一种非制冷双视场热成像镜头的制作方法

本发明涉及一种非制冷热成像镜头，尤其涉及一种长焦切换式双视场热成像镜头。

背景技术：

非制冷热成像摄像机由于低廉的成本并且受天气影响较小，其穿透雾霾能力较强，已经在军民等各领域广泛使用。随着作用距离要求不断增加，长焦镜头也已经被各领域重视，成为非制冷热成像发展趋势。然而，定焦镜头由于视场单一，无法兼顾大范围目标搜索以及长焦观察目标细节，应用范围受到限制，同时凸显出了双视场镜头的重要作用。

现有技术公开的非制冷双视场热成像镜头通常为轴向移动透镜来实现视场切换，并且长焦端焦距一般较短。专利号为201210339814.9的变光栏红外双视场光学镜头发明专利中，两镜片组成的镜片组沿光轴移动实现视场切换，且最长焦距为180mm。专利号为201420073363.3的一种小尺寸非制冷双视场红外光学系统发明专利中，采用单镜片沿光轴移动实现视场切换，最长焦距为120mm。相对于镜片切换式双视场镜头，轴上移动方式视场切换时间长，轴上稳定性差，容易造成光轴偏差以及目标丢失。

技术实现要素：

针对上述不足，本发明提供了一种切换式非制冷双视场热成像镜头，该镜头具有视场切换时间短、焦距长等技术优点。所有镜片均采用锗材料，镜头使用一个高次非球面表面与一个二元衍射表面，通过切换变倍组切入与切出实现了视场切换，减少了视场切换时间，保证了目标跟踪的实时性。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种非制冷双视场热成像镜头，热成像镜头由五片透镜组成，从物侧到像侧依次为第一透镜、第 二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；五片透镜按照功能分为前固定组，切换变倍组，后固定组和聚焦组；前固定组为第一透镜，切换变倍组由第二透镜和第三透镜组成，后固定组为第四透镜，聚焦组为第五透镜。

五片透镜都为锗材料透镜。

所述第一透镜为弯月透镜，透镜中心固定在光轴所在直线上并且不能移动；

所述第二透镜为双凹透镜，第三透镜为双凸透镜，切换变倍组垂直于光轴切入切出实现视场切换功能；

所述第四透镜为负弯月透镜，透镜中心固定在光轴所在直线上并且不能移动；

所述第五透镜为双凸透镜，沿光轴移动实现对远近目标聚焦功能。

所述的第一透镜为一片凸面向物侧的正弯月透镜；所述的第二透镜为双凹负透镜，第三透镜为双凸正透镜；所述的第四透镜为一片凸面向物侧的负弯月形透镜；所述的第五透镜为双凸正透镜。

所述第一透镜的直径与最长焦距满足如下条件：

1.0<D₁/f_t<1.2，

f_t>250mm，

其中，D₁表示第一透镜的直径，f_t表示所述变焦镜头处于长焦状态时的焦距。

所述前固定组、切换变倍组与后固定组的焦距满足如下条件：

f₁/f_t>1.4，

0<f₂/f_t<0.4，

-1.2<f₃/f_t<-0.8，

其中，f₁表示前固定组的焦距，f₂表示切换变倍组的焦距，f₃表 示后固定组的焦距，f_t表示所述变焦镜头处于长焦状态时的焦距。

所述镜头切换变倍组切入时为短焦状态，切出时为长焦状态。

所述切换变倍组与后固定组中至少各选择一个表面为非球面，同时至少在其中一个非球面表面上加工二元衍射面。

在后固定组朝物侧表面设置孔径光阑。

第一透镜朝向物侧的表面涂镀硬碳膜。

本发明与现有技术相比，具有以下优势和有益效果：本发明通过上第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的选取和排列，实现了长焦非制冷热成像的视场切换，缩短了两个视场切换时间，保证了目标跟踪的实时性。同时长焦端焦距达到了250mm以上，使得非制冷热成像摄像机作用距离更远，进一步拓展了双视场镜头的作用距离。本发明的镜头全部采用锗材料透镜，未使用成本较高的材料，保证了系统的经济性。

附图说明

图1是本发明的镜头截面图；

图2是本发明焦距处于短焦时的调制传递函数图；

图3是本发明焦距处于长焦时的调制传递函数图。

图中，1-前固定组，2-切换变倍组，3-后固定组，4-聚焦组，5-光轴，11-第一透镜，21-第二透镜，22-第三透镜，31-第四透镜，41-第五透镜，S5-第三透镜前表面，S7-第四透镜前表面。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

