CN103048775A

CN103048775A - 一种变焦光学系统

Info

Publication number: CN103048775A
Application number: CN2013100210486A
Authority: CN
Inventors: 胡长涛; 粱宏皓; 郑德裕; 刘洪海; 王瑶
Original assignee: PHENIX OPTICAL (GUANGDONG) CO Ltd
Current assignee: Jiangxi Phoenix Optical Technology Co ltd
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: CN103048775B

Abstract

本发明公开了用于电子监控系统的电动变焦镜头，适用于CMOS感光片或CCD芯片这二种感光器件，从物方至像方依次排列的具有折射力的第一透镜组、具有负折射力的第二透镜组、具有负折射力的第三透镜组、具有正折射力的第四透镜组、具有正折射力的第五透镜组；其中，所述第一透镜组、第二透镜组与第三透镜组在变焦过程中相对于感光器件的位置是变动的，所述第四透镜组与第五透镜组在变焦过程中相对于感光器件的位置是固定的。本发明变焦光学系统实现不同物距下实现不同变倍比，其在无限远物距时可实现20倍变焦，在3米物距可实现25倍变焦；同时该光学系统还具有高解像力、低成本、长后焦距等特性。

Description

一种变焦光学系统

技术领域

本发明涉及一种变焦光学系统，尤其是一种无限远物距和微距时可实现不同变倍比的变焦光学系统。

背景技术

目前安防监控用的中大型电动变焦镜头普遍存在倍率较小、像素较低、价格昂贵等缺点。而随着高清视频监控系统的应用与普及，这些市场上流行的低像素小倍率电动变焦镜头的局限性也越来越明显。因此，高倍率、高像素、低成本的新型电动变焦镜头将成为一种市场新趋势。

通常地，小变倍变焦光学系统在设计时只强调其在无限远物距时的焦距和解像力，并不特别去优化微距时的焦距和解像力，因此其只能保证在无限远物距时的变倍比和解像力；

而大变倍变焦光学系统在设计时虽然会同时重点优化无限远物距和微距时的解像力，但对其微距的焦距并不作特别要求，因此其只能保证不同物距时光学系统的解像力和无限远物距时镜头的变倍比。

以上两种类型的变焦光学系统都只实现了无限远物距时光学系统的变倍比特性，而没有对微距的变倍比进行优化和强调，无法满足市场对变焦镜头更高的需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种无限远物距和微距时可实现不同变倍比的变焦光学系统。

本发明采用的技术方案是：一种变焦光学系统，用于电子监控系统的电动变焦镜头，适用于CMOS感光片或CCD芯片这二种感光器件，包括：

从物方至像方依次排列的具有折射力的第一透镜组、具有负折射力的第二透镜组、具有负折射力的第三透镜组、具有正折射力的第四透镜组、具有正折射力的第五透镜组；

其中，所述第一透镜组、第二透镜组与第三透镜组在变焦过程中相对于感光器件的位置是变动的，所述第四透镜组与第五透镜组在变焦过程中相对于感光器件的位置是固定的。

本发明的变焦光学系统从广角端到摄远端变焦过程中，第二透镜组和第三透镜组沿光轴相向移动，以实现改变放大倍率；第一透镜组沿光轴向物方移动，以补偿在放大倍率变化过程中发生的焦点位置移动。

作为本技术方案的进一步限定，所述第一、二、三、四、五透镜组的组合焦距分别为f1、f2、f3、f4、f5，且符合以下条件：100<f1<150, -20<f2<-15, -50<f3<-30, 15<f4<20, 30<f5<50,焦距单位为mm。

作为本技术方案的优化，本发明变焦光学系统具有一固定在第四透镜组一侧的光阑。

作为本技术方案的优化，所述光阑固定设置在第四透镜组靠近物方一侧。

作为本技术方案的进一步改进，所述第二透镜组和第三透镜组共用一个曲线筒单元，当改变放大倍数时，第二透镜组和第三透镜组因是相邻组群，且均是变倍移动组，因此可通过单个的曲线筒单元来一起移动第二透镜组和第三透镜组，简化变焦镜头的结构，降低成本。

