CN115166952B - 一种非制冷型长波红外连续变焦镜头 - Google Patents

一种非制冷型长波红外连续变焦镜头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非制冷型长波红外连续变焦镜头，该镜头的前固定组为凸面朝向物方的第一弯月形正透镜，变倍组为双凹形负透镜，补偿组为双凸形正透镜；后固定组为凸面朝向像方的弯月形负透镜；调焦组为凸面朝向物方的第二弯月形正透镜。本发明涉及的变焦镜头结构简单，成像优良，变焦时F数可在0.74～1.04范围内变化，在实现大相对孔径的同时也能实现镜头的小型化，该变焦镜头可在‑40℃～60℃温度范围内工作，温度变化时各个焦距的调焦量均在±1mm范围内，可实现快速对焦，变倍组和补偿组使用一个凸轮来完成各自的运动，凸轮曲线平滑。

Description

一种非制冷型长波红外连续变焦镜头
技术领域
本发明属于光学镜头技术领域，具体涉及一种非制冷型长波红外连续变焦镜头。
背景技术
连续变焦镜头可在变换视场的同时对同一目标进行连续跟踪，不会造成目标的丢失，既可以大视场搜索又可以小视场观察，其独到的优势是定焦镜头以及多挡变焦镜头所不能比拟的。非制冷型长波红外连续变焦镜头可在室温下工作，由于不加额外的制冷装置以及在使用寿命、可靠性、可操作性、体积重量、功耗等方面具有的优势，近年来在军事及民用领域受到了越来越多的重视。对连续变焦镜头而言，在变焦过程中为了保证像面稳定，必须采取措施来补偿像面的漂移，故结构普遍较为复杂，加工装调均具有一定的难度。相比于制冷型红外探测器的探测率，非制冷型红外探测器的探测率要低，这就需要增大相对孔径即减小F数来提高系统的信噪比，但增大相对孔径导致像差校正困难，从而影响成像质量。大多数红外光学材料的热敏感性远高于可见光光学材料，随着环境温度的变化，红外光学材料的折射率、元件的几何尺寸更容易发生变化，故像面发生漂移引起的热离焦也使得成像质量变差，因此不同温度下的调焦补偿至关重要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种非制冷型长波红外连续变焦镜头，该变焦镜头具有结构简单、大相对孔径、成像优良、工作温度范围宽且不同工作温度下能快速调焦、小型化等优点。
为了解决上述技术问题，本发明的非制冷型长波红外连续变焦镜头包括沿光轴由物方到像方依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、调焦组；所述前固定组为凸面朝向物方的第一弯月形正透镜，变倍组为双凹形负透镜，补偿组为双凸形正透镜，后固定组为凸面朝向像方的弯月形负透镜，调焦组为凸面朝向物方的第二弯月形正透镜；第一弯月形正透镜两面均为球面，双凹形负透镜朝向物方一侧为非球面，朝向像方一侧为球面，双凸形正透镜朝向物方一侧为球面，朝向像方一侧为衍射面，弯月形负透镜朝向物方一侧为非球面，朝向像方一侧为球面，第二弯月形正透镜朝向物方一侧为球面，朝向像方一侧为非球面；第一弯月形正透镜前后表面曲率半径分别为109.41～117.39mm、172.35～192.70mm；双凹形负透镜前后表面曲率半径分别为-138.73～-136.04mm、105.37～123.46mm，双凸形正透镜前后表面曲率半径分别为174.01～210.34mm、-147.43～-138.69mm，弯月形负透镜前后表面曲率半径分别为-52.42～-44.65mm、-79.56～-62.31mm，第二弯月形正透镜前后表面曲率半径分别为41.29～43.18mm、86.58～88.57mm；沿光轴正向各透镜厚度依次为9.55～9.75mm，3.95～4.05mm，4.85～5.02mm，3.55～3.65mm，5.65～5.85mm，间隔依次为25.67～48.87mm、3.72～43.96mm、7.12～25.08mm、30.13～30.28mm。
所述调焦组到探测器窗口的空气间隔为14.54～14.97mm。
所述双凹形负透镜前表面圆锥系数k为-2.211～0.054，非球面系数A为1.105E-6～1.204E-6，B为-2.278E-10～-1.638E-10，C为-12.336E-14～-3.120E-14；弯月形负透镜前表面圆锥系数k为-0.053～1.074，非球面系数A为1.228E-6～2.987E-6，B为-7.943E-10～1.267E-10，C为6.178E-13～27.799E-13。
