[发明专利]双视场长波红外光学被动消热差光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种主要用于长波红外波段的消热差双视场光学系统。具体而言，本发明涉及一种使用双视场变焦且具有光学被动消热差功能的长波红外光学系统。

背景技术

光学仪器在较大温度范围内使用时，镜筒材料、光学材料的热胀冷缩以及光学材料的温度折射率系数会使镜头光焦度发生变化，产生离焦现象，而镜筒材料的热胀冷缩也会造成光学系统离焦，使成像质量下降。为了降低温度变化对红外光学系统成像质量的影响，需要进行无热化设计，或称为消热差设计，即通过一定的机械、光学及电子等技术，补偿因温度变化产生的离焦，使红外光学系统在一个变化范围较大的温度区间内保持成像质量的稳定。目前的消热差方式主要有：机电主动式消热差、机械被动式消热差和光学被动式消热差。其中，光学被动式消热差是通过合理分配光焦度和光学材料，在温度变化时实现焦面位置与镜筒长度变化的匹配，从而在规定温度范围内保证镜头的成像质量。在同一光学系统中为了实现大小两个视场的兼容，需要进行变焦系统设计，主要基于物像交换原则的方式。对于光学系统中任意一个透镜组元，都有两个位置实现共轭距不变，即物面与像面稳定不变，而且在这两个位置上光学系统的放大倍率互为倒数。这相当于在保持共轭距不变的同时，把物面与像面交换位置，这就是物像交换原则。借此可以实现无需像面位移补偿的双视场变焦系统。

美国专利US6424460公开了一种基于光学被动消热差原理的制冷式的光学镜头，该光学镜头通过适当的变焦镜组的移动实现了双视场，但其设计的使用范围仅为红外中波波段，而且使用三个非球面，虽然同样为7片透镜。

美国专利No5202792公开了一种同样光学被动消热差的光学系统设计。采用三片式、三种材料，实现了长波红外消热差但是像面弯曲，也没有实现双视场。

2011年刊载于中国文献《应用光学》杂志，第32卷第4期，第767～772页，名称为《被动无热化切换式长波红外双视场望远镜》，其中公开的光学镜头，波段为长波红外（7.7～10.3μm），同样通过切换式分别切入两块透镜实现了光学系统双视场，同样实现光学被动消热差功能，但是其在窄视场使用了6片，宽视场使用了多达10片透镜，总计11片不同透镜来实现双视场消热差。系统笨重，可靠性降低。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不能同时满足长波红外消热差和双视场的要求，提供一种变焦方式简单，透镜利用率高，具有双视场，能自动适应环境温度变化,能够在长波红外材料种类较少的限制下，实现消热差和消色差的双视场长波红外光学被动消热差光学系统。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种双视场长波红外光学被动消热差光学系统，包括：从物面9到焦面1依次排列的前固定组透镜、变焦镜负透镜6和后固定组透镜，其特征在于：所述前固定组由物面9之后的正透镜8和位于正透镜8与变焦镜负透镜6之间的凸面负透镜7构成；后固定组由靠近双凸透镜5的负透镜4、靠近凹凸面透镜2凸面的凸透镜3以及凹凸面透镜2构成；变焦镜负透镜以固联在镜筒上的电机作为驱动源，通过齿轮-导轨机构驱动变焦镜负透镜6沿光轴方向前后移动，焦距从50mm到150mm切换变化，实现两档双视场变焦，在向长焦变化时，变焦镜负透镜6朝向焦面1一侧运动；在向短焦变化时，变焦镜负透镜变焦镜负透镜6朝向物面9一侧运动，长焦时光学系统孔径光阑位于双凸透镜5上，短焦时光学系统孔径光阑位于正透镜8上；变焦镜负透镜6与前固定镜组和后固定镜组共同构成完整的成像系统，且该成像系统满足以下条件：