其中，所述第一、二、三、四、五透镜组均为至少一个单透镜，或至少一组胶合透镜，或至少一个单透镜与至少胶合透镜的组合。

作为本技术方案的进一步改进，所述第一、二、三、四、五透镜组均采用玻璃球面透镜，避免了使用玻璃非球面镜片，大大提高了该发明的实用性和效益性，省略了非球面模具加工成本。

其中，所述第一透镜组从物方起依次包括：具有正折射力的第十一透镜、具有正折射力的第十二透镜、具有负折射力的第十三透镜，所述第十一透镜与第十二透镜构成胶合透镜。

所述第二透镜组从物方起依次包括：具有正折射力的第二十一透镜、具有正折射力的第二十二透镜、具有负折射力的第二十三透镜、具有负折射力的第二十四透镜，所述第二十二透镜与第二十三透镜构成胶合透镜。

所述第三透镜组从物方起依次包括：具有负折射力的第三十一透镜、具有正折射力的第三十二透镜，所述第三十一透镜与第三十二透镜构成胶合透镜。

所述第四透镜组从物方起依次包括：具有正折射力的第四十一透镜、具有正折射力的第四十二透镜、具有正折射力的第四十三透镜、具有负折射力的第四十四透镜、具有正折射力的第四十五透镜，所述第四十三透镜与第四十四透镜构成胶合透镜。

所述第五透镜组从物方起依次包括：具有正折射力的第五十一透镜、具有正折射力的第五十二透镜。

本发明变焦光学系统的有益效果是：

1. 本发明变焦光学系统设置分别具有正、负、负、正、正折射力的五组透镜组群，通过移动第二、第三透镜组，改变第一至第四透镜组之间的空气间隔实现变倍；

2.通过调整第一透镜组相对于像面的距离实现无穷远物距与微距的切换、以及广角端、中间焦段、摄远端的切换，并补偿因第二、第三透镜组变倍造成的像面偏移，使成像清晰；

3.设置在第四透镜组一侧的光阑，通过固定光阑、第四、第五透镜组，不仅使生产过程中装模简化，提高生产效率，还保证了较长的后焦距；

4. 第二透镜组和第三透镜组共用一个曲线筒单元，结构简化，节约了镜筒数量；

5. 第一、二、三、四、五透镜组均采用玻璃球面透镜，较非球面透镜成本大大降低；

综上所述，配合严格设计各透镜组及其子透镜的光学参数，本发明变焦光学系统实现了无限远物距和微距时不同变倍比的，且有较高解像力，可达百万像素，光学性能较传统小变倍变焦光学系统与大变倍变焦光学系统有极大地提升。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

图1是本发明的变焦示意图；

图2是本发明的广角端剖视示意图；

图3是本发明的中间焦段剖视示意图；

图4是本发明的摄远端剖视示意图；

图5是本发明的第一透镜组的示意图；

图6是本发明的第二透镜组的示意图；

图7是本发明的第三透镜组的示意图；

图8是本发明的第四透镜组的示意图；

图9是本发明的第五透镜组的示意图；

图10是本发明的第一实施例MTF（调制传递函数）值图；

图11是本发明的第二实施例MTF（调制传递函数）值图。

具体实施方式

图1所示为本发明的变焦示意图，一种变焦光学系统，用于电子监控系统的电动变焦镜头，适用于CMOS感光片或CCD芯片这二种感光器件，包括：

从物方至像方依次排列的具有折射力的第一透镜组G1、具有负折射力的第二透镜组G2、具有负折射力的第三透镜组G3、固定在第四透镜组G4靠近G3侧的光阑ST、具有正折射力的第四透镜组G4、具有正折射力的第五透镜组G5；

