CN113960775A - 一种轻小型化连续变焦光学镜头 - Google Patents

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CN113960775A CN202111280599.5A CN202111280599A CN113960775A CN 113960775 A CN113960775 A CN 113960775A CN 202111280599 A CN202111280599 A CN 202111280599A CN 113960775 A CN113960775 A CN 113960775A
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Abstract

本申请提供一种轻小型化连续变焦光学镜头，采用7片不同材质不同规格的透镜，配合探测器组件，在工作波段3.7～4.8μm，定F数(5.5)及‑40℃～+60℃温度条件下，在镜头总长70mm范围内实现了焦距18～290mm内大变倍比连续变焦，全视场最大畸变≤4.9％，而且变焦运动轨迹平缓，像质稳定、像质优良，在同尺寸同性能指标的光学镜头中体积更小、重量更轻。本发明设计的中波红外连续变焦光学镜头总长小于长焦距值四分之一，结构简单、变倍比高、便于携带，可广泛应用于民用和军用各个领域。

Description

一种轻小型化连续变焦光学镜头
技术领域
本发明属于光学系统设计技术领域，涉及一种轻小型化连续变焦光学镜头。
背景技术
连续变焦光学系统不仅可兼顾大视场搜索和小视场跟踪瞄准的要求，而且还可以解决两档或多档镜头由于视场切换，在短时间内对快速移动的目标丢失这一缺陷。相比可见光系统被动成像，红外成像是一种主动成像，具有隐蔽性好、抗干扰能力强、环境适应性好等优点，但其可用材料有限、能量利用率低、设计限制较多，进一步加大了大变倍比红外连续变焦光学系统设计难度。
关于红外连续变焦光学系统的文献中，已经有相关学者提出了连续变焦光学系统初始结构的求取方法以及结构形式不同的红外连续变焦光学系统。目前许多大变倍比红外连续变焦光学系统，因为焦距过长或者采用直筒式镜筒设计导致光学镜头过长不易携带，或者采用折转式镜筒的设计导致结构复杂。所以对大变倍比中波红外连续变焦光学系统的轻小型化研究是十分必要的。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本申请旨在提供一种轻小型化连续变焦光学镜头，在镜头总长70mm范围内实现18～290mm大变倍比连续变焦，而且变焦运动轨迹平缓，图像清晰，在同等性能的光学系统中体积更小、重量更轻。
本申请提供一种轻小型化连续变焦光学镜头，从物方到像方沿光轴方向依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、探测器组件，所述第一透镜为凸向物方的弯月形硅晶透镜，其凸面为球面，凹面为非球面；所述第二透镜为凸向物方的弯月形锗透镜，其凸面为球面，凹面为非球面；所述第三透镜为凸向物方的弯月形硒化锌透镜，其凸面为非球面，凹面为球面；所述第四透镜为凸向像方的弯月形硒化锌透镜，其凹面为非球面，凸面为球面；所述第五透镜为凸向像方的弯月形硫化锌透镜，其凹面为球面，凸面为非球面；所述第六透镜为凸向像方的弯月形硅晶透镜，其凹面为球面，凸面为非球面；所述第七透镜为凸向像方的弯月形硒化锌透镜，其凹面为球面，凸面为非球面；所述第一透镜和所述探测器组件窗口之间的距离为20～70mm。
进一步的，所述第一透镜凸面半径为55.5～56.5mm，凹面半径为118～119mm；所述第二透镜凸面半径为284～285mm，凹面半径为15.3～15.8mm；所述第三透镜凸面半径为15～16mm，凹面半径为82～83mm；所述第四透镜凹面半径为26.5～27.5mm，凸面半径为15～16mm；所述第五透镜凹面半径为3.4～3.6mm，凸面半径为5～6mm；所述第六透镜凹面半径为70～70.5mm，凸面半径为37～38mm；所述第七透镜凹面半径为30～31mm，凸面半径为10～11mm。
进一步的，所述第一透镜凸面和凹面通光口径分别为
Figure BDA0003330933270000021
和
Figure BDA0003330933270000023
所述第二透镜凸面和凹面通光口径分别为
Figure BDA0003330933270000022
和
Figure BDA0003330933270000024
