CN115032777B - 一种双工作波段大倍率宽温度连续变焦光学镜头及探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双工作波段大倍率宽温度连续变焦光学镜头，该光学镜头采用负组补偿变焦的形式，通过物镜组、变倍组、补偿组和温度补偿组四者沿光轴做相对平移运动来实现长短焦的宽温度变焦功能，变焦后的光线通过两种不同波段的滤光镜，可分别实现双波段的大变倍比连续变焦，适应白昼及夜晚环境中的使用需求，从而可在全天候进行无偏焦高清晰地成像，扩展了光学镜头的使用范围，且该光学镜头变焦形式简单、结构紧凑，不仅降低了成本与加工难度，提高了可靠性，而且光学性能优良，具有极大的实际应用价值。

Description

一种双工作波段大倍率宽温度连续变焦光学镜头及探测器

技术领域

本申请涉及光学镜头技术领域，更具体地，涉及一种双工作波段大倍率宽温度连续变焦光学镜头及探测器。

背景技术

连续变焦光学系统是指能够实现大视场目标搜索以及小视场跟踪或识别功能，并且在变焦过程中目标图像始终保持清晰的光学设备。由于可以在变焦范围内完成任意视场的变换，因此连续变焦光学系统及搭载此光学系统的设备在观察、瞄准和监控等领域都得到了广泛运用。

然而，常见的变焦镜头通常具备F2.0～F5.0的光圈，20～30倍的变焦倍率，130～200万像素左右的画质，普遍功能较单一，并且在不同环境下观察和测量目标的分辨率较差、成像像质不好、效率不够高，不能满足在不同温度环境下、低照度、低能见度的雾、雨、尘等条件下的连续观察，不能满足对目标既能作大区域小倍率的全景搜索又能作小区域大倍率的放大观察。

现有技术中的某些变焦镜头虽然能够实现全温度下的工作，但其工作波段一般仅为短波红外，且变倍比一般不超过30倍，如此技术现状并不能满足目前市场的需求。

因此，亟需开发一款变倍比更大、适应更宽的温度范围、光谱更宽、分辨率更高的变焦镜头以满足市场的需求。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种双工作波段大倍率宽温度连续变焦光学镜头及探测器，用以提供一款变倍比更大、适应更宽的温度范围、光谱更宽、分辨率更高的变焦镜头以满足市场的需求。

为了实现上述目的，本发明提供了一种双工作波段大倍率宽温度连续变焦光学镜头，所述光学镜头沿光轴第一延伸方向依次设置包括：光焦度为正的物镜组、光焦度为负的变倍组、光焦度为负的补偿组、光焦度为正的前固定组、光焦度为负的温度补偿组、滤光转换组和光焦度为正的后固定组；

所述物镜组用于汇聚光线，并且能够根据环境温度沿所述光轴平移来实现长焦温度补偿；

所述变倍组和所述补偿组能够沿所述光轴平移来进行连续长焦、短焦的变倍调焦；

所述前固定组用于完成光阑匹配；

所述温度补偿组能够根据环境温度沿所述光轴平移来实现短焦温度补偿；

所述滤光转换组包括第一波段滤光镜和第二波段滤光镜；通过所述第一波段滤光镜和所述第二波段滤光镜的切换，能够实现所述光学镜头在白昼及夜晚环境中的使用；

所述后固定组采用三分离结构，其利用分离间隔来校正部分高级球差、改进色差并能够增大相对孔径。

进一步地，所述物镜组在长焦连续调节的过程中沿所述光轴平移以实现不同环境温度下的长焦温度补偿，达到像质要求；所述温度补偿组在短焦连续调节的过程中沿所述光轴平移以实现不同环境温度下的短焦温度补偿，达到像质要求；

所述长焦连续调节的过程具体为：使所述物镜组、所述变倍组和所述补偿组相对于所述光轴进行第一组预设平移时，保持所述前固定组、所述温度补偿组、所述滤光转换组和所述后固定组均相对于所述光轴静止；

所述短焦连续调节的过程具体为：使所述变倍组、所述补偿组和所述温度补偿组相对于所述光轴进行第二组预设平移时，保持所述物镜组、所述前固定组、所述滤光转换组和所述后固定组均相对于所述光轴静止；

