单组元强摄光双视场切换光学系统及其成像方法与流程

1.本发明涉及一种单组元强摄光双视场切换光学系统及其成像方法。

背景技术：

2.随着光学行业的不断发展，光学成像跟踪在军工、安防、航空航天等多个领域得到了广泛应用，同时其正朝着轻量化、小型化、高分辨率等要求发展。对于快速移动的目标，双视场成像跟踪系统兼顾短焦距大视场搜索，同时长焦距高分辨率识别测量的功能，因此具有广阔的应用前景。
3.现有双视场成像跟踪光学系统变焦方式主要有独立变焦、切入变焦、轴向变焦等方式。独立变焦方式采用两个探测器分别独立设计大视场和小视场光学系统，成本较高且不利于小型化；切入变焦方式是通过径向切入变倍组元实现双视场成像，系统径向尺寸大，两个视场的光轴一致性较差；轴向变焦方式是利用物像交换原则，通过变倍组元和补偿组元之间的相对轴向运动实现双视场成像，具有结构紧凑、集成度高等优点。

技术实现要素：

4.本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种单组元强摄光双视场切换光学系统及其成像方法，在轴向变焦方式的基础上只通过单组元的轴向移动实现双视场快速切换，光学系统体积紧凑，同时具有较大的相对孔径，具有强摄光特点。
5.本发明是这样构成的，它包括自左向右沿光线入射方向依次设置的固定组a、切换组b、固定组c和成像靶面，所述固定组a包括双凸形状的正透镜a-1、双凸形状的正透镜a-2和双凹形状的负透镜a-3；所述切换组b包括月牙形状的负透镜b-1、月牙形状的正透镜b-2和双凹形状的负透镜b-3；所述固定组c包含双凸形状的正透镜c-1、月牙形状的负透镜c-2、月牙形状的正透镜c-3、双凸形状的正透镜c-4、双凹形状的负透镜c-5、双凹形状的负透镜c-6、月牙形状的正透镜c-7、双凹形状的负透镜c-8和双凸形状的负透镜c-9。
6.进一步的，所述正透镜a-2和负透镜a-3密接组成第一胶合组u1，负透镜b-1和正透镜b-2密接组成第二胶合组u2，负透镜c-2和正透镜c-3密接组成第三胶合组u3，正透镜c-4和负透镜c-5密接组成第四胶合组u4，负透镜c-6和正透镜c-7密接组成第五胶合组u5。
7.进一步的，所述成像靶面分辨率800
×
800，像元大小4.5μm，响应0.6~0.9μm波段。
8.进一步的，所述第一胶合组具有负光焦度φ
u1
，第二胶合组具有负光焦度φ
u2
，第三胶合组具有正光焦度φ
u3
，第四胶合组具有正光焦度φ
u4
，第五胶合组具有负光焦度φ
u5
，且满足如下关系：0.01＜｜φ
u1
/φs｜＜0.05，0.05＜｜φ
u1
/φ
l
｜＜0.1；0.1＜｜φ
u2
/φs｜＜0.4，0.6＜｜φ
u2
/φ
l
｜＜1；0.2＜｜φ
u3
/φs｜＜0.5，0.8＜｜φ
u3
/φ
l
｜＜1.1；0.1＜｜φ
u4
/φs｜＜0.3，0.3＜｜φ
u4
/φ
l
｜＜0.6；0.08＜｜φ
u5
/φs｜＜0.25，0.45＜｜φ
u5
/φ
l
｜＜0.65；
其中，φs为大视场整体光路的光焦度, φ
l
为小视场整体光路的光焦度。
9.进一步的，所述光学系统相对孔径1/1.8，具有强摄光能力。
10.进一步的，单组元强摄光双视场切换光学系统的成像方法，光线自左向右依次通过正透镜a-1、正透镜a-2、负透镜a-3、负透镜b-1、正透镜b-2、负透镜b-3、正透镜c-1、负透镜c-2、正透镜c-3、正透镜c-4、负透镜c-5、负透镜c-6、正透镜c-7、负透镜c-8、负透镜c-9后进行成像。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本装置结构简单，设计合理，采用单组元轴向移动的方式变焦，移动距离短，有利于双视场的快速切换，装调难度小，大小视场的光轴一致性易于保证，结构紧凑，摄光能力强，能够同时实现大视场快速搜索和小视场高分辨率识别。
附图说明
11.图1为本发明实施例光学系统图；图2为本发明实施例在大视场点列图；图3为本发明实施例在大视场mtf曲线图；图4为本发明实施例在小视场点列图；图5为本发明实施例在小视场mtf曲线图。
具体实施方式
12.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
