一种F22.5-45MM双视场红外调焦镜头的制作方法

一种f22.5-45mm双视场红外调焦镜头
技术领域
1.本发明属于光学镜头技术领域，涉及一种f22.5-45mm双视场红外调焦镜头。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，红外成像技术已广泛应用在国防、工业、医疗等领域。红外探测具有一定的穿透烟、雾、霾、雪等能力以及识别伪装的能力，不受强光、闪光干扰而致盲，可以实现远距离，全天候观察，尤其适用于夜间及不良气象条件下的目标探测。红外调焦镜头能够对焦距进行调节，以满足探测器的成像需要，故应用较为广泛。
3.在复杂环境下，焦距会受多种因素影响，进而导致成像不清晰，影响探测器的正常工作。例如，温度不仅会对光学材料的折射率造成影响也会对镜筒材料造成热胀冷缩，致使光焦度变化和最佳像面发生偏移，降低光学成像质量，图像模糊不清，对比度下降，最终影响镜头的成像性能。这就使得需要对温度进行补偿，温度补偿的方式通常采用光学补偿方式或机械补偿方式。
4.光学系统设计中，连续变焦系统虽然可实现在变焦过程中持续对目标进行清晰成像，但系统结构复杂、加工和装配难度较大，导致系统透过率和成像质量下降，影响成像效果。另外，当系统用于测量时，视轴晃动会导致系统测量误差变大。而双视场光学系统结构简单，兼具短焦距视场的覆盖率广，长焦距视场分辨率高的特点，两者协同可实现对目标的大视场搜索以及小视场跟踪与测量。
5.在双视场光学系统结构设计中，通常镜片数量多，体积大，成本高，并且为了进一步补偿温度和距离的影响，除了设置用于视场切换的调节镜片，还需额外设置用于温度及距离补偿的调节镜片，如此进一步使得双视场光学系统结构复杂。
6.zemax：光学设计软件。


技术实现要素：

7.为解决现有技术中上述问题，本发明提出了一种f22.5-45mm双视场红外调焦镜头，本发明的调焦镜头能满足f22.5-45mm大小视场的切换，同时结构简洁、调节方便，体积小、成本低。具体技术方案如下。
8.提供一种f22.5-45mm双视场红外调焦镜头，所述镜头的光学系统包括沿光轴传输方向从前至后依次设置的前固定组、视场切换镜、后固定组；所述前固定组包括凸面朝向物方的弯月正透镜a；所述视场切换镜包括双凹透镜b；所述后固定组包括沿光轴传输方向依次设置的双凸透镜c和凸面朝向像方的弯月正透镜d；所述视场切换镜可沿光轴传输方向前后移动。
9.优选地，透镜a的中心厚度为5mm，物侧面拟合曲率半径为75mm，像侧面拟合曲率半径为13.8mm；所述双凹透镜b的中心厚度为2.2mm，物侧面拟合曲率半径为-131mm，像侧面拟合曲率半径为119mm；所述双凸透镜c的中心厚度为4.5mm，物侧面拟合曲率半径为218mm，像侧面拟合曲率半径为-207.884mm；所述弯月正透镜d的中心厚度为4.5mm，物侧面拟合曲率
半径为-383mm，像侧面拟合曲率半径为-95.22mm。
10.优选地，所述弯月正透镜a与双凹透镜b之间的空气间隔调节范围为15mm-27.3mm；所述双凹透镜b与双凸透镜c之间的空气间隔调节范围为18.7mm-31mm；所述双凸透镜c与弯月正透镜d之间的空气间隔为22.65mm。
11.优选地，所述前固定组、视场切换镜、后固定组中的每个透镜均至少有一个面为非球面。
12.优选地，所述弯月正透镜a的像侧面、双凹透镜b的物侧面和像侧面、双凸透镜c的物侧面、弯月正透镜d的物侧面为非球面，并满足非球面公式：其中，z为非球面沿光轴方向在高度r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c=1/r；r为镜面的近轴曲率拟合半径；k为圆锥系数；a，b，c，d，e为高次非球面系数。
13.优选地，所述双凸透镜c的物侧面为衍射面，所述衍射面在zemax中的表达方程为：其中，m为衍射次序；b1、b2、b3为衍射面位相系数，b1=-11.27，b2=0.77，b3=-1.39；衍射级次为1 ；归化半径r 为21。
14.优选地，所述弯月正透镜a、双凹透镜b、双凸透镜c、弯月正透镜d的材质均为锗单晶。
15.优选地，所述镜头的机械结构包括主镜筒、转筒、移动镜筒、倍镜组筒以及驱动转筒转动的驱动件；所述转筒套设于主镜筒的外周面，所述移动镜筒置于所述主镜筒内、并与所述主镜筒沿轴向滑动连接，所述倍镜组筒套设于移动镜筒内，并与主镜筒固定连接；所述移动镜筒通过连接件随转筒转动而沿轴向运动；所述弯月正透镜a设置在主镜筒的内腔前部，所述双凹透镜b设置在移动镜筒内，所述双凸透镜c与弯月正透镜d设置在倍镜组筒内。
