CN103955059A - 一种变焦系统及其凸轮曲线实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变焦系统及变焦系统的凸轮曲线实现方法，其中，方法包括根据变焦系统的技术指标要求，确定前固定镜组的焦距、变倍镜组的焦距、补偿镜组的焦距以及后固定镜组的焦距，以及确定前固定镜组的结构、变倍镜组的结构、补偿镜组的结构以及后固定镜组的结构；确定变焦系统在不同焦距下，对应的多组前固定镜组焦点与变倍镜组焦点之间的距离L1、变倍镜组焦点与补偿镜组焦点之间的距离L2，以及补偿镜组焦点与后固定镜组焦点之间的距离L3；根据多组L1、L2以及L3得到凸轮曲线。使镜组以最小的移动距离来实现所需变倍比及结构上的小型化，而且凸轮曲线更易加工。

Description

一种变焦系统及其凸轮曲线实现方法

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种变焦系统及其凸轮曲线实现方法。

背景技术

早在20世纪，变焦系统就广泛应用于显微、照相、望远等领域中。近年来，随着光学仪器不断发展，变焦镜头发展迅速起来，逐渐向着高变倍比、小型化、高像质的方向发展，使变焦镜头的应用领域越来越广泛。

变焦系统的小型化和凸轮曲线的优化是设计变焦系统时重点考虑的因素。变焦系统的运动组份只有沿着已设计好的凸轮曲线准确运动，才能保证各个焦距处的像面稳定，成像质量较好。

变焦系统的小型化设计目前采用较多的是引入非球面或者二元衍射元件，或使用液体透镜来缩短总长，这些方法加工上不容易实现，且成本较高，不能满足变焦镜头的各领域使用。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种变焦系统及其凸轮曲线实现方法，优化凸轮曲线实现系统小型化。

本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的：

一种变焦系统，包括依次设置的前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组和后固定镜组，所述前固定镜组包括依次设置的四个单透镜，所述变倍镜组包括依次设置的一个单透镜和一个双胶合透镜，所述补偿镜组包括一个双胶合透镜，所述后固定镜组包括依次设置的两个单透镜和两个双胶合透镜，所述前固定镜组的焦距为303mm、所述变倍镜组的焦距为-53mm、所述补偿镜组的焦距为115mm，所述后固定镜组的焦距为54mm。

一种变焦系统的凸轮曲线实现方法，包括：

根据变焦系统的技术指标要求，确定前固定镜组的焦距、变倍镜组的焦距、补偿镜组的焦距以及后固定镜组的焦距，以及确定所述前固定镜组的结构、所述变倍镜组的结构、所述补偿镜组的结构以及所述后固定镜组的结构；

确定变焦系统在不同焦距下，对应的多组所述前固定镜组焦点与所述变倍镜组焦点之间的距离L1、所述变倍镜组焦点与所述补偿镜组焦点之间的距离L2，以及所述补偿镜组焦点与所述后固定镜组焦点之间的距离L3；

根据多组所述L1、L2以及L3得到凸轮曲线。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，建立变焦系统的焦距与各组份之间的空气间隔的关系，从而得出任一焦距处各组份之间的可变厚度，将焦距按照一定的步长设置，就可得出多组空气间隔，从而可得出最后加工的凸轮曲线，在保证像质的条件下，使镜组以最小的移动距离来实现所需变倍比及结构上的小型化，轻量化、简单化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例变焦系统的凸轮曲线实现方法的流程示意图。

图2为本发明实施例的变焦系统的光学结构图。

图3为本发明实例的变焦系统短焦时光学结构图。

图4为本发明实例的变焦系统中焦时光学结构图。

图5为本发明实例的变焦系统长焦时光学结构图。

图6为本发明实例光学系统长焦处全视场的传递函数。

图7为本发明实例光学系统短焦处全视场的传递函数。

图8为本发明实施例的变焦系统凸轮优化设计曲线。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种变焦系统的凸轮曲线实现方法，包括：

11、根据变焦系统的技术指标要求，确定前固定镜组的焦距、变倍镜组的焦距、补偿镜组的焦距以及后固定镜组的焦距，以及确定所述前固定镜组的结构、所述变倍镜组的结构、所述补偿镜组的结构以及所述后固定镜组的结构；

12、确定变焦系统在不同焦距下，对应的多组所述前固定镜组焦点与所述变倍镜组焦点之间的距离L1、所述变倍镜组焦点与所述补偿镜组焦点之间的距离L2，以及所述补偿镜组焦点与所述后固定镜组焦点之间的距离L3；

