CN204422855U - 一种连续变焦非制冷长焦热成像镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种连续变焦非制冷长焦热成像镜头，包括沿光轴从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；前固定组包含具有正屈光力的、凸面朝向物方侧的正弯月第一透镜；变倍组包含具有正屈光力的、凸面朝向物方侧的正弯月第二透镜；补偿组包含具有负屈光力的、凸面朝向物方侧的负弯月第三透镜和具有负屈光力的、凹面朝向物方侧的负弯月第四透镜；后固定组包含具有正屈光力的、凸面朝向物方侧的正弯月第五透镜，其朝向物方侧的表面含有偶次非球面；调焦组包含具有正屈光力的、凸面朝向物方侧的正弯月第六透镜。本实用新型在未使用衍射面及贵重材料的情况下实现长焦镜头的连续变焦，极大地降低了加工成本。

Description

一种连续变焦非制冷长焦热成像镜头

技术领域

本实用新型涉及一种连续变焦热成像镜头，尤其涉及一种用于非制冷焦平面探测器的长焦连续变焦镜头。

背景技术

随着非制冷红外焦平面探测器制造技术的日益成熟，非制冷热成像探测器成本不断降低，非制冷探测器的使用也正在普及。随着远距离探测需求增加，长焦距热成像镜头的使用需求也在不断的增大。

现有技术公开的非制冷连续变焦长焦热成像镜头通常会使用多个非球面和衍射面或者使用较贵的硒化锌材料。专利号为201120294490.2的一种长焦距红外变焦镜头使用了一片硒化锌材料的镜片，成本较高。专利号为201120278048.0的一种非致冷长波红外连续变焦镜头采用了一个衍射面及两个非球面，成本较高；且其F数为1.2，相对孔径小，通光量小，图像对比度不高。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种连续变焦非制冷长焦热成像镜头，该镜头具有结构紧凑、成本低廉的技术优点，所有镜片均采用锗材料，并且并未使用加工成本较高的衍射面。

本实用新型的技术方案是：一种连续变焦非制冷长焦热成像镜头，包括沿光轴从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；前固定组包含第一透镜，第一透镜为具有正屈光力的、凸面朝向物方侧的正弯月透镜；变倍组包含第二透镜，第二透镜为具有正屈光力的、凸面朝向物方侧的正弯月透镜；补偿组包含第三透镜和第四透镜，第三透镜为具有负屈光力的、凸面朝向物方侧的负弯月透镜，第四透镜为具有负屈光力的、凹面朝向物方侧的负弯月透镜；后固定组包含第五透镜，第五透镜为具有正屈光力的、凸面朝向物方侧的正弯月透镜，其朝向物方侧的表面含有偶次非球面；调焦组包含第六透镜，第六透镜为具有正屈光力的、凸面朝向物方侧的正弯月透镜。

进一步地，前固定组和后固定组相对物方侧距离固定不变，变倍组沿光轴移动改变镜头焦距，补偿组沿光轴移动补偿像面移动，调焦组沿光轴移动实现对远近目标进行调焦，并补偿温度对系统的影响。

进一步地，该镜头从广角状态到望远状态时，变倍组和补偿组均背离前固定组单向运动。

进一步地，前固定组、变倍组、补偿组的焦距满足如下条件：f₁/f_t<1.4，0.5<f₂/f_t<1.2，-0.3<f₃/f_t<0，其中f₁表示前固定组的焦距，f₂表示变倍组的焦距，f₃表示补偿组的焦距，f_t表示镜头处于望远状态时的焦距。

进一步地，前固定组中的第一透镜的直径D₁与镜头处于望远状态时的焦距f_t满足D₁/f_t＝1.1。

进一步地，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜均为锗材料透镜。

进一步地，第一透镜朝向物方侧的表面涂镀硬碳膜。

进一步地，第一透镜朝向像方侧的表面、第二透镜朝向物方侧和像方侧的表面、第三透镜朝向物方侧和像方侧的表面、第四透镜朝向物方侧和像方侧的表面、第五透镜朝向物方侧和像方侧的表面、第六透镜朝向物方侧和像方侧的表面均涂镀红外增透膜。

