CN102722017A - 多波段齐焦连续变焦光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多波段齐焦连续变焦光学装置，它包括安装于同一光轴o－o上在连续改变焦距的过程中光学系统总长保持不变的6个镜组；所述镜组以光进入的前透镜组一端为前端，像面一端为后端，从前至后依次排列为：前透镜组、变倍组、补偿组、可变光阑组、后固定组以及滤光镜组。本发明优点是：多波段成像于同一像面，解决了不同波段观察时，因像面不齐焦，需接入附加透镜组或利用不同厚度的滤光镜补偿像面位置的问题，简化了结构，提高了系统的可靠性。

Description

多波段齐焦连续变焦光学装置

技术领域

本发明涉及多波段齐焦连续变焦光学装置，适用于为实现多波段成像于同一像平面的装置。

背景技术

随着电视传感器在各领域的广泛使用，作为电视传感器的核心组成的光学装置也得到了迅速发展，按结构形式分，有定焦、跃式变焦、连续变焦、跃式与连续变焦复合等系统；按波段范围分，有可见光、近红外、红外、紫外等。近年来，对于既能大视场监控，又能小视场识别、跟踪，作用距离大，且能适应雾、尘等复杂环境的多波段（可见光+近红外）、长焦距、大像面尺寸的连续变焦光学装置被迫切需要，如森林防火、道路楼宇监控、国家安全等。

定焦光学装置具有高像质、大相对孔径、结构紧凑等优势，但由于焦距、视场单一，只能作特定距离的观察。

跃式变焦光学装置有2～4个不同的焦距、视场，能观察、监控不同距离和范围的目标，但因变焦过程跳跃，会导致被监视的目标呈现不连续性，造成目标丢失，不适合跟踪目标。

可见光波段连续变焦光学装置因既能对目标进行大范围观察，又能识别重点目标，还能对选定的目标进行连续性跟踪等特点被广泛使用，但由于波段的限制，只能工作在具有足够照度的室内、外场所，在能见度较低的雾、尘天气条件下，该类光学装置的探测距离会受到严重影响。

红外光学装置直接对目标的红外辐射成像，具有较好的雾、雨、尘穿透力，作用距离大，基本不受景物照度或雾气的影响，但受红外探测器分辨率较低、价格昂贵、使用寿命短的影响，难以普及应用。

多波段连续变焦光学装置因其波段从传统的可见光延展到了近红外区域，即从400nm到700nm扩展到400nm到1000nm，利用近红外光较可见光波长长，具有较好的雾、尘穿透力的特点，弥补了传统可见光连续变焦光学装置的缺陷，拓展了电视传感器的使用环境，提升了电视传感器的作用距离。另外，多波段连续变焦光学装置较之红外光学装置，前者制造成本低廉、图像分辨率高。明显的性能和成本优势，使多波段连续变焦光学装置成为近年来的研究方向。

现有技术的多波段、长焦距连续变焦光学装置普遍适配1/3英寸、1/2英寸CCD，但是，适配7.6mm×7.6mm及更大像面CCD的连续变焦光学装置很难实现，这是由于该类光学装置是长焦距和大视场这对矛盾的统一体，再加上波段宽，全波段像差校正十分困难；分波段像差校正又存在不齐焦问题。现有技术广泛使用的多波段、长焦距连续变焦光学装置主要有图3、图4所示的两种形式。图3用于不齐焦量较小的光学装置，以某一波段的像面为基准，分别将另外两波段的像面距离差折算成对应波段的滤光镜厚度，通过滤光镜的厚度将对应波段的像面拉回到基准面上，使之齐焦。该方法对滤光镜中心厚度尺寸的加工要求高，且互换性差。对于不齐焦量较大的光学装置，一般采用图4的方法补偿像面，该方法通过增加补偿镜组，校正不同波段的像差，使之齐焦，该方法结构复杂，装调难度大，可靠性低。

