CN105974566A - 一种大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，包括由物面到像面沿光轴依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、中继组和探测器，特征在于：所述变倍组由双凹透镜构成，补偿组由双凸透镜构成，中继组由反射镜组和二次成像组构成，反射镜组使光线的传播方向进行180°转折，转折后的光线经二次成像组后，汇聚于探测器的靶面上，实现中波红外图像的采集。本发明的中波红外连续变焦镜头，一片透镜实现变倍、一片透镜实现补偿，减少了运动组元、简化了系统结构，提高了镜头的稳定性；通过设置使光线传播路径发生180°转折的反射组，缩短了镜头的横向尺寸，同时二次成像组还减小了前固定组的口径，有利于形成具有较小尺寸的镜头。

Description

一种大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头

技术领域

本发明涉及一种中波红外连续变焦镜头，更具体的说，尤其涉及一种大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头。

背景技术

红外光学系统具有夜间穿透能力强、识别伪装能力强、可被动接收红外辐射、隐蔽性好、不易受干扰等优点，在陆、海、空等军事领域的武器系统中展现出特殊的能力。随着红外成像技术的发展，红外变焦距系统被广泛应用于制导、监控、红外前视及目标探测和跟踪等领域。与定焦镜头、分档镜头相比，连续变焦镜头既能在大视场捕获目标，又能在发现目标后调整到小视场瞄准跟踪目标。并且在焦距和视场转换过程中，可保持对所观测目标在探测器靶面上所成像的连续性，这利于对高速运动目标的搜索和跟踪，解决了分档变焦镜头在视场切换时易造成高速目标丢失的缺陷。

与非制冷探测器相比，制冷型探测器灵敏度高，更容易满足军事领域对红外探测系统远作用距离、高温度分辨率、高空间分辨率的要求。故在军事领域、红外成像系统普遍采用制冷型探测器，但是目前搭配制冷型探测器设计的红外变焦镜头存在一些缺点，如加工成本高、技术难度大、结构复杂、变倍比小、成像质量差等。例如专利号201310310772.0的发明专利文件，公开了一种高变倍比中波红外连续变焦系统，系统使用双组联动的变倍补偿结构，且在硅材料上添加了非球面，应用到产品上结构复杂，在硅材料上加工非球面难度高，不易实现。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头。

本发明的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，包括由物面到像面沿光轴依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、中继组和探测器，入射到前固定组的光线，经过变倍组和补偿组的变倍、补偿后，得到的光线再经后固定组和中继组成像到探测器的靶面上；其特征在于：所述变倍组由双凹透镜构成，补偿组由双凸透镜构成，通过驱使双凹透镜、双凸透镜的移动实现镜头的连续变焦，以获取不同视场下的图像；所述中继组由反射镜组和二次成像组构成，反射镜组使光线的传播方向进行180°转折，转折后的光线经二次成像组后，汇聚于探测器的靶面上，实现中波红外图像的采集。

本发明的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，所述前固定组由第一正弯月透镜构成，后固定组由沿光线射入方向依次分布的第一负弯月透镜、第二正弯月透镜和第三正弯月透镜组成；所述反射组由反射面相对设置的第一反射镜和第二反射镜组成，第一反射镜、第二反射镜与光轴均成45°夹角；所述二次成像组由第四正弯月透镜和第二负弯月透镜组成。

本发明的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，所述第一正弯月透镜、双凹透镜、双凸透镜、第一负弯月透镜、第二正弯月透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜、第二负弯月透镜的光焦度分别为正、负、正、正、正、正、正、负，材料分别为硅、锗、锗、锗、硅、锗、硅、锗；

第一正弯月透镜、双凹透镜、双凸透镜、第一负弯月透镜、第二正弯月透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜、第二负弯月透镜上沿物面至相面方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S15、S16、S17、S18，第一反射镜和第二反射镜的反射面分别标记为S13、S14；双凹透镜的前表面S3、第一负弯月透镜的前表面S7、第二负弯月透镜的前表面S17的曲面均为偶次非球面，且非球面S3、S17的曲面上还加工二元衍射面。

本发明的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，所述第一正弯月透镜、双凹透镜、双凸透镜、第一负弯月透镜、第二正弯月透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜、第二负弯月透镜的反射面上均镀有增透膜，第一反射镜和第二反射镜的表面均镀有增反膜。

