一种组合式变焦光学系统的制作方法

1.本发明属于应用光学技术领域，具体涉及一种折射/折反射式组合式变焦光学系统。


背景技术：

2.变焦光学系统既能对观察物体进行大区域小倍率概观，同时又能进行小区域大倍率详细观察，在成像领域有着重要应用。变焦光学系统主要有折射式、折反射式、反射式三种构型。由于大尺寸光学材料难以获得，所以难以实现具有大口径长焦距特征的折射式变焦光学系统。折反射式、反射式变焦光学系统由于优化设计自由度有限，难以实现具有大视场、大变倍比特征的反射式变焦光学系统。
3.1、硕士学位论文“可见/红外共口径变焦光学系统的研究”描述了折反射式变焦光学系统，前置系统为离轴两反无焦系统，后置系统为透射式变焦系统，与本发明方案部分相似。不同的是，该论文的设计方案在光学变焦过程中，全程为以折反射式光学系统的形式工作，由于折反射式光学系统的特点，该系统在短焦段也不易实现较大的光学视场，参见图1。
4.2、许伟才，黄玮，新型折反射式连续变焦系统设计[j].光学学报，2011，31(06):237
‑
241。公开了一种新型折反射式连续变焦系统，其反射式光学系统部分为有焦光学系统，光学系统装调难度较大。


技术实现要素：

[0005]
本发明为了解决折反射式、反射式变焦光学系统由于优化设计自由度有限，难以实现具有大视场、大变倍比特征的反射式变焦光学系统的问题，提出了一种组合式变焦光学系统，主要由前置无焦光学系统、焦段切换镜、后置变焦系统三个主要部分组成，三个主要部分组合工作，可以实现光学系统的变焦成像，且在光学变焦过程中，光学系统可保持全焦段相对孔径不变，同时通过焦段切换镜实现长焦段范围与短焦段范围的变焦切换。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
[0006]
一种组合式变焦光学系统，包括：包括前置无焦光学系统、后置变焦光学系统和焦段切换镜；
[0007]
焦段切换镜可撤出地置于前置无焦光学系统的出射光路中；
[0008]
焦段切换镜置于前置无焦光学系统的出射光路，将经前置无焦光学系统出射的光束反射至后置变焦光学系统；
[0009]
焦段切换镜撤出前置无焦光学系统的出射光路，来自物空间的成像光束直接进入后置变焦光学系统，用于实现长焦段范围与短焦段范围的变焦切换；
[0010]
优选地，焦段切换镜置于前置无焦光学系统的出瞳位置，出瞳位置位于前置无焦光学系统的外部。
[0011]
优选地，焦段切换镜为平面反射镜，通过旋转或者移动的方式撤出前置无焦光学系统的出射光路，使来自物空间的成像光束直接入射至后置变焦光学系统。
[0012]
优选地，后置变焦光学系统的入瞳位置与前置无焦光学系统的出瞳位置重合。
[0013]
优选地，组合式变焦光学系统还包括用于折转光路的反射镜，反射镜置于焦段切换镜和后置变焦光学系统之间；
[0014]
反射镜将直接来自物空间的成像光束反射进入后置变焦光学系统中，或将经前置无焦光学系统出射的、来自物空间的成像光束反射进入后置变焦光学系统中。
[0015]
优选地，前置无焦光学系统为离轴反射式无焦光学系统或同轴反射式无焦光学系统。
[0016]
优选地，后置变焦光学系统为透射式、反射式、单波段式、多波段式、单通道式或多通道式光学系统的一种。
[0017]
优选地，组合式变焦光学系统还包括用于实现后置变焦光学系统的多通道成像的分色镜，分色镜置于后置变焦光学系统的入射光路中，用于将来自物空间的成像光束分为第一束光和第二束光，第一束光反射至后置变焦光学系统的第一通道，第二束光透射至后置变焦光学系统的第二通道。
[0018]