13、根据多组所述L1、L2以及L3得到凸轮曲线。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，建立变焦系统的焦距与各组份之间的空气间隔的关系，这样可以检索出任何一个焦距处各组份之间的可变厚度，将焦距按照一定的步长设置，就可得出多组空气间隔，从而可得出最后加工的凸轮曲线，在保证像质的条件下，使镜组以最小的移动距离来实现所需变倍比及结构上的小型化，轻量化、简单化。

具体而言，依据高斯理论，根据变焦系统的技术指标要求，确定前固定镜组的焦距、变倍镜组的焦距、补偿镜组的焦距以及后固定镜组的焦距。

示例性的，所述变焦系统的技术指标要求可以包括：变倍比为20，变焦范围为30～600mm(毫米)，视场角为16度，相对孔径为4，光谱范围为0.45～0.65μm(微米)，所述变焦系统总长＜420mm；

根据变焦系统的技术指标要求，确定所述前固定镜组的焦距为303mm、所述变倍镜组的焦距为-53mm、所述补偿镜组的焦距为115mm，所述后固定镜组的焦距为54mm。

其中，本领域技术人员可以理解，变倍比为长焦的焦距值与短焦焦距数值的比值，在此不做赘述。

本领域技术人员可以理解，焦距指光入射时从透镜光心到光聚集之焦点的距离。

进一步的，通过光学软件，优化出所述前固定镜组的焦距为303mm、所述变倍镜组的焦距为-53mm、所述补偿镜组的焦距为115mm，所述后固定镜组的焦距为54mm时，所述前固定镜组的结构、所述变倍镜组的结构、所述补偿镜组的结构以及所述后固定镜组的结构。

示例性的，前固定镜组包括依次设置的四个单透镜，变倍镜组包括依次设置的一个单透镜和一个双胶合透镜，补偿镜组包括一个双胶合透镜，后固定镜组24包括依次设置的两个单透镜和两个双胶合透镜。

其中，补偿镜组采用一个双胶合透镜，相对镜片数目少，有利于补偿镜组做曲线运动，如果镜片数多，结构件也互相对的复杂。

本发明实施例变焦系统的凸轮曲线实现方法中，变倍镜组和补偿镜组统称为运动组，前固定镜组和后固定镜组统称为固定镜组。本领域技术人员可以理解，变焦系统的运动组沿着设计好的凸轮曲线准确运动，从而保证各个焦距处的像面稳定，成像质量较好。

本领域技术人员可以理解，单透镜指一个单独的透镜，胶合透镜指两个透镜胶合到一起得到的透镜结构，单透镜和双胶合透镜在结构上没有特殊限制。

单透镜和双胶合透镜可以为两种常规玻璃材料，如ZF6和ZK9玻璃材料，单透镜和双胶合透镜可以为球面，易于加工和降低成本。

可见，先由光学理论计算出每个组份的焦距作为光学初始结构，然后再通过光学设计软件对每个组份进行优化设计，改变的只是组份构成的透镜的曲率半径，整体结构形式一般不会改变。

而且，设置三个多重结构来构建长焦、中焦、短焦三重结构，构建成一个初始结构。

具体而言，基于牛顿公式推导，确定变焦系统在不同焦距下，对应的多组L1、L2，以及L3，可以包括：

根据 $\mathrm{\Δ}=84.401663+K*5.580321*\sqrt{f+\frac{25699.156853}{f}-103.913185}$

确定 $L1=(1-\frac{121.963969}{f})*\frac{6561.539632}{\mathrm{\Δ}}+165.292673$

L2＝△-164.450566

L3＝241.878014-L1-L2

且，L1+L2+L3＝C

其中，变焦系统的焦距为f，K为常数，其取值为1，C为常量，其为一个不变数，△为所述变倍镜组像方焦点到所述补偿镜组物方焦点的距离。

可见，可以得到30到600mm中任意焦距f对应的L1、L2，以及L3。

而且，将运动组的焦点间距离与整个系统的焦距通过光学推导公式联系起来，进而转换成系统焦距与运动组间距的函数关系，本领域技术人员可以理解，物方焦点是使像成在无穷远的物位置，像方焦点是物在无穷远处所成的像位置。

