CN211061769U - 一种三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头，从物方至像方依次有五组透镜，包括：正光焦度的前固定组，包括一片凸面朝向物方的弯月形硅正透镜，一片凸面朝向物方的弯月形锗负透镜；负光焦度的变倍组，为一片双凹形的锗负透镜；正光焦度的补偿组，为一片双凸形的硒化锌正透镜；正光焦度的调焦组，为一片弯月形锗正透镜；正光焦度的后固定组，包括一片凸面朝向像方的弯月形锗正透镜，一片凸面朝向像方的弯月形锗负透镜，一片凸面朝向像方的弯月形硅正透镜。本实用新型专利可在15mm～300mm范围内连续变焦，适用于640×512，像元大小15μm的中波制冷探测器，相比同类型镜头体积小，重量轻，更经济实用。
Description
技术领域
本实用新型属于光学技术领域，涉及一种用于中波红外制冷探测器的三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头。
背景技术
随着现在光学技术的发展，可见光变焦镜头已经普及，无论是军用还是民用都得到了广泛的应用。随之红外技术也日趋成熟，逐渐向可见光镜头领域靠拢，定焦镜头已经不能满足更多场合的需求，需要使用到连续变焦镜头。红外连续变焦距镜头是一种通过改变系统中某些透镜组的相对位置使其焦距在一定的范围内连续改变的物镜。但是一般的红外连续变焦镜头，由于考虑到对成像质量的考虑，通常变倍比不会很大，较难做到大变倍比与成像质量之间的平衡。同时，镜头在变焦过程中随着运动组件的移动会影响各个视场成像的稳定性。因此迫切需要一种既有大变倍比、变焦稳定性高且成像质量又相对较高的连续变焦镜头。由于为制冷镜头，这种镜头另外还应同时兼顾小体积、轻重量等特点。相对同类型镜头本新型镜片数较少，成像优良且成本更加低廉。
实用新型内容
本实用新型提供了一种三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头，要解决的技术问题是提供一种光学总长短，体积小，装调方便，变倍比大，成像质量高的镜头。其工作波段为3.7～4.8微米，焦距为15mm～300mm，F数＝4，适配分辨率为640×512，像元大小15微米的制冷探测器，光学系统总长160mm，最大口径78mm。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一种三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头，由物方到像方依次包括前固定组、变倍组、补偿组、调焦组、后固定组、光阑以及探测器部分；
所述前固定组具有正光焦度，包括前面一片凸面朝向物方的弯月形硅单晶正透镜，作为第一透镜，表面类型均为球面；以及后面一片凸面朝向物方的弯月形的锗单晶负透镜，作为第二透镜，其朝像方的一侧为非球面；
所述变倍组具有负光焦度，为一片双凹形锗单晶负透镜，作为第三透镜，其朝向物方的一侧为非球面，该透镜的总移动行程28.318mm；
所述补偿组具有正光焦度，为一片双凸形硒化锌正透镜，作为第四透镜，其朝向像方的一侧为非球面，该透镜的总移动行程22.309mm，利用硒化锌作为补偿组，在中波能够更加有效的校正高级像差及色差；
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，作为第五透镜，其凹面为衍射面，该透镜的总移动行程1.94mm；
所述后固定组具有正光焦度，包括前面一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜，作为第六透镜，表面类型均为球面；中间一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶负透镜，作为第七透镜，其凹面为衍射面；后面一片凸面朝向像方的弯月形硅单晶正透镜，作为第八透镜，表面类型均为球面；
在所述后固定组后为中波制冷探测器部分，包括保护窗口、冷屏、冷光阑和像面；保护窗口位于补偿组后面，冷屏位于保护窗口后面，冷光阑位于冷屏后面，变焦过程中保持恒定。
镜头结构包括主镜筒、变倍镜组件、补偿镜组件、调焦镜组件和后固定镜组件；
第一透镜和第二透镜分别通过第一压圈和第二压圈固定在主镜筒内；
所述变倍组和补偿组分别通过第三压圈和第四压圈固定在变倍镜筒和补偿镜筒内，所述变倍镜筒和补偿镜筒可在主镜筒内沿轴向运动；
所述调焦组通过第五压圈固定在调焦镜筒内，所述调焦镜筒可在后组主镜筒内沿轴向运动，所述后组主镜筒前端设有法兰安装孔，通过螺钉固连在主镜筒上，所述后组主镜筒与主镜筒共轴；
