CN102213822A - 一种中波红外连续变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中波红外连续变焦镜头，从物方到成像方依次包括：具有正屈光度的第一透镜群，包括一凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜和一凸面朝物侧的弯月形锗负透镜，作为前固定组；具有负屈光度的第二透镜群，作为变焦组；具有正屈光度的第三透镜群，作为补偿组；具有负屈光度的第四透镜群，作为后固定组；用于折转光路的第一反射镜；用于背景校正的平板参考源；具有正屈光度的第五透镜群，作为中继组；具有正屈光度的第六透镜群，作为调焦组。本发明中波红外连续变焦镜头，能够应用于640×512元或更大面阵制冷型中波探测器，并且结构简单，运动负荷小，变焦时仅两片透镜运动。

Description

一种中波红外连续变焦镜头

技术领域

本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种中波红外连续变焦镜头。

背景技术

近年来，红外成像技术的应用广度和深度都有了长足的发展，中波制冷型探测器由于其灵敏度高，其价格比同类型长波探测器具有明显优势等特点，在目标搜寻、导弹预警探测、情报侦察等军事和相关的民用领域有着广阔的应用前景。在许多特殊场合，红外双视场乃至三视场镜头已不能满足应用需求。中波红外连续变焦成像系统的核心组件之一为中波红外变焦镜头，通过移动不同的透镜组实现连续变焦，同时保持像面清晰，能够实现大视场搜索目标、变焦过程中跟踪目标、小视场仔细观察目标的目的，因而具有强烈的应用需求。

之前报道的中波红外连续变焦镜头主要适用于320×256元小面阵的探测器。如华中光电研究所的王海涛等人在《红外技术杂志》第29卷1期8-11页报导的用8片透镜实现的6.4倍放大中波连续变焦镜头，其焦距为50mm-320mm；中国空空导弹研究院的尹娜等人在《红外技术杂志》第31卷12期694-697页报导的用7片透镜实现的5倍放大中波连续变焦镜头，其焦距为30mm-150mm；昆明物理研究所的陈吕吉等人在《红外技术杂志》上第32卷10期562-566页报导的用6片透镜实现的16.7倍放大中波连续变焦镜头，其焦距为27.5mm-458mm；武汉理工大学的郜洪云等人在《光学精密工程杂志》第15卷7期1038-1043页报导的用7片透镜实现的10倍放大中波连续变焦镜头，其焦距为50mm-500mm；中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的杨为锦等人在《中国光学与应用光学杂志》第3卷2期164-169页报导的用8片透镜实现的18倍变焦镜头，焦距为11mm-200mm；韩国Hyun sook Kim等人在《OpticalEngineering》杂志上第41卷7期1661-1667页报导的用7片透镜实现的20倍连续变焦镜头，其焦距为13.75mm-275mm。以上报导的变焦镜头都是基于320×240元，像元尺寸为30um×30um的制冷型探测器，无法满足640×512元，像元尺寸为25um×25um的制冷型探测器对像质的要求。中国一航洛阳电光设备研究所的许照东等人在《红外与激光工程杂志》第36卷5期619-621页报导的用7片透镜实现的20倍连续变焦镜头，焦距为14mm-280mm，其应用的探测器为640×512元，像元尺寸为15um×15um的制冷型探测器，但其参与变焦的透镜有3片，在系统变焦时，这3片透镜需同时移动，这无疑增加了系统变焦过程中的负荷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种中波红外连续变焦镜头，能够应用于640×512元或更大面阵制冷型中波探测器，并且结构简单，运动负荷小。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案包括：

一种中波红外连续变焦镜头，从物方到成像方依次包括：

具有正屈光度的第一透镜群，为前固定组；

具有负屈光度的第二透镜群，为变焦组；

具有正屈光度的第三透镜群，为补偿组；

具有负屈光度的第四透镜群，为后固定组；

具有正屈光度的第五透镜群，为中继组；

具有正屈光度的第六透镜群，为调焦组，也称为对焦组。

进一步地，所述第一透镜群用于会聚收光，包括由一凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜和一凸面朝物侧的弯月形锗负透镜。