优选地，组合式变焦光学系统还包括设置在反射镜前的，对后置变焦光学系统进行保护的光学窗口。
[0019]
本发明能够取得以下技术效果：
[0020]
1、本发明利用前置无焦光学系统、焦段切换镜、后置变焦光学系统三个部分组合工作，实现光学系统的变焦成像，且在光学变焦过程中，光学系统可保持全焦段相对孔径不变。
[0021]
2、通过焦段切换镜实现长焦段范围与短焦段范围的变焦切换，且焦段切换镜置于前置无焦光学系统的外部，易于装调。
[0022]
3、前置无焦光学系统和后置变焦光学系统能够单独设计，可单独装调后进行组合装调，易于装调。
附图说明
[0023]
图1是背景技术记载的一种折反射式变焦光学系统的光路图；
[0024]
图2是本发明一个实施例的一种组合式变焦光学系统的系统原理图；
[0025]
图3是本发明一个实施例的焦段切换镜移出时的系统原理图；
[0026]
图4是本发明一个实施例的后置变焦光学系统为可见光连续变焦光学系统时8倍光学成像的光路示意图；
[0027]
图5是本发明一个实施例的后置变焦光学系统为可见光连续变焦光学系统时4倍光学成像的光路示意图；
[0028]
图6是图4移出焦段切换镜时，本发明一个实施例的后置变焦光学系统为可见光连续变焦光学系统时，2倍光学成像的光路示意图；
[0029]
图7是本发明一个实施例的后置变焦光学系统为可见光连续变焦光学系统时1倍光学成像的光路示意图；
[0030]
图8是本发明一个实施例的后置变焦光学系统为红外制冷型连续变焦光学系统时，后置变焦光学系统置于1.5倍焦距处、组合式变焦光学系统处于4倍焦距处的光路示意图；
[0031]
图9是本发明一个实施例的后置变焦光学系统为红外制冷型连续变焦光学系统时，后置变焦光学系统置于1倍焦距处、组合式变焦光学系统处于2.66倍焦距处的光路示意图；
[0032]
图10是图8移出焦段切换镜时，后置变焦光学系统置于1.5倍焦距处、组合式变焦光学系统处于1.5倍焦距处的光路示意图；
[0033]
图11是图9移出焦段切换镜时，后置变焦光学系统置于1倍焦距处、组合式变焦光学系统处于1倍焦距处的光路示意图；
[0034]
图12是本发明另一个实施例的一种组合式变焦光学系统的系统原理图；
[0035]
图13是图12的一种组合式变焦光学系统的系统移出焦段切换镜时的系统原理图。
[0036]
附图标记：
[0037]
前置无焦光学系统1、焦段切换镜2、后置变焦光学系统3、反射镜4、光学窗口5。
具体实施方式
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
[0039]
本发明的目的是提供一种组合式变焦光学系统，兼具反射式光学系统与透射式光学系统的优点，可以实现长焦距、大变焦比的光学成像。下面将对本发明提供的一种组合式变焦光学系统，通过具体实施例来进行详细说明。
[0040]
如图12所示，组合式变焦光学系统包括缩束比为n的前置无焦光学系统1、变焦倍数为m的后置变焦光学系统3和置于前置无焦光学系统1的出射光路中的焦段切换镜2。
[0041]
在本发明的一个优选实施例中，前置无焦光学系统1与后置变焦光学系统3组合为实现长焦段范围变焦的光学系统；后置变焦光学系统3为实现短焦段范围变焦的光学系统；
[0042]
当来自物空间的成像光束依次经过前置无焦光学系统1、焦段切换镜2进入后置变焦光学系统3时，根据光学系统成像放大倍率关系，前置无焦光学系统1、焦段切换镜2和后置变焦光学系统3三个部分构成了一个可以实现n
×
m倍的光学变焦成像的折反射式变焦光学系统；
[0043]
