CN205427294U - 一种大光圈长波红外连续变焦监控镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大光圈长波红外连续变焦监控镜头，由物方到像方依次包括：前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、调焦组以及探测器部分；所述前固定组具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜；所述变倍组具有负光焦度，为一片双凹形锗单晶负透镜；所述补偿组具有正光焦度，为一片双凸形锗单晶正透镜；所述后固定组具有负光焦度，为一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜；所述调焦组具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜；在所述调焦组后为长波非制冷探测器部分，包括保护窗口和像面；本实用新型的优点是：生产成本较低，体积小重量轻，成像质量高,光圈大且恒定，光学总长短，适合作为监控镜头。

Description

一种大光圈长波红外连续变焦监控镜头

技术领域

本实用新型公开了一种大光圈长波红外连续变焦监控镜头，属于光学技术领域。

背景技术

目前，红外技术在军民领域的应用越来越广泛。由于红外系统为热成像，在长波红外范围内，能量较弱，因此就必须要大光圈镜头来增加进入光学系统的能量，从而增加成像的对比度。另外随着探测器技术的飞速发展，像元尺寸越来越小。因此就需要与之匹配的光学系统。以光学原理来说，艾利班直径随着光圈的增大而变小，也就意味着分辨率越高。因此需要大光圈的镜头。传统的大光圈镜头多为定焦镜头，而连续变焦镜头，由于结构复杂，难以做到大光圈。因此需要一种镜头，既能满足大光圈，又可以实现连续变焦。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种能够克服上述技术问题的光圈大且恒定，光学总长短，体积小，装调方便、成像质量高的大光圈长波红外连续变焦监控镜头。其工作波段为8～12微米，焦距为15mm～75mm，F数＝0.85f15mm，F数＝1.0f75mm，适配分辨率为640x512，像元大小17微米的非制冷探测器，光学系统总长184.6mm，最大口径90mm。

本实用新型由物方到像方依次包括：前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、调焦组以及探测器部分。

所述前固定组具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，表面类型均为球面。

所述变倍组具有负光焦度，为一片双凹形锗单晶负透镜，其朝向像方的一侧为非球面，所述透镜的总移动行程23.3mm。

所述补偿组具有正光焦度，为一片双凸形锗单晶正透镜，其朝向物方的一侧为非球面，所述透镜的总移动行程16.62mm。

所述后固定组具有负光焦度，为一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜，其凸面为衍射面。

所述调焦组具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其凸面为非球面，所述透镜的总移动行程4.5mm。

在所述调焦组后为长波非制冷探测器部分，包括保护窗口和像面；孔径光阑位于补偿组与后固定组之间，变焦过程中保持恒定。

所述镜头的水平视场角范围为：2ω＝21.7°～7.3°。

所述镜头满足如下参数：

所述镜头的有效焦距EFL＝15～75mm，F数＝0.85f15mm，F数＝1.0f75mm，光学系统总长＝184.6mm，适配探测器分辨率640x512，像元大小17μm。

所述镜头的全视场的平均MTF>0.622lp/mm。

所述镜头的镜片中的偶次非球面满足下列表达式：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-\left(1+k\right)c^2{r}^2}}+a_2{r}^2+a_4{r}^4+a_6{r}^6+a_8{r}^8+a_{10}{r}^{10}+a_{12}{r}^{12}$

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，a₂、a₄、a₆、a₈、a₁₀、a₁₂为高次非球面系数。

所述镜头的镜片中的奇次非球面满足下列表达式：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-\left(1+k\right)c^2{r}^2}}+a_1{r}^1+a_2{r}^2+a_3{r}^3+a_4{r}^4+a_5{r}^5+a_6{r}^6+a_7{r}^7$

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，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇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。本实用新型的有益效果为：F数＝0.85f15mm，F数＝1.0f75mm，并且变焦过程中光圈恒定，拥有5倍变倍比，光学系统总长为184.6mm，最大口径90mm。结构紧凑，变焦曲线平滑，镜片最大移动量为23.3mm。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。整个变焦范围内成像质量优良，全视场的平均MTF>0.622lp/mm。

本实用新型的优点是：能在15mm～75mm范围内连续变焦，同时F数在15mm焦段为0.85，在75mm焦段为1.0。适用于分辨率640x512像元大小17μm的长波非制冷探测器；在全焦段内变倍和补偿组移动行程短且曲线平滑，光轴稳定性高，有良好的成像效果，仅使用5片镜片，生产成本较低。体积小重量轻，焦距适中，成像质量高,光圈大且恒定，光学总长短，适合作为监控镜头。

