一种长焦距的大视场内调焦光学系统
技术领域
本发明属于光学系统技术领域，具体涉及一种长焦距的大视场内调焦光学系统。
背景技术
随着现代光学仪器在各行各业的广泛应用，为了能够清晰的观察、测量、瞄准远近不同的目标，要求光学仪器均带调焦功能。而光学系统的调焦分为内调焦和外调焦。
传统测量均采用外调焦结构，其光学系统筒长普遍偏长、重量较大，在调焦过程中会产生较大的误差性，系统长度发生变化，长时间的手动调焦会导致仪器密封性下降。此外，外调焦光学系统架构复杂，色差较大，视场角小。而内调焦光学系统是在光学系统后增加一组负透镜，使其能够在一定范围内沿光轴来回移动，进而使整个光学系统焦距连续变化达到调焦目的。调焦过程中系统总长保持不变，调节范围灵活，机械结构简单。而现有内调焦光学系统焦距较短、视场角较小，使得观察、测量目标分辨率较差，同时观察、测量效率低下。
发明内容
为解决上述背景技术中所提出的外调焦光学系统结构复杂，色差大视场小，以及现有内调焦光学系统存在的焦距较短、视场角较小，使得观察、测量目标分辨率较差的问题，本发明提供一种长焦距的大视场内调焦光学系统，其中，长焦距可提高观察、测量目标的分辨率，大视场可以提高观察、测试效率。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供的一种长焦距的大视场内调焦光学系统，包括沿光传播方向依次设置在同一光轴上的光学窗口玻璃、固定光学组件以及调焦光学组件；光学窗口玻璃的前、后表面的曲率半径均为无穷大；固定光学组件的光出射面与像面之间的距离恒定；调焦光学组件位于固定光学组件与像面之间，且固定光学组件的光出射面与调焦光学组件的光入射面之间的距离可沿光传播方向进行调节；固定光学组件焦距与调焦光学组件焦距比值为0.21～0.25；
固定光学组件包括沿光传播方向依次设置的第一负透镜、第二负透镜、第三负透镜、第一正透镜、第二正透镜以及第四负透镜；
第一负透镜的材料折射率为1.422～1.555，阿贝数为70.4，第一负透镜前、后表面的曲率半径分别为：81mm～82mm和44mm～ 45mm，厚度为15mm，第一负透镜前表面距离光学窗口玻璃后表面的距离为2mm；
第二负透镜的材料折射率为1.5～1.6，阿贝数为47.5，第二负透镜前、后表面的曲率半径分别为：101mm～102mm和49mm～50mm，厚度为8mm～12mm；第二负透镜前表面与第一负透镜后表面的距离为6.5mm～7.5mm；
第三负透镜的材料折射率为1.63～1.65，阿贝数为58.3，第三负透镜前、后表面的曲率半径分别为：-70mm～-71.1mm和-85mm～-87mm，厚度为11.2mm～12.3mm；第三负透镜前表面与第二负透镜后表面的距离为9.5mm～11.2mm；
第一正透镜的材料折射率为1.67～1.682，阿贝数为51.6，第四透镜前、后表面的曲率半径分别为：112mm～113mm和-248mm～ -251mm，厚度为11mm～13mm；第一正透镜前表面与第三负透镜后表面的距离为0.75mm～1.22mm；
第二正透镜的材料折射率为1.7～1.725，阿贝数为47.5，第二正透镜前、后表面的曲率半径分别为：-1272mm～-1273mm和-66mm～ -67.4mm，厚度为7.85mm～8.12mm；第二正透镜前表面与第一正透镜后表面的距离为56mm～58mm；
第四负透镜为双胶合透镜，第四负透镜的材料折射率分别为 1.63716、1.74431，阿贝数分别为56.73、32.828，采用双胶合透镜主要用来校正系统色差；双胶合透镜前、中、后表面的曲率半径分别为： 249.93mm、-38.04mm、655.73mm，厚度分别为8mm、8mm；第四负透镜前表面与第五透镜后表面的距离为1.01mm；
调焦光学组件包括沿光传播方向依次设置的第五负透镜、第三正透镜和第四正透镜；
第五负透镜的材料折射率为1.49～1.50，阿贝数为69.32，第五负透镜前、后表面的曲率半径分别为：156mm～157mm和53mm～ 54mm，厚度为7.85mm～8.11mm；第五负透镜前表面与第四负透镜后表面的距离随着物距变化而变化；
