CN109541788B - 一种非制冷连续变焦光学被动式无热化镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种非制冷连续变焦光学被动式无热化镜头，包括从物方到像方沿光轴依次设置的具有正屈光度的第一透镜组、具有负屈光度的第二透镜、具有正屈光度的第三透镜和具有负屈光度的第四透镜组，所述第一透镜组为前固定组，第二透镜为变倍组，第三透镜为补偿组，第四透镜组为后固定组，光线从前固定组入射到系统后，经过变倍组和补偿组的变倍、补偿，通过后固定组成像到红外探测器靶面上。本发明采用被动无热化设计与动态光学设计，使镜头既能实现焦距从40mm到150mm之间变化又能在‑40°c〜60°C温度范围内实现被动无热化，省却测温调焦机构，提高了系统可靠性。

Description

一种非制冷连续变焦光学被动式无热化镜头
技术领域
本发明涉及一种光学镜头，具体是一种非制冷连续变焦光学被动式无热化镜头，能够变焦距且具有光学被动消热差功能，属于光学系统设计技术领域。
背景技术
光学材料的折射率值随着环境温度变化而变化，同时镜筒材料也会随着温度变化而发生热胀冷缩现象。当环境温度大幅变化时，光学镜头的像面将发生离焦现象，成像探测器将无法获得满足要求的图像。红外光学材料的温度折射率系数远大于可见光材料，因此红外光学材料的性能受温度影响更大。常用的消除温度影响的方法是主动无热化设计方法，即在光学系统中外加测温反馈系统及机械调焦等机构，使探测器光敏面总是工作在相应温度的最佳成像面。这种方法使整个系统的体积和复杂性变大，整个系统的可靠性下降。另一种较为可靠的光学被动式消热差是通过合理分配光焦度和光学材料，在温度变化时实现焦面位置与镜筒长度变化的匹配，从而在规定温度范围内保证镜头的成像质量，但这种方式大多用在材料更多是可见光波段和中波红外波段，长波红外波段很少用到。
变焦光学镜头是指光学镜头的焦距在一定范围内进行变化时，镜头的焦平面位置保持不变同时在变焦过程中成像始终保持清晰。环境温度变化会导致每个变焦位置的离焦量不尽相同，并且难以补偿。另外，环境温度变化也会导致变焦曲线不再适用，因此大多连续变焦系统在不同的环境温度时采用对应的变焦曲线，由此在不同的采样温度中使用不同的变焦曲线，但是，由于高斯关系已被破坏，这在一定程度上需要牺牲部分成像质量。采样温度点的数量越少，成像质量的妥协越多，成像质量越差，采样温度点越多，需要采用的变焦曲线的数量越多，使得变焦机构的控制越复杂，调机越繁琐，不利于连续变焦系统工程化的实现。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明体过一种非制冷连续变焦光学被动式无热化镜头，采用被动无热化设计与动态光学设计，使镜头既能实现焦距从40mm到150mm之间变化又能在-40°c～60℃温度范围内实现被动无热化，省却测温调焦机构，提高了系统可靠性。
为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种非制冷连续变焦光学被动式无热化镜头，包括从物方到像方沿光轴依次设置的具有正屈光度的第一透镜组、具有负屈光度的第二透镜组、具有正屈光度的第三透镜组和具有负屈光度的第四透镜组，所述第一透镜组为前固定组，第二透镜组为变倍组，第三透镜组为补偿组，第四透镜组为后固定组，光线从前固定组入射到系统后，经过变倍组和补偿组的变倍、补偿，通过后固定组成像到红外探测器靶面上；所述变倍组为第三双凹透镜，补偿组为第四双凸透镜，变倍组和补偿组可沿光轴自由移动实现镜头的连续变焦，第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组的透镜满足以下关系式：
Figure GDA0003112774850000021
其中vi为每片透镜的色散系数，TL为镜筒的线膨胀系数，L为镜筒的总长，n代表透镜的数量，hi代表每片透镜温度变化后的光焦度，h代表光学系统温度变化后总的光焦度，T代表温度，dT代表温度的偏微分变化。
进一步的，所述第一透镜组用于汇聚光线，包括凸面朝向物方的第一正弯月透镜和凸面朝向物方的第二负弯月透镜；第四透镜组用于补偿焦距变化引起的像面偏移，包括凸面朝向像方的第五负弯月透镜、第六双凸透镜和凸面朝向物方的第七负弯月透镜。
进一步的，第一正弯月透镜、第二负弯月透镜、第三双凹透镜、第四双凸透镜、第五负弯月透镜、第六双凸透镜、第七负弯月透镜的光焦度分别为正、负、负、正、负，正，负，材料分别为IRG201、ZNS、锗、ZNS、ZNS、IRG203、ZNS。
进一步的，所述第一正弯月透镜、第二负弯月透镜、第三双凹透镜、第四双凸透镜、第五负弯月透镜、第六双凸透镜、第七负弯月透镜沿物方至像方方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14，第四双凸透镜的前表面S7、第六双凸透镜6的前表面S11的曲面均为偶次非球面。