如图13所示，将焦段切换镜2撤出前置无焦光学系统1的出射光路时，来自物空间的成像光束不经过前置无焦光学系统1，直接入射至后置变焦光学系统3，此时，后置变焦光学系统3独立实现对来自物空间的成像光束的m倍光学变焦成像。
[0044]
在本发明的一个优选实施例中，焦段切换镜2为平面反射镜，将焦段切换镜2置于前置无焦光学系统1的出瞳位置，可以通过旋转或者移动的方式撤出前置无焦光学系统1的出射光路，使来自物空间的成像光束直接进入后置变焦光学系统3，因此能够利用焦段切换镜2实现长焦段范围与短焦段范围的变焦切换。
[0045]
在本发明的一个优选实施例中，将焦段切换镜2的位置设置在前置无焦光学系统1的外部，使焦段切换镜2能够撤出前置无焦光学系统1的出射光路，且对组合式变焦光学系统的变焦光路无影响。
[0046]
同时，后置变焦光学系统3的入瞳位置与前置无焦光学系统1的出瞳位置重合，使前置无焦光学系统1和后置变焦光学系统3能够进行独立的设计，易于二者的装调。
[0047]
在本发明的另一个优选实施例中，如图2或图3所示，组合式变焦光学系统还包括反射镜4，将反射镜4置于焦段切换镜2和后置变焦光学系统3之间，利用反射镜4对经焦段切换镜2的出射光路进行折转，使光束经反射镜4后进入后置变焦光学系统3；通过反射镜4对光路的折转，能够减小整个组合式变焦光学系统的体积。
[0048]
图4
‑
图7示出了发明一个实施例的前置无焦光学系统为离轴反射式无焦光学系统(口径为250mm，缩束比n＝4)，后置变焦光学系统为可见光连续变焦光学系统(变焦倍数m＝2)时，实现多种放大倍率的光学变焦成像的光路示意图，此时变焦范围为175mm
‑
1400mm，变焦倍数为8倍，光学系统像高为12mm。
[0049]
图4为组合式变焦光学系统8倍光学焦距的成像光路示意图，参见图4，成像光路依次经过前置无焦光学系统1、焦段切换镜2、后置变焦光学系统3，此时后置变焦光学系统3设置在其2倍焦距处，焦距为350mm，经过前置无焦光学1系统的4倍焦距放大后，组合出的离轴变焦光学系统的焦距为1400mm，相对孔径为1:8；
[0050]
图5为组合式变焦光学系统处于4倍光学焦距的成像光路示意图，参见图5，成像光路依次经过前置无焦光学系统1、焦段切换镜2、后置变焦光学系统3，此时后置变焦光学系统3设置在其1倍焦距处，焦距为175mm，经过前置无焦光学系统1的4倍焦距放大后，组合出的离轴变焦光学系统的焦距为700mm，相对孔径为1:8；
[0051]
图6为组合式变焦光学系统处于2倍光学焦距的成像光路示意图，参见图6，焦段切换镜2通过旋转或移动的方式撤出成像光路，后置变焦光学系统3设置在其2倍焦距处，焦距为350mm，由于前置无焦光学系统1不参与成像，此时离轴变焦光学系统的焦距为350mm，相对孔径为1:8；
[0052]
图7为组合式变焦光学系统处于1倍光学焦距的成像光路示意图，参见图7，焦段切换镜2通过旋转或移动的方式撤出成像光路，后置变焦光学系统3设置在其1倍焦距处，焦距为175mm，由于前置无焦光学系统1不参与成像，此时离轴变焦光学系统的焦距为175mm，相对孔径为1:8。
[0053]
由此，当前置无焦光学系统1为离轴反射式无焦光学系统，后置变焦光学系统3为可见光连续变焦光学系统时，通过焦段切换镜2实现长焦段范围与短焦段范围的变焦切换，且光学系统变焦过程中，光学系统可保持全焦段相对孔径不变。
[0054]
图8
‑
图11示出了发明一个实施例的前置无焦光学系统为同轴反射式无焦光学系统(缩束比n＝2.67)，后置变焦光学系统为红外制冷型连续变焦光学系统(变焦倍数m＝1.5)时，实现多种放大倍率的光学变焦成像的光路示意图，此时变焦范围为150mm
‑
600mm，光学系统像高为12mm。
[0055]
