1.本发明属于变焦光学系统构建方法，具体涉及一种降低温度调焦频次的变焦光学系统构建方法。
背景技术：2.随着现代社会的发展以及科学技术的进步，连续变焦光学系统已被广泛应用于生活的各个方面，例如安防、监控、天网、交通、安全生产、森林防火等领域。人们对变焦镜头的要求和期望也越来越高，不仅要求看得远，看得清，还要求变焦系统具有大变倍比、结构紧凑、小巧、使用方便等功能或性能。
3.变焦镜头的应用已有几十年历史，但传统大变倍比长焦距变焦系统体积庞大，更重要的是，当环境温度变化时，变焦全程无法一致清晰成像，需在不同焦距位置频繁调焦，既不利于用户操作与使用，也无法满足快速对焦、清晰成像的要求，严重时还会导致目标丢失。光学被动无热化变焦系统被认为可以解决该问题，但其设计难度大，设计繁琐，镜片数量多，光学系统结构非常复杂。相对于普通变焦系统，其外形尺寸、体积和重量都急剧增大，无法满足变焦系统紧凑化、小型化设计要求。
技术实现要素：4.本发明为解决现有的光学被动无热化变焦系统，设计难度大，设计繁琐，镜片数量多，光学系统结构非常复杂，且无法满足变焦系统紧凑化、小型化设计要求，以及传统变焦系统在环境温度变化时，变焦全程需要频繁多次调焦的技术问题，提供一种降低温度调焦频次的变焦光学系统构建方法。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种降低温度调焦频次的变焦光学系统构建方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
7.s1，调整变焦光学系统初始结构光学参数，和/或调整变焦光学系统各组元光学结构，和/或调整变焦光学系统初始结构，直至变焦光学系统传递函数的mtf数值满足预设要求；
8.s2，判断前固定组是否为调焦组，若是，则执行步骤s3；否则，则执行步骤s4；
9.s3，根据变焦光学系统长焦温度特性，判断长焦调焦后，短焦在相同温度下的mtf数值是否满足预设要求，若是，则变焦光学系统构建完成；否则，则执行步骤s5；
10.s4，根据变焦光学系统的长焦和短焦温度特性，判断长焦调焦量与短焦调焦量的差值是否在预设差值内；若是，则变焦光学系统构建完成；否则，则执行步骤s5；
11.s5，分析变焦光学系统中对短焦成像质量影响最大的变焦组元，调整该变焦组元的透镜，再返回步骤s1，直至变焦光学系统构建完成。
12.进一步地，步骤s1中，所述变焦光学系统初始结构光学参数包括曲率半径、光学材料、各组元透镜厚度和光学间隔。
13.进一步地，步骤s5中，所述调整该变焦组元的透镜具体为，更换该变焦组元内透镜的光学材料。
14.进一步地，步骤s5中，所述更换该变焦组元内透镜的光学材料具体为：
15.将透镜的光学材料更换为线膨胀系数更高的材料，或者将透镜的光学材料更换为温度折射率系数更大的材料；
16.更换透镜的光学材料时，先更换该变焦组元内敏感透镜的光学材料，再更换该变焦组元内其他透镜的光学材料。
17.进一步地，步骤s5中，所述更换该变焦组元内透镜的光学材料具体为：
18.将透镜的光学材料更换为线膨胀系数更小的材料，或者将透镜的光学材料更换为温度折射率系数更小的材料；
19.更换透镜的光学材料时，先更换该变焦组元内敏感透镜的光学材料，再更换该变焦组元内其他透镜的光学材料。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21.1.本发明降低温度调焦频次的变焦光学系统构建方法，从光学系统本源入手，构建过程中，通过分析变焦光学系统长焦、短焦温度特性，合理选择并控制像质敏感透镜，实现在不同温度下，变焦光学系统的长焦和短焦位置调焦量差值在预设差值内，使得在工作温度范围下的任何温度，仅需在长焦位置调焦一次，即可保证变焦全程一致清晰成像，克服了传统变焦光学系统在环境温度变化时，变焦全程无法一致清晰成像，还需多次频繁调焦的问题，既方便用户操作与使用，又有利于快速对焦。
22.2.本发明的构建方法，对调焦组在变焦光学系统中所处的位置没有限制，具有很强的通用性和良好应用性。