16.优选地，所述连接件为销钉，所述销钉设置在移动镜筒的外周面，所述主镜筒和所述转筒的侧壁分别设有能够容纳所述销钉穿过的直滑道和螺旋滑道；所述转筒的外周面设有第一齿轮，所述驱动件的驱动轴设有与所述第一齿轮相啮合的第二齿轮；在所述驱动件的作用下所述第二齿轮通过所述第一齿轮带动所述转筒转动，并在所述直滑道和所述螺旋滑道的作用下通过所述销钉带动所述移动镜筒在所述主镜筒内沿轴向移动。
17.优选地，在所述弯月正透镜a的物侧，所述主镜筒的内周面设有第一压圈，弯月正透镜a与主镜筒之间设有第一o型圈；在所述双凹透镜b的物侧，所述移动镜筒与双凹透镜b之间设有第二压圈；在所述双凸透镜c的物侧，所述倍镜组筒与双凸透镜之间设有第三压圈；在所述弯月正透镜d的像侧，所述倍镜组筒与弯月正透镜d之间设有第四压圈。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果为：（1）本发明提供的f22.5-45mm双视场红外调焦镜头的为焦距为22.5mm-45mm的双视场切换提供了一种新的方案，可匹配像元数为640x512，像元大小12μm的探测器。
19.（2）光学镜头结构简洁、紧凑、镜片数量少、像面稳定性好。
20.（3）本发明结合了光学无热化补偿方式与机械调焦补偿方式，实现了仅调节一块镜片的方式，就能完成对温度补偿和距离的调焦，同时完成双视场的切换。
21.（4）在工作温度为-40℃至60℃，均具有良好的成像效果。
22.（5）视场切换方便，平稳、快捷。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为实施例1中f22.5-45mm双视场红外调焦镜头的镜头剖面图；图2为实施例1中f22.5-45mm双视场红外调焦镜头的镜头外观图；图3为实施例1中f22.5-45mm双视场红外调焦镜头的镜头组成图。
25.附图标记：1、主镜筒；2、弯月透镜正a；3、第一压圈；4、第二o型圈；5、第一o型圈；6、第二压圈；7、垫圈；8、双凹透镜b；9、第二压圈；10、双凸透镜c；11、销钉衬套；12、销钉；13、转筒；14、倍镜组筒；15、弯月正透镜d；16、第三压圈；17、机架；18、接口；19、驱动件；20、第二齿轮；21、保护用锗窗口；22、fpa；23、移动镜筒；24、螺旋滑道；25、第一齿轮。
具体实施方式
26.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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性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。
27.本实施例提供一种f22.5-45mm双视场红外调焦镜头。如图1至图3所示，镜头的光学系统由沿光轴传输方向从前至后依次设置的前固定组、视场切换镜、后固定组组成；前固定组包括凸面朝向物方的弯月正透镜a2；视场切换镜包括双凹透镜b8；后固定组包括沿光轴传输方向依次设置的双凸透镜c10和凸面朝向像方的弯月正透镜d15。其中，双凹透镜b8可沿光轴传输方向前后移动。
28.镜头的机械结构包括主镜筒1、转筒13、移动镜筒23、倍镜组筒14以及驱动转筒13转动的驱动件19。
29.具体地，转筒13套设于主镜筒1的外周面，移动镜筒23置于主镜筒1内、并与主镜筒1沿轴向滑动连接，倍镜组筒14套设于移动镜筒23内，并与主镜筒1固定连接；移动镜筒23通过连接件随转筒13转动而沿轴向运动；弯月正透镜a2设置在主镜筒1的内腔前部，双凹透镜b8设置在移动镜筒23内，双凸透镜c10与弯月正透镜d15设置在倍镜组筒14内。
30.作为一种具体实施方式，连接件为销钉12，主镜筒1和转筒13的侧壁分别设有能够容纳销钉12穿过的直滑道和螺旋滑道24；销钉12设置在移动镜筒23的外周面，并穿过直滑道和螺旋滑道24。转筒13的外周面设有第一齿轮25，驱动件19的驱动轴设有与第一齿轮25相啮合的第二齿轮20；在驱动件19的作用下第二齿轮20通过第一齿轮25带动转筒13转动，并在直滑道和所述螺旋滑道的作用下通过销钉12带动移动镜筒23在主镜筒1内沿轴向移动。
31.主镜筒1的后部设有接口18，与探测器连接。主镜筒1的前端面设有第二o型圈4，用于主镜筒与外界紧密贴合；转筒7与主镜筒之间设有垫片7；销钉12外周面设有销钉衬套11。
32.驱动件19可以为电机，或者其他能够起到带动第二齿轮20转动的电器元件。作为一种具体的实施方式，本实施例中的驱动件19采用电机，电机通过机架17固定在主镜筒1上。
