CN116520588A - 变焦镜头及光学探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变焦镜头及光学探测系统，变焦镜头，包括沿光轴从物侧至像面依次设置的前固定组、变倍组、补偿组和后固定组；变倍组、补偿组被配置为可沿光轴调节其相对于前固定组/后固定组的距离，以改变变焦镜头的焦距；后固定组被配置为包括有前透镜组和后透镜组；以及衍射元件，衍射元件被配置为能够在前透镜组与后透镜组之间切入或切出，使变焦镜头能够在光谱探测与光学成像两种功能之间切换。本发明在一个光学系统中实现了红外大视场成像、对特定区域的定点探测以及对特定区域目标进行识别的功能，在保证其光学性能的同时具有更好的集成度，对实现光学探测系统整机的小型化、轻量化具有重要的应用意义。

Description

变焦镜头及光学探测系统

技术领域

本发明属于光学镜头技术领域，具体涉及一种变焦镜头及光学探测系统。

背景技术

在海平面目标物检测领域，由于海天背景气候变化复杂，使用传统红外成像探测形式，对特定目标物成像可能存在识别不清的问题，而容易出现“虚警”的情况；因此，通常需要结合光谱成像的形式来进一步识别目标物的具体信息。在监测视场范围内，如果采用光谱成像的形式进行探测，由于识别的目标物信息多，并且基于先验信息，可能出现多个位置“报警”的情况，此时就需要对多个区域位置进行识别。现有用于海面目标物的探测系统通常只具备进行红外成像探测或光谱成像探测的功能，需要在进行红外变焦成像探测后，对识别到的图像信息进行后端处理以识别目标物特定，不仅使用操作不方便，而且增加了系统成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变焦镜头及光学探测系统，具备在满足目标物探测以及实现光谱分析功能的同时，实现高倍率光学变焦的功能。

本发明通过下述技术方案实现：

变焦镜头，包括沿光轴从物侧至像面依次设置的前固定组、变倍组、补偿组和后固定组；

所述变倍组、补偿组被配置为可沿光轴调节其相对于前固定组/后固定组的距离，以改变变焦镜头的焦距；

所述后固定组被配置为包括有前透镜组和后透镜组；

以及衍射元件，所述衍射元件被配置为能够在前透镜组与后透镜组之间切入或切出，并在切入衍射元件时可将入射光的左旋圆偏振分量、右旋圆偏振分量分离至不同方向，使变焦镜头能够在光谱探测与光学成像两种功能之间切换。

在一些实施例中，所述前固定组被配置为具有正光焦度，所述变倍组被配置为具有负光焦度，所述补偿组被配置为具有正光焦度，所述后固定组被配置为具有正光焦度。

在一些实施例中，所述前透镜组与后透镜组均具有正光焦度。

在一些实施例中，所述变焦镜头中位于衍射元件两侧的镜组中分别配置有非球面透镜。

在一些实施例中，所述变倍组和后透镜组中配置有非球面透镜。

在一些实施例中，所述前固定组包括具有正光焦度的第一透镜和第二透镜；

所述变倍组为具有负光焦度的第三透镜；

所述补偿组为具有正光焦度的第四透镜；

所述前透镜组包括具有正光焦度的第五透镜和具有负光焦度的第六透镜；

所述后透镜组为具有正光焦度的第七透镜。

在一些实施例中，所述衍射元件为衍射光栅。

在一些实施例中，在变倍组与补偿组之间的光路上设置用于限制设定视场光线通过的光阑元件。

在一些实施例中，所述光阑元件为设置在补偿组中的透镜上朝向变倍组一侧表面的光阑面。

另一方面，本发明还提供一种光学探测系统，包括所述的变焦镜头。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

该变焦镜头在实现大倍率光学变焦的同时能够实现在成像与光谱探测模式之间的切换，在一个光学系统中实现了红外大视场成像、对特定区域的定点探测以及对特定区域目标进行识别的功能，在保证其光学性能的同时具有更好的集成度，对实现光学探测系统整机的小型化、轻量化具有重要的应用意义，可实现在无人机上的搭载和应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明变焦镜头大视场监测组态结构示意图。

