一種高透過率中波紅外變焦鏡頭的制作方法
【專利摘要】本發明的高透過率中波紅外變焦鏡頭,包括從物側至像側沿光軸依次分布的前固定組、變倍組、補償組、第一后固定組、第二后固定組以及探測器,特征在于:其分別采用正彎月透鏡、雙凹負透鏡、雙凸正透鏡、正彎月透鏡以及兩個正彎月透鏡;變倍組、補償組均通過驅動機構的驅使進行前、后運動,以分別實現改變焦距和補償像面的離焦。本發明的高透過率中波紅外變焦鏡頭,通過變倍組、補償組的變焦和補償運動,既實現了較大變倍(20倍)比,由于透鏡數目(6片)較少,又保證了整個鏡頭系統具有較高的透過率,提高了中波紅外成像的圖像質量,結構緊湊,有溫度補償功能,易于裝調和組裝。
【專利說明】
一種高透過率中波紅外變焦鏡頭
技術領域
[0001] 本發明涉及一種高透過率中波紅外變焦鏡頭,更具體的說,尤其涉及一種應用于 制冷紅外光學成像系統上的高透過率中波紅外變焦鏡頭。
【背景技術】
[0002] 中波紅外制冷型紅外探測器雖然價格昂貴,但是其相對長波非制冷紅外探測器有 較好的NETD(NEDT為噪聲等效溫差,是判別探測器以及熱像儀性能的重要指標)。長波非制 冷紅外探測器NETD-般從50mk-120mk不等,中紅制冷型紅外探測器NETD-般從10mk-25mk 不等。因此,中波紅外熱像儀在軍事,海防等重要領域,有著不可替代的作用。
[0003] 在中波制冷型紅外熱像儀中鏡頭非常重要,但是目前中波紅外變焦鏡頭中,都使 用了8片,9片甚至更多片的透鏡,由于受制于目前國內的鍍膜工藝,每增加一片透鏡,整個 鏡頭的透過率降低,導致整個紅外熱像儀的性能下降。在中國專利文獻CN1482647B公開的 一種大變倍比中波紅外連續變焦鏡頭采用8片透鏡,還有中國專利文獻CN105445934A公開 的一種緊湊型切換式三視場中波紅外光學系統使用了 12片透鏡,通過以上描述可知,透鏡 少,高透過率的中波紅外變焦鏡頭設計是一個難題。
【發明內容】
[0004] 本發明為了克服上述技術問題的缺點,提供了一種可減少透鏡使用數量的高透過 率中波紅外變焦鏡頭。
[0005] 本發明的高透過率中波紅外變焦鏡頭,包括從物側至像側沿光軸依次分布的前固 定組、變倍組、補償組、第一后固定組、第二后固定組以及探測器,探測器設置于探測器焦平 面上;其特征在于:所述前固定組為凸面朝向物側的正彎月透鏡,變倍組為雙凹負透鏡,補 償組為雙凸正透鏡,第一后固定組為凸面朝向物側的正彎月透鏡,第二后固定組由第一透 鏡和第二透鏡組成,第一透鏡、第二透鏡均為凸面朝向物側的正彎月透鏡;變倍組、補償組 均通過驅動機構的驅使進行前、后運動,以分別實現改變焦距和補償像面的離焦;在鏡頭由 廣角至長焦變化過程中,變倍組與前固定組之間的距離、補償組與第一后固定組之間的距 離均逐漸增大。
[0006] 本發明的高透過率中波紅外變焦鏡頭,所述前固定組、變倍組、補償組、第一后固 定組、第一透鏡、第二透鏡分別具有正、負、正、正、正、正的屈光度。
[0007] 本發明的高透過率中波紅外變焦鏡頭,第二透鏡至探測器焦平面之間依次設置有 探測器窗口和冷光闌。
[0008] 本發明的高透過率中波紅外變焦鏡頭,設前固定組的焦距為匕、變倍組的焦距為 f2、第二后固定組的焦距為f4,其滿足如下不等式組:
[0010] 其中,ft為鏡頭處于長焦狀態時所具有的焦距。
[0011] 本發明的高透過率中波紅外變焦鏡頭,記前固定組、變倍組、補償組、第一后固定 組、第一透鏡、第二透鏡的透鏡序號分別為1、2、3、4、5、6,從物側至像側其曲面分別標記為 51、52、53、54、55、56、57、58、59、510、511、512,51至512相鄰兩曲面的距離分別為12111111、 D1 mm、4mm、D 2mm、5mm、D 3mm、4mm、8 0.10mm、7mm、15 ? 40mm、5mm,SI 2到探測器焦平面的距離為 24.5mm,鏡頭由廣角至長焦變化的過程中,D1從31.40到106.20之間變化,D2從117.4至 14.55之間變化,D3從17.20至45.25之間變化。
[0012] 本發明的高透過率中波紅外變焦鏡頭,所述第一后固定組和第二透鏡為硅材料, 前固定組、變倍組、補償組和第一透鏡均為鍺材料;曲面S3和曲面S6均為偶次非球面,偶次 非球面通過如下公式來確定:
[0014] 其中,其中,k為非球面的圓錐系數,a4、a6、a8為非球面的4次、6次、8次系數;r為非 球面上距離光軸垂直方向上的高度,z為非球面上距離透鏡中心水平方向上的距離;
[0015] 對于偶次非球面S3,k、a4、a6、a8分別取-0.85、1.53 X 10-7、-2.4X10-1Q、2.87X10 -13;對于偶次非球面 S6,k、a4、a6、a8 分別取1 ? 2、1 ? 26 X 10-7、-1 ? 8 X 10-1Q、3 ? 03 X 10-13。