33.在弯月正透镜a2的物侧，主镜筒1的内周面设有第一压圈3，弯月正透镜a2与主镜筒1之间设有第一o型圈5，弯月正透镜a2通过第一压圈3、第一o型圈5进行物侧定位；在弯月正透镜a2的像侧，主镜筒1内周面设有环形凸起，用于弯月正透镜a2的像侧定位。在双凹透镜b8的物侧，移动镜筒1与双凹透镜b8之间设有第二压圈6 ，用于双凹透镜b8的物侧定位；在双凹透镜b8的像侧，移动镜筒23的内周面设有环形凸起，用于双凹透镜b8的像侧定位。在双凸透镜c10的物侧，倍镜组筒14与双凸透镜10之间设有第三压圈9，用于双凸透镜c10的物侧定位；在双凸透镜c10的像侧，倍镜组筒14的内周面设有环形凸起，用于双凸透镜c10的像侧定位。在弯月正透镜d15的像侧，倍镜组筒14与弯月正透镜d15之间设有第四压圈16，用于弯月正透镜d15的像侧定位；在弯月正透镜d15的物侧，倍镜组筒14的内周面设有环形凸起，用于弯月正透镜d15的物侧定位。
34.本实施例的调焦工作原理如下：驱动件19的驱动轴驱动第二齿轮20转动，第二齿轮20带动第一齿轮25转动，第一齿轮25带动转筒13转动，并在直滑道和螺旋滑道24的作用下通过销钉12带动移动镜筒23在主镜筒1内沿轴向移动，双凹透镜8随着移动镜筒23的移动而移动，实现双凹透镜8的移动。
35.光线依次经过弯月正透镜a2、双凹透镜b8、双凸透镜10、弯月正透镜d15，透过保护用锗窗口21，到达探测器焦平面阵列fpa22。
36.本实施例的镜头结构设计，确保了镜筒的同心度和精准度，以及调焦过程的平稳度，调焦操作方便。整体结构仅采用四块镜片，结构简洁，成本低。
37.作为一种具体的实施方式，各镜片的具体参数如表1至表2所示。
38.本实施例中的弯月正透镜a2的中心厚度为5mm，物侧面拟合曲率半径为75mm，像侧面拟合曲率半径为13.8mm；双凹透镜b8的中心厚度为2.2mm，物侧面拟合曲率半径为-131mm，像侧面拟合曲率半径为119mm；双凸透镜c10的中心厚度为4.5mm，物侧面拟合曲率半径为218mm，像侧面拟合曲率半径为-207.88mm；弯月正透镜d15的中心厚度为4.5mm，物侧面拟合曲率半径为-383mm，像侧面拟合曲率半径为-95.22mm。
39.在进行温度及距离补偿、双视场切换时，弯月正透镜a2与双凹透镜b8之间的空气间隔调节范围为15mm-27.3mm，双凹透镜b8与双凸透镜c10之间的空气间隔调节范围为18.7mm-31mm。双凸透镜c10与弯月正透镜d15之间的空气间隔为22.65mm。
40.调节双凹透镜b8进行大小视场的切换。其中，系统的焦距为22.5mm时，视场范围为15.55
°
x19.37
°
。系统的焦距为45mm时，视场范围为7.81
°
x9.75
°
。
41.弯月正透镜a2、双凹透镜b8、双凸透镜c10、弯月正透镜d15的材质均为锗单晶。
42.可以理解的是，沿光轴方向从左至右，左侧为物侧，右侧为像侧，如弯月正透镜a2的s1面为物侧面，s2面为像侧面。相应地，物侧面方向为物方，像侧面方向为像方。此处不再赘述。
43.表1各镜片参数
表2 非球面系数数据如表3所示，弯月正透镜a的像侧面s2、双凹透镜b的物侧面s3和像侧面s4、双凸透镜c的物侧面s5、弯月正透镜d的物侧面s7为非球面，并满足下列表达式：式中：z为非球面沿光轴方向在高度r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c=1/r；r为镜面的近轴曲率拟合半径；k为圆锥系数；a，b，c，d，e为高次非球面系数。
44.其中，双凸透镜c10的物侧面s5为衍射面，衍射面在zemax中的表达方程为：其中，m为衍射次序；b1、b2、b3为衍射面位相系数，b1=-11.27，b2=0.77，b3=-1.39；衍射级次为1 ；归化半径r 为21。
45.本实施例提供的镜头，达到了以下光学指标。
46.工作波段：8μm-12μm；探测器的类型：1280
×
1024，12μm；焦距：22.5/45mm；
f数：0.8；工作温度：-40℃-60℃；最大畸变小于3%；水平视场角：19.37
°
/9.75
°
，竖直视场角：15.55
°
/7.81
°
。
47.本发明光学镜头结构简洁、紧凑、镜片数量少、像面稳定性好；结合了光学无热化补偿方式与机械调焦补偿方式，实现了仅调节一块镜片的方式，就能完成对温度补偿和距离的调焦，同时完成双视场的切换；在工作温度为-40℃至60℃，均具有良好的成像效果；视场切换方便，平稳、快捷。
48.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护之内。