CN109387931B - 一种短波红外连续变焦镜头 - Google Patents

一种短波红外连续变焦镜头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及短波红外成像技术领域，针对现有连续变焦***在环境温度发生变化时，变焦过程中只在某个焦距位置时图像清晰，其余焦距位置图像模糊甚至不能成像，易造成目标丢失的问题，提供一种短波红外连续变焦镜头。镜头包括前固定组、变倍组、孔径光阑、补偿组以及后固定组；前固定组自左向右依次为第一负透镜、第一双凸正透镜和第一弯月形正透镜；变倍组自左向右依次为第一双胶合透镜和第二双凹负透镜；补偿组自左向右依次为第二双凸正透镜和第二双胶合透镜；后固定组自左向右依次为第三双凹负透镜、第三弯月形正透镜、第三负透镜和第四双凸正透镜；前固定组根据环境温度沿光轴方向左右移动；变倍组与补偿组沿光轴方向左右移动。

Description

一种短波红外连续变焦镜头
技术领域
本发明涉及短波红外成像技术领域，具体涉及一种短波红外连续变焦镜头。
背景技术
短波红外波段(0.9～1.7μm)的光能量在能见度较低的雾、雨、尘等条件下具有较高的透过率，且在满月和大气辉光条件下夜空的光谱辐射集中在短波红外波段，故短波红外成像***可在低照度条件、低能见度的雾、雨、尘等条件下对物体清晰成像。
此外，与长波、中波红外成像利用景物自身发射的热辐射不同，短波成像主要利用室温物体反射环境中普遍存在的短波红外辐射进行成像。与可见光成像***类似，当物体的温度升高到能发射足够强的短波红外辐射时，短波红外成像亦可接收物体自身辐射的短波能量进行成像。
因此，相较于可见光***，短波红外成像***具有昼夜成像，低照度、低能见度的雾、雨、尘条件下成像灵敏度高的特点；相较长波、中波红外成像，短波红外成像具有分辨率高、无需低温制冷、可采用低成本可见光透镜、尺寸小、功率低的特点。
连续变焦***具有对目标大范围观测与小范围详查的特点。然而，当环境温度发生变化时，导致光学元件的折射率、曲率、厚度、间隔发生改变，使成像***的最佳像面位置发生偏移。特别对于连续变焦***来说，不同焦距位置的最佳焦面位置不同，则导致***在变焦过程中只在某个焦距位置时图像清晰，其余焦距位置图像模糊甚至不能成像，造成目标的丢失，不能满足对目标持续跟踪、监视的应用需求。
发明内容
本发明的目的是克服现有连续变焦***在环境温度发生变化时，变焦过程中只在某个焦距位置时图像清晰，其余焦距位置图像模糊甚至不能成像，易造成目标丢失的不足，而提供一种短波红外连续变焦镜头。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种短波红外连续变焦镜头，其特殊之处在于：包括自左向右依次同轴设置的光焦度为正的前固定组、光焦度为负的变倍组、孔径光阑、光焦度为正的补偿组以及光焦度为正的后固定组；前固定组的左侧为物方，后固定组的右侧为像方；所述前固定组由三个透镜组成，自左向右依次为凹面向孔径光阑的第一负透镜、第一双凸正透镜和第一弯月形正透镜；所述变倍组由三个透镜组成，自左向右依次为光焦度为负的第一双胶合透镜和第二双凹负透镜，第一双胶合透镜自左向右由第二弯月形正透镜和第一双凹负透镜组成；所述补偿组由三个透镜组成，自左向右依次为第二双凸正透镜和光焦度为正的第二双胶合透镜；第二双胶合透镜自左向右由凹面背向孔径光阑的第二负透镜和第三双凸正透镜组成；所述孔径光阑设置在第二双凸正透镜的表面；所述后固定组由四个透镜组成，自左向右依次为第三双凹负透镜、第三弯月形正透镜、凹面弯向孔径光阑的第三负透镜和第四双凸正透镜；所述前固定组可根据环境温度沿光轴方向左右移动，用于补偿镜头长焦端热差；所述变倍组与补偿组可沿光轴方向左右移动，用于实现连续变焦成像。