通过所述长焦温度补偿和所述短焦温度补偿能够实现整个变焦过程中在﹣40℃～70℃的温度范围内保持焦面一致性。

进一步地，所述物镜组沿所述光轴第一延伸方向依次设置包括：正光焦度第一双胶合透镜、负光焦度第二双胶合透镜和正光焦度第一弯月透镜。

进一步地，所述变倍组沿所述光轴第一延伸方向依次设置包括：光焦度相等的负光焦度第一双凹透镜和负光焦度第三双胶合透镜；在变倍过程中，所述第一双凹透镜和所述第三双胶合透镜沿所述光轴相对移动以改变组合焦距来实现可达63.5倍变倍比的连续变焦，可使所有倍率的像面位置保持不变。

进一步地，所述补偿组沿所述光轴第一延伸方向依次设置包括：负光焦度第四双胶合透镜和正光焦度第五双胶合透镜；所述第四双胶合透镜和所述第五双胶合透镜沿所述光轴平移来进行补偿。

进一步地，所述前固定组沿所述光轴第一延伸方向依次设置包括：正光焦度第六双胶合透镜、正光焦度第一双凸透镜、负光焦度第二双凹透镜、正光焦度第七双胶合透镜和负光焦度第二弯月透镜。

进一步地，所述温度补偿组包括负光焦度第三弯月透镜，进行内调焦，能够根据环境温度沿所述光轴平移来实现短焦温度补偿。

进一步地，所述第一波段滤光镜为白光滤光镜，可过滤并获取波长为0.425μm～0.65μm的光束；所述第二波段滤光镜为近红外滤光镜，可过滤并获取波长为0.74μm～0.92μm的光束。

进一步地，所述后固定组沿所述光轴第一延伸方向依次设置包括：负光焦度第三双凹透镜、负光焦度第四弯月透镜和正光焦度第二双凸透镜。

第二方面，本发明提供了一种探测器，所述探测器包括上述任一项所述的光学镜头，用于对物体进行探测。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的光学镜头采用负组补偿变焦的形式，通过物镜组、变倍组、补偿组和温度补偿组四者沿光轴做相对平移运动来实现长短焦的宽温度变焦功能，变焦后的光线通过两种不同波段的滤光镜，可分别实现双波段的大变倍比连续变焦，适应白昼及夜晚环境中的使用需求，从而可在全天候进行无偏焦高清晰地成像，扩展了光学镜头的使用范围，且该光学镜头变焦形式简单、结构紧凑。

(2)本发明的光学镜头采用双组温度调控，通过调节物镜组与温度补偿组的轴向位置进行调节，整个变焦过程中在宽温度范围(﹣40℃～70℃)内保持良好的焦面一致性，从而能够在变焦过程中保持图像的清晰稳定，大大提高了镜头的稳定性和环境适应性，减小了目标物体在跟踪和监视过程中的丢失概率，并提高了在低照度和低能见度环境下目标物体的探测灵敏度。

(3)本发明的光学镜头采用双工作波段，通过白光滤光镜与近红外滤光镜切换，实现了0.45μm～0.65μm、0.74μm～0.92μm双波段模式的63.5倍连续变焦。在昼间彩色模式下切换到白光滤光镜实现在白天可见光条件下的探测功能；在夜间黑白模式下切换到近红外滤光镜实现在黄昏、大雾和黑夜等能见度低情况下的探测功能。

(4)本发明的光学镜头集昼夜观测物体多用途、多功能于一体，极大地满足了市场对连续变焦光学设备体积小、重量轻、成像质量高、功能丰富和超大变倍比等的苛刻需求，具有较好的应用前景。在可见光波段，中心视场在空间频率130lp/mm处的传递函数值均在0.3以上；在近红外波段，中心视场在空间频率130lp/mm处的传递函数值均接近截止频率，具有很好的成像质量。

(5)本发明的光学镜头的各个透镜组件的光学材料全部使用国产的常见玻璃，各个透镜组件全为球面镜，并未使用相对复杂的非球面镜，且该光学镜头的变焦方式相对简单，不仅降低了成本与加工难度，提高了可靠性，而且光学性能优良，具有极大的实际应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种双工作波段大倍率宽温度连续变焦光学镜头的结构及光路示意图；

在图1中，A为物镜组，B为变倍组，C为补偿组，D为前固定组，E为温度补偿组，F为滤光转换组，G为后固定组；

图2为本申请实施例提供的一种双工作波段大倍率宽温度连续变焦光学镜头的长、短焦调节示意图；

在图2中，1为第一双胶合透镜，2为第二双胶合透镜，3为第一弯月透镜，4为第一双凹透镜，5为第三双胶合透镜，6为第四双胶合透镜，7为第五双胶合透镜，8为第六双胶合透镜，9为第一双凸透镜，10为第二双凹透镜，11为第七双胶合透镜，12为第二弯月透镜，13为第三弯月透镜，14为白光滤光镜，15为近红外滤光镜，16为第三双凹透镜，17为第四弯月透镜，18为第二双凸透镜；