进一步地，所述中波红外连续变焦镜头的焦距F0与所述第一透镜群的焦距F1满足如下关系：

0.15＜F0/F1＜2。

进一步地，所述第二透镜群包括一双凹形硅负透镜，用于改变所述中波红外连续变焦镜头的焦距，增加变倍倍率。

进一步地，所述第三透镜群包括一凸面朝向物侧的弯月形锗正透镜，用于补偿所述中波红外连续变焦镜头在变焦过程中的像面位置的偏移。

进一步地，所述第四透镜群包括一凸面朝向物侧的弯月形硅负透镜。

进一步地，所述第五透镜群包括一弯月形锗正透镜。

进一步地，所述第六透镜群包括一凹面朝向像侧的弯月形锗正透镜，用于补偿不同物距不同温度下像面位置的偏移。

进一步地，所述第三透镜群和第五透镜群的透镜均具有非球面和衍射面，具体可以为：

其中一个面为非球面，另一个面为衍射面；或者，其中一个面同时为非球面和衍射面；

所述第六透镜群的透镜具有非球面。

进一步地，本发明中波红外连续变焦镜头还包括第一反射镜和第二反射镜，其中第一反射镜位于第四透镜群和第五透镜群之间，第二反射镜位于第五透镜群和第六透镜群之间；所述第一反射镜和第二反射镜用于折转镜头中的光路，以缩短镜头的横向尺寸。

更进一步地，所述第一反射镜和第二反射镜用于将镜头中的光路折叠成“U”型。

更进一步地，本发明中波红外连续变焦镜头还包括一平板参考源，所述平板参考源置于所述第一反射镜和所述第五透镜群之间，用于背景校正，降低所述平板参考源至像侧端之间的透镜群组产生的冷反射对像质的影响。

本发明的有益效果为：

本发明中波红外连续变焦镜头中，参与变焦的透镜仅2片，在变焦过程中，仅第二透镜群和第三透镜群移动，结构简单，运动负荷小。

本发明避免在口径较大的第一透镜群上设非球面，避免在硅透镜上加工非球面，易于光学加工制作，且精度易于保证，从而降低了生产成本。

第一透镜群由两片透镜组成，第一片透镜可用于镜头的密封，第二片透镜用于矫正系统的色差，提高像质，且第二片透镜口径小于第一片透镜，可有效压缩变焦组、补偿组的凸轮镜筒口径，使整个变焦镜头结构更加紧凑。另外，将F0/F1的数值限制在0.15至2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，使变焦镜头的整体结构更为紧凑。

本发明采用衍射面能够矫正色差，提高像质，且能够减小温度变化对像质的影响。

附图说明

图1为本发明中波红外连续变焦镜头在长焦位置的示意图；

图2为本发明中波红外连续变焦镜头在中焦位置的示意图；

图3为本发明中波红外连续变焦镜头在短焦位置的示意图；

图4A至图4C为本发明中波红外连续变焦镜头在长焦位置的成像光学仿真数据图；

图5A至图5C为本发明中波红外连续变焦镜头在中焦位置的成像光学仿真数据图；

图6A至图6C为本发明中波红外连续变焦镜头在短焦位置的成像光学仿真数据图。

主要组件符号说明：

110：第一透镜群

112：第一透镜

114：第二透镜

120：第二透镜群

122：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：第一反射镜

160：平板参考源

170：第五透镜群

172：第六透镜

180：第二反射镜

190：第六透镜群

192：第七透镜

200：示意为物侧端

210：示意为像侧端

S1～S16：表面

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1、图2、图3分别是本发明中波红外连续变焦镜头在长焦、中焦、短焦位置的示意图。

如图所示，本发明中波红外连续变焦镜头由物方到成像方依次包括：具有正屈光度的第一透镜群110，具有负屈光度的第二透镜群120，具有正屈光度的第三透镜群130，具有负屈光度的第四透镜群140，用于折转光路用的第一反射镜150，用于背景校正用的平板参考源160，具有正屈光度的第五透镜群170，用于折转光路用的第二反射镜180，具有正屈光度的第六透镜群190。其中第一透镜群110为前固定组，包括具有正屈光度的第一透镜112和具有负屈光度的第二透镜114。第一透镜112为凸面朝向物侧的弯月形硅透镜，第二透镜114为凸面朝向物侧的弯月形锗透镜。

本发明实施例中，中波红外连续变焦镜头的焦距F0与第一透镜群110的焦距F1满足如下关系：

0.15＜F0/F1＜2。

由于第一透镜群110的镜片都是普通球面镜片，制作工艺较为简单且精度易于保证，能有效降低生产成本。另外，将F0/F1的数值限制在0.15至2之间可使整个变焦镜头具有良好的变焦效果，且可维持良好成像质量的前提下，使变焦镜头结构更为紧凑。

