CN104317040B - 非制冷高变倍比连续变焦光学*** - Google Patents

非制冷高变倍比连续变焦光学*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及非制冷高变倍比连续变焦光学***，包括从物方到像方依次同轴设置的第一弯月正透镜、第二双凹负透镜、第三双凸正透镜、光阑、第四弯月负透镜、第五弯月正透镜和探测器，所述第二双凹负透镜、第三双凸正透镜沿轴向在第一弯月正透镜与光阑之间反向移动，分别构成窄视场光路和宽视场光路；本发明利用机械补偿法连续变焦原理，通过变倍组与补偿组的相对运动来实现连续变焦，能够实现的变倍比范围为12～25倍；采用非球面来改善像质，并使连续变焦光学***的光路总长更短；由于整个光学***仅采用了5块透镜，光学***具有很高的透过率，光能利用率高。

Description

非制冷高变倍比连续变焦光学***
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种非制冷高变倍比连续变焦光学***。
背景技术
红外连续变焦热像仪是一种焦距可连续变化、而像面位置保持稳定并且在变焦过程中像质保持良好的成像***。定焦红外热像仪在像面上欲得到不同大小的像，必须改变目标物体与镜头之间的距离或更换不同焦距的镜头。而红外连续变焦热像仪可以连续改变***焦距，因此，可以在像面上得到连续改变大小的目标像，对于光电探测及侦察、跟踪等都非常有利。
非致冷红外热像仪由于不需致冷并且价格低廉,在电力、消防、工业、医疗、安防等民用领域应用非常广泛。红外光学***在非制冷热像仪中起着非常重要的作用，各种各样的单视场、双视场、多视场、连续变焦镜头得到了广泛应用。其中，非致冷连续变焦镜头的应用尤为重要。
非制冷高变倍比连续变焦光学***在导航、搜索、侦察等军用、警用领域的应用需求非常广泛。然而，通常的非致冷连续变焦镜头变倍比在4到5倍之间，难以满足使用需求。中国专利ZL201010516394.8公开了一种非制冷双视场红外光学***，该***的变焦镜头变倍比为3倍，实现的变倍比范围一般是2～5倍；该***采用物象共轭原理通过变倍透镜的轴向移动实现宽、窄视场光路的切换，从理论上讲，就只有两个位置能保证清晰成像，不能实现连续变焦，明显难以满足高变倍比连续变焦的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种非制冷高变倍比连续变焦光学***，以实现光学***的高变倍比、连续变焦。
为实现上述目的，本发明的非制冷高变倍比连续变焦光学***技术方案如下：包括从物方到像方依次同轴设置的第一弯月正透镜、第二双凹负透镜、第三双凸正透镜、光阑、第四弯月负透镜、第五弯月正透镜和探测器，所述第二双凹负透镜、第三双凸正透镜沿轴向在第一弯月正透镜与光阑之间反向移动，分别构成窄视场光路和宽视场光路,移动时第二双凹负透镜和第三双凸正透镜需满足如下方程式：
式中，f2'为第二双凹负透镜的焦距，f3'为第三双凸正透镜的焦距，β2s、β3s为第二双凹负透镜、第三双凸正透镜在宽视场位置的倍率，β2、β3为变倍过程中任一位置的第二双凹负透镜、第三双凸正透镜的倍率。
所述第二双凹负透镜向第一弯月正透镜方向移动，同时第三双凸正透镜向光阑方向移动实现窄视场向宽视场光路的切换；第二双凹透镜向光阑方向移动，同时第三双凸正透镜向着第二双凹透镜方向移动实现宽视场向窄视场光路的。
