CN204945480U - 大靶面连续变焦光学*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及大靶面连续变焦光学***，包括光焦度为正的前固定组、光焦度为负的变倍组、光焦度为负的补偿组和光焦度为正的后固定组；通过变倍组和补偿组的相应地运动来实现光学***的变焦。该连续变焦光学***靶面为1英寸，适用于像素数为1920×1080、像元大小为7.4μm、靶面为1英寸的高清CCD或CMOS摄像机，也适用于像素数为1920×1080、像元大小为5.5μm、靶面为2/3英寸的高清CCD或CMOS摄像机。而且该光学***的焦距为35mm～700mm，对远距离的观察能力相应地有了很大的提升，能够适用于高空飞行的机载光电***，而且能够探测更远距离的目标，进而提高侦察、打击和远距离目标识别的能力，其应用范围十分宽广。
Description
技术领域
本实用新型涉及机载光电设备的可见光光学***，具体涉及大靶面连续变焦光学***。
背景技术
载机的载重与其航程成反比关系，因此，适用于机载光电设备的可见光光学***要求其具有体积小、重量轻的特点；对于高空侦察、打击***而言，要求光学***既能做大范围的目标搜索又能做小范围的目标跟踪、识别。所以，光学***应具有焦距长、变倍比大、分辨率高的特点。未来，机载光电设备将逐步由高清代替过去的标清设备，高清CCD或CMOS成像器件的靶面均为2/3英寸或1英寸以上，但是现有的光学***靶面小、焦距短，不能满足高空侦察光电设备关于光学***应具有高分辨率、作用距离远的要求。比如说：申请号为201310723247.1的中国专利申请文件中公开了一种机载变焦距镜头，该镜头的分辨率是适配于1/3英寸的CCD，设计靶面小，不能与全高清摄像机匹配；而且，该镜头的焦距为10.5mm～300mm，整体焦距比较短，对远距离目标的探、识别能力有限，不能适用于高空飞行的机载光电***，所以，其应用有很大的限制。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种大靶面连续变焦光学***，用以解决现有***靶面小、分辨率低，不能与高清CCD或CMOS摄像机不能匹配的问题。
为实现上述目的，本实用新型的方案包括一种大靶面连续变焦光学***，包括光焦度为正的前固定组、光焦度为负的变倍组、光焦度为负的补偿组和光焦度为正的后固定组；通过变倍组和补偿组的相对运动来实现光学***的变焦；所述前固定组由四个透镜组成，变倍组由三个透镜组成：第一变倍透镜、第二变倍透镜和第三变倍透镜，补偿组由两个透镜组成：第一补偿透镜和第二补偿透镜，后固定组由七个透镜组成：第一至第七后固定透镜；所述第二变倍透镜和第三变倍透镜组成第二胶合透镜组，所述第一补偿透镜和第二补偿透镜组成第三胶合透镜组，所述补偿组和后固定组之间的光路上设有光阑，所述前固定组中的第一前固定透镜为凹面向光阑的负透镜，第二前固定透镜为凹面向光阑的正透镜，第三前固定透镜为凹面向光阑的正透镜，第四前固定透镜为凹面向光阑的正透镜，所述第一前固定透镜和第二前固定透镜组成第一胶合透镜组；所述第一变倍透镜为双凹负透镜，第二变倍透镜为双凹负透镜，第三变倍透镜为双凸正透镜；所述第一补偿透镜为双凹负透镜，第二补偿透镜为凹面向光阑的负透镜；所述第一至第七后固定透镜依次为凸面向光阑的正透镜、凸面向光阑的正透镜、双凸正透镜、双凹负透镜、凸面向光阑的正透镜、凸面向光阑的负透镜和凹面向光阑的正透镜，第三后固定透镜、第四后固定透镜和第五后固定透镜组成第四胶合透镜组。
所述光学***的技术指标为：光学***F#：5.6；焦距：35mm～700mm；靶面大小为1英寸，应用于像素数为1920×1080、像元大小为7.4μm、靶面为1英寸的CCD或CMOS时，视场为26.56°～1.35°；应用于像素数为1920×1080、像元大小为5.5μm、靶面为2/3英寸的CCD或CMOS时，视场为19.64°～0.99°。
所述前固定组和变倍组之间的空气间隔为10mm～147.82mm，变倍组和补偿组之间的间隔为6mm～95.17mm，补偿组和后固定组之间的间隔为3mm～126.88mm。
所述第一胶合透镜组与第三前固定透镜的间隔是0.2mm，第三前固定透镜与第四前固定透镜之间的间隔为0.2mm；第一变倍透镜与第二胶合透镜组之间的间隔为10mm。
