一种长波红外连续变焦镜头的制作方法

本实用新型涉及光学技术领域，具体涉及一种长波红外连续变焦镜头。

背景技术：

现有技术中，随着红外技术的日趋成熟，红外光学镜头越来越向可见光镜头领域靠拢，定焦镜头已经不能满足更多场合的需求，需要使用连续变焦镜头。连续变焦镜头可以在短焦端发现目标，长焦端识别目标，同时变焦过程中图像清晰，来持续跟踪目标。但是一般的红外连续变镜头，由于需要大光圈，镜片口径巨大，更多红外镜片材料的使用导致镜头价格提高，体积大重量沉，不便于携带。因此迫切需要一种体积小，重量轻的连续变焦镜头。这种镜头变倍比不需要非常大，但是可以在一定范围内实现焦距的连续变化，同时光圈保持恒定，安装在手持或者移动式热像仪上，携带方便。相对同类型镜头本新型使用缩小了镜片口径，成本更加低廉。

中国专利CN203965717U公开了一种手持式长波红外连续变焦镜头，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。该实用新型可在20mm～60mm范围内连续变焦，同时F数保持恒定为1.1，适用于640×480，像元大小17μm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；同时体积小，重量轻，便于手持。但是，该专利不适用工作波段为8～12微米，焦距为30mm～120mm，光学系统总长210mm，最大口径102mm的变焦镜头。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的缺陷，本实用新型提供一种光学总长短、体积小、便于携带、和装调方便且成像质量高的长波红外连续变焦镜头，其工作波段为8～12微米，焦距为30mm～120mm，F数＝1.2@f120mm，F数＝0.9@f30mm，适配分辨率为640×480，像元大小17微米的非制冷探测器，光学系统总长210mm，最大口径102mm。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：一种长波红外连续变焦镜头，包括由物方到像方在同一光轴上顺序设置的具有正光焦度的前固定组、具有负光焦度的变倍组、具有正光焦度的补偿组、具有负光焦度的后固定组、具有正光焦度的调焦组和为长波非制冷的探测器，所述探测器包括保护窗口和像面，

所述前固定组为凸面朝向物方的弯月形正透镜，表面类型均为球面；

所述变倍组为双凹形负透镜，所述透镜朝向像方的一侧为非球面，所述透镜的总移动行程19.84mm，用于改变所述长波红外连续变焦镜头的焦距；

所述补偿组双凸形正透镜，所述透镜朝向物方的一侧为非球面，所述透镜的总移动行程30.84mm，用于补偿所述长波红外连续变焦镜头变焦时发生的像面位置偏移；

所述后固定组凸面朝向像方的弯月形正透镜，所述凹面为衍射面；

所述调焦组凸面朝向物方的弯月形正透镜，所述凸面为非球面，所述透镜的总移动行程4mm；

所述补偿组与后固定组之间为孔径光阑且变焦过程中保持恒定。

进一步地，所述前固定组、变倍组、补偿组、后固定组和调焦组为锗单晶材料制成。

进一步地，所述镜头的有效焦距为30～120mm，F数为1.2@f120mm，光学系统总长为210mm，适配探测器分辨率640x480，像元大小17μm。

进一步地，所述镜头的有效焦距为30～120mm，F数为0.9@f30mm，光学系统总长为210mm，适配探测器分辨率640x480，像元大小17μm。

进一步地，所述镜头的水平视场角范围为2w＝20.5°～5.2°。

进一步地，所述镜头的镜片中的非球面满足表达式：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-\left(1+k\right)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_2{r}^4+{\mathrm{\α}}_3{r}^6+{\mathrm{\α}}_4{r}^8+{\mathrm{\α}}_5{r}^{10}+{\mathrm{\α}}_6{r}^{12}\mathrm{......}\left(1\right).$

进一步地，所述镜头的镜片中的衍射面满足表达式：

Φ＝A₁ρ²+A₂ρ⁴ ……(2)。

进一步地，所述前固定组的凸面朝向物方正透镜的表面镀类金刚石碳膜。

进一步地，所述前固定组朝向像方的表面和变倍组、补偿组、后固定组、调焦组的透镜的两个表面均镀增透膜。

进一步地，所述后固定组朝向物方的镜面表面的衍射系数为-23.724947和4.382107369。

与现有技术相比，优越效果在于：本实用新型拥有4倍变倍比，光学系统总长为210mm，最大口径102mm。结构紧凑，变焦曲线平滑，镜片最大移动量为19.84mm。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，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MTF>0.55@20lp/mm。

