CN116577919B - 一种带消旋棱镜的变焦镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明属于变焦镜头技术领域，涉及一种带消旋棱镜的变焦镜头，该镜头由沿光轴从物方到像方依次设置的前固定组G1、变倍组G2、补偿组G3、后固定组G4组、消旋棱镜组G5、调焦组G6以及探测器组成；变焦时前固定组、后固定组、调焦组和探测器在光轴上固定不动，变倍组、补偿组可沿光轴方向移动；消旋棱镜组可绕光轴旋转，用于抵消变焦镜头前其他部件完成瞄准线扫描运动造成的图像旋转；调焦组用于补偿不同工作距离或不同工作温度引起的像面离焦。本发明的变焦镜头工作波段宽，能对目标的可见光光谱区域和近红外光谱区域同时成像，成像优良，结构简单、紧凑，可充分满足机载舰载光电系统轻量化、小型化的需求。

Description

一种带消旋棱镜的变焦镜头
技术领域
本发明属于变焦镜头技术领域，具体涉及一种带消旋棱镜的变焦镜头。
背景技术
机载或舰载光电系统普遍采用扫描反射镜来扩大搜索目标范围，扫描反射镜的转动会造成观察目标反射像方向的改变，使系统产生像旋，如果不对像旋作消旋处理，必然造成对目标搜索跟踪的偏差。通常消像旋可采用光学消像旋和电子消像旋两种方式，而光学消像旋方法可实时抵消反射镜扫描运动引起的图像旋转，不会造成图像信息的延迟，具有良好的消旋效果。
目前光学消像旋方法常在光学系统中引入道威棱镜或别汉棱镜。由于道威棱镜只能应用于平行光束中，要求光线入射光轴与出射光轴方向一致且占用的光学空间较长，因此道威棱镜一般用于周视瞄准系统中。别汉棱镜不仅应用于平行光路中，还可灵活应用于会聚或发散光路中，使用别汉棱镜可缩短空间尺寸，有利于光学系统的小型化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种带消旋棱镜的变焦镜头，该镜头工作波段覆盖400～900nm的光谱区域，可在-10℃～70℃的温度范围内对100m～∞的目标观察成像，采用别汉棱镜绕光轴旋转的方式抵消变焦镜头前扫描反射镜扫描运动造成的图像旋转，该变焦镜头具有结构简单、成像优良、小型化的优点。
为了解决上述技术问题，本发明的带消旋棱镜的变焦镜头，包括沿光轴从物方到像方依次设置的前固定组G1、变倍组G2、补偿组G3、后固定组G4、调焦组G6和探测器，其特征在于：还包括设置在后固定组与调焦组之间的消旋棱镜组G5；所述消旋棱镜组G5采用别汉棱镜；前固定组G1的焦距F1、变倍组G2的焦距F2、补偿组G3的焦距F3、后固定组G4的焦距F4、调焦组G6的焦距F6满足以下关系：
4.00≤F1/FS≤7.00、1.42≤F1/FL≤1.60；-1.58≤F2/FS≤-1.35、-0.55≤F2/FL≤-0.32；
1.60≤F3/FS≤1.75、0.35≤F3/FL≤0.63；-2.70≤F4/FS≤-2.48、-1.00≤F4/FL≤-0.55；
1.15≤F6/FS≤1.85、0.40≤F6/FL≤0.50；
其中FS为变焦镜头最短焦时的焦距，FL为变焦镜头最长焦时的焦距。
所述前固定组G1由沿光轴从物方到像方依次设置并构成第一胶合透镜的负光焦度弯月透镜G11和双凸透镜G12构成；负光焦度弯月透镜G11的凸面朝向物方；变倍组G2由沿光轴从物方到像方依次设置的双凹透镜G21、负光焦度透镜G22和正光焦度弯月透镜G23组成，负光焦度透镜G22和正光焦度弯月透镜G23构成第二胶合透镜；正光焦度弯月透镜G23的凸面朝向物方；补偿组G3由沿光轴从物方到像方依次设置的双凸透镜G31、双凸透镜G32和双凹透镜G33组成；双凸透镜G32和双凹透镜G33构成第三胶合透镜；后固定组G4由负光焦度透镜G41构成；调焦组G6由沿光轴从物方到像方依次设置的双凸透镜G61、正光焦度透镜G62和双凹透镜G63组成。
