CN205826952U - 一种大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，包括由物面到像面沿光轴依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、中继组和探测器，特征在于：所述变倍组由双凹透镜构成，补偿组由双凸透镜构成，中继组由反射镜组和二次成像组构成，反射镜组使光线的传播方向进行180°转折，转折后的光线经二次成像组后，汇聚于探测器的靶面上，实现中波红外图像的采集。本实用新型的中波红外连续变焦镜头，一片透镜实现变倍、一片透镜实现补偿，减少了运动组元、简化了系统结构，提高了镜头的稳定性；通过设置使光线传播路径发生180°转折的反射组，缩短了镜头的横向尺寸，同时二次成像组还减小了前固定组的口径，有利于形成具有较小尺寸的镜头。

Description

一种大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头

技术领域

本实用新型涉及一种中波红外连续变焦镜头，更具体的说，尤其涉及一种大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头。

背景技术

红外光学系统具有夜间穿透能力强、识别伪装能力强、可被动接收红外辐射、隐蔽性好、不易受干扰等优点，在陆、海、空等军事领域的武器系统中展现出特殊的能力。随着红外成像技术的发展，红外变焦距系统被广泛应用于制导、监控、红外前视及目标探测和跟踪等领域。与定焦镜头、分档镜头相比，连续变焦镜头既能在大视场捕获目标，又能在发现目标后调整到小视场瞄准跟踪目标。并且在焦距和视场转换过程中，可保持对所观测目标在探测器靶面上所成像的连续性，这利于对高速运动目标的搜索和跟踪，解决了分档变焦镜头在视场切换时易造成高速目标丢失的缺陷。

与非制冷探测器相比，制冷型探测器灵敏度高，更容易满足军事领域对红外探测系统远作用距离、高温度分辨率、高空间分辨率的要求。故在军事领域、红外成像系统普遍采用制冷型探测器，但是目前搭配制冷型探测器设计的红外变焦镜头存在一些缺点，如加工成本高、技术难度大、结构复杂、变倍比小、成像质量差等。例如专利号201310310772.0的实用新型专利文件，公开了一种高变倍比中波红外连续变焦系统，系统使用双组联动的变倍补偿结构，且在硅材料上添加了非球面，应用到产品上结构复杂，在硅材料上加工非球面难度高，不易实现。

发明内容

本实用新型为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头。

本实用新型的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，包括由物面到像面沿光轴依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、中继组和探测器，入射到前固定组的光线，经过变倍组和补偿组的变倍、补偿后，得到的光线再经后固定组和中继组成像到探测器的靶面上；其特征在于：所述变倍组由双凹透镜构成，补偿组由双凸透镜构成，通过驱使双凹透镜、双凸透镜的移动实现镜头的连续变焦，以获取不同视场下的图像；所述中继组由反射镜组和二次成像组构成，反射镜组使光线的传播方向进行180°转折，转折后的光线经二次成像组后，汇聚于探测器的靶面上，实现中波红外图像的采集。

本实用新型的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，所述前固定组由第一正弯月透镜构成，后固定组由沿光线射入方向依次分布的第一负弯月透镜、第二正弯月透镜和第三正弯月透镜组成；所述反射组由反射面相对设置的第一反射镜和第二反射镜组成，第一反射镜、第二反射镜与光轴均成45°夹角；所述二次成像组由第四正弯月透镜和第二负弯月透镜组成。

本实用新型的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，所述第一正弯月透镜、双凹透镜、双凸透镜、第一负弯月透镜、第二正弯月透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜、第二负弯月透镜的光焦度分别为正、负、正、正、正、正、正、负，材料分别为硅、锗、锗、锗、硅、锗、硅、锗；

第一正弯月透镜、双凹透镜、双凸透镜、第一负弯月透镜、第二正弯月透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜、第二负弯月透镜上沿物面至相面方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S15、S16、S17、S18，第一反射镜和第二反射镜的反射面分别标记为S13、S14；双凹透镜的前表面S3、第一负弯月透镜的前表面S7、第二负弯月透镜的前表面S17的曲面均为偶次非球面，且非球面S3、S17的曲面上还加工二元衍射面。