第二透镜群120为变焦组，用于改变系统的焦距，增加变倍倍率。第二透镜群120由一片双凹形硅负透镜构成。

第三透镜群130为补偿组，由一凸面朝向物侧的弯月形锗正透镜构成，其作用是用于补偿成像系统在变焦过程中的像面位置的偏移。

第二透镜群120和第三透镜群130分别为变焦组和补偿组，适于在第一透镜群110与第四透镜群140之间移动。具体地，当需要将变焦镜头的倍率自长焦端调整至短焦端时，则使第二透镜群120朝向物侧200移动，同时，作为补偿组的第三透镜群130先朝物侧200移动，然后向第四透镜群140侧移动，其作用是补偿第二透镜群120移动引起的像面移动。

第四透镜群140为后固定组，由一凸面朝向物侧的弯月形硅负透镜构成，其作用是将物方的景物会聚成成像系统的一次实像。第一反射镜150成45度放置于第四透镜群140后，其目的是用于折转光路，减小光路的纵向尺寸。成像系统的一次实像在第一反射镜150与第五透镜群170之间。平板参考源160置于一次像面前或后4mm-6mm处，其作用是用于成像系统的背景校正，可有效降低平板参考源160至像侧端210之间的透镜群组产生的冷反射对成像系统像质的影响。第五透镜群170为成像系统的中继组，由一凹面朝第一反射镜150的弯月形锗正透镜构成。第二反射镜180成45度置于第五透镜群170后，其目的是用于折转光路。第六透镜群190为调焦组，由一凹面朝向像侧的弯月形锗正透镜构成，其作用是补偿不同物距不同温度下像面位置的偏移。

为了提高像质，改善成像系统温度变化对像质的影响，第三透镜群130和第五透镜群170的透镜均采用了非球面和衍射面的设计，例如，将其中一个面设计为非球面，另一个面设计为衍射面；又例如，将其中一个面设计为既是非球面，又是衍射面。第六透镜群190的透镜则采用了非球面的设计，例如将其中一个面设计为非球面。

本发明实施例中，中波红外连续变焦镜头只有七片透镜，而且避免了把非球面和衍射面设在口径较大的第一透镜群110的透镜上，也没有设在硅透镜上，这样易于加工制作，精度得到保证的同时可有效降低生产成本。

表一举出了本发明中波红外连续变焦镜头的一优选实施例。

表一、本发明中波红外连续变焦镜头一优选实施例

表面	曲率半径(mm)	间距(mm)	玻璃材料	备注
					S1	261.46	10.5	硅单晶	透镜112
S2	826.33	33.18	空气
					S3	2095.18	7	锗单晶	透镜114
S4	566.41	T1	空气
					S5	-289.014	4.8	硅单晶	透镜122
S6	254.234	T2	空气
					S7	78.604	6.5	锗单晶	透镜132
S8	208.1416	T3	空气
					S9	61.2227	5.59	硅单晶	透镜142
S10	34.0158	32.39	空气
					S11	Infinity	-117	K9反射镜	反射镜I150
S12	4569.85	-6.8	锗单晶	透镜172
					S13	229.251	-33.03	空气
S14	Infinity	33	K9反射镜	反射镜II180
					S15	81.773	5.61	锗单晶	透镜192
S16	179.186	17.65	空气

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，举例说来，表面S1的间距，即表面S1至表面S2间的距离。玻璃材料和备注栏分别是该透镜的制作所用的材料及透镜编号。此外，在表一中，表面S1、S2分别为第一透镜112远离和靠近第二透镜114的表面，表面S3和S4分别为第二透镜114远离和靠近第三透镜122的表面；表面S5、S6分别为第三透镜122远离与靠近第四透镜132的表面；表面S7、S8分别为第四透镜132远离与靠近第五透镜142的表面；表面S9、S10分别为第五透镜142远离与靠近第一反射镜150的表面；表面S12、S13分别为第六透镜172远离与靠近第二反射镜180的表面；表面S15、S16分别为第七透镜192靠近与远离第二反射镜180的表面。

表二列出了第四透镜132的表面S8，第七透镜172的表面S13及第七透镜192的表面S16的非球面系数。

表二、表面S8、S13及S16的非球面系数

表面	K	A	B	C
					S8	2.322005	2.398752e-007	-2.771866e-011	1.789477e-015
S13	39.365343	-6.416197e-007	-1.050341e-010	-1.929909e-013
					S16	28.618782	-5.201893e-007	-7.306306e-010	1.135535e-012

