CN112162392B - 一种短波红外两档变倍光学镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种短波红外两档变倍光学镜头，解决现有可见光与中长波红外成像系统分辨率较低，连续变焦系统结构复杂，无法同时满足短焦距大视场搜索和长焦距高分辨成像与高精度测量需求的问题。该镜头包括前固定镜、调焦镜、变倍镜组、后固定镜组、第一折轴镜和第二折轴镜；前固定镜是一个正光焦度双凸透镜；调焦镜是一个负光焦度双凹透镜；变倍镜组包括一个负光焦度双凹透镜和一个正光焦度弯向像方弯月正透镜；后固定镜组包括两个正光焦度双凸透镜和一个负光焦度弯向物方弯月透镜，第一折轴镜和第二折轴镜的法线与光轴设置有45°夹角；调焦镜和变倍镜组可沿光轴方向前后移动，调焦镜用于实现温度和距离的调焦，变倍组沿光轴方向移动实现变倍功能。
Description
技术领域
本发明涉及短波红外光学镜头，具体涉及一种适合大视场捕获、长焦距测量的短波红外两档变倍光学镜头。
背景技术
随着红外技术的不断发展，目标的测量朝着更大视场，更高分辨率方向发展。在大气环境中，红外辐射透过窗口主要有0.9～1.7μm、3～5μm以及8～12μm三个波段。短波红外系统的能量来源主要有两方面：一方面是反射太阳光的能量，这种工作方式与可见光系统类似，但相比可见光，短波红外系统在雾霾等恶劣天气下大气散射效应弱，具有较强的穿透能力，因此，可在恶劣天气下进行清晰成像；另一方面，短波红外系统具备中波红外、长波红外系统的成像特点，获取目标自身的辐射能量，根据维恩位移定律，当目标达到一定温度时，目标的辐射峰值波长位于短波。但受探测器件和光学系统衍射分辨率的影响，中长波红外系统分辨率较低。因此，短波红外系统相比可见光、中长波红外具有以下特点：恶劣天气清晰成像、系统灵敏度高、成像分辨率高等。
光学系统设计中，连续变焦系统虽然可实现在变焦过程中持续对目标进行清晰成像，但系统结构复杂、加工和装配难度较大，导致系统透过率和成像质量下降，影响成像效果。另外，当系统用于测量时，视轴晃动会导致系统测量误差变大。而双视场光学系统结构简单，兼具短焦距视场的覆盖率广，长焦距视场分辨率高的特点，两者协同可实现对目标的大视场搜索以及小视场跟踪与测量。
因此，迫切需要设计一种用于短波红外双视场的光学镜头，可同时满足短焦距大视场搜索和长焦距高分辨成像与高精度测量的需求。
发明内容
为了解决现有可见光与中长波红外成像系统分辨率较低，连续变焦系统结构复杂，以及无法同时满足短焦距大视场搜索和长焦距高分辨成像与高精度测量需求的技术问题，本发明提供了一种短波红外两档变倍光学镜头。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种短波红外两档变倍光学镜头，其特殊之处在于：包括从物方至像方依次设置的前固定镜、调焦镜、变倍镜组、后固定镜组、第一折轴镜和第二折轴镜；
所述前固定镜是一个正光焦度的双凸透镜；
所述调焦镜是一个负光焦度的双凹透镜；
所述变倍镜组包括沿光线传输方向依次设置的第一透镜和第二透镜，第一透镜是一个负光焦度的双凹透镜，第二透镜是一个正光焦度弯向像方的弯月正透镜；
所述后固定镜组包括沿光线传输方向依次设置的第三透镜、第四透镜、第五透镜，第三透镜和第四透镜均是正光焦度的双凸透镜，第五透镜是一个负光焦度弯向物方的弯月透镜；
所述第一折轴镜和第二折轴镜的法线与光轴设置有45°夹角；
所述调焦镜和变倍镜组可沿光轴方向前后移动实现调焦功能，调焦镜用于实现温度和距离的调焦，变倍镜组用于实现双视场的切换。
进一步地，所述前固定镜采用低色散的晶体材料；
所述调焦镜采用重火石玻璃材料；
所述第一透镜和第二透镜均采用硫系玻璃材料；
所述第三透镜、第四透镜、第五透镜分别采用冕牌玻璃材料、低色散晶体材料、高折射率重火石玻璃材料。
进一步地，定义靠近物方侧的表面为前表面，靠近像方侧的表面为后表面；
所述前固定镜的前表面和后表面、调焦镜的前表面和后表面、第一透镜的前表面和后表面、第二透镜的前表面和后表面、第三透镜的前表面和后表面、第四透镜的前表面和后表面、第五透镜的前表面和后表面均为球面。
