CN107991763B - 一种高清长焦距长波红外镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高清长焦距长波红外镜头，包括从物侧到像侧沿光轴依次分布的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组和探测器，前固定组由一凸面朝向物侧的正弯月透镜构成，变倍组由双凹透镜构成，补偿组由第一双凸透镜组成，后固定组由沿光线入射方向依次分布的第一负弯月透镜、第二双凸透镜和第二负弯月透镜构成。本发明可实现大变倍比（如25mm～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，可搭配1024×768、1280×1280的高分辨、大面阵长波红外探测器。

Description

一种高清长焦距长波红外镜头

技术领域

本发明涉及一种红外镜头，具体的说，是一种高清长焦距长波红外镜头。

背景技术

红外热成像系统具有隐蔽性好、抗电子干扰能力强、图像直观、易于观察、精度高、低空探测性能好等诸多优点，同时也具有较强的穿透烟、雾、霾、雪等限制以及识别伪装的能力，特别适用于夜间及复杂气象条件下对目标的探测，使其在警戒、侦察和安防能领域中有广泛的应用前景，受到各科研单位企业的关注日益增加。与制冷型凝视红外热成像仪相比，虽然在温度分辨率等灵敏度方面还有很大差距，但非制冷具有一些突出的优点，例如无需对探测器进行制冷，器件成本极大降低、功耗小、重量轻、小型化、启动快、使用方便、灵活、应用范围广、性价比高。

非制冷长波红外镜头作为红外热像仪中主要的组件，主要包括定焦、双视场、连续变焦几种形式。不同于定焦或双视场镜头，红外连续变焦镜头由于其在改变视场的过程中，像面稳定清晰，不会丢失目标，既可以大视场搜索目标，又可以小视场跟踪目标，其需求日益增加。现有技术中的非制冷长波连续变焦镜头存在变倍比小、焦距短、F数大、搭配探测器分辨率低等缺陷，而伴随着高性能、大面阵非制冷红外焦平面芯片及器件的快速发展，红外探测器厂家陆续推出了1024×768、1280×1280高分辨率的高清探测器，而目前市场上绝大部分镜头都是基于低分辨率探测器设计的，并没有与高清探测器相匹配的长焦距大变倍比红外镜头。中国专利文献CN201410094484 公开的超大变倍比连续变焦红外镜头并不能匹配高分辨率的高清探测器（1024及以上），在高性能应用领域严重受限。而CN201510253987公开的一种连续变焦红外镜头采用五片镜系统，无法实现长焦距大变倍比红外镜头。根据以上局限可知，长焦距大变倍比高分辨率的设计难度是非常大的。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种高清长焦距长波红外镜头，可实现大变倍比的连续变焦，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。

为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高清长焦距长波红外镜头，包括对光线其汇聚作用的前固定组和用于将光信号转化为电信号的探测器，所述前固定组为凸面朝向物侧的正弯月透镜，从前固定组至探测器沿光轴依次设置有变倍组、补偿组和后固定组，变倍组为双凹透镜，补偿组为第一双凸透镜，后固定组包括一凹面朝向物侧的第一负弯月透镜、一凸面朝向像侧的第二双凸透镜、一凸面朝向物侧的第二负弯月透镜；所述变倍组、补偿组分别连接有驱动其沿其光轴运动的驱动机构，变倍组沿光轴移动实现焦距的改变，增大倍率，补偿组沿光轴移动用于补偿焦距变化引起的像面偏移，前固定组和后固定组在光轴上的位置不变；双凹透镜的后表面、第二双凸透镜的前表面的曲面均为非球面，第二负弯月透镜的后表面为二元衍射面。

本发明所述高清长焦距长波红外镜头，第二负弯月透镜的二元衍射面的相位分布函数为：Ψ(r)＝A₁r²＋A₂r⁴＋A₃r⁶＋A₄r⁸

，其中r为归一化半径坐标；A₁为二次相位系数，决定二元衍射面的傍轴光焦度，实现光学系统的消色差，A₂、A₃、A₄为非球面相位系数，用于校正系统的高级像差。

本发明所述高清长焦距长波红外镜头，二元衍射面的色散特性表达式为：

，其中λ_m表示中心波长，λ_l表示长波，λ_s表示短波，ｖ表示阿贝数。

本发明所述高清长焦距长波红外镜头，双凹透镜的后表面、第二双凸透镜的前表面的非球面的表达式为：

，其中C为曲率半径，k为圆锥系数；r为归一化半径坐标；α₁、α₂、α₃为非球面系数。

本发明所述高清长焦距长波红外镜头，正弯月透镜、双凹途径、第一双凸透镜、第一负弯月透镜、第二双凸透镜、第二负弯月透镜的光焦度分别为正、负、正、负、正、负，材料分别为锗、锗、锗、硒化锌、锗、锗。