本发明的有益效果是：本发明的中波红外连续变焦镜头，变倍组、补偿组分别通过双凹透镜、双凸透镜来构成，使得一片透镜实现变倍、一片透镜实现补偿，减少了运动组元、简化了系统结构，提高了镜头的稳定性；通过设置使光线传播路径发生180°转折的反射组，转折后的光线再经二次成像组后成像，有效地缩短了镜头的横向尺寸，同时还减小了前固定组的口径，有利于形成具有较小尺寸的镜头。

本发明的中波红外连续变焦镜头，可实现较大焦距（如20mm～300mm）的连续变焦，在短焦发现目标、长焦识别目标，且在变焦过程中不会丢失目标。通过将多个透镜的曲面设计为偶次非球面和二元衍射面，使像差得到很好的校正，成像质量好。通过镜片材料的非球面的合理搭配，降低了成本。

附图说明

图1为本发明的连续变焦镜头在焦距为300mm处的光学系统图；

图2为本发明的连续变焦镜头在焦距为78mm处的光学系统图；

图3为本发明的连续变焦镜头在焦距为20mm处的光学系统图；

图4为本发明在焦距300mm处，空间频率为30lp/mm的MTF曲线图；

图5为本发明在焦距78mm处，空间频率为30lp/mm的MTF曲线图；

图6为本发明在焦距20mm处，空间频率为30lp/mm的MTF曲线图；

图7为本发明在焦距300mm处的光斑图；

图8为本发明在焦距78mm处的光斑图；

图9为本发明在焦距20mm处的光斑图。

图中：1第一正弯月透镜，2双凹透镜，3双凸透镜，4第一负弯月透镜，5第二正弯月透镜，6第三正弯月透镜，7第一反射镜，8第二反射镜，9第四正弯月透镜，10第二负弯月透镜，11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，给出了本发明的连续变焦镜头在焦距为300mm、78mm、20mm处的光学系统图，其由从物方到像方沿光轴依次分布的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、中继组和探测器11组成，前固定组由第一正弯月透镜1构成，以实现对射入光线的汇聚作用。变倍组由双凹透镜2构成，补偿组由双凸透镜3组成，通过双凹透镜2的移动实现镜头的变焦，双凹透镜3配合移动进行补偿，以获取清晰的红外图像。由于变倍、补偿均通过一片透镜来实现，运动元件少，简化了整个镜头的结构，有利于实现成像的稳定性。

所示的后固定组由沿光线射入方向依次分布的第一负弯月透镜4、第二正弯月透镜5和第三正弯月透镜6构成；中继组由反射镜组和二次成像组构成，反射镜组由第一反射镜7、第二反射镜8构成，第一反射镜7与第二反射镜8以反射面相对的形式布置，且第一反射镜7和第二反射镜8与镜头光轴的夹角均为45°，这就使得由后固定组射出的光线依次经第一反射镜7、第二反射镜8的反射后，光线的传播方向发生了180°改变。

二次成像组由沿光线传播方向依次设置的第四正弯月透镜9和第二负弯月透镜10构成，二次成像组射出的光线汇聚于探测器11的焦平面上，实现中波红外成像。由于设置了由第一、第二反射镜构成的反射镜组，在保证光线传播路径的同时，缩短了镜头的横向长度，以及前固定组的口径，易于形成具有较小尺寸的镜头。

所示的第一正弯月透镜1、双凹透镜2、双凸透镜3、第一负弯月透镜4、第二正弯月透镜5、第三正弯月透镜6、第四正弯月透镜9、第二负弯月透镜10的光焦度分别为正、负、正、正、正、正、正、负，材料分别为硅、锗、锗、锗、硅、锗、硅、锗。

第一正弯月透镜1、双凹透镜2、双凸透镜3、第一负弯月透镜4、第二正弯月透镜5、第三正弯月透镜6、第四正弯月透镜9、第二负弯月透镜10上沿物面至相面方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S15、S16、S17、S18，第一反射镜7和第二反射镜8的反射面分别标记为S13、S14；双凹透镜2的前表面S3、第一负弯月透镜4的前表面S7、第二负弯月透镜10的前表面S17的曲面均为偶次非球面，且非球面S3、S17的曲面上还加工二元衍射面。

这样，由于双凹透镜2、第一负弯月透镜4、第二负弯月透镜10均为锗材料，则锗材质的透镜上加工偶次非球面和二元衍射面，考虑到硅材料上加工非球面易磨损车刀，难以实现，所有非球面均加工在小尺寸的锗透镜上，保证加工精度的同时又降低了成本。

