一种光学被动式消热差长焦距短波红外连续变焦镜头的制作方法

本发明涉及一种光学被动式消热差长焦距短波红外连续变焦镜头，适用于识别伪装、火灾扑救、发现矿藏、监控目标等摄像领域。

背景技术：

短波红外相比于可见光，具有更加优异的透雾能力，可以大大提升火灾烟雾环境下的能见度；对高温物体敏感，可以比长波红外更精准确定着火点；短波红外对水分敏感，可用于暴雨预警、检测、龙卷风观测等。在恶劣天气低能见度条件下，其成像类似于可见光图像，比热成像有更好的细节分辨和解析能力。近红外波段对绿色植物的反射光谱与伪装涂料的差异非常大，常规的伪装对近红外成像系统没有任何意义，可作为发现伪装的安全防御新手段。因此，短波红外镜头的研发非常必要。

但目前连续变焦的短波红外镜头开发应用时间还比较短，焦距一般不长，约在200mm以下；长焦短波红外镜头一般为定焦镜头，不能兼顾大视场监控需求；当焦距较长时，由于需要超低色散材料校正二级光谱像差，往往对温度敏感，外界工作环境复杂时，需要频繁温度聚焦，影响使用效果，当目标运行速度较快且需要持续跟踪时，还有可能丢失目标，造成跟踪任务失败。

技术实现要素：

本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种结构简单的光学被动式消热差长焦距短波红外连续变焦镜头。

本发明的技术方案是，一种光学被动式消热差长焦距短波红外连续变焦镜头，所述镜头的光学系统中沿光线从左向右入射方向依次设有光焦度为正的前固定组a、光焦度为负的变倍组b、光焦度为正的补偿组c、光阑d、光焦度为负的后固定组e；所述前固定组a包括正弯月透镜a1、负弯月透镜a2与正弯月透镜a3密接的第一胶合组、负弯月透镜a4与正弯月透镜a5密接的第二胶合组；所述变倍组b包括平凹透镜b1、双凹透镜b2与双凸透镜b3密接的第三胶合组；所述补偿组c包括双凸透镜c1、负弯月透镜c2与双凸透镜c3密接的第四胶合组、正弯月透镜c4；所述后固定组e包括双凹透镜e1、正弯月透镜e2、负弯月透镜e3、正弯月透镜e4。

进一步的，所述前固定组a与变倍组b之间的空气间隔为82.64～148.07mm，所述变倍组b与补偿组c之间的空气间隔为103.85～2.12mm，所述补偿组c与后固定组e之间的空气间隔为4.7～41.0mm。

进一步的，所述正弯月透镜a1和第一胶合组之间的空气间隔为2.96mm，所述第一胶合组和第二胶合组之间的空气间隔为12.58mm，两个胶合面均具有负折射力，均弯向像面侧，其中第二个胶合面折射率之差为0.35，具有良好的消色差能力，同时起到与前固定组a其它镜片配合消热差的作用。

进一步的，所述平凹透镜b1和第三胶合组之间的空气间隔为3.83mm，该胶合面具有正折射力，胶合面两边镜片材料折射率之差为0.07，胶合面弯向像面侧，具有平衡不同焦距段色差的作用。

进一步的，所述双凸透镜c1和第四胶合组之间的空气间隔为0.12mm，所述第四胶合组和正弯月透镜c4之间的空气间隔为0.1mm，该胶合面具有负折射力，胶合面两边镜片材料折射率之差为0.35，胶合面弯向像面侧，具有校正短焦二级光谱像差的作用，同时起到与补偿组其它镜片配合，对短焦位置消色差、消热差的作用。

进一步的，所述双凹透镜e1和正弯月透镜e2之间的空气间隔为0.42mm，所述正弯月透镜e2和负弯月透镜e3之间的空气间隔为53.58mm，所述负弯月透镜e3和正弯月透镜e4之间的空气间隔为11.74mm。

