CN216285938U - 一种小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头 - Google Patents

一种小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头 Download PDF

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CN216285938U CN202121893069.3U CN202121893069U CN216285938U CN 216285938 U CN216285938 U CN 216285938U CN 202121893069 U CN202121893069 U CN 202121893069U CN 216285938 U CN216285938 U CN 216285938U
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Abstract

本申请提供一种小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头,镜头中设置的镜片包括前固定组、变倍组、补偿组、调焦组、后固定组以及探测器;前固定组具有正光焦度,包括第一透镜和第二透镜;第一透镜为一片凸面硅单晶正透镜;第二透镜为一片凸面锗单晶负透镜;变倍组具有负光焦度;补偿组具有正光焦度;调焦组件具有正光焦度,包括第五透镜,第五透镜为一片凸面锗单晶正透镜;后固定组具有正光焦度,包括第六透镜和第七透镜;第六透镜为一片凸面锗单晶正透镜,第七透镜为一片凸面单晶正透镜,探测器包括沿第一方向依次设置的保护窗口、冷屏、冷光阑和像面。本申请提供一种小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头具有大变倍比,成像优良,光轴稳定。

Description

一种小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头
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小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头。
背景技术
随着光学工艺的进步和红外探测技术的发展,红外连续变焦系统得到了长足的进展,在民用和军用领域都有着广泛应用。
变焦光学系统相比定焦光学系统更具灵活性,可根据应用场景及目标距离选择合适的倍率进行观测,大视场时可用于进行远距离大范围目标搜索,小视场时可实现高精度识别跟踪目标的功能,切换视场过程可保证目标不丢失。
红外探测系统根据探测器可分为中波制冷型和长波非制冷型,中波制冷型探测器相对于非制冷型探测器,灵敏度高,探测距离远,相应速度快,主要应用于舰船、机载等红外探测告警设备。
中波红外连续变焦镜头,出于对成像质量的考虑,通常变倍比不会很大,较难做到大变倍比与高成像质量之间的平衡。因此迫切需要一种大变倍比且成像质量又相对较高的连续变焦镜头,同时兼顾小体积、轻重量,光轴稳定的特点。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足,期望提供一种小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头。
本申请提供一种小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头,镜头中设置的镜片沿第一方向依次包括前固定组、变倍组、补偿组、调焦组、后固定组以及探测器;所述第一方向由物方指向像方;
所述前固定组具有正光焦度,包括依次沿所述第一方向设置的第一透镜和第二透镜;所述第一透镜为一片凸面朝向物方的弯月形的硅单晶正透镜,其两面均为球面;所述第二透镜为一片凸面朝向物方的弯月形的锗单晶负透镜,其朝向像方的一侧为非球面;
所述变倍组具有负光焦度,包括第三透镜;所述第三透镜朝向物方的一侧为非球面;
所述补偿组具有正光焦度,包括第四透镜;所述第四透镜朝向像方的一侧为非球面;
所述调焦组件具有正光焦度,包括第五透镜,所述第五透镜为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜,其凹面为衍射面;
所述后固定组具有正光焦度,包括依次沿所述第一方向设置的第六透镜和第七透镜;所述第六透镜为一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜,其凹面为衍射面;所述第七透镜为一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜,其凹面为非球面;
所述探测器包括沿第一方向依次设置的保护窗口、冷屏、冷光阑和像面。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述第三透镜的总移动行程为14.58mm。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述第四透镜的总移动行程为13.56mm。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述第五透镜的总移动行程为0.5mm。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述镜头满足如下参数:
所述镜头的有效焦距EFL=16~280mm,F数=5.5,光学系统总长=101.3mm,所述探测器分辨率为640*512,像元大小15um,适配波段3.7~4.8um。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述镜头的水平视场角范围为2w=27°~1.5°。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式:
Figure BDA0003210425330000021
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。
根据本申请实施例提供的技术方案,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。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述第一透镜靠近所述物方的表面镀类金刚石碳膜。
根据本申请实施例提供的技术方案,所述镜头的全视场的平均MTF>0.63@20lp/mm。
本申请的有益效果在于:本申请提供的一种小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头具有17.5倍变倍比,光学系统总长为101.3mm,最大口径44mm,整个变焦范围内成像质量优良;由于变倍组和补偿组均只有一片透镜,因此可以更好的保证变焦过程中的光轴稳定性;同时本申请结构紧凑,变焦曲线平滑,镜片最大移动量为14.58mm,因此兼具体积小,重量轻,便于携带的优点;由于使用折射式光学结构,因此装调简便,易于量产。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1是本实用新型提供的小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为280mm时的光学系统图;
