CN103852874A - 超大变倍比连续变焦红外镜头 - Google Patents

Abstract

本发明的超大变倍比连续变焦红外镜头，从物侧起沿光轴依次设置有前度固定组、变倍组、补偿组、第一后固定组、调焦组和第二后固定组，变倍组、补偿组分别为双凹负透镜、双凸正透镜，第一后固定组为负弯月透镜，调焦组、第二后固定组均为正弯月透镜；6个透镜分别具有正、负、正、负、正、正的屈光度；镜头由广角状态向长焦状态变化的过程中，变倍组与前固定组之间的距离、补偿组与第一后固定组之间的距离逐渐增加。本发明的红外镜头，可实现10倍或10倍以上的超大变倍比；由于只采用6个透镜，保证了光线透过率；结构紧凑，有温度补偿功能，易于装调和组装。

Description

超大变倍比连续变焦红外镜头

技术领域

本发明涉及一种超大变倍比连续变焦红外镜头，更具体的说，尤其涉及一种通过合理选取和排列不同种类的透镜来使形成的镜头具有超大变倍比的连续变焦红外镜头。

背景技术

非制冷热像仪由于体积小、重量轻等优点，近年来发展迅速。红外变焦热像仪的焦距可以连续变化，即能大范围监视，又能放大目标仔细观察，在变焦过程中不会丢失目标信息，使得非制冷红外变焦热像仪在安防监控、森林防火、安全生产等领域得到更广泛的应用。

在长波红外变焦系统设计中，为了追求高的透过率和降低成本（长波红外材料很贵），往往尽量减少使用镜片的数量，同时长波红外材料种类少，这些都加大了超大变倍比连续变焦红外镜头的设计难度。

近年来，一些非制冷红外变焦镜头越来越受到用户的认可，但超大变倍比镜头的应用还比较少，中国专利文献CN101482647B公开的大变倍比变焦镜头采用6片透镜，仅仅实现了5倍、6倍或7倍的变倍比，还有中国专利文献203385929U公开的大变倍比镜头，也仅仅为6倍，通过以上描述可知，超大变倍比的镜头设计是一个巨大的难题，目前还没有出现在广角状态下可清晰成像又可实现10倍甚至更高变倍比的连续变焦红外镜头。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种超大变倍比连续变焦红外镜头。

本发明的超大变倍比连续变焦红外镜头，包括对光线起会聚作用的前固定组和用于将光信号转化为电信号的探测器，所述前固定组为凸面朝向物侧的正弯月透镜；其特别之处在于：从前固定组至探测器沿光轴依次设置有变倍组、补偿组、第一后固定组、调焦组和第二后固定组，所述变倍组、补偿组分别为双凹负透镜、双凸正透镜，第一后固定组为凹面朝向物侧的负弯月透镜，调焦组、第二后固定组均为凸面朝向物侧的正弯月透镜；所述前固定组、补偿组、调焦组、第二后固定组均具有正屈光度，变倍组、第一后固定组均具有负屈光度；

所述变倍组、补偿组和调焦组设置有驱使各自运动的驱动机构，前固定组、第一后固定组和第二后固定组相对于探测器静止不动；镜头由广角状态向长焦状态变化的过程中，变倍组与前固定组之间的距离逐渐增加，补偿组与第一后固定组之间的距离也逐渐增加；补偿组用于补偿变倍组在变焦过程中或者外界温度变化时所造成的像面位置的偏移，调焦组对远近不同的物体进行聚焦并可在外界温度变化时补偿像面的离焦。

前固定组采用正弯月透镜，实现对光线的聚焦；探测器用于将光信号转化为电信号。正屈光度是指对光线具有会聚作用，负屈光度是指对光线具有发散作用。变倍组、补偿组、第一后固定组、聚焦组、第二后固定组分别采用双凹负透镜、双凸正透镜、负弯月透镜、正弯月透镜、正弯月透镜，且透镜的凹面、凸面、凹面、凸面、凸面分别朝向物侧，并分别具有正、负、正、负、正、正屈光度，变倍组在前固定组与补偿组之间移动变焦的过程中，可使其具有10倍或10倍以上的变倍比，镜头更加适用于大视场搜索目标、小视场仔细观察目标。

本发明的超大变倍比连续变焦红外镜头，设第一后固定组、调焦组和第二后固定组所组成的光学系统为第四透镜单元，前固定组、变倍组和第四透镜单元的焦距满足不等式组（1）：

      （1）

其中，

、

、分别为前固定组、变倍组和第二透镜单元的焦距，

为镜头处于长焦状态时所具有的焦距。

长焦状态即镜头处于望远状态，此时具有最窄的视场，但具有最大的焦距。前固定组、变倍组和第四透镜单元的焦距与长焦状态时的焦距满足了不等式（1），前固定组、变倍组与第四透镜单元之间的距离在满足成像条件下，易于实现10倍或10倍以上的超大变倍比。

