CN109656007A - 变焦光学系统及成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供的变焦光学系统，采用二次成像的折反式换档变焦系统结构，主镜为球面反射镜，并且为系统光阑，平行光束经主镜反射、校正镜组和第一折叠镜后一次成像，再经第二折叠镜、准直镜组和换档变焦组二次成像，由于折反式换档变焦光学系统焦距较长，视场更大，成像质量更好，解决了折反式连续变焦光学系统焦距短、视场小和成像质量较差的问题。

Description

变焦光学系统及成像设备

技术领域

本发明涉及应用光学技术领域，特别是涉及一种变焦光学系统及成像设备。

背景技术

光学系统的相对口径是入瞳口径与系统焦距的比，它决定了系统的分辨率和像面照度，为了满足分辨率和像面照度的要求，相对口径不能过小，焦距越长的光学系统往往需要越大的入瞳口径，而入瞳口径的增大意味着系统光学元件口径的增大。透镜受玻璃材料物理性能的限制往往不能做的过大，因此，长焦距光学系统为了实现合适的相对口径常用反射元件来增大口径。这种反射光学元件和透镜折射光学元件组合成像的系统一般称作折反式光学系统。

当景物距离发生变化时，要求光学系统的焦距也要随之改变，变焦的方式可以分为连续变焦和换档变焦。折反式光学系统焦距较长、结构较复杂，实现变焦难度较大。传统的连续变焦折反系统由于焦距长、复杂程度高往往不能很好的校正残余像差，或者不能保证所有焦距的焦点位置完全一致，难以在变焦过程中实现各个焦段全视场成像清晰，并且，一般的连续变焦折反系统由于残余像差的影响往往视场较小，不能实现较大视场成像。

现代长作用距离的成像设备需要光学系统焦距越来越长，视场越来越大，成像质量也越来越高，传统的连续变焦折反式光学系统已经不能满足上述要求。

发明内容

基于此，有必要提供一种光学系统焦距较长、视场更大、成像质量更好的变焦光学系统。

为实现上述目的本发明采用下述技术方案：

一种变焦光学系统，包括主镜、校正镜组、第一折叠镜、第二折叠镜、准直镜组、变焦后组及光阑，所述光阑设置于所述主镜上；其中：

平行光束经所述主镜反射进入所述校正镜组、再依次经所述校正镜组和所述第一折叠镜后一次成像，一次成像后光束经所述第二折叠镜后进入所述准直镜组，所述准直镜组对入射的一次成像后的光束再次准直为平行光束，经准直后的平行光束经所述变焦后组聚焦后二次成像。

在一些较佳的实施例中，所述主镜为球面反射镜。

在一些较佳的实施例中，所述校正镜组为由若干片正负透镜组合的透镜组，所述校正镜组总光焦度为负，用于校正二级光谱。

在一些较佳的实施例中，所述第一折叠镜及第二折叠镜为平面反射镜。

在一些较佳的实施例中，所述准直镜组由若干片正负透镜组合的透镜组，所述准直镜组总光焦度为正，用于将一次成像光路再次准直为平行光束。

在一些较佳的实施例中，所述变焦后组包括短焦后组和长焦后组，所述短焦后组和长焦后组均由若干片正负透镜组合的透镜组，所述短焦后组和长焦后组的总光焦度均为正，所述短焦后组和长焦后组用于将经所述准直镜组再次准直的平行光束聚焦二次成像。

在一些较佳的实施例中，当所述变焦后组为短焦后组时，二级光谱校正原则可以由以下公式进行描述：

式中:h₂、h₅、h₆分别为所述校正镜组、准直镜组、短焦后组的轴上光线等效入射高度；分别为所述校正镜组、准直镜组、短焦后组的光焦度。

在一些较佳的实施例中，当所述变焦后组为长焦后组时，二级光谱校正原则可以由以下公式进行描述：

式中:h₂、h₅、h₇分别为所述校正镜组、准直镜组、长焦后组的轴上光线等效入射高度；h₇分别为所述校正镜组、准直镜组、长焦后组的光焦度。

另外，本发明还提供了一种光学成像设备，包括所述的变焦光学系统。

本发明提供的变焦光学系统，采用二次成像的折反式换档变焦系统结构，主镜为球面反射镜，并且为系统光阑，平行光束经主镜反射、校正镜组和第一折叠镜后一次成像，再经第二折叠镜、准直镜组和换档变焦组二次成像，由于折反式换档变焦光学系统焦距较长，视场更大，成像质量更好，解决了折反式连续变焦光学系统焦距短、视场小和成像质量较差的问题。

附图说明

图1为一实施方式的变焦光学系统的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，为本发明的一实施方式的变焦光学系统，包括：主镜1、校正镜组2、第一折叠镜3、第二折叠镜4、准直镜组5、变焦后组及光阑8，所述光阑8设置于所述主镜1上。

以下详细说明上述变焦光学系统的工作方式。

平行光束经所述主镜1反射进入所述校正镜组2、再依次经所述校正镜组2和所述第一折叠镜3后一次成像，一次成像后光束经所述第二折叠镜4后进入所述准直镜组5，所述准直镜组5对入射的一次成像后的光束再次准直为平行光束，经准直后的平行光束经所述变焦后组聚焦后二次成像。

