CN111897114A - 一种具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统，解决现有技术中成像系统分辨率较低、难以兼顾大小视场搜索功能、无法实现对高速像移的有效补偿的问题。该系统包括从物面到焦面依次设置的前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组、光阑、第五负透镜、第一折叠反射镜、中继镜组、第二折叠反射镜、后固定镜组和滤光片；前固定镜组包括第一负透镜、第一正透镜和第二正透镜；变倍镜组包括第二负透镜和第一胶合镜组；补偿镜组包括第四正透镜、第二胶合镜组和第六正透镜；中继镜组包括第六负透镜、第七正透镜、第七负透镜、第八正透镜和第三胶合镜组；后固定镜组包括第九负透镜和第十正透镜；变倍镜组和补偿镜组可沿光轴方向前后直线移动实现连续变焦。

Description

一种具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种连续变焦光学系统，具体涉及一种具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统。

背景技术

近些年，针对航空遥感、周视预警等应用需求领域，扫描型面阵探测成像系统获得迅速发展，其中，具备连续变焦功能，可实现大视场搜索、小视场详查的面阵扫描成像系统获得重点关注。该类成像系统要求光电平台以一定的转速，在方位360°或特定角度范围内进行扫描成像，并针对特定目标区域进行凝视跟踪。但由于面阵探测器在积分时间内焦平面与景物间会产生相对运动，进而产生像移，若不采用相应像移补偿措施，极易导致成像模糊，影响使用效能。

在现有技术中，对于面阵扫描成像系统，补偿像移的方式主要有：电子补偿式和机械补偿式。其中，电子补偿式主要通过降低积分时间、数字TDI和电子防抖等技术实现，均可实现对中等像移速度的自动补偿，但无法适应诸如周扫成像等高像移速度的应用场合。而机械补偿式是通过在光路中引入可反向补偿扫描像移的机构，通过对运动信号的实时采集处理，驱动伺服机构反向运动，实现对该类像移的补偿；该类机构包括驱动镜组移动的光学防抖机构、驱动探测器组件反向运动的像方补偿机构、驱动指向镜组件反向运动的物方补偿机构、驱动空间折叠镜组件反向运动的补偿机构等。前三者或因为补偿能力低、或因为可靠性差、或因为组件惯量大等原因均无法实现对高速像移的有效补偿。而驱动空间折叠镜组件反向运动的补偿机构，具有重量小、功耗低、频率快、可靠性高等特点，为高速像移补偿的首选方式。

现有具备高速像移补偿能力的光学系统中，针对航空遥感、周视预警等应用领域的面阵扫描变焦成像系统，其多工作于中长波红外谱段，分辨率较低，无法满足一些高分辨率要求的应用场景；一些工作于可见光谱段的面阵扫描设备多为定焦系统，无法兼顾大小视场搜索详查功能；而可见谱段，具备稳像功能的连续变焦系统，难以实现对诸如摆扫、周扫等工况下的快速像移补偿。

2020年，刊载于中国期刊《红外与激光工程》，题为《两档变焦面阵扫描红外光学系统设计》的文献中，公开了一种具备73mm/180mm两档面阵扫描的功能，工作波段3.7～4.8μm，阵列640×512，像元大小为15μm，F数为2的光学系统。该系统焦距为73mm时，面阵周扫的频率分别为1秒/圈；红外系统焦距为180mm时，面阵周扫的频率为2.47秒/圈，可实现快速像移补偿，但红外探测器像元尺寸大，难以达到可见光影像的高分辨率。

2020年，刊载于中国期刊《红外与毫米波学报》，题为《六倍连续变焦面阵扫描红外光学系统设计》的文献中，公开了一种60～360mm连续变焦面阵扫描中波光学系统，实现了与上述文献相类似的面阵周扫功能。但也存在成像分辨率低的问题。

如公开号为CN 103345048 B的中国发明专利，公开了一种适用于稳像系统的高倍率变焦摄像镜头，公开的镜头主要解决了振动条件下的稳像问题，其分辨率可适配超百万像素探测器，焦距范围31mm～620mm，相对孔径D/f＝1/5～1/8，视场角2ω＝22.1°～1.11°，通过光路中设置的折叠反射镜反向摆动实现振动条件下的稳像。但，所述镜头难以实现对超千万分辨率探测器的适配，也难以实现对诸如摆扫、周扫等工况下的快速像移补偿。

因此，迫切需要设计一种可实现可见-近红外宽波段高分辨率成像，并具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统。

