CN106054364A - 一种高透过率中波红外变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明的高透过率中波红外变焦镜头，包括从物侧至像侧沿光轴依次分布的前固定组、变倍组、补偿组、第一后固定组、第二后固定组以及探测器，特征在于：其分别采用正弯月透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、正弯月透镜以及两个正弯月透镜；变倍组、补偿组均通过驱动机构的驱使进行前、后运动，以分别实现改变焦距和补偿像面的离焦。本发明的高透过率中波红外变焦镜头，通过变倍组、补偿组的变焦和补偿运动，既实现了较大变倍（20倍）比，由于透镜数目（6片）较少，又保证了整个镜头系统具有较高的透过率，提高了中波红外成像的图像质量，结构紧凑，有温度补偿功能，易于装调和组装。

Description

一种高透过率中波红外变焦镜头

技术领域

本发明涉及一种高透过率中波红外变焦镜头，更具体的说，尤其涉及一种应用于制冷红外光学成像系统上的高透过率中波红外变焦镜头。

背景技术

中波红外制冷型红外探测器虽然价格昂贵，但是其相对长波非制冷红外探测器有较好的NETD(NEDT为噪声等效温差，是判别探测器以及热像仪性能的重要指标)。长波非制冷红外探测器NETD一般从50mk-120mk不等，中红制冷型红外探测器NETD一般从10mk-25mk不等。因此，中波红外热像仪在军事，海防等重要领域，有着不可替代的作用。

在中波制冷型红外热像仪中镜头非常重要，但是目前中波红外变焦镜头中，都使用了8片，9片甚至更多片的透镜，由于受制于目前国内的镀膜工艺，每增加一片透镜，整个镜头的透过率降低，导致整个红外热像仪的性能下降。在中国专利文献CN1482647B公开的一种大变倍比中波红外连续变焦镜头采用8片透镜，还有中国专利文献CN105445934A公开的一种紧凑型切换式三视场中波红外光学系统使用了12片透镜，通过以上描述可知，透镜少，高透过率的中波红外变焦镜头设计是一个难题。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种可减少透镜使用数量的高透过率中波红外变焦镜头。

本发明的高透过率中波红外变焦镜头，包括从物侧至像侧沿光轴依次分布的前固定组、变倍组、补偿组、第一后固定组、第二后固定组以及探测器，探测器设置于探测器焦平面上；其特征在于：所述前固定组为凸面朝向物侧的正弯月透镜，变倍组为双凹负透镜，补偿组为双凸正透镜，第一后固定组为凸面朝向物侧的正弯月透镜，第二后固定组由第一透镜和第二透镜组成，第一透镜、第二透镜均为凸面朝向物侧的正弯月透镜；变倍组、补偿组均通过驱动机构的驱使进行前、后运动，以分别实现改变焦距和补偿像面的离焦；在镜头由广角至长焦变化过程中，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均逐渐增大。

本发明的高透过率中波红外变焦镜头，所述前固定组、变倍组、补偿组、第一后固定组、第一透镜、第二透镜分别具有正、负、正、正、正、正的屈光度。

本发明的高透过率中波红外变焦镜头，第二透镜至探测器焦平面之间依次设置有探测器窗口和冷光阑。

本发明的高透过率中波红外变焦镜头，设前固定组的焦距为f₁、变倍组的焦距为f₂、第二后固定组的焦距为f₄，其满足如下不等式组：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1/f_t<-5\\ f_2/f_t>0.2\\ -0.3<f_4/f_t<-0.1\end{array}\right.$

其中，f_t为镜头处于长焦状态时所具有的焦距。

本发明的高透过率中波红外变焦镜头，记前固定组、变倍组、补偿组、第一后固定组、第一透镜、第二透镜的透镜序号分别为1、2、3、4、5、6，从物侧至像侧其曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12，S1至S12相邻两曲面的距离分别为12mm、D1mm、4mm、D2mm、5mm、D3mm、4mm、80.10mm、7mm、15.40mm、5mm，S12到探测器焦平面的距离为24.5mm，镜头由广角至长焦变化的过程中，D1从31.40到106.20之间变化，D2从117.4至14.55之间变化，D3从17.20至45.25之间变化。

本发明的高透过率中波红外变焦镜头，所述第一后固定组和第二透镜为硅材料，前固定组、变倍组、补偿组和第一透镜均为锗材料；曲面S3和曲面S6均为偶次非球面，偶次非球面通过如下公式来确定：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\&alpha;}}_4{r}^4+{\mathrm{\&alpha;}}_6{r}^6+{\mathrm{\&alpha;}}_8{r}^8$

