CN104570297A - 一种制冷型中波红外分档变焦跟踪镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制冷型中波红外分档变焦跟踪镜头。沿光轴从物方到像方依次设置物镜组和投影镜组；投影镜组沿光线传播路径上依次设置有调焦镜、固定组、变焦组；所述物镜组、调焦镜、固定组、变焦组在同一光轴上，调焦镜与变焦组可沿光轴移动，物镜组与固定组在光轴上位置不变。本发明提供了一种像面稳定，成像质量较好，变焦行程较短，机械结构实现简单、可靠的制冷型中波红外分档变焦跟踪镜头。
Description
技术领域
本发明属于光学领域，涉及一种跟踪镜头，具体涉及一种制冷型中波红外分档变焦跟踪镜头。
背景技术
随着红外技术和电视跟踪技术快速发展，相对于可见光波段，其对目标跟踪在可靠性、跟踪距离和环境适应性等方面的优势非常明显，因而应用也越来越广泛。
作为中波红外电视跟踪系统重要组成部分的红外变焦镜头，跟踪过程可以实时变焦对目标缩放、场景适应行强、使用方便，特别是在边防、森林防火等方面的使用越来越多。镜头除了要求具有变焦过程中成像质量清晰，全视场畸变小(＜1％)，镜片数量少(透过率高，造价低廉)外，还要求其在恶劣的环境下(工作温度-40℃～55℃，湿度90％以上)稳定、可靠的工作。
目前制冷型红外中波变焦跟踪镜头中分档变焦居多，主要以在光路中切换镜组或是相邻的一组透镜一起运动改变间隔来实现变焦。前者镜片数量较多，结构也相对复杂；后者运动行程较长，结构复杂。另外连续变焦的镜头多是通过精密凸轮来实现变倍组和补偿组的运动曲线，机械机构和控制过程相对复杂，成像质量不容易保证，造价高，但可以实现高变焦倍率，而本发明通过靠近像面的相隔的两个镜片组成的镜组直线运动实现分档变焦功能，具有行程短，像面稳定，成像品质好，结构紧凑，可靠性高的特点，能够满足装备要求。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种制冷型中波红外分档变焦跟踪镜头，具有实现简单、成像品质高、恶劣条件下工作可靠等特点，能够满足实际使用要求。
本发明的技术方案为：一种制冷型中波红外分档变焦跟踪镜头，沿光轴从物方到像方依次设置物镜组和投影镜组；上述投影镜组沿光线传播路径上依次设置有调焦镜、固定组、变焦组；上述物镜组、调焦镜、固定组、变焦组在同一光轴上，上述调焦镜与变焦组可沿光轴移动，上述物镜组与固定组在光轴上位置不变；其特殊之处在于：上述调焦镜包括正光焦度弯向物方的第三弯月镜；上述固定组包括沿光线传播路径上依次设置的正光焦度弯向像方的第四弯月镜和一个正光焦度双凸透镜；上述变焦组包括沿光线传播路径上依次设置的一个负光焦度双凹透镜和负光焦度弯向像方的第五弯月镜；上述物镜组包括沿光线传播路径上依次设置的正光焦度弯向像方的第一弯月镜和负光焦度弯向像方的第二弯月镜；上述双凸透镜设置在双凹透镜和第五弯月镜之间；上述第四弯月镜设置在双凹透镜和第三弯月镜之间；上述第二弯月镜设置在第三弯月镜和第一弯月镜之间；
上述双凹透镜和第五弯月镜的镜片面为非球面；
上述第二弯月镜、双凹透镜、第五弯月镜的材质为单晶锗；
上述第一弯月镜、第三弯月镜、第四弯月镜、双凸透镜的材质为单晶硅。
