轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统以及红外镜头的制作方法

1.本公开一般涉及，具体涉及光学领域，尤其涉及一种轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统以及红外镜头。


背景技术：

2.红外成像系统是通过接收目标和背景的辐射能量，进入到探测器焦平面，再经过图像的处理，来实现对目标的检测和跟踪。与传统的可见光系统和雷达等相比，具备定向精度高，灵敏度高，抗干扰能力强，可识别隐藏目标等优点，在航空航天，边海防等领域应用广泛。
3.目前，现有技术中的连续变焦红外系统需要多层镜片，所以导致体积大、成本高，同时容易受到温度环境的影响，导致出现分辨能力低等问题，为此，我们提供一种轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统以及红外镜头。


技术实现要素：

4.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种体积小、成本低、能适应不同温度环境的轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统以及红外镜头。
5.第一方面，本技术提供一种轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统，包括：
6.聚焦透镜，所述聚焦透镜具有第一入射面；所述聚焦透镜用于对物方进行聚焦；
7.变焦镜组，所述变焦镜组与所述聚焦透镜同光轴设置，且所述变焦镜组位于所述聚焦透镜靠近第一入射面的一侧；所述变焦镜组包括沿远离聚焦透镜方向依次设置的变焦镜和变焦补偿镜，调整两透镜间隔，能够使得焦距改变；
8.固定镜组，所述固定镜组与所述变焦镜组同光轴设置，且所述固定镜组位于所述变焦镜组远离聚焦透镜的一侧；所述固定镜组用于补偿预设温度范围下焦距改变带来的像差。
9.根据本技术实施例提供的技术方案，所述固定镜组包括：
10.第一固定镜，所述第一固定镜设置于所述变焦补偿镜远离变焦镜的一侧；
11.第二固定镜，所述第二固定镜设置于所述第一固定镜远离变焦补偿镜的一侧；
12.第三固定镜，所述第三固定镜设置于所述第二固定镜远离第一固定镜的一侧。
13.根据本技术实施例提供的技术方案，所述第一聚焦透镜为凸面朝向远离变焦镜方向的月牙状正透镜；所述变焦镜为双凹面的负透镜；所述变焦补偿镜为双凸面的正透镜；所述第一固定镜为凹面朝向靠近变焦补偿镜方向的月牙状透镜；所述第二固定镜为凸面朝向远离第一固定镜方向的月牙状透镜；所述第三固定镜为双凸面透镜。
14.根据本技术实施例提供的技术方案，所述聚焦透镜、变焦镜组和固定镜组所组成的光学系统焦距为20mm～140mm；f数为0.8～1.2。
15.根据本技术实施例提供的技术方案，所述变焦镜靠近聚焦透镜的凹面为非球面；所述变焦补偿镜靠近变焦镜的凸面为非球面和衍射面；所述第一固定镜靠变焦补偿镜的凹
面为非球面；所述第三固定镜靠近第二固定镜的凸面为非球面。
16.根据本技术实施例提供的技术方案，所述非球面满足以下公式：
[0017][0018]
其中，z表示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；r表示为高度；c表示为表面的顶点曲率；k表示为圆锥曲率；a1、a2、a3、a4、a5和a6表示为高次非球面系数。
[0019]
根据本技术实施例提供的技术方案，所述衍射面满足以下公式：
[0020]
φ＝a1ρ2+a2ρ4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0021]
ρ＝r/rnꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0022]
其中，φ为衍射面的位相；rn表示为衍射面的规划半径；a1和a2表示为衍射面的位相系数。
[0023]
第二方面，本技术提供一种红外镜头包括上述的轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统。
[0024]
综上所述，本技术方案具体地公开了一种轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统，包括：聚焦透镜、变焦镜组和固定镜组；聚焦透镜具有第一入射面，同时聚焦透镜可对物方进行聚焦；变焦镜组与聚焦透镜同光轴设置，且变焦镜组位于聚焦透镜远离第一入射面的一侧；变焦镜组包括沿远离聚焦透镜方向依次设置的变焦镜和变焦补偿镜，调整两透镜间隔，能够使得焦距改变；固定镜组与变焦镜组同光轴设置，且固定镜组位于变焦镜组远离聚焦透镜的一侧，固定镜组能够补偿预设温度范围下焦距改变带来的像差。
[0025]
