CN101620312B - 长波红外连续变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长波红外连续变焦镜头，包括：具有正屈光度的一个第一透镜群与具有负屈光度的一个第二透镜群，具有正屈光度的一个第三透镜群，具有正屈光度的第四透镜群；第一透镜群为固定组，由一片凸面朝向物侧的弯月型锗透镜构成；第二透镜群与第三透镜群组成改变系统焦距的变焦组；其中第二透镜群是由一片凹面朝向物侧的平凹型的硒化锌负透镜和一片双凹型锗透镜构成；第三透镜群由一片凸面朝向物侧的弯月型锗透镜构成；第四透镜群为对焦组，是由一片凸面朝向物侧的弯月型锗透镜构成；其中，所述变焦镜头的焦距为F0；第一透镜群的焦距为F1，且0.25＜F0/F1＜0.75。本发明结构较为简单且易于制作加工，可有效降低生产成本。

Description

长波红外连续变焦镜头

技术领域

本发明涉及一种长波红外镜头，特别是涉及用于非制冷型探测器的长波红外连续变焦镜头。

背景技术

近年来，红外技术的应用范围蓬勃发展。非制冷型探测器由于其具有价格低、体积小、重量轻、功耗低、可靠性强等优点，已广泛用于国防、治安、工业检测等领域。在许多特殊场合，红外定焦镜头已不能满足需要。本成像系统的核心组件之一为红外变焦镜头，通过移动不同的透镜组实现连续变焦，同时保持像面的清晰。可以达到大视场搜索目标，变焦过程中跟踪目标，小视场仔细观察目标的目的，在民用和军用领域有着良好的应用前景。

之前用于非制冷型探测器的长波红外连续变焦镜头的镜片数基本上都多于五片，例如：长春理工大学的白玉琢等人在长春理工大学学报第30卷第1期24-27页报导了一种长波红外变焦光学系统，系统焦距为50mm-175mm，该系统使用了六片镜片，包括一片硒化锌镜片。此外，华北光电研究所的李荣刚等人在激光与红外杂志第36卷第4期275-277页报导了一种使用5片锗镜片实现了长波红外连续变焦的光学系统。该系统的焦距为30mm-90mm，适用于160×120元35μm的探测器。该系统存在下列问题：其一，它在长焦位置的色差没有得到矫正，像质一般；其二，该系统不适用于更大面元数的探测器；其三，系统的长焦焦距只有90mm，有效的探测作用距离有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种长波红外连续变焦镜头，在尽可能提高探测作用距离及提高像质的基础上，降低成本和系统的体积，并且达到良好的成像效果。

本发明是采用以下技术手段实现的：

本发明一种红外变焦镜头，由物方到成像方依次包括具有正屈光度的一第一透镜群与具有负屈光度的一第二透镜群，具有正屈光度的一第三透镜群，具有正屈光度的第四透镜群。第一透镜群为固定组，由一片凸面朝向物侧的弯月型锗透镜构成，用于汇聚收光。第二透镜群与第三透镜群为变焦组，用于改变系统的焦距，增加变倍倍率。其中第二透镜群是由一片凹面朝向物侧的平凹型的硒化锌负透镜和一片双凹型锗透镜构成；第三透镜群由一片凸面朝向物侧的弯月型锗透镜构成，用于汇聚收光。第四透镜群为对焦组，是由一片凸面朝向物侧的弯月型锗透镜构成，其作用有二：一是补偿系统在变焦过程中的像面位置的偏移，二是补偿不同物距下像面位置的偏移。整个镜头由五片透镜组成，其中，第二透镜群包括有一非球面的硒化锌透镜和第三透镜群为有一非球面的锗透镜，其余两片均为球面锗透镜。另外，变焦镜头的焦距为F0，第一透镜群的焦距为F1，且0.25＜F0/F1＜0.75。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

本发明因为只有五片镜片，只有两个非球面，而且避免了把非球面设在口径较大的第一片镜上。所以结构较为简单且易于制作加工，可有效降低生产成本。此外，在第二透镜群内设置了一片硒化锌透镜，有效地改善了系统的色差。另外，将F0/F1的数值限制在0.25至0.75之间可使整个变焦镜头具有良好的变焦效果，且可在维持良好成像质量的前提下，使变焦镜头的结构更为紧凑。

第一透镜群为固定群，可用于镜头的密封；其仅有一片球面的锗镜构成，所以结构较为简单且易于制作，可有效降低生产成本。

因F0/F1的数值在0.25至0.75之间，所以可在维持良好成像质量的前提下，使变焦镜头的结构更为紧凑。

第二透镜的材质选择硒化锌用于矫正色差，改善像质。

本发明变焦镜头的F数较小，所以相对孔径较大。

本发明的变焦透镜仅采用五片透镜外加两个口径较小的非球面即可达到小F数且长焦焦距比较大的变焦镜头，从而有效地降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明变焦镜头在望远端的示意图；

