CN203981958U - 一种大变倍比中波红外连续变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大变倍比中波红外连续变焦镜头，从物方至像方依次有四个透镜组，包括：具有正光焦度的前固定组，为一个凸面朝向物方的弯月形硅正透镜和一个凸面朝向物方的弯月形锗负透镜；具有负光焦度的变倍组，为一个双凹形锗负透镜；具有正光焦度的补偿组，为一个双凸形硒化锌正透镜；具有正光焦度的调焦组，为一个凸面朝向物方的弯月形锗正透镜；具有正光焦度的二次成像组，包括一个凸面朝向像方的弯月形锗正透镜，一个凸面朝向像方的弯月形锗负透镜，以及一个凸面朝向物方的弯月形锗正透镜。本实用新型变倍比达20倍，光学系统总长160mm，变焦过程中光圈保持恒定，结构紧凑，重量轻体积小，具有良好的应用效果。

Description

一种大变倍比中波红外连续变焦镜头

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，涉及一种用于中波红外制冷探测器的连续变焦镜头。 

背景技术

近年来红外成像技术日趋成熟，应用领域越来越广。特别是在用搜索、跟踪和识别的系统中，大多数系统使用双视场镜头，大视场用来搜索和发现目标，小视场用来识别目标。但是在切换视场过程中可能会造成目标的丢失，因此需要使用连续变焦镜头。但由于红外连续变焦镜头技术难度大、成本高，另一方面也是因为体积大，重量沉，红外连续变焦透镜应用尚不广泛。但是随着应用范围的增大，越来越多的客户需要红外连续变焦镜头，以解决双视场系统在切换焦距时的目标模糊，从而更好的实现对目标的搜索、跟踪和瞄准。因此迫切需要一种体积小、重量轻、变倍比大、适于量产的连续变焦镜头。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种光学总长短，体积小，装调方便、变倍比大，成像质量高的大变倍比中波红外连续变焦镜头。其工作波段为3.7～4.8微米，焦距为15mm～300mm，F数为4，适配分辨率为640×512，像元大小15微米的制冷探测器，光学系统总长160mm(其中制冷探测器长度24.17mm)，质量175g，最大口径77mm。 

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为： 

一种大变倍比中波红外连续变焦镜头，由物方到像方依次包括前固定组、变倍组、补偿组、调焦组、二次成像组以及制冷探测器部分； 

所述前固定组具有正光焦度，由物方开始的第一透镜、第二透镜组成：第一透镜为凸面朝向物方的弯月形硅单晶正透镜，表面类型均为球面；前固定组的第二透镜为凸面朝向物方的弯月形锗单晶负透镜，其凹面为非球面； 

所述变倍组具有负光焦度，由一片镜片组成，即第三透镜，为双凹形锗单晶负透镜，其朝向物方的一侧为非球面，用于改变所述中波红外连续变焦镜头的焦距； 

所述补偿组具有正光焦度，由一片镜片组成，即第四透镜，为双凸形硒化锌正透镜，其朝向像方的一侧为非球面，用于补偿所述中波红外连续变焦镜头变焦时发生的像面位置偏移； 

所述调焦组具有正光焦度，由一片镜片组成，即第五透镜，为凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其凹面为衍射面，用于补偿不同温度和不同物距时像面位置的偏移； 

所述二次成像组具有正光焦度，由三片镜片组成：其中第一片即第六透镜，为凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜，表面类型均为球面；二次成像组第二片，即第七透镜，为凸面朝向像方的锗单晶正透镜，其凹面为衍射面；二次成像组第三片，即第八透镜，为凸面朝向像方的硅单晶正透镜，其表面类型均为球面； 

在二次成像组的第八透镜之后为制冷探测器的光学部分，包含保护窗口、冷屏、冷光阑以及像面，其中冷光阑设置为光学系统的孔径光阑。 

所述镜头满足下列关系式： 

所述镜头的有效焦距EFL＝15～300mm，F数＝4，包含制冷探测器部分的光学系统总长＝160mm，适配探测器的分辨率为640×512，像元大小15μm。 

所述镜头的水平视场角范围为：2w＝35.5°～1.8°。 

所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式： 

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_2{r}^4+{\mathrm{\α}}_3{r}^6+{\mathrm{\α}}_4{r}^8+{\mathrm{\α}}_5{r}^{10}+{\mathrm{\α}}_6{r}^{12}$

其中z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，k为圆锥系数，α₂、α₃、α₄、α₅、α₆为高次非球面系数。 

