CN104977701B - 一种变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变焦镜头，自物侧至像侧依次包括：具有正焦距的第一透镜组；具有负焦距的第二透镜组；具有正焦距的第三透镜组；具有正焦距的第四透镜组以及具有正焦距的第五透镜组；其中，在从望远端向广角端变焦期间，所述第二透镜组沿光轴向物侧移动，所述第三透镜组沿光轴向像侧移动；且所述变焦镜头满足以下条件：DG/Fw<6.0；其中，DG为所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组、所述第四透镜组以及所述第五透镜组的厚度总和；Fw为所述变焦镜头在广角端的焦距；该变焦镜头具有高倍率、大变倍比以及成像品质高等优点。

Description

一种变焦镜头

技术领域

本发明涉及光学技术，特别提供了一种变焦镜头。

背景技术

在军事领域中，获取目标的高精度信息是一切作战方式的关键。变焦系统指在像面不变的前提下，通过改变系统组元之间间隔实现焦距（连续）变化，从而实现小倍率大视场搜索目标，大倍率小视场跟踪目标。

随着光学技术的发展，传统的作战方式也逐渐被实时监视、精确测量、制导打击等陆海空一体化新型作战方式所取代。在高、低空侦察摄影、航空测量、追踪目标等过程中，变焦距光学系统都起了不可替代的作用。各种地基、舰载、机载甚至星载等大型测量、侦察设备当中都应用变焦系统。

随着变焦距技术的日益成熟及加工、检测技术的发展，对大变倍、大视场、大相对孔径变焦系统需求增加。

因此，研发一种能够实现高倍率、大变倍比以及高成像品质的变焦镜头，成为人们亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种变焦镜头，以实现高倍率、大变倍比及高成像品质的要求。

本发明提供的技术方案，具体为：一种变焦镜头，其特征在于，自物侧至像侧依次包括：

第一透镜组，具有正焦距；

第二透镜组，具有负焦距；

第三透镜组，具有正焦距；

第四透镜组，具有正焦距；

以及第五透镜组，具有正焦距；

其中，在从望远端向广角端变焦期间，所述第二透镜组沿光轴向物侧移动，所述第三透镜组沿光轴向像侧移动；

且所述变焦镜头满足以下条件：

DG/Fw<6.0；

其中，DG为所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组、所述第四透镜组以及所述第五透镜组的厚度总和；

Fw为所述变焦镜头在广角端的焦距。

优选，所述变焦镜头还满足以下条件：

TTL/Fw<35.0；

其中，TTL为所述变焦镜头在望远端的镜头总长；

Fw为所述变焦镜头在广角端的焦距。

进一步优选，所述变焦镜头还满足以下条件：

Ft/Fw>45.0；

其中，Ft为所述变焦镜头在望远端的焦距；

Fw为所述变焦镜头在广角端的焦距。

进一步优选，所述第一透镜组自物侧到像侧依次包括：

第一透镜，具有负焦距；

第二透镜，具有正焦距；

以及第三透镜，具有正焦距。

进一步优选，所述第二透镜组自物侧到像侧依次包括：

第四透镜，具有负焦距；

第五透镜，具有负焦距；

以及第六透镜，具有正焦距；

且所述第六透镜的折射率大于1.8，阿贝数小于26。

进一步优选，所述第三透镜组自物侧到像侧依次包括：

第七透镜，具有负焦距；

第八透镜，具有正焦距；

以及第九透镜，具有正焦距；

且所述第七透镜的折射率小于1.81，阿贝数大于25；所述第八透镜的折射率小于1.6，阿贝数大于60；所述第九透镜的折射率大于1.6，阿贝数小于61。

进一步优选，所述第四透镜组自物侧到像侧依次包括：

第十透镜，具有负焦距；

第十一透镜，具有负焦距；

以及第十二透镜，具有正焦距，

且所述第十透镜的折射率大于1.6，阿贝数小于61；所述第十一透镜的折射率大于1.6，阿贝数大于40；所述第十二透镜的折射率大于1.7，阿贝数大于29。

进一步优选，所述第五透镜组自物侧到像侧依次包括：

第十三透镜，具有正焦距；

第十四透镜，具有负焦距；

以及第十五透镜，具有正焦距；

且所述第十三透镜的折射率大于1.6，阿贝数大于60；所述第十四透镜的折射率大于1.6，阿贝数大于39；所述第十五透镜的折射率小于1.6，阿贝数大于64。

进一步优选，所述变焦镜头在广角端的光圈值小于6，在望远端的光圈值小于10。

本发明提供的变焦镜头，由第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组和第五透镜组五个透镜组构成，采取内焦方式，即不因为变焦带来全长的变化，通过改变第二透镜组和第三透镜组之间的空气间隔实现变焦，五个透镜组在各个焦距位置产生的像差相互匹配，保证总的成像品质良好。

