本发明涉及一种五片式紧凑型中波制冷连续变焦镜头，属于光学元件技术领域。
背景技术
无人机、森林防火、边防监控等中波红外应用领域需要红外光学系统能够同时提供高放大倍率小视场图像和低放大倍率的大视场图像以完成系统对目标的搜索、瞄准和跟踪功能，要求结构紧凑、重量轻巧、成像质量优良。
目前中波制冷红外连续变焦镜头为配合制冷机芯使用，采用二次成像实现100％冷光阑效应，同时达到压缩光学系统体积的目的，该技术方案会导致光路系统轴向尺寸过长，因此，通常会加入两片反射镜折叠光路，且现有的光学系统元件数目均在7片以上，如公开号为cn102213822a的专利申请采用了7片透镜加两个反射镜；公开号为cn102590990a的专利申请采用了10片透镜加两个反射镜；公开号为cn103389570a的专利申请采用了8片透镜；公告号为cn203981958u的专利申请采用了8片透镜；公开号为cn104849834a的专利申请采用了7片透镜；公开号为cn107193116a的专利申请采用了7片透镜加两个反射镜；上述镜头均存在系统透过率低的问题。
技术实现要素：
针对上述制冷型中波红外连续变焦镜头轴向尺寸长、镜片数目过多、透过率低等缺陷，本发明提供一种五片式紧凑型中波制冷连续变焦镜头，适用于中波制冷机芯，保证光学系统具有轴向尺寸紧凑、光学透过率高、成像优良的特点。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种五片式紧凑型中波制冷连续变焦镜头，包括从物方到像方依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和制冷探测器部分；其中，第一透镜为正光焦度、且凸面弯向物方的弯月形透镜，第二透镜为负光焦度的双凹形透镜；第三透镜为负光焦度的双凹形透镜；第四透镜为正光焦度、且凹面弯向物方的弯月形透镜；第五透镜为正光焦度且、凸面弯向物方的弯月形透镜；制冷探测器部分包括从物方到像方依次排列的保护窗口、冷屏光阑和像面。
作为常识，从物方到像方的方向，透镜的两面依次为物侧面和像侧面。
上述凸面弯向物方指凸面与物方相对，也即凸面为物侧面；双凹形透镜指透镜的物侧面和像侧面均为凹形；凹面弯向物方指凹面与物方相对，也即凹面为物侧面。
上述第二透镜、第三透镜和第四透镜的位置可调，第四透镜除参与变焦过程同时也参与二次成像。
上述第二透镜、第三透镜和第四透镜的位置可调的实现方式参照现有技术，现有已有变焦镜头产品出售，本申请的发明点在于如何设置和选择镜头便能将本申请的技术问题得以解决。
优选，第二透镜、第三透镜和第四透镜的位置可调，以实现在20mm～200mm范围内变焦，变倍比为10倍。
作为常识，上述变倍比为最大焦距和最小焦距的比值。
本申请利用二次成像压缩光学系统轴向尺寸，保证100％冷光阑效率。
背景技术方案所描述的中波连续变焦镜头通常由前固定组、变倍组、补偿组及后固定组组成，变倍组与补偿组通过凸轮轨迹以实现变倍。本申请采用三组镜片运动，除了传统意义上的变倍组(第二透镜)、补偿组(第三透镜)，同时二次成像组中的一片镜片(第四透镜)参与变倍过程；该方案的优点是在实现较大倍率变焦的同时，确保光学系统轴向尺寸紧凑，避免了增加反射镜折叠光路，同时具有较高的光轴精度和光学透过率。
本发明光学总长为t，光学总长控制在130mm内，系统在小视场状态的焦距为fn，则t/fn≤0.65。
本发明所述五片式紧凑型中波制冷连续变焦镜头，工作波段为3um～5um，探测器(制冷探测器部分)f数(f/#)为4，焦距为20mm～200mm连续变焦，大视场视场角为28°×22°，小视场视场角为2.8°×2.2°，制冷探测器部分面阵为640×512、像素为15μm，兼容320×256面阵30um像素中波制冷探测器。