附图说明

图1是本实用新型的大光圈长波红外连续变焦监控镜头的焦距为75mm时的光学系统图；

图2是本实用新型的大光圈长波红外连续变焦监控镜头的焦距为75mm时的点列图；

图3是本实用新型的大光圈长波红外连续变焦监控镜头的焦距为75mm时的光学传递函数图；截止分辨率为22lp/mm；

图4是本实用新型的大光圈长波红外连续变焦监控镜头的焦距为75mm时的象散畸变图；

图5是本实用新型的大光圈长波红外连续变焦监控镜头的焦距为60mm时的光学系统图；

图6是本实用新型的大光圈长波红外连续变焦监控镜头的焦距为60mm时的点列图；

图7是本实用新型的大光圈长波红外连续变焦监控镜头的焦距为60mm时的光学传递函数图；截止分辨率为22lp/mm；

图8是本实用新型的大光圈长波红外连续变焦监控镜头的焦距为60mm时的象散畸变图；

图9是本实用新型的大光圈长波红外连续变焦监控镜头的焦距为30mm时的光学系统图；

图10是本实用新型的大光圈长波红外连续变焦监控镜头的焦距为30mm时的点列图；

图11是本实用新型的大光圈长波红外连续变焦监控镜头的焦距为30mm时的光学传递函数图；截止分辨率为22lp/mm；

图12是本实用新型的大光圈长波红外连续变焦监控镜头的焦距为30mm时的象散畸变图；

图13是本实用新型的大光圈长波红外连续变焦监控镜头的焦距为15mm时的光学系统图；

图14是本实用新型的大光圈长波红外连续变焦监控镜头的焦距为15mm时的点列图；

图15是本实用新型的大光圈长波红外连续变焦监控镜头的焦距为15mm时的光学传递函数图；截止分辨率为22lp/mm；

图16是本实用新型提供的大光圈长波红外连续变焦监控镜头的焦距为15mm时的象散畸变图；

其中，200-物空间，110-前固定组，120-变倍组，130-补偿组，140-孔径光阑，150-后固定组，160-调焦组，310-探测器组件，312-探测器保护窗口，314-像面，S1～S10为透镜各个表面。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本实用新型做进一步详细说明。本实施例是本实用新型应用于长波非制冷型分辨率640×512像元尺寸17μm凝视型焦平面探测器的例子。

如图1、图5、图9所示分别为本实用新型在焦距75mm，60mm，30mm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、负光焦度的后固定组150、正光焦度的调焦组160以及最后的探测器310组成。

前固定组110即第一透镜，为凸面朝向物方的正透镜，材料为锗单晶，S2表面为非球面，该片镜片口径大，因此不使用非球面；变倍组120即第二透镜，为双凹形为负透镜，材料为锗单晶，S4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5次抛物线，总移动行程23.3mm；补偿组130即第三透镜，为双凸形的正透镜，材料为锗单晶，S5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16.62mm；后固定组150即第四透镜，为凸面朝向像方的弯月形负透镜，材料为锗单晶，S9表面为衍射非球面。调焦组160即第五透镜，为凸面朝向像方的弯月形正透镜，材料为锗单晶，其中S9面为非球面。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4.5mm；长波非制冷探测器310包括：保护窗口312，成像面314，分辨率为640x512，像元大小17μ。系统的孔径光阑140，位于补偿组和后固定组之间。变焦过程中光阑孔径不变，从而保证光圈恒定。

以上五片透镜中，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～S10表面均镀增透膜。

表1为本实用新型在焦距75mm，60mm，30mm，15mm时的光学结构参数：

表1

以上八片透镜中提及的非球面，第二、第四面均为偶次非球面，其表达式如下：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-\left(1+k\right)c^2{r}^2}}+a_2{r}^2+a_4{r}^4+a_6{r}^6+a_8{r}^8+a_{10}{r}^{10}+a_{12}{r}^{12}$

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，a₂、a₃、a₄、a₅、a₆为高次非球面系数。

表2为表面S2，S4，S8的非球面系数：

表2

第五、第九面均为奇次非球面，其表达式如下

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-\left(1+k\right)c^2{r}^2}}+a_1{r}^1+a_2{r}^2+a_3{r}^3+a_4{r}^4+a_5{r}^5+a_6{r}^6+a_7{r}^7$

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，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇为高次非球面系数。

表3为表面S5，S9的非球面系数：

表3

以上五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4为表面S8的衍射系数：

表4

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4是图1所述的长波红外连续变焦镜头的具体实施例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6图8是图5所述的长波红外连续变焦镜头的具体实施例在中长焦状态时的像差分析图，图6是点列图、图7是MTF图、图8是场曲畸变图；

图10图12是图9所述的长波红外连续变焦镜头的具体实施例在中短焦状态时的像差分析图，图10是点列图、图11是MTF图、图12是场曲畸变图；

图15图16是图13所述的长波红外连续变焦镜头的具体实施例在中短焦状态时的像差分析图，图14是点列图、图13是MTF图、图16是场曲畸变图；

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％。

综上所述，本实用新型具有良好的成像质量。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种大光圈长波红外连续变焦监控镜头，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、后固定组、调焦组以及探测器部分；

所述前固定组具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，表面类型均为球面；

所述变倍组具有负光焦度，为一片双凹形锗单晶负透镜，其朝向像方的一侧为非球面，所述透镜的总移动行程23.3mm；

所述补偿组具有正光焦度，为一片双凸形锗单晶正透镜，其朝向物方的一侧为非球面，所述透镜的总移动行程16.62mm；

所述后固定组具有负光焦度，为一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜，其凸面为衍射面；

所述调焦组具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其凸面为非球面，所述透镜的总移动行程4.5mm；

在所述调焦组后为长波非制冷探测器部分，包括保护窗口和像面；孔径光阑位于补偿组与后固定组之间，变焦过程中保持恒定；所述镜头满足如下参数：

所述镜头的有效焦距EFL＝15～75mm，F数＝0.85f15mm，F数＝1.0f75mm，光学系统总长＝184.6mm，适配探测器分辨率640x512，像元大小17μm。

2.根据权利要求1所述的大光圈长波红外连续变焦监控镜头，其特征在于，所述镜头的全视场的平均MTF>0.622lp/mm。

3.根据权利要求1所述的大光圈长波红外连续变焦监控镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中的偶次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，a₂、a₄、a₆、a₈、a₁₀、a₁₂为高次非球面系数。

4.根据权利要求1所述的大光圈长波红外连续变焦监控镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中的奇次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，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇为高次非球面系数。

5.根据权利要求1所述的大光圈长波红外连续变焦监控镜头，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所述的大光圈长波红外连续变焦监控镜头，其特征在于，所述镜头的水平视场角范围为：2ω＝21.7°～7.3°。