概括地说，现有技术广泛使用的多波段、长焦距连续变焦光学装置存在以下主要缺陷：

1、多波段观察不齐焦。对于不齐焦量小的光学装置，一般采用不同厚度的滤光镜补偿像面，该方法存在滤光镜中心厚度尺寸加工要求高、互换性差等缺陷；对于不齐焦量较大的光学装置，一般采用增加补偿镜组的方法补偿像面，该方法存在结构复杂，装调难度大，可靠性低等缺陷。

2、像面尺寸小。多波段、长焦距连续变焦光学装置普遍适配1/3英寸、1/2英寸CCD，适配7.6mm×7.6mm及更大像面CCD的该类光学装置很难实现，因该类光学装置是长焦距和大视场这对矛盾的统一体，再加上波段宽，像差校正十分困难。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中的问题和不足，提供一种多波段齐焦连续变焦光学装置，在保证系统光学性能和良好像质的前提下，实现多波段齐焦功能及7.6mm×7.6mm像面CCD适配，以及更大像面CCD类光学装置的适配。本发明通过对结构形式和玻璃材料配对，化解了长焦距、大视场、多波段之间的矛盾，像质良好，是能实现不同变倍比和不同焦距范围的多波段光学装置

本发明的技术方案是：多波段齐焦连续变焦光学装置，它包括安装于同一光轴o－o上在连续改变焦距的过程中光学系统总长保持不变的6个镜组；所述镜组以光进入的前透镜组一端为前端，像面一端为后端，从前至后依次排列为：前透镜组、变倍组、补偿组、可变光阑组、后固定组以及滤光镜组。

更进一步的技术方案是：

所述的多波段齐焦连续变焦光学装置，所述的前透镜组用于调焦,为正光焦度组，从前至后依次为：两片低色散双凸单透镜、一片镧火石平凹透镜与一片火石平凹透镜以平面胶合面胶合组成的双胶合透镜；所述的变倍组为负光焦度组，从前至后依次为：一片重火石正弯月透镜与一片重冕负弯月透镜组成的双胶合透镜、一片凸面朝前的钡火石正弯月透镜、一片凸面朝前的镧火石负弯月透镜、一片小凹面朝前的重钡火石双凹透镜；所述的补偿组为正光焦度组，从前至后依次为：两片低色散双凸单透镜、一片凹面朝前的重火石负弯月透镜；所述的可变光阑组位于补偿组和后固定组之间的一固定位置；所述的后固定组为正光焦度组，从前至后依次为：一片凸面朝前的低色散正弯月透镜、一片镧火石双凹透镜、一片低色散双凸透镜、一片镧火石双凹透镜与一片重火石双凸透镜组成的双胶合透镜；所述的滤光镜组位于后固定组与像面之间，包含三片在同一平面上排列的不同波段的平面滤光镜。

所述的多波段齐焦连续变焦光学装置，其可变光阑组距离后固定组的第一片透镜前顶点0.5mm。

所述的多波段齐焦连续变焦光学装置，其前透镜组焦距                                                

、变倍组焦距

、补偿组焦距

、后固定组焦距以及该光学装置轴向长度

分别满足：

式中，为本发明在小视场时的焦距，

为本发明在大视场时的焦距。

所述的多波段齐焦连续变焦光学装置，其变倍组短焦位置倍率、长焦位置倍率

，补偿组3短焦位置倍率

、长焦位置倍率

、后固定组5倍率分别满足：

。

所述的多波段齐焦连续变焦光学装置，焦距为 50mm到 750mm 连续变焦，相对孔径为1：4到1：7，最大透镜的通光口径为125mm，适配像面尺寸为7.6mm×7.6mm，或适配小像面尺寸的CCD，包括1/2英寸、1/3英寸CCD。

所述的多波段齐焦连续变焦光学装置，波段范围为400nm到1000nm；滤光镜组由三片不同波段的等厚度的平面滤光镜组成，用于在同一固定平面分别实现对三个不同波段的观察。

所述的多波段齐焦连续变焦光学装置，三片不同波段的平面滤光镜厚度均为2mm。

所述的多波段齐焦连续变焦光学装置，其透镜材料为玻璃，面形均为球面。

以下结合本发明的原理、技术方案对本发明的效果作说明：

所述的前透镜组为正光焦度组，承担调焦任务；所述的变倍组为负光焦度组，其作用是改变系统倍率；所述的补偿组为正光焦度组，其作用是补偿变倍组移动引起的系统像面漂移；所述的可变光阑组其作用是改变系统光通量；所述的后固定组为正光焦度组，其作用是补偿系统像差；所述的滤光镜组其作用是实现多波段观察。

