CN205539681U - 一种大变倍比长波红外连续变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大变倍比长波红外连续变焦镜头。所述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、具有负光焦度的变倍组、具有正光焦度的补偿组、具有负光焦度的后固定组、具有正光焦度的调焦组、长波非制冷探测器。本实用新型可在25mm～225mm范围内连续变焦，变倍比达9倍，可实现从广角模式大范围监控到望远模式仔细观察，F数保持恒定为1.5，适于分辨率640×480、像元大小25μm的长波非制冷探测器。本实用新型所述镜头仅用5片透镜便可保证较高的透过率；光学***总长为251mm，结构紧凑，重量轻、体积小，具有良好的应用效果。

Description

一种大变倍比长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，涉及一种用于大变倍比长波红外探测器的连续变焦镜头。

背景技术

近年来红外成像技术日趋成熟，应用领域越来越广。特别是在用搜索、跟踪和识别的***中，大多数***使用双视场镜头，大视场用来搜索和发现目标，小视场用来识别目标。但是在切换视场过程中可能会造成目标的丢失，因此需要使用连续变焦镜头。但由于红外连续变焦镜头技术难度大、成本高，以及体积和重量方面的限制，红外连续变焦透镜应用尚不广泛。但是随着应用范围的增大，越来越多的客户需要红外连续变焦镜头，以解决双视场***在切换焦距时目标模糊问题，从而更好地实现对目标的搜索、跟踪和瞄准。因此迫切需要一种体积小、重量轻、变倍比大、适于量产的连续变焦镜头。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供一种光学总长短、体积小、装调方便、变倍比大、成像质量高的长波红外连续变焦镜头，仅采用5片透镜便可保证较高的光线透过率。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种大变倍比长波红外连续变焦镜头，包括由物方到像方依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、调焦组、探测器。

所述前固定组具有正光焦度，为一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜，表面类型均为球面。

所述变倍组具有负光焦度，为一片双凹形锗单晶负透镜，其朝向物方的一侧为衍射非球面。

所述补偿组具有正光焦度，为一片双凸形锗单晶正透镜，其朝向像方的一侧为衍射非球面。

所述后固定组具有负光焦度，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，其凹面为非球面。

所述探测器为长波非制冷探测器，包括保护窗口和像面，孔径光阑位于所述补偿组与所述后固定组之间，变焦过程中保持恒定。

进一步地，所述双凹形锗单晶负透镜的总移动行程为54.62mm。

进一步地，所述双凸形锗单晶正透镜的总移动行程为28.52mm。

进一步地，所述弯月形锗单晶正透镜的总移动行程为4.5mm。

进一步地，所述镜头的有效焦距EFL为25～225mm，F数为1.5，镜头的光学***总长为251mm。

进一步地，所述探测器的分辨率为640×480，像元大小为25μm。

进一步地，所述镜头的全视场的平均调制传递函数MTF在分辨率为20lp/mm(线对/毫米)时大于0.4。

进一步地，所述镜头的镜片中的偶次非球面满足下列表达式：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_2{r}^2+a_4{r}^4+a_6{r}^6+a_8{r}^8+a_{10}{r}^{10}+a_{12}{r}^{12}$

所述镜头的镜片中的奇次非球面满足下列表达式：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{r}^1+a_2{r}^2+a_3{r}^3+a_4{r}^4+a_5{r}^5+a_6{r}^6+a_7{r}^7$

其中，r为垂直光轴方向距离非球面顶点的位置半径，z为非球面沿光轴方向在r位置与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，a₁～a₁₂为高次非球面系数。

进一步地，所述镜头的镜片中的衍射面满足下列表达式：

Φ＝A₁ρ²+A₂ρ⁴

ρ＝r/r_n

其中，Φ为衍射面的位相，r为垂直光轴方向距离非球面顶点的位置半径，r_n为衍射面的规划半径，A₁、A₂为衍射面的位相系数。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：本实用新型的镜头仅采用5片透镜便可保证较高的光线透过率。全焦段光圈的F数为1.5，并且变焦过程中光圈恒定，拥有9倍变倍比，光学***总长为251mm，最大口径160mm。本实用新型的镜头结构紧凑，变焦曲线平滑，镜片最大移动量为54.62mm。变倍组和补偿组均只有一片透镜，这样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，无须调整反射镜，装调简便，易于量产。整个变焦范围内成像质量优良，全视场的平均调制传递函数MTF在分辨率为20lp/mm时大于0.4，畸变<5％。

