本發(fā)明屬于光學(xué)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種長焦距大口徑光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其涉及一種光學(xué)結(jié)構(gòu)小型化的長焦距大口徑連續(xù)變焦光學(xué)結(jié)構(gòu)及方法。

背景技術(shù)：

光電設(shè)備主要用來對近距離、中遠(yuǎn)距離和無窮遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視成像，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，光電設(shè)備已經(jīng)向小型化，高成像質(zhì)量和高分辨率方向發(fā)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(nèi)外的關(guān)注。由于要實現(xiàn)光電設(shè)備的體積小型化和高分辨率的特點，這就對光電設(shè)備系統(tǒng)提出了更高的要求，既要保證光學(xué)系統(tǒng)具有很高的分辨率，又要光學(xué)系統(tǒng)的體積做的盡可能小，這是一個矛盾的問題。

對于光學(xué)成像系統(tǒng)來說，對于相同距離的目標(biāo)，如果光學(xué)系統(tǒng)對目標(biāo)的成像分辨率越高，則光學(xué)系統(tǒng)的焦距越長，光學(xué)系統(tǒng)焦距越長，則光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體積越大。對于定焦光學(xué)系統(tǒng)來說，要實現(xiàn)小體積長焦距并不困難，目前采用最多的結(jié)構(gòu)為反射式光學(xué)系統(tǒng)，可以將光學(xué)系統(tǒng)體積壓縮到系統(tǒng)焦距的1/3以內(nèi)，基本可以滿足光學(xué)系統(tǒng)體積小型化。而對于連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，若光學(xué)系統(tǒng)采用全反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)，理論上可以實現(xiàn)連續(xù)變焦，但其光學(xué)結(jié)構(gòu)一般為系統(tǒng)焦距的2倍左右，無法實現(xiàn)小型化的要求，且全反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的連續(xù)變焦；目前大多的連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)采用的是透射式光學(xué)結(jié)構(gòu)，透射式光學(xué)結(jié)構(gòu)在光學(xué)系統(tǒng)F#做的較大的情況可以實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)焦距與光學(xué)結(jié)構(gòu)達(dá)到1:1的狀態(tài)，也就是說若光學(xué)系統(tǒng)焦距為1m，則光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)長度一般為1m，為了實現(xiàn)高分辨率成像，一般光學(xué)系統(tǒng)焦距均大于0.5m，因此，帶上機(jī)械結(jié)構(gòu)和探測器組件，一般焦距為0.5m的連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)至少達(dá)到0.8m，若變焦光學(xué)系統(tǒng)的變倍倍率更高，則光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸會更大。

為了適應(yīng)目前光電設(shè)備體積小型化的發(fā)展需求，需要提出更加優(yōu)良的光學(xué)結(jié)構(gòu)，已滿足在光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到長焦距、大口徑和高變倍比的前提條件下，使光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體積做的更小，適應(yīng)未來光電設(shè)備的發(fā)展需求。

通過市場和文章資料調(diào)研，目前國內(nèi)市場上還沒有一種有效的技術(shù)解決途徑實現(xiàn)連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小型化的設(shè)備或方法，也未見相關(guān)的公開報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出了一種折/反式連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合目前全反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)和透射連續(xù)變焦光學(xué)結(jié)構(gòu)，該光學(xué)結(jié)構(gòu)可以有效的壓縮連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的體積，并且使光學(xué)系統(tǒng)具有長焦距、大口徑、連續(xù)變焦的功能。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種小型化長焦距大口徑連續(xù)變焦光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特殊之處在于：包括全反射式無焦光學(xué)系統(tǒng)、透射式連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)和焦平面，上述全反射式無焦光學(xué)系統(tǒng)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(biāo)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(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)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(xué)系統(tǒng)對入射的光束進(jìn)行口徑壓縮，實現(xiàn)了為整個系統(tǒng)提供焦距和口徑放大的功能特點。

上述連續(xù)變焦透射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置在無焦系統(tǒng)的后續(xù)光路上，為整個系統(tǒng)提供連續(xù)變焦功能。

為了消除系統(tǒng)的雜散光，本發(fā)明還包括安裝在主反射鏡的焦點處的視場光闌。

優(yōu)選的，本發(fā)明還包括安裝在連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)中間光束上的孔徑光闌。