本领域技术人员可以理解，前固定镜组焦点、变倍镜组焦点、补偿镜组焦点、后固定镜组焦点为像方焦点。

将上述程序写入光学软件中，就可得焦距从30到600mm内任意位置运动组间的空气间隔，将得出的多组数据拟合出凸轮曲线。

具体的，根据多组所述L1、L2以及L3得到凸轮曲线，可以包括：

将凸轮的转角和凸轮的半径值作为优化变量，输入多组所述L1、L2以及L3，采用最小二乘法拟合得出从短焦到长焦最快速的变焦曲线，经过多次的优化，最后得出一种最紧湊的凸轮曲线结构。

本领域技术人员可以理解，凸轮曲线的压力角即为曲线在任何位置的斜率值。

本领域技术人员可以理解凸轮曲线优化方法，在此不作赘述。

如图2所示，对应上述实施例变焦系统的凸轮曲线实现方法，本发明实施例提供一种变焦系统，包括依次设置的前固定镜组21、变倍镜组22、补偿镜组23和后固定镜组24：

前固定镜组21包括依次设置的四个单透镜，变倍镜组22包括依次设置的一个单透镜和一个双胶合透镜，补偿镜组23包括一个双胶合透镜，后固定镜组24包括依次设置的两个单透镜和两个双胶合透镜；

前固定镜组21的焦距为303mm、变倍镜组22的焦距为-53mm、补偿镜组3的焦距为115mm，后固定镜组24的焦距为54mm。

本发明实施例变焦系统的变倍比为20，变焦范围为30～600mm，视场角为16度，相对孔径为4，光谱范围为0.45～0.65μm，所述变焦系统总长＜420mm。

其中，补偿镜组采用一个双胶合透镜，相对镜片数目少，有利于补偿镜组做曲线运动，如果镜片数多，结构件也互相对的复杂。

本发明实施例变焦系统的焦距f与所述前固定镜组焦点与所述变倍镜组焦点之间的距离L1、所述变倍镜组焦点与所述补偿镜组焦点之间的距离L2，以及所述补偿镜组焦点与所述后固定镜组焦点之间的距离L3之间满足：

$\mathrm{\Δ}=84.401663+K*5.580321*\sqrt{f+\frac{25699.156853}{f}-103.913185}$

$L1=(1-\frac{121.963969}{f})*\frac{6561.539632}{\mathrm{\Δ}}+165.292673$

L2＝△-164.450566

L3＝241.878014-L1-L2

L1+L2+L3＝C

其中，变焦系统的焦距为f，K为常数，其取值为1，C为常量，其为不变数，△为所述变倍镜组像方焦点到所述补偿镜组物方焦点的距离，得到不同变焦系统的焦距f对应的L1、L2，以及L3。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，建立变焦系统的焦距与各组份之间的空气间隔的关系，这样可以检索出任何一个焦距处各组份之间的可变厚度，将焦距按照一定的步长设置，就可得出多组空气间隔，从而可得出最后加工的凸轮曲线，在保证像质的条件下，使镜组以最小的移动距离来实现所需变倍比及结构上的小型化，轻量化、简单化。

本发明实施例变焦系统，凸轮曲线的压力角即为曲线在任何位置的斜率值。

本领域技术人员可以理解，单透镜指一个单独的透镜，胶合透镜指两个透镜胶合到一起得到的透镜结构，单透镜和双胶合透镜在结构上没有特殊限制。

单透镜和双胶合透镜可以为两种常规玻璃材料，如ZF6和ZK9玻璃材料，单透镜和双胶合透镜可以为球面镜，易于加工和降低成本。

本领域技术人员可以理解，物方焦点是使像成在无穷远的物位置，像方焦点是物在无穷远处所成的像位置。

具体而言，本发明实施例变焦系统，前固定镜组21、变倍镜组22、补偿镜组23和后固定镜组24由高斯光学理论推导出来的，然后分配出各个组份的焦距，再对各个组份单独来做优化设计出来的，透镜的构成都是用软件优化出来，校正像差效果较好的结构形式。

可见，先由光学理论计算出每个组份的焦距作为光学初始结构，然后再通过光学设计软件对每个组份进行优化设计，改变的只是组份构成的透镜的曲率半径，整体结构形式一般不会改变。

下面具体说明本发明实施例变焦系统：

首先，根据变焦系统的技术指标要求，选择合适的补偿方式，其变倍比为20，变焦范围从30到600mm，视场角为16度，相对孔径为4，光谱范围从0.45～0.65μm(，系统总长小于420mm。