其中，其中，k为非球面的圆锥系数，α₄、α₆、α₈为非球面的4次、6次、8次系数；r为非球面上距离光轴垂直方向上的高度，z为非球面上距离透镜中心水平方向上的距离；

对于偶次非球面S3，k、α₄、α₆、α₈分别取-0.85、1.53×10^-7、-2.4×10^-10、2.87×10^-13；对于偶次非球面S6，k、α₄、α₆、α₈分别取1.2、1.26×10^-7、-1.8×10^-10、3.03×10^-13。

本发明的高透过率中波红外变焦镜头，所述曲面S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12的曲率半径分比为201.653mm、350.275mm、-306.83mm、208.55mm、602.16mm、-249.83mm、89.25mm、100.19mm、66.32mm、114.50mm、54.42mm、69.06mm。

本发明的有益效果是：本发明的高透过率中波红外变焦镜头，通过在物侧至像侧沿光轴依次设置前固定组、变倍组、补偿组、第一后固定组以及由第一透镜和第二透镜组成的第二后固定组，且其分别采用正弯月透镜、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，通过变倍组、补偿组的变焦和补偿运动，既实现了较大变倍(20倍)比，由于透镜数目(6片)较少，又保证了整个镜头系统具有较高的透光率，提高了中波红外成像的图像质量。本发明能够通过选取和排列6片透镜，就能实现20倍的变倍比，同时具有很高的透过率，结构紧凑，有温度补偿功能，易于装调和组装。

附图说明

图1为本发明的高透过率中波红外变焦镜头长焦端的结构示意图；

图2为本发明的高透过率中波红外变焦镜头中焦端的结构示意图；

图3为本发明的高透过率中波红外变焦镜头广角端的结构示意图；

图4为本发明的镜头处于长焦端的调制传递函数MTF图；

图5为本发明的镜头处于中焦端的调制传递函数MTF图；

图6为本发明的镜头处于广角端的调制传递函数MTF图。

图中：1前固定组，2变倍组，3补偿组，4第一后固定组，5第一透镜，6第二透镜，7探测器窗口，8冷光阑，9探测器焦平面。

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高透过率中波红外变焦镜头长焦端、中焦段和广角端的结构示意图，其由从物侧至像侧沿光轴依次分布的前固定组1、变倍组2、补偿组3、第一后固定组4、第二后固定组和探测器组成，第二后固定组由第一透镜5和第二透镜6组成，前固定组1由凸面朝向物侧的正弯月透镜构成，以实现对不同距离的目标进行聚焦；变倍组2采用双凹负透镜，用于改变系统的焦距，补偿组3采用双凸正透镜，用于对远近不同的物体聚焦清楚，对远近不同的物体聚焦清楚，并可以在一定温度变化范围内补偿像面的离焦；第一后固定组4采用凸面朝向物侧的正弯月透镜，用于实现系统的像差平衡；第二后固定组中的第一透镜5和第二透镜6均采用凸面朝向物侧的正弯月透镜。第二透镜6至探测器焦平面9之间依次设置有探测器窗口7和冷光阑8。

变倍组2和补偿组3通过驱动机构的驱使进行前、后运动，以分别实现改变焦距和补偿像面的离焦，如采用凸轮机构进行驱动。在镜头由广角至长焦变化过程中，变倍组2与前固定组1之间的距离、补偿组3与第一后固定组4之间的距离均逐渐增大，变倍组2与补偿组3之间的距离逐渐变小。通过变倍组2和补偿组3的运动，可实现较大变倍(20倍)比，由于采用了较少数目的透镜(6片)，保证了整个透镜的高透过率。

前固定组1、变倍组2、补偿组3、第一后固定组4、第一透镜5、第二透镜6的屈光度分别为正、负、正、正、正、正，变倍组2朝向物侧的面和补偿组3朝向像侧的面均加工为偶次非球面，第一后固定组4和第二透镜6均为硅材料制作，其余四片透镜均由锗材料制作，锗材料易于加工偶次非球面。

本发明的高透过率中波红外变焦镜头，工作波段为3-5μm，变倍比为20倍，最长焦距为280mm，最短焦距为14mm。记前固定组1、变倍组2、补偿组3、第一后固定组4、第一透镜5、第二透镜6的透镜序号分别为1、2、3、4、5、6，从物侧至像侧其曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12，各透镜的光学元件参数如表1所示：

表1

偶次非球面S3和S6通过如下公式来确定：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\&alpha;}}_4{r}^4+{\mathrm{\&alpha;}}_6{r}^6+{\mathrm{\&alpha;}}_8{r}^8$

