一种中波红外连续变焦镜头及成像装置转让专利
申请号 : CN201811591876.2
文献号 : CN111367063B
文献日 : 2021-09-17
发明人 : 张新 , 刘涛 , 王灵杰 , 史广维 , 张建萍
申请人 : 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
摘要 :
权利要求 :
1.一种中波红外连续变焦镜头,其特征在于,从物方到像方同轴依次排列前固定组、变焦透镜组、补偿透镜组、后固定组以及二次成像透镜组,所述前固定组具有正光焦度,所述变焦透镜组具有负光焦度,所述补偿透镜组具有正光焦度,所述后固定组具有正光焦度,所述二次成像透镜组具有正光焦度,所述变焦透镜组和/或所述补偿透镜组可轴向移动实现连续变焦;
所述前固定组为一个凸面向物方的弯月正透镜,所述前固定组的像方侧表面为偶次非球面,物方侧表面为球面;所述变焦透镜组为一个双凹负透镜,所述双凹负透镜的像方侧表面为偶次非球面,物方侧表面为球面;所述补偿透镜组为一个双凸正透镜,所述双凸正透镜的物方侧表面为偶次非球面,像方侧表面为球面;所述后固定组为一个凸面向物方的弯月正透镜,所述弯月正透镜的物方侧表面为加工在偶次非球面基底上的衍射表面,像方侧表面为球面;所述二次成像透镜组包括凸向像方的正光焦度的第一弯月透镜和位于所述第一弯月透镜像方侧的凸向像方的正光焦度的第二弯月透镜,所述第一弯月透镜的物方侧表面为加工在偶次非球面基底上的衍射表面,像方侧表面为球面;所述第二弯月透镜的物方侧表面为偶次非球面,像方侧表面为球面。
2.根据权利要求1所述的中波红外连续变焦镜头,其特征在于,所述第一弯月透镜和第二弯月透镜均为锗透镜。
3.根据权利要求1所述的中波红外连续变焦镜头,其特征在于,所述偶次非球面的方程为:
式中,Z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时,距非球面顶点的距离矢高, c=1/r,r表示镜面的曲率半径,k为圆锥系数conic,A、B、C、D为高次非球面系数;
或者,所述衍射表面的方程为:
2 4
φ(h)=α1h+α2h+…
其中,α1、α2为衍射系数。
4.根据权利要求3所述的中波红外连续变焦镜头,其特征在于:所述前固定组的偶次非球面的方程的高次非球面系数为:A为1.69e‑07,B为2.52e‑13,C为‑2.09e‑16,D为2.57e‑20;所述变焦透镜组的偶次非球面的方程的高次非球面系数为:A为‑1.35e‑06,B为‑5.82e‑11,C为5.01e‑13,D为‑4.26e‑16;所述补偿透镜组的偶次非球面的方程的高次非球面系数为:A为‑5.29e‑07,B为‑1.14e‑10,C为2.52e‑13,D为‑1.50e‑16;
所述后固定组的偶次非球面的方程的高次非球面系数为:A为‑6.05e‑07,B为‑2.85e‑09,C为1.09e‑11,D为‑4.31e‑14;所述第一弯月透镜的偶次非球面的方程的高次非球面系数为:A为‑2.94e‑04,B为9.81e‑06,C为‑1.38e‑06,D为3.51e‑08;所述第二弯月透镜的偶次非球面的方程的高次非球面系数为:A为‑6.52e‑05,B为3.63e‑07,C为2.17e‑09,D为‑5.83e‑11;
或者,所述后固定组的衍射表面的方程的衍射系数为:α1为‑1.72e‑04,α2为‑1.11e‑07;
所述第一弯月透镜的衍射表面的方程的衍射系数为:α1为‑1.35e‑03,α2为5.29e‑06。
5.根据权利要求1所述的中波红外连续变焦镜头,其特征在于,F数恒定为4.0,适用的波段为3.4μm~5.0μm,连续变焦的焦距范围为29.4mm~470mm。
6.根据权利要求1所述的中波红外连续变焦镜头,其特征在于,所述后固定组后
21.29mm处成一中间像,所述二次成像透镜组设置在所述中间像后3.13mm处。
7.根据权利要求1至6任一项所述的中波红外连续变焦镜头,其特征在于,所述前固定组为一个凸面向物方的弯月硅正透镜;所述变焦透镜组为一个双凹锗负透镜;所述补偿透镜组为一个双凸硅正透镜;所述后固定组为一个凸面向物方的弯月硫化锌或者硒化锌正透镜。