进一步，所述双凹透镜G21的焦距F21、双凸透镜G31的焦距F31、负光焦度透镜G41的焦距F41、双凸透镜G61的焦距F61、正光焦度透镜G62的焦距F62、双凹透镜G63的焦距F63满足以下关系：
-4.45≤F21/FS≤-1.05、2.00≤F31/FS≤2.35、-2.75≤F41/FS≤-2.48、1.42≤F61/FS≤2.12、0.85≤F62/FS≤1.95、-1.00≤F63/FS≤-0.70；
所述第一胶合透镜的焦距FU1、第二胶合透镜的焦距FU2、第三胶合透镜的焦距FU3满足以下关系：
4.02≤FU1/FS≤6.56、-2.80≤FU2/FS≤7.00、6.35≤FU3/FS≤13.15。
所述的负光焦度透镜G22为双凹透镜或弯月透镜；负光焦度透镜G22采用弯月透镜时，其凸面朝向物方。
所述的负光焦度透镜G41为双凹透镜或弯月透镜；负光焦度透镜G41采用弯月透镜时，其凸面朝向物方。
所述的正光焦度透镜G62为弯月透镜或双凸透镜；正光焦度透镜G62采用弯月透镜时，其凸面朝向物方。
进一步，所有透镜及别汉棱镜均为玻璃材质，各透镜前后表面均为球面，负光焦度弯月透镜G11和正光焦度的双凸透镜G12的折射率Nd11、Nd12，色散系数Vd11、Vd12满足条件：1.58＜Nd11＜1.78、25＜Vd11＜40，1.45＜Nd12＜1.55、78＜Vd12＜85，且｜Nd11- Nd12｜＞0.12、｜Vd11- Vd12｜＞38；负光焦度透镜G22和正光焦度弯月透镜G23的折射率Nd22、Nd23，色散系数Vd22、Vd23满足条件：1.45＜Nd22＜1.55、60＜Vd22＜85，1.78＜Nd23＜1.90、20＜Vd23＜45，且｜Nd22- Nd23｜＞0.3、｜Vd22- Vd23｜＞25；双凸透镜G32和双凹透镜G33的折射率Nd32、Nd33，色散系数Vd32、Vd33满足条件：1.45＜Nd32＜1.72、50＜Vd32＜85，1.55＜Nd33＜1.90、25＜Vd33＜50，且｜Nd32- Nd33｜＞0.05、｜Vd32- Vd33｜＞20；双凹透镜G21、双凸透镜G31、负光焦度透镜G41、双凸透镜G61、正光焦度透镜G62的折射率Nd、色散系数Vd均满足条件：1.45＜Nd＜1.55、75＜Vd＜92；双凹透镜G63的折射率Nd63、色散系数Vd63满足条件：1.55＜Nd63＜1.75、28＜Vd63＜45。
所述的消旋棱镜组G5可绕光轴旋转，用于抵消变焦镜头前其他部件完成瞄准线扫描运动造成的图像旋转；变焦过程中前固定组G1、后固定组G4、调焦组G6和探测器固定不动，变倍组G2和补偿组G3沿光轴向相反方向运动，变倍组G2和补偿组G3共同使用一个凸轮机构来完成各自的运动；变焦镜头观察成像100m～∞远的目标时，探测器固定不动，沿光轴方向整体移动调焦组G6来补偿不同工作距离引起的像面离焦，调焦组G6的移动量在±0.1mm范围内；变焦镜头在-10℃～70℃的温度范围内工作时，探测器固定不动，沿光轴整体移动调焦组G6来补偿不同工作温度引起的像面离焦，调焦组G6的移动量在±0.15mm范围内。
