一种中波制冷红外变焦镜头的制作方法

1.本发明涉及红外成像技术领域，特别涉及一种中波制冷红外变焦镜头。


背景技术：

2.红外透镜因具有在恶劣天气下成像清晰、可全天工作等优点而广泛的应用于军事、安防等领域；为了满足对远距离目标的搜索和跟踪，中波制冷红外镜头在远距离观测设备上的使用有着良好的应用前景。
3.然而，现有的中波红外镜头普遍存在分辨率不高的问题，不能满足更高的观测需求，因此，急需提供一种具有高分辨率的中波红外镜头。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种中波制冷红外变焦镜头，分辨率为1280
×
1024，像元大小为12um，变倍比为20，较传统中波制冷镜头的分辨率、探测能力及光学系统的性能有了显著提高。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种中波制冷红外变焦镜头，包括：从物方到像方沿光轴依次设置的具有正光焦度的前固定组、具有负光焦度的变倍组、具有正光焦度的聚焦组、具有正光焦度的二次成像组和制冷探测器组件；前固定组包括第一前固定组和第二前固定组，第一前固定组为一片凹面朝向像方的弯月形硅正透镜，第二前固定组为一片凹面朝向像方的弯月形锗正透镜；变倍组为一片双凹的锗单透镜；聚焦组包括第一聚焦组和第二聚焦组，第一聚焦组为一片凹面朝向像方的硅单透镜，第二聚焦组为一片凹面朝向像方的锗单透镜；二次成像组包括第一二次成像组、第二二次成像组和第三二次成像组，第一二次成像组具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形硅透镜，第二二次成像组具有负光焦度，为一片双凹的砷化锌透镜；第三二次成像组具有正光焦度，为一片凸面朝向像方的弯月形硅透镜；制冷探测器组件包括锗保护窗口、冷屏、冷光阑和制冷探测器。
6.在一种可能的设计中，第一前固定组凹面的口径由最大焦距和系统f数共同决定。
7.在一种可能的设计中，变倍组朝向像方的面为二元衍射面；二元衍射面满足：
8.φ＝a1ρ2+a2ρ4，其中，φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn，rn是衍射面的规划半径，a1、a2为衍射面的位相系数，r是相对光轴垂直方向的高度。
9.在一种可能的设计中，第二前固定组的朝向像方的面、变倍组朝向像方的面、第二聚焦组朝向像方的面、第二二次成像组朝向物方的面均为高次非球面。
10.在一种可能的设计中，高次非球面满足：
11.其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时距非球面顶点的距离矢高，c为表面的顶点曲率，k为圆锥系数，α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。
12.在一种可能的设计中，第二前固定组的朝向像方的面的高次非球面系数α2、α3、α4、α5、α6分别为7.871
×
10-8
、8.335
×
10-12
、0、3.660
×
10-25
、2.778
×
10-19
；
13.变倍组朝向像方的面的高次非球面系数α2、α3、α4、α5、α6分别为-1.445
×
10-8
、3.322
×
10-12
、0、-1.782
×
10-25
、4.512
×
10-19
；
14.第二聚焦组朝向像方的面的高次非球面系数α2、α3、α4、α5、α6分别为1.678
×
10-7
、4.766
×
10-11
、0、4.225
×
10-14
、3.773
×
10-17
；
15.第二二次成像组朝向物方的面的高次非球面系数α2、α3、α4、α5、α6分别为-5.551
×
10-7
、2.247
×
10-10
、0、-8.365
×
10-13
、6.257
×
10-16
。
16.在一种可能的设计中，制冷探测器的像元数为1280
×
1024，像元大小为12μm。
17.在一种可能的设计中，红外变焦镜头的焦距为25～500mm，变倍比为20，工作波长为8～12μm，系统f数为4.0。
18.本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
