CN110133832A - 一种波前编码红外无热化连续变焦镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种变焦系统，针对现有红外连续变焦系统存在体积大、成本高、可靠性差的技术问题，提供了一种波前编码红外无热化连续变焦镜头。该光学镜头包括沿光轴方向从左向右依次同轴设置的前固定组、变倍组、补偿组及后固定组，前固定组的左侧为物面，后固定组的右侧为像面；前固定组由第一透镜构成；变倍组由第二透镜构成，补偿组由第三透镜构成，后固定组由两个透镜构成，从左至右依次为第四透镜和第六透镜，第四透镜和第六透镜之间同轴设置相位平板，变倍组和补偿组可沿光轴相向或相背移动，变倍组用于实现焦距连续变化，补偿组用于补偿焦距变化引起的像面移动。

Description

一种波前编码红外无热化连续变焦镜头
技术领域
本发明属于一种变焦系统，具体涉及一种波前编码红外无热化连续变焦镜头。
背景技术
红外变焦光学系统是一类功能很明显的被动探测光学系统，此类系统能够搜索、定位并连续跟踪在红外背景辐射和其他干扰下发射红外线的物体和目标。因此在目标搜寻、预警探测、安防监控等领域具有广阔的应用前景。
由于红外材料的折射率温度系数比可见光玻璃大1～2个数量级，而在高精度探测、预警领域，要求红外系统能够在-40～+60℃的温度范围内工作，所以环境温度的变化对红外系统的性能影响很大。
目前，红外连续变焦系统多采用主动补偿措施，保持红外光学系统在宽温度范围内的成像性能稳定，由于这种变焦镜头需要电机、控制系统、传感器、移动组件等机构对温度进行调焦，导致系统整体的体积较大和成本高；以及在高温、低温下，由于移动组件材料的热胀冷缩，使配合间隙改变，可能会出现卡死现象，导致系统可靠性下降。
发明内容
本发明目的是解决现有红外连续变焦系统存在体积大、成本高、可靠性差的技术问题，提供了一种波前编码红外无热化连续变焦镜头。
本发明的技术方案是：
一种波前编码红外无热化连续变焦镜头，其特殊之处在于：包括沿光轴方向从左向右依次同轴设置的前固定组、变倍组、补偿组及后固定组，前固定组的左侧为物面，后固定组的右侧为像面；所述前固定组由第一透镜构成，第一透镜是一个正光焦度弯向像方的弯月透镜；所述变倍组由第二透镜构成，第二透镜是一个负光焦度双凹透镜；所述补偿组由第三透镜构成，第三透镜是一个正光焦度双凸透镜；所述后固定组由两个透镜构成，从左至右依次为第四透镜和第六透镜，第四透镜是一个负光焦度弯向物方的弯月透镜，第六透镜是一个正光焦度弯向物方的弯月透镜；所述第四透镜和第六透镜之间同轴设置相位平板；所述变倍组和补偿组可沿光轴相向或相背移动，变倍组用于实现焦距连续变化，补偿组用于补偿焦距变化引起的像面移动。
进一步地，沿光轴自左至右；前固定组第一透镜的后表面到变倍组第二透镜的前表面之间的距离为22.64mm～4.55mm；变倍组第二透镜的后表面到补偿组第三透镜的前表面之间的距离为1.17mm～27.81mm；补偿组第三透镜的后表面到后固定组第四透镜前表面之间的距离为11.2mm～2.65mm；后固定组第四透镜的后表面到相位平板前表面之间的距离为1.17mm；相位平板后表面到后固定组第六透镜前表面之间的距离为1.38mm。
进一步地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第六透镜均为锗透镜。
进一步地，所述第一透镜的厚度为8.2mm，其前表面为球面，曲率半径为63.96；后表面为球面，曲率半径为65.19。
进一步地，所述第二透镜的厚度为7mm，其前表面为非球面，曲率半径为-179.15，非球面系数A＝-2.31×10-7,B＝3.61×10-10；后表面为球面，曲率半径为420.16。
进一步地，所述第三透镜的厚度为8.98mm，其前表面为非球面，曲率半径为116.86，非球面系数A＝-3.04×10-7,B＝-2.13×10-10，C＝-1.83×10-13；后表面为球面，曲率半径为-238.81。
进一步地，所述第四透镜的厚度为9.62mm，其前表面为球面，曲率半径为-31.17；后表面为非球面，曲率半径为-63.04，非球面系数A＝3.75×10-6,B＝2.59×10-9。
进一步地，所述相位平板是三次相位平板，三次相位平板的厚度为4mm，三次相位板系数a＝7×10-6。
