CN111736327A - 一种轻小型非制冷长波红外双视场镜头及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明采用五片式结构，用单个负透镜作为变倍组沿光轴移动实现两档变焦，通常先使用大视场进行大范围搜索目标，然后通过变焦切换到小视场进行精准跟踪识别。当变倍组轴向移动靠近前固定组时为大视场，远离前固定组时为小视场。系统后固定组结合使用硒化锌材料，降低系统的色差，提高系统像质。合理分配光焦度，结合使用偶次非球面来平衡系统像差，使得光学系统的结构简单化，长短焦均可清晰成像。通过曲率及厚度的调整降低各个光学元件的敏感度，使得该镜头更易于加工与装调。
Description
技术领域
本发明属于光学系统领域，尤其涉及一种轻小型非制冷长波红外双视场镜头及其成像方法。
背景技术
双视场红外光学系统具有大小不同两个视场，大视场可用于大范围搜索目标，小视场可用于放大目标，对目标进行识别、跟踪或瞄准。相比于连续变焦红外光学系统，双视场红外光学系统的结构较简单，系统仅通过透镜组之间的间隔改变，便可实现双视场间的切换，且成像质量好，切换速度快、装调容易，因而得到广泛的应用。
应用于手持、机载吊舱等级别的热像仪都要求整机系统结构简单、装调容易、性能高，同时整机尺寸尽量小，重量轻。常见的非制冷长波红外双视场系统，由于其光阑位置固定，在增加焦距时会导致系统的尺寸和重量增大；此外，双视场系统的变倍组与调焦组分开设置，需要安装两个电机分别带动变倍组和调焦组，这样不仅会增加机械件的重量，导致整机系统重量偏重，还使得整机体积偏大，无法达到轻小型的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轻小型非制冷长波红外双视场镜头及其成像方法。
本发明的技术方案在于：一种轻小型非制冷长波红外双视场镜头，包括沿物方至像方依次排列有正光焦度的前固定组、负光焦度的变倍组和正光焦度的后固定组，所述前固定组包括第一弯月正透镜，所述变倍组包括双凹负透镜，所述后固定组包括依次设置的平凸正透镜、弯月负透镜与第二弯月正透镜。
进一步地，所述平凸正透镜与弯月负透镜的空气间隔为30.10mm。
进一步地，所述弯月负透镜与第二弯月正透镜的空气间隔为23.66mm。
进一步地，所述双凹负透镜可以在弯月正透镜与平凸正透镜之间沿光轴左右移动，总移动量为33.75mm。
进一步地，所述后固定组后侧还依次设置有光学结构平行平板与IMA成像面，所述光学结构平行平板的厚度为1.0mm，距离IMA成像面1.3mm。
进一步地，所述第一弯月正透镜、双凹负透镜、平凸正透镜、第二弯月正透镜和光学结构平行平板的材质为锗单晶，所述弯月负透镜的材质为硒化锌。
一种轻小型非制冷长波红外双视场镜头的成像方法：光线自左向右依次经过第一弯月正透镜、双凹负透镜、平凸正透镜、弯月负透镜及第二弯月正透镜后进行成像。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
a)改变大小两个视场的相对孔径，即切换长短焦光阑位置：短焦时，光阑位于平凸正透镜的前表面，切换到长焦时，光阑位于第一弯月正透镜的前表面，这样有利于压缩镜片的口径，减小系统径向尺寸。
b)选择变倍组进行调焦，不需要增加单独的调焦机构，有效降低系统结构的复杂度，有利于整机系统小型化和轻型化的实现。
c)弯月负透镜使用硒化锌材料，可降低光学系统的色差，提高长焦距的像质；光学设计过程中减小运动组元的导程，减小光学系统总行程，利于镜头的小型化。
附图说明
图1为大视场的光学结构示意图；
图2为小视场的光学结构示意图；
图3为大视场的MTF值；
图4为小视场的MTF值；
图5为大视场的点列图；
图6为小视场的点列图；
图7为大视场的场曲畸变图；
图8为小视场的场曲畸变图；
图中：1-第一弯月正透镜，2-双凹负透镜，3-平凸正透镜，4-弯月负透镜，5-第二弯月正透镜，6-光学结构平行平板，7-IMA成像面。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更浅显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
参考图1-图8。
