CN204515227U - 一种红外连续变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种红外连续变焦镜头。其包括从物方至像方依次设置的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组，前固定组用于会聚收光；变焦组用于改变变焦镜头的焦距；补偿组用于补偿变焦镜头在变焦过程中像面位置的偏移，前固定组、变焦组和补偿组用于将物方的景物会聚成一次成像；后固定组用于将一次成像会聚为二次成像，变焦组和补偿组符合局部无热化设计的要求；当环境温度自初始温度变化Δt时，将变焦组和补偿组的初始位置相对于前固定组的位置沿光轴分别平移-γ·f·Δt，γ是前固定组的光学材料的热差系数，f是前固定组在初始温度的有效焦距。其在环境温度发生变化时成像质量清晰，降低红外连续变焦镜头变焦过程中机电控制的复杂性。

Description

一种红外连续变焦镜头

技术领域

本实用新型涉及红外成像技术领域，尤其涉及一种红外连续变焦镜头。

背景技术

野外光学仪器的使用过程中，环境温度变化较大，对于红外光学系统来说，红外光学材料的温度折射率系数远大于可见光材料，因此红外光学材料的性能受温度影响较大。

当环境温度发生变化时，红外光学镜头产生热离焦，由此导致像质降低。尤其在红外连续变焦镜头中，要求每个变焦位置都能清晰地成像，但是环境温度变化会导致每个变焦位置的离焦量不尽相同，并且难以补偿。环境温度变化也会导致变焦曲线不再适用，因此大多连续变焦系统在不同的环境温度时采用对应的变焦曲线，从而导致连续变焦控制相对复杂。但是在这种情况下，不同环境温度的成像质量也不能够得到完全补偿。

试验证明，由于红外材料种类稀少，光机加工装调等随机误差的存在，即便是在两档或多档变焦系统中，要真正实现光学被动无热化也是非常困难的；即便能实现，由于随机误差导致的像面不确定性漂移，其精度也不会太高。在工程化的红外连续变焦系统中更是难以完全实现光学被动无热化。因此，需要一种红外连续变焦镜头，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种红外连续变焦镜头。这种红外连续变焦镜在环境温度发生变化时成像质量清晰，降低红外连续变焦镜头变焦过 程中机电控制的复杂性。

本实用新型采用的技术方案是：一种红外连续变焦镜头，其包括从物方至像方依次设置的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组，其中：所述前固定组用于会聚收光；所述变焦组用于改变变焦镜头的焦距；所述补偿组用于补偿所述变焦镜头在变焦过程中像面位置的偏移，并且所述前固定组、所述变焦组和所述补偿组用于将物方的景物会聚成一次成像；所述后固定组用于将所述一次成像会聚为二次成像，并且所述变焦组和所述补偿组符合局部无热化设计的要求；当环境温度自初始温度变化Δt时，将所述变焦组和所述补偿组的初始位置相对于所述前固定组的位置沿光轴分别平移-γ·f·Δt，其中，γ是所述前固定组的光学材料的热差系数，f是所述前固定组在所述初始温度的有效焦距。

优选地，所述前固定组、所述变焦组、所述补偿组和所述后固定组中的至少一组包括具有非球面和衍射面的透镜。

优选地，所述前固定组由第一正光焦度透镜和第一负光焦度透镜构成，所述第一正光焦度透镜和所述第一负光焦度透镜沿所述光轴顺次设置，所述第一正光焦度透镜靠近物侧，并且所述第一正光焦度透镜和所述第一负光焦度透镜采用不同的红外光学材料制成。

优选地，所述变焦组由第二负光焦度透镜构成，所述补偿组由第二正光焦度透镜构成，当环境温度变化时，所述第二负光焦度透镜和所述第二正光焦度透镜的变焦曲线保持不变。

优选地，所述后固定组由第三正光焦度透镜和第四正光焦度透镜构成，所述第三正光焦度透镜和所述第四正光焦度透镜沿所述光轴顺次设置，并且所述后固定组与所述前固定组之间的距离保持不变。