所述第二双凹负透镜处于A点、第三双凸正透镜处于A’点时***为窄视场光路，第一弯月正透镜与第二双凹负透镜间隔197.1mm、第二双凹负透镜与第三双凸正透镜间隔19.5mm、第三双凸正透镜与光阑4间隔35mm；第二双凹负透镜处于B点、第三双凸正透镜处于B’点时***为宽视场光路，第一弯月正透镜与第二双凹负透镜间隔38.3mm、第二双凹负透镜与第三双凸正透镜间隔211.8mm、第三双凸正透镜与光阑4间隔1.5mm；光阑4与第四弯月负透镜间隔18.3mm、第四弯月负透镜与第五弯月正透镜间隔40.8mm、第五弯月正透镜与探测器保护窗口间隔12mm。
所述窄视场焦距为200mm、宽视场焦距为10.7mm，变倍比18倍。
本发明的非制冷高变倍比连续变焦光学***，利用机械补偿法连续变焦原理，通过变倍组与补偿组的相对运动来实现连续变焦，能够实现的变倍比范围为12～25倍；采用非球面来改善像质，并使连续变焦光学***的光路总长更短；本发明的光学***具有高的变倍比和连续变化的光学视场，最宽光学视场用于目标的探测，最小光学视场用于目标的识别；采用非球面设计，使得连续变焦光学***设计的自由度变大，光学***优化设计可选择的变量增多，使得光学***像差设计易于达到优良结果，获得优良像质；由于整个光学***仅采用了5块透镜，光学***具有很高的透过率，光能利用率高。
附图说明
图1是实施例的窄视场光路图；
图2是实施例的中间视场a光路图；
图3是实施例的中间视场b光路图；
图4是实施例的宽视场光路图。
具体实施方式
如图1-4所示，非制冷变倍比连续变焦红外光学***包括从物方到像方依次同轴设置的第一弯月正透镜（物镜）1、第二双凹负透镜（变倍透镜）2、第三双凸正透镜（补偿透镜）3、光阑4、第四弯月负透镜（会聚透镜）5、第五弯月正透镜（会聚透镜）6和探测器7，第二双凹负透镜2、第三双凸正透镜3沿轴向在第一弯月正透镜1与光阑4之间反向移动，分别构成窄视场光路和宽视场光路。光学***具体参数如表1所示。
表1光学***参数表
上表中第二透镜的前表面、第三透镜的前表面和第五透镜的后表面所采用的非球面面型方程为：
其中z(r)为非球面的面型函数；r为垂直光轴方向的径向坐标；K为圆锥系数；R为球面顶点处的曲率半径；A为四阶非球面系数；B为六阶非球面系数；C为八阶非球面系数；D为十阶非球面系数。
非制冷变倍比连续变焦红外光学***中第二双凹负透镜和第三双凸正透镜的移动必须满足一定的函数关系，由几何光学理论可知第二双凹负透镜和第三双凸正透镜必须符合如下方程式：
式中，f2'为第二双凹负透镜的焦距，f3'为第三双凸正透镜的焦距，β2s、β3s为第二双凹负透镜、第三双凸正透镜在宽视场位置的倍率，β2、β3为变倍过程中任一位置的第二双凹负透镜、第三双凸正透镜的倍率。该光学***能够实现的变倍比范围为12～25倍。
如图1所示，当第二双凹负透镜2处于A点、第三双凸正透镜3处于A’点时构成光学***窄视场光路，第一弯月正透镜1与第二双凹负透镜2间隔197.1mm、第二双凹负透镜2与第三双凸正透镜3间隔19.5mm、第三双凸正透镜3与光阑4间隔35mm；如图2-4所示，当第二双凹负透镜2向第一弯月正透镜1方向移动，同时第三双凸正透镜3向光阑4方向移动，第二双凹负透镜2处于B点、第三双凸正透镜3处于B’点时构成光学***宽视场光路，实现窄视场向宽视场光路的切换，此时第一弯月正透镜1与第二双凹负透镜2间隔38.3mm、第二双凹负透镜2与第三双凸正透镜3间隔211.8mm、第三双凸正透镜3与光阑4间隔1.5mm；光阑4与第四弯月负透镜5间隔18.3mm、第四弯月负透镜5与第五弯月正透镜6间隔40.8mm、第五弯月正透镜6与探测器7保护窗口间隔12mm。当第二双凹透镜2向光阑4方向移动，同时第三双凸正透镜3向着第二双凹透镜2方向移动，且第二双凹负透镜2处于A点、第三双凸正透镜3处于A’点时，视场回到窄视场光路，在整个变焦过程中图像始终保持清晰。
