专利名称：一种中波红外连续变焦镜头的制作方法
技术领域：
本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种中波红外连续变焦镜头。
背景技术：
近年来，红外成像技术的应用广度和深度都有了长足的发展，中波制冷型探测器由于其灵敏度高，其价格比同类型长波探测器具有明显优势等特点，在目标搜寻、导弹预警探测、情报侦察等军事和相关的民用领域有着广阔的应用前景。在许多特殊场合，红外双视场乃至三视场镜头已不能满足应用需求。中波红外连续变焦成像系统的核心组件之一为中波红外变焦镜头，通过移动不同的透镜组实现连续变焦，同时保持像面清晰，能够实现大视场搜索目标、变焦过程中跟踪目标、小视场仔细观察目标的目的，因而具有强烈的应用需求。之前报道的中波红外连续变焦镜头主要适用于320X256元小面阵的探测器。如华中光电研究所的王海涛等人在《红外技术杂志》第四卷1期8-11页报导的用8片透镜实现的6. 4倍放大中波连续变焦镜头，其焦距为50mm-320mm ；中国空空导弹研究院的尹娜等人在《红外技术杂志》第31卷12期694-697页报导的用7片透镜实现的5倍放大中波连续变焦镜头，其焦距为30mm-150mm;昆明物理研究所的陈吕吉等人在《红外技术杂志》上第 32卷10期562-566页报导的用6片透镜实现的16. 7倍放大中波连续变焦镜头，其焦距为 27. 5mm-458mm ；武汉理工大学的郜洪云等人在《光学精密工程杂志》第15卷7期1038-1043 页报导的用7片透镜实现的10倍放大中波连续变焦镜头，其焦距为50mm-500mm;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的杨为锦等人在《中国光学与应用光学杂志》第3卷 2期164-169页报导的用8片透镜实现的18倍变焦镜头，焦距为llmm-200mm ；韩国Hyim sook Kim等人在《OpticalEngineering》杂志上第41卷7期1661-1667页报导的用7片透镜实现的20倍连续变焦镜头，其焦距为13. 75mm-275mm。以上报导的变焦镜头都是基于 320 X 240元，像元尺寸为30umX 30um的制冷型探测器，无法满足640 X 512元，像元尺寸为 25umX 25um的制冷型探测器对像质的要求。中国一航洛阳电光设备研究所的许照东等人在 《红外与激光工程杂志》第36卷5期619-621页报导的用7片透镜实现的20倍连续变焦镜头，焦距为14mmj80mm，其应用的探测器为640X512元，像元尺寸为15umX15um的制冷型探测器，但其参与变焦的透镜有3片，在系统变焦时，这3片透镜需同时移动，这无疑增加了系统变焦过程中的负荷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种中波红外连续变焦镜头，能够应用于 640X512元或更大面阵制冷型中波探测器，并且结构简单，运动负荷小。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案包括一种中波红外连续变焦镜头，从物方到成像方依次包括具有正屈光度的第一透镜群，为前固定组；
具有负屈光度的第二透镜群，为变焦组；具有正屈光度的第三透镜群，为补偿组；具有负屈光度的第四透镜群，为后固定组；具有正屈光度的第五透镜群，为中继组；具有正屈光度的第六透镜群，为调焦组，也称为对焦组。进一步地，所述第一透镜群用于会聚收光，包括由一凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜和一凸面朝物侧的弯月形锗负透镜。进一步地，所述中波红外连续变焦镜头的焦距FO与所述第一透镜群的焦距Fl满足如下关系0. 15 < F0/F1 < 2。进一步地，所述第二透镜群包括一双凹形硅负透镜，用于改变所述中波红外连续变焦镜头的焦距，增加变倍倍率。