所述镜头的镜片中的衍射面满足下列表达式： 

Φ＝A₁ρ²+A₂ρ⁴

其中Φ为衍射面的位相，ρ＝r/r_n,r_n是衍射面的规划半径，A₁、A₂为衍射面的位相系数。 

所述第三透镜的总移动行程29.93mm。所述第四透镜的总移动行程24.38mm。所述第五透镜的总移动行程4mm。 

第一透镜靠近物侧的表面镀类金刚石碳膜。 

本实用新型的有益效果为：拥有20倍大变倍比，光学系统总长仅为160mm，最大口径77mm。结构紧凑，变焦曲线平滑，镜片最大移动量仅为29.9mm。变倍组和补偿组均只有一片透镜，这样可以更好的保证变焦过程中的光轴稳定性。同时使用折射式光学结构，无须调整反射镜，装调简便，易于量产。整个变焦范围内成像质量优良，全视场的平均MTF>0.4514lp/mm。从而实现了中波制冷连续变焦镜头的小型化，轻量化。 

附图说明

图1是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为300mm时的光学系统图； 

图2是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为300mm时的点列图； 

图3是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为300mm时的光学传递函数图(截止分辨率为13lp/mm)； 

图4是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为300mm时的象散畸变图； 

图5是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为 300mm时的相对照度图； 

图6是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为300mm时的渐晕图； 

图7是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为150mm时的光学系统图； 

图8是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为150mm时的点列图； 

图9是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为150mm时的光学传递函数图(截止分辨率为13lp/mm)； 

图10是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为150mm时的象散畸变图； 

图11是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为150mm时的相对照度图； 

图12是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为150mm时的渐晕图； 

图13是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为15mm时的光学系统图； 

图14是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为15mm时的点列图； 

图15是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为15mm时的光学传递函数图(截止分辨率为13lp/mm)； 

图16是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为15mm时的象散畸变图； 

图17是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为15mm时的相对照度图； 

图18是本实用新型提供的大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为15mm时的渐晕图； 

其中，200-物空间，110-前固定组，112-第一透镜，114-第二透镜，120-变倍组，即第三透镜，130-补偿组，即第四透镜，140-调焦组，第五透镜，150-二次成像组，152-第六透镜，154-第七透镜，156-第八透镜，310-制冷探测器，312-制冷探测器保护窗口，314-制冷探测器冷屏，316-制冷探测器冷光阑，318-像面，S1～S16为透镜各个表面。 

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本实用新型做进一步详细说明。 

该实施例是本实用新型应用于制冷型分辨率320×256，像元尺寸30μm或640×512像元尺寸15μm凝视型焦平面探测器的例子。 

图1、图7、图13分别为本实用新型在焦距300mm、150mm和15mm时的光学系统图，所述镜头的结构相同，以其中一个图为例作为说明。 

如图1所示，本实施例1由正光焦度的前固定组110、负光焦度的变倍组120、正光焦度的补偿组130、正光焦度的调焦组140、正光焦度的二次成像组150以及最后的中波制冷探测器310组成。 

前固定组110包含两个镜片，其中第一透镜112是正透镜，材料为硅单晶，其两个表面均为球面；第二透镜114是负透镜，材料为锗单晶，其中S4表面为非球面。前固定组使用正负透镜组合的形式，起到了摄远型物镜缩短总长的作用；变倍组第三透镜120为负透镜，材料为锗单晶，S5表面为非球面。该透镜是移动镜片，起到了变焦过程中变倍的作用，移动曲线为6次抛物线，总移动行程29.93mm；补偿组第四透镜130为正透镜，材料为硒化锌，S8表面为非球面。该透镜是移动镜片，当变倍组镜片移动时，补偿组镜片做相应的移动从而保证像面位置不变，移动曲线为直线，总移动行程24.38mm；调焦组第五透镜140为正透镜，材料为锗单晶，其中S10面为衍射非球面。该透镜是移动镜片，当目标距离发生改变以及工作温度发生变化时，可以用该镜片重新聚焦，总移动行程4mm；二次成像组150包含三个镜片，其中第六透镜152为正透镜，材料为锗单晶，表面均为球面；第七 透镜154为正透镜，材料为锗单晶，其中S13面为衍射非球面；六透镜156为正透镜，材料为硅单晶，表面均为球面。中波制冷探测器310包括：保护窗口312，材料为硅单晶；冷屏314，材料为锗单晶；冷光阑316，同时也是整个系统的孔径光阑；最后是成像面318，分辨率为640x512，像元大小15μmx15μm。 

以上八片透镜中，第一透镜S1表面镀类金刚石碳膜，因为该表面外露，需要镀类金刚石碳膜碳膜起保护性作用，其余S2～S16表面均镀增透膜。 

表1为本实用新型在焦距300mm，150mm，15mm时的光学结构参数： 

表1 

以上八片透镜中提及的非球面，均为偶次非球面，其表达式如下 

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_2{r}^4+{\mathrm{\α}}_3{r}^6+{\mathrm{\α}}_4{r}^8+{\mathrm{\α}}_5{r}^{10}+{\mathrm{\α}}_6{r}^{12}$

