CN109116530B - 一种短波红外光学无热化连续变焦镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种短波红外光学无热化连续变焦镜头，所述镜头的光学系统包括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、光焦度为正的后固定组E，所述前固定组A包括正弯月透镜A‑1、负弯月透镜A‑2与正弯月透镜A‑3密接的第一胶合组；所述变倍组B包括双凹透镜B‑1、正弯月透镜B‑2与双凹透镜B‑3密接的第二胶合组；所述补偿组C包括双凸透镜C‑1、负弯月透镜C‑2与正弯月透镜C‑3密接的第三胶合组；所述后固定组E包括正弯月透镜E‑1、负弯月透镜E‑2和双凸透镜E‑3。本发明镜头实现最速变焦，使得导程小、光学总长短，系统体积小巧，具有较宽的工作温度范围，不需要经常重复聚焦。
Description
技术领域
本发明涉及一种短波红外光学无热化连续变焦镜。
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。但目前短波红外镜头开发应用时间还比较短，普遍存在分辨率不高的缺点，大部分只能满足像元大小为15um的短波红外探测器使用需求，且基本为定焦镜头，难以同时满足全景搜索与小区域放大观察的需求，因此开发连续变焦的短波红外镜头非常有必要。同时，为使镜头能适应不同温度环境，不需要经常重复聚焦，简化结构，有必要实现光学被动式无热化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种结构紧凑，体积小的短波红外光学无热化连续变焦镜，具有较宽的工作温度范围。
本发明采用以下方案实现：一种短波红外光学无热化连续变焦镜头，述镜头的光学系统包括沿光线自前向后入射方向依次设置的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、光焦度为正的后固定组E，所述前固定组A包括正弯月透镜A-1、负弯月透镜A-2与正弯月透镜A-3密接的第一胶合组；所述变倍组B包括双凹透镜B-1、正弯月透镜B-2与双凹透镜B-3密接的第二胶合组；所述补偿组C包括双凸透镜C-1、负弯月透镜C-2与正弯月透镜C-3密接的第三胶合组；所述后固定组E包括正弯月透镜E-1、负弯月透镜E-2和双凸透镜E-3。
进一步的，所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔为4.16～22.87mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为2.78～34.16mm，所述补偿组C与后固定组E之间的空气间隔为2.03～32mm，所述正弯月透镜A-3使用超低色散的N-PK52A材料。
进一步的，所述正弯月透镜A-1和第一胶合组之间的空气间隔为0.74mm，所述双凹透镜B-1和第二胶合组之间的空气间隔为1.21mm，所述双凸透镜C-1和第三胶合组之间的空气间隔为0.1mm，所述正弯月透镜E-1和负弯月透镜E-2之间的空气间隔为0.66mm，所述负弯月透镜E-2和双凸透镜E-3之间的空气间隔为14.78mm。
进一步的，所述正弯月透镜A-1前镜面的曲率半径R1满足关系式：42.3mm≤R1≤44.987mm，后镜面的曲率半径R2满足关系式：198mm≤R2≤203.471mm，厚度为5.18mm；第一胶合组前镜面的曲率半径R3满足关系式：113.01mm≤R3≤115.214mm，胶合面的曲率半径R4满足关系式：23.8mm≤R4≤24.021mm，后镜面的曲率半径R5满足关系式：485mm≤R5≤512.2mm，负弯月透镜A-2厚度为1.95mm，正弯月透镜A-3厚度为8.83mm；双凹透镜B-1前镜面的曲率半径R6满足关系式：-79.45mm≤R6≤-77.232mm，后镜面的曲率半径R7满足关系式69.1mm≤R7≤70.232mm，厚度为1.1mm；第二胶合组前镜面的曲率半径R8满足关系式：-73.213mm≤R8≤-71.25mm，胶合面的曲率半径R9满足关系式：-16.85mm≤R9≤-16.452mm，后镜面的曲率半径R10满足关系式：82mm≤R≤84.813mm，正弯月透镜B-2厚度为3.59mm，双凹透镜B-3厚度为