本发明的有益效果在于：变焦镜头工作波段范围宽，能对目标的可见光光谱区域和近红外光谱区域同时成像，提高了变焦镜头对目标的观测能力并拓展了其应用领域；变焦镜头在-10℃～70℃的温度范围内工作时，轴向移动调焦组即可实现100m～∞远目标的快速对焦，别汉棱镜绕光轴方向旋转可实时抵消变焦镜头前扫描反射镜扫描运动造成的图像旋转；变焦镜头成像优良，结构简单、紧凑，可充分满足机载舰载光电系统轻量化、小型化的需求。
附图说明
图1为本发明的带消旋棱镜的变焦镜头实施例1最长焦时的光学结构图；
图2为本发明的带消旋棱镜的变焦镜头实施例1最短焦时的光学结构图；
图3为本发明的带消旋棱镜的变焦镜头实施例1最长焦时的调制传递函数曲线图；
图4为本发明的带消旋棱镜的变焦镜头实施例1最短焦时的调制传递函数曲线图；
图5为本发明的带消旋棱镜的变焦镜头实施例1最长焦时的畸变网格图；
图6为本发明的带消旋棱镜的变焦镜头实施例1最短焦时的畸变网格图；
图7为本发明的带消旋棱镜的变焦镜头实施例2最长焦时的调制传递函数曲线图；
图8为本发明的带消旋棱镜的变焦镜头实施例2最短焦时的调制传递函数曲线图；
图9为本发明的带消旋棱镜的变焦镜头实施例2最长焦时的畸变网格图；
图10为本发明的带消旋棱镜的变焦镜头实施例2最短焦时的畸变网格图；
图11为本发明的带消旋棱镜的变焦镜头实施例3最长焦时的调制传递函数曲线图；
图12为本发明的带消旋棱镜的变焦镜头实施例3最短焦时的调制传递函数曲线图；
图13为本发明的带消旋棱镜的变焦镜头实施例3最长焦时的畸变网格图；
图14为本发明的带消旋棱镜的变焦镜头实施例3最短焦时的畸变网格图；
附图1或2中，标记1代表探测器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1、2所示，本发明的带消旋棱镜的变焦镜头包括沿光轴由物方到像方依次设置的前固定组G1、变倍组G2、补偿组G3、后固定组G4、消旋棱镜组G5和调焦组G6；所述前固定组G1由沿光轴从物方到像方依次设置的负光焦度弯月透镜G11和正光焦度的双凸透镜G12组成，负光焦度弯月透镜G11和双凸透镜G12构成第一胶合透镜；所述变倍组G2由沿光轴从物方到像方依次设置的负光焦度双凹透镜G21、负光焦度透镜G22和正光焦度弯月透镜G23组成，负光焦度透镜G22与正光焦度弯月透镜G23构成第二胶合透镜；负光焦度透镜G22采用双凹透镜或弯月透镜；所述补偿组G3由沿光轴从物方到像方依次设置的正光焦度的双凸透镜G31、正光焦度的双凸透镜G32和负光焦度的双凹透镜G33组成；双凸透镜G32和双凹透镜G33构成第三胶合透镜；所述后固定组G4仅由负光焦度透镜G41构成，负光焦度透镜G41采用双凹透镜或弯月透镜；所述消旋棱镜组G5为别汉棱镜；所述调焦组G6包括沿光轴由物方到像方依次设置的正光焦度的双凸透镜G61、正光焦度透镜G62和负光焦度的双凹透镜G63；正光焦度透镜G62采用弯月透镜或双凸透镜；负光焦度弯月透镜G11和正光焦度弯月透镜G23的凸面均朝向物方；负光焦度透镜G22、负光焦度透镜G41、正光焦度透镜G62采用弯月透镜时，其凸面均朝向物方。
所述的前固定组G1的焦距F1、变倍组G2的焦距F2、补偿组G3的焦距F3、后固定组G4的焦距F4、调焦组G6的焦距F6满足以下关系：
4.00≤F1/FS≤7.00、1.42≤F1/FL≤1.60；-1.58≤F2/FS≤-1.35、-0.55≤F2/FL≤-0.32；
