一种高透过率中波红外变焦镜头的制作方法
【专利摘要】本发明的高透过率中波红外变焦镜头，包括从物侧至像侧沿光轴依次分布的前固定组、变倍组、补偿组、第一后固定组、第二后固定组以及探测器，特征在于：其分别采用正弯月透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、正弯月透镜以及两个正弯月透镜；变倍组、补偿组均通过驱动机构的驱使进行前、后运动，以分别实现改变焦距和补偿像面的离焦。本发明的高透过率中波红外变焦镜头，通过变倍组、补偿组的变焦和补偿运动，既实现了较大变倍（20倍）比，由于透镜数目（6片）较少，又保证了整个镜头系统具有较高的透过率，提高了中波红外成像的图像质量，结构紧凑，有温度补偿功能，易于装调和组装。
【专利说明】
一种高透过率中波红外变焦镜头
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高透过率中波红外变焦镜头，更具体的说，尤其涉及一种应用于 制冷红外光学成像系统上的高透过率中波红外变焦镜头。
【背景技术】
[0002] 中波红外制冷型红外探测器虽然价格昂贵，但是其相对长波非制冷红外探测器有 较好的NETD(NEDT为噪声等效温差，是判别探测器以及热像仪性能的重要指标）。长波非制 冷红外探测器NETD-般从50mk-120mk不等，中红制冷型红外探测器NETD-般从10mk-25mk 不等。因此，中波红外热像仪在军事，海防等重要领域，有着不可替代的作用。
[0003] 在中波制冷型红外热像仪中镜头非常重要，但是目前中波红外变焦镜头中，都使 用了8片，9片甚至更多片的透镜，由于受制于目前国内的镀膜工艺，每增加一片透镜，整个 镜头的透过率降低，导致整个红外热像仪的性能下降。在中国专利文献CN1482647B公开的 一种大变倍比中波红外连续变焦镜头采用8片透镜，还有中国专利文献CN105445934A公开 的一种紧凑型切换式三视场中波红外光学系统使用了 12片透镜，通过以上描述可知，透镜 少，高透过率的中波红外变焦镜头设计是一个难题。
【发明内容】
[0004] 本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种可减少透镜使用数量的高透过 率中波红外变焦镜头。
[0005] 本发明的高透过率中波红外变焦镜头，包括从物侧至像侧沿光轴依次分布的前固 定组、变倍组、补偿组、第一后固定组、第二后固定组以及探测器，探测器设置于探测器焦平 面上；其特征在于:所述前固定组为凸面朝向物侧的正弯月透镜，变倍组为双凹负透镜，补 偿组为双凸正透镜，第一后固定组为凸面朝向物侧的正弯月透镜，第二后固定组由第一透 镜和第二透镜组成，第一透镜、第二透镜均为凸面朝向物侧的正弯月透镜;变倍组、补偿组 均通过驱动机构的驱使进行前、后运动，以分别实现改变焦距和补偿像面的离焦;在镜头由 广角至长焦变化过程中，变倍组与前固定组之间的距离、补偿组与第一后固定组之间的距 离均逐渐增大。
[0006] 本发明的高透过率中波红外变焦镜头，所述前固定组、变倍组、补偿组、第一后固 定组、第一透镜、第二透镜分别具有正、负、正、正、正、正的屈光度。
[0007] 本发明的高透过率中波红外变焦镜头，第二透镜至探测器焦平面之间依次设置有 探测器窗口和冷光阑。
[0008] 本发明的高透过率中波红外变焦镜头，设前固定组的焦距为匕、变倍组的焦距为 f2、第二后固定组的焦距为f4,其满足如下不等式组：
[0010] 其中，ft为镜头处于长焦状态时所具有的焦距。
[0011] 本发明的高透过率中波红外变焦镜头，记前固定组、变倍组、补偿组、第一后固定 组、第一透镜、第二透镜的透镜序号分别为1、2、3、4、5、6，从物侧至像侧其曲面分别标记为 51、52、53、54、55、56、57、58、59、510、511、512,51至512相邻两曲面的距离分别为12111111、 D1 mm、4mm、D 2mm、5mm、D 3mm、4mm、8 0.10mm、7mm、15 ? 40mm、5mm，SI 2到探测器焦平面的距离为 24.5mm，镜头由广角至长焦变化的过程中，D1从31.40到106.20之间变化，D2从117.4至 14.55之间变化，D3从17.20至45.25之间变化。
[0012] 本发明的高透过率中波红外变焦镜头，所述第一后固定组和第二透镜为硅材料， 前固定组、变倍组、补偿组和第一透镜均为锗材料；曲面S3和曲面S6均为偶次非球面，偶次 非球面通过如下公式来确定：
[0014] 其中，其中，k为非球面的圆锥系数，a4、a6、a8为非球面的4次、6次、8次系数;r为非 球面上距离光轴垂直方向上的高度，z为非球面上距离透镜中心水平方向上的距离；
