CN107255860B - 适用于密封装置的内聚焦式无热化长波红外连续变焦镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内聚焦式无热化长波红外连续变焦镜头，从物方到像方依次设有光焦度为正的前固定组G1、光焦度为负的变倍组G2、光栏STO、光焦度为正的中固定组G3、光焦度为正的补偿组G4、光焦度为负的后固定组G5及像面；其中，变倍组G2和补偿组G4沿光轴的前后移动实现镜头连续变焦成像；具有高像素、大靶面、大焦距的特点，且后固定组的第一透镜能够沿轴前后移动，来补偿像面随温度的漂移，实现镜头无热化，并且有聚焦作用，若安装于光电、吊舱等产品中，则不需要保护窗口即可实现产品密封性能。

Description

适用于密封装置的内聚焦式无热化长波红外连续变焦镜头
技术领域
本发明属于短波红外成像技术领域，具体涉及一种适用于密封装置的内聚焦式无热化长波红外连续变焦镜头，适用于高像素、大靶面长波非制冷探测器。
背景技术
红外光学系统因具有隐蔽性好、环境适应性好等诸多优点，广泛应用于军事领域和民用工程。特别地，红外连续变焦系统能够通过改变系统焦距改变成像大小，达到大视场搜索、小视场仔细观察目标的目的，且在视场变化时不易丢失目标，在民用与军用领域有着良好的应用前景。但是红外连续变焦系统在设计上有较大难度，特别是高像素、大靶面、大焦距红外连续变焦系统，因为可选的红外光学材料是有限的。
现有的中国专利CN200910014323.5所提到的非制冷热成像仪大变倍比红外连续变焦镜头最长焦距108mm，本发明最长焦距为144mm；中国专利200910084338.9所提到的长波红外连续变焦镜头，适用于30μm像元的探测器，本发明适用于17μm的高像素数、小像元、大靶面探测器。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种适用于密封装置的内聚焦式无热化长波红外连续变焦镜头,具有高像素、大靶面、大焦距的特点。且后固定组的第一透镜能够沿轴前后移动，来补偿像面随温度的漂移，实现镜头无热化，并且有聚焦作用，若安装于光电、吊舱等产品中，则不需要保护窗口即可实现产品密封性能。
一种内聚焦式无热化长波红外连续变焦镜头，从物方到像方依次设有光焦度为正的前固定组G1、光焦度为负的变倍组G2、光栏STO、光焦度为正的中固定组G3、光焦度为正的补偿组G4、光焦度为负的后固定组G5及像面；其中，变倍组G2和补偿组G4沿光轴的前后移动实现镜头连续变焦成像；
前固定组G1、变倍组G2和中固定组G3满足如下关系式：
1.2≤f1/ft≤2；
0.5≤f2/f3≤1.2；
其中，f1是前固定组G1的焦距值；f2是变倍组该的焦距值；f3是补偿组G3的焦距值；ft是镜头最长焦的焦距值。
较佳的，系统变焦成像过程中，变倍组G2作线性移动，补偿组G4作非线性移动。
较佳的，当系统的位置状态从短焦状态向长焦状态变化时，前固定组G1和变倍组G2之间的距离一直增大，变倍组G2与中固定组G3的距离一直减小，中固定组G3与补偿组G4的距离先减小后增大，补偿组G4与后固定组G5的距离先增大后减小。
本发明具有如下有益效果：
一种适用于密封装置的内聚焦式无热化长波红外连续变焦镜头,具有高像素、大靶面、大焦距的特点，且后固定组的第一透镜能够沿轴前后移动，来补偿像面随温度的漂移，实现镜头无热化，并且有聚焦作用，若安装于光电、吊舱等产品中，则不需要保护窗口即可实现产品密封性能。
附图说明
图1为镜头主要组成图。
图2.1为光学镜头最短焦位置图示；图2.2为光学镜头中焦位置图示；图2.3为光学镜头最长焦位置图示。
图3.1为镜头最短焦位置MTF图示；图3.2为镜头中焦位置MTF图示；图3.3为镜头最长焦位置MTF图示。
图4为镜头具体实施方式中变焦凸轮的结构示意图；横坐标为凸轮转角步数，总共600步，每步0.25°，凸轮转角150°；纵坐标为数值大小。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1所示，本发明包括从沿光线入射方向分别设有光焦度为正的前固定组G1、光焦度为负的变倍组G2、光焦度为负的补偿组G3、光栏STO、光焦度为正的后固定组G4、保护玻璃PG及像面Simage。
