一种红外连续变焦镜头的实现方法与流程

1.本发明涉及光学成像技术领域，尤其是一种红外连续变焦镜头的实现方法。


背景技术：

2.具有连续变焦的红外变焦镜头能够在变焦过程中，实现对景物大小的连续改变，在拍摄快速运动的物体时，通过镜头的连续变焦，保持对观测目标的连续放大或连续缩小，避免出现丢失目标物的问题。更大的变焦比可以使红外变焦镜头能够覆盖更大的视场范围，同时也可以观测到更多的细节，做到大视场搜索目标，通过连续变焦追踪目标，小视场观察目标细节，在使用上很有优势。
3.市面上具有较大变焦比的镜头，基本上都存在相对孔径较小且f数不恒定的问题，导致最终接收到的能量不足。同时，红外变焦镜头在户外使用过程中，往往还需要适应不同的环境温度。此外，现有的绝大部分红外连续变焦镜头的镜片较多，生产成本高。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供一种孔径大、成本低、温度适应能力强的红外连续变焦镜头的实现方法。
5.本发明实施例的一方面提供了一种红外连续变焦镜头的实现方法，包括：使用凸面朝向物方的正光焦度双面球面弯月型锗单晶透镜作为第一透镜，构建前固定组；使用负光焦度的双面非球面双凹型锗单晶透镜作为第二透镜，构建变倍组；使用正光焦度的双面非球面双凸型硫系玻璃透镜作为第三透镜，构建补偿组；使用负光焦度的双面非球面弯月型硫系玻璃透镜作为第四透镜，构建后固定组；使用正光焦度的双面球面弯月型锗单晶透镜作为第五透镜，构建调焦组；将所述前固定组、所述变倍组、所述补偿组、所述后固定组以及所述调焦组沿光轴方向从物方到像方依次设置，组成所述红外连续变焦镜头；其中，所述红外连续变焦镜头的光学系统f数恒等于1.0，所述红外连续变焦镜头的适用温度范围为-40℃～80℃，所述红外连续变焦镜头的工作波长为8μm～14μm。
6.可选地，所述将所述前固定组、所述变倍组、所述补偿组、所述后固定组以及所述调焦组沿光轴方向从物方到像方依次设置，组成所述红外连续变焦镜头，包括：设置所述前固定组与所述变倍组之间的空气间隔为37.51mm～65.68mm；设置所述变倍组与所述补偿组之间的空气间隔为1.37mm～54.63mm；设置所述补偿组与所述后固定组之间的空气间隔为9.46mm～34.56mm。
7.可选地，所述方法还包括：设置所述前固定组中所述第一透镜的焦距f1和所述红外连续变焦镜头最长焦的焦距f的关系，其中，所述焦距f1和所述焦距f之间的关系为：1.05《f1/f《1.2。
8.可选地，所述方法还包括：设置所述变倍组中所述第二透镜的焦距f2和所述红外连续变焦镜头最长焦的焦距f的关系，其中，所述焦距f2和所述焦距f之间的关系为：-0.35《f2/f《-0.15。
9.可选地，所述方法还包括：设置所述补偿组中所述第三透镜的焦距f3和所述红外连续变焦镜头最长焦的焦距f的关系，其中，所述焦距f3和所述焦距f之间的关系为：0.25《f3/f《0.5。
10.可选地，所述方法还包括：设置所述后固定组中所述第四透镜的焦距f4和所述红外连续变焦镜头最长焦的焦距f的关系，其中，所述焦距f4和所述焦距f之间的关系为：-2.5《f4/f《-2.1。
11.可选地，所述方法还包括：设置所述调焦组中所述第五透镜的焦距f5和所述红外连续变焦镜头最长焦的焦距f的关系，其中，所述焦距f5和所述焦距f之间的关系为：0.2《f5/f《0.3。
12.可选地，所述方法还包括：将所述补偿组中的所述第三透镜朝向物方的一面设置为二元衍射面；其中，所述的二元衍射面的表达式为：其中，代表二元衍射面对于入射波在不同部位的位相延迟；m为衍射级数，n为位相函数的阶数，ai为每一个阶次的系数，ρ为归一化径向坐标，其中ρn为归一化半径。
13.本发明的实施例还提供了一种红外连续变焦镜头，包括：沿光轴方向从物方到像方依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组以及调焦组；其中，所述前固定组包括由锗单晶制作的第一透镜；所述第一透镜为凸面朝向物方的正光焦度双面球面弯月型透镜；所述前固定组固定于镜头内，用于汇聚光线；所述变倍组包括由锗单晶制作的第二透镜；所述第二透镜为负光焦度的双面非球面双凹型透镜；所述变倍组用于改变所述红外连续变焦镜头的焦距；所述补偿组包括由硫系玻璃制作的第三透镜；所述第三透镜为正光焦度的双面非球面双凸型透镜；所述补偿组用于对焦距变化时的像面漂移进行补偿，保证在变焦过程中能够成像清晰；所述后固定组包括由硫系玻璃制作的第四透镜；所述第四透镜为负光焦度的双面非球面弯月型透镜；所述后固定组用于进一步汇聚光线；所述调焦组包括由锗单晶制作的第五透镜；所述第五透镜为正光焦度的双面球面弯月型透镜；所述调焦组用于进一步调节所述红外连续变焦镜头的焦距。
