CN201352271Y - 非制冷热成像仪大变倍比红外连续变焦镜头 - Google Patents

Abstract

一种非制冷热成像仪大变倍比红外连续变焦镜头，它包括沿光轴从物体侧起依次配置有：一具有正屈光力的第一透镜组，该第一透镜组包括一片凸面朝向物侧的正弯月透镜；一具有负屈光力的第二透镜组，该第二透镜组包括一片凸面朝向物侧的负弯月透镜；一具有负屈光力的第三透镜组，该第三透镜组包括一片凹面朝向物侧的双凹负透镜；一具有正屈光力的第四透镜组，该第四透镜组包含一具有正屈光力的第一透镜单元及一具有正屈光力的第二透镜单元；当镜头组的位置状态从广角状态向望远状态变化时第一透镜组和第二透镜组之间的距离先增大后减小，第二透镜组和第三透镜组之间的距离先减小后增大，第三透镜组和第四透镜组之间的距离一直减小。本实用新型能够通过使用少量的透镜达到5倍以上的变倍比，而且大大缩短了镜头的长度。

Description

非制冷热成像仪大变倍比红外连续变焦镜头

技术领域

本实用新型涉及一种红外大变倍比连续变焦镜头，尤其涉及一种非制冷热成像仪大变倍比红外连续变焦镜头。

背景技术

红外光学系统因具有隐蔽性好、环境适应性好等诸多优点，广泛应用于军事领域和民用工程。特别地，红外连续变焦系统能够通过改变系统焦距来改变成像大小，达到大视场搜索目标、小视场仔细观察目标的目的，在民用与军用领域有着良好的应用前景。但是红外连续变焦系统在设计上有较大难度，因为可选的红外光学材料是有限的，尤其是在长波红外波段，常用的材料只有锗、硫化锌、硒化锌，难以校正各种像差。

现有技术公开的红外变焦系统的变倍比都不大，与本实用新型最接近的现有技术为：2000年7月18日公告的专利号6091551的美国专利，该专利公开的红外变焦镜头在8-12μm波段也只能达到4倍的变倍比，而且该镜头一方面使用了9片红外镜片，造成镜头总长度太长，镜片过多透过率降低，装调困难，另一方面通过移动第一透镜组对远近不同的物体进行聚焦造成功耗高、结构件复杂等缺点。所述现有技术的变焦镜头在实际使用上，显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

实用新型内容

针对上述不足，本实用新型的目的是提供一种非制冷热成像仪大变倍比红外连续变焦镜头，该变焦镜头能够用6片镜片能够实现5倍、6倍甚至更大的变倍比，结构紧凑，透过率高，而且可以设置有温度校正功能，便于聚焦，易于调整及组装。

本实用新型是通过如下技术措施实现的：一种非制冷热成像仪大变倍比红外连续变焦镜头，它包括沿光轴从物体侧起依次配置有：一具有正屈光力的第一透镜组，该第一透镜组包括一片凸面朝向物侧的正弯月透镜；一具有负屈光力的第二透镜组，该第二透镜组包括一片凸面朝向物侧的负弯月透镜；一具有负屈光力的第三透镜组，该第三透镜组包括一片凹面朝向物侧的双凹负透镜；一具有正屈光力的第四透镜组，该第四透镜组包含一具有正屈光力的第一透镜单元及一具有正屈光力的第二透镜单元；

当镜头组的位置状态从广角状态向望远状态变化时第一透镜组和第二透镜组之间的距离先增大后减小，第二透镜组和第三透镜组之间的距离先减小后增大，第三透镜组和第四透镜组之间的距离一直减小。通过上述透镜的选取和排列，使得本实用新型在采用少数透镜片的情况下即可达到5倍及5倍以上的变倍比，而且由于减少了透镜的片数，这样能够缩小整个镜头的长度，提高透过率，使得本实用新型中的镜头结构紧凑，易于调整和组装；现有的红外镜头为了增加红外光的射入，第一透镜的口径都比较大，通过移动移动第一透镜组对远近不同的物体进行聚焦造成功耗高、结构件复杂等缺点，本实用新型克服了该缺点。