所述后固定镜组前面一片透镜与中间一片透镜之间设有第一隔圈，所述中间一片透镜与后面一片透镜之间设有第二隔圈，通过第六压圈固定在后固定镜筒上，所述后固定镜筒上设有法兰安装孔，通过螺钉固连在后组主镜筒上，所述后固定镜筒与后组主镜筒共轴；
所述主镜筒内固定有三根导向光轴，所述变倍镜筒连接有直线轴承，所述直线轴承可沿导向光轴做轴向运动，所述变倍镜筒上固定有导向拨钉组件，所述主镜筒上设有三个变倍导向槽，所述变焦凸轮上设有三个变倍曲线槽，所述导向拨钉组件可在主镜筒的变倍导向槽内和变焦凸轮的变倍曲线槽内运动；
所述补偿镜筒连接有直线轴承，所述直线轴承可沿导向光轴做轴向运动，所述补偿镜筒上固定有导向拨钉组件，所述主镜筒上设有三个补偿导向槽，所述变焦凸轮上设有三个补偿曲线槽，所述导向拨钉组件可在主镜筒的补偿导向槽内和变焦凸轮的补偿曲线槽内运动；
所述主镜筒外侧设有变焦电机组件，所述变焦电机组件用于驱动变焦凸轮，进而带动变倍镜组和补偿镜组在主镜筒内沿轴向运动，实现镜头的变焦功能；
所述后组主镜筒上设有导向槽，所述调焦凸轮上设有调焦曲线槽，所述调焦齿轮与调焦凸轮通过螺钉相连接，所述调焦镜筒上固定有导向拨钉，所述导向拨钉可在后组主镜筒的导向槽内和调焦凸轮的调焦曲线槽内运动；
所述后组主镜筒外侧设有调焦电机组件，所述调焦电机组件用于驱动调焦齿轮，进而实现镜头的调焦或聚焦功能。
所述镜头满足如下参数：
所述镜头的有效焦距EFL＝15～300mm，F数＝4，光学系统总长＝160mm，适配探测器分辨率640×512，像元大小15μm，适配波段3.7～4.8μm。在实现20倍三导轨大变倍比的情况下，保持了镜头总长在160mm，在较小的移动范围内实现了三导轨大变倍比的设计。
所述镜头的水平视场角范围为：2w＝35.5°～1.8°。
所述镜头的镜片中的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，α2、α2、α4、α5、α6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/rn，rn是衍射面的规划半径，A1、A2为衍射面的位相系数。
第一透镜靠近物侧的表面镀类金刚石碳膜。
所述镜头的全视场的平均MTF＞0.5@201p/mm。
进一步的，主镜筒内固定有三根导向光轴，主镜筒上设有三个变倍导向槽，主镜筒上设有三个补偿导向槽，变焦凸轮上设有三个变倍曲线槽，变焦凸轮上设有三个补偿曲线槽。
所有视场畸变均小于2％，人眼无明显畸变感觉。
其中，物方到像方的方向，是从前到后的方向。
本实用新型的有益效果为：拥有20倍变倍比，光学系统总长为160mm，最大口径78mm。结构紧凑，变焦曲线平滑，镜片最大移动量为28.318mm。变倍组和补偿组均只有一片透镜，使用三导轨的结构设计，可以更好的保证变焦过程中的光轴稳定性。同时使用折射式光学结构，装调简便，易于量产。整个变焦范围内成像质量优良，全视场的平均MTF＞0.5@201p/mm。
附图说明
图1是本实用新型提供的三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头的焦距为300mm时的光学系统图；
图2是本实用新型所述的一种三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头的结构示意图。
图3是本实用新型提供的三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头的焦距为300mm时的点列图；
图4是本实用新型提供的三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头的焦距为300mm时的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm)；
图5是本实用新型提供的三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头的焦距为300mm时的场曲畸变图；
图6是本实用新型提供的三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头的焦距为15mm时的光学系统图；
图7是本实用新型提供的三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头的焦距为15mm时的点列图；