在本发明一较佳实施例中：一种轻小型非制冷长波红外双视场镜头，包括沿物方至像方依次排列有正光焦度的前固定组、负光焦度的变倍组和正光焦度的后固定组，所述前固定组包括第一弯月正透镜，所述变倍组包括双凹负透镜，所述后固定组包括依次设置的平凸正透镜、弯月负透镜与第二弯月正透镜。所述第一弯月正透镜的凸面朝向物方，所述平凸正透镜的凸面朝向物方，所述弯月负透镜的凸面朝向物方，所述第二弯月正透镜的凸面朝向物方。
在本实施例中，所述平凸正透镜与弯月负透镜的空气间隔为30.10mm。
在本实施例中，所述弯月负透镜与第二弯月正透镜的空气间隔为23.66mm。
在本实施例中，所述双凹负透镜可以在弯月正透镜与平凸正透镜之间沿光轴左右移动，总移动量为33.75mm。
在本实施例中，所述后固定组后侧还依次设置有光学结构平行平板与IMA成像面，所述光学结构平行平板的厚度为1.0mm，距离IMA成像面1.3mm。
在本实施例中，所述第一弯月正透镜、双凹负透镜、平凸正透镜、第二弯月正透镜和光学结构平行平板的材质为锗单晶，所述弯月负透镜的材质为硒化锌。
一种轻小型非制冷长波红外双视场镜头的成像方法：光线自左向右依次经过第一弯月正透镜、双凹负透镜、平凸正透镜、弯月负透镜及第二弯月正透镜后进行成像。
在本实施例中，此光学结构的具体性能参数为：（1）焦距：短焦40mm、长焦120mm；（2）F数:短焦F1.0、长焦F1.2；（3）视场角：短焦2w=15.6°、长焦2w=5.2°；（4）光学畸变：≤2%；（5）成像圆直径大于Ф13.9；（6）工作光谱范围：8um～12um；（7）光学总长TTL≤153mm，光学后截距≥16mm；（8）该镜头适用于640*512，17um非制冷长波红外探测器。
在本实施例中，镜片表面由左至右依次为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9和S10。
表1、具体镜片参数
在本实施例中，非球面的面型方程如下：
其中：Z代表光轴方向的位置，r代表相对光轴的垂直方向上的高度，c代表曲率半径，k代表圆锥系数，α4、α6、α8、α10...代表非球面系数。在非球面数据中，E-n代表“×10-n”，例如-3.9896E-7代表-3.9896×10-7。
表2、非球面相关数据
由图3、图4可以看出，该镜头的MTF曲线接近衍射极限，具有较高的分辨率，满足640*512,17um非制冷探测器的传函需求。
由图5、图6可知，该镜头各视场下的RMS弥散斑半径均小于艾里斑半径，表明该系统成像质量良好，满足要求。
图7、图8中所示为光学系统的场曲、畸变曲线，最大相对畸变均小于2%，表明该系统相对畸变满足要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的轻小型非制冷长波红外双视场镜头并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种轻小型非制冷长波红外双视场镜头，其特征在于，包括沿物方至像方依次排列有正光焦度的前固定组、负光焦度的变倍组和正光焦度的后固定组，所述前固定组包括第一弯月正透镜，所述变倍组包括双凹负透镜，所述后固定组包括依次设置的平凸正透镜、弯月负透镜与第二弯月正透镜。
2.根据权利要求1所述的一种轻小型非制冷长波红外双视场镜头，其特征在于，所述平凸正透镜与弯月负透镜的空气间隔为30.10mm。
3.根据权利要求1所述的一种轻小型非制冷长波红外双视场镜头，其特征在于，所述弯月负透镜与第二弯月正透镜的空气间隔为23.66mm。
4.根据权利要求1所述的一种轻小型非制冷长波红外双视场镜头，其特征在于，所述双凹负透镜可以在弯月正透镜与平凸正透镜之间沿光轴左右移动，总移动量为33.75mm。
5.根据权利要求1所述的一种轻小型非制冷长波红外双视场镜头，其特征在于，所述后固定组后侧还依次设置有光学结构平行平板与IMA成像面，所述光学结构平行平板的厚度为1.0mm，距离IMA成像面1.3mm。
6.根据权利要求5所述的一种轻小型非制冷长波红外双视场镜头，其特征在于，所述第一弯月正透镜、双凹负透镜、平凸正透镜、第二弯月正透镜和光学结构平行平板的材质为锗单晶，所述弯月负透镜的材质为硒化锌。
7.一种轻小型非制冷长波红外双视场镜头的成像方法，采用如权利要求1-6任意一项所述的轻小型非制冷长波红外双视场镜头，其特征在于，光线自左向右依次经过第一弯月正透镜、双凹负透镜、平凸正透镜、弯月负透镜及第二弯月正透镜后进行成像。
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