进一步地，该镜头的光阑固定在第五透镜朝向物方侧的表面。

进一步地，调焦组的移动用电机控制。

本实用新型的一种连续变焦非制冷长焦热成像镜头，与现有技术相比，有以下有益效果：(1)通过上述透镜的选取和排列，使得本实用新型在未使用衍射面以及贵重材料，而全部采用锗材料透镜，且仅使用一面非球面的情况下，便实现了长焦热成像镜头的连续变焦，极大地降低了镜头的加工成本；(2)调焦组可沿光轴进行轴向前后移动，可以实现镜头对远近目标的调节并补偿像面随温度的漂移；同时，调焦组的移动可以用电机控制，具有功耗低、结构紧凑等优点；(3)在镜头变焦过程中F数固定为1.1，保证了变焦过程中不会发生灵敏度的变化，同时，相对孔径较大，成像对比度高；(4)第一透镜朝向物方侧的表面涂镀硬碳膜，防止第一透镜受到灰尘、雨水以及人为刮擦；第一透镜朝向像方侧的表面、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及第六透镜朝向物方侧和像方侧的表面均涂镀红外增透膜可增加镜头透过率；(5)镜头的光阑固定在第五透镜朝向物方侧的表面，光阑口径固定，易于设计和加工，可以滤除干扰杂光。

附图说明

图1是本实用新型具体实施例的透镜截面示意图。

图2是本实用新型具体实施例的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。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。

如图1所示，一种连续变焦非制冷长焦热成像镜头，包括沿光轴从物方到像方依次设置的具有正屈光度的前固定组100、具有正屈光度的变倍组200、具有负屈光度的补偿组300、具有正屈光度的后固定组400、具有正屈光度的调焦组500。前固定组100包含第一透镜101，第一透镜101是一片具有正屈光力的、凸面朝向物方侧的正弯月透镜；变倍组200包含第二透镜201，第二透镜201是一片具有正屈光力的、凸面朝向物方侧的正弯月透镜；补偿组300包含第三透镜301和第四透镜302，第三透镜301是一片具有负屈光力的、凸面朝向物方侧的负弯月透镜，第四透镜302是一片具有负屈光力的、凹面朝向物方侧的负弯月透镜；后固定组400包含第五透镜401，第五透镜401是一片具有正屈光力的、凸面朝向物方侧的正弯月透镜；调焦组500包含第六透镜501，第六透镜501是一片具有正屈光力的、凸面朝向物方侧的正弯月透镜。上述各透镜均采用锗材料透镜，降低加工成本；前固定组100中的第一透镜101朝向物方侧的表面涂镀硬碳膜，以防止经常裸露在空气中使用的第一透镜101受到灰尘、雨水以及人为刮擦；第一透镜朝向像方侧的表面、第二透镜朝向物方侧和像方侧的表面、第三透镜朝向物方侧和像方侧的表面、第四透镜朝向物方侧和像方侧的表面、第五透镜朝向物方侧和像方侧的表面、第六透镜朝向物方侧和像方侧的表面均涂镀红外增透膜增加镜头透过率。

前固定组100相对物方侧距离固定不变，变倍组200和补偿组300可以沿轴向移动，变倍组200用于改变镜头焦距，补偿组300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，变倍组200和补偿组300背离第一透镜101作单向运动。上述运动方式使得镜头实现了光学变焦。

后固定组400相对于物方侧距离固定不变，后固定组400中的第五透镜401朝向物方侧的表面含有偶次非球面，且镜头的光阑(未示出)固定该表面上，光阑口径固定，易于设计与加工，可以滤除干扰杂光。

调焦组500可以沿光轴进行轴向移动，可以实现镜头对远近目标的调焦。同时，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，调焦组500的前后移动，可以补偿像面随温度的漂移。另外，调焦组500的移动可以用电机控制，具有功耗低，结构紧凑等优点。

当镜头的位置状态从广角状态向望远状态变化时，前固定组100在变焦过程中静止不动。变倍组200沿光轴向像方单向移动改变焦距，与前固定组100的距离逐渐增大。补偿组300随着变倍组200的移动而进行补偿运动以达到最佳像面落于非致冷焦平面探测器的焦平面上，补偿组300与前固定组100的距离逐渐增大。后固定组400在变焦过程中静止不动。调焦组500沿轴向移动来保证镜头对远近目标均可成像，并补偿温度变化导致的像面偏移。

在镜头变焦过程中，镜头的F数(第一透镜101的直径D₁与镜头处于望远状态时的焦距f_t之比)始终固定为1.1，避免了变焦过程中系统的灵敏度变化问题，同时，相对孔径较大，成像对比度高。

由于变焦组透镜的位置直接影响镜头的焦距，前固定组100、变倍组200、补偿组300的焦距满足条件：f₁/f_t<1.4，0.5<f₂/f_t<1.2，-0.3<f₃/f_t<0，其中f₁表示前固定组100的焦距，f₂表示变倍组200的焦距，f₃表示补偿组300的焦距，f_t表示镜头处于望远状态时的焦距。上述变焦组由变倍组200和补偿组300组成。

