CN114690405A - 一种红外变焦光学镜头的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及红外变焦光学镜头技术领域，具体为一种红外变焦光学镜头的设计方法，包括以下步骤：(1)利用现有的可见光镜头，获得良好的初始结构；(2)将可见光镜头进行高斯光学解析，获得连续变焦镜头的高斯光学解；(3)利用高斯光学解的镜头通过增加镜片和分裂镜片获得可实用的红外连续变焦镜头；本发明提供了一种简单可行的方式设计红外变焦镜头，相对于《变焦光学设计》等书中的设计方法，更充分的利用了前人的经验和计算机的优化能力，得到的高斯光学解合理可靠，有利于后续红外变焦镜头的设计；设计的红外变焦镜头在经验区间内，成像质量高，变焦曲线合理可行，结构紧凑、重量轻、体积小、成像分辨率高。
Description
技术领域
本发明涉及红外变焦光学镜头技术领域，具体为一种红外变焦光学镜头的设计方法。
背景技术
红外光学成像设备广泛应用于安防监控、车载成像、智能导引、医疗、科研等领域。近年来随着红外探测器性能的提升和价格的下降，其应用领域越发广泛，对红外镜头设计也提出更高的要求。
目前红外成像设备广泛应用的定焦镜头，短焦镜头视场大，无法对远距离目标进行观察和识别；长焦距镜头视场小，近距离工作时观察视野有限。红外变焦镜头具有多个视场，能够兼顾大范围目标观察监控和特定区域远距离观察目标细节，由于其优点突出，应用日益广泛。
在中国专利CN201010291525.7中公开了一种长波红外变焦镜头，采用了4片镜片实现4倍变焦。中国专利CN201521046929.4中公布了一种长波红外变焦镜头，采用5片镜片，除非球面外还应用了二元衍射面，实现了4倍变焦。中国专利CN201711158574.1中公布了一种长波红外变焦镜头，设计的焦距为20mm-200mm，变焦倍率达到10倍，使用了六个镜片，三个非球面和一个衍射面。
但是，红外变焦镜头的专利相对于可见光变焦镜头专利的数量太少，对红外光学设计师来说，可选的初始结构非常有限，红外镜头设计师往往需要从镜头的高斯解出发来进行光学设计，而变焦镜头的高斯解计算繁琐，还需要一定的经验才能得到比较好的结果，本发明提出一种红外镜头设计方法，利用可见光变焦镜头专利来设计红外变焦镜头，能有效的解决上述问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种简单可行的方法，利用现有可见光波段的变焦镜头的高斯解参数设计红外变焦镜头的方法。
本发明的技术方案为：一种红外变焦光学镜头的设计方法，具体包括以下步骤：
(1)利用现有的可见光镜头，获得良好的初始结构，即根据红外变焦镜头的技术要求，选择变焦倍率近似的可见光变焦镜头；(2)将可见光镜头进行高斯光学解析，获得连续变焦镜头的高斯光学解，即将变焦镜头的每个镜片组用同样焦距的理想薄透镜进行替换，得到变焦镜头的高斯光学解；(3)利用高斯光学解的镜头通过增加镜片和分裂镜片获得可实用的红外连续变焦镜头，即高斯光学解中的理想薄透镜用硅、锗、硫化锌、硒化锌、硫系玻璃等红外材料透镜进行替换，进行一定优化即可得到指定变焦倍率的红外镜头。
进一步的，所述红外变焦光学镜头的设计方法工作于3μm～5μm或者8μm～12μm的红外波段。
进一步的，所述红外变焦光学镜头的设计方法适配探测器的像元数1280×1024，640×512，384×288。
进一步的，所述红外变焦光学镜头的设计方法的镜片按功能分为固定组、变倍组、补偿组，每组并非唯一。
进一步的，所述红外变焦光学镜头的设计方法可以采用非球面、二元衍射面等提高光学成像像质。
进一步的，所述红外变焦光学镜头的设计方法的红外得到的红外变焦光学镜头的连续变焦倍率可以高达50倍。
本发明的有益效果在于，提供了一种简单可行的方式设计红外变焦镜头，相对于《变焦光学设计》等书中的设计方法，更充分的利用了前人的经验和计算机的优化能力，得到的高斯光学解合理可靠，有利于后续红外变焦镜头的设计。设计的红外变焦镜头在经验区间内，成像质量高，变焦曲线合理可行，结构紧凑、重量轻、体积小、成像分辨率高、视场大、系统透过率高和相对孔径大等优点。
附图说明
图1是实施例2得到的红外变焦光学镜头的结构示意图；
图2是实施例2参考的可见光变焦镜头示意图；
图3实施例2变焦光学高斯光学光路；
图4是实施例2得到的红外变焦光学镜头的变焦光路示意图；
图5至图7是实施例2得到的红外变焦光学镜头在不同焦距时光学传递函数的值；
图中，1、透镜1；2、透镜2；3、透镜3；4、透镜4；5、透镜5；6、透镜6。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
实施例1
一种红外变焦光学镜头的设计方法，具体包括以下步骤：
(1)利用现有的可见光镜头，获得良好的初始结构，即根据红外变焦镜头的技术要求，选择变焦倍率近似的可见光变焦镜头；(2)将可见光镜头进行高斯光学解析，获得连续变焦镜头的高斯光学解，即将变焦镜头的每个镜片组用同样焦距的理想薄透镜进行替换，得到变焦镜头的高斯光学解；(3)利用高斯光学解的镜头通过增加镜片和分裂镜片获得可实用的红外连续变焦镜头，即高斯光学解中的理想薄透镜用硅、锗、硫化锌、硒化锌、硫系玻璃等红外材料透镜进行替换，进行一定优化即可得到指定变焦倍率的红外镜头。
