CN101950067A - 一种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，沿光轴从物方至像方依次设置有四个透镜，其中，所述第一透镜与第三透镜是固定在光轴上并且不能够移动，所述第二透镜和第四透镜能够沿着光轴进行移动，其中，第二透镜为变倍透镜、第四透镜是补偿透镜。第二透镜与第三透镜之间有固定的系统光阑。本发明通过采用四个镜片实现高倍比变焦，进而使得系统的结构变得更为紧凑，重量更轻，加工成本更低，系统装配更简单。此外，由于在本发明的透镜组之中，采用固定的系统光阑方式，使得所述长波红外连续变焦镜头在变焦的过程中始终保持固定的F数，进而解决了传统的设计在变焦过程中系统的灵敏度变化问题，实践证明，该种技术方案具有较好的应用效果。

Description

一种长波红外连续变焦镜头

技术领域

本发明涉及一种变焦镜头，尤其涉及一种用于非制冷型探测器紧凑型长波红外连续变焦镜头。

背景技术

目前，连续变焦镜头的发展以及应用越来越为广泛。尤其是应用在非制冷型探测器上的长波红外连续变焦镜头，更是得到了越来越多的使用。

这是因为，首先、长波红外非制冷探测器技术越来越为成熟；第二、非制冷型探测器具有结构紧凑、功耗小、成本低等特点；这些特点决定了非制冷探测器在军用和民用各领域得到广泛的应用。

其中，其配置的红外连续变焦镜头通过移动镜片组能在一定范围内改变系统焦距，使得像面景物的大小连续可变，达到大视场搜索目标，小视场观察目标的目的，具有良好的应用前景。

现有公开技术中，非制冷长波红外连续变焦镜头镜片数量大都5片以及5片以上，并且，镜头在连续变焦过程中相对孔径不固定，存在连续变焦系统长度长、安装调试困难、成本高等问题。

发明内容

针对传统上的变焦镜头的变焦系统长度长、在连续变焦过程中焦距数不固定的不足，本发明提供了一种长波红外连续变焦镜头，该变焦镜头具有结构紧凑、透过率高的技术优点，并且，所述变焦镜头通过4片镜片能够实现4倍甚至5倍的变倍比，解决了现有连续变焦镜头在变焦过程中焦距数不固定的问题，具有较好的技术优点。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下面所描述：

一种长波红外连续变焦镜头，沿光轴从物方至像方依次设置有四个透镜，其中，所述第一透镜与第三透镜是固定在光轴上并且不能够移动，所述第二透镜和第四透镜能够沿着光轴进行移动，其中，第二透镜为变倍透镜、第四透镜是补偿透镜。

进一步地，所述第一透镜的直径和系统总长满足下列的表达式：

1.1＜(D1/FNO)/ft＜1.2以及

TT/ft＜1.5；

其中，D1为第一透镜的直径；

FNO为长波红外连续变焦透镜的F数；

ft为长波红外连续变焦镜头的长焦状态时的焦距；

TT为第一透镜中物方表面中心顶点到像面的距离。

进一步地，所述第一透镜、第二透镜、第四透镜满足下列的表达式：

-1.0＜f2/f1＜-0.1以及

f4/ft＞0.5；

其中，f1为第一透镜的焦距；

f2为第二透镜的焦距；

f 4为第四透镜的焦距；

ft为长波红外连续变焦镜头在长焦状态时的焦距。

进一步地，所述第二透镜与第三透镜之间有固定的系统光阑。

进一步地，当所述镜头从广角状态向望远状态变化时，所述第二透镜与第一透镜之间的距离一直在增大，第四透镜与第三透镜之间的距离先变小后变大。

进一步地，所述第一透镜是具有正屈光力的、凸面朝向物侧的正弯月透镜；第二透镜是具有负屈光力的双凹负透镜，第三透镜、第四透镜是具有正屈光力的透镜。

本发明与现有技术相比，具有以下优势和有益效果：

首先，本发明通过采用四个镜片实现高倍比变焦，使得系统的结构变得更为紧凑，降低加工成本并且使得系统的装配变得更为简单；此外，由于在本发明的透镜组之中，采用固定的系统光阑的方式，使得所述长波红外连续变焦镜头在变焦的过程中始终保持固定的F数，进而解决了传统的设计在变焦过程中系统的灵敏度变化产生问题，实践证明，该种技术方案具有较好的应用效果。

附图说明

通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是本发明所述的长波红外连续变焦镜头的具体实施例的结构示意图；

图2是图1具体实施例的变焦过程示意图，其中，图2a是广角状态示意图、图2a是中焦状态示意图、图2a是望远状态示意图；

图3A-3C是图1所述的长波红外连续变焦镜头的具体实施例在广角状态时的像差分析图，其中，图3A是像差图、图2B是色散图、图3C是畸变图；

图4A-4C是图1所述的长波红外连续变焦镜头的具体实施例在中焦状态时的像差分析图，其中，图4A是像差图、图4B是色散图、图4C是畸变图；

图5A-5C是图1所述的长波红外连续变焦镜头的具体实施例在望远状态时的像差分析图，其中，图5A是像差图、图5B是色散图、图5C是畸变图。

具体实施方式

图1是本发明所述的长波红外连续变焦镜头的结构示意图。

一般来说，由于长波红外连续变焦镜头是应用于非制冷热像仪中的，因此，需要该种结构尽可能地紧凑以及结构简单，为了克服传统的5片以上的透镜的缺点，本发明采取了四片透镜，并且，借助于一定的光焦度参数设计，能够达到4倍甚至5倍的变倍比的技术效果。