所示的第一正弯月透镜1、双凹透镜2、双凸透镜3、第一负弯月透镜4、第二正弯月透镜5、第三正弯月透镜6、第四正弯月透镜9、第二负弯月透镜10的表面均镀有增透膜，第一反射镜7和第二反射镜8的反射面上均镀有增反膜。

如表1所示，给出了本发明的镜头在焦距300mm、152mm、78mm、40mm、20mm的光学结构参数。本发明的镜头在变焦过程中，第一正弯月透镜1的后表面S2与双凹透镜2的前表面S3之间的距离为Z1、双凹透镜2的后表面S4与双凸透镜3的前表面S5之间的距离为Z2、双凸透镜的后表面S6与第二正弯月透镜4的前表面S7之间的距离为Z3。

表1

在焦距分别为300mm、152mm、78mm、40mm、20mm情况下Z1、Z2与Z3的取值如表2所示。

表2

由此可见，镜头在变焦的过程中，Z1、Z2、Z3是连续变化的。

图4、图5、图6分别是焦距为长焦300mm、中焦78mm、短焦20mm时，空间频率为30lp/mm处光学传递函数（MTF）曲线图，横坐标为每毫米线对数，纵坐标为归一化对比度，每幅图中均有6条曲线，其分别为衍射极限、中心视场、0.707视场与边缘视场的子午方向和弧矢方向的分辨率与空间频率的关系。由图可知在不同焦距处，不同视场在30lp/mm的对比度均大于0.4。

图7、图8、图9分别是焦距为长焦300mm、中焦78mm、短焦20mm的光斑图，给出了三个视场的光斑，RMS RADIUS为均方根半径，GEO RADIUS为几何半径，值越小成像质量越好。

由图4至图9可以得出，本发明大变倍比折反式中波红外连续变焦镜头具有很好的成像效果，可搭配320×256或640×512中波红外制冷探测器。

以上为本发明的具体实施方式，但不限于上述实例。

Claims (4)

1.一种大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，包括由物面到像面沿光轴依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、中继组和探测器（11），入射到前固定组的光线，经过变倍组和补偿组的变倍、补偿后，得到的光线再经后固定组和中继组成像到探测器的靶面上；其特征在于：所述变倍组由双凹透镜（2）构成，补偿组由双凸透镜（3）构成，通过驱使双凹透镜、双凸透镜的移动实现镜头的连续变焦，以获取不同视场下的图像；所述中继组由反射镜组和二次成像组构成，反射镜组使光线的传播方向进行180°转折，转折后的光线经二次成像组后，汇聚于探测器的靶面上，实现中波红外图像的采集。

2.根据权利要求1所述的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述前固定组由第一正弯月透镜（1）构成，后固定组由沿光线射入方向依次分布的第一负弯月透镜（4）、第二正弯月透镜（5）和第三正弯月透镜（6）组成；所述反射组由反射面相对设置的第一反射镜（7）和第二反射镜（8）组成，第一反射镜、第二反射镜与光轴均成45°夹角；所述二次成像组由第四正弯月透镜（9）和第二负弯月透镜（10）组成。

3.根据权利要求2所述的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述第一正弯月透镜（1）、双凹透镜（2）、双凸透镜（3）、第一负弯月透镜（4）、第二正弯月透镜（5）、第三正弯月透镜（6）、第四正弯月透镜（9）、第二负弯月透镜（10）的光焦度分别为正、负、正、正、正、正、正、负，材料分别为硅、锗、锗、锗、硅、锗、硅、锗；

第一正弯月透镜、双凹透镜、双凸透镜、第一负弯月透镜、第二正弯月透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜、第二负弯月透镜上沿物面至相面方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S15、S16、S17、S18，第一反射镜（7）和第二反射镜（8）的反射面分别标记为S13、S14；双凹透镜的前表面S3、第一负弯月透镜的前表面S7、第二负弯月透镜的前表面S17的曲面均为偶次非球面，且非球面S3、S17的曲面上还加工二元衍射面。

4.根据权利要求2或3所述的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述第一正弯月透镜（1）、双凹透镜（2）、双凸透镜（3）、第一负弯月透镜（4）、第二正弯月透镜（5）、第三正弯月透镜（6）、第四正弯月透镜（9）、第二负弯月透镜（10）的反射面上均镀有增透膜，第一反射镜（7）和第二反射镜（8）的表面均镀有增反膜。