[发明专利]共光路红外双波段共焦面变焦光学系统

说明书

技术领域  

    本发明涉及一种中、长波红外两个波段的光学设计。具体而言，本发明涉及一种使用透射元件的共光路共焦面且具有变焦功能的双波段(3.7μm～4.8μm和7.7μm～10.3μm)的光学系统设计。

背景技术   

现有技术中采用的双波段共光路设计主要是折反式系统、定焦的透射系统和采用光学补偿的透射式双视场光学系统，因为采用透射元件的双波段共光路设计，波段间的色差和波段内色差较难同时消除，因此设计出长焦距小F数的变焦镜头难度较大(F#即为光圈数，是相对孔径口径与焦距之比的倒数，即F=f/D)；对于一些文献公开的透射式双波段共孔径共焦面的光学系统，要么F数较大焦距较小，要么变倍结构复杂。

比如，中国文献《光电子#激光》2004年第15卷第385～389页刊载的《红外双波段消热差系统设计》公开的光学镜头，其波段为中波和长波红外（3.7μm ～4.8μm以及7.7～10.3μm），虽然实现了双波段共光路共焦面设计，但该设计为一次成像结构，选用的材料为硫系玻璃的AMTIR1材料、锗Germanium材料和硫化锌ZNS材料，没有实现变焦功能，且焦距较短，仅为61mm。虽然在该焦距范围内较好的解决了中长波红外两个波段的色差并解决了热差，但由于这几种透镜材料的消色差性能有限，难于用在更大焦距的光学系统中。

2008年刊登于SPIE Vol. 6940的美国文献《3rd Generation FLIR Demonstrator》第69400U-1～69400U10页公开的光学系统，虽然达到了中长波红外双波段共光路共焦面的变焦设计，但采用折反式系统，由离轴三反的反射式前置望远镜系统和透射式的后置成像物镜系统组成，采用了双F数设计，在最长焦时的F数为6，其他时候F数为3，通过在后置成像物镜系统中采用径向划入划出切换镜组的方法实现变焦，F数6时的焦距为609.6mm，但在F数为3时仅为290mm。系统的最小焦距为53mm；系统在两个F数变化时最大的变倍比为11.5倍。其透射系统采用了锗Germanium材料、硫化锌ZNS材料、硒化锌ZNSE材料、氟化钡BAF材料、砷化镓GaAs材料、硫系玻璃AMTIR1材料和硫系玻璃GASIR材料，不仅种类繁多，而且材料搭配并不适合更大口径的双波段消色差设计；同时，前置离轴三反的反射式望远光学系统与普通的透射系统相比，加工检测和装配较为困难，精度要求较高。

2010年刊登于SPIE Vol. 7652第7652E-1～7652E-8页的美国文献《Optical concepts for dual band infrared continuous zoom lenses》实现了中长波红外双波段透射式二次成像的连续变焦结构，但采用的双F数设计，在最长焦时的F数为6，此时焦距达到456mm。F数为3时的焦距最长为226mm，系统的最小焦距为72mm；系统在两个F数变化时总的变倍比为6.3X；其光学材料采用了锗、硫化锌、硒化锌、氟化钡、砷化镓等。由于这些材料在中长波红外的两个波段内性能差异较大，波段间的色差和波段内的色差难以有效抑制，表现为一个波段的成像质量好而另一个波段的成像质量有所下降，且该系统的变焦过程采用了三移动组形式，补偿组在一次像面之后，后变倍组则需要在一次像面前后位置移动以实现系统的双F数变化。该系统的不足之处在于结构较复杂，变倍过程繁琐且像质不够好。尤为重要的是，该光学系统F数较大，不利于高质量成像的需要。

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，提供一种变倍结构简单，F数恒定，变倍比较大，连续变焦焦距范围宽，采用材料较少，并能有效消除两个波段间色差和各自波段内色差的共光路红外双波段共焦面变焦光学系统。