本发明的超大变倍比连续变焦红外镜头，所述变倍组和补偿组所含有的4个曲面至少有两个非球面。非球面具有更加的曲率半径，可以进行像差修正，具有更好的锐度和更高的分辨率，便于获得较佳的成像性能。

本发明的超大变倍比连续变焦红外镜头，所述变倍组朝向物侧的曲面和补偿组朝向像侧的曲面均为非球面；非球面通过公式（2）来确定：

     （2）

其中，

为非球面的圆锥系数，

、

、

为非球面的4次、6次、8次系数；为非球面上距离光轴垂直方向上的高度，为非球面上距离透镜中心水平方向上的距离；

对于变倍组上的非球面，

、

、

、

分别取-1.849、

、

、；对于补偿组上的非球面，

、

、

、

分别取1.5、

、、

。

本发明的超大变倍比连续变焦红外镜头，设前固定组、变倍组、补偿组、第一后规定组、调焦组以及第二后固定组朝向物侧和朝向像侧的曲面分别为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12；曲面S1至S12的曲率半径分别为155.353mm、300.375 mm、-206.83 mm、208.55 mm、202.16 mm、-149.83 mm、-64.37 mm、-185.19 mm、184.62 mm、414.80 mm、64.42 mm、59.06 mm；光轴处曲面S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12之间的距离分别为14 mm、可变间距D1、5.0 mm、可变间距D2、8.0mm、可变间距D3、6.0mm、50.20 mm、7.0 mm、20.35 mm、5.0 mm，曲面S12距离探测器表面的距离为19.45 mm；

镜头由广角状态向长焦状态变化的过程中：可变间距D1由21.45mm逐渐增加至96.05mm，可变间距D2由121.35mm逐渐减小至8.85mm，可变间距D3由7.20mm逐渐增加至45.10mm。

前固定组、变倍组、补偿组、第一后固定组、调焦组、第二后固定组上个曲面的曲率半径和各曲面之间的距离采用以上数值，可使镜头广角状态时的有效焦距为15mm，长焦状态时的焦距为150mm，既满足了广角状态时的宽视场、清晰成像，同时又具有超大的变倍比。

本发明的超大变倍比连续变焦红外镜头，所述补偿组朝向物侧的曲面处设置光阑；光学系统F数从0.9～1.2之间进行变化；该系统适用于波长8-12μm的长波红外。

本发明的有益效果是：本发明的超大变倍比连续变焦红外镜头，通过在前固定组与探测器之间依次设置变倍组、补偿组、第一后固定组、调焦组、第二后固定组，其依次采用双凹负透镜、双凸正透镜、凹面朝向物侧的负弯月透镜、凸面朝向物侧的正弯月透镜、凸面朝向物侧的正弯月透镜，且其分别具有负、正、负、正、正屈光度，通过变倍组在前固定组与补偿组之间的移动，不仅实现了镜头在广角状态与长焦状态之间的转化，而且还可实现10倍或10倍以上的超大变倍比，更加有利于大视场的目标搜索和小视场下目标的仔细观察。同时，由于采用6了个透镜即实现了10倍以上的超大变倍比，使得整个镜头具有较高的光线透过率。

在变倍组变焦移动的过程中，通过补偿组的配合移动，可有效补偿由于变倍所带来的像面位置的偏移；同时，当外界的温度发生较大的变化时，可通过移动补偿组来补偿像面位置的偏移。调焦组对远近不同的物体进行聚焦并可在外界温度变化时补偿像面的离焦。

前固定组的焦距

、变倍组的焦距

、第四透镜单元（第一后固定组、调焦组和第二后固定组构成）的焦距满足条件：

、

、

，使得前固组、变倍组与第四透镜单元之间的距离在满足成像条件下，通过移动变倍组可使整个镜头具有10倍或10倍以上的超大变倍比。

附图说明

图1为本发明的连续变焦红外镜头处于广角状态时的结构图；

图2为本发明的连续变焦红外镜头处于中焦状态时的结构图；

图3为本发明的连续变焦红外镜头处于长焦状态时的结构图。

图中：1前固定组，2变倍组，3补偿组，4第一后固定组，5调焦组，6第二后固定组，7探测器窗口，8探测器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，分别给出了本发明的连续变焦红外镜头处于广角、中焦和长焦状态时的结构示意图，其包括前固定组1、变倍组2、补偿组3、第一后固定组4、调焦组5、第二后固定组6、探测器窗口7、探测器8；所示的前固定组1由正弯月透镜组成，正弯月透镜的凸面朝向物侧，具有正屈光度，实现对光线的会聚作用；探测器8将接收到的光信号转化为电信号。变倍组2、补偿组3、第一后固定组4、调焦组5、第二后固定组6、探测器窗口7沿光轴依次设置于固定组1至探测器8之间，组成了整个连续变焦红外镜头。

