一種長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭，從物方至像方依次有五組透鏡，包括：具有正光焦度的前固定組，為一片凸面朝向物方的彎月形鍺正透鏡；具有負光焦度的變倍組，為一片雙凹形的鍺負透鏡；具有正光焦度的補償組，為一片雙凸形的鍺正透鏡；具有負光焦度的后固定組，為一片凸面朝向像方的彎月形琉系玻璃負透鏡；具有正光焦度的調(diào)焦組，為一片凸面朝向物方的彎月形鍺正透鏡。本實用新型可在40mm～160mm范圍內(nèi)連續(xù)變焦，同時F數(shù)保持恒定為1.0，適用于分辨率640×480像元大小25μm的長波非制冷探測器；在全焦段內(nèi)變倍和補償組移動行程短且曲線平滑，光軸穩(wěn)定性高，有良好的成像效果。
【專利說明】一種長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種用于長波紅外非制冷探測器的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。長波非制冷探測器重量輕、體積小，隨著成本的降低，其應(yīng)用范圍已經(jīng)從軍用普及到民用領(lǐng)域，例如安防、工業(yè)、醫(yī)療等。普通的定焦鏡頭以及雙視場鏡頭在某些場合下已不能滿足使用需求。本專利涉及的連續(xù)變焦鏡頭，使用五片鏡片，移動其中兩個鏡片，實現(xiàn)焦距的平滑變化，從而能夠更好的實現(xiàn)對目標的發(fā)現(xiàn)、跟蹤和識別。本實用新型結(jié)構(gòu)緊湊、透過率高、易于量產(chǎn)，因此會有很好的應(yīng)用前景。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種長焦距，光圈恒定，光學(xué)總長短，體積小，裝調(diào)方便、成像質(zhì)量高的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭。其工作波段為8?12微米，焦距為40mm?160mm，F(xiàn)數(shù)為1.0，適配分辨率為640 X 480，像元大小25微米的非制冷探測器，光學(xué)系統(tǒng)總長310mm，最大口徑170mm。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案為:
[0005]一種長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭，由物方到像方依次包括，前固定組、變倍組、補償組、后固定組、調(diào)焦組以及探測器部分；
[0006]所述前固定組具有正光焦度，為一片凸面朝向物方的彎月形鍺單晶正透鏡，表面類型均為球面；
[0007]所述變倍組具有負光焦度，為一片雙凹形鍺單晶負透鏡，其朝向像方的一側(cè)為非球面，所述透鏡的總移動行程57.98mm ；
[0008]所述補償組具有正光焦度，為一片雙凸形鍺單晶正透鏡，其朝向物方的一側(cè)為非球面，所述透鏡的總移動行程33.54mm ；
[0009]所述后固定組具有負光焦度，為一片凸面朝向像方的彎月形鍺單晶正透鏡，其凸面為衍射面；
[0010]所述調(diào)焦組具有正光焦度，為一片凸面朝向物方的彎月形鍺單晶正透鏡，其凸面為非球面，所述透鏡的總移動行程4.5mm ；
[0011]在所述調(diào)焦組后為長波非制冷探測器部分，包括保護窗口和像面；孔徑光闌位于補償組與后固定組之間，變焦過程中保持恒定。
[0012]所述鏡頭滿足如下參數(shù):
[0013]所述鏡頭的有效焦距EFL = 40?160mm, F數(shù)=1.0,光學(xué)系統(tǒng)總長=310mm,適配探測器分辨率640 X 490，像元大小25 μ m
[0014]所述鏡頭的全視場的平均MTF>0.5@201p/mm。
[0015]所述鏡頭的鏡片中的非球面滿足下列表達式:CT2Λ
[0016]I =-—————丨+ ?Sr4 + a3r6 + a%rs + ayr:0 + a6r:2
I+Vl ~~ (IΛ，
[0017]其中z為非球面沿光軸方向在高度為I*的位置時，距非球面頂點的距離矢高，c表示表面的頂點曲率，k為圓錐系數(shù)，α2、α3、α4、α5、α 6為高次非球面系數(shù)。
[0018]所述鏡頭的鏡片中的衍射面滿足下列表達式:
[0019]Φ = A1 P 2+Α2 P 4
[0020]其中Φ為衍射面的位相，P = r/rn，rn是衍射面的規(guī)劃半徑,ApA2為衍射面的位相系數(shù)。
[0021]本實用新型的有益效果為:全焦段光圈1.0，并且變焦過程中光圈恒定，擁有4倍變倍比，光學(xué)系統(tǒng)總長為310mm，最大口徑170mm。結(jié)構(gòu)緊湊，變焦曲線平滑，鏡片最大移動量為57.98mm。變倍組和補償組均只有一片透鏡，這樣可以更好的保證變焦過程中的光軸穩(wěn)定性。同時使用折射式光學(xué)結(jié)構(gòu)，無須調(diào)整反射鏡，裝調(diào)簡便，易于量產(chǎn)。整個變焦范圍內(nèi)成像質(zhì)量優(yōu)良，全視場的平均MTF>0.5@201p/mm。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本實用新型提供的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為160mm時的光學(xué)系統(tǒng)圖；
[0023]圖2是本實用新型提供的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為160mm時的點列圖；
[0024]圖3是本實用新型提供的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為160mm時的光學(xué)傳遞函數(shù)圖(截止分辨率為2011p/mm)；
