CN113376825B - 一种可变焦的目镜视场监视光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及观察瞄准技术领域的一种可变焦的目镜视场监视光学系统，包括沿系统光轴方向依次设置的分光棱镜、固定光阑、前固定组、变倍组、后固定组；分光棱镜包括平板棱镜、直角棱镜一、直角棱镜二，前固定组包括依次设置的正弯月透镜一及双凹透镜；变倍组包括依次设置的平凸透镜、负弯月透镜与双凸透镜；后固定组包括依次设置的正弯月透镜二及正弯月透镜三；变倍组在前固定组与后固定组之间的位置可调节。本发明通过变倍组在光轴轴向移动的方式实现光学系统的变焦,既能在大视场时看到宽阔的场景，又能在小视场时观察到目标清晰的像，可适用于大多数军用目视观瞄系统，具有更好的环境适应性与产品兼容性。

Description

一种可变焦的目镜视场监视光学系统
技术领域
本发明涉及观察瞄准技术领域，具体地，涉及一种可变焦的目镜视场监视光学系统。
背景技术
现役部队里有大量目镜观瞄类产品，在产品的训练模拟、指挥教学、演练督导过程中需要对目视场景进行实时观测，常规的目镜监测系统大多焦距固定，在实际使用中有一定局限性，不能实现观察倍率的变化，无法满足既能在大视场时看到宽阔的场景，又能在小视场时看到被观察目标清晰的像的需求。
因此，急需一种可变焦的目镜视场监视光学系统解决上述技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种可变焦的目镜视场监视光学系统，包括沿系统光轴方向依次设置的分光棱镜、固定光阑、前固定组、变倍组、后固定组；
所述分光棱镜包括平板棱镜、直角棱镜一、直角棱镜二，所述平板棱镜的一侧正对观瞄系统的目镜，所述直角棱镜一与直角棱镜二设置在平板棱镜远离观瞄系统的目镜的一侧，直角棱镜一与直角棱镜二的两条斜边互相配合；
所述前固定组包括沿系统光轴方向依次设置的正弯月透镜一及双凹透镜；
所述变倍组包括沿系统光轴方向依次设置的平凸透镜、负弯月透镜与双凸透镜，所述负弯月透镜与双凸透镜密接形成胶合透镜；
所述后固定组包括沿系统光轴方向依次设置的正弯月透镜二及正弯月透镜三；
所述变倍组在前固定组与后固定组之间的位置可调节。
光线从观瞄系统的目镜处入射，进入分光棱镜后分光，其中透射光不改变方向，直接进入人眼，反射光经分光棱镜偏转90°，依次经过固定光阑、正弯月透镜一与双凹透镜组成的前固定组、平凸透镜与负弯月透镜与双凸透镜密接的胶合透镜组成的变倍组、正弯月透镜二与正弯月透镜三组成的后固定组，到达成像靶面。
优选的，所述平板棱镜、直角棱镜一、直角棱镜二为高折射率材料，其折射率＞1.85，平板棱镜沿人眼观察光轴方向的厚度为7mm；直角棱镜一、直角棱镜二在人眼观察光轴方向厚度为12mm；直角棱镜一、直角棱镜二在可变焦的目镜视场监视光学系统光轴方向厚度为9.75mm。
优选的，所述分光棱镜与固定光阑之间的空气间隔为4.83mm。
优选的，所述固定光阑与前固定组中正弯月透镜一的空气间隔为14.6mm。
优选的，前固定组中正弯月透镜一与双凹透镜之间的间隔为2mm。
优选的，所述前固定组的双凹透镜与变倍组中的平凸透镜在短焦距时空气间隔为15.07mm，变倍组中的胶合透镜与后固定组的正弯月透镜二的间隔在短焦距时空气间隔为2.64mm。
优选的，所述前固定组的双凹透镜与变倍组中的平凸透镜在长焦距时空气间隔为2.5mm，变倍组中的胶合透镜与后固定组的正弯月透镜二的间隔在长焦距时空气间隔为15.2mm。
优选的，所述后固定组中正弯月透镜二与正弯月透镜三的空气间隔为0.3mm。
优选的，所述后固定组中的正弯月透镜三与成像靶面间隔为可调间隔，理论值为4.4mm。
优选的，系统短焦焦距范围为12-15mm；系统长焦焦距范围为24-30mm；各透镜的最大直径＜25mm。