所述前固定组中的四个透镜中，至少有一个透镜的光学材料为H-FK61、H-FK71或GaF2。
所述前固定组中的四个透镜的材料分别是：H-ZF52、H-FK61、H-FK61和H-ZLaF75A，所述变倍组中的三个透镜的材料分别是：H-ZLaF4LA、H-ZK9A和H-ZLaF75A，所述补偿组中的两个透镜的材料分别是：H-ZK9A和H-ZLaF75A，所述后固定组中的七个透镜的材料分别是：BaF2、H-ZLaF75A、H-FK61、H-ZLaF4LA、H-BaF8、H-ZLaF4LA和ZF13。
所述光学***中还设有用于折转光路的第一反射镜和第二反射镜，第六后固定透镜的出射光线通过第一反射镜的反射后射入第七后固定透镜中，光的传播方向改变90度；第七后固定透镜的出射光线通过第二反射镜的反射后射出，光的传播方向再次改变90度；通过第一反射镜和第二反射镜的作用，第六后固定透镜的出射光线与经第二反射镜的反射后射出的光线之间的角度为180度。
第一后固定透镜与第二后固定透镜之间的间隔为7.44mm，第二后固定透镜与第四胶合透镜组之间的间隔为0.15mm，第四胶合透镜组与第六后固定透镜之间的间隔为0.15mm，第六后固定透镜与第一反射镜之间的间隔为15mm，第一反射镜与第七后固定透镜之间的间隔为45mm，第七后固定透镜与第二反射镜之间的间隔为40mm。
本实用新型的提供的连续变焦光学***，其靶面为1英寸，适用于像素数为1920×1080、像元大小为7.4μm、靶面为1英寸的高清CCD或CMOS，也适用于像元大小为5.5μm、靶面为2/3英寸的高清CCD或CMOS。而且该光学***的焦距为35mm～700mm，对远距离目标的探测、识别能力相应地有了很大的提升，进而提高侦察、打击设备对远距离目标的识别、跟踪能力，能够适用于高空飞行的机载光电***，其应用范围十分宽广。
附图说明
图1是大靶面连续变焦光学***的结构示意图；
图2是短焦状态下的光学***的结构示意图；
图3是中焦状态下的光学***的结构示意图；
图4是长焦状态下的光学***的结构示意图；
图5是短焦状态下的光学***在空间频率90lp/mm传递函数图；
图6是中焦状态下的光学***在空间频率90lp/mm传递函数图；
图7是长焦状态下的光学***在空间频率90lp/mm传递函数图；
图8是短焦状态下的光学***场曲、畸变图；
图9是中焦状态下的光学***场曲、畸变图；
图10是长焦状态下的光学***场曲、畸变图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。
如图1所示的大靶面连续变焦光学***，光线由物方入射到该光学***中，沿着光线传播方向，该光学***依次包括光焦度为正的前固定组G1、光焦度为负的变倍组G2、光焦度为负的补偿组G3和光焦度为正的后固定组G4。补偿组G3和后固定组G4之间的光路上设有光阑ST。
前固定组由四个透镜组成，分别是：第一前固定透镜为凹面向光阑的负透镜11，第二前固定透镜为凹面向光阑的正透镜12，第三前固定透镜为凹面向光阑的正透镜13，第四前固定透镜为凹面向光阑的正透镜14，其中，负透镜11与正透镜12组成第一胶合透镜组；变倍组由三个透镜组成，分别是：第一变倍透镜为双凹负透镜21，第二变倍透镜为双凹负透镜22，第三变倍透镜为双凸正透镜23，其中，负透镜22和正透镜23组成第二胶合透镜组；补偿组由两个透镜组成，分别是：第一补偿透镜为双凹负透镜31，第二补偿透镜为凹面向光阑的负透镜32，负透镜31和负透镜32组成第三胶合透镜组；后固定组由七个透镜组成，分别是：第一至第七后固定透镜依次为凸面向光阑的正透镜41、凸面向光阑的正透镜42、双凸正透镜43、双凹负透镜44、凸面向光阑的正透镜45、凸面向光阑的负透镜46和凹面向光阑的正透镜47，其中，正透镜43、负透镜44、正透镜45组成第四胶合透镜组。
本实施例中：
该光学***实现的技术指标为：
波段：可见光波段；靶面：1英寸；F#：5.6；焦距：f′＝35mm～700mm；视场：应用于像素数为1920×1080、像元大小为7.4μm、靶面为1英寸的CCD或CMOS时，视场为26.56°～1.35°；应用于像素数为1920×1080、像元大小为5.5μm、靶面为2/3英寸的CCD或CMOS时，视场为19.64°～0.99°。