13.实施例1：参照附图1-5所示，本实施例中，提供一种单组元强摄光双视场切换光学系统，包括自左向右沿光线入射方向依次设置的固定组a、切换组b、固定组c和成像靶面，所述固定组a包括双凸形状的正透镜a-1、双凸形状的正透镜a-2和双凹形状的负透镜a-3；所述切换组b包括月牙形状的负透镜b-1、月牙形状的正透镜b-2和双凹形状的负透镜b-3；所述固定组c包含双凸形状的正透镜c-1、月牙形状的负透镜c-2、月牙形状的正透镜c-3、双凸形状的正透镜c-4、双凹形状的负透镜c-5、双凹形状的负透镜c-6、月牙形状的正透镜c-7、双凹形状的负透镜c-8和双凸形状的负透镜c-9。
14.在本实施例中，双凸形状的正透镜a-2和双凹形状的负透镜a-3密接组成了第一胶合组u1，月牙形状的负透镜b-1和月牙形状的正透镜b-2密接组成了第二胶合组u2，月牙形状的负透镜c-2和月牙形状的正透镜c-3密接组成了第三胶合组u3，双凸形状的正透镜c-4和双凹形状的负透镜c-5密接组成了第四胶合组u4，双凹形状的负透镜c-6和月牙形状的正透镜c-7密接组成了第五胶合组u5。
15.在本实施例中，所述成像靶面分辨率800
×
800，像元大小4.5μm，响应0.6~0.9μm波段。
16.在本实施例中，所述切换组b为可移动组元，切换组b与固定组a的中心间隔为7.0mm时，光学系统具有大视场；切换组b与固定组a的中心间隔为68.4mm时，光学系统具有小视场。通过轴向移动切换组b的位置可实现双视场快速切换。
17.在本实施例中，所述第一胶合组具有负光焦度φ
u1
，第二胶合组具有负光焦度φ
u2
，第三胶合组具有正光焦度φ
u3
，第四胶合组具有正光焦度φ
u4
，第五胶合组具有负光焦
度φ
u5
，且满足如下关系：0.01＜｜φ
u1
/φs｜＜0.05，0.05＜｜φ
u1
/φ
l
｜＜0.1；0.1＜｜φ
u2
/φs｜＜0.4，0.6＜｜φ
u2
/φ
l
｜＜1；0.2＜｜φ
u3
/φs｜＜0.5，0.8＜｜φ
u3
/φ
l
｜＜1.1；0.1＜｜φ
u4
/φs｜＜0.3，0.3＜｜φ
u4
/φ
l
｜＜0.6；0.08＜｜φ
u5
/φs｜＜0.25，0.45＜｜φ
u5
/φ
l
｜＜0.65；其中，φs为大视场整体光路的光焦度, φ
l
为小视场整体光路的光焦度。
18.在本实施例中，所述光学系统相对孔径1/1.8，具有强摄光能力。
19.在本实施例中，成像时：光线自左向右依次通过正透镜a-1、正透镜a-2、负透镜a-3、负透镜b-1、正透镜b-2、负透镜b-3、正透镜c-1、负透镜c-2、正透镜c-3、正透镜c-4、负透镜c-5、负透镜c-6、正透镜c-7、负透镜c-8、负透镜c-9后进行成像。实施例2：在本实施例中，单组元强摄光双视场切换光学系统，其各个透镜满足表1所示的参数要求，其中r为镜片表面曲率半径，单位为mm；d为镜片厚度及镜片之间空气间隔，单位为mm；n为材料折射率；ν为材料阿贝数；面序号依次为各个镜片沿图1所示从左至右的次序排列：
表1单组元强摄光双视场切换光学系统中切换组b轴向移动距离61.4mm，通过电机带动切换组移动至对应位置以实现双视场的快速切换。图2、图3所示为大视场状态下光学系统的点列图及mtf曲线，图4、图5所示为小视场状态下光学系统的点列图及mtf曲线。由mtf曲线可知，光学系统在111lp/mm频率处，大小视场的mtf曲线均不小于0.5，系统具备同时实
现大视场快速搜索和小视场高分辨率识别成像的能力。
20.上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
21.同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
22.如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。
23.另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
24.本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
25.最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

