轻小型大变倍比中波红外连续变焦光学系统的制作方法

1.本发明属于光学成像技术领域，涉及一种轻小型大变倍比中波红外连续变焦光学系统，具体涉及一种主要用于大范围搜索侦察，远距离跟踪识别的手持红外热像仪、车载红外热像仪、机载红外热像仪等方面的制冷型中波红外连续变焦光学系统。

背景技术：

2.红外热像仪具有较好的环境适应性，能够全天候工作，不容易受干扰等优点，在安防、工业监控及军事警戒等方面上得到广泛应用。近年来随着红外探测器件性能提升，制冷探测器朝尺寸小、重量轻、功耗低方向快速发展，集成小型制冷机或分置式线性制冷机的该类中波红外探测器，由于尺寸小、重量轻、可靠性高等特点，已大量应用于武器热瞄镜、便携式手持热像仪、小型无人机、无人车、遥控狙击手和遥控武器站、导弹导引头等空间受限的红外光电系统。制冷探测器的小型化促使红外连续变焦光学系统不断向更高倍率、更小尺寸包络、更轻的重量方向发展以满足各类安防、警戒、侦察、搜索、跟踪等诸多轻小型光电设备的使用需求，因此轻小型大变倍比红外连续变焦光学系统具有广泛的应用需求。
3.通过调研相关文献，目前国内制冷型中波红外连续变焦光学系统已取得较多的研究成果。例如：王海洋的“大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计”，使用10片透镜及两片反射镜u型折叠，适配640
×
512@15μm的中波制冷探测器，采用两组元正组补偿技术实现30倍f#4焦距23mm-701mm，系统尺寸为345mm
×
176mm
×
224mm的设计结果(《红外与激光工程》2013,42(2))。陈津津的“高清晰大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计”，使用8片透镜及两片反射镜u型折叠，适配640
×
512@15μm的中波制冷探测器，采用两组元正组补偿技术实现35倍f#4焦距15mm-550mm，系统尺寸为390mm
×
137.5mm
×
110mm的设计结果(《红外与激光工程》2013,42(10))。于洋的“大变倍比大相对孔径连续变焦红外光学系统研制”使用8片透镜，适配640
×
512@15μm的中波探测器，采用三组联动技术实现30倍f#2焦距6mm-330mm，光学系统总长460mm的设计结果(《红外与毫米波学报》2019,38(1))。顾宪松的“紧凑型大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计”，使用10片透镜，适配640
×
512@15μm的中波探测器，采用两组元正组补偿技术实现30倍f#4焦距18mm-550mm光学系统总长350mm的设计结果(《应用光学》2019,40(1))。彭晴晴的“一种新的红外连续变焦系统无热化设计方法”，使用6片透镜，适配640
×
512@15μm的中波探测器，采用两组元正组补偿技术实现12倍f#4.0焦距25mm-300mm，系统尺寸为200mm
×
140mm
×
110mm的设计结果(《激光与红外》2017,47(1))。
4.中国专利cn102213822a公开一种中波红外连续变焦镜头，采用两组元正组补偿技术，使用7片透镜及两片平面反射镜，可应用于640
×
512中波探测器，实现10倍f#4.0焦距50mm-500mm的设计结果。中国专利cn102590990b公开一种三组联动中波红外连续变焦光学结构，采用三组透镜非线性移动实现连续变焦，使用10片透镜，适配640
×
512@15μm的中波探测器，实现30倍f#4焦距25mm-750mm的设计结果。
5.上述文献及专利的设计结果，或使用镜片数量多，或使用多个二元衍射面，提升系统使用成本；或存在系统包络尺寸较大，难以满足轻小型使用需求；当前车载红外热像仪及
机载红外热像仪朝着轻小型、高性能、低成本趋势发展，对红外连续变焦光学系统成像质量、总体长度、系统体积提出更高的要求。因此如何克服现有技术的不足是目前光学成像技术领域亟需解决的问题。

技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种轻小型大变倍比中波红外连续变焦光学系统，采用三组联动技术的轻小型红外连续变焦光学系统能够达到减少系统体积、缩短总长、降低重量、减少镜片数量的目标，使之在导航、搜索、跟踪、侦察等军事警戒、民用安防领域得到广泛应用。
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
8.轻小型大变倍比中波红外连续变焦光学系统，包括：
