測器焦平面，7為前固定會(huì)聚透鏡組，8為移動(dòng)變倍透鏡組，9為后固定會(huì)聚透鏡組。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明。

如圖1，一種雙視場非制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)，包括從物方至像方依次同軸設(shè)置的前固定會(huì)聚透鏡組7、移動(dòng)變倍透鏡組8、后固定會(huì)聚透鏡組9、探測器保護(hù)玻璃5和用于成像的成像探測器焦平面6，所述的移動(dòng)變倍透鏡組8在前固定會(huì)聚透鏡組7和后固定會(huì)聚透鏡組9之間移動(dòng)從而進(jìn)行雙視場切換，其中，前固定會(huì)聚透鏡組7包括彎月形正透鏡i1，移動(dòng)變倍透鏡組8包括雙凹負(fù)透鏡2，其技術(shù)方案在于：所述的后固定會(huì)聚透鏡組9由依次設(shè)置的彎月形正透鏡ii3和彎月形正透鏡iii4組成。

優(yōu)選的，所述的移動(dòng)變倍透鏡組8沿著光軸方向移動(dòng)導(dǎo)程d滿足：53mm≤d≤59mm。

優(yōu)選的，所述的彎月形正透鏡i1、雙凹負(fù)透鏡2、彎月形正透鏡ii3和彎月形正透鏡iii4的材質(zhì)為單晶鍺。

進(jìn)一步的，所述的彎月形正透鏡i1滿足以下條件：1.2≤f1/f≤1.6，其中f為由前固定會(huì)聚透鏡組7、移動(dòng)變倍透鏡組8和后固定會(huì)聚透鏡組9組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距、f1為彎月形正透鏡i1的有效焦距；

所述的雙凹負(fù)透鏡2滿足以下條件：-0.45≤f2/f≤-0.34，其中f為由前固定會(huì)聚透鏡組7、移動(dòng)變倍透鏡組8和后固定會(huì)聚透鏡組9組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距、f2為雙凹負(fù)透鏡2的有效焦距；

所述的彎月形正透鏡ii3滿足以下條件：0.4≤f3/f≤0.5，其中f為由前固定會(huì)聚透鏡組7、移動(dòng)變倍透鏡組8和后固定會(huì)聚透鏡組9組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距、f3為彎月形正透鏡ii3的有效焦距；

所述的彎月形正透鏡iii4滿足以下條件：0.42≤f4/f≤0.55，其中f為由前固定會(huì)聚透鏡組7、移動(dòng)變倍透鏡組8和后固定會(huì)聚透鏡組9組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距、f4為彎月形正透鏡iii4的有效焦距。

進(jìn)一步的，所述彎月形正透鏡i1與所述彎月形正透鏡ii3之間軸距為t13，所述彎月形正透鏡ii3與所述彎月形正透鏡iii4之間軸距為t34，所述彎月形正透鏡ii3于光軸上的厚度為ct3，滿足以下條件：22≤(t13+t34)/ct3≤23.5。

進(jìn)一步的，所述的彎月形正透鏡i1的后表面采用偶次非球面，滿足方程：

其中c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k為二次曲線常數(shù)，a為四階非球面系數(shù)、b六階非球面系數(shù)、c為八階非球面系數(shù)、d為十階非球面系數(shù)。

進(jìn)一步的，所述的彎月形正透鏡ii3的前表面采用衍射非球面，滿足方程：

其中c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k為二次曲線常數(shù)，a為四階非球面系數(shù)、b六階非球面系數(shù)、c為八階非球面系數(shù)、d為十階非球面系數(shù)；hor為衍射級(jí)次，c1、c2、c3為衍射面系數(shù)，λ0為設(shè)計(jì)中心波長；n為彎月形正透鏡iii4的折射率，n0為空氣折射率。

進(jìn)一步的，所述的由前固定會(huì)聚透鏡組7、移動(dòng)變倍透鏡組8和后固定會(huì)聚透鏡組9組成的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)參數(shù)為：工作波段：8μm～12μm；f^#：1；焦距：25mm/100mm兩檔；光學(xué)長度：≤150mm；像面直徑：φ14mm；其中，f^#為光學(xué)系統(tǒng)的焦距/光學(xué)系統(tǒng)入射光瞳直徑。

所述的一種應(yīng)用上述的一種雙視場非制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)鏡頭，其技術(shù)方案是：光學(xué)鏡頭的光學(xué)長度ttl與f滿足以下條件：ttl/f≤1.5；其中f為由前固定會(huì)聚透鏡組7、移動(dòng)變倍透鏡組8和后固定會(huì)聚透鏡組9組成的光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)下的焦距。

具體實(shí)施例i：如圖1～9，彎月形正透鏡i1與雙凹負(fù)透鏡2之間的間隔為10.77mm/69.24mm，雙凹負(fù)透鏡2與彎月形正透鏡ii3之間的間隔為60.81mm/2.33mm，彎月形正透鏡ii3與彎月形正透鏡iii4之間的間隔為46.27mm，彎月形正透鏡iii4與探測器保護(hù)玻璃5之間的間隔為8mm。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)：

