大相对孔径近红外共光路双视场消热差光学成像系统的制作方法
【技术领域】
本发明涉及一种主要用于近红外波段的消热差双视场光学成像系统。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近红外光学成像系统。
【背景技术】
近红外光学成像系统可以复现可见光图像的大部分细节，且具有较好的微光夜视能力、云雾和烟雾穿透能力，相比于可见光探测具有更远的工作距离，成为未来光学成像系统的一个发展方向。而普通光学玻璃材料在近红外波段具有高的透过率，为低成本近红外光学成像系统的应用提供了极大的便利，且普通光学玻璃材料在近红外波段的温度折射率系数很小，环境温度的变化对近红外光学成像系统性能的影响主要表现在由透镜材料和连接件的热膨胀导致的透镜表面曲率半径、厚度和透镜间间隔的变化导致的热离焦。但较为恶劣的应用环境中，要求光学成像系统在_40°C?+60°C温度范围内具有好的成像质量，温度范围跨度较大，此时由透镜材料和连接件的热膨胀导致的热离焦必须加以考虑，因此大范围的温度变化对近红外光学成像系统的影响不可忽略。
[0003]现有技术中采用的近红外双视场设计主要是透射式系统，其中又包括分光路与共光路两种实现形式。分光路双视场光学成像系统可以通过分焦面或共焦面两种方法实现，分焦面的设计利用了两个不同的光学成像系统与两个不同探测器焦面集成加以实现，相当于两个光学成像系统，设计简单，但整个系统体积大，成本高，而且两个光学成像系统的同轴性很难保证；分焦面的设计则是将大小两个视场的光线通过分光元件会聚于同一焦面，通过机械或电子学的方式实现双视场切换，集成度变高，但由于采用了分光元件，系统仍具有较大的体积，且双视场调共轴较为困难。共光路双视场光学成像系统主要通过透镜单元的轴向移动与切入切出两种方式加以实现，两者都是利用了物像交换原则，前者通过移动光学成像系统光路中的某组元件，实现双视场切换，具有体积紧凑，集成度高等优点，但变倍范围较小；后者通过将某组元件移入移出光路实现双视场切换，体积较大，但可以实现更大的变倍比。
[0004]中国专利公开号CN102890335A公开了一种双视场星位标定数字镜头光学成像系统，采用共光路轴向移动式的设计型式，通过轴向移动变倍镜组组元，实现了 70/200_接近3倍的变焦比，具有较大的后工作距，且F数达1.5，系统设计波段为可见光波段，但可工作于夜间低照度条件，表明该设计可以在近红外波段工作，但该系统的10片透镜材料中共采用了 9种普通光学玻璃材料，材料种类较多，且该材料组合消色差能力有限，难以应用于更宽的波段范围。另外，该系统并未实现无热化的设计。
[0005]中国专利公开号CN103676151A公开了一种近红外双视场光学成像系统，该系统采用了分光路分焦面的设计型式实现双视场成像。该系统工作波段为700nm?llOOnm，共采用了 14种光学零件、6种玻璃材料，长焦焦距为61mm，短焦焦距为21mm，采用电动光圈实现对系统F数的控制，具有较好的成像质量。但该系统分光路分焦面的设计使整个光学成像系统集成度低，装校复杂，不利于工程化应用，且该光学成像系统并不具备被动消热差功會K。
【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，提供一种具有大相对孔径，且能实现双视场变焦，并能自动适应环境温度变化的近红外光学成像系统。
[0007]为了实现上述目的，本发明提供的一种近红外双视场共光路消热差光学成像系统，包括:从物面5到焦面I依次排列固联的前固定镜组4、变倍镜组3和后固定镜组2，其特征在于:所述前固定镜组4由物面之后排列固联的第一正透镜401和第一负透镜402和第二正透镜403组成，后固定镜组2依次由第三正透镜201、第四负透镜202与第四正透镜203、第二胶合镜组、第五正透镜204和第五负透镜205组成，前固定镜组4、后固定镜组2在变焦过程中固定不动；中间变倍镜组3具有负光焦度，由第二负透镜301与第三正透镜302胶合而成第一胶合透镜组