前透镜组的通光口径很大，相对孔径D/f为1/2.3，组内长焦时的球差、正弦差较为突出，色差和二级光谱的校正难度远远大于传统长焦距连续变焦系统，当采用单单双的结构形式，即前两片均为低折射率、低色散特性的同种材料双凸透镜，后组双胶合透镜组由一片高折射率平凹透镜与一片中等折射率平凹透镜组成，胶合面为平面，这样既可减小色差和二级光谱，又可收缩光线口径，有利于减小变倍组的口径。

变倍组的相对孔径D/f为1/0.88，短焦轴外细光束像差最为突出，这样的相对孔径决定了该组复杂的结构形式，本发明采用双单单单——正弯月单透镜和负弯月单透镜组成的双胶合透镜加正弯月单透镜加负弯月单透镜加负弯月单透镜，四组5片透镜的结构形式，其玻璃组合依次为：高折射率、高色散重火石玻璃，高折射率重冕玻璃，中等折射率钡火石玻璃，高折射率、高色散镧火石玻璃，中等折射率、高色散重钡火石玻璃，该结构形式和玻璃组合有利于轴外细光束像差及色差的校正。

补偿组的相对孔径D/f为1/2，但通光口径较小，组内像差校正难度较小，该组的主要作用是补偿中焦位置的像差，使之与长、短焦距位置相等，同时抵消前透镜组和变倍组的色差和二级光谱。依据其像差特性，当采用单单单的结构形式，即前两片均为低折射率、低色散特性的同种材料双凸透镜，最后一片为凹面朝前的重火石负弯月透镜。

后固定组的相对孔径和通光口径均很小，组内像差容易校正，其主要作用是缩短光学装置总长，补偿前透镜组、变倍组、补偿组的剩余像差。依据其作用，本发明取

>1.7、单单单双的结构形式，即一片凸面朝前的正弯月透镜加一片双凹透镜加一片双凸透镜加一片双凹透镜与一片双凸透镜组成的双胶合透镜。

滤光镜组作用是实现多波段观察。本发明的三片平面滤光镜分别是：一片适合可见光波段的彩色或黑白观察，另两片适合近红外波段的分区观察。 

连续变焦各组分的焦距分配，不仅决定了系统的总长、口径，还决定了各组分及全系统像差设计的难易，本发明具有多种结构形式，结构紧凑，能校正多波段像差，实现多波段齐焦。

变倍组、补偿组的倍率，不仅影响系统总倍率的实现，还决定了补偿曲线的走向，一般地，机械正组补偿非物像交换原则结构中

通常取负值，本发明将

设计为正值，且变倍组短、长焦位置倍率、

，补偿组短、长焦位置倍率

、

、后固定组倍率

分别满足相应参数。

  附图说明

图1为本发明光学装置示意图，

为可变间隔；

图2.1为本发明变焦运动示意图，为短焦时的间隔；

图2.2为本发明变焦运动示意图，

为长焦时的间隔；

图3为现有技术采用不同厚度滤光镜示意图；

图4为现有技术采用附加透镜组示意图；

图5为本发明光学装置的光学系统短焦位置传递函数图；

图6为本发明光学装置的光学系统长焦位置传递函数图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

实施例1：如图1所示，是本发明多波段齐焦连续变焦光学装置一个基本实施例，它包括安装于同一光轴o－o上在连续改变焦距的过程中光学系统总长保持不变的6个镜组；所述镜组以光进入的前透镜组1一端为前端，像面7一端为后端，从前至后依次排列为：前透镜组1、变倍组2、补偿组3、可变光阑组4、后固定组5以及滤光镜组6。