本发明的有益效果：该制冷型中波红外分档变焦跟踪镜头由一个正光焦度弯向像方的弯月镜和一个负光焦度弯向像方的弯月镜构成的物镜组将不同距离目标成像在一次像面位置；然后由一组投影镜组将入瞳投影到探测器冷屏位置上，实现光栏和冷屏的完全匹配，减少杂光，提高信噪比，同时也有效减小了镜头口径，并实现调焦和变焦功能。其中，由一个正光焦度弯向物方的弯月镜构成的调焦镜，用于和物镜组组成无焦望远系统，使出射光线变为平行光，调整其间隔变化实现温度和距离调焦补偿；由一个正光焦度弯向像方的弯月镜构成的固定组1，用于将物镜组和调焦镜组成无焦系统出射光线会聚在变焦组物面上；又由一个负光焦度双凹透镜和一个负光焦度弯向像方的弯月镜构成变焦组通过调整光学间隔变化实现连续变焦，同时镜片面形采用非球面以便对物镜组、调焦组和固定组剩余像差进行平衡；由一个正光焦度双凸透镜构成的固定组2，将变焦组前组出射光线进行会聚，减小其像距，从而缩短变焦行程。与现有技术相比，本发明变焦组采用非球面，相隔两个负透镜组成的变焦组做线性运动实现变焦，像面稳定，成像质量较好，变焦行程较短，机械结构实现简单、可靠，能够满足实际使用要求。
附图说明
图1为本发明短焦状态光路图；
图2为本发明长焦状态光路图；
图3为本发明空间频率为17lp/mm，短焦状态光学系统的MTF曲线图；
图4为本发明空间频率为17lp/mm，长焦状态光学系统的MTF曲线图；
图5为本发明短焦状态畸变曲线图；
图6为本发明长焦状态畸变曲线图；
其中：1-第一弯月镜、2-第二弯月镜、3-第三弯月镜、4-第四弯月镜、5-双凹透镜、6-双凸透镜、7-第五弯月镜。
具体实施方式
参见图1-6，本发明提出了一种制冷型中波红外分档变焦跟踪镜头，沿光轴从物方到像方依次设置物镜组和投影镜组；投影镜组沿光线传播路径上依次设置有调焦镜、固定组、变焦组；物镜组、调焦镜、固定组、变焦组在同一光轴上，调焦镜与变焦组可沿光轴移动，物镜组与固定组在光轴上位置不变；调焦镜包括正光焦度弯向物方的第三弯月镜3；固定组包括沿光线传播路径上依次设置的正光焦度弯向像方的第四弯月镜4和一个正光焦度双凸透镜6；变焦组包括沿光线传播路径上依次设置的一个负光焦度双凹透镜5和负光焦度弯向像方的第五弯月镜7；物镜组包括沿光线传播路径上依次设置的正光焦度弯向像方的第一弯月镜1和负光焦度弯向像方的第二弯月镜2；双凸透镜6设置在双凹透镜5和第五弯月镜7之间；第四弯月镜4设置在双凹透镜5和第三弯月镜3之间；第二弯月镜2设置在第三弯月镜3和第一弯月镜1之间；双凹透镜5和第五弯月镜7的镜片面为非球面；第二弯月镜2、双凹透镜5、第五弯月镜7的材质为单晶锗；第一弯月镜1、第三弯月镜3、第四弯月镜4、双凸透镜6的材质为单晶硅。
发明点主要是在投影镜组中设置了相隔两个负透镜组成的变焦组做线性运动实现变焦，且其中的变焦组采用非球面。
制冷型红外探测器结构中与镜头相关的结构，从靠近镜头一侧起，主要包括：探测器窗口、冷屏和焦平面。因而冷屏属于探测器部分，镜头设计需考虑其口径、位置限制。投影镜组作用是将镜头的出瞳位置和探测器冷屏位置实现匹配，就是将镜头的出瞳通过物像关系由透镜镜组将其成像在冷屏位置上，实现冷屏100％效率，达到减少杂光作用。本发明可与制冷型中波红外探测器组合使用，当所述制冷型中波红外分档变焦跟踪镜头由短焦状态向长焦状态变化时，所述双凹透镜与第四弯月镜之间空气间隔一直增大，第五弯月镜与双凸透镜之间空气间隔一直增大。
