CN110609379A - 双通道共透镜式光学系统 - Google Patents

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Abstract

双通道共透镜式光学系统涉及光学系统技术领域，解决了现有结构复杂、体积大和装配难的问题，从物面到像面依次设置负光焦度的凸透镜一、负光焦度的凹透镜一、正光焦度的凸透镜二、孔径光阑和中继镜组；凸透镜一靠近物面的表面为凸面、靠近像面的表面为凹面，其凹面为包括第一凹面和第二凹面，第二凹面周向设置在第一凹面外且连接第一凹面；凹透镜一靠近物面和靠近像面的表面均为凹面，其靠近物面的凹面包括第三凹面和第四凹面，第四凹面周向设置在第三凹面外且连接第三凹面；第一凹面、第二凹面、第三凹面和第四凹面均为非球面，第一凹面的曲率小于第二凹面的曲率，第三凹面的曲率小于第四凹面的曲率。本发明结构简单、体积小和装调容易。

Description

双通道共透镜式光学系统
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域，具体涉及双通道共透镜式光学系统。
背景技术
双通道光学系统可以获取两个不同通道的视场信息，不仅可以扩展光学系统的视场，还可以通过以指定的焦距布置每个通道来实现不同通道的检测需求，可广泛应用于军事的作战侦查，告警，导航，搜救和民用的监控系统，无人驾驶车辆和医疗检测等领域。
对此，现有技术中，普遍采用通过加入分光片或附加光学元件来实现双通道光学系统，这种双通道光学系统两个通道的结构形式不同，存在结构复杂、体积大，装配困难等问题，这种形式的双通道光学系统已经越来越难以满足实际使用的需求。
发明内容
为了解决现有双通道光学系统结构复杂、体积大和装配困难的问题，本发明提供双通道共透镜式光学系统。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
双通道共透镜式光学系统，沿同一光轴、从物面到像面依次包括：光焦度为负的凸透镜一、光焦度为负的凹透镜一、光焦度为正的凸透镜二、孔径光阑和中继镜组；凸透镜一靠近物面的表面为凸面、靠近像面的表面为凹面，凸透镜一的凹面为包括第一凹面和第二凹面，第二凹面周向设置在第一凹面外且连接第一凹面；凹透镜一靠近物面和靠近像面的表面均为凹面，其靠近物面的凹面包括第三凹面和第四凹面，第四凹面周向设置在第三凹面外且连接第三凹面；第一凹面、第二凹面、第三凹面和第四凹面均为非球面，第一凹面的曲率小于第二凹面的曲率，第三凹面的曲率小于第四凹面的曲率。
本发明的有益效果是：
1、本发明双通道共透镜式光学系统通过凸透镜一靠近像面的表面和凹透镜一靠近物面的表面面型由两个非球面拼接构成，实现中心视场通道的光线通过拼接面的中心区域入射，边缘视场通道的光线通过拼接面的边缘区域入射，再通过孔径光阑和中继镜组的配合，实现双通道成像，双通道具有不同的焦距、不同的视场角、在同一像面处成像，且双通道成像良好。
2、双通道的成像区域可以根据每个通道的检测需求，设计成不同的焦距，并将两个通道的信息可控的分布在同一像面上，在像面上的信息彼此不重叠，互不干扰，保证了信息获取的准确性，提高了像面利用率。
3、两个视场通道独立工作，实现了径向双视场双焦距的功能，没有采用分光片半透半反的通光成像方式，也没有采用附加光学元件，本发明的光学系统结构简单、体积较小、减少了系统的重量、有利于光学系统的可装调性、装配简单。
4、本发明光学系统采用拼接非球面可以使得中心通道分辨率最优，可用来观察目标细节，而边缘通道用于观测目标位置信息，可以提高镜头获取有效信息的能力。
附图说明
图1为本发明的双通道共透镜式光学系统的结构示意图。
图2为本发明的双通道共透镜式光学系统的光路图。
图3为本发明的双通道共透镜式光学系统的中心视场通道的MTF图。
图4为本发明的双通道共透镜式光学系统的边缘视场通道的MTF图。
图5为本发明的双通道共透镜式光学系统的中心视场通道的像点图。
图6为本发明的双通道共透镜式光学系统的边缘视场通道的像点图。
图中：1、凸透镜一，1.1、第一凹面，1.2、第二凹面，2、凹透镜一，2.1、第三凹面，2.2、第四凹面，3、凸透镜二，4、孔径光阑，5、双胶合透镜一，6、双胶合透镜二，7、像面。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
