一種大變倍比折返式中波紅外連續變焦鏡頭的制作方法
【專利摘要】本發明的大變倍比折返式中波紅外連續變焦鏡頭，包括由物面到像面沿光軸依次設置的前固定組、變倍組、補償組、后固定組、中繼組和探測器，特征在于：所述變倍組由雙凹透鏡構成，補償組由雙凸透鏡構成，中繼組由反射鏡組和二次成像組構成，反射鏡組使光線的傳播方向進行180°轉折，轉折后的光線經二次成像組后，匯聚于探測器的靶面上，實現中波紅外圖像的采集。本發明的中波紅外連續變焦鏡頭，一片透鏡實現變倍、一片透鏡實現補償，減少了運動組元、簡化了系統結構，提高了鏡頭的穩定性；通過設置使光線傳播路徑發生180°轉折的反射組，縮短了鏡頭的橫向尺寸，同時二次成像組還減小了前固定組的口徑，有利于形成具有較小尺寸的鏡頭。
【專利說明】
一種大變倍比折返式中波紅外連續變焦鏡頭
技術領域
[0001] 本發明涉及一種中波紅外連續變焦鏡頭，更具體的說，尤其涉及一種大變倍比折 返式中波紅外連續變焦鏡頭。
【背景技術】
[0002] 紅外光學系統具有夜間穿透能力強、識別偽裝能力強、可被動接收紅外輻射、隱蔽 性好、不易受干擾等優點，在陸、海、空等軍事領域的武器系統中展現出特殊的能力。隨著紅 外成像技術的發展，紅外變焦距系統被廣泛應用于制導、監控、紅外前視及目標探測和跟蹤 等領域。與定焦鏡頭、分檔鏡頭相比，連續變焦鏡頭既能在大視場捕獲目標，又能在發現目 標后調整到小視場瞄準跟蹤目標。并且在焦距和視場轉換過程中，可保持對所觀測目標在 探測器靶面上所成像的連續性，這利于對高速運動目標的搜索和跟蹤，解決了分檔變焦鏡 頭在視場切換時易造成尚速目標丟失的缺陷。
[0003] 與非制冷探測器相比，制冷型探測器靈敏度高，更容易滿足軍事領域對紅外探測 系統遠作用距離、高溫度分辨率、高空間分辨率的要求。故在軍事領域、紅外成像系統普遍 采用制冷型探測器，但是目前搭配制冷型探測器設計的紅外變焦鏡頭存在一些缺點，如加 工成本高、技術難度大、結構復雜、變倍比小、成像質量差等。例如專利號201310310772.0的 發明專利文件，公開了一種高變倍比中波紅外連續變焦系統，系統使用雙組聯動的變倍補 償結構，且在硅材料上添加了非球面，應用到產品上結構復雜，在硅材料上加工非球面難度 尚，不易實現。

【發明內容】

[0004] 本發明為了克服上述技術問題的缺點，提供了一種大變倍比折返式中波紅外連續 變焦鏡頭。
[0005] 本發明的大變倍比折返式中波紅外連續變焦鏡頭，包括由物面到像面沿光軸依次 設置的前固定組、變倍組、補償組、后固定組、中繼組和探測器，入射到前固定組的光線，經 過變倍組和補償組的變倍、補償后，得到的光線再經后固定組和中繼組成像到探測器的靶 面上；其特征在于:所述變倍組由雙凹透鏡構成，補償組由雙凸透鏡構成，通過驅使雙凹透 鏡、雙凸透鏡的移動實現鏡頭的連續變焦，以獲取不同視場下的圖像;所述中繼組由反射鏡 組和二次成像組構成，反射鏡組使光線的傳播方向進行180°轉折，轉折后的光線經二次成 像組后，匯聚于探測器的靶面上，實現中波紅外圖像的采集。
[0006] 本發明的大變倍比折返式中波紅外連續變焦鏡頭，所述前固定組由第一正彎月透 鏡構成，后固定組由沿光線射入方向依次分布的第一負彎月透鏡、第二正彎月透鏡和第三 正彎月透鏡組成;所述反射組由反射面相對設置的第一反射鏡和第二反射鏡組成，第一反 射鏡、第二反射鏡與光軸均成45°夾角;所述二次成像組由第四正彎月透鏡和第二負彎月透 鏡組成。
