CN103901592B - 一种红外连续变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种红外连续变焦镜头的技术方案，包括设置在光轴上的多组镜头，其特征是：所述的多组镜头包括可以沿光轴移动的补偿透镜、变焦透镜、后调焦透镜和位置固定的前固定透镜，从物方到像方依次为前固定透镜、变焦透镜、补偿透镜、后调焦透镜，前固定透镜的屈光度为正，变焦透镜的屈光度为负，补偿透镜的屈光度为正，后调焦透镜的屈光度为正。方案的变焦镜头紧凑、透过率高，仅用四片镜片能够实现4倍甚至更大的变倍比，并且在变焦过程中F数始终固定为1，相对孔径大；只有一面非球面，所以极大地降低了镜头的成本，补偿透镜、变焦透镜、后调焦透镜均可以移动，便于调节。

Description

一种红外连续变焦镜头

技术领域

本发明涉及的是一种长波红外镜头，尤其是一种用于非制冷焦平面探测器的长波红外连续变焦镜头。

背景技术

随着非制冷红外焦平面探测器制造技术的日益成熟，非制冷红外热像仪以其低廉的成本、便捷的操作以及良好的性能逐渐得到了民用市场的青睐。然而红外定焦镜头由于视场单一，无法兼顾大范围目标搜索以及长焦观察目标细节，应用范围受到限制，所以变焦镜头的应用日益广泛。

现有技术公开的长波红外变焦镜头使用镜片数量一般都为5-6片，甚至更多，并且镜头F数偏大。而专利号为201010291525.7的一种长波红外连续变焦镜头使用了四片镜片实现了4倍变焦。但是其使用非球面数量达到了7个表面，导致成本过高，并且变焦不是使用相邻两组镜片移动实现，而且没有使用调焦镜头进行调焦，装调不方便等问题。专利号为201120278048.0的一种非致冷长波红外连续变焦镜头使用了四片镜片实现了4倍变焦。但是采用了衍射面及多个非球面，成本较高。F数为1.2，相对孔径小。这是现有技术所存在的不足之处。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种红外连续变焦镜头技术方案，该方案的变焦镜头紧凑、透过率高，仅用四片镜片能够实现4倍甚至更大的变倍比，并且在变焦过程中F数始终固定为1，相对孔径大；只有一面非球面，所以极大地降低了镜头的成本，补偿透镜、变焦透镜、后调焦透镜均可以移动，便于调节。

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种红外连续变焦镜头，包括设置在光轴上的多组镜头，本方案的特点是：所述的多组镜头包括可以沿光轴移动的补偿透镜、变焦透镜、后调焦透镜和位置固定的前固定透镜，从物方到像方依次为前固定透镜、变焦透镜、补偿透镜、后调焦透镜，前固定透镜的屈光度为正，变焦透镜的屈光度为负，补偿透镜的屈光度为正，后调焦透镜的屈光度为正。

所述的前固定透镜为凸面朝向物方的弯月形透镜，变焦透镜为双面是凹面的透镜，补偿透镜为双面为凸面的透镜，后调焦透镜是凸面朝向物方的弯月形透镜。

所述前固定组透镜的直径与最长焦距满足 D₁/f_t>1.0，其中，D₁表示前固定组透镜的直径，f_t表示所述变焦镜头处于望远状态时的焦距。

所述的前固定透镜、变焦透镜、后调透镜的焦距满足如下条件

f₁/f_t>0.75，

-1.0<f₂/f_t<-0.1，

0.3<f₄/f_t<1.0，

其中，f₁表示前固定透镜的焦距，f₂表示变焦透镜的焦距，f₄表示后调焦透镜的焦距，f_t表示所述变焦镜头处于望远状态时的焦距。

所述的补偿透镜、变焦透镜、后调焦透镜、前固定透镜均为锗镜头。

所述四个镜片中只有一个非球面。

补偿透镜朝向物方的表面为偶次非球面。

前固定透镜的朝向物方的表面有硬碳膜，前固定透镜的另一表面有红外增透膜，变焦透镜、补偿透镜、后调焦透镜的表面均有红外增透膜。

在变焦透镜和补偿透镜之间设置有可以沿光轴移动的光阑。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中补偿透镜、变焦透镜、后调焦透镜均可以移动，便于调节，利于成像；采用四个镜片实现了4倍变焦，全部采用锗材料镜片，仅使用一面非球面，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，本发明在镜头变焦过程中F数固定为1，相对孔径较大，成像对比度高；在变焦透镜和补偿透镜之间设置有可以沿光轴移动的光阑，并且光阑口径固定，易于加工，使用时可以滤除干扰杂光。由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的透镜截面图；