[0015] 对于偶次非球面S3，k、a4、a6、a8分别取-0.85、1.53 X 10-7、-2.4X10-1Q、2.87X10 -13;对于偶次非球面 S6，k、a4、a6、a8 分别取1 ? 2、1 ? 26 X 10-7、-1 ? 8 X 10-1Q、3 ? 03 X 10-13。
[0016] 本发明的高透过率中波红外变焦镜头，所述曲面S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、 510、511、512的曲率半径分比为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] 本发明的有益效果是:本发明的高透过率中波红外变焦镜头，通过在物侧至像侧 沿光轴依次设置前固定组、变倍组、补偿组、第一后固定组以及由第一透镜和第二透镜组成 的第二后固定组，且其分别采用正弯月透镜、双凹负透镜、双凸正透镜、负弯月透镜、正弯月 透镜、正弯月透镜，通过变倍组、补偿组的变焦和补偿运动，既实现了较大变倍(20倍)比，由 于透镜数目（6片)较少，又保证了整个镜头系统具有较高的透光率，提高了中波红外成像的 图像质量。本发明能够通过选取和排列6片透镜，就能实现20倍的变倍比，同时具有很高的 透过率，结构紧凑，有温度补偿功能，易于装调和组装。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明的高透过率中波红外变焦镜头长焦端的结构示意图；
[0019] 图2为本发明的高透过率中波红外变焦镜头中焦端的结构示意图；
[0020] 图3为本发明的高透过率中波红外变焦镜头广角端的结构示意图；
[0021] 图4为本发明的镜头处于长焦端的调制传递函数MTF图；
[0022]图5为本发明的镜头处于中焦端的调制传递函数MTF图；
[0023]图6为本发明的镜头处于广角端的调制传递函数MTF图。
[0024]图中：1前固定组，2变倍组，3补偿组，4第一后固定组，5第一透镜，6第二透镜，7探 测器窗口，8冷光阑，9探测器焦平面。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0026]如图1、图2和图3所示，分别给出了本发明的高透过率中波红外变焦镜头长焦端、 中焦段和广角端的结构示意图，其由从物侧至像侧沿光轴依次分布的前固定组1、变倍组2、 补偿组3、第一后固定组4、第二后固定组和探测器组成，第二后固定组由第一透镜5和第二 透镜6组成，前固定组1由凸面朝向物侧的正弯月透镜构成，以实现对不同距离的目标进行 聚焦;变倍组2采用双凹负透镜，用于改变系统的焦距，补偿组3采用双凸正透镜，用于对远 近不同的物体聚焦清楚，对远近不同的物体聚焦清楚，并可以在一定温度变化范围内补偿 像面的离焦;第一后固定组4采用凸面朝向物侧的正弯月透镜，用于实现系统的像差平衡； 第二后固定组中的第一透镜5和第二透镜6均采用凸面朝向物侧的正弯月透镜。第二透镜6 至探测器焦平面9之间依次设置有探测器窗口 7和冷光阑8。
[0027]变倍组2和补偿组3通过驱动机构的驱使进行前、后运动，以分别实现改变焦距和 补偿像面的离焦，如采用凸轮机构进行驱动。在镜头由广角至长焦变化过程中，变倍组2与 前固定组1之间的距离、补偿组3与第一后固定组4之间的距离均逐渐增大，变倍组2与补偿 组3之间的距离逐渐变小。通过变倍组2和补偿组3的运动，可实现较大变倍(20倍）比，由于 采用了较少数目的透镜(6片），保证了整个透镜的高透过率。
[0028]前固定组1、变倍组2、补偿组3、第一后固定组4、第一透镜5、第二透镜6的屈光度分 别为正、负、正、正、正、正，变倍组2朝向物侧的面和补偿组3朝向像侧的面均加工为偶次非 球面，第一后固定组4和第二透镜6均为硅材料制作，其余四片透镜均由锗材料制作，锗材料 易于加工偶次非球面。
[0029]本发明的高透过率中波红外变焦镜头，工作波段为3-5wii，变倍比为20倍，最长焦 距为280mm，最短焦距为14mm。记前固定组1、变倍组2、补偿组3、第一后固定组4、第一透镜5、 第二透镜6的透镜序号分别为1、2、3、4、5、6,从物侧至像侧其曲面分别标记为S1、S2、S3、S4、 35、36、37、38、39、310、311、312，各透镜的光学元件参数如表1所示：
[0032]偶次非球面S3和S6通过如下公式来确定：
[0034] 其中，其中，k为非球面的圆锥系数，a4、a6、a8为非球面的4次、6次、8次系数;r为非 球面上距离光轴垂直方向上的高度，z为非球面上距离透镜中心水平方向上的距离。偶次非 球面S3和S6的非球面数据如表2所示：
[0035] 表 1
[0037] 其中，在非球面形数据中，e-n代表"X10-n"，例如2.01e_06代表2.01XKT6。
[0038]在镜头由广角至长焦变化过程中，广角、中焦、长焦状态下D1、D2、D3的取值如表3 所示：
[0039]表 3