所述双凸形正透镜后表面圆锥系数k为0，非球面系数A为6.059E-7～6.734E-7，B为-5.363E-10～-1.647E-10，C为2.169E-14～7.877E-14，衍射级次HOR为1，归一化半径为1mm,衍射面系数C1为-4.170E-2～-2.541E-2，C2为-9.780E-6～-8.986E-6，C3为1.503E-8～1.866E-8。
所述第二弯月形正透镜后表面圆锥系数k为-18.557～-18.290，非球面系数A为1.737E-6～4.352E-6，B为-5.967E-9～-3.277E-9，C为1.227E-12～2.298E-12。
所述第一弯月形正透镜、双凹形负透镜、双凸形正透镜、弯月形负透镜、第二弯月形正透镜的材料均为锗单晶。
当焦距为长焦100mm时，第一弯月形正透镜与双凹形负透镜之间的空气间隔为48.56～48.87mm，双凹形负透镜与双凸形正透镜之间的空气间隔为3.72～4.61mm，双凸形正透镜与弯月形负透镜之间的空气间隔为24.85～25.08mm。
当焦距为中焦60mm时，第一弯月形正透镜与双凹形负透镜之间的空气间隔为43.21～43.75mm，双凹形负透镜与双凸形正透镜之间的空气间隔为15.88～15.96mm，双凸形正透镜与弯月形负透镜之间的空气间隔为17.74～18.03mm。
当焦距为短焦20mm时，第一弯月形正透镜与双凹形负透镜之间的空气间隔为25.67～27.23mm，双凹形负透镜与双凸形正透镜之间的空气间隔为43.83～43.96mm，双凸形正透镜与弯月形负透镜之间的空气间隔为7.12～7.46mm。
作为优选，常温20℃时调焦组到红外探测器保护窗口的空气间隔为14.95mm。
本发明的有益效果在于：变焦镜头仅使用5片镜片且所有镜片材料均为锗单晶，结构简单、易于加工装调；变焦时F数可在0.74～1.04范围内变化，在实现大相对孔径的同时也能实现镜头的小型化；该变焦镜头可在-40℃～60℃温度范围内工作，温度变化时各个焦距的调焦量均在±1mm范围内，可实现快速对焦；变倍组和补偿组使用一个凸轮来完成各自的运动，凸轮曲线平滑，连续变焦时不会出现卡滞现象。
附图说明
图1为本发明的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为100mm时的光学结构图；
图2为本发明的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为60mm时的光学结构图；
图3为本发明的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为20mm时的光学结构图；
图4为本发明实施例1的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为100mm时的点列图；
图5为本发明实施例1的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为60mm时的点列图；
图6为本发明实施例1的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为20mm时的点列图；
图7为本发明实施例1的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为100mm时的调制传递函数曲线图；
图8为本发明实施例1的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为60mm时的调制传递函数曲线图；
图9为本发明实施例1的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为20mm时的调制传递函数曲线图；
图10为本发明实施例1的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为100mm时的场曲畸变图；
图11为本发明实施例1的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为60mm时的场曲畸变图；
图12为本发明实施例1的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为20mm时的场曲畸变图；
图13为本发明实施例1的非制冷型长波红外连续变焦镜头衍射面相位及周期变化曲线图；
图14为本发明实施例1的非制冷型长波红外连续变焦镜头变倍组和补偿组的凸轮曲线图。
图中L1：第一弯月形正透镜；L2：双凹形负透镜；L3：双凸形正透镜；L4：弯月形负透镜；L5：第二弯月形正透镜；1：探测器保护窗口；2：像面。
