(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 110703421 A(43)申请公布日 2020.01.17
(21)申请号 201910874039.9(22)申请日 2019.09.17
(71)申请人 长春长光智欧科技有限公司
地址 130000 吉林春市二道区北湖科
技开发区明溪路1759号C301室(72)发明人 王超 曲贺盟 管海军 张新
张继真 谢晓麟 (74)专利代理机构 长春吉大专利代理有限责任
公司 22201
代理人 王淑秋(51)Int.Cl.
G02B 15/16(2006.01)G02B 13/00(2006.01)G02B 13/14(2006.01)
权利要求书2页 说明书6页 附图6页
(54)发明名称
一种变倍比可调紧凑型中波红外连续变焦镜头
(57)摘要
本发明涉及一种变倍比可调紧凑型中波红外连续变焦镜头，该镜头沿光轴依次设置扩束镜组，前固定透镜组，变焦透镜组，补偿透镜组，后固定透镜组，二次成像透镜组；所述的扩束镜组由凸面向物侧的第一弯月正透镜和第二弯月正透镜组成；第一弯月正透镜的前表面为球面，后表面为衍射面，第二弯月正透镜的前表面为球面，后表面为非球面。本发明可在焦距21mm～420mm、25mm～500mm、50mm～700mm等焦距的范围内连续变焦，变焦行程短且曲线平滑。
CN 110703421 ACN 110703421 A
权 利 要 求 书
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1.一种变倍比可调紧凑型中波红外连续变焦镜头，沿光轴依次设置前固定透镜组(120)，变焦透镜组(130)，补偿透镜组(140)，后固定透镜组(150)，二次成像透镜组(160)；其特征在于前固定透镜组(120)的前方还同光轴设置扩束镜组(110)；所述的扩束镜组(110)由凸面向物侧的第一弯月正透镜(111)和第二弯月正透镜(112)组成；第一弯月正透镜(111)的前表面为球面，后表面为衍射面，第二弯月正透镜(112)的前表面为球面，后表面为非球面。
2.根据权利要求1所述的变倍比可调紧凑型中波红外连续变焦镜头，其特征在于非球面方程为
式中，Z(h)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表示非球面的曲率半径，k为圆锥系数，A、B、C、D为高次非球面系数；
衍射面方程为：
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φ(h)＝ααα1h+2h+3h+...其中φ(h)为衍射面相位，αααh为透镜表面任一点距光轴的垂直1、2、3……为衍射系数，距离。
3.根据权利要求1所述的变倍比可调紧凑型中波红外连续变焦镜头，其特征在于所述的前固定透镜组(120)为一个凸面向物侧的弯月正透镜；变焦透镜组(130)为一个双凹负透镜；补偿透镜组(140)为一个双凸正透镜；后固定透镜组(150)为一个凸面向物侧的弯月正透镜；二次成像透镜组(160)为凸面向像侧的正透镜。
4.根据权利要求1所述的变倍比可调紧凑型中波红外连续变焦镜头，其特征在于包括前固定透镜组(120)、变焦透镜组(130)、补偿透镜组(140)、后固定透镜组(150)、二次成像透镜组(160)在内的各透镜光学表面类型沿光轴依次为球面、衍射面、球面、非球面、球面、非球面、非球面、球面、非球面、球面、非球面、球面、平面、球面、衍射面。
5.根据权利要求4所述的变倍比可调紧凑型中波红外连续变焦镜头，其特征在于非球面方程为
式中，Z(h)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表示非球面的曲率半径，k为圆锥系数，A、B、C、D为高次非球面系数；
衍射面方程为：
246
φ(h)＝ααα1h+2h+3h+...其中φ(h)为衍射面相位，αααh为透镜表面任一点距光轴的垂直1、2、3……为衍射系数，距离。
6.根据权利要求2所述的变倍比可调紧凑型中波红外连续变焦镜头，其特征在于所述的第一弯月正透镜(111)材质为硅，第二弯月正透镜(112)材质为硫化锌。
7.根据权利要求5所述的变倍比可调紧凑型中波红外连续变焦镜头，其特征在于所述的前固定透镜组(120)的弯月正透镜、变焦透镜组(130)的双凹负透镜、补偿透镜组(140)的
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权 利 要 求 书
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双凸正透镜、后固定透镜组(150)的弯月正透镜和二次成像透镜组(160)的正透镜，采用的材质分别为硅、锗、硅、锗、锗。
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说 明 书
一种变倍比可调紧凑型中波红外连续变焦镜头
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技术领域