1.1mm；双凸透镜C-1前镜面的曲率半径R11满足关系式：47.5mm≤R11≤48.312mm，后镜面的曲率半径R12满足关系式：-135.2mm≤R12≤-132.2mm，厚度为2.08mm；第三胶合组前镜面的曲率半径R13满足关系式：52mm≤R≤60.23mm，胶合面的曲率半径R14满足关系式：10.89mm≤R14≤11.05mm，后镜面的曲率半径R15满足关系式：420mm≤R15≤99999999mm，负弯月透镜C-2厚度为0.95mm，正弯月透镜C-3厚度为3.89mm；正弯月透镜E-1前镜面的曲率半径R16满足关系式：10.5mm≤R16≤13.989mm，后镜面的曲率半径R17满足关系式：20.45mm≤R17≤27.89mm，厚度为1.88mm；负弯月透镜E-2前镜面的曲率半径R18满足关系式：30.1mm≤R18≤36.79mm，后镜面的曲率半径R19满足关系式：8.2mm≤R19≤9.35mm，厚度为2.66mm；双凸透镜E-3前镜面的曲率半径R20满足关系式：27mm≤RR20≤28.3mm，后镜面的曲率半径R21满足关系式：-240.1mm≤R20≤-210.01mm，厚度为2.07mm。
进一步的，所述镜头的机械结构包括安装有变倍组B与补偿组C的变倍补偿变焦机构，所述变倍补偿变焦机构包括主镜筒，所述主镜筒的内前端设有安装有变倍组B的变倍组件，所述主镜筒的内后端设有安装有补偿组C的补偿组件，主镜筒前端设有前固定组件，前固定组件包括安装有前固定组A的前组镜筒，主镜筒后端设有后固定组件，后固定组件包括安装有后固定组D的后组镜筒。
进一步的，前组镜筒的前端螺接有压紧双凸透镜A-1的压圈，所述双凸透镜A-1与第一胶合组之间设有AB隔圈；所述变倍组件包括安装有变倍组B的变倍镜座，变倍组件安装于变倍移动座上，所述补偿组件包括安装有补偿组C的补偿镜座，所述补偿组件安装于补偿移动座上，所述变倍组件通过螺纹与变倍移动座相连接，所述补偿组件通过螺纹与补偿移动座相连接，所述主镜筒内套设有变倍凸轮，主镜筒外设置有通过电机齿轮与变倍凸轮啮合传动的变焦电机。
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，极大提高了长焦段的分辨率水平，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；（3）实现了光学被动式无热化设计，在宽温度动态范围下，不需要温度调焦，使得结构简单，并减低产品故障率。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为该发明实施例的光学系统示意图；
图2为该发明实施例中结构总装配图；
图3为该发明实施例中前固定组件的示意图；
图4为该发明实施例中变倍补偿变焦组件端面视图；
图5为该发明实施例中变倍补偿变焦组件剖面图；
图6为该发明实施例中后固定组件的示意图；
图7为该发明实施例长焦时的MTF图；
图8为该发明实施例长焦时在-40℃温度下的MTF图；
图中标号说明：
41-前固定组件； 42-变倍组件；43-凸轮组件；44-补偿组件；45-后固定组件；46-探测器组件；
51-弯月透镜A-1；52-压圈；53-隔圈；54-第一胶合组；55-前组镜筒；
61-变倍组B；62-凸轮盖板；63-变倍移动座；64-主镜筒；65-导杆；66-变倍凸轮；67-补偿移动座；68-补偿组C；69-微动开关架；710-微动开关；611-变倍电位器；612-变倍电位器架；613-电位器齿轮；614-限位块；615-变倍电机架；616-电机齿轮；617-变倍电机；618-微动开关；619-微动开关架；
71-后组垫片；72-后组镜筒；73-后轴承座；74-后轴承压圈；75-后轴承压圈；76-探测器调整垫片；77-后组压圈；78-双凸透镜E-3；79-滚动轴承；710-后组隔圈；711-负弯月透镜E-2；712-后组隔圈；713-正弯月透镜E-1。
具体实施方式
如图1~8所示，一种短波红外光学无热化连续变焦镜头，述镜头的光学系统包括沿光线自前向后入射方向依次设置的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、光焦度为正的后固定组E，所述前固定组A包括正弯月透镜A-1、负弯月透镜A-2与正弯月透镜A-3密接的第一胶合组；所述变倍组B包括双凹透镜B-1、正弯月透镜B-2与双凹透镜B-3密接的第二胶合组；所述补偿组C包括双凸透镜C-1、负弯月透镜C-2与正弯月透镜C-3密接的第三胶合组；所述后固定组E包括正弯月透镜E-1、负弯月透镜E-2和双凸透镜E-3。