所述第三透镜凸面和凹面通光口径分别为
Figure BDA0003330933270000025
和
Figure BDA0003330933270000026
所述第四透镜凹面和凸面通光口径分别为
Figure BDA0003330933270000027
和
Figure BDA0003330933270000028
所述第五透镜凹面和凸面通光口径分别为
Figure BDA0003330933270000029
和
Figure BDA00033309332700000210
所述第六透镜凹面和凸面通光口径分别为
Figure BDA00033309332700000212
和
Figure BDA00033309332700000211
Figure BDA00033309332700000213
所述第七透镜凹面和凸面通光口径分别为
Figure BDA00033309332700000215
和
Figure BDA00033309332700000214
进一步的，所述第一透镜厚度为7～8mm；所述第二透镜厚度为1.4～1.6mm；所述第三透镜厚度为4.5～5mm；所述第四透镜厚度为4～4.5mm；所述第五透镜厚度为1.3～1.7mm；所述第六透镜厚度为3～3.5mm；所述第七透镜厚度为3.5～4mm。
进一步的，所述第一透镜和所述第二透镜之间的距离为27.24～13.44mm；所述第二透镜和所述第三透镜之间的距离为1.44～20.34mm；所述第三透镜和所述第四透镜之间的距离为11.17～1.97mm；所述第四透镜和所述第五透镜之间的距离为2.75～6.85mm；所述第五透镜和所述第六透镜之间的距离为0.1mm；所述第六透镜和所述第七透镜之间的距离为0.96mm；所述第七透镜和所述探测器组件窗口之间的距离为3.3～3.5mm。
进一步的，所述第三透镜、所述第四透镜的组合光焦度＞0。
进一步的，所述光学镜头的工作波段为3.7～4.8μm、F数为5.5。
本申请提供有一种轻小型化连续变焦光学镜头，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：采用7片不同材质不同规格的透镜，配合探测器组件等辅助装置，在工作波段3.7～4.8μm，定F数(5.5)条件下，在镜头总长70mm范围内实现了18～290mm焦距内大变倍比连续变焦，变倍比达到16倍，全视场最大畸变≤4.9％，而且变焦运动轨迹平缓，像质稳定、像质优良，设计的中波红外连续变焦光学镜头总长小于长焦距值四分之一，结构简单、变倍比高、便于携带，在同尺寸同性能指标的光学镜头中体积更小、重量更轻，实现了轻小型化的设计。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例的轻小型化连续变焦光学镜头透镜镜片结构示意图。
图2为依照本发明方案制作的轻小型化连续变焦光学镜头的变焦过程示意图。
图3为本发明实施例在18mm焦距+20℃时MTF@25lp/mm的光学传递函数曲线图。
图4为本发明实施例在70mm焦距+20℃时MTF@25lp/mm的光学传递函数曲线图。
图5为本发明实施例在290mm焦距+20℃时MTF@25lp/mm的光学传递函数曲线图。
图6-1为本发明实施例在短焦距(18mm)+60℃时MTF@25lp/mm的光学传递函数曲线图。
图6-2为本发明实施例在中焦距(70mm)+60℃时MTF@25lp/mm的光学传递函数曲线图。
图6-3为本发明实施例在长焦距(290mm)+60℃时MTF@25lp/mm的光学传递函数曲线图。
图7-1为本发明实施例在短焦距(18mm)-40℃时MTF@25lp/mm的光学传递函数曲线图。
图7-2为本发明实施例在中焦距(70mm)-40℃时MTF@25lp/mm的光学传递函数曲线图。
图7-3为本发明实施例在长焦距(290mm)-40℃时MTF@25lp/mm的光学传递函数曲线图。
图8为本发明实施例在18mm焦距时光学系统的相对畸变曲线图。
图9为本发明实施例在70mm焦距时光学系统的相对畸变曲线图。
图10为本发明实施例在290mm焦距时光学系统的相对畸变曲线图。
图11为本发明实施例的第二透镜、第三透镜、第四透镜的移动曲线图。
