CN111061050A - 一种加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头 - Google Patents

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CN111061050A CN201911402347.8A CN201911402347A CN111061050A CN 111061050 A CN111061050 A CN 111061050A CN 201911402347 A CN201911402347 A CN 201911402347A CN 111061050 A CN111061050 A CN 111061050A
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马兴才
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Abstract

本发明公开一种增增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头，在原光学系统组的基础上增加相对变焦镜头可拆卸的增倍镜组，原光学系统组包括从物侧到像侧沿光轴依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、调焦组和后固定组，增倍镜组包括从物侧到像侧沿光轴依次设置的第一正弯月透镜和第二负弯月透镜。本发可在原光学系统的基础上实现焦距的放大，并且不影响成像质量。增倍镜组通过螺栓实现相对镜筒的拆装，结构设计简单，易于拆装，且改变焦距方便，可满足不同的应用需求。

Description

一种加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头
技术领域
本发明涉及光学技术领域，更具体的说，是一种加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头。
背景技术
红外光学系统具有夜间穿透能力强、识别伪装能力强、可被动接收红外辐射、隐蔽性好、不易受干扰等优点，在陆、海、空等军事领域的武器系统中展现出特殊的能力。随着红外成像技术的发展，红外变焦距系统被广泛应用于制导、监控、红外前视及目标探测和跟踪等领域。与定焦镜头、分档镜头相比，连续变焦镜头既能在大视场捕获目标，又能在发现目标后调整到小视场瞄准跟踪目标。并且在焦距和视场转换过程中，可保持对所观测目标在探测器靶面上所成像的连续性，这利于对高速运动目标的搜索和跟踪，解决了分档变焦镜头在视场切换时易造成高速目标丢失的缺陷。
制冷型探测器因其具有灵敏度高、作用距离远、帧频高等优势，在军事领域，红外成像系统普遍采用制冷型探测器。但是目前搭配制冷型探测器设计的红外变焦镜头只有一个焦距范围，对于不同的调焦范围，均需要设计一套红外变焦镜头，设计一套新的镜头设计难度大，结构复杂。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头，在原光学系统的基础上实现焦距的放大，并且不影响成像质量。
为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头，包括原光学系统组，原光学系统组包括从物侧到像侧沿光轴依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、调焦组和后固定组，前固定组包括从物侧到像侧沿光轴依次设置的第二正弯月透镜和第二负弯月透镜，变倍组为双凹透镜，补偿组为双凸透镜，调焦组为第三正弯月透镜，后固定组包括从物侧到像侧沿光轴依次设置的第三负弯月透镜、第四正弯月透镜和第五正弯月透镜，原光学系统前端设有相对变焦镜头可拆卸的增倍镜组，增倍镜组包括从物侧到像侧沿光轴依次设置的第一正弯月透镜和第二负弯月透镜。
进一步的，第一正弯月透镜和第一负弯月透镜的凸面均朝向物侧，分别具有正、负屈光度。
进一步的，第一正弯月透镜和第一负弯月透镜的材料分别为硅、锗，沿物侧至像侧的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4，其中曲面S3为偶次非球面，增倍镜组对原光学系统组实现焦距的放大倍率为1.5倍至2.5倍。
进一步的，所述原光学系统组的前固定组、变倍组焦距、后固定组的焦距满足以下关系：
Figure BDA0002344629140000021
其中f1为前固定组焦距、f2为变倍组焦距、f3为后固定组焦距、fc为长焦状态下原光学系统组的焦距。
进一步的，原光学系统组的第二正弯月透镜、第二负弯月透镜、双凹透镜、双凸透镜、第三正弯月透镜、第三负弯月透镜、第四正弯月透镜、第五正弯月透镜沿物侧至像侧方向上的曲面分别标记为S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16、S17、S18、S19、S20，第二负弯月透镜的后表面S8、双凹透镜的后表面S10、第三正弯月透镜的后表面S14的曲面均为偶次非球面，且S8的曲面上还加工有二元衍射面。