图2为本发明变焦镜头特定区域探测组态结构示意图。

图3为本发明变焦镜头特定区域目标光谱探测组态结构示意图。

图4为本发明变焦镜头一种实施方式在大视场监测组态下的结构及光路图。

图5为本发明变焦镜头一种实施方式在特定区域探测组态下的结构及光路图。

图6为本发明变焦镜头一种实施方式在特定区域目标光谱探测组态下的结构及光路图。

图7为本发明实施例中变焦镜头在大视场监测组态下的成像点列图。

图8为本发明实施例中变焦镜头在大视场监测组态下的MTF图。

图9为本发明实施例中变焦镜头在特定区域探测组态下的成像点列图。

图10为本发明实施例中变焦镜头在特定区域探测组态下的MTF图。

图11为本发明实施例中变焦镜头在特定区域目标光谱探测组态下的光谱点列图。

图12为本发明实施例中变焦镜头在特定区域目标光谱探测组态下的光谱成像点列图。

其中：

G1、前固定组，G11、第一透镜，G12、第二透镜；

G2、变倍组，G21、第三透镜；

G3、补偿组，G31、第四透镜；

G4、后固定组，G41、第五透镜，G42、第六透镜，G43、第七透镜；

G5、衍射元件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1、图2，该变焦镜头包括沿光轴从物侧至像侧依次设置的前固定组、变倍组、补偿组和后固定组，通过调整变倍组和补偿组相对于前固定组/后固定组的距离，以实现大视场监测和特定区域探测的功能。

参照图3，变焦镜头中通过设置能够在后固定组中切入或切出的衍射元件，实现在切入衍射元件时使入射光的左旋圆偏振分量、右旋圆偏振分量被分离至不同方向，在切出衍射元件时入射光正常通过，以实现变焦镜头能够在光谱探测与光学成像两种功能之间切换，从而使变焦镜头具备在对特定区域目标物进行成像后进行光谱探测识别的功能。

在常规的变焦镜头中，为实现光学变焦功能，其前固定组通常被配置为具有正光焦度，变倍组被配置为具有正光焦度，补偿组被配置为具有负光焦度，后固定组被配置为具有正光焦度，以保证变焦镜头的成像质量及综合性能；但在这种变焦镜头中切入衍射元件进行分光以实现光谱探测时，存在光谱分辨效果差的问题。针对这一问题，本发明对变焦镜头中各镜组光焦度之间的配置进行了改进，基于光谱分辨组态的适应性，将变焦镜头中前固定组配置为具有正光焦度，变倍组配置为具有负光焦度，补偿组配置为具有正光焦度，后固定组则配置为具有正光焦度，基于各镜组在光焦度上的组合配置，能够有效补偿衍射元件分光对光谱成像所造成的影响，从而很好地解决了光谱分辨效果差的问题。

基于衍射元件在切入时光谱分辨效果差的问题，本发明中进一步对后固定组的光焦度进行设计，这里后固定组中的透镜采用材料折射率较大的材料，如锗材料，使后固定组具有较大的光焦度且使其光焦度足以弥补衍射元件一级衍射对光束造成的偏折，从而能够更好地起到补偿分光对变焦镜头光谱分辨率所造成的影响。

通常为了保证变焦镜头在成像侧的探测器上实现光线汇聚，传统变焦镜头的后固定组通常采用一片或两片透镜，以保证其光焦度；但在本发明的变焦镜头中，由于需要保证在切入衍射元件前后均有透镜进行光线的调制，以及同时保证光谱分辨能力，因而这里将后固定组配置为前透镜组与后透镜组进行组合的形式，并在前透镜组与后透镜组之间实现衍射元件的切入和切出操作，同时将前透镜组与后透镜组均配置为具有正光焦度，以补偿衍射元件分光对像差所造成的影响，以保证变焦镜头具有更好的光谱分辨能力。