優(yōu)選的，上述主反射鏡和次反射鏡的焦距比為4比1。

本發(fā)明還提供了一種小型化長焦距大口徑連續(xù)變焦光學(xué)結(jié)構(gòu)的連續(xù)變焦方法，包括以下步驟：

全反射式無焦光學(xué)系統(tǒng)接收并反射入射光束后壓縮入射光束口徑；

透射式連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)對口徑壓縮后的光束進(jìn)行連續(xù)變焦。

優(yōu)選的，上述透射式連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距為目標(biāo)焦距的1/4。

本發(fā)明可以在占用較小的空間體積下實現(xiàn)長焦距、大口徑、連續(xù)變焦的功能，具有結(jié)構(gòu)緊湊，性價比高的特點，其實現(xiàn)原理如下：

本發(fā)明提出的小型化長焦距大口徑連續(xù)變焦光學(xué)結(jié)構(gòu)結(jié)合了傳統(tǒng)的反射式光學(xué)系統(tǒng)的體積小和透射式光學(xué)系統(tǒng)連續(xù)變焦的優(yōu)點，將反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)和透射式光學(xué)結(jié)構(gòu)有效的進(jìn)行結(jié)合，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的長焦距大口徑小型化的特點。

本發(fā)明小型化長焦距大口徑光學(xué)結(jié)構(gòu)采用主反射鏡和次反射鏡組成無焦光學(xué)系統(tǒng)，對入射光束進(jìn)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(xù)變焦透射光學(xué)結(jié)構(gòu)用來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的連續(xù)變焦功能，一般情況下變倍比可以做到10倍，透射式連續(xù)變焦光學(xué)結(jié)構(gòu)為了實現(xiàn)小型化的目的，可以適當(dāng)?shù)膶⑾到y(tǒng)焦距縮小，一般情況下，透射式連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距為目標(biāo)焦距的1/4左右，這也可以有效的將系統(tǒng)體積進(jìn)行縮小，一般情況下系統(tǒng)體積可以縮小到傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)體積的1/4左右。然后將無焦系統(tǒng)的主反射鏡和次反射鏡組成的系統(tǒng)安裝在透射式連續(xù)變焦系統(tǒng)的前續(xù)光路中，對透射系統(tǒng)的焦距進(jìn)行放大，可以將整個系統(tǒng)的焦距重新放大至目標(biāo)焦距。本發(fā)明就是通過無焦系統(tǒng)和透射式連續(xù)變焦系統(tǒng)組合的方案實現(xiàn)小型化長焦距大口徑連續(xù)變焦的光學(xué)結(jié)構(gòu)的。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

1、本發(fā)明通過使用前置無焦光學(xué)系統(tǒng)將入射光束進(jìn)行口徑壓縮，在經(jīng)過后續(xù)連續(xù)變焦透射系統(tǒng)組件提供連續(xù)變焦功能(其體積也為目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)體積的1/4)，將兩個系統(tǒng)組合，使前置無焦光學(xué)系統(tǒng)對后續(xù)連續(xù)變焦透射系統(tǒng)組件的焦距進(jìn)行放大，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的長焦距大口徑的功能需求；

2、本發(fā)明系統(tǒng)中連續(xù)變焦透射系統(tǒng)組件的焦距為目標(biāo)系統(tǒng)焦距的1/4左右，因此，透射光學(xué)系統(tǒng)焦距為傳統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)的1/4左右，由于無焦反射式光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在透射光學(xué)系統(tǒng)前方凸出一定的長度，因此，本發(fā)明提出的小型化長焦距大口徑連續(xù)變焦光學(xué)結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的連續(xù)變焦光學(xué)結(jié)構(gòu)的1/3左右，有效的壓縮的光學(xué)系統(tǒng)的體積，而且本發(fā)明提出的小型化光學(xué)結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊，像質(zhì)優(yōu)良的特點；

