一種大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭，由物方到像方依次包括：前固定組、變倍組、補償組、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；所述變倍組具有負光焦度，為一片雙凹形鍺單晶負透鏡；所述補償組具有正光焦度，為一片雙凸形鍺單晶正透鏡；所述后固定組具有負光焦度，為一片凸面朝向像方的彎月形鍺單晶正透鏡；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；在所述調(diào)焦組后為長波非制冷探測器部分，包括保護窗口和像面；本實用新型的優(yōu)點是：生產(chǎn)成本較低，體積小重量輕，成像質(zhì)量高,光圈大且恒定，光學總長短，適合作為監(jiān)控鏡頭。
【專利說明】
一種大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型公開了一種大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭，屬于光學技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，紅外技術(shù)在軍民領(lǐng)域的應用越來越廣泛。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入光學系統(tǒng)的能量，從而增加成像 的對比度。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 學系統(tǒng)。以光學原理來說，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。傳統(tǒng)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，又可以實現(xiàn)連續(xù)變焦。 【實用新型內(nèi)容】
[0003] 本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠克服上述技術(shù)問題的光圈大且恒 定，光學總長短，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)變焦監(jiān)控鏡頭。其工 作波段為8~12微米，焦距為15mm~75mm，F(xiàn)數(shù)=0.850Π 5mm，F(xiàn)數(shù)=1.0@f75mm，適配分辨率 為640x512,像元大小17微米的非制冷探測器，光學系統(tǒng)總長184.6mm，最大口徑90mm。
[0004] 本實用新型由物方到像方依次包括:前固定組、變倍組、補償組、后固定組、調(diào)焦組 以及探測器部分。
[0005] 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。
[0006] 所述變倍組具有負光焦度，為一片雙凹形鍺單晶負透鏡，其朝向像方的一側(cè)為非 球面，所述透鏡的總移動行程23.3mm。
[0007] 所述補償組具有正光焦度，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，所述透鏡的總移動行程16.62_。
[0008] 所述后固定組具有負光焦度，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。
[0009] 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，所述透鏡的總移動行程4.5mm。
[0010] 在所述調(diào)焦組后為長波非制冷探測器部分，包括保護窗口和像面;孔徑光闌位于 補償組與后固定組之間，變焦過程中保持恒定。
[0011] 所述鏡頭的水平視場角范圍為:2 ω = 21.7°~7.3°。
[0012]所述鏡頭滿足如下參數(shù)：
[0013] 所述鏡頭的有效焦距EFL=15~75mm，F(xiàn)數(shù)= 0.85@fl5mm，F(xiàn)數(shù)= 1.0@f75mm，光學系 統(tǒng)總長=184.6mm，適配探測器分辨率640x512，像元大小17μηι。
[0014] 所述鏡頭的全視場的平均MTF>0.6@221p/mm。
[0015] 所述鏡頭的鏡片中的偶次非球面滿足下列表達式：
[0016]
[0017] 其中z為非球面沿光軸方向在高度為r的位置時，距非球面頂點的距離矢高，c表示 表面的頂點曲率，k為圓錐系數(shù)，32、34、36、38、31()、312為高次非球面系數(shù)。
[0018] 所述鏡頭的鏡片中的奇次非球面滿足下列表達式：
[0019]
[0020] 其中Z為非球面沿光軸方向在高度為r的位置時，距非球面頂點的距離矢高，c表示 表面的頂點曲率，k為圓錐系數(shù)，31、32、33、34、35、36、37為高次非球面系數(shù)。
[0021] 所述鏡頭的鏡片中的衍射面滿足下列表達式：
[0022] Φ =Aip2+A2P4
[0023] 其中Φ為衍射面的位相，P = r/rn，r^衍射面的規(guī)劃半徑，A1Jd衍射面的位相 系數(shù)。本實用新型的有益效果為:F數(shù)= 0.85@fl5mm，F(xiàn)數(shù)=1.0@f75mm，并且變焦過程中光圈 恒定，擁有5倍變倍比，光學系統(tǒng)總長為184.6mm，最大口徑90mm。結(jié)構(gòu)緊湊，變焦曲線平滑， 鏡片最大移動量為23.3mm。變倍組和補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。整個變焦范圍內(nèi)成像質(zhì)量優(yōu)良，全視場的平均MTF>0.6@221p/mm。
