一种大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头的制作方法
【专利摘要】本发明的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，包括由物面到像面沿光轴依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、中继组和探测器，特征在于：所述变倍组由双凹透镜构成，补偿组由双凸透镜构成，中继组由反射镜组和二次成像组构成，反射镜组使光线的传播方向进行180°转折，转折后的光线经二次成像组后，汇聚于探测器的靶面上，实现中波红外图像的采集。本发明的中波红外连续变焦镜头，一片透镜实现变倍、一片透镜实现补偿，减少了运动组元、简化了系统结构，提高了镜头的稳定性；通过设置使光线传播路径发生180°转折的反射组，缩短了镜头的横向尺寸，同时二次成像组还减小了前固定组的口径，有利于形成具有较小尺寸的镜头。
【专利说明】
一种大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头
技术领域
[0001] 本发明涉及一种中波红外连续变焦镜头，更具体的说，尤其涉及一种大变倍比折 返式中波红外连续变焦镜头。
【背景技术】
[0002] 红外光学系统具有夜间穿透能力强、识别伪装能力强、可被动接收红外辐射、隐蔽 性好、不易受干扰等优点，在陆、海、空等军事领域的武器系统中展现出特殊的能力。随着红 外成像技术的发展，红外变焦距系统被广泛应用于制导、监控、红外前视及目标探测和跟踪 等领域。与定焦镜头、分档镜头相比，连续变焦镜头既能在大视场捕获目标，又能在发现目 标后调整到小视场瞄准跟踪目标。并且在焦距和视场转换过程中，可保持对所观测目标在 探测器靶面上所成像的连续性，这利于对高速运动目标的搜索和跟踪，解决了分档变焦镜 头在视场切换时易造成尚速目标丢失的缺陷。
[0003] 与非制冷探测器相比，制冷型探测器灵敏度高，更容易满足军事领域对红外探测 系统远作用距离、高温度分辨率、高空间分辨率的要求。故在军事领域、红外成像系统普遍 采用制冷型探测器，但是目前搭配制冷型探测器设计的红外变焦镜头存在一些缺点，如加 工成本高、技术难度大、结构复杂、变倍比小、成像质量差等。例如专利号201310310772.0的 发明专利文件，公开了一种高变倍比中波红外连续变焦系统，系统使用双组联动的变倍补 偿结构，且在硅材料上添加了非球面，应用到产品上结构复杂，在硅材料上加工非球面难度 尚，不易实现。
【发明内容】
[0004] 本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种大变倍比折返式中波红外连续 变焦镜头。
[0005] 本发明的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，包括由物面到像面沿光轴依次 设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、中继组和探测器，入射到前固定组的光线，经 过变倍组和补偿组的变倍、补偿后，得到的光线再经后固定组和中继组成像到探测器的靶 面上；其特征在于:所述变倍组由双凹透镜构成，补偿组由双凸透镜构成，通过驱使双凹透 镜、双凸透镜的移动实现镜头的连续变焦，以获取不同视场下的图像;所述中继组由反射镜 组和二次成像组构成，反射镜组使光线的传播方向进行180°转折，转折后的光线经二次成 像组后，汇聚于探测器的靶面上，实现中波红外图像的采集。
[0006] 本发明的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，所述前固定组由第一正弯月透 镜构成，后固定组由沿光线射入方向依次分布的第一负弯月透镜、第二正弯月透镜和第三 正弯月透镜组成;所述反射组由反射面相对设置的第一反射镜和第二反射镜组成，第一反 射镜、第二反射镜与光轴均成45°夹角;所述二次成像组由第四正弯月透镜和第二负弯月透 镜组成。
[0007] 本发明的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，所述第一正弯月透镜、双凹透 镜、双凸透镜、第一负弯月透镜、第二正弯月透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜、第二 负弯月透镜的光焦度分别为正、负、正、正、正、正、正、负，材料分别为硅、锗、锗、锗、硅、锗、 娃、锗； 第一正弯月透镜、双凹透镜、双凸透镜、第一负弯月透镜、第二正弯月透镜、第三正弯月 透镜、第四正弯月透镜、第二负弯月透镜上沿物面至相面方向上的曲面分别标记为S1、S2、 33、34、35、36、37、38、39、310、311、312、315、316、317、318，第一反射镜和第二反射镜的反射 面分别标记为S13、S14;双凹透镜的前表面S3、第一负弯月透镜的前表面S7、第二负弯月透 镜的前表面S17的曲面均为偶次非球面，且非球面S3、S17的曲面上还加工二元衍射面。