本发明提供的变焦镜头，具有高倍率、大变倍比以及成像品质高等优点。

附图说明

图1为变焦镜头在广角端的结构示意图；

图2为变焦镜头在望远端的结构示意图；

图3为变焦镜头在广角端的场曲（field curvature）曲线图；

图4为变焦镜头在望远端的场曲（field curvature）曲线图；

图5为变焦镜头在广角端的畸变（distortion）曲线图；

图6为变焦镜头在望远端的畸变（distortion）曲线图；

图7为变焦镜头在广角端的横向色差（lateral color）图；

图8为变焦镜头在望远端的横向色差（lateral color）图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，并配合附图作为示例，对本发明进行进一步解释。除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其他实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本发明的范围之内。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，本实施方式提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部这些特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤和元件并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。附图中相同或类似的元件将以相同或类似的符号来表示。特别注意的是，附图仅为示意之用，并非代表元件实际的尺寸，除非有特别说明。

参见图1、图2，为本发明较佳的实施例，该变焦镜头主要包含五个透镜组，自物侧（object side）至像侧（image side）依序为第一透镜组1、第二透镜组2、第三透镜组3、第四透镜组4以及第五透镜组5，上述五个透镜组沿着光轴设置，且于像侧形成像面。其中，第一透镜组1具有正焦距，第二透镜组2具有负焦距，第三透镜组3具有正焦距，第四透镜组4具有正焦距，第五透镜组5具有正焦距，且成像面上可以设置具有光电转换功能的影像感测器，例如CCD或者CMOS。

再参见图1、图2，于本实施例中，变焦镜头满足以下条件：DG/Fw<6.0，其中，DG为第一透镜组厚度DG1、第二透镜组厚度DG2、第三透镜组厚度DG3、第四透镜组厚度DG4以及第五透镜组DG5的总和，亦即DG=DG1+DG2+DG3+DG4+DG5，而Fw为该变焦镜头在广角端的焦距。

作为技术方案的改进，该变焦镜头另可以满足以下条件：TTL/Fw<35.0。其中，TTL是变焦镜头在望远端的镜头总长，而镜头总长定义为自第一透镜组1靠近物侧的表面至成像面的距离；Fw为该变焦镜头在广角端的焦距。

此外，作为技术方案的进一步改进，变焦镜头还可以满足以下条件：Ft/Fw>45.0，意即变焦镜头的放大倍率可以达到49.8倍以上。其中，Ft为该变焦镜头在望远端的焦距，Fw为该变焦镜头在广角端的焦距。

参见图1、图2，上述三个实施例中变焦镜头揭示了五个透镜组，分别是第一透镜组1、第二透镜组2、第三透镜组3、第四透镜组4与第五透镜组5，且总共采用了15个透镜。

此外，于上述实施例中，变焦镜头的光阑S（stop）可采用可变的孔径，保证数值孔径满足设计要求。于本实施例中，变焦镜头ZL在广角端的光圈值（F number，Fno）为6，在望远端的光圈值为10。

此外，于上述实施例中，涉及的变焦镜头的镜头总长是指自第一透镜组1靠近物侧的表面至成像面的距离。当变焦镜头处于望远端时，定义镜头总长为TTL。

参见图1、图2，于本实施例中，变焦镜头更包含光阑S。光阑S设置于第三透镜组3及第四透镜组4之间，可以限制通过第一透镜组1、第二透镜组2以及第三透镜组3的光束进入第四透镜组4的光通量。

于本实施例中，当变焦镜头进行变焦时，各透镜组可沿着光轴OA移动。其中第二透镜组2以及第三透镜组3的移动，可用于改变倍率、保证像面稳定以及修正像差。

于本实施例中，参见图1、图2，第一透镜组1自物侧至像侧依序包含具有负焦距的第一透镜11、具有正焦距的第二透镜12以及具有正焦距的13；第二透镜组2自物侧至像侧依序包含具有负焦距的第四透镜21、具有负焦距的第五透镜22及具有正焦距的第六透镜23；第三透镜组3自物侧至像侧依序包含具有负焦距的第七透镜31、具有正焦距的第八透镜32以及具有正焦距第九透镜33；第四透镜组4包含具有负焦距的第十透镜41、具有负焦距的第十一透镜42以及具有正焦距的第十二透镜43；第五透镜组5包含具有正焦距的第十三透镜51、具有负焦距的第十四透镜52以及具有正焦距的第十五透镜53；上述各个透镜均为球面透镜。

