一種大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭，從物方至像方依次有五組透鏡，包括：具有正光焦度的前固定組，為一片凸面朝向物方的彎月形鍺正透鏡；具有負(fù)光焦度的變倍組，為一片雙凹形的鍺負(fù)透鏡；具有正光焦度的補(bǔ)償組，為一片雙凸形的鍺正透鏡；具有負(fù)光焦度的后固定組，為一片凸面朝向像方的彎月形鍺負(fù)透鏡；具有正光焦度的調(diào)焦組，為一片凸面朝向物方的彎月形鍺正透鏡。本實(shí)用新型可在25mm～75mm范圍內(nèi)連續(xù)變焦，同時(shí)F數(shù)保持恒定為0.95，適用于分辨率640×480像元大小17μm的長波非制冷探測器；在全焦段內(nèi)變倍和補(bǔ)償組移動(dòng)行程短且曲線平滑，光軸穩(wěn)定性高，有良好的成像效果。
【專利說明】一種大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種用于長波紅外非制冷探測器的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭。

【背景技術(shù)】
[0002]紅外技術(shù)在軍民領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。由于紅外系統(tǒng)為熱成像，在長波紅外范圍內(nèi)，能量較弱，因此就必須要大光圈鏡頭來增加進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的能量，從而增加成像的對(duì)比度。另外隨著探測器技術(shù)的飛速發(fā)展，像元尺寸越來越小。因此就需要與之匹配的光學(xué)系統(tǒng)。以光學(xué)原理來說，艾利班直徑隨著光圈的增大而變小，也就意味著分辨率越高。因此需要大光圈的鏡頭。一般的大光圈鏡頭多為定焦鏡頭，而連續(xù)變焦鏡頭，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以做到大光圈。因此需要一種鏡頭，既能滿足大光圈，又可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)變焦。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種光圈大且恒定，光學(xué)總長短，體積小，裝調(diào)方便、成像質(zhì)量高的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭。其工作波段為8?12微米，焦距為25mm?75mm，F(xiàn)數(shù)為0.95，適配分辨率為640 X 480，像元大小17微米的非制冷探測器，光學(xué)系統(tǒng)總長183mm,最大口徑90mm。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為:
[0005]一種大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭，由物方到像方依次包括，前固定組、變倍組、補(bǔ)償組、后固定組、調(diào)焦組以及探測器部分；
[0006]所述前固定組具有正光焦度，為一片凸面朝向物方的彎月形鍺單晶正透鏡，表面類型均為球面；
[0007]所述變倍組具有負(fù)光焦度，為一片雙凹形鍺單晶負(fù)透鏡，其朝向像方的一側(cè)為非球面，所述透鏡的總移動(dòng)行程22.9mm ；
[0008]所述補(bǔ)償組具有正光焦度，為一片雙凸形鍺單晶正透鏡，其朝向物方的一側(cè)為非球面，所述透鏡的總移動(dòng)行程16.46mm ；
[0009]所述后固定組具有負(fù)光焦度，為一片凸面朝向像方的彎月形鍺單晶正透鏡，其凸面為衍射面；
[0010]所述調(diào)焦組具有正光焦度，為一片凸面朝向物方的彎月形鍺單晶正透鏡，其凸面為非球面，所述透鏡的總移動(dòng)行程4.5mm ；
[0011]在所述調(diào)焦組后為長波非制冷探測器部分，包括保護(hù)窗口和像面；孔徑光闌位于補(bǔ)償組與后固定組之間，變焦過程中保持恒定。
[0012]所述鏡頭的水平視場角范圍為:2w = 35.5°?1.8°。
[0013]所述鏡頭滿足如下參數(shù):
[0014]所述鏡頭的有效焦距EFL = 25?75mm，F(xiàn)數(shù)=0.95，光學(xué)系統(tǒng)總長=183mm，適配探測器分辨率640 X 480，像元大小17 μ m。
[0015]所述鏡頭的全視場的平均MTF>0.6@221p/mm。
[0016]所述鏡頭的鏡片中的非球面滿足下列表達(dá)式:

cr2
[0017]2 = -,.......................................................................................................................................................+ a2r A + a2r€ 4- +o-5r30 4- r^r12
I +I — (I 4-