第三正透镜的材料折射率为1.52～1.53，阿贝数为55.62，第三正透镜前、后表面的曲率半径分别为：-492.15mm～-493mm和平面，厚度为9.1mm～10mm；第三正透镜前表面与第五负透镜后表面的距离为3.2mm～4mm；
第四正透镜的材料折射率为1.67～1.7，阿贝数为37.67，第四正透镜前、后表面的曲率半径分别为：60mm～61mm和74mm-78.5mm，厚度为14.2mm～15.7mm；第四正透镜前表面与第三正透镜后表面的距离为7.1mm～7.62mm；第四正透镜后表面到像面的距离随着物距变化而变化；
调焦光学组件总厚度为第五负透镜前表面到第四正透镜后表面的距离，为42.64mm。
进一步地，上述第五负透镜前表面与第四负透镜后表面的距离随着物距变化的情况为：
物距/m 1 1.5 3 6 20100 200 400无穷远
间隔/mm 25.118 16.635 8.6454.7952.1491.2501.1381.082 1.026
进一步地，第四正透镜后表面到像面的距离随着物距变化的情况为：
物距/m 1 1.5 3 6 20 100 200 400无穷远
距离/mm 63.00771.491 79.48283.33285.97886.87786.98987.045 87.101
进一步的，所述窗口玻璃的材料为SILICA，厚度为11mm～15mm，其前后表面可镀光学系统所需谱段的带宽滤光膜。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的光学系统所有透镜的光焦度采用“负-负-负- 正-正-负-负-正-正”的组合方式校正了系统场曲，大大提升了光学系统的像质；同时第一负透镜、第二负透镜、第三负透镜的光焦度均为负，可以有效增加光学系统视场，使得系统视场角为30°*30°。
2、发明提供的光学系统中第四负透镜采用双胶合透镜其目的是校正了光学系统的色差。
3、本发明提供的光学系统中固定光学组件焦距与调焦光学组件焦距比值为0.21～0.25，使得调焦光学组件在运动范围较小时(25mm)，其工作距离也可从1m到无穷远，大大提高了光学系统的工作范围
4、本发明提供的光学系统全物距全视场内光学传函MTF在 100lp/mm均大于0.35，像质优良。
附图说明
图1为本发明光学系统结构示意图；
图2为本发明光学系统中调焦光学组件在调焦过程中运动范围示意图；
图3为本发明光学系统在物距为1m时的光学MTF曲线。
图4为本发明光学系统在物距为1.5m时的光学MTF曲线。
图5为本发明光学系统在物距为3m时的光学MTF曲线。
图6为本发明光学系统在物距为6m时的光学MTF曲线。
图7为本发明光学系统在物距为20m时的光学MTF曲线。
图8为本发明光学系统在物距为100m时的光学MTF曲线。
图9为本发明光学系统在物距为200m时的光学MTF曲线。
图10为本发明光学系统在物距为400m时的光学MTF曲线。
图11为本发明光学系统在物距为无穷远时光学MTF曲线。
附图标记如下：
1-光学窗口，2-固定光学组件，21-第一负透镜，22-第二负透镜， 23-第三负透镜，24-第一正透镜，25-第二正透镜，26-第四负透镜， 3-调焦光学组件，31-第五负透镜，32-第三正透镜，33-第四正透镜， 4-像面。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实施例提供了一种长焦距的大视场内调焦光学系统的具体结构，如图1所示，包括沿光传播方向依次设置在同一光轴上的光学窗口玻璃1、固定光学组件2以及调焦光学组件3；光学窗口玻璃1的前、后表面的曲率半径均为无穷大；固定光学组件2的光出射面与像面4之间的距离恒定；调焦光学组件3位于固定光学组件2与像面4 之间，且固定光学组件2的光出射面与调焦光学组件3的光入射面之间的距离可沿光传播方向进行调节；固定光学组件2焦距与调焦光学组件3焦距比值为0.21～0.25。
以下对光学系统中每个光学器件的具体参数进行描述，固定光学组件2沿光传播方向依次设置的第一负透镜21、第二负透镜22、第三负透镜23、第一正透镜24、第二正透镜25以及第四负透镜26；
光学窗口玻璃的材料为SILICA，厚度为11mm～15mm，其前后表面可镀光学系统所需谱段的带宽滤光膜。