图中：1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第五透镜；6、第六透镜；7、第七透镜；8、探测器组件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图对本发明的一个较佳实施例作进一步描述，如图1、图2所示的一种轻小型化连续变焦光学镜头，从物方到像方沿光轴方向依次包括第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、探测器组件8。
具体的，所述第一透镜1为凸向物方的弯月形硅晶透镜，其凸面为球面，凹面为非球面；所述第二透镜2为凸向物方的弯月形锗透镜，其凸面为球面，凹面为非球面；所述第三透镜3为凸向物方的弯月形硒化锌透镜，其凸面为非球面，凹面为球面；所述第四透镜4为凸向像方的弯月形硒化锌透镜，其凹面为非球面，凸面为球面；所述第五透镜5为凸向像方的弯月形硫化锌透镜，其凹面为球面，凸面为非球面；所述第六透镜6为凸向像方的弯月形硅晶透镜，其凹面为球面，凸面为非球面；所述第七透镜7为凸向像方的弯月形硒化锌透镜，其凹面为球面，凸面为非球面。具体的，所述第三透镜3凸面为非球面基底衍射面，本实施例利用非球面和衍射面能够很好校正光学系统像差、缩短系统总长的特点，在系统中引入六个非球面和1个衍射面，实现在18～290mm焦距范围，有效地校正了光学系统像差，保证成像质量，同时也大大缩短了系统总长。
优选的，在本实施例中，所述第一透镜1凸面半径为56.2mm，凹面半径为118.6mm，凸面和凹面通光口径分别为
Figure BDA0003330933270000051
和
Figure BDA0003330933270000052
厚度为7.51mm。
优选的，在本实施例中，所述第二透镜2凸面半径为284.1mm，凹面半径为15.6mm，凸面和凹面通光口径分别为
Figure BDA0003330933270000054
和
Figure BDA0003330933270000053
厚度为1.5mm。
优选的，在本实施例中，所述第三透镜3凸面半径为15.64mm，凹面半径为82.6mm，凸面和凹面通光口径分别为
Figure BDA0003330933270000056
和
Figure BDA0003330933270000055
厚度为4.7mm；
优选的，在本实施例中，所述第四透镜4凹面半径为27.1mm，凸面半径为15.45mm，凹面和凸面通光口径分别为
Figure BDA0003330933270000058
和
Figure BDA0003330933270000057
厚度为4.16mm；
优选的，在本实施例中，所述第五透镜5凹面半径为3.52mm，凸面半径为5.5mm，凹面和凸面通光口径分别为
Figure BDA0003330933270000059
和
Figure BDA00033309332700000510
厚度为1.5mm；
优选的，在本实施例中，所述第六透镜6凹面半径为70.2mm，凸面半径为37.41mm，凹面和凸面通光口径分别为
Figure BDA00033309332700000512
和
Figure BDA00033309332700000511
厚度为3.3mm；
优选的，在本实施例中，所述第七透镜7凹面半径为30.85mm，凸面半径为10.94mm，凹面和凸面通光口径分别为
Figure BDA00033309332700000514
和
Figure BDA00033309332700000513
厚度为3.72mm。
优选的，在本实施例中，所述第一透镜1和所述第二透镜2之间的距离为27.24～13.44mm；所述第二透镜2和所述第三透镜3之间的距离为1.44～20.34mm；所述第三透镜3和所述第四透镜4之间的距离为11.17～1.97mm；所述第四透镜4和所述第五透镜5之间的距离为2.75～6.85mm；所述第五透镜5和所述第六透镜6之间的距离为0.1mm；所述第六透镜6和所述第七透镜7之间的距离为0.96mm；所述第七透镜7和所述探测器组件8窗口之间的距离为3.4mm。
优选的，在本实施例中，所述第三透镜3、所述第四透镜4的组合光焦度＞0。具体的，根据光焦度的正负可分为正组补偿(光焦度＞0)、负组补偿(光焦度＜0)两种形式。正组补偿系统的结构细而长，负组补偿系统的结构粗而短，但是正组补偿对于光学系统的二级光谱和球差的校正效果更好，故为校正长焦距引入的二级光谱，本实施例采用了正组补偿方式。
