一折反式共口径三档变焦光学系统

1.本发明属于光学系统技术领域，具体涉及一种折反式共口径三档变焦光学系统。


背景技术：

2.随着航空领域可见光成像系统的长足发展，如今的可见光成像系统已经具备多档变焦，连续变焦，大口径长焦，大视场定焦等多种系统形态，也成为航空载荷中的重要组成部分。目前，多档变焦或者连续变焦的前固定组一般为透射镜头，虽然边缘视场有一定渐晕，但可以满足大视场和小视场连续变化的需求，例如专利号cn201510147959的“紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头”和专利号cn201510481734的“一种大靶面连续变焦光学系统”，前固定组都是采用折射式透镜组。这种类型变焦镜头装调简单，但对于长焦距镜头一般体积较大。
3.目前，多档及连续变焦的可见光系统，常规的都是以同轴透射式系统存在，前固定组是一组正焦距的透射镜组，这种形式的变焦系统虽然装调简单，变焦倍率大。但对于长焦距存在着系统尺寸较长得问题，又因为口径的限制，边缘视场存在渐晕，在低照度的天气状况下，会导致靶面收集到的能量较低，对比度较低的问题。
4.长焦系统一般采用cassegrain形式的入射口径，在利用长焦实现目标识别的同时，有效的压缩结构的尺寸空间，并利用大口径收集目标能量。但是采用 cassegrain反射结构的光学系统，一般为长焦定焦镜头，一方面为了压缩结构尺寸，另一方面因为视场角内场景较远，需要大口径收集目标能量，一般和透射式变焦镜头组合使用，这就会增加飞行载荷的重量和体积。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种折反式共口径三档变焦光学系统，能够消除透射式变焦系统的渐晕，压缩了长焦距的结构尺寸，又利用大口径提高了目标能量的收集能力。
6.为实现上述目的，本发明技术方案如下：
7.本发明的一种折反式共口径三档变焦光学系统，从物侧到像侧依次为一次成像组、前固定透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组和后固定透镜组，五组透镜的光焦度分配依次为正、正、正、负、正，通过变倍透镜组和补偿透镜组的轴向移动，实现所述折反式共口径三档变焦光学系统的变焦功能；一次像面经过前固定透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组和后固定透镜组的像差矫正，最终以像方远心光路成像在探测器靶面上；其中，所述一次成像组包括cassegrain反射镜组和一片胶合镜。
8.其中，cassegrain结构的主镜是抛物面反射镜，次镜为双曲面反射镜。
9.其中，孔径光阑设置在所述主镜上。
10.其中，前固定透镜组由两片单透镜和一片胶合镜组成，第一片为凸面朝向像面的弯月形正焦距单透镜；第二片为凸面朝向物面的双胶合负透镜；第三片为凸面朝向像面的正透镜；前固定透镜组在整个变焦过程中位置不变。
11.其中，变倍透镜组由一片双胶合透镜和两片单透镜组成；第一片为凸面朝向物面的双胶合负透镜；第二片为凸面朝向像面的正透镜；第三片为凸面朝向物面的正透镜；整个变倍透镜组在前固定透镜组和补偿透镜组之间轴向移动以改变所述折反式共口径三档变焦光学系统的焦距；当系统从短焦向长焦变化时，变倍透镜组单方向向前固定组移动，变倍透镜组和前固定透镜组之间的间隔范围为7～71.6mm。
12.其中，补偿透镜组由一片双胶合透镜和一片单透镜组成，补偿透镜组在变倍透镜组和后固定组之间移动，用于补偿所述折反式共口径三档变焦光学系统在变焦过程中的像面移动；补偿透镜组靠近物面的第一片镜为双凹型双胶合透镜，第二片透镜为凸面朝向像面的弯月形单透镜；当所述折反式共口径三档变焦光学系统从短焦向长焦距变化时，补偿透镜组沿光轴向前固定组移动，同变倍透镜组的运动方向一致；补偿透镜组到变倍透镜组之间的间隔变化范围为 12～29.8mm。
