一种低成本轻小型双视场中波无热化光学系统的制作方法

本技术属于光学成像，具体而言，涉及一种低成本轻小型双视场中波无热化光学系统。

背景技术：

1、近年来随着红外探测器的高速发展，红外成像探测技术在空基侦察、地基搜索探测、海上搜救和成像制导等领域的应用越来越广泛。在光学成像末制导系统中，中波制冷红外光学系统具有探测距离远、定位精度高、成像质量好、可全天时工作、环境适应性强等突出优点。

2、探测装置在高速飞行过程中，需在极端恶劣的工况环境下对目标进行搜索、探测、跟踪定位，在狭小内部空间，光学系统可适应-40℃～+60℃的100℃工作温差及高冲击过载的苛刻工作环境，通过双视场快速切换，利用大视场搜索目标，小视场对目标进行精确跟踪定位，具有成像质量优良、体积小、重量轻、环境适应性强、可靠性高、低成本等技术特点，可广泛应用于光学成像制导、搜索、跟踪和侦察等领域。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是为了实现中波制冷红外探测装置的低成本、轻小型、双视场、无热化高分辨率设计，本实用新型提供一种低成本轻小型双视场中波无热化光学系统。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种低成本轻小型双视场中波无热化光学系统，包括从物方至像方依次同轴设置前固定组、变倍组、后固定组、探测器保护玻璃、冷光阑和用于成像的探测器焦平面，所述的前固定组、后固定组、探测器保护玻璃、冷光阑和探测器焦平面固定不动，变倍组在前固定组和后固定组之间沿光轴移动从而实现双视场切换即系统焦距实现22mm/66mm变换，前固定组包括弯月正透镜一，变倍组包括双凹负透镜二，后固定组包括平凸正透镜三和平凹负透镜四，探测器保护玻璃为平面玻璃，光学系统用于接收经目标和背景固有的红外辐射，并汇聚至制冷探测器焦平面上，实现光电转换，具有较高的灵敏度和较小的空间分辨率，通过双视场快速切换在夜间或复杂气象条件下实现对目标的探测、识别与精确定位。

4、进一步的，所述弯月正透镜一、平凸正透镜三均为球面透镜；所述双凹负透镜二内表面为二元面，外表面为球面，平凹负透镜四的内表面为非球面，外表面为球面。非球面方程为(1)，衍射面方程为(2):

5、非球面方程为(1)：

6、

7、式中：h为横纵坐标平方和，h2＝x2+y2；k为二次曲面常数；c为曲率，a2、a4、a6、a8、a10、a12为非球面系数。

8、衍射面方程为(2)：

9、

10、式中：h为横纵坐标平方和，h2＝x2+y2；m为衍射环带数；n0为材料折射率；c1为二次位相系数。

11、进一步的，所述弯月正透镜一的外表面的曲率半径为37.85mm，内表面的曲率半径为44.01mm，厚度为4.5mm；所述双凹负透镜二的外表面的曲率半径为-111.75mm，内表面的曲率半径为156.58mm，厚度为3mm；所述平凸正透镜三的外表面的曲率半径为21.25mm，内表面的曲率半径为99.43mm，厚度为4mm；所述平凹负透镜四的外表面的曲率半径为43.70mm，内表面的曲率半径为20.27mm，厚度为3mm；所述双凹负透镜二内表面二元面参数为二次曲面常数k＝0，c＝1/156.581，二阶、四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶系数分别为a2＝0、a4＝2.215307×10-6、a6＝-4.224317×10-8、a8＝1.108875×10-9，a10＝-1.464350×10-11，a12＝8.150603×10-14衍射阶为1，衍射环带数为2，c1＝-1.06240306455×10-5；所述平凹负透镜四内表面非球面参数为二次曲面常数k＝-17.108516，c＝1/20.273，二阶、四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶系数分别为a2＝0、a4＝2.844073×10-4、a6＝-4.684212×10-6、a8＝1.165737×10-7，a10＝-1.854498×10-19，a12＝1.461730×10-11。

12、进一步的，所述弯月正透镜一、平凸正透镜三的制作材料为硅；所述双凹负透镜二、平凹负透镜四的制作材料为锗。

13、进一步的，所述变倍组即双凹负透镜二沿光轴移动，实现双视场切换，移动距离即行程为24.55mm，在视场切换过程中，前固定组、后固定组、探测器保护玻璃和探测器焦平面相对位置不变，固定不动。