9.沿光轴方向依次设置作为前固定组的正光焦度弯月透镜、作为变倍组的负光焦度双凹透镜、作为补偿组的正光焦度双凸透镜、作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜、作为后固定组的正光焦度弯月透镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、作为中继组的正光焦度双凸透镜、作为中继组的负光焦度弯月透镜；
10.前固定组的正光焦度弯月透镜凹面朝向像方；
11.作为后固定组的正光焦度弯月透镜凹面朝向像方；
12.作为中继组的负光焦度弯月透镜凹面朝向像方；
13.第一平面反射镜的法线、第二平面反射镜的法线相对光轴成45
°
角，将光路u型折转180
°
。
14.进一步，优选的是，作为前固定组的正光焦度弯月透镜材料为硅单晶；
15.作为变倍组的负光焦度双凹透镜材料为锗单晶或硫系玻璃材料；
16.作为补偿组的正光焦度双凸透镜材料为硅单晶；
17.作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜材料为锗单晶、硅单晶或硫系玻璃材料；
18.作为后固定组的正光焦度弯月透镜材料为硅单晶、硫系玻璃材料或硒化锌；
19.作为中继组的正光焦度双凸透镜材料为硅单晶、硫系玻璃材料或硒化锌；
20.作为中继组的负光焦度弯月透镜材料为硫系玻璃材料、硫化锌或硒化锌。
21.进一步，优选的是，作为前固定组的正光焦度弯月透镜为非球面正光焦度弯月透镜；
22.作为变倍组的负光焦度双凹透镜为非球面负光焦度双凹透镜；
23.作为补偿组的正光焦度双凸透镜为非球面正光焦度双凸透镜；
24.作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜为非球面负光焦度双凹透镜；
25.作为后固定组的正光焦度弯月透镜为球面正光焦度弯月透镜；
26.作为中继组的正光焦度双凸透镜为正光焦度非球面衍射透镜；
27.作为中继组的负光焦度弯月透镜为球面负光焦度弯月透镜。
28.进一步，优选的是，作为前固定组的正光焦度弯月透镜、作为变倍组的负光焦度双凹透镜、作为补偿组的正光焦度双凸透镜和作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜的焦距需满足以下条件：
29.3.2《|fl/f1|《5.6；
30.16.8《|fl/f2|《28.8；
31.10.4《|fl/f3|《20.8；
32.8.2《|fl/f4|《18.2；
33.其中，fl为光学系统长焦端的焦距，f1为作为前固定组的正光焦度弯月透镜的焦距，f2为作为变倍组的负光焦度双凹透镜的焦距、f3为作为补偿组的正光焦度双凸透镜的焦距、f4为作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜的焦距。
34.进一步，优选的是，作为补偿组的正光焦度双凸透镜和作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜在变焦过程中沿光轴向相同方向运动，实现连续变倍补偿功能。
35.进一步，优选的是，作为变倍组的负光焦度双凹透镜沿光轴方向前后移动实现视距调焦及高低温消热差。
36.本发明系统的设置以便目标景物红外辐射光线经过前作为前固定组的正光焦度弯月透镜、作为变倍组的负光焦度双凹透镜、作为补偿组的正光焦度双凸透镜、作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜、作为后固定组的正光焦度弯月透镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、作为中继组的正光焦度双凸透镜及作为中继组的负光焦度弯月透镜，汇聚至中波制冷探测器窗口，成像在中波制冷探测器焦平面上。
37.作为变倍组的负光焦度双凹透镜、作为补偿组的正光焦度双凸透镜、作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜均可轴向移动，实现连续变焦，即：作为变倍组的负光焦度双凹透镜从靠近作为前固定组的正光焦度弯月透镜位置向作为后固定组的正光焦度弯月透镜方向移动时，作为补偿组的正光焦度双凸透镜和作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜按照补偿曲线，从靠近作为后固定组的正光焦度弯月透镜位置向作为前固定组的正光焦度弯月透镜方向非线性移动补偿，在相应变焦过程中，系统焦距从短焦连续变大到长焦；当作为变倍组的负光焦度双凹透镜靠近作为前固定组的正光焦度弯月透镜时，系统处于短焦位置，当作为变倍组的负光焦度双凹透镜靠近作为补偿组的正光焦度双凸透镜时，系统处于长焦位置。
38.本发明作为变倍组的负光焦度双凹透镜具备沿光轴方向前后移动的调焦功能，通过调焦可补偿高、低温环境下系统离焦。