图2是本发明变焦镜头在广角端的示意图；

图3A至图3D为变焦镜头在广角端的成像光学仿真数据图；

图4A至图4C为变焦镜头在广角端的成像光学仿真数据图。

主要组件符号说明

100：变焦镜头

110：第一透镜群

112：第一透镜

120：第二透镜群

122：第二透镜

124：第三透镜

130：第三透镜群

132：第四透镜

140：第四透镜群

142：第五透镜

150：示意为物侧端

160：示意为像侧端

S1～S10：表面

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例加以说明：

图1和图2分别是本发明一实施例的变焦镜头在望远端(tele-end)及广角端(wide-end)的示意图，其中图1上半部是变焦镜头在望远端的示意图，而图1下半部是变焦镜头在广角端的示意图。请参照图1，本实例的变焦镜头100包括具有正屈光度的一第一透镜群110与具有负屈光度的一第二透镜群120，具有正屈光度的一第三透镜群130，具有正屈光度的第四透镜群140。其中，第一透镜群为固定群，包括具有正屈光度的一第一透镜112，而此第一透镜112为凸面朝向物侧的弯月型锗透镜。另外，变焦镜头100满足如下条件：0.25＜F0/F1＜0.75，其中F0为变焦镜头100的焦距，F1为第一透镜群110的焦距。

由于第一透镜群110仅有一片透镜，其结构较为简单且容易制作，所以能有效降低生产成本。另外，将F0/F1的数值限制在0.25至0.75之间可使整个变焦镜头100具有良好的变焦效果，且可在维持良好成像质量的前提下，使变焦镜头的结构更为紧凑。

第二透镜群120和第三透镜群130为变焦群，适于在第一透镜群110与第四透镜群140之间移动。具体而言，欲将变焦镜头100的倍率自望远端调整至广角端时，则使第二透镜群120朝物侧150移动，第三透镜群先朝像160侧移动，再朝物侧150移动，同时，作为对焦组的第四透镜群140，为了有效的补偿像面位置的偏移，先朝物侧150移动，再朝像侧160移动；欲将变焦镜头100的倍率自广角端调整至望远端时，则使第二透镜群120朝像侧160移动，第三透镜群先朝物侧150移动，再朝像侧160移动，同时，作为对焦组的第四透镜群140，为了有效的补偿像面位置的偏移，先朝像侧160移动，再朝物侧150移动。当物距发生改变时，可借由移动第四透镜群140使像质清晰。

在本实施例中，第二透镜群120包括第二透镜122和第三透镜124。具体而言，第二透镜122为凹面朝向物侧150的平凹型的硒化锌负透镜，第三透镜124为双凹型锗透镜。第三透镜群130包括具有正屈光度的一第四透镜132，而此第四透镜132为凸面朝向物侧的弯月型锗透镜。第四透镜群140包括具有正屈光度的一第五透镜142，而此第五透镜142为凸面朝向物侧150的弯月型锗透镜。

承上述，为了降低色差，第二透镜122选用了硒化锌透镜。此外，为了改善球差、慧差和像散，第二透镜122和第四透镜142都各采用了一面非球面。

在本实施例中，变焦镜头100还包括一可变的孔径光阑(未示出)，其可配置于第一透镜112靠近物侧150的表面S1上、第四透镜132靠近物侧150的表面S7上。

值得一提的是，本实施例的变焦镜头100只有五片镜片，只有两个非球面，而且避免了把非球面设在口径较大的第一片镜上。所以结构较为简单且易于制作加工，可有效降低生产成本。

以下表一内容将举出变焦镜头100的一优选实施例。

<表一>

表  面	曲率半径  (mm)	间距(mm)	玻璃材料	备注
					S1	263.15	9.2	Germanium	第一透镜
S2	499	可变间距  T1	Air
					S3	-566.543	4.5	Znse	第二透镜
S4	Infinity	2.22	Air

[0043]

S5	-314.8	3.6	Germanium	第三透镜
					S6	314.8	可变间距  T2	Air
S7	103.433	8.5	Germanium	第四透镜
					S8	223.9	可变间距  T3	Air
S9	34.99	5.4	Germanium	第五透镜
					S10	40.04	可变间距  T4	Air

