一种折反组合长焦距多档变焦可见光与微光光学系统的制作方法

1.本发明属于光学技术领域，具体涉及一种折反组合长焦距多档变焦可见光与微光光学系统。


背景技术：

2.随着远距离目标探测识别的需求日益强烈，长焦距光学系统已成为各类光电载荷不可缺少的组成部分，但随着焦距逐步变长，体积和重量大幅变大，超长焦距光学系统的迫切需求和有限的体积重量已成为日益凸显的矛盾。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，提供一种折反组合长焦距多档变焦可见光与微光光学系统，可见光光学系统和微光光学系统共用成像透镜，在像面前通过旋转反射镜实现可见光和微光的分时成像，解决光学系统焦距与体积和重量之间的矛盾。
4.本发明提供的技术方案如下：
5.一种折反组合长焦距多档变焦可见光与微光光学系统，从物方到像方依次包括：反射式物镜组、目镜组、变倍组、补偿组、后固定组、折转反射镜、滤光片组、旋转反射镜和探测器；
6.其中，反射式物镜组、目镜组、变倍组、补偿组、后固定组、折转反射镜、滤光片组和旋转反射镜为可见光光学系统和微光光学系统共用组；反射式物镜组、目镜组、变倍组、补偿组和后固定组沿z轴设置，折转反射镜与z轴成45
°
夹角，旋转反射镜与z轴成45
°
夹角且与折转反射镜相对，通过旋转反射镜绕y轴旋转90
°
实现可见光光学系统和微光光学系统的分时成像；
7.成像通道采用二次成像后组变焦结构形式，通过反射式物镜组将光线口径大幅压缩，在二次成像后组用小口径的变倍组和补偿组的透镜沿光轴轴向运动实现变焦，减小体积和重量。
8.进一步的，反射式物镜组包括卡式反射镜主镜和卡式反射镜次镜，卡式反射镜主镜为抛物面，卡式反射镜次镜为双曲面。
9.进一步的，卡式反射镜主镜采用背部中心支撑的安装方式固定。
10.进一步的，目镜组包括两片弯月透镜和一组胶合镜，分别为具有负光焦度的弯月镧冕材料透镜、具有正光焦度的弯月重火石材料透镜和具有正光焦度的重火石—重磷冕材料胶合透镜。
11.进一步的，变倍组包括一片弯月透镜、一片双凸透镜和一组胶合镜，分别为具有正光焦度的弯月重火石材料透镜、具有正光焦度的双凸萤石材料透镜和具有正光焦度的萤石—火石材料胶合透镜。
12.进一步的，补偿组包括一片双凹透镜和两片弯月透镜，分别为具有负光焦度的弯月重火石材料透镜、具有正光焦度的弯月重火石材料透镜和具有正光焦度的萤石材料透
镜。
13.进一步的，后固定组为一片具有正光焦度的弯月重磷冕材料透镜。
14.进一步的，滤光片组为7档滤光片，绕z轴旋转实现滤光片的分时使用；7档滤光片的波段分别为：450nm～1000nm、450nm～650nm、780nm～1000nm、810nm
±
10nm、850nm
±
20nm、880nm
±
10nm和偏振片。
15.进一步的，折转反射镜材料为石英。
16.进一步的，可见光光学系统工作波段为450～850nm，微光光学系统工作波段为520nm～1000nm；可见光光学系统适配1920
×
1080分辨率，像元4.5μm
×
4.5μm的探测器，焦距/f四档变化，分别为600mm/f3.33、1200mm/f6.67、1900mm/f10.6、3200mm/f17.8；微光光学系统适配1280
×
720分辨率，像元4.5μm
×
4.5μm的探测器，焦距/f四档变化，分别为600mm/f3.33、1200mm/f6.67、1900mm/f10.6、3200mm/f17.8。
17.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
18.本发明的折反组合长焦距多档变焦光学系统包括可见光光学系统和微光光学系统两部分，二者共用成像光学系统，在可见光探测器和微光探测器前面通过旋转反射镜实现二者的分时成像；成像通道采用二次成像后组变焦结构形式，通过反射式物镜组将光线口径大幅压缩，在一次像点后使用小口径折射透镜进行变焦，相比于常规透射式前组变焦长焦距大口径光学系统，本发明的光学系统在极小的空间内实现了超长焦距大口径变焦光学系统的设计，大幅度减小了光学系统的体积和重量。
附图说明
19.图1为本发明实施例的光学系统的结构示意图；
20.图2为本发明实施例的光学系统的传递函数图；
21.图3为本发明实施例的光学系统的弥散斑图。
22.图中：1-反射式物镜组、11-卡式反射镜主镜、12-卡式反射镜次镜、2-目镜组、21-第一弯月透镜、22-第二弯月透镜、23-第一胶合镜、3-变倍组、31-第三弯月透镜、32-双凸透镜、33-第二胶合镜、4-补偿组、41-双凹透镜、42-第四弯月透镜、43-第五弯月透镜、5-后固定组、6-折转反射镜、7-滤光片组、8-旋转反射镜、9-探测器。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