[0041]如图4、图5和图6所示，分别给出了本发明的镜头处于长焦、中焦和广角端的调制 传递函数MTF图，且其横轴为每毫米的线对数（line pair per millimeter)，纵轴为对比度 数值。可以看出此光学系统在201p/mm时MTF非常接近衍射极限值，图像质量较高。
[0042]本发明未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。当然，上述说 明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在 本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，例如把非球面改为二元衍射面，也 应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种高透过率中波红外变焦镜头，包括从物侧至像侧沿光轴依次分布的前固定组 (1)、变倍组(2)、补偿组(3)、第一后固定组(4)、第二后固定组以及探测器，探测器设置于探 测器焦平面(9)上；其特征在于:所述前固定组为凸面朝向物侧的正弯月透镜，变倍组为双 凹负透镜，补偿组为双凸正透镜，第一后固定组为凸面朝向物侧的正弯月透镜，第二后固定 组由第一透镜(5)和第二透镜(6)组成，第一透镜、第二透镜均为凸面朝向物侧的正弯月透 镜;变倍组、补偿组均通过驱动机构的驱使进行前、后运动，以分别实现改变焦距和补偿像 面的离焦;在镜头由广角至长焦变化过程中，变倍组与前固定组之间的距离、补偿组与第一 后固定组之间的距离均逐渐增大。2. 根据权利要求1所述的高透过率中波红外变焦镜头，其特征在于:所述前固定组（1)、 变倍组(2)、补偿组(3)、第一后固定组(4)、第一透镜(5)、第二透镜(6)分别具有正、负、正、 正、正、正的屈光度。3. 根据权利要求1或2所述的高透过率中波红外变焦镜头，其特征在于:第二透镜(6)至 探测器焦平面(9)之间依次设置有探测器窗口（ 7)和冷光阑（8)。4. 根据权利要求1或2所述的高透过率中波红外变焦镜头，其特征在于:设前固定组（1) 的焦距为fi、变倍组(2)的焦距为f 2、第二后固定组的焦距为f4,其满足如下不等式组：其中，ft为镜头处于长焦状态时所具有的焦距。5. 根据权利要求1或2所述的高透过率中波红外变焦镜头，其特征在于：记前固定组 (1)、变倍组(2)、补偿组(3)、第一后固定组(4)、第一透镜(5)、第二透镜(6)的透镜序号分别 为1、2、3、4、5、6,从物侧至像侧其曲面分别标记为 S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、 312,31至312相邻两曲面的距离分别为12111111、01111111、41]1111、021]1111、5111111、03111111、4111111、80.10mm、7mm、 15.4〇111111、5111111，312到探测器焦平面(9)的距离为24.5111111，镜头由广角至长焦变化的过程中， D1从31.40到106.20之间变化，D2从117.4至14.55之间变化，D3从17.20至45.25之间变化。6. 根据权利要求5所述的高透过率中波红外变焦镜头，其特征在于:所述第一后固定组 (4)和第二透镜(6)为硅材料，前固定组（1)、变倍组(2)、补偿组(3)和第一透镜(5)均为锗材 料；曲面S3和曲面S6均为偶次非球面，偶次非球面通过如下公式来确定：其中，其中，k为非球面的圆锥系数，a4、a6、a8为非球面的4次、6次、8次系数;r为非球面 上距离光轴垂直方向上的高度，z为非球面上距离透镜中心水平方向上的距离； 对于偶次非球面S3，k、a4、a6、a8 分别取-0.85、1.53X10-7、-2.4X10-1Q、2.87X10-13;对 于偶次非球面 S6，k、a4、a6、a8 分别取1 ? 2、1 ? 26 X 10-7、-1 ? 8 X 10-1Q、3 ? 03 X 10-13。7. 根据权利要求5所述的高透过率中波红外变焦镜头，其特征在于：所述曲面S1、S2、 S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12的曲率半径分比为201.653mm、350.275mm、-306.83mm、208.55mm、602.16mm、-249.83mm、89.25mm、100.19mm、66.32mm、114.50mm、 54.42mm、69.06mm。
【文档编号】G02B7/10GK106054364SQ201610707402
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月23日
【发明人】刘涛, 徐仰惠, 马兴才, 董术永, 孙大江
【申请人】山东神戎电子股份有限公司