CN111221115B - 一种大变倍比短波红外连续变焦镜头 - Google Patents

一种大变倍比短波红外连续变焦镜头 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种大变倍比短波红外连续变焦镜头,以满足远距离目标的大范围探测及小视场详查的需求。本发明包括依次同轴设置的光焦度为正的前固定组、光焦度为负的变倍组、孔径光阑、光焦度为正的补偿组以及光焦度为正的后固定组;前固定组可根据环境温度沿光轴平移,用于补偿镜头长焦端热差;所述变倍组与补偿组可沿光轴平移,用于实现连续变焦成像。本发明采用正组补偿换根的结构形式,实现大视场到超小视场的快速变焦,且实现31倍的大变倍比连续变焦,具有变焦结构简单,结构紧凑的特点。

Description

一种大变倍比短波红外连续变焦镜头
技术领域
本发明涉及短波红外成像技术领域,具体涉及一种大变倍比短波红外连续变焦镜头。
背景技术
短波红外波段(0.9~1.7μm)的光能量在能见度较低的雾、雨、尘等条件下具有较高的透过率,且在满月和大气辉光条件下夜空的光谱辐射集中在短波红外波段,故短波红外成像系统可在低照度条件、低能见度的雾、雨、尘等条件下对物体清晰成像。同时,短波红外成像在着火点探测、暴雨及龙卷风预警、伪装识别领域具有非常高的应用价值。然而,目前应用较多的短波红外镜头大部分为定焦镜头,不能满足对目标区域大范围观测与小范围详查的应用需求。公开号为CN 109116530A的专利文献中公开了一种短波红外连续变焦镜头,该镜头焦距28mm~90.5mm,视场角7.69°~25.69°,实现3.2倍变焦;公开号为CN109387931 A的专利文献中公开了一种短波红外连续变焦镜头,该镜头焦距17.5mm~175mm,实现10倍变焦。以上两种短波红外连续变焦镜头变倍比均较小,且长焦端焦距较短,对远距离目标的探测能力较弱。因此,开发一种大变倍比短波红外连续变焦镜头非常必要。
发明内容
本发明的目的是为满足远距离目标的大范围探测及小视场详查的需求,而提供一种大变倍比短波红外连续变焦镜头。
为实现上述目的,本发明提供的技术方案是:
一种大变倍比短波红外连续变焦镜头,其特殊之处在于:
包括依次同轴设置的光焦度为正的前固定组、光焦度为负的变倍组、孔径光阑、光焦度为正的补偿组以及光焦度为正的后固定组;
所述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组满足如下关系式:
0.20≤f1/ft≤0.26;
-0.04≤f2/ft≤-0.05;
0.09≤f3/ft≤0.11;
0.12≤f4/ft≤0.14;
0.13≤β2w2t≤0.14;
β2w≤-0.25;
0.24≤β3w3t≤0.25;
β3w≤-0.41;
其中,
f1是前固定组的焦距值;
f2是变倍组的焦距值;
f3是补偿组的焦距值;
f4是后固定组的焦距值;
ft是连续变焦镜头最长焦的焦距值;
β2w为变倍组在短焦时的放大率;
β2t为变倍组在长焦时的放大率;
β3w为补偿组在短焦时的放大率;
β3t为补偿组在长焦时的放大率;
所述前固定组可根据环境温度沿光轴平移,用于补偿镜头长焦端热差;所述变倍组与补偿组可沿光轴平移,用于实现连续变焦成像;
所述前固定组与变倍组之间的空气间隔为6.0mm~80.2mm;所述变倍组与补偿组之间的空气间隔为3.0mm~148.4mm;所述补偿组与后固定组之间的空气间隔为4.0mm~75.2mm。
进一步地,所述前固定组包括依次设置的凹面朝向所述孔径光阑的第一负透镜、第一双凸正透镜和第二双凸正透镜。
进一步地,第一双凸正透镜和第二双凸正透镜材料均采用低色散玻璃材料。
