一种大变倍比、三波段、紧凑型连续变焦光学系统

本发明涉及一种连续变焦光学系统，特别涉及一种大变倍比、三波段、紧凑型连续变焦光学系统。

背景技术：

1、连续变焦光学系统是光电成像系统的一种常有光路形式，要求光学系统在变焦过程中像面稳定，不产生虚像。连续变焦光学系统一般可分为光学补偿系统和机械补偿系统，这些系统的构型都由前固定组(调焦组)、变焦组、后固定组三个部分组成。光学补偿系统的不同透镜组移动方向和速度是相同的，只需要采用机械结构把透镜组连接在一起做线性运动就可以实现变焦。机械补偿系统的变焦组包括变倍组和补偿组，通常变倍组做线性运动，补偿组做非线性运动，可通过特制的机械凸轮使像面在整个变焦过程中维持稳定；这种构型不仅提升了像面的稳定性，同时也在一定程度上增加了系统的压缩比，对于紧凑型、大变倍比系统来说有一定优势。常采用的机械补偿系统有正组补偿、负组补偿、双组联动补偿等结构形式，这几种构型各有优缺点，双组联动补偿对机械机构要求较高，但可实现复杂光路的大变倍比变焦。

2、现有的连续变焦光学系统，主要以机械补偿系统中的正组补偿、负组补偿构型为主，其设计简单、变倍比小、压缩比小、光谱范围窄；采用双组联动补偿光路设计的系统，其光谱范围窄、机械结构复杂、系统体积重量大，均不利于航空光电装备的应用。对于新型航空光电装备来说，要求光路紧凑、变倍比大、压缩比大、光谱范围宽、成像质量好、像面稳定，现有的光学系统构型不能满足其应用需求。因此，开展适用于新型航空光电装备的大变倍比、大压缩比、宽谱段连续变焦光学系统的技术研究，具有较高的应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种大变倍比、三波段、紧凑型连续变焦光学系统，以解决现有正组补偿和负组补偿构型的连续变焦光学系统，变倍比小、压缩比小、光谱范围窄，以及现有双组联动补偿的连续变焦光学系统，光谱范围窄、机械结构复杂、系统体积重量大，均不能满足新型航空光电装备应用需求的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种大变倍比、三波段、紧凑型连续变焦光学系统，其特殊之处在于：

4、包括沿光路依次设置的前固定组、变倍组、后固定组前组、可调光阑、补偿组、后固定组后组以及滤光片；

5、所述前固定组为包括沿光路依次设置的弯向物面的第一负弯月透镜、第一正透镜、第二正透镜以及第一负透镜的正透镜组，且四个透镜采用四分离式构型；

6、所述变倍组包括沿光路依次设置的弯向物面的第二负弯月透镜、第三正透镜、第二负透镜、弯向物面的第三负弯月透镜、第四正透镜以及第三负透镜；所述变倍组的光焦度为负值且光焦度绝对值大于等于0.1；

7、所述后固定组前组包括沿光路依次设置的弯向物面的第四负弯月透镜、第五正透镜以及弯向像面的第五负弯月透镜；所述后固定组前组的光焦度为正值；

8、所述补偿组包括沿光路依次设置的第四负透镜、弯向像面的第六负弯月透镜、第六正透镜、弯向物面的第七负弯月透镜以及第七正透镜；所述补偿组的光焦度为正值；

9、所述后固定组后组包括沿光路依次设置的第五负透镜和第八正透镜；所述后固定组后组的光焦度为负值；

10、所述滤光片为无光焦度透镜，用于实现彩色、黑白、激光三种模式的成像切换。

11、进一步地，为了校正长焦距情况下宽谱段色差的效果更好，所述第一正透镜、第二正透镜以及第一负透镜的材料均为fk95光学玻璃。

12、进一步地，为了消除短焦产生的宽光谱色差的效果更好，所述第三正透镜的折射率大于等于1.7；

13、所述第二负透镜的阿贝数大于等于88。

14、进一步地，为了校正不同焦距下的轴外高级像差，且能够起到场镜作用，压缩后固定组后组的光线出射高度，使压缩比进一步提高，所述第四负弯月透镜和第五负弯月透镜的材料均为重镧玻璃；

15、所述第五正透镜的材料为fk系玻璃。

16、进一步地，为了实现整个连续变焦光学系统的光能大动态范围调整，所述可调光阑的光阑口径调整范围为0～15mm。

17、进一步地，所述第一负弯月透镜、第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第二负弯月透镜、第三正透镜、第二负透镜、第三负弯月透镜、第四正透镜、第三负透镜、第四负弯月透镜、第五正透镜、第五负弯月透镜、第四负透镜、第六负弯月透镜、第六正透镜、第七负弯月透镜、第七正透镜、第五负透镜、第八正透镜以及滤光片靠近物侧表面的曲率半径值分别为315.011、104.295、122.447、78.624、193.021、32.635、-113.798、163.686、37.731、-38.634、15.297、18.445、-54.002、-189.094、-15.672、-1283.822、139.460、26.008、-16.866、-67.461以及∞，靠近像侧表面的曲率半径值分别为104.827、-451.176、7041.290、428.829、29.198、-135.217、40.583、25.401、398.589、100.612、13.231、-33.377、24268.1、-35.684、-39.705、-24.773、24.234、-36.108、43.192、-16.881以及∞，其单位均为毫米；