变倍组2位于前固定组1与补偿组3之间，变倍组2由双凹负透镜组成，双凹负透镜具有负屈光度；补偿组3位于变倍组2与第一后固定组4之间，补偿组3由双凸正透镜构成，其具有正屈光度。第一固定组4位于补偿组3与调焦组之间，第一固定组4由凹面朝向物侧的负弯月透镜组成，具有负屈光度；调焦组5位于第一后固定组4与第二后固定组6之间，第二后固定组6位于调焦组5与探测器8之间，调焦组5、第二后固定组6均由凸面均朝向物侧的正弯月透镜组成，均具有正屈光度。探测器窗口7位于探测器8的前端，实现对探测器8的保护作用。

变倍组2、补偿组3、调焦组5通过各自的驱动机构，均可进行前后移动，以实现变焦和补偿作用。前固定组1、第一后固定组4、第二后固定组6相对于探测器8均为固定状态，不可发生移动。镜头由广角状态（此时镜头具有最小焦距）变为长焦状态的过程中，变倍组2与前固定组1之间的距离逐渐变大，补偿组3与第一后固定组4之间的距离也逐渐变大，当变倍组2与补偿组3之间的距离移动至最小时，整个镜头具有最大焦距。通过变倍组的移动，可使镜头长焦状态时的焦距是广角状态时焦距的10倍或10倍以上，实现了超大变倍比，更加有利于实现镜头的大市场搜索目标、小市场仔细观察目标。同时，由于只采用了6个透镜，在保证了具有超大变倍比的同时，还具有较大的光线透过率，保证了成像质量。

通过补偿组3配合变倍组2的移动，可用于补偿变倍组在变焦过程中造成的像面位置的偏移；同时，通过补偿组3的移动，还可补偿由于外界温度变化时所造成的像面偏移。调焦组5由于对远近不同的物体进行聚焦，也可在外界温度变化时补偿像面的离焦。同时，在镜头有广角状态到长焦状态变化的过程中，镜头的F数从0.9～1.2均匀变化，通光口径大，保证了镜头的灵敏度。

为了对各透镜的焦距与镜头处于长焦时的焦距进行对比说明，设第一后固定组4、调焦组5和第二后固定组6所组成的透镜系统为第四透镜单元，则前固定组1的焦距

、变倍组的焦距、第四透镜单元的焦距

满足不等式组（1）：

      （1）

为镜头处于长焦常态时的焦距。正是由于前固定组1、变倍组2和第四透镜单元的焦距与长焦状态时的焦距具有如不等式（1）的关系，变倍组2在前固定组1与补偿组3之间移动的过程中，才具有超大变倍比。

设前固定组1、变倍组2、补偿组3、第一后规定组4、调焦组5以及第二后固定组6朝向物侧和朝向像侧的曲面分别为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12，如图2所示，给出了个曲面的标号示意图。所示的变倍组2和补偿组3所含有的4个曲面中有偶数个非球面；可将变倍组2朝向物侧的曲面S3和补偿组3朝向像侧的曲面S6加工为非球面；非球面具有屈光能力随着镜面距离光轴高度的加大而变强的形状，非球面具有较好的像差修正，能带来出色的锐度和更高的分辨率，非球面通过公式（2）来确定：

     （2）

其中，

为非球面的圆锥系数，

、

、

为非球面的4次、6次、8次系数；为非球面上距离光轴垂直方向上的高度，

为非球面上距离透镜中心水平方向上的距离。曲面S3、S6的参数如表1所示：

表1

非球面
					S3	-1.849
S6	1.5

下面给出各个透镜的曲率半径、厚度、布设位置均已确定的具体实施例，各参数如表2所示：

表2

由表2可知，前固定组1的厚度为10mm，前固定组1与变倍组2之间的距离为可变间距D1，依次类推，还可看出第二后固定组6与探测器8之间的距离为19.45mm。

当镜头处于广角、中焦和长焦状态时，可变间距D1、D2和D3的数值如表3所示：

表3

由此可见，整个镜头在广角状态下的有效焦距为20mm，在长焦状态下的焦距为200mm，不仅广角状态下具有宽视场、长焦状态下具有望远的特点，而且还具有10倍的变倍比，更加适于广角状态时的搜索目标、长焦状态时的仔细观察目标。而且整个镜头至具有290mm的长度，结构紧凑。