实施例2：是在实施例1的基础上进一步的技术方案，所述的前透镜组1用于调焦,为正光焦度组，从前至后依次为：两片低色散双凸单透镜、一片镧火石平凹透镜与一片火石平凹透镜以平面胶合面胶合组成的双胶合透镜；所述的变倍组2为负光焦度组，从前至后依次为：一片重火石正弯月透镜与一片重冕负弯月透镜组成的双胶合透镜、一片凸面朝前的钡火石正弯月透镜、一片凸面朝前的镧火石负弯月透镜、一片小凹面朝前的重钡火石双凹透镜；所述的补偿组3为正光焦度组，从前至后依次为：两片低色散双凸单透镜、一片凹面朝前的重火石负弯月透镜；所述的可变光阑组4位于补偿组3和后固定组5之间的一固定位置；所述的后固定组5为正光焦度组，从前至后依次为：一片凸面朝前的低色散正弯月透镜、一片镧火石双凹透镜、一片低色散双凸透镜、一片镧火石双凹透镜与一片重火石双凸透镜组成的双胶合透镜；所述的滤光镜组6位于后固定组5与像面7之间，包含三片在同一平面上排列的不同波段的平面滤光镜。

结合图1及图2.1和图2.2对技术方案和效果作进一步说明：

如图1所示，前透镜组沿光轴o－o方向前后作直线运动，实现调焦功能；变倍组和补偿组沿光轴o－o方向同时做相向运动或相对运动，实现变焦功能（如图2.1和图2.2），在变焦过程中，系统总长保持不变，多波段像面稳定不变；滤光镜组置于后固定组和像面之间，由三片滤光镜组成，通过接入、接出运动，实现多波段观察。前透镜组为正光焦度组，前两片是双凸透镜，材料特性相同，均为低折射率、低色散玻璃、后组双胶合透镜，由一片高折射率、中等色散的镧火石平凹透镜和一片中等折射率火石平凹透镜胶合而成，胶合面为平面。变倍组为负光焦度组，该组结构形式最复杂，依次为：一片重火石正弯月透镜和一片重冕负弯月透镜组成的双胶合透镜、一片凸面朝前的钡火石正弯月透镜、一片凸面朝前的镧火石负弯月透镜、一片小凹面朝前的重钡火石双凹透镜；该组中的双胶合透镜和紧接其后的钡火石正弯月透镜也可以设计成三胶合透镜，这样可以减少一个与空气接触的透镜面，有利于改善透过率，但三胶合透镜的胶合工艺复杂，因此仍用双胶合加单透镜的形式。补偿组为正光焦度组，结构形式依次为：两片同种材料特性的低折射率、低色散双凸单透镜、一片凹面朝前的重火石负弯月透镜，第二片双凸透镜和负弯月透镜可以设计成双胶合透镜，这样可以进一步减小系统色差，但该材料的透镜温度性能较差，最好是单透镜的形式。后固定组为正光焦度组，结构形式依次为：一片低色散凸面朝前的正弯月透镜、一片镧火石双凹透镜、一片低色散双凸透镜、一片镧火石双凹透镜和一片重火石凸透镜组成的双胶合透镜。 

实施例3：与实施例2不同的是，所述可变光阑组4距离后固定组5的第一片透镜前顶点0.5mm。

实施例4：与实施例2不同的是，所述的前透镜组1焦距 

、变倍组2焦距

、补偿组3焦距

、后固定组5焦距

以及该光学装置轴向长度

分别满足：

 式中，为本发明在小视场时的焦距，

为本发明在大视场时的焦距。

 

变倍组2短焦位置倍率、长焦位置倍率

，补偿组3短焦位置倍率、长焦位置倍率

、后固定组5倍率

分别满足：

。

焦距为 50mm到 750mm 连续变焦，相对孔径为1：4到1：7，最大透镜的通光口径为125mm，适配像面尺寸为7.6mm×7.6mm，或适配小像面尺寸的CCD，包括1/2英寸、1/3英寸CCD。波段范围为400nm到1000nm；滤光镜组6由三片不同波段的等厚度的平面滤光镜组成，用于在同一固定平面分别实现对三个不同波段的观察；本实施例平面滤光镜厚度均选为2mm。透镜材料为玻璃，面形均为球面。