1.60≤F3/FS≤1.75、0.35≤F3/FL≤0.63；-2.70≤F4/FS≤-2.48、-1.00≤F4/FL≤-0.55；
1.15≤F6/FS≤1.85、0.40≤F6/FL≤0.50；
所述双凹透镜G21的焦距F21、双凸透镜G31的焦距F31、负光焦度透镜G41的焦距F41、双凸透镜G61的焦距F61、正光焦度透镜G62的焦距F62、双凹透镜G63的焦距F63满足以下关系：
-4.45≤F21/FS≤-1.05、2.00≤F31/FS≤2.35、-2.75≤F41/FS≤-2.48、1.42≤F61/FS≤2.12、0.85≤F62/FS≤1.95、-1.00≤F63/FS≤-0.70；
所述第一胶合透镜的焦距FU1、第二胶合透镜的焦距FU2、第三胶合透镜的焦距FU3满足以下关系：
4.02≤FU1/FS≤6.56、-2.80≤FU2/FS≤7.00、6.35≤FU3/FS≤13.15；
其中FS为变焦镜头最短焦时的焦距，FL为变焦镜头最长焦时的焦距。
所述变焦镜头的所有透镜及别汉棱镜均为玻璃材质，各透镜前后表面均为球面，负光焦度弯月透镜G11和正光焦度的双凸透镜G12的折射率Nd11、Nd12，色散系数Vd11、Vd12满足条件：1.58＜Nd11＜1.78、25＜Vd11＜40，1.45＜Nd12＜1.55、78＜Vd12＜85，且｜Nd11- Nd12｜＞0.12、｜Vd11- Vd12｜＞38；负光焦度透镜G22和正光焦度弯月透镜G23的折射率Nd22、Nd23，色散系数Vd22、Vd23满足条件：1.45＜Nd22＜1.55、60＜Vd22＜85，1.78＜Nd23＜1.90、20＜Vd23＜45，且｜Nd22- Nd23｜＞0.3、｜Vd22- Vd23｜＞25；双凸透镜G32和双凹透镜G33的折射率Nd32、Nd33，色散系数Vd32、Vd33满足条件：1.45＜Nd32＜1.72、50＜Vd32＜85，1.55＜Nd33＜1.90、25＜Vd33＜50，且｜Nd32- Nd33｜＞0.05、｜Vd32- Vd33｜＞20；双凹透镜G21、双凸透镜G31、负光焦度透镜G41、双凸透镜G61、正光焦度透镜G62的折射率Nd、色散系数Vd均满足条件：1.45＜Nd＜1.55、75＜Vd＜92；双凹透镜G63的折射率Nd63、色散系数Vd63满足条件：1.55＜Nd63＜1.75、28＜Vd63＜45。
实施例1：本实施例中各光学元件的具体参数如表1所示，表中ti为沿光轴正向第i个光学元件的厚度，di为沿光轴正向第i个光学元件与下一光学元件之间的空气间隔；负光焦度透镜G41的前表面作为光阑；别汉棱镜由不含屋脊面的施密特棱镜和45°半五角棱镜组合而成，中间有0.1mm的空气间隙；光束先由表面S16入射，在不含屋脊面的施密特棱镜内部依次经过表面S17、S18反射，由表面S19出射，经过0.1mm的空气间隙后由表面S20入射，在45°半五角棱镜内部经过表面S21、S22、S23反射，最后经表面S24、S25出射。
本实施例中，带消旋棱镜的变焦镜头的工作波段为400～900nm，有效焦距为18.5～80mm,F数为4，短焦全视场为26.98°～13.68°、长焦全视场为6.36°～3.18°,适配的探测器阵列为1920×1080、像元尺寸为4μm×4μm，工作温度为-10℃～70℃，后工作距离为8.5mm,光学总长（透镜G11前表面中心顶点到探测器靶面的间距）为160.64mm。
