CN101782679A - 一种光学系统的变焦调节机构 - Google Patents

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刘泽乾
范惠林
陈丹强
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Abstract

一种光学系统的变焦调节机构，包括前固定组、第一变焦组、第二变焦组、第三变焦组和后固定组，第一变焦组和第三变焦组是正光焦度，第二变焦组是负光焦度，固定组在整个变焦过程中不动，前后固定组起调焦作用，三个变焦组用于变焦，变焦部分的第一变焦组和第三变焦组按同一轨迹运动，称为双组联动组元，当物镜由短焦距变为长焦距时，联动变焦组元向前作线性运动，也可以是非线性运动，同时，变焦部分中的第二变焦组向后作非线性运动，通过该变焦组的补偿作用，使整个变焦范围内像面保持稳定。本发明能在一定范围内迅速改变焦距，得到不同比例的像，而且在连续变焦过程中，随着物像之间的倍率的连续变化，像面上景物的大小可连续改变。

Description

一种光学系统的变焦调节机构
技术领域
本发明用于电视制导导弹飞行攻击训练弹导引头的光学系统，解决飞行攻击训练弹在不同飞行高度区间对目标区域地景信息获取时的焦距调整问题。
背景技术
电视制导导弹导引头光学系统安装在导弹的最前方，光学系统内主要是一台CCD摄像机，以及和摄像机相关的光学镜头、变焦机构、光圈变化执行机构和宽窄视场切换机构。光学系统中的变焦机构与导弹在末制导阶段的飞行高度区间15～300m相适应的，通过宽窄视场切换机构完成固定大小宽窄视场的切换，宽视场用于搜索，窄视场用于跟踪。因此，这类导引头光学系统的焦距调整和视角调节范围比较小。而飞行攻击训练弹是挂载在飞机上的，飞行高度为100m-3000m之间，这就需要与之相对应的焦距调节结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是采用三级变焦思想，利用移动某些光学组元的相对位置来达到连续改变光学系统物镜焦距的方法，实现电视制导导弹飞行攻击训练弹导引头光学系统焦距的连续调节，满足实际挂飞攻击训练需要。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光学系统的变焦调节机构，包括前固定组、第一变焦组、第二变焦组、第三变焦组和后固定组，第一变焦组和第三变焦组是正光焦度，第二变焦组是负光焦度，固定组在整个变焦过程中不动，仅在调焦时才移动，前后固定组起调焦作用，三个变焦组用于变焦，变焦部分的第一变焦组和第三变焦组按同一轨迹运动，称为双组联动组元，它可以作线性运动，或者作非线性运动，当物镜由短焦距变为长焦距时，联动变焦组元向前作线性运动，也可以是非线性运动，同时，变焦部分中的第二变焦组向后作非线性运动，通过该变焦组的补偿作用，使整个变焦范围内像面保持稳定。
前固定组由4片凸透镜及1片凹透镜组成；第一变焦组由2片球面透镜，1片非球面透镜和1片凸透镜组成；第二变焦组由1片非球面透镜，1片凸透镜和1片非球面透镜组成；第三变焦组由2片球面透镜，1片非球面透镜和一组光阑组成；后固定组由3片非球面透镜和1片球面透镜组成。
本发明能在一定范围内迅速改变焦距，得到不同比例的像，而且在连续变焦过程中，随着物像之间的倍率的连续变化，像面上景物的大小可连续改变。
附图说明
图1是物像交换示意图；
图2是加前、后固定组后的物像交换示意图；
图3是带机械补偿的变焦距物镜变倍组移动原理示意图；
图4是本发明的变焦机构组成示意图；
图5是本发明的变倍组移动示意图。
具体实施方式
参照图1，透镜在相隔一定距离的两个平面A和A′之间，有两个位置可使该平面互为物象关系，其放大倍率分别为β和1/β，即当一个位置成缩小像时，另一位置成放大像，而当物镜自位置1移到位置2时，放大率就在β和1/β之间连续变化，所以，该透镜称为变倍组或变焦组，用L2表示。