进一步地，所述第三透镜群包括一凸面朝向物侧的弯月形锗正透镜，用于补偿所述中波红外连续变焦镜头在变焦过程中的像面位置的偏移。进一步地，所述第四透镜群包括一凸面朝向物侧的弯月形硅负透镜。进一步地，所述第五透镜群包括一弯月形锗正透镜。进一步地，所述第六透镜群包括一凹面朝向像侧的弯月形锗正透镜，用于补偿不同物距不同温度下像面位置的偏移。进一步地，所述第三透镜群和第五透镜群的透镜均具有非球面和衍射面，具体可以为其中一个面为非球面，另一个面为衍射面；或者，其中一个面同时为非球面和衍射面；所述第六透镜群的透镜具有非球面。进一步地，本发明中波红外连续变焦镜头还包括第一反射镜和第二反射镜，其中第一反射镜位于第四透镜群和第五透镜群之间，第二反射镜位于第五透镜群和第六透镜群之间；所述第一反射镜和第二反射镜用于折转镜头中的光路，以缩短镜头的横向尺寸。更进一步地，所述第一反射镜和第二反射镜用于将镜头中的光路折叠成“U”型。更进一步地，本发明中波红外连续变焦镜头还包括一平板参考源，所述平板参考源置于所述第一反射镜和所述第五透镜群之间，用于背景校正，降低所述平板参考源至像侧端之间的透镜群组产生的冷反射对像质的影响。本发明的有益效果为本发明中波红外连续变焦镜头中，参与变焦的透镜仅2片，在变焦过程中，仅第二透镜群和第三透镜群移动，结构简单，运动负荷小。本发明避免在口径较大的第一透镜群上设非球面，避免在硅透镜上加工非球面， 易于光学加工制作，且精度易于保证，从而降低了生产成本。第一透镜群由两片透镜组成，第一片透镜可用于镜头的密封，第二片透镜用于矫正系统的色差，提高像质，且第二片透镜口径小于第一片透镜，可有效压缩变焦组、补偿组的凸轮镜筒口径，使整个变焦镜头结构更加紧凑。另外，将F0/F1的数值限制在0. 15至2 之间，可使整个变焦镜头具有良好的变焦效果，且可在维持良好成像质量的前提下，使变焦镜头的整体结构更为紧凑。本发明采用衍射面能够矫正色差，提高像质，且能够减小温度变化对像质的影响。
图1为本发明中波红外连续变焦镜头在长焦位置的示意图；图2为本发明中波红外连续变焦镜头在中焦位置的示意图；图3为本发明中波红外连续变焦镜头在短焦位置的示意图；图4A至图4C为本发明中波红外连续变焦镜头在长焦位置的成像光学仿真数据图；图5A至图5C为本发明中波红外连续变焦镜头在中焦位置的成像光学仿真数据图；图6A至图6C为本发明中波红外连续变焦镜头在短焦位置的成像光学仿真数据图。主要组件符号说明110第—-透镜群
112第—-透镜
114A-Ap — 弟一透镜
120A-Ap — 弟一透镜群
122第三透镜
130第三透镜群
132第四透镜
140第四透镜群
142第五透镜
150第—-反射镜
160平板参考源
170第五透镜群
172第六透镜
180A-Ap — 弟一反射镜
190第六透镜群
192第七透镜
200示意为物侧端
210示意为像侧端
Sl --sieI 表面
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。图1、图2、图3分别是本发明中波红外连续变焦镜头在长焦、中焦、短焦位置的示意图。如图所示，本发明中波红外连续变焦镜头由物方到成像方依次包括具有正屈光度的第一透镜群110，具有负屈光度的第二透镜群120，具有正屈光度的第三透镜群130，具有负屈光度的第四透镜群140，用于折转光路用的第一反射镜150，用于背景校正用的平板参考源160，具有正屈光度的第五透镜群170，用于折转光路用的第二反射镜180，具有正屈光度的第六透镜群190。其中第一透镜群110为前固定组，包括具有正屈光度的第一透镜 112和具有负屈光度的第二透镜114。第一透镜112为凸面朝向物侧的弯月形硅透镜，第二透镜114为凸面朝向物侧的弯月形锗透镜。本发明实施例中，中波红外连续变焦镜头的焦距FO与第一透镜群110的焦距Fl 满足如下关系0. 15 < F0/F1 < 2。