其中，第一透镜组G1、第二透镜组G2与第三透镜组G3在变焦过程中相对于感光器件的位置是变动的，第四透镜组G4与第五透镜组G5在变焦过程中相对于感光器件的位置是固定的。

图1所示两部分（1-a）、（1-b）即为本发明的变焦光学系统从广角端到摄远端变焦过程，第二透镜组G2和第三透镜组G3沿光轴相向移动，以实现改变放大倍率；第一透镜组G1沿光轴向物方移动，以补偿在放大倍率变化过程中发生的焦点位置移动。

其中，本发明第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4、第五透镜组G5的组合焦距分别为f1、f2、f3、f4、f5，且符合以下条件：100<f1<150, -20<f2<-15, -50<f3<-30, 15<f4<20, 30<f5<50,焦距单位为mm。进一步，第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4、第五透镜组G5均为至少一个单透镜，或至少一组胶合透镜，或至少一个单透镜与至少胶合透镜的组合，且均采用玻璃球面透镜，避免了使用玻璃非球面镜片，大大提高了该发明的实用性和效益性，省略了非球面模具加工成本。

如图5所示，为本发明变焦光学系统的第一透镜组G1，从物方起依次包括：具有正折射力的第十一透镜、具有正折射力的第十二透镜、具有负折射力的第十三透镜，所述第十一透镜与第十二透镜构成胶合透镜。

如图6所示，为本发明变焦光学系统的第二透镜组G2，从物方起依次包括：具有正折射力的第二十一透镜、具有正折射力的第二十二透镜、具有负折射力的第二十三透镜、具有负折射力的第二十四透镜，所述第二十二透镜与第二十三透镜构成胶合透镜。

如图7所示，为本发明变焦光学系统的第三透镜组G3，从物方起依次包括：具有负折射力的第三十一透镜、具有正折射力的第三十二透镜，所述第三十一透镜与第三十二透镜构成胶合透镜。

如图8所示，为本发明变焦光学系统的第四透镜组G4，从物方起依次包括：具有正折射力的第四十一透镜、具有正折射力的第四十二透镜、具有正折射力的第四十三透镜、具有负折射力的第四十四透镜、具有正折射力的第四十五透镜，所述第四十三透镜与第四十四透镜构成胶合透镜。

如图9所示，为本发明变焦光学系统的第五透镜组G5，从物方起依次包括：具有正折射力的第五十一透镜、具有正折射力的第五十二透镜。

图2-图4所示分别为第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4、第五透镜组G5各子透镜组合、以及光阑ST，使本发明光学系统处于广角端、中间焦段、摄远端时的剖视图，可以看出，第四透镜组G4、第五透镜组G5及光阑ST相对于感光器件位置是固定的，而第二透镜组G2沿光轴向像面方向移动，第三透镜组G3沿光轴向物面移动，实现系统的变倍过程，但此时像面未必最清晰，可通过微调第一透镜组G1，来补偿因放大倍数变化造成的像面偏移，使成像清晰。

如上所述，当改变放大倍数时，第二透镜组G2和第三透镜组G3因是相邻组群，且均是变倍移动组，因此本发明变焦光学系统在装配时将第二透镜组G2和第三透镜组G2共用一个曲线筒单元，简化变焦镜头的结构，降低成本。

本发明的第一实施例为该变焦光学系统物距为无穷远时，实现20倍变焦，其中10≤焦距f≤200，表1为第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4、第五透镜组G5各子透镜及其间隔、以及光阑ST等光学元件的具体光学参数，其中，Type透镜类型，Radius曲率半径，Thickness透镜厚度，Glass Name透镜名称，Index折射率，ABB色散系数，Diameter直径。

