CN210572982U - 一种5倍长波红外连续变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种5倍长波红外连续变焦镜头，包括沿光轴从物方至像方依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组和调焦组，前固定组包括凸面朝向物方的弯月形正透镜，弯月形正透镜的表面类型均为球面；变倍组包括双凹形负透镜，双凹形负透镜朝向物方一侧为球面，朝向像方一侧为非球面；补偿组包括第一双凸形正透镜，第一双凸形正透镜的表面类型均为球面；后固定组包括凸面朝向像方的弯月形负透镜，弯月形负透镜的表面类型均为球面；调焦组包括第二双凸形正透镜，第二双凸形正透镜朝向物方一侧为非球面，朝向像方一侧为球面。本实用新型尽量减少非球面数量，实现5倍的连续变焦能力，透过率高，成像质量优良，变焦过程成像清晰稳定。

Description

一种5倍长波红外连续变焦镜头

技术领域

本申请属于光学技术领域，具体涉及一种5倍长波红外连续变焦镜头。

背景技术

长波红外镜头是通过探测目标自发辐射的长波红外光线成像，是一种被动式成像光学系统，同时由于长波红外波长较长，可以绕射通过烟尘颗粒，因而具有的抗干扰能力强、可全天候全天时工作、抗烟尘及雾霾能力强等特点，在道路安防监控、森林防火、机场监察、边海防等军民领域有着广泛应用。

随着长波红外镜头应用的深入，定焦镜头及双视场镜头越来越不能满足用户需求。连续变焦镜头因其焦距能够连续变化，既能大范围进行目标监视和搜索，又能放大目标仔细观察，同时在变焦过程中不会丢失目标的优点，越来越受到人们的关注。

现有技术如，专利申请号为201521046929.4的一种长波红外连续变焦镜头，该文献公开的长波红外连续变焦镜头设计方案中采用了较多的非球面甚至于衍射面，其中较多的非球面数量无疑会增加镜头的加工成本，同时衍射面的使用会减小镜头的透过率，降低系统温度敏感度且具有较大的加工难度。

实用新型内容

本申请提供的一种5倍长波红外连续变焦镜头，尽量减少非球面数量，使得镜头实现5倍的连续变焦能力，透过率高，成像质量优良，且变焦过程成像清晰稳定。

为实现上述目的，本申请所采取的技术方案为：

一种5倍长波红外连续变焦镜头，包括沿光轴从物方至像方依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组和调焦组，

所述前固定组包括凸面朝向物方的弯月形正透镜L1，所述弯月形正透镜L1的表面类型均为球面；

所述变倍组包括双凹形负透镜L2，所述双凹形负透镜L2朝向物方一侧为球面，所述双凹形负透镜L2朝向像方一侧为非球面；

所述补偿组包括第一双凸形正透镜L3，所述第一双凸形正透镜L3的表面类型均为球面；

所述后固定组包括凸面朝向像方的弯月形负透镜L4，所述弯月形负透镜L4的表面类型均为球面；

所述调焦组包括第二双凸形正透镜L5，所述第二双凸形正透镜L5朝向物方一侧为非球面，所述第二双凸形正透镜L5朝向像方一侧为球面。

作为优选，所述弯月形正透镜L1、双凹形负透镜L2、第一双凸形正透镜L3、弯月形负透镜L4和第二双凸形正透镜L5的材料分别为锗、锗、锗、硫系玻璃和锗。

作为优选，所述透镜中的非球面满足关系式：

式中，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＝1/R，R表示镜面的近轴曲率半径；K为圆锥系数；A、B、C、D为高次非球面系数。

作为优选，所述弯月形正透镜L1与双凹形负透镜L2之间的空气间隔为11.0mm～61.47mm，所述双凹形负透镜L2与第一双凸形正透镜L3之间的空气间隔为88.04mm～4.63mm，所述第一双凸形正透镜L3与所述弯月形负透镜L4之间的空气间隔为10.0mm～42.94mm，所述弯月形负透镜L4与所述第二双凸形正透镜L5之间的空气间隔为56.6mm。

