CN106772963A - 全球面大口径折反式连续变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全球面大口径折反式连续变焦光学系统，该系统由依次排列的含有孔径光阑的前固定组、变焦组、补偿组三个组份组成，系统变焦比大于2小于等于30。前固定组包含若干透镜和两片反射镜，其面型全部为球面。本发明省去了大口径变焦系统中前固定组的非球面反射镜，极大地降低了加工、检测成本，放松了系统公差要求，减短了生产和装调周期和难度；并且取消了一般连续变焦系统中的后固定组，缩简了系统结构形式，减小了系统总长，降低了生产成本和周期，减轻了系统重量。

Description

全球面大口径折反式连续变焦光学系统

技术领域

本发明涉及光学系统设计技术领域，主要涉及一种大口径(150mm及以上)连续变焦光学系统，尤其涉及一种前固定组由全球面双反射镜构成的无后固定组的全球面大口径折反式连续变焦光学系统。

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。连续变焦光学系统一般分为光学补偿式和机械补偿式。其中光学补偿式像面存在离焦，象质不好。

针对外场使用的变焦系统需要对远距离移动目标成像，因此采用大口径(150mm及以上)连续变焦系统。如在大口径连续变焦光学系统的前固定组使用透镜，则大口径透镜的材料均匀性、材料固有的色差等问题难以克服，不能保证光学系统的最终成像质量。一般的解决办法是前固定组采用牛顿式的一片非球面反射镜、或者RC型的非球面双反射镜，这样可以避免二级光谱像差，同时大口径的非球面反射镜与透镜相比，材料均匀性不影响成像质量，反射镜也不存在色差问题。如长春光机所王立升专利95209990.X“长焦距、大口径、连续变焦距光学系统”，前固定组采用单片牛顿式反射镜。长春光机所王建立专利申请“大口径折反式三组元连续变焦光学系统”，前固定组采用RC非球面双反射镜。

但非球面反射镜的加工、检测及装调相比球面反射镜要困难许多，公差更严，成本更高，单个非球面反射镜的加工成本约为同口径球面反射镜的10倍。非球面反射镜的加工需经粗磨、抛光、轮廓仪检测、修磨、干涉仪检测，相比球面反射镜只经粗磨、精磨、样板检验复杂了许多。RC系统的装调依赖于干涉仪和计算机辅助装调技术的使用，这大大增加了装调成本和难度。如果使用球面反射镜替换，则大大减轻了加工、检测和装调的公差要求。所以本专利提出了一种“全球面大口径折反式连续变焦光学系统”。

发明内容

为克服现有技术存在的问题，针对大口径(150mm及以上)的连续变焦光学系统，本发明提出了一种前固定组由全球面双反射镜构成的无后固定组的大口径折反式连续变焦光学系统。

本发明的技术方案为：

所述一种全球面大口径折反式连续变焦光学系统，由依次排列的含有孔径光阑的前固定组、变焦组、补偿组组成，前固定组面对物方，补偿组面对像方，其特征在于：含有孔径光阑的前固定组包含若干透镜和两片反射镜，其面型全部为球面，其光焦度为正；前固定组主、次反射镜满足：

其中R₁是主反射镜曲率半径，R₂是次反射镜曲率半径，d为主反射镜到次反射镜间距，Δ是焦点距主反射镜中心距离，α为次反射镜遮拦比，f是前固定组焦距。

进一步的优选方案，所述一种全球面大口径折反式连续变焦光学系统，其特征在于：变焦组和补偿组均由透镜构成，其面型为球面或非球面。

进一步的优选方案，所述一种全球面大口径折反式连续变焦光学系统，其特征在于：所述全球面大口径折反式连续变焦光学系统的变焦比大于2小于等于30。

进一步的优选方案，所述一种全球面大口径折反式连续变焦光学系统，其特征在于：所述全球面大口径折反式连续变焦光学系统的变焦比等于5，前固定组的焦距值F1＝889.44mm，变焦组的焦距值F2＝44.19mm，补偿组的焦距值F3＝-57.33mm。