进一步地,所述变倍组包括依次设置的光焦度为负的第一双凹负透镜、光焦度均为负的第一双胶合透镜和第三双凹负透镜,且第一双凹负透镜更靠近前固定组;所述第一双胶合透镜由第三双凸正透镜和第二双凹负透镜组成,且第二双凹负透镜更靠近第三双凹负透镜。
进一步地,所述第一双凹负透镜所用材料折射率范围1.45<n<1.55,色散系数55<V<65;第三双凸正透镜所用材料折射率范围1.90<n<2.00,色散系数16<V<21;第二双凹负透镜所用材料折射率范围1.55<n<1.75,色散系数55<V<65;第三双凹负透镜所用材料折射率范围1.55<n<1.75,色散系数55<V<65。
进一步地,所述补偿组包括依次设置的第四双凸正透镜和光焦度为正的第二双胶合透镜,且第四双凸正透镜更靠近变倍组;所述孔径光阑设置在所述第四双凸正透镜的表面;所述第二双胶合透镜由凹面背向所述孔径光阑的第二负透镜和第一弯月形正透镜组成,且第一弯月形正透镜更靠近所述后固定组。
进一步地,为提高成像质量,所述第四双凸正透镜所用材料折射率范围1.85<n<1.95,色散系数30<V<45;第二负透镜所用材料折射率范围1.90<n<2.00,色散系数16<V<21;第一弯月形正透镜所用材料折射率范围1.55<n<1.75,色散系数55<V<65。
进一步地,所述后固定组包括依次设置的凹面朝向所述孔径光阑的第三负透镜、第二弯月形正透镜、凹面朝向所述孔径光阑的第四负透镜和第五双凸正透镜。
进一步地,为提高成像质量,所述第三负透镜所用材料折射率范围1.90<n<2.00,色散系数16<V<21;第二弯月形正透镜所用材料折射率范围1.45<n<1.55,色散系数55<V<65;第四负透镜所用材料折射率范围1.55<n<1.76,色散系数53<V<65;第五双凸正透镜所用材料折射率范围1.45<n<1.55,色散系数55<V<65。
进一步地,所述第一负透镜与第一双凸正透镜间隔为5.5~5.7mm;
所述第一双凸正透镜与第二双凸正透镜间隔为0.4~0.6mm;
所述第一双凹负透镜与第一双胶合透镜间隔为2.3~2.5mm;
所述第一双胶合透镜与第三双凹负透镜间隔为5~5.2mm;
所述第四双凸正透镜与第二双胶合透镜间隔为0.3~0.6mm;
所述第三负透镜与第二弯月形正透镜间隔为0.4~0.6mm;
所述第二弯月形正透镜与第四负透镜间隔为44~46mm;
所述第四负透镜与第五双凸正透镜间隔为0.4~0.6mm;
所述第五双凸正透镜与像面间的空气间隔为12mm。
进一步地,所述第一负透镜与第一双凸正透镜间隔为5.56mm;
所述第一双凸正透镜与第二双凸正透镜间隔为0.5mm;
所述第一双凹负透镜与第一双胶合透镜间隔为2.40mm;
所述第一双胶合透镜与第三双凹负透镜间隔为5.13mm;
所述第四双凸正透镜与第二双胶合透镜间隔为0.5mm;
所述第三负透镜与第二弯月形正透镜间隔为0.51mm;
所述第二弯月形正透镜与第四负透镜间隔为45.7mm;
所述第四负透镜与第五双凸正透镜间隔为0.57mm。
与现有技术相比,本发明的优点是:
1、本发明提供的镜头采用正组补偿换根的结构形式,实现大视场到超小视场的快速变焦,且实现31倍的大变倍比连续变焦,具有变焦结构简单,结构紧凑的特点。
2、本发明提供的镜头的前固定组作为调焦组,通过调节前固定组的轴向位置进行调焦,变焦过程中可在宽温度范围(-40℃~75℃)内保持良好的焦面一致性,从而能够在变焦过程中保持图像的清晰稳定,大大提高镜头的稳定性、环境适应性,减小目标在跟踪、监视过程中的丢失概率,并提高了在低照度、低能见度环境下目标的探测灵敏度。
3、本发明提供的镜头结构简单、重量轻、焦距值变化量小。在宽温度范围(-40℃~75℃)内,中心视场到0.7视场在空间频率33lp/mm处的传递函数均大于0.4,具有很好的成像质量。
