一種長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種長波紅外電動連續(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(fù)光焦度的變倍組，為一片雙凹形的鍺負(fù)透鏡；具有正光焦度的補(bǔ)償組，為一片雙凸形的鍺正透鏡；具有負(fù)光焦度的后固定組，為一片凸面朝向像方的彎月形鍺負(fù)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(shí)用新型可在30mm～120mm范圍內(nèi)連續(xù)變焦，同時(shí)F數(shù)保持恒定為1.2，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(bǔ)償組移動行程短且曲線平滑，光軸穩(wěn)定性高，有良好的成效效果。
【專利說明】一種長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種用于長波紅外電動非制冷探測器的連續(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(gè)鏡片，實(shí)現(xiàn)焦距的平滑變化，從而能夠更好的實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、跟蹤和識別。本實(shí)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(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種光學(xué)總長短，體積小，光圈恒定，裝調(diào)方便、成像質(zhì)量高的透射式長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭。其工作波段為8?12微米，焦距為30mm?120mm，F(xiàn)數(shù)為1.2，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220mm，最大口徑120mm。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為:
[0005]一種長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭，由物方到像方依次包括，前固定組、變倍組、補(bǔ)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(fù)光焦度，為一片雙凹形鍺單晶負(fù)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37.79_，用于改變所述長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距；
[0008]所述補(bǔ)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22.15mm，用于補(bǔ)償所述長波紅外連續(xù)變焦鏡頭變焦時(shí)發(fā)生的像面位置偏移；
[0009]所述后固定組具有負(fù)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5_，用于補(bǔ)償不同溫度和不同物距時(shí)像面位置的偏移；
[0011]在所述調(diào)焦組后為長波非制冷探測器部分，包括保護(hù)窗口和像面；孔徑光闌位于補(bǔ)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 = 30?120mm，F(xiàn)數(shù)=1.2，光學(xué)系統(tǒng)總長=220mm，適配探測器分辨率640 X 480，像元大小25 μ m。
[0014]所述鏡頭的水平視場角范圍為:2w = 35.5°?1.8°。
[0015]所述鏡頭的鏡片中的非球面滿足下列表達(dá)式:
CT2Λ
[0016]Z= -;■.......................................................................................................................................................+ ff2r4 + r/^r6 + a8 +?:-τ23 + ?:€τ12

I +、,1 - {I + k)c2r2
[0017]其中ζ為非球面沿光軸方向在高度為r的位置時(shí)，距非球面頂點(diǎn)的距離矢高，c表示表面的頂點(diǎn)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(dá)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]所述鏡頭的全視場的平均MTF>0.45@201p/mm。
[0022]本實(shí)用新型的有益效果為:擁有4倍變倍比，光學(xué)系統(tǒng)總長為220mm，最大口徑120mm。結(jié)構(gòu)緊湊，變焦曲線平滑，鏡片最大移動量為37.79mm。變倍組和補(bǔ)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(shí)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(gè)變焦范圍內(nèi)成像質(zhì)量優(yōu)良，全視場的平均MTF>0.45@201p/mm。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本實(shí)用新型提供的長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭的焦距為120mm時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)圖；
[0024]圖2是本實(shí)用新型提供的長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭的焦距為120mm時(shí)的點(diǎn)列圖；
[0025]圖3是本實(shí)用新型提供的長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭的焦距為120mm時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)圖(截止分辨率為2011p/mm)；
[0026]圖4是本實(shí)用新型提供的長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭的焦距為120mm時(shí)的象散畸變圖；
[0027]圖5是本實(shí)用新型提供的長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭的焦距為70_時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)圖；
[0028]圖6是本實(shí)用新型提供的長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭的焦距為70mm時(shí)的點(diǎn)列圖；
[0029]圖7是本實(shí)用新型提供的長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭的焦距為70mm時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)圖(截止分辨率為2011p/mm)；
[0030]圖8是本實(shí)用新型提供的長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭的焦距為70mm時(shí)的象散畸變圖；
[0031]圖9是本實(shí)用新型提供的長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭的焦距為30mm時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)圖；
[0032]圖10是本實(shí)用新型提供的長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭的焦距為30mm時(shí)的點(diǎn)列圖；
[0033]圖11是本實(shí)用新型提供的長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭的焦距為30mm時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)圖(截止分辨率為2011p/mm)；
[0034]圖12是本實(shí)用新型提供的長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭的焦距為30mm時(shí)的象散畸變圖；
[0035]其中，200-物空間，110-前固定組，120-變倍組，130-補(bǔ)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(hù)窗口，314-像面，SI?SlO為透鏡各個(gè)表面。

【具體實(shí)施方式】
[0036]以下結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0037]該實(shí)施例是本實(shí)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。
[0038]圖1、圖5、圖9分別為本實(shí)用新型在焦距120mm、70mm和30mm時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)圖，所述鏡頭的結(jié)構(gòu)相同，以其中一個(gè)圖為例作為說明。
[0039]如圖1所示，本實(shí)施例1由正光焦度的前固定組110、負(fù)光焦度的變倍組120、正光焦度的補(bǔ)償組130、負(fù)光焦度的后固定組140、正光焦度的調(diào)焦組150以及最后的探測器310組成。