在基本实施例1基础上，本发明能够设计出一系列的多波段齐焦连续变焦光学装置。结合实施例对本发明的显著效果进一步说明如下：

以下表1、表2给出的数据对应图1，是一个应用于电视摄像机的15倍多波段齐焦连续变焦光学装置，表3是该系统的传递函数值，其短焦的数值对应图5中的短焦位置，其长焦的数值对应图6中的长焦位置，系统焦距50mm～750mm，适配7.6mm×7.6mm像面的CCD，也可适配1/2英寸、1/3英寸像面的CCD。

表1 为具体实施实例的光学装置结构参数表：

 表2为可变间隔：

 

表3为 具体实施实例传递函数值：

本发明权利要求保护范围不限于上述实施例。

Claims (9)

1.一种多波段齐焦连续变焦光学装置，其特征在于，它包括安装于同一光轴o－o上在连续改变焦距的过程中光学系统总长保持不变的6个镜组；所述镜组以光进入的前透镜组（1）一端为前端，像面（7）一端为后端，从前至后依次排列为：前透镜组（1）、变倍组（2）、补偿组（3）、可变光阑组（4）、后固定组（5）以及滤光镜组（6）。

2.根据权利要求1所述的多波段齐焦连续变焦光学装置，其特征在于，所述的前透镜组（1）用于调焦,为正光焦度组，从前至后依次为：两片低色散双凸单透镜、一片镧火石平凹透镜与一片火石平凹透镜以平面胶合面胶合组成的双胶合透镜；所述的变倍组（2）为负光焦度组，从前至后依次为：一片重火石正弯月透镜与一片重冕负弯月透镜组成的双胶合透镜、一片凸面朝前的钡火石正弯月透镜、一片凸面朝前的镧火石负弯月透镜、一片小凹面朝前的重钡火石双凹透镜；所述的补偿组（3）为正光焦度组，从前至后依次为：两片低色散双凸单透镜、一片凹面朝前的重火石负弯月透镜；所述的可变光阑组（4）位于补偿组（3）和后固定组（5）之间的一固定位置；所述的后固定组（5）为正光焦度组，从前至后依次为：一片凸面朝前的低色散正弯月透镜、一片镧火石双凹透镜、一片低色散双凸透镜、一片镧火石双凹透镜与一片重火石双凸透镜组成的双胶合透镜；所述的滤光镜组（6）位于后固定组（5）与像面（7）之间，包含三片在同一平面上排列的不同波段的平面滤光镜。

3.根据权利要求2所述的多波段齐焦连续变焦光学装置，其特征在于，可变光阑组（4）距离后固定组（5）的第一片透镜前顶点0.5mm。

4.根据权利要求1或2所述的多波段齐焦连续变焦光学装置，其特征在于，前透镜组（1）焦距                                                、变倍组（2）焦距

、补偿组（3）焦距

、后固定组（5）焦距以及该光学装置轴向长度

分别满足：

式中，为本发明在小视场时的焦距，为本发明在大视场时的焦距。

5.根据权利要求1或2所述的多波段齐焦连续变焦光学装置，其特征在于，变倍组（2）短焦位置倍率

、长焦位置倍率

，补偿组（3）短焦位置倍率

、长焦位置倍率

、后固定组（5）倍率

分别满足：

。

6.根据权利要求1或2所述的多波段齐焦连续变焦光学装置，其特征在于， 焦距为 50mm到 750mm 连续变焦，相对孔径为1：4到1：7，最大透镜的通光口径为125mm，适配像面尺寸为7.6mm×7.6mm，或适配小像面尺寸的CCD，包括1/2英寸、1/3英寸CCD。

7.根据权利要求1所述的多波段齐焦连续变焦光学装置，其特征在于，波段范围为400nm到1000nm；滤光镜组（6）由三片不同波段的等厚度的平面滤光镜组成，用于在同一固定平面分别实现对三个不同波段的观察。

8.根据权利要求7所述的多波段齐焦连续变焦光学装置，其特征在于，三片不同波段的平面滤光镜厚度均为2mm。

9.根据权利要求1或2所述的多波段齐焦连续变焦光学装置，其特征在于，透镜材料为玻璃，面形均为球面。

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