宽波段多用途连续变焦光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种宽波段多用途连续变焦光学系统，包括驱动机构和光阑，还包括从自左向右依次排列的前固定组、变倍组、补偿组、光阑和后固定镜组；前固定组的左侧为物面，后固定镜组的右侧为所述光学系统的焦面；所述驱动机构驱动变倍组、补偿组在所述光学系统光轴方向前后直线移动实现连续变焦；所述前固定组、变倍组、补偿组、光阑和后固定镜组的中心轴线同轴；光阑与补偿组和后固定镜组之间均存在间隔；本发明专利技术采用材料较少，体积小巧，结构紧凑，无需手动调焦，能有效消除宽波段中波段间与波段内色差，并且焦距可以连续变化的宽波段大相对孔径多用途连续变焦光学系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种宽波段的连续变焦光学系统。具体而言，本专利技术涉及一种包含可见光0.4μm～0.7μm、近红外0.7μm～1.0μm和短波红外1.0μm～1.7μm三个波段，且兼具连续变焦功能的光学系统设计。
技术介绍
可见光成像探测是对目标反射辐射的探测，具有成本低、图像分辨率高、可获得目标色彩信息、目标对比度强等优点，但可见光波段环境适应性差，在低照度、夜晚、有云雾等条件下不能有效工作，不能满足某些军事民用领域中对环境适应性的要求。近红外和短波红外成像探测主要是对目标反射辐射的探测，工作原理类似于可见光成像探测，基于目标或背景的表面反射率差进行成像探测，可以复现室温景物表面反射率差所形成的可见光图像的大部分细节，而且自然环境中反射光能量在该波段要明显高于可见光波段，对于非阴影区，在傍晚、夜晚等低照度条件下，可利用该波段实现成像探测；而且，当反射辐射能量较低时，还可对目标采用近红外或短波红外激光照明，进行主动红外成像探测。另外，短波红外较之可见光或近红外波段具有更佳优良的大气透过特性，使得短波红外探测具有较好的微光夜视能力、云雾和烟雾穿透能力，这些特点意味着更远的工作距离及更好的全天候工作能力，可以在某些领域(如无人机光电载荷、车载舰载光电载荷、单兵侦察设备等)补充或替代成本高昂、分辨率偏低的中长波红外成像探测装备。可见光-近红外-短波红外宽波段成像光学系统集成了可见光成像与短波红外成像各自的优点，具有好的全天候工作能力及光谱分辨能力。InGaAs探测器的逐渐成熟也使得集成有宽波段成像探测能力的光电装备，不仅可以实现对目标的高分辨宽光谱成像探测，相对于传统采用像增强器的近红外微光夜视装备图像传输困难的问题，还可以实现图像实时回传，满足战场指挥、战略部属等需要。这些都对可见光-近红外-短波红外宽波段成像光学系统的设计实现提出了
迫切需求。现有技术中采用宽波段共光路连续变焦系统设计主要是透射式系统和反射式系统。在采用透射元件的宽波段设计中，由于涉及到多个波段，其波段间的色差和波段内的色差较难同时消除。对于短焦距，或是在很小的相对孔径，或较小光谱范围工作的光学系统，可以从已有国内外的镜头手册和专利库中，选出除了光谱范围以外与设计要求相似的光学系统，在此基础上调换玻璃，一般较容易实现。然而对于长焦距宽光谱段的光学系统，在初始结构选型之后的焦距缩放，对已校正好像差的光学系统的影响是非常大的，并且尽管凭借着现代光学设计软件计算速度上的优势，在此基础上不断更换玻璃，以达到在宽光谱段内实现高质量的像质，但在方法上具有一定的盲目性，而且实践证明很不容易成功。连续变焦光学系统通常兼具短焦大视场侦察与长焦窄视场分辨功能，就使得相应宽波段连续变焦光学系统的设计变得更为困难。在采用反射元件的变焦系统设计中，现有技术多采用三反式设计结构，虽然反射式设计不存在色差及天然消热差的特性，但三反式变焦系统的设计加工、装调都较为困难，且变倍比一般较小、相对孔径一般较大。另外，反射系统的中心遮拦还会影响辐射能量利用率。因此设计出具有较小F数(F#即为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D)的宽波段连续变焦光学系统，难度较大；对于一些文献公开的宽波段大相对孔连续变焦光学系统，要么波段范围较窄、要么系统结构复杂。2011年，刊载于中国文献《应用光学》杂志，第32卷第5期，第845～848页，题为《38x变倍比宽波段电视镜头光学系统设计》公开了一种宽波段电视镜头光学系统设计方法，其波段范围为可见光-近红外波段(0.4μm～1.0μm)；中国专利CN 202975461U、CN 102722017A等也公开了几种可见光-近红外宽波段(0.4μm～1.0μm)连续变焦光学系统的设计。但参考2015年，刊载于中国文献《光学学报》杂志，第35卷第8期，第0822007页，题为《0.4～1.7μm宽波段大相对孔径光学系统设计》中对常光学玻璃材料在宽波段范围不同波段色散特性差异的论述，可知上述文献或专利中报道的镜头均受制于各镜头光学结构及所采用的光学玻璃材料，难于将文献中各自设计扩展到更宽的工作波段范围。2012年，刊载于中国文献《红外与激光工程》，第41卷第6期，第1581-1586页，题为《新型离轴反射式变焦光学系统设计》报道了一种反射宽波段连续变焦光学系统。该系统工作F数为4，波段范围为450nm-850nm,焦距范围为300mm-1200mm，变倍比为4，三片反射镜皆采用高次非球面的设计，各反射镜离轴的设计还克服了传统反射式变焦系统中存在的中心遮拦。