CN109597187B - 一种大口径长焦距被动无热化可见光光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无热化可见光光学系统，针对现有长焦距大相对孔径光学系统对工作环境温度要求高的问题，提供一种大口径长焦距被动无热化可见光光学系统。光学系统包括水平自左到右依次同轴设置的反射镜组、场镜、中继镜组和后校正镜组；反射镜组包括水平自左到右依次设置的光焦度为正的前校正镜、光焦度为正的次镜和光焦度为负的主镜；次镜的左侧面为反射面，右侧面为透射面；主镜的左侧面为透射面，右侧面为反射面，且其中心设有用于光束通过的通光孔，通光孔处为中间一次像面；中间一次像面到像面的放大倍率小于1；主镜透射面的最大通光口径处设置孔径光阑；后校正镜组包括多个采用异常色散光学材料的正透镜。
Description
技术领域
本发明涉及一种无热化可见光光学系统，具体涉及一种大口径长焦距被动无热化可见光光学系统。
背景技术
随着现代社会的发展以及科学技术的进步，大口径长焦光学系统已广泛应用于生活的各个方面，例如安防、监控、交通、安全生产、森林防火等领域。尤其是在对远距离暗弱目标成像时，市场对长焦距大口径光学系统的需求日趋紧迫。
然而，从光学设计角度而言，光学系统焦距越长，其对使用的环境温度要求越高，导致光学系统所能适应的环境温度范围越小。此外，对于大相对孔径的光学系统，由于相对孔径越大，系统焦深越小，工作温度的允差就越小。综合以上两者因素，使得同时具有大相对孔径、长焦距的光学系统对工作环境温度要求很高，无热化设计非常困难。
目前无热化技术分为机电主动式、机械被动式和光学被动式，光学被动无热化是光学系统无热化设计的发展方向。
光学系统被动无热化是通过利用光学系统中各镜片所使用光学材料温度特性，合理匹配各镜片光焦度与其材料温度特性的关系，实现系统在宽温度环境的适应性。
由于红外被动无热化光学系统的衍射面、非球面加工非常方便，其无热化设计相对可见光系统较容易实现，通常通过合理选择光学材料，光焦度、采用特殊面型(例如衍射面、非球面等)即可实现光学系统的被动无热化设计。
例如：中国专利申请CN106443984A，公开了一种焦距110mm的被动无热化红外镜头，相对孔径F1.2，但系统工作波段为红外波段，且系统采用了非球面。中国专利申请CN1071933104A，也公开了一种焦距110mm的被动无热化红外镜头，相对孔径F1.2，但系统工作波段为红外波段，且系统采用了3个非球面。
但是，对于可见光系统而言，由于目前可见光波段光学无色玻璃无法加工衍射面，而且非球面加工也相对困难，加工成本昂贵，要实现无热化设计只能依靠选择合理的光路结构形式，并将光学材料温度特性与其光焦度相匹配。
现有的可见光系统相对较少(目前检索到的可见光被动无热化光学系统最长焦距在90mm以下，且采用了衍射面)，且无热化的可见光系统焦距较短，相对孔径较小，设计思路传统。
例如：中国专利申请CN108267845A，公开了一种可见光波段无热化的大相对孔径光学系统，光学系统焦距30.4656mm，相对孔径F0.985，全球面，但系统焦距较短，较容易实现无热化。
中国专利申请CN108445611A，公开了一种无热化高分辨率定焦镜头，光学系统焦距6.1mm，相对孔径F2.2，采用2个非球面，但系统焦距很短，较容易实现无热化。
因此，全球面的可见光光学系统只能在较短的焦距范围(焦距几毫米到几十毫米)，且较小的相对孔径下实现宽温度范围的被动无热化设计。
对于焦距几百毫米的大相对孔径可见光系统，光学系统无热化设计非常困难。传统的大相对孔径长焦距光学系统，例如长焦距微光物镜，一般采用非球面以满足系统成像质量要求，而不进行系统无热化设计，也很难实现系统的无热化设计。
发明内容
本发明的目的是克服现有长焦距大相对孔径光学系统对工作环境温度要求高的不足，提供了一种大口径长焦距被动无热化可见光光学系统。该光学系统的实现了长焦距、大相对孔径光学系统的被动无热化设计，具有宽工作温度下优良的环境适应性，可在较宽环境温度(-40℃～+60℃)范围下保持良好的成像质量，系统无需调焦，即可保证像面不会温度离焦。
