物距可调的有限远共轭距光学变焦系统的制作方法

本发明涉及光学仪器领域，具体涉及一种物距可调的有限远共轭距光学变焦系统。
背景技术：
：在成像光学系统发展过程中，有一类需求是先利用光学系统对目标进行搜寻查找，并在找到后对该目标的细节特征进行清晰成像与识别。为了满足这类需求，发展了焦距可以变化的光学系统-变焦光学系统。变焦是指焦距在一定范围内连续改变而像面位置保持不变的光学系统。改变焦距的目的在于连续改变系统的放大倍率，像面景物的大小连续可变，使观察者产生由近及远或由远及近的感觉。根据光学系统成像特性，焦距越短的光学系统，其特点是视场大，分辨率低；相反，焦距越长的光学系统，其特点是视场小，分辨率高。正因为如此，变焦光学系统特别适合先用短焦距大视场的特点搜寻目标，然后调节到长焦距小视场，对搜寻到的目标细节特征进行准确识别。从变焦光学系统组成上，通常将该系统分成四个部分：前固定组、变倍组、补偿组和后固定组。其中前固定组负责将外面大视场范围内的光束进行口径约束，使得后面的光组口径小，设计和加工相对简单。变倍组负责调节焦距的变化，以产生所需要的焦距。补偿组负责补偿变倍组调焦变化引入的像面位置变化，保证补偿后像面位置不动。后固定组主要负责残余像差的校正，以保证光学系统在整个变焦过程中的成像质量。上述四个光学组件是变焦系统的基本组成形式，先进的变焦系统都是由该结构优化演变而来的。目前，变焦光学系统的发展相对成熟，市场上出现了各类商用变焦系统。如有限远共轭距变焦系统，无限远共轭距变焦系统等。其中，前者主要用于变焦显微物镜系统；后者主要用于变焦照相系统和望远系统。在变焦显微物镜系统中，通常物、像面都是固定不动的，这种变焦系统适用于大多数应用场景。但是，对于某些特殊场景，例如物面起伏波动很大，或者空间立体感很强，那么传统的物、像面都是固定不动的变焦系统是不够用的，需要移动物面或者移动整个变焦物镜才能实现不同物面的清晰成像。此外，在变焦系统中，补偿组的移动方向沿着光轴方向一般不是单调的，而是先在一个方向上移动，到达一个极值后，再向相反方向移动，有一个反向的过程，例如，在由短焦变到长焦的过程中，补偿组先沿着光轴负方向移动，在中途有一个该方向的极值点，经过这个极值点之后，补偿组又沿着光轴正方向移动，直到达到长焦位置。由于这种非单调性，导致在光机结构设计变焦凸轮曲线时升角变大，加工变得困难，有时会出现卡滞，甚至卡死的现象，导致调焦电机的损坏和烧毁。技术实现要素：鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种物距可调的有限远共轭距光学变焦系统。根据本发明的一个方面，提供了一种物距可调的有限远共轭距光学变焦系统包括沿光轴依次顺序设置的调物距镜组、变倍镜组、补偿镜组和后固定镜组，调物距镜组能够沿光轴方向移动，用以将不同物距的物面在固定位置的像面上清晰成像。优选地，变倍镜组和补偿镜组在单向变焦过程中沿光轴方向均单向移动。优选地，物距可调的有限远共轭距光学变焦系统还包括调物距凸轮筒，其侧壁上设置有沿所述调物距凸轮筒轴向单向螺旋延伸的第一凸轮曲线；所述调物距凸轮筒内设置调物距镜组夹具，用于夹持所述调物距镜组；所述调物距镜组夹具上设置有第一导向销钉，所述第一导向销钉嵌入至所述第一凸轮曲线中，通过旋转所述调物距凸轮筒，所述第一导向销钉沿所述第一凸轮曲线运动，所述调物距镜组夹具带动所述调物距镜组沿光轴方向单向移动。优选地，物距可调的有限远共轭距光学变焦系统还包括变倍补偿凸轮筒，其侧壁上设置有沿所述变倍补偿凸轮筒轴向单向螺旋延伸的第二凸轮曲线和第三凸轮曲线，所述变倍补偿凸轮筒内设置变倍镜组夹具和补偿镜组夹具；所述变倍镜组夹具夹持所述变倍镜组，其上设置第二导向销钉，所述第二导向销钉嵌入至所述第二凸轮曲线中；所述补偿镜组夹具，用于夹持所述补偿镜组镜组，其上设置第三导向销钉，所述第三导向销钉嵌入至所述第三凸轮曲线中；通过旋转所述变倍补偿凸轮筒，所述第二导向销钉和第三导向销钉分别沿所述第二凸轮曲线和所述第二凸轮曲线运动，所述变倍镜组夹具和补偿镜组夹具分别带动变倍镜组和补偿镜组在单向变焦过程沿光轴方向单向联动。