图15为对比例1的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为100mm时的调制函数曲线图；
图16为对比例1的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为20mm时的调制函数曲线图；
图17为对比例2的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为100mm时的调制函数曲线图；
图18为对比例2的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为20mm时的调制函数曲线图；
图19为对比例3的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为100mm时的调制函数曲线图；
图20为对比例3的非制冷型长波红外连续变焦镜头焦距为20mm时的调制函数曲线图；
图21为对比例4的非制冷型长波红外连续变焦镜头在常温20℃、焦距为100mm时的调制函数曲线图；
图22为对比例4的非制冷型长波红外连续变焦镜头在低温-40℃、焦距为100mm时的调制函数曲线图；
图23为对比例4的非制冷型长波红外连续变焦镜头在高温60℃、焦距为100mm时的调制函数曲线图；
图24为对比例5的非制冷型长波红外连续变焦镜头变倍组和补偿组的凸轮曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1、2、3所示，本发明的非制冷型长波红外连续变焦镜头包括沿光轴由物方到像方依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、调焦组；所述前固定组为凸面朝向物方的第一弯月形正透镜L1，变倍组为双凹形负透镜L2，补偿组为双凸形正透镜L3，后固定组为凸面朝向像方的弯月形负透镜L4，调焦组为凸面朝向物方的第二弯月形正透镜L5；第一弯月形正透镜L1两面均为球面，双凹形负透镜L2朝向物方一侧为非球面，朝向像方一测为球面，双凸形正透镜L3朝向物方一侧为球面，朝向像方一侧为衍射面，弯月形负透镜L4朝向物方一侧为非球面，朝向像方一侧为球面，第二弯月形正透镜L5朝向物方一侧为球面，朝向像方一侧为非球面。
本发明的非制冷型长波红外连续变焦镜头，在连续变焦时，双凹形负透镜L2沿光轴移动，同时双凸形正透镜L3沿光轴反方向移动实现像面补偿，第一弯月形正透镜L1与双凹形负透镜L2之间的空气间隔为25.67～48.87mm，双凹形负透镜L2与双凸形正透镜L3之间的空气间隔为3.72～43.96mm，双凸形正透镜L3与弯月形负透镜L4之间的空气间隔为7.12～25.08mm，弯月形负透镜L4与第二弯月形正透镜L5之间的空气间隔为30.13～30.28mm,常温20℃时第二弯月形正透镜L5到探测器保护窗口1的空气间隔为14.54～14.97mm。
本发明的非制冷型长波红外连续变焦镜头，所述双凹形负透镜L2、弯月形负透镜L4、第二弯月形正透镜L5的非球面面型满足以下关系式：
其中，Z(r)为非球面沿光轴方向在高度为r位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为非球面表面曲率，这里c＝1/R，R为非球面的曲率半径；k为圆锥系数；A、B、C、D为非球面系数。
所述双凸形正透镜L3的衍射面面型满足以下关系式：
其中，Z(r)为非球面沿光轴方向在高度为r位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为非球面表面曲率，这里c＝1/R，R为非球面的曲率半径；k为圆锥系数；A、B、C、D为非球面系数；HOR为衍射级次，C1、C2、C3为衍射面系数，λ0为设计中心波长，n为双凸形正透镜L3的折射率，n0为空气折射率。
本发明的非制冷型长波红外连续变焦镜头，所述第一弯月形正透镜、双凹形负透镜、双凸形正透镜、弯月形负透镜、第二弯月形正透镜的材料均为锗单晶。
本发明的非制冷型长波红外连续变焦镜头，有效焦距为20mm～100mm，视场角范围为27.64°～5.64°，工作波段为8～12μm，适配的非制冷型长波红外探测器阵列为640×512、像元尺寸为12μm×12μm；补偿组朝向物方一侧为光阑，变焦镜头在变焦时F数可在0.74～1.04范围内变化，工作温度范围为-40℃～60℃。
本发明焦距范围宽：20-100五倍变焦；F数小：0.74～1.04；探测器640×512，12μm，看的细节小；总长短：152.85mm；非球面数量少：仅用了3个非球面。
实施例1
各透镜光学参数见表1-1。
表1-1
各非球面光学参数见表1-2。
