CN106125267A - 一种基于液体透镜的变焦摄像镜头及包括其的摄像仪器 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的基于液体透镜的变焦摄像镜头及包括其的摄像仪器,基于液体透镜的变焦摄像镜头包括:从物侧至像侧顺序排布的具有负光焦度的第一固定透镜组、第一调焦组、具有正光焦度的第二固定透镜组、具有正光焦度的第三固定透镜组、具有负光焦度的第四固定透镜组、第二调焦组以及具有正光焦度的第五固定透镜组,其中,第一调焦组以及第二调焦组分别具有一个液体透镜,第一固定透镜组、第二固定透镜组、第三固定透镜组和第四固定透镜组均为球面透镜组成,第五透镜的物侧和像侧的透镜表面均为非球面透镜。
Description
技术领域
本发明涉及一种摄像镜头以及包括其的摄像仪器,尤其涉及一种基于液体透镜的变焦摄像镜头和包括其的摄像仪器。
背景技术
近年来,变焦光学系统在照相机、摄像机、显微镜、望远镜、内窥镜等设备中起着至关重要的作用,焦距的变化可以通过透镜的移动、折射率的变化或者透镜形状的改变来实现。变焦光学系统因其快速、连续的目标探测和灵活的像移补偿特点,在各个领域的成像系统中扮演着越来越重要的角色。目前的变焦系统均是利用电机和凸轮等机械装置来调节固定焦距透镜组的相对位置达到变焦的目的,无论是机械变焦还是光学变焦方式其变焦的方式都依赖于可移动部件,无法满足有变焦需求又不允许有可动部件的特殊光学系统的要求。
发明内容
本发明是为解决上述无动件变焦系统问题而提出的,目的在于通过改变液体透镜的折射率或者形状来实现变焦目的,提供一种具有全新的变焦方式的基于液体透镜的变焦摄像镜头。
本发明采用了以下技术方案:
一种基于液体透镜的变焦摄像镜头,其特征在于,包括:从物侧至像侧顺序排布的具有负光焦度的第一固定透镜组、第一调焦组、具有正光焦度的第二固定透镜组、具有正光焦度的第三固定透镜组、具有负光焦度的第四固定透镜组、第二调焦组以及具有正光焦度的第五固定透镜组,其中,所述第一调焦组以及第二调焦组分别具有一个液体透镜,所述第一固定透镜组、第二固定透镜组、第三固定透镜组和第四固定透镜组均为球面透镜组成,所述第五透镜的物侧和像侧的透镜表面均为非球面透镜。
本发明提供的基于液体透镜的变焦摄像镜头,还可以具有这样的特征:其中,所述液体透镜的口径大小为8mm,变焦焦距为(-∞,-50]∪[50,+∞),单位:mm。
本发明提供的基于液体透镜的变焦摄像镜头,还可以具有这样的特征:其中,所述第二固定透镜组包括自物侧至像侧顺序排布的正光焦度透镜、负光焦度透镜以及正光焦度透镜。
本发明提供的基于液体透镜的变焦摄像镜头,还可以具有这样的特征:其中,所述第四固定透镜组和所述第五固定透镜组均为双胶合透镜。
本发明提供的基于液体透镜的变焦摄像镜头,其特征在于,还包括:光阑,被设置在所述第二固定透镜组与所述第三固定透镜组之间的光路上。
本发明提供的基于液体透镜的变焦摄像镜头,还可以具有这样的特征:其中,所述变焦摄像镜头的阿贝数满足条件为:
式中,υi<υ油,vmax为各个所述固定透镜组中最大阿贝数,v油为各个所述液体透镜中油性液体的阿贝数,n为阿贝数小于油性液体阿贝数的透镜数目。
本发明提供的基于液体透镜的变焦摄像镜头,还可以具有这样的特征:其中,所述基于变焦摄像镜头满足TTL/fw<27.5的条件,TTL为所述变焦摄像镜头的整体长度,fw为所述基于液体透镜的变焦摄像镜头在广角状态的焦距。
本发明还提供一种包括上述基于液体透镜的变焦摄像镜头,其特征在于:其中,所述摄像镜头可用于照相机、摄像机、显微镜、望远镜、内窥镜等变焦系统。
发明作用与效果
根据本发明提供的基于液体透镜的变焦摄像镜头,利用某种方法通过改变液体透镜的折射率或者形状从而使得液体透镜的焦距发生改变,这种方式具有响应速度快、功耗低、无噪声等优点,所以本实施例的变焦摄像镜头基于液体透镜配合固定组的设计,实现无机械可动部件,不但不易因碰撞或机械磨损而损坏,而且简化了变焦变倍系统,弥补了某些特殊变焦变倍系统要求无可动部件的需求,同时满足良好的成像效果。
附图说明
图1为本发明实施例中变焦摄像镜头的结构示意图;
图2为本发明的实施例中变焦摄像镜头在广角端的点列图;
图3为本发明的实施例中变焦摄像镜头在广角端的光学传递函数曲线图;
图4为本发明的实施例中变焦摄像镜头在中间端的点列图;
图5为本发明的实施例中变焦摄像镜头在中间端的场曲特性曲线图;
图6为本发明的实施例中变焦摄像镜头在中间端的光学传递函数曲线图;
图7为本发明的实施例中变焦摄像镜头在望远端的点列图;
图8为本发明的实施例中变焦摄像镜头在望远端的场曲特性曲线图;
图9为本发明的实施例中变焦摄像镜头在望远端的光学传递函数曲线图。
具体实施方式
实施例
以下结合附图来说明本发明的实施例的具体实施方式。
图1为本发明实施例的变焦摄像镜头的结构示意图。
如图1所示,摄像仪器中,基于液体透镜的变焦摄像镜头100包括从物侧至像侧顺序排布的第一固定透镜组10、第一调焦组20、第二固定透镜组30、光阑40、第三固定透镜组50、第四固定透镜组60、第二调焦组70以及第五固定透镜组80。