上述所述第一透镜组、第四透镜组的第一透镜单元相对于像平面固定，即第一透镜组和第四透镜组的第一透镜单元之间的间距是不变的，第二透镜组、第三透镜组能够沿轴向前后移动，在从广角状态到望远状态时，第三透镜组为单向运动，第二透镜组先背离第一透镜组，而后朝向第一透镜组运动。

第四透镜组的第二透镜单元能够沿轴向前后移动，以补偿像面随温度的漂移，并且具有聚焦作用。这样使得本实用新型具有温度校正功能，便于聚焦，易于调整。

上述第三透镜组的位置能够改变镜头焦距，所述第一透镜组、第三透镜组、第四透镜组的焦距满足如下条件：

f₁/f_t＞0.5，

f₃/f_t＜-0.3，

0.15＜f₄/f_t＜0.6，

其中，f₁表示第一透镜组的焦距，f₃表示第三透镜组的焦距，f₄表示第四透镜组的焦距，f_t表示所述变焦镜头处于望远状态时的焦距。

第二透镜组和第三透镜组均为负屈光力，满足上述焦距的要求，并且在变焦过程中，第三透镜组为单向运动，第二透镜组先背离第一透镜组，而后朝向第一透镜组运动。第二透镜组和第三透镜组距离最近处发生在广角状态和中焦状态间的某一位置处，这样能够使镜头组在极短的运动范围内实现5倍及5倍以上的光学变焦。

上述第四透镜组中至少有一个透镜为非球面形。这样能实现镜头组结构紧凑的同时，像差仍可控制在一定范围内。

上述第一透镜单元包括一片凸面朝向物侧的正弯月透镜及一片凹面朝向物侧的负弯月透镜，该第二透镜单元包括一片凸面朝向物侧的正弯月透镜。这样就可以采用6片透镜片实现5倍及5倍以上的变倍比，结构紧凑，透过率高，便于聚焦，易于安装调整。

上述第一透镜单元至少有一个透镜表面是非球面，所述非球面具有屈光力随着镜面与光轴分开的高度加大而变强的形状；第二透镜单元的正弯月透镜朝向物侧的凸面为非球面，正弯月透镜的形状及弯曲方向可以有效的校正大视场时的场曲及像散。

本实用新型的进一步改进还有，上述第一透镜单元的正弯月透镜和负弯月透镜通过压圈固定在一起，所述正弯月透镜和负弯月透镜的边缘距离为零。

本实用新型的进一步改进还有，第一透镜单元的正弯月透镜靠近物侧的表面配置有光阑。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于采用以上技术方案，与传统的镜头相比，具有明显的突出优点，本实用新型能够通过选取和排列6片镜片，达到在较短距离内能够实现5倍、6倍甚至更大的大变倍比，结构紧凑，有温度补偿功能，易于调整和组装，便于安装使用在便携式红外热像仪上。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式的变倍比为5红外连续变焦镜头的透镜截面图；