39.本系统采用三组联动变焦技术压缩30倍中波红外连续变焦光学系统总长并采用两片平面反射镜u型折转光路再次压缩系统纵向长度实现系统小型化。
40.本发明中，作为前固定组的正光焦度弯月透镜、作为变倍组的负光焦度双凹透镜、作为补偿组的正光焦度双凸透镜、作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜、作为后固定组的正光焦度弯月透镜、作为中继组的正光焦度双凸透镜、作为中继组的负光焦度弯月透镜的光焦度分别为正、负、正、负、正、正、负的光学结构布局。
41.本发明系统变焦范围为14.8mm-460mm，系统f数适用范围为3.5～5.5，系统体积包络≤208mm(长)
×
136mm(宽)
×
120mm(高)，系统总重量≤236g。
42.本发明系统适配的制冷中波红外焦平面探测器可适用规格为：384
×
288/25μm、640
×
512/15μm、640
×
512/17μm、1024
×
768/10μm等制冷型中波红外焦平面探测器；适用波长范围为：中波3.7μm-4.8μm、中波3.2μm-4.3μm、中波3.0μm-5.0μm。
43.本发明通过采用三组联动变焦技术实现七片透镜的制冷型中波红外光学系统30倍连续变焦功能；通过采用二次成像技术约束前固定组口径并实现系统100％冷屏效率；采
用两片平面反射镜压缩纵向长度实现系统小型化；通过主动调焦补偿的消热差技术，实现连续变焦光学系统在高低温情况下成像清晰。
44.本发明的关键点：
45.本发明光学系统采用三组联动连续变焦技术减少透镜数量、压缩系统总长，共七片透镜，实现30倍轻小型制冷中波红外连续变焦功能。
46.本发明采用两组补偿组沿光轴方向同向移动补偿技术，实现连续变焦补偿功能，简化凸轮设计技术或伺服控制技术。
47.本发明光学系统在低温-45℃及高温+70℃环境下，通过变倍组负光焦度双凹透镜主动调焦达到成像清晰。
48.本发明光学系统通过采用光学两次聚焦成像约束前固定组正光焦度弯月透镜直径，降低光学零件尺寸，并实现100％冷屏效率。
49.本发明光学系统采用两片平面反射镜u型折转光路，压缩纵向长度，将30倍轻小型制冷中波红外连续变焦光学系统纵向长度限制在208mm范围内。
50.本发明与现有技术相比，其有益效果为：
51.采用本发明轻小型大变倍比中波红外连续变焦光学系统，仅通过七片透镜就能实现红外光学系统30倍连续变焦功能。通过采用光学两次聚焦成像约束前固定组正光焦度弯月透镜直径，降低光学零件尺寸，并实现100％冷屏效率，提升成像质量；通过变倍组主动调焦消热，系统在-45℃～70℃范围内保持较好的成像质量。
52.本发明系统变焦范围为14.8mm～460mm，系统包络≤208mm(长)
×
136mm(宽)
×
120mm(高)，系统总重量≤236g，实现大变倍比变焦光学系统轻小型化。整个系统具有透镜数量少，轴向尺寸短，重量轻，体积小，成本低，透过率高等优点。
附图说明
53.图1为本发明系统变焦过程示意图。
54.图2为本发明实施例一小视场460mm焦距光学系统图。
55.图3为本发明实施例一中小视场275mm焦距光学系统图。
56.图4为本发明实施例一中视场109mm焦距光学系统图。
57.图5为本发明实施例一大视场14.8mm焦距光学系统图。
58.图6为本发明实施例一小视场460mm焦距调制传递函数图。
59.图7为本发明实施例一中小视场275mm焦距调制传递函数图。
60.图8为本发明实施例一中视场109mm焦距调制传递函数图。
61.图9为本发明实施例一大视场14.8mm焦距调制传递函数图。
62.图10为本发明实施例二-45℃时小视场460mm焦距调制传递函数图。
63.图11为本发明实施例二+70℃时小视场460mm焦距调制传递函数图。
64.图12为本发明实施例一变倍组、补偿组、第二补偿组变焦过程的凸轮曲线图。
具体实施方式
65.下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
66.本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发
明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
67.实施例1
68.如图2～5所示，轻小型大变倍比中波红外连续变焦光学系统，其特征在于，包括：
69.沿光轴方向依次设置作为前固定组的正光焦度弯月透镜1、作为变倍组的负光焦度双凹透镜2、作为补偿组的正光焦度双凸透镜3、作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4、作为后固定组的正光焦度弯月透镜5、第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、作为中继组的正光焦度双凸透镜8-2、作为中继组的负光焦度弯月透镜8-1；