附图说明

图1是本实用新型提供的长波红外连续变焦镜头的焦距为120mm时的结构图；

图2是本实用新型提供的长波红外连续变焦镜头的焦距为120mm时的点列图；

图3是本实用新型提供的长波红外连续变焦镜头的焦距为120mm时的光学传递函数图(截止分辨率为20lp/mm)；

图4是本实用新型提供的长波红外连续变焦镜头的焦距为120mm时的象散畸变图；

图5是本实用新型提供的长波红外连续变焦镜头的焦距为70mm时的结构图；

图6是本实用新型提供的长波红外连续变焦镜头的焦距为70mm时的点列图；

图7是本实用新型提供的长波红外连续变焦镜头的焦距为70mm时的截止分辨率为20lp/mm的光学传递函数图；

图8是本实用新型提供的长波红外连续变焦镜头的焦距为70mm时的象散畸变图；

图9是本实用新型提供的长波红外连续变焦镜头的焦距为30mm时的结构图；

图10是本实用新型提供的长波红外连续变焦镜头的焦距为30mm时的点列图；

图11是本实用新型提供的长波红外连续变焦镜头的焦距为30mm时的截止分辨率为20lp/mm的光学传递函数图；

图12是本实用新型提供的长波红外连续变焦镜头的焦距为30mm时的象散畸变图。

附图标记如下：

200-物空间，110-前固定组，120-变倍组，130-补偿组，140-后固定组，150-调焦组，310-探测器，312-保护窗口，314-像面，318-成像面，其中S1～S5和S7～S10为各透镜的各个表面，S6-孔径光阑。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型具体实施方式作进一步详细说明。

如图1、图5和图9所示，分别为本实用新型提供的一种长波红外连续变焦镜头区别在于焦距分别为120mm，75mm和30mm时的结构图，其他的结构相同。如图1所示，具体说明本实用新型提供一种长波红外连续变焦镜头，包括由物方到像方在同一光轴上顺序设置的具有正光焦度的前固定组110、具有负光焦度的变倍组120、具有正光焦度的补偿组130、具有负光焦度的后固定组140、具有正光焦度的调焦组150和为长波非制冷的探测器310，所述探测器310包括保护窗口312和像面314，所述前固定组110为凸面朝向物方的弯月形正透镜，表面类型均为球面；所述变倍组120为双凹形负透镜，所述透镜朝向像方的一侧为非球面，所述透镜的总移动行程19.84mm，用于改变所述长波红外连续变焦镜头的焦距；所述补偿组130双凸形正透镜，所述透镜朝向物方的一侧为非球面，所述透镜的总移动行程30.84mm，用于补偿所述长波红外连续变焦镜头变焦时发生的像面位置偏移；所述后固定组140凸面朝向像方的弯月形正透镜，所述凹面为衍射面，所述调焦组150凸面朝向物方的弯月形正透镜，所述凸面为非球面，所述透镜的总移动行程4mm，所述补偿组130与后固定组140之间为孔径光阑S6且变焦过程中保持恒定，其中，所述前固定组110、变倍组120、补偿组130、后固定组140和调焦组150为锗单晶材料制成，所述镜头的有效焦距为30～120mm，F数为1.2@f120mm，光学系统总长为210mm，适配探测器分辨率640x480，像元大小17μm，所述镜头的有效焦距为30～120mm，F数为0.9@f30mm，光学系统总长为210mm，适配探测器分辨率640x480，像元大小17μm，所述镜头的水平视场角范围为2w＝20.5°～5.2°，本实施例中，八片透镜中提及的非球面，均为偶次非球面，所述镜头的镜片中的非球面满足表达式(1)：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-\left(1+k\right)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_2{r}^4+{\mathrm{\α}}_3{r}^6+{\mathrm{\α}}_4{r}^8+{\mathrm{\α}}_5{r}^{10}+{\mathrm{\α}}_6{r}^{12}\mathrm{......}\left(1\right),$

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，α_2、α₃、α₄、α₅、α₆为高次非球面系数。五片透镜中提及的衍射面，所述镜头的镜片中的衍射面满足表达式(2)：

Φ＝A₁ρ²+A₂ρ⁴ ……(2)，

其中Φ为衍射面位相，ρ＝r/r_nr_n是衍射面的规划半径，A1和A2为衍射面的位相系数。

前固定组110的凸面朝向物方正透镜的表面镀类金刚石碳膜，所述前固定组110朝向像方的表面和变倍组120、补偿组130、后固定组140、调焦组150的透镜的两个表面均镀增透膜，所述后固定组140朝向物方的镜面表面的衍射系数为-23.724947和4.382107369。

本实施例中，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，其中两个表面均为球面；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19.84mm；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30.84mm；后固定组140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，S7表面为衍射非球面。调焦组150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S9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318，分辨率为640x480，像元大小17μmx17μm。系统的孔径光阑位于后固定组的S6表面上。变焦过程中光阑孔径不变。第一透镜S1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～S10表面均镀增透膜。

表1为焦距120mm，75mm，30mm时的光学结构参数：

表2为表面S4，S5，S7，S9的非球面系数：

从图1-12中可以认识到，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％。由此可见，本实用新型提供的长波红外连续变焦镜头具有良好的成像质量。

本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本实用新型的保护范围。