优选地，调物距镜组的光焦度为正值，其包括正光焦度的调物距胶合镜组和正光焦度的调物距单透镜。优选地，变倍镜组的光焦度为负值，其包括负光焦度的变倍单透镜和负光焦度的变倍胶合镜组。优选地，补偿镜组的光焦度为负值，其为负光焦度的补偿胶合镜组。优选地，后固定镜组的光焦度为正值，其包括正光焦度的后固定第一单透镜、正光焦度的后固定第一胶合镜组、负光焦度的后固定第二单透镜、正光焦度的后固定第三单透镜以及正光焦度的后固定第二胶合镜组。优选地，正光焦度的调物距胶合镜组包括负光焦度的调物距胶合前透镜和正光焦度的调物距胶合后透镜。优选地，负光焦度的变倍胶合镜组包括负光焦度的变倍胶合前透镜和正光焦度的变倍胶合后透镜。优选地，负光焦度的补偿胶合镜组包括负光焦度的补偿胶合前透镜和正光焦度的补偿胶合后透镜。优选地，正光焦度的后固定第一胶合镜组包括正光焦度的后固定第一胶合前透镜和负光焦度的后固定第一胶合后透镜。优选地，正光焦度的后固定第二胶合镜组由负光焦度的后固定第二胶合前透镜和正光焦度的后固定第二胶合后透镜。优选地，上述各胶合透镜组中，胶合前透镜为小阿贝数的玻璃材料，胶合后透镜为大阿贝数的玻璃材料，两者阿贝数差值均大于25。优选地，调物距镜组的焦距f2为96mm～122mm，变倍镜组的焦距f3为-25mm～-32mm，补偿镜组的焦距f4为-25mm～-42mm，后固定镜组的焦距f5为24mm～32mm。优选地，调物距镜组的焦距f2为106mm，变倍镜组的焦距f3为-29.5mm，补偿镜组的焦距f4为-32.5mm，后固定镜组的焦距f5为27.9mm。优选地，物距的范围是340mm～380mm。优选地，有限远共轭距光学变焦系统包括图像传感器，设置于所述像面位置，用于接收成像。从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：采用调物距镜组来实现不移动物面或整个变焦系统的情况下清晰观测起伏波动大的物面；从短焦距大视场到长焦距小视场或相反的变焦过程中，补偿组的移动沿着光轴方向为单调的，变焦凸轮加工容易；调物距镜组与变倍组不发生碰撞干涉；采用胶合透镜校正色差。附图说明图1为本发明实施例为本发明有限远共轭距光学变焦系统的结构示意图；图2为图1中调物距镜组对应的调物距凸轮筒的结构示意图；图3为图1中变倍镜组和补偿镜组对应的变倍补偿凸轮筒的结构示意图；图4为图1中光学变焦系统变焦的示意图；图5为图1中光学变焦系统短焦位置时物距变化示意图；图6为图1中光学变焦系统中焦位置时物距变化示意图；图7为图1中光学变焦系统长焦位置时物距变化示意图；图8(a)-8(c)图1中光学变焦系统在物距为340mm时分别在短焦、中焦及长焦的像差-视场曲线；图9(a)-9(c)图1中光学变焦系统在物距为360mm时分别在短焦、中焦及长焦的像差-视场曲线；图10(a)-10(c)图1中光学变焦系统在物距为380mm时分别在短焦、中焦及长焦的像差-视场曲线。【主要元件】1-物面；2-调物距镜组；3-变倍镜组；4-补偿镜组；5-后固定镜组；6-调物距凸轮筒；61-第一凸轮曲线；7-变倍补偿凸轮筒；71-第二凸轮曲线；72-第三凸轮曲线。具体实施方式本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明实施例提供了一种物距可调的有限远共轭距光学变焦系统，如图1所示，包括沿光轴方向顺序设置的调物距镜组2、变倍镜组3、补偿镜组4和后固定镜组5，其中相较于现有技术中的有限远共轭距光学变焦系统前固定镜组和后固定镜组均固定不可调节，本发明中的调物距镜组2相对于整个有限远共轭距光学变焦系统位置可调，在观测起伏波动很大或立体感很强的物面时，不需要移动物面或者移动整个变焦系统，仅需要调节调物距镜组2的位置来调整物距即可完成观测，在观测中，光学变焦系统的后固定镜组5及像面位置固定。