有益效果

本发明的整体技术效果体现在：

1.运用约束公式设计出全球面大口径折反式连续变焦光学系统的前固定组。

2.利用全球面设计实现了大口径连续变焦光学系统的前固定组。极大地降低了检测及装调的公差要求，降低了生产成本和装调难度，缩短了制造、装调周期。

3.取消了一般变焦系统中的后固定组。简化了光学系统的结构形式，降低了生产成本和周期。

鉴于上述种种优势，本发明提供的全球面大口径折反式连续变焦光学系统可应用在远距离小目标的连续红外搜索跟踪装置和可见光连续搜索跟踪装置中。

附图说明

图1是本发明实施例的二维剖面图和各组分移动图。

图2是本发明实施例中变倍组和补偿组运动曲线图。

图3是本发明实施例的焦距3000mm时调制传递函数。

图4是本发明实施例的焦距1800mm时调制传递函数。

图5是本发明实施例的焦距600mm时调制传递函数。

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，本发明提供的全球面大口径折反式连续变焦光学系统的变焦比M满足如下关系：2≤M≤30。该系统由依次排列的含有孔径光阑的前固定组1、变焦组2、补偿组3三个组份组成，前固定组1面对物方，补偿组3面对像方。含有孔径光阑的前固定组1在整个变焦过程中位置保持不变，其包含若干透镜和两片反射镜，面型全部为球面，光焦度为正。变焦组2和补偿组3均由透镜构成，其面型为球面或非球面。变焦组2和补偿组3在变焦过程中做同方向或反方向直线或曲线运动，两者的光焦度符号相反，补偿组的运动是为了抵消变焦组2移动所产生的系统像面位移。为简化系统，本发明取消了一般连续变焦系统中的后固定组。

物体发出的平行光束经前固定组会聚到中间像面上，向后发散并经过变焦组和补偿组在最终像面上成像。

全球面大口径折反式连续变焦光学系统的F#是变化的，在长焦距时最大，短焦时最小。

前固定组主、次反射镜满足：

其中R₁是主反射镜曲率半径，R₂是次反射镜曲率半径，d为主反射镜到次反射镜间距，Δ是焦点距主反射镜中心距离，α为次反射镜遮拦比，f是前固定组焦距。

如图1所示，本发明优选实施例为8～12μm长波红外全球面大口径折反式连续变焦光学系统，系统变焦比M＝5、短焦焦距为600mm、系统F数为5(短焦)～10(长焦)、像高10mm，前固定组1的焦距值为F1＝889.44mm，变焦组2的焦距值为F2＝44.19，补偿组3的焦距值为F3＝-57.33mm。该系统应用于搜跟热成像装置，参数见表1。

表1

由图2～图5可知，本实施例中变倍组的运动规律为直线，补偿组的运动规律为曲线，且经过CODEⅤ软件模拟该系统MTF曲线接近衍射极限，成像质量良好。变焦组从短焦位置移动到长焦位置的移动距离为90.8mm，补偿透镜组从短焦位置移动到长焦位置的移动距离为70.6mm。

Claims (4)

1.一种全球面大口径折反式连续变焦光学系统，由依次排列的含有孔径光阑的前固定组、变焦组、补偿组组成，前固定组面对物方，补偿组面对像方，其特征在于：含有孔径光阑的前固定组包含若干透镜和两片反射镜，其面型全部为球面，其光焦度为正；前固定组主、次反射镜满足：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_1=2*\frac{\mathrm{\Δ}-\mathrm{\α}f}{1-\mathrm{\α}}\\ R_2=\frac{\mathrm{\α}f(1-\mathrm{\α})}{f+\mathrm{\Δ}-2\mathrm{\α}f}*R_1\\ d=\mathrm{\Δ}-\mathrm{\α}f\end{array}\right.$

其中R₁是主反射镜曲率半径，R₂是次反射镜曲率半径，d为主反射镜到次反射镜间距，Δ是焦点距主反射镜中心距离，α为次反射镜遮拦比，f是前固定组焦距。

2.根据权利要求1所述一种全球面大口径折反式连续变焦光学系统，其特征在于：变焦组和补偿组均由透镜构成，其面型为球面或非球面。

3.根据权利要求1所述一种全球面大口径折反式连续变焦光学系统，其特征在于：所述全球面大口径折反式连续变焦光学系统的变焦比大于2小于等于30。

4.根据权利要求1所述一种全球面大口径折反式连续变焦光学系统，其特征在于：所述全球面大口径折反式连续变焦光学系统的变焦比等于5，前固定组的焦距值F1＝889.44mm，变焦组的焦距值F2＝44.19mm，补偿组的焦距值F3＝-57.33mm。