一种轻小型中波红外制冷连续变焦镜头
技术领域
本申请涉及光学技术领域,尤其涉及一种用于中波红外制冷探测器的轻小型中波红外制冷连续变焦镜头。
背景技术
红外变焦***特别是中波制冷连续变焦***目前逐渐从探索转向成熟阶段,在军事、安防、国计民生等方面都有重要应用。大视场用于大范围搜索目标,小视场分辨率较高,用于跟踪、识别、瞄准目标。在中波红外制冷连续变焦镜头中,由于会使用到二次成像技术,因此不可避免的会是的镜片数及光学***结构复杂度远超非制冷***,从而带来整体重量及体积的增大,透过率的降低,不利于大规模生产使用。常规的中波制冷连续变焦***往往采用八片及以上的镜片数进行设计,近年来也逐渐出现了七片镜的光学结构设计方案,而六片镜的方案目前还未曾得见。因此,研究一种采用六片镜进行光学设计并且能在较大范围内实现连续变焦的轻小型中波红外制冷连续变焦镜头具有重要意义。
发明内容
本申请的目的是针对以上问题,提供一种轻小型中波红外制冷连续变焦镜头。
本申请提供一种轻小型中波红外制冷连续变焦镜头,所述镜头中设置的镜片由物方到像方依次包括前固定组、变倍组、补偿组、调焦组、后固定组以及探测器;
所述前固定组包括第一透镜;所述第一透镜具有正光焦度,为一片凸面朝向物方的弯月形硅单晶正透镜,其两面均为球面;
所述变倍组包括第二透镜;所述第二透镜具有负光焦度,为一片双凹形锗单晶负透镜,其朝向物方的一侧为非球面;所述第二透镜的总移动行程为27.779mm;
所述补偿组包括第三透镜;所述第三透镜具有正光焦度,为一片双凸形的硒化锌正透镜,其朝向像方的一侧为非球面;所述第三透镜的总移动行程为20.398mm;
所述调焦组包括第四透镜;所述第四透镜具有正光焦度,为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜,其凹面为衍射面;所述第四透镜的总移动行程为0.55mm;
所述后固定组包括第五透镜和第六透镜;所述第五透镜具有正光焦度,为一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜,其凸面为衍射面;所述第六透镜位于所述第五透镜的后面,为一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜,其凸面为非球面;
所述探测器包括依次排列的保护窗口、冷屏、冷光阑和像面;所述冷光阑在变焦过程中保持恒定。
根据本申请某些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=30~240mm,F数=4,光学***总长=142mm,适配探测器分辨率为640×512,像元大小为15μm,适配波段为3.7~4.8μm。
根据本申请某些实施例提供的技术方案,所述镜头的水平视场角范围为:2W=18.2°~2.3°。
根据本申请某些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:
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;α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
根据本申请某些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。
根据本申请某些实施例提供的技术方案,所述第一透镜靠近物方的表面镀类金刚石碳膜。
根据本申请某些实施例提供的技术方案,所述镜头的全视场的平均MTF>0.49@20lp/mm。
与现有技术相比,本申请的有益效果:该轻小型中波红外制冷连续变焦镜头共采用六片镜片,拥有8倍变倍比,光学***总长为142mm,最大口径为66mm,结构紧凑,重量以及体积相对减小,变焦曲线平滑,镜片最大移动量为27.779mm,能在较大范围(30mm~240mm)内实现连续变焦,并且在整个变焦范围内成像效果良好;变倍组和补偿组均只采用一片透镜,可以更好地保证变焦过程中的光轴稳定性。
附图说明
图1为本申请实施例提供的轻小型中波红外制冷连续变焦镜头的焦距为240mm时的光学***图;
图2为本申请实施例提供的轻小型中波红外制冷连续变焦镜头的焦距为240mm时的点列图;
图3为本申请实施例提供的轻小型中波红外制冷连续变焦镜头的焦距为240mm时的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm);
图4为本申请实施例提供的轻小型中波红外制冷连续变焦镜头的焦距为240mm时的场曲畸变图;
图5为本申请实施例提供的轻小型中波红外制冷连续变焦镜头的焦距为30mm时的光学***图;
图6为本申请实施例提供的轻小型中波红外制冷连续变焦镜头的焦距为30mm时的点列图;
图7为本申请实施例提供的轻小型中波红外制冷连续变焦镜头的焦距为30mm时的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm);
图8为本申请实施例提供的轻小型中波红外制冷连续变焦镜头的焦距为30mm时的场曲畸变图。
图中所述文字标注表示为:
100-物空间;101-保护窗口;102-冷屏;103-像面;
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;
S1~S12-透镜的各个表面;S13-冷光阑。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本申请的技术方案,下面结合附图对本申请进行详细描述,本部分的描述仅是示范性和解释性,不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
本实施例是本申请应用于中波制冷型分辨率为640×512、像元尺寸为15μm的凝视型焦平面探测器的例子。
图1和图5分别为本申请所提供的轻小型中波红外制冷连续变焦镜头在焦距240mm和30mm时的光学***图,所述镜头的结构均相同,以其中一个为例来做如下具体说明。
