CN102866485B - 一种长波红外连续变焦镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长波红外连续变焦镜头，包括由物方到成像方依次设置的具有正屈光度的第一透镜群、具有负屈光度的第二透镜群、具有正屈光度的第三透镜群、具有负屈光度的第四透镜群、用于折转光路用的第一反射镜、具有正屈光度的第五透镜群、用于折转光路用的第二反射镜和具有正屈光度的一第六透镜群。本发明的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，降低了成本和体积，并且能达到良好的成像效果。
Description
技术领域
本发明涉及红外光学技术领域，特别是涉及一种长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，长波制冷型探测器由于其灵敏度明显高于非制冷型长波探测器，因此，在目标搜寻、预警探测、情报侦察等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具有应用需要。
现有技术中的长波红外连续变焦镜头主要适用于320×256元小面阵的探测器。例如，现有的用10片透镜实现的5倍放大长波连续变焦镜头，其焦距为53mm-265mm；用9片透镜实现的4倍连续变焦镜头，焦距为50mm-200mm；以及10倍放大长波红外连续变焦镜头。上述变焦镜头都是基于320×256元，像元尺寸为30um×30um的非制冷型探测器的，无法适用于640×512元，像元尺寸为25um×25um的制冷型探测器对像质的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种长波红外连续变焦镜头，用以解决上述现有技术存在的问题。
为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种长波红外连续变焦镜头，包括由物方到成像方依次设置的具有正屈光度的第一透镜群、具有负屈光度的第二透镜群、具有正屈光度的第三透镜群、具有负屈光度的第四透镜群、用于折转光路用的第一反射镜、具有正屈光度的第五透镜群、用于折转光路用的第二反射镜和具有正屈光度的一第六透镜群；
其中，第一透镜群为前固定组，用于会聚收光；第二透镜群为变焦组，用于改变所述变焦镜头的焦距；第三透镜群为补偿组，用于补偿所述变焦镜头在变焦过程中的像面位置的偏移；第四透镜群为后固定组，用于将物方的景物会聚成一次实像；第五透镜群为系统的中继组；第六透镜群为对焦组，用于补偿不同物距、不同温度下像面位置的偏移。
进一步，所述第一透镜群由一片具有正屈光度的凸面朝向物侧的第一弯月形锗正透镜构成。
进一步，所述第二透镜群由一片双凹形锗负透镜构成。
进一步，所述第三透镜群由一片双凸型锗正透镜构成。
进一步，所述第四透镜群由一凹面朝向物侧的弯月形锗负透镜和一凸面朝向物侧的第二弯月形锗正透镜构成。
进一步，所述第五透镜群由一凹面朝第一反射镜的第三弯月形锗正透镜构成。
进一步，所述第六透镜群由一双凸硒化锌正透镜和一凹面朝向像侧的第四弯月形锗正透镜构成。
进一步，所述双凹形锗负透镜两面采用了非球面；所述双凸型锗正透镜有一面采用了非球面及衍射面；所述弯月形锗负透镜有一面采用了非球面；所述第二弯月形锗正透镜有一面采用了非球面及衍射面；所述第三弯月形锗正透镜有一面采用了非球面；所述双凸硒化锌正透镜有一面采用了非球面及衍射面。
进一步，所述变焦镜头满足以下条件：
0.12<F0/F1<1.2；
其中，F0为所述变焦镜头的焦距，F1为第一透镜群的焦距。
另一方面，本发明还提供一种包含有上述长波红外连续变焦镜头的红外成像设备，所述红外成像设备的制冷型长波探测器的面阵大于等于640×512元。
本发明有益效果如下：
本发明的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，降低了成本和体积，并且能达到良好的成像效果。
附图说明
图1是本发明实施例中变焦镜头在长焦位置的结构示意图；
图2是本发明实施例中变焦镜头在中焦位置的结构示意图；
图3是本发明实施例中变焦镜头在短焦位置的结构示意图；
图4A至图4C为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为变焦镜头在短焦位置的成像光学仿真数据图。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
图1、图2、图3分别是本发明实施例的变焦镜头在长焦、中焦、短焦位置的示意图。图1~3中，200示意物侧端，190示意像侧端。如图1所示，本实施例的变焦镜头100包括：由物方到成像方依次设置的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、具有正屈光度的第五透镜群160、用于折转光路用的第二反射镜170和具有正屈光度的一第六透镜群180。
其中，第一透镜群110为前固定组，用于会聚收光。第一透镜群110由一片具有正屈光度的凸面朝向物侧的第一弯月形锗正透镜112构成。另外，变焦镜头100满足以下条件：0.12<F0/F1<1.2，其中F0为变焦镜头100的焦距，F1为第一透镜群的焦距。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和难度。另外，将F0/F1的数值限制在1.2至0.12之间可使整个变焦镜头100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100结构更为紧凑。
