CN112612129B - 一种小型化中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种小型化中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统。本发明的目的是解决现有红外连续变焦系统存在变倍比低、系统整体透过率低、重量大、结构复杂、控制精度要求较高的技术问题，提供一种小型化中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统。该镜头包括从物方至像方沿光路依次设置的透镜单元、探测器保护窗口G和滤光片H；透镜单元包括沿光路依次设置的四组透镜，分别为具有正光焦度的前固定组、具有负光焦度的变倍组、具有正光焦度的补偿组、具有正光焦度的中继组。该光学系统采用上述镜头。该镜头是一种总长短，镜片少，结构简单、装配方便、高变倍比的小型化红外连续变焦镜头，解决了现有红外连续变焦镜头中结构装配难度与小型化之间的矛盾。

Description

一种小型化中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统
技术领域
本发明涉及一种光学镜头，具体涉及一种小型化中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统。
背景技术
红外探测系统在近些年来得到了飞速发展，应用方面广泛。采用连续变焦镜头可实现大视场搜索、小视场跟踪，像面景物大小连续可变，达到定焦镜头无法满足的需求及效果。针对红外连续变焦系统，常见的为长波非制冷及中波制冷两种，由于中波波段及制冷探测器的优势，使得中波制冷的成像质量远好于长波非制冷连续变焦系统，应用更加广泛。
目前针对中波连续变焦镜头的研究也较为广泛。公开号为CN210090810U的中国专利公开了一种经济型中波红外制冷连续变焦镜头，该镜头针对640*512探测器，具有5倍变倍比，焦距在20～140mm，共采用7片透镜，其系统总长为104.9mm。该镜头镜片总数多，因而系统整体透过率低，系统重量大，且变倍比低。公开号为CN108732731A的中国专利公开了一种五片式紧凑型中波制冷连续变焦镜头，该镜头具有10倍变倍比，焦距在20～200mm，系统总长130mm，其镜头在变焦过程中采用三组联动方式，光学系统结构复杂，控制精度要求较高。
发明内容
本发明的目的是解决现有红外连续变焦系统存在变倍比低、系统整体透过率低、重量大、结构复杂、控制精度要求较高的技术问题，提供一种小型化中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
本发明提供一种小型化中波红外制冷连续变焦镜头，其特殊之处在于：
包括从物方至像方沿光路依次设置的透镜单元、探测器保护窗口G和滤光片H；
所述透镜单元包括沿光路依次设置的四组透镜，分别为具有正光焦度的前固定组、具有负光焦度的变倍组、具有正光焦度的补偿组、具有正光焦度的中继组。
进一步地，所述前固定组包括沿光路依次设置的凸面朝向物方的弯月形正透镜A，以及凸面朝向物方的弯月形负透镜B，用于汇聚光线；
所述变倍组为双凹型负透镜C，用于改变焦距、增加变倍倍率；
所述补偿组为双凸型的正透镜D，用于补偿变倍过程中所引起的像移；
所述中继组包括沿光路依次设置的凸面朝向物方的弯月形正透镜E，以及凸面朝向像方的弯月形正透镜F，用于完成光阑匹配并进行二次成像。
进一步地，所述透镜C为移动镜片，移动曲线为线性曲线，用于实现变倍功能，总移动行程为14.5mm。
进一步地，所述透镜D为移动镜片，移动曲线为8次抛物线，用来补偿变倍引起的像面偏移，总行程为8.25mm。
进一步地，所述透镜B的出射面S4、透镜C的入射面S5、透镜D的入射面S7以及透镜F的入射面S11均为非球面，透镜E的入射面S9为衍射非球面；
所述透镜A的入射面S1和出射面S2、透镜B的入射面S3、透镜C的出射面S6、透镜D的出射面S8、透镜E的出射面S10，以及透镜F的出射面S12均为球面。
进一步地，所有非球面均为偶次非球面，对应的表达式如下：
Figure BDA0002857998940000021
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r位置时，距非球面定焦的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，c＝1/R，R为曲率半径，k为圆锥系数，k＝0，α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
进一步地，所述衍射非球面，衍射对应的表达式如下：
Φ＝A1ρ2+A2ρ4
其中Φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn，r为衍射面沿光轴方向的高度位置，rn是衍射面的规划半径，A1、A2为衍射面的相位系数。
进一步地，为保证外露表面防风沙等作用，所述透镜A的入射面S1上镀有硬碳膜，为提高透过率，减小冷反射，S2～S12表面均镀有增透膜。
进一步地，所述透镜A的材质为硅，透镜B的材质为硫化锌，透镜C的材质为锗，透镜D的材质为硅，透镜E的材质为锗，透镜F的材质为硅。