和第三负透镜303组成，其中，前固定镜组4依次采用重镧火石玻璃HZLAF68B、重火石玻璃HZF88和氟冕牌玻璃HFK61三片透镜材料配对组合，后固定镜组2依次采用氟冕牌玻璃HFK61、重火石玻璃HZF88、重镧火石玻璃HZLAF68B、重镧火石玻璃HZLAF68B、重火石玻璃HZF88五片透镜材料配对组合；在长短焦位置时，光阑位置保持不变，固定于第四正透镜201靠近物面一侧；变倍镜组3依次由镧火石玻璃HLAF3B、重火石玻璃HZF88和重钡火石玻璃HZBAF50三片透镜材料组成，以固联在镜筒上的电机作为驱动源，通过齿轮一导轨机构驱动，沿光轴方向前后移动实现两档双视场变焦，在向长焦方向变化时，变倍镜组3朝向焦面I 一侧运动，在向短焦变化时，变倍镜组3朝向物面5 —侧直线运动实现视场及时切换，并与前固定镜组4和后固定镜组2共同构成完整的光学成像系统。
[0008]本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
[0009]本发明基于光学被动消热差原理，在近红外波段(0.9 μπι?1.7 μm)，采用物像交换原则的双视场变焦方式，在_40°C?60 °C温度变化范围内，焦距能从50mm到150mm切换变化。在_40°C?60°C的温度范围内，在50mm和150mm焦距的位置时，对同一景物成像，无需调焦，所有焦距所有视场的调制传递函数MTF都能保持截止频率为341p/mm时在0.6以上。由具有负光焦度的变倍镜组3，在变视场过程中始终在光轴上前后移动，变倍时光圈F数恒定，总长固定不变，质心变化较小，系统体积小，结构紧凑，变焦方式简单。
[0010]本发明所述系统采用的光学玻璃材料皆可由其它对应牌号或折射率色散特性相近的光学玻璃或其它特种材料替换，此时只需对本光学结构中各镜片的曲率半径、厚度、镜片间隔等进行修改，即可在高低温下获得与本发明相近或更为优良的光学性能。其中，氟冕牌玻璃HFK61可由FCDl或S-FPL51或N-PK52A代替；镧火石玻璃HLAF3B可由LAF2或S-LAM2或N-LAF2代替；重火石玻璃HZF88可由FDS18代替；重钡火石玻璃HZBAF50可由BACED5或S-BAM25或N-SSK5代替；重镧火石玻璃HZLAF68B可由TAFD30或S-LAH55或N-LASF31代替。本发明所述系统采用的光学玻璃材料也可由其它对应牌号或折射率色散特性相近的光学玻璃或其它特种材料替换。
[0011]本发明镜筒材料采用线膨胀系数为236X 10 7/K的铝合金材料，即可保证光学成像系统在-40°C?60°C的温度范围内的成像质量。当然，本设计还可以采用其它热膨胀系数更低或更高的镜筒材料，采用本光学结构对镜片的曲率半径、厚度和镜片间隔等进行修改，则可在高低温下获得与本发明相近或更为优良的光学性能。同时，由于本发明仅采用了11片透镜，整个光学成像系统具有较好的公差特性。
[0012]本发明采用与镜筒材料线膨胀系数相匹配的透镜材料组合和_40°C?60°C全温度范围内光学被动补偿的消热差方式，补偿了因镜筒材料温度变化造成的热胀冷缩而导致的离焦。
[0013]本发明通过弯曲关键表面与镀制宽波段减反膜的方法，所涉及的光学成像系统在各视场都具有较好的鬼像抑制特性。鬼像是杂散光的一种，是由成真实像的光线在工作表面经过偶数次反射产生在像面的像。对于成像光学成像系统，鬼像会增加像面上的噪声，降低像面的对比度和光学成像系统的光学传递函数。
[0014]本发明光学成像系统具有较大的后工作距离(后工作距为光学成像系统后固定镜组靠近焦面侧最后一面到焦面的距离)，在不能获得相应近红外0.9?1.7 μπι宽波段探测器时，在透镜205与焦面间插入相应的分光元件可对近红外0.9?1.7 μπι宽波段范围分焦面成像；在需要对近红外0.9?1.7 μπι宽波段范围分波段成像时，在透镜205与焦面间插入相应于不同成像波段的滤光片，可实现共焦面多波段的成像。
[0015]本发明适用于各类光电瞄准吊舱和转塔、军警民