附图说明

图1为实施例所涉及的镜头组成示意图；

图2为实施例所涉及的焦距为225mm时镜头的点列图；

图3为实施例所涉及的焦距为225mm时镜头的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm)；

图4为实施例所涉及的焦距为225mm时镜头的象散畸变图：(a)为场曲，(b)为畸变；

图5为实施例所涉及的焦距为105mm时镜头的点列图；

图6为实施例所涉及的焦距为105mm时镜头的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm)；

图7为实施例所涉及的焦距为105mm时镜头的象散畸变图：(a)为场曲，(b)为畸变；

图8为实施例所涉及的焦距为25mm时镜头的点列图；

图9为实施例所涉及的焦距为25mm时镜头的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm)；

图10为实施例所涉及的焦距为25mm时镜头的象散畸变图：(a)为场曲，(b)为畸变。

图中：1-前固定组，2-变倍组，3-补偿组，4-后固定组，5-调焦组，6-探测器，61-探测器保护窗口，62-像面，7-孔径光阑；S1～S10为透镜各个表面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

本实施例是将本实用新型所述的镜头应用于长波非制冷型分辨率为640×480、像元尺寸为25μm的凝视型焦平面探测器。

如图1所示，本实施的镜头包括依次设置的前固定组1、负光焦度的变倍组2、正光焦度的补偿组3、负光焦度的后固定组4、正光焦度的调焦组5以及探测器6。

前固定组1即第一透镜，为凸面朝向物方的正透镜，材料为锗单晶。

变倍组2即第二透镜，为双凹形为负透镜，材料为锗单晶，其S3表面为衍射非球面。该透镜是移动镜片，在变焦过程中起变倍的作用，移动曲线为5次抛物线，总移动行程54.62mm。

补偿组3即第三透镜，为双凸形的正透镜，材料为锗单晶，其S6表面为衍射非球面。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，移动曲线为直线，总移动行程28.52mm。

后固定组4即第四透镜，为凸面朝向像方的弯月形负透镜，材料为锗，其S7表面为非球面。

调焦组5即第五透镜，为凸面朝向像方的弯月形正透镜，材料为锗单晶，其S10面为非球面。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4.5mm。

探测器6为长波非制冷探测器，包括：保护窗口61，成像面62，分辨率为640×480，像元大小为25μm。***的孔径光阑7，位于补偿组3和后固定组4之间。变焦过程中光阑孔径不变，从而保证光圈恒定。

以上五片透镜中，第一透镜的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起保护性作用，其余S2～S10表面均镀增透膜。

表1示出了焦距为225mm、105mm、25mm时镜头的光学结构参数。

表1镜头的光学结构参数

以上五片透镜中，第S7、S10为偶次非球面，其表达式如下：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_2{r}^2+a_4{r}^4+a_6{r}^6+a_8{r}^8+a_{10}{r}^{10}+a_{12}{r}^{12}$

镜片中的奇次非球面满足下列表达式：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{r}^1+a_2{r}^2+a_3{r}^3+a_4{r}^4+a_5{r}^5+a_6{r}^6+a_7{r}^7$

其中，r为垂直光轴方向距离非球面顶点的位置半径，z为非球面沿光轴方向在r位置与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，a₁～a₁₂为高次非球面系数。