进一步的，所述前固定组a具备至少两个负折射力的胶合面，且至少一个满足：胶合面两边分别为具有负光焦度的负透镜、具有正光焦度的正透镜，且折射率之差大于0.3，胶合面弯向像面侧。

进一步的，所述变倍组b具备至少一个正折射力的胶合面，且满足：胶合面两边镜片材料折射率之差大于0.05、小于0.1，胶合面弯向像面侧。

进一步的，所述补偿组c至少具备三个具有正光焦度的透镜、至少一个具有负光焦度的透镜，且该负透镜与其中一个正透镜胶合，其折射率之差大于0.3，胶合面具有负折射力，并弯向像面侧。

进一步的，所述后固定组e光焦度为负，且具有一个以上具有负光焦度的透镜。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）采用正组补偿结构，使得前组光焦度较小，降低二级光谱像差，并使用超低色散材料，极大提高了长焦端的分辨率水平，使焦距最长可以做到510mm，可以满足7um像元尺寸的短波红外相机使用需求。（2）连续变焦，同时满足大区域全景搜索与小区域放大观察的需求，短焦焦距为73.5mm。（3）光学总长短，仅365mm，光学总长与最长焦距比为0.72，具有结构紧凑的优点。（4）实现了变焦全程光学被动式消热差设计，在宽温度动态范围下，不需要温度调焦，使得结构简单。由于不需要温度聚焦，可以确保长焦瞄准光轴的稳定性。

附图说明

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

图1为该发明实施例的光学系统示意图；

图2为该发明实施例长焦时的mtf图；

图3为该发明实施例长焦时在-40℃温度下的mtf图；

图4为该发明实施例长焦时在+60℃温度下的mtf图；

图5为该发明实施例短焦时的mtf图；

图6为该发明实施例短焦时在-40℃温度下的mtf图；

图7为该发明实施例短焦时在+60℃温度下的mtf图；

图中：a前固定组a、b变倍组b、c补偿组c、d光阑d、e后固定组e、a1正弯月透镜a1、a2负弯月透镜a2、a3正弯月透镜a3、a4负弯月透镜a4、a5正弯月透镜a5、b1平凹透镜b1、b2双凹透镜b2、b3双凸透镜b3、c1双凸透镜c1、c2负弯月透镜c2、c3双凸透镜c3、c4正弯月透镜c4、e1双凹透镜e1、e2正弯月透镜e2、e3负弯月透镜e3、e4正弯月透镜e4。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1～7所示，一种光学被动式消热差长焦距短波红外连续变焦镜头，所述镜头的光学系统中沿光线从左向右入射方向依次设有光焦度为正的前固定组a、光焦度为负的变倍组b、光焦度为正的补偿组c、光阑d、光焦度为负的后固定组e；所述前固定组a包括正弯月透镜a1、负弯月透镜a2与正弯月透镜a3密接的第一胶合组、负弯月透镜a4与正弯月透镜a5密接的第二胶合组；所述变倍组b包括平凹透镜b1、双凹透镜b2与双凸透镜b3密接的第三胶合组；所述补偿组c包括双凸透镜c1、负弯月透镜c2与双凸透镜c3密接的第四胶合组、正弯月透镜c4；所述后固定组e包括双凹透镜e1、正弯月透镜e2、负弯月透镜e3、正弯月透镜e4；通过改变前固定组a、变倍组b、补偿组c、光阑d之间的间隔，并保持总长度不变，实现焦距的连续变化。从广角端向望远端变焦时，所述变倍组b远离物体侧，所述补偿组c靠近物体侧；通过合理选择玻璃材质，并与镜筒材料配合，具有变焦全程光学被动式消热差能力，在负40摄氏度到正60摄氏度温度范围内，无需温度聚焦；在像面侧设置摄像元件，将光学图像转换为电信号；所述正弯月透镜a5使用超低色散的n-pk52a材料。