[0008] 本发明的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，所述第一正弯月透镜、双凹透 镜、双凸透镜、第一负弯月透镜、第二正弯月透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜、第二 负弯月透镜的反射面上均镀有增透膜，第一反射镜和第二反射镜的表面均镀有增反膜。
[0009] 本发明的有益效果是:本发明的中波红外连续变焦镜头，变倍组、补偿组分别通过 双凹透镜、双凸透镜来构成，使得一片透镜实现变倍、一片透镜实现补偿，减少了运动组元、 简化了系统结构，提高了镜头的稳定性;通过设置使光线传播路径发生180°转折的反射组， 转折后的光线再经二次成像组后成像，有效地缩短了镜头的横向尺寸，同时还减小了前固 定组的口径，有利于形成具有较小尺寸的镜头。
[00? 0]本发明的中波红外连续变焦镜头，可实现较大焦距(如20mm~300mm)的连续变焦， 在短焦发现目标、长焦识别目标，且在变焦过程中不会丢失目标。通过将多个透镜的曲面设 计为偶次非球面和二元衍射面，使像差得到很好的校正，成像质量好。通过镜片材料的非球 面的合理搭配，降低了成本。
【附图说明】
[0011]图1为本发明的连续变焦镜头在焦距为300mm处的光学系统图； 图2为本发明的连续变焦镜头在焦距为78mm处的光学系统图； 图3为本发明的连续变焦镜头在焦距为20mm处的光学系统图； 图4为本发明在焦距300mm处，空间频率为301p/mm的MTF曲线图； 图5为本发明在焦距78mm处，空间频率为301p/mm的MTF曲线图； 图6为本发明在焦距20mm处，空间频率为301p/mm的MTF曲线图； 图7为本发明在焦距300mm处的光斑图； 图8为本发明在焦距78mm处的光斑图； 图9为本发明在焦距20mm处的光斑图。
[0012] 图中：1第一正弯月透镜，2双凹透镜，3双凸透镜，4第一负弯月透镜，5第二正弯月 透镜，6第三正弯月透镜，7第一反射镜，8第二反射镜，9第四正弯月透镜，10第二负弯月透 镜，11探测器。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0014] 如图1、图2和图3所示，给出了本发明的连续变焦镜头在焦距为300mm、78mm、20mm 处的光学系统图，其由从物方到像方沿光轴依次分布的前固定组、变倍组、补偿组、后固定 组、中继组和探测器11组成，前固定组由第一正弯月透镜1构成，以实现对射入光线的汇聚 作用。变倍组由双凹透镜2构成，补偿组由双凸透镜3组成，通过双凹透镜2的移动实现镜头 的变焦，双凹透镜3配合移动进行补偿，以获取清晰的红外图像。由于变倍、补偿均通过一片 透镜来实现，运动元件少，简化了整个镜头的结构，有利于实现成像的稳定性。
[0015] 所示的后固定组由沿光线射入方向依次分布的第一负弯月透镜4、第二正弯月透 镜5和第三正弯月透镜6构成；中继组由反射镜组和二次成像组构成，反射镜组由第一反射 镜7、第二反射镜8构成，第一反射镜7与第二反射镜8以反射面相对的形式布置，且第一反射 镜7和第二反射镜8与镜头光轴的夹角均为45°，这就使得由后固定组射出的光线依次经第 一反射镜7、第二反射镜8的反射后，光线的传播方向发生了 180°改变。
[0016] 二次成像组由沿光线传播方向依次设置的第四正弯月透镜9和第二负弯月透镜10 构成，二次成像组射出的光线汇聚于探测器11的焦平面上，实现中波红外成像。由于设置了 由第一、第二反射镜构成的反射镜组，在保证光线传播路径的同时，缩短了镜头的横向长 度，以及前固定组的口径，易于形成具有较小尺寸的镜头。
[0017] 所示的第一正弯月透镜1、双凹透镜2、双凸透镜3、第一负弯月透镜4、第二正弯月 透镜5、第三正弯月透镜6、第四正弯月透镜9、第二负弯月透镜10的光焦度分别为正、负、正、 正、正、正、正、负，材料分别为娃、锗、锗、锗、娃、锗、娃、锗。
[0018] 第一正弯月透镜1、双凹透镜2、双凸透镜3、第一负弯月透镜4、第二正弯月透镜5、 第三正弯月透镜6、第四正弯月透镜9、第二负弯月透镜10上沿物面至相面方向上的曲面分 别标记为 31、52、53、54、55、56、57、58、59、510、511、512、515、516、517、518，第一反射镜7和 第二反射镜8的反射面分别标记为S13、S14;双凹透镜2的前表面S3、第一负弯月透镜4的前 表面S7、第二负弯月透镜10的前表面S17的曲面均为偶次非球面，且非球面S3、S17的曲面上 还加工二元衍射面。
[0019] 这样，由于双凹透镜2、第一负弯月透镜4、第二负弯月透镜10均为锗材料，则锗材 质的透镜上加工偶次非球面和二元衍射面，考虑到硅材料上加工非球面易磨损车刀，难以 实现，所有非球面均加工在小尺寸的锗透镜上，保证加工精度的同时又降低了成本。