为了保证成像效果，优选，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜所用材料为单晶锗或单晶硅中的至少一种。
上述从物方到像方，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面，第五透镜的两面依次为第五物侧面和第五像侧面，保护窗口的两面依次为第六物侧面和第六像侧面；第一物侧面为球面，第一像侧面为非球面；第二物侧面为球面，第二像侧面为非球面；第三物侧面为非球面，第三像侧面为非球面；第四物侧面为衍射面，第四像侧面为球面；第五物侧面为球面，第五像侧面为非球面；第六物侧面为平面，第六像侧面为平面。冷屏光阑中的冷屏为平面，像面也为平面。
为了提高透过率，优选，第一物侧面的曲率半径为95.6106±2mm，第一像侧面的曲率半径为219.9471±2mm，第二物侧面的曲率半径为-68.1883±2mm，第二像侧面的曲率半径为48.2837±2mm，第三物侧面的曲率半径为55.6991±2mm，第三像侧面的曲率半径为-67.2708±2mm，第四物侧面的曲率半径为-15.0267±2mm，第四像侧面的曲率半径为-18.5502±2mm，第五物侧面的曲率半径为31.5576±2mm，第五像侧面的曲率半径为117.4784±2mm。
为了进一步提高光轴精度和光学透过率，第一透镜的中心厚度为6mm，第二透镜的中心厚度为2mm，第三透镜的中心厚度为4.03mm，第四透镜的中心厚度为11mm，第五透镜的中心厚度为2.6mm，保护窗口的中心厚度为1mm；第一透镜和第二透镜之间的间隔为t2，t2为8.16-30.31mm可调；第二透镜和第三透镜之间的间隔为t4，t4为17.35-2.03mm可调；第三透镜和第四透镜之间的间隔为t6，t6为19.77-35.99mm可调；第四透镜和第五透镜之间的间隔为t8，t8为23.35-1.10mm可调；第五透镜和保护窗口之间的间隔为11.6mm；保护窗口和冷屏光阑之间的间隔为2.4mm；冷屏光阑和像面之间的间隔为20mm。本申请不仅镜片数目少，而且不加反射镜折叠光路的同时能保证轴向尺寸小。
上述间隔指相邻两透镜的相邻两面的中心间的间距。
上述各非球面所采用的非球面方程为：
其中，za：非球面沿光轴方向的透镜矢高；r：表面与光轴oo’交点处的曲率半径；y：透镜垂直于光轴方向的半口径；k：圆锥系数；a、b、c、d、e非球面系数；
上述衍射面采用的衍射面方程为：
φ＝a1y2+a2y4
其中，φ：为衍射面的位相；y：透镜垂直于光轴方向的半口径；a1、a2衍射面位相系数。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明针对目前制冷型中波红外连续变焦镜头镜片数目过多的缺陷，提供了一种五片式紧凑型中波制冷连续变焦镜头，适用于中波制冷机芯，镜片数目少，保证光学系统具有轴向尺寸紧凑、光学透过率高、成像优良的特点，避免了增加反射镜折叠光路带来的装调困难；通过使用二次成像不仅实现100％冷光阑效率，压缩前组镜片的尺寸，进一步的可以有效缩短光学系统的轴向长度尺寸；进一步，本发明的系统光学总长t与小视场状态的焦距fn比值t/fn≤0.65。
附图说明
图1为本发明五片式紧凑型中波制冷连续变焦镜头在焦距20mm时的结构示意图；
图2为本发明五片式紧凑型中波制冷连续变焦镜头在焦距20mm时的光学传递函数曲线图；
图3为本发明五片式紧凑型中波制冷连续变焦镜头在焦距90mm时的结构示意图；
图4为本发明五片式紧凑型中波制冷连续变焦镜头在焦距90mm时的光学传递函数曲线图；
图5为本发明五片式紧凑型中波制冷连续变焦镜头在焦距140mm时的结构示意图；