进一步地，当环境温度由t变化到t’时，所述前固定组向像方移动；当环境温度由t变化到t”时，所述前固定组向物方移动；其中，0℃＜t＜40℃，-60℃≤t’≤0℃，40℃≤t”≤75℃。
进一步地，从短焦状态向长焦状态变化时，变倍组与补偿组相向移动；从长焦状态向短焦状态变化时，变倍组与补偿组相背移动。
进一步地，上述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组满足如下关系式：
0.52≤f1/ft≤0.58；
-0.15≤f2/ft≤-0.10；
0.13≤f3/ft≤0.16；
0.82≤f4/ft≤0.86；
0.28≤β2w/β2t≤0.32；
β2w≤-0.30；
其中，f1是前固定组的焦距值，
f2是变倍组的焦距值，
f3是补偿组的焦距值，
f4是后固定组的焦距值，
ft是镜头最长焦的焦距值，
β2w为变倍组在短焦时的放大率，
β2t为变倍组在长焦时的放大率。
进一步地，为校正***二级光谱，上述第一双凸正透镜、第二弯月形正透镜材料均采用HFK61。选用低色散玻璃材料可以校正0.95～1.7μm波段的二级光谱像差。
进一步地，所述第一负透镜与第一双凸正透镜间隔为0.6～1mm，所述第一双凸正透镜与第一弯月形正透镜间隔为0.2～0.6mm；所述第一胶合透镜与第二双凹负透镜的间隔为4～4.8mm；所述第二双凸正透镜与第二双胶合透镜的间隔为0.2～0.6mm；所述第三双凹负透镜与第三弯月形正透镜的间隔为0.2～0.6mm；所述第三弯月形正透镜与第三负透镜的间隔为23～23.5mm；所述弯月形第三负透镜与第四双凸正透镜的间隔为1.5～2mm。
进一步地，所述前固定组与变倍组之间的空气间隔为6.00mm～48.35mm；所述变倍组与补偿组之间的空气间隔为3.00mm～64.24mm；所述补偿组与后固定组之间的空气间隔为3.00mm～21.89mm；所述第四双凸正透镜与像方间的空气间隔为8.5～10mm。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明提供的镜头采用正组补偿两组元(变倍组与补偿组)轴向移动变焦的形式，变倍组2与补偿组3在变焦过程中沿光轴方向相对运动，实现短波红外连续变焦镜头像面位置的稳定；实现了在短波红外波段连续变焦成像的能力，变焦形式简单，结构紧凑；具有大变倍比与大视场的特点。
2、本发明提供的镜头的前固定组作为调焦组，通过调节前固定组1的轴向位置进行调焦，变焦过程中可在宽温度范围(-60℃～75℃)内保持良好的焦面一致性。
3、本发明提供的镜头结构简单、重量轻、焦距值变化量小。在宽温度范围(-60℃～75℃)内，各视场在空间频率33lp/mm处的传递函数均大于0.5，具有很好的成像质量。
附图说明
图1是本发明实施例的短焦结构示意图；
图2是本发明实施例的中焦结构示意图；
图3是本发明实施例的长焦结构示意图；
图4是常温下，本发明实施例的长焦位置光学传递函数；
图5是常温下，本发明实施例的中焦位置光学传递函数；
图6是常温下，本发明实施例的短焦位置光学传递函数；
图7是-60℃时，本发明实施例中前固定组(调焦组)沿光线入射方向(向像方)移动0.1mm，镜头长焦位置光学传递函数；
图8是-60℃时，本发明实施例中前固定组(调焦组)位置不变，镜头中焦位置光学传递函数；
图9是-60℃时，本发明实施例中前固定组(调焦组)位置不变，镜头短焦位置光学传递函数；
图10是75℃时，本发明实施例中前固定组(调焦组)逆光线入射方向(向物方)移动0.15mm，镜头长焦位置光学传递数；