[0007] 本發明的大變倍比折返式中波紅外連續變焦鏡頭，所述第一正彎月透鏡、雙凹透 鏡、雙凸透鏡、第一負彎月透鏡、第二正彎月透鏡、第三正彎月透鏡、第四正彎月透鏡、第二 負彎月透鏡的光焦度分別為正、負、正、正、正、正、正、負，材料分別為硅、鍺、鍺、鍺、硅、鍺、 娃、鍺； 第一正彎月透鏡、雙凹透鏡、雙凸透鏡、第一負彎月透鏡、第二正彎月透鏡、第三正彎月 透鏡、第四正彎月透鏡、第二負彎月透鏡上沿物面至相面方向上的曲面分別標記為S1、S2、 33、34、35、36、37、38、39、310、311、312、315、316、317、318，第一反射鏡和第二反射鏡的反射 面分別標記為S13、S14;雙凹透鏡的前表面S3、第一負彎月透鏡的前表面S7、第二負彎月透 鏡的前表面S17的曲面均為偶次非球面，且非球面S3、S17的曲面上還加工二元衍射面。
[0008] 本發明的大變倍比折返式中波紅外連續變焦鏡頭，所述第一正彎月透鏡、雙凹透 鏡、雙凸透鏡、第一負彎月透鏡、第二正彎月透鏡、第三正彎月透鏡、第四正彎月透鏡、第二 負彎月透鏡的反射面上均鍍有增透膜，第一反射鏡和第二反射鏡的表面均鍍有增反膜。
[0009] 本發明的有益效果是:本發明的中波紅外連續變焦鏡頭，變倍組、補償組分別通過 雙凹透鏡、雙凸透鏡來構成，使得一片透鏡實現變倍、一片透鏡實現補償，減少了運動組元、 簡化了系統結構，提高了鏡頭的穩定性;通過設置使光線傳播路徑發生180°轉折的反射組， 轉折后的光線再經二次成像組后成像，有效地縮短了鏡頭的橫向尺寸，同時還減小了前固 定組的口徑，有利于形成具有較小尺寸的鏡頭。
[00? 0]本發明的中波紅外連續變焦鏡頭，可實現較大焦距(如20mm~300mm)的連續變焦， 在短焦發現目標、長焦識別目標，且在變焦過程中不會丟失目標。通過將多個透鏡的曲面設 計為偶次非球面和二元衍射面，使像差得到很好的校正，成像質量好。通過鏡片材料的非球 面的合理搭配，降低了成本。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明的連續變焦鏡頭在焦距為300mm處的光學系統圖； 圖2為本發明的連續變焦鏡頭在焦距為78mm處的光學系統圖； 圖3為本發明的連續變焦鏡頭在焦距為20mm處的光學系統圖； 圖4為本發明在焦距300mm處，空間頻率為301p/mm的MTF曲線圖； 圖5為本發明在焦距78mm處，空間頻率為301p/mm的MTF曲線圖； 圖6為本發明在焦距20mm處，空間頻率為301p/mm的MTF曲線圖； 圖7為本發明在焦距300mm處的光斑圖； 圖8為本發明在焦距78mm處的光斑圖； 圖9為本發明在焦距20mm處的光斑圖。
[0012] 圖中：1第一正彎月透鏡，2雙凹透鏡，3雙凸透鏡，4第一負彎月透鏡，5第二正彎月 透鏡，6第三正彎月透鏡，7第一反射鏡，8第二反射鏡，9第四正彎月透鏡，10第二負彎月透 鏡，11探測器。
【具體實施方式】
[0013] 下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
[0014] 如圖1、圖2和圖3所示，給出了本發明的連續變焦鏡頭在焦距為300mm、78mm、20mm 處的光學系統圖，其由從物方到像方沿光軸依次分布的前固定組、變倍組、補償組、后固定 組、中繼組和探測器11組成，前固定組由第一正彎月透鏡1構成，以實現對射入光線的匯聚 作用。變倍組由雙凹透鏡2構成，補償組由雙凸透鏡3組成，通過雙凹透鏡2的移動實現鏡頭 的變焦，雙凹透鏡3配合移動進行補償，以獲取清晰的紅外圖像。由于變倍、補償均通過一片 透鏡來實現，運動元件少，簡化了整個鏡頭的結構，有利于實現成像的穩定性。