8.一种成像装置,其特征在于,包括权利要求1至7任一项所述的中波红外连续变焦镜头和用于接收所述中波红外连续变焦镜头所成像的中波红外探测器。
9.根据权利要求8所述的成像装置,其特征在于,所述中波红外探测器为分辨率640×
512、像元尺寸15μm或者20μm的制冷中波红外探测器。
说明书 :
一种中波红外连续变焦镜头及成像装置
技术领域
背景技术
会造成光学系统离焦,使成像质量下降。为了降低温度变化对红外光学系统成像质量的影
响,需要进行无热化设计,或称为消热差设计,即通过一定的机械、光学及电子等技术,补偿
因温度变化产生的离焦,使红外光学系统在一个变化范围较大的温度区间内保持成像质量
的稳定。目前的消热差方式主要有:机电主动式消热差、机械被动式消热差和光学被动式消
热差。
果,从而实现大视场搜索目标,小视场仔细观察目标的目的。
458mm连续变焦(《红外技术》2010,32(10))。对于采用640×512元凝视焦平面阵列探测器的
设计,公开的文献有:中国电子科技集团公司第十一研究所“一种中波红外连续变焦镜头”
的专利,该发明公开了一种能够应用于640×512元25μm制冷型中波探测器,焦距范围50mm
~500mm,变倍比为10倍,移动透镜组行程最大为123mm的中波红外连续变焦镜头,但该专利
的缺点是:由于移动组最大行程过长,因此增加了视场切换时间,增大了保证宽、窄视场重
合精度的难度。公开号为CN106526818的中国专利公开了一项三组联动紧凑型高变倍比红
外联系变焦光学系统。但是该系统由于采用的是三组元变焦方式,光学系统结构复杂,控制
精度要求较高。
材料受温度影响非常大,其折射率、厚度、曲率半径等光学参数会随温度发生变化,进而导
致焦面发生漂移,成像质量下降。当镜头运动到长焦端时,温度导致图像质量的下降尤其明
显。上述这些问题都大大限制了目前现有红外变焦镜头的适用性和应用范围。
发明内容
焦度,所述变焦透镜组具有负光焦度,所述补偿透镜组具有正光焦度,所述后固定组具有正
光焦度,所述二次成像透镜组具有正光焦度,所述变焦透镜组和/或所述补偿透镜组可轴向
移动实现连续变焦。
一弯月透镜和第二弯月透镜均为锗透镜。
固定组的物方侧表面为加工在偶次非球面基底上的衍射表面;所述第一弯月透镜的物方侧
表面为加工在偶次非球面基底上的衍射表面,所述第二弯月透镜的物方侧表面为偶次非球
面。
面的方程的高次非球面系数为:A为‑1.35e‑06,B为‑5.82e‑11,C为5.01e‑13,D为‑4.26e‑
16;所述补偿透镜组的偶次非球面的方程的高次非球面系数为:A为‑5.29e‑07,B为‑1.14e‑
10,C为2.52e‑13,D为‑1.50e‑16;所述后固定组的偶次非球面的方程的高次非球面系数为:
A为‑6.05e‑07,B为‑2.85e‑09,C为1.09e‑11,D为‑4.31e‑14;所述第一弯月透镜的偶次非球
面的方程的高次非球面系数为:A为‑2.94e‑04,B为9.81e‑06,C为‑1.38e‑06,D为3.51e‑08;
所述第二弯月透镜的偶次非球面的方程的高次非球面系数为:A为‑6.52e‑05,B为3.63e‑
07,C为2.17e‑09,D为‑5.83e‑11。或者,所述后固定组的衍射表面的方程的衍射系数为:α1
为‑1.72e‑04,α2为‑1.11e‑07;所述第一弯月透镜的衍射表面的方程的衍射系数为:α1为‑
1.35e‑03,α2为5.29e‑06。
一个凸面向物方的弯月硫化锌或者硒化锌正透镜。
变焦行程短且曲线平滑,在全焦范围内具有良好的成像质量。
附图说明
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。其中:
具体实施方式
发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他
实施例,都属于本发明保护的范围。
焦镜头的短焦光路示意图。为了便于说明,图中仅示出了与本发明相关的部分。请参照图1、
图2和图3,本发明实施例的中波红外连续变焦镜头包括从物方到像方同轴依次排列前固定
组110、变焦透镜组120、补偿透镜组130、后固定组140以及二次成像透镜组150,该前固定组