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4.16～22.87mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为2.78～34.16mm，所述补偿组C与后固定组E之间的空气间隔为2.03～32mm，所述正弯月透镜A-3使用超低色散的N-PK52A材料。
在本实施例中，所述正弯月透镜A-1和第一胶合组之间的空气间隔为0.74mm，所述双凹透镜B-1和第二胶合组之间的空气间隔为1.21mm，所述双凸透镜C-1和第三胶合组之间的空气间隔为0.1mm，所述正弯月透镜E-1和负弯月透镜E-2之间的空气间隔为0.66mm，所述负弯月透镜E-2和双凸透镜E-3之间的空气间隔为14.78mm。
在本实施例中，所述正弯月透镜A-1前镜面的曲率半径R1满足关系式：42.3mm≤R1≤44.987mm，后镜面的曲率半径R2满足关系式：198mm≤R2≤203.471mm，厚度为5.18mm，材料为N-LASF31A；第一胶合组前镜面的曲率半径R3满足关系式：113.01mm≤R3≤115.214mm，胶合面的曲率半径R4满足关系式：23.8mm≤R4≤24.021mm，后镜面的曲率半径R5满足关系式：485mm≤R5≤512.2mm，负弯月透镜A-2厚度为1.95mm，材料为LAFN7，正弯月透镜A-3厚度为8.83mm，材料为N-PK52A；双凹透镜B-1前镜面的曲率半径R6满足关系式：-79.45mm≤R6≤-77.232mm，后镜面的曲率半径R7满足关系式69.1mm≤R7≤70.232mm，厚度为1.1mm，材料为N-LAF21；第二胶合组前镜面的曲率半径R8满足关系式：-73.213mm≤R8≤-71.25mm，胶合面的曲率半径R9满足关系式：-16.85mm≤R9≤-16.452mm，后镜面的曲率半径R10满足关系式：82mm≤R≤84.813mm，正弯月透镜B-2厚度为3.59mm，材料为H-ZF75A，双凹透镜B-3厚度为1.1mm，材料为N-LASF31A；双凸透镜C-1前镜面的曲率半径R11满足关系式：47.5mm≤R11≤48.312mm，后镜面的曲率半径R12满足关系式：-135.2mm≤R12≤-132.2mm，厚度为2.08mm，材料为N-LASF31A；第三胶合组前镜面的曲率半径R13满足关系式：52mm≤R≤60.23mm，胶合面的曲率半径R14满足关系式：10.89mm≤R14≤11.05mm，后镜面的曲率半径R15满足关系式：420mm≤R15≤99999999mm，负弯月透镜C-2厚度为0.95mm，材料为H-ZF75A，正弯月透镜C-3厚度为3.89mm，材料为N-LASF31A；正弯月透镜E-1前镜面的曲率半径R16满足关系式：10.5mm≤R16≤13.989mm，后镜面的曲率半径R17满足关系式：20.45mm≤R17≤27.89mm，厚度为1.88mm，材料为N-SF57；负弯月透镜E-2前镜面的曲率半径R18满足关系式：30.1mm≤R18≤36.79mm，后镜面的曲率半径R19满足关系式：8.2mm≤R19≤9.35mm，厚度为2.66mm，材料为N-LASF46A；双凸透镜E-3前镜面的曲率半径R20满足关系式：27mm≤RR20≤28.3mm，后镜面的曲率半径R21满足关系式：-240.1mm≤R20≤-210.01mm，厚度为2.07mm，材料为H-FK61，双凸透镜E-3与成像靶面之间的空气间隔为14.87±0.25mm。
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：28mm～90.5mm；
3、视场角：7.69°～25.69°；
4、相对孔径：D/f′大于1/4；
5、光学传递函数：传递函数空间频率70p/mm时，长焦、短焦时中心MTF≥0.4，在最大视场仍具有良好的成像质量，边缘视场MTF≥0.24，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109.5mm；
