折叠反射式单轴大范围视场变焦成像光学系统

本发明属于光学变焦成像图像探测。

背景技术：

1、在现有大视场变焦成像光学系统中，以下两种与本发明相关。

2、一是申请号为202410238475.8称作“变焦镜头”的一件中国专利申请所公开的方案。该方案采用折射反射式光学系统，依序设置三个光学元件组，通过移动第二光学元件组实现从远摄状态向微距状态自动对焦，成像质量较好、像面大以及对焦行程短。但是，在该折射反射式光学系统中，存在两根相互垂直的光轴，因而结构松散、复杂。

3、二是申请号为202310057368.0称作“基于环形高斯径向基函数自由曲面的全景环带光学系统”的一件中国专利申请所公开的方案。该全景环带光学系统由全景环带头部单元pal和后继透镜组组成，成像视场为(30°～125°)×360°。该方案其后继透镜组中有三个镜面采用环形高斯径向基函数自由曲面，以此达到对不同视场的独立控制的目的，从而同时矫正各个视场的像差，保证光学系统在具有大视场的前提下，在整个视场范围内都具有良好的像质。但是，该全景环带光学系统虽然能够实现大范围视场搜索，却无法实现小范围视场定位。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种变焦成像光学系统，在保证像质、结构紧凑的前提下，其成像视场范围较大，既能够实现大范围视场搜索，又能够实现小范围视场定位，并且两个范围视场能够灵活切换，从而满足图像探测需要。

2、在本发明之折叠反射式单轴大范围视场变焦成像光学系统中，如图1所示，沿从物方到像方的光轴，依次同轴排列凸反射镜1、凹反射镜2、孔径可变光阑3，前固定透镜组4、后固定透镜组5、变焦透镜组6；

3、在凸反射镜1轴心处开有入射通孔1-1，如图2所示，在凹反射镜2轴心处开有出射通孔2-1，入射通孔1-1孔径d1=2~4mm，出射通孔2-1孔径d2=6~10mm，凸反射镜1、凹反射镜2的面型均为回转对称偶次非球面，并由下式定义：

4、，

5、式中：z为所述非球面矢高，表示所述非球面上任意一点与顶点在所述光轴方向上的坐标值的差，r是所述非球面的径向坐标，c是所述非球面顶点的曲率，k是所述非球面的圆锥系数，ai(i＝1,2,3)是所述非球面的高阶非球面系数，

6、凸反射镜1的非球面顶点曲率c1和非球面圆锥系数k1近似为：

7、，

8、，

9、凹反射镜2的非球面顶点曲率c2和非球面圆锥系数k2近似为：

10、，

11、，

12、l1为凹反射镜2非球面顶点到凹反射镜2反射光在光轴上的汇聚点p的距离，如图2、图3所示，l2为凹反射镜2非球面顶点到凸反射镜1非球面顶点的距离，l1=(1.2~2.0)l2，凸反射镜1、凹反射镜2能够在半视场角（hfov）为5.5°~18.5°和30°~80°范围视场内接收物方光束并收束；

13、孔径可变光阑3位于凹反射镜2非球面顶点处，如图2所示，孔径可变光阑3的孔径光阑d随成像视场的大小变化而变化，，单位：mm，孔径可变光阑3其孔径光阑能够与收束后的物方光束匹配，消杂散光；

14、前固定透镜组4、后固定透镜组5能够先后两次修正物方光束光路；

15、变焦透镜组6能够在光轴方向上前后移动改变变焦成像光学系统的焦距。

16、本发明之折叠反射式单轴大范围视场变焦成像光学系统取得了如下积极技术效果。

17、物方光束自凸反射镜1的入射通孔1-1入射，如图3所示，由凹反射镜2收集并反射后再由凸反射镜1反射，经过折叠反射的物方光束收束后自凹反射镜2的出射通孔2-1出射到孔径可变光阑3，接下来物方光束先后透射前固定透镜组4、后固定透镜组5，经过两次光路修正后入射变焦透镜组6，最后在像面7处成像。在上述成像过程中，需要进行大范围视场搜索时，调小孔径可变光阑3的孔径光阑d，同时变焦透镜组6沿光轴向像方平移，如图4所示，变焦成像光学系统以短焦大视场模式工作，视场的半视场角为30°~80°；需要进行小范围视场定位时，调大孔径可变光阑3的孔径光阑d，同时变焦透镜组6沿光轴向物方平移，如图5所示，变焦成像光学系统以长焦小视场模式工作，视场的半视场角为5.5°~18.5°，其中，沿光轴入射的物方光束直接穿过入射通孔1-1、出射通孔2-1到达孔径可变光阑3。在变焦成像过程中，变焦成像光学系统的总长l保持不变。可见，本发明能够以灵活切换方式实现大范围视场的图像探测。

