CN218003834U - 一种无机械运动大范围调焦的望远物镜系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及变焦光学系统，具体涉及一种无机械运动大范围调焦的望远物镜系统，用于解决现有变焦望远物镜系统或是需要多个双液体透镜组合进行调焦，或是需要改变透镜元器件之间机械距离进行调焦的不足之处。该无机械运动大范围调焦的望远物镜系统包括双液体透镜、定焦望远物镜、焦面感光元件和电控装置；本实用新型通过电控装置调整双液体透镜中间界面的曲率，改变双液体透镜的光焦度，以实现望远物镜系统的高效率大范围调焦。

Description

一种无机械运动大范围调焦的望远物镜系统

技术领域

本实用新型涉及变焦光学系统，具体涉及一种无机械运动大范围调焦的望远物镜系统。

背景技术

现有传统的光学调焦系统或变焦系统，一般使用变焦距透镜组，用若干固定焦距的镜片组合在一起，协同改变各镜片之间的间距，在保持成像面位置不变的同时，改变整个透镜组的焦距，以满足利用一个光学系统能够完成不同倍率的成像需求。调焦镜头的设计方法有两种，一种是光学补偿法，另一种是机械补偿法，两种方法都要求对于组成整个透镜组的若干镜片的机械位置进行精确的控制与定位，因此在透镜组结构中需要设计有精密的驱动电机和实现同步运动的机械凸轮，但上述设置使得光学变焦距透镜组的结构设计复杂，体积庞大，制造精度要求高，而且不易在小范围光学系统空间内实现大范围的物距调焦。

2003年飞利浦公司实验室的Robert A.Hayes&B.J.Feenstra在《Nature》杂志上发表了利用“电湿效应”制作液体变焦透镜的文章，借助两种折射率不同而密度相同的液体在圆柱形容器中形成球形界面，在液体与圆柱形容器壁之间的介电层施加电压控制改变液体和固体壁之间的湿润角，从而改变球形界面的曲率半径，进而改变光焦度(HAYES ROBERTA.,FEENSTRA B. J..Video-speed electronic paper based on electrowetting[J].Nature,2003,425(6956):383-385.DOI:10.1038/nature01988.)。液体变焦透镜基于二元光学元件，相较于光学补偿法和机械补偿法，具有聚焦好，色差小的优点，但由于其加工难度大，实用化程度不强。

中国专利CN211603595U介绍了一种液体透镜及包括该液体透镜的照相机系统,该液体透镜基于第一流体和第二流体以及流体之间界面在内的腔室，该专利及其它延伸的专利借助平板或曲面型的电极，在外加电压的作用下实现了自身焦距的改变，但均不能完全实现保持所在系统像面位置不变的调焦功能。

中国专利CN1963592A使用两个双液体透镜构成变焦照相透镜组来对有限远物体进行成像，虽然避免了机械运动，但需要两组液体透镜相互协调配合才能实现有限远物空间物体的连续调焦成像。

中国专利CN111103680A使用两组液体透镜分别作为物镜、目镜，并结合手动装置来实现变焦望远镜系统。

上述专利通过借助“电湿效应”的液体透镜与固定焦距的光学系统进行组合实现了变焦，但需要多个双液体透镜组合或机械运动来实现调焦。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决现有变焦望远物镜系统或是需要多个双液体透镜组合进行调焦，或是需要改变透镜元器件之间机械距离进行调焦的不足之处，提供一种无机械运动大范围调焦的望远物镜系统。

为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本实用新型提供了如下技术解决方案：

一种无机械运动大范围调焦的望远物镜系统，其特殊之处在于：包括沿光线入射方向依次同轴设置的双液体透镜、定焦望远物镜，以及与双液体透镜连接的电控装置；

所述双液体透镜内沿光线入射方向依次设置有互不浸润且折射率不同的第一液体、第二液体，第一液体、第二液体之间形成中间界面，所述中间界面曲率变化范围为-377至-∞；

所述定焦望远物镜包括沿光线入射方向依次同轴设置的第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片、焦面感光元件，定焦望远物镜的物距为无限远。

进一步地，所述第一液体的折射率大于1.5，所述第二液体的折射率小于 1.5，第一液体的折射率与第二液体的折射率之差大于等于0.2。

进一步地，所述第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片均为球面透镜且光线入射面为凸面，所述第五镜片为球面透镜且光线入射面为凹面，第四镜片和第五镜片为双胶合透镜，便于调焦。

进一步地，所述第一镜片的光线入射面上设置有孔径光阑，视场角类型为近轴像高。对于远摄系统、探测系统，将孔径光栏设置在第一镜片的光线入射面上，有利于其系统的优化设计。

进一步地，所述视场角小于10°。

进一步地，所述第一液体的折射率为1.60，所述第二液体的折射率为 1.40，所述视场角大小为0.0439°。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型一种无机械运动大范围调焦的望远物镜系统，包括双液体透镜、定焦望远物镜、焦面感光元件和电控装置；本实用新型通过电控装置调整双液体透镜中间界面的曲率，改变双液体透镜的光焦度，以实现望远物镜系统的高效率大范围调焦；本实用新型仅采用一个双液体透镜，并且完全通过光学补偿方法实现调焦，脱离了机械补偿，消除了振动干扰等不利因素，解决了现有液体透镜调焦范围较小、机械调焦系统结构复杂、实现困难的技术问题。