70.前固定组的正光焦度弯月透镜1凹面朝向像方；
71.作为后固定组的正光焦度弯月透镜5凹面朝向像方；
72.作为中继组的负光焦度弯月透镜8-1凹面朝向像方；
73.第一平面反射镜6的法线、第二平面反射镜7的法线相对光轴成45
°
角，将光路u型折转180
°
。
74.实施例2
75.如图2～5所示，轻小型大变倍比中波红外连续变焦光学系统，其特征在于，包括：
76.沿光轴方向依次设置作为前固定组的正光焦度弯月透镜1、作为变倍组的负光焦度双凹透镜2、作为补偿组的正光焦度双凸透镜3、作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4、作为后固定组的正光焦度弯月透镜5、第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、作为中继组的正光焦度双凸透镜8-2、作为中继组的负光焦度弯月透镜8-1；
77.前固定组的正光焦度弯月透镜1凹面朝向像方；
78.作为后固定组的正光焦度弯月透镜5凹面朝向像方；
79.作为中继组的负光焦度弯月透镜8-1凹面朝向像方；
80.第一平面反射镜6的法线、第二平面反射镜7的法线相对光轴成45
°
角，将光路u型折转180
°
。
81.作为前固定组的正光焦度弯月透镜1材料为硅单晶；
82.作为变倍组的负光焦度双凹透镜2材料为锗单晶或硫系玻璃材料；
83.作为补偿组的正光焦度双凸透镜3材料为硅单晶；
84.作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4材料为锗单晶、硅单晶或硫系玻璃材料；
85.作为后固定组的正光焦度弯月透镜5材料为硅单晶、硫系玻璃材料或硒化锌；
86.作为中继组的正光焦度双凸透镜8-2材料为硅单晶、硫系玻璃材料或硒化锌；
87.作为中继组的负光焦度弯月透镜8-1材料为硫系玻璃材料、硫化锌或硒化锌。
88.作为前固定组的正光焦度弯月透镜1为非球面正光焦度弯月透镜；
89.作为变倍组的负光焦度双凹透镜2为非球面负光焦度双凹透镜；
90.作为补偿组的正光焦度双凸透镜3为非球面正光焦度双凸透镜；
91.作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4为非球面负光焦度双凹透镜；
92.作为后固定组的正光焦度弯月透镜5为球面正光焦度弯月透镜；
93.作为中继组的正光焦度双凸透镜8-2为正光焦度非球面衍射透镜；
94.作为中继组的负光焦度弯月透镜8-1为球面负光焦度弯月透镜。
95.作为前固定组的正光焦度弯月透镜1、作为变倍组的负光焦度双凹透镜2、作为补偿组的正光焦度双凸透镜3和作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4的焦距需满足以下条件：
96.3.2《|fl/f1|《5.6；
97.16.8《|fl/f2|《28.8；
98.10.4《|fl/f3|《20.8；
99.8.2《|fl/f4|《18.2；
100.其中，fl为光学系统长焦端的焦距，f1为作为前固定组的正光焦度弯月透镜1的焦距，f2为作为变倍组的负光焦度双凹透镜2的焦距、f3为作为补偿组的正光焦度双凸透镜3的焦距、f4为作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4的焦距。
101.作为补偿组的正光焦度双凸透镜3和作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4在变焦过程中沿光轴向相同方向运动，实现连续变倍补偿功能。
102.作为变倍组的负光焦度双凹透镜2沿光轴方向前后移动实现视距调焦及高低温消热差。
103.应用实例1
104.本发明提供的轻小型大变倍比中波红外连续变焦光学系统，如图2所示，是在由景物目标辐射出的中波红外光线路径上所确定的光轴方向上，从物方到像方依次设置：作为前固定组的正光焦度弯月透镜1、作为变倍组的负光焦度双凹透镜2、作为补偿组的正光焦度双凸透镜3、作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4、作为后固定组的正光焦度弯月透镜5、第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、作为中继组的正光焦度双凸透镜8-2、作为中继组的负光焦度弯月透镜8-1、中波制冷探测器窗口9，成像于中波制冷探测器焦平面10；以便目标景物红外辐射光线经过前作为前固定组的正光焦度弯月透镜1、作为变倍组的负光焦度双凹透镜2、作为补偿组的正光焦度双凸透镜3、作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4、作为后固定组的正光焦度弯月透镜5、第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、作为中继组的正光焦度双凸透镜8-2及作为中继组的负光焦度弯月透镜8-1，汇聚至中波制冷探测器窗口9，成像在中波制冷探测器焦平面10上。