图3为本申请实施例提供的在常温可见光下，光学镜头在短焦状态下的光学传递函数图；

图4为本申请实施例提供的在常温可见光下，光学镜头在长焦状态下的光学传递函数图；

图5为本申请实施例提供的在常温近红外下，光学镜头在短焦状态下的光学传递函数图；

图6为本申请实施例提供的在常温近红外下，光学镜头在长焦状态下的光学传递函数图；

图7为本申请实施例提供的在﹣40℃可见光下，光学镜头中温度补偿组沿光线入射方向移动(即向像方移动)0.22mm，镜头短焦位置的光学传递函数图；

图8为本申请实施例提供的在﹣40℃可见光下，光学镜头中物镜组沿光线入射方向移动(即向像方移动)0.345mm，镜头长焦位置的光学传递函数图；

图9为本申请实施例提供的在﹣40℃近红外下，光学镜头中温度补偿组沿光线入射方向移动(即向像方移动)0.22mm，镜头短焦位置的光学传递函数图；

图10为本申请实施例提供的在﹣40℃近红外下，光学镜头中物镜组沿光线入射方向移动(即向像方移动)0.345mm，镜头长焦位置的光学传递函数图；

图11为本申请实施例提供的在+70℃可见光下，光学镜头中温度补偿组沿光线入射方向移动(即向物方移动)0.35mm，镜头短焦位置的光学传递函数图；

图12为本申请实施例提供的在+70℃可见光下，光学镜头中物镜组沿光线入射方向移动(即向物方移动)0.31mm，镜头长焦位置的光学传递函数图；

图13为本申请实施例提供的在+70℃近红外下，光学镜头中温度补偿组沿光线入射方向移动(即向物方移动)0.35mm，镜头短焦位置的光学传递函数图；

图14为本申请实施例提供的在+70℃近红外下，光学镜头中物镜组沿光线入射方向移动(即向物方移动)0.31mm，镜头长焦位置的光学传递函数图；

图15为本申请实施例提供的光学镜头的变焦移动量示意图；其中，横坐标为角度值，总共202.01°；纵坐标为数值大小。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本申请的说明书、权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”或“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备并没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还可以包括没有列出的步骤或单元，或可选地还可以包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

如图1所示，在一个实施例中，一种双工作波段大倍率宽温度连续变焦光学镜头沿光线自左向右入射方向分别设有光焦度为正的物镜组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为负的补偿组C、光焦度为正的前固定组D、光焦度为负的温度补偿组E、滤光转换组F以及光焦度为正的后固定组G。可以看出该光学镜头系统采用负组补偿形式，两组(变倍组与补偿组)调焦实现连续变焦的功能。

如图2所示，物镜组A包括正光焦度的第一双胶合透镜1、负光焦度的第二双胶合透镜2和正光焦度的第一弯月透镜3。物镜组A实现光线汇聚，并且物镜组A整组可根据环境温度沿光轴平移，用于补偿镜头长焦端热差。

变倍组B包括负光焦度的第一双凹透镜4、负光焦度的第三双胶合透镜5；变倍组B由两个光焦度相等的透镜组组合而成，在变倍过程中，两透镜组沿光轴相对移动以改变它们的组合焦距来实现变焦，可达到所有倍率像面位置保持不变的要求。

补偿组C包括负光焦度的第四双胶合透镜6和正光焦度的第五双胶合透镜7；补偿组C沿光轴的方向移动进行补偿。

前固定组D包括正光焦度的第六双胶合透镜8、正光焦度的第一双凸透镜9、负光焦度的第二双凹透镜10、正光焦度的第七双胶合透镜11和负光焦度的第二弯月透镜12；前固定组D用于完成光阑匹配。

温度补偿组E包括负光焦度的第三弯月透镜13，进行内调焦，根据环境温度沿光轴平移来实现短焦温度补偿。

滤光转换组F包括第一波段滤光镜和第二波段滤光镜；通过第一波段滤光镜和第二波段滤光镜的切换，能够实现光学镜头在白昼及夜晚环境中的使用；具体的，第一波段滤光镜可以为白光滤光镜14，第二波段滤光镜可以为近红外滤光镜15。