本发明还包括能够使一种可变焦的目镜视场监视光学系统正常使用的其它组件，如观瞄系统的目镜等均为本领域的常规技术手段。另外，本发明中未加限定的装置或组件均采用本领域中的常规技术手段，如平板棱镜、直角棱镜一、直角棱镜二、固定光阑、各透镜等均为本领域常规设备。
本发明的工作原理是，光线从观瞄系统的目镜处入射，进入分光棱镜后分光，其中透射光不改变方向，直接进入人眼，反射光经分光棱镜偏转90°，依次经过固定光阑、正弯月透镜一与双凹透镜组成的前固定组、平凸透镜与负弯月透镜与双凸透镜密接的胶合透镜组成的变倍组、正弯月透镜二与正弯月透镜三组成的后固定组，到达成像靶面，其中变倍组在前固定组与后固定组之间的位置可调节，通过变倍组在光轴轴向移动的方式实现光学系统的变焦,结构紧凑,光轴稳定,可靠性高。
本发明一种可变焦的目镜视场监视光学系统安装在各种目镜观瞄系统中的目镜上使用，其安装方式及变倍组沿系统光轴的移动均采用现有技术及本领域的常规手段，此处不再赘述。
本发明的有益效果，通过变倍组在光轴轴向移动的方式实现光学系统的变焦,能够实现目镜的约2倍变焦，既能在大视场时看到宽阔的场景，又能在小视场时观察到目标清晰的像，可适用于大多数军用目视观瞄系统，具有更好的环境适应性与产品兼容性；分光棱镜采用高折射率材料，减少了在人眼至观瞄系统目镜方向的棱镜厚度，保证了人眼具有舒适观察的出瞳距离；结构紧凑小巧，最大光学透镜直径为24mm，可以方便的安装在各种目镜观瞄系统中。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本申请的光学系统短焦状态下的系统结构示意图；
图2为本申请的光学系统在短焦状态下的光学传递函数(MTF)曲线图；
图3为本申请的光学系统在短焦状态下的点列图；
图4为本申请的光学系统在短焦状态下的场曲与畸变图；
图5为本申请的光学系统长焦状态下的系统结构示意图；
图6为本申请的光学系统在长焦状态下的光学传递函数(MTF)曲线图；
图7为本申请的光学系统在长焦状态下的点列图；
图8为本申请的光学系统在长焦状态下的场曲与畸变图。
图中：1.目镜，2.分光棱镜，3.人眼，4.直角棱镜一，5.直角棱镜二，6.平板棱镜，7.固定光阑，8.前固定组，9.变倍组，10.后固定组，11.成像靶面，12、正弯月透镜一，13、双凹透镜，14、平凸透镜，15、负弯月透镜，16、双凸透镜，17、正弯月透镜二，18、正弯月透镜三，19、系统光轴，20、人眼观察光轴。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图以及具体实施例对本发明进行清楚地描述，在此处的描述仅仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1
系统处于短焦状态时，如图1-4所示，本发明提供了一种可变焦的目镜视场监视光学系统，包括沿系统光轴方向依次设置的分光棱镜2、固定光阑7、前固定组8、变倍组9、后固定组10；
所述分光棱镜2包括平板棱镜6、直角棱镜一4、直角棱镜二5，所述平板棱镜6的一侧正对观瞄系统的目镜1，所述直角棱镜一4与直角棱镜二5设置在平板棱镜6远离观瞄系统的目镜1的一侧，直角棱镜一4与直角棱镜二5的两条斜边互相配合；
所述前固定组8包括沿系统光轴19方向依次设置的正弯月透镜一12及双凹透镜13；
所述变倍组9包括沿系统光轴19方向依次设置的平凸透镜14、负弯月透镜15与双凸透镜16，所述负弯月透镜15与双凸透镜16密接形成胶合透镜；
所述后固定组10包括沿系统光轴19方向依次设置的正弯月透镜二17及正弯月透镜三18；
所述变倍组9在前固定组8与后固定组10之间的位置可调节。
光线从观瞄系统的目镜1处入射，进入分光棱镜2后分光，其中透射光不改变方向，直接进入人眼3，反射光经分光棱镜2偏转90°，依次经过固定光阑7、正弯月透镜一12与双凹透镜13组成的前固定组8、平凸透镜14与负弯月透镜15与双凸透镜16密接的胶合透镜组成的变倍组9、正弯月透镜二17与正弯月透镜三18组成的后固定组10，到达成像靶面11。