发明内容

为了解决现有技术或补偿能力低、或可靠性差、或组件惯量大，无法实现对高速像移的有效补偿，以及工作于中长波红外谱段的面阵扫描变焦成像系统分辨率较低，工作于可见光谱段的面阵扫描设备多为定焦系统，难以兼顾大小视场搜索详查功能的技术问题，本发明提供了一种具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统，其特殊之处在于：包括从物面到焦面依次设置的前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组、光阑、中间固定镜组、第一折叠反射镜、中继镜组、第二折叠反射镜、后固定镜组和滤光片；所述前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组、光阑、中间固定镜组的中心轴线同轴；

所述前固定镜组包括沿光线传输方向依次设置的第一负透镜、第一正透镜和第二正透镜；

所述变倍镜组包括沿光线传输方向依次设置的第二负透镜和具有负光焦度的第一胶合镜组；

所述补偿镜组包括沿光线传输方向依次设置的第四正透镜、第二胶合镜组和第六正透镜，所述第二胶合镜组具有正光焦度；

所述中间固定镜组包括第五负透镜；

所述中继镜组包括沿光线传输方向依次设置的第六负透镜、第七正透镜、第七负透镜、第八正透镜和第三胶合镜组，所述第三胶合镜组具有负光焦度；

所述后固定镜组包括沿光线传输方向依次设置的第九负透镜和第十正透镜；

所述第一折叠反射镜和第二折叠反射镜用于光路的转折；

所述变倍镜组和补偿镜组可沿光轴方向前后直线移动，实现连续变焦。

进一步地，所述第一胶合镜组由沿光线传输方向依次设置的第三负透镜与第三正透镜胶合构成；

所述第二胶合镜组由沿光线传输方向依次设置的第四负透镜与第五正透镜胶合而成；

所述第三胶合镜组由沿光线传输方向依次设置的第八负透镜与第九正透镜胶合而成。

进一步地，所述第一折叠反射镜的反射面和第二折叠反射镜的反射面与光轴夹角均为45°。

进一步地，设所述第一负透镜对d线的阿贝数为vd1101，所述第一正透镜对d线的阿贝数为vd1102，vd1101和vd1102分别满足以下条件式：

vd1101<45；

vd1102>70；

设所述前固定镜组的焦距为f11,设所述连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，fL和f11满足以下条件式：