4、本发明镜头的光学元件材料全部使用常用的可见光玻璃,且全部为球面,大大降低了镜头的成本与加工难度,提高了可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例在短焦状态下的结构示意图。
图2是本发明实施例在中焦状态下的结构示意图。
图3是本发明实施例在长焦状态下的结构示意图。
图4是常温下,本发明实施例在长焦状态下的光学传递函数。
图5是常温下,本发明实施例在中焦状态下的光学传递函数。
图6是常温下,本发明实施例在短焦状态下的光学传递函数。
图7是-40℃时,本发明实施例中前固定组(调焦组)沿光线入射方向移动(即向像方移动)0.11mm,镜头长焦位置的光学传递函数。
图8是-40℃时,本发明实施例中前固定组(调焦组)位置不变,镜头中焦位置的光学传递函数。
图9是-40℃时,本发明实施例中前固定组(调焦组)位置不变,镜头短焦位置的光学传递函数。
图10是75℃时,本发明实施例中前固定组(调焦组)逆光线入射方向移动(即向物方移动)0.11mm,镜头长焦位置的光学传递数。
图11是75℃时,本发明实施例中前固定组(调焦组)位置不变,镜头中焦位置的光学传递函数。
图12是75℃时,本发明实施例中前固定组(调焦组)位置不变,镜头短焦位置的光学传递函数。
图13是本发明实施例长焦位置的场曲、畸变曲线。
图14是本发明实施例中焦位置的场曲、畸变曲线。
图15是本发明实施例短焦位置的场曲、畸变曲线。
图16是本发明实施例凸轮曲线。
图中各标号的说明如下:
1-前固定组;
11-第一负透镜,12-第一双凸正透镜、13-第二双凸正透镜;
2-变倍组;
21-第一双凹负透镜,22-第三双凸正透镜,23-第二双凹负透镜,24-第三双凹负透镜;
3-补偿组;
31-第四双凸正透镜、32-第二负透镜、33-第一弯月形正透镜;
4-后固定组;
41-第三负透镜、42-第二弯月形正透镜、43-第四负透镜、44-第五双凸正透镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1至图3所示,本发明所提供的大变倍比短波红外连续变焦镜头包括自左向右依次同轴设置的光焦度为正的前固定组1、光焦度为负的变倍组2、孔径光阑(图中未示出)、光焦度为正的补偿组3以及光焦度为正的后固定组4;前固定组1的左侧为物方,后固定组4的右侧为像方;
前固定组1、变倍组2、补偿组3、后固定组4满足如下关系式:
0.20≤f1/ft≤0.26;
-0.04≤f2/ft≤-0.05;
0.09≤f3/ft≤0.11;
0.12≤f4/ft≤0.14;
0.13≤β2w2t≤0.14;
β2w≤-0.25;
0.24≤β3w3t≤0.25;
β3w≤-0.41;
其中,f1是前固定组1的焦距值;f2是变倍组2的焦距值;f3是补偿组3的焦距值;f4是后固定组4的焦距值;ft是连续变焦镜头最长焦的焦距值;β2w为变倍组2在短焦时的放大率;β2t为变倍组2在长焦时的放大率;β3w为补偿组3在短焦时的放大率;β3t为补偿组3在长焦时的放大率。
前固定组1可根据环境温度沿光轴左右移动,用于补偿镜头长焦端热差;当环境温度由t变化到t'时,所述前固定组1向像方移动;当环境温度由t变化到t"时,所述前固定组1向物方移动;其中,15℃<t<25℃,-40℃≤t'≤15℃,25℃≤t"≤75℃。
变倍组2与补偿组3可沿光轴左右移动,用于实现连续变焦成像。从短焦状态向长焦状态变化时,变倍组2与补偿组3相向移动,即变倍组2与前固定组1之间的空气间隔逐渐变大,补偿组3与后固定组4之间的空气间隔逐渐变大,变倍组2与补偿组3之间的空气间隔逐渐变小。从长焦状态向短焦状态变化时,变倍组2与补偿组3相背移动,即变倍组2与前固定组1之间的空气间隔逐渐变小,补偿组3与后固定组4之间的空气间隔逐渐变小,变倍组2与补偿组3之间的空气间隔逐渐变大。
