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(fā)明的高透過率中波紅外變焦鏡頭，包括從物側(cè)至像側(cè)沿光軸依次分布的前固定組、變倍組、補(bǔ)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(fù)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(bǔ)償組均通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)使進(jìn)行前、后運動，以分別實現(xiàn)改變焦距和補(bǔ)償像面的離焦。本發(fā)明的高透過率中波紅外變焦鏡頭，通過變倍組、補(bǔ)償組的變焦和補(bǔ)償運動，既實現(xiàn)了較大變倍（20倍）比，由于透鏡數(shù)目（6片）較少，又保證了整個鏡頭系統(tǒng)具有較高的透過率，提高了中波紅外成像的圖像質(zhì)量，結(jié)構(gòu)緊湊，有溫度補(bǔ)償功能，易于裝調(diào)和組裝。
【專利說明】
一種高透過率中波紅外變焦鏡頭
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)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(yīng)用于 制冷紅外光學(xué)成像系統(tǒng)上的高透過率中波紅外變焦鏡頭。
【背景技術(shù)】
[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(biāo)）。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(lǐng)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(nèi)的鍍膜工藝，每增加一片透鏡，整個 鏡頭的透過率降低，導(dǎo)致整個紅外熱像儀的性能下降。在中國專利文獻(xiàn)CN1482647B公開的 一種大變倍比中波紅外連續(xù)變焦鏡頭采用8片透鏡，還有中國專利文獻(xiàn)CN105445934A公開 的一種緊湊型切換式三視場中波紅外光學(xué)系統(tǒng)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(shè)計是一個難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了克服上述技術(shù)問題的缺點，提供了一種可減少透鏡使用數(shù)量的高透過 率中波紅外變焦鏡頭。
[0005] 本發(fā)明的高透過率中波紅外變焦鏡頭，包括從物側(cè)至像側(cè)沿光軸依次分布的前固 定組、變倍組、補(bǔ)償組、第一后固定組、第二后固定組以及探測器，探測器設(shè)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(cè)的正彎月透鏡，變倍組為雙凹負(fù)透鏡，補(bǔ) 償組為雙凸正透鏡，第一后固定組為凸面朝向物側(cè)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(cè)的正彎月透鏡;變倍組、補(bǔ)償組 均通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)使進(jìn)行前、后運動，以分別實現(xiàn)改變焦距和補(bǔ)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(bǔ)償組與第一后固定組之間的距 離均逐漸增大。
[0006] 本發(fā)明的高透過率中波紅外變焦鏡頭，所述前固定組、變倍組、補(bǔ)償組、第一后固 定組、第一透鏡、第二透鏡分別具有正、負(fù)、正、正、正、正的屈光度。
[0007] 本發(fā)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(shè)置有 探測器窗口和冷光闌。
[0008] 本發(fā)明的高透過率中波紅外變焦鏡頭，設(shè)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?fàn)顟B(tài)時所具有的焦距。
[0011] 本發(fā)明的高透過率中波紅外變焦鏡頭，記前固定組、變倍組、補(bǔ)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(cè)至像側(cè)其曲面分別標(biāo)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(fā)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(bǔ)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(shù)，a4、a6、a8為非球面的4次、6次、8次系數(shù);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(fā)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(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的高透過率中波紅外變焦鏡頭，通過在物側(cè)至像側(cè) 沿光軸依次設(shè)置前固定組、變倍組、補(bǔ)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(fù)透鏡、雙凸正透鏡、負(fù)彎月透鏡、正彎月 透鏡、正彎月透鏡，通過變倍組、補(bǔ)償組的變焦和補(bǔ)償運動，既實現(xiàn)了較大變倍(20倍)比，由 于透鏡數(shù)目（6片)較少，又保證了整個鏡頭系統(tǒng)具有較高的透光率，提高了中波紅外成像的 圖像質(zhì)量。本發(fā)明能夠通過選取和排列6片透鏡，就能實現(xiàn)20倍的變倍比，同時具有很高的 透過率，結(jié)構(gòu)緊湊，有溫度補(bǔ)償功能，易于裝調(diào)和組裝。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的高透過率中波紅外變焦鏡頭長焦端的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明的高透過率中波紅外變焦鏡頭中焦端的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明的高透過率中波紅外變焦鏡頭廣角端的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖4為本發(fā)明的鏡頭處于長焦端的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF圖；
[0022]圖5為本發(fā)明的鏡頭處于中焦端的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF圖；
[0023]圖6為本發(fā)明的鏡頭處于廣角端的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF圖。