23.3.采用本发明构建方法得到的变焦光学系统，相对于传统变焦光学系统，既减少了调焦频次，又同时能够保证变焦光学系统的外形尺寸、体积和重量与无明显变化，有利于实现变焦光学系统的紧凑化、小型化设计。
附图说明
24.图1为本发明降低温度调焦频次的变焦光学系统构建方法实施例的流程示意图；
25.图2为采用本发明实施例构建的变焦光学系统短焦光路结构示意图；
26.图3为采用本发明实施例构建的变焦光学系统长焦光路结构示意图；
27.图4为本发明实施例中，变焦光学系统长焦调焦后，其他焦距位置不调焦时，变焦全程各变焦位置的mtf图；其中，(a)为长焦的mtf图，(b)为中焦的mtf图，(c)为短焦的mtf图；
28.图5为本发明实施例中变焦系统长焦调焦后，其他焦距位置不调焦时，变焦全程各变焦位置mtf图；其中，(a)为长焦的mtf图，(b)为中焦的mtf图，(c)为短焦的mtf图。
29.其中：1-前固定组、2-调焦组、3-变倍组、4-补偿组、5-后固定组。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
31.本发明提供了一种能够降低温度调焦频次的变焦光学系统构建方法，针对传统变焦光学系统在环境温度变化时，变焦全程无法一致清晰成像，需频繁多次调焦等技术难题，在构建过程中，通过分析变焦光学系统长焦、短焦温度特性，合理选择并控制像质敏感透镜的光学材料，使变焦光学系统在不同温度下，长焦与短焦位置调焦量差值在预设差之内，或者长焦调焦引起的像面离焦量在短焦焦深范围内，在工作温度范围下的任何温度，仅需在长焦位置调焦一次，即可保证变焦全程一致清晰成像，克服了传统变焦光学系统在环境温度变化时，变焦全程无法一致清晰成像，需频繁多次调焦的问题，既方便用户操作与使用，又有利于快速对焦。
32.如图2和图3所示，变焦光学系统沿光轴自左到右分别依次设置前固定组1、调焦组2、变倍组3、补偿组4和后固定组5。前固定组1的左侧为物面，后固定组5的右侧为像面，通过变倍组3和补偿组4，在光轴方向前后相对运动，实现连续变焦与补偿。其中，变焦光学系统的调焦组2位于变焦光学系统中间位置，在电机的驱动下，调焦凸轮曲线可沿光轴左右移动，实现调焦补偿。
33.如图1所示，如下是本发明一种降低温度调焦频次的变焦光学系统构建方法的具体步骤：
34.s1，优化变焦光学系统成像质量
35.调整变焦光学系统初始结构光学参数，和/或调整变焦光学系统各组元光学结构，和/或调整变焦光学系统初始结构，直至变焦光学系统传递函数的mtf数值满足预设要求。
36.一般，从现有公开技术中根据需要，选择合适的变焦光学系统的初始结构，将初始结构光学参数，例如曲率半径、光学材料、各组元透镜厚度、光学间隔等信息输入到光学设计软件codev或者zemax中，设置所要设计的变焦光学系统基本参数，例如相对孔径、光谱范围、视场角等，优化初始结构中光学镜片的曲率半径、光学材料、透镜厚度、光学间隔等，既要满足所设计变焦光学系统的光学参数，例如焦距、变倍比、视场等要求，又要保证变焦光学系统良好的成像质量。优化过程中，也可通过增加透镜数量，修改变焦光学系统各组元(包括前固定组1或调焦组2、变倍组3、补偿组4、后固定组5等)光学结构等措施，优化变焦光学系统初始结构，直到变焦光学系统成像质量，即变焦光学系统传递函数的mtf数值满足预设要求为止。
37.优化变焦光学系统成像质量，主要是为了实现变焦光学系统在限定的体积包络内，达到良好的成像质量，以及要求的mtf和其他相关性能指标。
38.s2，确认前固定组1是否为调焦组，若是，则继续执行步骤s3；否则，则继续执行步骤s4；
39.s3，分析变焦光学系统长焦温度特性，确认长焦调焦后，短焦在该温度下的mtf是否满足预设要求，若是，变焦系统设计完成；否则，则继续执行s5；
40.s4，分析变焦光学系统长焦、短焦温度特性，确认长焦调焦量和短焦调焦量的差值是否在预设差值内；若是，则变焦系统设计完成；否则，则继续执行步骤s5；此处的预设差值，是根据实际需要进行设置的，该预设差值主要取决于当变焦系统按照长焦调焦量调焦后，短焦成像mtf是否能满足实际应用的要求。