第一负透镜21的材料折射率为1.422～1.555，阿贝数为70.4，第一负透镜21前、后表面的曲率半径分别为：81mm～82mm和 44mm～45mm，厚度为15mm，第一负透镜21前表面距离光学窗口玻璃1后表面的距离为2mm；
第二负透镜22的材料折射率为1.5～1.6，阿贝数为47.5，第二负透镜22前、后表面的曲率半径分别为：101mm～102mm和49mm～ 50mm，厚度为8mm～12mm；第二负透镜22前表面与第一负透镜 21后表面的距离为6.5mm～7.5mm；
第三负透镜23的材料折射率为1.63～1.65，阿贝数为58.3，第三负透镜23前、后表面的曲率半径分别为：-70mm～-71.1mm和 -85mm～-87mm，厚度为11.2mm～12.3mm；第三负透镜23前表面与第二负透镜22后表面的距离为9.5mm～11.2mm；
第一正透镜24的材料折射率为1.67～1.682，阿贝数为51.6，第四透镜24前、后表面的曲率半径分别为：112mm～113mm和 -248mm～-251mm，厚度为11mm～13mm；第一正透镜24前表面与第三负透镜23后表面的距离为0.75mm～1.22mm
第二正透镜25的材料折射率为1.7～1.725，阿贝数为47.5，第二正透镜25前、后表面的曲率半径分别为：-1272mm～-1273mm和 -66mm～-67.4mm，厚度为7.85mm～8.12mm；第二正透镜25前表面与第一正透镜24后表面的距离为56mm～58mm；
第四负透镜26为双胶合透镜，第四负透镜26的材料折射率分别为1.63716、1.74431，阿贝数分别为56.73、32.828，采用双胶合透镜主要用来校正系统色差；双胶合透镜前、中、后表面的曲率半径分别为：249.93mm、-38.04mm、655.73mm，厚度分别为8mm、8mm；第四负透镜26前表面与第五透镜25后表面的距离为1.01mm；
接着对调焦光学组件中各个光学器件进行介绍，调焦光学组件3 包括沿光传播方向依次设置的第五负透镜31、第三正透镜32和第四正透镜33；
第五负透镜31的材料折射率为1.49～1.50，阿贝数为69.32，第五负透镜31前、后表面的曲率半径分别为：156mm～157mm和 53mm～54mm，厚度为7.85mm～8.11mm；第五负透镜31前表面与第四负透镜26后表面的距离随着物距变化而变化，不同物距下第五负透镜31前表面与第四负透镜26后表面的距离如下表所示：
第三正透镜32的材料折射率为1.52～1.53，阿贝数为55.62，第三正透镜32前、后表面的曲率半径分别为：-492.15mm～-493mm和平面，厚度为9.1mm～10mm；第三正透镜32前表面与第五负透镜 31后表面的距离为3.2mm～4mm；
第四正透镜33的材料折射率为1.67～1.7，阿贝数为37.67，第四正透镜33前、后表面的曲率半径分别为：60mm～61mm和 74mm-78.5mm，厚度为14.2mm～15.7mm；第四正透镜33前表面与第三正透镜32后表面的距离为7.1mm～7.62mm；第四正透镜33后表面到像面4的距离随着物距变化而变化，不同物距下第四正透镜 33后表面到像面4的距离如下表所示：
调焦光学组件总厚度为第五负透镜31前表面到第四正透镜33后表面的距离，为42.64mm；
由此可见，调焦时调焦光学组件间隔变化系统，但是光学系统的总长不变，具体如下表所示：
表中：前间隔为第五负透镜前表面与第四负透镜后表面之间间隔，后间隔为第四正透镜后表面到像面的间隔；
根据以上光学系统结构描述可知，本实施例中光学系统无穷远工作时焦距为112.5mm,视场角30°*30°，F数为7。
如图2所示，该图反应了在不同物距情况下中调焦光学组件的运动过程，由该图可看出，本实施例的内调焦光学组件在进行调焦时，光学系统总长不变，只有调焦光学组件在前后移动。
如图3-11所示，采用本实施例在不同物距下光学系统MTF曲线，由该曲线可以看出本实施例的光学系统在全物距全视场内光学传函 MTF在100lp/mm均大于0.35，像质优良。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