3、本發(fā)明系統(tǒng)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(biāo)的光學(xué)系統(tǒng)，若使用傳統(tǒng)的透射光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其外形尺寸一般為1200mm×350mm×350mm，而采用本發(fā)明提出的光學(xué)結(jié)構(gòu)，最終設(shè)計完成的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸為360mm×400mm×350mm，可以看出，本發(fā)明提出的光學(xué)結(jié)構(gòu)在相比與傳統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，光學(xué)系統(tǒng)在長度方向上僅為傳統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)的1/3左右，且從光路圖上可以看出，本發(fā)明提出的光學(xué)結(jié)構(gòu)元件布局非常緊湊，可以有效的壓縮光學(xué)系統(tǒng)的體積。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所提供的一種小型化長焦距大口徑連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的光路圖；

圖2是本發(fā)明所提供的一種小型化長焦距大視場連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的各個元件布局圖；

圖3a是本發(fā)明所提供的一種小型化長焦距大視場連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)在短焦?fàn)顟B(tài)時的踹函數(shù)曲線圖；

圖3b是本發(fā)明所提供的一種小型化長焦距大視場連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)在中焦?fàn)顟B(tài)時的踹函數(shù)曲線圖；

圖3c是本發(fā)明所提供的一種小型化長焦距大視場連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)在長焦?fàn)顟B(tài)時的踹函數(shù)曲線圖；

其中：

1-主反射鏡；2-次反射鏡；3-視場光闌；4-連續(xù)變焦透射系統(tǒng)組件；5-孔徑光闌；6-焦平面。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

參見圖2，本發(fā)明提供了一種小型化長焦距大口徑連續(xù)變焦光學(xué)結(jié)構(gòu)，其包括主反射鏡1、次反射鏡2、視場光闌3、連續(xù)變焦透射系統(tǒng)組件4、孔徑光闌5和焦平面6；主反射鏡1用來接受目標(biāo)物體反射出來的光能量，視場光闌3安裝在主反射鏡1的焦點處，用來消除系統(tǒng)的雜散光，次反射鏡2安裝在主反射鏡1的后續(xù)光路上，次反射鏡2的焦點與主反射鏡1的焦點重合，連續(xù)變焦透射系統(tǒng)組件4安裝在次反射鏡2的出射光路上，孔徑光闌5安裝在連續(xù)變焦透射系統(tǒng)組件4光路中，焦平面6位于整個系統(tǒng)的焦面上。

本發(fā)明提供的一種小型化長焦距大口徑連續(xù)變焦光學(xué)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)原理是：通過主反射鏡和次反射鏡組成無焦光學(xué)系統(tǒng)，將入射光束進(jìn)行口徑壓縮，通過后續(xù)連續(xù)變焦透射光學(xué)系統(tǒng)提供連續(xù)變焦功能，將無焦光學(xué)系統(tǒng)和連續(xù)變焦透射系統(tǒng)組件進(jìn)行組合，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的長焦距大口徑連續(xù)變焦功能；由于本系統(tǒng)中的無焦系統(tǒng)可以對整個系統(tǒng)的焦距和口徑進(jìn)行放大，因此，連續(xù)變焦透射光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸比傳統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)尺寸小3倍左右，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)小型化功能，在同樣的技術(shù)指標(biāo)條件下，如焦距、口徑、變倍比指標(biāo)相同的條件下，本發(fā)明提供的光學(xué)結(jié)構(gòu)僅為傳統(tǒng)連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)體積的1/3，實現(xiàn)整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小型化的功能。

本發(fā)明提供的一種小型化長焦距大口徑連續(xù)變焦光學(xué)結(jié)構(gòu)，解決了光電設(shè)備結(jié)構(gòu)小型化的問題，在占用較小的空間情況下實現(xiàn)了長焦距大口徑連續(xù)變焦的功能。而目前國內(nèi)乃至國外還沒有人提出能達(dá)到本發(fā)明提供的光學(xué)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)體積小型化的功能。本發(fā)明填補(bǔ)了國內(nèi)外在實現(xiàn)長焦距大口徑連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)小型化的結(jié)構(gòu)設(shè)計空白。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展光電設(shè)備不斷小型化的發(fā)展趨勢下，本發(fā)明提供的小型化光學(xué)結(jié)構(gòu)有效的壓縮了光學(xué)系統(tǒng)的體積，適應(yīng)了未來光學(xué)儀器發(fā)展的需求。