CN214474202U - 一种低成本连续变倍红外物镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低成本连续变倍红外物镜，属于红外光学技术领域；其从物方到像方依次包括：前固定组、变倍组、第一补偿组和第二补偿组，所述前固定组、变倍组、第一补偿组和第二补偿组依次从左至右共光轴设置，在变焦过程中，所述变倍组、第一补偿组和第二补偿组沿光轴移动以进行长焦、中焦以及短焦的转换，所述前固定组保持原位；本实用新型应用于分辨率640×512，像元尺寸17μm的非制冷型红外探测器，变倍比为7.5倍，总共由4片透镜组成，光栏后置，透镜数量少，结构简单，采用一种红外光学材料，无后固定组，合理分配光焦度实现了低成本的要求，物镜具有连续变倍功能，通过调焦实现远近距离的观察，具有较高的成像质量。

Description

一种低成本连续变倍红外物镜

技术领域

本实用新型涉及一种红外物镜，尤其涉及一种低成本连续变倍红外物镜，属于红外光学技术领域。

背景技术

随着红外技术的日趋成熟，红外光学镜头越来越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，需要使用连续变焦镜头。连续变焦镜头可以在短焦端发现目标，长焦端识别目标，同时变焦过程中图像清晰，进而持续跟踪目标。但是一般的红外连续变焦镜头，由于需要大光圈、镜片口径巨大、更多红外镜片材料的使用而导致镜头价格提高、透过率降低、削弱了系统的探测能力。因此迫切需要一种镜片少、透过率高的连续变焦镜头。这种连续变焦镜头变倍比不需要非常大，但需要尽可能地使用较少的红外镜片，同时光圈保持恒定。此外，设计连续变倍非制冷红外物镜光学系统所面临的问题还有相对孔径大，F数小，导致第一片透镜的口径很大，材料和加工成本很高，变倍比一般都不大。而传统的非制冷连续变倍红外物镜光学系统结构复杂，透镜数量多，造成系统透过率低、系统分辨力也低，光学总长很长，外形尺寸大。

申请号为202021276211.5的中国实用新型专利，其公开了一种经济型热成像连续变焦镜头，包括由物方到像方依次设置的具有正光焦度的前固定组，包括一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜；具有负光焦度的变倍组，包括一片双凹形锗单晶负透镜；具有正光焦度的补偿组，包括一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜；具有正光焦度的后固定组，包括一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜。本申请的有益效果是：可在30mm～150mm焦段之间实现连续变倍，其F数恒定等于1.2，适用于640×512，像元大小17μm的长波非制冷探测器；其光学镜片少，整体透过率高，有良好的成像效果；相比同类型镜头成本低、重量轻、更经济实用，但其变倍比不大，变焦过程中的光轴稳定性不够高，成像质量有待提高。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足,本实用新型提供了一种低成本连续变倍红外物镜。

本实用新型所采用的技术方案是：设计一种低成本连续变倍红外物镜，其从物方到像方依次包括：前固定组、变倍组、第一补偿组和第二补偿组，所述前固定组、变倍组、第一补偿组和第二补偿组依次从左至右共光轴设置，在变焦过程中，所述变倍组、第一补偿组和第二补偿组沿光轴移动以进行长焦、中焦以及短焦的转换，所述前固定组保持原位；所述前固定组包括第一透镜，所述变倍组包括第二透镜，所述第一补偿组包括第三透镜，所述第二补偿组包括第四透镜，所述第二透镜的物侧面、第三透镜的物侧面和像侧面、第四透镜的物侧面均为非球面。

进一步，所述第一透镜为弯月形正透镜，所述第一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面，其屈光度为正。

进一步，所述第二透镜为双凹形负透镜，所述第二透镜的物侧面为凹面，像侧面为凹面，其屈光度为负。

进一步，所述第三透镜为弯月形正透镜，所述第三透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面，其屈光度为正。

进一步，所述第四透镜为弯月形正透镜，所述第四透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面，其屈光度为正。

