CN103345047A - 一种轻小型中波红外连续变焦成像镜头 - Google Patents

Abstract

一种轻小型中波红外连续变焦成像镜头，从物方到成像方依次包括：具有正光焦度的第一透镜群（110），作为前固定组；具有负光焦度的第二透镜群（120），作为变焦组；具有负光焦度的第三透镜群（130），作为补偿组；具有正光焦度的第四透镜群（140），作为后固定组；用于折转光路的第一反射镜（170）和第二反射镜（180）；具有正光焦度的第五透镜群（150）以及探测器（160）。本发明镜头全部采用球面镜，结构简单、体积小、重量轻，特别适合在小型吊舱设备中使用。

Description

一种轻小型中波红外连续变焦成像镜头

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种光学成像镜头。

背景技术

随着精确制导武器技术的不断发展，机载光电吊舱已成为精确打击和跟踪系统中的重要组成部分。连续变焦中波红外系统利用光电传感器，通过移动透镜组实现像面不动的连续变焦过程，完成对目标的大视场搜索、小视场的精细详查与目标准确定位，以及变焦过程的目标跟踪。

现有的中波红外连续变焦镜头主要适用于尺寸相对大一些、质量较重的吊舱。如中国科学院长春光学精密机械与物理研究所杨为锦、孙强等人在2010年《中国光学与应用光学》第3卷2期164-169页报道的一款基于320×240探测器的18倍中波红外变焦镜头，焦距为11-200mm，系统共7片镜片，同时引入了1个非球面和一个衍射面，其尺寸为320mm×200mm×180mm，质量为600g。中国一航洛阳电光设备研究所的许照东等人在2007年《红外和激光工程》第36卷5期报道的针对640×512探测器设计的20倍中波红外变焦镜头，焦距为14-280mm，系统共7片镜片，同时采用了3个非球面，其体积为260mm×210mm×150mm。中国一航洛阳电光设备研究所的张良在2006年《应用光学》第27卷1期报道的针对320×240探测器设计的20倍中波红外变焦镜头，系统共7片镜片，并使用了3个非球面，设计总长为400mm，质量为600g。昆明物理研究所的陈吕吉等在2010年《红外技术》第32卷11期报道的针对320×240探测器设计的12倍中波红外变焦镜头，焦距为26.7-320mm，系统共7片镜片，并使用了2个非球面和1个二元衍射面，其体积为245mm×85mm×140mm。以上报道的中波红外变焦镜头都是针对大体积的吊舱设计，却无法满足系统总长小于280mm、质量小于110g，装置在Φ230mm小型吊舱内使用。此外，上述报道的变焦镜头都采用了多片非球面或衍射面，这大大增加了实际的加工难度和加工精度，实际加工出的产品并不能达到预期的模拟成像效果，这无疑大大降低了镜头的成像质量。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种轻小型、高成像质量的中波红外连续变焦成像镜头，镜头全部采用球面镜，成像波段为3-5微米，能够应用于系统总长小于280mm、质量小于110g的Φ230mm小型吊舱设备中使用。

本发明的技术解决方案是：一种轻小型中波红外连续变焦成像镜头，由物方到成像方依次包括具有正光焦度的第一透镜群、具有负光焦度的第二透镜群、具有负光焦度的第三透镜群、具有正光焦度的第四透镜群、探测器，其中：

第一透镜群：用于对物方光束进行会聚，包括一个凸面朝向物方的弯月形正透镜；

第二透镜群：用于改变焦距，包括一个凸面背向物方的弯月形负透镜；

第三透镜群：用于补偿变焦过程中像面位置的偏移，包括一个双凹形负透镜；

第四透镜群：用于将物方的景物会聚成一次实像，沿光线入射方向依次包括一个凸面背向物侧的弯月形正透镜和一个凸面朝向物侧的弯月形正透镜；

探测器：沿光线入射方向依次包括窗口玻璃、冷光阑和像面。

第一反射镜：与光轴成45度放置于第四透镜群后，将入射光线折转90度；

第二反射镜：与光轴成45度放置于第一反射镜的相对侧，将从第一反射镜出射的光线再次折转90度；

第五透镜群：用于保证冷光阑的效率，沿光线入射方向依次包括一个凸面朝向物方的弯月形正透镜、一个凸面背向物方的弯月形正透镜、一个凸面背向物方的负透镜以及一个凸面背向物侧的弯月形正透镜。