如图所示，该长波红外连续变焦镜头，其沿光轴从物侧到像侧依次设置有：具有正屈光力的第一透镜100、具有负屈光力的第二透镜200、具有正屈光力的第三透镜300以及具有正屈光力的第四透镜400以及成像面600，其中，从第一透镜100进入的像穿过透镜以后，最后进入到成像面600之中。

其中，所述第一透镜100与第三透镜300是固定在光轴上并且不能够移动，所述第二透镜100和第四透镜400能够沿着光轴进行移动，其中，第二透镜200为变倍透镜、第四透镜400是补偿透镜，

其中，该第一透镜100为凸面朝向物侧的正弯月透镜；该第二透镜200为双凹负透镜，并且，第一透镜100与第三透镜300为固定焦距透镜，第二透镜200和第四透镜400为变焦透镜。

由于传统上的设计的镜头在连续变焦过程中F数不固定，存在连续变焦系统长度长、安装调试困难、成本高等问题。

为了解决该技术问题，我们设计在第二透镜200与第三透镜300之间设置有一个固定的系统光阑500，并且，该固定系统光阑500选择为孔径光阑，所述孔径光阑在镜头变焦过程中位置和大小不发生变化。

图2是图1具体实施例的变焦过程示意图，其中，图2a是广角状态示意图、图2a是中焦状态示意图、图2a是望远状态示意图。

如图所示，我们可以很清楚地看到，当所述镜头从广角状态向望远状态变化时，所述第一透镜100的位置相对物体不发生移动，第二透镜200向像侧做单向运动并逐步靠近像面600；同时，所述第四透镜400先向像面600移动，到达某一位置后又向背离像面600的方向移动，从而，我们可以知道，所述第二透镜200与第一透镜100之间的距离一直在增大，第四透镜400与第三透镜300之间的距离先变小后变大。

其中，第一透镜100和第三透镜300的目的主要是汇聚光路；第二透镜200主要用于改变整个变焦透镜的焦距，增加系统的变倍倍率。

并且，第四透镜400主要是起到了补偿变焦的作用，具体来说，其作用主要有以下两个：第一是补偿系统变焦过程中的像面位置偏移，第二是补偿在特定焦距下不同物距下像面位置偏移。

从上述过程中，我们可以看到由于孔径光阑500在镜头变焦过程中位置和大小不发生变化，因此，通过上述设计，我们能够解决传统的透镜在变焦过程由于系统的灵敏度变化产生问题，因此，该种方案具有较好的应用效果。

为了实现整个长波红外连续变焦镜头系统紧凑的效果，我们需要进一步调节变焦镜头的一些透镜参数，通常来说，该种参数的调节是依靠调节第一透镜100的参数来实现的。

我们优选选择，所述第一透镜的直径和系统总长满足下列的表达式：

1.1＜(D1/FNO)/ft＜1.2以及

TT/ft＜1.5；

其中，D1为第一透镜的直径；

FNO为长波红外连续变焦透镜的F数；

ft为长波红外连续变焦镜头的长焦状态时的焦距；

TT为第一透镜中物方表面中心顶点到像面的距离。

另外，我们为了实现系统的高变倍和校正像差，第一透镜组100、第二透镜组200和第四透镜400的焦距需满足以下条件：

-1.0＜f2/f1＜-0.1以及

f4/ft＞0.5；

其中，f1为第一透镜组的焦距；

f2为第二透镜组的焦距；

f4为第四透镜组的焦距；

ft为系统长焦状态时的焦距。

在本实施例中，我们选取上述四个透镜的镜片材料均为锗，由于锗具有折射率高，色散小，加工成本低等优点，因此，具有较好的技术效果。

此外，我们优选第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300和第四透镜400都是采取非球面透镜组成。

非球面透镜的特点是：从透镜中心到周边曲率是连续变化的。与从透镜中心到周边有一定曲率的球面透镜不同，非球面透镜具有更佳的曲率半径特性，具有改善歪曲像差及改善像散像差的优点，能够使得视野变得更大而真实。采用非球面透镜后，能够尽可能地消除在成像的时候出现的像差，从而改善成像质量。

第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300和第四透镜400选取非球面透镜，即利用非球面透镜良好的光学特性，保证在整体透镜成像的时候，能够尽可能地接收较大范围角度入射的光线，并且，借助于非球面透镜的上述优点，克服采用球面透镜时的像差较多的缺点，保持整体透镜的光学成像品质。