窄视场焦距为200㎜、宽视场焦距为10.7mm，变倍比18倍。***采用一次成像的方式；***第一面到探测器保护玻璃的轴向空间长度为340mm。F数：1.2；全视场内畸变≤5%。适用的探测器为像素数320×240、像素大小25μm的非制冷长波红外焦平面探测器，适用波长：8μm～14μm；中心波长：10μm；有效成像面积：8mm×6mm；保护玻璃厚度为1mm材料为锗；距保护玻璃1.9mm为探测器像面。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限定本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.非制冷高变倍比连续变焦光学***，其特征在于：包括从物方到像方依次同轴设置的第一弯月正透镜、第二双凹负透镜、第三双凸正透镜、光阑、第四弯月负透镜、第五弯月正透镜和探测器，所述第二双凹负透镜、第三双凸正透镜沿轴向在第一弯月正透镜与光阑之间反向移动，分别构成窄视场光路和宽视场光路,当处于窄视场光路状态时，第二双凹负透镜与第一弯月正透镜的光学间隔为197.1mm，第三双凸正透镜与第一弯月正透镜的光学间隔为219.6mm；当处于宽视场光路状态时，第二双凹负透镜与第一弯月正透镜的光学间隔为38.3mm，第三双凸正透镜与第一弯月正透镜的光学间隔为253.1mm，移动时第二双凹负透镜和第三双凸正透镜需满足如下方程式：
f 3 ′ ( 1 β 3 + β 3 - 1 β 3 s - β 3 s ) + f 2 ′ ( 1 β 2 + β 2 - 1 β 2 s - β 2 s ) = 0
式中，f2'为第二双凹负透镜的焦距，取-41mm；f3'为第三双凸正透镜的焦距，取46.6mm；β2s、β3s为第二双凹负透镜、第三双凸正透镜在宽视场位置的倍率；β2、β3为变倍过程中任一位置的第二双凹负透镜、第三双凸正透镜的倍率。
2.根据权利要求1所述的非制冷高变倍比连续变焦光学***，其特征在于：距离第一弯月正透镜光学间隔197.1mm的第二双凹负透镜向第一弯月正透镜方向移动，同时距离第一弯月正透镜光学间隔219.6mm的第三双凸正透镜向光阑方向移动实现窄视场向宽视场光路的切换；距离第一弯月正透镜光学间隔38.3mm的第二双凹负透镜向光阑方向移动，同时距离第一弯月正透镜光学间隔253.1mm的第三双凸正透镜向着第二双凹负透镜方向移动实现宽视场向窄视场光路的切换。
3.根据权利要求1所述的非制冷高变倍比连续变焦光学***，其特征在于：所述第二双凹负透镜处于A点且第三双凸正透镜处于A’点时***为窄视场光路，第一弯月正透镜与第二双凹负透镜间隔197.1mm、第二双凹负透镜与第三双凸正透镜间隔19.5mm、第三双凸正透镜与光阑(4)间隔35mm；第二双凹负透镜处于B点且第三双凸正透镜处于B’点时***为宽视场光路，第一弯月正透镜与第二双凹负透镜间隔38.3mm、第二双凹负透镜与第三双凸正透镜间隔211.8mm、第三双凸正透镜与光阑(4)间隔1.5mm；光阑(4)与第四弯月负透镜间隔18.3mm、第四弯月负透镜与第五弯月正透镜间隔40.8mm、第五弯月正透镜与探测器保护窗口间隔12mm。
4.根据权利要求3所述的非制冷高变倍比连续变焦光学***，其特征在于：所述窄视场焦距为200mm、宽视场焦距为10.7mm，变倍比18倍。
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