优选的，在本实施例中，所述光学镜头的工作波段3.7～4.8μm，F数为5.5。具体的，配合70mm直筒型镜筒设计，在18～290mm焦距内变倍比达到了16倍，且光学镜头总重仅35g，整个变焦过程中成像质量优良，全视场最大畸变小于4.9％。表1为本实施例在不同焦距时(MTF@25lp/mm)的成像质量情况，可以看出该光学系统焦距在18～290mm范围内，从中心视场到边缘视场的成像质量优良。
表1
焦距 18mm 70mm 290mm
相对视场 理论 理论 理论
0 0.29 0.31 0.26
0.3 0.28 0.30 0.26
0.5 0.23 0.27 0.25
0.7 0.16 0.25 0.23
1 0.16 0.23 0.21
根据现有技术，镜头焦距的变化通过凸轮进行调整，所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第四透镜4通过镜座与所述凸轮连接。本实施例中，在设计过程中，通过减小所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第四透镜4的通光口径，进而减小所述凸轮、所述第二透镜镜座、所述第三透镜3镜座、所述第四透镜4镜座的尺寸，从而实现连续变焦光学镜头轻小型化设计。所述凸轮的移动曲线拟合程度直接关系到像面是否稳定、像质是否优良，而且所述凸轮的移动曲线也关系到加工的难易程度，所以为实现轻小型化设计及像面稳定、像质良好，本实施例设计中选用了5个焦距位置对系统进行优化，通过编写的CODE V的宏程序对所述凸轮的移动曲线进行优化设计，得到如图11所示的凸轮移动曲线图，可见所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第四透镜4移动曲线光滑无拐点，所述凸轮移动曲线平滑，使得所述凸轮上控制所述第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4变焦的移动曲线升角均＜40°，从而保证了在整个变焦过程中图像的变换速率平缓，视觉效果更舒适及光学镜头的结构紧凑小型化。经对得到的数据进行拟合后得到所述凸轮曲线方程，可以方便进行机械加工。图中纵坐标表示为不同焦距时在光轴方向对应的各动组移动的间隔值，横坐标表示点数，由下往上分别为所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第四透镜4的移动曲线。
在本实施例中，根据现有技术，该光学镜头采用了机械主动无热化设计，可保证在-40℃～+60℃温度范围内能够实现较高的成像质量。
图3、图4和图5为本实施例在18mm、70mm、290mm焦距+20℃时，利用Code V光学设计软件制作的光学传递函数曲线图，设计输入波长为3.7μm、4.25μm和4.8μm，半像高为0、1.23、3.08、4.9和6.15，F数为5.5。由于正方向像面和负方向像面的像质相同，因此输入时仅取正方向像高即可。图中横坐标表示空间频率，纵坐标表示光学传递函数值。可以看出+20℃时，不同焦距、不同波长的条件下仍能获得较高成像质量。
图6-1、6-2、6-3分别为本实施例在短焦距(18mm)、中焦距(70mm)、长焦距(290mm)及环境温度+60℃时MTF@25lp/mm的光学传递函数曲线图。图7-1、7-2、7-3分别为本实施例在短焦距(18mm)、中焦距(70mm)、长焦距(290mm)及环境温度-40℃时MTF@25lp/mm的光学传递函数曲线图。可以看出在不同的变焦位置和不同的温度下，均能够达到较高的成像质量。
图8、图9、图10为本实施例分别在短焦距(18mm)、中焦距(70mm)、长焦距(290mm)时光学系统的相对畸变曲线图。可以看出在18～290mm焦距范围内，全视场最大畸变≤4.9％。
综上，本实施例中波红外连续变焦光学镜头采用7片不同材质不同规格的透镜，配合探测器组件、凸轮等辅助装置，在工作波段3.7～4.8μm，定F数(5.5)条件下，在镜头总长70mm及-40℃～+60℃温度范围内实现了18～290mm焦距内大变倍比连续变焦，变倍比达到16倍，全视场最大畸变≤4.9％，而且变焦运动轨迹平缓，像质稳定、像质优良，设计的中波红外连续变焦光学镜头总长小于长焦距值四分之一，结构简单、变倍比高、便于携带，在同尺寸同性能指标的光学镜头中体积更小、重量更轻，实现了轻小型化的设计。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (7)

1.一种轻小型化连续变焦光学镜头，其特征在于：从物方到像方沿光轴方向依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、探测器组件；