19.本发明通过变倍组的移动调节焦距，通过控制聚焦组的轴向位移，实现变焦镜头在-40℃～60℃温度范围内成像清晰；通过二次成像组的设计可充分利用镜片口径，使得在较小的前置固定组口径下即可实现100％冷光阑，进而减少光学系统中杂散光对成像的影响，提高成像质量；本发明可以实现-40℃～60℃宽温度范围，25～500mm焦距内成像清晰。
20.本发明中波制冷红外变焦镜头分辨率为1280
×
1024，像元大小为12um，变倍比为20，显著提高了中波制冷镜头的分辨率和探测能力及光学系统的性能。
附图说明
21.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。
22.图1是本发明红外变焦镜头在广角状态(焦距为25mm)时的光学系统图；
23.图2是本发明红外变焦镜头在中焦状态(焦距为250mm)时的光学系统图；
24.图3是本发明红外变焦镜头在长焦状态(焦距为500mm)时的光学系统图；
25.图4是本发明红外变焦镜头在广角状态(焦距为25mm)时的光学传递函数图(截止分辨率为42lp/mm)；
26.图5是本发明红外变焦镜头在中焦状态(焦距为250mm)时的光学传递函数图(截止分辨率为42lp/mm)；
27.图6是本发明红外变焦镜头在长焦状态(焦距为500mm)时的光学传递函数图(截止分辨率为42lp/mm)；
28.其中，100-物空间，210-第一前固定组，220-第二前固定组，300-变倍组，410-第一聚焦组，420-第二聚焦组，510-第一二次成像组，520-第二二次成像组，530-第三二次成像组，610-锗保护窗口，620-冷屏，630-冷光阑，640-制冷探测器。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做出创造性劳动的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。
30.如图1-3所示，本发明供了一种中波制冷红外变焦镜头，包括：从物方到像方沿光轴依次设置的具有正光焦度的前固定组、具有负光焦度的变倍组、具有正光焦度的聚焦组、具有正光焦度的二次成像组和制冷探测器组件。
31.前固定组包括第一前固定组210和第二前固定组220，第一前固定组210为第一透镜，为一片凹面朝向像方的弯月形硅正透镜，朝向物方的面s1和朝向像方的面s2均为球面，其中，凹面的口径由最大焦距和系统f数共同决定；第二前固定组220为一片凹面朝向像方的弯月形锗正透镜，朝向物方的面s3为球面，朝向像方的面s4为高次非球面。
32.变倍组300为一片双凹的锗单透镜，朝向像方的面s5为球面，朝向像方的面s6为二元衍射面，也为非球面。
33.该透镜可移动，起着变化焦距的作用。
34.聚焦组包括第一聚焦组410和第二聚焦组420，第一聚焦组410为一片凹面朝向像方的硅单透镜，朝向物方的面s7和朝向像方的面s8均为球面；第二聚焦组420为一片凹面朝向像方的锗单透镜，朝向物方的面s9为球面，朝向像方的面s10为高次非球面；该组透镜与变倍组配合通过轴向位移，对变倍组进行位置补偿，确保变焦镜头在-40℃～60℃温度范围内成像清晰度。
35.二次成像组包括第一二次成像组510、第二二次成像组520和第三二次成像组530，第一二次成像组510具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形硅透镜，朝向物方的面s11和朝向像方的面s12均为球面；第二二次成像组520具有负光焦度，为一片双凹的砷化锌透镜，朝向物方的面s13为高次非球面，朝向像方的面s14为球面；第三二次成像组具530有正光焦度，为一片凸面朝向像方的弯月形硅透镜，朝向物方的面s15和朝向像方的面s16均为球面；该组透镜通过二次成像设计可充分利用镜片口径，使得在较小的前置固定组尺寸即可实现100％冷光阑，进而减少光学系统中杂散光对成像的影响，提高成像质量，同时能减小镜头的尺寸。
36.制冷探测器组件包括锗保护窗口610、冷屏620、冷光阑630和制冷探测器640。
37.在本发明的实施例中，变倍组朝向像方的面s6为二元衍射面；二元衍射面满足：
38.φ＝a1ρ2+a2ρ4，其中，φ为衍射面的位相，ρ＝r/rn，rn是衍射面的规划半径，a1、a2为衍射面的位相系数，本发明a1、a2分别取值为-23.178、0.0327，r是相对光轴垂直方向的高度。