前固定组G1和变倍组G2之间的空气间隔为10mm～147.82mm，变倍组G2和补偿组G3之间的间隔为6mm～95.17mm，补偿组G3和后固定组G4之间的间隔为3mm～126.88mm。
在前固定组G1中，第一胶合透镜组与正透镜13的间隔是0.2mm，正透镜13与正透镜14之间的间隔为0.2mm。
在变倍组G2中，负透镜21与第二胶合透镜组之间的间隔为10mm。
该光学***中还设有反射镜51和反射镜52，反射镜51设置在负透镜46和正透镜47之间，负透镜46出射的光线通过反射镜51的反射后射入第七后固定透镜中，光的传播方向改变90度；正透镜47的出射光线通过反射镜52的反射后成像到探测器中，光的传播方向再次改变90度；通过反射镜51和反射镜52的作用，负透镜46的出射光线与经反射镜52的反射后的出射光线之间的角度为180度，也就是说，两者方向正好相反。设置两个反射镜，能够缩短***长度，保证***在较短的长度下也能够实现相应的功能，而且，缩短长度也能够保证***安装的方便。
在后固定组G4中，正透镜41与正透镜42之间的间隔为7.44mm；正透镜42与第四胶合透镜组之间的间隔为0.15mm；第四胶合透镜组与负透镜46之间的间隔为0.15mm；负透镜46与反射镜51之间的间隔为15mm；反射镜51与正透镜47之间的间隔为45mm；正透镜47与反射镜52之间的间隔为40mm。
利用前固定组来校正长焦的各种像差，在前固定组中加入正透镜13与正透镜14两个分离透镜，利用空气间隔的大小和半径的差别进行长焦端像差校正。而且，前固定组中的四个透镜中，至少有一个透镜选用H-FK61、H-FK71或GaF2等超低色散的光学材料，用于降低光学***长焦端的二级光谱等像差。作为具体实施例，本实施例中，该光学***中所有透镜的所有表面形均为球面，没有非球面镜片，易加工制造，成本低。而且***中透镜所用的材料均为国产材料，具体为：前固定组中的四个透镜的材料分别是：H-ZF52、H-FK61、H-FK61和H-ZLaF75A，变倍组中的三个透镜的材料分别是：H-ZLaF4LA、H-ZK9A和H-ZLaF75A，补偿组中的两个透镜的材料分别是：H-ZK9A和H-ZLaF75A，固定组中的七个透镜的材料分别是：BaF2、H-ZLaF75A、H-FK61、H-ZLaF4LA、H-BaF8、H-ZLaF4LA和ZF13。
在保持现有结构中透镜的基本形状及运动范围的情况下，各个透镜的表面曲率是可以有多组解的，比如说：透镜11的前表面是270.55，也有可能是270.65，只是如果是270.65则后续的表面曲率也有相应的调整，所以各个透镜的表面曲率半径并不是只有确定的一个值，表1给出了一组具体的表面曲率的值。表1还给出了该光学***的一组其他具体参数。
表1
光学***在进行焦距变化时，通过变倍组和补偿组的相对移动来实现变焦，当***由短焦向长焦变化时，变倍组和补偿组相对于固定组一起向后运动，二组之间又按不同的运动规律做相对移动以补偿像面的移动，达到完全保持像面稳定的效果。使用该光学***时，由于被观测目标距离会发生变化，这就会引起光学***离焦，所以需要对该光学***进行调焦，采取移动前固定组中的透镜的方式实现光学***的调焦，使像面调整到探测器焦平面位置。如图2，3和4所示，图2是短焦状态下的光学***，图3是中焦状态下的光学***，图4是长焦状态下的光学***。
图5是短焦状态下的光学***在空间频率90lp/mm传递函数图；图6是中焦状态下的光学***在空间频率90lp/mm传递函数图；图7是长焦状态下的光学***在空间频率90lp/mm传递函数图；图8是短焦状态下的光学***场曲、畸变图；图9是中焦状态下的光学***场曲、畸变图；图10是长焦状态下的光学***场曲、畸变图。
上述实施例中，使用反射镜是为了缩短***的长度，反射镜只改变光的传播方向，不引入像差。当然，如果对于***的长度没有要求的话，该反射镜还可以不设置。
另外，说明书中没有详细描述的内容属于背景技术中的已被公开的申请文件中的技术特征或者是本领域技术人员公知的现有技术。