本发明还提供一种小型化中波红外制冷光学系统，其特殊之处在于：包括上述小型化中波红外制冷连续变焦镜头，以及位于其成像位置的凝视型焦平面中波制冷探测器。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的小型化中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统，针对当前红外连续变焦系统难以满足高变倍比、小尺寸及结构简单化的需求而设计，是一种总长短，镜片少，结构简单、装配方便、高变倍比的小型化红外连续变焦镜头，解决了现有红外连续变焦镜头中结构装配难度与小型化之间的矛盾。
2、本发明提供的小型化中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统，用于15倍变倍比，系统总体总长仅为99mm，体积小、重量轻，满足轻量化使用标准。
3、本发明提供的小型化中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统，中继组既是后固定组，又是调焦组，系统镜片数量少，结构简单，控制精度要求降低，降低了加工生产成本。
4、本发明提供的小型化中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统，仅有两片透镜(变倍组的透镜C和补偿组的透镜D)参与变焦，运动负荷小，光轴一致性易于保证。
5、本发明提供的小型化中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统，透镜A的入射面S1上镀有硬碳膜，保证了外露表面防风沙等作用，S2～S12表面均镀有增透膜，提高了透过率，减小了冷反射。
6、本发明提供的小型化中波红外制冷连续变焦镜头及光学系统可用于无人机吊舱等设备。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例在长焦(焦距215mm处)下的光路图；
图3为本发明实施例在长焦(焦距215mm处)下的光学传递函数MTF图(MTF@20lp/mm)；
图4为本发明实施例在长焦(焦距215mm处)下的点列图；
图5为本发明实施例在长焦(焦距215mm处)下的场曲畸变图；
图6为本发明实施例在短焦(焦距14mm处)下的光路图；
图7为本发明实施例在短焦(焦距14mm处)下的光学传递函数MTF图(MTF@20lp/mm)；
图8为本发明实施例在短焦(焦距14mm处)下的点列图；
图9为本发明实施例在短焦(焦距14mm处)下的场曲畸变图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
本发明提供一种小型化中波红外制冷连续变焦镜头，图1为其结构示意图，包括从物方至像方沿光路依次设置的透镜单元、探测器保护窗口G和滤光片H；所述透镜单元包括沿光路依次设置的四组透镜，分别为具有正光焦度的前固定组、具有负光焦度的变倍组、具有正光焦度的补偿组、具有正光焦度的中继组。
所述前固定组包括沿光路依次设置的凸面朝向物方的弯月形正透镜A，以及凸面朝向物方的弯月形负透镜B，用于对光线的汇聚；所述变倍组为双凹型负透镜C，用于改变连续变焦镜头中的焦距、增加变倍倍率；所述补偿组为双凸型的正透镜D，用于补偿变倍过程中所引起的像移；所述中继组包括沿光路依次设置的凸面朝向物方的弯月形正透镜E，以及凸面朝向像方的弯月形正透镜F，用于完成光学系统的光阑匹配并进行二次成像。光线依次经过四组透镜，最终经过探测器保护窗口G、滤光片H后到达像面I。
所述透镜C为移动镜片，移动曲线为线性曲线，用于实现变倍功能，总移动行程为14.5mm。所述透镜D为移动镜片，移动曲线为8次抛物线，用来补偿变倍引起的像面偏移，总行程为8.25mm。
所述透镜B的出射面S4、透镜C的入射面S5、透镜D的入射面S7以及透镜F的入射面S11均为非球面，透镜E的入射面S9为衍射非球面；其余表面均为球面(即所述透镜A的入射面S1和出射面S2、透镜B的入射面S3、透镜C的出射面S6、透镜D的出射面S8、透镜E的出射面S10，以及透镜F的出射面S12均为球面)。为保证外露表面防风沙等作用，所述透镜A的入射面S1上镀有硬碳膜，为保证高透过率，减小冷反射，S2～S12表面均镀有增透膜。所述透镜A的材质为硅，透镜B的材质为硫化锌，透镜C的材质为锗，透镜D的材质为硅，透镜E的材质为锗，透镜F的材质为硅。
本发明还提供一种小型化中波红外制冷光学系统，包括上述小型化中波红外制冷连续变焦镜头，以及位于其成像位置的凝视型焦平面中波制冷探测器，其分辨率为640*512，像元尺寸为15um。
本发明的小型化中波红外制冷连续变焦镜头，为了减小头片口径，保证100％冷光阑效率采用了二次成像的方式，整体采用6片透镜，满足15倍变倍比，体积小、重量轻、结构简单，有利于满足设备小型化要求。
图2至图5分别为上述小型化中波红外制冷连续变焦镜头在长焦(焦距215mm处)下的光路图、光学传递函数MTF图(MTF@20lp/mm)、点列图和场曲畸变图。
图6至图9分别为上述小型化中波红外制冷连续变焦镜头在短焦(焦距14mm处)下的光路图、光学传递函数MTF图(MTF@20lp/mm)、点列图和场曲畸变图。
表1为连续变焦镜头在焦距14mm/215mm时的光学结构参数。
表1 14mm/215mm光学结构参数表
Figure BDA0002857998940000051
Figure BDA0002857998940000061
所有提及的非球面均为偶次非球面，对应的表达式如下：
Figure BDA0002857998940000062
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r位置时，距非球面定焦的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，c＝1/R，R为曲率半径，k为圆锥系数，k＝0，α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数，本发明中不涉及α6。