[0016] 本發明的高透過率中波紅外變焦鏡頭,所述曲面S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、 510、511、512的曲率半徑分比為201.653_、350.275111111、-306.83_、208.55_、602.16_、-249.83mm、89.25mm、100.19mm、66.32mm、114.50mm、54.42mm、69.06mm。
[0017] 本發明的有益效果是:本發明的高透過率中波紅外變焦鏡頭,通過在物側至像側 沿光軸依次設置前固定組、變倍組、補償組、第一后固定組以及由第一透鏡和第二透鏡組成 的第二后固定組,且其分別采用正彎月透鏡、雙凹負透鏡、雙凸正透鏡、負彎月透鏡、正彎月 透鏡、正彎月透鏡,通過變倍組、補償組的變焦和補償運動,既實現了較大變倍(20倍)比,由 于透鏡數目(6片)較少,又保證了整個鏡頭系統具有較高的透光率,提高了中波紅外成像的 圖像質量。本發明能夠通過選取和排列6片透鏡,就能實現20倍的變倍比,同時具有很高的 透過率,結構緊湊,有溫度補償功能,易于裝調和組裝。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發明的高透過率中波紅外變焦鏡頭長焦端的結構示意圖;
[0019] 圖2為本發明的高透過率中波紅外變焦鏡頭中焦端的結構示意圖;
[0020] 圖3為本發明的高透過率中波紅外變焦鏡頭廣角端的結構示意圖;
[0021] 圖4為本發明的鏡頭處于長焦端的調制傳遞函數MTF圖;
[0022]圖5為本發明的鏡頭處于中焦端的調制傳遞函數MTF圖;
[0023]圖6為本發明的鏡頭處于廣角端的調制傳遞函數MTF圖。
[0024]圖中:1前固定組,2變倍組,3補償組,4第一后固定組,5第一透鏡,6第二透鏡,7探 測器窗口,8冷光闌,9探測器焦平面。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
[0026]如圖1、圖2和圖3所示,分別給出了本發明的高透過率中波紅外變焦鏡頭長焦端、 中焦段和廣角端的結構示意圖,其由從物側至像側沿光軸依次分布的前固定組1、變倍組2、 補償組3、第一后固定組4、第二后固定組和探測器組成,第二后固定組由第一透鏡5和第二 透鏡6組成,前固定組1由凸面朝向物側的正彎月透鏡構成,以實現對不同距離的目標進行 聚焦;變倍組2采用雙凹負透鏡,用于改變系統的焦距,補償組3采用雙凸正透鏡,用于對遠 近不同的物體聚焦清楚,對遠近不同的物體聚焦清楚,并可以在一定溫度變化范圍內補償 像面的離焦;第一后固定組4采用凸面朝向物側的正彎月透鏡,用于實現系統的像差平衡; 第二后固定組中的第一透鏡5和第二透鏡6均采用凸面朝向物側的正彎月透鏡。第二透鏡6 至探測器焦平面9之間依次設置有探測器窗口 7和冷光闌8。
[0027]變倍組2和補償組3通過驅動機構的驅使進行前、后運動,以分別實現改變焦距和 補償像面的離焦,如采用凸輪機構進行驅動。在鏡頭由廣角至長焦變化過程中,變倍組2與 前固定組1之間的距離、補償組3與第一后固定組4之間的距離均逐漸增大,變倍組2與補償 組3之間的距離逐漸變小。通過變倍組2和補償組3的運動,可實現較大變倍(20倍)比,由于 采用了較少數目的透鏡(6片),保證了整個透鏡的高透過率。
[0028]前固定組1、變倍組2、補償組3、第一后固定組4、第一透鏡5、第二透鏡6的屈光度分 別為正、負、正、正、正、正,變倍組2朝向物側的面和補償組3朝向像側的面均加工為偶次非 球面,第一后固定組4和第二透鏡6均為硅材料制作,其余四片透鏡均由鍺材料制作,鍺材料 易于加工偶次非球面。
[0029]本發明的高透過率中波紅外變焦鏡頭,工作波段為3-5wii,變倍比為20倍,最長焦 距為280mm,最短焦距為14mm。記前固定組1、變倍組2、補償組3、第一后固定組4、第一透鏡5、 第二透鏡6的透鏡序號分別為1、2、3、4、5、6,從物側至像側其曲面分別標記為S1、S2、S3、S4、 35、36、37、38、39、310、311、312,各透鏡的光學元件參數如表1所示:
[0032]偶次非球面S3和S6通過如下公式來確定:
[0034] 其中,其中,k為非球面的圓錐系數,a4、a6、a8為非球面的4次、6次、8次系數;r為非 球面上距離光軸垂直方向上的高度,z為非球面上距離透鏡中心水平方向上的距離。偶次非 球面S3和S6的非球面數據如表2所示:
[0035] 表 1
[0037] 其中,在非球面形數據中,e-n代表"X10-n",例如2.01e_06代表2.01XKT6。
[0038]在鏡頭由廣角至長焦變化過程中,廣角、中焦、長焦狀態下D1、D2、D3的取值如表3 所示:
[0039]表 3
[0041]如圖4、圖5和圖6所示,分別給出了本發明的鏡頭處于長焦、中焦和廣角端的調制 傳遞函數MTF圖,且其橫軸為每毫米的線對數(line pair per millimeter),縱軸為對比度 數值。可以看出此光學系統在201p/mm時MTF非常接近衍射極限值,圖像質量較高。
[0042]本發明未經描述的技術特征可以通過現有技術實現,在此不再贅述。當然,上述說 明并非是對本發明的限制,本發明也并不僅限于上述舉例,本技術領域的普通技術人員在 本發明的實質范圍內所做出的變化、改型、添加或替換,例如把非球面改為二元衍射面,也 應屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種高透過率中波紅外變焦鏡頭,包括從物側至像側沿光軸依次分布的前固定組 (1)、變倍組(2)、補償組(3)、第一后固定組(4)、第二后固定組以及探測器,探測器設置于探 測器焦平面(9)上;其特征在于:所述前固定組為凸面朝向物側的正彎月透鏡,變倍組為雙 凹負透鏡,補償組為雙凸正透鏡,第一后固定組為凸面朝向物側的正彎月透鏡,第二后固定 組由第一透鏡(5)和第二透鏡(6)組成,第一透鏡、第二透鏡均為凸面朝向物側的正彎月透 鏡;變倍組、補償組均通過驅動機構的驅使進行前、后運動,以分別實現改變焦距和補償像 面的離焦;在鏡頭由廣角至長焦變化過程中,變倍組與前固定組之間的距離、補償組與第一 后固定組之間的距離均逐漸增大。2. 根據權利要求1所述的高透過率中波紅外變焦鏡頭,其特征在于:所述前固定組(1)、 變倍組(2)、補償組(3)、第一后固定組(4)、第一透鏡(5)、第二透鏡(6)分別具有正、負、正、 正、正、正的屈光度。3. 根據權利要求1或2所述的高透過率中波紅外變焦鏡頭,其特征在于:第二透鏡(6)至 探測器焦平面(9)之間依次設置有探測器窗口( 7)和冷光闌(8)。4. 根據權利要求1或2所述的高透過率中波紅外變焦鏡頭,其特征在于:設前固定組(1) 的焦距為fi、變倍組(2)的焦距為f 2、第二后固定組的焦距為f4,其滿足如下不等式組:其中,ft為鏡頭處于長焦狀態時所具有的焦距。5. 根據權利要求1或2所述的高透過率中波紅外變焦鏡頭,其特征在于:記前固定組 (1)、變倍組(2)、補償組(3)、第一后固定組(4)、第一透鏡(5)、第二透鏡(6)的透鏡序號分別 為1、2、3、4、5、6,從物側至像側其曲面分別標記為 S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、 312,31至312相鄰兩曲面的距離分別為12111111、01111111、41]1111、021]1111、5111111、03111111、4111111、80.10mm、7mm、 15.4〇111111、5111111,312到探測器焦平面(9)的距離為24.5111111,鏡頭由廣角至長焦變化的過程中, D1從31.40到106.20之間變化,D2從117.4至14.55之間變化,D3從17.20至45.25之間變化。6. 根據權利要求5所述的高透過率中波紅外變焦鏡頭,其特征在于:所述第一后固定組 (4)和第二透鏡(6)為硅材料,前固定組(1)、變倍組(2)、補償組(3)和第一透鏡(5)均為鍺材 料;曲面S3和曲面S6均為偶次非球面,偶次非球面通過如下公式來確定:其中,其中,k為非球面的圓錐系數,a4、a6、a8為非球面的4次、6次、8次系數;r為非球面 上距離光軸垂直方向上的高度,z為非球面上距離透鏡中心水平方向上的距離; 對于偶次非球面S3,k、a4、a6、a8 分別取-0.85、1.53X10-7、-2.4X10-1Q、2.87X10-13;對 于偶次非球面 S6,k、a4、a6、a8 分別取1 ? 2、1 ? 26 X 10-7、-1 ? 8 X 10-1Q、3 ? 03 X 10-13。7. 根據權利要求5所述的高透過率中波紅外變焦鏡頭,其特征在于:所述曲面S1、S2、 S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12的曲率半徑分比為201.653mm、350.275mm、-306.83mm、208.55mm、602.16mm、-249.83mm、89.25mm、100.19mm、66.32mm、114.50mm、 54.42mm、69.06mm。
【文檔編號】G02B7/10GK106054364SQ201610707402
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月23日
【發明人】劉濤, 徐仰惠, 馬興才, 董術永, 孫大江
【申請人】山東神戎電子股份有限公司