表1-2
表面序号 表面类型 k A B C
S3 非球面 -2.109 1.175E-06 -1.842E-10 -9.663E-14
S7 非球面 -0.0078 1.350E-06 -5.858E-10 8.290E-13
S10 非球面 -18.557 4.350E-06 -3.397E-09 2.273E-12
衍射面光学参数见表1-3。
表1-3
图4、5、6为实施例1的非制冷型长波红外连续变焦镜头在长焦100mm、中焦60mm、短焦20mm时点列图，表明在不同焦距时各个视场对应的均方根半径均接近艾里斑半径，光束能量可集中在较小的范围内；图7、8、9为本实施例1的非制冷型长波红外连续变焦镜头在长焦100mm、中焦60mm、短焦20mm时的调制传递函数曲线图，表明在截止频率42lp/mm处，长焦100mm、中焦60mm各个视场的调制函数值均优于0.3，即使F数0.74对应的短焦20mm各个视场的调制传递函数值也优于0.27，连续变焦过程都能够对目标清晰成像；图10、11、12为本实施例的非制冷型长波红外连续变焦镜头在长焦100mm、中焦60mm、短焦20mm时的场曲畸变图，表明各个焦距的全视场畸变均小于3％，保真度较好。
图13为双凸形正透镜L3衍射面的相位及周期随孔径的变化曲线，其中横坐标代表衍射面的半孔径大小(单位为mm)，曲线1代表不同回转半径对应的环带周期，曲线2代表不同回转半径下的环带频率，由图可知该衍射面易于加工；图14中曲线A、曲线B分别为变倍组和补偿组的凸轮曲线图，其中横坐标代表焦距，纵坐标代表变倍组、补偿组到第一弯月形正透镜L1后表面S2的距离，由图可知凸轮曲线平滑，连续变焦时不会出现卡滞现象。
实施例1的有效焦距为20mm～100mm，视场角范围为27.64°～5.64°，工作波段为8～12μm，适配的非制冷型长波红外探测器阵列为640×512、像元尺寸为12μm×12μm；补偿组双凸形正透镜L3朝向物方一侧为光阑，在变焦时F数可在0.74～1.04范围内变化。
实施例1的工作温度范围为-40℃～60℃，温度变化时在有效焦距20mm～100mm范围内调焦组调焦量均在±1mm范围内。
实施例2
各透镜光学参数见表2-1。
表2-1
各非球面光学参数见表2-2。
表2-2
表面序号 表面类型 k A B C
S3 非球面 0.054 1.204E-06 -1.638E-10 -3.120E-14
S7 非球面 1.074 2.987E-06 1.267E-10 27.799E-13
S10 非球面 -18.290 4.352E-06 -3.277E-09 2.298E-12
衍射面光学参数见表2-3。
表2-3
本实施例的非制冷型长波红外连续变焦镜头在不同焦距时各个视场对应的均方根半径接近艾里斑半径，光束能量可集中在较小的范围内；在截止频率42lp/mm处，不同焦距时各个视场的调制函数值均优于0.26，满足光学系统对分辨率的要求，连续变焦过程都能够对目标清晰成像；各个焦距的全视场畸变均小于3.1％，保真度较好。
实施例2的有效焦距为20mm～100mm，视场角范围为27.64°～5.64°，工作波段为8～12μm，适配的非制冷型长波红外探测器阵列为640×512、像元尺寸为12μm×12μm；补偿组双凸形正透镜L3朝向物方一侧为光阑，在变焦时F数可在0.74～1.04范围内变化。
本实施例的工作温度范围为-40℃～60℃，温度变化时在有效焦距20mm～100mm范围内调焦组调焦量均在±1mm范围内。
实施例3
各透镜光学参数见表3-1。
表3-1
各非球面光学参数见表3-2。
表3-2
表面序号 表面类型 k A B C
S3 非球面 -2.211 1.105E-06 -2.278E-10 -12.336E-14
S7 非球面 -0.053 1.228E-06 -7.943E-10 6.178E-13
S10 非球面 -18.557 1.737E-06 -5.967E-09 1.227E-12
衍射面光学参数见表3-3。
表3-3
本实施例的非制冷型长波红外连续变焦镜头在不同焦距时各个视场对应的均方根半径接近艾里斑半径，光束能量可集中在较小的范围内；在截止频率42lp/mm处，不同焦距时各个视场的调制函数值均优于0.27，满足光学系统对分辨率的要求，连续变焦过程都能够对目标清晰成像；各个焦距的全视场畸变均小于3.1％，保真度较好。
实施例3的有效焦距为20mm～100mm，视场角范围为27.64°～5.64°，工作波段为8～12μm，适配的非制冷型长波红外探测器阵列为640×512、像元尺寸为12μm×12μm；补偿组双凸形正透镜L3朝向物方一侧为光阑，在变焦时F数可在0.74～1.04范围内变化。