图2是本发明具体实施方式的红外连续变焦镜头在广角状态、中焦状态及望远状态时的变焦过程示意图；

图3是本发明焦距等于20mm时的调制传递函数图；

图4是本发明焦距等于40mm时的调制传递函数图；

图5是本发明焦距等于80mm时的调制传递函数图；

图6是本发明焦距等于20mm时的纵向像差、场曲与畸变图；

图7是本发明焦距等于40mm时的纵向像差、场曲与畸变图；

图8是本发明焦距等于80mm时的纵向像差、场曲与畸变图；

图中，101为前固定组透镜，201为变焦透镜，301为补偿透镜，401为后调焦透镜，501为光阑。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合附图，对本方案进行阐述。

通过图1、图2可以看出，本方案的红外连续变焦镜头，包括设置在光轴上的多组镜头，所述的多组镜头包括可以沿光轴移动的补偿透镜301、变焦透镜201、后调焦透镜401和位置固定的前固定透镜101，从物方到像方依次为前固定透镜101、变焦透镜201、补偿透镜301、后调焦透镜401，前固定透镜101的屈光度为正，变焦透镜201的屈光度为负，补偿透镜301的屈光度为正，后调焦透镜401的屈光度为正。

所述的补偿透镜301、变焦透镜201、后调焦透镜401、前固定透镜101均为锗镜头，所述四个镜片中只有补偿透镜301朝向物方的表面为偶次非球面，使得镜头的加工成本低廉。

所述的前固定透镜101为凸面朝向物方的弯月形透镜，且前固定透镜101的位置固定，即前固定透镜101相对物方是固定不变的；前固定透镜101的朝向物方的表面有硬碳膜，可以防止透镜收到灰尘、雨水以及人为刮擦。

变焦透镜201为双面是凹面的透镜，补偿透镜301为双面为凸面的透镜，并且变焦透镜201、后调焦透镜401可以沿光轴移动，变焦透镜201用于改变镜头焦距，补偿透镜301提供成像补偿，使系统焦距在一定范围内连续改变时，像面稳定并能保持良好的像质。在从广角状态向望远状态变焦的过程中，变焦透镜201背离前固定透镜101做单向运动，补偿透镜301先背离前固定透镜101，而后朝向前固定透镜101运动，这个调整过程使得镜头组在极短的运动范围内实现了4倍甚至更大变倍比的光学变焦。

后调焦透镜401是凸面朝向物方的弯月形透镜，后调焦透镜401可以沿光轴进行移动，实现镜头对远近目标的聚焦，同时，由于锗材料的折射率温度变化系数比较大，像面随温度漂移比较明显，要在大的温度范围内保证系统正常工作就必须消除温度对光学系统的影响，后调焦透镜401的前后移动，可以补偿像面随温度的漂移。

前固定透镜101的朝向像方的侧面有红外增透膜，变焦透镜、补偿透镜、后调焦透镜的表面均有红外增透膜，使得镜头的透过率较高。在变焦透镜和补偿透镜之间设置有可以沿光轴移动的光阑，同时跟随变倍过程进行移动。光阑口径固定，易于设计与加工，可以滤除干扰杂光。

所述前固定组透镜的直径与最长焦距满足 D₁/f_t>1.0，其中，D₁表示前固定组透镜的直径，f_t表示所述变焦镜头处于望远状态时的焦距。镜头的F数始终固定为1，相对孔径大，灵敏度高，同时避免了变焦过程中系统的灵敏度变化问题。