所述平板棱镜6、直角棱镜一4、直角棱镜二5为高折射率材料H-ZF72A，平板棱镜6沿人眼观察光轴20方向的厚度为7mm；直角棱镜一4、直角棱镜二5在人眼观察光轴20方向厚度为12mm；直角棱镜一4、直角棱镜二5在可变焦的目镜视场监视光学系统光轴19方向厚度为9.75mm。
所述分光棱镜2与固定光阑7之间的空气间隔为4.83mm。
所述固定光阑7与前固定组8中正弯月透镜一12的空气间隔为14.6mm。
前固定组8中正弯月透镜一12与双凹透镜13之间的间隔为2mm。
所述前固定组8的双凹透镜13与变倍组9中的平凸透镜14在短焦距时空气间隔为15.07mm，变倍组9中的胶合透镜与后固定组10的正弯月透镜二17的间隔在短焦距时空气间隔为2.64mm。
所述后固定组10中正弯月透镜二17与正弯月透镜三18的空气间隔为0.3mm。
所述后固定组10中的正弯月透镜三18与成像靶面11间隔为4.4mm。
各透镜的最大直径＜25mm。
短焦状态时，各透镜满足表1内的各项参数
表1
Figure BDA0003115850420000051
Figure BDA0003115850420000061
表1中光学面序号S1、S2、S3……表示从由分光棱镜侧至成像侧，由正弯月透镜一12至正弯月透镜三18对应的透镜的表面，厚度表示所在光学面所在对应的透镜的厚度。
实施例2
系统处于长焦状态时，如图5-8所示，本发明提供了一种可变焦的目镜视场监视光学系统，包括沿系统光轴19方向依次设置的分光棱镜2、固定光阑7、前固定组8、变倍组9、后固定组10；
所述分光棱镜2包括平板棱镜6、直角棱镜一4、直角棱镜二5，所述平板棱镜6的一侧正对观瞄系统的目镜1，所述直角棱镜一4与直角棱镜二5设置在平板棱镜6远离观瞄系统的目镜1的一侧，直角棱镜一4与直角棱镜二5的两条斜边互相配合；
所述前固定组8包括沿系统光轴19方向依次设置的正弯月透镜一12及双凹透镜13；
所述变倍组9包括沿系统光轴19方向依次设置的平凸透镜14、负弯月透镜15与双凸透镜16，所述负弯月透镜15与双凸透镜16密接形成胶合透镜；
所述后固定组10包括沿系统光轴19方向依次设置的正弯月透镜二17及正弯月透镜三18；
所述变倍组9在前固定组8与后固定组10之间的位置可调节。
光线从观瞄系统的目镜1处入射，进入分光棱镜2后分光，其中透射光不改变方向，直接进入人眼3，反射光经分光棱镜2偏转90°，依次经过固定光阑7、正弯月透镜一12与双凹透镜13组成的前固定组8、平凸透镜12与负弯月透镜15与双凸透镜16密接的胶合透镜组成的变倍组9、正弯月透镜二17与正弯月透镜三18组成的后固定组10，到达成像靶面11。
所述平板棱镜6、直角棱镜一4、直角棱镜二5为高折射率材料H-ZF72A，其折射率＞1.85，平板棱镜6沿人眼观察光轴20方向的厚度为7mm；直角棱镜一4、直角棱镜二5在人眼观察光轴20方向厚度为12mm，直角棱镜一4、直角棱镜二5在在可变焦的目镜视场监视光学系统光轴19方向厚度为9.75mm。
所述分光棱镜2与固定光阑7之间的空气间隔为4.83mm。
所述固定光阑7与前固定组8中正弯月透镜一12的空气间隔为14.6mm。
前固定组8中正弯月透镜一12与双凹透镜13之间的间隔为2mm。
所述前固定组8的双凹透镜13与变倍组9中的平凸透镜14在长焦距时空气间隔为2.5mm，变倍组9中的胶合透镜与后固定组10的正弯月透镜二17的间隔在长焦距时空气间隔为15.2mm。
所述后固定组10中正弯月透镜二17与正弯月透镜三18的空气间隔为0.3mm。
所述后固定组10中的正弯月透镜三18与成像靶面11间隔为可调间隔，理论值为4.4mm。
各透镜的最大直径＜25mm。
长焦状态时，各透镜也满足表1内的各项参数。
综合实施例1及实施例2，在短焦及长焦状态中，本发明的光学系统均达到了如下的光学指标：
工作波段：450nm—650nm；
焦距：14mm—25mm；