进一步地，所述前固定镜、调焦镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜的焦距分别为506.19mm、-1011.3mm、-95.13mm、135.82mm、500.03mm、223.74mm、-396.46mm。
进一步地，所述前固定镜、调焦镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜的厚度分别为26mm、13mm、10mm、14.88mm、14.36mm、21.35mm、23.25mm。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明光学镜头以机械补偿系统为原型，采用负组变倍的方式，减小系统的径向尺寸；通过沿光轴方向移动位于调焦镜和后固定镜组之间的变倍镜组实现双视场的切换；通过沿光轴移动前固定镜和变倍镜组之间的调焦镜，实现距离和温度调焦，保证像面的稳定性；并通过折轴镜缩小了系统的轴向尺寸。
2、本发明光学镜头的各透镜均采用球面设计，变倍结构简单，稳定性好，性能优良。
3、本发明光学镜头采用负组变倍，低色散CaF2晶体与硫系玻璃、重火石玻璃相组合，正负透镜相结合的方式，极大的减小了系统的二级光谱，提升了成像性能，全视场传递函数MTF在空间频率25lp/mm处均大于0.55。
4、本发明光学镜头结构紧凑，镜片数量少，畸变性能优良，最大畸变小于1.1‰，像面的稳定性好。
附图说明
图1为本发明实施例短波红外长焦600mm光学系统结构图；
图2为本发明实施例短波红外短焦300mm光学系统结构图；
图3为本发明实施例短波红外长焦600mm光学系统光路图；
图4为本发明实施例短波红外短焦300mm光学系统光路图；
图5为空间频率25lp/mm，短波红外长焦600mm光学系统MTF曲线图；
图6为空间频率25lp/mm，短波红外短焦300mm光学系统MTF曲线图；
图7为短波红外长焦600mm光学系统包围圆能量图；
图8为短波红外短焦300mm光学系统包围圆能量图；
图9为短波红外长焦600mm光学系统球差、场曲和畸变曲线图；
图10为短波红外短焦300mm光学系统球差、场曲和畸变曲线图；
其中，附图标记如下：
01-变倍镜组，02-后固定镜组，1-前固定镜，2-调焦镜，3-第一透镜，4-第二透镜，5-第三透镜，6-第四透镜，7-第五透镜，8-第一折轴镜，9-第二折轴镜，10-像方。
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和图2所示，一种短波红外两档变倍光学镜头，以机械补偿系统为原型，采用负组变倍的方式，可实现短焦距大视场搜索与和长焦距高分辨成像与高精度测量的需求。该镜头包括从物方至像方10依次设置的前固定镜1、调焦镜2、变倍镜组01、后固定镜组02、第一折轴镜8和第二折轴镜9。
前固定镜1为双凸的正透镜，前固定镜1采用低色散的晶体材料CaF2，可减小色差的贡献量。
调焦镜2为双凹的负透镜，调焦镜2采用重火石玻璃材料，与前固定镜1实现正负光焦度相结合消色差。
变倍镜组01包括沿光线传输方向依次同轴设置的第一透镜3和第二透镜4，第一透镜3是双凹的负透镜，第二透镜4是弯向像方的弯月正透镜，第一透镜3和第二透镜4共同组成具有负光焦度的变倍镜组01，变倍镜组01的第一透镜3和第二透镜4均采用硫系玻璃材料，对前固定镜1和调焦镜2残余的色差进行校正。
后固定镜组02包括沿光线传输方向依次设置的第三透镜5、第四透镜6、第五透镜7，第三透镜5和第四透镜6均是双凸的正透镜，第五透镜7是弯向物方的弯月负透镜，第三透镜5、第四透镜6和第五透镜7共同组成具有正光焦度的后固定组，后固定镜组02的第三透镜5、第四透镜6、第五透镜7分别采用冕牌玻璃材料、低色散晶体材料、高折射率重火石玻璃材料，通过采用冕牌玻璃、低色散晶体、高折射率重火石玻璃相结合可对前系统的残余像差进行良好的校正。
第一折轴镜8和第二折轴镜9的法线与光轴设置有45°夹角，用于实现对光路的折转，减小系统的轴向尺寸。