[0024] 本實用新型的優(yōu)點是：能在15mm~75mm范圍內(nèi)連續(xù)變焦，同時F數(shù)在15mm焦段為 0.85，在75mm焦段為1.0。適用于分辨率640x512像元大小17μπι的長波非制冷探測器;在全焦 段內(nèi)變倍和補償組移動行程短且曲線平滑，光軸穩(wěn)定性高，有良好的成像效果，僅使用5片 鏡片，生產(chǎn)成本較低。體積小重量輕，焦距適中，成像質(zhì)量高，光圈大且恒定，光學總長短，適 合作為監(jiān)控鏡頭。
【附圖說明】
[0025]圖1是本實用新型的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭的焦距為75mm時的光學系 統(tǒng)圖；
[0026]圖2是本實用新型的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭的焦距為75mm時的點列 圖；
[0027]圖3是本實用新型的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭的焦距為75mm時的光學傳 遞函數(shù)圖；截止分辨率為221p/mm;
[0028] 圖4是本實用新型的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭的焦距為75mm時的象散畸 變圖；
[0029] 圖5是本實用新型的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭的焦距為60_時的光學系 統(tǒng)圖；
[0030] 圖6是本實用新型的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭的焦距為60mm時的點列 圖；
[0031] 圖7是本實用新型的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭的焦距為60_時的光學傳 遞函數(shù)圖；截止分辨率為221p/mm;
[0032] 圖8是本實用新型的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭的焦距為60mm時的象散畸 變圖；
[0033]圖9是本實用新型的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭的焦距為30mm時的光學系 統(tǒng)圖；
[0034]圖10是本實用新型的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭的焦距為30mm時的點列 圖；
[0035]圖11是本實用新型的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭的焦距為30mm時的光學 傳遞函數(shù)圖；截止分辨率為221p/mm;
[0036]圖12是本實用新型的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭的焦距為30mm時的象散 畸變圖；
[0037]圖13是本實用新型的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭的焦距為15mm時的光學 系統(tǒng)圖；
[0038]圖14是本實用新型的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭的焦距為15mm時的點列 圖；
[0039]圖15是本實用新型的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭的焦距為15mm時的光學 傳遞函數(shù)圖；截止分辨率為221p/mm;
[0040]圖16是本實用新型提供的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭的焦距為15mm時的 象散畸變圖；
[0041 ] 其中，200-物空間，110-前固定組，120-變倍組，130-補償組，140-孔徑光闌，150-后固定組，160-調(diào)焦組，310-探測器組件，312-探測器保護窗口，314-像面，Sl~SlO為透鏡 各個表面。
【具體實施方式】
[0042]以下結(jié)合附圖并通過實施例對本實用新型做進一步詳細說明。本實施例是本實用 新型應用于長波非制冷型分辨率640 X 512像元尺寸17μπι凝視型焦平面探測器的例子。 [0043] 如圖1、圖5、圖9所示分別為本實用新型在焦距75mm，60mm，30mm和15mm時的光學系 統(tǒng)圖，所述鏡頭的結(jié)構(gòu)相同，以其中一個圖為例作為說明。
[0044]如圖1所示，本實施由正光焦度的前固定組110、負光焦度的變倍組120、正光焦度 的補償組130、負光焦度的后固定組150、正光焦度的調(diào)焦組160以及最后的探測器310組成。 [0045]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，為雙凹形為負透鏡，材 料為鍺單晶，S4表面為非球面。該透鏡是移動鏡片，起到了變焦過程中變倍的作用，移動曲 線為5次拋物線，總移動行程23.3mm;補償組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。該透鏡是移動鏡片，當變倍組鏡片移動時，補償組鏡片做相應的移 動從而保證像面位置不變，移動曲線為直線，總移動行程16.62mm;后固定組150即第四透 鏡，為凸面朝向像方的彎月形負透鏡，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 動鏡片，當目標距離發(fā)生改變以及工作溫度發(fā)生變化時，可以用該鏡片重新聚焦，總移動行 程4.5mm;長波非制冷探測器310包括:保護窗口 312，成像面314，分辨率為640x512，像元大 小17μ。系統(tǒng)的孔徑光闌140,位于補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。
[0046]以上五片透鏡中，第一透鏡Sl表面鍍類金剛石碳膜，因為該表面外露，需要鍍類金 剛石碳膜碳膜起保護性作用，其余S2~SlO表面均鍍增透膜。
