一种小型化长焦距大口径连续变焦光学结构及方法技术

本发明专利技术提供一种小型化长焦距大口径连续变焦光学结构，包括全反射式无焦光学系统、透射式连续变焦光学系统和焦平面，所述全反射式无焦光学系统包括主反射镜、次反射镜，所述次反射镜的焦点与主反射镜的焦点重合，所述主反射镜用来接受目标物体反射出来的光能量，所述次反射镜安装在主反射镜的反射光路上；所述透射式连续变焦光学系统安装在次反射镜的出射光路上，所述焦平面位于焦面上。本发明专利技术通过使用前置无焦光学系统将入射光束进行口径压缩，在经过后续连续变焦透射系统组件提供连续变焦功能，将两个系统组合，使前置无焦光学系统对后续连续变焦透射系统组件的焦距进行放大，实现整个系统的长焦距大口径的功能需求。

Compact long focal length large aperture continuous zoom optical structure and method

The invention provides a miniaturized long focal length and large aperture optical zoom structure, including all reflective afocal system, transmission type optical zoom system and focal plane, the all reflective afocal system comprises a main reflector and the secondary reflector and the secondary reflector focal points and main focus the mirror, the mirror to receive the light energy reflected from the target object, the secondary mirror is mounted on the reflected light path of the main reflecting mirror; the transmissive optical zoom system installed in the secondary mirror the emergent light path, the focal plane is located at the focal plane. The present invention by the use of pre afocal system incident beam diameter compression, in continuous zoom function after continuous zoom transmission system components, the combination of the two systems, the pre afocal system for subsequent transmission zoom system components in focal amplification, the realization of the entire system function requirements of large aperture telephoto the.