双通道共透镜式光学系统，从物面到像面7依次包括凸透镜一1、凹透镜一2、凸透镜二3、孔径光阑4和中继镜组。凸透镜一1、凹透镜一2、凸透镜二3、孔径光阑4和中继镜组沿同一光轴设置。
凸透镜一1具有负光焦度，凸透镜一1靠近物面的表面为凸面、靠近像面7的表面为凹面，凸透镜一1的凹面为包括第一凹面1.1和第二凹面1.2，第二凹面1.2周向设置在第一凹面1.1外，第二凹面1.2连接第一凹面1.1，第二凹面1.2位于第一凹面1.1外、包围着第一凹面1.1，也就是说凸透镜一1靠近像面7的表面为拼接面，图1中虚线表示光轴，图1中A点示意性的表示了第一凹面1.1和第二凹面1.2的连接点，A点距离光轴5.75mm。第一凹面1.1构成中心区域，第二凹面1.2处构成边缘区域，凸透镜一1对应第一凹面1.1的部分称为凸透镜一1中心区，凸透镜一1对应第二凹面1.2的部分称为凸透镜一1边缘区，凸透镜一1中心区厚度小于等于2mm，凸透镜一1的口径小于等于26mm。第一凹面1.1、第二凹面1.2均为非球面，第一凹面1.1的曲率小于第二凹面1.2的曲率，即第一凹面1.1的曲率最大值小于第二凹面1.2的曲率最小值。
凹透镜一2具有负光焦度，凹透镜一2靠近物面和靠近像面7的表面均为凹面，其靠近物面的凹面包括第三凹面2.1和第四凹面2.2，第四凹面2.2周向设置在第三凹面2.1外，第四凹面2.2连接第三凹面2.1；第四凹面2.2位于第三凹面2.1外、包围着第三凹面2.1，也就是说凹透镜一2靠近物面的表面为拼接面，图1中B点示意性的表示了第三凹面2.1和第四凹面2.2的连接点，B点距离光轴3.56mm。第三凹面2.1构成中心区域，第四凹面2.2处构成边缘区域，凹透镜一2对应第三凹面2.1的部分称为凹透镜一2中心区，凹透镜一2对应第四凹面2.2的部分称为凹透镜一2边缘区，凹透镜一2中心区厚度小于等于1mm，凹透镜一2的口径小于等于14mm。第三凹面2.1和第四凹面2.2均为非球面，第三凹面2.1的曲率小于第四凹面2.2的曲率，即第三凹面2.1的曲率最大值小于第四凹面2.2的曲率最小值。
凸透镜二3具有正光焦度，凸透镜二3的两个表面均为凸面。
凸透镜一1、凹透镜一2和凸透镜二3作为光学系统的前置镜组。前置镜组、孔径光阑4和中继镜组三者共轴。中继镜组优选的是采用双胶合透镜组，本实施方式中中继镜组包括双胶合透镜一5和双胶合透镜二6，孔径光阑4、双胶合透镜一5和双胶合透镜二6沿着同一光轴顺次设置，双胶合透镜一5比双胶合透镜二6更靠近物面。双胶合透镜一5由靠近物面的凹透镜二和靠近像面7一侧的凸透镜三胶合而成，凹透镜二的光焦度为负，凸透镜三的光焦度为正。凹透镜二的两个表面均为凹面，凸透镜三的两个表面均为凸面。双胶合透镜二6由靠近物面的凸透镜四和靠近像面7一侧的凸透镜五胶合而成，凹透镜四的光焦度为正，凸透镜五的光焦度为正。凹透镜四靠近物面的表面为凸面、靠近像面7的表面为凹面，凸透镜五的两个表面均为凸面。
第一凹面1.1沿光轴方向、向垂直于光轴的平面投影，其投影图形为圆形；
第二凹面1.2沿光轴方向、向垂直于光轴的平面投影，其投影图形为环形；第一凹面1.1投影图形的直径等于第二凹面1.2投影图形的内圆直径。第三凹面2.1沿光轴方向、向垂直于光轴的平面投影，其投影图形为圆形；第四凹面2.2沿光轴方向、向垂直于光轴的平面投影，其投影图形为环形，第三凹面2.1投影图形的直径等于第四凹面2.2投影图形的内圆直径。凸透镜一1的第一凹面1.1和第二凹面1.2的拼接处连续，凹透镜一2第三凹面2.1和第四凹面2.2的拼接处连续，保证可加工性。凸透镜一1靠近像面7的表面使用的拼接非球面描述方程为：
式中，ra为凸透镜一1靠近像面7的表面上一点到光轴的距离，r1为第一凹面1.1与第二凹面1.2连接处连接点的半径，r2为第二凹面1.2的最大径向半径值，za为凸透镜一1靠近像面7表面上的点沿光轴方向的矢高，c1为第一凹面1.1的曲率，c2为第二凹面1.2的曲率，k1为第一凹面1.1二次曲面常数，k2为第二凹面1.2二次曲面常数，a4、a6、a8、a10、a12、a14和a16分别为第一凹面1.1面型的4次、6次、8次、10次、12次、14次及16次非球面系数，b4、b6、b8、b10、b12、b14和b16分别为第一凹面1.1面型的4次、6次、8次、10次、12次、14次及16次非球面系数，Δza是第一凹面1.1面型顶点和第二凹面1.2面型顶点沿光轴方向的轴向距离。
凹透镜一2靠近物面的表面使用的拼接非球面描述方程为：