由图3、4的调制传递函数曲线图可知，在探测器截至频率125lp/mm处，本实施例最长焦、最短焦所有视场的调制传递函数值均优于0.3，满足光学系统对分辨率的要求。由图5、6的畸变网格图可知，本实施例最长焦所有视场的畸变均小于｜0.99%｜、最短焦所有视场的畸变均小于｜-2.50%｜，保真程度较好，可满足光学系统对畸变的要求。
实施例2：本实施例中各光学元件的具体参数如表所示，表中ti为沿光轴正向第i个光学元件的厚度，di为沿光轴正向第i个光学元件与下一光学元件之间的空气间隔。
本实施例中，带消旋棱镜的变焦镜头的工作波段为400～900nm，有效焦距为29.3～80mm,F数为4，短焦全视场为14.92°～8.43°、长焦全视场为5.50°～3.09°,适配的探测器阵列为1920×1080、像元尺寸为4μm×4μm，工作温度为-10℃～70℃，后工作距离为16.41mm,光学总长（透镜G11前表面中心顶点到探测器靶面的间距）为167.31mm。
由图7、8的调制传递函数曲线图可知，在探测器截至频率125lp/mm处，本实施例最长焦所有视场的调制传递函数值均优于0.33，最短焦所有视场的调制传递函数值均优于0.25，满足光学系统对分辨率的要求。由图9、10的畸变网格图可知，本实施例最长焦所有视场的畸变均小于｜-0.99%｜、最短焦所有视场的畸变均小于｜-2.55%｜，保真程度较好，可满足光学系统对畸变的要求。
实施例3：本实施例中各光学元件的具体参数如表3所示，表中ti为沿光轴正向第i个光学元件的厚度，di为沿光轴正向第i个光学元件与下一光学元件之间的空气间隔。
本实施例中，带消旋棱镜的变焦镜头的工作波段为400～900nm，有效焦距为18.5～80mm,F数为4，短焦全视场为26.98°～13.68°、长焦全视场为6.36°～3.18°,适配的探测器阵列为1920×1080、像元尺寸为4μm×4μm，工作温度为-10℃～70℃，后工作距离为7.10mm,光学总长（透镜G11前表面中心顶点到探测器靶面的间距）为160.6mm。
由图11、12的调制传递函数曲线图可知，在探测器截至频率125lp/mm处，本实施例最长焦、最短焦所有视场的调制传递函数值均优于0.28，满足光学系统对分辨率的要求。由图13、14的畸变网格图可知，本实施例最长焦所有视场的畸变均小于｜1.1%｜、最短焦所有视场的畸变均小于｜-2.50%｜，保真程度较好，可满足光学系统对畸变的要求。

Claims (6)

1.一种带消旋棱镜的变焦镜头，其特征在于：由沿光轴从物方到像方依次设置的前固定组G1、变倍组G2、补偿组G3、后固定组G4、消旋棱镜组G5、调焦组G6和探测器组成；所述消旋棱镜组G5采用别汉棱镜；前固定组G1的焦距F1、变倍组G2的焦距F2、补偿组G3的焦距F3、后固定组G4的焦距F4、调焦组G6的焦距F6满足以下关系：
4.00≤F1/FS≤7.00、1.42≤F1/FL≤1.60；-1.58≤F2/FS≤-1.35、-0.55≤F2/FL≤-0.32；
1.60≤F3/FS≤1.75、0.35≤F3/FL≤0.63；-2.70≤F4/FS≤-2.48、-1.00≤F4/FL≤-0.55；
1.15≤F6/FS≤1.85、0.40≤F6/FL≤0.50；
其中FS为变焦镜头最短焦时的焦距，FL为变焦镜头最长焦时的焦距；