Surf	Type	Radius	Thickness	Glass Name	Index	ABB	Diameter
								OBJ	STANDARD	INFINITY	INFINITY				INFINITY
1	STANDARD	234.31	2.50	E-FD4	1.76	27.5	70.0
								2	STANDARD	84.114	10.55	PCD4	1.62	63.4	54.66
3	STANDARD	-484.763	0.10				51.3
								4	STANDARD	85.425	6.76	PCD4	1.62	63.4	46.5
5	STANDARD	321.298	T1(变量)				42.5
								6	STANDARD	5187.839	2.00	TAC8	1.73	54.7	31.7
7	STANDARD	36.352	2.16				27.9
								8	STANDARD	151.902	5.61	FDS90	1.85	23.8	27.9
9	STANDARD	-29.516	1.70	TAC8	1.73	54.7	27.01
								10	STANDARD	52.979	3.50				23.0
11	STANDARD	-31.323	1.20	TAC8	1.73	54.7	23.0
								12	STANDARD	413.857	T2（变量）				22.74
13	STANDARD	-31.281	1.00	LAF2	1.74	44.9	17.1
								14	STANDARD	34.759	2.14	FDS1	1.92	20.9	17.8
15	STANDARD	145.306	T3 （变量）				18.0
								STO	STANDARD	INFINITY	0.60				18.0
17	STANDARD	1494.233	2.98	TAC8	1.73	54.7	18.3
								18	STANDARD	-29.529	0.10				18.7
19	STANDARD	82.01	2.76	TAC8	1.73	54.7	18.8
								20	STANDARD	-92.096	2.00				18.7
21	STANDARD	36.94	4.22	PCD4	1.62	63.4	17.7
								22	STANDARD	-29.634	1.00	FDS90	1.85	23.8	17.0
23	STANDARD	48.211	0.10				16.3
								24	STANDARD	20.235	2.57	F5	1.60	38.0	16.2
25	STANDARD	60.472	16.25				15.6
								26	STANDARD	24.958	1.00	TAC8	1.73	54.7	11.6
27	STANDARD	10.543	13.84				11.0
								28	STANDARD	20.052	3.59	BAC4	1.57	56.0	15.2
29	STANDARD	-38.942	13.63				15.6
								IMA	STANDARD	INFINITY	0.00				9.0

表1

表2：为本发明第一实施例无穷远处物距时，第一透镜组G1与第二透镜组G2之间可变距离T1，第二透镜组G2与第三透镜组G3之间可变距离T2，第三透镜组G3与第四透镜组G4之间可变距离T3，分别在广角端、中间焦段、摄远端时的实例：

	广角端	中间焦段	摄远端
				T1	7.00	76.49	85.77
T2	88.03	5.58	2.70
				T3	0.23	7.19	1.60

表2

本发明的第二实施例为该变焦光学系统物距为微距3m时，实现25倍变焦，其中10≤焦距f≤250，表3为第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4、第五透镜组G5各子透镜及其间隔、以及光阑ST等光学元件的具体光学参数，其中，Type透镜类型，Radius曲率半径，Thickness透镜厚度，Glass Name透镜名称，Index折射率，ABB色散系数，Diameter直径。