如图1所示,本申请提供一种轻小型中波红外制冷连续变焦镜头,所述镜头中设置的镜片由物方到像方依次包括前固定组、变倍组、补偿组、调焦组、后固定组以及探测器;所述物方到像方的方向是指从前到后的方向;所述物方即物空间100;所述前固定组包括第一透镜L1;所述第一透镜L1具有正光焦度,为一片凸面朝向物方的弯月形正透镜,其材料为硅单晶,其两面S1和S2均为球面;所述变倍组包括第二透镜L2;所述第二透镜L2具有负光焦度,为一片双凹形负透镜,其材料为锗单晶,其两个表面分别为S3和S4,其中朝向物方的一侧即S3表面为非球面;所述第二透镜L2为移动镜片,起到了变焦过程中变倍的作用,其移动曲线为8次抛物线,总移动行程为27.779mm;所述补偿组包括第三透镜L3;所述第三透镜L3具有正光焦度,为一片双凸形的正透镜,其材料为硒化锌,其两个表面分别为S5和S6,其中朝向像方的一侧即S6表面为非球面;所述第三透镜L3为移动镜片,当变倍组镜片即所述第二透镜L2移动时,所述第三透镜L3做相应地移动从而保证像面位置保持不变,所述第三透镜L3的移动曲线为直线,总移动行程为20.398mm;所述调焦组包括第四透镜L4;所述第四透镜L4具有正光焦度,为一片凸面朝向物方的弯月形正透镜,其材料为锗单晶,其两个表面分别为S7和S8,其中凹面即S8表面为衍射面;所述第四透镜L4为移动镜片,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,所述第四透镜的总移动行程为0.55mm;所述后固定组包括第五透镜L5和第六透镜L6;所述第五透镜L5具有正光焦度,为一片凸面朝向像方的弯月形正透镜,其材料为锗单晶,其两个表面分别为S9和S10,其中凸面即S10表面为衍射非球面;所述第六透镜L6位于所述第五透镜L5的后面,为一片凸面朝向像方的弯月形正透镜,其材料为锗单晶,其两个表面分别为S11和S12,其中凸面即S12表面为非球面;所述探测器为中波制冷探测器,包括自左至右依次排列的保护窗口101、冷屏102、冷光阑S13和像面103;所述冷光阑S13在变焦过程中保持恒定。
进一步的,所述镜头满足如下参数:所述镜头的有效焦距EFL=30~240mm,F数=4,光学***总长=142mm,适配探测器分辨率为640×512,像元大小为15μm,适配波段为3.7~4.8μm,成像面为12.3mm。
进一步的,所述镜头的水平视场角范围为:2W=18.2°~2.3°。
表1为本申请所述轻小型中波红外制冷连续变焦镜头在焦距240mm和30mm时的光学结构参数:
表1
进一步的,所述第一透镜L1、所述第二透镜L2、所述第三透镜L3、所述第四透镜L4、所述第五透镜L5以及所述第六透镜L6这六片透镜中所提及的非球面,均为偶次非球面,其表达式如下:
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;α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
表2为表面S3、S6、S8、S10以及S12的非球面系数:
表2
表面 |
4th |
6th |
8th |
10th |
12th |
14th |
S3 |
2.058E-06 |
-4.343E-09 |
2.636E-11 |
-1.032E-13 |
1.642E-16 |
0 |
S6 |
3.105E-06 |
-3.576E-09 |
1.591E-11 |
-4.666E-14 |
5.628E-17 |
0 |
S8 |
-3.664E-06 |
8.95E-07 |
-5.671E-08 |
2.154E-09 |
-4.164E-11 |
3.308E-13 |
S10 |
2.498E-04 |
8.437E-07 |
4.906E-07 |
-3.48E-08 |
1.577E-09 |
-2.569E-11 |
S12 |
-2.212E-05 |
3.731E-07 |
-9.152E-09 |
7.786E-11 |
-2.333E-13 |
0 |
进一步的,所述第一透镜L1、所述第二透镜L2、所述第三透镜L3、所述第四透镜L4、所述第五透镜L5以及所述第六透镜L6这六片透镜中所提及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。
表3为表面S10和表面S12的衍射系数:
表3
表面 |
A<sub>1</sub> |
A<sub>2</sub> |
S10 |
-38.713 |
-8.146 |
S12 |
-55.058 |
-29.247 |
进一步的,所述第一透镜L1靠近物方的表面即S1表面镀类金刚石碳膜,因为S1表面外露,需要镀类金刚石碳膜,类金刚石碳膜起保护作用,其余的S2~S12表面均镀增透膜。
进一步的,所述镜头的全视场的平均MTF>0.49@20lp/mm。
下面参照像差分析图对本申请的效果做进一步详细的描述。
图2-图4是图1所述的轻小型中波红外制冷连续变焦镜头的具体实施例在长焦状态即焦距为240mm时的像差分析图,其中,图2是点列图,图3是MTF图,图4是场曲畸变图。
图6-图8是图5所述的轻小型中波红外制冷连续变焦镜头的具体实施例在短焦状态即焦距为30mm时的像差分析图,其中,图6是点列图,图7是MTF图,图8是场曲畸变图。
从图中可以发现,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<2%,人眼无明显畸变感觉。
本申请实施例提供的轻小型中波红外制冷连续变焦镜头,可应用于中波制冷型分辨率为640×512、像元尺寸为15μm的凝视型焦平面探测器;该轻小型中波红外制冷连续变焦镜头共采用六片镜片,拥有8倍变倍比,光学***总长为142mm,最大口径为66mm,结构紧凑,重量以及体积相对减小,变焦曲线平滑,镜片最大移动量为27.779mm,能在较大范围(30mm~240mm)内实现连续变焦,并且在整个变焦范围内成像效果良好;变倍组和补偿组均只采用一片透镜,可以更好地保证变焦过程中的光轴稳定性。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式,应当指出,由于文字表达的有限性,而客观上存在无限的具体结构,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干改进、润饰或变化,也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合;这些改进润饰、变化或组合,或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的,均应视为本申请的保护范围。