所述前固定组G1由沿光轴从物方到像方依次设置并构成第一胶合透镜的负光焦度弯月透镜G11和双凸透镜G12构成；负光焦度弯月透镜G11的凸面朝向物方；变倍组G2由沿光轴从物方到像方依次设置的双凹透镜G21、负光焦度透镜G22和正光焦度弯月透镜G23组成，负光焦度透镜G22和正光焦度弯月透镜G23构成第二胶合透镜；正光焦度弯月透镜G23的凸面朝向物方；补偿组G3由沿光轴从物方到像方依次设置的双凸透镜G31、双凸透镜G32和双凹透镜G33组成；双凸透镜G32和双凹透镜G33构成第三胶合透镜；后固定组G4由负光焦度透镜G41构成；调焦组G6由沿光轴从物方到像方依次设置的双凸透镜G61、正光焦度透镜G62和双凹透镜G63组成。
2.根据权利要求1所述的带消旋棱镜的变焦镜头，其特征在于：所述双凹透镜G21的焦距F21、双凸透镜G31的焦距F31、负光焦度透镜G41的焦距F41、双凸透镜G61的焦距F61、正光焦度透镜G62的焦距F62、双凹透镜G63的焦距F63满足以下关系：
-4.45≤F21/FS≤-1.05、2.00≤F31/FS≤2.35、-2.75≤F41/FS≤-2.48、1.42≤F61/FS≤2.12、0.85≤F62/FS≤1.95、-1.00≤F63/FS≤-0.70；
所述第一胶合透镜的焦距FU1、第二胶合透镜的焦距FU2、第三胶合透镜的焦距FU3满足以下关系：
4.02≤FU1/FS≤6.56、-2.80≤FU2/FS≤7.00、6.35≤FU3/FS≤13.15。
3.根据权利要求1或2所述的带消旋棱镜的变焦镜头，其特征在于：所述的负光焦度透镜G22采用双凹透镜或弯月透镜；负光焦度透镜G22为弯月透镜时，其凸面朝向物方。
4.根据权利要求1或2所述的带消旋棱镜的变焦镜头，其特征在于：所述的负光焦度透镜G41采用凹透镜或弯月透镜；负光焦度透镜G41为弯月透镜时，其凸面朝向物方。
5.根据权利要求1或2所述的带消旋棱镜的变焦镜头，其特征在于：所述的正光焦度透镜G62采用弯月透镜或双凸透镜；正光焦度透镜G62为弯月透镜时，其凸面朝向物方。
6.根据权利要求1所述的带消旋棱镜的变焦镜头，其特征在于：所有透镜及别汉棱镜均为玻璃材质，各透镜前后表面均为球面，负光焦度弯月透镜G11和正光焦度的双凸透镜G12的折射率Nd11、Nd12，色散系数Vd11、Vd12满足条件：1.58＜Nd11＜1.78、25＜Vd11＜40，1.45＜Nd12＜1.55、78＜Vd12＜85，且｜Nd11- Nd12｜＞0.12、｜Vd11- Vd12｜＞38；负光焦度透镜G22和正光焦度弯月透镜G23的折射率Nd22、Nd23，色散系数Vd22、Vd23满足条件：1.45＜Nd22＜1.55、60＜Vd22＜85，1.78＜Nd23＜1.90、20＜Vd23＜45，且｜Nd22- Nd23｜＞0.3、｜Vd22- Vd23｜＞25；双凸透镜G32和双凹透镜G33的折射率Nd32、Nd33，色散系数Vd32、Vd33满足条件：1.45＜Nd32＜1.72、50＜Vd32＜85，1.55＜Nd33＜1.90、25＜Vd33＜50，且｜Nd32- Nd33｜＞0.05、｜Vd32- Vd33｜＞20；双凹透镜G21、双凸透镜G31、负光焦度透镜G41、双凸透镜G61、正光焦度透镜G62的折射率Nd、色散系数Vd均满足条件：1.45＜Nd＜1.55、75＜Vd＜92；双凹透镜G63的折射率Nd63、色散系数Vd63满足条件：1.55＜Nd63＜1.75、28＜Vd63＜45。
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