CN111399201B - 一种用于线阵探测器的变焦光学镜头 - Google Patents

一种用于线阵探测器的变焦光学镜头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于线阵探测器的变焦光学镜头，包括依次排列的七个透镜，透镜一、透镜三和透镜五为凸柱透镜，所述透镜二、透镜四为凹柱透镜，所述透镜六为凹透镜，所述透镜七为凸透镜；纵向视场的变焦组成部分包括前固定组、变倍组、补偿组和后固定组，所述前固定组包括透镜一、透镜二和透镜三，所述变倍组包括透镜四，所述补偿组包括透镜五，所述后固定组包括透镜六和透镜七，所述镜头包括状态一和状态二两种状态，并且各组件之间满足相关约束条件，本发明所公开的变焦光学镜头针对特定场景，在实现平滑换根，不改变系统长度的基础上，进一步扩展变焦范围。

Description

一种用于线阵探测器的变焦光学镜头
技术领域
本发明涉及一种光学镜头，特别涉及一种用于线阵探测器的变焦光学镜头。
背景技术
变焦镜头是在一定范围内可以变换焦距、从而得到不同宽窄的视场角，不同大小的影像和不同景物范围的照相机镜头。变焦镜头在不改变拍摄距离的情况下，可以通过变动焦距来改变拍摄范围，因此非常有利于画面构图。由于一个变焦镜头可以兼担当起若干个定焦镜头的作用，外出工作时不仅减少了携带摄影器材的数量，也节省了更换镜头的时间。
搭配滤光片的近红外探测器无需清晰成像，仅需接受一定范围的光照即可。在室外进行近红外光谱采集时，有时需要根据不同情况变化焦距，改变视场，使得采样区域更精确合理，为此需要变焦镜头。
变焦镜头的一般由前固定组、变倍组、补偿组和后固定组组成，核心部分为变倍组和补偿组。前后固定组的放大倍率不变，变倍组的主要作用为调整整个镜头的焦距变化，而补偿组的作用是保持相面的稳定，使相点位置不发生改变。
一般的，变焦镜头为减少不必要的长度，通常需要满足平滑“换根条件“，因物象共轭关系，如图1所示，对于变倍组的放大率变化(图中线A)，补偿组通常存在两条双曲线的运动轨迹(图中线B)达到补偿目的，其中一条曲线补偿组放大率始终大于等于1，另一条曲线补偿组放大率始终小于等于1，变焦镜头的焦距为
F＝F前固定β变倍β补偿β后固定
其中，F-系统焦距，F前固定-前固定组焦距，β变倍-变倍组放大率，β补偿-补偿组放大率，β后固定-后固定组放大率。
由于前后固定组的焦距不变，因此补偿组放大率与变倍组放大率乘积的变化范围决定了变焦镜头的焦距变化范围。在平滑换根条件下，可以如图2，放大率若能使补偿组两曲线相切(相切位置在变倍组放大率为1的位置)，使变倍组放大率大于1时(假设变倍组上半段放大率大于1，下半段放大率小于1)，补偿组使用左侧黑色粗线条的运动轨迹，变倍组放大率小于1时使用右侧黑色粗线条的运动轨迹，则能在扩展变焦范围的同时减小不必要的系统长度。这被称为“平滑换根“。
现有技术中，在实现平滑换根时，变焦范围无法实现扩展，限制了变焦镜头在线阵探测器上的应用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于线阵探测器的变焦光学镜头，以达到在实现平滑换根，不改变系统长度的基础上，进一步扩展变焦范围的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于线阵探测器的变焦光学镜头，包括依次排列的七个透镜，透镜一、透镜三和透镜五为凸柱透镜，所述透镜二、透镜四为凹柱透镜，所述透镜六为凹透镜，所述透镜七为凸透镜；纵向视场的变焦组成部分包括前固定组、变倍组、补偿组和后固定组，所述前固定组包括透镜一、透镜二和透镜三，所述变倍组包括透镜四，所述补偿组包括透镜五，所述后固定组包括透镜六和透镜七；
所述镜头包括状态一和状态二两种状态，所述状态一的纵向视场的前固定组为长焦距，所述状态二的纵向视场的前固定组为短焦距，所述状态一和状态二是由透镜一和透镜二绕光轴旋转90°得到；