式中，rb为凹透镜一2靠近物面的表面上一点到光轴的距离，r3为第三凹面2.1与第四凹面2.2连接处连接点的半径，r4为第四凹面2.2的最大径向半径值，zb为凹透镜一2靠近物面表面上的点沿光轴方向的矢高，c3为第三凹面2.1的曲率，c4为第四凹面2.2的曲率，k3为第三凹面2.1二次曲面常数，k4为第四凹面2.2二次曲面常数，d4、d6、d8、d10、d12、d14和d16分别为第三凹面2.1面型的4次、6次、8次、10次、12次、14次及16次非球面系数，e4、e6、e8、e10、e12、e14和e16分别为第四凹面2.2面型的4次、6次、8次、10次、12次、14次及16次非球面系数，Δzb是第三凹面2.1面型顶点和第四凹面2.2面型顶点沿光轴方向的轴向距离。
物面入射到凸透镜一1的光束依次经凸透镜一1发散、凹透镜一2发散、凸透镜二3汇聚、孔径光阑4限束、双胶合透镜一5汇聚、双胶合透镜二6汇聚(中继镜组汇聚)后成像至像面7上。
凸透镜一1中心区和凹透镜一2中心区共同构成中心视场通道，也可以说凸透镜一1中心区、凹透镜一2中心区、凸透镜二3、孔径光阑4和中继镜组共同构成中心视场成像通道。凸透镜一1边缘区和凹透镜一2边缘区共同构成边缘视场通道，凸透镜一1边缘区、凹透镜一2边缘区、凸透镜二3、孔径光阑4和中继镜组共同构成边缘视场成像通道。如图2所示，在中心视场通道和边缘视场通道射入的光线，依次通过凸透镜二3、孔径光阑4与中继镜组后到达同一位置的像面7上成像，像面7上中心视场通道产生的圆形像面和边缘视场通道产生的环形像面之间存在成像间隔，该成像间隔可以根据每个通道的检测需求，通过调整两个通道的焦距实现成像间隔的调整。前置镜组用于将中心视场通道和边缘视场通道的光线透射并会聚至孔径光阑4。孔径光阑4用于对两个通道的入射光线范围进行限制。中继镜组用于将经过孔径光阑4入射的两个通道光线会聚成像在像面7上，即用于缩小大视场光线的入射口径，并起到减缓视场角的作用，便于使得两个视场范围内的图像都可以成像在同一接收平面上。本发明使用两片双胶合镜完成该项功能，且严格控制口径与镜片体积，有效降低系统的轴向尺寸，保证系统的轻量性与简洁性，可以减小该镜头的色差、场曲等像差。
本实施方式中该光学系统可获得的视场角和焦距在中心通道的半视场为0°—10°，焦距为3mm；边缘通道的半视场为35°—50°，焦距为1.5mm。
如图3和图4，分别为中心视场通道的MTF图和边缘视场通道的MTF图，如图5和图6分别为中心视场通道和边缘视场通道的像点图，可以看出本发明的光学系统中心通道和边缘通道的成像质量良好。图3和图4均具有10条曲线，图3中最上侧的一条曲线对应子午方向衍射极限和弧矢方向衍射极限，图中二者几乎完全重合(故将两条曲线称为“一条曲线”)；其余曲线为子午方向(实线)\弧矢方向(虚线)、光线与光轴夹角为0°\5°\8.2°\10°，其余曲线均接近衍射极限，即成像质量良好；图4中最上侧的两条曲线(颜色最深)对应子午方向衍射极限(实线)和弧矢方向衍射极限(虚线)，图中二者重合度较高；其余曲线为子午方向(实线)\弧矢方向(虚线)、光线与光轴夹角为35°\38°\42°\50°，其余曲线均接近衍射极限，即成像质量良好。
本发明双通道共透镜式光学系统通过前置镜组的凸透镜一1靠近像面7的表面和凹透镜一2靠近物面的表面面型由两个非球面拼接构成，以光轴为中心向外依次为中心区域和边缘区域，实现中心视场通道的光线通过拼接面的中心区域入射，边缘视场通道的光线通过拼接面的边缘区域入射，再通过孔径光阑4和中继镜组的配合，实现双通道成像，双通道具有不同的焦距、不同的视场角、在同一像面7处成像，且双通道成像良好。双通道的成像区域可以根据每个通道的检测需求，设计成不同的焦距，并将两个通道的信息可控的分布在同一像面7上，在像面7上的信息彼此不重叠，互不干扰，保证了信息获取的准确性，提高了像面7利用率。本发明通过使用拼接面将两个通道的透镜拼接成共透镜式光学系统，使得两个通道均包含在同一光学系统中，系统中的两个视场通道独立工作，实现了径向双视场双焦距的功能，没有采用分光片半透半反的通光成像方式，也没有采用附加光学元件，本发明的光学系统结构简单、体积较小、减少了系统的重量，有利于光学系统的可装调性，装配简单。本发明光学系统采用拼接非球面可以使得中心通道分辨率最优，可用来观察目标细节，而边缘通道用于观测目标位置信息，可以提高镜头获取有效信息的能力。