表2为表面S4、S5、S7、S9、S11的非球面系数：
表2非球面系数表
表面 α<sub>2</sub> α<sub>3</sub> α<sub>4</sub> α<sub>5</sub>
S4 9.0849e-7 -1.739e-9 3.3549e-12 -2.599e-15
S5 7.9311e-5 -1.226e-6 2.1225e-8 -1.489e-10
S7 -2.951e-5 6.5834e-8 1.4463e-9 -2.346e-11
S9 -2.006e-4 2.7873e-6 -4.957e-8 3.2252e-10
S11 -2.990e-4 4.3609e-6 -1.418e-7 2.2780e-9
以上衍射非球面的衍射对应的表达式如下：
Φ＝A1ρ2+A2ρ4
其中，Φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn，r为衍射面沿光轴方向的高度位置，rn是衍射面的规划半径，A1、A2为衍射面的相位系数。
表3为表面S9的衍射系数
表面 A<sub>1</sub> A<sub>2</sub>
S9 -64.85 16.29
从图2至图9中可以看出，各个焦距段的像差得到了很好的校正，MTF良好，弥散斑在像元范围内，且畸变<5％。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种小型化中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于：
包括从物方至像方沿光路依次设置的透镜单元、探测器保护窗口G和滤光片H；
所述透镜单元包括沿光路依次设置的四组透镜，分别为具有正光焦度的前固定组、具有负光焦度的变倍组、具有正光焦度的补偿组、具有正光焦度的中继组；
所述前固定组包括沿光路依次设置的凸面朝向物方的弯月形正透镜A，以及凸面朝向物方的弯月形负透镜B，用于汇聚光线；
所述变倍组为双凹型负透镜C，用于改变焦距、增加变倍倍率；
所述补偿组为双凸型的正透镜D，用于补偿变倍过程中所引起的像移；
所述中继组包括沿光路依次设置的凸面朝向物方的弯月形正透镜E，以及凸面朝向像方的弯月形正透镜F，用于完成光阑匹配并进行二次成像。
2.根据权利要求1所述的小型化中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于：
所述透镜C为移动镜片，移动曲线为线性曲线，用于实现变倍功能，总移动行程为14.5mm。
3.根据权利要求2所述的小型化中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于：
所述透镜D为移动镜片，移动曲线为8次抛物线，用来补偿变倍引起的像面偏移，总行程为8.25mm。
4.根据权利要求3所述的小型化中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于：
所述透镜B的出射面S4、透镜C的入射面S5、透镜D的入射面S7以及透镜F的入射面S11均为非球面，透镜E的入射面S9为衍射非球面；
所述透镜A的入射面S1和出射面S2、透镜B的入射面S3、透镜C的出射面S6、透镜D的出射面S8、透镜E的出射面S10，以及透镜F的出射面S12均为球面。
5.根据权利要求4所述的小型化中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于：
所有非球面均为偶次非球面，对应的表达式如下：
Figure FDA0003265798610000021
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r位置时，距非球面定焦的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，c＝1/R，R为曲率半径，k为圆锥系数，k＝0，α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
6.根据权利要求5所述的小型化中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于：
所述衍射非球面，衍射对应的表达式如下：
Φ＝A1ρ2+A2ρ4
其中Φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn，r为衍射面沿光轴方向的高度位置，rn是衍射面的规划半径，A1、A2为衍射面的相位系数。
7.根据权利要求6所述的小型化中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于：
所述透镜A的入射面S1上镀有硬碳膜，S2～S12表面均镀有增透膜。
8.根据权利要求7所述的小型化中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于：
所述透镜A的材质为硅，透镜B的材质为硫化锌，透镜C的材质为锗，透镜D的材质为硅，透镜E的材质为锗，透镜F的材质为硅。
9.一种小型化中波红外制冷光学系统，其特征在于：包括权利要求1至8任一所述小型化中波红外制冷连续变焦镜头，以及位于其成像位置的凝视型焦平面中波制冷探测器。
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