CN107843974A - 一种环境适应性强的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学镜头领域，涉及一种环境适应性强的光学系统，尤其涉及一种结构紧凑、小型化、成像质量好，适用于较为恶劣环境的大光圈定焦光学镜头。该镜头包括6片透镜，采用反摄远结构，透镜焦距符号分别为正负正负正负，该系统无复杂面型和胶合镜，大大降低了成本和加工难度。光学系统焦距32mm，相对孔径为1/2.8，视场不小于27度，畸变优于0.6％。由于焦距较长和相对孔径较大，该系统成像性能对于温度和气压较为敏感，本发明基于理论分析温度和气压变化对光学系统性能的影响，分配光焦度、有效匹配光学材料改变透镜形状实现全被动补偿。经光学软件仿真分析，实现在真空、常压和高低温条件下MTF≧0.4@90lp/mm，具有良好的成像性能，具有较高的环境适应性。

Description

一种环境适应性强的光学系统

技术领域

本发明属于光学镜头领域，涉及一种环境适应性强的光学系统，尤其涉及一种结构紧凑、小型化、成像质量好，适用于较为恶劣环境的大光圈定焦光学镜头。

背景技术

随着现代科学技术的不断发展，大部分摄像装置，尤其是应用在军事领域和空间的光学仪器，对其光学系统成像质量及环境适应性的要求越来越高，一般都要求其能适应较宽的环境气压和温度范围。

环境影响主要考虑温度和气压对光学系统成像质量的改变。温度和气压的变化都会导致光学镜片的特性变化，引起像面偏离设计相面，使光学系统像点在探测器上形成弥散斑，直接导致像质恶化，分辨率降低。温度变化时玻璃材料的折射率和阿贝系数将会随之发生较大变化，加上镜片的热胀冷缩导致其几何尺寸(诸如曲率半径、厚度、外径和空气间隔等)发生变化；气压变化主要导致折射率和阿贝系数改变。

环境适应性设计要求在极端环境条件下保证光学系统具有稳定的成像质量，目前主要有3种手段：光学被动式、机电主动式和机械被动式。机电主动式和机械被动式主要采用微电机、温度位置传感器和控制电路以及镜筒材料的匹配等非光学手段来补偿环境变化对光学系统的影响，但其结构复杂，可靠性差，且有滞后效应。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构紧凑、重量轻、成像质量好和环境适应性强的光学被动式光学系统，即通过光学材料和镜面参数的合理匹配，完成对温度变化的补偿，其具有较高的地面、空间环境适应性。

本发明的技术解决方案是提供一种环境适应性强的光学系统，其特殊之处在于：包括沿光线入射方向依次同轴排布的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜、第四正透镜和第二负透镜；

上述第一正透镜的焦距与系统总焦距f比值的绝对值小于0.3；

上述第二正透镜的焦距与系统总焦距f比值的绝对值小于2；

上述第一负透镜的焦距与系统总焦距f比值的绝对值小于0.1；

上述第三正透镜的焦距与系统总焦距f比值的绝对值小于0.2；

上述第四正透镜的焦距与系统总焦距f比值的绝对值小于4；

上述第二负透镜的焦距与系统总焦距f比值的绝对值小于3。

优选地，上述第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第三正透镜、第四正透镜和第二负透镜均为球面镜。

优选地，上述第一正透镜的材料为H-LAK3；上述第二正透镜和第三正透镜的材料均为H-LAK53A；上述第一负透镜和第四正透镜的材料均为H-ZF52A；上述第二负透镜的材料为H-ZF1。上述材料均为常用廉价材料。

