CN102393558B - 长焦距高变倍比变焦系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种长焦距高变倍比变焦系统，该系统包括一个或多个固定组、一个或多个可沿主光线方向移动的变焦组、一个或多个切换组；所述切换组安装在切换机构上，可在主光线垂面方向移动，切入切出光路。本发明一方面可通过主光线方向改变变焦组位置使系统焦距变化，另一方面可以通过切换机构使切换组在主光线垂面方向移动，达到切入切出光路的目的，从而改变系统的焦距。当切换组切出光路时，系统变倍比及焦距范围由变焦组决定；当切换组切入时，系统焦距可在原有基础上翻倍，变倍比也随即增加，从而能够使系统的最大焦距及变倍比成几何数级增加。本发明能够达到普通变焦镜头成倍改变变焦组移动距离才能达到的效果，大大减小了系统的体积。

Description

长焦距高变倍比变焦系统

技术领域

本发明属于精密光学仪器技术领域，涉及一种长焦距高变倍比的变焦光学系统，特别涉及一种长焦距、高变倍比、小体积的变焦系统。

背景技术

传统变焦系统只由一个或多个固定组、一个或多个变焦组构成，通过在镜筒内部移动变焦组或者将变焦组固定在可伸缩移动的镜筒内改变系统焦距。这两种方法都是通过改变系统内部光学结构来改变系统焦距。传统变焦系统变倍比大多在50倍以内，最大焦距不超过1米；而且不能集长焦距、高变倍比、小体积的优点与一体：长焦距的变焦系统，即使变倍比取较小值，体积也会很大，如“变焦加切换组\大变焦比光学变焦镜头”(申请号200910305135.8)；变倍比大的变焦系统，为了减小体积，则最大焦距取值较小，如“大变焦比光学变焦镜头”(申请号200920182909.8)；体积较小的变焦系统，焦距及变倍比都会很低，如“小型变焦镜头”(申请号200510007740.9)。

综上所述：传统的变焦系统中，最大焦距较长的，不得不面对体积大，变倍比小的问题；变倍比大的，体积较大；体积较小的，最大焦距及变倍比都很小。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种焦距长，变倍比高，并且体积小的长焦距高变倍比变焦系统。

为了解决上述技术问题，本发明的长焦距高变倍比变焦系统包括一个或多个固定组、一个或多个可沿主光线方向移动的变焦组、一个或多个切换组；所述切换组安装在切换机构上，可在主光线垂面方向移动，切入切出光路。

所述固定组光焦度为正，切换组光焦度为负。

本发明一方面可通过主光线方向改变变焦组位置使系统焦距变化，另一方面可以通过切换机构使切换组在主光线垂面方向移动，达到切入切出光路的目的，从而改变系统的焦距。当切换组切出光路时，系统变倍比及焦距范围由变焦组决定；当切换组切入时，系统焦距可在原有基础上翻倍，变倍比也随即增加，从而能够使系统的最大焦距及变倍比成几何数级增加。本发明能够达到普通变焦镜头成倍改变变焦组移动距离才能达到的效果，大大减小了系统的体积。

所述变焦组固定在滑架上，滑架通过滚动轴承与平行于主光线的导轨连接。通过滑架在导轨上的滑动可使变焦组沿主光线方向移动，进而改变系统的焦距，保证了系统的精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的长焦距高变倍比变焦系统结构示意图。