进一步的，所述偶次非球面通过如下公式来确定：
Figure BDA0002344629140000022
其中，c表示曲面与光轴交点处的曲率，k为偶次非球面的圆锥系数，α4、α6、α8、α10为偶次非球面的4次、6次、8次、10次系数，γ为偶次非球面上距离光轴垂直方向上的高度，z为偶次非球面上距离透镜中心水平方向上的距离。
进一步的，所述增倍镜组的曲面S1至S4的曲率半径分别为185.27mm、269.42mm、368.05mm、125.96mm，曲面S1、S2、S3、S4之间的距离分别为10.5mm、68.925mm、6.5mm。
进一步的，所述原光学系统组曲面S5至S20的曲率半径分别为185.36mm、300.25mm、356.35mm、293.35mm、-265.64mm、154.52mm、174.21mm、-125.63mm、28.05mm、18.24mm、-29.54mm、-23.06mm、-16.39mm、-26.05mm、-46.34mm、-24.38mm，曲面S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16、S17、S18、S19、S20之间的距离分别为12mm、15.68mm、6.5mm、可变间隔Z1、3mm、可变间隔Z2、7mm、可变间隔Z3、4mm、38.68mm、4mm、2.68mm、3mm、3.87mm、3.5mm、10.8mm。
进一步的，增倍镜组与原光学系统组的间隔不小于5mm。
进一步的，S3面上的偶次非球面，α4、α6、α8、α10分别取6.8689×10-7、-1.851×10-10、1.3911×10-14、-1.143×10-18；S8面上的偶次非球面，α4、α6、α8、α10分别取2.8682×10-7、5.6871×10-11、-3.5982×10-14、5.9413×10-18；S10面上的偶次非球面，α4、α6、α8、α10分别取4.2554×10-6、-5.5487×10-10、2.7614×10-13、3.8242×10-17；S14面上的偶次非球面，α4、α6、α8、α10分别取-2.5824×10-7、3.5963×10-10、5.5341×10-13、-8.6854×10-17。
本发明的有益效果：本发明在原光学系统组的基础上增加增倍镜组，可在原光学系统的基础上实现焦距的放大，并且不影响成像质量。增倍镜组通过螺栓实现相对镜筒的拆装，结构设计简单，易于拆装，且改变焦距方便，可满足不同的应用需求。拆除增倍镜后，原光学系统的焦距为15-300mm，总长170mm，可搭配640×512分辨率中波制冷探测器；安装增倍镜后，最大可实现2.5倍的焦距放大，焦距为30-600mm，总长240mm。根据不同的应用需求，还可实现22.5-450mm、37.5-750mm的焦距。
附图说明
图1为本发明的加增倍镜后焦距为600mm处的光学系统图；
图2为本发明的拆除增倍镜后焦距为300mm处的光学系统图；
图3为本发明的加增倍镜后焦距为30mm处的光学系统图；
图4为本发明的拆除增倍镜后焦距为15mm处的光学系统图；
图5为本发明的加增倍镜后焦距为600mm处，空间频率为30lp/mm的MTF曲线图；
图6为本发明的拆除增倍镜后焦距为300mm处，空间频率为30lp/mm的MTF曲线图；
图7为本发明的加增倍镜后焦距为30mm处，空间频率为30lp/mm的MTF曲线图；
图8为本发明的拆除增倍镜后焦距为15mm处，空间频率为30lp/mm的MTF曲线图；
图中：1、第一正弯月透镜，2、第一负弯月透镜，3、第二正弯月透镜，4、第二负弯月透镜，5、双凹透镜，6、双凸透镜，7、第三正弯月透镜，8、第三负弯月透镜，9、第四正弯月透镜，10、第五正弯月透镜。
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
本实施例公开一种加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头，如图1、图2、图3、图4所示，给出了本发明的加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头在加增倍镜后焦距为600mm、去掉增倍镜焦距为300mm、加增倍镜后焦距为30mm、去掉增倍镜后焦距为15mm的光学系统图，包括沿光轴方向由物侧到像侧依次放置的增倍镜组和原光学系统组，所述增倍镜组沿光轴方向由物侧到像侧依次为凸面朝向物侧的第一正弯月透镜1和凸面朝向物侧的第一负弯月透镜2。所述原光学系统组由物侧到像侧沿光轴依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、调焦组、后固定组组成，前固定组沿光轴方向从物侧到像侧依次为第二正弯月透镜3和第二负弯月透镜4，变倍组由一双凹透镜5构成，补偿组由一双凸透镜6构成，调焦组由第三正弯月透镜7构成，后固定组由第三负弯月透镜8、第四正弯月透镜9和第五正弯月透镜10构成。所述原光学系统组将入射到前固定组的光线，经过变倍组和补偿组的变倍、补偿后，得到的光线经聚焦组和后固定组后成像到探测器的靶面上。双凹透镜5、双凸透镜6通过移动实现镜头的连续变焦，以获取不同视场下的图像；光线汇聚于探测器的靶面上，实现中波红外图像的采集。