优选地，所述红外连续变焦镜头还包括探测器，所述探测器设置于所述后固定组的靠近成像方的一侧，并且所述探测器为制冷型红外探测器。

需要说明的是，本实用新型中的变焦组和补偿组的初始位置相对于前固定组的位置沿光轴分别平移-γ·f·Δt，具体地，朝向前固定组的移动量为正，远离前固定组的移动量为负。

采用上述技术方案，本实用新型至少具有下列优点：该红外连续变焦镜头在环境温度发生变化的范围内进行变焦之前，变焦组和补偿组沿光轴分别平移-γ·f·Δt后，由此在进行变焦的过程中能够保持清晰的成像质量，另外，变焦组和补偿组在变焦过程中采用的变焦曲线不变，由此降低了红外连续变焦镜头变焦过程中机电控制的复杂性，提升红外变焦系统的工程化水平。

附图说明

图1为本实用新型一个优选实施例的红外连续变焦镜头的示意图；

图2为将图1所示红外连续变焦镜头的变焦组和补偿组沿光轴分别平移的变焦曲线的示意图；

图3为本实用新型的红外变焦系统的焦距为长焦300mm时处于-40℃的环境温度下的MTF函数图；

图4为本实用新型的红外变焦系统的焦距为中焦86.6mm时处于-40℃的环境温度下的MTF函数图；

图5为本实用新型的红外变焦系统的焦距为短焦25mm时处于-40℃的环境温度下的MTF函数图；

图6为本实用新型的红外变焦系统的焦距为长焦300mm时处于20℃的环境温度下的MTF函数图；

图7为本实用新型的红外变焦系统的焦距为中焦86.6mm时处于20℃的环境温度下的MTF函数图；

图8为本实用新型的红外变焦系统的焦距为短焦25mm时处于20℃的环境温度下的MTF函数图；

图9为本实用新型的红外变焦系统的焦距为长焦300mm时处于55℃的环境 温度下的MTF函数图；

图10为本实用新型的红外变焦系统的焦距为中焦86.6mm时处于55℃的环境温度下的MTF函数图；

图11为本实用新型的红外变焦系统的焦距为短焦25mm时处于55℃的环境温度下的MTF函数图。

1-第一正光焦度透镜；2-第一负光焦度透镜；3-第二负光焦度透镜；4-第二正光焦度透镜；5-第二正光焦度透镜；6-第三正光焦度透镜；7-探测器；10-变焦组移动曲线；11-补偿组移动曲线。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本实用新型进行详细说明如后。

本实用新型提供的红外连续变焦镜头包括自物方向成像方依次设置的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组。下面将详细地描述本实用新型的红外连续变焦镜头及其各个部件。

其中：前固定组用于会聚收光；变焦组用于改变变焦镜头的焦距；补偿组用于补偿变焦镜头在变焦过程中像面位置的偏移，并且前固定组、变焦组和补偿组用于将物方的景物会聚成一次成像；后固定组用于将一次成像会聚为二次成像，并且变焦组和补偿组符合局部无热化设计的要求。变焦机构中，当环境温度自初始温度变化Δt时，变焦机构驱动变焦组和补偿组的初始位置相对于前固定组的位置沿光轴分别平移-γ·f·Δt，其中，γ是前固定组的光学材料的热差系数，f是前固定组在初始温度的有效焦距。

作为一个优选实施例的连续变焦镜头，如图1所示，前固定组由第一正光焦度透镜1和第一负光焦度透镜2构成，第一正光焦度透镜1和第一负光焦度透镜2沿光轴顺次设置，第一正光焦度透镜1靠近物侧，并且第一正光焦度透镜1和第一负光焦度透镜2采用不同的红外光学材料制成，降低色差。优选地， 变焦组由第二负光焦度透镜3构成，补偿组由第二正光焦度透镜4构成，在变焦过程中，第二负光焦度透镜和第二正光焦度透镜的变焦曲线保持不变。进一步地，后固定组由第三正光焦度透镜5和第四正光焦度透镜6构成，第三正光焦度透镜5和第四正光焦度透镜6沿光轴顺次设置，并且后固定组与前固定组之间的距离保持不变。由此，采用6片透镜可以在工作温度范围内的变焦过程中成像质量高，并且在工作温度范围内，变焦曲线不随温度发生改变，结构紧凑、体积小、透过率高、质量轻、成本低以及灵敏度高的性能。