作为优选，所述第二双凸形正透镜L5的调焦移动范围为±1.5mm。

作为优选，所述5倍长波红外连续变焦镜头的有效焦距为30mm～150mm，视场角范围为26.3°～5.3°。

作为优选，所述5倍长波红外连续变焦镜头适配的探测器分辨率为640×512，像元大小为17μm×17μm。

本申请提供的5倍长波红外连续变焦镜头，仅使用5片镜片，通过采用“+、-、+、-、+”的光学结构，尽量减少非球面数量，合理的选择非球面位置和光学材料，实现5倍的连续变焦能力及紧凑的外型结构，且变焦过程清晰稳定；非球面数量少，镜头的加工成本较低，且无衍射面，从而保证镜头的透过率高；本申请的镜头特征频率30lp/mm处，MTF接近衍射极限，使得成像质量优良；弯月形正透镜L1的镜片口径小，仅Φ136mm，节约了镜头的加工生产成本。

附图说明

图1为本申请5倍长波红外连续变焦镜头的一种实施例光学系统结构示意图；

图2为本申请实施例1镜头短焦时的斑点图；

图3为本申请实施例1镜头中焦时的斑点图；

图4为本申请实施例1镜头长焦时的斑点图；

图5为本申请实施例1镜头短焦时的场曲畸变图；

图6为本申请实施例1镜头中焦时的场曲畸变图；

图7为本申请实施例1镜头长焦时的场曲畸变图；

图8为本申请实施例1镜头短焦时的MTF图；

图9为本申请实施例1镜头中焦时的MTF图；

图10为本申请实施例1镜头长焦时的MTF图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。

如图1所示，其中一实施例中，提供一种5倍长波红外连续变焦镜头，包括沿光轴从物方至像方依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组和调焦组。图中的焦平面即表示像方所在一侧，焦平面的相对侧即为物方所在一侧。

本实施例中前固定组包括凸面朝向物方的弯月形正透镜L1，且弯月形正透镜L1的表面类型均为球面。

变倍组包括双凹形负透镜L2，且双凹形负透镜L2朝向物方一侧为球面，双凹形负透镜L2朝向像方一侧为非球面。

补偿组包括第一双凸形正透镜L3，且第一双凸形正透镜L3的表面类型均为球面。

后固定组包括凸面朝向像方的弯月形负透镜L4，且弯月形负透镜L4的表面类型均为球面。

调焦组包括第二双凸形正透镜L5，且第二双凸形正透镜L5朝向物方一侧为非球面，第二双凸形正透镜L5朝向像方一侧为球面。

本实施例的5倍长波红外连续变焦镜头，仅使用5片镜片，通过采用“+、-、+、-、+”的光学结构，尽量减少非球面数量，合理的选择非球面位置和光学材料，实现5倍的连续变焦能力及紧凑的外型结构，且变焦过程清晰稳定；非球面数量少，镜头的加工成本较低，且无衍射面，从而保证镜头的透过率高，成像质量优良。

在一实施例中，所述弯月形正透镜L1、双凹形负透镜L2、第一双凸形正透镜L3、弯月形负透镜L4和第二双凸形正透镜L5的材料分别为锗、锗、锗、硫系玻璃和锗。

在一实施例中，所述透镜中的非球面满足关系式：

式中，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＝1/R，R表示镜面的近轴曲率半径；K为圆锥系数；A、B、C、D为高次非球面系数。

在一实施例中，所述弯月形正透镜L1与双凹形负透镜L2之间的空气间隔为11.0mm～61.47mm，所述双凹形负透镜L2与第一双凸形正透镜L3之间的空气间隔为88.04mm～4.63mm，所述第一双凸形正透镜L3与所述弯月形负透镜L4之间的空气间隔为10.0mm～42.94mm，所述弯月形负透镜L4与所述第二双凸形正透镜L5之间的空气间隔为56.6mm。

在一实施例中，所述第二双凸形正透镜L5的移动范围为±1.5mm。

在一实施例中，所述5倍长波红外连续变焦镜头的有效焦距为30mm～150mm，视场角范围为26.3°～5.3°。

在一实施例中，所述5倍长波红外连续变焦镜头适配的探测器分辨率为640×512，像元大小为17μm×17μm。

以下通过实施例进一步详述本申请5倍长波红外连续变焦镜头：

实施例1

本实施例的镜头以5枚透镜进行构架，各透镜的光学参数如表1所示。

表1各透镜的光学参数

表1中，R为透镜镜面的近轴曲率半径。

镜片L1(即弯月形正透镜L1)的口径仅为Φ136.0mm，镜头的最大口径为Φ136.0mm，较小的口径大大节约了镜头的加工生产成本。

L1～L5的5片透镜中，仅为透镜L2的S4面为非球面和透镜L5的S9面为非球面，显著减少了镜头中非球面的数量。

其中，两非球面的参数如表2所示。

表2非球面参数

面序号	K	A	B	C	D
						S4	0	1.169E-007	-4.164E-12	-1.501E-15	0
S9	0	3.458E-005	2.634E-007	2.415E-009	-3.825E-13

表2中，K为圆锥系数；A、B、C、D为高次非球面系数。

非球面在满足上述参数时，同时满足下列关系式：

式中，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＝1/R，R表示镜面的近轴曲率半径；K为圆锥系数；A、B、C、D为高次非球面系数。