于本实施例中，第一透镜组1第一透镜11是凸面朝物侧的负焦距的凸凹透镜、第二透镜12是正焦距的双凸透镜、第三透镜13是凸面朝物侧正焦距的凸凹透镜；第二透镜组2第四透镜21是负焦距的双凹透镜、第五透镜22是负焦距的双凹透镜、第六透镜23是凸面朝物侧正焦距的双凸透镜，第五透镜22及第六透镜23组成双胶合透镜；第三透镜组3第七透镜31是负焦距的双凹透镜、第八透镜32是正焦距的双凸透镜以及第九透镜33是正焦距的双凸透镜，第七透镜31及第八透镜32组成双胶合透镜；第四透镜组4第十透镜41是负焦距的双凹透镜、第十一透镜42是负焦距的双凹透镜以及第十二透镜43是正焦距的双凸透镜，第十一透镜42及第十二透镜43组成双胶合透镜；第五透镜组5第十三透镜51是正焦距的双凸透镜、第十四透镜52是凸面朝物侧负焦距的凸凹透镜以及第十五透镜53是凸面朝物侧正焦距的凸凹透镜，第十四透镜52及第十五透镜53组成双胶合透镜，但不用于限定本发明，作为一种改进，优选，第二透镜组中所述第六透镜的折射率大于1.8，阿贝数小于26，第三透镜组中所述第七透镜的折射率小于1.81，阿贝数大于25；所述第八透镜的折射率小于1.6，阿贝数大于60；所述第九透镜的折射率大于1.6，阿贝数小于61；所述第四透镜组中所述第十透镜的折射率大于1.6，阿贝数小于61；所述第十一透镜的折射率大于1.6，阿贝数大于40；所述第十二透镜的折射率大于1.7，阿贝数大于29；所述第五透镜组中所述第十三透镜的折射率大于1.6，阿贝数大于60；所述第十四透镜的折射率大于1.6，阿贝数大于39；所述第十五透镜的折射率小于1.6，阿贝数大于64。

表1列出根据本发明如图1、图2所示变焦镜头的一实例的详细数据，其包含各透镜的曲率半径、厚度、折射率及色散系数。其中镜片的表面代号是从物侧至像侧依序编排，例如：[S1]代表第一透镜11朝物侧的表面，[S2]代表第一透镜11朝像侧的表面、[Stop]代表光阑S表面。

表1： 变焦镜头具体参数

在表1中，[间隔]代表该表面与相邻于像侧另一表面的距离，可以表示玻璃厚度，也可以表示空气间隔，例如，表面S1的[间隔]为表面S1与表面S2的距离，表示11的玻璃厚度，表面S2的[间隔]为表面S2与表面S3的距离，表示11同12的空气间隔。若间隔值标示为[D1][D2][D3]，表示两表面的距离根据广角端（wide）与望远端（tele）不同焦距而有所不同，其距离如表2所示。同时表2亦列出变焦镜头于广角端与望远端的焦距值。

表2： 不同焦距元件间隔

在实验过程中，变焦镜头在广角端的焦距为20mm时，五组透镜总厚度DG可选用小于120mm，即DG/Fw<6.0，在本实施例中，变焦镜头在广角端的焦距为20.0614mm，DG值为113.2mm，故DG/Fw的值为5.64<6.0。

在实验过程中，变焦镜头在广角端的焦距为20mm时，变焦镜头于望远端的焦距ft为大于900mm，即Ft/Fw>45.0，在本实施例中，变焦镜头在广角端的焦距为20.0614mm，变焦镜头于望远端的焦距ft为999.962mm，故变焦镜头的倍率Ft/Fw为49.85>45.0。

在实验过程中，变焦镜头在广角端的焦距为20mm，变焦镜头于望远端的镜头总长TTL为小于700，即TTL/Fw<35.0，在本实施例中，变焦镜头在广角端的焦距为20.0614mm，变焦镜头于望远端的镜头总长TTL为656.27，故TTL/Fw的值为32.71<35.0。