14.本发明的实施例还提供了一种摄像系统，所述摄像系统包括如上所述的一种红外连续变焦镜头。
15.本发明的实施例具有如下的有益效果：本发明的实施例通过使用凸面朝向物方的正光焦度双面球面弯月型锗单晶透镜作为第一透镜，构建前固定组；使用负光焦度的双面非球面双凹型锗单晶透镜作为第二透镜，构建变倍组；使用正光焦度的双面非球面双凸型硫系玻璃透镜作为第三透镜，构建补偿组；使用负光焦度的双面非球面弯月型硫系玻璃透镜作为第四透镜，构建后固定组；使用正光焦度的双面球面弯月型锗单晶透镜作为第五透镜，构建调焦组；将所述前固定组、所述变倍组、所述补偿组、所述后固定组以及所述调焦组沿光轴方向从物方到像方依次设置，组成所述红外连续变焦镜头；其中，所述红外连续变焦镜头的光学系统f数恒等于1.0，所述红外连续变焦镜头的适用温度范围为-40℃～80℃，所述红外连续变焦镜头的工作波长为8μm～14μm，具有孔径大、温度适应能力强的有益效果；并且本发明的实施例仅使用了5枚透镜，降低了红外变焦镜头的重量和成本。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例提供的短焦结构示意图；
18.图2为本发明实施例提供的长焦结构示意图；
19.图3为本发明实施例提供的短焦结构的场曲畸变图；
20.图4为本发明实施例提供的长焦结构的场曲畸变图；
21.图5为本发明实施例提供的一种红外连续变焦镜头的短焦结构在20℃时的mtf图；
22.图6为本发明实施例提供的一种红外连续变焦镜头的短焦结构在-40℃时的mtf图；
23.图7为本发明实施例提供的一种红外连续变焦镜头的短焦结构在80℃时的mtf图；
24.图8为本发明实施例提供的一种红外连续变焦镜头的长焦结构在20℃时的mtf图；
25.图9为本发明实施例提供的一种红外连续变焦镜头的长焦结构在-40℃时的mtf图；
26.图10为本发明实施例提供的一种红外连续变焦镜头的长焦结构在80℃时的mtf图。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.针对市面上具有较大变焦比的镜头镜片较多，生产成本高，并且相对孔径较小且f数不恒定，导致最终接收到的能量不足，需要适应不同的环境温度的问题，参照图1和图2，图1和图2分别为本发明实施例提供的一种红外连续变焦镜头的短焦结构示意图和一种红外连续变焦镜头的长焦结构示意图，本发明的实施例提供了一种红外连续变焦镜头的实现方法，包括：使用凸面朝向物方的正光焦度双面球面弯月型锗单晶透镜作为第一透镜l1，构建前固定组；使用负光焦度的双面非球面双凹型锗单晶透镜作为第二透镜l2，构建变倍组；使用正光焦度的双面非球面双凸型硫系玻璃透镜作为第三透镜l3，构建补偿组；使用负光焦度的双面非球面弯月型硫系玻璃透镜作为第四透镜l4，构建后固定组；使用正光焦度的双面球面弯月型锗单晶透镜作为第五透镜l5，构建调焦组；将所述前固定组、所述变倍组、所述补偿组、所述后固定组以及所述调焦组沿光轴方向从物方到像方依次设置，组成所述红外连续变焦镜头；其中，所述红外连续变焦镜头的光学系统f数恒等于1.0，所述红外连续变焦镜头的适用温度范围为-40℃～80℃，所述红外连续变焦镜头的工作波长为8μm～14μm。
29.具体地，所述第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3、第四透镜l4，第五透镜l5均沿光轴方向从物方到像方依次设置于镜筒内，其中，所述前固定组与所述后固定组固定不可移动，用于汇聚光线；参照图1和图2，所述红外连续变焦镜头通过移动所述变倍组改变镜头
的焦距，通过移动所述补偿组，对焦距变化时产生的像面漂移进行补偿，保证在变焦的过程中能够成像清晰，达到连续变焦的目的，本发明的实施例仅通过所述变倍组和所述补偿组，就能够在20mm～100mm的焦距范围内实现连续变焦，变焦方式简洁，变焦曲线平滑，具有变焦运动负载小、变焦镜片移动量小的特点。
30.表1