表i：透鏡參數(shù)

表ii：非球面系數(shù)的值

彎月形正透鏡i1的后表面采用偶次非球面，根據(jù)以下公式(1)進(jìn)行矢高計(jì)算，滿足方程：

其中c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k為二次曲線常數(shù)，a為四階非球面系數(shù)、b六階非球面系數(shù)、c為八階非球面系數(shù)、d為十階非球面系數(shù)。

表iii：衍射非球面系數(shù)

對彎月形正透鏡iii4的前表面采用衍射非球面，根據(jù)以下公式(2)進(jìn)行矢高計(jì)算，滿足方程：

其中c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k為二次曲線常數(shù)，a為四階非球面系數(shù)、b六階非球面系數(shù)、c為八階非球面系數(shù)、d為十階非球面系數(shù)；hor為衍射級(jí)次，c1、c2、c3為衍射面系數(shù)，λ0為設(shè)計(jì)中心波長；n為彎月形正透鏡iii4折射率，n0為空氣折射率。

如圖4可知，在短焦?fàn)顟B(tài)下對應(yīng)空間頻率為30lp/mm時(shí)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)最低為0.5，滿足設(shè)計(jì)要求。

如圖5可知，在長焦?fàn)顟B(tài)下對應(yīng)空間頻率為30lp/mm時(shí)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)最低為0.5，滿足設(shè)計(jì)要求。

如圖6可知，本發(fā)明的系統(tǒng)點(diǎn)斑rms直徑均在一個(gè)像元直徑范圍內(nèi)。

如圖7可知，本發(fā)明在短焦?fàn)顟B(tài)下系統(tǒng)畸變小于4.5％，滿足設(shè)計(jì)要求。

如圖8可知，本發(fā)明在長焦?fàn)顟B(tài)下系統(tǒng)畸變小于0.5％，滿足設(shè)計(jì)要求。

如圖9可知，本發(fā)明隨著徑向坐標(biāo)的增加，衍射面的環(huán)帶密度增大。衍射面的環(huán)帶數(shù)為3，技術(shù)方案尺寸為5mm，現(xiàn)有的制作工藝能夠滿足上述衍射面的加工制作。

具體實(shí)施例ii：如圖10～17，彎月形正透鏡i1與雙凹負(fù)透鏡2之間的間隔為10.77mm/64.41mm，雙凹負(fù)透鏡2與彎月形正透鏡ii3之間的間隔為58.61mm/4.97mm，彎月形正透鏡ii3與彎月形正透鏡iii4之間的間隔為46.71mm，彎月形正透鏡iii4與探測器保護(hù)玻璃5之間的間隔為8mm。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)：

表iv：透鏡參數(shù)

表v：非球面參數(shù)

彎月形正透鏡i1的后表面采用偶次非球面，根據(jù)以下公式(3)進(jìn)行矢高計(jì)算，滿足方程：

其中c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k為二次曲線常數(shù)，a為四階非球面系數(shù)、b六階非球面系數(shù)、c為八階非球面系數(shù)、d為十階非球面系數(shù)。

表vi：衍射面參數(shù)

彎月形正透鏡iii4的前表面采用衍射非球面，根據(jù)以下公式(4)進(jìn)行矢高計(jì)算，滿足方程：

其中c為曲率，r為垂直光軸方向的徑向坐標(biāo)，k為二次曲線常數(shù)，a為四階非球面系數(shù)、b六階非球面系數(shù)、c為八階非球面系數(shù)、d為十階非球面系數(shù)；hor為衍射級(jí)次，c1、c2、c3為衍射面系數(shù)，λ0為設(shè)計(jì)中心波長；n為彎月形正透鏡iii4折射率，n0為空氣折射率。

如圖12可知，在短焦?fàn)顟B(tài)下對應(yīng)空間頻率為30lp/mm時(shí)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)最低為0.45，滿足設(shè)計(jì)要求。

如圖13可知，在長焦?fàn)顟B(tài)下對應(yīng)空間頻率為30lp/mm時(shí)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)最低為0.4，滿足設(shè)計(jì)要求。

如圖14可知，本發(fā)明的系統(tǒng)點(diǎn)斑rms直徑均在一個(gè)像元直徑范圍內(nèi)。

如圖15可知，本發(fā)明在短焦?fàn)顟B(tài)時(shí)系統(tǒng)畸變小于5％，滿足設(shè)計(jì)要求。

如圖16可知，本發(fā)明在長焦?fàn)顟B(tài)時(shí)系統(tǒng)畸變小于0.5％，滿足設(shè)計(jì)要求。

如圖17可知，本發(fā)明隨著徑向坐標(biāo)的增加，衍射面的環(huán)帶密度增大。衍射面的環(huán)帶數(shù)為3，技術(shù)方案尺寸為5mm，現(xiàn)有的制作工藝能夠滿足上述衍射面的加工制作。

以上所述僅為發(fā)明的較佳實(shí)施例而己，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。