视场角：19.5°*14.6°—11°*8.2°
监视CCD：1/3英寸CCD，像元数为800*600，像元大小为6μm，靶面尺寸为4.8mm*3.6mm。
如图2及图6的光学传递函数(纵坐标表示MTF值，曲线越高，表示成像质量越好)可知：在短焦及长焦状态中的奈奎斯特频率为83lp/mm,在大视场(短焦)时中心光学传递函数MTF＞0.35，0.7视场光学传递函数MTF＞0.2，在小视场(长焦)时中心光学传递函数MTF＞0.4，0.7视场光学传递函数MTF＞0.4。
如图4可知，短焦时，场曲控制在-0.20mm—+0.10mm范围内，畸变小于2.5％。
如图8可知，长焦时，场曲控制在-0.10mm—+0.10mm范围内，畸变小于3.5％。
从上述参数结合图3及图7可知本发明既能在大视场(短焦)时看到宽阔的场景，又能在小视场(长焦)时观察到目标清晰的像，可适用于大多数军用目视观瞄系统，具有更好的环境适应性与产品兼容性。
以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可变焦的目镜视场监视光学系统，其特征在于：包括沿系统光轴方向依次设置的分光棱镜、固定光阑、前固定组、变倍组、后固定组；
所述分光棱镜包括平板棱镜、直角棱镜一、直角棱镜二，所述平板棱镜的一侧正对观瞄系统的目镜，所述直角棱镜一与直角棱镜二设置在平板棱镜远离观瞄系统的目镜的一侧，直角棱镜一与直角棱镜二的两条斜边互相配合；
所述前固定组包括沿系统光轴方向依次设置的正弯月透镜一及双凹透镜；
所述变倍组包括沿系统光轴方向依次设置的平凸透镜、负弯月透镜与双凸透镜，所述负弯月透镜与双凸透镜密接形成胶合透镜；
所述后固定组包括沿系统光轴方向依次设置的正弯月透镜二及正弯月透镜三；
所述变倍组在前固定组与后固定组之间的位置可调节。
2.根据权利要求1所述的一种可变焦的目镜视场监视光学系统，其特征在于：所述平板棱镜、直角棱镜一、直角棱镜二为高折射率材料，其折射率＞1.85，平板棱镜沿人眼观察光轴方向的厚度为7mm；直角棱镜一、直角棱镜二在人眼观察光轴方向厚度为12mm；直角棱镜一、直角棱镜二在可变焦的目镜视场监视光学系统光轴方向厚度为9.75mm。
3.根据权利要求1所述的一种可变焦的目镜视场监视光学系统，其特征在于：所述分光棱镜与固定光阑之间的空气间隔为4.83mm。
4.根据权利要求1所述的一种可变焦的目镜视场监视光学系统，其特征在于：所述固定光阑与前固定组中正弯月透镜一的空气间隔为14.6mm。
5.根据权利要求1所述的一种可变焦的目镜视场监视光学系统，其特征在于：前固定组中正弯月透镜一与双凹透镜之间的间隔为2mm。
6.根据权利要求1所述的一种可变焦的目镜视场监视光学系统，其特征在于：所述前固定组的双凹透镜与变倍组中的平凸透镜在短焦距时空气间隔为15.07mm，变倍组中的胶合透镜与后固定组的正弯月透镜二的间隔在短焦距时空气间隔为2.64mm。
7.根据权利要求1所述的一种可变焦的目镜视场监视光学系统，其特征在于：所述前固定组的双凹透镜与变倍组中的平凸透镜在长焦距时空气间隔为2.5mm，变倍组中的胶合透镜与后固定组的正弯月透镜二的间隔在长焦距时空气间隔为15.2mm。
8.根据权利要求1所述的一种可变焦的目镜视场监视光学系统，其特征在于：所述后固定组中正弯月透镜二与正弯月透镜三的空气间隔为0.3mm。
9.根据权利要求1所述的一种可变焦的目镜视场监视光学系统，其特征在于：所述后固定组中的正弯月透镜三与成像靶面间隔为可调间隔。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种可变焦的目镜视场监视光学系统，其特征在于：系统短焦焦距范围为12-15mm；系统长焦焦距范围为24-30mm；各透镜的最大直径＜25mm。
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