[0031][0032]
参照表1，表1是本发明实施例提供的各透镜参数表，其中，透镜朝向物侧的一面为前表面，透镜朝向像侧的一面为后表面；所述非球面均为偶次非球面，其表达式如下：
[0033][0034]
式中，z为非球面沿光轴方向在高度为r时，非球面顶点的矢高，c表示表面的顶点曲率，k为非球面的圆锥系数，α2、α3、α4、α5、α6、α7为高次非球面曲面系数，各透镜阶项系数参照表2，表2是本发明实施例提供的各透镜阶项系数参照表：
[0035]
表2
[0036][0037]
其中，透镜朝向物侧的一面为前表面，透镜朝向像侧的一面为后表面；
[0038]
本发明实施例中前固定组的第一透镜l1是正光焦度弯月型透镜，并且采用了具有高折射率特点的锗材料进行制作，能够在起到汇聚光线作用，有利于减小设置在前固定组后方的变倍组、补偿组、后固定组、调焦组的镜片口径，同时有利于更好地校正大相对孔径
带来的像差。根据上述对本发明实施例中前固定组的描述，可以理解的是，本发明实施例中，前固定组中的第一透镜l1为本发明实施例提供的红外连续变焦镜头中的口径最大的镜片，采用球面设计能够避免生产时在大口径透镜上进行非球面加工，降低了生产的加工难度，减少了镜头的加工成本。
[0039]
在本发明实施例中变倍组的第二透镜l2、补偿组的第三透镜l3和后固定组的第四透镜l4均采用非球面设计，能够对校正镜头的球差起到明显的效果。
[0040]
可选地，所述将所述前固定组、所述变倍组、所述补偿组、所述后固定组以及所述调焦组沿光轴方向从物方到像方依次设置，组成所述红外连续变焦镜头，包括：设置所述前固定组与所述变倍组之间的空气间隔为37.51mm～65.68mm；设置所述变倍组与所述补偿组之间的空气间隔为1.37mm～54.63mm；设置所述补偿组与所述后固定组之间的空气间隔为9.46mm～34.56mm。
[0041]
具体地，参照图1和图2，在本发明实施例的实现过程中，所述变倍组与所述补偿组需要进行移动，因此需要设置所述前固定组与所述变倍组之间的空气间隔、所述变倍组与所述补偿组之间的空气间隔、所述补偿组与所述后固定组之间的空气间隔。作为最佳的实施方式，本发明的实施例将所述前固定组与所述变倍组之间的空气间隔设置为37.51mm～65.68mm，将所述变倍组与所述补偿组之间的空气间隔设置为1.37mm～54.63mm，将所述补偿组与所述后固定组之间的空气间隔设置为9.46mm～34.56mm，能够满足本发明的实施例在20mm～100mm的焦距范围内实现连续变焦的目的。
[0042]
可选地，在本发明实施例中，设置所述前固定组中所述第一透镜l1的焦距f1和所述红外连续变焦镜头最长焦的焦距f的关系，其中，所述焦距f1和所述焦距f之间的关系为：1.05《f1/f《1.2；设置所述变倍组中所述第二透镜l2的焦距f2和所述红外连续变焦镜头最长焦的焦距f的关系，其中，所述焦距f2和所述焦距f之间的关系为：-0.35《f2/f《-0.15；设置所述补偿组中所述第三透镜l3的焦距f3和所述红外连续变焦镜头最长焦的焦距f的关系，其中，所述焦距f3和所述焦距f之间的关系为：0.25《f3/f《0.5；设置所述后固定组中所述第四透镜l4的焦距f4和所述红外连续变焦镜头最长焦的焦距f的关系，其中，所述焦距f4和所述焦距f之间的关系为：-2.5《f4/f《-2.1；设置所述调焦组中所述第五透镜l5的焦距f5和所述红外连续变焦镜头最长焦的焦距f的关系，其中，所述焦距f5和所述焦距f之间的关系为：0.2《f5/f《0.3。
[0043]
参照图2～图3，图2～图3是本发明实施例提供的一种红外连续变焦镜头的长焦结构和短焦结构的场曲畸变图，本发明实施例的短焦状态和长焦状态下各视场畸变均保持在4％以内，具有良好的性能。
[0044]
可选地，将所述补偿组中的所述第三透镜l3朝向物方的一面设置为二元衍射面；使用二元衍射面有利于校正色差，其中，所述的二元衍射面的表达式为：
[0045][0046]
其中，代表二元衍射面对于入射波在不同部位的位相延迟；m为衍射级数，n为位相函数的阶数，ai为每一个阶次的系数，ρ为归一化径向坐标，其中ρn为归一
化半径，作为本发明的一种最佳实施方式，参照表1，所述二元衍射面公式的参数可以为：衍射级数m设置为1，归一化半径ρn设置为1，中心波长选取10μm，第一个阶次的系数a1为-0.139。
[0047]