本实施例的工作温度范围为-40℃～60℃，温度变化时在有效焦距20mm～100mm范围内调焦组调焦量均在±1mm范围内。
本发明难点在于常温和高低温必须一起优化，优化时还需要关注变倍组和补偿组使用的凸轮的凸轮曲线平滑性，像质过关但如果凸轮曲线中有突变点，就需要重新调整各透镜光学参数，直到像质好、凸轮曲线还得平滑，本身F数越小，像差越难以校正。
本发明在优化过程中因成像效果不理想或凸轮曲线有突变点而淘汰了大量的方案，这些方案不胜枚举。下面仅给出几个方案作为对比例加以说明。
对比例1：
本对比例中第一弯月形正透镜L1后表面、双凹形负透镜L2前表面、双凸形正透镜L3后表面采用非球面，弯月形负透镜L4前表面采用衍射面。
各透镜光学参数见表4-1。
表4-1
各非球面光学参数见表4-2。
表4-2
表面序号 表面类型 k A B C
S2 非球面 -0.928 1.989E-07 1.444E-11 8.409E-16
S3 非球面 1.896 1.070E-07 2.567E-10 -2.134E-13
S6 非球面 -3.671 2.997E-07 3.337E-11 -2.738E-14
衍射面光学参数见表4-3。
表4-3
本对比例的非制冷型长波红外连续变焦镜头在不同焦距处各个视场对应的均方根与艾里斑半径相差较大，对应的探测器像元内的光线较为发散；在截止频率42lp/mm处，不同焦距处各个视场的调制函数值与衍射极限相差较大，不满足光学系统对分辨率的要求，如图15、16所示；短焦时全视场的最大畸变为-7.61％，不满足光学系统对畸变的要求。
对比例的有效焦距为20mm～100mm，视场角范围为27.64°～5.64°，工作波段为8～12μm，适配的非制冷型长波红外探测器阵列为640×512、像元尺寸为12μm×12μm；补偿组双凸形正透镜L3朝向物方一侧为光阑，在变焦时F数可在0.74～1.04范围内变化，镜头总长短为152.85mm，工作温度范围为-40℃～60℃。
对比例2
本对比例第一弯月形正透镜L1后表面、双凹形负透镜L2前表面、双凸形正透镜L3后表面、第二弯月形正透镜L5后表面采用非球面，弯月形负透镜L4采用硒化锌材料。
各透镜光学参数见表5-1。
表5-1
各非球面光学参数见表5-2。
表5-2
表面序号 表面类型 k A B C
S2 非球面 -0.218 4.096E-09 -1.237E-12 1.518E-16
S3 非球面 -4.519 6.011E-07 3.380E-10 -6.500E-13
S6 非球面 10.001 5.028E-07 6.365E-11 -1.186E-13
S10 非球面 -19.869 1.142E-06 -8.277E-10 3.133E-13
本实施例的非制冷型长波红外连续变焦镜头在不同焦距处各个视场对应的均方根与艾里斑半径相差很大，对应的探测器像元内的光线较为发散；在截止频率42lp/mm处，长焦100mm各个视场的调制函数值仅优于0.14，短焦20mm各个视场的调制函数值仅优于0.05，如图17、18所示，与衍射极限相差很大，不满足光学系统对分辨率的要求。
对比例2的有效焦距为20mm～100mm，视场角范围为27.64°～5.64°，工作波段为8～12μm，适配的非制冷型长波红外探测器阵列为640×512、像元尺寸为12μm×12μm；补偿组双凸形正透镜L3朝向物方一测为光阑，在变焦时F数可在0.74～1.04范围内变化，镜头总长短为152.85mm，工作温度范围为-40℃～60℃。
对比例3
本对比例与实施例1-3相同，双凹形负透镜L2前表面、弯月形负透镜L4前表面、第二弯月形正透镜L5后表面采用非球面，双凸形正透镜L3后表面采用衍射面。不同的是光阑位置设置在弯月形负透镜L4的前表面。
各透镜光学参数见表6-1。
表6-1
各非球面光学参数见表6-2。
表6-2
表面序号 表面类型 k A B C
S3 非球面 9.636 1.046E-06 -7.630E-11 4.369E-14
S7 非球面 -0.188 1.098E-06 -5.589E-10 6.161E-13
S10 非球面 25.030 -8.190E-07 -4.043E-10 -6.412E-12
衍射面光学参数见表6-3。
表6-3
本对比例的非制冷型长波红外连续变焦镜头在不同焦距处各个视场对应的均方根与艾里斑半径相差很大，对应的探测器像元内的光线发散；在截止频率42lp/mm处，长焦100mm各个视场的调制函数值仅优于0.14，短焦20mm各个视场的调制函数值仅优于0.02，如图19、20所示，与衍射极限相差很大，不满足光学系统对分辨率的要求。
