CN101639569A - 大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头。它从物面侧到像面侧依次包括：前固定组、变倍组、补偿组和后固定组；其对应的组合焦距满足条件式：3.5＜F1/FW＜6，－1.6＜F2/FW＜－0.9，1.1＜F3/FW＜2，1.3＜F4/FW＜1.9，其中，FW为该变焦镜头在广角端状态时的焦距。本发明采用大相对孔径设计，相对孔径达到了1∶2，且在变焦过程中保持不变，可以保证镜头具有高光能利用率；它还具有较大的变倍比和较长的焦距，在变焦过程中成像质量良好；镜头采用像方远心设计，像面大小不随像面移动而改变，且照度均匀；所有玻璃均为中国玻璃，成本较低；在遥感、测量、摄影等领域显示出广阔的应用前景。

Description

大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头

技术领域

本发明涉及一种变焦透镜系统，特别涉及一种具有大相对孔径、长焦距、像方远心且连续变焦的透镜系统，特别适合用于光谱成像仪的前置物镜，也可适用于测量、摄影等领域。

背景技术

光谱成像技术是将光谱技术和成像技术有机结合于一起，在探测地物空间特征的同时，可以几十乃至上百个波段获取地物的光谱特征，大大提高了地物的分类与识别能力，在全球环境、军事等许多领域显示出广阔的应用前景，成为90年代遥感技术发展最为活跃的前沿之一。

进入21世纪，随着科学技术的不断发展，特别是航空航天事业的不断进步，人们对光谱成像仪的技术指标要求也越来越高，如在空间分辨率、光谱分辨率和光谱范围等方面。相应地对光谱成像仪的前置光学系统的要求也越来越高。在本发明作出之前，用于光谱成像仪的前置光学系统的镜头均为定焦镜头，公开号为CN101435913A的中国发明中，公开了一种用于光谱成像仪前置物镜的三反射镜系统，由主镜、次镜和三镜组成，其相对孔径为1/0.5～1/3，焦距为360mm。定焦镜头限制了成像光谱仪只能对地面特定距离的景物成像，若景物超出该特定范围则必须调整成像光谱仪的对地位置，造成很大的不便。

此外，目前市场上及专利中的变焦镜头普遍存在以下缺点：(1)镜头的相对孔径较小，且在变焦过程中变化，光能利用率不高；(2)无法做到像方远心，使得像面大小随着像面的移动而改变，且照度不均匀。公开号为CN1409149A的中国发明专利中，公开了一种变焦镜头系统，相对孔径为1/2.8～1/4.7，焦距为7.4～21.3mm；又如佳能EF-S变焦镜头，相对孔径为1/3.5～1/5.6，焦距为18～200mm，它们均无法满足光谱成像仪前置物镜的使用要求。

因此，研制一种特别适合成像光谱仪使用的前置变焦镜头，以及适用于测量、摄影等领域的变焦镜头具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种大相对孔径的可见光波段连续变焦镜头。该镜头具有高光能利用率和像方远心的特点，特别适合用作高分辨率成像光谱仪的前置系统，也适合用于测量、摄影等领域。像面大小不随像面移动而改变，且照度均匀。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头，按从物体侧起的顺序，它所包括的透镜组为前固定组、变倍组、补偿组和后固定组，各组的组合焦距满足如下条件式：3.5＜F1/FW＜6，-1.6＜F2/FW＜-0.9，1.1＜F3/FW＜2和1.3＜F4/FW＜1.9，其中，F1、F2、F3及F4分别为前固定组、变倍组、补偿组和后固定组的组合焦距，FW为该变焦镜头在广角端状态时的焦距；所述的前固定组由一个双胶合透镜和一个负透镜组成；所述的变倍组由一个负透镜和一个双胶合透镜组成；所述的补偿组由一个正透镜和一个双胶合透镜组成；所述的后固定组包括前组和后组，所述的前组由一个双胶合透镜和一个正透镜组成，其合成焦距为负值，所述的后组由一个双胶合透镜组成，其焦距为正值。

该大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头从广角端状态变焦到远摄端状态时，前固定组和后固定组固定不动，变倍组移向像侧，补偿组移向物体侧。

该大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头的光阑固定于补偿组和后固定组之间。

该大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头的后固定组中前组的双胶合透镜，其后表面为非球面。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、由于采用大相对孔径设计，相对孔径达到了1∶2，且在变焦过程中保持不变，可以保证镜头具有高光能利用率；

2、具有较大的变倍比和较长的焦距，在变焦过程中成像质量良好；

3、采用像方远心设计，像面大小不随像面移动而改变，且照度均匀。

4、所有玻璃均为中国玻璃，成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例的大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头在广角端状态时的系统构成示意图；

图2为本发明实施例的大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头在中间焦段时的系统构成示意图；

图3为本发明实施例的大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头在远摄端状态时的系统构成示意图；

图4A、图4B和图4C分别为本发明实施例的大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头在广角端状态时的球差特性曲线图、色散特性曲线图和畸变百分数曲线图；