一般地，变焦镜头中在变焦过程由于运动部件所带来的影响，不同变焦位置对像差较为敏感，因此通常采用在前、后固定组中配置具有较高折射率的透镜进行补偿；但在本发明的变焦透镜中，由于需要考虑衍射元件分光所带来的影响，而为了保证分光效果，需要严格限制衍射元件在切入前变焦镜头的球差，因此采用了在衍射元件的前后位置配置非球面透镜进行像差的矫正，以使其能够达到更好的光学效果。具体地，在变焦透镜中，选择在变倍组和后透镜组中相应地配置非球面透镜，能够起到更好的效果。

在一实施例中，该变焦镜头配置为：前固定组G1包括具有正光焦度的第一透镜G11和第二透镜G12；变倍组G2采用一片具有负光焦度的第三透镜G21；补偿组G3采用一片具有正光焦度的第四透镜G31；后固定组G4中，前透镜组包括具有正光焦度的第五透镜G41和具有负光焦度的第六透镜G42；后透镜组采用一片具有正光焦度的第七透镜G43。

基于大视场成像以及对特定区域进行定点探测的功能需求，通过调整变倍组与补偿组在变焦镜头中的位置，实现对光路系统焦距的调节，该变焦镜头的变倍比可达到5.5倍；同时，在保证大变倍比的情况下，为控制变焦镜头的总长，通过在变焦透镜中配置非球面透镜，对变焦镜头的结构进行优化，能够使光学像质接近衍射极限。

变焦镜头在大视场监测组态下，变倍组的第三透镜朝前固定组方向运动，并运动到靠近前固定组的位置处，补偿组的第四透镜朝后固定组的方向运动，并运动到靠近后固定组的位置处；变焦镜头在大视场监测组态下的结构及光路图，参照图4所示。

变焦镜头在特定区域探测组态下，变倍组的第三透镜朝远离前固定组方向运动，补偿组的第四透镜朝远离后固定组的方向运动；变焦镜头在特定区域探测组态下的结构及光路图，参照图5所示。

在变焦镜头设计完成后，需在后固定组的前透镜组与后透镜组之间设置衍射元件，以实现特定区域目标的光谱探测，这里衍射元件采用衍射光栅。为保证变焦镜头在光谱探测模式下的光谱分辨率，对衍射光栅的参数进行优化。

以本实施例中变焦镜头要求的光谱分辨率不低于150nm为例，根据光谱分辨率公式：

……（1）

式中，m为光栅级次，N为光栅线数，δλ为色分辨极限。

当m=1，δλ＜150nm，且光栅长度为20mm时，由公式（1）可得到衍射光栅的光栅线数为53.4。

基于衍射光栅的光栅线数可得到在Zemax软件中对应的衍射光栅线对参数应大于0.018刻线数/µm。在前固定组与后固定组之间设置线对参数为0.018刻线数/µm的衍射光栅，变焦透镜在特定区域目标光谱探测模式下的光路图，参照图6所示。

在一实施例中，在变倍组与补偿组之间设置光阑元件，以限制让特定视场的光线通过。为适应变倍组与补偿组位置调节的需求，将补偿组的第四透镜朝向变倍组一侧的表面设置光阑面。

基于具体应用场景的需求，本发明变焦透镜在实现对海平面目标物的探测时，具备以下的性能特点：

具有红外大视场成像的能力；以实现实时监测功能，结合作用距离上的考虑，该变焦镜头在大视场成像模式下全视场大于50°，在特定区域光谱探测模式下全视场不小于10°；

具有对特定区域进行定点探测、提取特定区域信息的能力；基于在大视场监测范围内，可能通常出现多个“报警”点，需要能够对“虚警”位置进行排查，该变焦镜头光学变倍比不低于5倍；

具备对特定区域的目标物信息进行识别的能力；基于在光学成像与光谱探测功能之间的转换，提取目标物的成像信息与光谱信息，从而快速识别处特定目标物的具体性质，同时该变焦镜头对特定目标光谱探测的光谱分辨率不低于150nm。

