CN103744166B - 线性双组联动连续变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性双组联动连续变焦光学系统，该系统由依次排列的前固定透镜组、第一变焦透镜组、补偿透镜组、第二变焦透镜组以及含有孔径光阑的后固定透镜组组成，系统变焦比大于1小于等于5。在连续变焦过程中，三个运动组份的运动规律均为线性，且第一变焦透镜组和第二变焦透镜组做同向、同步运动。本发明省去了小变焦比连续变焦光学系统所用的曲线套筒机构，大幅度简化了应用系统结构，从而减小了应用系统的重量及装调的难度；并提高了变焦过程的操作稳定性。

Description

线性双组联动连续变焦光学系统

技术领域

本发明属于光学技术领域，主要涉及一种连续变焦光学系统，尤其涉及一种利用补偿透镜组做线性运动的双组联动变焦光学系统。

背景技术

连续变焦光学系统是指焦距在一定范围内连续变化，而像面保持不变或基本不变的光学系统。连续变焦光学系统的优势在于：日常生活或军事观察中不仅可以在一定图像画面内了解较大范围的目标全貌，同时可以在一个较小范围内观察目标图像的具体细节。

根据变焦原理，连续变焦光学系统分为光学补偿式和机械补偿式。机械补偿式变焦光学系统一般采用两个运动组份，其中：变焦透镜组做线性运动实现变焦；补偿透镜组做非线性运动以保证像面位置稳定。机械补偿式变焦光学系统还存在一种特殊的系统形式，即双组联动连续变焦光学系统，该系统的特点是：具有两个变焦透镜组和一个补偿透镜组。两个变焦透镜组分别位于补偿透镜组的两侧且固连在一起做线性运动，补偿透镜组做非线性运动来保证像面位置的稳定。由于机械补偿式连续变焦光学系统的补偿透镜组需要做非线性运动，因此在结构上必须依靠曲线套筒或凸轮，增加了加工装调的难度。如果凸轮曲线过陡，即曲线压力角太大，在变焦过程中会造成运动组份运动过程中稳定性差，容易出现机械卡滞现象。

美国专利USP3185029公开了一种“线性变焦距光学系统”，该系统由多个变焦透镜组构成，每个变焦透镜组之间不具有同向、同步的运动规律，由于每个变焦透镜组各自有各自的运动规律，因此变焦透镜组需要多个运动规律不同的曲线套筒以及相应的控制机构，无疑增加了变焦光学系统机械结构的复杂性以及系统的重量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，为变焦比不大于5倍的需求，提供一种无需凸轮结构的线性双组联动连续变焦光学系统。

为解决上述技术问题，本发明提供的线性双组联动连续变焦光学系统由依次排列的前固定透镜组、第一变焦透镜组、补偿透镜组、第二变焦透镜组以及含有孔径光阑的后固定透镜组这五个组份组成，前固定透镜组面对物方，后固定透镜组面对像方，所述线性双组联动连续变焦光学系统的变焦比大于1小于等于5，第一变焦透镜组和第二变焦透镜组在变焦过程中做同步同方向运动，两者的光焦度完全一致并与前固定透镜组的光焦度符号相反，补偿透镜组的光焦度符号与前固定透镜组的光焦度符号相同；在变焦过程中，补偿透镜组与第一变焦透镜组或第二变焦透镜组的运动方向相反，且相邻组份之间的间隔满足以下关系式：

D1(i)＝d10+DL1×i(1)

D2(i)＝d20-DL2×i(2)

D3(i)＝d30+DL2×i(3)

D4(i)＝d40-DL1×i(4)

$DL1=\frac{L1}{N}---\left(5\right)$

$DL2=\frac{L2}{N}---\left(6\right)$

式中：i为变焦位置取样点数组且i＝0、1、2、……、N，2≤N≤10，当i＝0时，线性双组联动连续变焦光学系统处于短焦位置，i＝N时，线性双组联动连续变焦光学系统处于长焦位置；d10为i＝0时前固定透镜组像方主面至第一变焦透镜组物方主面的间隔，d20为i＝0时第一变焦透镜组像方主面至补偿透镜组物方主面的间隔，d30为i＝0时补偿透镜组像方主面至第二变焦透镜组物方主面的间隔，d40为i＝0时第二变焦透镜组像方主面至后固定透镜组物方主面的间隔；L1为第一变焦透镜组或第二变焦透镜组从i＝0到i＝N时的移动距离，L2为补偿透镜组从i＝0到i＝N时的移动距离，DL1为第一变焦透镜组或第二变焦透镜组从i到i+1或从i到i-1位置的移动量,DL2为补偿透镜组从i到i+1或从i到i-1位置的移动量；在不同变焦位置处，D1(i)为前固定透镜组像方主面至第一变焦透镜组物方主面的间隔，D2(i)为第一变焦透镜组像方主面至补偿透镜组物方主面的间隔，D3(i)为补偿透镜组像方主面至第二变焦透镜组物方主面的间隔，D4(i)为第二变焦透镜组像方主面至后固定透镜组物方主面的间隔。

本发明的整体效果体现在：利用线性双组联动连续变焦结构形式，实现了两倍到五倍连续变焦光学系统。本发明线性双组联动连续变焦光学系统只需要两个运动控制机构，其中两个变焦透镜组采用同一控制机构，此外，两个运动控制机构的运动规律均为线性，因此在结构上省去了传统的曲线套筒即凸轮机构，大幅度简化了变焦机构，使得系统更加轻量化；减小了加工装调的难度；提高了变焦过程操作的稳定性；降低了生产成本。在整个变焦过程中，该系统像面位移量小于离焦量，因此成像质量不受影响。鉴于上述种种优势，本发明提供的连续变焦光学系统可应用在小倍率的热成像搜索跟踪装置和可见光电视搜索瞄准装置中。

附图说明

图1是本发明线性双组联动连续变焦光学系统的原理示意图。

图2是本发明第一优选实施例在短焦位置处各组份的关系示意图。

图3是本发明第一优选实施例中变焦透镜组与补偿透镜组的运动轨迹图。

图4是本发明第一优选实施例的像面位移曲线图。

图5是本发明第二优选实施例在短焦位置处各组份的关系示意图。

图6是本发明第二优选实施例中变焦透镜组与补偿透镜组运动轨迹图。

图7是本发明第二优选实施例的像面位移曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

根据图1所示，本发明提供的线性双组联动连续变焦光学系统的变焦比M满足如下关系：1＜M≤5。该系统由依次排列的前固定透镜组1、第一变焦透镜组2、补偿透镜组3、第二变焦透镜组4以及含有孔径光阑的后固定透镜组5组成，前固定透镜组1面对物方，后固定透镜组5面对像方。前固定透镜组1和后固定透镜组5在整个变焦过程中位置保持不变，其光焦度可以是正值或负值；第一变焦透镜组2和第二变焦透镜组4的光焦度完全一致且与前固定透镜组1的光焦度符号相反，第一变焦透镜组2和第二变焦透镜组4在变焦过程中固连在一起沿光轴方向进行往返的直线运动，总移动距离为L1；补偿透镜组3的光焦度符号与前固定透镜组1的光焦度符号相同，补偿透镜组3沿光轴方向与第一变焦透镜组2和第二变焦透镜组4做反向的直线运动且总移动距离为L2，用以补偿因两个变焦透镜组移动所产生的系统像面位移。该连续变焦光学系统在起始位置处即短焦位置处，前固定透镜组像方主面至第一变焦透镜组物方主面的间隔为d10，第一变焦透镜组像方主面至补偿透镜组物方主面的间隔为d20，补偿透镜组像方主面至第二变焦透镜组物方主面的间隔为d30，第二变焦透镜组像方主面至后固定透镜组物方主面的间隔为d40，上述四个参数均根据连续变焦工作原理和高斯光学外形尺寸计算确定。在变焦过程中，由于第一变焦透镜组2、第二变焦透镜组4与补偿透镜组3均要运动，导致主面间隔发生连续变化，在本发明中，不同变焦位置处，前固定透镜组像方主面至第一变焦透镜组物方主面的间隔为D1(i)、第一变焦透镜组像方主面至补偿透镜组物方主面的间隔为D2(i)、补偿透镜组像方主面至第二变焦透镜组物方主面的间隔为D3(i)、第二变焦透镜组像方主面至后固定透镜组物方主面的间隔为D4(i)。在变焦过程中相邻组份之间的间隔满足以下线性公式：

D1(i)＝d10+DL1×i(1)

D2(i)＝d20-DL2×i(2)

D3(i)＝d30+DL2×i(3)

D4(i)＝d40-DL1×i(4)

式中：i为变焦位置取样点数组且i＝0、1、2、……、N，2≤N≤10，N的选取与连续变焦光学系统的复杂程度及像差校正的需要而确定；DL1为第一变焦透镜组或第二变焦透镜组从i到i+1或从i到i-1位置的移动量,DL2为补偿透镜组从i到i+1或从i到i-1位置的移动量。当i＝0时为线性双组联动连续变焦光学系统的短焦位置，i＝N时为线性双组联动连续变焦光学系统的长焦位置。DL1及DL2满足以下关系式：

$DL1=\frac{L1}{N}---\left(5\right)$

$DL2=\frac{L2}{N}---\left(6\right)$

根据图2所示，本发明第一优选实施例为3～5μm红外中波线性双组联动型连续变焦光学系统，系统变焦比M＝2、短焦焦距为20mm、系统F数为4、像高6mm,该系统应用于搜跟热成像装置。由高斯光学外形尺寸计算得到各组份的焦距值F1、F2、F3、F4、F5，连续变焦光学系统在短焦位置时各组份之间的主面间隔d10、d20、d30、d40参见表1。

表1

两个变焦透镜组从短焦位置移动到长焦位置的移动距离L1＝18.15mm，补偿透镜组从短焦位置移动到长焦位置的移动距离L2＝28.702mm，N＝2。

本发明第一优选实施例中各组份的结构参数参见表2。

表2

变焦位置与各组份可变表面间隔数据参见表3。

表3

表3中P1为前固定透镜组到第一变焦透镜组的表面间隔，P2为第一变焦透镜组到补偿透镜组的表面间隔，P3为补偿透镜组到第二变焦透镜组的表面间隔，P4为第二变焦透镜组到后固定透镜组的表面间隔。以上四个参数是分别根据相邻组份像方主面与物方主面的间隔D1(i)、D2(i)、D3(i)、D4(i)对应换算得出的。

由图3和图4可知，本实施例中各运动组份的运动规律为线性，该系统的最大像面位移量为0.00039mm，小于该系统的焦深0.32mm，不影响系统成像质量；经过CODEⅤ软件模拟该系统MTF曲线接近衍射极限，成像质量良好。

根据图5所示，本发明第二优选实施例是0.4～0.7μm可见光波段的线性双组联动型连续变焦光学系统，系统变焦比M＝5、短焦焦距为20mm、系统F数为4、像高6mm,该系统应用于搜索瞄准的电视装置。由高斯光学外形尺寸计算得到各组份的焦距值F1、F2、F3、F4、F5，变焦光学系统在短焦位置的各组份之间的主面间隔d10、d20、d30、d40参见表4。

表4

两个变焦透镜组从短焦位置移动到长焦位置的移动距离L1＝38.253mm，补偿透镜组从短焦位置移动到长焦位置的移动距离L2＝65.201mm，N＝4。

本发明第二优选实施例各组份的结构参数参见表5。

表5

变焦位置与各组份可变表面间隔数据参见表6。

表6

表5中P1为前固定透镜组到第一变焦透镜组的表面间隔，P2为第一变焦透镜组到补偿透镜组的表面间隔，P3为补偿透镜组到第二变焦透镜组的表面间隔，P4为第二变焦透镜组到后固定透镜组的表面间隔。以上四个参数是分别根据相邻组份像方主面与物方主面的间隔D1(i)、D2(i)、D3(i)、D4(i)对应换算得出的。

由图6～图7可知，本实施例中各运动组份的运动规律为线性，该系统的最大像面位移量为0.04mm，小于该系统的焦深0.0448mm，不影响系统成像质量；经过CODEⅤ软件模拟该系统MTF曲线接近衍射极限，成像质量良好。

当变焦比大于5倍时，像面位移量变大造成像质难以满足使用要求，因此补偿透镜组需要改为非线性运动才能满足要求。

Claims (3)

1.一种线性双组联动连续变焦光学系统，由依次排列的前固定透镜组(1)、第一变焦透镜组(2)、补偿透镜组(3)、第二变焦透镜组(4)以及含有孔径光阑的后固定透镜组(5)这五个组份组成，前固定透镜组(1)面对物方，后固定透镜组(5)面对像方，其特征在于：所述线性双组联动连续变焦光学系统的变焦比大于1小于等于5，第一变焦透镜组(2)和第二变焦透镜组(4)在变焦过程中做同步同方向运动，两者的光焦度完全一致并与所述前固定透镜组(1)的光焦度符号相反，补偿透镜组(3)的光焦度符号与前固定透镜组(1)的光焦度符号相同；在变焦过程中，补偿透镜组(3)与第一变焦透镜组(2)或第二变焦透镜组(4)的运动方向相反，且相邻组份之间的间隔满足以下关系式：

D1(i)＝d10+DL1×i(1)

D2(i)＝d20-DL2×i(2)

D3(i)＝d30+DL2×i(3)

D4(i)＝d40-DL1×i(4)

$DL1=\frac{L1}{N}---\left(5\right)$

$DL2=\frac{L2}{N}---\left(6\right)$

式中：i为变焦位置取样点数组且i＝0、1、2、……、N，2≤N≤10，当i＝0时，线性双组联动连续变焦光学系统处于短焦位置，i＝N时，线性双组联动连续变焦光学系统处于长焦位置；d10为i＝0时前固定透镜组像方主面至第一变焦透镜组物方主面的间隔，d20为i＝0时第一变焦透镜组像方主面至补偿透镜组物方主面的间隔，d30为i＝0时补偿透镜组像方主面至第二变焦透镜组物方主面的间隔，d40为i＝0时第二变焦透镜组像方主面至后固定透镜组物方主面的间隔；L1为第一变焦透镜组或第二变焦透镜组从i＝0到i＝N时的移动距离，L2为补偿透镜组从i＝0到i＝N时的移动距离，DL1为第一变焦透镜组或第二变焦透镜组从i到i+1或从i到i-1位置的移动量,DL2为补偿透镜组从i到i+1或从i到i-1位置的移动量；在不同变焦位置处，D1(i)为前固定透镜组像方主面至第一变焦透镜组物方主面的间隔，D2(i)为第一变焦透镜组像方主面至补偿透镜组物方主面的间隔，D3(i)为补偿透镜组像方主面至第二变焦透镜组物方主面的间隔，D4(i)为第二变焦透镜组像方主面至后固定透镜组物方主面的间隔。

2.根据权利要求1所述的线性双组联动连续变焦光学系统，其特征在于：所述线性双组联动连续变焦光学系统的变焦比等于2，前固定透镜组(1)的焦距值为F1＝200mm,第一变焦透镜组(2)的焦距值为F2＝-85.222,补偿透镜组(3)的焦距值为F3＝106.695,第二变焦透镜组(4)的焦距值为F4＝-85.222,后固定透镜组(5)的焦距值为F5＝25.3,d10＝20mm,d20＝66.851mm,d30＝20mm,d40＝38.149mm,L1＝18.15mm,L2＝28.702mm，N＝2。

3.根据权利要求1所述的线性双组联动连续变焦光学系统，其特征在于：所述线性双组联动连续变焦光学系统的变焦比等于5，前固定透镜组(1)的焦距值为F1＝200mm,第一变焦透镜组(2)的焦距值为F2＝-74.224mm，补偿透镜组(3)的焦距值为F3＝108.911，第二变焦透镜组(4)的焦距值为F4＝-74.224mm，后固定透镜组(5)的焦距值为F5＝34.724，d10＝30mm，d20＝123.442mm,d30＝20.000mm，d40＝58.253mm，L1＝38.253mm，L2＝65.201mm,N＝4。