优选地，上述第一正透镜的通光孔径为18～20mm，厚度为4～6mm；

上述第二正透镜的通光孔径为11～13mm，厚度为4～6mm；

上述第一负透镜的通光孔径为8～10mm，厚度为3～4mm；

上述第三正透镜的通光孔径为11～13mm，厚度为4～6mm；

上述第四正透镜的通光孔径为12～14mm，厚度为4～6mm；

上述第二负透镜的通光孔径为12～14mm，厚度为5～7mm。

优选地，上述第一正透镜的通光孔径为19mm，厚度为5mm；

上述第二正透镜的通光孔径为12mm，厚度为5mm；

上述第一负透镜的通光孔径为9mm，厚度为3.5mm；

上述第三正透镜的通光孔径为12mm，厚度为5mm；

上述第四正透镜的通光孔径为13mm，厚度为5mm；

上述第二负透镜的通光孔径为13mm，厚度为6mm。

优选地，为了保证足够的对象面调整空间，上述第二负透镜的光线出射面的中心距像面的距离为7.1mm。

优选地，该系统的f＝32mm，F数为2.8。

优选地，该光学系统的尺寸为

本发明的有益效果是：

1、该光学系统的焦距为32mm，F数为2.8，通过分配光焦度及有效匹配光学材料，改变透镜形状，实现全被动补偿；在真空、常压和高低温条件下MTF≧0.4@90lp/mm，具有良好的成像性能及较高的环境适应性，实现了对恶劣环境的适应性；

2、该光学系统共用六片透镜，结构简单，便于装配；

3、光学镜头中透镜均采用球面镜无复杂面型，加工简单；

4、该光学系统尺寸为φ19.6×43，满足小型化设计。

附图说明

图1是本发明提供的光学系统结构示意图；

图2a是常温常压条件下光学系统光学调制传递函数；

图2b是真空-30°低温条件下光学系统光学调制传递函数；

图2c是真空50°高温条件下光学系统光学调制传递函数；

图3a是本发明提供的光学系统球差曲线；

图3b是本发明提供的光学系统像散曲线；

图4是本发明提供的光学系统畸变曲线；

图5是本发明提供的光学系统点列图；

图6是本发明提供的光学系统公差曲线。

图中附图标记为：1-第一正透镜；2-第二正透镜；3-第一负透镜；4-第三正透镜；5-第四正透镜；6-第二负透镜；7-像面。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

从图1可以看出，本发明光学系统包括6片透镜，6片透镜光焦度以正正负正正负的形式排列，无复杂面型和胶合镜，便于加工，均为常用廉价玻璃，有利于控制成本。

光束从左至右传播，以光入射的第一片透镜为第一正透镜1，第一正透镜1用于降低主光线的投射高度，减少大孔径带来的高级像差。其材料为H-LAK3，属于环境友好材料，作为第一片透镜材料，具有抗腐蚀和起保护窗作用。其折射率为1.74693，色散系数为50.95，折射率较低，同时具有较低的热膨胀系数，有利于校正球差和色差。该透镜通光孔径为18～20mm，厚度为4～6mm。

以光入射的第二片透镜为第二正透镜2，第四片为第三正透镜4，第二正透镜2和第三正透镜4材料都为H-LAK53A，具有较低的折射率和较高的色散系数，有利于对色差的校正。该材料透过率高，厚度10mm的该材料透过率高于0.993，减少光能量传输过程中的损失。第二正透镜2的通光孔径为11～13mm，厚度为4～6mm，第三正透镜4的通光孔径为11～13mm，厚度为4～6mm；

以光入射的第三片透镜为第一负透镜3，第五片为第四正透镜5，这两组透镜都选用H-ZF52A，这两个透镜的折射率高，色散低，可以有效的抑制倍率色差，但其具有较高的热膨胀系数，有利于补偿温度带来的光焦度变化。其中第一负透镜3的通光孔径为8～10mm，厚度为3～4mm；第四正透镜5的通光孔径为12～14mm，厚度为4～6mm；

以从光入射方向的第六片透镜为第二负透镜6，选用H-ZF1，该透镜的折射率较高，同时具有较低的热膨胀系数，通光孔径为12～14mm，厚度为5～7mm，该透镜可以补偿残余色差，并抵消部分由环境变化引起的像差。