图2a、2b、2c是切换组切出光路时的变焦范围示意图。

图3a、3b是切换组切入光路时的变焦范围示意图。

图4是本发明实施例的完整结构全剖图。

图5a、5b、5c是对应于图2a、2b、2c切换组切出光路状态下的象散与畸变像差图。

图6a、6b是对应于图3a、3b切换组切入光路状态下的象散与畸变像差图。

具体实施方式

下面以长焦距高变倍比变焦镜头的变焦光学系统为实施例对本发明作详细说明。

如图1所示，长焦距高变倍比变焦系统中沿光线自左向右方向入射分别设置光焦度为正的第一固定组G1、光焦度为负的变焦组G2、光焦度为正的变焦组(也可称为补偿组)G3、光焦度为正的第二固定组G4、光焦度为负的切换组G5和光焦度为正的第三固定组G6；其中第一固定组G1沿主光线方向依次设有第一弯月透镜L1、第一双凸透镜L2、平凸透镜L3；变焦组G2沿主光线方向依次设有平凹透镜L4、第二双凸透镜L5与第一双凹透镜L6密接的胶合透镜、第二双凹透镜L7；补偿组G3沿主光线方向依次设有第三双凸透镜L8、第二弯月透镜L9与第四双凸透镜L10密接的胶合透镜、第三弯月透镜L11，第二固定组G4为第三双凹透镜L12与第四弯月透镜L13密接的胶合透镜；切换组G5沿主光线方向依次设有第五双凸透镜L14与第四双凹透镜L15密接的胶合透镜、第五双凹透镜L16与第五弯月透镜L17密接的胶合透镜；第三固定组G6沿主光线方向依次设有第六弯月透镜L18、第六双凸透镜L19、第六双凹透镜L20和第七双凸透镜L21。

所述变焦组G2、变焦组G3在镜筒内部移动，两变焦组共同移动过程中系统内部光学结构发生改变，从而改变系统焦距。在切换组G5切出情况下，系统焦距由两变焦组位移决定，可以达到12.5mm～750mm范围内变焦，变倍比为60x(如图2a、2b、2c和表2所示)。在切换组G5切入情况下，系统焦距变化范围扩大致25mm～1500mm(如图3a、3b和表2所示)。综上所述，系统可以达到的总的变焦范围是12.5mm～1500mm，总的变倍比为120x。

长焦距高变倍比变焦镜头结构如图4所示，其中1为第一固定组G1的镜筒，2为变焦组G2的镜筒，3为变焦组滑架，4为滚动轴承，5为导轨，6为变焦组G3的镜筒，7为第二固定组G4的镜筒，8为切换组G5的镜筒，9为第三固定组G6镜筒，10为成像系统连接件，11为成像系统。由于系统口径与筒长较大，为了增加变焦时的精确度，在镜筒内部增加导轨5，两个变焦组G2、G3固定在滑架3上，通过滚动轴承4与导轨5连接，又通过滑架3在导轨5上的滑动来移动变焦组G2、G3，进而改变系统焦距，保证了系统的精度。切换组G5的镜筒8通过转轴与镜筒7、镜筒9连接，可绕转轴在主光线垂面方向做一定角度范围内的旋转移动，切入切出光路。镜头通过CCD连接件10与成像系统11连接固定。工作时仅通过镜筒改变变焦组及切换组位置来改变系统焦距，观察不同远近处物体，镜头与成像系统位置不变，精度更高。

本发明通过变焦组及切换组的变化，将不同远近处的物体成像于固定位置的像面处，在满足设计时的分辨率、像差等要求的前提下，加大了该变焦系统的变倍比、增加了该变焦系统的最大焦距、减小了该变焦系统的体积。

本发明的长焦距高变倍比变焦系统，一方面通过轴向改变变焦组位置使系统焦距变化。

所述变焦组可以在镜头的镜筒内部移动，改变系统内部光学结构，从而改变系统的焦距。为了增加长焦距高变倍比变焦系统变焦时的精确度，在镜筒内部增加导轨，变焦组固定在滑架上，通过滚动轴承与导轨连接，又通过滑架在导轨上的滑动来移动，进而改变系统焦距，保证了系统的精度。

所述变焦组也可以利用压圈或隔圈固定在某一镜筒内，该镜筒可以根据调焦需要前后伸缩移动，从而带动变焦组发生位移，改变系统内部光学结构，进而改变系统焦距。

所述变焦组可以有多组，分为变焦组及补偿组，补偿组补偿变焦组移动时内部光学结构变化较小，系统焦距变化较小。两组透镜位置共同变化，内部光学结构变化较大，一定程度上增加了系统的变倍比。

本发明的长焦距高变倍比变焦系统，另一方面也可以利用切换机构将切换组切入或切出光路，从而改变系统焦距。所述切换机构可以采用直线式切换机构，切换组5通过切换机构在主光线垂面方向作直线移动，切入切出光路；切换机构也可以采用旋转式切换机构(如图4所示)，切换组5通过切换机构在主光线垂面方向做一定角度范围内的旋转移动，切入切出光路。当切换组切出光路时，系统变倍比及焦距范围由变焦组决定；当切换组切入时，系统焦距可以在原有基础上翻倍，变倍比也随即增加，从而使系统的最大焦距及变倍比成几何数级增加。本发明替代了普通变焦镜头成倍增加变焦组移动距离才能达到的效果，大大减小了系统的体积。