1.45<|fL/f11|<1.68。

进一步地，设所述第三正透镜对d线的阿贝数为vd1003，vd1003满足以下条件式：

vd1003<26；

设所述变倍镜组的焦距为f10，fL和f10满足以下条件式：

6.84<|fL/f10|<8.5。

进一步地，设所述第四正透镜对d线的阿贝数为vd901，vd901满足以下条件式：

vd901>60；

设所述补偿镜组的焦距为f9，fL和f9满足以下条件式：

5.4<|fL/f4|<6.5。

进一步地，设所述第五负透镜对d线的阿贝数为vd701，vd701满足以下条件式：

vd701>52；

设所述中间固定镜组的焦距为f7，fL和f7满足以下条件式：

5.1<|fL/f7|<5.85。

进一步地，设所述中继镜组的焦距为f5，fL和f5满足以下条件式：

3.05<|fL/f5|<4.2；

设所述后固定镜组的焦距为f3,设所述第九负透镜的焦距为f301,f3和f301满足以下条件式：

2.1<|f3/f301|<3.4。

进一步地，所述光阑固定在第五负透镜的侧面；

所述滤光片与光学系统工作谱段相适配；

所述变倍镜组和补偿镜组通过凸轮-套筒机构、凸轮-导轨机构或伺服-导轨机构在光轴方向前后直线移动。

进一步地，定义靠近物面侧的表面为前表面，靠近焦面侧的表面为后表面；

所述第一负透镜的厚度为4.50mm，其前表面的曲率半径为195.02mm，后表面的曲率半径为92.43mm；

所述第一正透镜的厚度为12.00mm，其前表面的曲率半径为93.65mm，后表面的曲率半径为-1002.36mm；

所述第二正透镜的厚度为12.00mm，其前表面的曲率半径为90.52mm，后表面的曲率半径为-1119.61mm；

所述第二负透镜的厚度为1.80mm，其前表面的曲率半径为-166.62mm，后表面的曲率半径为51.89mm；

所述第三负透镜的厚度为1.80mm，其前表面的曲率半径为-66.70mm；

所述第三正透镜的厚度为3.92mm，其与第三负透镜胶合面的曲率半径为57.08mm，第三正透镜后表面的曲率半径为190.53mm；

所述第四正透镜的厚度为4.59mm，其前表面的曲率半径为104.36mm，后表面的曲率半径为-88.68mm；

所述第四负透镜的厚度为1.80mm，其前表面的曲率半径为91.01mm；

所述第五正透镜的厚度为5.55mm，其与第四负透镜胶合面的曲率半径为39.39mm，第五正透镜后表面的曲率半径为-239.75mm；

所述第六正透镜的厚度为4.59mm，其前表面的曲率半径为86.67mm，后表面的曲率半径为1071.59mm；

所述第五负透镜的厚度为1.80mm，其前表面的曲率半径为-68.97mm，后表面的曲率半径为42.09mm；

所述第六负透镜的厚度为1.80mm，其前表面的曲率半径为-242.04mm，后表面的曲率半径为28.90mm；

所述第七正透镜的厚度为6.28mm，其前表面的曲率半径为34.80mm，后表面的曲率半径为-131.33mm；

所述第七负透镜的厚度为15.00mm，其前表面的曲率半径为-2482.24mm，后表面的曲率半径为37.8230mm；

所述第八正透镜的厚度为6.45mm，其前表面的曲率半径为32.91mm，后表面的曲率半径为-37.18mm；

所述第八负透镜的厚度为1.80mm，其前表面的曲率半径为-38.07mm；

所述第九正透镜的厚度为6.02mm，其与第八负透镜胶合面的曲率半径为27.27mm，后表面的曲率半径为-48.59mm；

所述第九负透镜的厚度为1.80mm，其前表面的曲率半径为-30.24mm，后表面的曲率半径为-83.57mm；

所述第十正透镜的厚度为8.33mm，其前表面的曲率半径为43.17mm。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明光学系统可实现快像移补偿功能，并在全变焦段范围内实现大面阵超高清成像，可实现不小于10倍的连续变倍功能。在快速像移过程中，所有焦距中心视场及边缘视场均具有较好的成像质量。

2、本发明光学系统由变倍镜组和补偿镜组组成变焦核，并按设计给定的运动规律连续运动，变焦形式为内变焦。在变焦过程中，变倍镜组和补偿镜组始终在光轴上前后移动，变倍时，光圈F数恒定不变，总长固定不变，质心变化较小，系统体积小，结构紧凑。

3、本发明光学系统兼具连续变焦和宽波段探测能力，能够有效实现探测手段的小型化、轻量化和集成化，同时也能减轻光学调试的难度，可以兼顾大视场搜索探测和小视场识别辨认，并能实现光学透雾、多谱段成像等功能。

4、本发明光学系统将光阑固定位于中间固定镜组靠近物方侧透镜的外侧，可为采用不同类型的光阑留有足够空间，以保证本发明连续变焦光学系统相对孔径恒定不变、手动或自动变化，提高了本发明连续变焦光学系统的模块化水平；另一方面，光阑经后续镜组成像于像面侧很远距离处，构成准像方远心光路，可保证整个像面具有均匀的相对照度分布。

5、本发明光学系统的中继镜组与后固定镜组构成匹兹万结构，结合准像方远心的设计形式，保证光学系统各焦距各视场均具有较好像面照度分布的条件下，同时具有优良畸变特性。

6、本发明光学系统适用于各类电瞄准吊舱和转塔、警用民用监控、搜索与跟踪瞄准等用途，特别地，本发明光学系统还适用于各类摆扫成像、周视成像等装备。

7、本发明光学系统体积小巧，结构紧凑，特别适用大面阵成像，能够实现连续变焦功能，且具有快速像移补偿能力。

8、本发明光学系统的滤光片可根据工作需要进行更换，当光学系统需要工作于彩色成像条件时，切入红外截止滤光片，保证所成图像彩色信息均匀丰富；当光学系统需要工作于全色模式或其他谱段时，切入相应谱段的滤光片，此时，即可获得对应谱段的光学影像。