后固定组G包括负光焦度的第三双凹透镜16、负光焦度的第四弯月透镜17以及正光焦度的第二双凸透镜18。后固定组G采用三分离结构，其利用分离间隔校正部分高级球差，改进色差，可以增大相对孔径；中间正透镜弯向像面，有利于轴上光束进行方向。

所有这些光学组件共一个光轴并且间隔一定距离排列，其中变倍组B、补偿组C能够受控沿光轴左右移动进行连续长焦、短焦变倍调焦。在变倍组B、补偿组C左右平移调焦的过程中，物镜组A、温度补偿组E也能受控沿光轴左右移动，实现长焦与短焦过程中温度补偿调节。在一个实施例中，该光学镜头的总长度为338mm，在焦距12.16mm～772mm的范围内连续变焦，变倍比高达63.5倍，最大口径102mm，具有透过率高、成本低、体积小、重量轻的特点；光学镜头工作波段为0.425μm～0.920μm的可见光与近红外波段，F4～F7.55的光圈。

光学镜头各光学组件的光学材料全部使用国产的常见玻璃，全为球面未使用非球面且变焦方式简单，不仅降低了成本与加工难度，提高了可靠性，而且光学性能优良。

由于滤光转换组F由两种滤光片镜组成，因此通过切换滤光转换组F可以实现该镜头的两种工作模式：

①白天工作模式：此时，滤光转换组F中的白光滤光镜14发挥作用，外界光线通过白光滤光镜14过滤后得到波长为0.425μm～0.65μm的光束，增加可见光透过，从而使光学镜头能够寻求到最佳光亮在探测器上形成彩色图像。

②夜晚工作模式：此时，滤光转换组F切换成近红外滤光镜15，由近红外滤光镜15发挥作用，外界光线通过近红外滤光镜15过滤后得到波长为0.74μm～0.92μm的光束，采用红外透射可见光吸收玻璃HB760，增加近红外光透过，从而使光学镜头在黄昏、大雾、黑夜等能见度较低的情况下能在探测器上形成黑白图像。

由于光学镜头在全温过程中保持像质不变，物镜组A与温度补偿组E随温度变化进行温度补偿调焦。物镜组A在长焦连续调节的过程中沿光轴相对移动，以实现不同环境温度下的长焦温度补偿，达到像质要求；温度补偿组E在短焦连续调节的过程中沿光轴相对移动，以实现不同环境温度下的短焦温度补偿，达到像质要求。通过控温调控实现整个变焦过程中在宽温度范围(﹣40℃～70℃)内保持良好的焦面一致性，从而能够在变焦过程中保持图像的清晰稳定，大大提高镜头的稳定性和环境适应性。

物镜组A、变倍组B和补偿组C在一定范围内沿光轴方向以一定规律、不同方向相对运动，而前固定组D、温度补偿组E、滤光转换组F和后固定组G均相对光轴保持相对静止，由此来实现长焦连续调节的功能。变倍组B、补偿组C和温度补偿组E在一定范围内沿光轴方向以一定规律、不同方向相对运动，而物镜组A、前固定组D、滤光转换组F和后固定组G均相对光轴保持相对静止，由此来实现短焦连续调节的功能。

在一个实施例中，还提供一种探测器。与上述光学镜头所配套使用的探测器的尺寸可为15.36mm x 8.64mm，匹配现代高分辨率3840x2160探测器，通过镜头焦距的变化对远、近物体进行观察与探测，并且所产生的图像画质清晰。

图3至图6是常温下，本发明实施例白光与近红外的短焦位置、长焦位置的光学传递函数图。图3所示可见光短焦中心传递函数130lp/mm达到0.48，接近截止频率0.62；图4所示可见光长焦中心传递函数130lp/mm达到0.28，接近截止频率0.32；图5所示近红外短焦中心传递函数130lp/mm达到0.43，接近截止频率0.45；图6所示近红外长焦中心传递函数130lp/mm达到0.07，接近截止频率0.08。从图3-6中可以看出，常温下系统成像质量非常好。

如图7、图9所示，当环境温度为﹣40℃时，镜头白光与近红外短焦端像质有所下降，温度补偿组E沿光线入射方向移动0.22mm后，镜头焦距变化量为0.0057mm，可以看出镜头短焦端像质与常温下相同。

如图8、图10所示，当环境温度为﹣40℃时，镜头白光与近红外长焦端像质有所下降，物镜组A沿光线入射方向移动0.345mm后，镜头焦距变化量为3.3mm，可以看出镜头长焦端像质与常温下相同。