图6为本发明五片式紧凑型中波制冷连续变焦镜头在焦距140mm时的光学传递函数曲线图；
图7为本发明五片式紧凑型中波制冷连续变焦镜头在焦距200mm时的结构示意图；
图8为本发明五片式紧凑型中波制冷连续变焦镜头在焦距200mm时的光学传递函数曲线图；
图9为本发明五片式紧凑型中波制冷连续变焦镜头从焦距20mm到焦距200mm的变化示意图；
图中，l1为第一透镜，l2为第二透镜，l3为第三透镜，l4为第四透镜，l5为第五透镜，w6为保护窗口，s1为第一物侧面，s2为第一像侧面，s3为第二物侧面，s4为第二像侧面，s5为第三物侧面，s6为第三像侧面，s7为第四物侧面，s8为第四像侧面，s9为第五物侧面，s10为第五像侧面，s11为第六物侧面，s12为第六像侧面，s13为冷屏光阑，s14为像面。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
如图1、3、5、7、9所示，一种五片式紧凑型中波制冷连续变焦镜头，包括从物方到像方依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和制冷探测器部分；其中，第一透镜为正光焦度、且凸面弯向物方的弯月形透镜，第二透镜为负光焦度的双凹形透镜；第三透镜为负光焦度的双凹形透镜；第四透镜为正光焦度、且凹面弯向物方的弯月形透镜；第五透镜为正光焦度且、凸面弯向物方的弯月形透镜，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜所用材料为单晶硅；制冷探测器部分包括从物方到像方依次排列的保护窗口、冷屏光阑和像面。
第二透镜、第三透镜和第四透镜的位置可调，以实现在20mm～200mm范围内变焦，变倍比为10倍，第四透镜除参与变焦过程同时也参与二次成像。
从物方到像方，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面，第五透镜的两面依次为第五物侧面和第五像侧面，保护窗口的两面依次为第六物侧面和第六像侧面；第一物侧面为球面，第一像侧面为非球面；第二物侧面为球面，第二像侧面为非球面；第三物侧面为非球面，第三像侧面为非球面；第四物侧面为衍射面，第四像侧面为球面；第五物侧面为球面，第五像侧面为非球面；第六物侧面为平面，第六像侧面为平面。冷屏光阑中的冷屏为平面，像面也为平面。
第一物侧面的曲率半径为95.6106mm，第一像侧面的曲率半径为219.9471mm，第二物侧面的曲率半径为-68.1883mm，第二像侧面的曲率半径为48.2837mm，第三物侧面的曲率半径为55.6991mm，第三像侧面的曲率半径为-67.2708mm，第四物侧面的曲率半径为-15.0267mm，第四像侧面的曲率半径为-18.5502mm，第五物侧面的曲率半径为31.5576mm，第五像侧面的曲率半径为117.4784mm。
第一透镜的中心厚度为6mm，第二透镜的中心厚度为2mm，第三透镜的中心厚度为4.03mm，第四透镜的中心厚度为11mm，第五透镜的中心厚度为2.6mm，保护窗口的中心厚度为1mm；第一透镜和第二透镜之间的间隔为t2，t2为8.16-30.31mm可调；第二透镜和第三透镜之间的间隔为t4，t4为17.35-2.03mm可调；第三透镜和第四透镜之间的间隔为t6，t6为19.77-35.99mm可调；第四透镜和第五透镜之间的间隔为t8，t8为23.35-1.10mm可调；第五透镜和保护窗口之间的间隔为11.6mm；保护窗口和冷屏光阑之间的间隔为2.4mm；冷屏光阑和像面之间的间隔为20mm。
上述镜头的技术指标如表1所示，光学参数如表2所示，不同焦距的镜片间隔如表3所示。
表1实施例中镜头的技术指标
表2实施例中具体光学参数