附图说明

图1是本发明具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统光路结构图；

图2是本发明具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统短焦状态光路图；

图3是本发明具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统中焦状态光路图；

图4是本发明具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统长焦状态光路图；

其中，附图标记如下：

1-焦面，2-滤光片；

3-后固定镜组，301-第九负透镜，302-第十正透镜；

4-第二折叠反射镜；

5-中继镜组，501-第六负透镜，502-第七正透镜，503-第七负透镜，504-第八正透镜，505-第八负透镜，506-第九正透镜；

6-第一折叠反射镜；

7-中间固定镜组，701-第五负透镜；

8-光阑；

9-补偿镜组，901-第四正透镜，902-第四负透镜，903-第五正透镜，904-第六正透镜；

10-变倍镜组，1001-第二负透镜，1002-第三负透镜，1003-第三正透镜；

11-前固定镜组，1101-第一负透镜，1102-第一正透镜，1103-第二正透镜；

12-物面。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，一种具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统，包括从物面12到焦面1(像面)依次设置的前固定镜组11、变倍镜组10、补偿镜组9、光阑8、中间固定镜组7、第一折叠反射镜6、中继镜组5、第二折叠反射镜4、后固定镜组3和滤光片2；前固定镜组11的物方侧为连续变焦光学系统的物面12，滤光片2的像方侧为连续变焦光学系统的焦面1；前固定镜组11、变倍镜组10、补偿镜组9、光阑8、中间固定镜组7、中继镜组5、后固定镜组3和滤光片2的中心轴线同轴。

变倍镜组10和补偿镜组9通过驱动机构驱动在连续变焦光学系统光轴方向同步前后直线移动(图1中左右方向)，实现连接变焦，驱动机构可为凸轮-套筒机构、凸轮-导轨机构或伺服-导轨机构等其他类似驱动机构；在连续变焦过程中，本实施例连续变焦光学系统的总长恒定。

本实施例前固定镜组11、变倍镜组10、补偿镜组9、光阑8、中间固定镜组7共同构成前置准无焦望远镜组，中继镜组5和后固定镜组3共同构成成像物镜组。

本实施例光学系统中各镜组如下：

1、前固定镜组11

前固定镜组11包括沿光线传输方向依次同轴设置的第一负透镜1101、第一正透镜1102和第二正透镜1103；设第一负透镜1101对d线的阿贝数为vd1101，第一正透镜1102对d线的阿贝数为vd1102，vd1101和vd1102满足以下条件式：

vd1101<45； (1)

vd1102>70； (2)

条件式(1)和(2)是规定前固定镜组11对跨全变倍区域的相对于整个工作谱段范围而产生的色差良好地进行校正的条件式子。通过由满足条件式(1)的高色散材料形成前固定镜组11中的第一负透镜1101和满足条件式(2)的低色散材料形成前固定镜组11中的第一正透镜1102，能够在全变倍区域对整个工作谱段范围，跨全变倍区域的相对于整个工作谱段范围而产生的色差良好地进行校正。另外，若超出条件式(1)的上限或低于条件式(2)的下限，则对由光学材料引入的色差的校正变得困难。

此外，设前固定镜组11的焦距为f11,设本实施例连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，fL和f11满足以下条件式：

1.45<|fL/f11|<1.68； (3)

条件式(3)是规定前固定镜组11对光学系统长焦端离焦影响的最小化式子。能够保证前固定镜组11在环境变化时，对整个光学系统长焦段离焦的影响最小化。通过由满足条件式(3)光焦度限制的前固定镜组11，能够在全变倍范围内，尤其是长焦段，对由环境变化产生的离焦进行良好地校正。另外，若超出条件式(3)的范围，则对光学系统长焦段环境离焦的校正变得困难。

如此，在光学系统的最靠近物面12侧，能够配置具有较长焦距且具有正光焦度的前固定镜组11，有利于光学系统的小型化；前固定镜组11能够对跨全变倍区域地相对于从可见光区域到近红外光区域的光而产生的色差良好地进行校正。

2、变倍镜组10

变倍镜组10包括沿光线传输方向依次同轴设置的第二负透镜1001和第一胶合镜组；第一胶合镜组具有负光焦度，第一胶合镜组由沿光线传输方向依次设置的第三负透镜1002与第三正透镜1003胶合构成；设变倍镜组10的焦距为f10,第三正透镜1003对d线的阿贝数为vd1003，fL、f10和vd1003满足以下条件式：

6.84<|fL/f10|<8.5； (4)

vd1003<26； (5)

条件式(4)是对变倍镜组10的焦距范围进行限定的式子，通过满足该条件式(4)，能够有效压缩变倍镜组10之后的组镜片孔径，减小光线在后组镜片表面的入射角，降低后组镜片像差校正的难度。条件式(4)中若低于其下限，则变倍镜组10的移动量增加，变倍镜组10之后的组镜片口径变大，因此光学系统的小型化变得困难。另一方面，在条件式(4)中若超过其上限，对光学系统小型化有利，但特别是在短焦端中畸变的校正变得困难，使得光学性能劣化。