本技术通过聚焦透镜对物方聚焦，变焦镜组中可通过对变焦镜和变焦补偿镜间隔的调节，实现连续变焦操作，使得整个连续变焦系统结构小巧、成本低廉；此外，还设置有固定镜组，固定镜组可补偿在预设温度范围内的像差，保证全焦范围内-40℃～+60℃的高清晰成像。
附图说明
[0026]
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0027]
图1为一种红外镜头包括上述的轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统处于短焦位置的结构示意图。
[0028]
图2为一种红外镜头包括上述的轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统处于中焦位置的结构示意图。
[0029]
图3为一种红外镜头包括上述的轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统处于长焦位置的结构示意图。
[0030]
图4为一种红外镜头包括上述的轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统短焦mtf测试结果。
[0031]
图5为一种红外镜头包括上述的轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统中焦mtf测试结果。
[0032]
图6为一种红外镜头包括上述的轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统长焦mtf测试结果。
[0033]
图7为为一种红外镜头包括上述的轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统短焦畸变测试结果。
[0034]
图8为为一种红外镜头包括上述的轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统中焦畸变测试结果。
[0035]
图9为为一种红外镜头包括上述的轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统长焦畸变测试结果。
[0036]
图中标号：l1、聚焦透镜；l2、变焦镜；l3、变焦补偿镜；l4、第一固定镜；l5、第二固定镜；l6、第三固定镜；s1、第一入射面；s2、第一出射面；s3、第二入射面；s4、第二出射面；s5、第三入射面；s6、第三出射面；s7、第四入射面；s8、第四出射面；s9、第五入射面；s10、第五出射面；s11、第六入射面；s12、第六出射面；100、物空间；101、机芯窗口；102、靶面。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
[0038]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0039]
实施例1
[0040]
请参考图1所示的一种红外镜头包括上述的轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统的第一种实施例的结构示意图，包括：
[0041]
聚焦透镜l1，聚焦透镜l1具有第一凹面；聚焦透镜l1用于对物体进行聚焦；
[0042]
变焦镜组，变焦镜组与聚焦透镜l1同光轴设置，且变焦镜组位于聚焦透镜l1靠近第一凹面的一侧；变焦镜组包括沿远离聚焦透镜l1方向依次设置的变焦镜l2和变焦补偿镜l3，调整两透镜间隔，能够使得焦距改变；
[0043]
固定镜组，固定镜组与变焦镜组同光轴设置，且固定镜组位于变焦镜组远离聚焦透镜l1的一侧；固定镜组能够补偿预设温度范围下焦距改变带来的像差。
[0044]
本实施例中，在物空间100下，聚焦透镜l1为固定位置的透镜，且其外形为凸面朝向物方的正弯月透镜，聚焦透镜l1用于对不同距离的物方进行聚焦；
[0045]
变焦镜组与聚焦透镜l1同光轴设置，变焦镜组包括变焦镜l2和变焦补偿镜l3；由于在光学系统中，通过改变光学间隔以实现系统焦点的位置，进而使得焦距发生变化，所以如图1、图2和图3所示，通过调节两个变焦镜的间隔，便可以调节本系统的焦距，其中，变焦镜l2为一个双凹面的负透镜，用于实现连续变倍，变焦补偿镜l3为一个双凸面的正透镜，可实现连续的变倍补偿，主要用于校正变焦后带来的像面偏移；
[0046]
进一步地，由短焦位置向中焦位和长焦置调节时，通过将变焦镜l2向靠近变焦补偿镜镜l3的方向逐步移动便可实现；
[0047]
由于变焦镜组在变焦过程中，其物像共轭距离的变化不断产生像面位移，所以固定镜组与变焦镜组同光轴设置，且固定镜组会以自身物面位移量吻合变焦镜组的像面位移