在表3中，列出变焦镜头在广角端和望远端时的像方F#。

表3：不同焦距系统像方F#

在本实方案中，变焦镜头于望远端的光圈值（F#）为10，在广角端的光圈值为6。

图3、图4分别显示本发明一实施例中变焦镜头在广角端与望远端的场曲（fieldcurvature）曲线图。其中，曲线T、S分别显示变焦镜头对于子午光束（Tangential Rays）与弧矢光束（Sagittal Rays）的像差，曲线a代表波长0.486um，曲线b代表波长0.588um，曲线c代表波长0.656um。于本实施例中，在广角端时，各种波长的光束的子午场曲值与弧矢场曲值均控制在（-0.22mm，0.05mm）范围内；于望远端时，蓝绿光子午场曲值和弧矢场曲值均控制在（-0.1mm，0.1mm）范围内，红光子午场曲和弧矢场曲值控制在（0.6mm,0.9mm）范围内。

图5、图6分别显示本发明本实施例的变焦镜头在广角端与望远端的畸变（distortion）曲线图，曲线a代表波长0.486um，曲线b代表波长0.588um，曲线c代表波长0.656um。于本实施例中，在望远端时，各种波长光束的畸变率控制在（0，0.4%）范围内；在广角端时，畸变率控制在（-4%，0）范围内。

图7、图8分别显示本发明本实施例的变焦镜头在广角端与望远端的横向色差（lateral color）图，曲线a代表波长0.486um，曲线b代表波长0.588um，曲线c代表波长0.656um。于本实施例中，在广角端时，各种波长的光束的横向色差控制在（0um，9um）范围内；在望远端时，各种波长的光束的横向色差控制在（-12um,2um）范围内。

由图3至图8可知，本发明实施例的变焦镜头在广角端与望远端的场曲、畸变及横向色差均能获得良好校正。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种变焦镜头，其特征在于，自物侧至像侧依次包括：

第一透镜组，具有正焦距；

第二透镜组，具有负焦距；

第三透镜组，具有正焦距；

第四透镜组，具有正焦距；

以及第五透镜组，具有正焦距；

其中，在从望远端向广角端变焦期间，所述第二透镜组沿光轴向物侧移动，所述第三透镜组沿光轴向像侧移动；

且所述变焦镜头满足以下条件：

DG/Fw<6.0；

其中，DG为所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组、所述第四透镜组以及所述第五透镜组的厚度总和；

Fw为所述变焦镜头在广角端的焦距；

所述变焦镜头还满足以下条件：

Ft/Fw>45.0；

其中，Ft为所述变焦镜头在望远端的焦距；

Fw为所述变焦镜头在广角端的焦距；

所述第一透镜组自物侧到像侧依次包括：

第一透镜，具有负焦距；

第二透镜，具有正焦距；

以及第三透镜，具有正焦距；

所述第二透镜组自物侧到像侧依次包括：

第四透镜，具有负焦距；

第五透镜，具有负焦距；

以及第六透镜，具有正焦距；

且所述第六透镜的折射率大于1.8，阿贝数小于26；

所述第三透镜组自物侧到像侧依次包括：

第七透镜，具有负焦距；

第八透镜，具有正焦距；

以及第九透镜，具有正焦距；

且所述第七透镜的折射率小于1.81，阿贝数大于25；所述第八透镜的折射率小于1.6，阿贝数大于60；所述第九透镜的折射率大于1.6，阿贝数小于61；

所述第四透镜组自物侧到像侧依次包括：

第十透镜，具有负焦距；

第十一透镜，具有负焦距；

以及第十二透镜，具有正焦距，

且所述第十透镜的折射率大于1.6，阿贝数小于61；所述第十一透镜的折射率大于1.6，阿贝数大于40；所述第十二透镜的折射率大于1.7，阿贝数大于29；

所述第五透镜组自物侧到像侧依次包括：

第十三透镜，具有正焦距；

第十四透镜，具有负焦距；

以及第十五透镜，具有正焦距；

且所述第十三透镜的折射率大于1.6，阿贝数大于60；所述第十四透镜的折射率大于1.6，阿贝数大于39；所述第十五透镜的折射率小于1.6，阿贝数大于64。

2.按照权利要求1所述变焦镜头，其特征在于，所述变焦镜头还满足以下条件：

TTL/Fw<35.0；

其中，TTL为所述变焦镜头在望远端的镜头总长；

Fw为所述变焦镜头在广角端的焦距。

3.按照权利要求1~2任一所述变焦镜头，其特征在于：所述变焦镜头在广角端的光圈值小于6，在望远端的光圈值小于10。