一種小型化長焦距大口徑連續變焦光學結構及方法技術

本發明專利技術提供一種小型化長焦距大口徑連續變焦光學結構，包括全反射式無焦光學系統、透射式連續變焦光學系統和焦平面，所述全反射式無焦光學系統包括主反射鏡、次反射鏡，所述次反射鏡的焦點與主反射鏡的焦點重合，所述主反射鏡用來接受目標物體反射出來的光能量，所述次反射鏡安裝在主反射鏡的反射光路上；所述透射式連續變焦光學系統安裝在次反射鏡的出射光路上，所述焦平面位于焦面上。本發明專利技術通過使用前置無焦光學系統將入射光束進行口徑壓縮，在經過后續連續變焦透射系統組件提供連續變焦功能，將兩個系統組合，使前置無焦光學系統對后續連續變焦透射系統組件的焦距進行放大，實現整個系統的長焦距大口徑的功能需求。

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.

【技術實現步驟摘要】
一種小型化長焦距大口徑連續變焦光學結構及方法
本專利技術屬于光學設計
，涉及一種長焦距大口徑光學系統光學結構設計，尤其涉及一種光學結構小型化的長焦距大口徑連續變焦光學結構及方法。
技術介紹
光電設備主要用來對近距離、中遠距離和無窮遠距離目標進行監視成像，隨著科學技術的不斷發展，光電設備已經向小型化，高成像質量和高分辨率方向發展。由于其體積小，攜帶方便以及造價便宜等特點，越來越多的受到國內外的關注。由于要實現光電設備的體積小型化和高分辨率的特點，這就對光電設備系統提出了更高的要求，既要保證光學系統具有很高的分辨率，又要光學系統的體積做的盡可能小，這是一個矛盾的問題。對于光學成像系統來說，對于相同距離的目標，如果光學系統對目標的成像分辨率越高，則光學系統的焦距越長，光學系統焦距越長，則光學系統的結構體積越大。對于定焦光學系統來說，要實現小體積長焦距并不困難，目前采用最多的結構為反射式光學系統，可以將光學系統體積壓縮到系統焦距的1/3以內，基本可以滿足光學系統體積小型化。而對于連續變焦光學系統，若光學系統采用全反射式光學結構，理論上可以實現連續變焦，但其光學結構一般為系統焦距的2倍左右，無法實現小型化的要求，且全反射式光學結構加工費用高，裝配困難大，因此，目前幾乎沒有使用全反射式結構實現光學系統的連續變焦；目前大多的連續變焦光學系統采用的是透射式光學結構，透射式光學結構在光學系統F#做的較大的情況可以實現光學系統焦距與光學結構達到1:1的狀態，也就是說若光學系統焦距為1m，則光學系統結構長度一般為1m，為了實現高分辨率成像，一般光學系統焦距均大于0.5m，因此，帶上機械結構和探測器組件，一般焦距為0.5m的連續變焦光學系統結構至少達到0.8m，若變焦光學系統的變倍倍率更高，則光學系統的結構尺寸會更大。為了適應目前光電設備體積小型化的發展需求，需要提出更加優良的光學結構，已滿足在光學系統達到長焦距、大口徑和高變倍比的前提條件下，使光學系統的結構體積做的更小，適應未來光電設備的發展需求。通過市場和文章資料調研，目前國內市場上還沒有一種有效的技術解決途徑實現連續變焦光學系統結構小型化的設備或方法，也未見相關的公開報道。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是提出了一種折/反式連續變焦光學系統結構，結合目前全反射式光學結構和透射連續變焦光學結構，該光學結構可以有效的壓縮連續變焦光學系統的體積，并且使光學系統具有長焦距、大口徑、連續變焦的功能。本專利技術的技術解決方案是提供一種小型化長焦距大口徑連續變焦光學結構，其特殊之處在于：包括全反射式無焦光學系統、透射式連續變焦光學系統和焦平面，上述全反射式無焦光學系統包括主反射鏡、次反射鏡，上述次反射鏡的焦點與主反射鏡的焦點重合，上述主反射鏡用來接受目標物體反射出來的光能量，上述次反射鏡安裝在主反射鏡的反射光路上；上述透射式連續變焦光學系統安裝在次反射鏡的出射光路上，上述焦平面位于焦面上。上述全反射式無焦光學系統對入射的光束進行口徑壓縮，實現了為整個系統提供焦距和口徑放大的功能特點。上述連續變焦透射光學系統設置在無焦系統的后續光路上，為整個系統提供連續變焦功能。為了消除系統的雜散光，本專利技術還包括安裝在主反射鏡的焦點處的視場光闌。優選的，本專利技術還包括安裝在連續變焦光學系統中間光束上的孔徑光闌。優選的，上述主反射鏡和次反射鏡的焦距比為4比1。本專利技術還提供了一種小型化長焦距大口徑連續變焦光學結構的連續變焦方法，包括以下步驟：全反射式無焦光學系統接收并反射入射光束后壓縮入射光束口徑；透射式連續變焦光學系統對口徑壓縮后的光束進行連續變焦。優選的，上述透射式連續變焦光學系統的焦距為目標焦距的1/4。本專利技術可以在占用較小的空間體積下實現長焦距、大口徑、連續變焦的功能，具有結構緊湊，性價比高的特點，其實現原理如下：本專利技術提出的小型化長焦距大口徑連續變焦光學結構結合了傳統的反射式光學系統的體積小和透射式光學系統連續變焦的優點，將反射式光學結構和透射式光學結構有效的進行結合，實現整個系統的長焦距大口徑小型化的特點。