其中z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，k为圆锥系数，α₂、α₃、α₄、α₅、α₆为高次非球面系数。 

表2为表面S4，S5，S8，S10，S13的非球面系数： 

表2 

以上八片透镜中提及的衍射面，其表达式如下： 

Φ＝A₁ρ²+A₂ρ⁴

其中Φ为衍射面的位相，ρ＝r/r_n,r_n是衍射面的规划半径，A₁、A₂为衍射面的位相系数。 

表3为表面S10，S13的衍射系数， 

表3 

表面
			S10	-35.000029	-53.10627
S12	-7.0000153	0.53276247

下面参照像差分析图对本实用新型的效果做进一步详细的描述。 

图2-图6是图1所述的中波红外连续变焦镜头的具体实施例1在长焦状态时的像差分析图，图2是点列图、图3是MTF图、图4是场曲畸变图、图5是相对照度图、图6是渐晕图； 

图8-图12是图7所述的中波红外连续变焦镜头的具体实施例2在中焦状态时的像差分析图，图8是点列图、图9是MTF图、图10是场曲畸变图、图11是相对照度图、图12是渐晕图； 

图14-图18是图13所述的中波红外连续变焦镜头的具体实施例3在短焦状态时的像差分析图，图14是点列图、图15是MTF图、图16是场曲畸变图、图17是相对照度图、图18是渐晕图； 

从图中可以发现，各个焦段的各种像差得到了很好的校正，弥散斑均校 正到接近艾利班大小，MTF接近衍射极限，畸变<5％。同时各个焦段的边缘视场相对照度均大于80％，并且没有渐晕存在，说明达到了100％冷光阑效率。 

由此可见，本实用新型大变倍比中波红外连续变焦镜头具有良好的成像质量。 

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案。因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。 

Claims (9)

1.一种大变倍比中波红外连续变焦镜头，其特征在于：由物方到像方依次包括前固定组、变倍组、补偿组、调焦组、二次成像组以及制冷探测器部分； 

所述前固定组具有正光焦度，由物方开始的第一透镜、第二透镜组成：第一透镜为凸面朝向物方的弯月形硅单晶正透镜，表面类型均为球面；前固定组的第二透镜为凸面朝向物方的弯月形锗单晶负透镜，其凹面为非球面； 

所述变倍组具有负光焦度，由一片镜片组成，即第三透镜，为双凹形锗单晶负透镜，其朝向物方的一侧为非球面； 

所述补偿组具有正光焦度，由一片镜片组成，即第四透镜，为双凸形硒化锌正透镜，其朝向像方的一侧为非球面； 

所述调焦组具有正光焦度，由一片镜片组成，即第五透镜，为凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其凹面为衍射面； 

所述二次成像组具有正光焦度，由三片镜片组成：其中第一片即第六透镜，为凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜，表面类型均为球面；二次成像组第二片，即第七透镜，为凸面朝向像方的锗单晶正透镜，其凹面为衍射面；二次成像组第三片，即第八透镜，为凸面朝向像方的硅单晶正透镜，其表面类型均为球面； 

在二次成像组的第八透镜之后为制冷探测器的光学部分，包括保护窗口、冷屏、冷光阑以及像面，其中冷光阑设置为光学系统的孔径光阑。 

2.根据权利要求1所述的大变倍比中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述镜头满足下列关系式： 

所述镜头的有效焦距EFL＝15～300mm，F数＝4，包含制冷探测器部分的光学系统总长＝160mm，适配探测器的分辨率为640×512，像元大小15μm。 

3.根据权利要求1所述的大变倍比中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述镜头的水平视场角范围为：2w＝35.5°～1.8°。 

4.根据权利要求1所述的大变倍比中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式： 

其中z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，k为圆锥系数，α₂、α₃、α₄、α₅、α₆为高次非球面系数。 

5.根据权利要求4所述的大变倍比中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中的衍射面满足下列表达式： 

Φ＝A₁ρ²+A₂ρ⁴

其中Φ为衍射面的位相，ρ＝r/r_n,r_n是衍射面的规划半径，A₁、A₂为衍射面的位相系数。 

6.根据权利要求1所述的大变倍比中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第三透镜的总移动行程29.93mm。 

7.根据权利要求1所述的大变倍比中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第四透镜的总移动行程24.38mm。 

8.根据权利要求1所述的大变倍比中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第五透镜的总移动行程4mm。 

9.根据权利要求1所述的大变倍比中波红外连续变焦镜头，其特征在于，第一透镜靠近物侧的表面镀类金刚石碳膜。