[0001]本发明属于红外连续变焦光学系统技术领域，涉及一种变倍比可调紧凑型中波红外连续变焦镜头。
背景技术
[0002]红外连续变焦光学系统的焦距在一定范围内连续改变时，像面稳定并且能保持良好的像质。像面景物的大小连续可变，能达到定焦镜头和多档变焦镜头无法达到的视觉效果，从而实现大视场搜索目标，小视场仔细观察目标的目的。
[0003]目前国内对于中波红外连续变焦光学系统的研究已有文献报道。陈吕吉“紧凑中波红外连续变焦光学系统设计”，针对制冷型320×240凝视焦平面探测器，实现27.5mm～458mm连续变焦(《红外技术》2010，32(10))。对于采用0×512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的“一种中波红外连续变焦镜头”的专利(申请号：201110193499.9)，该发明公开了一种能够应用于0×512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。[0004]综上所述，通常的中波红外变焦镜头的变倍比和焦距范围比较单一；轴向尺寸过长，通常需要通过屏幕反射镜折转光路，空间体积大，难以满足高变倍比、小尺寸的实际使用需求；三组元紧凑型变焦镜头又存在结构复杂等问题。此外，红外镜头所采用的光学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了目前现有红外变焦镜头的适用性和应用范围。[0005]此外，研制变焦比可调的紧凑型消热差中波红外连续变焦镜头是本发明的研究目的。
发明内容
[0006]本发明要解决的技术问题是提供一种变倍比可调紧凑型中波红外连续变焦镜头，该镜头可实现长焦、中焦、短焦范围内的连续变焦。[0007]为了解决上述技术问题，本发明的变倍比可调紧凑型中波红外连续变焦镜头沿光轴依次设置前固定透镜组，变焦透镜组，补偿透镜组，后固定透镜组，二次成像透镜组；其特征在于前固定透镜组的前方还同光轴设置扩束镜组；所述的扩束镜组由凸面向物侧的第一弯月正透镜和第二弯月正透镜组成；第一弯月正透镜的前表面为球面，后表面为衍射面，第二弯月正透镜的前表面为球面，后表面为非球面。
[0008]所述的前固定透镜组为一个凸面向物侧的弯月正透镜；变焦透镜组为一个双凹负
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说 明 书
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透镜；补偿透镜组为一个双凸正透镜；后固定透镜组为一个凸面向物侧的弯月正透镜；二次成像透镜组为凸面向像侧的正透镜。[0009]进一步，包括前固定透镜组、变焦透镜组、补偿透镜组、后固定透镜组、二次成像透镜组在内的各透镜光学表面类型沿光轴依次为球面、衍射面、球面、非球面、球面、非球面、非球面、球面、非球面、球面、非球面、球面、平面、球面、衍射面。[0010]非球面方程为
[0011]
式中，Z(h)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表示非球面的曲率半径，k为圆锥系数，A、B、C、D为高次非球面系数；[0013]衍射面方程为：
246[0014]φ(h)＝ααα1h+2h+3h+...
[0015]其中φ(h)为衍射面相位，αααh为透镜表面任一点距光轴的1、2、3……为衍射系数，垂直距离。
[0016]入射光线依次经扩束镜组、前固定透镜组变焦透镜组、补偿透镜组、后固定透镜组、二次成像透镜组成像在探测器的二次像面上。[0017]所述的第一弯月正透镜材质为硅，第二弯月正透镜材质为硫化锌。[0018]所述的前固定透镜组的弯月正透镜、变焦透镜组的双凹负透镜、补偿透镜组的双凸正透镜、后固定透镜组的弯月正透镜和二次成像透镜组的正透镜，采用的材质分别为硅、锗、硅、锗、锗。
[0019]设各透镜光学表面的表面序号沿光轴依次为1、2、……15，各光学表面类型及结构参数见表1，各非球面的高次非球面系数见表2，衍射面的衍射系数见表3；[0020]表1本发明实施例的各光学表面类型、结构参数及透镜材质：
[0012]
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[0021]
[0022]
表2给出的是实施例中非球面系数：
[0023]
[0024][0025]
表3给出的是实施例中衍射面系数：
[0026]
本发明工作波段为3.4μm～5.0μm，满足冷光阑效率100％，F数恒定为4.0，可在焦
距21mm～420mm、25mm～500mm、50mm～700mm等焦距的范围内连续变焦，在全焦范围内具有良好的成像质量，可以同时适配分辨率0×512，像元尺寸15μm和20μm等多种型号的制冷中波红外探测器。本发明只需更换前端扩束镜组即可以满足不同焦距范围和不同变倍比的需求，变焦行程短且曲线平滑。二次成像透镜组用于调焦和随温度变化实时补偿焦面漂移，能够实现-40℃～80℃的消热差。经过光学设计软件CODEV和ZEMAX模拟仿真表明本发明的技术方案实用有效。
[0027]
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附图说明