图5A、图5B和图5C分别为本发明实施例的大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头在中间焦段时的球差特性曲线图、色散特性曲线图和畸变百分数曲线图；

图6A、图6B和图6C分别为本发明实施例的大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头在远摄端状态时的球球差特性曲线图、色散特性曲线图和畸变百分数曲线图；

图7本发明实施例的大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头在广角端状态时的传递函数曲线图；

图8本发明实施例的大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头在中间焦段时的传递函数曲线图；

图9本发明实施例的大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头在远摄端状态时的传递函数曲线图。

其中，1(2)、前固定组的双胶合透镜；3、前固定组的负透镜；4、变倍组的负透镜；5(6)、变倍组的双胶合透镜；7、补偿组的正透镜；8(9)、补偿组的双胶合透镜；10(11)、后固定组前组的双胶合透镜；12、后固定组前组的正透镜；13(14)、后固定组后组的双胶合透镜。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述。

实施例1：

本实施例提供一种大相对孔径长焦距像方远心的变焦镜头。参见附图1、图2及图3，系统为四组十四片五个双胶合结构，使用六种中国玻璃，采用机械补偿法正组补偿结构。按从物体侧起的顺序包括具有正光焦度的前固定组、具有负光焦度的变倍组、具有正光焦度的补偿组及具有负光焦度的后固定组。其中，前固定组及后固定组固定设置，变倍组及补偿组移动(沿光轴)设置。按该结构，可通过改变变倍组及补偿组之间的位置，以改变变焦镜头的有效焦距，实现变焦功能。例如，变倍组向物体侧移动，补偿组向像面侧移动，将缩短变焦镜头的有效焦距，反之，增长变焦镜头的有效焦距。图1的变焦镜头具有广角倍率；图2的变焦镜头具有中间倍率；图3的变焦镜头具有远摄倍率。

在本实施例中，前固定组由一个具有正光焦度的双胶合透镜1和2及一个负透镜3组成，变倍组由一个负透镜4及一个具有负光焦度的双胶合透镜5和6组成，补偿组由一个正透镜7及一个具有正光焦度的双胶合透镜8和9组成，后固定组分为前组和后组两部分，其中，前组由一个具有负光焦度双胶合透镜10和11及一个正透镜12组成，该双胶合透镜11的后表面为非球面，它的后组由一个具有正光焦度的双胶合透镜13和14组成，系统的光阑固定于补偿组和后固定组之间，以限制轴外光线产生较严重的畸变和场曲，并保证了像方的数值孔径不随物距改变而改变。

本实施例变焦镜头各组的组合焦距满足下列条件式：

(1)3.5＜F1/FW＜6，

(2)-1.6＜F2/FW＜-0.9，

(3)1.1＜F3/FW＜2，

(4)1.3＜F4/FW＜1.9，

其中F1、F2、F3及F4分别为前固定组、变倍组、补偿组以及后固定组的组合焦距，FW为该变焦镜头在广角端状态时的焦距。

对上述(1)～(4)条件式的技术意义分析如下：

条件式(1)～(4)对变焦镜头光焦度进行合理分配，保证变焦镜头在变焦范围内具有较高的分辨率，具有足够的后焦距，并且满足像方远心的要求。

若低于条件式(1)的下限时，则很难校正大相对孔径下变焦产生的像差。另一方面，若高于其上限时，则使得口径和总长增大，系统变为大型化。

若低于条件式(2)的下限时，透镜的移动量变得过大，系统变为大型化。另一方面，若高于其上限时，则很难校正大相对孔径下变焦产生的像差。

若低于条件式(3)的下限时，则很难校正大相对孔径下变焦产生的像差。另一方面，若高于其上限时，透镜的移动量变得过大，系统变为大型化。

若低于条件式(4)的下限时，则很难校正大相对孔径下变焦产生的像差。另一方面，若高于其上限时，后截距变得过长，系统变为大型化。

参见图4A至图9，以具体实施例来详细说明该变焦镜头。

在本实施例中，第11片透镜的后表面为非球面，由下式定义，

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{Ar}}^4+{\mathrm{Br}}^6+{\mathrm{Cr}}^8+{\mathrm{Dr}}^{10}+{\mathrm{Er}}^{12}\mathrm{\Λ}$

其中，z为沿光轴方向的坐标，c为顶点处的基本曲率；k为二次曲面系数；r为垂直光轴方向的径向坐标；A，B，C，D，E…为非球面系数。

R为对应表面的曲率半径，D为对应表面到后一个表面的轴上距离，Glass为对应透镜的玻璃种类，F1、F2、F3、F4及F分别为前固定组、变倍组、补偿组、后固定组及变焦镜头的有效焦距。