另一方面，在一实施例中，基于上述实施方式中的变焦镜头，本发明还涉及一种光学探测系统，该系统采用上述的变焦镜头，还包括位于变焦镜头的像面位置的CCD组件。基于变焦镜头所具有的性能，该系统同样具有变焦镜头所具备的相同或相似的技术效果；基于对变焦镜头结构的配置及所具有的性能，变焦镜头仅采用七片透镜进行组合，在实现两种功能模式之间切换的情况下，大大减小了变焦镜头的长度，从而可控制系统总长在140mm以内，可实现10/55mm两档变焦，达到5.5倍的变倍比；探测波长范围为7~9μm，F数为1.1，靶面大小可达到14mm，可广泛应用于气体泄漏监测、火情预警、海平面泄漏检测等领域。

下面参照附图对可适用于上述实施方式的变焦镜头的具体实施例进行描述。

实施例

本实施例中，变焦镜头包括沿光轴从物侧至像面依次设置的：具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜、具有负光焦度的第六透镜和具有正光焦度的第七透镜。

各个透镜的参数及配置，如表1所示：

表1

本实施例的变焦镜头中，将第三透镜的像侧面以及第七透镜的物侧面配置为非球面，对控制变焦镜头总长以及变焦镜头的光学像质等性能起到了良好的效果；且后固定组中的透镜如第五透镜、第七透镜均采用具有较大折射率的锗材料，可以得到，基于该配置的后固定组的光焦度能够有效弥补衍射元件一级衍射对光束造成的的偏析，很好地保证了在不同功能模式下的成像质量。

实施例中给出的变焦镜头在大视场监测组态下的成像点列图以及MTF图，如图7和图8所示；

变焦镜头在特定区域探测组态下的成像点列图以及MTF图，如图9和10所示；

变焦透镜在特定区域目标光谱探测组态下光谱点列图以及150nm波长间隔下光谱成像点列图，分别如图11和图12所示。从图中可以看出，在150nm带宽下，成像点列图满足区分条件，变焦透镜的光谱分辨率能够达到性能要求。

综上可知，实施例所提供的变焦镜头能够保证在各焦距状态下的成像质量以及在光谱探测模式下具有较高的光谱分辨率，且在切入衍射光栅进行分光时，对光谱分辨率的影响很小；变焦镜头实现上述功能所需要的透镜数量少，可有效减轻整个系统的重量并减小系统的总长。

在本发明的描述中，需要说明的是，所采用的术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，本发明的描述中若出现“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.变焦镜头，其特征在于，包括沿光轴从物侧至像面依次设置的前固定组、变倍组、补偿组和后固定组；

所述变倍组、补偿组被配置为可沿光轴调节其相对于前固定组/后固定组的距离，以改变变焦镜头的焦距；

所述后固定组被配置为包括有前透镜组和后透镜组；

以及衍射元件，所述衍射元件被配置为能够在前透镜组与后透镜组之间切入或切出，并在切入衍射元件时可将入射光的左旋圆偏振分量、右旋圆偏振分量分离至不同方向，使变焦镜头能够在光谱探测与光学成像两种功能之间切换。

2.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述前固定组被配置为具有正光焦度，所述变倍组被配置为具有负光焦度，所述补偿组被配置为具有正光焦度，所述后固定组被配置为具有正光焦度。

3.根据权利要求2所述的变焦镜头，其特征在于，所述前透镜组与后透镜组均具有正光焦度。

4.根据权利要求1或3所述的变焦镜头，其特征在于，所述变焦镜头中位于衍射元件两侧的镜组中分别配置有非球面透镜。

5.根据权利要求4所述的变焦镜头，其特征在于，所述变倍组和后透镜组中配置有非球面透镜。

6.根据权利要求1或2所述的变焦镜头，其特征在于，所述前固定组包括具有正光焦度的第一透镜和第二透镜；

所述变倍组为具有负光焦度的第三透镜；

所述补偿组为具有正光焦度的第四透镜；

所述前透镜组包括具有正光焦度的第五透镜和具有负光焦度的第六透镜；

所述后透镜组为具有正光焦度的第七透镜。

7.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述衍射元件为衍射光栅。

8.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，在变倍组与补偿组之间的光路上设置用于限制设定视场光线通过的光阑元件。

9.根据权利要求8所述的变焦镜头，其特征在于，所述光阑元件为设置在补偿组中的透镜上朝向变倍组一侧表面的光阑面。

10.光学探测系统，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的变焦镜头。