所述的前固定透镜、变焦透镜、后调透镜的焦距满足如下条件

f₁/f_t>0.75，

-1.0<f₂/f_t<-0.1，

0.3<f₄/f_t<1.0，

其中，f₁表示前固定透镜的焦距，f₂表示变焦透镜的焦距，f₄表示后调焦透镜的焦距，f_t表示所述变焦镜头处于望远状态时的焦距。

在本实施例中，优选第三透镜靠近物面的表面选用非球面。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，具有改善球差等像差的优点，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。

通常非球面形表达式为：

z代表光轴方向的位置，r代表相对光轴的垂直方向上的高度，c代表曲率半径，k代表圆锥系数，α₄、α₆、α_8…代表非球面系数。

在非球面形数据中，E-n代表“×10^-n”，例如2.01E-06代表2.01×10^-6。

下面参照下面的表格对本发明进行更为详细的描述。

本方案中的镜头的工作波段为8-12μm，变倍比为4倍，最长焦距为80mm，最短焦距为20mm。

其中，表一为本实施例的光学元件参数表。

表一中D1是第一透镜101和第二透镜201的间距，D2是第二透镜201和第三透镜301的间距，D3是第三透镜301和第四透镜401的间距。

表一：光学元件参数表

表二：非球面数据

表三：变焦位置与透镜组间距的关系

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3、图4和图5为本发明具体实施方式广角状态、中焦状态和长焦状态时调制传递函数MTF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6、图7和图8为本发明具体实施方式广角状态、中焦状态和长焦状态时纵向像差、场曲以及畸变图。其中S线为径向场曲曲线，T线为切向场曲曲线。

从图中我们可以发现，各种像差得到了很好的校正，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。

从上述的数据可以看出本发明仅使用4片镜片和一面非球面即可实现4倍以上的变倍比，并能够获得清晰的图像，因此大大减少了镜头的长度，降低了红外变焦镜头的成本。同时，由于使用镜片数量少，相对孔径更大，使得镜头透过率更高，效果更好。因此，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。

当然，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。同时，上述说明并非是对发明的限制，本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种红外连续变焦镜头，包括设置在光轴上的多组镜头，其特征是：所述的多组镜头包括可以沿光轴移动的补偿透镜、变焦透镜、后调焦透镜和位置固定的前固定透镜，从物方到像方依次为前固定透镜、变焦透镜、补偿透镜、后调焦透镜，前固定透镜的屈光度为正，变焦透镜的屈光度为负，补偿透镜的屈光度为正，后调焦透镜的屈光度为正，所述的前固定透镜为凸面朝向物方的弯月形透镜，变焦透镜为双面是凹面的透镜，补偿透镜为双面为凸面的透镜，后调焦透镜是凸面朝向物方的弯月形透镜，所述前固定组透镜的直径与最长焦距满足 D₁/f_t>1.0，补偿透镜朝向物方的表面为偶次非球面；

其中，D₁表示前固定组透镜的直径，f_t表示所述变焦镜头处于望远状态时的焦距，所述四个镜片中只有一个非球面；

所述的前固定透镜、变焦透镜、后调透镜的焦距满足如下条件f₁/f_t>0.75，

-1.0<f₂/f_t<-0.1，0.3<f₄/f_t<1.0，其中，f₁表示前固定透镜的焦距，f₂表示变焦透镜的焦距，f₄表示后调焦透镜的焦距，f_t表示所述变焦镜头处于望远状态时的焦距。

2.根据权利要求1所述的红外连续变焦镜头，其特征是：所述的补偿透镜、变焦透镜、后调焦透镜、前固定透镜均为锗镜头。

3.根据权利要求1所述的红外连续变焦镜头，其特征是：前固定透镜的朝向物方的表面有硬碳膜，前固定透镜的另一表面有红外增透膜，变焦透镜、补偿透镜、后调焦透镜的表面均有红外增透膜。

4.根据权利要求1所述的红外连续变焦镜头，其特征是：在变焦透镜和补偿透镜之间设置有可以沿光轴移动的光阑。