本实施例中，增倍镜组的第一正弯月透镜1和第一负弯月透镜2的凸面均朝向物侧，分别具有正、负屈光度。所述增倍镜组对原光学系统组可实现焦距的放大倍率为1.5倍至2.5倍。
所述增倍镜组的第一正弯月透镜1和第一负弯月透镜2的材料分别为硅、锗，沿物侧至像侧的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4，其中S3面为偶次非球面。
所述原光学系统组由物侧到像侧沿光轴依次设置的第二正弯月透镜3、第二负弯月透镜4、双凹透镜5、双凸透镜6、第三正弯月透镜7、第三负弯月透镜8、第四正弯月透镜9、第五正弯月透镜10的光焦度分别为正、负、负、正、正、正、负、正，材料分别为硅、锗、锗、硒化锌、锗、锗、锗、硅；
所述原光学系统组的前固定组、变倍组焦距、后固定组的焦距满足以下关系：
Figure BDA0002344629140000041
其中f1为前固定组焦距、f2为变倍组焦距、f3为后固定组焦距、fc为长焦状态下原光学系统组的焦距。
所述原光学系统组由物面到像面沿光轴依次设置的第二正弯月透镜3、第二负弯月透镜4、双凹透镜5、双凸透镜6、第三正弯月透镜7、第三负弯月透镜8、第四正弯月透镜9、第五正弯月透镜10沿物面至像面方向上的曲面分别标记为S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16、S17、S18、S19、S20，其中第二负弯月透镜4的后表面S8、双凹透镜5的后表面S10、第三正弯月透镜7的后表面S14的曲面均为偶次非球面，且非球面S8的曲面上还加工二元衍射面。
本实施例中，所述偶次非球面通过如下公式来确定：
Figure BDA0002344629140000042
其中，c表示曲面与光轴交点处的曲率，k为偶次非球面的圆锥系数，α4、α6、α8、α10为偶次非球面的4次、6次、8次、10次系数，γ为偶次非球面上距离光轴垂直方向上的高度，z为偶次非球面上距离透镜中心水平方向上的距离。
对于S3面上的偶次非球面，α4、α6、α8、α10分别取6.8689×10-7、-1.851×10-10、1.3911×10-14、-1.143×10-18；对于S8面上的偶次非球面，α4、α6、α8、α10分别取2.8682×10-7、5.6871×10-11、-3.5982×10-14、5.9413×10-18；对于S10面上的偶次非球面，α4、α6、α8、α10分别取4.2554×10-6、-5.5487×10-10、2.7614×10-13、3.8242×10-17；对于S14面上的偶次非球面，α4、α6、α8、α10分别取-2.5824×10-7、3.5963×10-10、5.5341×10-13、-8.6854×10-17。
本实施例的加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头，工作波段为3-5微米，变倍比为20倍，加增倍镜后焦距为30-600mm，拆除增倍镜后焦距为15-300mm。加增倍镜后沿光轴从物侧至像侧透镜编号分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，各透镜的光学元件参数如表1所示：
表1
Figure BDA0002344629140000051
Figure BDA0002344629140000061
在焦距分别为300mm、78mm、15mm情况下可变焦距Z1、Z2与Z3的取值如表2所示。
表2
Figure BDA0002344629140000062
由此可见，镜头在变焦的过程中，Z1、Z2、Z3是连续变化的。
图5、图6、图7、图8分别是在加增倍镜后焦距为600mm、去掉增倍镜焦距为300mm、加增倍镜后焦距为30mm、去掉增倍镜后焦距为15mm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、0.707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的对比度均大于0.5。
由图5至图8可以得出，本发明的加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头在加增倍镜后及拆除增倍镜后均具有很好的成像效果，可搭配640×512或更高分辨率的中波红外制冷探测器。
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)

1.一种加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头，包括原光学系统组，原光学系统组包括从物侧到像侧沿光轴依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、调焦组和后固定组，前固定组包括从物侧到像侧沿光轴依次设置的第二正弯月透镜和第二负弯月透镜，变倍组为双凹透镜，补偿组为双凸透镜，调焦组为第三正弯月透镜，后固定组包括从物侧到像侧沿光轴依次设置的第三负弯月透镜、第四正弯月透镜和第五正弯月透镜，其特征在于：原光学系统前端设有相对变焦镜头可拆卸的增倍镜组，增倍镜组包括从物侧到像侧沿光轴依次设置的第一正弯月透镜和第二负弯月透镜。