[0020] 所示的第一正弯月透镜1、双凹透镜2、双凸透镜3、第一负弯月透镜4、第二正弯月 透镜5、第三正弯月透镜6、第四正弯月透镜9、第二负弯月透镜10的表面均镀有增透膜，第一 反射镜7和第二反射镜8的反射面上均镀有增反膜。
[0021] 如表1所示，给出了本发明的镜头在焦距300mm、152111111、78111111、4〇111111、2〇111111的光学结 构参数。本发明的镜头在变焦过程中，第一正弯月透镜1的后表面S2与双凹透镜2的前表面 S3之间的距离为Z1、双凹透镜2的后表面S4与双凸透镜3的前表面S5之间的距离为Z2、双凸 透镜的后表面S6与第二正弯月透镜4的前表面S7之间的距离为Z3。
[0022] 表 1
在焦距分别为300mm、152臟、78111111、4〇111111、2〇111111情况下21、22与23的取值如表2所示。 [0023]表 2
由此可见，镜头在变焦的过程中，Z1、Z2、Z3是连续变化的。
[0024] 图4、图5、图6分别是焦距为长焦300mm、中焦78mm、短焦20mm时，空间频率为301p/ mm处光学传递函数(MTF)曲线图，横坐标为每毫米线对数，纵坐标为归一化对比度，每幅图 中均有6条曲线，其分别为衍射极限、中心视场、0.707视场与边缘视场的子午方向和弧矢方 向的分辨率与空间频率的关系。由图可知在不同焦距处，不同视场在301p/mm的对比度均大 于0 · 4〇
[0025]图7、图8、图9分别是焦距为长焦300mm、中焦78mm、短焦20mm的光斑图，给出了三个 视场的光斑，RMS RADIUS为均方根半径，GEO RADIUS为几何半径，值越小成像质量越好。
[0026] 由图4至图9可以得出，本发明大变倍比折反式中波红外连续变焦镜头具有很好的 成像效果，可搭配320 X 256或640 X 512中波红外制冷探测器。
[0027] 以上为本发明的【具体实施方式】，但不限于上述实例。
【主权项】
1. 一种大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，包括由物面到像面沿光轴依次设置的 前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、中继组和探测器（11)，入射到前固定组的光线，经过 变倍组和补偿组的变倍、补偿后，得到的光线再经后固定组和中继组成像到探测器的靶面 上;其特征在于:所述变倍组由双凹透镜（2)构成，补偿组由双凸透镜（3)构成，通过驱使双 凹透镜、双凸透镜的移动实现镜头的连续变焦，以获取不同视场下的图像;所述中继组由反 射镜组和二次成像组构成，反射镜组使光线的传播方向进行180°转折，转折后的光线经二 次成像组后，汇聚于探测器的靶面上，实现中波红外图像的采集。2. 根据权利要求1所述的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，其特征在于:所述前 固定组由第一正弯月透镜（1)构成，后固定组由沿光线射入方向依次分布的第一负弯月透 镜(4)、第二正弯月透镜(5)和第三正弯月透镜(6)组成;所述反射组由反射面相对设置的第 一反射镜(7)和第二反射镜(8)组成，第一反射镜、第二反射镜与光轴均成45°夹角;所述二 次成像组由第四正弯月透镜(9)和第二负弯月透镜(10)组成。3. 根据权利要求2所述的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，其特征在于:所述第 一正弯月透镜（1)、双凹透镜（2)、双凸透镜（3)、第一负弯月透镜(4)、第二正弯月透镜(5)、 第三正弯月透镜(6)、第四正弯月透镜(9)、第二负弯月透镜（10)的光焦度分别为正、负、正、 正、正、正、正、负，材料分别为娃、锗、锗、锗、娃、锗、娃、锗； 第一正弯月透镜、双凹透镜、双凸透镜、第一负弯月透镜、第二正弯月透镜、第三正弯月 透镜、第四正弯月透镜、第二负弯月透镜上沿物面至相面方向上的曲面分别标记为S1、S2、 33、34、35、36、37、38、39、310、311、312、315、316、317、318，第一反射镜(7)和第二反射镜(8) 的反射面分别标记为S13、S14;双凹透镜的前表面S3、第一负弯月透镜的前表面S7、第二负 弯月透镜的前表面S17的曲面均为偶次非球面，且非球面S3、S17的曲面上还加工二元衍射 面。4. 根据权利要求2或3所述的大变倍比折返式中波红外连续变焦镜头，其特征在于:所 述第一正弯月透镜（1)、双凹透镜（2)、双凸透镜(3)、第一负弯月透镜(4)、第二正弯月透镜 (5)、第三正弯月透镜(6)、第四正弯月透镜(9)、第二负弯月透镜（10)的反射面上均镀有增 透膜，第一反射镜(7)和第二反射镜(8)的表面均镀有增反膜。
【文档编号】G02B15/173GK105974566SQ201610566758
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月19日
【发明人】徐仰惠, 刘涛, 马兴才, 董术永, 孙大江
【申请人】山东神戎电子股份有限公司