条件式(5)是规定跨全变倍区域地对变倍镜组10相对于整个工作谱段区域的光产生的色像差良好地进行校正的条件式子。通过由满足条件式(5)的高色散材料形成变倍镜组10中的第三正透镜1003，能够对变倍镜组10在全变倍范围对相对于工作谱段范围的光而产生的色差良好地进行校正。另外，条件式(5)中，若高于它的上限，则轴上色差的校正变得困难，不能够对整个工作谱段范围的光产生的色差充分地进行校正。

如此，变倍镜组10能够压缩后组孔径，对与大口径化相伴而生的像差良好地进行校正，保证光学系统变焦迅速，并能够在全变倍范围对相对于工作谱段范围的光而产生的色差良好地进行校正。

3、补偿镜组9

补偿镜组9包括沿光线传输方向依次同轴设置的第四正透镜901、第二胶合镜组和第六正透镜904；第二胶合镜组具有正光焦度，第二胶合镜组由沿光线传输方向依次设置的第四负透镜902与第五正透镜903胶合而成；

设补偿镜组9的焦距为f9，第四正透镜901对d线的阿贝数为vd901，fL、f9和vd901满足以下条件式：

5.4<|fL/f4|<6.5； (6)

vd901>60； (7)

条件式(6)是对与变倍镜组10相伴的补偿镜组9焦距范围进行限定的式子。通过满足该条件式(6)，能够保证光学系统补偿镜组9运动平缓迅速，并能够更好地对由变倍镜组10运动相伴产生的像散和场曲进行校正。条件式(6)中若低于其下限，则补偿镜组9的移动量增加，光学系统的小型化变得困难。另一方面，在条件式(6)中若高于其上限，光学系统中由变倍镜组引入的像散和场曲的校正变得困难，导致光学性能劣化。

条件式(7)，与条件式(1)、(2)和(5)同样，是规定用于跨全变倍区域地对整个工作谱段区域的光而产生的色像差良好地进行校正的条件式子。利用满足条件式(7)的低色散材料形成所述补偿镜组9的第四正透镜901，而对跨全变倍区域地在整个工作谱段范围内的光所产生的色差进一步良好地进行校正。另外，条件式(7)中若低于其下限，则补偿镜组9中的轴外色像差的校正变得困难。

如此，补偿镜组9能够对组内各透镜产生的色差进行独立校正，并对变倍镜组10引入的像散和场曲进行部分补偿，保证变焦过程运动平缓迅速，实现光学系统变焦核的小型化，并能达到对补偿镜组9镜组内的色差校正良好。

4、中间固定镜组7

中间固定镜组7为单片式结构，由第五负透镜701构成；设中间固定镜组7的焦距为f7，第五负透镜701对d线的阿贝数为vd701，fL、f7和vd701满足以下条件式：

5.1<|fL/f7|<5.85； (8)

vd701>52； (9)

条件式(8)是对中间固定镜组7焦距范围进行限定的式子。通过满足该条件式(8)，能够有效补偿前置准无焦望远镜组大视场化相伴产生的球差和彗差，进而扩大第一折叠反射镜6角度补偿范围，实现大角度快速像移补偿。条件式(8)若低于其下限，前置准无焦望远镜组大视场化变得困难。另一方面，在条件式(8)中若超过其上限，对前置准无焦望远镜组大视场化有利，但将引入过多球差和彗差，使光学系统所成影像发生模糊。

条件式(9)是规定中间固定镜镜在跨全变倍区域地对与各动组移动相伴产生的色差进行校正的条件式子。通过由满足条件式(9)的中等色散材料形成中间固定镜组7中的第五负透镜701，能够对中间固定镜组7对与各动组移动相伴产生的色差良好地进行校正。另外，条件式(9)中，若低于它的下限，则前置准无焦望远镜组内的色差的校正变得困难，导致后续镜成像物组光学结构变得复杂。

如此，中间固定镜组7能够使与前置准无焦望远镜组大视场化相伴产生的各类像差最小化，并能够实现第一折叠反射镜6大角度快速像移补偿。

5、光阑8

光阑8固定在第五负透镜701的靠近物方侧，可采用固定通光孔径的光阑，也可采用通光孔径可变的光阑。

6、第一折叠反射镜6

第一折叠反射镜6位于中间固定镜组7与中继镜组5之间的准平行光路中，并对光路进行45度空间折叠，将光路转折90°。第一折叠反射镜6位在准平行光路中，为快速反射镜，通过闭环输入的运动信息进行相应动作，实现对光学系统成像像移的实时高精度补偿。