如图11、图13所示，当环境温度为+70℃时，镜头白光与近红外短焦端像质有所下降，温度补偿组E沿光线入射方向移动0.35mm后，镜头焦距变化量为0.0062mm，可以看出镜头短焦端像质与常温下相同。

如图12、图14所示，当环境温度为+70℃时，镜头白光与近红外长焦端像质有所下降，物镜组A沿光线入射方向移动0.31mm后，镜头焦距变化量为3mm，可以看出镜头长焦端像质与常温下相同。

如图15所示，通过改变变倍组与补偿组位移量，实现从短焦12.16mm至长焦772mm范围内连续变焦。

本发明实施例的光学镜头在不同温度下的焦距值如表1所示，可以看出，温度变化后，本实施例系统焦距变化量很小，系统工作稳定可靠。

表1在不同温度下光学镜头的焦距值表

以上所述仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其他实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行详细描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双工作波段大倍率宽温度连续变焦光学镜头，其特征在于，所述光学镜头沿光轴第一延伸方向依次设置包括：光焦度为正的物镜组、光焦度为负的变倍组、光焦度为负的补偿组、光焦度为正的前固定组、光焦度为负的温度补偿组、滤光转换组和光焦度为正的后固定组；

所述物镜组沿所述光轴第一延伸方向依次设置包括：正光焦度第一双胶合透镜、负光焦度第二双胶合透镜和正光焦度第一弯月透镜；所述物镜组用于汇聚光线，并且能够根据环境温度沿所述光轴平移来实现长焦温度补偿；

所述变倍组沿所述光轴第一延伸方向依次设置包括：光焦度相等的负光焦度第一双凹透镜和负光焦度第三双胶合透镜；所述补偿组沿所述光轴第一延伸方向依次设置包括：负光焦度第四双胶合透镜和正光焦度第五双胶合透镜；所述变倍组和所述补偿组能够沿所述光轴平移来进行连续长焦、短焦的变倍调焦；

所述前固定组沿所述光轴第一延伸方向依次设置包括：正光焦度第六双胶合透镜、正光焦度第一双凸透镜、负光焦度第二双凹透镜、正光焦度第七双胶合透镜和负光焦度第二弯月透镜；所述前固定组用于完成光阑匹配；

所述温度补偿组包括负光焦度第三弯月透镜；所述温度补偿组能够根据环境温度沿所述光轴平移来实现短焦温度补偿；

所述滤光转换组包括第一波段滤光镜和第二波段滤光镜；通过所述第一波段滤光镜和所述第二波段滤光镜的切换，能够实现所述光学镜头在白昼及夜晚环境中的使用；

所述后固定组沿所述光轴第一延伸方向依次设置包括：负光焦度第三双凹透镜、负光焦度第四弯月透镜和正光焦度第二双凸透镜；所述后固定组采用三分离结构，其利用分离间隔来校正部分高级球差、改进色差并能够增大相对孔径。

2.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述物镜组在长焦连续调节的过程中沿所述光轴平移以实现不同环境温度下的长焦温度补偿，达到像质要求；所述温度补偿组在短焦连续调节的过程中沿所述光轴平移以实现不同环境温度下的短焦温度补偿，达到像质要求；

所述长焦连续调节的过程具体为：使所述物镜组、所述变倍组和所述补偿组相对于所述光轴进行第一组预设平移时，保持所述前固定组、所述温度补偿组、所述滤光转换组和所述后固定组均相对于所述光轴静止；

所述短焦连续调节的过程具体为：使所述变倍组、所述补偿组和所述温度补偿组相对于所述光轴进行第二组预设平移时，保持所述物镜组、所述前固定组、所述滤光转换组和所述后固定组均相对于所述光轴静止；

通过所述长焦温度补偿和所述短焦温度补偿能够实现整个变焦过程中在﹣40 ℃～70℃的温度范围内保持焦面一致性。

3.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，在变倍过程中，所述第一双凹透镜和所述第三双胶合透镜沿所述光轴相对移动以改变组合焦距来实现可达63.5倍变倍比的连续变焦，可使所有倍率的像面位置保持不变。

4.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第四双胶合透镜和所述第五双胶合透镜沿所述光轴平移来进行补偿。

5.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一波段滤光镜为白光滤光镜，可过滤并获取波长为0.425 μm～0.65 μm的光束；所述第二波段滤光镜为近红外滤光镜，可过滤并获取波长为0.74 μm～0.92 μm的光束。

6.一种探测器，其特征在于，所述探测器包括权利要求1-5任一项所述的光学镜头，用于对物体进行探测。

Images