具体的，如图1所示，调物距镜组2的光焦度为正值，对入射光束的入射角进行约束的，使得进入变倍组3的光束入射角较小，减小高阶像差。它由正光焦度的调物距胶合镜组21和正光焦度的调物距单透镜22组成，其中，调物距胶合镜组21由负光焦度的调物距胶合前透镜211和正光焦度的调物距胶合后透镜212胶合而成。变倍镜组3的光焦度为负值，它由负光焦度的变倍单透镜31和负光焦度的变倍胶合镜组32组成，其中，变倍胶合镜组32由负光焦度的变倍胶合前透镜321和正光焦度的变倍胶合后透镜322胶合而成。补偿镜组4的光焦度为负值，它为负光焦度的补偿胶合镜组41其中，补偿胶合镜组41由负光焦度的补偿胶合前透镜411和正光焦度的补偿胶合后透镜412胶合而成。后固定镜组5的光焦度为正值，用于校正低阶相差，它由正光焦度的后固定第一单透镜51、正光焦度的后固定第一胶合镜组52、负光焦度的后固定第二单透镜53、正光焦度的后固定第三单透镜54和正光焦度的后固定第二胶合镜组55组成，其中，后固定第一胶合镜组52由正光焦度的后固定第一胶合前透镜521和负光焦度的后固定第一胶合后透镜522胶合而成；后固定第二胶合镜组55由负光焦度的后固定第二胶合前透镜551和正光焦度的后固定第二胶合后透镜552胶合而成。本发明实施例采用5组胶合镜组来校正变焦系统色差。本发明实施例的光学变焦系统可以实现物距在一定范围内连续可调，本发明实施例中，优选地可以在40mm变化范围内均可以实现清晰观测。图2示出了用于安装调物距镜组2的调物距凸轮筒6，在调物距凸轮筒6侧壁上设置有对应于调物距镜组2的凸轮曲线61，该凸轮曲线61在调物距凸轮筒6侧壁上沿轴向单向螺旋延伸，调物距镜组2通过调物距镜组夹具安装在调物距凸轮筒6内，该夹具上的第一导向销钉嵌入凸轮曲线61内，通过旋转调物距凸轮筒6可以实现该夹具上的第一导向销钉沿凸轮曲线61滑动，进而使得调物距镜组2在调物距凸轮筒6内沿轴向前后连续移动。采用本发明的光学变焦系统进行观测时，调物距凸轮筒6与待观测物之间的相对位置保持固定，通过调节调物距镜组2在调物距凸轮筒6内的位置即可改变物距，实现观测起伏波动很大或立体感很强的物面。根据本发明的实施例，调物距镜组2在调物距凸轮筒6中的移动可以采用电动马达转动调物距凸轮筒6来实现，也可以采用手动的方式转动调物距凸轮筒6实现。本发明实施例中，图3示出了用于安装变倍镜组3和补偿镜组4的变倍补偿凸轮筒7，变倍镜组3和补偿镜组4共同设置于变倍补偿凸轮筒7中，变倍镜组3用于调节变焦系统的焦距的变化，补偿镜组4用于补偿变倍镜组3调焦引起的像面位置变化，保证像面位置始终保持固定。变倍镜组3和补偿镜组4需要联动共同实现保持像面位置不变的变倍调焦。图3示出了用于安装变倍镜组3和补偿镜组4的变倍补偿凸轮筒7，在变倍补偿凸轮筒7侧壁上设置有对应于变倍镜组3的凸轮曲线71，以及对应补偿镜组4的凸轮曲线72，两凸轮曲线均沿变倍补偿凸轮筒7轴向单向螺旋延伸。变倍镜组3和补偿镜组4分别通过变倍镜组夹具和补偿镜组夹具安装在变倍补偿凸轮筒7内，变倍镜组夹具上的第二导向销钉和补偿镜组夹具上的第三导向销钉分别嵌入凸轮曲线71和凸轮曲线72内，通过变倍补偿凸轮筒7可以实现两夹具上的导向销钉分别沿凸轮曲线71和凸轮曲线72联动滑动，进而使得变倍镜组3和补偿镜组4在变倍补偿凸轮筒7内沿轴向前后连续联动移动。本实施例中，凸轮曲线71和凸轮曲线72均为沿变倍补偿凸轮筒7轴向螺旋单向延伸，凸轮曲线加工简单，且采用该种凸轮曲线，在变焦系统由长焦变为短焦或由短焦变为长焦的过程中，变倍镜组3和补偿镜组4均沿凸轮筒7轴向单向移动。凸轮曲线71和凸轮曲线72的升角计算公式如公式(1)所示。