Surf	Type	Radius	Thickness	Glass Name	Index	ABB	Diameter
								OBJ	STANDARD	INFINITY	3000.00				128.2
1	STANDARD	234.31	2.50	E-FD4	1.76	27.5	70.0
								2	STANDARD	84.114	10.55	PCD4	1.62	63.4	69.1
3	STANDARD	-484.763	0.10				69.0
								4	STANDARD	85.425	6.76	PCD4	1.62	63.4	67.4
5	STANDARD	321.298	T1 （变量）				66.7
								6	STANDARD	5187.839	2.00	TAC8	1.73	54.7	14.4
7	STANDARD	36.352	2.16				13.6
								8	STANDARD	151.902	5.61	FDS90	1.85	23.8	13.1
9	STANDARD	-29.516	1.70	TAC8	1.73	54.7	12.3
								10	STANDARD	52.979	3.50				11.7
11	STANDARD	-31.323	1.20	TAC8	1.73	54.7	11.0
								12	STANDARD	413.857	T2 （变量）				11.1
13	STANDARD	-31.281	1.00	LAF2	1.74	44.9	11.2
								14	STANDARD	34.759	2.14	FDS1	1.92	20.9	11.6
15	STANDARD	145.306	T3 （变量）				11.8
								STO	STANDARD	INFINITY	0.60				12.3
17	STANDARD	1494.233	2.98	TAC8	1.73	54.7	12.7
								18	STANDARD	-29.529	0.10				13.5
19	STANDARD	82.01	2.76	TAC8	1.73	54.7	13.7
								20	STANDARD	-92.096	2.00				13.9
21	STANDARD	36.94	4.22	PCD4	1.62	63.4	14.0
								22	STANDARD	-29.634	1.00	FDS90	1.85	23.8	13.6
23	STANDARD	48.211	0.10				13.5
								24	STANDARD	20.235	2.57	F5	1.60	38.0	13.6
25	STANDARD	60.472	16.25				15.6
								26	STANDARD	24.958	1.00	TAC8	1.73	54.7	10.5
27	STANDARD	10.543	13.84				10.0
								28	STANDARD	20.052	3.59	BAC4	1.57	56.0	14.3
29	STANDARD	-38.942	13.63				15.6
								IMA	STANDARD	INFINITY	0.00				9.0

表3

表4：为本发明第二实施例微距3m时，第一透镜组G1与第二透镜组G2之间可变距离T1，第二透镜组G2与第三透镜组G3之间可变距离T2，第三透镜组G3与第四透镜组G4之间可变距离T3，分别在广角端、中间焦段、摄远端时的实例：

	广角端	中间焦段	摄远端
				T1	7.12	81.7	90.96
T2	88.03	5.58	2.70
				T3	0.23	7.19	1.60

表4

结合两种实施例的表2与表4可知，T2、T3无论在广角端、中间焦段，还是摄远端都无变化，只是T1值不相同，也就是说无穷远物距与微距切换时，只要调整第一透镜组G1，而变倍比只与第一透镜组G1、第二透镜组G2相对于感光器件之间的距离相关。

图10、图11分别为本发明的第一、第二实施例MTF（调制传递函数）值图，该MTF值图基于表1与表2，表3与表4中参数，进行变焦光学镜头最看重的分辨率与反差等品质的测量，定义MTF 值必定大于0，且小于1，在本技术领域MTF 值越接近1，说明镜头的性能越优异，即分辨率高，反差小；其变量为空间频率，空间频率即以一个mm的范围内能呈现出多少条线来度量，其单位以lp/mm来表示；

此外，固定空间频率低频（如10 lp/mm）曲线代表镜头反差特性，这条曲线越高，镜头反差越大。而固定高频（如30 lp/mm）曲线代表镜头分辨率特性，这条曲线越高，镜头分辨率越高。虽然纵坐标还是MTF 值，但横坐标可以另设像场中心到测量点的距离，镜头是以光轴为中心的对称结构，中心向各方向的成像素质变化规律是相同的，由于像差等因素的影响，像场中某点与像场中心的距离越远，其MTF 值一般呈下降的趋势。因此以像场中心到像场边缘的距离为横坐标，可以反映镜头边缘的成像素质。

另外，在偏离像场中心的位置，由沿切线方向的线条与沿径向方向的线条的正弦光栅所测得的MTF 值是不同的。将平行于直径的线条产生的MTF 曲线称为弧矢曲线，标为S （Sagittal），而将平行于切线的线条产生的MTF 曲线称为子午曲线，标为T（Meridional）。如此一来，MTF 曲线一般有两条，即S 曲线和T曲线，图10、图11中，有多组以像场中心到像场边缘的距离为横坐标时MTF变化曲线，反映出本发明变焦透镜系统具有较高解像力，可达百万像素，光学性能较传统小变倍变焦光学系统与大变倍变焦光学系统有极大地提升。