本实施例中，取设计参数F1＝315毫米(Millimeter，mm)，F2＝-87mm，F3＝95mm，F4＝81mm。

所提供变焦镜头的具体参数参见表1、表2和表3。

表1基本透镜数据

	R(mm)	D(mm)	Glass
				第1片透镜前表面	162.6948	5.0000	ZF2_CHINA
第1片透镜后表面第2片透镜前表面	89.4998	20.8701	ZK7_CHINA
				第2片透镜后表面	1856.4656	0.1000
第3片透镜前表面	192.3547	8.0000	ZF6_CHINA
				第3片透镜后表面	178.0623	D1(可变)
第4片透镜前表面	-560.2406	5.0000	K9_CHINA
				第4片透镜后表面	178.0159	10.4597
第5片透镜前表面	-108.5705	3.5000	K9_CHINA
				第5片透镜后表面第6片透镜前表面	64.6913	7.1893	ZF14_CHINA

第6片透镜后表面	137.2708	D2(可变)
				第7片透镜前表面	157.1832	11.0717	ZK11_CHINA
第7片透镜后表面	-171.6330	0.1000
				第8片透镜前表面	179.8598	3.5000	ZF2_CHINA
第8片透镜后表面第9片透镜前表面	38.4747	18.7067	ZK7_CHINA
				第9片透镜后表面	472.1023	D3(可变)
光阑	infinity	10.7686
				第10片透镜前表面	-190.7899	3.5000	ZF2_CHINA
第10片透镜后表面第11片透镜前表面	50.0000	8.9166	ZF14_CHINA
				第11片透镜后表面	53.9404	3.0491
第12片透镜前表面	127.3688	5.9897	ZK7_CHINA
				第12片透镜后表面	-115.7911	46.7059
第13片透镜前表面	95.9336	9.0999	ZK11_CHINA
				第13片透镜后表面第14片透镜前表面	-59.1671	3.5000	ZF6_CHINA
第14片透镜后表面	-81.0920	51.1501
				像面	infinity

表2第11片透镜后表面的非球面数据

K	A	B
			0.0000	7.1872130e-007	5.5836544e-010
C	D	E
			6.8182807e-013	-9.7419185e-016	8.3661539e-018

表3变焦时各焦段的数据

	广角端	中焦端	远摄端
				焦距	55	137.5	220
相对孔径	1∶2	1∶2	1∶2
				视场角	8	3.2	2
像高	3.84	3.84	3.84

总长	350	350	350
				D1	10.0000	76.2518	96.9076
D2	141.9727	49.5696	5.0000
				D3	3.0000	29.1513	50.6267

参见图4A～图6C，它是本实施例所述大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头的球差、场区及畸变的像差特性曲线。图4A、4B和4C对应广角端状态的变焦镜头，图5A、5B和5C对应中间焦段的变焦镜头，图6A、6B和6C对应远摄端状态的变焦镜头。由图4A、图5A和图6A可见，实施例所提供的大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头对可见光(400～700nm)产生的球差小于0.06mm。由图4B、图5B和图6B可见，实施例所提供的变焦镜头，其子午场区值(S)及弧失场曲值(T)小于0.03mm。由图4C、图5C和图6C可见，实施例所提供的变焦镜头，其畸变量小于0.6％。综上所述，在保证大相对孔径及像方远心的前提下，实施例所提供的大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头在变焦范围内，其产生的球差、场曲及畸变较小。

参见图7～图9，它是本实施例所述大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头的传递函数曲线图，图7对应广角端状态的变焦镜头，图8对应中间焦段的变焦镜头，图9对应远摄端状态的变焦镜头。由图7、图8和图9可见，在奈奎斯特频率35lp/mm处MTF值大于0.77。

应该指出，上述实施例仅为本发明的较佳实施方式，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化。这些依据本发明精神所做的变化，都应包括在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头，按从物体侧起的顺序，它所包括的透镜组为前固定组、变倍组、补偿组和后固定组，其特征在于：各组的组合焦距满足如下条件式：3.5＜F1/FW＜6，-1.6＜F2/FW＜-0.9，1.1＜F3/FW＜2和1.3＜F4/FW＜1.9，其中，F1、F2、F3及F4分别为前固定组、变倍组、补偿组和后固定组的组合焦距，FW为该变焦镜头在广角端状态时的焦距；所述的前固定组由一个双胶合透镜和一个负透镜组成；所述的变倍组由一个负透镜和一个双胶合透镜组成；所述的补偿组由一个正透镜和一个双胶合透镜组成；所述的后固定组包括前组和后组，所述的前组由一个双胶合透镜和一个正透镜组成，其合成焦距为负值，所述的后组由一个双胶合透镜组成，其焦距为正值。

2.根据权利要求1所述的一种大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头，其特征在于：从广角端状态变焦到远摄端状态时，变倍组移向像侧，补偿组移向物体侧。

3.根据权利要求1所述的一种大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头，其特征在于：光阑固定于补偿组和后固定组之间。

4.根据权利要求1所述的一种大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头，其特征在于：所述的后固定组中前组的双胶合透镜，其后表面为非球面。

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