[0015] 所示的后固定組由沿光線射入方向依次分布的第一負彎月透鏡4、第二正彎月透 鏡5和第三正彎月透鏡6構成；中繼組由反射鏡組和二次成像組構成，反射鏡組由第一反射 鏡7、第二反射鏡8構成，第一反射鏡7與第二反射鏡8以反射面相對的形式布置，且第一反射 鏡7和第二反射鏡8與鏡頭光軸的夾角均為45°，這就使得由后固定組射出的光線依次經第 一反射鏡7、第二反射鏡8的反射后，光線的傳播方向發生了 180°改變。
[0016] 二次成像組由沿光線傳播方向依次設置的第四正彎月透鏡9和第二負彎月透鏡10 構成，二次成像組射出的光線匯聚于探測器11的焦平面上，實現中波紅外成像。由于設置了 由第一、第二反射鏡構成的反射鏡組，在保證光線傳播路徑的同時，縮短了鏡頭的橫向長 度，以及前固定組的口徑，易于形成具有較小尺寸的鏡頭。
[0017] 所示的第一正彎月透鏡1、雙凹透鏡2、雙凸透鏡3、第一負彎月透鏡4、第二正彎月 透鏡5、第三正彎月透鏡6、第四正彎月透鏡9、第二負彎月透鏡10的光焦度分別為正、負、正、 正、正、正、正、負，材料分別為娃、鍺、鍺、鍺、娃、鍺、娃、鍺。
[0018] 第一正彎月透鏡1、雙凹透鏡2、雙凸透鏡3、第一負彎月透鏡4、第二正彎月透鏡5、 第三正彎月透鏡6、第四正彎月透鏡9、第二負彎月透鏡10上沿物面至相面方向上的曲面分 別標記為 31、52、53、54、55、56、57、58、59、510、511、512、515、516、517、518，第一反射鏡7和 第二反射鏡8的反射面分別標記為S13、S14;雙凹透鏡2的前表面S3、第一負彎月透鏡4的前 表面S7、第二負彎月透鏡10的前表面S17的曲面均為偶次非球面，且非球面S3、S17的曲面上 還加工二元衍射面。
[0019] 這樣，由于雙凹透鏡2、第一負彎月透鏡4、第二負彎月透鏡10均為鍺材料，則鍺材 質的透鏡上加工偶次非球面和二元衍射面，考慮到硅材料上加工非球面易磨損車刀，難以 實現，所有非球面均加工在小尺寸的鍺透鏡上，保證加工精度的同時又降低了成本。
[0020] 所示的第一正彎月透鏡1、雙凹透鏡2、雙凸透鏡3、第一負彎月透鏡4、第二正彎月 透鏡5、第三正彎月透鏡6、第四正彎月透鏡9、第二負彎月透鏡10的表面均鍍有增透膜，第一 反射鏡7和第二反射鏡8的反射面上均鍍有增反膜。
[0021] 如表1所示，給出了本發明的鏡頭在焦距300mm、152111111、78111111、4〇111111、2〇111111的光學結 構參數。本發明的鏡頭在變焦過程中，第一正彎月透鏡1的后表面S2與雙凹透鏡2的前表面 S3之間的距離為Z1、雙凹透鏡2的后表面S4與雙凸透鏡3的前表面S5之間的距離為Z2、雙凸 透鏡的后表面S6與第二正彎月透鏡4的前表面S7之間的距離為Z3。
[0022] 表 1
在焦距分別為300mm、152臟、78111111、4〇111111、2〇111111情況下21、22與23的取值如表2所示。 [0023]表 2
由此可見，鏡頭在變焦的過程中，Z1、Z2、Z3是連續變化的。
[0024] 圖4、圖5、圖6分別是焦距為長焦300mm、中焦78mm、短焦20mm時，空間頻率為301p/ mm處光學傳遞函數(MTF)曲線圖，橫坐標為每毫米線對數，縱坐標為歸一化對比度，每幅圖 中均有6條曲線，其分別為衍射極限、中心視場、0.707視場與邊緣視場的子午方向和弧矢方 向的分辨率與空間頻率的關系。由圖可知在不同焦距處，不同視場在301p/mm的對比度均大 于0 · 4〇