前固定组1与变倍组2之间的空气间隔为6.0mm~80.2mm;所述变倍组2与补偿组3之间的空气间隔为3.0mm~148.4mm;所述补偿组3与后固定组4之间的空气间隔为4.0mm~75.2mm。
在宽温度范围(-40℃~75℃)内,镜头长焦的图像通过前固定组1(调焦组)调节清晰后,保持前固定组1(调焦组)位置不变;通过如图16所示的凸轮曲线图调整变倍组2与补偿组3距前固定组1最后表面(在后续图1所示实施例中,前固定组1的最后表面为第二双凸正透镜13右镜面)的距离,可对不同距离的物体清晰成像,并使环境温度变化时镜头各焦距位置的像面位置保持一致,即各焦距位置齐焦面。曲线最左端为短焦位置,最右端为长焦位置。
实施例:
本实施例的短波红外连续变焦镜头,其靶面尺寸为9.6mm×7.68mm,适用于探测器类型为InGaAS,像元尺寸为15μm,640×512分辨率的短波红外非制冷探测器。镜头总长为305mm,最大口径86mm,具有透过率高、成本低、体积小、重量轻的特点;镜头工作波段0.95~1.7μm短波红外波段,F#:3.6~7.3;焦距17.5~550mm范围内连续变焦,水平视场角31.16°~0.98°,适用于9.6×7.68mm短波红外探测器。
本实施例中各光学组件具体实现方式如下:
前固定组1包括从左向右依次设置的第一负透镜11、第一双凸正透镜12、和第二双凸正透镜13;第一负透镜11的凹面朝向孔径光阑;为校正系统二级光谱,第一双凸正透镜12和第二双凸正透镜13材料均采用低色散玻璃材料,例如HFK61。选用低色散玻璃材料可以校正0.95~1.7μm波段的二级光谱像差。
变倍组2包括自左向右依次设置的光焦度为负的第一双凹负透镜21、光焦度均为负的第一双胶合透镜和第三双凹负透镜24,第一双胶合透镜由自左向右依次设置的第三双凸正透镜22和第二双凹负透镜23组成;
补偿组3包括自左向右依次设置的第四双凸正透镜31和光焦度为正的第二双胶合透镜,第二双胶合透镜由自左向右依次设置的凹面背向孔径光阑的第二负透镜32和第一弯月形正透镜33组成;
孔径光阑设置在第四双凸正透镜31的表面;
后固定组4包括自左向右依次设置的凹面朝向孔径光阑的第三负透镜41、第二弯月形正透镜42、凹面朝向孔径光阑的第四负透镜43和第五双凸正透镜44;
第一负透镜11与第一双凸正透镜12间隔为5.5~5.7mm,本实施例优选5.56mm;第一双凸正透镜12与第二双凸正透镜13间隔为0.4~0.6mm,本实施例优选0.5mm;第一双凹负透镜21与第一胶合透镜间隔为2.3~2.5mm,本实施例优选2.40mm;第一胶合透镜与第三双凹负透镜24的间隔为5~5.2mm,本实施例优选5.13mm;第四双凸正透镜31与第二双胶合透镜的间隔为0.3~0.6mm,本实施例优选0.5mm;第三负透镜41与第二弯月形正透镜42的间隔为0.4~0.6mm,本实施例优选0.51mm;第二弯月形正透镜42与第四负透镜43的间隔为44~46mm,本实施例优选45.7mm;第四负透镜43与第五双凸正透镜44的间隔为0.4~0.6mm,本实施例优选0.57mm。第五双凸正透镜44与像面间的空气间隔为12mm。
图4至图6是常温下,本发明实施例的长焦位置、中焦位置、短焦位置的光学传递函数。从图4-6中可以看出常温下,系统成像质量非常好。如图7至图9所示,当环境温度为-40℃时,镜头长焦端像质有所下降,前固定组1(调焦组)沿光线入射方向移动0.11mm后,镜头长焦端像质与常温下相同。