进一步的，所述第一正弯月透镜、第二负弯月透镜、第三双凹透镜、第四双凸透镜、第五负弯月透镜、第六双凸透镜、第七负弯月透镜的表面均镀有增透膜。
本发明的有益效果是：
(1)、本发明采用被动无热化设计与动态光学设计相结合，再合理匹配透镜的材料、半径、距离和厚度参数，使镜头既能实现焦距从40mm到150mm之间变化又能在-40°c～60℃温度范围内实现被动无热化，省却了测温调焦机构，提高了系统可靠性；
(2)、本发明减小了像差(球差、彗差、象散、场曲、色差及畸变)，提高了镜头光学传递函数，使得镜头可以在_40℃～60℃温度范围内对景物进行变焦距成像。
附图说明
图1为本发明的连续变焦镜头在焦距为150mm处的光学系统图；
图2为本发明的连续变焦镜头在焦距为95mm处的光学系统图；
图3为本发明的连续变焦镜头在焦距为40mm处的光学系统图；
图4为本发明在20摄氏度时不同焦距处，空间频率为30lp/mm的MTF曲线图；
图5为本发明在-40摄氏度时不同焦距处，空间频率为30lp/mm的MTF曲线图；
图6为本发明在60摄氏度时不同焦距处，空间频率为30lp/mm的MTF曲线图；
图4、5、6均有三幅子图，每幅子图为该温度下长焦、中焦、广角对应的MTF曲线图；
图中：1、第一正弯月透镜，2、第二负弯月透镜，3、第三双凹透镜，4、第四双凸透镜，5、第五负弯月透镜，6、第六双凸透镜，7、第七负弯月透镜，8、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的说明。
实施例1
本实施例公开一种非制冷连续变焦光学被动式无热化镜头，结合了被动无热化设计方法和变焦光学设计方法。被动无热化设计方法就是不外加任何调焦机构，只依靠光学自身成像原理和光学材料及机械结构材料的热特性匹配来消除温度影响实现无热化的设计方法。变焦距光学设计方法即通过光学系统中变倍透镜组和补偿透镜组间的非相关移动实现像面的完全补偿，实现焦距变化时候，光学系统成像质量保持不变。
本实施例采用的被动无热化设计方法是不外加任何调焦机构，只依靠光学自身成像原理和光学材料及机械结构材料的热特性匹配来消除温度影响实现无热化的设计方法。本实施例在设计过程中选取温度状态(-40℃～60℃温度范围内)和焦距变化状态(40mm到150mm)组合起来对应变焦位置，按照光学材料的折射率、透镜的半径、厚度和透镜之间的空气间隔随温度变化的规律，建立变焦位置的联系，对同一光学系统在不同温度状态和焦距状态下同时优化，找出兼顾温度状态和焦距状态的光学系统，通过大量试验和理论分析，使得系统在每个焦距段均满足如下所示的消热差成像关系：
Figure GDA0003112774850000031
Figure GDA0003112774850000032
Figure GDA0003112774850000033
Figure GDA0003112774850000034
其中vi为每片透镜的色散系数，TL为镜筒的线膨胀系数，L为镜筒的总长，n代表透镜的数量，hi代表每片透镜温度变化后的光焦度，h代表光学系统温度变化后总的光焦度，T代表温度，dT代表温度的偏微分变化。
如图1、图2和图3所示，给出了本发明的高清长焦距长波连续变焦镜头在焦距为150mm、95mm、40mm处的光学系统图，从物方到像方依次包括具有正屈光度的第一透镜组、具有负屈光度的第二透镜组、具有正屈光度的第三透镜组和具有负屈光度的第四透镜组。所述第一透镜组为前固定组，第二透镜组为变倍组，第三透镜组为补偿组，第四透镜组为后固定组。光线从前固定组入射到系统后，经过变倍组和补偿组的变倍、补偿，通过后固定组成像到红外探测器8靶面上。
第一透镜组用于汇聚光线，包括凸面朝向物方的第一正弯月透镜1和凸面朝向物方的第二负弯月透镜2，第一正弯月透镜1采用了大折射率的IRG201承担主要的光焦度，第二负弯月透镜2采用低色散和低热差系数的ZNS抵消部分IRG201产生的色差和像散。
所述变倍组由第三双凹透镜3构成，变倍组沿光轴移动实现变倍的作用，该镜片是镜头中唯一一片GE材料镜片，超大折射率的材料增大了变倍的倍率。
补偿组由一第四双凸透镜4组成，沿光轴移动用来补偿焦距变化引起的像面偏移。
工作时，通过驱使第三双凹透镜3、第四双凸透镜4的移动实现镜头的连续变焦，以获取不同视场下的图像，汇聚于探测器8的靶面上，实现长波红外图像的采集。
第四透镜组用于补偿焦距变化引起的像面偏移，包括凸面朝向像方的第五负弯月透镜5、第六双凸透镜6和凸面朝向物方的第七负弯月透镜7。
本实施例中，第一正弯月透镜1、第二负弯月透镜2、第三双凹透镜3、第四双凸透镜4、第五负弯月透镜5、第六双凸透镜6、第七负弯月透镜7的光焦度分别为正、负、负、正、负，正，负，材料分别为IRG201、ZNS、锗、ZNS、ZNS、IRG203、ZNS。