更进一步，所述第二透镜设置有衍射面，所述衍射面制作于第二透镜中的物侧面非球面基底上。

与现有技术相比,本实用新型的有益效果是：本实用新型物镜采用摄远型光学结构，物镜第一透镜光焦度为正，作为前固定组；第二透镜的光焦度为负，作为变倍组，进行线性的直线移动实现变倍；第三透镜的光焦度为正，作为第一补偿组变倍组，进行非线性的直线移动实现变倍补偿；第四透镜的光焦度为正，作为第二补偿组，进行非线性的直线移动实现变倍补偿，同时第四透镜也作为调焦组，调节远近距离的目标的成像效果和温度补偿。在系统中混合使用折射、衍射面，使系统保证像质的同时简化了光学结构形式，透镜数量和非球面的数量少，整体物镜的体积较小，更加便于使用操作和应用范围。

本实用新型物镜在场所监控、防火监测和公安、边防警戒等方面具有重要作用，能全天候、大范围的监控周边情况。由于衍射光学元件具有负色散特性、负温度特性，可实现对光波面的相位调制；与折射元件配合，大大改善系统成像质量，减小系统体积和减轻重量，降低成本等。连续变倍红外物镜在变倍比、低成本的要求下，引入第二个补偿组，提高系统像质，缩短系统总长，同时优化组合，调整光栏位置，取消后固定组，减少透镜数量，减少非球面的数量，简化光学结构，从而大大降低了成本。

本实用新型是针对分辨率640×512，像元尺寸17μm的非制冷型红外探测器，提供一种低成本连续变倍红外物镜，该系统视场为30.4°×24.5°～4.1°×3.3°，变倍比为7.5倍，在-40℃～+50℃范围内有良好的像质。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型短焦时光学结构示意图；

图2为本实用新型中焦时光学结构示意图；

图3为本实用新型长焦时光学结构示意图；

图4为本实用新型短焦时20℃下传递函数图；

图5为本实用新型中焦时20℃下传递函数图；

图6为本实用新型长焦时20℃下传递函数图；

图7为本实用新型短焦时20℃下弥散斑图；

图8为本实用新型中焦时20℃下弥散斑图；

图9为本实用新型长焦时20℃下弥散斑图；

图10为本实用新型短焦时20℃下畸变图。

图11为本实用新型中焦时20℃下畸变图。

图12为本实用新型长焦时20℃下畸变图。

图中：1-第一透镜，2-第二透镜，3-第三透镜，4-第四透镜。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若用到术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

如图1-图3所示：一种低成本连续变倍红外物镜，其从物方到像方依次包括：前固定组、变倍组、第一补偿组和第二补偿组，所述前固定组、变倍组、第一补偿组和第二补偿组依次从左至右共光轴设置，在变焦过程中，所述变倍组、第一补偿组和第二补偿组沿光轴移动以进行长焦、中焦以及短焦的转换，所述前固定组保持原位；所述前固定组包括第一透镜1，所述变倍组包括第二透镜2，所述第一补偿组包括第三透镜3，所述第二补偿组包括第四透镜4，所述第二透镜2的物侧面、第三透镜3的物侧面和像侧面、第四透镜4的物侧面均为非球面。

所述第一透镜1为弯月形正透镜，所述第一透镜1的物侧面为凸面，像侧面为凹面，其屈光度为正，作为前固定组，可有效收缩光线，减小物镜的外形尺寸。所述第二透镜2为双凹形负透镜，所述第二透镜2的物侧面为凹面，像侧面为凹面，其屈光度为负，作为变倍组，能有效校正场曲、畸变。所述第三透镜3为弯月形正透镜，所述第三透镜3的物侧面为凸面，像侧面为凹面，其屈光度为正，作为第一补偿组，有效校正球差。所述第四透镜4为弯月形正透镜，所述第四透镜4的物侧面为凸面，像侧面为凹面，其屈光度为正，作为第二补偿组，能有效校正色差，同时也作为调焦组，调节远近距离的目标的成像效果和温度补偿。所述第二透镜2还设置有衍射面，所述衍射面制作于第二透镜2中的物侧面非球面基底上。