本專利技術小型化長焦距大口徑光學結構采用主反射鏡和次反射鏡組成無焦光學系統，對入射光束進行口徑壓縮，一般情況下壓縮比可以做到4:1，而在次反射鏡后安裝的連續變焦透射光學結構用來實現整個系統的連續變焦功能，一般情況下變倍比可以做到10倍，透射式連續變焦光學結構為了實現小型化的目的，可以適當的將系統焦距縮小，一般情況下，透射式連續變焦光學系統的焦距為目標焦距的1/4左右，這也可以有效的將系統體積進行縮小，一般情況下系統體積可以縮小到傳統光學系統體積的1/4左右。然后將無焦系統的主反射鏡和次反射鏡組成的系統安裝在透射式連續變焦系統的前續光路中，對透射系統的焦距進行放大，可以將整個系統的焦距重新放大至目標焦距。本專利技術就是通過無焦系統和透射式連續變焦系統組合的方案實現小型化長焦距大口徑連續變焦的光學結構的。本專利技術的優點是：1、本專利技術通過使用前置無焦光學系統將入射光束進行口徑壓縮，在經過后續連續變焦透射系統組件提供連續變焦功能(其體積也為目標光學系統體積的1/4)，將兩個系統組合，使前置無焦光學系統對后續連續變焦透射系統組件的焦距進行放大，實現整個系統的長焦距大口徑的功能需求；2、本專利技術系統中連續變焦透射系統組件的焦距為目標系統焦距的1/4左右，因此，透射光學系統焦距為傳統光學結構的1/4左右，由于無焦反射式光學系統的結構在透射光學系統前方凸出一定的長度，因此，本專利技術提出的小型化長焦距大口徑連續變焦光學結構為傳統的連續變焦光學結構的1/3左右，有效的壓縮的光學系統的體積，而且本專利技術提出的小型化光學結構具有結構緊湊，像質優良的特點；3、本專利技術系統的焦距范圍為100mm～1000mm，口徑為Φ300mm，變倍比為10倍。一般情況下要滿足上述指標的光學系統，若使用傳統的透射光學系統結構，其外形尺寸一般為1200mm×350mm×350mm，而采用本專利技術提出的光學結構，最終設計完成的光學系統結構尺寸為360mm×400mm×350mm，可以看出，本專利技術提出的光學結構在相比與傳統的光學結構，光學系統在長度方向上僅為傳統光學結構的1/3左右，且從光路圖上可以看出，本專利技術提出的光學結構元件布局非常緊湊，可以有效的壓縮光學系統的體積。附圖說明圖1是本專利技術所提供的一種小型化長焦距大口徑連續變焦光學系統的光路圖；圖2是本專利技術所提供的一種小型化長焦距大視場連續變焦光學系統的各個元件布局圖；圖3a是本專利技術所提供的一種小型化長焦距大視場連續變焦光學系統在短焦狀態時的踹函數曲線圖；圖3b是本專利技術所提供的一種小型化長焦距大視場連續變焦光學系統在中焦狀態時的踹函數曲線圖；圖3c是本專利技術所提供的一種小型化長焦距大視場連續變焦光學系統在長焦狀態時的踹函數曲線圖；其中：1-主反射鏡；2-次反射鏡；3-視場光闌；4-連續變焦透射系統組件；5-孔徑光闌；6-焦平面。具體實施方式以下結合附圖對本專利技術作進一步的描述。參見圖2，本專利技術提供了一種小型化長焦距大口徑連續變焦光學結構，其包括主反射鏡1、次反射鏡2、視場光闌3、連續變焦透射系統組件4、孔徑光闌5和焦平面6；主反射鏡1用來接受目標物體反射出來的光能量，視場光闌3安裝在主反射鏡1的焦本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種小型化長焦距大口徑連續變焦光學結構，其特征在于：包括全反射式無焦光學系統、透射式連續變焦光學系統和焦平面，所述全反射式無焦光學系統包括主反射鏡、次反射鏡，所述次反射鏡的焦點與主反射鏡的焦點重合，所述主反射鏡用來接受目標物體反射出來的光能量，所述次反射鏡安裝在主反射鏡的反射光路上；所述透射式連續變焦光學系統安裝在次反射鏡的出射光路上，所述焦平面位于焦面上。

【技術特征摘要】
1.一種小型化長焦距大口徑連續變焦光學結構，其特征在于：包括全反射式無焦光學系統、透射式連續變焦光學系統和焦平面，所述全反射式無焦光學系統包括主反射鏡、次反射鏡，所述次反射鏡的焦點與主反射鏡的焦點重合，所述主反射鏡用來接受目標物體反射出來的光能量，所述次反射鏡安裝在主反射鏡的反射光路上；所述透射式連續變焦光學系統安裝在次反射鏡的出射光路上，所述焦平面位于焦面上。2.根據權利要求1所述的一種小型化長焦距大口徑連續變焦光學結構，其特征在于：還包括安裝在主反射鏡的焦點處的視場光闌。3.根據權利要求1所述的一種小型化長焦距大口徑連續變焦光學結構，其特征...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉峰，徐亮，郭毅，劉鍇，張潔，趙建科，周艷，李朝輝，李曉輝，高明新，
申請(專利權)人：中國科學院西安光學精密機械研究所，
類型：發明
國別省市：陜西,61