所述镜头在状态一时的横向视场由透镜六和透镜七组成摄远物镜，其他透镜看作平行玻璃板；所述镜头在状态二时的横向视场由透镜一、透镜二、透镜六和透镜七组成摄远物镜，其他透镜看作平行玻璃板，所述镜头在横向视场不需要变焦，横向输出为平行光；
所述镜头各组件的相关约束条件如下：
设：前固定组后焦距为F1，变倍组焦距与放大率分别为F2，β2，补偿组焦距与放大率分别为F3，β3，后固定组焦距与放大率分别为F4，β4，任意两组件m，n(m＜n)焦点间的距离为dmn，m，n代表透镜的序号1-7；
S1.平滑换根基本条件1：纵向视场的变倍组放大率β2＝-1时，补偿组放大率为β3＝-1，此时镜头的状态称为纵向视场的初始状态；
S2.平滑换根基本条件2：纵向视场的初始状态下，因β2＝-1，故
F1＝-2F2+dfb
Figure BDA0002415747850000021
其中，
dfb：前固定组像方主平面与变倍组像方主平面的间距；
dbb：变倍组像方主平面与补偿组像方主平面的间距；
S3.前固定组、后固定组放大率与组件间距：
d12＝|f1+f2|，d67＝|f6+f7|，
Figure BDA0002415747850000031
为使β前>1且β后>1，有|f1|>|f2|，|f6|＜|f7|；
其中，
d12：透镜一和透镜二的像方主平面间距离，保证透镜一和透镜二的焦点重合；
d67：透镜六和透镜七的像方主平面间距离，保证透镜六和透镜七的焦点重合；
f1：透镜一的焦距，为正值；
f2：透镜二的焦距，为负值；
f6：透镜六的焦距，为负值；
f7：透镜七的焦距，为正值；
β前：前固定组放大率；
β后：后固定组放大率；
S4.变焦区间相交条件：状态一时前固定组焦距大于状态二时前固定组焦距，为使系统在两个状态下的变焦区间连续，必有
FT1βmin＜FT2βmax
其中
Figure BDA0002415747850000032
FT2＝f3
故上式变为
Figure BDA0002415747850000033
其中，
FT1：状态一时前固定组焦距；
FT2：状态二时前固定组焦距；
βmin：补偿组与变倍组组合的最小放大率；
βmax：补偿组与变倍组组合的最大放大率；
f1，f2，f3：透镜一，透镜二，透镜三的焦距。
通过上述技术方案，本发明提供的用于线阵探测器的变焦光学镜头的焦距、放大率等参数满足平滑换根的条件的同时，还满足变焦区间相交条件，可以使得两个状态下的变焦区间连续，不改变系统长度的基础上，进一步扩展了变焦范围；应用于线阵探测器上，可以使得线阵探测器的采样区域更精确合理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为变倍组与补偿组对应运动轨迹示意图；
图2为平滑换根情况下的变倍组与补偿组对应运动轨迹示意图(运动轨迹相切)；
图3为状态一时镜头的纵向截面示意图；
图4为状态一时镜头的横向截面示意图；
图5为状态二时镜头的纵向截面示意图；
图6为状态二时镜头的横向截面示意图；
图7为状态一时横向视场的光线传播示意图；
图8为状态二时横向视场的光线传播示意图。
图中，1、透镜一；2、透镜二；3、透镜三；4、透镜四；5、透镜五；6、透镜六；7、透镜七。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种用于线阵探测器的变焦光学镜头，如图3至图6所示，包括依次排列的七个透镜，透镜一1、透镜三3和透镜五5为凸柱透镜，透镜二2、透镜四4为凹柱透镜，透镜六6为凹透镜，透镜七7为凸透镜。
纵向视场的变焦组成部分包括前固定组、变倍组、补偿组和后固定组。前固定组包括透镜一1、透镜二2和透镜三3，透镜一1、透镜二2组成摄远物镜，两个透镜的光心间距为d＝|f1+f2|，其中f1，f2为两个透镜的焦距(凸者正，凹者负)。不同状态下，透镜一1、透镜二2和透镜三3的距离不变。
变倍组包括透镜四4，前固定组成像位置在透镜四4之后，以该像作为透镜四4的物，移动透镜四4，改变物与透镜四4之间的距离，获得不同的放大率。
补偿组包括透镜五5，透镜五5的组合焦距作为补偿组焦距，移动透镜五5使得补偿组的成像位置始终保持稳定不变。