39.本发明红外变焦镜头中透镜各个面在焦距25mm、250mm、500mm时的光学结构参数见下表1；其中，第一前固定组朝物方的面为s1，朝像方的面为s2，第二前固定组朝物方的面为s3，朝像方的面为s4；变倍组朝物方的面为s5，朝像方的面为s6；第一聚焦组朝物方的面为s7，朝像方的面为s8，第二聚焦组朝物方的面为s9，朝像方的面为s10；第一二次成像组朝物方的面为s11，朝像方的面为s12，第二二次成像组朝物方的面为s13，朝像方的面为s14，第三二次成像组朝物方的面为s15，朝像方的面为s16；锗保护窗口朝物方的面为s17，朝像方的面为s18；冷屏朝物方的面为s19，朝像方的面为s20；光阑为s21其中，第一行第三列的“11”代表面s1和s2之间的距离，第二行第三列的“2.9”代表面s2和s3之间的距离，其他以此
类推即可；第四行第三列、第六行第三列和第十一行第三列中的三个值分别对应焦距为25mm、250mm和500mm时的距离。
40.表1.本发明红外变焦镜头中透镜各个面在焦距25mm、250mm、500mm时的光学结构参数
41.表面曲率半径25/250/500mm厚度材料半口径s1187.3911硅62.5s2365.742.9 60s3305.066.4锗56s489.2740.4/26.8/15.8 54s5-63.434.3锗16.5s677.937.2/37.1/52.7 16.4s761.459硅20s856.4910 19s967.826.7锗15s10135.045 14s1138.438.6/22.3/17.7硅10s12139.096.2 9.5s13-35.55.3砷化锌7.9s1477.53.7 8.3s15-55.34.9硅9.6s16-36.46.7 10s17无限1.0锗3.6s18无限1.5 3.6s19无限0.3锗3s20无限0.93 2.9光阑s21无限19.8 2.5
42.在本发明的实施例中，第二前固定组的朝向像方的面s4、变倍组朝向像方的面s6、第二聚焦组朝向像方的面s10、第二二次成像组朝向物方的面s13均为高次非球面，上述高次非球面满足：
43.其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时距非球面顶点的距离矢高，c为表面的顶点曲率，k为圆锥系数，α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。需要说明的是，本发明的中变倍组朝向像方的面s6为二元衍射面，也为非球面，具有非球面系数。
44.在本发明的实施例中，第二前固定组的朝向像方的面s4的高次非球面系数α2、α3、α4、α5、α6分别为7.871
×
10-8
、8.335
×
10-12
、0、3.660
×
10-25
、2.778
×
10-19
；
45.变倍组朝向像方的面s6的高次非球面系数α2、α3、α4、α5、α6分别为-1.445
×
10-8
、3.322
×
10-12
、0、-1.782
×
10-25
、4.512
×
10-19
；
46.第二聚焦组朝向像方的面s10的高次非球面系数α2、α3、α4、α5、α6分别为1.678
×
10-7
、4.766
×
10-11
、0、4.225
×
10-14
、3.773
×
10-17
；
47.第二二次成像组朝向物方的面s13的高次非球面系数α2、α3、α4、α5、α6分别为-5.551
×
10-7
、2.247
×
10-10
、0、-8.365
×
10-13
、6.257
×
10-16
。
48.在本发明的实施例中，制冷探测器的像元数为1280
×
1024，像元大小为12μm。
49.在本发明的实施例中，红外变焦镜头的焦距为25～500mm，变倍比为20，工作波长为8～12μm，系统f数为4.0。
50.本发明通过对各透镜材料的选择、光学结构参数的设置，得到具有高分辨率、大变倍比、体积小、成像质量高、观测能力强的红外变焦镜头，可以实现-40℃～60℃宽温度范围，25～500mm焦距内成像清晰；既可以满足大视场搜索，小视场跟踪或识别，变焦过程中还能实现目标大小的自由变化，而且在变焦过程中目标图像能够始终保持清晰，而且能够根据场景和目标特征选择合适的工作视场，从而提高工作效率；由4-6可知，本发明在常温下各个焦距的传递函数均接近衍射极限，成像情况良好。
51.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