其中，其中，k为非球面的圆锥系数，α₄、α₆、α₈为非球面的4次、6次、8次系数；r为非球面上距离光轴垂直方向上的高度，z为非球面上距离透镜中心水平方向上的距离。偶次非球面S3和S6的非球面数据如表2所示：

表1

	k	α4	α6	α8
					非球面S3	-0.85	1.53e-007	-2.4e-010	2.87e-013
非球面S6	1.2	1.26e-007	-1.8e-010	3.03e-013

其中，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。

在镜头由广角至长焦变化过程中，广角、中焦、长焦状态下D1、D2、D3的取值如表3所示：

表3

如图4、图5和图6所示，分别给出了本发明的镜头处于长焦、中焦和广角端的调制传递函数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。可以看出此光学系统在20lp/mm时MTF非常接近衍射极限值，图像质量较高。

本发明未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，例如把非球面改为二元衍射面，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高透过率中波红外变焦镜头，包括从物侧至像侧沿光轴依次分布的前固定组(1)、变倍组(2)、补偿组(3)、第一后固定组(4)、第二后固定组以及探测器，探测器设置于探测器焦平面(9)上；其特征在于：所述前固定组为凸面朝向物侧的正弯月透镜，变倍组为双凹负透镜，补偿组为双凸正透镜，第一后固定组为凸面朝向物侧的正弯月透镜，第二后固定组由第一透镜(5)和第二透镜(6)组成，第一透镜、第二透镜均为凸面朝向物侧的正弯月透镜；变倍组、补偿组均通过驱动机构的驱使进行前、后运动，以分别实现改变焦距和补偿像面的离焦；在镜头由广角至长焦变化过程中，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均逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的高透过率中波红外变焦镜头，其特征在于：所述前固定组(1)、变倍组(2)、补偿组(3)、第一后固定组(4)、第一透镜(5)、第二透镜(6)分别具有正、负、正、正、正、正的屈光度。

3.根据权利要求1或2所述的高透过率中波红外变焦镜头，其特征在于：第二透镜(6)至探测器焦平面(9)之间依次设置有探测器窗口(7)和冷光阑(8)。

4.根据权利要求1或2所述的高透过率中波红外变焦镜头，其特征在于：设前固定组(1)的焦距为f₁、变倍组(2)的焦距为f₂、第二后固定组的焦距为f₄，其满足如下不等式组：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1/f_t<-5\\ f_2/f_t>0.2\\ -0.3<f_4/f_t<-0.1\end{array}\right.$

其中，f_t为镜头处于长焦状态时所具有的焦距。

5.根据权利要求1或2所述的高透过率中波红外变焦镜头，其特征在于：记前固定组(1)、变倍组(2)、补偿组(3)、第一后固定组(4)、第一透镜(5)、第二透镜(6)的透镜序号分别为1、2、3、4、5、6，从物侧至像侧其曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12，S1至S12相邻两曲面的距离分别为12mm、D1mm、4mm、D2mm、5mm、D3mm、4mm、80.10mm、7mm、15.40mm、5mm，S12到探测器焦平面(9)的距离为24.5mm，镜头由广角至长焦变化的过程中，D1从31.40到106.20之间变化，D2从117.4至14.55之间变化，D3从17.20至45.25之间变化。

6.根据权利要求5所述的高透过率中波红外变焦镜头，其特征在于：所述第一后固定组(4)和第二透镜(6)为硅材料，前固定组(1)、变倍组(2)、补偿组(3)和第一透镜(5)均为锗材料；曲面S3和曲面S6均为偶次非球面，偶次非球面通过如下公式来确定：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\&alpha;}}_4{r}^4+{\mathrm{\&alpha;}}_6{r}^6+{\mathrm{\&alpha;}}_8{r}^8$

其中，其中，k为非球面的圆锥系数，α₄、α₆、α₈为非球面的4次、6次、8次系数；r为非球面上距离光轴垂直方向上的高度，z为非球面上距离透镜中心水平方向上的距离；

对于偶次非球面S3，k、α₄、α₆、α₈分别取-0.85、1.53×10^-7、-2.4×10^-10、2.87×10^-13；对于偶次非球面S6，k、α₄、α₆、α₈分别取1.2、1.26×10^-7、-1.8×10^-10、3.03×10^-13。

7.根据权利要求5所述的高透过率中波红外变焦镜头，其特征在于：所述曲面S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12的曲率半径分比为201.653mm、350.275mm、-306.83mm、208.55mm、602.16mm、-249.83mm、89.25mm、100.19mm、66.32mm、114.50mm、54.42mm、69.06mm。