后固定组包括透镜六6和透镜七7，平行光输入，输出仍为平行光。
镜头包括状态一和状态二两种状态，如图3所示，状态一的纵向视场的前固定组为长焦距，如图5所示，状态二的纵向视场的前固定组为短焦距，状态一和状态二是由透镜一1和透镜二2绕光轴Z旋转90°得到。
横向视场因为不需要变焦，故组成较为简单，主要由透镜一1、透镜二2、透镜六6和透镜七7组成摄远物镜，使横向方向输出为平行光。因探测器的位置固定(探测器位于透镜七7之后，且透镜一1与探测器的位置始终保持不变)，又因探测器无需成像(近红外探测器像元仅识别光强变化)，因此针对近红外探测器，横向视场只需构成摄远物镜即可。
如图4和图7所示，镜头在状态一时的横向视场由透镜六6和透镜七7组成摄远物镜，其他透镜看作平行玻璃板；如图6和图8所示，镜头在状态二时的横向视场由透镜一1、透镜二2、透镜六6和透镜七7组成摄远物镜，其他透镜看作平行玻璃板，镜头在横向视场不需要变焦，横向输出为平行光。
镜头各组件的相关约束条件如下：
设：前固定组后焦距为F1，变倍组焦距与放大率分别为F2，β2，补偿组焦距与放大率分别为F3，β3；
S1.平滑换根基本条件1：纵向视场的变倍组放大率β2＝-1时，补偿组放大率为β3＝-1，此时镜头的状态称为纵向视场的初始状态；
S2.平滑换根基本条件2：纵向视场的初始状态下，因β2＝-1，故
F1＝-2F2+dfb
Figure BDA0002415747850000051
其中，
dfb：前固定组像方主平面与变倍组像方主平面的间距；
dbb：变倍组像方主平面与补偿组像方主平面的间距；
S3.前固定组、后固定组放大率与组件间距：
d12＝|f1+f2|，d67＝|f6+f7|，
Figure BDA0002415747850000052
为使β前>1且β后>1，有|f1|>|f2|，|f6|＜|f7|；
其中，
d12：透镜一1和透镜二2的像方主平面间距离，保证透镜一1和透镜二2的焦点重合；
d67：透镜六6和透镜七7的像方主平面间距离，保证透镜六6和透镜七7的焦点重合；
f1：透镜一1的焦距，为正值；
f2：透镜二2的焦距，为负值；
f6：透镜六6的焦距，为负值；
f7：透镜七7的焦距，为正值；
β前：前固定组放大率；
β后：后固定组放大率；
S4.变焦区间相交条件：状态一时前固定组焦距大于状态二时前固定组焦距，为使系统在两个状态下的变焦区间连续，必有
FT1βmin＜FT2βmax
其中
Figure BDA0002415747850000061
FT2＝f3
故上式变为
Figure BDA0002415747850000062
其中，
FT1：状态一时前固定组焦距；
FT2：状态二时前固定组焦距；
βmin：补偿组与变倍组组合的最小放大率；
βmax：补偿组与变倍组组合的最大放大率；
f1，f2，f3：透镜一1，透镜二2，透镜三3的焦距。
按照本发明的上述内容设计一种变焦距系统，分析系统的变焦范围，以证明方法的可行性。
设计一个二态变焦光学系统。设透镜1-7的焦距(柱透镜取非平面方向的焦距)分别为f1，f2，f3，f4，f5，f6，f7，初始状态下(系统放大率为1)相互间的距离为d12，d23，d34，d45，d56，d67。
确定变倍组焦距：
为使本例更具有普适性，按设计规划值取变倍组f4＝-1。
确定透镜三3、透镜五5的焦距：
为保证变倍组与补偿组的移动空间，初始状态下，前固定组与变倍组焦距关系为f前固定＝-2f变倍+d34(平滑换根条件)，d34为透镜三3、透镜四4在初始状态下的距离，故取d34＝1，f3＝3。同理，设定初始状态下d45＝0.8，有f5＝1.4。
使用zemax软件计算变倍组与补偿组的放大率范围得到状态二下纵向极限变焦范围为【0.83，5.8】,则
Figure BDA0002415747850000071
为使变焦区间连续，取
Figure BDA0002415747850000072
则透镜一1、透镜二2的光心距离d12＝2f2，为缩短系统长度，取f2＝0.5，取透镜二2、透镜三3的光心距离d23＝0.05。于是初始状态下有