所述第一透镜为凸向物方的弯月形硅晶透镜，其凸面为球面，凹面为非球面；
所述第二透镜为凸向物方的弯月形锗透镜，其凸面为球面，凹面为非球面；
所述第三透镜为凸向物方的弯月形硒化锌透镜，其凸面为非球面，凹面为球面；
所述第四透镜为凸向像方的弯月形硒化锌透镜，其凹面为非球面，凸面为球面；
所述第五透镜为凸向像方的弯月形硫化锌透镜，其凹面为球面，凸面为非球面；
所述第六透镜为凸向像方的弯月形硅晶透镜，其凹面为球面，凸面为非球面；
所述第七透镜为凸向像方的弯月形硒化锌透镜，其凹面为球面，凸面为非球面；
所述第一透镜和所述探测器组件窗口之间的距离为20～70mm。
2.根据权利要求1所述的一种轻小型化连续变焦光学镜头，其特征在于：所述第一透镜凸面半径为55.5～56.5mm，凹面半径为118～119mm；所述第二透镜凸面半径为284～285mm，凹面半径为15.3～15.8mm；所述第三透镜凸面半径为15～16mm，凹面半径为82～83mm；所述第四透镜凹面半径为26.5～27.5mm，凸面半径为15～16mm；所述第五透镜凹面半径为3.4～3.6mm，凸面半径为5～6mm；所述第六透镜凹面半径为70～70.5mm，凸面半径为37～38mm；所述第七透镜凹面半径为30～31mm，凸面半径为10～11mm。
3.根据权利要求1所述的一种轻小型化连续变焦光学镜头，其特征在于：所述第一透镜凸面和凹面通光口径分别为
Figure FDA0003330933260000011
和
Figure FDA0003330933260000012
Figure FDA0003330933260000013
所述第二透镜凸面和凹面通光口径分别为
Figure FDA0003330933260000014
和
Figure FDA0003330933260000015
Figure FDA0003330933260000016
所述第三透镜凸面和凹面通光口径分别为
Figure FDA0003330933260000017
和
Figure FDA0003330933260000018
Figure FDA0003330933260000021
所述第四透镜凹面和凸面通光口径分别为
Figure FDA0003330933260000022
和
Figure FDA0003330933260000023
Figure FDA0003330933260000024
所述第五透镜凹面和凸面通光口径分别为
Figure FDA0003330933260000025
和
Figure FDA0003330933260000026
Figure FDA0003330933260000027
所述第六透镜凹面和凸面通光口径分别为
Figure FDA0003330933260000028
和
Figure FDA0003330933260000029
所述第七透镜凹面和凸面通光口径分别为
Figure FDA00033309332600000210
和
Figure FDA00033309332600000211
4.根据权利要求1所述的一种轻小型化连续变焦光学镜头，其特征在于：所述第一透镜厚度为7～8mm；所述第二透镜厚度为1.4～1.6mm；所述第三透镜厚度为4.5～5mm；所述第四透镜厚度为4～4.5mm；所述第五透镜厚度为1.3～1.7mm；所述第六透镜厚度为3～3.5mm；所述第七透镜厚度为3.5～4mm。
5.根据权利要求1～4任一所述的一种轻小型化连续变焦光学镜头，其特征在于：所述第一透镜和所述第二透镜之间的距离为27.24～13.44mm；所述第二透镜和所述第三透镜之间的距离为1.44～20.34mm；所述第三透镜和所述第四透镜之间的距离为11.17～1.97mm；所述第四透镜和所述第五透镜之间的距离为2.75～6.85mm；所述第五透镜和所述第六透镜之间的距离为0.1mm；所述第六透镜和所述第七透镜之间的距离为0.96mm；所述第七透镜和所述探测器组件窗口之间的距离为3.3～3.5mm。
6.根据权利要求5所述的一种轻小型化连续变焦光学镜头，其特征在于：所述第三透镜、所述第四透镜的组合光焦度＞0。
7.根据权利要求5所述的一种轻小型化连续变焦光学镜头，其特征在于：所述光学镜头的工作波段为3.7～4.8μm、F数为5.5。
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