一种长波红外手动连续变焦镜头的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种长波红外手动连续变焦镜头，从物方至像方依次有五组透镜，包括：具有正光焦度的前固定组，为一片凸面朝向物方的弯月形锗正透镜；具有负光焦度的变倍组，为一片双凹形的锗负透镜；具有正光焦度的补偿组，为一片双凸形的锗正透镜；具有负光焦度的后固定组，为一片凸面朝向像方的弯月形锗负透镜；具有正光焦度的调焦组，为一片凸面朝向物方的弯月形锗正透镜。本实用新型可在30mm～90mm范围内连续变焦，同时F数保持恒定为1.4，适用于分辨率640×480像元大小25μm的长波非制冷探测器；在全焦段内变倍和补偿组移动行程短且曲线平滑，光轴稳定性高，有良好的成效效果。
【专利说明】一种长波红外手动连续变焦镜头
【技术领域】
[0001]本实用新型属于光学【技术领域】，涉及一种用于长波红外非制冷探测器的长波红外手动连续变焦镜头。
【背景技术】
[0002]近年来红外技术应用越来越广泛的原因之一，是长波红外非制冷探测器的性能越来越强，同时价格也越来越便宜，因此广泛的进入到民用领域当中。由于红外信号能量弱，探测器性能有限，因此必须有大光圈(F1.0)的镜头才能收集到足够的能量，否则成像对比度很差；而近年来随着技术的提高，在光圈较小的情况下(F1.4)也可以有非常好的成像效果。特别是红外连续变焦镜头，这样就可以大大的缩小镜头的体积和重量。因此急需一批配合小光圈探测器使用的连续变焦镜头。
实用新型内容
[0003]本实用新型要解决的技术问题是提供一种光学总长短，体积小，光圈恒定，装调方便、成像质量高的透射式长波红外手动连续变焦镜头。其工作波段为8?12微米，焦距为30mm?90mm，F数为1.4，适配分辨率为640 X 480，像元大小25微米的非制冷探测器，光学系统总长178mm，最大口径85mm。
[0004]为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为:
[0005]一种长波红外手动连续变焦镜头，由物方到像方依次包括，前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、调焦组以及探测器部分；
[0006]所述前固定组具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，表面类型均为球面；
[0007]所述变倍组具有负光焦度，为一片双凹形锗单晶负透镜，其朝向像方的一侧为非球面，所述透镜的总移动行程25.53mm ；
[0008]所述补偿组具有正光焦度，为一片双凸形锗单晶正透镜，其朝向物方的一侧为非球面，所述镜头的总移动行程12.75mm ；
[0009]所述后固定组具有负光焦度，为一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜，其凸面为衍射面；
[0010]所述调焦组具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其凸面为非球面，所述透镜的总移动行程5mm ；
[0011]在所述调焦组后为长波非制冷探测器部分，包括保护窗口和像面；孔径光阑位于补偿组与后固定组之间，变焦过程中保持恒定。
[0012]所述镜头的水平视场角范围为:2w = 35.5°?1.8°。
[0013]所述镜头满足如下参数:
[0014]所述镜头的有效焦距EFL = 30?90mm, F数=1.4,光学系统总长=178mm,适配探测器分辨率640 X 480，像元大小25 μ m。
[0015]所述镜头的全视场的平均MTF>0.45@201p/mm。
[0016]所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式:
「00171 z =.............................................................................+ a2?'4 + asre + g4ra +g5ra0 + g6r12
I+ y I — {I + kjc2?'2
[0018]其中z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，k为圆锥系数，α2、α3、α4、α5、α 6为高次非球面系数。
[0019]所述镜头的镜片中的衍射面满足下列表达式:
[0020]Φ = A1 P 2+Α2 P 4
[0021]其中Φ为衍射面的位相，P = !■/!■11，1'11是衍射面的规划半径，A1, A2为衍射面的位相系数。本实用新型的有益效果为:拥有4倍变倍比，光学系统总长为178mm，最大口径85mm。结构紧凑，变焦曲线平滑，镜片最大移动量为25.53mm。变倍组和补偿组均只有一片透镜，这样可以更好的保证变焦过程中的光轴稳定性。同时使用折射式光学结构，无须调整反射镜，装调简便，易于量产。整个变焦范围内成像质量优良，全视场的平均MTFX).45020Ip/mmD
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本实用新型提供的长波红外手动连续变焦镜头的焦距为90mm时的光学系统图；