Claims (9)

1.双通道共透镜式光学系统，其特征在于，沿同一光轴、从物面到像面(7)依次包括：光焦度为负的凸透镜一(1)、光焦度为负的凹透镜一(2)、光焦度为正的凸透镜二(3)、孔径光阑(4)和中继镜组；凸透镜一(1)靠近物面的表面为凸面、靠近像面(7)的表面为凹面，凸透镜一(1)的凹面为包括第一凹面(1.1)和第二凹面(1.2)，第二凹面(1.2)周向设置在第一凹面(1.1)外且连接第一凹面(1.1)；凹透镜一(2)靠近物面和靠近像面(7)的表面均为凹面，其靠近物面的凹面包括第三凹面(2.1)和第四凹面(2.2)，第四凹面(2.2)周向设置在第三凹面(2.1)外且连接第三凹面(2.1)；第一凹面(1.1)、第二凹面(1.2)、第三凹面(2.1)和第四凹面(2.2)均为非球面，第一凹面(1.1)的曲率小于第二凹面(1.2)的曲率，第三凹面(2.1)的曲率小于第四凹面(2.2)的曲率。
2.如权利要求1所述的双通道共透镜式光学系统，其特征在于，入射光线依次经凸透镜一(1)发散、凹透镜一(2)发散、凸透镜二(3)汇聚、孔径光阑(4)限束、中继镜组汇聚后成像至像面(7)上。
3.如权利要求2所述的双通道共透镜式光学系统，其特征在于，入射光线依次经所述第一凹面(1.1)和第三凹面(2.1)所成的像与入射光线依次经第二凹面(1.2)和第三凹面(2.1)所成的像均位于所述像面(7)上。
4.如权利要求1所述的双通道共透镜式光学系统，其特征在于，所述中继镜组包括双胶合透镜一(5)和双胶合透镜二(6)，孔径光阑(4)、双胶合透镜一(5)和双胶合透镜二(6)顺次设置。
5.如权利要求4所述的双通道共透镜式光学系统，其特征在于，所述双胶合透镜一(5)由靠近物面的凹透镜二和靠近像面(7)一侧的凸透镜三组成，所述凹透镜二的光焦度为负，所述凸透镜三的光焦度为正。
6.如权利要求4所述的双通道共透镜式光学系统，其特征在于，所述双胶合透镜二(6)由靠近物面的凸透镜四和靠近像面(7)一侧的凸透镜五组成，所述凸透镜四和凸透镜五的光焦度均为正。
7.如权利要求1所述的双通道共透镜式光学系统，其特征在于，所述凸透镜一(1)第一凹面(1.1)处的厚度小于等于2mm，凸透镜一(1)口径小于等于26mm；所述凹透镜一(2)第三凹面(2.1)处的厚度小于等于1mm，凹透镜一(2)口径小于等于14mm。
8.如权利要求1所述的双通道共透镜式光学系统，其特征在于，所述第一凹面(1.1)和第三凹面(2.1)向垂直于光轴的平面投影的投影图形均为圆形，第二凹面(1.2)和第四凹面(2.2)向垂直于光轴的平面投影的投影图形均为环形。
9.如权利要求8所述的双通道共透镜式光学系统，其特征在于，所述第一凹面(1.1)投影图形的直径等于第二凹面(1.2)投影图形的内环直径，第三凹面(2.1)投影图形的直径等于第四凹面(2.2)投影图形的内环直径。
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李维善等: "单体数字立体双通道放映镜头的光学设计", 《中国光学》 *

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CN110609379B (zh) 2021-06-25

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