如图7所示,前固定组1沿光线入射方向移动0.11mm后,镜头焦距变化量为0.74mm,保持前固定组1(调焦组)位置不变,将镜头由长焦位置连续变焦到短焦位置,在变焦过程中,镜头焦面位置稳定不变,且各焦距位置均有较好的成像质量。
如图8、图9所示,连续变焦镜头中焦、短焦位置传递函数在33lp/mm处中心视场至0.7视场均大于0.4,像质较好,且焦距变化量分别为0.03mm、0.3mm,各焦距位置焦距值变化量很小。
如图10至图12所示,当环境温度为75℃时,镜头长焦端像质有所下降,前固定组1(调焦组)逆光线方向移动0.11mm后,镜头长焦端像质与常温下相同。
如图10所示,前固定组1逆光线方向移动0.11mm后,镜头焦距变化量为1.39mm,保持前固定组1(调焦组)位置不变,将镜头由长焦位置连续变焦到短焦位置,在变焦过程中,镜头焦面位置稳定不变,且各焦距位置均有较好的成像质量。
如图11、图12所示,镜头中焦、短焦位置的传递函数在33lp/mm处均大于0.4,与常温时相同,且焦距变化量分别为0.03mm、0.26mm,各焦距位置焦距值变化量很小。
本发明实施例在不同温度下系统的焦距值如表1所示,可以看出,温度变化后,本实施例系统焦距变化量很小,系统工作稳定可靠。
表1本发明在不同温度下系统的焦距值
Figure BDA0002375794680000101
由图13至图15可以看出,本发明镜头的长、中、短焦畸变均小于3%,人眼不易察觉,具有很好的成像效果。

Claims (11)

1.一种大变倍比短波红外连续变焦镜头,其特征在于:
包括依次同轴设置的光焦度为正的前固定组(1)、光焦度为负的变倍组(2)、孔径光阑、光焦度为正的补偿组(3)以及光焦度为正的后固定组(4);
所述前固定组(1)、变倍组(2)、补偿组(3)、后固定组(4)满足如下关系式:
0.20≤f1/ft≤0.26;
-0.04≤f2/ft≤-0.05;
0.09≤f3/ft≤0.11;
0.12≤f4/ft≤0.14;
0.13≤β2w2t≤0.14;
β2w≤-0.25;
0.24≤β3w3t≤0.25;
β3w≤-0.41;
其中,
f1是前固定组(1)的焦距值;
f2是变倍组(2)的焦距值;
f3是补偿组(3)的焦距值;
f4是后固定组(4)的焦距值;
ft是连续变焦镜头最长焦的焦距值;
β2w为变倍组(2)在短焦时的放大率;
β2t为变倍组(2)在长焦时的放大率;
β3w为补偿组(3)在短焦时的放大率;
β3t为补偿组(3)在长焦时的放大率;
所述前固定组(1)可根据环境温度沿光轴平移,用于补偿镜头长焦端热差;所述变倍组(2)与补偿组(3)可沿光轴平移,用于实现连续变焦成像;
所述前固定组(1)与变倍组(2)之间的空气间隔为6.0mm~80.2mm;所述变倍组(2)与补偿组(3)之间的空气间隔为3.0mm~148.4mm;所述补偿组(3)与后固定组(4)之间的空气间隔为4.0mm~75.2mm。
2.根据权利要求1所述的大变倍比短波红外连续变焦镜头,其特征在于:
所述前固定组(1)包括依次设置的凹面朝向所述孔径光阑的第一负透镜(11)、第一双凸正透镜(12)和第二双凸正透镜(13)。
3.根据权利要求2所述的大变倍比短波红外连续变焦镜头,其特征在于:
第一双凸正透镜(12)和第二双凸正透镜(13)材料均采用低色散玻璃材料。
4.根据权利要求3所述的大变倍比短波红外连续变焦镜头,其特征在于:
所述变倍组(2)包括依次设置的光焦度为负的第一双凹负透镜(21)、光焦度均为负的第一双胶合透镜和第三双凹负透镜(24),且第一双凹负透镜(21)更靠近前固定组(1);
所述第一双胶合透镜由第三双凸正透镜(22)和第二双凹负透镜(23)组成,且第二双凹负透镜(23)更靠近第三双凹负透镜(24)。
5.根据权利要求4所述的大变倍比短波红外连续变焦镜头,其特征在于:
所述第一双凹负透镜(21)所用材料折射率范围1.45<n<1.55,色散系数55<V<65;第三双凸正透镜(22)所用材料折射率范围1.90<n<2.00,色散系数16<V<21;第二双凹负透镜(23)所用材料折射率范围1.55<n<1.75,色散系数55<V<65;第三双凹负透镜(24)所用材料折射率范围1.55<n<1.75,色散系数55<V<65。
6.根据权利要求5所述的大变倍比短波红外连续变焦镜头,其特征在于:
所述补偿组(3)包括依次设置的第四双凸正透镜(31)和光焦度为正的第二双胶合透镜,且第四双凸正透镜(31)更靠近变倍组(2);所述孔径光阑设置在所述第四双凸正透镜(31)的表面;
所述第二双胶合透镜由凹面背向所述孔径光阑的第二负透镜(32)和第一弯月形正透镜(33)组成,且第一弯月形正透镜(33)更靠近所述后固定组(4)。
7.根据权利要求6所述的大变倍比短波红外连续变焦镜头,其特征在于:
所述第四双凸正透镜(31)所用材料折射率范围1.85<n<1.95,色散系数30<V<45;第二负透镜(32)所用材料折射率范围1.90<n<2.00,色散系数16<V<21;第一弯月形正透镜(33)所用材料折射率范围1.55<n<1.75,色散系数55<V<65。
8.根据权利要求7所述的大变倍比短波红外连续变焦镜头,其特征在于:
所述后固定组(4)包括依次设置的凹面朝向所述孔径光阑的第三负透镜(41)、第二弯月形正透镜(42)、凹面朝向所述孔径光阑的第四负透镜(43)和第五双凸正透镜(44)。
9.根据权利要求8所述的大变倍比短波红外连续变焦镜头,其特征在于:
所述第三负透镜(41)所用材料折射率范围1.90<n<2.00,色散系数16<V<21;第二弯月形正透镜(42)所用材料折射率范围1.45<n<1.55,色散系数55<V<65;第四负透镜(43)所用材料折射率范围1.55<n<1.76,色散系数53<V<65;第五双凸正透镜(44)所用材料折射率范围1.45<n<1.55,色散系数55<V<65。
10.根据权利要求9所述的大变倍比短波红外连续变焦镜头,其特征在于:
所述第一负透镜(11)与第一双凸正透镜(12)间隔为5.5~5.7mm;
所述第一双凸正透镜(12)与第二双凸正透镜(13)间隔为0.4~0.6mm;
所述第一双凹负透镜(21)与第一双胶合透镜间隔为2.3~2.5mm;
所述第一双胶合透镜与第三双凹负透镜(24)间隔为5~5.2mm;
所述第四双凸正透镜(31)与第二双胶合透镜间隔为0.3~0.6mm;
所述第三负透镜(41)与第二弯月形正透镜(42)间隔为0.4~0.6mm;
所述第二弯月形正透镜(42)与第四负透镜(43)间隔为44~46mm;
所述第四负透镜(43)与第五双凸正透镜(44)间隔为0.4~0.6mm;
所述第五双凸正透镜(44)与像面间的空气间隔为12mm。
11.根据权利要求10所述的大变倍比短波红外连续变焦镜头,其特征在于:所述第一负透镜(11)与第一双凸正透镜(12)间隔为5.56mm;
所述第一双凸正透镜(12)与第二双凸正透镜(13)间隔为0.5mm;
所述第一双凹负透镜(21)与第一双胶合透镜间隔为2.40mm;
所述第一双胶合透镜与第三双凹负透镜(24)间隔为5.13mm;
所述第四双凸正透镜(31)与第二双胶合透镜间隔为0.5mm;
所述第三负透镜(41)与第二弯月形正透镜(42)间隔为0.51mm;
所述第二弯月形正透镜(42)与第四负透镜(43)间隔为45.7mm;
所述第四负透镜(43)与第五双凸正透镜(44)间隔为0.57mm。
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