表1为上述变焦光学系统各光学元件具体设计数据，其中包括各光学元件表面曲率半径R、折射率Nd、阿贝系数Vd及各光学表面之间的距离D(包括各光学元件的厚度及各光学元件之间的空气隙厚度)。表1中第3列数据由上至下依次为主光轴上L1前表面到后表面的距离、L1后表面到L2前表面的距离、L2前表面到后表面的距离、L2到后表面到L3前表面的距离、L3前表面到后表面的距离、L3后表面到L4前表面的距离……、L21后表面到CCD像面的距离。

表2描述了极限焦距状态下的变量数据。其中D6为透镜L3的后表面与透镜L4前表面之间的空气隙厚度；D13为透镜L7的后表面与透镜L8前表面之间的空气隙厚度；D20为透镜L11的后表面与透镜L12前表面之间的空气隙厚度。切出状态1、切出状态2、切出状态3对应于图2a、2b、2c切换组切出光路的状态；切入状态1、切入状态2对应于图3a、3b切换组切入光路的状态。

表1

表2

	切出状态1	切出状态2	切出状态3	切入状态1	切入状态2
						D6	10	170.556217	182.671865	10	202.671865
D13	202.671865	30.564013	10	202.671865	10
						D20	3	14.551635	3	3	3
焦距	12.5	300	750	25	1518

第一固定组G1在调焦过程中其相对位置不变，所以调焦时系统总长度不变。而且，如图5和图6像差图所示，虽然系统的最大焦距远大于现有同类产品，但系统的象散和畸变却小于大多数同类产品，甚至小于一些短焦距的变焦镜头。系统的象散和畸变得到了很好的校正，具有优良的光学性能。本发明不限于上述实施方式，系统还可以由一个固定组、一个变焦组和一个切换组构成，由多个固定组、一个变焦组和一个切换组构成，由多个固定组、多个变焦组和多个切换组构成。应当理解的是，凡是包含了切换组的变焦系统都在本发明意图保护范围之内。

Claims (3)

1.一种长焦距高变倍比变焦系统，包括一个或多个固定组、一个或多个可沿主光线方向移动的变焦组；其特征在于还包括一个切换组；所述切换组安装在切换机构上，可在主光线垂面方向移动，切入切出光路；沿光线自左向右方向入射分别设置光焦度为正的第一固定组（G1）、光焦度为负的变焦组（G2）、光焦度为正的补偿组（G3）、光焦度为正的第二固定组（G4）、光焦度为负的切换组（G5）和光焦度为正的第三固定组（G6）；其中第一固定组（G1）沿主光线方向依次设有第一弯月透镜（L1）、第一双凸透镜（L2）、平凸透镜（L3）；变焦组（G2）沿主光线方向依次设有平凹透镜（L4）、第二双凸透镜（L5）与第一双凹透镜（L6）密接的胶合透镜、第二双凹透镜（L7）；补偿组（G3）沿主光线方向依次设有第三双凸透镜（L8）、第二弯月透镜（L9）与第四双凸透镜（L10）密接的胶合透镜、第三弯月透镜（L11），第二固定组（G4）为第三双凹透镜（L12）与第四弯月透镜（L13）密接的胶合透镜；切换组（G5）沿主光线方向依次设有第五双凸透镜（L14）与第四双凹透镜（L15）密接的胶合透镜、第五双凹透镜（L16）与第五弯月透镜（L17）密接的胶合透镜；第三固定组（G6）沿主光线方向依次设有第六弯月透镜（L18）、第六双凸透镜（L19）、第六双凹透镜（L20）和第七双凸透镜（L21）；第一固定组（G1）、变焦组（G2）、补偿组（G3）、第二固定组（G4）、切换组（G5）和第三固定组（G6）的各光学元件表面曲率半径R、折射率Nd、阿贝系数Vd及各光学表面之间的距离D如表1所示：

表1

。

2.根据权利要求1所述的长焦距高变倍比变焦系统，其特征在于所述变焦组固定在滑架上，滑架通过滚动轴承与平行于主光线的导轨连接。

3.根据权利要求2所述的长焦距高变倍比变焦系统，其特征在于所述切换机构采用直线式切换机构或旋转式切换机构。

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