图11是75℃时，本发明实施例中前固定组(调焦组)位置不变，镜头中焦位置光学传递函数；
图12是75℃时，本发明实施例中前固定组(调焦组)位置不变，镜头短焦位置光学传递函数；
图13是本发明实施例长焦位置场曲、畸变曲线；
图14是本发明实施例中焦位置场曲、畸变曲线；
图15是本发明实施例短焦位置场曲、畸变曲线。
图中各标号的说明如下：
1—前固定组；
11—第一负透镜，12—第一双凸正透镜、13—第一弯月形正透镜；
2—变倍组；
21—第二弯月形正透镜、22—第一双凹负透镜、23—第二双凹负透镜；
3—补偿组；
31—第二双凸正透镜、32—第二负透镜、33—第三双凸正透镜；
4—后固定组；41—第三双凹负透镜、42—第三弯月形正透镜、43—第三负透镜、44—第四双凸正透镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例提供一种短波红外连续变焦镜头，其靶面尺寸为9.6mm×7.68mm，适用于探测器类型为InGaAS，像元尺寸为15μm，640×512分辨率的短波红外非制冷探测器。镜头总长为160mm，最大口径47mm，具有透过率高、成本低、体积小、重量轻的特点；镜头工作波段0.95～1.7μm短波红外波段，F#：3.6～5.5；焦距17.5～175mm范围内连续变焦，水平视场角31.6°～3.05°，适用于9.6×7.68mm短波红外探测器。可在-60℃～75℃的宽温度范围内的连续变焦过程中保持图像的清晰稳定，大大提高镜头的稳定性、环境适应性，减小目标在跟踪、监视过程中的丢失概率，并提高了在低照度、低能见度环境下目标的探测灵敏度。
镜头的镜筒材料使用常用的铝合金材料，其热膨胀系数为236×10-7/K。镜头材料全部使用常用的可见光玻璃，且全部为球面，大大降低了镜头的成本与加工难度，提高了可靠性。
如图1至图3所示，短波红外连续变焦镜头包括自左向右依次同轴设置的光焦度为正的前固定组1、光焦度为负的变倍组2、孔径光阑(图中未示出)、光焦度为正的补偿组3以及光焦度为正的后固定组4；前固定组1的左侧为物方，后固定组4的右侧为像方；第一双凸正透镜12、第二弯月形正透镜13材料均采用HFK61。
前固定组1由三个透镜组成，自左向右依次为凹面向孔径光阑的第一负透镜11、第一双凸正透镜12和第一弯月形正透镜13。
变倍组2由三个透镜组成，自左向右依次为光焦度为负的第一双胶合透镜和第二双凹负透镜23，第一双胶合透镜自左向右由第二弯月形正透镜21和第一双凹负透镜22组成。
补偿组3由三个透镜组成，自左向右依次为第二双凸正透镜31和光焦度为正的第二双胶合透镜；第二双胶合透镜自左向右由凹面背向孔径光阑的第二负透镜32和第三双凸正透镜33组成。
孔径光阑设置在第二双凸正透镜31的表面。
后固定组4由四个透镜组成，自左向右依次为第三双凹负透镜41、第三弯月形正透镜42、凹面弯向孔径光阑的第三负透镜43和第四双凸正透镜44；
第一负透镜11与第一双凸正透镜12间隔为0.88mm，第一双凸正透镜12与第一弯月形正透镜13间隔为0.5mm；第一胶合透镜与第二双凹负透镜23的间隔为4.56mm；第二双凸正透镜31与第二双胶合透镜的间隔为0.5mm；第三双凹负透镜41与第三弯月形正透镜42的间隔为0.5mm；第三弯月形正透镜42与第三负透镜43的间隔为23.2mm；弯月形第三负透镜43与第四双凸正透镜44的间隔为1.6mm。
前固定组1与变倍组2之间的空气间隔为6.00mm～48.35mm；变倍组2与补偿组3之间的空气间隔为3.00mm～64.24mm；补偿组3与后固定组4之间的空气间隔为3.00mm～21.89mm；第四双凸正透镜44与像方间的空气间隔为9mm。