为实现上述目的，本发明提供一种大口径长焦距被动无热化可见光光学系统，其特殊之处在于：包括水平自左到右依次同轴设置的反射镜组、场镜、中继镜组和后校正镜组；反射镜组的左侧为物方，后校正镜组的右侧为像面；反射镜组包括水平自左到右依次设置的光焦度为正的前校正镜、光焦度为正的次镜和光焦度为负的主镜；次镜的左侧面为反射面，右侧面为透射面；主镜的左侧面为透射面，右侧面为反射面，且其中心设有用于光束通过的通光孔，通光孔处为中间一次像面；中间一次像面到像面的放大倍率小于1；主镜透射面的最大通光口径处设置孔径光阑；后校正镜组包括多个采用异常色散光学材料的正透镜，通过在后校正镜组中引入温度折射率系数及膨胀系数较大的异常色散光学材料，补偿反射镜组因温度变化引起的像面离焦。来自物方的入射光束通过前校正镜后，经主镜的透射面透射到主镜的反射面上，再通过主镜的透射面照射到次镜上；光束经次镜的透射面透射到次镜的反射面上，并再通过次镜的透射面；光束经次镜折转反射后，经主镜的通光孔并再依次经过场镜、中继镜组和后校正镜组照射到像面上。
进一步地，上述后校正镜组包括水平自左到右依次设置的第二平凸正透镜、胶合镜、第三平凸正透镜和第三弯月正透镜；所述第二平凸正透镜和第三平凸正透镜采用具有非常大的温度折射率倍数以及线膨胀系数的异常色散光学材料。
进一步地，光学系统各组元的光焦度满足如下条件：
0≤∣fL/f1∣≤0.8；
1.3≤∣fL/f2∣≤1.5；
3≤∣fL/f3∣≤6；
∣fL/f4∣≤0.3；
式中：fL为光学系统的焦距；
f1为反射镜组的焦距；
f2为主镜的焦距；
f3为次镜的焦距；
f4为反射镜组、场镜、中继镜组所组成系统的焦距。
进一步地，光学系统各组元的光焦度具体满足如下条件：
∣fL/f1∣＝0.5，∣fL/f2∣＝1.4，∣fL/f3∣＝4，∣fL/f4∣＝0.20。
进一步地，上述主镜光学材料的折射率1.8≤n≤2.0；所述次镜光学材料的折射率1.60≤n≤1.8。
进一步地，上述异常色散光学材料为HFK61或HFK71或BAF2或CAF2。
进一步地，所述反射镜组的前校正镜采用第一平凸正透镜，主镜采用第一弯月负透镜，次镜采用第一弯月正透镜；第一平凸正透镜、第一弯月负透镜和第一弯月正透镜凸面弯曲方向均背离像面；所述场镜采用第二弯月正透镜，第二弯月正透镜凸面弯曲方向背离像面；所述中继镜组包括水平自左到右依次设置的第二弯月负透镜、第一双凸正透镜、第一双凹负透镜和第三弯月负透镜；第二弯月负透镜的凹面弯向像面，第三弯月负透镜的凸面弯曲方向背离像面；所述后校正镜组的胶合镜由负透镜和正透镜胶合而成，其胶合面背离孔径光阑、弯向像面；第二平凸正透镜的凸面弯曲方向背离像面，第三平凸正透镜和第三弯月正透镜的凸面弯向像面背离孔径光阑。
进一步地，上述主镜采用光学无色玻璃HZLAF75A，折射率为1.91；次镜材料采用HZBAF21，折射率为1.72。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明光学系统包含中间一次像面，采用二次成像方式，通过在后校正镜组中引入温度系数及膨胀系数较大的异常色散光学材料，以补偿反射镜组因温度变化引起的像面离焦，从而解决光学系统被动无热化设计难题。
2、本发明光学系统采用全球面透镜，无需非球面即可获得良好的成像质量，系统成本低，加工装配方便。
3、本发明光学系统具有焦距长、相对孔径大、低成本、成像优良、环境适应性强等特点。
附图说明
图1是本发明光学系统一个实施例的光路结构示意图；
图2是图1光学系统在-40℃下的光学系统传递函数曲线；
图3是图1光学系统在20℃下的光学系统传递函数曲线；
图4是图1光学系统在60℃下的光学系统传递函数曲线。
图中各标号的说明如下：
1—反射镜组，101—前校正镜、102—主镜、103—次镜；
2—中间一次像面；3—场镜；
4—中继镜组，401—第二弯月负透镜、402—第一双凸正透镜、403—第一双凹负透镜、404—第三弯月负透镜；