公式(1)中，α为升角，ΔZ为凸轮曲线沿轴向位移量，Δθ为凸轮曲线绕圆周向旋转角度，R为凸轮筒半径。本发明优选实施例中，凸轮曲线71的升角为26.68°，凸轮曲线72的升角为2.6°，均小于极限值45°，避免了镜组在移动过程中的卡滞，甚至卡死现象，防止调焦电动马达由于镜组卡死而损坏。根据本发明的实施例，变倍镜组3和补偿镜组4在变倍补偿凸轮筒7中的联动移动可以采用电动马达转动变倍补偿凸轮筒7实现，也可以采用手动的方式转动变倍补偿凸轮筒7实现。本发明实施例中，为保证光线在光学变焦系统中能够较平稳而无明显拐点地传播，而不产生较大的高级像差，调物距镜组2的组合焦距值f2可选范围为96mm～122mm，优选为106mm；变倍镜组3的组合焦距值f3可选范围为-25mm～-32mm，优选为-29.5mm，；补偿镜组4的组合焦距值f4可选范围为-25mm～-42mm，优选为-32.5mm；后固定镜组5的组合焦距值f5可选范围为24mm～32mm，优选为27.9mm。本发明可以通过改变这些镜组中单镜片的曲率半径、厚度等参数可实现各镜组在焦距范围内变动。本发明实施例中，各镜组中的光学元件均采用球面，降低了光学加工与检测的成本的同时保证了的较好的成像质量。本发明优选实施例的各镜组中各光学元件参数数值如表1中所示，在表中，r代表曲率半径，d代表透镜间的距离或透镜厚度，nd代表d光的折射率(d光是指波长为588nm的可见光，常用来作为评价光学系统的参考光)，v代表透镜的阿贝数，所有长度的单位用mm计算。表1表面序号曲率半径(r)距离(d)折射率(nd)阿贝数(v)物面∞3401134.9003.51.7552027.5265.61017.571.4874970.43-399.9030.6468.7099.351.7130053.85190.543A6314.22821.7130053.8722.12612.58-68.3702.171.5520063.3928.05071.7552027.510349.710B11-26.43021.6968055.51218.1552.241.7552027.513103.146C15-1452.9103.031.5164064.216-28.4440.61769.3405.631.4874970.418-18.5001.51.7552027.519-63.5304.320124.96521.4874970.42160.2602.4622-591.0003.661.4874970.423-43.3760.62482.41021.7552027.52544.6814.981.6130960.526-55.91960.25像面∞0如表1，调物距镜组胶合镜组21中，调物距镜组胶合镜组前透镜211采用小阿贝数的玻璃材料，调物距镜组胶合镜组后透镜212采用大阿贝数的玻璃材料，两种材料的胶合能够校正色差。同理，变倍组胶合镜组32，补偿组胶合镜组41，后固定组第一胶合镜组52和后固定组第二胶合镜组55也都选用阿贝数差别大的玻璃材料胶合而成，用以校正色差。这五组胶合镜中，每组胶合镜的阿贝数差别均需大于25，并不仅限于表1所示的具体数值。其中A、B、C分别为调物距镜组2与变倍镜组3、变倍镜组3与补偿镜组4、补偿镜组4与固定镜组5的之间的距离。本发明实施例的物距可调的有限远共轭距光学变焦系统在调节物距或进行变焦的过程中，固定镜组5及像面固定不动。像面处可以采用图像传感器如CCD等来接收成像。图4示出了本发明变焦光学系统三个变焦位置的示意图，表2列出了本发明变焦光学系统三个变焦位置各镜组之间距离。以物距340mm为例，由图4及表2可以看出，变焦光学系统针对一固定物面1进行变焦观测以获取该处放大或缩小的图像时，调物距镜组2位置保持不变，变倍镜组3与补偿镜组4沿光轴方向单向移动。