18、所述第一负弯月透镜、第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第二负弯月透镜、第三正透镜、第二负透镜、第三负弯月透镜、第四正透镜、第三负透镜、第四负弯月透镜、第五正透镜、第五负弯月透镜、第四负透镜、第六负弯月透镜、第六正透镜、第七负弯月透镜、第七正透镜、第五负透镜、第八正透镜以及滤光片透镜本身的中心厚度值分别为6.0、13.8、11.0、11.0、3.0、9.0、3.0、2.0、3.0、2.0、2.0、4.5、2.0、3.0、1.8、3.5、2.0、4.2、1.8、2.5以及2.0，其单位均为毫米；

19、所述第一负弯月透镜、第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、第二负弯月透镜、第三正透镜、第二负透镜、第三负弯月透镜、第四正透镜、第三负透镜、第四负弯月透镜、第五正透镜、第五负弯月透镜、可调光阑、第四负透镜、第六负弯月透镜、第六正透镜、第七负弯月透镜、第七正透镜、第五负透镜、第八正透镜以及滤光片相邻二者之间的空气间隙在主光轴上的厚度值分别为0.1、0.3、0.3、4.0、1.01、0.684、8.93、1.129、2.485、77.84、1.564、0.226、2.0、23.455、2.03、3.803、0.3、0.3、20.147、3.243以及4.506，其单位均为毫米；

20、所述滤光片靠近像侧的表面与像面在主光轴上的间距为4.642毫米。

21、本发明的有益效果是：

22、(1)本发明的大变倍比、三波段、紧凑型连续变焦光学系统，包括沿光路依次设置的前固定组、变倍组、后固定组前组、可调光阑、补偿组、后固定组后组以及滤光片；其中，前固定组为由四个透镜采用四分离式构型组成的正透镜组，用于调焦并校正长焦距情况下宽谱段色差；变倍组包括六个透镜，其光焦度为负值且光焦度绝对值大于等于0.1，通过变倍组可实现光学变倍中的大变倍比光路压缩，并且消除短焦产生的宽光谱色差；补偿组包括五个透镜，用于补偿变倍组产生的残余像差，同时也对连续变焦光学系统在变焦过程中起到稳像补偿作用；本发明中将传统后固定组拆分为后固定组前组和后固定组后组，并且将后固定组前组设置在变倍组和补偿组之间，后固定组前组包括三个透镜，且后固定组前组的光焦度为正值，用于提高连续变焦光学系统的压缩比；后固定组后组设置在补偿组与滤光片之间，包括两个透镜，且后固定组后组的光焦度为负值，主要用于补偿长焦的轴外色差及高级像差；故本发明的大变倍比、三波段、紧凑型连续变焦光学系统为一种基于机械补偿系统中的正组补偿构型的新型连续变焦光学系统，其机械结构简单、系统体积重量小、可实现光谱范围0.4μm～1.1μm，焦距范围16mm～520mm，变倍比32.5倍，系统焦长比为2:1，f数为3.6～5.8的连续变焦高性能成像，能够满足新型航空光电装备应用需求；因此，本发明解决了现有正组补偿和负组补偿构型的连续变焦光学系统，变倍比小、压缩比小、光谱范围窄，以及现有双组联动补偿的连续变焦光学系统，光谱范围窄、机械结构复杂、系统体积重量大，均不能满足新型航空光电装备应用需求的技术问题。本发明的大变倍比、三波段、紧凑型连续变焦光学系统，在保证高成像质量的前提下，实现了紧凑型光路的大变倍比、宽谱段设计。

23、(2)本发明大变倍比、三波段、紧凑型连续变焦光学系统的前固定组中的第一正透镜、第二正透镜以及第一负透镜的材料均优选为fk95光学玻璃，引入fk95光学玻璃，可以使校正长焦距情况下宽谱段色差的效果更好。

24、(3)本发明大变倍比、三波段、紧凑型连续变焦光学系统中的变倍组，改变了传统变倍组仅包括3～4块透镜的构型，增加了第三正透镜和第二负透镜，且优选第三正透镜为折射率大于等于1.7的高折射率透镜，第二负透镜为阿贝数大于等于88的大阿贝数透镜，这样可以使消除短焦产生的宽光谱色差的效果更好。

25、(4)本发明大变倍比、三波段、紧凑型连续变焦光学系统中的后固定组前组设置在变倍组和补偿组之间，后固定组前组的光焦度为正值，且后固定组前组中的第四负弯月透镜和第五负弯月透镜的材料均优选为重镧玻璃，第五正透镜的材料优选为fk系玻璃，这样设置，能够更好地校正不同焦距下的轴外高级像差，且能够起到场镜作用，压缩后固定组后组的光线出射高度，使压缩比进一步提高。

26、(5)本发明大变倍比、三波段、紧凑型连续变焦光学系统具有彩色、黑白、激光三谱段，彩色具有高清成像能力，黑白具有透雾成像能力，激光具有光斑监测成像能力；并且本发明大变倍比、三波段、紧凑型连续变焦光学系统在不同焦距、不同光谱范围内成像质量优良，不同焦距内，畸变较小，最大畸变小于1％，可实现在连续变焦过程中稳像，稳像精度优于0.01mm；因此，本发明大变倍比、三波段、紧凑型连续变焦光学系统不仅可以应用于新一代航空光电装备变焦电视，也可以推广应用于其他需要连续变焦成像的各类航空光电吊舱、光电转塔等紧凑型光电系统中。