5—后校正镜组，501—第二平凸正透镜、502—胶合镜、503—第三平凸正透镜、504—第三弯月正透镜；
6—像面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例中，光学系统的可见光光谱范围450nm～650nm，焦距250mm，F数1.78，视场角1.2°，在环境温度-40℃～+60℃温度范围下均能保持良好的成像质量。探测器像元数为752×582，像元大小5.5um，探测器最高空间频率为90lp/mm。
如图1所示，本实施例提供一种大口径长焦距被动无热化可见光光学系统包括水平自左到右依次同轴设置的反射镜组1、场镜3、中继镜组4和后校正镜组5；反射镜组1的左侧为物方，后校正镜组5的右侧为像面6。
反射镜组1包括水平自左到右依次设置的光焦度为正的前校正镜101、光焦度为正的次镜103和光焦度为负的主镜102；前校正镜101采用为第一平凸正透镜；主镜102采用第一弯月负透镜，第一弯月负透镜的材料为采用学无色玻璃HZLAF75A，折射率为1.91；次镜103采用第一弯月正透镜，第一弯月正透镜的材料采用HZBAF21，折射率为1.72。第一平凸正透镜、第一弯月负透镜和第一弯月正透镜的凸面弯曲方向均背离像面6。
次镜103的左侧面为反射面，右侧面为透射面；主镜102的左侧面为透射面，右侧面为反射面，且其中心设有用于光束通过的通光孔，通光孔处为中间一次像面2；中间一次像面2到像面6的放大倍率小于1；主镜102透射面的最大通光口径处设置孔径光阑。
场镜3采用第二弯月正透镜，第二弯月正透镜的凸面弯曲方向背离像面6；
中继镜组4包括水平自左到右依次设置的第二弯月负透镜401、第一双凸正透镜402、第一双凹负透镜403和第三弯月负透镜404；第二弯月负透镜401的凹面弯向像面6，第三弯月负透镜404的凸面弯曲方向背离像面6。
后校正镜组5包括水平自左到右依次设置的第二平凸正透镜501、胶合镜502、第三平凸正透镜503和第三弯月正透镜504。第二平凸正透镜501和第三平凸正透镜503采用异常色散光学材料HFK61，通过在后校正镜组5中引入温度折射率系数及膨胀系数较大的异常色散光学材料，可有效补偿反射镜组因温度变化引起的像面离焦。胶合镜502由负透镜和正透镜胶合而成，其胶合面背离孔径光阑、弯向像面6；第二平凸正透镜501的凸面弯曲方向背离像面6，第三平凸正透镜503和第三弯月正透镜504的凸面弯向像面6背离孔径光阑。
光学系统各组元的光焦度满足如下条件：
∣fL/f1∣＝0.5，∣fL/f2∣＝1.4，∣fL/f3∣＝4，∣fL/f4∣＝0.20。
式中：fL为光学系统的焦距；
f1为反射镜组1的焦距；
f2为主镜102的焦距；
f3为次镜103的焦距；
f4为反射镜组1、场镜3、中继镜组4所组成系统的焦距。
来自物方的入射光束通过前校正镜101后，经主镜102的透射面透射到主镜102的反射面上，再通过主镜102的透射面照射到次镜103上；光束经次镜103的透射面透射到次镜103的反射面上，并再通过次镜103的透射面；光束经次镜103折转反射后，经主镜102的通光孔并再依次经过场镜3、中继镜组4和后校正镜组5照射到像面6上。
本实施例光学系统环境适应温度为-40℃～+60℃，在此温度范围下，能够保持良好的光学系统传递函数MTF。
图2～4分别给出了光学系统在不同环境温度下的光学系统传递函数图。从图中可以看出，光学系统分别在-40℃与+60℃温度环境下，系统传递函数在空间频率90lp/mm处均保持较高数值，且与常温20℃相比变化不大。
下表给出了光学系统在不同温度下的离焦量，从表中也可以看出，光学系统在不同温度下像面的离焦量均小于光学系统焦深(±0.0035mm)，系统在-40℃～+60℃环境温度下的实现无热化设计。
| 温度 | -40℃ | 20℃ | +60℃ |
| 离焦量(mm) | +0.0035 | 0 | -0.0006 |
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。