18、本发明采用大口径的凹反射镜2，提高了变焦成像光学系统的信息收集能力，同时，凸反射镜1与凹反射镜2配合，物方光束在二者之间折叠反射，实现物方光束的收束，尽管后继透镜（前固定透镜组4、后固定透镜组5和变焦透镜组6）口径很小，收束后的物方光束也能完全入射，并最终成像在有限大小的像面上，这一结构特点，决定了在实现大范围视场变焦成像的同时，变焦成像光学系统的体积及重量均得到减小。

19、本发明之折叠反射式单轴大范围视场变焦成像光学系统还具有结构紧凑、成像质量高等特点。

20、所述变焦成像光学系统各个组成部分同轴按序一字排列，具有单光轴总体结构，并且，系统总长l（凸反射镜1顶点到像面7的距离，如图2所示）小于115mm，因此，其结构紧凑，装调难度也低。

21、在本发明中，凸反射镜1与凹反射镜2以折叠反射的方式接收和传输物方光束，大幅减轻像差的形成；前固定透镜组4、后固定透镜组5先后两次修正光线路径，使像差得到充分矫正。

22、经检测，所述变焦成像光学系统在486nm~656nm的可见光波段、在短焦大视场、长焦小视场两种模式中，其mtf（调制传递函数）在60lp/mm处均能达到0.5以上，如图6、图7所示，成像质量较高。

23、经检测，所述变焦成像光学系统在486nm~656nm的可见光波段，在短焦大视场模式中，场曲优于0.05mm，如图8所示，在长焦小视场模式中，场曲优于0.08mm，如图9所示，这一检测结果说明该变焦成像光学系统的场曲得到了较好的补偿，成像质量较高。

24、本发明在小于486nm、大于656nm的可见光波段成像质量仍然较高。

技术特征：

1.折叠反射式单轴大范围视场变焦成像光学系统，其特征在于，沿从物方到像方的光轴，依次同轴排列凸反射镜（1）、凹反射镜（2）、孔径可变光阑（3），前固定透镜组（4）、后固定透镜组（5）、变焦透镜组（6）；

2.根据权利要求1所述的折叠反射式单轴大范围视场变焦成像光学系统，其特征在于，一束物方光束在凹反射镜（2）上的反射点p2到光轴的距离大于该束物方光束在凸反射镜（1）的反射点p1到光轴的距离。

3.根据权利要求1所述的折叠反射式单轴大范围视场变焦成像光学系统，其特征在于，在所述前固定透镜组（4）中，自物方至像方沿光轴依次排列第一弯月透镜（4-1）、第二弯月透镜（4-2）、第一凹透镜（4-3）、第一凸透镜（4-4），第一凹透镜（4-3）与第一凸透镜（4-4）胶合，第一弯月透镜（4-1）、第二弯月透镜（4-2）均具有正光焦度，第一凹透镜（4-3）与第一凸透镜（4-4）胶合构成的胶合透镜具有正光焦度；

4.根据权利要求3所述的折叠反射式单轴大范围视场变焦成像光学系统，其特征在于，所述第一弯月透镜（4-1）、第二弯月透镜（4-2）、第三凸透镜（5-3）、第三弯月透镜（5-4）的前镜面、后镜面以及第一凸透镜（4-4）的后镜面的面型为回转对称偶次非球面，所述非球面由下式限定：

5.根据权利要求1所述的折叠反射式单轴大范围视场变焦成像光学系统，其特征在于，在所述变焦透镜组（6）中，自物方至像方沿光轴依次排列第四凸透镜（6-1）、第四弯月透镜（6-2）、第五弯月透镜（6-3）、第六弯月透镜（6-4），第四凸透镜（6-1）与第四弯月透镜（6-2）胶合，第四凸透镜（6-1）与第四弯月透镜（6-2）胶合构成的胶合透镜及第五弯月透镜（6-3）、第六弯月透镜（6-4）均具有正光焦度。

技术总结
折叠反射式单轴大范围视场变焦成像光学系统属于光学变焦成像图像探测技术领域。现有技术结构松散、复杂，无法同时实现大范围视场搜索、小范围视场定位。本发明沿从物方到像方的光轴，依次同轴排列凸反射镜、凹反射镜、孔径可变光阑，前固定透镜组、后固定透镜组、变焦透镜组；凸反射镜、凹反射镜能够在半视场角为5.5°~18.5°和30°~80°范围视场内接收物方光束并收束；孔径可变光阑其孔径光阑能够与收束后的物方光束匹配，消杂散光；前固定透镜组、后固定透镜组能够先后两次修正物方光束光路；变焦透镜组能够在光轴方向上前后移动改变变焦成像光学系统的焦距。本发明在保证像质、结构紧凑的前提下，既能够实现大范围视场搜索，又能够实现小范围视场定位。

技术研发人员：黄蕴涵,李泽政,鞠琪,张禛,孙望轩
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/26