一般来说，非球面透镜的形状可以用一定的表达式进行限定。即：

上述非球面透镜满足下列的表达式：

$Z\left(Y\right)=\frac{Y^2/R}{1+\sqrt{1-|1+K|Y^2/R^2}}+A\×Y^4+B\×Y^6+C\×Y^8+D\×Y^{10}+E\×Y^{12}$

式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距非球面顶点的距离矢高Sag，R表示镜面的近轴曲率半径，k为圆锥系数conic，A、B、C、D、E为高次非球面系数。

下面参照下面的表格对本发明进行更为详细的描述。

在本实施例中，镜头的焦距为15-60mm，变倍比为4，F数为1.2，各个焦距与系统参数的关系为：f2/f1＝-0.26，f4/ft＝0.515。

其中，f1为第一透镜的焦距，f2为第一透镜的焦距，f4为第四透镜的焦距，ft为系统长焦状态时的焦距。

其中，表一为本实施例的光学元件参数表。

其中D1是第一透镜100和第二透镜200的间距；D2是第二透镜200和第三透镜300的间距；D3是第三透镜300和第四透镜400的间距；D4是第四透镜400和像面600的间距；我们沿光轴平行从物方一侧开始，将各个透镜依次编号，第一透镜100的面为A1、A2，第二透镜200的面为A3、A8，第三透镜300的镜面为A4、A5，第四透镜400的镜面是A6、A7。A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7都是非球面。A8可以为球面、也可以是非球面。

表二为上述非球面的非球面数据表，其中，A、B、C、D、E表示的是各个透镜的高次非球面系数；表三为变焦组位置与透镜组间距的关系。

表一、光学元件参数表

表二：非球面数据

表三是上述长波红外连续变焦镜头中变焦透镜与透镜组之间的间距列表，其中，D1是第一透镜和第二透镜的间距；D2是第二透镜和第三透镜的间距；D3是第三透镜和第四透镜的间距；D4是第四透镜和像面的间距。

表三、变焦组位置与透镜组间距的关系

其中，广角状态时是透镜组最小的焦距，在望远状态是最大的焦距。

从表三可以发现，在此优选实施例中，上述长波红外连续变焦镜头从广角端变化至望远端时镜头孔径光阑在是保持不变的，这是本方案与之前的方案所不同点，可以消除镜头在变焦过程中由于孔径光阑不同而引起的一系列问题，同时也缩短了镜头的长度。

下面参照像差分析图对本发明的效果做进一步详细的描述。

图3A-3C是图1所述的长波红外连续变焦镜头的具体实施例在广角状态时的像差分析图，其中，图3A是像差图、图2B是色散图、图3C是畸变图；

图4A-4C是图1所述的长波红外连续变焦镜头的具体实施例在中焦状态时的像差分析图，其中，图4A是像差图、图4B是色散图、图4C是畸变图；

图5A-5C是图1所述的长波红外连续变焦镜头的具体实施例在望远状态时的像差分析图，其中，图5A是像差图、图5B是色散图、图5C是畸变图。

其中f为变焦镜头的有效焦距，ω为变焦镜头的视场。在像散图中，S为径向像散曲线，T为切向像散曲线。

从图中我们可以发现，各种相差得到很好的校正，并可得到较高品质的图像，本发明长波红外连续变焦镜头具有较好的光学效果。

需要注意的是，上述表格中的具体参数仅仅是例示性的，各透镜的参数不限于由上述各数值实施例所示出的值，可以采用其他的值，都可以达到类似的技术效果。

虽然上面描述了本发明的原理以及具体实施方式，但是，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种长波红外连续变焦镜头，沿光轴从物方至像方依次设置有四个透镜，其中，所述第一透镜与第三透镜是固定在光轴上并且不能够移动，所述第二透镜和第四透镜能够沿着光轴进行移动，其中，第二透镜为变倍透镜、第四透镜是补偿透镜。

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，

所述第一透镜的直径和系统总长满足下列的表达式：

1.1＜(D1/FNO)/ft＜1.2以及

TT/ft＜1.5；

其中，D1为第一透镜的直径；

FNO为长波红外连续变焦透镜的F数；

ft为长波红外连续变焦镜头的长焦状态时的焦距；

TT为第一透镜中物方表面中心顶点到像面的距离。

3.根据权利要求1所述的长波红外连续变焦透镜，其特征在于，

所述第一透镜、第二透镜、第四透镜满足下列的表达式：

-1.0＜f2/f1＜-0.1以及

f4/ft＞0.5；

其中，f1为第一透镜的焦距；

f2为第二透镜的焦距；

f4为第四透镜的焦距；

ft为所述长波红外连续变焦镜头在长焦状态时的焦距。

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，所述第二透镜与第三透镜之间有固定的系统光阑。

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，当所述镜头从广角状态向望远状态变化时，所述第二透镜与第一透镜之间的距离一直在增大，第四透镜与第三透镜之间的距离先变小后变大。

6.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，所述第一透镜是具有正屈光力的、凸面朝向物侧的正弯月透镜；第二透镜是具有负屈光力的双凹负透镜，第三透镜、第四透镜是具有正屈光力的透镜。

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