红外连续变焦系统

技术领域

本发明涉及光学系统技术领域，特别涉及红外连续变焦系统。

背景技术

长波红外非制冷镜头由于其具有在各种恶劣环境下全天候使用的特点以及低成本、低功耗、体积小等特点在民用和军用领域具有很好的发展前景。在很多场合，传统的定焦镜头具有不能满足不同视场下对目标的追踪和观测的局限性，所以需要变焦镜头进行替代。目前的市场的红外变焦镜头的镜片数量多，多使用5片及以上，多片镜片矫像差，装调困难，系统尺寸大，且光阑的口径随着焦距变化而变化，通常需要增加结构来改变光阑口径，对装调、成本及安装体积都有局限性。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种红外连续变焦系统，涉及的镜片数量少，成本低，便于小体积设计，同时采用定光阑设计，减少调节光阑孔径的结构件，且能够保持短焦到长焦的分辨率的一致性。

为实现上述目的，本发明提出一种红外连续变焦系统，包括从物方至像方依次设置的第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜、第四透镜和像面，其中，所述第二透镜和所述第三透镜能够沿光轴方向活动从而实现连续变焦，所述光阑的口径固定。

可选地，所述红外连续变焦系统的光学总长TTL≤70mm。

可选地，所述红外连续变焦系统的F数设置为F≤1。

可选地，所述第一透镜为具有正光焦度的弯月形透镜，其凹面朝向像面；

所述第二透镜为具有负光焦度的双凹透镜；

所述第三透镜为具有正光焦度的弯月形透镜，其凹面朝向像面；

所述第四透镜为具有正光焦度的弯月形透镜，其凹面朝向像面。

可选地，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第四透镜均的材料选择锗玻璃，所述第三透镜的材料选择硫系IRG206玻璃。

可选地，所述第一透镜与所述第二透镜之间的间距为L1，其中，5.9mm≤L1≤16.02mm。

可选地，所述第三透镜与所述第四透镜之间的间距为L3，其中，15.93mm≤L3≤21.34mm。

可选地，所述第三透镜单独沿光轴前后移动可实现全焦段范围内-40℃～80℃的清晰成像。

本发明的技术方案中，采用四个功能透镜，其中边缘的两个为固定透镜，中间的两个为活动透镜，实现10-35mm的连续变焦，其中，所述第二透镜和第三透镜之间设有光阑，且光阑口径是固定的，不会随着焦距的变化而变化，不需要另外做结构件来改变光阑口径，在变焦过程中，所述第二透镜作为变倍组，通过该镜片的移动会促成焦距变化，同时会导致像面移动，造成成像模糊，此时第三透镜作为补偿组作非线性运动来补偿像面位移，使得在整个变焦过程中，始终成像清晰。该镜头体积小，成本低，结构紧凑，适合重量体积要求高的场合，光阑口径大小为定值，不会随着焦距的变化而变化,不仅减少调节光阑孔径的结构件，还能够保持短焦到长焦的分辨率的一致性。图像形变量小短焦畸变小。

附图说明

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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的红外连续变焦系统一实施例(中焦状态)的示意图；

图2为图1中红外连续变焦系统(短焦状态)的示意图；

图3为图1中红外连续变焦系统的短焦MTF曲线图；

图4为图1中红外连续变焦系统的中焦MTF曲线图；

图5为图1中红外连续变焦系统的长焦MTF曲线图；

图6为图1中红外连续变焦系统的短焦畸变图曲线图；

图7为图1中红外连续变焦系统的长焦畸变图曲线图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

长波红外非制冷镜头由于其具有在各种恶劣环境下全天候使用的特点以及低成本、低功耗、体积小等特点在民用和军用领域具有很好的发展前景。在很多场合，传统的定焦镜头具有不能满足不同视场下对目标的追踪和观测的局限性，所以需要变焦镜头进行替代。目前的市场的红外变焦镜头多用硒化锌晶体及多片镜片矫像差，对装调、成本及安装体积都有局限性,且F数大，通光量小，影响镜头的分辨力。

因此，现有技术存在以下缺陷：

1、同类型的红外连续变焦系统的镜片数量多，多使用5片及以上，装调困难，系统尺寸大。

2、同类型的红外连续变焦系统通光孔径小、F数大，图像信噪比会降低，像元尺寸大，分辨率降低，影响成像效果。

鉴于此，本发明提供一种红外连续变焦系统，图1至图2为本发明提供的红外连续变焦系统的实施例，图3至图7为相应的曲线数据图。

请参照图1至图2，红外连续变焦系统100包括从物方至像方依次设置的第一透镜1、第二透镜2、光阑3、第三透镜4、第四透镜5和像面，其中，所述第二透镜2和所述第三透镜4能够沿光轴方向活动从而实现连续变焦，所述光阑3的口径固定。