13.其中，后固定组由一片单透镜和一片双胶合镜组成，从靠近物侧到像侧，第一片镜为双凸正焦距单透镜，第二片镜为凸面朝向物面的双胶合负透镜，补偿透镜组和后固定组之间的间隔范围为12～58.8mm。
14.有益效果：
15.本发明的光学系统，实现cassegrain主镜作为光阑的三档变焦，消除了透射式变焦系统的渐晕，压缩了长焦距的结构尺寸，又利用大口径提高了目标能量的收集能力。本发明的光学系统最大程度的压缩了长焦模式下的尺寸。同时孔径光阑设置在主镜上，短焦距模式下系统不存在渐晕，三档不同焦距的模式下都以cassegrain结构主镜的全口径进行成像。即使在低照度的天气状况下，也能保证靶面的照度，且长焦距模式下依然可以实现较高的靶面辐照度。共口径变焦结构整合了一部分连续变焦的长焦模式，可以使配合使用的小焦距大视场的变焦系统结构更紧凑，减轻了整体载荷的重量及空间压力。同时三档的变焦结构可以实现焦距的快速切换，免去了连续变焦情况时的变焦延迟。
16.本发明共口径三档变焦光学系统在像方采用了像方远心光路的设计，放宽了公差，场景能量均匀照明靶面。随着不同工程项目所需要的口径的变化，该系统还可以等比例缩放，并进行简单的优化，既可以满足不同的设计需求。
附图说明
17.图1是折反式共口径三档变焦光学系统的光学结构示意图；
18.图2是折反式共口径三档变焦光学系统短焦状态下的位置关系示意图；
19.图3是折反式共口径三档变焦光学系统中焦状态下的位置关系示意图；
20.图4是折反式共口径三档变焦光学系统长焦状态下的位置关系示意图；
21.图5是折反式共口径三档变焦光学系统短焦状态下0视场的传递函数；
22.图6是折反式共口径三档变焦光学系统短焦状态下0.7视场的传递函数；
23.图7是折反式共口径三档变焦光学系统短焦状态下边缘视场的传递函数；
24.图8是折反式共口径三档变焦光学系统中焦状态下0视场的传递函数；
25.图9是折反式共口径三档变焦光学系统中焦状态下0.7视场的传递函数；
26.图10是折反式共口径三档变焦光学系统中焦状态下边缘视场的传递函数；
27.图11是折反式共口径三档变焦光学系统长焦状态下0视场的传递函数；
28.图12是折反式共口径三档变焦光学系统长焦状态下0.7视场的传递函数；
29.图13是折反式共口径三档变焦光学系统长焦状态下边缘视场的传递函数；
30.图14是折反式共口径三档变焦光学系统短焦状态下的场曲畸变图；
31.图15是折反式共口径三档变焦光学系统中焦状态下的场曲畸变图；
32.图16是折反式共口径三档变焦光学系统长焦状态下的场曲畸变图；
33.图17是折反式共口径三档变焦光学系统短焦状态下的点列图；
34.图18是折反式共口径三档变焦光学系统中焦状态下的点列图；
35.图19是折反式共口径三档变焦光学系统长焦状态下的点列图。
具体实施方式
36.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
37.为了解决目前国内可见光变焦系统存在光阑渐晕，长焦模式尺寸过长且靶面照度受限的问题，从系统轻量化及航空载荷发展趋势角度考虑，本发明所述折反式共口径三档变焦光学系统从物侧到像侧依次为一次成像组、前固定透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组和后固定透镜组，五组透镜的光焦度分配依次为正、正、正、负、正，通过变倍透镜组和补偿透镜组的轴向移动，实现所述折反式共口径三档变焦光学系统的变焦功能。一次像面经过前固定透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组和后固定透镜组的像差矫正，最终以像方远心光路成像在探测器靶面上。