优选地，第一正光焦度透镜1、第二正光焦度透镜4、第三正光焦度透镜5、第四正光焦度透镜6、第一负光焦度透镜2或者第二负光焦度透镜3为具有非球面和衍射面的透镜。

优选地，红外连续变焦镜头还包括探测器，探测器设置于后固定组的靠近成像方的一侧，并且探测器为制冷型红外探测器。

此外，该红外连续变焦镜头采用二次成像的光学原理，可与制冷型探测器的冷光阑匹配，满足100％冷光阑效率。

需要说明的是，本实用新型中所述的变焦曲线是变焦组和补偿组在变焦过程中的移动曲线，也称为凸轮曲线。采用以上红外连续变焦系统可以使得变焦机构控制简单，可以是采用凸轮机构或者电机分别驱动变焦组和补偿组进行变焦之前首先将变焦组和补偿组的初始位置沿光轴一并平移-γ·f·Δt后，再进行变焦，由此可以使得变焦组和补偿组在变焦过程中的变焦曲线保持不变，降低变焦机构控制的复杂性。

当环境温度发生变化时，变焦组和补偿组首先沿光轴平移以补偿环境温度变化所引起的前固定组的离焦量，由此，在变焦过程中，变焦组和补偿组的变焦曲线保持不变，降低了变焦控制机构的复杂性。从而补偿前固定组的离焦量就可以补偿变焦组和补偿组作为一个整体与前固定组的高斯关系。

具体地，前固定组随环境温度变化的离焦量为：Δd＝-γ·f·Δt，式中，f是前固定组在初始温度，例如常温下的焦距值，γ是前固定组的光学材料的热差系 数。由于f和γ是常数值，故前固定组随环境温度变化的离焦量与温度是线性关系。

如图2所示坐标轴的横轴为位移distance，纵轴为变焦镜头的有效焦距EFL，图中包括变焦组的变焦曲线10和补偿组的变焦曲线11，变焦曲线10和变焦曲线11的焦距可以自短焦f_W＝25mm至长焦f_N＝300mm。环境温度变化至温度T时，变焦曲线10和变焦曲线11的即时位置为：d_T＝d₀+Δd，由于Δd＝(T₀-T)k₁，其中k1＝γ·f，由此，d_T＝d₀+(T₀-T)k₁。其中，T₀是初始温度，比如常温20℃，d₀是变焦曲线在温度T₀时的初始位置，即变焦组和补偿组的初始位置，d_T是温度为T时变焦曲线的即时位置。γ是前固定组的光学材料的热差系数，f是前固定组在初始温度的有效焦距。

作为优选的实施例，红外连续变焦镜头包括由两种以上红外光学材料制成的透镜，以消除色差。进一步地，变焦组和补偿组采用的红外光学材料具有低色散特性和低温度特性，例如硒化锌ZnSe或者硫化锌ZnS，由此降低温度对光焦度、色差和像差的影响。前固定组、变焦组、补偿组或者后固定组采用具有负色散特性的透镜来减小镜头的色差。进一步地，前固定组、变焦组、补偿组或者后固定组包含具有非球面和衍射面的透镜。

通过实验得出，本实用新型红外变焦系统的工作波段包括红外长波波段8um-12um或者红外中波波段3um-5um，由此可以使得本实用新型红外变焦系统具有较宽波段的应用范围。另外，红外连续变焦镜头的焦距为25mm-300mm，放大倍率M＝12倍，相对孔径F/4。进一步地，红外连续变焦镜头的工作温度范围为-40℃～70℃。可以看出该红外连续变焦镜头可以适用的工作温度范围跨度大，从而能够较好地适应户外环境温度，并且在变焦过程中获取清晰的成像质量。