110具有正光焦度,该变焦透镜组120具有负光焦度,该补偿透镜组130具有正光焦度,该后
固定组140具有正光焦度,该二次成像透镜150组具有正光焦度,该变焦透镜组120和/或该
补偿透镜组130可轴向移动实现连续变焦。在光学镜头技术领域中,如何实现移动变焦/调
焦是一个常见的技术,例如该变焦透镜组120和/或该补偿透镜组130可以安置在可滑动或
者滚动的轨道或者装置上,通过步进电机或者其他动力装置实现移动或者运动,因此,关于
此部分,在本说明书中将不做详细说明。
系统的连续变焦,变焦行程短且曲线平滑,在全焦范围内具有良好的成像质量,同时有利于
镜头批量生产。
表面为后表面;规定左方为物方,右方为像方。
汇聚。该前固定组110的像方侧表面为偶次非球面,也就是该弯月正透镜110的后表面112为
偶次非球面,该弯月正透镜110的前表面111为球面。该弯月正透镜110该弯月正透镜110的
材料优选为硅材料,进一步优选为硅晶体材料,方便加工生产以及光学质量稳定。
组120的像方侧表面)为偶次非球面。该双凹负透镜120的移动行程为50.24mm,满足较大范
围变焦之用。该双凹负透镜120的材料为锗材料,进一步优选为锗晶体材料,方便加工生产
以及光学质量稳定。
侧表面)为偶次非球面,后表面132为球面。该双凸正透镜130的移动行程为30.16mm,满足较
大范围变焦之用。该双凸正透镜130的材料优选为硅材料,进一步优选为硅晶体材料,方便
加工生产以及光学质量稳定。
次非球面基底上的衍射表面,后表面142为球面。该前表面141具有基础的偶次非球面和位
于该基础上加工而成的衍射表面,因此,该表面受到偶次非球面方程和衍射方程共同约束。
该弯月正透镜140的材料优选为硫化锌或者硒化锌材料,进一步优选为硫化锌晶体材料或
者硒化锌晶体材料,方便加工生产以及光学质量稳定。
透镜组150设置在该中间像后面。在下面具体描述中,优选在弯月正透镜140后21.29mm处成
该中间像,该二次成像透镜150组设置在该中间像后3.13mm处,这样可以使中波红外连续变
焦镜头结构更为紧凑。
二弯月透镜152均为锗透镜,进一步优选为锗晶体透镜,方便加工生产以及光学质量稳定。
该第一弯月透镜151的前表面1511(也就是物方侧表面)为加工在偶次非球面基底上的衍射
表面(即前表面1511具有基础的偶次非球面和位于该基础上加工而成的衍射表面),其后表
面1512为球面。该第二弯月透镜152的前表面1521(也就是物方侧表面)为偶次非球面,其后
表面1522为球面。该二次成像透镜组150可用于调焦和随温度变化实时补偿焦面漂移,实
现‑40℃~80℃的消热差(实现了‑40℃~80℃的温度范围内,仍能够保持成像清晰度),因
此,本发明实施例的中波红外连续变焦镜头具有良好的消热差能力,也可以称为紧凑型消
热差中波红外连续变焦镜头。
现紧凑型消热差中波红外连续变焦高清晰度成像。
波段为3.4μm~5.0μm,F数恒定为4.0,具备‑40℃~80℃的消热差,满足冷光阑效率100%,
可在焦距29.4mm~470mm的范围内连续变焦,在全焦范围内具有良好的成像质量,可以同时
适配分辨率640×512,像元尺寸15μm和20μm等多种型号的制冷中波红外探测器。
短焦位置在‑40℃和80℃情况下的调制传递函数(Modulation Transfer Function)曲线。
图中横轴表示空间频率,单位:线对每毫米(lp/mm);纵轴表面调制传递函数(MTF)的数值,
所述MTF的数值用来评价镜头的成像质量,取值范围为0到1.0,MTF曲线越高越直表示镜头
成像质量越好,对真实图像的还原能力越强。从图4‑图6可以看出,本发明实施例的镜头各
种焦距下成像能力比较优秀。从图7‑图12可以看出,镜头补偿焦面漂移后,在‑40℃到80℃
的环境下能保证镜头组件在整个成像面上都能清晰成像,满足消热差的要求。
器将该中波红外连续变焦镜头所成像转化为电信号供后续处理,实现智能处理。该成像装
置可以是一种相机,也可以是一种吊舱,还可以是其他一些设备或者装置。
术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。