7、变焦全程变焦时间为5S；
8、工作温度：-40℃～60℃，实现光学被动式无热化设计，无需温度聚焦。
为实现系统紧凑化，需要尽量缩短光学系统的总长并减小径向尺寸，系统的变倍组和补偿组移动范围尽可能小，因此采用了最速变焦凸轮曲线设计，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，系统体积小巧。
本发明短波红外光学无热化连续变焦镜头：（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，极大提高了长焦段的分辨率水平，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。（3）实现了光学被动式无热化设计，在宽温度动态范围下，不需要温度调焦，使得结构简单，并减低产品故障率。
本镜头采用正组补偿的四组元结构，变倍组前后移动时，补偿组同时移动以保证像面不变，这个过程实现了镜头焦距的变化；通过合理分配四个组元的光焦度，使镜头在较小的长度尺寸下有较长的焦距。在前组使用1片超低色散玻璃，有效地降低了光学镜头二级光谱等像差，使镜头的分辨率显著提高，达到与小像元摄像机适配的目的。
在本实施例中，所述镜头的机械结构包括安装有变倍组B与补偿组C的变倍补偿变焦机构，所述变倍补偿变焦机构包括主镜筒64，所述主镜筒的内前端设有安装有变倍组B的变倍组件42，所述主镜筒的内后端设有安装有补偿组C的补偿组件44，主镜筒前端设有前固定组件41，前固定组件包括安装有前固定组A的前组镜筒55，主镜筒后端设有后固定组件45，后固定组件包括安装有后固定组D的后组镜筒72。
在本实施例中，前组镜筒的前端螺接有压紧双凸透镜A-1的压圈52，所述双凸透镜A-1与第一胶合组之间设有AB隔圈53；所述变倍组件包括安装有变倍组B的变倍镜座，变倍组件安装于变倍移动座63上，所述补偿组件包括安装有补偿组C的补偿镜座，所述补偿组件安装于补偿移动座67上，所述变倍组件通过螺纹与变倍移动座63相连接，所述补偿组件通过螺纹与补偿移动座67相连接，所述变倍移动座、补偿移动座通过与导杆65研磨配合方式分别安装于主镜筒64内。
在本实施例中，所述主镜筒内套设有变倍凸轮，所述变倍凸轮66套于主镜筒64内，通过凸轮盖板62安装于主镜筒64内，所述变倍凸轮66设置有两个均布的变倍曲线槽和补偿曲线槽，所述主镜筒上设置有导钉槽，所述变倍曲线槽通过变倍导钉经变倍直槽与变倍移动座相连接，所述补偿曲线槽通过补偿导钉经补偿直槽与补偿移动座相连接。
在本实施例中，主镜筒64外设置有通过电机齿轮与变倍凸轮啮合传动的变焦电机617，变倍电位器611通过电位器齿轮613与变倍凸轮66啮合，当变焦电机转子作正负旋转运动时，使变倍电位器与变倍凸轮同步旋转，则变倍电位器的阻值发生变化，通过适当的取样电路可以取出变倍电位器的变化值，并传给控制中心，从而实现变焦值的显示。
在本实施例中，镜头的前、后两端各设有支撑作用的滚动轴承，后端的滚动轴承79安装于后轴承座73内，后轴承座上钻有六个M3的螺纹连接孔。
在本实施例中，所述正弯月透镜E1、负弯月透镜E2和双凸透镜E3通过后组压圈77将后固定组E安装于后组镜筒72内，所述正弯月透镜E1与负弯月透镜E2之间设有第一后组隔圈712，所述负弯月透镜E2与双凸透镜E3之间设有第二后组隔圈710，所述后轴承座通过滚动轴承79将后固定组安装于后轴承座内。
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。
Claims (5)
1.一种短波红外光学无热化连续变焦镜头，其特征在于：所述镜头的光学系统包括沿光线自前向后入射方向依次设置的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、光焦度为正的后固定组E，所述前固定组A包括正弯月透镜A-1、负弯月透镜A-2与正弯月透镜A-3密接的第一胶合组；所述变倍组B包括双凹透镜B-1、正弯月透镜B-2与双凹透镜B-3密接的第二胶合组；所述补偿组C包括双凸透镜C-1、负弯月透镜C-2与正弯月透镜C-3密接的第三胶合组；所述后固定组E包括正弯月透镜E-1、负弯月透镜E-2和双凸透镜E-3；所述正弯月透镜A-1和第一胶合组之间的空气间隔为0.74mm，所述双凹透镜B-1和第二胶合组之间的空气间隔为1.21mm，所述双凸透镜C-1和第三胶合组之间的空气间隔为0.1mm，所述正弯月透镜E-1和负弯月透镜E-2之间的空气间隔为0.66mm，所述负弯月透镜E-2和双凸透镜E-3之间的空气间隔为14.78mm。