图2是本实用新型具体实施方式的变倍比为5的红外连续变焦镜头在广角状态、中焦状态及望远状态时的变焦过程示意图；

图3是本实用新型具体实施方式的变倍比为5的红外连续变焦镜头在变焦过程中的凸轮曲线图；

图4A至图4C是本实用新型具体实施方式的变倍比为5的红外连续变焦镜头在广角状态时的各种像差分析图；

图5A至图5C是本实用新型具体实施方式的变倍比为5的红外连续变焦镜头在中焦状态时的各种像差分析图；

图6A至图6C是本实用新型具体实施方式的变倍比为5的红外连续变焦镜头在望远状态时的各种像差分析图；

图7是本实用新型具体实施方式的变倍比为6的红外连续变焦镜头的透镜截面图；

图8是本实用新型具体实施方式的变倍比为6的红外连续变焦镜头在广角状态、中焦状态及望远状态时的变焦过程示意图；

图9是本实用新型具体实施方式的变倍比为6的红外连续变焦镜头在变焦过程中的凸轮曲线图；

图10A至图10C是本实用新型具体实施方式的变倍比为6的比红外连续变焦镜头在广角状态时的各种像差分析图；

图11A至图11C是本实用新型具体实施方式的变倍比为6的比红外连续变焦镜头在中焦状态时的各种像差分析图；

图12A至图12C是本实用新型具体实施方式的变倍比为6的红外连续变焦镜头在望远状态时的各种像差分析图。

图13是本实用新型具体实施方式的变倍比为7红外连续变焦镜头的透镜截面图；

图14是本实用新型具体实施方式的变倍比为7的红外连续变焦镜头在广角状态、中焦状态及望远状态时的变焦过程示意图；

图15是本实用新型具体实施方式的变倍比为7的红外连续变焦镜头在变焦过程中的凸轮曲线图；

图16A至图16C是本实用新型具体实施方式的变倍比为7的红外连续变焦镜头在广角状态时的各种像差分析图；

图17A至图17C是本实用新型具体实施方式的变倍比为7的红外连续变焦镜头在中焦状态时的各种像差分析图；

图18A至图18C是本实用新型具体实施方式的变倍比为7的红外连续变焦

镜头在望远状态时的各种像差分析图；

图中，100：第一透镜组，101：正弯月透镜，200：第二透镜组，201：负弯月透镜，300：第三透镜组，301：双凹负透镜，400：第四透镜组，410：第一透镜单元，411：正弯月透镜，412：负弯月透镜，420：第二透镜单元，421：正弯月透镜。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

如图1、图7、图13所示，本实用新型提供了一种红外非制冷热成像仪大变倍比连续变焦镜头，依沿光轴从物侧起的顺序，包括一具有正屈光力的第一透镜组100、一具有负屈光力的第二透镜组200、一具有负屈光力的第三透镜组300及一具有正屈光力的第四透镜组400。光线从物侧起，依次通过第一透镜组100，第二透镜组200，第三透镜组300及第四透镜组400。

第一透镜组100包括一片凸面朝向物侧的正弯月透镜101，正弯月透镜101相对物侧是固定不变的。对于红外光学系统来讲，第一片透镜的口径会做的比较大，以增大进光量。第一透镜组只用一片透镜，其结构较为简单且易于制作，可以有效降低生产成本。

第二透镜组200包括一片凸面朝向物侧的负弯月透镜201，第三透镜组300包括一片凹面朝向物侧的双凹负透镜301。第二透镜组200和第三透镜组300可以沿轴向移动，第三透镜组300用于改变镜头焦距，第二透镜组200提供成像补偿，使系统焦距在一定范围内连续改变时，像面稳定并能保持良好的像质。在从广角状态向望远状态变焦的过程中，第三透镜组300向像侧做单向运动，第二透镜组200先背离第一透镜组100，而后朝向第一透镜组100运动。上述的运动方式使得镜头组在极短的运动范围内实现了5倍、6倍、7倍甚至更大变倍比的光学变焦。

第四透镜组400包含一具有正屈光力的第一透镜单元410及一具有正屈光力的第二透镜单元420。第一透镜单元410包括一片凸面朝向物侧的正弯月透镜411及一片凹面朝向物侧的负弯月透镜412，正弯月透镜411和负弯月透镜412可以固定在一起或小距离分开。在本优选实施中，正弯月透镜411和负弯月透镜412的边缘距离为0，可以用压圈固定在一起，便于装配。第二透镜单元420包括一片凸面朝向物侧的正弯月透镜421。由于锗材料的折射率温度变化系数比较大，像面随温度漂移比较明显，要在大的温度范围内保证系统正常工作就必须消除温度对光学系统的影响，即进行无热化设计。在本实用新型中，第一透镜单元410相对像面是固定不变的，正弯月透镜421沿轴向是可以前后移动的，以补偿像面随温度的漂移并具有聚焦功能。正弯月透镜421的移动可以用电机控制，具有功耗低，结构紧凑等优点。

在本优选实施例中，变焦镜头还包括一孔径光阑，其可配置于正弯月透镜411靠近物侧的凸面上。

为了实现镜头组结构紧凑的同时，其像差仍可控制在一定范围内，该镜头组中至少有一个表面是非球面形的。本优选实施例在第四透镜组400中加入了非球面，其中，第一透镜单元410中的正弯月透镜411朝向物侧的凸面为非球面形，第二透镜单元420中的正弯月透镜421朝向物侧的的凸面为非球面形。正弯月透镜421的形状及弯曲方向可以有效的校正大视场时的场曲及像散。