图8是本实用新型提供的三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头的焦距为15mm时的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm)；
图9是本实用新型提供的三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头的焦距为15mm时的场曲畸变图；
其中，100-物空间，L1、L2-前固定组，L3-变倍组，L4-补偿组，L5-调焦组，L6、L7、L7-后固定组，L1-第一透镜，L2-第二透镜，L3-第三透镜，L4-第四透镜，L5-第五透镜，L6-第六透镜，L7-第七透镜，L8-第八透镜；1-第一压圈，2-第二压圈，3-主镜筒，4-变焦凸轮，5-导向光轴，6-第三压圈，7-变倍镜筒，8-直线轴承，9-导向拨钉组件，10-第四压圈，11-补偿镜筒，12-第五压圈，13-调焦镜筒，14-后组主镜筒，15-导向拨钉，16-调焦齿轮，17-调焦凸轮，18-后固定镜筒，19-第一隔圈，20-第二隔圈，21-第六压圈，101-探测器保护窗口，102-冷屏，S17-冷光阑，103-像面，S1～S16为透镜各个表面。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本实用新型做进一步详细说明。
该实施例是本实用新型应用于中波制冷分辨率640×512像元尺寸15μm凝视型焦平面探测器的例子。
图1、图6分别为本实用新型在焦距300mm，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，本实施例包括正光焦度的前固定组L1和L2、负光焦度的变倍组L3、正光焦度的补偿组L4、正光焦度的调焦组L5、正光焦度的后固定组L6、L7和L8、以及最后的探测器101、102、S17、103。
前固定组中，L1即第一透镜，为凸面朝向物方的正透镜，材料为硅单晶，其两个表面均为球面，L2即第二透镜，为凸面朝向物方的负透镜，材料为锗单晶，S4表面均非球面。变倍组L3即第三透镜，为双凹形负透镜，材料为锗单晶，S5表面非球面，该透镜是移动镜片，起到了变焦过程中变倍的作用，移动曲线为直线，总移动行程28.318mm。补偿组L4即第四透镜，为双凸形的正透镜，材料为硒化锌，S8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6次抛物线，总移动行程22.309mm。调焦组L5即第五透镜，为凸面朝向物方的弯月形正透镜，材料为锗单晶，其中S9面为衍射面，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1.94mm。后固定组中，有三个透镜，L6即第六透镜，为凸面朝向像方的弯月形正透镜，材料为锗单晶，L7即第七透镜，为凸面朝向像方的弯月形负透镜，材料为锗单晶，S13表面为衍射非球面，L8即第八透镜，为凸面朝向像方的凹凸形正透镜，材料为硅单晶；中波制冷探测器包括：保护窗口101、冷屏102、光阑S17、成像面103，分辨率为640×512，像元大小15μm。
以上八片透镜中，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～S16表面均镀增透膜。
主镜筒3内固定有三根导向光轴5，变倍镜筒7连接有直线轴承8，直线轴承8沿导向光轴5做轴向运动，变倍镜筒7上固定有导向拨钉组件9，主镜筒3上设有三个变倍导向槽，变焦凸轮4上设有三个变倍曲线槽，导向拨钉组件9可在主镜筒3的变倍导向槽内和变焦凸轮4的变倍曲线槽内运动；补偿镜筒11连接有直线轴承8，可沿导向光轴5做轴向运动，补偿镜筒11上固定有导向拨钉组件9，主镜筒3上设有三个补偿导向槽，变焦凸轮4上设有三个补偿曲线槽，导向拨钉组件9可在主镜筒3的补偿导向槽内和变焦凸轮4的补偿曲线槽内运动；主镜筒3外侧设有变焦电机组件，用于驱动变焦凸轮4，进而带动变倍镜组和补偿镜组在主镜筒3内沿轴向运动，实现镜头的变焦功能。
后组主镜筒14上设有导向槽，调焦凸轮17上设有调焦曲线槽，调焦齿轮16与调焦凸轮17通过螺钉相连接，调焦镜筒13上固定有导向拨钉15，导向拨钉15可在后组主镜筒14的导向槽内和调焦凸轮17的调焦曲线槽内运动；后组主镜筒14外侧设有调焦电机组件，用于驱动调焦齿轮16，进而实现镜头的调焦(聚焦)功能。
表1为本实用新型在焦距300mm，15mm时的光学结构参数：
表1