本发明变焦光学系统设置分别具有正、负、负、正、正折射力的五组透镜组群，以及固定在第四透镜组一侧的光阑，通过移动第二、第三透镜组，改变第一至第四透镜组之间的空气间隔实现变倍；通过调整第一透镜组相对于像面的距离实现无穷远物距与微距的切换、以及广角端、中间焦段、摄远端的切换，并补偿因第二、第三透镜组变倍造成的像面偏移，使成像清晰；通过固定光阑、第四、第五透镜组，不仅使生产过程中装模简化，提高生产效率，还保证了较长的后焦距；综上所述，配合严格设计各透镜组及其子透镜的光学参数，本发明变焦光学系统实现了无限远物距和微距时不同变倍比的，且有较高解像力，可达百万像素，光学性能较传统小变倍变焦光学系统与大变倍变焦光学系统有极大地提升。

以上所述仅为本发明的优先实施方式，本发明并不限定于上述实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种变焦光学系统，用于电子监控系统的电动变焦镜头，其特征在于包括：

从物方至像方依次排列有具有正折射力的第一透镜组、具有负折射力的第二透镜组、具有负折射力的第三透镜组、具有正折射力的第四透镜组、具有正折射力的第五透镜组；

2.根据权利要求1所述的一种变焦光学系统，其特征在于：从广角端到摄远端变焦过程中，第二透镜组和第三透镜组沿光轴相向移动，以实现改变放大倍率；第一透镜组沿光轴向物方移动，以补偿在放大倍率变化过程中发生的焦点位置移动。

3.根据权利要求2所述的一种变焦光学系统，其特征在于所述第一、二、三、四、五透镜组的组合焦距分别为f1、f2、f3、f4、f5，且符合以下条件：100<f1<150, -20<f2<-15, -50<f3<-30, 15<f4<20, 30<f5<50,焦距单位为mm。

4.根据权利要求3所述的一种变焦光学系统，其特征在于具有一固定在第四透镜组一侧的光阑。

5.根据权利要求4所述的一种变焦光学系统，其特征在于所述第二透镜组和第三透镜组共用一个曲线筒单元。

6.根据权利要求1-5中任一所述的一种变焦光学系统，其特征在于所述第一、二、三、四、五透镜组均为至少一个单透镜，或至少一组胶合透镜，或至少一个单透镜与至少胶合透镜的组合，所述第一、二、三、四、五透镜组均采用玻璃球面透镜。

7.根据权利要求6所述的一种变焦光学系统，其特征在于所述第一透镜组从物方起依次包括：具有正折射力的第十一透镜、具有正折射力的第十二透镜、具有负折射力的第十三透镜，所述第十一透镜与第十二透镜构成胶合透镜。

8.根据权利要求6所述的一种变焦光学系统，其特征在于所述第二透镜组从物方起依次包括：具有正折射力的第二十一透镜、具有正折射力的第二十二透镜、具有负折射力的第二十三透镜、具有负折射力的第二十四透镜，所述第二十二透镜与第二十三透镜构成胶合透镜。

9.根据权利要求6所述的一种变焦光学系统，其特征在于所述第三透镜组从物方起依次包括：具有负折射力的第三十一透镜、具有正折射力的第三十二透镜，所述第三十一透镜与第三十二透镜构成胶合透镜。

10.根据权利要求6所述的一种变焦光学系统，其特征在于所述第四透镜组从物方起依次包括：具有正折射力的第四十一透镜、具有正折射力的第四十二透镜、具有正折射力的第四十三透镜、具有负折射力的第四十四透镜、具有正折射力的第四十五透镜，所述第四十三透镜与第四十四透镜构成胶合透镜；所述第五透镜组从物方起依次包括：具有正折射力的第五十一透镜、具有正折射力的第五十二透镜。