非球面以面顶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]^0.5]+A*(Y^4)+B*(Y^6)+C*(Y^8)

其中，各参数含义如下：

Z：光轴方向的位变

Y：光轴的高

R：近轴曲率半径

K：锥面度系数

A、B、C：非球面系数

^0.5：0.5次方

^2：2次方

^4：4次方

^6：6次方

^8：8次方

表三列出了第四透镜132的表面S8，第七透镜172的表面S13的衍射系数。

表三、表面S8和S13的衍射系数

表面	衍射级	中心波长	C1	C2
					S8	1	4μm	-1.8407e-04	1.4095e-08
S13	1	4μm	-2.0790e-04	-1.2566e-08

其中，C1、C2分别为衍射面二次项、四次项系数。

表四列出了本发明中波红外连续变焦镜头在长焦、中焦及短焦端的一些重要参数值。

表四、变焦镜头在长焦、中焦及短焦端的一些重要参数值

在表四中包括有效焦距、F数、视场角及可变间距T1、T2、T3、T4。由于本实施例仅采用七片透镜及相对易于加工制作的三个非球面及两个衍射面就达到了良好的变焦像质效果，因而相对于传统技术，具有降低生产成本及简化镜头结构的功效。

图4A至图4C为本发明中波红外连续变焦镜头在长焦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为点列图(spot diagram)。从图4A至图4C的图形曲线可以看出其长焦端的MTF、场曲、畸变及点弥散斑均方根直径均在标准的范围内。

图5A至图5C为本发明中波红外连续变焦镜头在中焦端的成像光学仿真数据图，其中图5A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5B为场曲和畸变图，图5C为点列图(spot diagram)。从图5A至图5C的图形曲线可以看出其中焦端的MTF、场曲、畸变及点弥散斑均方根直径均在标准的范围内。

图6A至图6C为本发明中波红外连续变焦镜头在短焦端的成像光学仿真数据图，其中图6A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6B为场曲和畸变图，图6C为点列图(spot diagram)。从图6A至图6C的图形曲线可以看出其短焦端的MTF、场曲、畸变及点弥散斑均方根直径均在标准的范围内。

由此可见，本发明中波红外连续变焦镜头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；而一切不脱离本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 (9)

1.一种中波红外连续变焦镜头，其特征在于，从物方到成像方依次包括：

具有正屈光度的第一透镜群，为前固定组；

具有负屈光度的第二透镜群，为变焦组；

具有正屈光度的第三透镜群，为补偿组；

具有负屈光度的第四透镜群，为后固定组；

具有正屈光度的第五透镜群，为中继组；

具有正屈光度的第六透镜群，为调焦组，也称为对焦组。

2.如权利要求1所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第一透镜群用于会聚收光，包括由一凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜和一凸面朝物侧的弯月形锗负透镜。

3.如权利要求1所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述中波红外连续变焦镜头的焦距F0与所述第一透镜群的焦距F1满足如下关系：

0.15＜F0/F1＜2。

4.如权利要求1所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第二透镜群包括一双凹形硅负透镜，用于改变所述中波红外连续变焦镜头的焦距，增加变倍倍率；

所述第三透镜群包括一凸面朝向物侧的弯月形锗正透镜，用于补偿所述中波红外连续变焦镜头在变焦过程中的像面位置的偏移。

5.如权利要求1所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第四透镜群包括一凸面朝向物侧的弯月形硅负透镜；

所述第五透镜群包括一弯月形锗正透镜。

6.如权利要求1所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第六透镜群包括一凹面朝向像侧的弯月形锗正透镜，用于补偿不同物距不同温度下像面位置的偏移。

7.如权利要求1所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第三透镜群和第五透镜群的透镜均具有非球面和衍射面；

所述第六透镜群的透镜具有非球面。

8.如权利要求1至7中任一项所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于，还包括第一反射镜和第二反射镜，其中第一反射镜位于第四透镜群和第五透镜群之间，第二反射镜位于第五透镜群和第六透镜群之间；

所述第一反射镜和第二反射镜用于折转镜头中的光路。

9.如权利要求8所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于，还包括一平板参考源，所述平板参考源置于所述第一反射镜和所述第五透镜群之间，用于背景校正。

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