实施例1

如说明书附图图1所示，本发明提供了一种非制冷双视场热成像镜头，从物侧到像侧依次为依次包含四组透镜，分别为前固定组1， 切换变倍组2，后固定组3，聚焦组4。

前固定组包含一片凸面朝向物侧的正弯月透镜即第一透镜11，正弯月透镜透镜中心固定在光轴5所在直线上并且不能移动。由于经常会裸露在空气中使用，为防止第一透镜11受到灰尘、雨水以及人为刮擦，第一透镜11前表面涂镀硬碳膜。

切换变倍组2依次包含一片双凹透镜即第二透镜21和一片双凸透镜即第三透镜22。镜头通过切换变倍组2的切入与切出进行视场切换。当切换变倍组2切入时镜头处于短焦状态，切换变倍组2切出时镜头处于长焦状态。通过此种结构可以实现两个视场的快速切换，来保证跟踪的实时性。

后固定组3包含一片凸面朝向物侧的负弯月透镜即第四透镜31，负弯月透镜31透镜中心固定在光轴5所在直线上并且不能移动。

聚焦组4包含一片双凸透镜即第五透镜41。聚焦组4透镜可以沿光轴5进行轴向移动，可以实现镜头对远近目标的聚焦。聚焦组4透镜的移动可以用电机控制，具有功耗低，结构紧凑等优点。

在本实施例中，切换式非制冷双视场热成像镜头的光阑设置在第四透镜31朝物侧表面以滤除干扰杂光。

在本实施例中，所有透镜使用材料均为锗材料，仅使用五片镜片，除第一透镜11靠近物侧表面外其余表面均涂镀红外增透膜，使得镜头的加工成本低廉，镜头透过率较高。

在本实施例中，双视场镜头第一透镜11的直径与最长焦距满足如下条件：

1.0<D₁/f_t<1.2，

f_t>250mm

其中，D₁表示第一透镜11的直径，f_t表示所述变焦镜头处于长焦状态时的焦距。

前固定组2、切换变倍组2与后固定组3的焦距满足如下条件：

f₁/f_t>1.4，

0<f₂/f_t<0.4，

-1.2<f₃/f_t<-0.8，

其中，f₁表示前固定组1的焦距，f₂表示切换变倍组2的焦距，f₃表示后固定组3的焦距，f_t表示所述变焦镜头处于长焦状态时的焦距。

在本实施例中，第三透镜前表面S5以及第四透镜前表面S7选用非球面。同时在第四透镜前表面S7上叠加二元衍射面。非球面透镜具有改善球差等像差的优点，能够使得视野变得更大而真实。采用非球面透镜后，能够尽可能地消除在成像的时候出现的像差，从而改善成像质量。

通常非球面形表达公式为：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\&alpha;}}_4{r}^4+{\mathrm{\&alpha;}}_6{r}^6+{\mathrm{\&alpha;}}_8{r}^8+\mathrm{...}$

z代表光轴5方向的位置，r代表相对光轴5的垂直方向上的高度，c代表曲率半径，k代表圆锥系数，α₄、α₆、α₈…代表非球面系数。

二元衍射面的应用可以校正镜头的色差，取得良好的成像效果。二元衍射面的表达公式为：

c＝M(C₁R²+C₂R⁴)

M＝1为衍射级次，C₁、C₂为衍射系数。

下面参照下面的表格对本发明进行更为详细的描述。

本方案中的镜头的工作波段为8-12μm，短焦焦距为70mm，长焦焦距为270mm。

其中，表1为本实施例的光学元件参数表，表2为非球面数据，表3为衍射面系数。

表1：光学元件参数表

表2：非球面数据

表3：衍射面系数

说明书附图图2和图3为本发明具体实施方式短焦和长焦状态时调制传递函数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。从图中可以看出，在20lp/mm时， 无论短焦还是长焦的传递函数都达到了50％以上，可得到较高品质的图像，本发明非制冷双视场热成像镜头具有较好的光学效果。

从上述的数据可以看出本发明采用镜片切换方式实现了长焦非制冷热成像的视场切换，并能够获得清晰的图像。仅使用五片透镜，并且全部采用锗材料，没有昂贵材料的使用，降低了镜头的成本。切换式双视场镜头，使得视场切换时间比轴上移动方式更短，更加有利于目标的跟踪。镜头最长焦达到250mm以上，使得非制冷热成像摄像机拥有更远的作用距离。

当然，上述表格中的具体参数仅仅是例示性的，各透镜的参数不限于由上述各数值实施例所示出的值，可以采用其他的值，都可以达到类似的技术效果。同时，上述说明并非是对发明的限制，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，也应属于本发明的保护范围。