[0025]圖4是本實用新型提供的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為160mm時的象散畸變圖；
[0026]圖5是本實用新型提供的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為10mm時的光學(xué)系統(tǒng)圖；
[0027]圖6是本實用新型提供的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為10mm時的點列圖；
[0028]圖7是本實用新型提供的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為10mm時的光學(xué)傳遞函數(shù)圖(截止分辨率為2011p/mm)；
[0029]圖8是本實用新型提供的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為10mm時的象散畸變圖；
[0030]圖9是本實用新型提供的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為40mm時的光學(xué)系統(tǒng)圖；
[0031]圖10是本實用新型提供的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為40mm時的點列圖；
[0032]圖11是本實用新型提供的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為40mm時的光學(xué)傳遞函數(shù)圖(截止分辨率為2011p/mm)；
[0033]圖12是本實用新型提供的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為40mm時的象散畸變圖；
[0034]其中，200-物空間，110-前固定組，120-變倍組，130-補償組，140-孔徑光闌，150-后固定組，160-調(diào)焦組，310-探測器組件，312-探測器保護窗口，314-像面，SI?SlO為透鏡各個表面。

【具體實施方式】
[0035]以下結(jié)合附圖，通過實施例對本實用新型做進一步詳細說明。
[0036]該實施例是本實用新型應(yīng)用于長波非制冷型分辨率640X480像元尺寸25 μ m凝視型焦平面探測器的例子。
[0037]圖1、圖5、圖9分別為本實用新型在焦距160mm，10mm和40mm時的光學(xué)系統(tǒng)圖。如圖1所示，本實施由正光焦度的前固定組110、負光焦度的變倍組120、正光焦度的補償組130、負光焦度的后固定組150、正光焦度的調(diào)焦組160以及最后的探測器310組成。
[0038]前固定組110即第一透鏡，為凸面朝向物方的正透鏡，材料為鍺單晶，S2表面為非球面；變倍組120即第二透鏡，為雙凹形為負透鏡，材料為鍺單晶，S4表面為非球面。該透鏡是移動鏡片，起到了變焦過程中變倍的作用，移動曲線為5次拋物線，總移動行程57.98mm ；補償組130即第三透鏡，為雙凸形的正透鏡，材料為鍺單晶，S5表面為非球面。該透鏡是移動鏡片，當(dāng)變倍組鏡片移動時，補償組鏡片做相應(yīng)的移動從而保證像面位置不變，移動曲線為直線，總移動行程33.54_;后固定組150即第四透鏡，為凸面朝向像方的彎月形負透鏡，材料為琉系玻璃，S8表面為衍射非球面。調(diào)焦組160即第五透鏡，為凸面朝向像方的彎月形正透鏡，材料為鍺單晶，其中S9面為非球面。該透鏡是移動鏡片，當(dāng)目標距離發(fā)生改變以及工作溫度發(fā)生變化時，可以用該鏡片重新聚焦，總移動行程4.5mm ;長波非制冷探測器310包括:保護窗口 312，成像面314，分辨率為640 X 480，像元大小17 μ。系統(tǒng)的孔徑光闌140，位于補償組和后固定組之間。變焦過程中光闌孔徑不變，從而保證光圈恒定。
[0039]以上五片透鏡中，第一透鏡SI表面鍍類金剛石碳膜，因為該表面外露，需要鍍類金剛石碳膜碳膜起保護性作用，其余S2?SlO表面均鍍增透膜。
[0040]表I為本實用新型在焦距160mm，100mm, 40mm時的光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù):
[0041]表I
[0042]
^ ?.U/160mm/1 (1mmMDmr , _
及面 [![--# m時的I1/:度(1.11臟)科料I校
81236.538610.93 ^hrmaniij ^170|
S2344^255?^Μ16/29
S4~295.403I ft.14/25.07/55.5 ——81.6
55364.1715^ermawu98 |
S6— -381.8226^ 23.46/17J3/7 — —98
光 W ^^^58
SI— -82.92619^ 11.58—AMTiRJ57.5
SB '-】44.0577— 48.53 —61.4
^i2o_299 o GHRMANLUm
S1.400.7095—34.1461.8 [
[0043]以上八片透鏡中提及的非球面，均為偶次非球面，其表達式如下
CT2■#
「00441 2 = -Z==.+ Q^t4+ Q^ytl + a, ra +c%r~° + a6r12
I + V1-(1 + k')c2rz '
[0045]其中z為非球面沿光軸方向在高度為r的位置時，距非球面頂點的距離矢高，c表示表面的頂點曲率，k為圓錐系數(shù)，α2、α3、α4、α5、α 6為高次非球面系數(shù)。
[0046]表2為表面S2, S4, S5, S8, S9的非球面系數(shù):
[0047]表2
[0048]
面______
S2 — 4.13746S3c^0()9 -4.6876579e-014~ 7.20i 19X6c-OIH -7.6760383e-022 2.8207753c4)26 S4 -4.772453 Se-O 浦 9.144932e-013 1.1194469e-015— -7.9? 16403e-019 l.?891469e-022 —