第二透镜群120为变焦组，用于改变变焦镜头100的焦距，增加变倍倍率。其中第二透镜群120是由一片双凹形锗负透镜122构成。第三透镜群130为补偿组，由一片双凸型锗正透镜132构成，其作用是用于补偿变焦镜头100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，由一凹面朝向物侧的弯月形锗负透镜142和一凸面朝向物侧的第二弯月形锗正透镜144构成。其作用是将物方的景物会聚成系统的一次实像。变焦镜头100的一次实像在第一反射镜150与第五透镜群160之间。
第五透镜群160为系统的中继组，由一凹面朝第一反射镜150的第三弯月形锗正透镜162构成。
第六透镜群180为对焦组，由一双凸硒化锌正透镜182和一凹面朝向像侧的第四弯月形锗正透镜184构成，其作用是补偿不同物距不同温度下像面位置的偏移。
承上述，为了提高系统像质，改善系统温度变化对像质的影响，双凹形锗负透镜122两面采用了非球面，双凸型锗正透镜132有一面采用了非球面及衍射面，弯月形锗负透镜142有一面采用了非球面，第二弯月形锗正透镜144有一面采用了非球面及衍射面，第三弯月形锗正透镜162有一面采用了非球面，双凸硒化锌正透镜182有一面采用了非球面及衍射面。
值得一提的是，本实施例的变焦镜头100由八片透镜，二片反射镜组成，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。易于加工制作，精度得到保证的同时可有效降低生产成本。系统采用二次成像的形式，其目的是压缩第一片透镜的口径，保证系统满足100%冷光阑效率。通过两个反射镜的折叠缩短了镜头的横向尺寸，得到了较紧凑的结构形式。将F0/F1的数值限制在0.12至1.2之间可使整个变焦镜头100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100结构更为紧凑。
表1列出变焦镜头100中涉及的上述各透镜及反射镜的表面参数。
表1
| 表面 | 曲率半径（mm） | 间距（mm） | 玻璃材料 | 备注 |
| S1 | 445.32 | 13.5 | Germanium（锗） | 透镜112 |
| S2 | 644.31 | T1 | Air（无色） | |
| S3 | -619.31 | 5.7 | Germanium（锗） | 透镜122 |
| S4 | 296.16 | T2 | Air（无色） | |
| S5 | 320.1 | 8 | Germanium（锗） | 透镜132 |
| S6 | -281.31 | T3 | Air（无色） | |
| S7 | -69.77 | 6 | Germanium（锗） | 透镜142 |
| S8 | -161.55 | 9.6 | Air（无色） | |
| S9 | 134.8 | 6.5 | Germanium（锗） | 透镜144 |
| S10 | 280.14 | 71 | Air（无色） | |
| S11 | Infinity | -68 | K9反射镜 | 第一反射镜150 |
| S12 | -994.99 | -5.7 | Germanium（锗） | 透镜162 |
| S13 | 710.4 | -30.9 | Air（无色） | |
| S14 | Infinity | 41 | K9反射镜 | 第二反射镜170 |
| S15 | 755.75 | 7 | Znse（硒化锌） | 透镜182 |
| S16 | -119.65 | 3.6684 | Air（无色） | |
| S17 | 34.27 | 9 | Germanium（锗） | 透镜184 |
| S18 | 30.11 | 17.5 | Air（无色） |
在表1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在图1中的透镜编号。此外，在表1中，表面S1、S2分别为透镜112远离与邻近透镜122的表面；表面S3、S4分别为透镜122远离与邻近132的表面；表面S5、S6分别为透镜132远离与邻近透镜142的表面；表面S7、S8分别为透镜142远离与邻近透镜144的表面；表面S9、S10分别为透镜144远离与邻近第一反射镜150的表面；表面S11为第一反射镜150的反射表面；表面S12、S13分别为透镜162远离与邻近第二反射镜170的表面；S14为第二反射镜170的反射表面；表面S15、S16分别为透镜182邻近与远离第二反射镜170的表面;表面S17、S18分别为透镜184邻近与远离透镜182的表面。
表2列出了透镜122的表面S3、S4、透镜132的表面S5、透镜142的表面S7、透镜144的表面S9、透镜162的表面S12和透镜182的表面S15的非球面系数及圆锥系数。
表2
| 表面 | K | A | B | C |
| S3 | 183.162478 | -4.065052e-007 | 1.998283e-010 | -1.256475e-014 |
| S4 | -125.888065 | 4.739114e-008 | -1.094934e-010 | 6.621095e-014 |
| S5 | 0.740067 | -8.952501e-008 | -5.611784e-014 | 1.040259e-016 |