41.s5，分析变焦系统中对短焦成像质量影响最大的变焦组元，更换该变焦组元内透镜的光学材料，优先更换其中的敏感透镜，也可以更换除敏感透镜外的其他透镜，返回步骤s1，直到变焦光学系统构建完成。更换敏感透镜或其他透镜的光学材料具体有两种方式：1)将敏感透镜或其他透镜使用的普通光学材料更换为大线膨胀系数材料，或者更换为温度折射率系数较大的材料；2)将敏感透镜或者其他透镜使用的大线膨胀系数材料或者温度折射率系数较大的光学材料，更换为普通小线膨胀系数、温度折射率系数较小的光学材料。
42.对本发明降低温度调焦频次的变焦光学系统构建方法进行验证：
43.在本发明的一个实施中，变焦光学系统焦距250mm-700mm，工作波段450nm-656nm，探测器分辨率为752
×
582，像元大小为8.6um
×
8.6um，长焦光圈为f6，工作温度范围-40℃-+60℃。
44.变焦光学系统采用图1和图2所示结构，由前固定组1、中间固定组(调焦组2)、变倍组3、补偿组4、后固定组5组成。孔径光阑位于主镜处，为了降低成本光学系统主镜、次镜均采用曼金镜以消除球差和色差。
45.本实施例中前固定组1并非调焦组，调焦组位于变焦光学系统中间位置，在设计初期，经温度分析后，长焦、短焦温度调焦量不相等，且短焦温度调焦量与长焦调焦量两者存在较大偏差，短焦成像质量mtf不能满足要求。通过分析后固定组5对短焦像质以及短焦温度特性影响最明显，设计时通过在后固定组5透镜材料中引入温度折射率系数及线膨胀系数较大的光学材料hzpk1a，兼顾成像质量与短焦温度特性的同时，补偿反射镜组因温度变化引起的像面离焦。
46.后固定组5中透镜光学材料依次为h-laf3b、h-zf88、hzpk1a、h-zf2、h-laf3b和h-zf88。
47.hzpk1a线膨胀系数和温度折射率系数相对普通无色玻璃要大一些，分别为9.9
×
10-6
，dn/dt温度系数为-3.4
×
10-6
(-40℃，e-line)，-3.0
×
10-6
(+60℃，e-line)。
48.当然也可选择其他材料例如hfk61、hfk71、hzpk3a、hzpk5等线膨胀系数或者温度折射率系数dn/dt较大的光学材料，这主要取决于系统成像质量。
49.本实施例中，折反变焦光学系统采用中间固定组进行温度调焦。所有结构件材料均为铝合金ly12。表1-表2给出了变焦光学系统在不同温度(-40℃～+60℃)下变焦系统的调焦量。
50.表1长焦位置调焦量表
[0051][0052]
表2短焦位置调焦量表
[0053]
[0054]
表1和表2中，“+”表示调焦镜组靠近探测器方向。
[0055]
本实施例中，在-40℃～+60℃下，长焦调焦量与短焦调焦量相当，当按照长焦调焦量进行调焦后，短焦因过调焦引起的离焦残差小于短焦焦深，变焦系统短焦成像质量良好，即变焦光学系统仅需在长焦位置调焦一次，即可保证变焦全程一致清晰成像，克服了传统变焦系统在环境温度变化时，变焦全程无法一致清晰成像，需频繁多次调焦的问题。
[0056]
图4中的(a)、(b)、(c)为温度-40℃，调焦量+1.44mm，仅长焦调焦，其他焦距位置不调焦，变焦系统长焦调焦后，变焦全程其他变焦位置mtf图，(a)为长焦的mtf图、(b)为中焦的mtf图、(c)为短焦的mtf图。图5中的(a)、(b)、(c)为温度+60℃，调焦量-0.972mm，仅长焦调焦，其他焦距位置不调焦，变焦系统长焦调焦后，变焦全程其他变焦位置mtf图，(a)为长焦的mtf图、(b)为中焦的mtf图、(c)为短焦的mtf图。
[0057]
本实施例中变焦光学系统设计参数如表3所示：
[0058]
表3变焦光学系统设计参数表
[0059]