_____SS_______-8.8066255e-0()5___________:2._i_63_79_52_e:?07~"-4.0]040l1c4)08-9^?]"524()5e-0l1____________2i)l 8SQ09c-0''f2^
_____S8________'______-2'.43S23'l1c-007____________5^45?5526c-0l'"f________ ^-6.70016?Xc-0i4_______________5i)?7499c-o']7______________4'.6l''80265e-(mT
S9 1-2.5752292e-0()5 I 5.l564155e-007 -1.60X946c-0(>? 1.6920?32c-009 -2.Ι013092ο-0?Γ
[0049]以上五片透鏡中提及的衍射面，其表達式如下:
[0050]Φ = A1 P 2+Α2 P 4
[0051]其中Φ為衍射面的位相，P = r/rn，rn是衍射面的規(guī)劃半徑,ApA2為衍射面的位相系數(shù)。
[0052]表3為表面S8的衍射系數(shù)；
[0053]表 3
[0054]
表面

S8 |l5.260978 |-2.0851126 |θ.36539816
[0055]下面參照像差分析圖對本實用新型的效果做進一步詳細的描述。
[0056]圖2-圖4是圖1所述的長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的具體實施例在長焦?fàn)顟B(tài)時的像差分析圖，圖2是點列圖、圖3是MTF圖、圖4是場曲畸變圖；
[0057]圖6圖8是圖5所述的長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的具體實施例在中焦?fàn)顟B(tài)時的像差分析圖，圖6是點列圖、圖7是MTF圖、圖8是場曲畸變圖；
[0058]圖10圖12是圖9所述的長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的具體實施例在短焦?fàn)顟B(tài)時的像差分析圖，圖10是點列圖、圖11是MTF圖、圖12是場曲畸變圖；
[0059]從圖中可以發(fā)現(xiàn)，各個焦段的各種像差得到了很好的校正，彌散斑均校正到接近艾利班大小，MTF接近衍射極限，畸變〈5%。
[0060]由此可見，本實用新型長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭具有良好的成像質(zhì)量。
[0061]最后應(yīng)說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型而并非限制本實用新型所描述的技術(shù)方案。因此，盡管本說明書參照上述的實施例對本實用新型已進行了詳細的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本實用新型進行修改或等同替換；而一切不脫離本實用新型的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭，其特征在于:由物方到像方依次包括，前固定組、變倍組、補償組、后固定組、調(diào)焦組以及探測器部分； 所述前固定組具有正光焦度，為一片凸面朝向物方的彎月形鍺單晶正透鏡，表面類型均為球面； 所述變倍組具有負光焦度，為一片雙凹形鍺單晶負透鏡，其朝向像方的一側(cè)為非球面，所述透鏡的總移動行程57.98mm ； 所述補償組具有正光焦度，為一片雙凸形鍺單晶正透鏡，其朝向物方的一側(cè)為非球面，所述透鏡的總移動行程33.54mm ； 所述后固定組具有負光焦度，為一片凸面朝向像方的彎月形鍺單晶正透鏡，其凸面為衍射面； 所述調(diào)焦組具有正光焦度，為一片凸面朝向物方的彎月形鍺單晶正透鏡，其凸面為非球面，所述透鏡的總移動行程4.5mm ； 在所述調(diào)焦組后為長波非制冷探測器部分，包括保護窗口和像面；孔徑光闌位于補償組與后固定組之間，變焦過程中保持恒定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭，其特征在于，所述鏡頭滿足如下參數(shù): 所述鏡頭的有效焦距EFL = 40?160mm, F數(shù)=1.0,光學(xué)系統(tǒng)總長=310mm,適配探測器分辨率640 X 480，像元大小25 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭，其特征在于，所述鏡頭的全視場的平均 MTF>0.5@201p/mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭，其特征在于，所述鏡頭的鏡片中的非球面滿足下列表達式:
Cr2#抵門2 = -—+ a— V 4 + cu T6 + atr2 + O^r10 + cur12
l+Vl~(l+ft)c2r2 A 其中Z為非球面沿光軸方向在高度為r的位置時，距非球面頂點的距離矢高，C表示表面的頂點曲率，k為圓錐系數(shù)，α2、α3、α4、α5、α 6為高次非球面系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭，其特征在于，所述鏡頭的鏡片中的衍射面滿足下列表達式:
Φ = A1 P 2+Α2 P 4 其中Φ為衍射面的位相，P = r/rn，rn是衍射面的規(guī)劃半徑,ApA2為衍射面的位相系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長焦距長波紅外連續(xù)變焦鏡頭，其特征在于，所述鏡頭的水平視場角范圍為:2w = 35.5°?1.8°。
【文檔編號】G02B15/173GK203965714SQ201420346437
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】夏日輝, 劉自強, 孔超 申請人:北京藍思泰克科技有限公司