24.本发明提供了一种折反组合长焦距多档变焦可见光/微光光学系统，该光学系统由可见光和微光光学系统两部分组成，二者共用成像光学系统，在可见光探测器和微光探测器前面通过旋转反射镜实现二者的分时成像。成像通道采用二次成像后组变焦结构形式，主物镜为卡式反射系统，将大口径光束迅速压缩，在二次成像后组用小口径的变倍组和补偿组的透镜沿光轴轴向运动实现变焦，减小系统体积和重量，从而在极小的空间内实现了超长焦距光学系统的设计，整机外形尺寸≤384mm
×
194mm
×
201mm(长
×
宽
×
高)，重量小
于6.5kg。
25.本发明的折反组合长焦距多档变焦可见光/微光光学系统，如图1和图2所示，从物方到像方依次包括反射式物镜组1、目镜组2、变倍组3、补偿组4、后固定组5、折转反射镜6、滤光片组7、旋转反射镜8和探测器9。
26.其中，反射式物镜组1、目镜组2、变倍组3、补偿组4、后固定组5、折转反射镜6、滤光片组7、旋转反射镜8为可见光和微光光学系统共用组，通过旋转反射镜8绕y轴旋转90
°
实现可见光光学系统和微光光学系统的切换。可见光光学系统工作波段为450～850nm，微光光学系统工作波段为520nm～1000nm，故本发明的光学系统在450nm～1000nm波段内校正像差。
27.折反组合长焦距多档变焦光学系统采用二次成像结构形式，通过反射式物镜组1将光线口径大幅压缩，在一次像点后使用小口径折射透镜进行变焦。可见光光学系统适配1920
×
1080分辨率，像元4.5μm
×
4.5μm的探测器，焦距/f四档变化，分别为600mm/f3.33、1200mm/f6.67、1900mm/f10.6、3200mm/f17.8。微光光学系统适配1280
×
720分辨率，像元4.5μm
×
4.5μm的探测器，焦距/f四档变化，分别为600mm/f3.33、1200mm/f6.67、1900mm/f10.6、3200mm/f17.8。
28.反射式物镜组由卡式反射镜主镜11和卡式反射镜次镜12组成，焦距为474.6mm。光学系统光阑位于卡式反射镜次镜处。卡式反射镜主镜11为抛物面，卡式反射镜次镜12为双曲面，二者组合后轴上点rms面型误差优于1/40λ(λ＝632.8nm)，利用干涉仪进行单独装调。卡式反射镜主镜采用背部中心支撑的安装方式固定，相比镜室侧壁支撑，背部中心支撑的优势在于反射镜受温度变化和外界作用力的影响力较小，并减小了外形尺寸；提高中心芯轴安装时筒轴配合精度，从而提高主次镜的初始安装精度，减小装调工作量。
29.目镜组2由第一弯月透镜21、第二弯月透镜22和第一胶合镜23组成，焦距为74.56mm。变倍组由第三弯月透镜31、双凸透镜32和第二胶合镜33组成，焦距为40.4mm，变焦过程中运动行程为76.16mm。补偿组4由双凹透镜41、第四弯月透镜42和第五弯月透镜43组成，焦距为-355.12mm，变焦过程中运动行程为75.33mm。后固定组5为一片透镜，焦距为166.53mm。滤光片组7由七个滤光片组成，7档滤光片的工作波段分别为：450nm～1000nm、450nm～650nm、780nm～1000nm、810nm
±
10nm、850nm
±
20nm、880nm
±
10nm和偏振片，可根据不同工况更换定制滤光片。
30.具体的，本发明实施例的折反组合长焦距多档变焦可见光/微光光学系统，从物方到像方依次由反射式物镜组1、目镜组2、变倍组3、补偿组4、后固定组5、折转反射镜6、滤光片组7、旋转反射镜8和探测器9组成。图1(a)为可见光光学系统结构图，图1(b)为微光光学系统结构图。
31.其中，反射式物镜组1、目镜组2、变倍组3、补偿组4、后固定组5、折转反射镜6、滤光片组7、旋转反射镜8为可见光和微光光学系统共用组，可在1s内通过旋转反射镜8绕y轴旋转90
°
实现可见光光学系统和微光光学系统的切换。可见光光学系统工作波段为450～850nm，微光光学系统工作波段为520nm～1000nm，故光学系统在450nm～1000nm波段内校正像差，光学系统光阑位于卡式反射镜次镜处。
32.可见光光学系统适配1920
×
1080分辨率，像元4.5μm
×
4.5μm的探测器，焦距/f四档变化，分别为600mm/f3.33、1200mm/f6.67、1900mm/f10.6、3200mm/f17.8。微光光学系统
适配1280
×
720分辨率，像元4.5μm
×