[0023]图2是本实用新型提供的长波红外手动连续变焦镜头的焦距为90mm时的点列图；
[0024]图3是本实用新型提供的长波红外手动连续变焦镜头的焦距为90mm时的光学传递函数图(截止分辨率为2011p/mm)；
[0025]图4是本实用新型提供的长波红外手动连续变焦镜头的焦距为90mm时的象散畸变图；
[0026]图5是本实用新型提供的长波红外手动连续变焦镜头的焦距为60_时的光学系统图；
[0027]图6是本实用新型提供的长波红外手动连续变焦镜头的焦距为60mm时的点列图；
[0028]图7是本实用新型提供的长波红外手动连续变焦镜头的焦距为60mm时的光学传递函数图(截止分辨率为2011p/mm)；
[0029]图8是本实用新型提供的长波红外手动连续变焦镜头的焦距为60mm时的象散畸变图；
[0030]图9是本实用新型提供的长波红外手动连续变焦镜头的焦距为30mm时的光学系统图；
[0031]图10是本实用新型提供的长波红外手动连续变焦镜头的焦距为30mm时的点列图；
[0032]图11是本实用新型提供的长波红外手动连续变焦镜头的焦距为30mm时的光学传递函数图(截止分辨率为2011p/mm)；
[0033]图12是本实用新型提供的长波红外手动连续变焦镜头的焦距为30mm时的象散畸变图；
[0034]其中，200-物空间，110-前固定组，120-变倍组，130-补偿组，140-孔径光阑，150-后固定组，160-调焦组，310-探测器组件，312-探测器保护窗口，314-像面，SI?SlO为透镜各个表面。
【具体实施方式】
[0035]以下结合附图，通过实施例对本实用新型做进一步详细说明。
[0036]该实施例是本实用新型应用于长波非制冷型分辨率640X480像元尺寸25 μ m凝视型焦平面探测器的例子。
[0037]图1、图5、图9分别为本实用新型在焦距90mm、60mm和30mm时的光学系统图，所述镜头的结构相同，以其中一个图为例作为说明。
[0038]如图1所示，本实施由正光焦度的前固定组110、负光焦度的变倍组120、正光焦度的补偿组130、负光焦度的后固定组150、正光焦度的调焦组160以及最后的探测器310组成。
[0039]前固定组110即第一透镜，为凸面朝向物方的正透镜，材料为锗单晶，其两个表面均为球面，该片镜片口径大，因此不使用非球面；变倍组120即第二透镜，为双凹形为负透镜，材料为锗单晶，S4表面为非球面。该透镜是移动镜片，起到了变焦过程中变倍的作用，移动曲线为5次抛物线，总移动行程25.53mm ;补偿组130即第三透镜，为双凸形的正透镜，材料为锗单晶，S5表面为非球面。该透镜是移动镜片，当变倍组镜片移动时，补偿组镜片做相应的移动从而保证像面位置不变，移动曲线为直线，总移动行程12.75mm ;后固定组150即第四透镜，为凸面朝向像方的弯月形负透镜，材料为锗单晶，S8表面为衍射非球面。调焦组160即第五透镜，为凸面朝向像方的弯月形正透镜，材料为锗单晶，其中S19面为非球面。该透镜是移动镜片，当目标距离发生改变以及工作温度发生变化时，可以用该镜片重新聚焦，总移动行程5mm ;长波非制冷探测器310包括:保护窗口 312，成像面314，分辨率为640X480，像元大小25 μ mX 25 μ m。系统的孔径光阑140，位于补偿组和后固定组之间。变焦过程中光阑孔径不变，从而保证光圈恒定。
[0040]以上五片透镜中，第一透镜SI表面镀类金刚石碳膜，因为该表面外露，需要镀类金刚石碳膜碳膜起保护性作用，其余S2?SlO表面均镀增透膜。
[0041]表I为本实用新型在焦距90mm，60mm，30mm时的光学结构参数:
[0042]表I
[0043]主τε? 曲本求仅 90mm/60mm/3Omm料纠人
￠￠+0 时的厚度(间隔)#+4
S192926.5 GERMANIU 85
S2~ 107.338Γ 55.53/47.69/3075.4:7 GERMANIU 32..7
S4"η62 19.79/33.94/58.07.50
S5 145.14087 GERMANIU~
S6" -508Χ20.75/14.44/856
光阑——4.54 —28.4
S7 -34.796884 ^ERMANIU 28.2
__；___M__
S8_ -42.68~26.9 —33
S9 45.195074.5 ^ERMANIU 3
____M__
SlO61.092231.7
[0044]以上八片透镜中提及的非球面，均为偶次非球面，其表达式如下
CT2—_ Λ
[0045]ζ =..........................................................................................................................................................+ r/2r4 +a3r6 +a4r2 + a5r10 +a6r12
I + ',1- (I +k}c2r2
[0046]其中z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，c表示表面的顶点曲率，k为圆锥系数，α2、α3、α4、α5、α 6为高次非球面系数。
[0047]表2为表面S2, S5, S7, S9的非球面系数:
[0048]表2