[0025]圖7、圖8、圖9分別是焦距為長焦300mm、中焦78mm、短焦20mm的光斑圖，給出了三個 視場的光斑，RMS RADIUS為均方根半徑，GEO RADIUS為幾何半徑，值越小成像質量越好。
[0026] 由圖4至圖9可以得出，本發明大變倍比折反式中波紅外連續變焦鏡頭具有很好的 成像效果，可搭配320 X 256或640 X 512中波紅外制冷探測器。
[0027] 以上為本發明的【具體實施方式】，但不限于上述實例。
【主權項】
1. 一種大變倍比折返式中波紅外連續變焦鏡頭，包括由物面到像面沿光軸依次設置的 前固定組、變倍組、補償組、后固定組、中繼組和探測器（11)，入射到前固定組的光線，經過 變倍組和補償組的變倍、補償后，得到的光線再經后固定組和中繼組成像到探測器的靶面 上;其特征在于:所述變倍組由雙凹透鏡（2)構成，補償組由雙凸透鏡（3)構成，通過驅使雙 凹透鏡、雙凸透鏡的移動實現鏡頭的連續變焦，以獲取不同視場下的圖像;所述中繼組由反 射鏡組和二次成像組構成，反射鏡組使光線的傳播方向進行180°轉折，轉折后的光線經二 次成像組后，匯聚于探測器的靶面上，實現中波紅外圖像的采集。2. 根據權利要求1所述的大變倍比折返式中波紅外連續變焦鏡頭，其特征在于:所述前 固定組由第一正彎月透鏡（1)構成，后固定組由沿光線射入方向依次分布的第一負彎月透 鏡(4)、第二正彎月透鏡(5)和第三正彎月透鏡(6)組成;所述反射組由反射面相對設置的第 一反射鏡(7)和第二反射鏡(8)組成，第一反射鏡、第二反射鏡與光軸均成45°夾角;所述二 次成像組由第四正彎月透鏡(9)和第二負彎月透鏡(10)組成。3. 根據權利要求2所述的大變倍比折返式中波紅外連續變焦鏡頭，其特征在于:所述第 一正彎月透鏡（1)、雙凹透鏡（2)、雙凸透鏡（3)、第一負彎月透鏡(4)、第二正彎月透鏡(5)、 第三正彎月透鏡(6)、第四正彎月透鏡(9)、第二負彎月透鏡（10)的光焦度分別為正、負、正、 正、正、正、正、負，材料分別為娃、鍺、鍺、鍺、娃、鍺、娃、鍺； 第一正彎月透鏡、雙凹透鏡、雙凸透鏡、第一負彎月透鏡、第二正彎月透鏡、第三正彎月 透鏡、第四正彎月透鏡、第二負彎月透鏡上沿物面至相面方向上的曲面分別標記為S1、S2、 33、34、35、36、37、38、39、310、311、312、315、316、317、318，第一反射鏡(7)和第二反射鏡(8) 的反射面分別標記為S13、S14;雙凹透鏡的前表面S3、第一負彎月透鏡的前表面S7、第二負 彎月透鏡的前表面S17的曲面均為偶次非球面，且非球面S3、S17的曲面上還加工二元衍射 面。4. 根據權利要求2或3所述的大變倍比折返式中波紅外連續變焦鏡頭，其特征在于:所 述第一正彎月透鏡（1)、雙凹透鏡（2)、雙凸透鏡(3)、第一負彎月透鏡(4)、第二正彎月透鏡 (5)、第三正彎月透鏡(6)、第四正彎月透鏡(9)、第二負彎月透鏡（10)的反射面上均鍍有增 透膜，第一反射鏡(7)和第二反射鏡(8)的表面均鍍有增反膜。
【文檔編號】G02B15/173GK105974566SQ201610566758
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月19日
【發明人】徐仰惠, 劉濤, 馬興才, 董術永, 孫大江
【申請人】山東神戎電子股份有限公司