由于二元衍射面具有负热差的特性，能够配合其他的透镜材料实现无热化，使得本发明的实施例在-40℃～80℃的温度范围内仍然能够保持成像清晰，具有很好的使用性能，提高了镜头的稳定性；其中需要说明的是，所述无热化即在一个较大的温度范围内保持焦距、像面或像质不变或者变化很小，以满足使用要求。
[0048]
参照图5～图7，图5～图7分别为本发明实施例提供的一种红外连续变焦镜头的短焦结构在20℃、-40℃、80℃时的mtf(modulation transfer function，调制传递函数)图，需要说明的是，纵坐标调制传递函数值即为mtf值，当mtf值为1时，是理想中的最佳镜头，本发明实施例的短焦镜头处于20℃、-40℃、80℃时，在空间频率为40lp/mm处的mtf值均大于0.2，能够保持较好的性能。
[0049]
参照图8～图10，图8～图10分别为本发明实施例提供的一种红外连续变焦镜头的长焦结构在20℃、-40℃、80℃时的mtf(modulation transfer function，调制传递函数)图，需要说明的是，纵坐标调制传递函数值即为mtf值，当mtf值为1时，是理想中的最佳镜头，本发明实施例的长焦镜头处于20℃、-40℃、80℃时，在空间频率为40lp/mm处的mtf值均大于0.2，能够保持较好的性能。
[0050]
本发明实施例还提供了一种连续红外变焦镜头，包括：沿光轴方向从物方到像方依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组以及调焦组；其中，所述前固定组包括由锗单晶制作的第一透镜l1；所述第一透镜l1为凸面朝向物方的正光焦度双面球面弯月型透镜；所述前固定组固定于镜头内，用于汇聚光线；所述变倍组包括由锗单晶制作的第二透镜l2；所述第二透镜l2为负光焦度的双面非球面双凹型透镜；所述变倍组用于改变所述红外连续变焦镜头的焦距；所述补偿组包括由硫系玻璃制作的第三透镜l3；所述第三透镜l3为正光焦度的双面非球面双凸型透镜；所述补偿组用于对焦距变化时的像面漂移进行补偿，保证在变焦过程中能够成像清晰；所述后固定组包括由硫系玻璃制作的第四透镜l4；所述第四透镜l4为负光焦度的双面非球面弯月型透镜；所述后固定组用于进一步汇聚光线；所述调焦组包括由锗单晶制作的第五透镜l5；所述第五透镜l5为正光焦度的双面球面弯月型透镜；所述调焦组用于进一步调节所述红外连续变焦镜头的焦距。
[0051]
本发明的实施例还提供了一种摄像系统，所述摄像系统包括如上所述的一种红外连续变焦镜头。
[0052]
本发明实施例具有如下有益效果：
[0053]
1、本发明实施例仅采用5枚透镜，且第一透镜的口径大于其他透镜的口径，采用球面设计，使得本发明实施例成本低、孔径大；
[0054]
2、本发明实施例通过移动所述变倍组和所述补偿组，能够在20mm～100mm的焦距范围内实现连续变焦，变焦方式简洁，变焦曲线平滑，具有变焦运动负载小、变焦镜片移动量小的有益效果。
[0055]
3、本发明实施例采用二元衍射面校正色差，并且由于二元衍射面的具有负热差的特性，配合其他透镜材料能够在处于-40℃～80℃时仍然保持较好的性能，温度适应能力强。
[0056]
下面提供本发明实施例的一个应用场景：
[0057]
将前固定组第一透镜l1、变倍组第二透镜l2、补偿组第三透镜l3、后固定组第四透镜l4、调焦组第五透镜l5沿光轴方向从物方到像方依次设置，组成所述红外连续变焦镜头，其中，所述前固定组合所述后固定组固定在镜筒中，用于汇聚光线。所述红外连续变焦镜头安装在红外摄像机上，所述红外摄像机与其他摄像设备组成摄像系统，用于拍摄。
[0058]
在一些可选的实施例中，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
[0059]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0060]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0061]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
[0062]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。