[0049]
表
JJ______
S2 -1.6351e-Q08 2.9386882e-013 -1.8662486e-015 2.0882539e-Q19 5.4S28144e-023 S5 ~ -2.3470312e-007 -4.8549778e-012~ 1.2526763e-013 -2.0889589e-016 1.1164623e-019 S7 __ 1.S9l4S.56c-006 2.05()4566c-0l(): H.37595S8c-OI3 ^7^6l2l6H3c-0l5 1.5887626(^7厂 S9 -7.2353.59c-007 -3.6H4l677c-0l() -5.1765443e-013 4.6649846e-015 -9.5929283e-018
[0050]以上五片透镜中提及的衍射面，其表达式如下:
[0051]Φ = A1 P 2+A2 P 4
[0052]其中Φ为衍射面的位相，P = r/rn，rn是衍射面的规划半径,ApA2为衍射面的位相系数。
[0053]表3为表面S9的衍射系数
[0054]表3
[0055]
表面
S9 1-15.679795 |l2.842117 1-8.7935763
[0056]下面参照像差分析图对本实用新型的效果做进一步详细的描述。
[0057]图2-图4是图1所述的长波红外手动连续变焦镜头的具体实施例在长焦状态时的像差分析图，图2是点列图、图3是MTF图、图4是场曲畸变图；
[0058]图6图8是图5所述的长波红外手动连续变焦镜头的具体实施例在中焦状态时的像差分析图，图6是点列图、图7是MTF图、图8是场曲畸变图；
[0059]图10图12是图9所述的长波红外手动连续变焦镜头的具体实施例在短焦状态时的像差分析图，图10是点列图、图11是MTF图、图12是场曲畸变图；
[0060]从图中可以发现，各个焦段的各种像差得到了很好的校正，弥散斑均校正到接近艾利班大小，MTF接近衍射极限，畸变〈5%。
[0061]由此可见，本实用新型长波红外手动连续变焦镜头具有良好的成像质量。
[0062]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案。因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种长波红外手动连续变焦镜头，其特征在于:由物方到像方依次包括，前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、调焦组以及探测器部分； 所述前固定组具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，表面类型均为球面； 所述变倍组具有负光焦度，为一片双凹形锗单晶负透镜，其朝向像方的一侧为非球面，所述透镜的总移动行程25.53mm ； 所述补偿组具有正光焦度，为一片双凸形锗单晶正透镜，其朝向物方的一侧为非球面，所述镜头的总移动彳了程12.75mm ； 所述后固定组具有负光焦度，为一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜，其凸面为衍射面； 所述调焦组具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其凸面为非球面，所述透镜的总移动行程5mm ； 在所述调焦组后为长波非制冷探测器部分，包括保护窗口和像面；孔径光阑位于补偿组与后固定组之间，变焦过程中保持恒定。
2.根据权利要求1所述的长波红外手动连续变焦镜头，其特征在于，所述镜头满足如下参数: 所述镜头的有效焦距EFL = 30?90mm, F数=1.4,光学系统总长=178mm,适配探测器分辨率640 X 490，像元大小25 μ m。
3.根据权利要求1所述的长波红外手动连续变焦镜头，其特征在于，所述镜头的全视场的平均 MTF>0.45@201p/mm。
4.根据权利要求1所述的长波红外手动连续变焦镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式:Z=.............................................................................4- our4+ CuTg + 0sr10 +aer12 其中Z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高，C表示表面的顶点曲率，k为圆锥系数，a2、a3、a4、a5、a 6为高次非球面系数。
5.根据权利要求4所述的长波红外手动连续变焦镜头，其特征在于，所述镜头的镜片中的衍射面满足下列表达式:
Φ = A1 P 2+A2 P 4 其中Φ为衍射面的位相，P = r/rn，rn是衍射面的规划半径,ApA2为衍射面的位相系数。
6.根据权利要求1所述的长波红外手动连续变焦镜头，其特征在于，所述镜头的水平视场角范围为:2w = 35.5°?1.8°。
【文档编号】G02B15/173GK203981959SQ201420348203
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】刘自强, 孔超, 夏日辉 申请人:北京蓝思泰克科技有限公司