上表中，l1为第一透镜，l2为第二透镜，l3为第三透镜，l4为第四透镜，l5为第五透镜，w6为保护窗口，s1为第一物侧面，s2为第一像侧面，s3为第二物侧面，s4为第二像侧面，s5为第三物侧面，s6为第三像侧面，s7为第四物侧面，s8为第四像侧面，s9为第五物侧面，s10为第五像侧面，s11为第六物侧面，s12为第六像侧面，s13为冷屏光阑，s14为像面；曲率半径是指每个镜片表面的曲率半径；间隔是指镜片厚度或相邻镜片表面距离，也即s1对应的间隔指第一透镜l1的中心厚度，s2对应的间隔指s2的中心与s3的中心之间的间隔，s3对应的间隔指l2的中心厚度，s4对应的间隔指s4的中心与s5的中心之间的间隔，s5对应的间隔指l3的中心厚度，s6对应的间隔指s6的中心与s7的中心之间的间隔，s7对应的间隔指l4的中心厚度，s8对应的间隔指s8的中心与s9的中心之间的间隔，s9对应的间隔指l5的中心厚度，s10对应的间隔指s10的中心与s11的中心之间的间隔，s11对应的间隔指w6的中心厚度，s12对应的间隔指s12的中心与s13的中心之间的间隔，s13对应的间隔指s13的中心与s14的中心之间的间隔；材料是镜片所用材料，空气是指两个透镜之间介质为空气。
表3为实施例在不同焦距的镜片间隔
上表中，t2第一透镜和第二透镜之间的间隔，t4为第二透镜和第三透镜之间的间隔，t6为第三透镜和第四透镜之间的间隔，t8为第四透镜和第五透镜之间的间隔。
各非球面所采用的非球面方程为：
其中，za：非球面沿光轴方向的透镜矢高；r：表面与光轴oo’交点处的曲率半径；y：透镜垂直于光轴方向的半口径；k：圆锥系数；a、b、c、d、e非球面系数，本例中各非球面的非球面系如表4所示；
表4实施例中各非球面系数
上表中，非球面系数采用科学计数法表示，7.9168e-07表示7.9168×10-07；s2为第一像侧面，s4为第二像侧面，s5为第三物侧面，s6为第三像侧面，s7为第四物侧面，s10为第五像侧面。
衍射面采用的衍射面方程为：
φ＝a1y2+a2y4
其中：φ：为衍射面的位相；y：透镜垂直于光轴方向的半口径；a1、a2衍射面位相系数。
表5实施例中使用衍射面系数
上表中，s7为第四物侧面；衍射面位相系数采用科学计数法表示。
图2为本实施例在焦距20mm光学传递函数曲线图，图4为本实施例在焦距90mm光学传递函数曲线图，图6为本实施例在焦距140mm光学传递函数曲线图，图8为本实施例在焦距200mm光学传递函数曲线图，从图中可看出，采用本发明技术方案，在四个视场状态下光学系统的成像质量均良好。
上述利用二次成像压缩光学系统轴向尺寸，保证100％冷光阑效率；采用三组镜片运动，除了传统意义上的变倍组、补偿组，同时二次成像组中的一片镜片参与变倍过程；该方案的优点是在实现较大倍率变焦的同时，确保光学系统轴向尺寸紧凑，避免了增加反射镜折叠光路，同时具有较高的光轴精度和光学透过率。
本实施例中，光学总长为t，具体的t＝130mm，系统在小视场状态的焦距为fn，则t/fn≤0.65。
上述中波制冷连续变焦镜头的工作波段为3um～5um，f/#为4，焦距20mm～200mm连续变焦，可用于640x512面阵；像素15um大小的中波制冷机芯，兼容320x256面阵30um像素机芯。
上述针对目前制冷型中波红外连续变焦镜头镜片数目过多的缺陷，提供了一种五片式紧凑型中波制冷连续变焦镜头，适用于中波制冷机芯，镜片数目少，保证光学系统具有轴向尺寸紧凑、光学透过率高、成像优良的特点，避免了增加反射镜折叠光路带来的装调困难；系统光学总长t与小视场状态的焦距fn比值t/fn≤0.65；通过使用二次成像不仅实现100％冷光阑效率，压缩前组镜片的尺寸，进一步的可以有效缩短光学系统的轴向长度尺寸。