以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用新型的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围内。
Claims (8)
1.一种大靶面连续变焦光学***，包括光焦度为正的前固定组、光焦度为负的变倍组、光焦度为负的补偿组和光焦度为正的后固定组；通过变倍组和补偿组的相对运动来实现光学***的变焦；所述前固定组由四个透镜组成，变倍组由三个透镜组成：第一变倍透镜、第二变倍透镜和第三变倍透镜，补偿组由两个透镜组成：第一补偿透镜和第二补偿透镜，后固定组由七个透镜组成：第一至第七后固定透镜；所述第二变倍透镜和第三变倍透镜组成第二胶合透镜组，所述第一补偿透镜和第二补偿透镜组成第三胶合透镜组，其特征在于，所述补偿组和后固定组之间的光路上设有光阑，所述前固定组中的第一前固定透镜为凹面向光阑的负透镜，第二前固定透镜为凹面向光阑的正透镜，第三前固定透镜为凹面向光阑的正透镜，第四前固定透镜为凹面向光阑的正透镜，所述第一前固定透镜和第二前固定透镜组成第一胶合透镜组；所述第一变倍透镜为双凹负透镜，第二变倍透镜为双凹负透镜，第三变倍透镜为双凸正透镜；所述第一补偿透镜为双凹负透镜，第二补偿透镜为凹面向光阑的负透镜；所述第一至第七后固定透镜依次为凸面向光阑的正透镜、凸面向光阑的正透镜、双凸正透镜、双凹负透镜、凸面向光阑的正透镜、凸面向光阑的负透镜和凹面向光阑的正透镜，第三后固定透镜、第四后固定透镜和第五后固定透镜组成第四胶合透镜组。
2.根据权利要求1所述的大靶面连续变焦光学***，其特征在于，所述光学***的技术指标为：光学***F#：5.6；焦距：35mm～700mm；靶面大小为1英寸，应用于像素数为1920×1080、像元大小为7.4μm、靶面为1英寸的CCD或CMOS时，视场为26.56°～1.35°；应用于像素数为1920×1080、像元大小为5.5μm、靶面为2/3英寸的CCD或CMOS时，视场为19.64°～0.99°。
3.根据权利要求1所述的大靶面连续变焦光学***，其特征在于，所述前固定组和变倍组之间的空气间隔为10mm～147.82mm，变倍组和补偿组之间的间隔为6mm～95.17mm，补偿组和后固定组之间的间隔为3mm～126.88mm。
4.根据权利要求3所述的大靶面连续变焦光学***，其特征在于，所述第一胶合透镜组与第三前固定透镜的间隔是0.2mm，第三前固定透镜与第四前固定透镜之间的间隔为0.2mm；第一变倍透镜与第二胶合透镜组之间的间隔为10mm。
5.根据权利要求1所述的大靶面连续变焦光学***，其特征在于，所述前固定组中的四个透镜中，至少有一个透镜的光学材料为H-FK61、H-FK71或GaF2。
6.根据权利要求5所述的大靶面连续变焦光学***，其特征在于，所述前固定组中的四个透镜的材料分别是：H-ZF52、H-FK61、H-FK61和H-ZLaF75A，所述变倍组中的三个透镜的材料分别是：H-ZLaF4LA、H-ZK9A和H-ZLaF75A，所述补偿组中的两个透镜的材料分别是：H-ZK9A和H-ZLaF75A，所述后固定组中的七个透镜的材料分别是：BaF2、H-ZLaF75A、H-FK61、H-ZLaF4LA、H-BaF8、H-ZLaF4LA和ZF13。
7.根据权利要求4所述的大靶面连续变焦光学***，其特征在于，所述光学***中还设有用于折转光路的第一反射镜和第二反射镜，第六后固定透镜的出射光线通过第一反射镜的反射后射入第七后固定透镜中，光的传播方向改变90度；第七后固定透镜的出射光线通过第二反射镜的反射后射出，光的传播方向再次改变90度；通过第一反射镜和第二反射镜的作用，第六后固定透镜的出射光线与经第二反射镜的反射后射出的光线之间的角度为180度。
8.根据权利要求7所述的大靶面连续变焦光学***，其特征在于，第一后固定透镜与第二后固定透镜之间的间隔为7.44mm，第二后固定透镜与第四胶合透镜组之间的间隔为0.15mm，第四胶合透镜组与第六后固定透镜之间的间隔为0.15mm，第六后固定透镜与第一反射镜之间的间隔为15mm，第一反射镜与第七后固定透镜之间的间隔为45mm，第七后固定透镜与第二反射镜之间的间隔为40mm。
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