前固定组1、变倍组2、补偿组3、后固定组4满足如下关系式：
0.52≤f1/ft≤0.58；
-0.15≤f2/ft≤-0.10；
0.13≤f3/ft≤0.16；
0.82≤f4/ft≤0.86；
0.28≤β2w/β2t≤0.32；
β2w≤-0.30；
其中，f1是前固定组1的焦距值，
f2是变倍组2的焦距值，
f3是补偿组3的焦距值，
f4是后固定组4的焦距值，
ft是镜头最长焦的焦距值，
β2w为变倍组2在短焦时的放大率，
β2t为变倍组2在长焦时的放大率。
前固定组1可根据环境温度沿光轴方向左右移动，用于补偿镜头长焦端热差；当环境温度由t变化到t’时，所述前固定组1向像方移动；当环境温度由t变化到t”时，所述前固定组1向物方移动；其中，0℃＜t＜40℃，-60℃≤t’≤0℃，40℃≤t”≤75℃。
变倍组2与补偿组3可沿光轴方向左右移动，用于实现连续变焦成像。从短焦状态向长焦状态变化时，变倍组2与补偿组3相向移动；从长焦状态向短焦状态变化时，变倍组2与补偿组3相背移动。即变倍组2与前固定组1之间的空气间隔一直变大；补偿组3与后固定组4之间的空气间隔一直变大；变倍组2与补偿组3之间的空气间隔一直变小。
在宽温度范围(-60℃～75℃)内，镜头长焦的图像通过前固定组(调焦组)调节清晰后，保持前固定组(调焦组)位置不变；通过调整变倍组与补偿组，可对不同距离的物体清晰成像，并使环境温度变化时镜头各焦距位置的像面位置保持一致，即各焦距位置齐焦面。
图4至图6是常温下，本发明实施例的长焦位置、中焦位置、短焦位置的光学传递函数。
如图7至图9所示，当环境温度为-60℃时，镜头长焦端像质有所下降，前固定组1(调焦组)沿光线方向移动0.1mm后，镜头长焦端像质与常温下相同。
如图7所示，此时镜头焦距变化量为0.5mm，保持前固定组1(调焦组)位置不变，将镜头由长焦位置连续变焦到短焦位置，在变焦过程中，镜头焦面位置稳定不变，且各焦距位置均有较好的成像质量。
如图8、图9所示，镜头中焦、短焦位置传递函数在33lp/mm处均大于0.5，与常温时相同，且焦距变化量分别为0.2mm、0.03mm，各焦距位置焦距值变化量很小。
如图10至图12所示，当环境温度为75℃时，镜头长焦端像质有所下降，前固定组1(调焦组)逆光线方向(向物方)移动0.15mm后，镜头长焦端像质与常温下相同。
如图10所示，此时镜头焦距变化量为0.64mm，保持前固定组1(调焦组)位置不变，将镜头由长焦位置连续变焦到短焦位置，在变焦过程中，镜头焦面位置稳定不变，且各焦距位置均有较好的成像质量。
如图11、图12所示，镜头中焦、短焦位置传递函数在33lp/mm处均大于0.5，与常温时相同，且焦距变化量分别为0.22mm、0.05mm，各焦距位置焦距值变化量很小。
由表1可以看出，温度变化后，***焦距变化量很小，***工作稳定可靠。
表1本发明在不同温度下***的焦距值
由图13至图15宽温度范围齐焦面设计的短波红外连续变焦镜头的场曲、畸变图可以看出，镜头的长、中、短焦畸变均小于2％，人眼不易察觉，具有很好的成像效果。

Claims (7)

1.一种短波红外连续变焦镜头，其特征在于：包括自左向右依次同轴设置的光焦度为正的前固定组(1)、光焦度为负的变倍组(2)、孔径光阑、光焦度为正的补偿组(3)以及光焦度为正的后固定组(4)；前固定组(1)的左侧为物方，后固定组(4)的右侧为像方；
所述前固定组(1)由三个透镜组成，自左向右依次为凹面向孔径光阑的第一负透镜(11)、第一双凸正透镜(12)和第一弯月形正透镜(13)；