图2a、图2b及图2c为不同气压和温度条件下光学系统调制传递函数，其中横坐标表示为空间调制频率，纵坐标表示为光学调制函数。图2a为常温常压条件下该镜头的光学调制传递函数，图2b为-30°低温真空条件下该镜头的光学调制传递函数，图2c为50°低温真空条件下该镜头的光学调制传递函数，可以看出本发明的光学系统在温度-30°～+50°和真空常压下均具有良好的环境适应性。

图3a和图3b为本发明提供的光学系统在不同波段下的球差和像散，可以看出球差和像散得到了良好的校正，间接可得到色差不明显。

图4是本发明提供的光学系统畸变曲线，其中横坐标表示为光学畸变，纵坐标为光学系统视场角，可以看出该光学系统畸变小于0.6％。

图5是本发明提供的光学系统的点列图弥散斑仿真图，可以看出各个视场角弥散斑优于7微米。

图6是本发明提供的光学系统公差曲线，其中横坐标表示为光学传递函数，纵坐标为概率，可以看出该光学系统90％概率MTF≧0.39@90lp/mm，满足设计要求。

Claims (8)

1.一种环境适应性强的光学系统，其特征在于：包括沿光线入射方向依次同轴排布的第一正透镜(1)、第二正透镜(2)、第一负透镜(3)、第三正透镜(4)、第四正透镜(5)和第二负透镜(6)；

所述第一正透镜(1)的焦距与系统总焦距f比值的绝对值小于0.3；

所述第二正透镜(2)的焦距与系统总焦距f比值的绝对值小于2；

所述第一负透镜(3)的焦距与系统总焦距f比值的绝对值小于0.1；

所述第三正透镜(4)的焦距与系统总焦距f比值的绝对值小于0.2；

所述第四正透镜(5)的焦距与系统总焦距f比值的绝对值小于4；

所述第二负透镜(6)的焦距与系统总焦距f比值的绝对值小于3。

2.根据权利要求1所述的一种环境适应性强的光学系统，其特征在于：所述第一正透镜(1)、第二正透镜(2)、第一负透镜(3)、第三正透镜(4)、第四正透镜(5)和第二负透镜(6)均为球面镜。

3.根据权利要求2所述的一种环境适应性强的光学系统，其特征在于：所述第一正透镜(1)的材料为H-LAK3；所述第二正透镜(2)和第三正透镜(4)的材料均为H-LAK53A；所述第一负透镜(3)和第四正透镜(5)的材料均为H-ZF52A；所述第二负透镜(6)的材料为H-ZF1。

4.根据权利要求3所述的一种环境适应性强的光学系统，其特征在于：

所述第一正透镜(1)的通光孔径为18～20mm，厚度为4～6mm；

所述第二正透镜(2)的通光孔径为11～13mm，厚度为4～6mm；

所述第一负透镜(3)的通光孔径为8～10mm，厚度为3～4mm；

所述第三正透镜(4)的通光孔径为11～13mm，厚度为4～6mm；

所述第四正透镜(5)的通光孔径为12～14mm，厚度为4～6mm；

所述第二负透镜(6)的通光孔径为12～14mm，厚度为5～7mm。

5.根据权利要求4所述的一种环境适应性强的光学系统，其特征在于：

所述第一正透镜(1)的通光孔径为19mm，厚度为5mm；

所述第二正透镜(2)的通光孔径为12mm，厚度为5mm；

所述第一负透镜(3)的通光孔径为9mm，厚度为3.5mm；

所述第三正透镜(4)的通光孔径为12mm，厚度为5mm；

所述第四正透镜(5)的通光孔径为13mm，厚度为5mm；

所述第二负透镜(6)的通光孔径为13mm，厚度为6mm。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种环境适应性强的光学系统，其特征在于：所述第二负透镜(6)的光线出射面的中心距像面的距离为7.1mm，保证足够的对象面调整空间。

7.根据权利要求6所述的一种环境适应性强的光学系统，其特征在于：f＝32mm，F数为2.8。

8.根据权利要求7所述的一种环境适应性强的光学系统，其特征在于：该光学系统的尺寸为