以上八片透镜中提及的非球面，均为偶次非球面，其表达式如下
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，α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
表2为表面S4，S5，S8，S10，S13的非球面系数：
表2
| 表面 | 4th | 6th | 8th | 10th | 12th |
| S4 | 4.824E-08 | -4.628E-12 | 8.352E-15 | -4.471E-18 | 8.721E-22 |
| S5 | 8.505E-06 | -3.146E-08 | 3.613E-10 | -2.501E-12 | 6.966E-15 |
| S8 | 6.197E-06 | -1.304E-08 | 1.106E-10 | -5.524E-13 | 1.201E-15 |
| S10 | -4.553E-06 | 1.058E-06 | -4.72E-08 | 1.328E-09 | -1.381E-11 |
| S13 | -1.566E-04 | 1.955E-06 | -2.193E-07 | 7.11E-09 | -1.047E-10 |
以上八片透镜中提及的衍射面，其表达式如下：
Ф＝A1ρ2+A2ρ4
其中Ф为衍射面的位相，ρ＝r/rn，rn是衍射面的规划半径，A1、A2为衍射面的位相系数。
表3为表面S10、S13的衍射系数；
表3
| 表面 | ||
| S10 | -36.397 | -5.204 |
| S13 | -55.428 | 2.01 |
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3-图5是图1所述的三导轨大变倍比中波红外制冷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3是点列图、图4是MTF图、图5是场曲畸变图。
图7-图9是图6所述的三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头的具体实施例在短焦状态时的像差分析图，图7是点列图、图8是MTF图、图9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甚至小于艾利斑大小，MTF良好，畸变＜2％。
所述镜头的有效焦距EFL＝15～300mm，F数＝4，光学系统总长＝160mm，适配探测器分辨率640×512，像元大小15μm。所述镜头的水平视场角范围为：2w＝35.5°～1.8°。
由此可见，本实用新型三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头具有良好的成像质量。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案。因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头，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、调焦组、后固定组、光阑以及探测器部分；
所述前固定组具有正光焦度，包括前面一片凸面朝向物方的弯月形硅单晶正透镜，作为第一透镜，表面类型均为球面；以及后面一片凸面朝向物方的弯月形的锗单晶负透镜，作为第二透镜，其朝像方的一侧为非球面；
所述变倍组具有负光焦度，为一片双凹形锗单晶负透镜，作为第三透镜，其朝向物方的一侧为非球面，该透镜的总移动行程28.318mm；
所述补偿组具有正光焦度，为一片双凸形硒化锌正透镜，作为第四透镜，其朝向像方的一侧为非球面，该透镜的总移动行程22.309mm，利用硒化锌作为补偿组，在中波能够更加有效的校正高级像差及色差；
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，作为第五透镜，其凹面为衍射面，该透镜的总移动行程1.94mm；
所述后固定组具有正光焦度，包括前面一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜，作为第六透镜，表面类型均为球面；中间一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶负透镜，作为第七透镜，其凹面为衍射面；后面一片凸面朝向像方的弯月形硅单晶正透镜，作为第八透镜，表面类型均为球面；
