一种高变倍比长波红外连续变焦镜头的制作方法

1.本技术涉及光学技术领域，尤其涉及一种高变倍比长波红外连续变焦镜头。


背景技术：

2.随着红外光学技术的快速发展，连续变焦镜头已广泛应用安防监控、搜索跟踪、森林防火等领域，变焦光学系统相比定焦光学系统更具灵活性，可根据应用场景及目标距离选择合适的倍率进行观测，在大范围成像的基础上，同时实现远距离目标搜索与小视场高精度跟踪识别的功能，切换视场过程可保证目标不丢失。近年非制冷红外探测器的发展迅速，相比制冷型探测器具有体积小，成本低，可靠性好等特点，高分辨率，高灵敏度，大尺寸的探测器已为应用趋势，同时对红外镜头尤其是连续变焦镜头的设计提出了更高的性能要求。为适配高分辨率红外探测器，实现切换视场过程保持目标清晰，需要研发一种成像质量好、变倍比高的红外长波连续变焦镜头。


技术实现要素：

3.本技术的目的是针对以上问题，提供一种高变倍比长波红外连续变焦镜头。
4.本技术提供一种高变倍比长波红外连续变焦镜头，所述镜头中设置的镜片由物方到像方依次包括前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、调焦组以及探测器；
5.所述前固定组，包括第一透镜；所述第一透镜具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其两面均为球面；
6.所述变倍组，包括第二透镜；所述第二透镜具有负光焦度，为一片双凹形锗单晶负透镜，其朝向物方的一侧为非球面；所述第二透镜的总移动行程为59.1mm；
7.所述补偿组，包括第三透镜；所述第三透镜具有正光焦度，为一片双凸形锗单晶正透镜，其朝向物方的一侧为衍射面，朝向像方的一侧为非球面；所述第三透镜的总移动行程为41.74mm；
8.所述后固定组，包括第四透镜；所述第四透镜具有负光焦度，为一片凸面朝向像方的弯月形锗单晶正透镜，其凹面为非球面；
9.所述调焦组，包括第五透镜；所述第五透镜具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形锗单晶正透镜，其凹面为非球面；所述第五透镜的总移动行程为4.28mm；
10.所述探测器，为长波非制冷探测器，包括保护窗口和像面。
11.根据本技术某些实施例提供的技术方案，所述镜头满足如下参数：
12.所述镜头的有效焦距efl＝25～225mm，f数＝0.96～1.5，光学系统总长＝ 280mm，适配的探测器分辨率为1280
×
1024，像元大小为12μm。
13.根据本技术某些实施例提供的技术方案，所述镜头的水平视场角范围为：2w＝34.2
°
～3.9
°
。
14.根据本技术某些实施例提供的技术方案，所述镜头的镜片中的非球面满足下列表达式：
[0015][0016]
其中，z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；c表示表面的顶点曲率；k为圆锥系数；α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
[0017]
根据本技术某些实施例提供的技术方案，所述镜头的镜片中的衍射面满足下列表达式：
[0018]
φ＝a1ρ2 a3ρ6[0019]
其中，φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn，rn是衍射面的规划半径，a1、a3为衍射面的位相系数。
[0020]
根据本技术某些实施例提供的技术方案，所述第一透镜靠近物方的表面镀类金刚石碳膜。
[0021]
根据本技术某些实施例提供的技术方案，所述镜头的全视场的平均 mtf》0.3@30lp/mm。
[0022]
与现有技术相比，本技术的有益效果：该长波红外连续变焦镜头，可应用于长波非制冷型分辨率为1280
×
1024、像元尺寸为12μm的凝视型焦平面探测器，其光学系统总长为280mm，最大口径为148mm，拥有9倍变倍比，变倍比高；其变焦曲线平滑，镜片最大移动量为59.1mm，能在较大范围(25mm～225mm)内实现连续变焦，其变倍组和补偿组均只采用一片透镜，在全焦段内变倍组和补偿组运动曲线平滑，可以更好地保证变焦过程中的光轴稳定性，并且在整个变焦范围内成像质量优良，可实现切换视场过程保持目标清晰。