由于反射式光学系统本身无色差的优势，该系统可在0.4μm～1.7μm宽波段范围工作，经过适当的缩放，该系统也可在更短焦距范围进行连续变焦工作，但受制于当前国内外对离轴反射镜的加工能力及对离轴三反系统的装调水平，使得该系统在具体的工作实现当中存在较大困难。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种采用材料较少，体积小巧，结构紧凑，无需手动调焦，能有效消除宽波段中波段间与波段内色差，并且焦距可以连续变化的宽波段大相对孔径多用途连续变焦光学系统。本专利技术的技术解决方案如下：宽波段多用途连续变焦光学系统，包括驱动机构和光阑，其特殊之处在于：还包括从自左向右依次排列的前固定组2、变倍组3、补偿组4、光阑5和后固定镜组6；前固定组2的左侧为物面，后固定镜组6的右侧为所述光学系统的焦面；所述驱动机构驱动变倍组3、补偿组4在所述光学系统光轴方向前后直线移动实现连续变焦，即通过调节变倍组3和补偿组4的间隔实现整个光学系统焦距的连续变化；所述前固定组2、变倍组3、补偿组4、光阑5和后固定镜组6的中心轴线同轴；光阑与补偿组4和后固定镜组6之间均存在间隔；所述前固定镜组2包括自左向右中心轴线同轴排列固联的第一正透镜201、第一负透镜202和第二正透镜203；变倍组3承担本专利技术的变倍功能，包括自左向右中心轴线同轴排列的第三正透镜301、第二负透镜302和第三负透镜303；补偿组4承担本专利技术的补偿功能，包括自左向右中心轴线同轴排列的第四
正透镜401、第五正透镜402和第四负透镜403；后固定镜组6包括自左向右中心轴线同轴排列的由第五负透镜601、第六正透镜602、第六负透镜603、第七正透镜604和第七负透镜605，后固定镜组的这种结构能够用来校正宽波段连续变焦光学系统的残余波段内与波段间色差，同时对残余的场曲、畸变等轴外像差进行校正。上述第一正透镜201、第一负透镜202和第二正透镜203顺次排列。设所述第一正透镜201对d线的阿贝数vd201,设所述第一负透镜202对d线的阿贝数为vd202时，vd201和vd202满足以下条件式：Vd201>75；Vd202<40；能够保证整个前固定镜组2具有较小的残余波段间色差和波段内色差，对跨全变倍区域地相对于从可见光区域到短波红外光区域的光而产生的色差良好地进行校正。设所述变倍组3的焦距为f3,设所述宽波段多用途连续变焦光学系统长焦端焦距为fl，设所述第三正透镜对d线的阿贝数为vd301，fl、f3和vd301满足以下条件式：3.8<|fl/f3|<5；Vd301<26；变倍组3，能够对与大本文档来自技高网...

【技术保护点】
宽波段多用途连续变焦光学系统，包括驱动机构和光阑，其特征在于：还包括从自左向右依次排列的前固定组(2)、变倍组(3)、补偿组(4)、光阑(5)和后固定镜组(6)；前固定组(2)的左侧为物面，后固定镜组(6)的右侧为所述光学系统的焦面；所述驱动机构驱动变倍组(3)、补偿组(4)在所述光学系统光轴方向前后直线移动实现连续变焦；所述前固定组(2)、变倍组(3)、补偿组(4)、光阑(5)和后固定镜组(6)的中心轴线同轴；光阑与补偿组(4)和后固定镜组(6)之间均存在间隔；所述前固定镜组(2)包括自左向右中心轴线同轴排列固联的第一正透镜(201)、第一负透镜(202)和第二正透镜(203)；变倍组(3)包括自左向右中心轴线同轴排列的第三正透镜(301)、第二负透镜(302)和第三负透镜(303)；补偿组(4)包括自左向右中心轴线同轴排列的第四正透镜(401)、第五正透镜(402)和第四负透镜(403)；所述第五正透镜(402)和第四负透镜(403)相胶合构成第一胶合透镜组；后固定镜组(6)包括自左向右中心轴线同轴排列的由第五负透镜(601)、第六正透镜(602)、第六负透镜(603)、第七正透镜(604)和第七负透镜(605)。...

【技术特征摘要】
1.宽波段多用途连续变焦光学系统，包括驱动机构和光阑，其特征在于：还包括从自左向右依次排列的前固定组(2)、变倍组(3)、补偿组(4)、光阑(5)和后固定镜组(6)；前固定组(2)的左侧为物面，后固定镜组(6)的右侧为所述光学系统的焦面；所述驱动机构驱动变倍组(3)、补偿组(4)在所述光学系统光轴方向前后直线移动实现连续变焦；所述前固定组(2)、变倍组(3)、补偿组(4)、光阑(5)和后固定镜组(6)的中心轴线同轴；光阑与补偿组(4)和后固定镜组(6)之间均存在间隔；所述前固定镜组(2)包括自左向右中心轴线同轴排列固联的第一正透镜(201)、第一负透镜(202)和第二正透镜(203)；变倍组(3)包括自左向右中心轴线同轴排列的第三正透镜(301)、第二负透镜(302)和第三负透镜(303)；补偿组(4)包括自左向右中心轴线同轴排列的第四正透镜(401)、第五正透镜(402)和第四负透镜(403)；所述第五正透镜(402)和第四负透镜(403)相胶合构成第一胶合透镜组；后固定镜组(6)包括自左向右中心轴线同轴排列的由第五负透镜(601)、第六正透镜(602)、第六负透镜(603)、第七正透镜(604)和第七负透镜(605)。2.根据权利要求1所述的宽波段多用途连续变焦光学系统，其特征在于：设所述第一正透镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲锐，杨洪涛，曹剑中，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61