[0047] 表1為本實用新型在焦距75mm，60mm，30mm，15mm時的光學結(jié)構(gòu)參數(shù)：
[0049] 表 1[0050] 以上八片透鏡中提及的非球面，第二、第四面均為偶次非球面，其表達式如下：
[0052] 共凹衍冗牠力|ΠΗ土間皮73rtfJ1U直H、」災好、矢高，C表示表面的頂點曲率，k為圓錐系數(shù)，32、33、34、35、36為高次非球面系數(shù)。[0053] 表2為表面S2，S4，S8的非球面系數(shù)：
[0051]
[0055] 表 2
[0056] 笛笛九而詢?yōu)閵^汝韭攏而.Jt丟飲忒加下
[0057]
[0058]其中z為非球面沿光軸方向在高度為r的位置時，距非球面頂點的距離矢高，c表示 表面的頂點曲率，k為圓錐系數(shù)，31、32、33、34、35、36、37為高次非球面系數(shù)。
[0059]表3為表面S5，S9的非球面系數(shù)：
[0061] 表 3
[0062] 以上五片透鏡中提及的衍射面，其表達式如下：
[0063] Φ =AiP2+A2P4
[0064] 其中Φ為衍射面的位相，P = r/rn，r^衍射面的規(guī)劃半徑，&、如為衍射面的位相 系數(shù)。
[0067] 表 4
[0068] 下面參照像差分析圖對本實用新型的效果做進一步詳細的描述。圖2-圖4是圖1所 述的長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的具體實施例在長焦狀態(tài)時的像差分析圖，圖2是點列圖、圖3 是MTF圖、圖4是場曲畸變圖；
[0069] 圖6圖8是圖5所述的長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的具體實施例在中長焦狀態(tài)時的像差 分析圖，圖6是點列圖、圖7是MTF圖、圖8是場曲畸變圖；
[0070] 圖10圖12是圖9所述的長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的具體實施例在中短焦狀態(tài)時的像 差分析圖，圖I〇是點列圖、圖11是MTF圖、圖12是場曲畸變圖；
[0071] 圖15圖16是圖13所述的長波紅外連續(xù)變焦鏡頭的具體實施例在中短焦狀態(tài)時的 像差分析圖，圖14是點列圖、圖13是MTF圖、圖16是場曲畸變圖；
[0072]從圖中可以發(fā)現(xiàn)，各個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 %。
[0073] 綜上所述，本實用新型具有良好的成像質(zhì)量。
[0074] 以上所述，僅為本實用新型的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局限 于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型公開的范圍內(nèi)，能夠輕易想到的變化 或替換，都應涵蓋在本實用新型權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭，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； 所述變倍組具有負光焦度，為一片雙凹形鍺單晶負透鏡，其朝向像方的一側(cè)為非球面， 所述透鏡的總移動行程23.3_; 所述補償組具有正光焦度，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， 所述透鏡的總移動行程16.62_; 所述后固定組具有負光焦度，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，包括保護窗口和像面;孔徑光闌位于補償 組與后固定組之間，變焦過程中保持恒定;所述鏡頭滿足如下參數(shù)： 所述鏡頭的有效焦距EFL = 15~75mm，F(xiàn)數(shù)=0.85@f 15mm，F(xiàn)數(shù)=1.0@f 75mm，光學系統(tǒng)總 長=184.6mm，適配探測器分辨率640x512，像元大小17wii。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭，其特征在于，所述鏡頭的 全視場的平均MTF>0.6@221p/mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭，其特征在于，所述鏡頭的 鏡片中的偶次非球面滿足下列表達式：其中z為非球面沿光軸方向在高度為r的位置時，距非球面頂點的距離矢高，c表示表面 的頂點曲率，k為圓錐系數(shù)，32、34、36、38、31()、312為高次非球面系數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大光圈長波紅外連續(xù)變焦監(jiān)控鏡頭，其特征在于，所述鏡頭的 鏡片中的奇次非球面滿足下列表達式：其中z為非球面沿光軸方向在高度為r的位置時，距非球面頂點的距離矢高，C表示表面 的頂點曲率，k為圓錐系數(shù)，31、32、33、34、35、36、37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)變焦監(jiān)控鏡頭，其特征在于，所述鏡頭的 鏡片中的衍射面滿足下列表達式： ? =Aip2+A2P4 其中〇為衍射面的位相，0=以化，^是衍射面的規(guī)劃半徑，心、知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)變焦監(jiān)控鏡頭，其特征在于，所述鏡頭的 水平視場角范圍為:2 ?=21.7°~7.3°。
【文檔編號】G02B15/173GK205427294SQ201520973380
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年11月30日
【發(fā)明人】劉自強, 王希杰, 蔡文苑
【申請人】三河市藍思泰克光電科技有限公司