由于第一透镜群110的镜片都是普通球面镜片，制作工艺较为简单且精度易于保证，能有效降低生产成本。另外，将F0/F1的数值限制在0. 15至2之间可使整个变焦镜头具有良好的变焦效果，且可维持良好成像质量的前提下，使变焦镜头结构更为紧凑。第二透镜群120为变焦组，用于改变系统的焦距，增加变倍倍率。第二透镜群120 由一片双凹形硅负透镜构成。第三透镜群130为补偿组，由一凸面朝向物侧的弯月形锗正透镜构成，其作用是用于补偿成像系统在变焦过程中的像面位置的偏移。第二透镜群120和第三透镜群130分别为变焦组和补偿组，适于在第一透镜群110 与第四透镜群140之间移动。具体地，当需要将变焦镜头的倍率自长焦端调整至短焦端时， 则使第二透镜群120朝向物侧200移动，同时，作为补偿组的第三透镜群130先朝物侧200 移动，然后向第四透镜群140侧移动，其作用是补偿第二透镜群120移动引起的像面移动。第四透镜群140为后固定组，由一凸面朝向物侧的弯月形硅负透镜构成，其作用是将物方的景物会聚成成像系统的一次实像。第一反射镜150成45度放置于第四透镜群 140后，其目的是用于折转光路，减小光路的纵向尺寸。成像系统的一次实像在第一反射镜 150与第五透镜群170之间。平板参考源160置于一次像面前或后4mm-6mm处，其作用是用于成像系统的背景校正，可有效降低平板参考源160至像侧端210之间的透镜群组产生的冷反射对成像系统像质的影响。第五透镜群170为成像系统的中继组，由一凹面朝第一反射镜150的弯月形锗正透镜构成。第二反射镜180成45度置于第五透镜群170后，其目的是用于折转光路。第六透镜群190为调焦组，由一凹面朝向像侧的弯月形锗正透镜构成，其作用是补偿不同物距不同温度下像面位置的偏移。为了提高像质，改善成像系统温度变化对像质的影响，第三透镜群130和第五透镜群170的透镜均采用了非球面和衍射面的设计，例如，将其中一个面设计为非球面，另一个面设计为衍射面；又例如，将其中一个面设计为既是非球面，又是衍射面。第六透镜群 190的透镜则采用了非球面的设计，例如将其中一个面设计为非球面。本发明实施例中，中波红外连续变焦镜头只有七片透镜，而且避免了把非球面和衍射面设在口径较大的第一透镜群110的透镜上，也没有设在硅透镜上，这样易于加工制作，精度得到保证的同时可有效降低生产成本。表一举出了本发明中波红外连续变焦镜头的一优选实施例。表一、本发明中波红外连续变焦镜头一优选实施例表面曲率半径(mm)间距(mm)玻璃材料备注Sl261. 4610. 5硅单晶透镜112S2826. 3333. 18空气S32095.187锗单晶透镜114S4566. 41Tl空气S5-289.0144. 8硅单晶透镜122S6254.234T2空气S778. 6046. 5锗单晶透镜132S8208.1416Τ3空气S961. 22275. 59硅单晶透镜142SlO34. 015832. 39空气SllInfinity-117Κ9反射镜反射镜1150S124569. 85-6. 8锗单晶透镜172S13229. 251-33. 03空气S14Infinity33Κ9反射镜反射镜ΙΙ180S1581.7735. 61锗单晶透镜W2S16179. 18617. 65空气在表一中，曲率半径是指每个表面的曲率半径，间距是指两相邻表面间的距离，举例说来，表面Sl的间距，即表面Sl至表面S2间的距离。玻璃材料和备注栏分别是该透镜的制作所用的材料及透镜编号。此外，在表一中，表面S1、S2分别为第一透镜112远离和靠近第二透镜114的表面，表面S3和S4分别为第二透镜114远离和靠近第三透镜122的表面；表面S5、S6分别为第三透镜122远离与靠近第四透镜132的表面；表面S7、S8分别为第四透镜132远离与靠近第五透镜142的表面；表面S9、S10分别为第五透镜142远离与靠近第一反射镜150的表面；表面S12、S13分别为第六透镜172远离与靠近第二反射镜180 的表面；表面S15、S16分别为第七透镜192靠近与远离第二反射镜180的表面。表二列出了第四透镜132的表面S8，第七透镜172的表面S13及第七透镜192的表面S16的非球面系数。