[0028]下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。[0029]图1是本发明的420mm长焦光路图。[0030]图2是本发明的210mm中焦光路。[0031]图3本发明的21mm短焦光路图。
[0032]图4是80℃时420mm光学传递函数图。[0033]图5是80℃时210mm光学传递函数图。[0034]图6是80℃时21mm光学传递函数图。[0035]图7是20℃时420mm光学传递函数图。[0036]图8是20℃时210mm光学传递函数图。[0037]图9是20℃时21mm光学传递函数图。[0038]图10是-40℃时420mm光学传递函数图。[0039]图11是-40℃时210mm光学传递函数图。[0040]图12是-40℃时21mm光学传递函数图。[0041]图中110.扩束镜组，111.第一弯月正透镜，112.第二弯月正透镜，120.前固定透镜组，130.变焦透镜组，140.补偿透镜组，150.后固定透镜组，155.一次像面，160.二次成像透镜组，170.探测器，171.探测器保护窗，172.冷阑，二次像面173。具体实施方式[0042]如图1、2、3所示，本发明的变倍比可调紧凑型中波红外连续变焦镜头沿光轴依次设置扩束镜组110，前固定透镜组120，变焦透镜组130，补偿透镜组140，后固定透镜组150，二次成像透镜组160；所述的扩束镜组110由凸面向物侧的第一弯月正透镜111和第二弯月正透镜112组成；第一弯月正透镜111的前表面为球面，后表面为衍射面，第二弯月正透镜112的前表面为球面，后表面为非球面；前固定透镜组120为一个凸面向物侧的弯月正透镜，其前表面为球面，后表面为非球面；变焦透镜组130为一个双凹负透镜，其前表面为非球面，后表面为球面；补偿透镜组140为一个双凸正透镜，其前表面为非球面，后表面为球面；后固定透镜组150为一个凸面向物侧的弯月正透镜，其前表面为非球面，后表面为球面；二次成像透镜组160为凸面向像侧的正透镜，其前表面为球面，后表面为衍射面。探测器170设置在二次成像透镜组160的后方。[0043]其中非球面的方程为
[0044][0045]
式中，Z(h)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表示非球面的曲率半径，k为圆锥系数(这里取0)，A、B、C、D为高次非球面系数。[0046]两个衍射面即满足上述非球面方程，同时也满足下述衍射面方程：
246[0047]φ(h)＝ααα1h+2h+3h+...
[0048]其中φ(h)为衍射面相位，αααh为透镜表面任一点距光轴的1、2、3……为衍射系数，垂直距离。
[0049]设各透镜光学表面的表面序号沿光轴依次为1、2、……15，各光学表面类型、结构
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参数及透镜材质见表1，各非球面的高次非球面系数见表2，衍射面的衍射系数见表3，有效焦距、F/#、视场角及可变间距T1、T2、T3参数见表4。[0050]表1本发明实施例的各光学表面类型、结构参数及透镜材质：
[0051]
[0052]
表2本发明实施例的各非球面的高次非球面系数：
[0053]
[0054][0055]
表3衍射面的衍射面系数：
[0056][0057][0058]
注：αα3＝0、4＝0……。
表4有效焦距、F/#、视场角及可变间距T1、T2、T3
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图4-图12是本发明的优选实施例长焦、中焦和短焦位置在80℃、20℃和-40℃情况
下的调制传递函数(Modulation Transfer Function)曲线。图中横轴表示探测器空间采样频率，单位：线对每毫米(lp/mm)；纵轴表示调制传递函数(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。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。
[0061]本发明通过更换前端扩束镜组可以满足不同焦距范围和不同变倍比的需求，变焦行程短且曲线平滑。二次成像透镜组用于调焦和随温度变化实时补偿焦面漂移，能够实现-40℃～80℃的消热差，具体见图4～图12。本发明工作波段为3.4μm～5.0μm，满足冷光阑效率100％，F数恒定为4.0，可在焦距21mm～420mm、25mm～500mm、50mm～700mm等焦距的范围内连续变焦，在全焦范围内具有良好的成像质量，可以同时适配分辨率0×512，像元尺寸15μm和20μm等多种型号的制冷中波红外探测器。
[0062]经过光学设计软件CODEV和ZEMAX模拟仿真表明该方案实用有效。采用折射式光学系统形式，在小变倍比红外光学系统前增加扩束镜的方案，只需更换扩束镜就可以满足不同变焦范围和不同变倍比的。
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