38.针对可见光变焦系统存在光阑渐晕，长焦模式尺寸过长且靶面照度受限的问题，本发明是利用cassegrain结构结合变焦光学理论，利用变倍透镜组和补偿透镜组沿光轴的单向移动，实现了共口径三档变焦系统，三档焦距均利用了 cassegrain结构主镜的全口径成像，使得长短焦结构成像时靶面都能接收到足够的能量，且没有渐晕。像方远心光路的设计，使得景物能量能均匀的分布在靶面上。本发明的折反式共口径三档变焦光学系统，以cassegrain反射镜组和一片胶合镜，作为所述三档变焦距系统的一次成像组，后面依次为前固定透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组和后固定透镜组，通过变倍透镜组和补偿透镜组的轴向移动实现变焦，进而实现不同视场的切换。这样的系统结构可以在长焦距模式下最大程度的压缩系统尺寸。同时孔径光阑设置在主镜上，短焦距模式下系统不存在渐晕。在低照度的天气状况下，由于口径较大，最大程度的提高了靶面的照度，长焦距模式下依然可以实现较高的靶面照度。共口径变焦结构整合了一部分连续变焦的长焦模式，压缩了载荷的体积和重量。
39.同时三档的变焦结构可以实现焦距的快速切换，免去了连续变焦情况时的变焦延迟。另外，本共口径三档变焦光学系统在像方采用了像方远心光路的设计，放宽了公差，场景能量均匀照明靶面。
40.本实施例采用成都光明玻璃库玻璃，设计了一种折反式共口径三档变焦光学系统，可应用于1920
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1080像素，像元5.5μm探测器，及具有相同靶面尺寸的可见光探测器。
41.其中，镜头f数4.6～10～14，三档焦距分别为700mm，1500mm，2100mm；入瞳口径为150mm，光学尺寸小于340mm。
42.以本发明应用于可见光探测器，靶面1920
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1080像素，像元尺寸5.5μm 为例，图2、图3和图4分别是本发明所述折反式共口径三档变焦光学系统在短焦、中焦和长焦位置的光
学系统示意图。从物面(左侧)到像面(右侧)依次为一次成像组、前固定透镜组a、变倍透镜组b、补偿透镜组c和后固定透镜组d，这四组透镜的光焦度分配分别为正、正、负、正。折反式共口径三档变焦光学系统依靠变倍透镜组b和补偿透镜组c的轴向移动来实现系统的变焦功能。
43.具体地，一次成像组由一组cassegrain结构和一片双胶合透镜实现。 cassegrain结构的主镜是口径为150mm的抛物面反射镜，次镜为一片口径为 37mm的双曲面反射镜。cassegrain结构实现了光束的汇聚，后经过光焦度为负的双胶合透镜，实现了一次成像。在所述的折反式共口径三档变焦光学系统变焦过程中，一次像面的位置不发生变化，一直处于一次成像组和前固定组之间。但由于变焦过程中视场范围的变化，一次像面像的尺寸会相应变化。
44.前固定透镜组a由两片单透镜和一片胶合镜组成，第一片为凸面朝向像面的弯月形正焦距单透镜，材料h-lak8b；第二片为凸面朝向物面的双胶合负透镜，材料为h-zbaf3和zf2；第三片为凸面朝向像面的正透镜，材料为 h-zbaf21。前固定透镜组a在整个变焦过程中位置不变。
45.变倍透镜组b由一片双胶合透镜和两片单透镜组成。第一片为凸面朝向物面的双胶合负透镜，材料依次为h-zk21和zf8；第二片为凸面朝向像面的正透镜，材料为h-lak8a；第三片为凸面朝向物面的正透镜，材料为h-bak7；整个变倍透镜组b在前固定透镜组a和补偿透镜组c之间轴向移动以改变所述折反式共口径三档变焦光学系统的焦距。当系统从短焦向长焦变化时，变倍透镜组b单方向向前固定组a移动，变倍透镜组b和前固定透镜组a之间的间隔范围为7～71.6mm。
46.补偿透镜组c由一片双胶合透镜和一片单透镜组成，补偿透镜组c在变倍透镜组b和后固定组d之间移动，用于补偿所述折反式共口径三档变焦光学系统在变焦过程中的像面移动。补偿透镜组c靠近物面的第一片镜为双凹型双胶合透镜，材料为h-zf5和h-qf14，第二片透镜为凸面朝向像面的弯月形单透镜，材料为h-zlaf53b。当所述折反式共口径三档变焦光学系统从短焦向长焦距变化时，补偿透镜组c沿光轴向前固定组a移动，同变倍透镜组b的运动方向一致。补偿透镜组c到变倍透镜组b之间的间隔变化范围为12～29.8mm。