105.所述光学系统具体参数如表1所示。
106.表1中，前表面、后表面指沿光轴方向各光学元件接近景物的一面为前表面，朝向制冷探测器焦平面的一面为后表面；曲率半径指每个光学透镜前表面、后表面的曲率半径；中心厚度指每个光学透镜的中心厚度；间距指沿光轴方向每个光学透镜后表面中心与相邻光学透镜前表面中心距离；材料是光学元件所用光学材料；非球面参数为光学透镜非球面表面的偶次非球面方程系数。
107.表1中a为方程四次方系数、b为方程六次方系数、c为方程八次方系数，偶次非球面方程定义如下：
[0108][0109]
式中，z为非球面沿光轴方向的透镜矢高；c0为光学透镜表面顶点曲率；k为二次曲线常数；y为透镜垂直于光轴方向的半口径；a、b、c、d为系数(表1中d＝0)；
[0110]
表1光学系统参数表(单位：mm)
[0111][0112][0113]
衍射系数为光学透镜非球面衍射表面的衍射面方程系数；
[0114]
衍射面方程为：φ＝h1y2+h2y4+h3y6[0115]
其中，φ为衍射面的位相；y为透镜垂直于光轴方向的半口径；h1、h2、h3为衍射面位相系数(表1中h3＝0)。
[0116]
所述系统变焦过程示意图如图1所示，所述系统从大视场短焦位置向小视场长焦位置变焦时，作为变倍组的负光焦度双凹透镜2从靠近作为前固定组的正光焦度弯月透镜1位置向作为补偿组的正光焦度双凸透镜3方向移动，作为补偿组的正光焦度双凸透镜3从靠近作为后固定组的正光焦度弯月透镜5位置向作为变倍组的负光焦度双凹透镜2方向移动补偿，作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4负光焦度双凹透镜与作为补偿组的正光焦度双凸透镜3同时同向运动，在相应变焦过程中，系统焦距连续变大；当作为变倍组的负光焦度双凹透镜2靠近作为前固定组的正光焦度弯月透镜1时，系统处于短焦位置，当作为变倍组的负光焦度双凹透镜2靠近作为补偿组的正光焦度双凸透镜3时，系统处于长焦位置。
[0117]
如图5所示，当作为变倍组的负光焦度双凹透镜2靠近作为前固定组的正光焦度弯月透镜1位置时，构成系统14.8mm短焦距大视场光路，作为前固定组的正光焦度弯月透镜1与作为变倍组的负光焦度双凹透镜2间隔17.8mm，作为变倍组的负光焦度双凹透镜2与作为补偿组的正光焦度双凸透镜3间隔72.2mm，作为补偿组的正光焦度双凸透镜3与作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4间隔4.2mm，作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4间隔作为后固定组的正光焦度弯月透镜5间隔4.5mm。
[0118]
当作为变倍组的负光焦度双凹透镜2向作为补偿组的正光焦度双凸透镜3方向移动，同时作为补偿组的正光焦度双凸透镜3和作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4向作为变倍组的负光焦度双凹透镜2方向移动，位置移动情况如图4所示，此时构成系统109mm焦距中视场光路，作为前固定组的正光焦度弯月透镜1与作为变倍组的负光焦度双凹透镜2间隔63.9mm，作为变倍组的负光焦度双凹透镜2与作为补偿组的正光焦度双凸透镜3间隔52.8mm，作为补偿组的正光焦度双凸透镜3与作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4间隔9.8mm，作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4与作为后固定组的正光焦度弯月透镜5间隔28.6mm。
[0119]
当作为变倍组的负光焦度双凹透镜2继续向作为补偿组的正光焦度双凸透镜3方向移动，同时作为补偿组的正光焦度双凸透镜3和作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4继续向作为变倍组的负光焦度双凹透镜2方向移动，位置移动情况如图3所示，此时构成系统275mm焦距中小视场光路，作为前固定组的正光焦度弯月透镜1与作为变倍组的负光焦度双凹透镜2间隔68.5mm，作为变倍组的负光焦度双凹透镜2与作为补偿组的正光焦度双凸透镜3间隔19.2mm，作为补偿组的正光焦度双凸透镜3与作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4间隔21.0mm，作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4与作为后固定组的正光焦度弯月透镜5间隔46.4mm。