…”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
52.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种中波制冷红外变焦镜头，其特征在于，包括：从物方到像方沿光轴依次设置的具有正光焦度的前固定组、具有负光焦度的变倍组、具有正光焦度的聚焦组、具有正光焦度的二次成像组和制冷探测器组件；所述前固定组包括第一前固定组和第二前固定组，所述第一前固定组为一片凹面朝向像方的弯月形硅正透镜，所述第二前固定组为一片凹面朝向像方的弯月形锗正透镜；所述变倍组为一片双凹的锗单透镜；所述聚焦组包括第一聚焦组和第二聚焦组，所述第一聚焦组为一片凹面朝向像方的硅单透镜，所述第二聚焦组为一片凹面朝向像方的锗单透镜；所述二次成像组包括第一二次成像组、第二二次成像组和第三二次成像组，所述第一二次成像组具有正光焦度，为一片凸面朝向物方的弯月形硅透镜，所述第二二次成像组具有负光焦度，为一片双凹的砷化锌透镜；所述第三二次成像组具有正光焦度，为一片凸面朝向像方的弯月形硅透镜；所述制冷探测器组件包括锗保护窗口、冷屏、冷光阑和制冷探测器。2.根据权利要求1所述的红外变焦镜头，其特征在于，所述第一前固定组凹面的口径由最大焦距和系统f数共同决定。3.根据权利要求1所述的红外变焦镜头，其特征在于，所述变倍组朝向像方的面为二元衍射面；所述二元衍射面满足：φ＝a1ρ2+a2ρ4，其中，φ为衍射面的位相，ρ＝r/r
n
，r
n
是衍射面的规划半径，a1、a2为衍射面的位相系数，r是相对光轴垂直方向的高度。4.根据权利要求1所述的红外变焦镜头，其特征在于，所述第二前固定组的朝向像方的面、所述变倍组朝向像方的面、所述第二聚焦组朝向像方的面和所述第二二次成像组朝向物方的面均为高次非球面。5.根据权利要求4所述的红外变焦镜头，其特征在于，所述高次非球面满足：其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时距非球面顶点的距离矢高，c为表面的顶点曲率，k为圆锥系数，α2、α3、α4、α5、α6为高次非球面系数。6.根据权利要求5所述的红外变焦镜头，其特征在于，所述第二前固定组的朝向像方的面的高次非球面系数α2、α3、α4、α5、α6分别为7.871
×
10-8
、8.335
×
10-12
、0、3.660
×
10-25
、2.778
×
10-19
；所述变倍组朝向像方的面的高次非球面系数α2、α3、α4、α5、α6分别为-1.445
×
10-8
、3.322
×
10-12
、0、-1.782
×
10-25
、4.512
×
10-19
；所述第二聚焦组朝向像方的面的高次非球面系数α2、α3、α4、α5、α6分别为1.678
×
10-7
、4.766
×
10-11
、0、4.225
×
10-14
、3.773
×
10-17
；所述第二二次成像组朝向物方的面的高次非球面系数α2、α3、α4、α5、α6分别为-5.551
×
10-7
、2.247
×
10-10
、0、-8.365
×
10-13
、6.257
×
10-16
。7.根据权利要求1所述的红外变焦镜头，其特征在于，所述制冷探测器的像元数为1280
×
1024，像元大小为12μm。
8.根据权利要求1所述的红外变焦镜头，其特征在于，所述红外变焦镜头的焦距为25～500mm，变倍比为20，工作波长为8～12μm，系统f数为4.0。

技术总结
本发明涉及红外成像技术领域，特别涉及一种中波制冷红外变焦镜头，包括：从物方到像方沿光轴依次设置的具有正光焦度的前固定组包括一片凹面朝向像方的弯月形硅正透镜和一片凹面朝向像方的弯月形锗正透镜，具有负光焦度的变倍组为一片双凹的锗单透镜，具有正光焦度的聚焦组包括一片凹面朝向像方的硅单透镜和一片凹面朝向像方的锗单透镜，具有正光焦度的二次成像组二次成像组包括一片具有正光焦度凸面朝向物方的弯月形硅透镜、一片具有负光焦度的双凹的砷化锌透镜和一片具有正光焦度凸面朝向像方的弯月形硅透镜，制冷探测器组件。本发明提供的中波制冷红外变焦镜头分辨率高、变倍比大。变倍比大。变倍比大。


技术研发人员：郭春雷 李砚泽 曹建凯 闫宝升 杨轩
受保护的技术使用者：北京环境特性研究所
技术研发日：2023.01.05
技术公布日：2023/7/13