由上述镜片构成的镜头的光学结构具有以下光学指标：

(1)有效焦距：f′＝30～150mm，变倍比5倍；

(2)视场角范围：26.3°～5.3°；

(3)相对孔径：1:1.2；

(4)分辨率：640*512；

(5)像元大小：17*17μm；

(6)工作温度：-40℃～+60℃；

(7)光学系统体积小于136.0mm(宽)*136.0mm(高)*193.0mm(长)；

(8)光学镜片重量：850.2g。

如图2～4所示，为本实施例镜头在短焦、中焦和长焦时采集的斑点图。从图中可以看出，光学系统在长、中、短焦时斑点均方根(RMS radius)值最大10.3μm，小于像元大小17μm，满足成像要求。

如图5～7所示，为本实施例镜头在短焦、中焦和长焦时采集的场曲畸变图。从图中可以看出，短焦时畸变为-1.6％，中焦时畸变为+1.7％，长焦时畸变为+1.1％，光学系统畸变低。

如图8～10所示，为本实施例镜头在短焦、中焦和长焦时采集的MTF图。(图中处于最上方的线为Diff.Limit，即为衍射极限，衍射极限是光学系统的物理极限，衍射极限只可无线接近而无法超越，且越接近衍射极限表示镜头的成像质量越佳。)从图中可以看出，光学系统长、中、短焦状态下的MTF接近衍射极限，表示本实施例镜头的成像质量优良。

进一步比较图8～10，在不同焦距时，镜头采集的MTF均接近延伸极限，变焦过程中MTF差异小，表示该镜头在变焦过程中成像清晰稳定。

由此可见，本实施例的镜头尽量减少非球面数量，使得镜头实现5倍的连续变焦能力，透过率高，成像质量优良，且变焦过程成像清晰稳定。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种5倍长波红外连续变焦镜头，包括沿光轴从物方至像方依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组和调焦组，其特征在于，

所述前固定组包括凸面朝向物方的弯月形正透镜(L1)，所述弯月形正透镜(L1)的表面类型均为球面；

所述变倍组包括双凹形负透镜(L2)，所述双凹形负透镜(L2)朝向物方一侧为球面，所述双凹形负透镜(L2)朝向像方一侧为非球面；

所述补偿组包括第一双凸形正透镜(L3)，所述第一双凸形正透镜(L3)的表面类型均为球面；

所述后固定组包括凸面朝向像方的弯月形负透镜(L4)，所述弯月形负透镜(L4)的表面类型均为球面；

所述调焦组包括第二双凸形正透镜(L5)，所述第二双凸形正透镜(L5)朝向物方一侧为非球面，所述第二双凸形正透镜(L5)朝向像方一侧为球面。

2.如权利要求1所述的5倍长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述弯月形正透镜(L1)、双凹形负透镜(L2)、第一双凸形正透镜(L3)、弯月形负透镜(L4)和第二双凸形正透镜(L5)的材料分别为锗、锗、锗、硫系玻璃和锗。

3.如权利要求1所述的5倍长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述透镜中的非球面满足关系式：

式中，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＝1/R，R表示镜面的近轴曲率半径；K为圆锥系数；A、B、C、D为高次非球面系数。

4.如权利要求1所述的5倍长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述弯月形正透镜(L1)与双凹形负透镜(L2)之间的空气间隔为11.0mm～61.47mm，所述双凹形负透镜(L2)与第一双凸形正透镜(L3)之间的空气间隔为88.04mm～4.63mm，所述第一双凸形正透镜(L3)与所述弯月形负透镜(L4)之间的空气间隔为10.0mm～42.94mm，所述弯月形负透镜(L4)与所述第二双凸形正透镜(L5)之间的空气间隔为56.6mm。

5.如权利要求1所述的5倍长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第二双凸形正透镜(L5)的移动范围为±1.5mm。

6.如权利要求1所述的5倍长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述5倍长波红外连续变焦镜头的有效焦距为30mm～150mm，视场角范围为26.3°～5.3°。

7.如权利要求1所述的5倍长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述5倍长波红外连续变焦镜头适配的探测器分辨率为640×512，像元大小为17μm×17μm。

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