所述的第一透镜群中的弯月形正透镜、第二透镜群中的弯月形负透镜、第四透镜群中的两个弯月形正透镜、或者第五透镜群中的靠近第二反射镜的两个弯月形正透镜为硅材料。

所述的第三透镜群中的双凹形负透镜、第五透镜群中的负透镜、或者第五透镜群中靠近物方的弯月形正透镜为锗材料

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明轻小型中波红外连续变焦成像镜头，具有外形尺寸小的特点，外形尺寸仅为150mm×120mm×75mm。该成像镜头总长为280mm、质量110g，克服了以往镜头设计中只能满足适用于大尺寸、重质量的吊舱，可以装置在Φ230mm小型吊舱内。同时，本发明镜头共由9片透镜组成，透镜全部为球面镜，没有涉及复杂的非球面和衍射面，避免了透镜上的加工工艺难度，保证了工程上的加工精度，在实际加工产品中可达到良好的成像效果。另外，本发明轻小型中波红外连续变焦成像镜头中，参与变焦的透镜仅为1片，参与补偿的透镜仅为1片，在变焦过程中仅移动两片透镜既可以达到变焦成像效果，具有结构简单、运动负荷小的特点。

附图说明

图1为本发明镜头的组成原理图，其中图1a为成像镜头位于长焦位置、图1b为成像镜头位于中焦位置，图1c为成像镜头位于短焦位置；

图2为本发明镜头在长焦位置的成像光学仿真数据图，其中图2a为光学传递函数MTF曲线图，图2b为畸变图；

图3为本发明镜头在中焦位置的成像光学仿真数据图，其中图3a为光学传递函数MTF曲线图，图3b为畸变图；

图4为本发明镜头在短焦位置的成像光学仿真数据图，其中图4a为光学传递函数MTF曲线图，图4b为畸变图。

具体实施方式

如图1所示，本发明镜头由物方到成像方依次包括：具有正光焦度的第一透镜群110，具有负光焦度的第二透镜群120，具有负光焦度的第三透镜群130，具有正光焦度的第四透镜群140，用于折转光路的第一反射镜170，用于折转光路的第二反射镜180，具有正光焦度的第五透镜群150，具有制冷装置的探测器160。其中，图1a～图1c分别对应长焦、中焦和短焦三种变焦状态。下面分别进行介绍：

第一透镜群110为前固定组，用于会聚光束，包括一个凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜112。

第二透镜群120为变焦组，用于改变本发明成像镜头的焦距，增加或减少变倍倍率，包括一个凸面背向物侧的弯月形硅负透镜122。

第三透镜群130为补偿组，用于补偿本发明成像镜头在变焦过程中像面位置的偏移，包括一个双凹形锗负透镜132。

第二透镜群120和第三透镜群130分别为变焦和补偿组，适于在第一透镜群110与第四透镜群140之间移动。具体地，当需要将本发明成像镜头的焦距自长焦端调整至短焦端时，应使第二透镜群120朝向第四透镜群140侧移动，其作用是减少镜头的焦距，同时第三透镜群130先朝第一透镜群110侧移动，然后向第四透镜群140侧移动，其作用是补偿第二透镜群120移动所引起的像面移动。

第四透镜群140为后固定组，包括一个凸面背向物侧的弯月形硅正透镜142和一个凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜144，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170与光轴成45度放置于第四透镜群140后，第二反射镜180与光轴成45度放置于第一反射镜170后，两组反射镜的目的是用于折转光路，减小光路的纵向尺寸，用于将镜头中的光路折叠成“U”型。成像系统的一次实像在第一反射镜170和第二反射镜180之间。