实现本发明采取的技术路线是：该制冷型中波红外分档变焦跟踪镜头由物镜组、调焦镜、固定组和变焦组构成。物镜组由一个正光焦度弯向像方的弯月镜和一个负光焦度弯向像方的弯月镜构成；调焦镜由一个正光焦度弯向物方的弯月镜构成；固定组1由一个正光焦度弯向像方的弯月镜构成；变焦组由一个负光焦度双凹透镜和一个负光焦度弯向像方的弯月镜构成；固定组2由一个正光焦度双凸透镜构成。
所述物镜组、调焦镜、固定组1、变焦组和固定组2构成系统的焦距变化范围190mm～380mm，F数为2，成像尺寸φ12mm，冷屏效率100％，系统总长608mm。
所述变焦组通过调节光学间隔变化实现分档变焦。
如图1、2所示的190mm～380mm/F2制冷型中波红外分档变焦跟踪镜头光学系统，采用5组7片式结构，包括由一个单晶硅材料磨制的正光焦度弯向像方的第一弯月镜和单晶锗材料磨制的一个负光焦度弯向像方的第二弯月镜构成物镜组，将目标成像在一次像面上；由一个单晶硅材料磨制正光焦度弯向物方的第三弯月镜构成的调焦镜实现温度和距离调焦功能；由一个单晶硅材料磨制一个正光焦度弯向像方的第四弯月镜构成的固定组1，用于将目标会聚到变焦组物面上；由单晶锗材料磨制一个负光焦度双凹透镜和一个负光焦度弯向像方的第五弯月镜构成变焦组实现连续变焦，镜片面形采用非球面，用于对物镜组、调焦镜和固定组1剩余像差进行补偿；由一个单晶硅材料磨制正光焦度双凸透镜(序号6)构成的固定组2将变焦组前组出射光线进行会聚，减小其像距，从而缩短变焦行程。变焦组通过图示间隔变化实现连续变焦。如图3、4、5、6所示系统在短焦、长焦情况下，空间频率为17lp/mm时的MTF曲线值可以看出，具有较好的成像质量，全视场畸变较小，能够满足红外电视跟踪及监控要求。
Claims (4)
1.一种制冷型中波红外分档变焦跟踪镜头，沿光轴从物方到像方依次设置物镜组和投影镜组；所述投影镜组沿光线传播路径上依次设置有调焦镜、固定组、变焦组；所述物镜组、调焦镜、固定组、变焦组在同一光轴上，所述调焦镜与变焦组可沿光轴移动，所述物镜组与固定组在光轴上位置不变；其特征在于：所述调焦镜包括正光焦度弯向物方的第三弯月镜；所述固定组包括沿光线传播路径上依次设置的正光焦度弯向像方的第四弯月镜和一个正光焦度双凸透镜；所述变焦组包括沿光线传播路径上依次设置的一个负光焦度双凹透镜和负光焦度弯向像方的第五弯月镜；所述物镜组包括沿光线传播路径上依次设置的正光焦度弯向像方的第一弯月镜和负光焦度弯向像方的第二弯月镜；所述双凸透镜设置在双凹透镜和第五弯月镜之间；所述第四弯月镜设置在双凹透镜和第三弯月镜之间；所述第二弯月镜设置在第三弯月镜和第一弯月镜之间。
2.根据权利要求书1所述的一种制冷型中波红外分档变焦跟踪镜头，其特征在于：所述双凹透镜和第五弯月镜的镜片面为非球面。
3.根据权利要求书1或2所述的一种制冷型中波红外分档变焦跟踪镜头，其特征在于：所述第二弯月镜、双凹透镜、第五弯月镜的材质为单晶锗。
4.根据权利要求书3所述的一种制冷型中波红外分档变焦跟踪镜头，其特征在于：所述第一弯月镜、第三弯月镜、第四弯月镜、双凸透镜的材质为单晶硅。
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