依据高斯理论，恰当的选取变倍镜组、补偿镜组和前固定镜组焦距值。

由于前固定镜组对系统二组光谱贡献比较大，所以经理论计算和优化设计取其结构由四片透镜构成，四个单透镜构成，其焦距值为303mm。

变倍镜组，经理论计算和优化设计取其结构由三片透镜构成，即一个单透镜和一个双胶合透镜组成，其焦距值为-53mm。

补偿镜组，由于变倍比较大，且系统要求长度较短。综合考虑选择负组补偿结构形式，易实现大变倍比小型化的要求。而且，补偿镜组做曲线运动，相对镜片数目需要少，有利于做曲线运动。经理论计算和优化设计取其结构由一个双胶合透镜组成，其焦距值为-115mm。

后固定镜组，由于后固定镜组主要补偿像差，经理论计算和优化设计取其结构由两个双胶合和两个单透镜组成，其焦距值为54mm。

然后，把前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组和后固定镜组的空气间隔(焦点之间的距离)由光学理论计算出来。设置多重结构来构建长焦、中焦、短焦三重结构，构建成一个初始结构。如图3所示本发明实施例变焦系统的短焦示意图，如图4所示本发明实施例变焦系统的中焦示意图，如图5所示本发明实施例变焦系统的长焦示意图：

然后，将已编制的程序嵌套到光学软件中，在凸轮曲线优化的同时也要保证成像质量，进一步优化得到满足要求的系统。

凸轮曲线的优化是基于牛顿公式推导的，将运动组(变倍镜组和补偿镜组)的焦点间距离与整个系统的焦距通过光学推导公式联系起来，进而转换成系统焦距与运动组间距的函数关系，可以直接描述出变焦光学系统的焦距与各组份之间的空气间隔的关系，这样可以检索出任何一个焦距处各组份之间的可变厚度，将焦距按照一定的步长设置，就可得出多组空气间隔，从而可得出最后加工的凸轮曲线。

设固定镜组与变倍镜组的空气间隔、变倍镜组与补偿镜组的空气间隔、补偿镜组与后固定镜组的空气间隔分别为L1、L2、L3，整个系统在任意一个位置处的焦距值为f，则

$\mathrm{\Δ}=84.401663+K*5.580321*\sqrt{f+\frac{25699.156853}{f}-103.913185}$

$L1=(1-\frac{121.963969}{f})*\frac{6561.539632}{\mathrm{\Δ}}+165.292673$

L2＝△-164.450566

L3＝241.878014-L1-L2

L1+L2+L3＝C

其中，K为常数，其取值为1，C为常量，是一个不变数。△为变倍镜组像方焦点到补偿镜组物方焦点的距离。

将此程序写入光学软件中，就可得焦距从30到600mm内任意位置运动组间的空气间隔，将得出的多组数据拟合出凸轮曲线。

具体的，将凸轮的转角和凸轮的半径值作为优化变量，可多次输入不同数值，采用最小二乘法拟合得出从短焦到长焦最快速的变焦曲线，经过多次的优化，最后得出一种最紧湊的凸轮曲线结构。

如图6和7所示，本发明实例所光学系统的长焦和短焦处全视场的传递函数，其中纵坐标Modulus of the OTF为MTF调制传递函数值，横坐标Spatial Frequency in cycles permm为空间频率，单位为线对数/毫米，此系统截止频率为了100lp/mm，从图6和7中可以看出，在短焦和长焦位置处，系统的MTF值都大于0.4，能满足成像质量要求。

如图8所示，凸轮转角为240度，凸轮曲线稳定平滑，斜率变化较小，容易加工。

图8中，变倍镜组的运动曲线X1＝L1+a

补偿镜组的运动曲线(图中以圆圈线条示意)X2＝X1+L2+b

a为变倍镜组的移动步进量，b为补偿镜组的移动步进量。

X1总行程为：108.15

X2总行程为：157.55

幂指数：2.000

系数A：0.009896

综合上述描述，本发明实施例变焦系统具体有如下优点：

实现了系统的小型化，最终的变焦系统长度为长焦时的0.7倍，很好的体现了大变倍比、小型化的要求；

补偿镜组只采用一个双胶合透镜，有利于凸轮曲线的运动；

通过程序的嵌入可以直观的描述任何一个焦距处的不同镜组的空气间隔；

凸轮曲线的压力角较小，曲线平滑，利于加工。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种变焦系统的凸轮曲线实现方法，其特征在于，包括：

根据变焦系统的技术指标要求，确定前固定镜组的焦距、变倍镜组的焦距、补偿镜组的焦距以及后固定镜组的焦距，以及确定所述前固定镜组的结构、所述变倍镜组的结构、所述补偿镜组的结构以及所述后固定镜组的结构；