所述的适用于密封装置的内聚焦式无热化长波红外连续变焦镜头的实现需满足两个条件：(1)焦距或放大倍率的连续改变；(2)在变焦过程中像面位置稳定。这两个条件是由变倍组和补偿组的移动来实现的。为了实现变倍目的，变倍组沿轴作线性运动，此时垂直放大倍率改变，像点移动，为了满足像点不动，补偿组需作相应的运动。
前固定组G1仅有一片透镜L11，其结构较为简单且容易制作，且可在维持良好成像质量的前提下，使变焦镜头结构更为紧凑。
变倍组G2由左向右作线性移动时，焦距由短变长，同时像面也发生位移，用补偿组G3作相应的少量非线性移动，以实现镜头变焦过程中连续成像。后固定组G4的第一透镜L41能够沿轴前后移动，来补偿像面Simage随温度的漂移，实现镜头无热化，并且有聚焦作用，若安装于光电、吊舱等产品中，则不需要保护窗口即可实现产品密封性能，可大大提高系统的透过率，增加探测器接收能量。
所述的适用于密封装置的内聚焦式无热化长波红外连续变焦镜头，其特征是，所述前固定组、变倍组、补偿组的焦距满足如下关系式：
1.2≤f1/ft≤2 公式1
0.5≤f2/f3≤1.2 公式2
其中，f1是前固定组G1的焦距值；f2是变倍组G2的焦距值；f3是补偿组G3的焦距值；ft是系统最长焦的焦距值。
所述的适用于密封装置的内聚焦式无热化长波红外连续变焦镜头，变倍组该光焦度为负的弯月透镜L21玻璃材料为硫系玻璃。
在本实施例中，该光学系统的工作光谱范围为8000nm～12000nm,焦距为44mm～176mm，相对孔径为1，像素数640×480，像元尺寸17μm。
所述的适用于密封装置的内聚焦式无热化长波红外连续变焦镜头中，前固定组G1由1组镜片L11组成；变倍组G2由2组镜片组成，L21、L22；补偿组G3由1组镜片L31组成；STO为光栏；后固定组G4由2组镜片组成，L41、L42；保护玻璃PG及像面Simage；各光学器件的参数如表一：
<表一>
表中，曲率半径是指每个表面的曲率半径，间隔是指两相邻表面间的距离，举例来说，表面S1的间距，即表面S1至表面S2间的距离。
表二列出了表面S1，表面S4，表面S11的非球面系数。
<表二>
表面 K A B C D
S1 -0.4749 0 4.436e-014 -3.148e-018 8.683e-023
S4 -0.0976 0 2.320e-012 3.031e-015 -1.786e-018
S11 -1.982 0 3.035e-012 -1.259e-015 2.380e-019
非球面以面定点为基准的光轴方向的位变定义如下：
这里，
Z：光轴方向的位变；
Y:光轴的高；
R:近轴曲率半径；
K：Conic系数；
A、B、C和D为非球面系数；
在表三中列出变焦镜头短焦端至长焦端时的一些重要参数值。
镜头焦距(mm) D12(G1、G2距离) D23(G2、G3距离) D34(G3、G4距离)
44 7.297 74.600 44
85.29 69.773 20.345 35.779
177 116.63 8.925 0.342
从图3中可以看出，系统MTF均大于0.3@25lp/mm，针对该探测器能够满足高成像质量要求。图4为本发明的变倍、补偿的移动量及对应的焦距值示意图，从图中可以看出变倍、补偿的移动量变化平缓，能够很好的满足机械传动力学要求。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种内聚焦式无热化长波红外连续变焦镜头，其特征在于，从物方到像方依次设有光焦度为正的前固定组G1、光焦度为负的变倍组G2、光焦度为负的补偿组G3、光栏STO、光焦度为正的后固定组G4及像面；其中，变倍组G2和补偿组G3沿光轴的前后移动实现镜头连续变焦成像；
前固定组G1、变倍组G2和补偿组G3满足如下关系式：
1.2≤f1/ft≤2；
0.5≤f2/f3≤1.2；
其中，f1是前固定组G1的焦距值；f2是变倍组G2的焦距值；f3是补偿组G3的焦距值；ft是镜头最长焦的焦距值。
2.如权利要求1所述的一种内聚焦式无热化长波红外连续变焦镜头，其特征在于，系统变焦成像过程中，变倍组G2作线性移动，补偿组G3作非线性移动。
3.如权利要求2所述的一种内聚焦式无热化长波红外连续变焦镜头，其特征在于，当系统的位置状态从短焦状态向长焦状态变化时，前固定组G1和变倍组G2之间的距离一直增大，变倍组G2与补偿组G3的距离一直减小，补偿组G3与后固定组G4的距离一直减小。
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