所述红外变焦光学镜头的设计方法工作于3μm～5μm或者8μm～12μm的红外波段。即本方法适用于中波红外和长波红外领域的连续变焦光学设计。
所述红外变焦光学镜头的设计方法适配探测器的像元数1280×1024，640×512，384×288。
所述红外变焦光学镜头的设计方法的镜片按功能分为固定组、变倍组、补偿组，每组并非唯一。
所述红外变焦光学镜头的设计方法可以采用非球面、二元衍射面等提高光学成像像质。
所述红外变焦光学镜头的设计方法的红外得到的红外变焦光学镜头的连续变焦倍率可以高达50倍。
实施例2
如图1所示，采用本申请的设计方法得到的红外变焦光学镜头，包括前固定组、连续变倍组、连续补偿组和后固定组；所有的镜片组从物方到像方依次为透镜1、透镜2、透镜3、透镜4、透镜5和透镜6；其中透镜1为前固定组，具有正光焦度；光线经透镜1向透镜2汇聚，透镜2具有负光焦度，在变焦系统里作为主动移动组件，为系统的变倍镜组；光线经透镜2发散到连续补偿透镜组，连续补偿组由透镜3和透镜4组成，具有正光焦度，连续补偿组配合变倍组移动以使连续变焦系统得到特定的光学焦距，同时还能消除光学系统的球差和色差；光线经连续补偿组之后射入后固定组，后固定组由透镜5和透镜6组成，具有正光焦度，承担了系统要的光焦度，同时还负责消除系统的剩余像差；
如图2所示，日本专利5653731811221的变焦光路图，从上到下，系统从长焦、中焦到短焦依次变化；其基本参数如下：F数(长焦3.3，中焦1.24和短焦1.2)，焦距(10mm，3.3mm和1mm)，将其进行缩放，得到10-100mm的连续变焦系统；计算图2光学专利中前固定组、连续变倍组、连续补偿组和后固定组的焦距，读取镜组之间的空隙间隙，输入光学软件进行近轴计算和优化，得到图3所示的高斯光学变焦模型；从上之下依次为100mm，30mm和10mm焦距的光路图，上述系统相对孔径都为1。
将高斯光学模型转变为实际镜片组成的镜头，主要利用光学软件优化。每次替换一片，优化完成之后再替换一片，直至达到满足系统的要求的像质；本实施例中，为方便说明本发明的方法，初始四个镜片都为锗材料；由于系统变焦倍率较大，四片很难消除像差获得良好的像质，连续补偿镜和后固定镜都分裂为两片镜片。
优化后的红外变焦光学镜头的变焦光路示意图如图4所示：
分别是本实施例在长焦、中焦和短焦状态下的示意图，从长焦到短焦，连续变倍透镜2距离前固定组的距离逐渐缩短，最大移动距离约为60mm；透镜3和透镜4组成的连续补偿组在变焦过程中逐渐靠近后固定组；两者匹配，实现长波红外光学系统焦距从100mm到10mm的连续变化。
图5至图7分别是是本实施例得到的红外变焦光学镜头在不同焦距下的MTF，其中图5是长焦时MTF图，图6是中焦时MTF图，图7是短焦时MTF图；整个变焦过程，系统在30lp/mm处的MTF都大于0.4，接近衍射极限，具有优良的成像像质。
本发明基于现有可见光变焦镜头，将其简化为理想的连续变焦镜头，再针对需要设计的指标，对理想镜头进行优化，在满足指标之后增加镜片和分裂镜片，一步步达到可实用的镜头。基于本发明的方法设计的光学镜头，实现了10mm-100mm的连续变焦，焦距范围内MTF>0.4@30lp/mm，适配于当前主流探测器(典型如像元数640×512，像元尺寸为17μm)。
本实施例得到的红外变焦光学镜头可以作为军警民用监控、搜索与跟踪瞄准等的光学系统。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (6)
1.一种红外变焦光学镜头的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)利用现有的可见光镜头，获得良好的初始结构；(2)将可见光镜头进行高斯光学解析，获得连续变焦镜头的高斯光学解；(3)利用高斯光学解的镜头通过增加镜片和分裂镜片获得可实用的红外连续变焦镜头。
2.根据权利要求1所述的一种红外变焦光学镜头的设计方法，其特征在于：所述红外变焦光学镜头的设计方法工作于3μm～5μm或者8μm～12μm的红外波段。
3.根据权利要求2所述的一种红外变焦光学镜头的设计方法，其特征在于：所述红外变焦光学镜头的设计方法适配探测器的像元数1280×1024，640×512，384×288。
4.根据权利要求3所述的一种红外变焦光学镜头的设计方法，其特征在于：所述红外变焦光学镜头的设计方法的镜片按功能分为固定组、变倍组、补偿组，每组并非唯一。
5.根据权利要求4所述的一种红外变焦光学镜头的设计方法，其特征在于：所述红外变焦光学镜头的设计方法可以采用非球面、二元衍射面等提高光学成像像质。
6.根据权利要求5所述的一种红外变焦光学镜头的设计方法，其特征在于：所述红外变焦光学镜头的设计方法得到的红外变焦光学镜头的连续变焦倍率可以高达50倍。
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