[0040]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，其兩個(gè)表面均為球面，該片鏡片口徑大，因此不使用非球面；變倍組120即第二透鏡，為雙凹形為負(fù)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37.79mm ;補(bǔ)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(shí)，補(bǔ)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22.15_;后固定組150即第四透鏡，為凸面朝向像方的彎月形負(fù)透鏡，材料為鍺單晶，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S19面為非球面。該透鏡是移動鏡片，當(dāng)目標(biāo)距離發(fā)生改變以及工作溫度發(fā)生變化時(shí)，可以用該鏡片重新聚焦，總移動行程5_;長波非制冷探測器310包括:保護(hù)窗口 312，成像面314，分辨率為640 X 480，像元大小25 μ mX 25 μ m。系統(tǒng)的孔徑光闌140，位于補(bǔ)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。
[0041]以上五片透鏡中，第一透鏡SI表面鍍類金剛石碳膜，因?yàn)樵摫砻嫱饴?，需要鍍類金剛石碳膜碳膜起保護(hù)性作用，其余S2?SlO表面均鍍增透膜。
[0042]表I為本實(shí)用新型在焦距120mm，70mm, 30mm時(shí)的光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù):
[0043]表I
[0044]
士了幾+ 'I,"12Omm/7Omm/3Omm.麵 a繼時(shí)的厚度(間隔)撕口長
S1 205.50210 GERMANIU 120
S2~ 371.932~26.45—116
S3 Γ77Γ7"7 GERMANIU 77"
-268.857M
S4" 182.74Γ74.47 '61
~^7— GERMANIU~
S6~ -302.54~7.0168
光闌-—4 —37.3
S7ΙΓΤ7Γ GERMANIU
-62.965 Λι?38
____M__
S8— -88.542~42.142
S9ITT7 GERMANIU TT
71.73ο μ52
SlO 175.58330 丨| 48
[0045]以上八片透鏡中提及的非球面，均為偶次非球面，其表達(dá)式如下:
[0046]Σ = -;........................................................................................................................................................+ a2rA + a3r& + ff4r° + a5r15 + i%r12
I — {I +fc)e2r2
[0047]其中z為非球面沿光軸方向在高度為r的位置時(shí)，距非球面頂點(diǎn)的距離矢高，c表示表面的頂點(diǎn)曲率，k為圓錐系數(shù)，α2、α3、α4、α5、α 6為高次非球面系數(shù)。
[0048]表2為表面S4，S5，S8，S10, S13的非球面系數(shù):
[0049]表2
[0050]
表
_ffi______
54-2.0393()()Hc-0()7 1.2l637H2c-0l I Ι.()259?48ο0丨5 -5.644579Hc-0l8 2.H553466c-021
55: 1.53606H2c-()()7 -1.9()27246c-007~ 3.624538c-O1 6.1H61792c-OI2 -8.()09866Ie-014
58~ -4.8445899e-007 3.1344919e-011 ~ -1.6414215e-013 4.06S4789e-016 -3.7884484e-019
59-l.3IH2479c-()()6 -1.K978K5c-0(i7 -1.3251042e-(M>S 4.4()H()()76c-01() -.6.6335648e-.(>12
[0051]以上五片透鏡中提及的衍射面，其表達(dá)式如下:
[0052]Φ = A1 P 2+A2 P 4
[0053]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)。
[0054]表3為表面S8的衍射系數(shù)；
[0055]表3
[0056]
表面
SlO 1-10.929301 |-1.180369 |l.2326989
[0057]下面參照像差分析圖對本實(shí)用新型的效果做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0058]圖2-圖4是圖1所述的長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭的具體實(shí)施例在長焦?fàn)顟B(tài)時(shí)的像差分析圖，圖2是點(diǎn)列圖、圖3是MTF圖、圖4是場曲畸變圖；
[0059]圖6圖8是圖5所述的長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭的具體實(shí)施例在中焦?fàn)顟B(tài)時(shí)的像差分析圖，圖6是點(diǎn)列圖、圖7是MTF圖、圖8是場曲畸變圖；
[0060]圖10圖12是圖9所述的長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭的具體實(shí)施例在短焦?fàn)顟B(tài)時(shí)的像差分析圖，圖10是點(diǎn)列圖、圖11是MTF圖、圖12是場曲畸變圖；
[0061]從圖中可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)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%。由此可見，本實(shí)用新型長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭具有良好的成像質(zhì)量。
[0062]最后應(yīng)說明的是:以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型而并非限制本實(shí)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(shí)施例對本實(shí)用新型已進(jìn)行了詳細(xì)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(shí)用新型進(jìn)行修改或等同替換；而一切不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種長波紅外電動連續(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(bǔ)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(fù)光焦度，為一片雙凹形鍺單晶負(fù)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37.79mm ； 所述補(bǔ)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22.15mm ； 所述后固定組具有負(fù)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5mm ； 在所述調(diào)焦組后為長波非制冷探測器部分，包括保護(hù)窗口和像面；孔徑光闌位于補(bǔ)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所述的長波紅外電動連續(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 = 30?120mm，F(xiàn)數(shù)=1.2，光學(xué)系統(tǒng)總長=220mm，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所述的長波紅外電動連續(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°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長波紅外電動連續(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(dá)式:Z=.............................................................................4- our4+ CuTg + 0sr10 +aer12 其中Z為非球面沿光軸方向在高度為r的位置時(shí)，距非球面頂點(diǎn)的距離矢高，C表示表面的頂點(diǎn)曲率，k為圓錐系數(shù)，a2、a3、a4、a5、a 6為高次非球面系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長波紅外電動連續(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(dá)式:
Φ = A1 P 2+A2 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所述的長波紅外電動連續(xù)變焦鏡頭，其特征在于，所述鏡頭的全視場的平均 MTF>0.45@201p/mm。
【文檔編號】G02B15/173GK203965715SQ201420346448
【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】劉自強(qiáng), 夏日輝, 孔超 申請人:北京藍(lán)思泰克科技有限公司