确定变焦系统在不同焦距下，对应的多组所述前固定镜组焦点与所述变倍镜组焦点之间的距离L1、所述变倍镜组焦点与所述补偿镜组焦点之间的距离L2，以及所述补偿镜组焦点与所述后固定镜组焦点之间的距离L3；

根据多组所述L1、L2以及L3得到凸轮曲线。

2.根据权利要求1所述的变焦系统的凸轮曲线实现方法，其特征在于，所述根据变焦系统的技术指标要求，确定前固定镜组的焦距、变倍镜组的焦距、补偿镜组的焦距以及后固定镜组的焦距，包括：

所述变焦系统的技术指标要求包括：变倍比为20，变焦范围为30～600mm，视场角为16度，相对孔径为4，光谱范围为0.45～0.65μm，所述变焦系统总长＜420mm；

根据变焦系统的技术指标要求，确定所述前固定镜组的焦距为303mm、所述变倍镜组的焦距为-53mm、所述补偿镜组的焦距为115mm，所述后固定镜组的焦距为54mm；

确定所述前固定镜组的结构、所述变倍镜组的结构、所述补偿镜组的结构以及所述后固定镜组的结构，包括：

确定所述前固定镜组包括依次设置的四个单透镜，所述变倍镜组包括依次设置的一个单透镜和一个双胶合透镜，所述补偿镜组包括一个双胶合透镜，所述后固定镜组24包括依次设置的两个单透镜和两个双胶合透镜。

3.根据权利要求1或2所述的变焦系统的凸轮曲线实现方法，其特征在于，所述确定变焦系统在不同焦距下，对应的多组L1、L2，以及L3，包括：

根据 $\mathrm{\Δ}=84.401663+K*5.580321*\sqrt{f+\frac{25699.156853}{f}-103.913185}$

确定 $L1=(1-\frac{121.963969}{f})*\frac{6561.539632}{\mathrm{\Δ}}+165.292673$

L2＝△-164.450566

L3＝241.878014-L1-L2

且，L1+L2+L3＝C

其中，变焦系统的焦距为f，K为常数，其取值为1，C为常量，其为不变数，△为所述变倍镜组像方焦点到所述补偿镜组物方焦点的距离，得30到600mm内不同变焦系统的焦距f对应的L1、L2，以及L3。

4.根据权利要求3所述的变焦系统的凸轮曲线实现方法，其特征在于，所述根据多组所述L1、L2以及L3优化凸轮的转角和凸轮的半径，得到凸轮曲线，包括：

将凸轮的转角和凸轮的半径值作为优化变量，根据多组所述L1、L2以及L3，采用最小二乘法拟合得到变焦系统从短焦到长焦最快速的变焦曲线。

5.一种变焦系统，其特征在于，包括依次设置的前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组和后固定镜组，所述前固定镜组包括依次设置的四个单透镜，所述变倍镜组包括依次设置的一个单透镜和一个双胶合透镜，所述补偿镜组包括一个双胶合透镜，所述后固定镜组包括依次设置的两个单透镜和两个双胶合透镜，所述前固定镜组的焦距为303mm、所述变倍镜组的焦距为-53mm、所述补偿镜组的焦距为115mm，所述后固定镜组的焦距为54mm。

6.根据权利要求5所述的变焦系统，其特征在于，所述变焦系统的变倍比为20，变焦范围为30～600mm，视场角为16度，相对孔径为4，光谱范围为0.45～0.65μm，所述变焦系统总长＜420mm。

7.根据权利要求5或6所述的变焦系统，其特征在于，所述变焦系统的焦距f与所述前固定镜组与所述变倍镜组焦点之间的距离L1、所述变倍镜组与所述补偿镜组焦点之间的距离L2，以及所述补偿镜组与所述后固定镜组焦点之间的距离L3之间满足：

$\mathrm{\Δ}=84.401663+K*5.580321*\sqrt{f+\frac{25699.156853}{f}-103.913185}$

定 $L1=(1-\frac{121.963969}{f})*\frac{6561.539632}{\mathrm{\Δ}}+165.292673$

L2＝△-164.450566

L3＝241.878014-L1-L2

L1+L2+L3＝C

其中，变焦系统的焦距为f，K为常数，其取值为1，C为常量，其为不变数，△为所述变倍镜组像方焦点到所述补偿镜组物方焦点的距离，得到30到600mm内不同变焦系统的焦距f对应的L1、L2，以及L3。

8.根据权利要求5或6所述的变焦系统，其特征在于，所述单透镜为球面镜单透镜，或者，所述双胶合透镜为球面镜双胶合透镜。