量，从而保证系统像面位置的稳定，用于补偿预设温度范围下焦距改变带来的像面偏移；固定镜组为固定位置的透镜；此外，在固定镜组之后可增加移动结构，并在移动结构上固定红外机芯，例如图1、如图4至图9所示，第三固定镜l6远离第二固定镜l5的一侧设置有机芯窗口101和靶面102，在不需要固定组透镜移动的情况下，仅靠机芯的微小调节可实现预设温度范围-40℃～+60℃情况下的清晰成像；靶面102为感光器结构表面，可接收成像光束。
[0048]
具体地，第一固定镜l4，第一固定镜l4设置于变焦补偿镜l3远离变焦镜l2的一侧；第一固定镜l4为一个凹面向物方的弯月透镜，用于实现系统的像差平衡；
[0049]
第二固定镜l5，第二固定镜l5设置于第一固定镜l4远离变焦补偿镜的一侧；第二固定镜l5为一个凹面向物方的弯月透镜l5；
[0050]
第三固定镜l6，第三固定镜l6设置于第二固定镜l5远离第一固定镜的一侧；第三固定镜l6为一个双凸透镜，第三固定镜l6和第二固定镜l5作为不可移动的透镜，能够实现高低温情况下的像差补偿。
[0051]
具体地，第一聚焦透镜l1为凸面朝向远离变焦镜l2方向的月牙状正透镜，变焦镜l2为双凹面的负透镜；变焦补偿镜l3为双凸面的正透镜，第一固定镜l4为凹面朝向靠近变焦补偿镜l3方向的月牙状透镜，第二固定镜l5为凸面朝向远离第一固定镜l4方向的月牙状透镜，第三固定镜l6为双凸面透镜。
[0052]
此外，变焦镜l3靠近聚焦透镜l1的凹面为非球面，即第二入射面s3为非球面；变焦补偿镜l3靠近变焦镜l2的凸面为非球面和衍射面，即，第三入射面s5为非球面和衍射面；第一固定镜l4靠变焦补偿镜l3的凹面为非球面，即，第四入射面s7为非球面；第三固定镜l6靠近第二固定镜l5的凸面为非球面，即，第五出射面s10为非球面；
[0053]
聚焦透镜l1、变焦镜组和固定镜组所组成的光学系统焦距为20mm～140mm；f数为0.8～1.2，并可适配640*512(12um)机芯；具体参数如表1所示：
[0054]
表1镜头光学参数
[0055]
[0056][0057]
其中，非表示为非球面，而备注为空处则表示为球面，非+衍表示为非球面+衍射面；具体地，第一入射面s1、第一出射面s2、第二出射面s4、第三出射面s6、第四出射面s8、第五入射面s9、第六入射面s11和第六入射面s12均为球面。
[0058]
具体地，非球面满足以下公式：
[0059][0060]
其中，z表示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；r表示为高度；c表示为表面的顶点曲率；k表示为圆锥曲率；a1、a2、a3、a4、a5和a6表示为高次非球面系数。
[0061]
对于第二入射面s3而言，c＝-0.0036347020433533；k＝0；a1＝0；a2＝1.76963e-7；a3＝9.85278e-11；a4＝-2.73434e-13；a5＝2.17238e-16；a6＝-1.82945e-19；
[0062]
对于第三入射面s5而言，c＝0.0032425891523695；k＝0；a1＝0；a2＝-1.0199e-7；a3＝-3.57779e-11；a4＝5.73667e-14；a5＝-3.38632e-17；a6＝1.71747e-20；
[0063]
对于第四入射面s7而言，c＝-0.016140554909453；k＝0；a1 a1＝0；a2＝3.62963e-7；a3＝3.64704e-10；a4＝-6.37647e-13；a5＝8.05631e-16；a6＝-3.37592e-19；
[0064]
对于第五出射面s10而言，c＝0.0033167495854063；k＝0；a1＝0；a2＝5.26481e-7；a3＝1.54848e-10；a4＝-6.6481e-13；a5＝6.2841e-16；a6＝-3.494522e-19；
[0065]
具体地，衍射面满足以下公式：
[0066]
φ＝a1ρ2+a2ρ4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0067]
ρ＝r/rnꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0068]
其中，φ为衍射面的位相；rn表示为衍射面的规划半径；a1和a2表示为衍射面的位相系数；
[0069]
对于第三入射面s5而言，rn＝26；a1＝-10.1916；a2＝-0.1332。
[0070]
实施例2
[0071]
一种红外镜头，包括实施例1所述的一种轻量小型化长波非制冷连续变焦光学系统，该红外镜头在预设温度范围下能够观测目标距离物体，同时保证成像清晰，如图4至图9的所示，根据短焦、中焦和长焦的mtf测试以及畸变测角结果显示，该红外镜头能够满足在-40℃～+60℃条件下的连续变焦且成像清晰。
[0072]
以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。