非球面形表达式为：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_4{r}^4+{\mathrm{\α}}_6{r}^6+{\mathrm{\α}}_8{r}^8+...$

z代表光轴方向的位置，r代表相对光轴的垂直方向上的高度，c代表曲率半径，k代表圆锥系数，α₄、α₆、α₈…代表非球面系数。

在非球面形数据中，E-n代表“×10^-n”，例如2.01E-06代表2.01×10^-6。

如图2、图8、图14所示，当镜头组的位置状态从广角状态向望远状态变化时第一透镜组100和第二透镜组200之间的距离先增大后减小，第二透镜组200和第三透镜组300之间的距离先减小后增大，第三透镜组300和第四透镜组400之间的距离一直减小，在变焦过程中的凸轮曲线图如图3、图9、图15所示。

根据本实用新型优选实施例，红外非制冷热成像仪大变倍比连续变焦镜头满足下列条件：

f₁/f_t＞0.5，

f₃/f_t＜-0.3，

0.15＜f₄/f_t＜0.6，

其中，f₁表示第一透镜组的焦距，f₃表示第三透镜组的焦距，f₄表示第四透镜组的焦距，f_t表示该红外非制冷热成像仪大变倍比连续变焦镜头处于望远态时的焦距。

该大变倍比红外连续变焦镜头的工作波段为8-12μm，所有透镜均可以由锗材料做成，但为了减小色差，可以采用在第二透镜组200或第三透镜组300中的镜片有一片采用硒化锌材料制作。其中，除第一透镜组中的正弯月透镜的凸面镀防水硬膜外，其余各透镜表面均可以镀红外增透膜。

下面分别通过变倍比为5、6、7分别说明该红外连续变焦镜头中各参数变化，并通过数据说明该红外连续变焦镜头的成像清晰。

一、以镜头的焦距是20-100mm，变倍比为5倍，相对孔径是1∶1为例。在本实施例中，各透镜组的焦距关系式为f₁/f_t＝8.6，f₃/f_t＝-0.44，f₄/f_t＝0.32。

下述表格中D1是第一透镜组和第二透镜组的间距，D2是第二透镜组和第三透镜组的间距，D3是第三透镜组和第四透镜组的间距。

表一：光学元件参数表

表二：非球面数据

	k	α4	α6	α8
					非球面A1	2.071	-1.243E-06	-3.68E-10	-6.476E-13
非球面A2	-0.735	-7.48E-07	2.492E-09	-8.998E-12

表三：变焦位置与透镜组间距的关系

图4A～4C、图5A～5C及图6A～6C是本实用新型变倍比为5的红外连续变焦镜头分别处于广角状态、中焦状态及望远状态时的像差图。其中f表示该变焦镜头的有效焦距，ω表示其视场，在像散图中，S线为径向像散曲线，T线为切向像散曲线。图中清晰表明各种像差得到有效的校正，并可获得较高质量的图像。

二、以镜头的焦距是18-108mm，变倍比为6倍，相对孔径是1∶1为例。各透镜组的焦距关系式为f₁/f_t＝0.84，f₃/f_t＝-0.38，f₄/f_t＝0.31。

表四：光学元件参数表

表五：非球面数据

	k	α4	α6	α8
					非球面A1	2.046	-9.924E-07	-3.247E-10	-2.852E-13
非球面A2	-0.648	-5.432E-07	1.098E-09	-4.724E-12

表六：变焦位置与透镜组间距的关系

图10A～10C、图11A～11C及图12A～12C是本实用新型变倍比为6的红外连续变焦镜头分别处于广角状态、中焦状态及望远状态时的像差图，其符号意义同上，图中清晰表明各种像差得到有效的校正，并可获得较高质量的图像。

三、以镜头的焦距是15-105mm，变倍比为7倍，相对孔径是1∶1为例。各透镜组的焦距关系式为f₁/f_t＝0.83，f₃/f_t＝-0.36，f₄/f_t＝0.31。

表七：光学元件参数表

表八：非球面数据

	k	α4	α6	α8
					非球面A1	2.255	-8.337E-09	-3.326E-12	-3.906E-15
非球面A2	2.234	-1.279E-06	-4.774E-10	-5.908E-13
					非球面A3	-0.566	-5.793E-07	1.608E-09	-7.618E-12