4.5μm的探测器，焦距/f四档变化，分别为600mm/f3.33、1200mm/f6.67、1900mm/f10.6、3200mm/f17.8。
33.反射式物镜组1由卡式反射镜主镜11和卡式反射镜次镜12组成，焦距为474.6mm。卡式反射镜主镜为抛物面，卡式反射镜次镜为双曲面，二者组合后轴上点rms面型误差优于1/40λ(λ＝632.8nm)，利用干涉仪进行单独装调。卡式反射镜主镜采用背部中心支撑的安装方式固定，相比镜室侧壁支撑，背部中心支撑的优势在于反射镜受温度变化和外界作用力的影响力较小，并减小了外形尺寸；提高中心芯轴安装时筒轴配合精度，从而提高主次镜的初始安装精度，减小装调工作量。
34.目镜组2组合焦距为74.56mm，由两片弯月透镜和一组胶合镜组成，分别为具有负光焦度的弯月镧冕材料透镜、具有正光焦度的弯月重火石材料透镜、具有正光焦度的重火石—重磷冕材料胶合透镜。一次像点位于目镜组前2.75mm处。
35.变倍组3组合焦距为40.4mm，由一片弯月透镜、一片双凸透镜和一组胶合镜组成，分别为具有正光焦度的弯月重火石材料透镜、具有正光焦度的双凸萤石材料透镜、具有正光焦度的萤石—火石材料胶合透镜。变倍组运动行程为76.16mm。
36.补偿组4组合焦距为-355.12mm，由一片双凹透镜和两片弯月透镜组成，分别为具有负光焦度的弯月重火石材料透镜、具有正光焦度的弯月重火石材料透镜和具有正光焦度的萤石材料透镜。补偿组运动行程为75.33mm。
37.后固定组5焦距为166.53mm，为一片具有正光焦度的弯月重磷冕材料透镜。
38.折转反射镜6材料为石英，法线与光轴夹角45
°
，主要起到折转光路，增加空间利用率作用。
39.7档滤光片的波段分别为：450nm～1000nm、450nm～650nm、780nm～1000nm、810nm
±
10nm、850nm
±
20nm、880nm
±
10nm和偏振片，可根据不同工况更换定制滤光片。
40.旋转反射镜8绕y轴旋转，旋转角度为90
°
，实现可见光光学系统和微光光学系统分时成像。
41.该实施例的光学系统具体设计参数如表1所示，表2为本实施例双通道中波红外光学系统传递函数值表。
42.表1具体实施例折反组合长焦距多档变焦光学系统设计参数表
43.44.[0045][0046]
表2具体实施例双通道中波红外光学系统传递函数值
[0047][0048]
表1和表2中，曲率半径是指每个镜片表面的曲率半径，厚度或间隔是指镜片厚度或相邻镜片表面距离，材料是镜片所用材料，空气是指两个透镜之间介质为空气。
[0049]
图2和图3为本实施例的光学系统的光学仿真数据图。其中：图2(a)为短焦光学系统(600mm)在100lp/mm时的传递函数曲线图，图2(b)为中焦光学系统(1200mm)在100lp/mm时传递函数曲线图，图2(c)为长焦光学系统(1900mm)在50lp/mm时传递函数曲线图，图2(d)为超长焦光学系统(3200mm)在30lp/mm时传递函数曲线图，且其横坐标为每毫米的线对数，纵坐标为对比度数值；图3(a)为本发明专利短焦光学系统(600mm)弥散斑图，图3(b)为本发明专利中焦光学系统(1200mm)弥散斑图，图3(c)为本发明专利长焦光学系统(1900mm)弥散斑图，图3(d)为本发明专利超长焦光学系统(3200mm)弥散斑图。
[0050]
综上所述，本发明属于光学技术领域，涉及一种折反组合长焦距多档变焦可见光/微光光学系统。折反组合长焦距多档变焦可见光/微光光学系统从物方到像方依次由反射式物镜组、目镜组、变倍组、补偿组、后固定组、折转反射镜、滤光片组、旋转反射镜和探测器组成；其中，反射式物镜组、目镜组、变倍组、补偿组、后固定组、折转反射镜、滤光片组、旋转反射镜为可见光和微光光学系统共用组，通过旋转反射镜绕y轴旋转90
°
实现可见光光学系统和微光光学系统的切换。可见光光学系统适配1920
×
1080分辨率，像元4.5μm
×
4.5μm的探测器，焦距/f四档变化，分别为600mm/f3.33、1200mm/f6.67、1900mm/f10.6、3200mm/f17.8；微光光学系统适配1280
×
720分辨率，像元4.5μm
×
4.5μm的探测器，焦距/f四档变化，分别为600mm/f3.33、1200mm/f6.67、1900mm/f10.6、3200mm/f17.8。滤光片组由七个滤
光片组成，绕z轴旋转，实现滤光片的分时使用。
[0051]
需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
[0052]
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。