CN106019542A - 宽波段多用途连续变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽波段多用途连续变焦光学系统，包括驱动机构和光阑，还包括从自左向右依次排列的前固定组、变倍组、补偿组、光阑和后固定镜组；前固定组的左侧为物面，后固定镜组的右侧为所述光学系统的焦面；所述驱动机构驱动变倍组、补偿组在所述光学系统光轴方向前后直线移动实现连续变焦；所述前固定组、变倍组、补偿组、光阑和后固定镜组的中心轴线同轴；光阑与补偿组和后固定镜组之间均存在间隔；本发明采用材料较少，体积小巧，结构紧凑，无需手动调焦，能有效消除宽波段中波段间与波段内色差，并且焦距可以连续变化的宽波段大相对孔径多用途连续变焦光学系统。

Description

宽波段多用途连续变焦光学系统

技术领域

本发明涉及一种宽波段的连续变焦光学系统。具体而言，本发明涉及一种包含可见光0.4μm～0.7μm、近红外0.7μm～1.0μm和短波红外1.0μm～1.7μm三个波段，且兼具连续变焦功能的光学系统设计。

背景技术

可见光成像探测是对目标反射辐射的探测，具有成本低、图像分辨率高、可获得目标色彩信息、目标对比度强等优点，但可见光波段环境适应性差，在低照度、夜晚、有云雾等条件下不能有效工作，不能满足某些军事民用领域中对环境适应性的要求。近红外和短波红外成像探测主要是对目标反射辐射的探测，工作原理类似于可见光成像探测，基于目标或背景的表面反射率差进行成像探测，可以复现室温景物表面反射率差所形成的可见光图像的大部分细节，而且自然环境中反射光能量在该波段要明显高于可见光波段，对于非阴影区，在傍晚、夜晚等低照度条件下，可利用该波段实现成像探测；而且，当反射辐射能量较低时，还可对目标采用近红外或短波红外激光照明，进行主动红外成像探测。另外，短波红外较之可见光或近红外波段具有更佳优良的大气透过特性，使得短波红外探测具有较好的微光夜视能力、云雾和烟雾穿透能力，这些特点意味着更远的工作距离及更好的全天候工作能力，可以在某些领域(如无人机光电载荷、车载舰载光电载荷、单兵侦察设备等)补充或替代成本高昂、分辨率偏低的中长波红外成像探测装备。

可见光-近红外-短波红外宽波段成像光学系统集成了可见光成像与短波红外成像各自的优点，具有好的全天候工作能力及光谱分辨能力。InGaAs探测器的逐渐成熟也使得集成有宽波段成像探测能力的光电装备，不仅可以实现对目标的高分辨宽光谱成像探测，相对于传统采用像增强器的近红外微光夜视装备图像传输困难的问题，还可以实现图像实时回传，满足战场指挥、战略部属等需要。这些都对可见光-近红外-短波红外宽波段成像光学系统的设计实现提出了迫切需求。

现有技术中采用宽波段共光路连续变焦系统设计主要是透射式系统和反射式系统。在采用透射元件的宽波段设计中，由于涉及到多个波段，其波段间的色差和波段内的色差较难同时消除。对于短焦距，或是在很小的相对孔径，或较小光谱范围工作的光学系统，可以从已有国内外的镜头手册和专利库中，选出除了光谱范围以外与设计要求相似的光学系统，在此基础上调换玻璃，一般较容易实现。然而对于长焦距宽光谱段的光学系统，在初始结构选型之后的焦距缩放，对已校正好像差的光学系统的影响是非常大的，并且尽管凭借着现代光学设计软件计算速度上的优势，在此基础上不断更换玻璃，以达到在宽光谱段内实现高质量的像质，但在方法上具有一定的盲目性，而且实践证明很不容易成功。连续变焦光学系统通常兼具短焦大视场侦察与长焦窄视场分辨功能，就使得相应宽波段连续变焦光学系统的设计变得更为困难。

在采用反射元件的变焦系统设计中，现有技术多采用三反式设计结构，虽然反射式设计不存在色差及天然消热差的特性，但三反式变焦系统的设计加工、装调都较为困难，且变倍比一般较小、相对孔径一般较大。另外，反射系统的中心遮拦还会影响辐射能量利用率。因此设计出具有较小F数(F#即为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D)的宽波段连续变焦光学系统，难度较大；对于一些文献公开的宽波段大相对孔连续变焦光学系统，要么波段范围较窄、要么系统结构复杂。

2011年，刊载于中国文献《应用光学》杂志，第32卷第5期，第845～848页，题为《38x变倍比宽波段电视镜头光学系统设计》公开了一种宽波段电视镜头光学系统设计方法，其波段范围为可见光-近红外波段(0.4μm～1.0μm)；中国专利CN 202975461U、CN 102722017A等也公开了几种可见光-近红外宽波段(0.4μm～1.0μm)连续变焦光学系统的设计。但参考2015年，刊载于中国文献《光学学报》杂志，第35卷第8期，第0822007页，题为《0.4～1.7μm宽波段大相对孔径光学系统设计》中对常光学玻璃材料在宽波段范围不同波段色散特性差异的论述，可知上述文献或专利中报道的镜头均受制于各镜头光学结构及所采用的光学玻璃材料，难于将文献中各自设计扩展到更宽的工作波段范围。

2012年，刊载于中国文献《红外与激光工程》，第41卷第6期，第1581-1586页，题为《新型离轴反射式变焦光学系统设计》报道了一种反射宽波段连续变焦光学系统。该系统工作F数为4，波段范围为450nm-850nm,焦距范围为300mm-1200mm，变倍比为4，三片反射镜皆采用高次非球面的设计，各反射镜离轴的设计还克服了传统反射式变焦系统中存在的中心遮拦。由于反射式光学系统本身无色差的优势，该系统可在0.4μm～1.7μm宽波段范围工作，经过适当的缩放，该系统也可在更短焦距范围进行连续变焦工作，但受制于当前国内外对离轴反射镜的加工能力及对离轴三反系统的装调水平，使得该系统在具体的工作实现当中存在较大困难。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种采用材料较少，体积小巧，结构紧凑，无需手动调焦，能有效消除宽波段中波段间与波段内色差，并且焦距可以连续变化的宽波段大相对孔径多用途连续变焦光学系统。

本发明的技术解决方案如下：

宽波段多用途连续变焦光学系统，包括驱动机构和光阑，其特殊之处在于：

还包括从自左向右依次排列的前固定组2、变倍组3、补偿组4、光阑5和后固定镜组6；前固定组2的左侧为物面，后固定镜组6的右侧为所述光学系统的焦面；

所述驱动机构驱动变倍组3、补偿组4在所述光学系统光轴方向前后直线移动实现连续变焦，即通过调节变倍组3和补偿组4的间隔实现整个光学系统焦距的连续变化；

所述前固定组2、变倍组3、补偿组4、光阑5和后固定镜组6的中心轴线同轴；光阑与补偿组4和后固定镜组6之间均存在间隔；

所述前固定镜组2包括自左向右中心轴线同轴排列固联的第一正透镜201、第一负透镜202和第二正透镜203；

变倍组3承担本发明的变倍功能，包括自左向右中心轴线同轴排列的第三正透镜301、第二负透镜302和第三负透镜303；

补偿组4承担本发明的补偿功能，包括自左向右中心轴线同轴排列的第四正透镜401、第五正透镜402和第四负透镜403；

后固定镜组6包括自左向右中心轴线同轴排列的由第五负透镜601、第六正透镜602、第六负透镜603、第七正透镜604和第七负透镜605，后固定镜组的这种结构能够用来校正宽波段连续变焦光学系统的残余波段内与波段间色差，同时对残余的场曲、畸变等轴外像差进行校正。

上述第一正透镜201、第一负透镜202和第二正透镜203顺次排列。

设所述第一正透镜201对d线的阿贝数vd201,设所述第一负透镜202对d线的阿贝数为vd202时，vd201和vd202满足以下条件式：

Vd201>75；

Vd202<40；

能够保证整个前固定镜组2具有较小的残余波段间色差和波段内色差，对跨全变倍区域地相对于从可见光区域到短波红外光区域的光而产生的色差良好地进行校正。

设所述变倍组3的焦距为f3,设所述宽波段多用途连续变焦光学系统长焦端焦距为fl，设所述第三正透镜对d线的阿贝数为vd301，fl、f3和vd301满足以下条件式：

3.8<|fl/f3|<5；

Vd301<26；

变倍组3，能够对与大口径化相伴而生的像差良好地进行校正，保证光学系统变焦迅速，并且能对跨全变倍区域的从可见光区域到近红外光区域的光产生的色差更好地进行校正。

设所述补偿组4的焦距为f4，设所述第4正透镜401对d线的阿贝数为vd401，所述fl、f4和vd401满足以下条件式：

4.3<|fl/f4|<5.5；

vd401>80；

能够保证补偿镜组4运动平缓迅速，特别是能对短焦端中的彗差和色差的更好地进行校正。

变倍组和补偿组采用的材料组合皆具有较小的波段间色散能力与波段内色散能力，以保证整个光学在连续变焦过程中均具有小的波段内与波段间色差。

设与所述补偿镜组4变倍相伴的从短焦端到长焦端的移动量为Dt3，设宽波段多用途连续变焦光学系统总长为TOTL时，满足以下的条件式：

12<TOTL/Dt3<18；

能够维持高的光学性能，并能够实现光学系统的小型化。

上述光阑为固定式机械光阑或可变光阑；采用固定式机械光阑可保证整个变焦成像光学系统在变焦过程中相对孔径恒定，采用可变光阑实现整个变成像光学系统在各视场处相对孔径的连续变化，以实现光学系统成像景深范围的连续变化。

本发明相比于现有技术具有如下有效果：

通过透镜材料按本发明的技术方案进行配对组合，配合变倍组3与补偿组4轴向位置的连续变化，能够实现同时消色差的宽波段共光路连续变焦成像的功能；

本发明具有宽的工作波段范围，能有效消除宽波段中波段间与波段内色差，并能通过焦距的连续变化对远近不同目标实现宽波段清晰成像；结合各个透镜焦距的设计，使得本发明具有较小的体积、较轻的重量和较大的相对孔径、且能够实现更大的变倍比的特点。

本发明光学结构针对可见到短波红外宽波段范围(包含可见光0.4μm～0.7μm、近红外0.7μm～1.0μm和短波红外1.0μm～1.7μm三个波段)，常温下，在焦距范围25mm～150mm范围内，只需通过相应的凸轮套筒机构或直线电机驱动机构按一定规律改变变倍组3与补偿组4之间间隔，即可实现对远近不同景物的清晰成像。在0.4μm～1.7μm宽波段范围内，同时消除了各波段间色差和各自波段内色差。0.4μm～1.7μm宽波段连续变焦光学系统使一个光学系统兼具多种波段的探测能力及远近不同目标的成像探测能力，能够有效实现探测手段的小型化轻量化和集成化，同时也能减轻光学调试的难度。

本发明光学结构能够针对可见到短波红外宽波段范围，在-45℃～60℃的温度范围内，对远近不同景物成像时，只需微小移动后固定镜组中任一组元，均可保证成像清晰，各视场的调制传递函数MTF都能保持截止频率为34lp/mm时在0.55以上。

本发明采用光阑5位于后固定组6与补偿组4之间，并与固定组6和补偿组4之间均具有一定的光学间隔，使得光学系统具有类对称的结构设计，利于畸变、倍率色差轴外像差的消除。这种类对称的结构设计，结合消除波段间色差和消各自波段内色差能力较强的材料配对组合，使得所述光学系统具有较好畸变特性及色差较正特性；也使得本发明连续变焦光学系统可以采用固定式光阑实现对远近不同景物的大相对孔径连续成像，也可采用可变光阑实现对成像景深范围的主被动连续调节。

本发明通过弯曲关键表面与镀制宽波段减反膜的方法，所涉及的光学系统在各视场都具有较好的鬼像抑制特性。鬼像是杂散光的一种，是由成真实像的光线在工作表面经过偶数次反射产生在像面的像。对于成像光学系统，鬼像会增加像面上的噪声，降低像面的对比度和光学系统的光学传递函数。

本发明适用于各类各类光电瞄准吊舱和转塔、军警民用监控、搜索与跟踪瞄准、多光谱成像分析等用途。

附图说明

图1是本发明短焦状态的结构示意图；

图2是本发明中焦状态的结构示意图；

图3是本发明长焦状态的结构示意图；

图中：2前固定组，3变倍组，4补偿组，5光阑，6后固定组，7焦面。

具体实施方法

为了进一步清楚阐述本技术方案的特点，下面提供具体实施方式并与附图相结合，对本发明进行说明，但不应当将其理解为对本发明的限定。

图1描述了宽波段连续变化焦光学系统透镜结构一个最佳实施例。在图1的宽波段连续变焦光学系统中，所述透镜结构主要包括：从物面到焦面7依次排列固联的前固定组2、变倍组3、补偿组4、光阑5和后固定镜组6，构成完整的成像系统。

其中，前固定组2由间距恒定的第一正透镜201、第一负透镜202和第二正透镜三片式三分离透镜组组成。如此，在光学系统的最靠物面侧，能够配置具有较长焦距且具有正的折射力前固定镜组2，有利于光学系统的小型化。

优选地，设所述第一正透镜201对d线的阿贝数vd201,设所述第一负透镜202对d线的阿贝数为vd202时，vd201和vd202满足以下条件式：

Vd201>75；

Vd202<40；

条件式(1)以及条件式(2)是规定前固定镜组2对从可见光区域到短波红外光区域的光产生的色差良好地进行校正的条件的式子。能够保证整个前固定镜组2具有较小的残余波段间色差和波段内色差，对跨全变倍区域地相对于从可见光区域到短波红外光区域的光而产生的色差良好地进行校正。

变倍组3包括自左向右中心轴线同轴排列的第三正透镜301、第二负透镜302和第三负透镜303；

优选地，设所述变倍组3的焦距为f3,设所述宽波段多用途连续变焦光学系统长焦端焦距为fl，设所述第三正透镜对d线的阿贝数为vd301，fl、f3和vd301满足以下条件式：

3.8<|fl/f3|<5；

Vd301<26；

变倍组3，能够对与大口径化相伴而生的像差良好地进行校正，保证光学系统变焦迅速，并且能对跨全变倍区域的从可见光区域到近红外光区域的光产生的色差更好地进行校正。

补偿组4包括自左向右中心轴线同轴排列的第四正透镜401、第五正透镜402和第四负透镜403；所述第五正透镜402和第四负透镜403相胶合构成第一胶合透镜组；

优选地，设所述补偿组4的焦距为f4，设所述第4正透镜401对d线的阿贝数为vd401，所述fl、f4和vd401满足以下条件式：

4.3<|fl/f4|<5.5；

vd401>80；

能够保证补偿镜组4运动平缓迅速，特别是能对短焦端中的彗差和色差的更好地进行校正。

变倍组和补偿组采用的材料组合皆具有较小的波段间色散能力与波段内色散能力，以保证整个光学在连续变焦过程中均具有小的波段内与波段间色差。

优选地，设与所述补偿镜组4变倍相伴的从短焦端到长焦端的移动量Dt3，设变焦光学系统总长为TOTL时，满足以下的条件式：

12<TOTL/Dt3<18；

能够维持高的光学性能，并能够实现光学系统的小型化。

后固定组6含五片透镜，采用第五负透镜601、第六正透镜602胶合，第六负透镜603第七正透镜第七负透镜组成。承担变焦光学系统变倍功能的变倍组3由第三正透镜、第二负透镜和第三负透镜的三分离透镜组配对组合；承担光学系统补偿功能的补偿组4由第四正透镜和第五正透镜和第四负透镜组成；本发明中透镜的中心轴线同轴。

优选地，所述后固定镜组6由三个分离光学元件沿光轴依次排列组成，各元件顺次分别具有由正、负、正光焦度，主要用来校正宽波段连续变焦光学系统的残余波段内与波段间色差，同时对残余的场曲、畸变等轴外像差进行校正。

本发明的优选实施例

前固定组2：第一正透镜201的焦距为119.30mm、采用氟冕牌玻璃HFK61，第一负透镜202焦距约-95.58mm，采用镧火石玻璃HLAF50B，第二正透镜203的焦距为154.31mm，采用氟冕牌玻璃HFK61。

变倍组3：第三正透镜301的焦距为56.72mm，采用重火石玻璃HZF3；第二负透镜302的焦距为-52.15mm，采用冕牌玻璃HK9L；第三负透镜303的焦距为-34.16mm，采用镧火石玻璃HLAF3B。

补偿组4：第四正透镜401的焦距为47.65mm，采用氟冕牌玻璃HFK61；第一胶合透镜组的焦距为73.78mm；构成第一胶合透镜组第五正透镜402和第四负透镜403的材料分别采用氟冕牌玻璃HFK61和重火石玻璃HZF3；

光阑3位于后固定组6和补偿组4的之间，使得光学系统具有较好的对称性，以利于畸变、彗差、倍率色差等像差的消除。

后固定组6共含三组光学元件，

第二胶合透镜组的焦距为856.59mm，构成第二胶合透镜组的第五负透镜601和第六正透镜602分别采用冕牌玻璃HK9L和氟冕牌玻璃HFK61；第六负透镜603的焦距为-38.38mm，采用重火石玻璃HZF3；第三双胶合透镜组的焦距为66.27mm，构成第三双胶合透镜组的第七正透镜604和第七负透镜605分别采用重火石玻璃HZF3和镧火石玻璃HLAF3B。

镜筒材料采用线膨胀系数为236×10^-7/K的铝合金材料，采用机电主动消热差技术，可保证光学系统在-45℃～60℃的温度范围内的成像质量。当然，本设计还可以采用其它热膨胀系数更低或更高的镜筒材料，采用本光学结构对镜片的曲率半径、厚度和镜片间隔等进行修改，则可在高低温下获得与本发明相近或更为优良的光学性能。

本实施例中，冕牌玻璃HK9L可由BSC7或S-BSL7或N-BK7代替，或其它力学热学性质优良的材料代替；氟冕牌玻璃HFK61可由FCD1或S-FPL51或N-PK52A代替；镧火石玻璃HLAF3B可由LAF2或S-LAM2或N-LAF2代替；重火石玻璃HZF3可由E-FD1或S-TIH1或N-SF1代替；镧火石玻璃HLAF50B可由TAF1或S-LAH66或N-LAF34代替。另外，本发明采用的光学玻璃材料也可由其它对应牌号或折射率色散特性相近的光学玻璃或其它特种材料替换。此时只需对本光学结构中各镜片的曲率半径、厚度、镜片间隔等进行修改，即可在高低温下获得与本发明相近或更为优良的光学性能。

本发明的优选实施例将该光学设计结构应用于0.4μm～1.7μm宽波段焦平面探测器上，像元尺寸为15μm×15μm，对角线长度为12.28mm，像元数为640×512，实例采用光圈数F#4，焦距范围为25mm～150mm，从物面到焦面7依次排列前固定组2、变倍组3、补偿组4、光阑5和后固定镜组6，以及焦面7。当对在对远近不同景物成像时，在-45℃～60℃温度范围内，通过微小移动后固定镜组6中任一组元，均可保证成像清晰。

本实施例中，能够满足：从前固定组201靠近物面一侧的面到像面7的总长小于205mm，各透镜最大口径约70mm，焦距可在25mm～150mm间连续变化，光圈数F#4恒定不变。其中，相对孔径为焦距与入瞳口径之比，为光圈数F#的倒数。因此具有较小的体积、较轻的重量和较大的相对孔径。

以上利用实施实例对本发明的描述，其意图是示例性的，不对本发明的保护范围起限制作用。因此，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明所提出的权利要求范围的条件内，可对所描述的本发明进行特征替换或修改。

Claims (6)

1.宽波段多用途连续变焦光学系统，包括驱动机构和光阑，其特征在于：

还包括从自左向右依次排列的前固定组(2)、变倍组(3)、补偿组(4)、光阑(5)和后固定镜组(6)；前固定组(2)的左侧为物面，后固定镜组(6)的右侧为所述光学系统的焦面；

所述驱动机构驱动变倍组(3)、补偿组(4)在所述光学系统光轴方向前后直线移动实现连续变焦；

所述前固定组(2)、变倍组(3)、补偿组(4)、光阑(5)和后固定镜组(6)的中心轴线同轴；光阑与补偿组(4)和后固定镜组(6)之间均存在间隔；

所述前固定镜组(2)包括自左向右中心轴线同轴排列固联的第一正透镜(201)、第一负透镜(202)和第二正透镜(203)；

变倍组(3)包括自左向右中心轴线同轴排列的第三正透镜(301)、第二负透镜(302)和第三负透镜(303)；

补偿组(4)包括自左向右中心轴线同轴排列的第四正透镜(401)、第五正透镜(402)和第四负透镜(403)；所述第五正透镜(402)和第四负透镜(403)相胶合构成第一胶合透镜组；

后固定镜组(6)包括自左向右中心轴线同轴排列的由第五负透镜(601)、第六正透镜(602)、第六负透镜(603)、第七正透镜(604)和第七负透镜(605)。

2.根据权利要求1所述的宽波段多用途连续变焦光学系统，其特征在于：

设所述第一正透镜(201)对d线的阿贝数vd201,设所述第一负透镜(202)对d线的阿贝数为vd202时，vd201和vd202满足以下条件式：

Vd201>75；

Vd202<40。

3.根据权利要求2所述的宽波段多用途连续变焦光学系统，其特征在于：

设所述变倍组(3)的焦距为f3,设所述宽波段多用途连续变焦光学系统长焦端焦距为fl，设所述第三正透镜(301)对d线的阿贝数为vd301，fl、f3和vd301满足以下条件式：

3.8<|fl/f3|<5；

Vd301<26。

4.根据权利要求1或2或3所述的宽波段多用途连续变焦光学系统，其特征在于：

设所述补偿镜组(4)的焦距为f4，设所述第4正透镜(401)对d线的阿贝数为vd401，所述fl、f4和vd401满足以下条件式：

4.3<|fl/f4|<5.5；

vd401>80。

5.根据权利要求4所述的宽波段多用途连续变焦光学系统，其特征在于：

设与所述补偿镜组(4)变倍相伴的从短焦端到长焦端的移动量为Dt3，设宽波段多用途连续变焦光学系统总长为TOTL时，Dt3和TOTL满足以下的条件式：

12<TOTL/Dt3<18。

6.根据权利要求5所述的宽波段多用途连续变焦光学系统，其特征在于：所述光阑为固定式机械光阑或可变光阑。