[0120]
当作为变倍组的负光焦度双凹透镜2继续向作为补偿组的正光焦度双凸透镜3方向移动，同时作为补偿组的正光焦度双凸透镜3和作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4继续向作为变倍组的负光焦度双凹透镜2方向移动，位置移动情况如图2所示，此时构成系统460mm焦距小视场光路，作为前固定组的正光焦度弯月透镜1与作为变倍组的负光焦度双凹透镜2间隔72.5mm，作为变倍组的负光焦度双凹透镜2与作为补偿组的正光焦度双凸透镜3间隔5.0mm，作为补偿组的正光焦度双凸透镜3作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4间隔
30.4mm，作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4与作为后固定组的正光焦度弯月透镜5间隔47.2mm。
[0121]
所述系统适配640
×
512/15μm，f数为4的制冷型中波红外焦平面探测器10处于14.8mm短焦大视场时，系统光学调制传递函数如图9所示，所述系统处于109mm焦距中视场时系统光学调制传递函数如图8所示，所述系统处于275mm焦距中小视场时系统光学调制传递函数如图7所示，所述系统处于460mm焦距小视场时系统光学调制传递函数如图6所示，整个变焦过程成像质量始终保持良好，图像清晰。
[0122]
所述作为变倍组的负光焦度双凹透镜2与作为补偿组的正光焦度双凸透镜3及作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4在变焦过程中的运动凸轮曲线如图12所示，作为变倍组的负光焦度双凹透镜2最大行程54.7mm，作为补偿组的正光焦度双凸透镜3最大行程72.5mm，作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4最大行程42.7mm，凸轮曲线平滑、易于伺服控制。
[0123]
应用实例2
[0124]
本发明提供的轻小型大变倍比中波红外连续变焦光学系统，如图2所示，是在由景物目标辐射出的中波红外光线路径上所确定的光轴方向上，从物方到像方依次设置：作为前固定组的正光焦度弯月透镜1、作为变倍组的负光焦度双凹透镜2、作为补偿组的正光焦度双凸透镜3、作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4、作为后固定组的正光焦度弯月透镜5、第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、作为中继组的正光焦度双凸透镜8-2及负光焦度弯月透镜8-1、中波制冷探测器窗口9，成像于中波制冷探测器焦平面10；以便目标景物红外辐射光线经过前作为前固定组的正光焦度弯月透镜1、作为变倍组的负光焦度双凹透镜2、作为补偿组的正光焦度双凸透镜3、作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4、作为后固定组的正光焦度弯月透镜5、第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、作为中继组的正光焦度双凸透镜8-2及负光焦度弯月透镜8-1，汇聚至中波制冷探测器窗口9，成像在中波制冷探测器焦平面10上。
[0125]
当作为变倍组的负光焦度双凹透镜2靠近作为补偿组的正光焦度双凸透镜3位置，同时作为补偿组的正光焦度双凸透镜3和作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4靠近作为变倍组的负光焦度双凹透镜2位置，位置情况如图2所示，此时构成系统460mm焦距小视场光路，作为前固定组的正光焦度弯月透镜1与作为变倍组的负光焦度双凹透镜2间隔72.5mm，作为变倍组的负光焦度双凹透镜2与作为补偿组的正光焦度双凸透镜3间隔5.0mm，作为补偿组的正光焦度双凸透镜3作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4间隔30.4mm，作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜4与作为后固定组的正光焦度弯月透镜5间隔47.2mm。
[0126]