在变焦过程中，调焦镜2和变倍镜组01依据目标距离变化及环境变化可沿光轴方向前后移动；调焦镜2沿光轴方向前后移动，实现系统温度和距离的调焦；变倍镜组01采用负组变倍方式，通过沿光轴方向前后移动实现系统的两档变倍，有利于减小系统前固定镜1组及调焦镜2组的口径，降低对系统的二级光谱贡献量。后固定镜组02采用正光焦度，实现对光线的会聚及像差的校正，稳定系统后截距，降低镜头的体积。
本实施例光学镜头各个透镜的具体参数见下表1。
表1本实施例光学镜头各个透镜的具体参数
图3、图4所示分别为短波红外长焦600mm光学系统结构图和短波红外短焦300mm光学系统光路图，系统工作波段0.9μm～1.7μm，F数为4，焦距300mm/600mm两档，视场角2.44°×1.95°/1.22°×0.97°。通过沿光轴方向移动位于调焦镜2和后固定镜组02之间的变倍镜实现双视场的切换，通过沿光轴移动前固定镜1组和变倍镜组01之间的调焦镜2，实现距离和温度调焦，保证像面的稳定性，通过第一折轴镜8和第二折轴镜9缩小了系统的轴向尺寸，孔径光阑设置在后固定组上，保证了光阑的稳定性及可靠性。本实施例镜头总长525mm，最大口径166mm，变倍行程224.86mm。适用于分辨率640×512，像元间距20μm×20μm的短波红外探测器，具有结构紧凑、透过率高，成本低的特点。
从图5至图10中可以看出，本实施例短波红外镜头在长焦600mm和短焦300mm均具有较高的成像质量，完全满足对目标高分辨成像与高精度测量的需求。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。
Claims (5)
1.一种短波红外两档变倍光学镜头，其特征在于：包括从物方至像方(10)依次设置的前固定镜(1)、调焦镜(2)、变倍镜组(01)、后固定镜组(02)、第一折轴镜(8)和第二折轴镜(9)；
所述前固定镜(1)是一个正光焦度的双凸透镜；
所述调焦镜(2)是一个负光焦度的双凹透镜；
所述变倍镜组(01)包括沿光线传输方向依次设置的第一透镜(3)和第二透镜(4)，第一透镜(3)是一个负光焦度的双凹透镜，第二透镜(4)是一个正光焦度弯向像方的弯月正透镜；
所述后固定镜组(02)包括沿光线传输方向依次设置的第三透镜(5)、第四透镜(6)、第五透镜(7)，第三透镜(5)和第四透镜(6)均是正光焦度的双凸透镜，第五透镜(7)是一个负光焦度弯向物方的弯月透镜；
所述第一折轴镜(8)和第二折轴镜(9)的法线与光轴设置有45°夹角；
所述调焦镜(2)和变倍镜组(01)可沿光轴方向前后移动，调焦镜(2)用于实现温度和距离的调焦，变倍镜组(01)用于实现双视场的切换。
2.根据权利要求1所述短波红外两档变倍光学镜头，其特征在于：
所述前固定镜(1)采用低色散的晶体材料；
所述调焦镜(2)采用重火石玻璃材料；
所述第一透镜(3)和第二透镜(4)均采用硫系玻璃材料；
所述第三透镜(5)、第四透镜(6)、第五透镜(7)分别采用冕牌玻璃材料、低色散晶体材料、高折射率重火石玻璃材料。
3.根据权利要求1或2所述短波红外两档变倍光学镜头，其特征在于：定义靠近物方侧的表面为前表面，靠近像方侧的表面为后表面；
所述前固定镜(1)的前表面和后表面、调焦镜(2)的前表面和后表面、第一透镜(3)的前表面和后表面、第二透镜(4)的前表面和后表面、第三透镜(5)的前表面和后表面、第四透镜(6)的前表面和后表面、第五透镜(7)的前表面和后表面均为球面。
4.根据权利要求3所述短波红外两档变倍光学镜头，其特征在于：
所述前固定镜(1)、调焦镜(2)、第一透镜(3)、第二透镜(4)、第三透镜(5)、第四透镜(6)、第五透镜(7)的焦距分别为506.19mm、-1011.3mm、-95.13mm、135.82mm、500.03mm、223.74mm、-396.46mm。
5.根据权利要求3所述短波红外两档变倍光学镜头，其特征在于：
所述前固定镜(1)、调焦镜(2)、第一透镜(3)、第二透镜(4)、第三透镜(5)、第四透镜(6)、第五透镜(7)的厚度分别为26mm、13mm、10mm、14.88mm、14.36mm、21.35mm、23.25mm。
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