2.根据权利要求1所述的加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头，其特征在于：第一正弯月透镜和第一负弯月透镜的凸面均朝向物侧，分别具有正、负屈光度。
3.根据权利要求1所述的加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头，其特征在于：第一正弯月透镜和第一负弯月透镜的材料分别为硅、锗，沿物侧至像侧的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4，其中曲面S3为偶次非球面，增倍镜组对原光学系统组实现焦距的放大倍率为1.5倍至2.5倍。
4.根据权利要求1所述的加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头，其特征在于：所述原光学系统组的前固定组、变倍组焦距、后固定组的焦距满足以下关系：
Figure FDA0002344629130000011
其中f1为前固定组焦距、f2为变倍组焦距、f3为后固定组焦距、fc为长焦状态下原光学系统组的焦距。
5.根据权利要求1所述的加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头，其特征在于：原光学系统组的第二正弯月透镜、第二负弯月透镜、双凹透镜、双凸透镜、第三正弯月透镜、第三负弯月透镜、第四正弯月透镜、第五正弯月透镜沿物侧至像侧方向上的曲面分别标记为S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16、S17、S18、S19、S20，第二负弯月透镜的后表面S8、双凹透镜的后表面S10、第三正弯月透镜的后表面S14的曲面均为偶次非球面，且S8的曲面上还加有工二元衍射面。
6.根据权利要求3或5所述的加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头，其特征在于：所述偶次非球面通过如下公式来确定：
Figure FDA0002344629130000012
其中，c表示曲面与光轴交点处的曲率，k为偶次非球面的圆锥系数，α4、α6、α8、α10为偶次非球面的4次、6次、8次、10次系数，γ为偶次非球面上距离光轴垂直方向上的高度，z为偶次非球面上距离透镜中心水平方向上的距离。
7.根据权利要求3所述的加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头，其特征在于：所述增倍镜组的曲面S1至S4的曲率半径分别为185.27mm、269.42mm、368.05mm、125.96mm，曲面S1、S2、S3、S4之间的距离分别为10.5mm、68.925mm、6.5mm。
8.根据权利要求5所述的加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头，其特征在于：所述原光学系统组曲面S5至S20的曲率半径分别为185.36mm、300.25mm、356.35mm、293.35mm、-265.64mm、154.52mm、174.21mm、-125.63mm、28.05mm、18.24mm、-29.54mm、-23.06mm、-16.39mm、-26.05mm、-46.34mm、-24.38mm，曲面S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16、S17、S18、S19、S20之间的距离分别为12mm、15.68mm、6.5mm、可变间隔Z1、3mm、可变间隔Z2、7mm、可变间隔Z3、4mm、38.68mm、4mm、2.68mm、3mm、3.87mm、3.5mm、10.8mm。
9.根据权利要求1所述的加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头，其特征在于：增倍镜组与原光学系统组的间隔不小于5mm。
10.根据权利要求6所述的加增倍镜组的中波制冷红外变焦镜头，其特征在于：S3面上的偶次非球面，α4、α6、α8、α10分别取6.8689×10-7、-1.851×10-10、1.3911×10-14、-1.143×10-18；S8面上的偶次非球面，α4、α6、α8、α10分别取2.8682×10-7、5.6871×10-11、-3.5982×10-14、5.9413×10-18；S10面上的偶次非球面，α4、α6、α8、α10分别取4.2554×10-6、-5.5487×10-10、2.7614×10-13、3.8242×10-17；S14面上的偶次非球面，α4、α6、α8、α10分别取-2.5824×10-7、3.5963×10-10、5.5341×10-13、-8.6854×10-17。
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