在本实施例中，所述前固定组a与变倍组b之间的空气间隔为82.64～148.07mm，所述变倍组b与补偿组c之间的空气间隔为103.85～2.12mm，所述补偿组c与后固定组e之间的空气间隔为4.7～41.0mm。

在本实施例中，所述正弯月透镜a1和第一胶合组之间的空气间隔为2.96mm，所述第一胶合组和第二胶合组之间的空气间隔为12.58mm，两个胶合面均具有负折射力，均弯向像面侧，其中第二个胶合面中，相邻透镜a4、a5材料分别为n-sf57、n-pk52a，折射率之差为0.35，具有良好的消长焦二级光谱像差的作用。同时，由于n-pk52a折射率温度系数为负值，且绝对值较大，与其它正光焦度镜片a1、a3互相补偿温度效应的影响，起到光学被动式消热差的作用。本实施例中，5/9＜（镜片a5焦距值与前固定组a焦距值之比）＜7/9，对本系统技术指标，消热差效果最佳。

在本实施例中，所述平凹透镜b1和第三胶合组之间的空气间隔为3.83mm，该胶合面相邻透镜为b2、b3，材料分别为n-lasf31a、sf59，具有正折射力，折射率之差为0.07，胶合面弯向像面侧，具有平衡不同焦距段色差的作用。

在本实施例中，所述双凸透镜c1和第四胶合组之间的空气间隔为0.12mm，所述第四胶合组和正弯月透镜c4之间的空气间隔为0.1mm，该胶合面相邻透镜为c2、c3，材料分别为sf59、n-pk52a，具有负折射力，折射率之差为0.35，胶合面弯向像面侧，具有校正短焦二级光谱像差的作用，同时起到与补偿组其它镜片配合，对短焦位置消色差、消热差的作用。

在本实施例中，所述双凹透镜e1和正弯月透镜e2之间的空气间隔为0.42mm，所述正弯月透镜e2和负弯月透镜e3之间的空气间隔为53.58mm，所述负弯月透镜e3和正弯月透镜e4之间的空气间隔为11.74mm。

在本实施例中，所述前固定组a具备至少两个负折射力的胶合面，且至少一个满足：胶合面两边分别为具有负光焦度的负透镜、具有正光焦度的正透镜，且折射率之差大于0.3，胶合面弯向像面侧。

在本实施例中，所述变倍组b具备至少一个正折射力的胶合面，且满足：胶合面两边镜片材料折射率之差大于0.05、小于0.1，胶合面弯向像面侧。

在本实施例中，所述补偿组c至少具备三个具有正光焦度的透镜、至少一个具有负光焦度的透镜，且该负透镜与其中一个正透镜胶合，其折射率之差大于0.3，胶合面具有负折射力，并弯向像面侧。

在本实施例中，所述后固定组e光焦度为负，且具有一个以上具有负光焦度的透镜。

在本实施例中，由上述镜片组构成的光学系统达到了如下的光学指标：

1、工作波段：900nm～1700nm；

2、焦距：73.5mm～510mm；

3、视场角：1.37°～9.52°；

4、相对孔径：长焦1/6，短焦1/4.5；

5、光学传递函数：在传递函数空间频率为70p/mm时，长焦、短焦均具有良好的对比度，可与7um像元尺寸的2/3″靶面短波红外摄像机适配。

6、光学总长小于仅365mm；

7、工作温度：-40℃～60℃，实现光学被动式无热化设计，无需温度聚焦。

在本实施例中，本光学镜头系统的实例数据如下表所示：

本发明采用正组补偿变焦结构，因此可以依靠最速变焦凸轮曲线实现紧凑化设计。当变倍组的倍率m2=-1时，补偿组的倍率为m31=m32=-1，在该焦距点位置平滑过渡，实现最速变焦，使得导程小、光学总长短，结构紧凑。

上述胶合面折射率之差，依据实际设计指标，可适当调整。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。