2.根据权利要求1所述的短波红外光学无热化连续变焦镜头，其特征在于：所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔为4.16～22.87mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为2.78～34.16mm，所述补偿组C与后固定组E之间的空气间隔为2.03～32mm，所述正弯月透镜A-3使用超低色散的N-PK52A材料。
3.根据权利要求1所述的短波红外光学无热化连续变焦镜头，其特征在于：所述正弯月透镜A-1前镜面的曲率半径R1满足关系式：42.3mm≤R1≤44.987mm，后镜面的曲率半径R2满足关系式：198mm≤R2≤203.471mm，厚度为5.18mm；第一胶合组前镜面的曲率半径R3满足关系式：113.01mm≤R3≤115.214mm，胶合面的曲率半径R4满足关系式：23.8mm≤R4≤24.021mm，后镜面的曲率半径R5满足关系式：485mm≤R5≤512.2mm，负弯月透镜A-2厚度为1.95mm，正弯月透镜A-3厚度为8.83mm；双凹透镜B-1前镜面的曲率半径R6满足关系式：-79.45mm≤R6≤-77.232mm，后镜面的曲率半径R7满足关系式69.1mm≤R7≤70.232mm，厚度为1.1mm；第二胶合组前镜面的曲率半径R8满足关系式：-73.213mm≤R8≤-71.25mm，胶合面的曲率半径R9满足关系式：-16.85mm≤R9≤-16.452mm，后镜面的曲率半径R10满足关系式：82mm≤R≤84.813mm，正弯月透镜B-2厚度为3.59mm，双凹透镜B-3厚度为1.1mm；双凸透镜C-1前镜面的曲率半径R11满足关系式：47.5mm≤R11≤48.312mm，后镜面的曲率半径R12满足关系式：-135.2mm≤R12≤-132.2mm，厚度为2.08mm；第三胶合组前镜面的曲率半径R13满足关系式：52mm≤R≤60.23mm，胶合面的曲率半径R14满足关系式：10.89mm≤R14≤11.05mm，后镜面的曲率半径R15满足关系式：420mm≤R15≤99999999mm，负弯月透镜C-2厚度为0.95mm，正弯月透镜C-3厚度为3.89mm；正弯月透镜E-1前镜面的曲率半径R16满足关系式：10.5mm≤R16≤13.989mm，后镜面的曲率半径R17满足关系式：20.45mm≤R17≤27.89mm，厚度为1.88mm；负弯月透镜E-2前镜面的曲率半径R18满足关系式：30.1mm≤R18≤36.79mm，后镜面的曲率半径R19满足关系式：8.2mm≤R19≤9.35mm，厚度为2.66mm；双凸透镜E-3前镜面的曲率半径R20满足关系式：27mm≤R20≤28.3mm，后镜面的曲率半径R21满足关系式：-240.1mm≤R21 ≤-210.01mm，厚度为2.07mm。
4.根据权利要求1所述的短波红外光学无热化连续变焦镜头，其特征在于：所述镜头的机械结构包括安装有变倍组B与补偿组C的变倍补偿变焦机构，所述变倍补偿变焦机构包括主镜筒，所述主镜筒的内前端设有安装有变倍组B的变倍组件，所述主镜筒的内后端设有安装有补偿组C的补偿组件，主镜筒前端设有前固定组件，前固定组件包括安装有前固定组A的前组镜筒，主镜筒后端设有后固定组件，后固定组件包括安装有后固定组D的后组镜筒。
5.根据权利要求4所述的短波红外光学无热化连续变焦镜头，其特征在于：前组镜筒的前端螺接有压紧双凸透镜A-1的压圈，所述双凸透镜A-1与第一胶合组之间设有AB隔圈；所述变倍组件包括安装有变倍组B的变倍镜座，变倍组件安装于变倍移动座上，所述补偿组件包括安装有补偿组C的补偿镜座，所述补偿组件安装于补偿移动座上，所述变倍组件通过螺纹与变倍移动座相连接，所述补偿组件通过螺纹与补偿移动座相连接，所述主镜筒内套设有变倍凸轮，主镜筒外设置有通过电机齿轮与变倍凸轮啮合传动的变焦电机。
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