本实用新型的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，所述第一正弯月透镜、双凹透镜、双凸透镜、第一负弯月透镜、第二正弯月透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜、第二负弯月透镜的反射面上均镀有增透膜，第一反射镜和第二反射镜的表面均镀有增反膜。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的中波红外连续变焦镜头，变倍组、补偿组分别通过双凹透镜、双凸透镜来构成，使得一片透镜实现变倍、一片透镜实现补偿，减少了运动组元、简化了系统结构，提高了镜头的稳定性；通过设置使光线传播路径发生180°转折的反射组，转折后的光线再经二次成像组后成像，有效地缩短了镜头的横向尺寸，同时还减小了前固定组的口径，有利于形成具有较小尺寸的镜头。

本实用新型的中波红外连续变焦镜头，可实现较大焦距（如20mm～300mm）的连续变焦，在短焦发现目标、长焦识别目标，且在变焦过程中不会丢失目标。通过将多个透镜的曲面设计为偶次非球面和二元衍射面，使像差得到很好的校正，成像质量好。通过镜片材料的非球面的合理搭配，降低了成本。

附图说明

图1为本实用新型的连续变焦镜头在焦距为300mm处的光学系统图；

图2为本实用新型的连续变焦镜头在焦距为78mm处的光学系统图；

图3为本实用新型的连续变焦镜头在焦距为20mm处的光学系统图；

图4为本实用新型在焦距300mm处，空间频率为30lp/mm的MTF曲线图；

图5为本实用新型在焦距78mm处，空间频率为30lp/mm的MTF曲线图；

图6为本实用新型在焦距20mm处，空间频率为30lp/mm的MTF曲线图；

图7为本实用新型在焦距300mm处的光斑图；

图8为本实用新型在焦距78mm处的光斑图；

图9为本实用新型在焦距20mm处的光斑图。

图中：1第一正弯月透镜，2双凹透镜，3双凸透镜，4第一负弯月透镜，5第二正弯月透镜，6第三正弯月透镜，7第一反射镜，8第二反射镜，9第四正弯月透镜，10第二负弯月透镜，11探测器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，给出了本实用新型的连续变焦镜头在焦距为300mm、78mm、20mm处的光学系统图，其由从物方到像方沿光轴依次分布的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、中继组和探测器11组成，前固定组由第一正弯月透镜1构成，以实现对射入光线的汇聚作用。变倍组由双凹透镜2构成，补偿组由双凸透镜3组成，通过双凹透镜2的移动实现镜头的变焦，双凹透镜3配合移动进行补偿，以获取清晰的红外图像。由于变倍、补偿均通过一片透镜来实现，运动元件少，简化了整个镜头的结构，有利于实现成像的稳定性。

所示的后固定组由沿光线射入方向依次分布的第一负弯月透镜4、第二正弯月透镜5和第三正弯月透镜6构成；中继组由反射镜组和二次成像组构成，反射镜组由第一反射镜7、第二反射镜8构成，第一反射镜7与第二反射镜8以反射面相对的形式布置，且第一反射镜7和第二反射镜8与镜头光轴的夹角均为45°，这就使得由后固定组射出的光线依次经第一反射镜7、第二反射镜8的反射后，光线的传播方向发生了180°改变。

二次成像组由沿光线传播方向依次设置的第四正弯月透镜9和第二负弯月透镜10构成，二次成像组射出的光线汇聚于探测器11的焦平面上，实现中波红外成像。由于设置了由第一、第二反射镜构成的反射镜组，在保证光线传播路径的同时，缩短了镜头的横向长度，以及前固定组的口径，易于形成具有较小尺寸的镜头。

所示的第一正弯月透镜1、双凹透镜2、双凸透镜3、第一负弯月透镜4、第二正弯月透镜5、第三正弯月透镜6、第四正弯月透镜9、第二负弯月透镜10的光焦度分别为正、负、正、正、正、正、正、负，材料分别为硅、锗、锗、锗、硅、锗、硅、锗。

第一正弯月透镜1、双凹透镜2、双凸透镜3、第一负弯月透镜4、第二正弯月透镜5、第三正弯月透镜6、第四正弯月透镜9、第二负弯月透镜10上沿物面至相面方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S15、S16、S17、S18，第一反射镜7和第二反射镜8的反射面分别标记为S13、S14；双凹透镜2的前表面S3、第一负弯月透镜4的前表面S7、第二负弯月透镜10的前表面S17的曲面均为偶次非球面，且非球面S3、S17的曲面上还加工二元衍射面。

这样，由于双凹透镜2、第一负弯月透镜4、第二负弯月透镜10均为锗材料，则锗材质的透镜上加工偶次非球面和二元衍射面，考虑到硅材料上加工非球面易磨损车刀，难以实现，所有非球面均加工在小尺寸的锗透镜上，保证加工精度的同时又降低了成本。