本发明的技术方案中，采用四个功能透镜，其中边缘的两个为固定透镜，中间的两个为活动透镜，实现10～35mm的连续变焦，其中，所述第二透镜2和第三透镜4之间设有光阑3，且光阑3口径是固定的，不会随着焦距的变化而变化，不需要另外做结构件来改变光阑3口径，在变焦过程中，所述第二透镜2作为变倍组，通过该镜片的移动会促成焦距变化，同时会导致像面移动，造成成像模糊，此时第三透镜4作为补偿组作非线性运动来补偿像面位移，使得在整个变焦过程中，始终成像清晰。该镜头体积小，成本低，结构紧凑，适合重量体积要求高的场合，光阑3口径大小为定值，不会随着焦距的变化而变化,不仅减少调节光阑3孔径的结构件，还能够保持短焦到长焦的分辨率的一致性。图像形变量小短焦畸变小。

具体的，所述红外连续变焦系统100的光学总长TTL≤70mm，所述红外连续变焦系统100的F数设置为F≤1。采用大光圈设计，同比其他产品F数为1.1～1.2来讲，通光量更大，获取更多的目标信息，有效提高镜头的信噪比。

同时，在本实施例中，采用分辨率384*288像元尺寸12um的高分辨率靶面，在空间分辨率42lp/mm处高清成像，分辨率高，探测目标精度更大。

请再次参照图1，在本实施例中，所述光阑3设置在所述第三透镜4朝向物方的侧面，与所述第三透镜4的表面紧挨，所述光阑3的口径不会改变，但是可以设置所述光阑3随着所述第三透镜4共同移动，在其他实施例中，也可以设置所述光阑3的位置保持固定，其设置位置应当不影响所述第二透镜2和所述第三透镜4的活动。

进一步的，在本实施例中，所述第一透镜1为具有正光焦度的弯月形透镜，其凹面朝向像面；所述第二透镜2为具有负光焦度的双凹透镜；所述第三透镜4为具有正光焦度的弯月形透镜，其凹面朝向像面；所述第四透镜5为具有正光焦度的弯月形透镜，其凹面朝向像面。

应当理解是，在其他实施例中，各透镜的选型可以出现变化，相应的相邻的两个透镜之间的距离设计就会发生改变，本发明对此不作过多说明。

更进一步的，所述第一透镜1、所述第二透镜2和所述第四透镜5均的材料选择锗玻璃，所述第三透镜4的材料选择硫系IRG206玻璃。根据设计需要以及需要达到的效果，选择了所述第三透镜4为硫系玻璃，与常规的硒化锌晶体相比，镜片矫像效果更优。

为了合理的控制变焦的范围和成像的清晰，在一个实施例中，所述第一透镜1与所述第二透镜2之间的间距为L1，其中5.9mm≤L1≤16.02mm。所述第一透镜1的位置固定，所述第二透镜2在短焦、中焦、长焦变化的过程中满足二者之间的间距在5.9mm～16.02mm之间。

在另一个实施中，所述第三透镜4与所述第四透镜5之间的间距为L3，其中15.93mm≤L3≤21.34mm。所述第四透镜5的位置固定，所述第三透镜4在配合实现短焦、中焦、长焦变化的过程中满足二者之间的间距在15.93mm～21.34mm之间。

在本实施例中，同时满足5.9mm≤L1≤16mmmm、15.9≤L2≤21.3mm的尺寸要求，即最终得到可以活动的所述第二透镜2和所述第三透镜4之间的间距在3.1mm≤L2≤16.3mm。

以图2的实施例为例，各镜片的基本参数见表一，其中，曲率半径、厚度单位均为毫米(mm)。

表1

例如，长焦状态时，相应的第一透镜1和第二透镜2之间的间距为15.99mm，第二透镜2和第三透镜4之间的间距为3.54mm，第三透镜4和第四透镜5之间的间距为20.58mm；短焦状态时，相应的第一透镜1和第二透镜2之间的间距为5.91mm，第二透镜2和第三透镜4之间的间距为15.24mm，第三透镜4和第四透镜5之间的间距为18.96。

该实施例中，各间隔之和为40.11mm，再加上其他固定值合起来总长为70mm。

各表面非球面及衍射面系数见表2。

表2

其中S6面是以非球面为基底的衍射面，衍射面系数为A2＝-26.4957，A4＝4.1075，A6＝-1.318。

除此之外，所述第四透镜5与所述像面之间设置有保护玻璃6。物方的光线依次经过第一透镜1、第二透镜2、光阑3、第三透镜4、第四透镜5和保护玻璃6后在像面得到清晰的图像。

同时，在本申请中，所述第三透镜4单独沿光轴前后移动可实现全焦段范围内-40℃～80℃的清晰成像。

本发明的技术方案相较于现有技术，具有如下优点：该镜头体积小，通过第二透镜2和第三透镜4两片镜片的移动变化实现10-35mm的连续变焦，镜头总长70mm，结构紧凑，非常适合重量体积要求高的场合；采用分辨率384*288像元尺寸12um的高分辨率靶面，在空间分辨率42lp/mm处高清成像，分辨率高，探测目标精度更大；具有大光圈，F/#≤1.0，同比其他产品F/#＝1.1～1.2来讲，通光量更大，获取更多的目标信息，有效提高镜头的信噪比；畸变小，图像形变量小短焦畸变＜5％；长焦畸变＜2％；实现-40℃～80℃清晰成像。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。