Claims (5)
1.一种大口径长焦距被动无热化可见光光学系统，其特征在于：包括水平自左到右依次同轴设置的反射镜组(1)、场镜(3)、中继镜组(4)和后校正镜组(5)；反射镜组(1)的左侧为物方，后校正镜组(5)的右侧为像面(6)；
反射镜组(1)包括水平自左到右依次设置的光焦度为正的前校正镜(101)、光焦度为正的次镜(103)和光焦度为负的主镜(102)；
次镜(103)的左侧面为反射面，右侧面为透射面；
主镜(102)的左侧面为透射面，右侧面为反射面，且其中心设有通光孔，通光孔处为中间一次像面(2)；中间一次像面(2)到像面(6)的放大倍率小于1；主镜(102)透射面的最大通光口径处设置孔径光阑；
所述后校正镜组(5)包括水平自左到右依次设置的第二平凸正透镜(501)、胶合镜(502)、第三平凸正透镜(503)和第三弯月正透镜(504)；第二平凸正透镜(501)和第三平凸正透镜(503)采用异常色散光学材料，用于补偿反射镜组(1)因温度变化引起的像面离焦；
所述反射镜组(1)的前校正镜(101)采用第一平凸正透镜，主镜(102)采用第一弯月负透镜，次镜(103)采用第一弯月正透镜；第一平凸正透镜、第一弯月负透镜和第一弯月正透镜凸面弯曲方向均背离像面(6)；
所述场镜(3)采用第二弯月正透镜，第二弯月正透镜凸面弯曲方向背离像面(6)；
所述中继镜组(4)包括水平自左到右依次设置的第二弯月负透镜(401)、第一双凸正透镜(402)、第一双凹负透镜(403)和第三弯月负透镜(404)；第二弯月负透镜(401)的凹面弯向像面(6)，第三弯月负透镜(404)的凸面弯曲方向背离像面(6)；
所述后校正镜组(5)的胶合镜(502)由负透镜和正透镜胶合而成，其胶合面背离孔径光阑、弯向像面(6)；第二平凸正透镜(501)的凸面弯曲方向背离像面(6)，第三平凸正透镜(503)和第三弯月正透镜(504)的凸面弯向像面(6)背离孔径光阑；
来自物方的入射光束通过前校正镜(101)后，经主镜(102)的透射面透射到主镜(102)的反射面，再通过主镜(102)的透射面照射到次镜(103)上；光束经次镜(103)的透射面透射到次镜(103)的反射面上，并再通过次镜(103)的透射面；光束经次镜(103)折转反射后，经主镜(102)的通光孔并再依次经过场镜(3)、中继镜组(4)和后校正镜组(5)照射到像面(6)；
光学系统各组元的光焦度满足如下条件：
0≤∣fL/f1∣≤0.8；
1.3≤∣fL/f2∣≤1.5；
3≤∣fL/f3∣≤6；
∣fL/f4∣≤0.3；
式中：fL为光学系统的焦距；
f1为反射镜组(1)的焦距；
f2为主镜(102)的焦距；
f3为次镜(103)的焦距；
f4为反射镜组(1)、场镜(3)、中继镜组(4)所组成系统的焦距。
2.根据权利要求1所述的一种大口径长焦距被动无热化可见光光学系统，其特征在于：光学系统各组元的光焦度具体满足如下条件：
∣fL/f1∣＝0.5，∣fL/f2∣＝1.4，∣fL/f3∣＝4，∣fL/f4∣＝0.20。
3.根据权利要求2所述的一种大口径长焦距被动无热化可见光光学系统，其特征在于：所述主镜(102)光学材料的折射率1.8≤n≤2.0；所述次镜(103)光学材料的折射率1.60≤n≤1.8。
4.根据权利要求1至3任一所述的一种大口径长焦距被动无热化可见光光学系统，其特征在于：所述异常色散光学材料为HFK61或HFK71或BAF2或CAF2。
5.根据权利要求4所述的一种大口径长焦距被动无热化可见光光学系统，其特征在于：所述主镜(102)采用光学无色玻璃HZLAF75A，折射率为1.91；次镜(103)材料采用HZBAF21，折射率为1.72。
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Also Published As
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