本发明所述高清长焦距长波红外镜头，第二负弯月透镜的后表面上的二元衍射面，r取50mm，A₁、 A₂、A₃、A₄分别取-47.251391、44.761753、-93.009152、64.216875。

本发明所述高清长焦距长波红外镜头，第二负弯月透镜的后表面上的二元衍射面，取λ_m=10μｍ，λ_l=12μｍ，λ_s=8μｍ，则阿贝数ν=-2.5，阿贝数是负值，对系统校正色差十分有效。

本发明所述高清长焦距长波红外镜头，双凹透镜的后表面的非球面参数，k取-0.1；r取250.76mm；α₁、α₂、α₃分别取0、-1.233543×10^-8、-5.864369×10^-13；第二双凸透镜的前表面的非球面参数，k取-0.12；r取203.51mm；α₁、α₂、α₃分别取0、-2.946883×10^-6、-3.7267×10^-13。

本发明所述高清长焦距长波红外镜头，双凹透镜的后表面、第二双凸透镜的前表面的非球面、第二负弯月透镜的后表面的二元衍射面的非球面度均小于0.15。

本发明所述高清长焦距长波红外镜头，长波红外镜头的焦距范围为20mm-300mm，设正弯月透镜的后表面与双凹透镜2的前表面之间的距离为Z1、双凹透镜的后表面与双凸透镜的前表面之间的距离为Z2、双凸透镜的后表面与第一负弯月透镜4的前表面之间的距离为Z3，长波红外镜头的焦距在25mm-300mm范围内变化时，Z1从40.74 mm增加至120.92mm，Z2从152.67 mm 减小至12.11mm，Z3从10.91 mm增加至67.65mm，第一负弯月透镜的后表面到第二双凸透镜前表面的距离保持为50.27mm，第二双凸透镜的后表面到第二负弯月透镜前表面的距离保持为23.2mm，第二负弯月透镜后表面至探测器的距离保持为14.67mm。

本发明的有益效果：本发明的高清长焦距长波红外镜头，可实现大变倍比（如25mm～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。可搭配1024×768、1280×1280的高分辨、大面阵长波红外探测器，同时为了接收到尽可能多的红外辐射能量，增大光学系统的相对孔径，从而提高系统的温度灵敏度，看到更多的景物细节，F为光圈系数，F＝镜头焦距 / 光圈通径， F数为0.8-1.2。通过将个别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。

本发明的高清长焦距连续变焦红外镜头，为减轻系统重量，将变焦镜头的的前固定组设为一个单片镜。变倍、补偿结构采用“负/正”光焦度配比形式，这种形式易产生一个大的变焦范围，可有效控制系统入瞳位置，缩短变倍组及补偿组的运动行程。整个系统采用锗和硒化锌两种材料，并引入了两个非球面和一个二元衍射面来校正像差、提高像质、减少透镜数量，使系统具有更高的透过率，提高系统对目标的识别能力。

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150mm处的光学系统图；

图3为本发明的连续变焦镜头在焦距为25mm处的光学系统图；

图4为本发明在焦距300mm处，空间频率为20lp/mm的MTF曲线图；

图5为本发明在焦距150mm处，空间频率为20lp/mm的MTF曲线图；

图6为本发明在焦距25mm处，空间频率为20lp/mm的MTF曲线图；

图中：1、正弯月透镜，2、双凹透镜，3、第一双凸透镜，4、第一负弯月透镜，5、第二双凸透镜，6、第二负弯月透镜，7、探测器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，给出了本发明的高清长焦距长波红外镜头在焦距为300mm、150mm、25mm处的光学系统图，高清长焦距长波红外镜头由从物侧到像侧沿光轴依次分布的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组和探测器7组成，前固定组由一凸面朝向物侧的正弯月透镜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，补偿组由第一双凸透镜3组成，通过双凹透镜2的移动实现镜头的变焦，双凸透镜3配合移动进行补偿变倍过程中像面的偏移，以获取清晰的红外图像。后固定组由沿光线入射方向依次分布的第一负弯月透镜4、第二双凸透镜5和第二负弯月透镜6构成。

所述变倍组、补偿组分别连接有驱动其沿其光轴运动的驱动机构，变倍组沿光轴移动实现焦距的改变，增大倍率，补偿组沿光轴移动用于补偿焦距变化引起的像面偏移，前固定组和后固定组在光轴上的位置不变。本实施例中，变倍组做线性移动，补偿组做非线性移动，可以通过凸轮曲线控制变倍组和补偿组移动的轨迹，变倍组的凸轮槽为直线，补偿组的凸轮槽为曲线。