附图说明
[0023]
图1为本技术实施例提供的高变倍比长波红外连续变焦镜头的焦距为 225mm时的光学系统图；
[0024]
图2为本技术实施例提供的高变倍比长波红外连续变焦镜头的焦距为 225mm时的点列图；
[0025]
图3为本技术实施例提供的高变倍比长波红外连续变焦镜头的焦距为 225mm时的光学传递函数图(截止分辨率为30lp/mm)；
[0026]
图4为本技术实施例提供的高变倍比长波红外连续变焦镜头的焦距为 225mm时的场曲畸变图；
[0027]
图5为本技术实施例提供的高变倍比长波红外连续变焦镜头的焦距为 25mm时的光学系统图；
[0028]
图6为本技术实施例提供的高变倍比长波红外连续变焦镜头的焦距为 25mm时的点列图；
[0029]
图7为本技术实施例提供的高变倍比长波红外连续变焦镜头的焦距为 25mm时的光学传递函数图(截止分辨率为30lp/mm)；
[0030]
图8为本技术实施例提供的高变倍比长波红外连续变焦镜头的焦距为 25mm时的场曲畸变图。
[0031]
图中所述文字标注表示为：
[0032]
100-物空间；101-保护窗口；102-像面；
[0033]
l1-第一透镜；l2-第二透镜；l3-第三透镜；l4-第四透镜；l5-第五透镜；
[0034]
s1～s10-透镜的各个表面。
具体实施方式
[0035]
为了使本领域技术人员更好地理解本技术的技术方案，下面结合附图对本技术进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本技术的保护范围有任何的限制作用。
[0036]
本实施例是本技术应用于长波非制冷型分辨率为1280
×
1024、像元尺寸为12μm的凝视型焦平面探测器的例子。
[0037]
图1和图5分别为本技术所提供的高变倍比长波红外连续变焦镜头在焦距225mm和25mm时的光学系统图，所述镜头的结构相同，以其中一个为例来做如下具体说明。
[0038]
如图1所示，本技术提供一种高变倍比长波红外连续变焦镜头，所述镜头中设置的镜片由物方到像方依次包括前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、调焦组以及探测器；所述物方到像方的方向是指从前到后的方向；所述物方即物空间100。
[0039]
所述前固定组，包括第一透镜l1；所述第一透镜l1具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形正透镜，其材料为锗单晶，其两面s1和s2 均为球面；
[0040]
所述变倍组，包括第二透镜l2；所述第二透镜l2具有负光焦度，为一片双凹形负透镜，其材料为锗单晶，其两个表面分别为s3和s4，其中朝向物方的一侧即s3表面为非球面；所述第二透镜l2为移动镜片，起到了变焦过程中变倍的作用，总移动行程为59.1mm；
[0041]
所述补偿组，包括第三透镜l3；所述第三透镜l3具有正光焦度，为一片双凸形正透镜，其材料为锗单晶，其两个表面分别为s5和s6，其中朝向物方的一侧即s5表面为衍射面，朝向像方的一侧即s6表面为非球面；所述第三透镜l3为移动镜片，当变倍组镜片即所述第二透镜l2移动时，所述第三透镜l3做相应地移动从而保证像面位置不变，所述第三透镜l3 的总移动行程为41.74mm；
[0042]
所述后固定组，包括第四透镜l4；所述第四透镜l4具有负光焦度，为一片凸面朝向像方的弯月形正透镜，其材料为锗单晶，其两个表面分别为s7和s8，其中凹面即s7表面为非球面；
[0043]
所述调焦组，包括第五透镜l5；所述第五透镜l5具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形正透镜，其材料为锗单晶，其两个表面分别为 s9和s10，其中凹面即s10表面为非球面；所述第五透镜l5为移动镜片，当目标距离发生改变以及工作温度发生变化时，可以用该镜片重新聚焦，所述第五透镜l5的总移动行程为4.28mm；
[0044]
所述探测器，为长波非制冷探测器，包括保护窗口101和像面102，其分辨率为1280
×
1024，像元大小为12μm
×
12μm。
[0045]