第五透镜群150为中继组，包括一个凸面朝向物方的弯月形正透镜152、一个凸面背向物方的弯月形正透镜154、一个凸面背向物方的负透镜156以及一个凸面背向物侧的弯月形正透镜158，用于保证后续冷光阑164的效率。

本发明中，由于五组透镜群全部为普通球面镜片，因此制造工艺较为简单，精度易于保证。

需要说明的是，如果适当的情况下，即一次成像就可以达到使用效果，第五透镜群150、第一反射镜170和第二反射镜180可以省略，探测器160置于第四透镜群140之后，同时系统体积和尺寸都将减小。

图2a和图2b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2a为光学传递函数MTF曲线图，且其横轴为空间频率，纵轴为对比度阈值。图2b为畸变图，从图中可以看出其长焦端的MTF和畸变均在标准的范围内。

图3a和图3b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3a为光学传递函数MTF曲线图，且其横轴为空间频率，纵轴为对比度阈值。图3b为畸变图，从图中可以看出其中焦端的MTF和畸变同样均在标准的范围内。

图4a和图4b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4a为光学传递函数MTF曲线图，且其横轴为空间频率，纵轴为对比度阈值。图4b为畸变图，从图中可以看出其短焦端的MTF和畸变也同样均在标准的范围内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种轻小型中波红外连续变焦成像镜头，其特征在于：由物方到成像方依次包括具有正光焦度的第一透镜群（110）、具有负光焦度的第二透镜群（120）、具有负光焦度的第三透镜群（130）、具有正光焦度的第四透镜群（140）、探测器（160），其中：

第一透镜群（110）：用于对物方光束进行会聚，包括一个凸面朝向物方的弯月形正透镜（112）；

第二透镜群（120）：用于改变焦距，包括一个凸面背向物方的弯月形负透镜（122）；

第三透镜群（130）：用于补偿变焦过程中像面位置的偏移，包括一个双凹形负透镜（132）；

第四透镜群（140）：用于将物方的景物会聚成一次实像，沿光线入射方向依次包括一个凸面背向物侧的弯月形正透镜（142）和一个凸面朝向物侧的弯月形正透镜（144）；

探测器（160）：沿光线入射方向依次包括窗口玻璃（162）、冷光阑（164）和像面（166）。

2.根据权利要求1所述的一种轻小型中波红外连续变焦成像镜头，其特征在于：还包括第一反射镜（170）、第二反射镜（180）、具有正光焦度的第五透镜群（150），其中：

第一反射镜（170）：与光轴成45度放置于第四透镜群（140）后，将入射光线折转90度；

第二反射镜（180）：与光轴成45度放置于第一反射镜（170）的相对侧，将从第一反射镜（170）出射的光线再次折转90度；

第五透镜群（150）：用于保证冷光阑（164）的效率，沿光线入射方向依次包括一个凸面朝向物方的弯月形正透镜（152）、一个凸面背向物方的弯月形正透镜（154）、一个凸面背向物方的负透镜（156）以及一个凸面背向物侧的弯月形正透镜（158）。

3.根据权利要求2所述的一种轻小型中波红外连续变焦成像镜头，其特征在于：所述的第一透镜群（110）中的弯月形正透镜（112）、第二透镜群（120）中的弯月形负透镜（122）、第四透镜群（140）中的两个弯月形正透镜（142、144）、或者第五透镜群（150）中的靠近第二反射镜（180）的两个弯月形正透镜（152、154）为硅材料。

4.根据权利要求2所述的一种轻小型中波红外连续变焦成像镜头，其特征在于：所述的第三透镜群（130）中的双凹形负透镜（132）、第五透镜群（150）中的负透镜（156）、或者第五透镜群（150）中靠近物方的弯月形正透镜（158）为锗材料。

Images