| S7 | 0.101021 | 1.851308e-006 | -6.353728e-010 | 2.220854e-013 |
| S9 | -3.144129 | -7.916446e-007 | 3.360607e-010 | -9.486302e-014 |
| S12 | 383.551483 | 4.680912e-007 | -1.792364e-010 | 1.599104e-013 |
| S15 | -157.6456 | -2.466402e-007 | 1.203488e-011 | 1.235966e-014 |
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)×Y2/[1+[1-(1+K)×(Y/R)2]0.5]+A×Y4+B×Y6+C×Y8
其中，Z：光轴方向的位变；Y：光轴的高；R：近轴曲率半径；K：圆锥系数；A、B、C：非球面系数。
表3列出了透镜132的表面S5、透镜144的表面S9和透镜182的表面S15的衍射系数。
表3
| 表面 | 衍射级 | 中心波长 | C1 | C2 |
| S5 | 1 | 9μm | 1.7938e-04 | -2.2108e-08 |
| S9 | 1 | 9μm | -2.8182e-04 | 1.173e-08 |
| S15 | 1 | 9μm | -3.5479e-04 | 1.821e-08 |
其中，C1、C2分别为衍射面二次项、四次项系数。
表4列出了变焦镜头100在长焦、中焦及短焦端的一些重要参数值
表4
在表4中包括有效焦距、F数、视场角及可变间距T1、T2、T3。由于本实施例仅采用八片透镜及相对易于加工制作的七个非球面及三个衍射面就达到了良好的变焦像质效果。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，本发明的变焦镜头100具有良好的成像质量，因此，上述变焦镜头100可以应用于640×512元或更大面阵制冷型长波探测器的红外成像设备中，该设备的核心组件之一为长波红外变焦镜头，通过移动不同的透镜组实现连续变焦，同时保持像面清晰。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，因而具有强烈的应用需求。
由上述实施例可以看出，本发明避免在口径较大的第一透镜群上设非球面。易于光学加工制作，且精度易于保证，从而降低生产成本。本发明采用衍射面可矫正色差，提高像质，且可减小温度变化对像质的影响。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。
Claims (8)
1.一种长波红外连续变焦镜头，其特征在于，包括由物方到成像方依次设置的具有正屈光度的第一透镜群、具有负屈光度的第二透镜群、具有正屈光度的第三透镜群、具有负屈光度的第四透镜群、用于折转光路用的第一反射镜、具有正屈光度的第五透镜群、用于折转光路用的第二反射镜和具有正屈光度的一第六透镜群；
其中，第一透镜群为前固定组，用于会聚收光；第二透镜群为变焦组，用于改变所述变焦镜头的焦距；第三透镜群为补偿组，用于补偿所述变焦镜头在变焦过程中的像面位置的偏移；第四透镜群为后固定组，用于将物方的景物会聚成一次实像；第五透镜群为系统的中继组；第六透镜群为对焦组，用于补偿不同物距、不同温度下像面位置的偏移；
所述第一透镜群由一片具有正屈光度的凸面朝向物侧的第一弯月形锗正透镜构成；
所述变焦镜头满足以下条件：
1.2＜F0/F1＜0.12；
其中，F0为所述变焦镜头的焦距，F1为第一透镜群的焦距。
2.如权利要求1所述的长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第二透镜群由一片双凹形锗负透镜构成。
3.如权利要求2所述的长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第三透镜群由一片双凸型锗正透镜构成。
4.如权利要求3所述的长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第四透镜群由一凹面朝向物侧的弯月形锗负透镜和一凸面朝向物侧的第二弯月形锗正透镜构成。
5.如权利要求4所述的长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第五透镜群由一凹面朝第一反射镜的第三弯月形锗正透镜构成。
6.如权利要求5所述的长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第六透镜群由一双凸硒化锌正透镜和一凹面朝向像侧的第四弯月形锗正透镜构成。
7.如权利要求6所述的长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述双凹形锗负透镜两面采用了非球面；所述双凸型锗正透镜有一面采用了非球面及衍射面；所述弯月形锗负透镜有一面采用了非球面；所述第二弯月形锗正透镜有一面采用了非球面及衍射面；所述第三弯月形锗正透镜有一面采用了非球面；所述双凸硒化锌正透镜有一面采用了非球面及衍射面。
8.一种包含有权利要求1～7任一项所述长波红外连续变焦镜头的红外成像设备，其特征在于，所述红外成像设备的制冷型长波探测器的面阵大于等于640×512元。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |