CN107357027B - 一种耦合成像光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种耦合成像光学系统，包括沿光轴由物侧至像侧依次设置的液晶屏、转像物镜组、扩束镜和光学耦合主物镜；本发明耦合成像光学系统通过增大视场角，增加出曈孔径和出曈距，来扩大光学成像系统的拍摄视野范围。

Description

一种耦合成像光学系统
技术领域
本发明涉及光学镜头技术领域，特别是涉及一种耦合成像光学系统。
背景技术
目前，公知的在一些光学系统上面设计那些小视场、小孔径和短焦距的光学系统是比较容易实现的，但是这些范围参数比较小的光学系统往往有的时候并不能满足指标要求，所以在一定程度上大视场、大孔径和长焦距的光学镜头是更为合适的，但同样设计难度也是较大的。孔径和视场大容易造成镜片中心厚度加大，畸变过大，对后期系统成像质量有很大影响。焦距f越小，则F#越小，会为光学设计增加难度，使整个光学系统复杂化，但是焦距f越大，光学系统总长也会增加。随着视场的增大，视场边缘的照相对于视场中心将明显下降。
因此，需要提供一种新光学系统，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种大视场、大孔径且出瞳在外的光学成像系统。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种耦合成像光学系统，包括沿光轴由物侧至像侧依次设置的液晶屏、转像物镜组、扩束镜和光学耦合主物镜；
所述转像物镜组包括由物侧至像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜；
所述光学耦合主物镜包括由物侧至像侧依次设置的第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜、第十六透镜、第十七透镜和第十八透镜；
所述第一透镜具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第二透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第三透镜具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第四透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凹面；
所述第五透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第六透镜具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凹面；
所述第七透镜具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第八透镜具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第九透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为平面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第十透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为为凹面；
所述第十一透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为平面，像侧表面于光轴区域为凹面；
所述第十二透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为为凸面；
所述第十三透镜具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第十四透镜具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为平面；
所述第十五透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为平面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第十六透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第十七透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凹面；
所述第十八透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凹面，其物侧表面或像侧表面至少存在一个反曲点。
优选地，所述扩束镜上镀制与光学耦合主物镜照度分布互补的匀光膜。
优选地，该系统采用折射式光学结构设计，采用二次成像，光学系统能够提供400nm～900nm波段的微光目标、不同场景的动态图像，光学系统出瞳在外，光学畸变在3％以内。
本发明的有益效果如下：
本发明耦合成像光学系统通过增大视场角，增加出曈孔径和出曈距，来扩大光学成像系统的拍摄视野范围。
本发明具有以下两点有益效果，首先，由于转像物镜的像方数值孔径小于光学耦合主物镜的输入数值孔径，必须经过扩束才能使光线均匀充满光学耦合成像系统的出瞳，因此，本发明中增加扩束镜使光线充满光学耦合成像系统的出瞳。
由于本系统的视场角达40.3°×30.2°，视场边缘的照度与视场中心的照度成半视场角余弦的4次方倍下降，如不采取措施，将无法实现像面照度均匀性大于90％的技术指标。本发明通过在扩束镜的一个光学表面上镀制匀光膜，使扩束镜的透过率曲线与像面照度分布曲线互补，从而实现输出能量的均匀性要求。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明的结构示意图。
图2示出本发明中耦合成像光学系统的球差曲线图。
图3示出本发明中耦合成像光学系统的畸变场曲线图。
图4示出本发明中各镜片的参数。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示的耦合成像光学系统，包括沿光轴由物侧至像侧依次设置的
液晶屏100、转像物镜组200、扩束镜300和光学耦合主物镜400，转像物镜组200包括由物侧至像侧依次设置的第一透镜201、第二透镜202、第三透镜203、第四透镜204、第五透镜205、第六透镜206、第七透镜207、第八透镜208、第九透镜209和第十透镜210，光学耦合主物镜400包括由物侧至像侧依次设置的第十一透镜401、第十二透镜402、第十三透镜403、第十四透镜404、第十五透镜405、第十六透镜406、第十七透镜407和第十八透镜408；
第一透镜201具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凸面；
第二透镜202具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凸面；
第三透镜203具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凸面；
第四透镜204具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凹面；
第五透镜205具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凸面；
第六透镜206具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凹面；
第七透镜207具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凸面；
第八透镜208具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凸面；
第九透镜209具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为平面，像侧表面于光轴区域为凸面；
第十透镜210具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为为凹面；
第十一透镜401具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为平面，像侧表面于光轴区域为凹面；
第十二透镜402具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为为凸面；
第十三透镜403具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凸面；
第十四透镜404具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为平面；
第十五透镜405具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为平面，像侧表面于光轴区域为凸面；
第十六透镜406具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凸面；
第十七透镜407具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凹面；
第十八透镜408具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凹面，其物侧表面或像侧表面至少存在一个反曲点。
本发明成像光学耦合系统的工作原理是：液晶屏100生成的图像经转像物镜前组准直成平行光，其出瞳与转像物镜后组耦合；转像物镜后组将转像物镜前组的准直像准确成像于其后焦面处的扩束镜300上，其出瞳与光学耦合主物镜400的入瞳耦合；扩束镜300将成像于其表面的液晶屏像均匀扩束，经光学耦合主物镜准直为平行光，且经扩束后的各视场光线均匀充满系统出瞳。
本发明的光学系统克服现有的系统在视场、孔径和出瞳距方面的不足，提供一种大孔径、大视场、且出瞳距在外的光学耦合成像系统，主要应用在成像系统的视场≧40°×30°、对角线≧50°、出瞳直径≧Φ25mm、出瞳距≧60mm的成像光学耦合系统。由于光学耦合主物镜的视场角高达视场≧40°×30°、对角线≧50°，随着视场的增大，视场边缘的照度对于视场中心将明显下降。本发明进一步通过在扩束镜300上镀制与光学镜头照度分布互补的匀光膜，提高视场边缘的照度。
本发明光学系统能够提供400nm～900nm波段的微光目标、不同场景的动态图像，光学系统出瞳在外，光学畸变在3％以内，可以按折射光学结构设计。光学耦合主物镜400光学参数为像方数值孔径为0.176，则要求转像物镜组200物方NA≥0.176×4.9＝0.861，如按此要求设计，转像物镜组200前组为一超大数值孔径、超长工作距离的光学系统，几乎是无法实现的，同时照明也很难实现。此外，液晶屏100的最大数值孔径为0.25，也就是说，即使转像物镜组200的物方NA可实现，也无法有效发挥作用。
因此，如图2-3所示，本实施例选定转像物镜组200的物方NA＝0.165，在中间像处设置一扩散角为21°(对应的数值孔径为0.182)的扩束镜300，这样即满足了充满光学耦合主物镜400出瞳的数值孔径要求，大大提高了本方案的可实施性。
如图4所示各个镜片的参数，本发明光学耦合系统的工作波段为400nm～900nm波段，目前国内的光学玻璃在380nm～930nm波段均有较高的透过率，冕牌玻璃折射率低、色散小，可以作为系统中的正透镜；火石玻璃折射率大、色散大，可以作为系统中的负透镜。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (2)

1.一种耦合成像光学系统，其特征在于，包括沿光轴由物侧至像侧依次设置的液晶屏、转像物镜组、扩束镜和光学耦合主物镜；
所述转像物镜组包括由物侧至像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜；
所述光学耦合主物镜包括由物侧至像侧依次设置的第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜、第十六透镜、第十七透镜和第十八透镜；
所述第一透镜具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第二透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第三透镜具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第四透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凹面；
所述第五透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第六透镜具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凹面；
所述第七透镜具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第八透镜具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第九透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为平面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第十透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为为凹面；
所述第十一透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为平面，像侧表面于光轴区域为凹面；
所述第十二透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为为凸面；
所述第十三透镜具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第十四透镜具有负屈折力，其物侧表面于光轴区域为凹面，像侧表面于光轴区域为平面；
所述第十五透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为平面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第十六透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凸面；
所述第十七透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凹面；
所述第十八透镜具有正屈折力，其物侧表面于光轴区域为凸面，像侧表面于光轴区域为凹面，其物侧表面或像侧表面至少存在一个反曲点；
所述扩束镜上镀制与光学耦合主物镜照度分布互补的匀光膜。
2.根据权利要求1所述的耦合成像光学系统，其特征在于，该系统采用折射式光学结构设计，采用二次成像，光学系统能够提供400nm～900nm波段的微光目标、不同场景的动态图像，光学系统出瞳在外，光学畸变在3％以内。
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