表二、表面S8、S13及S16的非球面系数
权利要求
1.一种中波红外连续变焦镜头，其特征在于，从物方到成像方依次包括具有正屈光度的第一透镜群，为前固定组；具有负屈光度的第二透镜群，为变焦组；具有正屈光度的第三透镜群，为补偿组；具有负屈光度的第四透镜群，为后固定组；具有正屈光度的第五透镜群，为中继组；具有正屈光度的第六透镜群，为调焦组，也称为对焦组。
2.如权利要求1所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第一透镜群用于会聚收光，包括由一凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜和一凸面朝物侧的弯月形锗负透镜。
3.如权利要求1所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述中波红外连续变焦镜头的焦距FO与所述第一透镜群的焦距Fl满足如下关系0. 15 < F0/F1 < 2。
4.如权利要求1所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第二透镜群包括一双凹形硅负透镜，用于改变所述中波红外连续变焦镜头的焦距，增加变倍倍率；所述第三透镜群包括一凸面朝向物侧的弯月形锗正透镜，用于补偿所述中波红外连续变焦镜头在变焦过程中的像面位置的偏移。
5.如权利要求1所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第四透镜群包括一凸面朝向物侧的弯月形硅负透镜；所述第五透镜群包括一弯月形锗正透镜。
6.如权利要求1所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第六透镜群包括一凹面朝向像侧的弯月形锗正透镜，用于补偿不同物距不同温度下像面位置的偏移。
7.如权利要求1所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于，所述第三透镜群和第五透镜群的透镜均具有非球面和衍射面；所述第六透镜群的透镜具有非球面。
8.如权利要求1至7中任一项所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于，还包括第一反射镜和第二反射镜，其中第一反射镜位于第四透镜群和第五透镜群之间，第二反射镜位于第五透镜群和第六透镜群之间；所述第一反射镜和第二反射镜用于折转镜头中的光路。
9.如权利要求8所述的中波红外连续变焦镜头，其特征在于，还包括一平板参考源，所述平板参考源置于所述第一反射镜和所述第五透镜群之间，用于背景校正。
全文摘要
本发明公开了一种中波红外连续变焦镜头，从物方到成像方依次包括具有正屈光度的第一透镜群，包括一凸面朝向物侧的弯月形硅正透镜和一凸面朝物侧的弯月形锗负透镜，作为前固定组；具有负屈光度的第二透镜群，作为变焦组；具有正屈光度的第三透镜群，作为补偿组；具有负屈光度的第四透镜群，作为后固定组；用于折转光路的第一反射镜；用于背景校正的平板参考源；具有正屈光度的第五透镜群，作为中继组；具有正屈光度的第六透镜群，作为调焦组。本发明中波红外连续变焦镜头，能够应用于640×512元或更大面阵制冷型中波探测器，并且结构简单，运动负荷小，变焦时仅两片透镜运动。
文档编号G02B15/16GK102213822SQ201110193499
公开日2011年10月12日 申请日期2011年7月12日 优先权日2011年7月12日
发明者何伍斌, 吴玮, 徐明轩, 温庆荣, 王弘韬, 骆守俊 申请人:中国电子科技集团公司第十一研究所