表九：变焦位置与透镜组间距的关系

图16A～16C、图17A～17C及图18A～18C是本实用新型变倍比为7的红外连续变焦镜头分别处于广角状态、中焦状态及望远状态时的像差图，其符号意义同上，图中清晰表明各种像差得到有效的校正，并可获得较高质量的图像。

本实用新型从上述的数据可以看出本实用新型通过使用6片镜片即可实现5倍以上的变倍比，并能够获得清晰的图像，因此大大减少了镜头的长度，这在国内外是一个突破，因此，本实用新型具有突出的实质性特点和显著的进步。

当然，上述说明并非是对实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1、一种非制冷热成像仪大变倍比红外连续变焦镜头，其特征是，它包括沿光轴从物体侧起依次配置有：一具有正屈光力的第一透镜组，该第一透镜组包括一片凸面朝向物侧的正弯月透镜；一具有负屈光力的第二透镜组，该第二透镜组包括一片凸面朝向物侧的负弯月透镜；一具有负屈光力的第三透镜组，该第三透镜组包括一片凹面朝向物侧的双凹负透镜；一具有正屈光力的第四透镜组，该第四透镜组包含一具有正屈光力的第一透镜单元及一具有正屈光力的第二透镜单元；

当镜头组的位置状态从广角状态向望远状态变化时第一透镜组和第二透镜组之间的距离先增大后减小，第二透镜组和第三透镜组之间的距离先减小后增大，第三透镜组和第四透镜组之间的距离一直减小。

2、根据权利要求1所述的非制冷热成像仪大变倍比红外连续变焦镜头，其特征是，所述第三透镜组的位置能够改变镜头焦距，所述第一透镜组、第三透镜组、第四透镜组的焦距满足如下条件：

f₁/f_t＞0.5，

f₃/f_t＜-0.3，

0.15＜f₄/f_t＜0.6，

其中，f₁表示第一透镜组的焦距，f₃表示第三透镜组的焦距，f₄表示第四透镜组的焦距，f_t表示所述变焦镜头处于望远状态时的焦距。

3、根据权利要求1或2所述的非制冷热成像仪大变倍比红外连续变焦镜头，其特征是，所述第一透镜组、第四透镜组的第一透镜单元相对于像平面固定，第二透镜组、第三透镜组能够沿轴向前后移动，在从广角状态到望远状态时，第三透镜组为单向运动，第二透镜组先背离第一透镜组，而后朝向第一透镜组运动。

4、根据权利要求1或2所述的非制冷热成像仪大变倍比红外连续变焦镜头，其特征是，所述第四透镜组的第二透镜单元能够沿轴向前后移动。

5、根据权利要求1或2所述的非制冷热成像仪大变倍比红外连续变焦镜头，其特征是，所述第四透镜组中至少有一个透镜为非球面形。

6、根据权利要求1或2所述的非制冷热成像仪大变倍比红外连续变焦镜头，其特征是，所述第一透镜单元包括一片凸面朝向物侧的正弯月透镜及一片凹面朝向物侧的负弯月透镜，该第二透镜单元包括一片凸面朝向物侧的正弯月透镜。

7、根据权利要求6所述的非制冷热成像仪大变倍比红外连续变焦镜头，其特征是，所述第一透镜单元至少有一个透镜表面是非球面，所述非球面具有屈光力随着镜面与光轴分开的高度加大而变强的形状。

8、根据权利要求6所述的非制冷热成像仪大变倍比红外连续变焦镜头，其特征是，所述第二透镜单元的正弯月透镜朝向物侧的凸面为非球面。

9、根据权利要求5所述的非制冷热成像仪大变倍比红外连续变焦镜头，其特征是，所述第一透镜单元的正弯月透镜和负弯月透镜通过压圈固定在一起，所述正弯月透镜和负弯月透镜的边缘距离为零。

10、根据权利要求5所述的非制冷热成像仪大变倍比红外连续变焦镜头，其特征是，所述第一透镜单元的正弯月透镜靠近物侧的表面配置有光阑。

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