[0018]其中z為非球面沿光軸方向在高度為r的位置時(shí)，距非球面頂點(diǎn)的距離矢高，c表示表面的頂點(diǎn)曲率，k為圓錐系數(shù)，α2、α3、α4、α5、α 6為高次非球面系數(shù)。
[0019]所述鏡頭的鏡片中的衍射面滿足下列表達(dá)式:
[0020]Φ = A1 P 2+Α2 P 4
[0021]其中Φ為衍射面的位相，P = r/rn，rn是衍射面的規(guī)劃半徑,ApA2為衍射面的位相系數(shù)。本實(shí)用新型的有益效果為:全焦段光圈F0.95，并且變焦過程中光圈恒定，擁有3倍變倍比，光學(xué)系統(tǒng)總長為183mm，最大口徑90mm。結(jié)構(gòu)緊湊，變焦曲線平滑，鏡片最大移動(dòng)量為22.9_。變倍組和補(bǔ)償組均只有一片透鏡，這樣可以更好的保證變焦過程中的光軸穩(wěn)定性。同時(shí)使用折射式光學(xué)結(jié)構(gòu)，無須調(diào)整反射鏡，裝調(diào)簡便，易于量產(chǎn)。整個(gè)變焦范圍內(nèi)成像質(zhì)量優(yōu)良，全視場的平均MTFX).6@221p/mm。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本實(shí)用新型提供的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為75mm時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)圖；
[0023]圖2是本實(shí)用新型提供的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為75mm時(shí)的點(diǎn)列圖；
[0024]圖3是本實(shí)用新型提供的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為75mm時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)圖(截止分辨率為2011p/mm)；
[0025]圖4是本實(shí)用新型提供的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為75mm時(shí)的象散畸變圖；
[0026]圖5是本實(shí)用新型提供的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為50mm時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)圖；
[0027]圖6是本實(shí)用新型提供的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為50mm時(shí)的點(diǎn)列圖；
[0028]圖7是本實(shí)用新型提供的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為50mm時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)圖(截止分辨率為2011p/mm)；
[0029]圖8是本實(shí)用新型提供的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為50mm時(shí)的象散畸變圖；
[0030]圖9是本實(shí)用新型提供的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為25mm時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)圖；
[0031]圖10是本實(shí)用新型提供的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為25mm時(shí)的點(diǎn)列圖；
[0032]圖11是本實(shí)用新型提供的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為25mm時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)圖(截止分辨率為2011p/mm)；
[0033]圖12是本實(shí)用新型提供的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的焦距為25mm時(shí)的象散畸變圖；
[0034]其中，200-物空間，110-前固定組，120-變倍組，130-補(bǔ)償組，140-孔徑光闌，150-后固定組，160-調(diào)焦組，310-探測器組件，312-探測器保護(hù)窗口，314-像面，SI?SlO為透鏡各個(gè)表面。

【具體實(shí)施方式】
[0035]以下結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0036]該實(shí)施例是本實(shí)用新型應(yīng)用于長波非制冷型分辨率640X480像元尺寸17 μ m凝視型焦平面探測器的例子。
[0037]圖1、圖5、圖9分別為本實(shí)用新型在焦距75mm，50mm和25mm時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)圖，所述鏡頭的結(jié)構(gòu)相同，以其中一個(gè)圖為例作為說明。