图2是本实用新型提供的小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为280mm时的点列图;
图3是本实用新型提供的小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为280mm时的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm);
图4是本实用新型提供的小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为280mm时的场曲畸变图;
图5是本实用新型提供的小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为16mm时的光学系统图;
图6是本实用新型提供的小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为16mm时的点列图;
图7是本实用新型提供的小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为16mm时的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm);
图8是本实用新型提供的小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头的焦距为16mm时的场曲畸变图;
图中标号:
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;100:物空间;101:保护窗口;102:冷屏;103:像面;S1-S14:透镜各个表面;S15:冷光阑。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明,而非对该发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
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15um凝视型焦平面探测器的例子。
图1、图5分别为本实用新型在焦距280mm,16mm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,本申请提供一种小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头,镜头中设置的镜片沿第一方向依次包括前固定组、变倍组、补偿组、调焦组、后固定组以及探测器;所述第一方向由物方指向像方;所述物方即物空间100;
所述前固定组具有正光焦度,包括依次沿所述第一方向设置的第一透镜L1和第二透镜L2;所述第一透镜L1为一片凸面朝向物方的弯月形的硅单晶正透镜,其两面均为球面;所述第二透镜L2为一片凸面朝向物方的弯月形的锗单晶负透镜,其朝向像方的一侧为非球面;
具体的,如图1所示,所述第一透镜L1的两面分别为面S1和面S2;所述第二透镜L2朝向物方的一侧为S3,朝向像方的一侧为S4;
所述变倍组具有负光焦度,包括第三透镜L3;所述第三透镜L3朝向物方的一侧为非球面;
具体的,所述第三透镜L3为双凹形负透镜,材质为锗单晶;如图1所示,所述第三透镜L3朝向物方的一侧为面S5,朝向像方的一侧为面S6。
所述补偿组具有正光焦度,包括第四透镜L4;所述第四透镜L4朝向像方的一侧为非球面;
具体的,所述第四透镜L4为双凸形的正透镜,材质为硒化锌;如图1所示,所述第四透镜L4朝向物方的一侧为面S7,朝向像方的一侧为面S8。所述第四透镜L4为移动镜片,当变倍组镜片移动时,第四透镜L4做相应的移动从而保证像面位置不变。
所述调焦组件具有正光焦度,包括第五透镜L5,所述第五透镜L5为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜,其凹面为衍射面;
具体的,如图1所示,所述第五透镜L5朝向物方的一侧为面S9,朝向像方的一侧(也即凹面)为面S10;当目标距离发生改变或工作温度发生变化时,可利用所述第五透镜L5重新聚焦。
所述后固定组具有正光焦度,包括依次沿所述第一方向设置的第六透镜L6和第七透镜L7;所述第六透镜L6为一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜,其凹面为衍射面;所述第七透镜L7为一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜,其凹面为非球面;
具体的,如图1所示,所述第六透镜L6朝向物方的一侧为面S11,面S11为衍射非球面;朝向像方的一侧为面S12;
所述第七透镜L7朝向物方的一侧为面13,朝向像方的一侧为面14。
所述探测器包括沿第一方向依次设置的保护窗口101、冷屏102、冷光阑S15和像面103。
具体的,所述探测器为中波制冷探测器。
具体的,如表1所示为本实用新型在焦距280mm,16mm时的光学结构参数,供本领域技术人员进行参考:
Figure BDA0003210425330000061
表-1
本申请提供的一种小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头具有17.5倍变倍比,光学系统总长为101.3mm,最大口径44mm,整个变焦范围内成像质量优良;由于变倍组和补偿组均只有一片透镜,因此可以更好的保证变焦过程中的光轴稳定性;同时本申请结构紧凑,变焦曲线平滑,镜片最大移动量为14.58mm,因此兼具体积小,重量轻,便于携带的优点;由于使用折射式光学结构,因此装调简便,易于量产。
其中,在所述第三透镜L3的优选实施方式中,所述第三透镜的总移动行程为14.58mm。
其中,在所述第四透镜L3的优选实施方式中,所述第四透镜的总移动行程为13.56mm。
其中,在所述第五透镜L3的优选实施方式中,所述第五透镜的总移动行程为0.5mm。
其中,在所述镜头的优选实施方式中,所述镜头满足如下参数:
所述镜头的有效焦距EFL=16~280mm,F数=5.5,光学系统总长=101.3mm,所述探测器分辨率为640*512,像元大小15um,适配波段3.7~4.8um。
其中,在所述镜头的优选实施方式中,所述镜头的水平视场角范围为2w=27°~1.5°。
其中,在所述镜头的优选实施方式中,所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式:
Figure BDA0003210425330000071
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。
具体的,如表2所示为面S4、S5、S8、S10、S11、S13的非球面系数:
表面 4th 6th 8th 10th 12th
S4 5.412E-07 2.408E-09 -1.124E-11 3.296E-14 -3.379E-17
S5 5.066E-05 -8.766E-07 2.331E-08 -3.225E-10 1.757E-12
S8 2.709E-05 -2.874E-08 -1.885E-09 3.89E-011 -2.238E-13
S10 -1.006E-04 2.376E-05 -2.919E-06 1.841E-07 -4.439E-09
S11 -1.394E-03 -1.93E-05 8.929E-07 -2.315E-07 3.933E-09
S13 5.718E-04 -1.028E-05 2.364E-07 -6.3E-09 6.472E-11
表-2
其中,在所述镜头的优选实施方式中,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。
具体的,如表3所示为面S10、S11的衍射系数A1、A2
表面 A<sub>1</sub> A<sub>2</sub>
S10 -34.427 -2.856
S12 -45.137 -8.845
表-3
其中,在所述镜头的优选实施方式中,所述第一透镜L1靠近物方的表面S1镀类金刚石碳膜。
优选的,面S2-面S14均镀增透膜;
其中,在所述镜头的优选实施方式中,所述镜头的全视场的平均MTF>0.63@20lp/mm。
为了便于说明本申请的有益效果,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为图1所述的小型化大变倍比中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为点列图;图3为MTF图;图4为场曲畸变图;
图6-图8为图5所述的小型化大变倍比中波红外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6为点列图;图7为MTF图;图8是场曲畸变图。
从图中可知,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斑大小,MTF良好,畸变<4%。
所述镜头的有效焦距EFL=16~280mm,F数=5.5,光学系统总长=101.3mm,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=27°~1.5°。
由此可见,本实用小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头具有良好的成像质量。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解,本申请中所涉及的发明范围,并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案,同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下,由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头,其特征在于,镜头中设置的镜片沿第一方向依次包括前固定组、变倍组、补偿组、调焦组、后固定组以及探测器;所述第一方向由物方指向像方;
所述前固定组具有正光焦度,包括依次沿所述第一方向设置的第一透镜和第二透镜;所述第一透镜为一片凸面朝向物方的弯月形的硅单晶正透镜,其两面均为球面;所述第二透镜为一片凸面朝向物方的弯月形的锗单晶负透镜,其朝向像方的一侧为非球面;
所述变倍组具有负光焦度,包括第三透镜;所述第三透镜朝向物方的一侧为非球面;
所述补偿组具有正光焦度,包括第四透镜;所述第四透镜朝向像方的一侧为非球面;
所述调焦组件具有正光焦度,包括第五透镜,所述第五透镜为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜,其凹面为衍射面;
所述后固定组具有正光焦度,包括依次沿所述第一方向设置的第六透镜和第七透镜;所述第六透镜为一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜,其凹面为衍射面;所述第七透镜为一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜,其凹面为非球面;
所述探测器包括沿第一方向依次设置的保护窗口、冷屏、冷光阑和像面。
2.根据权利要求1所述的小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头,其特征在于,所述第三透镜的总移动行程为14.58mm。
3.根据权利要求1所述的小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头,其特征在于,所述第四透镜的总移动行程为13.56mm。
4.根据权利要求1所述的小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头,其特征在于,所述第五透镜的总移动行程为0.5mm。
5.根据权利要求1所述的小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头,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=16~280mm,F数=5.5,光学系统总长=101.3mm,所述探测器分辨率为640*512,像元大小15um,适配波段3.7~4.8um。
6.根据权利要求1所述的小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头,其特征在于,所述镜头的水平视场角范围为2w=27°~1.5°。
7.根据权利要求1所述的小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头,其特征在于,所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式:
Figure FDA0003210425320000021
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。
8.根据权利要求1所述的小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头,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。
9.根据权利要求1所述的小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头,其特征在于,所述第一透镜靠近所述物方的表面镀类金刚石碳膜。
10.根据权利要求1所述的小型化大变倍比中波红外连续变焦镜头,其特征在于,所述镜头的全视场的平均MTF>0.63@20lp/mm。
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