进一步地，所述第六透镜的厚度为15mm，其前表面为球面，曲率半径为-283.73；后表面为衍射面，曲率半径为-56.92，衍射面系数C1＝-5.45×10-5,C2＝-1.53×10-7，C3＝5.81×10-10。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明提供的波前编码红外无热化连续变焦镜头，在-40℃～+60℃工作温度范围内，19mm～38mm全焦距范围内，无需温度调焦，可保持成像性能一致，全焦距范围内经解码后成像质量良好，像面稳定；而且无需温度调焦电机传感器及控制系统，光学系统结构紧凑，体积较小，成像品质高、稳定性高。
2、本发明的波前编码红外无热化连续变焦镜头，采用编码形式消除温度对光学系统的影响，结构简单紧凑，在整体性能上具有可靠性和稳定性高、可维护性好的特点，并且这种补偿方式的成本低。
附图说明
图1为本发明实施例长焦状态光路图；
图2为本发明实施例中焦状态光路图；
图3为本发明实施例短焦状态光路图；
图4a为本发明实施例空间频率为25lp/mm，温度为+20℃，长焦状态光学系统的MTF曲线图；
图4b为本发明实施例空间频率为25lp/mm，温度为-40℃，长焦状态光学系统的MTF曲线图；
图4c为本发明实施例空间频率为25lp/mm，温度为+60℃，长焦状态光学系统的MTF曲线图；
图5a为本发明实施例空间频率为25lp/mm，温度为+20℃，中焦状态光学系统的MTF曲线图；
图5b为本发明实施例空间频率为25lp/mm，温度为-40℃，中焦状态光学系统的MTF曲线图；
图5c为本发明实施例空间频率为25lp/mm，温度为+60℃，中焦状态光学系统的MTF曲线图；
图6a为本发明实施例空间频率为25lp/mm，温度为+20℃，短焦状态光学系统的MTF曲线图；
图6b为本发明实施例空间频率为25lp/mm，温度为-40℃，短焦状态光学系统的MTF曲线图；
图6c为本发明实施例空间频率为25lp/mm，温度为+60℃，短焦状态光学系统的MTF曲线图；
其中，附图标记如下：
1-第一透镜，2-第二透镜，3-第三透镜，4-第四透镜，5-相位平板，6-第六透镜。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
如图1、2、3和表1所示，本实施例提供的19mm～38mm/F1.2波前编码长波红外无热化连续变焦光学系统，采用5组6片式结构，焦距变化范围为19mm～38mm，F数为1.2，适用于分辨率640×480，像元尺寸20μm长波红外热像仪。
波前编码红外无热化连续变焦镜头，包括沿光轴方向从左向右依次同轴设置的前固定组、变倍组、补偿组及后固定组，前固定组的左侧为物面，后固定组的右侧为像面；前固定组由第一透镜1构成，第一透镜1是一个正光焦度弯向像方的弯月单晶锗透镜；变倍组是由第二透镜2构成，第二透镜2是一个负光焦度双凹单晶锗透镜，沿光轴轴向移动实现焦距连接变化；补偿组是由第三透镜3构成，第三透镜3是一个正光焦度双凸锗透镜，沿光轴规律移动，补偿焦距变化引起的像面移动；后固定组由两个透镜构成，从左至右依次为第四透镜4和第六透镜6，第四透镜4是一个负光焦度弯向物方的弯月锗透镜，第六透镜6是一个正光焦度弯向物方的弯月锗透镜，后固定组对光线进行会聚，成像在热像仪靶面；第四透镜4和第六透镜6之间同轴设置相位平板5，相位平板5为三次相位平板，三次相位平板对波前进行调制，保持不同温度成像一致。
变倍组和补偿组可沿光轴相向或相背移动，变倍组用于实现焦距连续变化，补偿组用于补偿焦距变化引起的像面移动。光学系统由短焦向长焦变化过程中，变倍组向像方移动，实现焦距连续变化补偿组向物方移动，通过间隔变化实现连续变焦。由长焦向短焦变化过程中，方向与短焦向长焦变化相反，变倍组向物方，补偿组向像方。
沿光轴自左至右，前固定组第一透镜1的后表面与变倍组第二透镜2的前表面之间的距离范围为22.64mm～4.55mm，变倍组第二透镜2的后表面与补偿组第三透镜3的前表面之间的距离范围为1.17mm～27.81mm，补偿组第三透镜3的前表面与后固定组第四透镜4前表面之间的距离范围为11.2mm～2.65mm，后固定组第四镜的后表面到相位平板5前表面之间的距离为1.17mm，相位平板5后表面到后固定组第六透镜6前表面之间的距离为1.38mm。
表1本实施例光学系统各透镜的具体参数(单位：mm)
本实施例连续变焦系统由前固定组、变倍组、补偿组、相位平板5及后固定组共同作用，将不同焦距时的目标成像在一次像面处，由第四透镜4(一个负光焦度弯向物方的弯月锗透镜)和第六透镜6(一个正光焦度弯向物方的弯月锗透镜)对光线进行会聚，成像在热像仪靶面，相位平板5对波前进行调制，保持不同温度成像一致。本实施例采用编码形式消除温度对光学系统的影响，结构简单紧凑，在整体性能上具有可靠性和稳定性高、可维护性好的优点，并且这种补偿方式的成本较低。
