一种中波红外连续变焦镜头及成像装置的制作方法

本发明涉及光学成像技术领域，特别是涉及一种中波红外连续变焦镜头及成像装置。

背景技术：

光学仪器在较大温度范围内使用时，镜筒材料、光学材料的热胀冷缩以及光学材料的温度折射率系数会使镜头光焦度发生变化，产生离焦现象，而镜筒材料的热胀冷缩也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。

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。

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元凝视焦平面探测器，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。

综上所述，通常的中波红外变焦镜头轴向尺寸过长，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。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限制了目前现有红外变焦镜头的适用性和应用范围。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种中波红外连续变焦镜头及成像装置，能够实现镜头结构紧凑且具有中波红外连续变焦的能力。

第一方面提供一种中波红外连续变焦镜头，其中，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。

结合第一方面的实现方式，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；所述第一弯月透镜和第二弯月透镜均为锗透镜。

结合第一方面的实现方式，所述前固定组的像方侧表面为偶次非球面；所述变焦透镜组的像方侧表面为偶次非球面；所述补偿透镜组的物方侧表面为偶次非球面；所述后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。

结合第一方面的实现方式，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：

φ(h)＝α1h²+α2h⁴+…

其中，α1、α2为衍射系数。

结合第一方面的实现方式，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。

结合第一方面的实现方式，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。

结合第一方面的实现方式，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。

结合第一方面的实现方式，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。

第二方面提供一种成像装置，包括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。

结合第二方面的实现方式，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。

本发明的有益效果是：本发明实施例的中波红外连续变焦镜头，结构紧凑，满足冷光阑效率100％；所述变焦透镜组和/或所述补偿透镜组的轴向移动实现系统的连续变焦，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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于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：

图1为本发明实施例的中波红外连续变焦镜头的长焦光路示意图。

图2为本发明实施例的中波红外连续变焦镜头的中焦光路示意图。

图3为本发明实施例的中波红外连续变焦镜头的短焦光路示意图。

图4为本发明实施例的中波红外连续变焦镜头的长焦20℃情况下的mtf曲线图。

图5为本发明实施例的中波红外连续变焦镜头的中焦20℃情况下的mtf曲线图。

图6为本发明实施例的中波红外连续变焦镜头的短焦20℃情况下的mtf曲线图。

图7为本发明实施例的中波红外连续变焦镜头的长焦-40℃情况下的mtf曲线图。

图8为本发明实施例的中波红外连续变焦镜头的长焦80℃情况下的mtf曲线图。

图9为本发明实施例的中波红外连续变焦镜头的中焦-40℃情况下的mtf曲线图。

图10为本发明实施例的中波红外连续变焦镜头的中焦80℃情况下的mtf曲线图。

图11为本发明实施例的中波红外连续变焦镜头的短焦-40℃情况下的mtf曲线图。

图12为本发明实施例的中波红外连续变焦镜头的短焦80℃情况下的mtf曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，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。

图1为本发明实施例的中波红外连续变焦镜头的长焦光路示意图。图2为本发明实施例的中波红外连续变焦镜头的中焦光路示意图。图3为本发明实施例的中波红外连续变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。

本发明实施例的中波红外连续变焦镜头采用五组透镜，结构设计简单、合理，体积非常紧凑，满足冷光阑效率100％，所述变焦透镜组和/或所述补偿透镜组的轴向移动实现系统的连续变焦，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。

本发明描述的透镜组，在本实施例或者其他实施例中，可以是一个透镜，也可以是几个透镜组成的透镜组。根据光路走向，规定图中所有光学元件其左侧表面为前表面，右侧表面为后表面；规定左方为物方，右方为像方。

具体，本实施例优选：

该前固定组110为一个凸面向物方的弯月正透镜110，该前固定组110为固定透镜，也就是该弯月正透镜110在镜头中的位置是固定不动的，中波红外光线经该弯月正透镜110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。

该变焦透镜组120为一个双凹负透镜120，用于改变该中波红外连续变焦镜头的焦距和改变变倍倍率。该双凹负透镜120的前表面121为球面，后表面122(也就是该变焦透镜组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。

该补偿透镜组130为一个双凸正透镜130，用于补偿该中波红外连续变焦镜头在变焦过程中的像面位置的偏移。该双凸正透镜130的前表面131(也就是补偿透镜组130的物方侧表面)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。

该双凹负透镜120与该双凸正透镜130的轴向移动实现该中波红外连续变焦镜头的连续变焦，变焦行程短且曲线平滑。

该后固定组140为一个凸面向物方的弯月正透镜140，该后固定组140也为一固定透镜组。该弯月正透镜140的前表面141(也就是该后固定组140的物方侧表面)为加工在偶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。

中波红外光线经弯月正透镜110、双凹负透镜120、该双凸正透镜130及弯月正透镜140等前四组光学元件聚焦后，在弯月正透镜140后面(即像方)成一个中间像；该二次成像透镜组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。

该二次成像透镜组150包括凸向像方的正光焦度的第二弯月透镜152和位于该第二弯月透镜152像方侧的凸向像方的正光焦度的第一弯月透镜151。第一弯月透镜151和第二弯月透镜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。

本实施例中，镜头一共使用了六个透镜，全部为晶体材料，且该后固定组140和第一弯月透镜151的衍射表面，很好的校正了各项像差，使光学系统具有很好的品质，可以实现紧凑型消热差中波红外连续变焦高清晰度成像。

本发明实施例中涉及的偶次非球面，其方程为：

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。

本发明实施例中涉及的衍射表面，其方程为：

φ(h)＝α1h²+α2h⁴+…

其中，α1、α2为衍射系数。

根据上述方程和球面方程，本发明实施例的参数如下：

表1，本发明实施例的光学结构参数：

表2，本发明实施例的非球面系数(表面序号与表1相同)：

表3，本发明实施例的衍射面系数(表面序号与表1相同)：

本发明实施例的中波红外连续变焦镜头，该镜头为紧凑型具有消热差能力，具体镜头参数请见表4。

表4，镜头参数

本发明实施例一共使用了五组六片透镜，全部为晶体材料，采用二次成像光路设计，合理匹配透镜材料、半径、距离和厚度参数，光学总长仅为171.5mm，结构紧凑，实现工作波段为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。

图4-图6是本发明的优选实施例长焦、中焦和短焦位置20℃情况下的调制传递函数(modulationtransferfunction)曲线，图7-图12是本发明的优选实施例长焦、中焦和短焦位置在-40℃和80℃情况下的调制传递函数(modulationtransferfunction)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。

本发明的另一实施例提供了一种成像装置，该成像装置包括前述的中波红外连续变焦镜头和用于接收该中波红外连续变焦镜头所成像的中波红外探测器。该中波红外探测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。

进一步，优选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，以增加本发明实施例的成像装置的适应性，便于推广应用。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。