在所述后固定组后为中波制冷探测器部分，包括保护窗口、冷屏、冷光阑和像面；保护窗口位于补偿组后面，冷屏位于保护窗口后面，冷光阑位于冷屏后面，变焦过程中保持恒定；
镜头结构包括主镜筒、变倍镜组件、补偿镜组件、调焦镜组件和后固定镜组件；
第一透镜和第二透镜分别通过第一压圈和第二压圈固定在主镜筒内；
所述变倍组和补偿组分别通过第三压圈和第四压圈固定在变倍镜筒和补偿镜筒内，所述变倍镜筒和补偿镜筒可在主镜筒内沿轴向运动；
所述调焦组通过第五压圈固定在调焦镜筒内，所述调焦镜筒可在后组主镜筒内沿轴向运动，所述后组主镜筒前端设有法兰安装孔，通过螺钉固连在主镜筒上，所述后组主镜筒与主镜筒共轴；
所述后固定镜组前面一片透镜与中间一片透镜之间设有第一隔圈，所述中间一片透镜与后面一片透镜之间设有第二隔圈，通过第六压圈固定在后固定镜筒上，所述后固定镜筒上设有法兰安装孔，通过螺钉固连在后组主镜筒上，所述后固定镜筒与后组主镜筒共轴；
所述主镜筒内固定有三根导向光轴，所述变倍镜筒连接有直线轴承，所述直线轴承可沿导向光轴做轴向运动，所述变倍镜筒上固定有导向拨钉组件，所述主镜筒上设有三个变倍导向槽，变焦凸轮上设有三个变倍曲线槽，所述导向拨钉组件可在主镜筒的变倍导向槽内和变焦凸轮的变倍曲线槽内运动；
所述补偿镜筒连接有直线轴承，所述直线轴承可沿导向光轴做轴向运动，所述补偿镜筒上固定有导向拨钉组件，所述主镜筒上设有三个补偿导向槽，变焦凸轮上设有三个补偿曲线槽，所述导向拨钉组件可在主镜筒的补偿导向槽内和变焦凸轮的补偿曲线槽内运动；
所述主镜筒外侧设有变焦电机组件，所述变焦电机组件用于驱动变焦凸轮，进而带动变倍镜组和补偿镜组在主镜筒内沿轴向运动，实现镜头的变焦功能；
所述后组主镜筒上设有导向槽，调焦凸轮上设有调焦曲线槽，调焦齿轮与调焦凸轮通过螺钉相连接，所述调焦镜筒上固定有导向拨钉，所述导向拨钉可在后组主镜筒的导向槽内和调焦凸轮的调焦曲线槽内运动；
所述后组主镜筒外侧设有调焦电机组件，所述调焦电机组件用于驱动调焦齿轮，进而实现镜头的调焦或聚焦功能。
2.根据权利要求1所述的三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于，所述镜头满足如下参数：
所述镜头的有效焦距EFL＝15～300mm，F数＝4，光学系统总长＝160mm，适配探测器分辨率640×512，像元大小15μm，适配波段3.7～4.8μm。
3.根据权利要求1所述的三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于，所述镜头的水平视场角范围为：2w＝35.5°～1.8°。
4.根据权利要求1所述的三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中的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，α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
5.根据权利要求1所述的三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头，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/rn,rn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所述的三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于，第一透镜靠近物侧的表面镀类金刚石碳膜。
7.根据权利要求1所述的三导轨大变倍比中波红外制冷连续变焦镜头，其特征在于，所述镜头的全视场的平均MTF>0.5@20lp/mm。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114488494A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-05-13 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种制冷型中波红外两档变倍光学系统 |
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2019
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