[0024]圖中：1前固定組，2變倍組，3補(bǔ)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(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0026]如圖1、圖2和圖3所示，分別給出了本發(fā)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(jié)構(gòu)示意圖，其由從物側(cè)至像側(cè)沿光軸依次分布的前固定組1、變倍組2、 補(bǔ)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(cè)的正彎月透鏡構(gòu)成，以實現(xiàn)對不同距離的目標(biāo)進(jìn)行 聚焦;變倍組2采用雙凹負(fù)透鏡，用于改變系統(tǒng)的焦距，補(bǔ)償組3采用雙凸正透鏡，用于對遠(yuǎn) 近不同的物體聚焦清楚，對遠(yuǎn)近不同的物體聚焦清楚，并可以在一定溫度變化范圍內(nèi)補(bǔ)償 像面的離焦;第一后固定組4采用凸面朝向物側(cè)的正彎月透鏡，用于實現(xiàn)系統(tǒng)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(cè)的正彎月透鏡。第二透鏡6 至探測器焦平面9之間依次設(shè)置有探測器窗口 7和冷光闌8。
[0027]變倍組2和補(bǔ)償組3通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)使進(jìn)行前、后運動，以分別實現(xiàn)改變焦距和 補(bǔ)償像面的離焦，如采用凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)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(bǔ)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(bǔ)償 組3之間的距離逐漸變小。通過變倍組2和補(bǔ)償組3的運動，可實現(xiàn)較大變倍(20倍）比，由于 采用了較少數(shù)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(bǔ)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(fù)、正、正、正、正，變倍組2朝向物側(cè)的面和補(bǔ)償組3朝向像側(cè)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(fā)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(bǔ)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(cè)至像側(cè)其曲面分別標(biāo)記為S1、S2、S3、S4、 35、36、37、38、39、310、311、312，各透鏡的光學(xué)元件參數(shù)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(shù)，a4、a6、a8為非球面的4次、6次、8次系數(shù);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(shù)據(jù)如表2所示：
[0035] 表 1
[0037] 其中，在非球面形數(shù)據(jù)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?fàn)顟B(tài)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(fā)明的鏡頭處于長焦、中焦和廣角端的調(diào)制 傳遞函數(shù)MTF圖，且其橫軸為每毫米的線對數(shù)（line pair per millimeter)，縱軸為對比度 數(shù)值。可以看出此光學(xué)系統(tǒng)在201p/mm時MTF非常接近衍射極限值，圖像質(zhì)量較高。
[0042]本發(fā)明未經(jīng)描述的技術(shù)特征可以通過現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)，在此不再贅述。當(dāng)然，上述說 明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在 本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)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(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種高透過率中波紅外變焦鏡頭，包括從物側(cè)至像側(cè)沿光軸依次分布的前固定組 (1)、變倍組(2)、補(bǔ)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(shè)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(cè)的正彎月透鏡，變倍組為雙 凹負(fù)透鏡，補(bǔ)償組為雙凸正透鏡，第一后固定組為凸面朝向物側(cè)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(cè)的正彎月透 鏡;變倍組、補(bǔ)償組均通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)使進(jìn)行前、后運動，以分別實現(xiàn)改變焦距和補(bǔ)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(bǔ)償組與第一 后固定組之間的距離均逐漸增大。2. 根據(jù)權(quán)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(bǔ)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(fù)、正、 正、正、正的屈光度。3. 根據(jù)權(quán)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(shè)置有探測器窗口（ 7)和冷光闌（8)。4. 根據(jù)權(quán)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(shè)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?fàn)顟B(tài)時所具有的焦距。5. 根據(jù)權(quán)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(bǔ)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(cè)至像側(cè)其曲面分別標(biāo)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(jù)權(quán)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(bǔ)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(shù)，a4、a6、a8為非球面的4次、6次、8次系數(shù);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(jù)權(quán)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(fā)明人】劉濤, 徐仰惠, 馬興才, 董術(shù)永, 孫大江
【申請人】山東神戎電子股份有限公司