图8为组合式变焦光学系统处于4倍光学焦距的成像光路示意图，参见图8，成像光路依次经过前置无焦光学系统1、焦段切换镜2、后置变焦光学系统3，此时后置变焦光学系统3设置在其1.5倍焦距处，焦距为225mm，经过前置无焦光学1系统的2.67倍焦距放大后，组合出的离轴变焦光学系统的焦距为600mm，相对孔径为1:2；
[0056]
图9为组合式变焦光学系统处于2.67倍光学焦距的成像光路示意图，参见图9，成像光路依次经过前置无焦光学系统1、焦段切换镜2、后置变焦光学系统3，此时后置变焦光学系统3设置在其1倍焦距处，焦距为150mm，经过前置无焦光学1系统的2.67倍焦距放大后，组合出的离轴变焦光学系统的焦距为400mm，相对孔径为1:2；
[0057]
图10为组合式变焦光学系统处于1.5倍光学焦距的成像光路示意图，参见图10，焦段切换镜2通过旋转或移动的方式撤出成像光路，后置变焦光学系统3设置在其1.5倍焦距处，焦距为225mm，由于前置无焦光学系统1不参与成像，此时离轴变焦光学系统的焦距为225mm，相对孔径为1:2；
[0058]
图11为组合式变焦光学系统处于1倍光学焦距的成像光路示意图，参见图11，焦段切换镜2通过旋转或移动的方式撤出成像光路，后置变焦光学系统3设置在其1倍焦距处，焦距为150mm，由于前置无焦光学系统1不参与成像，此时离轴变焦光学系统的焦距为150mm，相对孔径为1:2。
[0059]
由此，当前置无焦光学系统1为同轴反射式无焦光学系统，后置变焦光学系统3为中波红外或长波红外连续变焦光学系统时，通过焦段切换镜2实现长焦段范围与短焦段范围的变焦切换，实现了光学系统变焦过程中，光学系统可保持全焦段相对孔径不变。
[0060]
同理，后置变焦光学系统3可以为透射式光学系统或反射式光学系统，单波段式光学系统或多波段式光学系统中的任意一种，同时也可以为制冷型光学系统或者非制冷型光学系统，均能使组合式变焦光学系统可保持全焦段相对孔径不变，不再赘述。
[0061]
在本发明的另一个优选实施例中，后置变焦光学系统3还可以为多通道式光学系统，此时用分色镜代替反射镜4。
[0062]
在组合式变焦光学系统中，利用分色镜将经来自物空间的成像光束分为第一束光和第二束光，第一束光被焦段切换镜2反射后进入后置变焦光学系统3的第一通道，通过设置在第一通道内的相应的变焦镜组，最后成像在第一通道内的探测器上；第二束光透射至焦段切换镜2后进入后置变焦光学系统3的第二通道，通过设置在第二通道内的相应的变焦镜组，成像在第二通道内的探测器上，由此实现了双通道的变焦成像。
[0063]
同理可以继续引入分色镜实现更多通道的变焦成像，不再赘述。
[0064]
在本发明的另一个实施例中，还可以在反射镜4前设置光学窗口5，对后置变焦光学系统3进行保护。
[0065]
本发明的组合式变焦光学系统主要由前置无焦光学系统1、焦段切换镜2和后置变焦系统3三个部分组成，利用前置无焦光学系统、焦段切换镜、后置变焦光学系统三个部分组合工作，实现光学系统的变焦成像，且在光学变焦过程中，光学系统可保持全焦段相对孔径不变。
[0066]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0067]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
[0068]
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发
明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。