序号半径r中心厚度d折射率n1-1651111.752-400113.3 光阑-16011.51.904-245.9-11.51.905-160-96.3 6-40.6-51.657-63.151.658-40.6120.9 9-10523.41.9010-40.20.2 1126.08.61.901262.46.41.951318.3s13 1463.21.51.951519.81.6 1622.65.31.9117-57.2s17 18-29.31.51.491922.64.1 20-27.76.11.612139.95.61.9122-48.6s22 23-116.13.51.7424-47.50.2 2561.72.51.952634.710.71.62
27-39.61.9 28-34.721.6729-130.30.2 3026.99.71.743157.80.2 3220.6111.95339.73.6 34∞1.11.5235∞12 [0060]
其中“中心厚度”列中，s13、s17、s22均为可变间隔，s13变化范围24.8mm-9.0mm，s17变化范围2.8mm-45.6mm，s22变化范围30mm-2.9mm。
[0061]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种降低温度调焦频次的变焦光学系统构建方法，其特征在于，包括以下步骤：s1，调整变焦光学系统初始结构光学参数，和/或调整变焦光学系统各组元光学结构，和/或调整变焦光学系统初始结构，直至变焦光学系统传递函数的mtf数值满足预设要求；s2，判断前固定组是否为调焦组，若是，则执行步骤s3；否则，则执行步骤s4；s3，根据变焦光学系统长焦温度特性，判断长焦调焦后，短焦在相同温度下的mtf数值是否满足预设要求，若是，则变焦光学系统构建完成；否则，则执行步骤s5；s4，根据变焦光学系统的长焦和短焦温度特性，判断长焦调焦量与短焦调焦量的差值是否在预设差值内；若是，则变焦光学系统构建完成；否则，则执行步骤s5；s5，分析变焦光学系统中对短焦成像质量影响最大的变焦组元，调整该变焦组元的透镜，再返回步骤s1，直至变焦光学系统构建完成。2.如权利要求1所述一种降低温度调焦频次的变焦光学系统构建方法，其特征在于：步骤s1中，所述变焦光学系统初始结构光学参数包括曲率半径、光学材料、各组元透镜厚度和光学间隔。3.如权利要求1或2所述一种降低温度调焦频次的变焦光学系统构建方法，其特征在于：步骤s5中，所述调整该变焦组元的透镜具体为，更换该变焦组元内透镜的光学材料。4.如权利要求3所述一种降低温度调焦频次的变焦光学系统构建方法，其特征在于，步骤s5中，所述更换该变焦组元内透镜的光学材料具体为：将透镜的光学材料更换为线膨胀系数更高的材料，或者将透镜的光学材料更换为温度折射率系数更大的材料；更换透镜的光学材料时，先更换该变焦组元内敏感透镜的光学材料，再更换该变焦组元内其他透镜的光学材料。5.如权利要求3所述一种降低温度调焦频次的变焦光学系统构建方法，其特征在于，步骤s5中，所述更换该变焦组元内透镜的光学材料具体为：将透镜的光学材料更换为线膨胀系数更小的材料，或者将透镜的光学材料更换为温度折射率系数更小的材料；更换透镜的光学材料时，先更换该变焦组元内敏感透镜的光学材料，再更换该变焦组元内其他透镜的光学材料。
技术总结本发明属于变焦光学系统构建方法，为解决现有的光学被动无热化变焦系统，设计难度大，设计繁琐，镜片数量多，光学系统结构非常复杂，且无法满足变焦系统紧凑化、小型化设计要求，以及传统变焦系统在环境温度变化时，变焦全程需要频繁多次调焦的技术问题，提供一种降低温度调焦频次的变焦光学系统构建方法，调整变焦光学系统初始结构光学参数，和/或调整变焦光学系统各组元光学结构，和/或调整变焦光学系统初始结构，判断前固定组是否为调焦组，判断长焦调焦后，短焦在相同温度下的MTF数值是否满足预设要求，判断长焦调焦量与短焦调焦量的差值是否在预设差值内，分析并调整变焦光学系统中对短焦成像质量影响最大的变焦组元。统中对短焦成像质量影响最大的变焦组元。统中对短焦成像质量影响最大的变焦组元。
技术研发人员：闫阿奇 董森
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：2022.03.25
技术公布日：2022/7/4