在本实施例中，优选第五透镜401朝向物方侧的表面选用非球面。非球面透镜的特点是：从透镜中心到周边曲率是连续变化的。与从透镜中心到周边有一定曲率的球面透镜不同，非球面透镜具有更佳的曲率半径特性，具有改善球差等像差的优点，能够使得视野变得更大而真实。采用非球面透镜后，能够尽可能地消除在成像的时候出现的像差，从而改善成像质量。

通常非球面形表达式为：

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

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等代表非球面系数。

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。

下面参照下面的表格对本实用新型的具体实施例进行更详细的描述。

本实施例中镜头的工作波段为8-12μm，变倍比为5倍，最长焦距为150mm，最短焦距为30mm。

其中，表一为本实施例的光学元件参数表。表中L1是第一透镜101和第二透镜201的间距，L2是第二透镜201和第三透镜301的间距，L3是第四透镜302和第五透镜401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	9.3402	8.34E-07	-4.23E-10	8.066E-14

表三 变焦位置与透镜组间距的关系

从上述的数据可以看出本实用新型中的镜头在广角状态下的焦距为30mm，长焦状态下的焦距为150mm，实现了非制冷长焦热成像镜头的连续变焦，且并未使用贵重材料以及成本较高的衍射面。

当然，上述表格中的具体参数仅仅是例示性的，各透镜的参数不限于由上述各数值实施例所示出的值，可以采用其他的值，都可以达到类似的技术效果。同时，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)

1.一种连续变焦非制冷长焦热成像镜头，其特征在于，包括沿光轴从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；

所述前固定组包含第一透镜，所述第一透镜为具有正屈光力的、凸面朝向物方侧的正弯月透镜；

所述变倍组包含第二透镜，所述第二透镜为具有正屈光力的、凸面朝向物方侧的正弯月透镜；

所述补偿组包含第三透镜和第四透镜，所述第三透镜为具有负屈光力的、凸面朝向物方侧的负弯月透镜，所述第四透镜为具有负屈光力的、凹面朝向物方侧的负弯月透镜；

所述后固定组包含第五透镜，所述第五透镜为具有正屈光力的、凸面朝向物方侧的正弯月透镜，其朝向物方侧的表面含有偶次非球面；

所述调焦组包含第六透镜，所述第六透镜为具有正屈光力的、凸面朝向物方侧的正弯月透镜。

2.根据权利要求1所述的一种连续变焦非制冷长焦热成像镜头，其特征在于，所述前固定组和后固定组相对物方侧距离固定不变，所述变倍组沿光轴移动改变镜头焦距，所述补偿组沿光轴移动补偿像面移动，所述调焦组沿光轴移动实现对远近目标进行调焦，并补偿温度对系统的影响。

3.根据权利要求2所述的一种连续变焦非制冷长焦热成像镜头，其特征在于，该镜头从广角状态到望远状态时，所述变倍组和补偿组均背离前固定组单向运动。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种连续变焦非制冷长焦热成像镜头，其特征在于，所述前固定组、变倍组、补偿组的焦距满足如下条件：

f₁/f_t<1.4，0.5<f₂/f_t<1.2，-0.3<f₃/f_t<0，其中f₁表示前固定组的焦距，f₂表示变倍组的焦距，f₃表示补偿组的焦距，f_t表示镜头处于望远状态时的焦距。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种连续变焦非制冷长焦热成像镜头，其特征在于，所述前固定组中的第一透镜的直径D₁与镜头处于望远状态时的焦距f_t满足D₁/f_t＝1.1。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种连续变焦非制冷长焦热成像镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜均为锗材料透镜。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种连续变焦非制冷长焦热成像镜头，其特征在于，所述第一透镜朝向物方侧的表面涂镀硬碳膜。

8.根据权利要求1或2或3所述的一种连续变焦非制冷长焦热成像镜头，其特征在于，所述第一透镜朝向像方侧的表面、第二透镜朝向物方侧和像方侧的表面、第三透镜朝向物方侧和像方侧的表面、第四透镜朝向物方侧和像方侧的表面、第五透镜朝向物方侧和像方侧的表面、第六透镜朝向物方侧和像方侧的表面均涂镀红外增透膜。

9.根据权利要求1或2或3所述的一种连续变焦非制冷长焦热成像镜头，其特征在于，该镜头的光阑固定在第五透镜朝向物方侧的表面。

10.根据权利要求1或2或3所述的一种连续变焦非制冷长焦热成像镜头，其特征在于，所述调焦组的移动用电机控制。