附图说明

图1为本实用新型一种无机械运动大范围调焦的望远物镜系统一个实施例的结构示意图；

图2是图1实施例中的中间界面曲率半径、双液体透镜焦距、望远物镜系统焦距与物距之间的关系示意图；

图3是图1实施例物距≥52m(远程)的MTF性能示意图；

图4为图1实施例物距＝5m的MTF性能示意图；

图5为图1实施例物距＝2m的MTF性能示意图；

图6为图1实施例的场曲、畸变性能示意图；

图7为图1实施例的垂轴色差性能示意图；

图8为图1实施例的轴向像差性能示意图；

图9为图1实施例的点列图性能示意图。

附图标记说明如下：1-双液体透镜，11-第一液体，12-第二液体，13-中间界面；2-定焦望远物镜，21-第一镜片，22-第二镜片，23-第三镜片，24-第四镜片，25-第五镜片，26-焦面感光元件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步地说明。

参照图1，一种无机械运动大范围调焦的望远物镜系统，包括沿光线入射方向依次同轴设置的双液体透镜1、定焦望远物镜2，以及与双液体透镜1连接的电控装置。

所述双液体透镜1内沿光线入射方向依次设置有互不浸润且折射率不同的第一液体11、第二液体12，第一液体11、第二液体12之间形成中间界面 13，双液体透镜1的具体参数如表1所示。双液体透镜1通过电控装置改变中间界面13的曲率，中间界面13的曲率变化范围为-377至-∞，对应望远物镜系统的调焦物距为2m至无限远，焦距变化范围是95.3279mm～99.9966mm。

表1

所述定焦望远物镜2包括沿光线入射方向依次同轴设置的第一镜片21、第二镜片22、第三镜片23、第四镜片24、第五镜片25、焦面感光元件26，具体参数如表1所示。所述第一镜片21、第二镜片22、第三镜片23和第四镜片24 均为球面透镜且光线入射面为凸面，所述第五镜片25为球面透镜且光线入射面为凹面，第四镜片24和第五镜片25为双胶合透镜。所述第一镜片21的光线入射面上设置有孔径光阑，视场角类型为近轴像高，视场角大小为0.0439°。

本实用新型工作原理如下：

当物距为无限远，光线依次穿过双液体透镜1和定焦望远物镜2聚焦于焦面感光元件26；物距减小为有限远距离，通过增大中间界面13的曲率，使双液体透镜1的光焦度增加，进而使所述望远物镜系统焦距减小，即可实现所述望远物镜系统对有限远处物体成像的像面位置保持不变。

本实施例中，所述第一液体11的折射率为1.60，所述第二液体12的折射率为1.40，双液体透镜1和定焦望远物镜2之间的距离为2.4mm。

参照图2至图9，本实用新型望远物镜系统的F/#达到4.4，易于实现，系统传递函数和点列图接近衍射极限，各种像差很小，并且拥有较宽的工作波长，因此是一个比较理想的望远物镜系统，适合作为拉曼光谱仪信号收集系统、调焦望远物镜使用。本实用新型中间界面13曲率半径与望远物镜系统焦距和物距有良好的线性关系，当望远物镜系统光焦度连续发生变化时，可以满足适应两米到无限远的物距变化范围，望远物镜系统的成像质量好，MTF>0.6@72lp/mm。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所保护技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种无机械运动大范围调焦的望远物镜系统，其特征在于：包括沿光线入射方向依次同轴设置的双液体透镜(1)、定焦望远物镜(2)、焦面感光元件(26)，以及与双液体透镜(1)连接的电控装置；

所述双液体透镜(1)内沿光线入射方向依次设置有互不浸润且折射率不同的第一液体(11)、第二液体(12)，第一液体(11)、第二液体(12)之间形成中间界面(13)，所述中间界面(13)曲率变化范围为-377至-∞；

所述定焦望远物镜(2)包括沿光线入射方向依次同轴设置的第一镜片(21)、第二镜片(22)、第三镜片(23)、第四镜片(24)、第五镜片(25)、焦面感光元件(26)，定焦望远物镜(2)的物距为无限远；

所述电控装置用于调整双液体透镜中间界面的曲率，改变双液体透镜的光焦度。

2.根据权利要求1所述的一种无机械运动大范围调焦的望远物镜系统，其特征在于：所述第一液体(11)的折射率大于1.5，所述第二液体(12)的折射率小于1.5，第一液体(11)的折射率与第二液体(12)的折射率之差大于等于0.2。

3.根据权利要求2所述的一种无机械运动大范围调焦的望远物镜系统，其特征在于：所述第一镜片(21)、第二镜片(22)、第三镜片(23)和第四镜片(24)均为球面透镜且光线入射面为凸面，所述第五镜片(25)为球面透镜且光线入射面为凹面，第四镜片(24)和第五镜片(25)为双胶合透镜。

4.根据权利要求2或3所述的一种无机械运动大范围调焦的望远物镜系统，其特征在于：所述第一镜片(21)的光线入射面上设置有孔径光阑，视场角类型为近轴像高。

5.根据权利要求4所述的一种无机械运动大范围调焦的望远物镜系统，其特征在于：所述视场角小于10°。

6.根据权利要求5所述的一种无机械运动大范围调焦的望远物镜系统，其特征在于：所述第一液体(11)的折射率为1.60，所述第二液体(12)的折射率为1.40，所述视场角大小为0.0439°。

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