所述变倍组(2)由三个透镜组成，自左向右依次为光焦度为负的第一双胶合透镜和第二双凹负透镜(23)，第一双胶合透镜自左向右由第二弯月形正透镜(21)和第一双凹负透镜(22)组成；
所述补偿组(3)由三个透镜组成，自左向右依次为第二双凸正透镜(31)和光焦度为正的第二双胶合透镜；第二双胶合透镜自左向右由凹面背向孔径光阑的第二负透镜(32)和第三双凸正透镜(33)组成；
所述孔径光阑设置在第二双凸正透镜(31)靠近物方的表面；
所述后固定组(4)由四个透镜组成，自左向右依次为第三双凹负透镜(41)、第三弯月形正透镜(42)、凹面弯向孔径光阑的第三负透镜(43)和第四双凸正透镜(44)；
所述前固定组(1)可根据环境温度沿光轴方向左右移动，用于补偿镜头长焦端热差；所述变倍组(2)与补偿组(3)可沿光轴方向左右移动，用于实现连续变焦成像；
具有光焦度的光学元件仅为上述十三片透镜。
2.根据权利要求1所述的一种短波红外连续变焦镜头，其特征在于：
当环境温度由t变化到t’时，所述前固定组(1)向像方移动；
当环境温度由t变化到t”时，所述前固定组(1)向物方移动；
其中，0℃＜t＜40℃，-60℃≤t’≤0℃，40℃≤t”≤75℃。
3.根据权利要求2所述的一种短波红外连续变焦镜头，其特征在于：从短焦状态向长焦状态变化时，变倍组(2)与补偿组(3)相向移动；从长焦状态向短焦状态变化时，变倍组(2)与补偿组(3)相背移动。
4.根据权利要求3所述的一种短波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述前固定组(1)、变倍组(2)、补偿组(3)、后固定组(4)满足如下关系式：
0.52≤f1/ft≤0.58；
-0.15≤f2/ft≤-0.10；
0.13≤f3/ft≤0.16；
0.82≤f4/ft≤0.86；
0.28≤β2w/β2t≤0.32；
β2w≤-0.30；
其中，f1是前固定组(1)的焦距值，
f2是变倍组(2)的焦距值，
f3是补偿组(3)的焦距值，
f4是后固定组(4)的焦距值，
ft是镜头最长焦的焦距值，
β2w为变倍组(2)在短焦时的放大率，
β2t为变倍组(2)在长焦时的放大率。
5.根据权利要求4所述的一种短波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述第一双凸正透镜(12)、第二弯月形正透镜(21)材料均采用HFK61。
6.根据权利要求1至5任一所述的一种短波红外连续变焦镜头，其特征在于：所述第一负透镜(11)与第一双凸正透镜(12)间隔为0.6～1mm，
所述第一双凸正透镜(12)与第一弯月形正透镜(13)间隔为0.2～0.6mm；
所述第一双胶合透镜与第二双凹负透镜(23)的间隔为4～4.8mm；
所述第二双凸正透镜(31)与第二双胶合透镜的间隔为0.2～0.6mm；
所述第三双凹负透镜(41)与第三弯月形正透镜(42)的间隔为0.2～0.6mm；
所述第三弯月形正透镜(42)与第三负透镜(43)的间隔为23～23.5mm；
所述第三负透镜(43)与第四双凸正透镜(44)的间隔为1.5～2mm。
7.根据权利要求6所述的一种短波红外连续变焦镜头，其特征在于：
所述前固定组(1)与变倍组(2)之间的空气间隔为6.00mm～48.35mm；
所述变倍组(2)与补偿组(3)之间的空气间隔为3.00mm～64.24mm；
所述补偿组(3)与后固定组(4)之间的空气间隔为3.00mm～21.89mm；
所述第四双凸正透镜(44)与像方间的空气间隔为8.5～10mm。
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