本实施例中，正弯月透镜1、双凹透镜2、第一双凸透镜3、第一负弯月透镜4、第二双凸透镜5、第二负弯月透镜6的光焦度分别为正、负、正、负、正、负，材料分别为锗、锗、锗、硒化锌、锗、锗。

正弯月透镜1、双凹透镜2、双凸透镜3、第一负弯月透镜4、第二双凸透镜5、第二负弯月透镜6上沿物侧至像侧方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12，双凹透镜2的后表面S4、第二双凸透镜5的前表面S9的曲面均为非球面，第二负弯月透镜的后表面S12为二元衍射面。非球面和二元衍射面的材料均采用锗，其非球面度均小于0.15，易于加工。

本实施例中，二元衍射面是直接制作在折射透镜上的浮雕结构，即在第二负弯月透镜6的后表面加工上阶梯状的小沟槽或线，形成台阶式浮雕表面，二元衍射面可达到校正色差，简化系统结构，减轻重量的目的。

二元衍射面的相位分布函数为：

Ψ(r)＝A₁r²＋A₂r⁴＋A₃r⁶＋A₄r⁸ (1)

其中r为归一化半径坐标；A₁为二次相位系数，决定二元衍射面的傍轴光焦度，实现光学系统的消色差。A₂、A₃、A₄为非球面相位系数，用于校正系统的高级像差。

二元衍射元件不产生场曲，并且具有负的色散特性，其色散特性表达式为

其中λ_m表示中心波长，λ_l表示长波，λ_s表示短波，ｖ表示阿贝数。

本实施例中，取λ_m=10μｍ，λ_l=12μｍ，λ_s=8μｍ，可知对于长波红外ν=-2.5。由于阿贝数是负值，所以它对系统校正色差十分有效。尽管锗在长波红外波段的阿贝数比较大，对校正色差有一定的作用，但由于系统在长焦时焦距比较大，所以采用衍射元件来校正色差是很有必要的。

本实施例中，第二负弯月透镜6的后表面上的二元衍射面，r取50mm，A₁、 A₂、A₃、A₄分别取-47.251391、44.761753、-93.009152、64.216875。

双凹透镜2的后表面、第二双凸透镜5的前表面的非球面的表达式为：

，其中C为曲率半径，k为圆锥系数；r为归一化半径坐标；α₁、α₂、α₃为非球面系数。

所述双凹透镜2的后表面S4引入的非球面的参数，k取-0.1；r取250.76mm；α₁、α₂、α₃分别取0、-1.233543×10^-8、-5.864369×10^-13。第二双凸透镜5的前表面S9引入的非球面参数，k取-0.12；r取203.51mm；α₁、α₂、α₃分别取0、-2.946883×10^-6、-3.7267×10^-13。

本实施例中，所示的正弯月透镜1、双凹透镜2、双凸透镜3、第一负弯月透镜4、第二双凸透镜5、第二负弯月透镜6的表面均镀有增透膜。

为了看到更多的景物，设置F数为0.8-1.2，F为光圈系数，F＝镜头焦距 / 光圈通径。

如表1所示，给出了本发明的镜头在焦距300mm、150mm、20mm的光学结构参数。本发明的镜头在变焦过程中，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与第一负弯月透镜4的前表面S7之间的距离为Z3。

表1

表1中，15mm、7mm、9 mm、8 mm、10 mm、5 mm分别为正弯月透镜1、双凹透镜2、双凸透镜3、第一负弯月透镜4、第二双凸透镜5、第二负弯月透镜6的前表面中心到后表面中心的距离，即镜片的中心厚度。50.27mm为第一负弯月透镜的后表面S8到第二双凸透镜5前表面的距离，23.2mm为第二双凸透镜的后表面S10到第二负弯月透镜前表面S11的距离，14,67mm为第二负弯月透镜后表面至探测器7的距离。在镜头变焦的过程中，上述参数保持不变，但Z1、Z2、Z3是连续变化的。

在焦距分别为300mm、150mm、25mm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150mm、短焦25mm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、0.3视场、0.707视场、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，如图4、5、6中，TS OIFF LIMIT为衍射极限MTF的子午方向与弧矢方向的分量， TS 0.0010MM为中心视场MTF的子午方向与弧矢方向的分量，TS3.5000MM为0.3视场MTF的子午方向与弧矢方向的分量，TS 7.0000MM为0.707视场MTF的子午方向与弧矢方向的分量，TS 9.6000MM为边缘视场MTF的子午方向与弧矢方向的分量。由图可知在不同焦距处，不同视场在20lp/mm的对比度均大于0.55。由图4至图6可以得出，本发明高清长焦距连续变焦红外镜头具有很好的成像效果，可搭配1024×768或1280×1280长波非制冷红外探测器。