14、进一步的，在进行双视场切换过程中，当焦距为22mm即系统为大视场时，所述弯月正透镜一与双凹负透镜二的距离为33.35mm；所述双凹负透镜二与平凸正透镜三的距离为11.2mm；所述平凸正透镜三与平凹负透镜四的距离为0.8mm；所述平凹负透镜四与探测器保护玻璃的距离为3.4mm；所述探测器保护玻璃与冷光阑的距离2.08mm；所述冷光阑与探测器焦平面的距离为19.8mm；当焦距为66mm即系统为大视场时，所述弯月正透镜一与双凹负透镜二的距离为8.8mm；所述双凹负透镜二与平凸正透镜三的距离为35.8mm；所述平凸正透镜三与平凹负透镜四的距离为0.8mm；所述平凹负透镜四与探测器保护玻璃的距离为3.4mm；所述探测器保护玻璃与冷光阑的距离2.08mm；所述冷光阑与探测器焦平面的距离为19.8mm。

15、进一步的，所述光学系统的工作波段3.7μm～4.8μm，f数为4，为双视场光学系统，变倍比为3倍，当焦距为22mm时，视场大小为24.6°×19.5°，単像素张角≤0.45mrad，在33lp/mm处，0视场的调制传递函数值≥0.32，其余视场传递函数值≥0.25，系统畸变≤10％；当焦距为66mm时，视场大小为8.2°×6.5°，単像素张角≤0.05mrad，在33lp/mm处，0视场的调制传递函数值≥0.32，其余视场传递函数值≥0.2，系统畸变≤0.5％。

16、进一步的，所述光学系统设计时采用一次成像4片式结构形式，选用硅和锗作为透镜材料，且仅使用一个二元面和非球面实现了光学系统宽温无热化设计，在-40℃～+60℃温度范围内，当焦距为22mm时，-40℃时，在33lp/mm处，0视场的传递函数值≥0.31，其余视场的传递函数值≥0.25；20℃时，在33lp/mm处，0视场的传递函数值≥0.32，其余视场的传递函数≥0.25；+60℃时，在33lp/mm处，0视场的传递函数≥0.28，其余视场的传递函数≥0.25；当焦距为66mm时，-40℃时，在33lp/mm处，0视场的传递函数值≥0.3，其余视场的传递函数值≥0.2；20℃时，在33lp/mm处，0视场的传递函数值≥0.3，其余视场的传递函数≥0.2；+60℃时，在33lp/mm处，0视场的传递函数≥0.30，其余视场的传递函数≥0.2。

17、进一步的，所述光学总重量≤30g。

18、本发明相对于现有技术的有益效果是：

19、1、本发明所记载的光学系统的工作波段3.7μm～4.8μm，为双视场光学系统，变倍比为3倍，当焦距为22mm时，视场大小为24.6°×19.5°，全视场畸变≤10％，単像素张角≤0.45mrad，在33lp/mm处，0视场的调制传递函数值≥0.32，其余视场传递函数值≥0.25；当焦距为66mm，视场大小为8.2°×6.5°，全视场畸变≤0.5％，単像素张角≤0.05mrad，在33lp/mm处，0视场的调制传递函数值≥0.32，其余视场传递函数值≥0.2；探测器选用分辨率640×512，像素大小15μm、f数为4的中波斯特林制冷探测器，具有成像质量优良、分辨率高、大小双视场切换、探测距离远、搜索范围大、定位精度高的特点。

20、2、本发明所记载的光学系统的采用一次成像硅-锗-硅-锗4片式光学结构，仅通过轴向移动变倍组即双凹负透镜二实现双视场切换，变倍组行程为24.55mm，总重量≤30g，具有结构紧凑、行程距离短、体积小、重量轻的特点。

21、3、光学系统选用硅、锗两种最常用、稳定性好、加工工艺成熟的光学材料作为透镜材料，运用高级像差理论，有效平衡光学像差和热差之间的矛盾，仅使用一个二元面和非球面实现了光学系统宽温无热化设计，在-40℃～+60℃范围内成像质量优良，镜片数量少，透过率高，环境适应性强，成本低，适用于大批量生产。