[0038]如圖1所示，本實(shí)施由正光焦度的前固定組110、負(fù)光焦度的變倍組120、正光焦度的補(bǔ)償組130、負(fù)光焦度的后固定組150、正光焦度的調(diào)焦組160以及最后的探測器310組成。
[0039]前固定組110即第一透鏡，為凸面朝向物方的正透鏡，材料為鍺單晶，S2表面為非球面，該片鏡片口徑大，因此不使用非球面；變倍組120即第二透鏡，為雙凹形為負(fù)透鏡，材料為鍺單晶，S4表面為非球面。該透鏡是移動(dòng)鏡片，起到了變焦過程中變倍的作用，移動(dòng)曲線為5次拋物線，總移動(dòng)行程22.9mm ;補(bǔ)償組130即第三透鏡，為雙凸形的正透鏡，材料為鍺單晶，S5表面為非球面。該透鏡是移動(dòng)鏡片，當(dāng)變倍組鏡片移動(dòng)時(shí)，補(bǔ)償組鏡片做相應(yīng)的移動(dòng)從而保證像面位置不變，移動(dòng)曲線為直線，總移動(dòng)行程16.46mm ;后固定組150即第四透鏡，為凸面朝向像方的彎月形負(fù)透鏡，材料為鍺單晶，S9表面為衍射非球面。調(diào)焦組160即第五透鏡，為凸面朝向像方的彎月形正透鏡，材料為鍺單晶，其中S9面為非球面。該透鏡是移動(dòng)鏡片，當(dāng)目標(biāo)距離發(fā)生改變以及工作溫度發(fā)生變化時(shí)，可以用該鏡片重新聚焦，總移動(dòng)行程4.5mm ;長波非制冷探測器310包括:保護(hù)窗口 312，成像面314，分辨率為640 X 480，像元大小17μ。系統(tǒng)的孔徑光闌140，位于補(bǔ)償組和后固定組之間。變焦過程中光闌孔徑不變，從而保證光圈恒定。
[0040]以上五片透鏡中，第一透鏡SI表面鍍類金剛石碳膜，因?yàn)樵摫砻嫱饴?，需要鍍類金剛石碳膜碳膜起保護(hù)性作用，其余S2?SlO表面均鍍增透膜。
[0041]表I為本實(shí)用新型在焦距75mm, 50mm, 25mm時(shí)的光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù):
[0042]表I
[0043]表面 ft 幹徑^^^^
~~- GERMANIU~~~
S2 172.4432__51.9/48.6/29___84.4
^- GERMANIU^
S4" 142.7702" 16.14/25.07/55.5.44.5
85 187.40557 GERMANIU~
S6" -215.28-23.46/17.83/760
光闌___4___36.4
^77 GERMANIU^
S8— -87.1327"27.242
~8^)7「GERMANIU~
____M__
SlO I Infinity |28.93 |I 54.3
[0044]以上八片透鏡中提及的非球面，均為偶次非球面，其表達(dá)式如下
CT2—_Λ
[0045]ζ =..........................................................................................................................................................+ r/2r4 +a3-rg +a4r2 + a5r1Q +a:6r12

I + ',1- (I +k)c2r2
[0046]其中z為非球面沿光軸方向在高度為r的位置時(shí)，距非球面頂點(diǎn)的距離矢高，c表示表面的頂點(diǎn)曲率，k為圓錐系數(shù)，α2、α3、α4、α5、α 6為高次非球面系數(shù)。
[0047]表2為表面S2, S4, S5, S8, S9的非球面系數(shù):
[0048]表2
[0049]
表
_1______
S2 ~ -7.40S736(x--009 -4.l8()907c-012: 2.71 7400Ic-015 -1.0311404c-018 1.6148(>5叱-(>22
54~ -3.6464691c-007 1.l742l59c-010: -4.495989Ic-015 -2.78l()632c-OI6 2.57()338c-OI9
55-4.7H020l7c-(K)7 -2.l366l82c-007 -3.3552()25e-009 丨.5136896c-()l () -1.82l4327c-0I2
[0050]
SH -5.20()7()47c-0()7 l.9()32()97c-0U) -2.3801 OOHc-013 2.9525274c-OI6 -2.32735()8c-()19 S9 -2.2403027c-()l() -5.5991 H()5c-()()7 -6.3246426c-0l() S.243l()75c-01 1-1.l367499c-012
[0051]以上五片透鏡中提及的衍射面，其表達(dá)式如下:
[0052]Φ = A1 P 2+A2 P 4
[0053]其中Φ為衍射面的位相，P = r/rn，rn是衍射面的規(guī)劃半徑,ApA2為衍射面的位相系數(shù)。
[0054]表3為表面S8的衍射系數(shù)
[0055]表 3
[0056]
表面____
S8 1-8.3829606 |θ.065673381 |θ.019519961