所述第一正弯月透镜1、第二负弯月透镜2、第三双凹透镜3、第四双凸透镜4、第五负弯月透镜5、第六双凸透镜6、第七负弯月透镜7沿物方至像方方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14，第四双凸透镜4的前表面S7、第六双凸透镜6的前表面S11的曲面均为偶次非球面。
所述第一正弯月透镜1、第二负弯月透镜2、第三双凹透镜3、第四双凸透镜4、第五负弯月透镜5、第六双凸透镜6、第七负弯月透镜7的表面均镀有增透膜。
本发明通过使用被动无热化设计方法和变焦距设计方法，使镜头的7片透镜材料的热特性和机械结构件热特性得到合理匹配，温度变化时，它们之间的作用总是相互抵消，像面的位置总是保持在常温时的位置。本发明通过非相关性移动变焦组透镜和补偿组透镜的位置，实现镜头在连续变焦时均可得到良好的像质。因此本发明可在-40℃～60℃温度范围内、在40mm到150mm连续变焦时均可得到良好的像质。
如表1所示，给出了本发明的镜头在焦距150mm、95mm、40mm的光学结构参数。本发明的镜头在变焦过程中，第二负弯月透镜2的后表面S4与第三双凹透镜3的前表面S5之间的距离为Z1、第三双凹透镜3的后表面S6与第四双凸透镜4的前表面S7之间的距离为Z2、第四双凸透镜的后表面S8与第五负弯月透镜5的前表面S9之间的距离为Z3。
表1
Figure GDA0003112774850000041
在焦距分别为150mm、95mm、40mm情况下Z1、Z2与Z3的取值如表2所示。
表2
Figure GDA0003112774850000042
Figure GDA0003112774850000051
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150mm、中焦95mm、短焦(广角)40mm时，空间频率为30lp/mm处光学传递函数(MTF)曲线图，三幅图代表20℃、-40℃、60℃时长焦150mm、中焦95mm、短焦(广角)40mm的光学传递函数曲线图，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的光学传递函数均大于0.3。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640×512及其尺寸以下长波非制冷红外探测器。
以上为本发明的具体实施方式，但不限于上述实例。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种非制冷连续变焦光学被动式无热化镜头，由从物方到像方沿光轴依次设置的具有正屈光度的第一透镜组、具有负屈光度的第二透镜组、具有正屈光度的第三透镜组和具有负屈光度的第四透镜组组成，所述第一透镜组为前固定组，第一透镜组由从物方到像方沿光轴依次设置的凸面朝向物方的第一正弯月透镜和凸面朝向物方的第二负弯月透镜组成，第二透镜组为变倍组，第二透镜组为第三双凹透镜，第三透镜组为补偿组，第三透镜组为第四双凸透镜，第四透镜组为后固定组，第四透镜组由从物方到像方沿光轴依次设置的凸面朝向像方的第五负弯月透镜、第六双凸透镜和凸面朝向物方的第七负弯月透镜组成，光线从前固定组入射到系统后，经过变倍组和补偿组的变倍、补偿，通过后固定组成像到红外探测器靶面上；其特征在于：变倍组和补偿组可沿光轴自由移动实现镜头的连续变焦，第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组的透镜满足以下关系式：
Figure FDA0003112774840000011
其中vi为每片透镜的色散系数，TL为镜筒的线膨胀系数，L为镜筒的总长，n代表透镜的数量，hi代表每片透镜温度变化后的光焦度，h代表光学系统温度变化后总的光焦度，T代表温度，dT代表温度的偏微分变化。
2.根据权利要求1所述的非制冷连续变焦光学被动式无热化镜头，其特征在于：第一正弯月透镜、第二负弯月透镜、第三双凹透镜、第四双凸透镜、第五负弯月透镜、第六双凸透镜、第七负弯月透镜的光焦度分别为正、负、负、正、负，正，负，材料分别为IRG201、ZNS、锗、ZNS、ZNS、IRG203、ZNS。
3.根据权利要求1所述的非制冷连续变焦光学被动式无热化镜头，其特征在于：所述第一正弯月透镜、第二负弯月透镜、第三双凹透镜、第四双凸透镜、第五负弯月透镜、第六双凸透镜、第七负弯月透镜沿物方至像方方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14，第四双凸透镜的前表面S7、第六双凸透镜的前表面S11的曲面均为偶次非球面。
4.根据权利要求1所述的非制冷连续变焦光学被动式无热化镜头，其特征在于：所述第一正弯月透镜、第二负弯月透镜、第三双凹透镜、第四双凸透镜、第五负弯月透镜、第六双凸透镜、第七负弯月透镜的表面均镀有增透膜。
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