7、中继镜组5

中继镜组5包括沿光线传输方向依次同轴设置的第六负透镜6、第七正透镜502、第七负透镜503、第八正透镜504和第三胶合镜组；第三胶合镜组具有负光焦度，第三胶合镜组由沿光线传输方向依次设置的第八负透镜505与第九正透镜506胶合而成；设中继镜组5的焦距为f5,fL和f5满足以下条件式：

3.05<|fL/f5|<4.2； (10)

条件式(10)是对中继镜组5焦距范围进行限定的式子。通过满足该条件式(10)，能够有效压缩前置准无焦望远镜组长度和第一折叠反射镜6口径，实现光学系统空间包络的小型化。条件式(10)若低于其下限，第一折叠反射镜6口径变大，控制带宽要求变高而成为问题。另一方面，在条件式(10)中若超过其上限，对压缩第一折叠反射镜口径有利，但将使前置准无焦望远镜组长度增加，使光学系统包络的小型化变得困难。

如此，中继镜组5能够压缩光学系统变焦核的长度和口径，实现光学系统空间包络的小型化。

8、第二折叠反射镜4

第二折叠反射镜4位于中继镜组5与后固定镜组3之间，对光路进行45度空间折叠，将光路转折90°。

9、后固定镜组3

后固定镜组3包括沿光线传输方向依次设置的第九负透镜301和第十正透镜302；设后固定镜组3的焦距为f3,设第八负透镜505的焦距为f301,f3和f301满足以下条件式：

2.1<|f3/f301|<3.4； (11)

满足该条件式(11)，能够有效校正与大面阵探测器相伴产生的场曲、畸变，并有利于光学系统的空间折叠。条件式(11)若低于其下限，将导致场曲和畸变的校正变得困难。另一方面，在条件式(11)中若超过其上限，对采用大面阵探测器相伴产生的场曲和畸变的校正有利，但将引入过多彗差和像散，使光学系统所成影像发生模糊。

本实施例后固定镜组3与中继镜组5配合形成匹兹万型光学结构，校正与大面阵探测器相伴产生的场曲、畸变，并有利于光学系统的空间折叠。

滤光片2位于后固定镜组3与焦面1之间，滤光片的选择与光学系统工作谱段相适配，滤光片2可包括多种不同类型的滤光片，放置在焦面1前的滤光片2可进行更换，当光学系统需要工作于彩色成像条件时，切入红外截止滤光片2，保证所成图像彩色信息均匀丰富；当光学系统需要工作于全色模式或其他谱段时，切入相应谱段的滤光片2，此时，即可获得对应谱段的光学影像。

本实施例变焦光学系统能够实现快速像移补偿、连续变焦、小型化、超高清成像，并能够在全变倍区域对整个工作谱段范围的光产生的诸像差良好地进行校正，得到更优良的光学性能。

如图2至图4所示，变倍镜组10和补偿镜组9在驱动机构驱动下进行移动，在向长焦变化时，变倍镜组10朝向焦面1一侧运动，如图4所示为长焦状态；在向短焦变化时，变倍镜组10朝向物面12一侧运动，如图2所示为短焦状态；运动过程中焦距连续变化，中焦状态光路图如图3所示。

本实施例连续变焦光学系统共6个镜组，从物面12到焦面1依次为具有正光焦度的前固定镜组11、具有负光焦度的变倍镜组10、具有正光焦度的补偿镜组9、具有负光焦度的中间固定镜组7、有正光焦度的中继镜组5和具有正光焦度的后固定镜组3，在焦面1(成像面)配置CCD、CMOS等成像元件的受光面。

本实施例变焦光学系统所涉及的相关各种数值数据如下：

工作谱段范围：450nm～950nm

对角线视场角：(2ω)＝4.2°(长焦端)～43.8°(短焦端)

适配焦面1尺寸：14.5mm×14.5mm

边沿视场分辨率：不低于180lp/mm

清晰成像范围：5m～INF

F/#＝5，F#即为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D

前置准无焦望远镜组放大倍率：0.37×～3.7×

快反镜摆动范围：±0.5°

工作温度范围：-45℃～+70℃

以下表1、表2和表3表示实施例变焦光学系统的光学参数数据。

表1本实施例光学系统各透镜的具体参数(单位：mm)