【技术实现步骤摘要】
一种小型化长焦距大口径连续变焦光学结构及方法
本专利技术属于光学设计
，涉及一种长焦距大口径光学系统光学结构设计，尤其涉及一种光学结构小型化的长焦距大口径连续变焦光学结构及方法。
技术介绍
光电设备主要用来对近距离、中远距离和无穷远距离目标进行监视成像，随着科学技术的不断发展，光电设备已经向小型化，高成像质量和高分辨率方向发展。由于其体积小，携带方便以及造价便宜等特点，越来越多的受到国内外的关注。由于要实现光电设备的体积小型化和高分辨率的特点，这就对光电设备系统提出了更高的要求，既要保证光学系统具有很高的分辨率，又要光学系统的体积做的尽可能小，这是一个矛盾的问题。对于光学成像系统来说，对于相同距离的目标，如果光学系统对目标的成像分辨率越高，则光学系统的焦距越长，光学系统焦距越长，则光学系统的结构体积越大。对于定焦光学系统来说，要实现小体积长焦距并不困难，目前采用最多的结构为反射式光学系统，可以将光学系统体积压缩到系统焦距的1/3以内，基本可以满足光学系统体积小型化。而对于连续变焦光学系统，若光学系统采用全反射式光学结构，理论上可以实现连续变焦，但其光学结构一般为系统焦距的2倍左右，无法实现小型化的要求，且全反射式光学结构加工费用高，装配困难大，因此，目前几乎没有使用全反射式结构实现光学系统的连续变焦；目前大多的连续变焦光学系统采用的是透射式光学结构，透射式光学结构在光学系统F#做的较大的情况可以实现光学系统焦距与光学结构达到1:1的状态，也就是说若光学系统焦距为1m，则光学系统结构长度一般为1m，为了实现高分辨率成像，一般光学系统焦距均大于0.5m，因此，带上机械结构和探测器组件，一般焦距为0.5m的连续变焦光学系统结构至少达到0.8m，若变焦光学系统的变倍倍率更高，则光学系统的结构尺寸会更大。为了适应目前光电设备体积小型化的发展需求，需要提出更加优良的光学结构，已满足在光学系统达到长焦距、大口径和高变倍比的前提条件下，使光学系统的结构体积做的更小，适应未来光电设备的发展需求。通过市场和文章资料调研，目前国内市场上还没有一种有效的技术解决途径实现连续变焦光学系统结构小型化的设备或方法，也未见相关的公开报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提出了一种折/反式连续变焦光学系统结构，结合目前全反射式光学结构和透射连续变焦光学结构，该光学结构可以有效的压缩连续变焦光学系统的体积，并且使光学系统具有长焦距、大口径、连续变焦的功能。本专利技术的技术解决方案是提供一种小型化长焦距大口径连续变焦光学结构，其特殊之处在于：包括全反射式无焦光学系统、透射式连续变焦光学系统和焦平面，上述全反射式无焦光学系统包括主反射镜、次反射镜，上述次反射镜的焦点与主反射镜的焦点重合，上述主反射镜用来接受目标物体反射出来的光能量，上述次反射镜安装在主反射镜的反射光路上；上述透射式连续变焦光学系统安装在次反射镜的出射光路上，上述焦平面位于焦面上。上述全反射式无焦光学系统对入射的光束进行口径压缩，实现了为整个系统提供焦距和口径放大的功能特点。上述连续变焦透射光学系统设置在无焦系统的后续光路上，为整个系统提供连续变焦功能。为了消除系统的杂散光，本专利技术还包括安装在主反射镜的焦点处的视场光阑。优选的，本专利技术还包括安装在连续变焦光学系统中间光束上的孔径光阑。优选的，上述主反射镜和次反射镜的焦距比为4比1。本专利技术还提供了一种小型化长焦距大口径连续变焦光学结构的连续变焦方法，包括以下步骤：全反射式无焦光学系统接收并反射入射光束后压缩入射光束口径；透射式连续变焦光学系统对口径压缩后的光束进行连续变焦。优选的，上述透射式连续变焦光学系统的焦距为目标焦距的1/4。本专利技术可以在占用较小的空间体积下实现长焦距、大口径、连续变焦的功能，具有结构紧凑，性价比高的特点，其实现原理如下：本专利技术提出的小型化长焦距大口径连续变焦光学结构结合了传统的反射式光学系统的体积小和透射式光学系统连续变焦的优点，将反射式光学结构和透射式光学结构有效的进行结合，实现整个系统的长焦距大口径小型化的特点。本专利技术小型化长焦距大口径光学结构采用主反射镜和次反射镜组成无焦光学系统，对入射光束进行口径压缩，一般情况下压缩比可以做到4:1，而在次反射镜后安装的连续变焦透射光学结构用来实现整个系统的连续变焦功能，一般情况下变倍比可以做到10倍，透射式连续变焦光学结构为了实现小型化的目的，可以适当的将系统焦距缩小，一般情况下，透射式连续变焦光学系统的焦距为目标焦距的1/4左右，这也可以有效的将系统体积进行缩小，一般情况下系统体积可以缩小到传统光学系统体积的1/4左右。然后将无焦系统的主反射镜和次反射镜组成的系统安装在透射式连续变焦系统的前续光路中，对透射系统的焦距进行放大，可以将整个系统的焦距重新放大至目标焦距。本专利技术就是通过无焦系统和透射式连续变焦系统组合的方案实现小型化长焦距大口径连续变焦的光学结构的。本专利技术的优点是：1、本专利技术通过使用前置无焦光学系统将入射光束进行口径压缩，在经过后续连续变焦透射系统组件提供连续变焦功能(其体积也为目标光学系统体积的1/4)，将两个系统组合，使前置无焦光学系统对后续连续变焦透射系统组件的焦距进行放大，实现整个系统的长焦距大口径的功能需求；2、本专利技术系统中连续变焦透射系统组件的焦距为目标系统焦距的1/4左右，因此，透射光学系统焦距为传统光学结构的1/4左右，由于无焦反射式光学系统的结构在透射光学系统前方凸出一定的长度，因此，本专利技术提出的小型化长焦距大口径连续变焦光学结构为传统的连续变焦光学结构的1/3左右，有效的压缩的光学系统的体积，而且本专利技术提出的小型化光学结构具有结构紧凑，像质优良的特点；3、本专利技术系统的焦距范围为100mm～1000mm，口径为Φ300mm，变倍比为10倍。一般情况下要满足上述指标的光学系统，若使用传统的透射光学系统结构，其外形尺寸一般为1200mm×350mm×350mm，而采用本专利技术提出的光学结构，最终设计完成的光学系统结构尺寸为360mm×400mm×350mm，可以看出，本专利技术提出的光学结构在相比与传统的光学结构，光学系统在长度方向上仅为传统光学结构的1/3左右，且从光路图上可以看出，本专利技术提出的光学结构元件布局非常紧凑，可以有效的压缩光学系统的体积。附图说明图1是本专利技术所提供的一种小型化长焦距大口径连续变焦光学系统的光路图；图2是本专利技术所提供的一种小型化长焦距大视场连续变焦光学系统的各个元件布局图；图3a是本专利技术所提供的一种小型化长焦距大视场连续变焦光学系统在短焦状态时的踹函数曲线图；图3b是本专利技术所提供的一种小型化长焦距大视场连续变焦光学系统在中焦状态时的踹函数曲线图；图3c是本专利技术所提供的一种小型化长焦距大视场连续变焦光学系统在长焦状态时的踹函数曲线图；其中：1-主反射镜；2-次反射镜；3-视场光阑；4-连续变焦透射系统组件；5-孔径光阑；6-焦平面。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步的描述。参见图2，本专利技术提供了一种小型化长焦距大口径连续变焦光学结构，其包括主反射镜1、次反射镜2、视场光阑3、连续变焦透射系统组件4、孔径光阑5和焦平面6；主反射镜1用来接受目标物体反射出来的光能量，视场光阑3安装在主反射镜1的焦本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小型化长焦距大口径连续变焦光学结构，其特征在于：包括全反射式无焦光学系统、透射式连续变焦光学系统和焦平面，所述全反射式无焦光学系统包括主反射镜、次反射镜，所述次反射镜的焦点与主反射镜的焦点重合，所述主反射镜用来接受目标物体反射出来的光能量，所述次反射镜安装在主反射镜的反射光路上；所述透射式连续变焦光学系统安装在次反射镜的出射光路上，所述焦平面位于焦面上。

【技术特征摘要】
1.一种小型化长焦距大口径连续变焦光学结构，其特征在于：包括全反射式无焦光学系统、透射式连续变焦光学系统和焦平面，所述全反射式无焦光学系统包括主反射镜、次反射镜，所述次反射镜的焦点与主反射镜的焦点重合，所述主反射镜用来接受目标物体反射出来的光能量，所述次反射镜安装在主反射镜的反射光路上；所述透射式连续变焦光学系统安装在次反射镜的出射光路上，所述焦平面位于焦面上。2.根据权利要求1所述的一种小型化长焦距大口径连续变焦光学结构，其特征在于：还包括安装在主反射镜的焦点处的视场光阑。3.根据权利要求1所述的一种小型化长焦距大口径连续变焦光学结构，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘峰，徐亮，郭毅，刘锴，张洁，赵建科，周艳，李朝辉，李晓辉，高明新，
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