表2示出了表面S3、S6、S7、S10的非球面系数。

表2 S3、S6、S7、S10的非球面系数

表面

二次项

四次项

六次项

八次项

十次项

十二次项

S3

0

4.102e-007

1.936e-011

-1.858e-013

2.111e-016

-9.063e-020

S6

0

2.432e-007

-7.336e-011

7.780e-014

-5.906e-017

1.771e-020

S7

0

5.561e-007

2.090e-009

-1.1901e-011

3.115e-014

-3.1362e-017

S10

0

5.784e-007

-8.904e-010

6.647e-012

-2.064e-014

2.519e-017

以上五片透镜中的衍射面的表达式为：

Φ＝A₁ρ²+A₂ρ⁴

ρ＝r/r_n

其中，Φ为衍射面的位相，r为垂直光轴方向距离非球面顶点的位置半径，r_n为衍射面的规划半径，A₁、A₂为衍射面的位相系数。

表3给出了表面S3、S6的衍射面的位相系数。

表3表面S3、S6的衍射面的位相系数

表面	A1	A2
			S3	-10.43795	-4.43354
S6	-13.78262	4.453978

图2～4为镜头在长焦状态(焦距为225mm)时的像差分析图，图2是波长分别为8μm、10μm、12μm点列图，图3是MTF图，图4是场曲畸变图。

焦距为105mm、25mm时的结果分别如图5～7、8～10所示。图4、7、10中，场曲纵轴代表视场高度的归一化值，横轴长度单位是毫米；畸变纵轴也是归一化的视场值，横轴是畸变量的百分比化读数，比如，曲线上某点读数是2，就表示在此视场下畸变是2％。

从图中可以看出，各个焦段的各种像差都得到了很好的校正，弥散斑均校正到接近艾利班大小，MTF接近衍射极限，畸变<5％。由此可见，本实用新型长焦距长波红外连续变焦镜头具有良好的成像质量。

本实用新型不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本实用新型的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种大变倍比长波红外连续变焦镜头，其特征在于包括：由物方到像方依次设置的前固定组(1)、变倍组(2)、补偿组(3)、后固定组(4)、调焦组(5)、探测器(6)；

所述前固定组(1)具有正光焦度，为一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜，表面类型均为球面；

所述变倍组(2)具有负光焦度，为一片双凹形锗单晶负透镜，其朝向物方的一侧为衍射非球面；

所述补偿组(3)具有正光焦度，为一片双凸形锗单晶正透镜，其朝向像方的一侧为衍射非球面；

所述后固定组(4)具有负光焦度，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；

所述调焦组(5)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，其凹面为非球面；

所述探测器(6)为长波非制冷探测器，包括保护探测器窗口(61)和像面(62)，孔径光阑(7)位于所述补偿组(3)与所述后固定组(4)之间，变焦过程中保持恒定。

2.根据权利要求1所述的大变倍比长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述双凹形锗单晶负透镜的总移动行程为54.62mm。

3.根据权利要求1所述的大变倍比长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述双凸形锗单晶正透镜的总移动行程为28.52mm。

4.根据权利要求1所述的大变倍比长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述弯月形锗单晶正透镜的总移动行程为4.5mm。

5.根据权利要求1所述的大变倍比长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述镜头的有效焦距EFL为25～225mm，F数为1.5，镜头的光学***总长为251mm。

6.根据权利要求1所述的大变倍比长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述探测器(6)的分辨率为640×480，像元大小为25μm。

7.根据权利要求1所述的大变倍比长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调制传递函数MTF在分辨率为20lp/mm时大于0.4。

8.根据权利要求1所述的大变倍比长波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中的偶次非球面满足下列表达式：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_2{r}^2+a_4{r}^4+a_6{r}^6+a_8{r}^8+a_{10}{r}^{10}+a_{12}{r}^{12}$

所述镜头的镜片中的奇次非球面满足下列表达式：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{r}^1+a_2{r}^2+a_3{r}^3+a_4{r}^4+a_5{r}^5+a_6{r}^6+a_7{r}^7$

其中，r为垂直光轴方向距离非球面顶点的位置半径，z为非球面沿光轴方向在r位置与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，a₁～a₁₂为高次非球面系数。

9.根据权利要求1所述的大变倍比长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

ρ＝r/r_n

其中，Φ为衍射面的位相，r为垂直光轴方向距离非球面顶点的位置半径，r_n为衍射面的规划半径，A₁、A₂为衍射面的位相系数。