当系统处于低温-45℃时，通过将作为变倍组的负光焦度双凹透镜2沿光轴方向向后移动0.32mm进行调焦补偿，调焦补偿后的系统光学调制传递函数如图10所示，系统成像清晰。
[0127]
当系统处于高温+70℃时，通过将作为变倍组的负光焦度双凹透镜2沿光轴方向向前移动0.28mm进行调焦补偿，调焦补偿后的系统光学调制传递函数如图11所示，系统成像清晰。
[0128]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本
发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：

1.轻小型大变倍比中波红外连续变焦光学系统，其特征在于，包括：沿光轴方向依次设置作为前固定组的正光焦度弯月透镜（1）、作为变倍组的负光焦度双凹透镜（2）、作为补偿组的正光焦度双凸透镜（3）、作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜（4）、作为后固定组的正光焦度弯月透镜（5）、第一平面反射镜（6）、第二平面反射镜（7）、作为中继组的正光焦度双凸透镜（8-2）、作为中继组的负光焦度弯月透镜（8-1）；第一平面反射镜（6）的法线、第二平面反射镜（7）的法线相对光轴成45
°
角，将光路u型折转180
°
。2.根据权利要求1所述的轻小型大变倍比中波红外连续变焦光学系统，其特征在于：作为前固定组的正光焦度弯月透镜（1）材料为硅单晶；作为变倍组的负光焦度双凹透镜（2）材料为锗单晶或硫系玻璃材料；作为补偿组的正光焦度双凸透镜（3）材料为硅单晶；作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜（4）材料为锗单晶、硅单晶或硫系玻璃材料；作为后固定组的正光焦度弯月透镜（5）材料为硅单晶、硫系玻璃材料或硒化锌；作为中继组的正光焦度双凸透镜（8-2）材料为硅单晶、硫系玻璃材料或硒化锌；作为中继组的负光焦度弯月透镜（8-1）材料为硫系玻璃材料、硫化锌或硒化锌。3.根据权利要求1所述的轻小型大变倍比中波红外连续变焦光学系统，其特征在于：作为前固定组的正光焦度弯月透镜（1）为非球面正光焦度弯月透镜；作为变倍组的负光焦度双凹透镜（2）为非球面负光焦度双凹透镜；作为补偿组的正光焦度双凸透镜（3）为非球面正光焦度双凸透镜；作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜（4）为非球面负光焦度双凹透镜；作为后固定组的正光焦度弯月透镜（5）为球面正光焦度弯月透镜；作为中继组的正光焦度双凸透镜（8-2）为正光焦度非球面衍射透镜；作为中继组的负光焦度弯月透镜（8-1）为球面负光焦度弯月透镜。4.根据权利要求1所述的轻小型大变倍比中波红外连续变焦光学系统，其特征在于：作为前固定组的正光焦度弯月透镜（1）、作为变倍组的负光焦度双凹透镜（2）、作为补偿组的正光焦度双凸透镜（3）和作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜（4）的焦距需满足以下条件：3.2<|fl/f1|<5.6；16.8<|fl/f2|<28.8；10.4<|fl/f3|<20.8；8.2<|fl/f4|<18.2；其中，fl为光学系统长焦端的焦距，f1为作为前固定组的正光焦度弯月透镜（1）的焦距，f2为作为变倍组的负光焦度双凹透镜（2）的焦距、f3为作为补偿组的正光焦度双凸透镜（3）的焦距、f4为作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜（4）的焦距。5.根据权利要求1所述的轻小型大变倍比中波红外连续变焦光学系统，其特征在于：作为补偿组的正光焦度双凸透镜（3）和作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜（4）在变焦过程中沿光轴向相同方向运动，实现连续变倍补偿功能。6.根据权利要求1所述的轻小型大变倍比中波红外连续变焦光学系统，其特征在于：作为变倍组的负光焦度双凹透镜（2）沿光轴方向前后移动实现视距调焦及高低温消热差。

技术总结

本发明涉及一种轻小型大变倍比中波红外连续变焦光学系统，属于光学成像技术领域。该系统包括：沿光轴方向依次设置作为前固定组的正光焦度弯月透镜、作为变倍组的负光焦度双凹透镜、作为补偿组的正光焦度双凸透镜、作为第二补偿组的负光焦度双凹透镜、作为后固定组的正光焦度弯月透镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、作为中继组的正光焦度双凸透镜和负光焦度弯月透镜。本发明光学系统具有变倍范围大、尺寸包络小、系统重量轻等特点，在导航、搜索、跟踪、警戒、侦察等安防领域具有广阔的应用前景。前景。前景。