表2本实施例光学系统可变面间隔数据

表3本实施例光学系统的参数表

序号	条件	参数值
			1	vd1101	40.8
2	vd1102	81.6
			3	|fL/f11|	1.56
4	|fL/f10|	7.32
			5	vd1003	17.9
6	|fL/f4|	5.98
			7	vd901	81.6
8	|fL/f7|	5.46
			9	vd701	64.2
10	|fL/f5|	3.74

本实施例中，从前固定镜组11靠近物面12一侧的面到焦面1的总包络小于220mm×90mm×75mm，各透镜最大口径不大于75mm，焦距范围27mm～270mm，变倍比为10，适配成像传感器对角线尺寸不小于20.5mm。变倍过程中，系统总长恒定，F数固定不变，随焦距位置的变化连续变化，具有较小的体积、较轻的重量，且属于内变焦，变倍过程中质心变化不大。

本实施例光学系统中，光阑8采用可变光阑的设计方式，位在中间固定镜组靠近像方侧固定位置，可以保证光学系统焦距或外界环境照度变化时，通过调节光圈大小，保证较好的成像对比度，扩宽成像组件的动态范围。

本实施例光学系统所涉及镜片总数数量少，具有较好的公差特性。各镜组所用光学材料均可为常用光学玻璃材料，均具有较好的可获得与可加工特性。

本实施例光学系统镜片可采用与镜筒材料线膨胀系数相匹配的透镜材料组合和-45℃～+70℃全温度范围内机电主动或手动调焦补偿的方式，补偿因镜筒材料温度变化和环境气压变化造成的离焦。

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 (10)

1.一种具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统，其特征在于：包括从物面(12)到焦面(1)依次设置的前固定镜组(11)、变倍镜组(10)、补偿镜组(9)、光阑(8)、中间固定镜组(7)、第一折叠反射镜(6)、中继镜组(5)、第二折叠反射镜(4)、后固定镜组(3)和滤光片(2)；所述前固定镜组(11)、变倍镜组(10)、补偿镜组(9)、光阑(8)、中间固定镜组(7)的中心轴线同轴；

所述前固定镜组(11)包括沿光线传输方向依次设置的第一负透镜(1101)、第一正透镜(1102)和第二正透镜(1103)；

所述变倍镜组(10)包括沿光线传输方向依次设置的第二负透镜(1001)和具有负光焦度的第一胶合镜组；

所述补偿镜组(9)包括沿光线传输方向依次设置的第四正透镜(901)、第二胶合镜组和第六正透镜(904)，所述第二胶合镜组具有正光焦度；

所述中间固定镜组(7)包括第五负透镜(701)；

所述中继镜组(5)包括沿光线传输方向依次设置的第六负透镜(501)、第七正透镜(502)、第七负透镜(503)、第八正透镜(504)和第三胶合镜组，所述第三胶合镜组具有负光焦度；

所述后固定镜组(3)包括沿光线传输方向依次设置的第九负透镜(301)和第十正透镜(302)；

所述第一折叠反射镜(6)和第二折叠反射镜(4)用于光路的转折；

所述变倍镜组(10)和补偿镜组(9)可沿光轴方向前后直线移动，实现连续变焦。

2.根据权利要求1所述具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统，其特征在于：所述第一胶合镜组由沿光线传输方向依次设置的第三负透镜(1002)与第三正透镜(1003)胶合构成；

所述第二胶合镜组由沿光线传输方向依次设置的第四负透镜(902)与第五正透镜(903)胶合而成；

所述第三胶合镜组由沿光线传输方向依次设置的第八负透镜(505)与第九正透镜(506)胶合而成。

3.根据权利要求2所述具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统，其特征在于：所述第一折叠反射镜(6)的反射面和第二折叠反射镜(4)的反射面与光轴夹角均为45°。