在本实施例中，针对分辨率640×512，像元尺寸17μm的非制冷红外探测器，设计出本光学系统的焦距f：20mm～150mm，F数：1.4，视场：30.4°×24.5°～4.1°×3.3°。更具体地，为提高像质，改善温度变化对像质的影响，第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4中均采用高次非球面。表1列出了第二透镜2的物侧表面S3，第三透镜3的物侧和像侧表面S5、S6，第四透镜4的物侧表面S7的非球面系数。

表1表面S3、S5、S6、S7的非球面系数

表面	K	A	B	C	D
						S3	0	5.31083E-07	1.90240E-10	-2.18987E-13	1.23613E-16
S5	0	3.09102E-06	-1.05775E-11	5.81131E-12	-4.26876E-15
						S6	0	4.16374E-06	-1.17874E-10	7.43719E-12	-6.56877E-15
S7	0	-4.50899E-07	-1.20185E-11	-1.11345E-12	7.99292E-16

上述透镜中的非球面满足关系式(偶次非球面方程定义如下)：

式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为y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。

表2列出了第二透镜(2)物侧的衍射面系数。

表2表面S3的衍射面系数

表面	衍射级次	中心波长(μm)	C1	C2
					S3	1	10	-1.3823E-04	7.8390E-08

其中C1、C2分别为衍射面2次项、4次项系数。

由于本实施例采用4个非球面、1个衍射面就达到了良好的成像质量，且工艺性好，能减少透镜数量非球面的数量，降低成本。

图4至图12为本实用新型低成本连续变倍红外物镜在20℃下的成像光学仿真数据图，其中图4至图6为光学传递函数(MTF)曲线图，横轴为每毫米线对数(lp/mm)，纵轴为对比度值；图7至图9为弥散斑(点列)图，图10至图12为畸变图。从图4至图12的图形曲线可以看出其温度为20℃下的MTF、弥散斑均方根值及畸变均在标准范围内，满足系统要求。

由此可见，本实用低成本连续变倍红外物镜有良好成像质量。

上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种低成本连续变倍红外物镜，其特征在于，从物方到像方依次包括：前固定组、变倍组、第一补偿组和第二补偿组，所述前固定组、变倍组、第一补偿组和第二补偿组依次从左至右共光轴设置，在变焦过程中，所述变倍组、第一补偿组和第二补偿组沿光轴移动以进行长焦、中焦以及短焦的转换，所述前固定组保持原位；所述前固定组包括第一透镜(1)，所述变倍组包括第二透镜(2)，所述第一补偿组包括第三透镜(3)，所述第二补偿组包括第四透镜(4)，所述第二透镜(2)的物侧面、第三透镜(3)的物侧面和像侧面、第四透镜(4)的物侧面均为非球面。

2.根据权利要求1所述的低成本连续变倍红外物镜，其特征在于：所述第一透镜(1)为弯月形正透镜，所述第一透镜(1)的物侧面为凸面，像侧面为凹面，其屈光度为正。

3.根据权利要求2所述的低成本连续变倍红外物镜，其特征在于：所述第二透镜(2)为双凹形负透镜，所述第二透镜(2)的物侧面为凹面，像侧面为凹面，其屈光度为负。

4.根据权利要求3所述的低成本连续变倍红外物镜，其特征在于：所述第三透镜(3)为弯月形正透镜，所述第三透镜(3)的物侧面为凸面，像侧面为凹面，其屈光度为正。

5.根据权利要求4所述的低成本连续变倍红外物镜，其特征在于：所述第四透镜(4)为弯月形正透镜，所述第四透镜(4)的物侧面为凸面，像侧面为凹面，其屈光度为正。

6.根据权利要求1-5任一所述的低成本连续变倍红外物镜，其特征在于：所述第二透镜(2)设置有衍射面，所述衍射面制作于第二透镜(2)中的物侧面非球面基底上。

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