本发明的连续变焦红外镜头，与现有的镜头相比，具有明显突出的优点：本发明的红外镜头通过选取和排列6片镜片，达到在较短距离内能够实现10倍、12倍，甚至更大的变倍比；当温度引起系统成像平面漂移时，聚焦组的移动可以使系统始终成像清楚，即系统具有温度补偿功能，且结构简单，易于装调和组装。

Claims (6)

1.一种超大变倍比连续变焦红外镜头，包括对光线起会聚作用的前固定组（1）和用于将光信号转化为电信号的探测器（8），所述前固定组为凸面朝向物侧的正弯月透镜；其特征在于：从前固定组至探测器沿光轴依次设置有变倍组（2）、补偿组（3）、第一后固定组（4）、调焦组（5）和第二后固定组（6），所述变倍组、补偿组分别为双凹负透镜、双凸正透镜，第一后固定组为凹面朝向物侧的负弯月透镜，调焦组、第二后固定组均为凸面朝向物侧的正弯月透镜；所述前固定组、补偿组、调焦组、第二后固定组均具有正屈光度，变倍组、第一后固定组均具有负屈光度；

所述变倍组、补偿组和调焦组设置有驱使各自运动的驱动机构，前固定组、第一后固定组和第二后固定组相对于探测器静止不动；镜头由广角状态向长焦状态变化的过程中，变倍组与前固定组之间的距离逐渐增加，补偿组与第一后固定组之间的距离也逐渐增加；补偿组用于补偿变倍组在变焦过程中或者外界温度变化时所造成的像面位置的偏移，调焦组对远近不同的物体进行聚焦并可在外界温度变化时补偿像面的离焦。

2.根据权利要求1所述的超大变倍比连续变焦红外镜头，其特征在于：设第一后固定组（4）、调焦组（5）和第二后固定组（6）所组成的光学系统为第四透镜单元，前固定组（1）、变倍组（2）和第四透镜单元的焦距满足不等式组（1）：

      （1）

其中，、

、分别为前固定组、变倍组和第二透镜单元的焦距，为镜头处于长焦状态时所具有的焦距。

3.根据权利要求1或2所述的超大变倍比连续变焦红外镜头，其特征在于：所述变倍组（2）和补偿组（3）所含有的4个曲面至少有两个非球面。

4.根据权利要求4所述的超大变倍比连续变焦红外镜头，其特征在于：所述变倍组（2）朝向物侧的曲面和补偿组（3）朝向像侧的曲面均为非球面；非球面通过公式（2）来确定：

     （2）

其中，

为非球面的圆锥系数，

、

、

为非球面的4次、6次、8次系数；

为非球面上距离光轴垂直方向上的高度，

为非球面上距离透镜中心水平方向上的距离；

对于变倍组上的非球面，

、、

、分别取-1.849、、

、

；对于补偿组上的非球面，

、、

、

分别取1.5、

、

、

。

5.根据权利要求1或2所述的超大变倍比连续变焦红外镜头，其特征在于：设前固定组（1）、变倍组（2）、补偿组（3）、第一后规定组（4）、调焦组（5）以及第二后固定组（6）朝向物侧和朝向像侧的曲面分别为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12；曲面S1至S12的曲率半径分别为155.353mm、300.375 mm、-206.83 mm、208.55 mm、202.16 mm、-149.83 mm、-64.37 mm、-185.19 mm、184.62 mm、414.80 mm、64.42 mm、59.06 mm；光轴处曲面S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12之间的距离分别为14mm、可变间距D1、5.0mm、可变间距D2、8.0 mm、可变间距D3、6.0mm、50.20 mm、7.0 mm、20.35 mm、5.0 mm，曲面S12距离探测器（8）表面的距离为19.45 mm；

镜头由广角状态向长焦状态变化的过程中：可变间距D1由21.45mm逐渐增加至96.05mm，可变间距D2由121.35mm逐渐减小至8.85mm，可变间距D3由7.20mm逐渐增加至45.10mm。

6.根据权利要求1或2所述的超大变倍比连续变焦红外镜头，其特征在于：所述补偿组（3）朝向物侧的曲面处设置光阑；光学系统F数从0.9～1.2之间进行变化；该系统适用于波长8-12μm的长波红外。

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