如图4a～图6c所示，连续变焦系统在长焦、中焦、短焦状态下，在空间频率为25lp/mm时的MTF曲线值可以看出，系统在全焦距范围内，在-40℃～+60℃温度范围内，MTF曲线基本一致，满足对所得图像进行解码的要求。
通过实验得出，本实施例的连续变焦系统在长焦、中焦、短焦获得不同温度下的图像，不同温度下成像一致性良好；系统长焦、中焦、短焦不同温度下的经解码后的图像，+20℃、-40℃、+60℃情况下长焦、中焦、短焦图像均清晰，成像质量良好，消除了系统温度影响，实现了连续变焦系统的无热化的特点。

Claims (9)

1.一种波前编码红外无热化连续变焦镜头，其特征在于：包括沿光轴方向从左向右依次同轴设置的前固定组、变倍组、补偿组及后固定组，前固定组的左侧为物面，后固定组的右侧为像面；
所述前固定组由第一透镜(1)构成，第一透镜(1)是一个正光焦度弯向像方的弯月透镜；
所述变倍组由第二透镜(2)构成，第二透镜(2)是一个负光焦度双凹透镜；
所述补偿组由第三透镜(3)构成，第三透镜(3)是一个正光焦度双凸透镜；
所述后固定组由两个透镜构成，从左至右依次为第四透镜(4)和第六透镜(6)，第四透镜(4)是一个负光焦度弯向物方的弯月透镜，第六透镜(6)是一个正光焦度弯向物方的弯月透镜；
所述第四透镜(4)和第六透镜(6)之间同轴设置相位平板(5)；
所述变倍组和补偿组可沿光轴相向或相背移动，变倍组用于实现焦距连续变化，补偿组用于补偿焦距变化引起的像面移动。
2.根据权利要求1所述的一种波前编码红外无热化连续变焦镜头，其特征在于：沿光轴自左至右；
前固定组第一透镜(1)的后表面到变倍组第二透镜(2)的前表面之间的距离为22.64mm～4.55mm；
变倍组第二透镜(2)的后表面到补偿组第三透镜(3)的前表面之间的距离为1.17mm～27.81mm；
补偿组第三透镜(3)的后表面到后固定组第四透镜(4)前表面之间的距离为11.2mm～2.65mm；
后固定组第四透镜(4)的后表面到相位平板(5)前表面之间的距离为1.17mm；
相位平板(5)后表面到后固定组第六透镜(6)前表面之间的距离为1.38mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种波前编码红外无热化连续变焦镜头，其特征在于：所述第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)和第六透镜(6)均为锗透镜。
4.根据权利要求3所述的一种波前编码红外无热化连续变焦镜头，其特征在于：所述第一透镜(1)的厚度为8.2mm，其前表面为球面，曲率半径为63.96；
后表面为球面，曲率半径为65.19。
5.根据权利要求4所述的一种波前编码红外无热化连续变焦镜头，其特征在于：所述第二透镜(2)的厚度为7mm，其前表面为非球面，曲率半径为-179.15，非球面系数A＝-2.31×10-7,B＝3.61×10-10；
后表面为球面，曲率半径为420.16。
6.根据权利要求5所述的一种波前编码红外无热化连续变焦镜头，其特征在于：所述第三透镜(3)的厚度为8.98mm，其前表面为非球面，曲率半径为116.86，非球面系数A＝-3.04×10-7,B＝-2.13×10-10，C＝-1.83×10-13；
后表面为球面，曲率半径为-238.81。
7.根据权利要求6所述的一种波前编码红外无热化连续变焦镜头，其特征在于：所述第四透镜(4)的厚度为9.62mm，其前表面为球面，曲率半径为-31.17；
后表面为非球面，曲率半径为-63.04，非球面系数A＝3.75×10-6,B＝2.59×10-9。
8.根据权利要求7所述的一种波前编码红外无热化连续变焦镜头，其特征在于：所述相位平板(5)是三次相位平板，三次相位平板的厚度为4mm，三次相位板系数a＝7×10-6。
9.根据权利要求8所述的一种波前编码红外无热化连续变焦镜头，其特征在于：所述第六透镜(6)的厚度为15mm，其前表面为球面，曲率半径为-283.73；
后表面为衍射面，曲率半径为-56.92，衍射面系数C1＝-5.45×10-5,C2＝-1.53×10-7，C3＝5.81×10-10。
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