[0057]下面參照像差分析圖對(duì)本實(shí)用新型的效果做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0058]圖2-圖4是圖1所述的長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的具體實(shí)施例在長焦?fàn)顟B(tài)時(shí)的像差分析圖，圖2是點(diǎn)列圖、圖3是MTF圖、圖4是場曲畸變圖；
[0059]圖6圖8是圖5所述的長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的具體實(shí)施例在中焦?fàn)顟B(tài)時(shí)的像差分析圖，圖6是點(diǎn)列圖、圖7是MTF圖、圖8是場曲畸變圖；
[0060]圖10圖12是圖9所述的長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的具體實(shí)施例在短焦?fàn)顟B(tài)時(shí)的像差分析圖，圖10是點(diǎn)列圖、圖11是MTF圖、圖12是場曲畸變圖；
[0061]從圖中可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)焦段的各種像差得到了很好的校正，彌散斑均校正到接近艾利班大小，MTF接近衍射極限，畸變〈5%。
[0062]由此可見，本實(shí)用新型大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭具有良好的成像質(zhì)量。
[0063]最后應(yīng)說明的是:以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型而并非限制本實(shí)用新型所描述的技術(shù)方案。因此，盡管本說明書參照上述的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行修改或等同替換；而一切不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭，其特征在于:由物方到像方依次包括，前固定組、變倍組、補(bǔ)償組、后固定組、調(diào)焦組以及探測器部分； 所述前固定組具有正光焦度，為一片凸面朝向物方的彎月形鍺單晶正透鏡，表面類型均為球面； 所述變倍組具有負(fù)光焦度，為一片雙凹形鍺單晶負(fù)透鏡，其朝向像方的一側(cè)為非球面，所述透鏡的總移動(dòng)行程22.9mm ； 所述補(bǔ)償組具有正光焦度，為一片雙凸形鍺單晶正透鏡，其朝向物方的一側(cè)為非球面，所述透鏡的總移動(dòng)行程16.46mm ； 所述后固定組具有負(fù)光焦度，為一片凸面朝向像方的彎月形鍺單晶正透鏡，其凸面為衍射面； 所述調(diào)焦組具有正光焦度，為一片凸面朝向物方的彎月形鍺單晶正透鏡，其凸面為非球面，所述透鏡的總移動(dòng)行程4.5mm ； 在所述調(diào)焦組后為長波非制冷探測器部分，包括保護(hù)窗口和像面；孔徑光闌位于補(bǔ)償組與后固定組之間，變焦過程中保持恒定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭，其特征在于，所述鏡頭滿足如下參數(shù): 所述鏡頭的有效焦距EFL = 25?75mm，F(xiàn)數(shù)=0.95，光學(xué)系統(tǒng)總長=183mm，適配探測器分辨率640 X 480，像元大小17 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭，其特征在于，所述鏡頭的全視場的平均 MTF>0.6@221p/mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭，其特征在于，所述鏡頭的鏡片中的非球面滿足下列表達(dá)式:Z=.............................................................................4- our4+ CuTg + 0sr10 +aer12 其中Z為非球面沿光軸方向在高度為r的位置時(shí)，距非球面頂點(diǎn)的距離矢高，C表示表面的頂點(diǎn)曲率，k為圓錐系數(shù)，a2、a3、a4、a5、a 6為高次非球面系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭，其特征在于，所述鏡頭的鏡片中的衍射面滿足下列表達(dá)式:
Φ = A1 P 2+A2 P 4 其中Φ為衍射面的位相，P = r/rn，rn是衍射面的規(guī)劃半徑,ApA2為衍射面的位相系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大光圈長波紅外連續(xù)變焦鏡頭，其特征在于，所述鏡頭的水平視場角范圍為:2w = 35.5°?1.8°。
【文檔編號(hào)】G02B15/173GK203965716SQ201420346560
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】劉自強(qiáng), 夏日輝, 孔超 申請(qǐng)人:北京藍(lán)思泰克科技有限公司