进一步的，所述镜头满足如下参数：所述镜头的有效焦距 efl＝25～225mm，f数＝0.96～1.5，光学系统总长＝280mm，适配的探测器分辨率为1280
×
1024，像元大小为12μm。
[0046]
进一步的，所述镜头的水平视场角范围为：2w＝34.2
°
～3.9
°
。
[0047]
表1为本技术所述高变倍比长波红外连续变焦镜头在焦距225mm和25mm时的光学结构参数：
[0048]
表1
[0049][0050]
进一步的，所述第一透镜l1、所述第二透镜l2、所述第三透镜l3、所述第四透镜l4以及所述第五透镜l5这五片透镜中所提及的非球面，均为偶次非球面，其表达式如下：
[0051][0052]
其中，z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；c表示表面的顶点曲率；k为圆锥系数；α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
[0053]
表2为表面s3、s5、s6、s7以及s9的非球面系数：
[0054]
表2
[0055]
表面4th6th8th10th12ths32.286e-071.420e-11-4.533e-143.311e-17-1.09e-20s5-2.001e-077.438e-10-1.613e-121.634e-015-7.001e-19s6-1.046e-077.105e-10-1.529e-121.533e-15-6.547e-19s76.717e-086.910e-11-1.620e-131.745e-16-6.887e-20s91.450e-07-1.191e-11-1.836e-142.581e-17-1.055e-20
[0056]
进一步的，所述第一透镜l1、所述第二透镜l2、所述第三透镜l3、所述第四透镜l4以及所述第五透镜l5这五片透镜中所提及的衍射面满足下列表达式：
[0057]
φ＝a1ρ2 a3ρ6[0058]
其中，φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn，rn是衍射面的规划半径，a1、a3为衍射面的位相系数。
[0059]
表3为表面s5的衍射系数：
[0060]
表3
[0061]
表面a1a3s5-15.057-0.529
[0062]
进一步的，所述第一透镜l1靠近物方的表面即s1表面镀类金刚石碳膜，因为s1表面外露，需要镀类金刚石碳膜，类金刚石碳膜起保护作用，其余的s2～s10表面均镀增透膜。
[0063]
进一步的，所述镜头的全视场的平均mtf》0.3@30lp/mm。
[0064]
下面参照像差分析图对本技术的效果做进一步详细的描述。
[0065]
图2-图4是图1所述的高变倍比长波红外连续变焦镜头的具体实施例在长焦状态即焦距为225mm时的像差分析图，其中，图2是点列图，图3 是mtf图，图4是场曲畸变图。
[0066]
图6-图8是图5所述的高变倍比长波红外连续变焦镜头的具体实施例在短焦状态即焦距为25mm时的像差分析图，其中，图6是点列图，图7 是mtf图，图8是场曲畸变图。
[0067]
从图中可以发现，各个焦段的各种像差得到了很好的平衡，全视场的平均mtf》0.3@30lp/mm，畸变《7％。
[0068]
本技术实施例提供的高变倍比长波红外连续变焦镜头，可应用于长波非制冷型分辨率为1280
×
1024、像元尺寸为12μm的凝视型焦平面探测器；该高变倍比长波红外连续变焦镜头共采用五片镜片，拥有9倍变倍比，工作波段为8～12μm，f数为0.96～1.5，光学系统总长为280mm，最大口径为148mm，结构紧凑，变焦曲线平滑，镜片最大移动量为59.1mm，能在较大范围(25mm～225mm)内实现连续变焦，并且在整个变焦范围内成像质量优良，可实现切换视场过程保持目标清晰，全视场的平均mtf》0.3@30lp/mm；变倍组和补偿组均只采用一片透镜，在全焦段内变倍组和补偿组运动曲线平滑，可以更好地保证变焦过程中的光轴稳定性。
[0069]
本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。以上所述仅是本技术的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本技术的保护范围。