4.根据权利要求2或3所述具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统，其特征在于：设所述第一负透镜(1101)对d线的阿贝数为vd1101，所述第一正透镜(1102)对d线的阿贝数为vd1102，vd1101和vd1102分别满足以下条件式：

vd1101<45；

vd1102>70；

设所述前固定镜组(11)的焦距为f11,设所述连续变焦光学系统长焦端焦距为fL，fL和f11满足以下条件式：

1.45<|fL/f11|<1.68。

5.根据权利要求4所述具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统，其特征在于：设所述第三正透镜(1003)对d线的阿贝数为vd1003，vd1003满足以下条件式：

vd1003<26；

设所述变倍镜组(10)的焦距为f10，fL和f10满足以下条件式：

6.84<|fL/f10|<8.5。

6.根据权利要求5所述具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统，其特征在于：设所述第四正透镜(901)对d线的阿贝数为vd901，vd901满足以下条件式：

vd901>60；

设所述补偿镜组(9)的焦距为f9，fL和f9满足以下条件式：

5.4<|fL/f4|<6.5。

7.根据权利要求6所述具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统，其特征在于：设所述第五负透镜(701)对d线的阿贝数为vd701，vd701满足以下条件式：

vd701>52；

设所述中间固定镜组(7)的焦距为f7，fL和f7满足以下条件式：

5.1<|fL/f7|<5.85。

8.根据权利要求7所述具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统，其特征在于：设所述中继镜组(5)的焦距为f5，fL和f5满足以下条件式：

3.05<|fL/f5|<4.2；

设所述后固定镜组(3)的焦距为f3,设所述第九负透镜(301)的焦距为f301,f3和f301满足以下条件式：

2.1<|f3/f301|<3.4。

9.根据权利要求1所述具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统，其特征在于：所述光阑(8)固定在第五负透镜(701)的侧面；

所述滤光片(2)与光学系统工作谱段相适配；

所述变倍镜组(10)和补偿镜组(9)通过凸轮-套筒机构、凸轮-导轨机构或伺服-导轨机构在光轴方向前后直线移动。

10.根据权利要求2所述具备快速像移补偿能力的连续变焦光学系统，其特征在于：定义靠近物面侧的表面为前表面，靠近焦面侧的表面为后表面；

所述第一负透镜(1101)的厚度为4.50mm，其前表面的曲率半径为195.02mm，后表面的曲率半径为92.43mm；

所述第一正透镜(1102)的厚度为12.00mm，其前表面的曲率半径为93.65mm，后表面的曲率半径为-1002.36mm；

所述第二正透镜(1103)的厚度为12.00mm，其前表面的曲率半径为90.52mm，后表面的曲率半径为-1119.61mm；

所述第二负透镜(1001)的厚度为1.80mm，其前表面的曲率半径为-166.62mm，后表面的曲率半径为51.89mm；

所述第三负透镜(1002)的厚度为1.80mm，其前表面的曲率半径为-66.70mm；

所述第三正透镜(1003)的厚度为3.92mm，其与第三负透镜(1002)胶合面的曲率半径为57.08mm，第三正透镜(1003)后表面的曲率半径为190.53mm；

所述第四正透镜(901)的厚度为4.59mm，其前表面的曲率半径为104.36mm，后表面的曲率半径为-88.68mm；

所述第四负透镜(902)的厚度为1.80mm，其前表面的曲率半径为91.01mm；

所述第五正透镜(903)的厚度为5.55mm，其与第四负透镜(902)胶合面的曲率半径为39.39mm，第五正透镜(903)后表面的曲率半径为-239.75mm；

所述第六正透镜(904)的厚度为4.59mm，其前表面的曲率半径为86.67mm，后表面的曲率半径为1071.59mm；

所述第五负透镜(701)的厚度为1.80mm，其前表面的曲率半径为-68.97mm，后表面的曲率半径为42.09mm；

所述第六负透镜(501)的厚度为1.80mm，其前表面的曲率半径为-242.04mm，后表面的曲率半径为28.90mm；

所述第七正透镜(502)的厚度为6.28mm，其前表面的曲率半径为34.80mm，后表面的曲率半径为-131.33mm；

所述第七负透镜(503)的厚度为15.00mm，其前表面的曲率半径为-2482.24mm，后表面的曲率半径为37.8230mm；

所述第八正透镜(504)的厚度为6.45mm，其前表面的曲率半径为32.91mm，后表面的曲率半径为-37.18mm；

所述第八负透镜(505)的厚度为1.80mm，其前表面的曲率半径为-38.07mm；

所述第九正透镜(506)的厚度为6.02mm，其与第八负透镜(505)胶合面的曲率半径为27.27mm，后表面的曲率半径为-48.59mm；

所述第九负透镜(301)的厚度为1.80mm，其前表面的曲率半径为-30.24mm，后表面的曲率半径为-83.57mm；

所述第十正透镜(302)的厚度为8.33mm，其前表面的曲率半径为43.17mm。

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