由于光阑位于弯月形负透镜L4的前表面，使得第一弯月形正透镜L1、双凹形负透镜L2的通光口径大幅度增加，随着透镜通光口径的增加，特别是第一弯月形正透镜L1和双凸形正透镜L3的中心厚度也随之增加，导致镜头总长增加，不满足镜头小型化、轻量化的设计要求。
对比例3的有效焦距为20mm～100mm，视场角范围为27.64°～5.64°，工作波段为8～12μm，适配的非制冷型长波红外探测器阵列为640×512、像元尺寸为12μm×12μm；后固定组弯月形负透镜L4朝向物方一侧为光阑，在变焦时F数可在0.74～1.04范围内变化，镜头总长短为172.85mm，工作温度范围为-40℃～60℃。
对比例4
本对比例第一弯月形正透镜L1，双凹形负透镜L2，双凸形正透镜L3，弯月形负透镜L4，第二弯月形正透镜L5结构及面型类型与实施例1-3均相同，不同的是各光学参数不在设定的范围内。
各透镜光学参数见表7-1。
表7-1
各非球面光学参数见表7-2。
表7-2
表面序号 表面类型 k A B C
S3 非球面 1.939 1.319E-06 -2.328E-10 1.257E-14
S7 非球面 -0.951 5.824E-07 -5.454E-10 4.416E-13
S10 非球面 -7.037 2.837E-06 -8.778E-10 1.260E-13
衍射面光学参数见表7-3。
表7-3
本对比例的非制冷型长波红外连续变焦镜头常温20℃时，在不同焦距处各个视场对应的均方根半径接近艾里斑半径，光束能量可集中在较小的范围内；在截止频率42lp/mm处，长焦100mm各个视场的调制函数值优于0.28，如图21所示，短焦20mm各个视场的调制函数值优于0.33，满足光学系统对分辨率的要求，但-40℃～60℃温度范围内，短焦位置可通过调节第二弯月形正透镜L5与弯月形负透镜L4、探测器保护窗口之间的中心空气间隔实现像面补偿，但长焦位置即使调节第二弯月形正透镜L5与弯月形负透镜L4、探测器保护窗口之间的中心空气间隔也无法实现像面补偿，各个视场调制传递函数值与衍射极限相差较大，如图22、23所示，不满足光学系统对分辨率的要求。
对比例4的有效焦距为20mm～100mm，视场角范围为27.64°～5.64°，工作波段为8～12μm，适配的非制冷型长波红外探测器阵列为640×512、像元尺寸为12μm×12μm；补偿组双凸形正透镜L3朝向物方一侧为光阑，在变焦时F数可在0.74～1.04范围内变化，镜头总长短为152.85mm，工作温度范围为-40℃～60℃。
对比例5
本对比例第一弯月形正透镜L1，双凹形负透镜L2，双凸形正透镜L3，弯月形负透镜L4，第二弯月形正透镜L5结构及面型类型与实施例1-3均相同，不同的是各光学参数不在设定的范围内。
各透镜光学参数见表8-1。
表8-1
各非球面光学参数见表8-2。
表8-2
表面序号 表面类型 k A B C
S3 非球面 -0.167 1.124E-06 -1.538E-10 -1.189E-13
S7 非球面 0.281 3.964E-06 -6.610E-11 3.905E-12
S10 非球面 0.235 9.172E-07 -7.051E-10 -3.929E-13
衍射面光学参数见表8-3。
表8-3
本实施例的非制冷型长波红外连续变焦镜头在长焦100mm、中焦60mm、短焦20mm等不同焦距时各个视场对应的均方根半径均接近艾里斑半径，光束能量可集中在较小的范围内；在截止频率42lp/mm处，长焦100mm、中焦60mm、短焦20mm等不同焦距时各个视场的调制函数值均优于0.28，满足光学系统对分辨率的要求，连续变焦过程都能够对目标清晰成像，但变倍组和补偿组使用一个凸轮来完成各自的运动时，如图24所示，凸轮曲线不平滑，中间焦距出现了突变点，连续变焦情况下将会出现凸轮卡滞现象。
对比例5的有效焦距为20mm～100mm，视场角范围为27.64°～5.64°，工作波段为8～12μm，适配的非制冷型长波红外探测器阵列为640×512、像元尺寸为12μm×12μm；补偿组双凸形正透镜L3朝向物方一测为光阑，在变焦时F数可在0.74～1.04范围内变化，镜头总长短为152.85mm，工作温度范围为-40℃～60℃。

Claims (9)