参照图2，在位置1之前加一前固定组L1，使被摄目标成像于变倍组的物平面上，A′1作为变倍组的虚物被变倍组成一虚像于A′2。再在变倍组位置2之后加一后固定组L3，它使虚像A′2最后成为实像A′3，L1、L3为凸透镜，L2为凹透镜，这样就组成了一个变焦距物镜。上面所画是最短焦距情况，下面所画是最长焦距情况。当孔径光阑至于后固定组前面位置时，在变焦过程中能够保持相对孔径不变，左边的虚曲线和右边的实曲线就是经变倍组后和经后固定组后的像面位置变化曲线。像面位置是变化的，这是不允许的，必须采取措施来补偿像面位置的变化。
参照图3，补偿的变焦距物镜除了包含有作线性移动的变倍组以外，还需有作非线性移动的补偿组，L1是前固定组，L2是变倍组，L3是补偿组，L4是后固定组，L4为凸透镜，L2和L3组成了物镜的变焦部分。当变倍组由左向右作线性移动时，焦距由短变长，同时像面发生位移。用补偿组L3作相应的非线性移动，使位移了的像面经补偿组后重新成在固定的位置上，总的焦距变化是由变倍组和补偿组同时移动的结果，变倍组和补偿组的移动要匹配，即两者的位置要一一对应。
参照图4，本发明包括前固定组1、第一变焦组2、第二变焦组3、第三变焦组4和后固定组5，前固定组由4片凸透镜及1片凹透镜组成；第一变焦组由2片球面透镜，1片非球面透镜和1片凸透镜组成；第二变焦组由1片非球面透镜，1片凸透镜和1片非球面透镜组成；第三变焦组由2片球面透镜，1片非球面透镜和一组光阑组成；后固定组由3片非球面透镜和1片球面透镜组成。d1＝13.85mm；d2＝25.81mm，d3＝11.29mm；d4为8mm-27mm，d5为1mm-54mm；d6＝27.39mm；d7为3mm-56mm；d8为0.5mm-20mm；d9＝13.8mm；d10＝10.23mm。第一变焦组和第三变焦组是正光焦度，第二变焦组是负光焦度，固定组在整个变焦过程中不动，仅在调焦时才移动，前后固定组起调焦作用，三个变焦组用于变焦，变焦部分的第一变焦组和第三变焦组按同一轨迹运动，称为双组联动组元，它可以作线性运动，或者作非线性运动，当物镜由短焦距变为长焦距时，联动变焦组元向前作线性运动，也可以是非线性运动，同时，变焦部分中的第二变焦组向后作非线性运动，通过该变焦组的补偿作用，使整个变焦范围内像面保持稳定。
参照图5，结合表1，合成焦距、变倍比的公式已知，给出已知条件，由初态计算方程和变倍(焦)运动方程即可以求解运动组元，因此得出变倍比变化率、前固定组焦距和后固定组焦距。
表1光学设计步骤和参数求解方法
Figure G2009100664444D0000051
表2变焦距系统机构设计参数
Figure G2009100664444D0000061
表3不同焦距位置时间间隔
  f′   d4   d5   d7   d8
  19.82730407594.224   26.723622.652719.576012.22988.3244   1.196016.786226.650246.536453.3464   55.938940.348730.484710.59853.7886   0.99615.06708.143715.489919.3953
表4是变倍组和补偿组的移动量
Figure G2009100664444D0000071

Claims (2)

1.一种光学系统的变焦调节机构，其特征在于：包括前固定组、第一变焦组、第二变焦组、第三变焦组和后固定组，第一变焦组和第三变焦组是正光焦度，第二变焦组是负光焦度，固定组在整个变焦过程中不动，仅在调焦时才移动，前后固定组起调焦作用，三个变焦组用于变焦，变焦部分的第一变焦组和第三变焦组按同一轨迹运动，称为双组联动组元，它作线性运动或者非线性运动，当物镜由短焦距变为长焦距时，联动变焦组元向前作线性运动，或者非线性运动，同时，变焦部分中的第二变焦组向后作非线性运动，通过该变焦组的补偿作用，使整个变焦范围内像面保持稳定。
2.根据权利要求1所述的一种光学系统的变焦调节机构，其特征在于：前固定组由4片凸透镜及1片凹透镜组成；第一变焦组由2片球面透镜，1片非球面透镜和1片凸透镜组成；第二变焦组由1片非球面透镜，1片凸透镜和1片非球面透镜组成；第三变焦组由2片球面透镜，1片非球面透镜和一组光阑组成；后固定组由3片非球面透镜和1片球面透镜组成。
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