以由短焦位置变为长焦位置为例，变倍镜组3与补偿镜组4沿光轴由物面向像面方向单向移动。表2间距短焦位置中焦位置长焦位置A(mm)4.544.457.9B(mm)59.8317.433C(mm)24.455.52图5-7分别示出了本发明变焦光学系统三个变焦位置时调整物距的示意图，表3列出了本发明变焦光学系统在三个变焦位置三个物距位置处调物距镜组2与变倍镜组3之间的距离A。在任一变焦位置时，鉴于物面起伏波动很大或立体感很强，可以通过移动调物距镜组2来获取清晰图像，此时变倍镜组3和补偿镜组4保持不动。如表3所示，以短焦位置为例，鉴于物面11、12、13的起伏波动，当物距由340mm变为360mm，再变为380mm时，变倍镜组3和补偿镜组4保持不动，通过移动调物距镜组2，改变调物距镜组2与变倍镜组3之间的距离，从4.5mm变为4.4mm，再变为2.4mm，即可在同一像面获取清晰图像。尽管表3仅给出了物距为340mm、360mm及380mm时，调物距镜组2与变倍镜组3之间的距离，本领域技术人员可以理解的是，本发明中，物距可以在340mm～380mm之间连续变化，其由物面的起伏变化决定，物距为340mm～380mm之间的任一值时，均可以通过移动调物距镜组2，改变调物距镜组2与变倍镜组3之间的距离，在同一像面获取清晰图像。以上仅以短焦位置为例进行说明，当变焦光学系统处于中焦位置或长焦位置时，针对物面起伏波动很大或立体感很强的情况，亦可以通过移动调物距镜组2来获取清晰图像，此时变倍镜组3和补偿镜组4保持不动，此时调物距镜组2与变倍镜组3之间的距离如表3所示，在此不一一解释说明。表3物距(mm)340360380短焦位置A(mm)4.54.42.4中焦位置A(mm)44.440.637.3长焦位置A(mm)57.954.351.2由表3可以确定，在短焦位置时，调物距镜组2的行程为4.5-2.4＝2.1mm，在中焦位置时，调物距镜组2的行程为44.4-37.3＝7.1mm，在长焦位置时，调物距镜组2的行程为57.9-51.8＝6.1mm，可见，不同焦距时调物距镜组2的轴向移动距离不同，调物距镜组2轴向移动距离最大范围为7.1mm，这个行程在设计凸轮曲线时是可行的。调物距镜组2与变倍镜组3分别有各自独立的凸轮机构，互不干扰。由图5可知，在物距由340mm变化到380mm的过程中，调物距镜组2始终向着像面方向单调移动，也就是说在物距为380mm时，调物距镜组2与变倍镜组3的距离最近，如表2所示，在短焦位置时，该距离为2.4mm，两凸轮机构不会互相干涉。由表3可知，在中焦和长焦位置时，调物距镜组2与变倍组3的之间的距离更大，不可能发生干涉。图8(a)-8(c)分别示出了本发明实施例的光学变焦系统在物距为340mm时在三个变焦位置处的像差-视场曲线，图9(a)-9(c)分别示出了本发明实施例的光学变焦系统在物距为360mm时在三个变焦位置处的像差-视场曲线，图10(a)-10(c)分别示出了本发明实施例的光学变焦系统在物距为380mm时在三个变焦位置处的像差-视场曲线。从图中像差曲线可知，本实施例光学系统的像质已经得到较好的校正。本发明实施例中光学变焦系统在观测起伏波动很大或立体感很强的物面时，通过移动调物距镜组来可以使得物距在340mm～380mm之间变化，并不需要移动整个变焦系统即可获得清晰的像面固定的图像，本发明中的光学变焦系统中并不限于上述物距的具体数值及范围。应注意，附图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属
技术领域：
中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：各镜组中可以采用非球面光学元件代替球面光学元件。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3