所示的第一正弯月透镜1、双凹透镜2、双凸透镜3、第一负弯月透镜4、第二正弯月透镜5、第三正弯月透镜6、第四正弯月透镜9、第二负弯月透镜10的表面均镀有增透膜，第一反射镜7和第二反射镜8的反射面上均镀有增反膜。

如表1所示，给出了本实用新型的镜头在焦距300mm、152mm、78mm、40mm、20mm的光学结构参数。本实用新型的镜头在变焦过程中，第一正弯月透镜1的后表面S2与双凹透镜2的前表面S3之间的距离为Z1、双凹透镜2的后表面S4与双凸透镜3的前表面S5之间的距离为Z2、双凸透镜的后表面S6与第二正弯月透镜4的前表面S7之间的距离为Z3。

表1

在焦距分别为300mm、152mm、78mm、40mm、20mm情况下Z1、Z2与Z3的取值如表2所示。

表2

由此可见，镜头在变焦的过程中，Z1、Z2、Z3是连续变化的。

图4、图5、图6分别是焦距为长焦300mm、中焦78mm、短焦20mm时，空间频率为30lp/mm处光学传递函数（MTF）曲线图，横坐标为每毫米线对数，纵坐标为归一化对比度，每幅图中均有6条曲线，其分别为衍射极限、中心视场、0.707视场与边缘视场的子午方向和弧矢方向的分辨率与空间频率的关系。由图可知在不同焦距处，不同视场在30lp/mm的对比度均大于0.4。

图7、图8、图9分别是焦距为长焦300mm、中焦78mm、短焦20mm的光斑图，给出了三个视场的光斑，RMS RADIUS为均方根半径，GEO RADIUS为几何半径，值越小成像质量越好。

由图4至图9可以得出，本实用新型大变倍比折反式中波红外连续变焦镜头具有很好的成像效果，可搭配320×256或640×512中波红外制冷探测器。

以上为本实用新型的具体实施方式，但不限于上述实例。

Claims (4)

1.一种大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，包括由物面到像面沿光轴依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、中继组和探测器（11），入射到前固定组的光线，经过变倍组和补偿组的变倍、补偿后，得到的光线再经后固定组和中继组成像到探测器的靶面上；其特征在于：所述变倍组由双凹透镜（2）构成，补偿组由双凸透镜（3）构成，通过驱使双凹透镜、双凸透镜的移动实现镜头的连续变焦，以获取不同视场下的图像；所述中继组由反射镜组和二次成像组构成，反射镜组使光线的传播方向进行180°转折，转折后的光线经二次成像组后，汇聚于探测器的靶面上，实现中波红外图像的采集。

2.根据权利要求1所述的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述前固定组由第一正弯月透镜（1）构成，后固定组由沿光线射入方向依次分布的第一负弯月透镜（4）、第二正弯月透镜（5）和第三正弯月透镜（6）组成；所述反射组由反射面相对设置的第一反射镜（7）和第二反射镜（8）组成，第一反射镜、第二反射镜与光轴均成45°夹角；所述二次成像组由第四正弯月透镜（9）和第二负弯月透镜（10）组成。

3.根据权利要求2所述的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述第一正弯月透镜（1）、双凹透镜（2）、双凸透镜（3）、第一负弯月透镜（4）、第二正弯月透镜（5）、第三正弯月透镜（6）、第四正弯月透镜（9）、第二负弯月透镜（10）的光焦度分别为正、负、正、正、正、正、正、负，材料分别为硅、锗、锗、锗、硅、锗、硅、锗；

第一正弯月透镜、双凹透镜、双凸透镜、第一负弯月透镜、第二正弯月透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜、第二负弯月透镜上沿物面至相面方向上的曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S15、S16、S17、S18，第一反射镜（7）和第二反射镜（8）的反射面分别标记为S13、S14；双凹透镜的前表面S3、第一负弯月透镜的前表面S7、第二负弯月透镜的前表面S17的曲面均为偶次非球面，且非球面S3、S17的曲面上还加工二元衍射面。

4.根据权利要求2或3所述的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述第一正弯月透镜（1）、双凹透镜（2）、双凸透镜（3）、第一负弯月透镜（4）、第二正弯月透镜（5）、第三正弯月透镜（6）、第四正弯月透镜（9）、第二负弯月透镜（10）的反射面上均镀有增透膜，第一反射镜（7）和第二反射镜（8）的表面均镀有增反膜。