如图3至图11所示为本实用新型的红外连续变焦系统的焦距分别取值为长焦、中焦、短焦在环境温度为-40℃、20℃和55℃下的光学传递函数MTF图。其中，图3至图5分别是在环境温度为-40℃下，长焦300mm、中焦86.6mm和短焦25mm时的光学传递函数MTF。图6至图8分别是在环境温度为20℃下， 长焦300mm、中焦86.6mm和短焦25mm时的光学传递函数MTF。图9至图11分别是在环境温度为55℃下，长焦300mm、中焦86.6mm和短焦25mm时的光学传递函数MTF。以图4为例进行说明，图中的横坐标为空间频率SPATIAL FREQUENCY，单位是线对/毫米CYCLES/MM，纵坐标为对比度MODULATION，图中显示了衍射极限diffraction limit以及0.0视场field、0.6field、0.8field和1.0field的光学传递函数MTF，选取的波长分别为权重为1的4800.0NM、4000.0NM以及3700.0NM。从图中可以看出，在空间频率17.0CYCLES/MM时的对比度在0.4以上。当环境温度发生变化时，变焦曲线本身不发生变化。由MTF图可知，通过这种设计方法，仅线性平移变焦曲线的初始位置以进行补偿，以使红外变焦系统在整个工作温度范围内的变焦过程中保持良好的成像质量，可以看出，本实用新型的红外连续变焦方法的环境适应性、温度适应性较好。

通过具体实施方式的说明，应当可对本实用新型为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本实用新型加以限制。

Claims (6)

1.一种红外连续变焦镜头，其特征在于，包括从物方至像方依次设置的前固定组、变焦组、补偿组和后固定组，其中：

所述前固定组用于会聚收光；所述变焦组用于改变变焦镜头的焦距；所述补偿组用于补偿所述变焦镜头在变焦过程中像面位置的偏移，并且所述前固定组、所述变焦组和所述补偿组用于将物方的景物会聚成一次成像；所述后固定组用于将所述一次成像会聚为二次成像，并且所述变焦组和所述补偿组符合局部无热化设计的要求；

当环境温度自初始温度变化Δt时，将所述变焦组和所述补偿组的初始位置相对于所述前固定组的位置沿光轴分别平移-γ·f·Δt，其中，γ是所述前固定组的光学材料的热差系数，f是所述前固定组在所述初始温度的有效焦距。

2.根据权利要求1所述的红外连续变焦镜头，其特征在于，所述前固定组、所述变焦组、所述补偿组和所述后固定组中的至少一组包括具有非球面和衍射面的透镜。

3.根据权利要求1或2所述的红外连续变焦镜头，其特征在于，所述前固定组由第一正光焦度透镜和第一负光焦度透镜构成，所述第一正光焦度透镜和所述第一负光焦度透镜沿所述光轴顺次设置，所述第一正光焦度透镜靠近物侧，并且所述第一正光焦度透镜和所述第一负光焦度透镜采用不同的红外光学材料制成。

4.根据权利要求3所述的红外连续变焦镜头，其特征在于，所述变焦组由第二负光焦度透镜构成，所述补偿组由第二正光焦度透镜构成，当环境温度变化时，所述第二负光焦度透镜和所述第二正光焦度透镜的变焦曲线保持不变。

5.根据权利要求4所述的红外连续变焦镜头，其特征在于，所述后固定组由第三正光焦度透镜和第四正光焦度透镜构成，所述第三正光焦度透镜和所述第四正光焦度透镜沿所述光轴顺次设置，并且所述后固定组与所述前固定组之间的距离保持不变。

6.根据权利要求1所述的红外连续变焦镜头，其特征在于，所述红外连续变焦镜头还包括探测器，所述探测器设置于所述后固定组的靠近成像方的一侧，并且所述探测器为制冷型红外探测器。