[發明專利]光學補償連續變焦被動消熱差光學系統

有效

• 申請號: 201210483354.7
• 申請日: 2012-11-25
• 公開（公告）號: CN103197406A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 鄧鍵;鐘小兵;鄭昌盛;湯磊;陳代中;童靜;張小川
• 申請（專利權）人: 西南技術物理研究所
• 主分類號: G02B15/15
• 分類號: G02B15/15;G02B7/10
• 代理公司: 成飛(集團)公司專利中心 51121
• 代理人: 郭純武

技術領域

本發明涉及一種近紅外波段的光學設計。具體而言，本發明涉及一種使用光學補償連續變焦且具有光學被動消熱差功能的光學設計。

背景技術

光學儀器經在較大溫度范圍內使用時，鏡筒材料、光學材料的熱脹冷縮以及光學材料的溫度折射率系數會使鏡頭光焦度發生變化，產生離焦現象，使成像質量惡化。紅外光學系統的減熱差設計是通過一定的機械、光學及電子等技術，使光學系統在一個變化范圍較大的溫度區間內保持成像質量的穩定。目前的消熱差方式主要有：機電主動式、機械被動式和光學被動式。光學被動式通過合理分配光焦度和光學材料，實現焦面位置與鏡筒長度變化的匹配，從而在規定溫度范圍內保證鏡頭的成像質量。

在變焦系統方面，主要有基于光學補償和機械補償的變焦方式。前者只有一組或幾鏡組片使其同時同向等速運動，其最佳視場點為N=M-1，其中，M為固定鏡組和變焦鏡組數之和。因此，該變焦結構多運用在多檔變焦的系統中，變焦過程離散，不能像機械補償式系統那樣能通過變焦組和補償組的曲線運動實現連續變焦。但該結構的運動部件可在軸向同向等速運動，結構簡單，因此對于機械結構設計和裝校，以及高低溫環境中的可靠性都大大高于機械補償的結構。

美國專利US3294471公開了一種基于光學補償原理的光學鏡頭，通過控制焦深實現了5倍以內的連續變焦，但其沒有實現光學被動消熱差，因而在不同溫度的使用環境中需要人工調焦以保證成像質量。

美國專利US7092150中公開的技術方案同樣沒有實現無熱化設計，且基于中波紅外波段。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種具有體積小結構緊湊，變焦結構簡單，能夠實現光學式被動消熱差和適用于近紅外波段（0.6μm～1.0μm）或可見光波段（0.4μm～0.65μm）以及其它近紅外波段（1.1μm～1.5μm），基于光學補償連續變焦的消熱差光學系統結構。

為了解決以上技術問題，本發明提供的一種光學補償連續變焦被動消熱差光學系統，在鏡筒光學系統中，從物面8到焦面1依次包括：前固定鏡組7、前變焦鏡組6、固定鏡組5、后變焦鏡組4、孔徑光闌3和后固定鏡組2，其特征在于，中央固定組5為負透鏡組，且位于前變焦鏡組6和后變焦鏡組4之間，在變倍過程中，前變焦鏡組6和后變焦鏡組4保持間距不變，并以固聯在鏡筒上的電機作為驅動源，通過齒輪-導軌機構驅動變焦鏡組在光學系統光軸方向前后直線移動，驅動前變焦鏡組6和后變焦鏡組4，在光軸上等距、等速、等方向前后聯動，連續變化焦距。

本發明相比于現有技術具有如下有益效果：

本發明采用了最常用的線膨脹系數為23.6×10^-6/K的普通鋁合金鏡筒，可保證在-45℃~60℃的溫度范圍，光學系統在所有焦距所有視場的光學傳遞函數(MTF)在90lp/mm時都大于0.3；

本發明通過焦鏡組6和后變焦鏡組4在光軸上等距、等速、等方向前后聯動連續變化焦距和位于前變焦鏡組6和后變焦鏡組4之間的固定鏡組5負焦距延長焦深光學補償的變焦方式，實現了該系統的連續變焦，即在變倍過程中前變焦鏡組和后變焦鏡組之間的間距不變，前變焦鏡組、后變焦鏡組在光軸上等距等速等方向前后聯動，焦距能從13mm到39mm連續變化。對可見光0.4μm~0.65μm或其他近紅外波段如1.1μm~1.5μm等波段的各焦距和溫度范圍內均可保證所有視場的光學傳遞函數MTF在90lp/mm時都大于0.3。采用與鏡筒材料線膨脹系數相匹配的透鏡材料，補償了因鏡筒材料溫度變化造成的熱脹冷縮而導致的離焦。

本發明在前后變焦組透鏡移動時，當光學系統所成像不在最佳焦面位置的時候，因為中央固定鏡組5的負焦距延長了焦深，同時其較好的校正色差能力，變相起到補償組作用，且因為倍率不大，在變焦組移動過程中，無論其是否處于最佳像的位置，光線通過光學系統后的聚焦范圍都沒有超過焦深，亦能成完善像。

本發明僅用了十一片透鏡，其中兩個雙膠合，同時具有較好的公差特性。具有體積緊湊、變焦結構簡單的優點，解決了現有采用光學補償連續變焦系統在不同溫度環境下需要調焦解決成像清晰度的問題。

本發明光學系統的波段適用范圍為近紅外的0.6μm～1.0μm，或者可見光的0.4μm~0.65μm波段，或者近紅外的其他波段如1.1μm~1.5μm波段。溫度適用范圍為-45℃~60℃，在此溫度范圍內毋須調焦即可成清晰像。

附圖說明

圖1是本發明光學補償連續變焦被動消熱差光學系統的透鏡模型示意圖。

圖2是圖1的結構示意圖。