可以理解，本发明将系统的光阑8置于主镜1上可以最大利用主镜1的有效口径。

在一些较佳的实施例中，所述主镜1为球面凹反射镜。

在一些较佳的实施例中，所述校正镜组2为由若干片正负透镜组合的透镜组，所述校正镜组总光焦度为负，用于校正二级光谱，从而可以起到合理分配光焦度校正二级光谱的作用。

在一些较佳的实施例中，所述第一折叠镜3及第二折叠镜4为平面反射镜，从而可以起到折叠光路减小筒长的作用。

在一些较佳的实施例中，所述准直镜组5由若干片正负透镜组合的透镜组，所述准直镜组总光焦度为正，用于将一次成像光路再次准直为平行光束。

可以理解，进入变焦后组二次成像的光束为平行光束有利于变焦后组的像差校正和长、短焦成像像面位置的一致。

在一些较佳的实施例中，所述变焦后组包括短焦后组6和长焦后组7，所述短焦后组6和长焦后组7均由若干片正负透镜组合的透镜组，所述短焦后组6和长焦后组7的总光焦度均为正，所述短焦后组6和长焦后组7用于将经所述准直镜组再次准直的平行光束聚焦二次成像。

进一步地，当所述变焦后组为短焦后组6时，二级光谱校正原则可以由以下公式进行描述：

式中:h₂、h₅、h₆分别为所述校正镜组2、准直镜组5、短焦后组6的轴上光线等效入射高度；分别为所述校正镜组2、准直镜组5、短焦后组6的光焦度。

进一步地，当所述变焦后组为长焦后组7时，二级光谱校正原则可以由以下公式进行描述：

式中:h₂、h₅、h₇分别为所述校正镜组2、准直镜组5、长焦后组7的轴上光线等效入射高度；h₇分别为所述校正镜组2、准直镜组5、长焦后组7的光焦度。

可以理解，二级光谱为一种色差，会造成不同波长不能聚焦在同一像点，高成像质量光学系统必须予以校正，传统校正方式必须采用特殊光学特性的玻璃材料，本设计采用光焦度分配的方法校正这种色差，效果更佳。

可以理解，本发明上述实施例，通过切换短焦后组6和长焦后组7实现高成像质量、大视场的换档变焦.

本发明提供的变焦光学系统，采用二次成像的折反式换档变焦系统结构，主镜为球面反射镜，并且为系统光阑，平行光束经主镜反射、校正镜组和第一折叠镜后一次成像，再经第二折叠镜、准直镜组和换档变焦组二次成像，由于折反式换档变焦光学系统焦距较长，视场更大，成像质量更好，解决了折反式连续变焦光学系统焦距短、视场小和成像质量较差的问题。

本发明提供的变焦光学系统中各元件加工、装调技术成熟，可用作光学成像设备中，特别适合远距离成像变作用距离成像设备。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种变焦光学系统，其特征在于，包括主镜、校正镜组、第一折叠镜、第二折叠镜、准直镜组、变焦后组及光阑，所述光阑设置于所述主镜上；其中：

平行光束经所述主镜反射进入所述校正镜组、再依次经所述校正镜组和所述第一折叠镜后一次成像，一次成像后光束经所述第二折叠镜后进入所述准直镜组，所述准直镜组对入射的一次成像后的光束再次准直为平行光束，经准直后的平行光束经所述变焦后组聚焦后二次成像。

2.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，所述主镜为球面凹反射镜。

3.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，所述校正镜组为由若干片正负透镜组合的透镜组，所述校正镜组总光焦度为负，用于校正二级光谱。

4.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，所述第一折叠镜及第二折叠镜为平面反射镜。

5.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，所述准直镜组由若干片正负透镜组合的透镜组，所述准直镜组总光焦度为正，用于将一次成像光路再次准直为平行光束。

6.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，所述变焦后组包括短焦后组和长焦后组，所述短焦后组和长焦后组均由若干片正负透镜组合的透镜组，所述短焦后组和长焦后组的总光焦度均为正，所述短焦后组和长焦后组用于将经所述准直镜组再次准直的平行光束聚焦二次成像。

7.根据权利要求6所述的变焦光学系统，其特征在于，当所述变焦后组为短焦后组时，二级光谱校正原则可以由以下公式进行描述：

式中:h₂、h₅、h₆分别为所述校正镜组、准直镜组、短焦后组的轴上光线等效入射高度；分别为所述校正镜组、准直镜组、短焦后组的光焦度。

8.根据权利要求6所述的变焦光学系统，其特征在于，当所述变焦后组为长焦后组时，二级光谱校正原则可以由以下公式进行描述：

式中:h₂、h₅、h₇分别为所述校正镜组、准直镜组、长焦后组的轴上光线等效入射高度；h₇分别为所述校正镜组、准直镜组、长焦后组的光焦度。

9.一种光学成像设备，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的变焦光学系统。