技术特征：

1.一种单组元强摄光双视场切换光学系统，其特征在于，包括自左向右沿光线入射方向依次设置的固定组a、切换组b、固定组c和成像靶面，所述固定组a包括双凸形状的正透镜a-1、双凸形状的正透镜a-2和双凹形状的负透镜a-3；所述切换组b包括月牙形状的负透镜b-1、月牙形状的正透镜b-2和双凹形状的负透镜b-3；所述固定组c包含双凸形状的正透镜c-1、月牙形状的负透镜c-2、月牙形状的正透镜c-3、双凸形状的正透镜c-4、双凹形状的负透镜c-5、双凹形状的负透镜c-6、月牙形状的正透镜c-7、双凹形状的负透镜c-8和双凸形状的负透镜c-9。2.根据权利要求1所述的一种单组元强摄光双视场切换光学系统，其特征在于，所述正透镜a-2和负透镜a-3密接组成第一胶合组u1，负透镜b-1和正透镜b-2密接组成第二胶合组u2，负透镜c-2和正透镜c-3密接组成第三胶合组u3，正透镜c-4和负透镜c-5密接组成第四胶合组u4，负透镜c-6和正透镜c-7密接组成第五胶合组u5。3.根据权利要求1所述的一种单组元强摄光双视场切换光学系统，其特征在于，所述成像靶面分辨率800
×
800，像元大小4.5μm，响应0.6~0.9μm波段。4.根据权利要求2所述的一种单组元强摄光双视场切换光学系统，其特征在于，所述第一胶合组具有负光焦度φ
u1
，第二胶合组具有负光焦度φ
u2
，第三胶合组具有正光焦度φ
u3
，第四胶合组具有正光焦度φ
u4
，第五胶合组具有负光焦度φ
u5
，且满足如下关系：0.01＜｜φ
u1
/φ
s
｜＜0.05，0.05＜｜φ
u1
/φ
l
｜＜0.1；0.1＜｜φ
u2
/φ
s
｜＜0.4，0.6＜｜φ
u2
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l
｜＜1；0.2＜｜φ
u3
/φ
s
｜＜0.5，0.8＜｜φ
u3
/φ
l
｜＜1.1；0.1＜｜φ
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s
｜＜0.3，0.3＜｜φ
u4
/φ
l
｜＜0.6；0.08＜｜φ
u5
/φ
s
｜＜0.25，0.45＜｜φ
u5
/φ
l
｜＜0.65；其中，φ
s
为大视场整体光路的光焦度, φ
l
为小视场整体光路的光焦度。5.根据权利要求1所述的一种单组元强摄光双视场切换光学系统，其特征在于，所述光学系统相对孔径1/1.8，具有强摄光能力。6.一种如权利要求1~5任一所述的单组元强摄光双视场切换光学系统的成像方法，其特征在于，光线自左向右依次通过正透镜a-1、正透镜a-2、负透镜a-3、负透镜b-1、正透镜b-2、负透镜b-3、正透镜c-1、负透镜c-2、正透镜c-3、正透镜c-4、负透镜c-5、负透镜c-6、正透镜c-7、负透镜c-8、负透镜c-9后进行成像。

技术总结

本发明涉及一种单组元强摄光双视场切换光学系统，包括自左向右沿光线入射方向依次设置的固定组A、切换组B、固定组C和成像靶面，所述固定组A包括双凸形状的正透镜A-1、双凸形状的正透镜A-2和双凹形状的负透镜A-3；所述切换组B包括月牙形状的负透镜B-1、月牙形状的正透镜B-2和双凹形状的负透镜B-3；所述固定组C包含双凸形状的正透镜C-1、月牙形状的负透镜C-2、月牙形状的正透镜C-3、双凸形状的正透镜C-4、双凹形状的负透镜C-5、双凹形状的负透镜C-6、月牙形状的正透镜C-7、双凹形状的负透镜C-8和双凸形状的负透镜C-9。本发明结构简单，设计合理，光学系统通过切换组B的轴向位置变化可实现大小视场的快速切换，即同时实现大视场快速搜索和小视场高分辨率识别，且光学系统相对孔径大，具有强摄光能力。具有强摄光能力。具有强摄光能力。