47.后固定组d由一片单透镜和一片双胶合镜组成，从靠近物侧到像侧依次说明，第一片镜为双凸正焦距单透镜，材料为h-lak2a；第二片镜为凸面朝向物面的双胶合负透镜，材料依次为h-laf10la和zf51，补偿透镜组c和后固定组d之间的间隔范围为12～58.8mm。
48.前固定组a、变倍透镜组b、补偿透镜组c及后固定组d将一次成像组的一次像面再次成像在探测器靶面上。
49.该系统由短焦至长焦的变化过程为：短焦状态时，变倍透镜组b离前固定组a最远，补偿透镜组c离后固定组d最近，变倍透镜组b和补偿透镜组c 之间的距离也最近。随着系统由短焦向长焦变化，变倍透镜组b逐渐靠近前固定组a，补偿透镜组c逐渐远离后固定组d，变倍透镜组b和补偿透镜组c的移动方向一致，由于移动曲线不同，系统从短焦向长焦的变化过程中，变倍透镜组b和补偿透镜组c之间的间隔逐渐加大。
50.所述折反式共口径三档变焦光学系统实现的三档变焦的技术指标为：工作波段0.5～0.7μm，焦距为700～1500～2100mm，对应f数为4.6、10、14，适用于像元数为1920
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1080，像元尺寸5.5μm及相同靶面尺寸的可见光探测器。
51.在本实施过程中，以系统由短焦到长焦的变化为例。系统处于短焦700mm 时，变倍透镜组离b距离前固定组a的距离最远，为71.6mm，补偿透镜组c 距离后固定组d的距离也最近，为12mm。变倍透镜组b与补偿透镜组c之间的距离最近，为12mm。
52.系统从短焦向长焦的运动过程中，变倍透镜组b逐渐向前固定组a移动，补偿透镜组c逐渐远离后固定组d，当变倍透镜组b和补偿透镜组c之间距离达到19.8mm时，系统达到中焦位置，当前焦距为1500mm。变倍透镜组b和前固定组a之间的间隔为22.2mm，补偿透镜组c和后固定组d之间的间隔为 53.7mm。
53.变倍透镜组b继续向前固定组a移动，补偿透镜组c进一步远离后固定组 d，当变倍透镜组b和补偿透镜组c之间间隔为29.8mm时，系统达到长焦位置，此时焦距我为2100mm。变倍透镜组b和前固定组a之间的间隔为7mm，补偿透镜组c和后固定组d之间的间隔为58.8mm。
54.同理，当所述的折反式共口径三档变焦光学系统由长焦向短焦变化时，变倍透镜组b做远离前固定组a的单一方向的轴向运动，补偿透镜组做靠近向后固定组d的单一方向的轴向运动。光学系统的参数表如表1。
55.表1折反式共口径三档变焦光学系统镜头参数
[0056][0057][0058]
透镜2、3和4组成了前固定组a；透镜5、6和7组成了变倍透镜组b，透镜8和9组成了补偿透镜组c，透镜10和11构成了后固定组d。t1、t2和t3 是变焦过程中各组之间的空气间隔。
[0059]
表2变焦距尺寸间隔
[0060] 长焦中焦短焦
t171.622.27t21219.829.8t31253.758.8
[0061]
本发明设计的折反式共口径三档变焦光学系统，基于可见光变焦理论，结合cassegrain反射结构，实现了可见光的二次成像。该系统适用于1920
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1080 像素，像元尺寸5.5μm及具有相同靶面尺寸的可见光探测器，镜头f数4.6～ 10～14，分别对应700mm，1500mm，2100mm的三档焦距。主镜口径尺寸为 150mm。光学轴向尺寸小于340mm。本发明系统三档焦距的f数分别为4.6， 10，14，对应700mm，1500mm，2100mm的三档焦距。系统光学总长小于340mm。适用于1920