f1＝-1.5，f2＝0.5，d12＝1，d23＝0.05
后固定组透镜六6、透镜七7进一步提升放大率。取f6＝-0.5，f7＝0.6，d67＝0.1，则后固定组放大率为1.2，状态二下纵向极限变焦区间为【0.995，6.96】。同时为防止系统总距离过长，取初始状态下d56＝2.5，则纵向方向透镜七7到理想像面的距离为0.312。
于是初始状态下有：
f1＝-1.5，f2＝0.5，f3＝3，f4＝-1，f5＝1.4，f6＝-0.5，f7＝0.6
d12＝1，d23＝0.05，d34＝1，d45＝0.8，d56＝2.5，d67＝0.1
从透镜一1光心到理想像面距离为L＝1+0.05+1+0.8+2.5+0.1+0.312＝5.762。
系统的变焦区间为【0.995，20.88】。
可以看出，状态一下极限变焦区间为【2.985，20.88】。状态二下系统总长不变，而变焦范围涵盖状态一达不到的变焦区间(【0.995，2.985】)。这就可以说明对于线阵探测器，对比一般变焦系统，二态变焦系统的变焦能力更强。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种用于线阵探测器的变焦光学镜头，其特征在于，包括依次排列的七个透镜，透镜一、透镜三和透镜五为凸柱透镜，透镜二、透镜四为凹柱透镜，透镜六为凹透镜，透镜七为凸透镜；纵向视场的变焦组成部分包括前固定组、变倍组、补偿组和后固定组，所述前固定组包括透镜一、透镜二和透镜三，所述变倍组包括透镜四，所述补偿组包括透镜五，所述后固定组包括透镜六和透镜七；
所述镜头包括状态一和状态二两种状态，所述状态一的纵向视场的前固定组为长焦距，所述状态二的纵向视场的前固定组为短焦距，所述状态一和状态二是由透镜一和透镜二绕光轴旋转90°得到；
所述镜头在状态一时的横向视场由透镜六和透镜七组成摄远物镜，其他透镜看作平行玻璃板；所述镜头在状态二时的横向视场由透镜一、透镜二、透镜六和透镜七组成摄远物镜，其他透镜看作平行玻璃板，所述镜头在横向视场不需要变焦，横向输出为平行光；
所述镜头各组件的相关约束条件如下：
设：前固定组焦距为F1，变倍组焦距与放大率分别为F2，β2，补偿组焦距与放大率分别为F3，β3；
S1.平滑换根基本条件1：纵向视场的变倍组放大率β2＝-1时，补偿组放大率为β3＝-1，此时镜头的状态称为纵向视场的初始状态；
S2.平滑换根基本条件2：纵向视场的初始状态下，因β2＝-1，故
F1＝-2F2+dfb
Figure FDA0002741580180000011
其中，
dfb：前固定组像方主平面与变倍组像方主平面的间距；
dbb：变倍组像方主平面与补偿组像方主平面的间距；
S3.前固定组、后固定组放大率与组件间距：
d12＝|f1+f2|，d67＝|f6+f7|，
Figure FDA0002741580180000012
为使β前＞1且β后＞1，有|f1|＞|f2|，|f6|＜|f7|；
其中，
d12：透镜一和透镜二的像方主平面间距离，保证透镜一和透镜二的焦点重合；
d67：透镜六和透镜七的像方主平面间距离，保证透镜六和透镜七的焦点重合；
f1：透镜一的焦距，为正值；
f2：透镜二的焦距，为负值；
f6：透镜六的焦距，为负值；
f7：透镜七的焦距，为正值；
β前：前固定组放大率；
β后：后固定组放大率；
S4.变焦区间相交条件：状态一时前固定组焦距大于状态二时前固定组焦距，为使系统在两个状态下的变焦区间连续，必有
FT1βmin＜FT2βmax
其中
Figure FDA0002741580180000021
FT2＝f3
故上式变为
Figure FDA0002741580180000022
其中，
FT1：状态一时前固定组焦距；
FT2：状态二时前固定组焦距；
βmin：补偿组与变倍组组合的最小放大率；
βmax：补偿组与变倍组组合的最大放大率；
f1，f2，f3：透镜一，透镜二，透镜三的焦距。
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