[发明专利]光学补偿连续变焦被动消热差光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种近红外波段的光学设计。具体而言，本发明涉及一种使用光学补偿连续变焦且具有光学被动消热差功能的光学设计。

背景技术

光学仪器经在较大温度范围内使用时，镜筒材料、光学材料的热胀冷缩以及光学材料的温度折射率系数会使镜头光焦度发生变化，产生离焦现象，使成像质量恶化。红外光学系统的减热差设计是通过一定的机械、光学及电子等技术，使光学系统在一个变化范围较大的温度区间内保持成像质量的稳定。目前的消热差方式主要有：机电主动式、机械被动式和光学被动式。光学被动式通过合理分配光焦度和光学材料，实现焦面位置与镜筒长度变化的匹配，从而在规定温度范围内保证镜头的成像质量。

在变焦系统方面，主要有基于光学补偿和机械补偿的变焦方式。前者只有一组或几镜组片使其同时同向等速运动，其最佳视场点为N=M-1，其中，M为固定镜组和变焦镜组数之和。因此，该变焦结构多运用在多档变焦的系统中，变焦过程离散，不能像机械补偿式系统那样能通过变焦组和补偿组的曲线运动实现连续变焦。但该结构的运动部件可在轴向同向等速运动，结构简单，因此对于机械结构设计和装校，以及高低温环境中的可靠性都大大高于机械补偿的结构。

美国专利US3294471公开了一种基于光学补偿原理的光学镜头，通过控制焦深实现了5倍以内的连续变焦，但其没有实现光学被动消热差，因而在不同温度的使用环境中需要人工调焦以保证成像质量。

美国专利US7092150中公开的技术方案同样没有实现无热化设计，且基于中波红外波段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有体积小结构紧凑，变焦结构简单，能够实现光学式被动消热差和适用于近红外波段（0.6μm～1.0μm）或可见光波段（0.4μm～0.65μm）以及其它近红外波段（1.1μm～1.5μm），基于光学补偿连续变焦的消热差光学系统结构。

为了解决以上技术问题，本发明提供的一种光学补偿连续变焦被动消热差光学系统，在镜筒光学系统中，从物面8到焦面1依次包括：前固定镜组7、前变焦镜组6、固定镜组5、后变焦镜组4、孔径光阑3和后固定镜组2，其特征在于，中央固定组5为负透镜组，且位于前变焦镜组6和后变焦镜组4之间，在变倍过程中，前变焦镜组6和后变焦镜组4保持间距不变，并以固联在镜筒上的电机作为驱动源，通过齿轮-导轨机构驱动变焦镜组在光学系统光轴方向前后直线移动，驱动前变焦镜组6和后变焦镜组4，在光轴上等距、等速、等方向前后联动，连续变化焦距。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明采用了最常用的线膨胀系数为23.6×10^-6/K的普通铝合金镜筒，可保证在-45℃~60℃的温度范围，光学系统在所有焦距所有视场的光学传递函数(MTF)在90lp/mm时都大于0.3；

本发明通过焦镜组6和后变焦镜组4在光轴上等距、等速、等方向前后联动连续变化焦距和位于前变焦镜组6和后变焦镜组4之间的固定镜组5负焦距延长焦深光学补偿的变焦方式，实现了该系统的连续变焦，即在变倍过程中前变焦镜组和后变焦镜组之间的间距不变，前变焦镜组、后变焦镜组在光轴上等距等速等方向前后联动，焦距能从13mm到39mm连续变化。对可见光0.4μm~0.65μm或其他近红外波段如1.1μm~1.5μm等波段的各焦距和温度范围内均可保证所有视场的光学传递函数MTF在90lp/mm时都大于0.3。采用与镜筒材料线膨胀系数相匹配的透镜材料，补偿了因镜筒材料温度变化造成的热胀冷缩而导致的离焦。

本发明在前后变焦组透镜移动时，当光学系统所成像不在最佳焦面位置的时候，因为中央固定镜组5的负焦距延长了焦深，同时其较好的校正色差能力，变相起到补偿组作用，且因为倍率不大，在变焦组移动过程中，无论其是否处于最佳像的位置，光线通过光学系统后的聚焦范围都没有超过焦深，亦能成完善像。

本发明仅用了十一片透镜，其中两个双胶合，同时具有较好的公差特性。具有体积紧凑、变焦结构简单的优点，解决了现有采用光学补偿连续变焦系统在不同温度环境下需要调焦解决成像清晰度的问题。

本发明光学系统的波段适用范围为近红外的0.6μm～1.0μm，或者可见光的0.4μm~0.65μm波段，或者近红外的其他波段如1.1μm~1.5μm波段。温度适用范围为-45℃~60℃，在此温度范围内毋须调焦即可成清晰像。

附图说明

图1是本发明光学补偿连续变焦被动消热差光学系统的透镜模型示意图。

图2是图1的结构示意图。