以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明做出的改进和替换，属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高清长焦距长波红外镜头，包括对光线起汇聚作用的前固定组和用于将光信号转化为电信号的探测器，所述前固定组为凸面朝向物侧的正弯月透镜，其特征在于：从前固定组至探测器沿光轴依次设置有变倍组、补偿组和后固定组，变倍组为双凹透镜，补偿组为第一双凸透镜，后固定组包括从物侧到像侧沿光轴依次设置的一凹面朝向物侧的第一负弯月透镜、一凸面朝向像侧的第二双凸透镜、一凸面朝向物侧的第二负弯月透镜；所述变倍组、补偿组分别连接有驱动其沿其光轴运动的驱动机构，变倍组沿光轴移动实现焦距的改变，增大倍率，补偿组沿光轴移动用于补偿焦距变化引起的像面偏移，前固定组和后固定组在光轴上的位置不变；双凹透镜的后表面、第二双凸透镜的前表面的曲面均为非球面，第二负弯月透镜的后表面为二元衍射面。

2.根据权利要求1所述的高清长焦距长波红外镜头，其特征在于：第二负弯月透镜的二元衍射面的相位分布函数为：Ψ(r)＝A₁r²+A₂r⁴+A₃r⁶+A₄r⁸，其中r为归一化半径坐标；A₁为二次相位系数，决定二元衍射面的傍轴光焦度，实现光学系统的消色差，A₂、A₃、A₄为非球面相位系数，用于校正系统的高级像差。

3.根据权利要求1所述的高清长焦距长波红外镜头，其特征在于：二元衍射面的色散特性表达式为：

其中λ_m表示中心波长，λ_l表示长波，λ_s表示短波，v表示阿贝数。

4.根据权利要求1所述的高清长焦距长波红外镜头，其特征在于：双凹透镜的后表面、第二双凸透镜的前表面的非球面的表达式为：

其中c为曲率半径，k为圆锥系数；r为归一化半径坐标；α₁、α₂、α₃为非球面系数。

5.根据权利要求1所述的高清长焦距长波红外镜头，其特征在于：正弯月透镜、双凹透镜、第一双凸透镜、第一负弯月透镜、第二双凸透镜、第二负弯月透镜的光焦度分别为正、负、正、负、正、负，材料分别为锗、锗、锗、硒化锌、锗、锗。

6.根据权利要求2所述的高清长焦距长波红外镜头，其特征在于：第二负弯月透镜的后表面上的二元衍射面，r取50mm，A₁、A₂、A₃、A₄分别取-47.251391、44.761753、-93.009152、64.216875。

7.根据权利要求3所述的高清长焦距长波红外镜头，其特征在于：第二负弯月透镜的后表面上的二元衍射面，取λ_m＝10μm，λ_l＝12μm，λ_s＝8μm，则阿贝数ν＝-2.5，阿贝数是负值，对系统校正色差十分有效。

8.根据权利要求4所述的高清长焦距长波红外镜头，其特征在于：双凹透镜的后表面的非球面参数，k取-0.1；r取250.76mm；α₁、α₂、α₃分别取0、-1.233543×10^-8、-5.864369×10^-13；第二双凸透镜的前表面的非球面参数，k取-0.12；r取203.51mm；α₁、α₂、α₃分别取0、-2.946883×10^-6、-3.7267×10^-13。

9.根据权利要求1所述的高清长焦距长波红外镜头，其特征在于：双凹透镜的后表面、第二双凸透镜的前表面的非球面、第二负弯月透镜的后表面的二元衍射面的非球面度均小于0.15。

10.根据权利要求1所述的高清长焦距长波红外镜头，其特征在于：长波红外镜头的焦距范围为25mm-300mm，设正弯月透镜的后表面与双凹透镜的前表面之间的距离为Z1、双凹透镜的后表面与第一双凸透镜的前表面之间的距离为Z2、第一双凸透镜的后表面与第一负弯月透镜的前表面之间的距离为Z3，长波红外镜头的焦距在25mm-300mm范围内变化时，Z1从40.74mm增加至120.92mm，Z2从152.67mm减小至12.11mm，Z3从10.91mm增加至67.65mm，第一负弯月透镜的后表面到第二双凸透镜前表面的距离保持为50.27mm，第二双凸透镜的后表面到第二负弯月透镜前表面的距离保持为23.2mm，第二负弯月透镜后表面至探测器的距离保持为14.67mm。

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