在表一中，曲率半径是指每个表面的曲率半径，间距是指两相邻表面间的距离，举例来说，表面S1的间距，即表面S1至表面S2间的距离。备注栏中各透镜所对应的厚度、玻璃材料请参同列中各间距、玻璃材料对应的数值。此外，在表一中，表面S1、S2分别为第一透镜112远离与邻近第二透镜122的表面；表面S3、S4分别为第二透镜122远离与邻近第三透镜124的表面；表面S5、S6分别为第三透镜124远离与邻近第四透镜132的表面；表面S7、S8分别为第四透镜132远离与邻近第五透镜142的表面；表面S9、S10分别为第五透镜142邻近与远离第四透镜132的表面。

表二列出了第二透镜122的表面S3和第四透镜132的表面S7的非球面系数。

<表二>

表  面	K	A	B	C
					S3	9.960722	1.647706e-7	-1.72033e-11	8.089738e-15
S7	-2.949858	2.100379e-7	-1.361033e-11	9.558112e-16

非球面以面定点为基准的光轴方向的位变定义如下：

Z＝(1/R)Y^2/[1+【1-(1+K)(Y/R)^2】^1/2]+A(Y^4)+B(Y^6)+C(Y^8)这里，

Z：光轴方向的位变

Y：光轴的高

R：近轴曲率半径

K：Conic系数

A、B、C：非球面系数

^2：二次方

^4：四次方

^6：六次方

^8：八次方

在表三中分别列出变焦镜头100于望远端及广角端时的一些重要参数值，

<表三>

在表三中包括有效焦距、F数、视场角及可变间距T1、T2、T3、T4。此外在此优选实施例中，孔径光阑的位置是可变的：在望远端，孔径光阑配置于第一透镜112靠近物侧的表面S1上；在广角端，孔径光阑配置于第四透镜132靠近物侧150的表面S7上。值得注意的是，相较于传统技术，由于本实施例的变焦镜头100的F数最大值为1，最小可达0.85甚至更小，所以光圈较大且相对孔径较大，而且本实施例中仅采用五片透镜外加两个口径较小的非球面即可达到小F数且长焦焦距比较大的变焦镜头，相较于传统需利用较多的透镜和非球面来消除像差才能达到，本

发明可具有降低生产成本及简化镜头结构的功效。

图3A至图3C为变焦镜头在望远端的成像光学仿真数据图，其中图3A为光学传递函数(modulation transfer function，MTF)曲线图，且其横轴为每毫米的线对数(line pair per millimeter)，纵轴为对比度数值，图3B为场曲和畸变图，图3C为横向色差(lateral color)，图3D为横向光线像差图(transverse ray aberrationplot)。从图3A至图3D的图形可看出所测得的MTF曲线图、场曲和畸变图、横向色差图以及横向光线像差图的图形均在标准的范围内。

图4A至图4C为变焦镜头在广角端的成像光学仿真数据图，其中图4A为光学传递函数(modulation transfer function，MTF)曲线图，且其横轴为每毫米的线对数(line pair per millimeter)，纵轴为对比度数值，图4B为场曲和畸变图，图4C为横向色差(lateral color)，图4D为横向光线像差图(transverse ray aberrationplot)。从图4A至图4D的图形可看出所测得的MTF曲线图、场曲和畸变图、横向色差图以及横向光线像差图的图形均在标准的范围内。

由此可见，本发明的变焦镜头200具有良好的成像质量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种长波红外连续变焦镜头，包括：具有正屈光度的一个第一透镜群与具有负屈光度的一个第二透镜群，具有正屈光度的一个第三透镜群，具有正屈光度的第四透镜群；其特征在于：

所述的第一透镜群为固定组，由一片凸面朝向物侧的弯月型锗透镜构成；第二透镜群与第三透镜群组成改变系统焦距的变焦组；其中第二透镜群是由一片凹面朝向物侧的平凹型的硒化锌负透镜和一片双凹型锗透镜构成；第三透镜群由一片凸面朝向物侧的弯月型锗透镜构成；第四透镜群为对焦组，是由一片凸面朝向物侧的弯月型锗透镜构成；

其中，所述变焦镜头的焦距为F0；第一透镜群的焦距为F1，且0.25＜F0/F1＜0.75。

2.根据权利要求1所述的长波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述第二透镜群包括两个透镜，这些透镜中至少一片的屈光度为负且含有一片硒化锌镜片。

3.根据权利要求2所述的长波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述第二透镜群含有一非球面镜片。

4.根据权利要求1所述的长波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述第三透镜群含有一非球面镜片。

5.根据权利要求1所述的长波红外连续变焦镜头，其特征在于：还包括一孔径光阑，在望远端可配置于一第一透镜群的镜片靠近物侧的表面上，在广角端可配置于一第三透镜群的镜片靠近物侧的表面上。

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