1.一种非制冷型长波红外连续变焦镜头，其特征在于：包括沿光轴由物方到像方依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、调焦组；所述前固定组为凸面朝向物方的第一弯月形正透镜，变倍组为双凹形负透镜，补偿组为双凸形正透镜，后固定组为凸面朝向像方的弯月形负透镜，调焦组为凸面朝向物方的第二弯月形正透镜；第一弯月形正透镜两面均为球面，双凹形负透镜朝向物方一侧为非球面，朝向像方一侧为球面，双凸形正透镜朝向物方一侧为球面，朝向像方一侧为衍射面，弯月形负透镜朝向物方一侧为非球面，朝向像方一侧为球面，第二弯月形正透镜朝向物方一侧为球面，朝向像方一侧为非球面；第一弯月形正透镜前后表面曲率半径分别为109.41～117.39mm、172.35～192.70mm；双凹形负透镜前后表面曲率半径分别为-138.73～-136.04mm、105.37～123.46mm，双凸形正透镜前后表面曲率半径分别为174.01～210.34mm、-147.43～-138.69mm，弯月形负透镜前后表面曲率半径分别为-52.42～-44.65mm、-79.56～-62.31mm，第二弯月形正透镜前后表面曲率半径分别为41.29～43.18mm、86.58～88.57mm；沿光轴正向各透镜厚度依次为9.55～9.75mm，3.95～4.05mm，4.85～5.02mm，3.55～3.65mm，5.65～5.85mm，间隔依次为25.67～48.87mm、3.72～43.96mm、7.12～25.08mm、30.13～30.28mm。
2.根据权利要求1所述的非制冷型长波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述调焦组到探测器窗口的空气间隔为14.54～14.97mm。
3.根据权利要求1所述的非制冷型长波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述双凹形负透镜前表面圆锥系数k为-2.211～0.054，非球面系数A为1.105E-6～1.204E-6，B为-2.278E-10～-1.638E-10，C为-12.336E-14～-3.120E-14；弯月形负透镜前表面圆锥系数k为-0.053～1.074，非球面系数A为1.228E-6～2.987E-6，B为-7.943E-10～1.267E-10，C为6.178E-13～27.799E-13。
4.根据权利要求1所述的非制冷型长波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述双凸形正透镜后表面圆锥系数k为0，非球面系数A为6.059E-7～6.734E-7，B为-5.363E-10～-1.647E-10，C为2.169E-14～7.877E-14，衍射级次HOR为1，归一化半径为1mm,衍射面系数C1为-4.170E-2～-2.541E-2，C2为-9.780E-6～-8.986E-6，C3为1.503E-8～1.866E-8。
5.根据权利要求1所述的非制冷型长波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述第二弯月形正透镜后表面圆锥系数k为-18.557～-18.290，非球面系数A为1.737E-6～4.352E-6，B为-5.967E-9～-3.277E-9，C为1.227E-12～2.298E-12。
6.根据权利要求1所述的非制冷型长波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述第一弯月形正透镜、双凹形负透镜、双凸形正透镜、弯月形负透镜、第二弯月形正透镜的材料均为锗单晶。
7.根据权利要求1所述的非制冷型长波红外连续变焦镜头，其特征在于：当焦距为长焦100mm时，第一弯月形正透镜与双凹形负透镜之间的空气间隔为48.56～48.87mm，双凹形负透镜与双凸形正透镜之间的空气间隔为3.72～4.61mm，双凸形正透镜与弯月形负透镜之间的空气间隔为24.85～25.08mm。
8.根据权利要求1所述的非制冷型长波红外连续变焦镜头，其特征在于：当焦距为中焦60mm时，第一弯月形正透镜与双凹形负透镜之间的空气间隔为43.21～43.75mm，双凹形负透镜与双凸形正透镜之间的空气间隔为15.88～15.96mm，双凸形正透镜与弯月形负透镜之间的空气间隔为17.74～18.03mm。
9.根据权利要求1所述的非制冷型长波红外连续变焦镜头，其特征在于：当焦距为短焦20mm时，第一弯月形正透镜与双凹形负透镜之间的空气间隔为25.67～27.23mm，双凹形负透镜与双凸形正透镜之间的空气间隔为43.83～43.96mm，双凸形正透镜与弯月形负透镜之间的空气间隔为7.12～7.46mm。
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