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1080像素，像元5.5μm及具有相同靶面尺寸的可见光探测器。
[0062]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种折反式共口径三档变焦光学系统，其特征在于，从物侧到像侧依次为一次成像组、前固定透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组和后固定透镜组，五组透镜的光焦度分配依次为正、正、正、负、正，通过变倍透镜组和补偿透镜组的轴向移动，实现所述折反式共口径三档变焦光学系统的变焦功能；一次像面经过前固定透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组和后固定透镜组的像差矫正，最终以像方远心光路成像在探测器靶面上；其中，所述一次成像组包括cassegrain反射镜组和一片胶合镜。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，cassegrain结构的主镜是抛物面反射镜，次镜为双曲面反射镜。3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，孔径光阑设置在所述主镜上。4.如权利要求1-3任意一项所述的系统，其特征在于，前固定透镜组由两片单透镜和一片胶合镜组成，第一片为凸面朝向像面的弯月形正焦距单透镜；第二片为凸面朝向物面的双胶合负透镜；第三片为凸面朝向像面的正透镜；前固定透镜组在整个变焦过程中位置不变。5.如权利要求1-3任意一项所述的系统，其特征在于，变倍透镜组由一片双胶合透镜和两片单透镜组成；第一片为凸面朝向物面的双胶合负透镜；第二片为凸面朝向像面的正透镜；第三片为凸面朝向物面的正透镜；整个变倍透镜组在前固定透镜组和补偿透镜组之间轴向移动以改变所述折反式共口径三档变焦光学系统的焦距；当系统从短焦向长焦变化时，变倍透镜组单方向向前固定组移动，变倍透镜组和前固定透镜组之间的间隔范围为7～71.6mm。6.如权利要求1-3任意一项所述的系统，其特征在于，补偿透镜组由一片双胶合透镜和一片单透镜组成，补偿透镜组在变倍透镜组和后固定组之间移动，用于补偿所述折反式共口径三档变焦光学系统在变焦过程中的像面移动；补偿透镜组靠近物面的第一片镜为双凹型双胶合透镜，第二片透镜为凸面朝向像面的弯月形单透镜；当所述折反式共口径三档变焦光学系统从短焦向长焦距变化时，补偿透镜组沿光轴向前固定组移动，同变倍透镜组的运动方向一致；补偿透镜组到变倍透镜组之间的间隔变化范围为12～29.8mm。7.如权利要求1-3任意一项所述的系统，其特征在于，后固定组由一片单透镜和一片双胶合镜组成，从靠近物侧到像侧，第一片镜为双凸正焦距单透镜，第二片镜为凸面朝向物面的双胶合负透镜，补偿透镜组和后固定组之间的间隔范围为12～58.8mm。

技术总结
本发明提供了一种折反式共口径三档变焦光学系统，能够消除透射式变焦系统的渐晕，压缩了长焦距的结构尺寸，又利用大口径提高了目标能量的收集能力。本发明的光学系统，实现Cassegrain主镜作为光阑的三档变焦，消除了透射式变焦系统的渐晕，压缩了长焦距的结构尺寸，又利用大口径提高了目标能量的收集能力。即使在低照度的天气状况下，也能保证靶面的照度，且长焦距模式下依然可以实现较高的靶面辐照度。共口径变焦结构整合了一部分连续变焦的长焦模式，可以使配合使用的小焦距大视场的变焦系统结构更紧凑，减轻了整体载荷的重量及空间压力。同时三档的变焦结构可以实现焦距的快速切换，免去了连续变焦情况时的变焦延迟。免去了连续变焦情况时的变焦延迟。免去了连续变焦情况时的变焦延迟。


技术研发人员：卜和阳 田浩南 洪永丰 虞林瑶
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2023/7/13