第一固定透镜组10是一个具有负光焦度的球面透镜,其用于扩大变焦摄像镜头100在广角端的视场角。
第二固定透镜组20从物侧至像侧依次包括:一个具有正光焦度的球面透镜21、一个具有负光焦度的球面22及一个具有正光焦度的球面23。球面透镜21球面透镜22用于改善光线的路径,使系统中的光线偏折角不至于过大或过小而充分进入光阑40。
光阑40用于限制光束的大小,光阑的大小在变焦过程中在3mm至6.5mm之间变化。
第三固定透镜组50是一个具有正光焦度的球面透镜,用于平衡光线经过变焦摄像镜头100产生的场曲和像散。
第四固定透镜组60为双胶合透镜,用于改善光线经过变焦摄像镜头100产生的色差,由从物侧至像侧依次排列的具有负光焦度的球面透镜61以及具有正光焦度的球面透镜62粘合构成。
第五固定透镜组80为双胶合透镜,用于改善光线变焦摄像镜头100产生的色差,由从物侧至像侧依次排列的具有正光焦度的透镜81及具有正光焦度的透镜82粘合构成。透镜81的物侧表面及透镜82的像侧表面为非球面透镜,其他表面均为球面透镜。以上述非球面透镜表面中心为原点,光轴为x轴,其表面均满足非球面的面型表达式:
式中,为从光轴x到透镜表面的高度,k是二次曲面系数,Ai为第i阶的非球面面型系数。
第一调焦组20位于第一固定透镜10组和第二固定透镜组30之间,第二调焦组70位于第四固定透镜组60和第五固定透镜组80之间。第一调焦组20和第二调焦组70均为液体透镜,可以通过改变液体表面的曲率实现自身焦距变化,从而实现变焦摄像镜头100的变倍比变化,即最长焦和最短焦之比的变化。本实施例采用电润湿法的液体透镜,该液体透镜是将两种或者两种以上液体作为透镜,通过外加电压改变接触表面的形状,进而改变其焦距。两种液体的接触表面的形变能力是影响液体透镜自身变焦能力的关键因素,而由于液体透镜口径的尺寸大小限制及两种液体接触的光学表面的形变能力有限,导致变焦系统的倍率变化范围受到限制,进而导致光学设计人员对基于液体透镜的变焦摄像镜头100的系统设计成为摄像成像系统的一大难点,本实例采用的液体透镜口径大小为8mm,变焦能力为(-∞,-50]∪[50,+∞)(单位:mm)。
本实施例的基于液体透镜的变焦摄像镜头100,满足以下条件:
1.TTL/fw<27.5,TTL是该变焦摄像镜头的镜头总长,fw为该变焦摄像镜头在广角端的焦距,这样能实现镜头结构紧凑的要求;
2.在广角端的视场角大于65度,F数值(镜头光圈数)小于7,使得整个变焦摄像镜头在成像时具有用于与6mm(1/3英寸芯片传感器)一同使用的适当尺寸;
3.变焦摄像镜头100的阿贝数满足条件为:
式中,υi<υ油,vmax为各个所述固定透镜组中最大阿贝数,v油为各个所述液体透镜中油性液体的阿贝数,n为阿贝数小于油性液体阿贝数的透镜数目。
基于液体透镜的变焦摄像镜头100的各透镜组还需要满足表1~4所列的条件:
表1
参数 | 广角端 | 中间端 | 望远端 |
f(mm) | 4.40 | 15.41 | 26.44 |
FNO | 7 | 7 | 7 |
2ω(°) | 68.57 | 22.03 | 12.95 |
表1中,f:为变焦摄像镜头100的系统焦距;
FNO:为镜头的F数(光圈数);
2ω:为视场角。
表2
固定组态 | 焦距(mm) | 厚度(mm) | 口径(mm) | 材料 |
第一固定组球面透镜10 | -11.18 | 4 | 4.5 | ZF10 |
第二固定组球面透镜21 | 14.52 | 3 | 5 | H-ZPK3 |
第二固定组球面透镜22 | -9.72 | 3 | 6 | H-ZF71 |
第二固定组球面透镜23 | 21.64 | 3 | 6 | H-ZF71 |
第三固定透镜组50 | 39.75 | 2.5 | 4 | H-ZF12 |
第四固定组胶合透镜60 | -52.16 | 5.5 | 4.5 | ZF3/H-FK61 |
第五固定组胶合透镜80 | 20.84 | 8 | 5 | H-FK71/H-ZPK3 |
表3
表4
对本实施例的变焦摄像镜头100的变焦能力分析如下:
图2为本发明的实施例中变焦摄像镜头在广角端的点列图;
图3为本发明的实施例中变焦摄像镜头在广角端的光学传递函数曲线图;
图4为本发明的实施例中变焦摄像镜头在中间端的点列图;
图5为本发明的实施例中变焦摄像镜头在中间端的场曲特性曲线图;
图6为本发明的实施例中变焦摄像镜头在中间端的光学传递函数曲线图;
图7为本发明的实施例中变焦摄像镜头在望远端的点列图;
图8为本发明的实施例中变焦摄像镜头在望远端的场曲特性曲线图;
图9为本发明的实施例中变焦摄像镜头在望远端的光学传递函数曲线图。
在广角端、中间端及望远端的像差特性曲线分别如图2到9所示。变焦摄像镜头100在广角端时,其点列图如图2所示,其中,广角端、中间端及望远端各个视场的均方根半径(RMS)如表5所示。而变焦镜,100在广角端时,视场角达68.57度,导致此时系统的畸变和场曲都略大。而此时基于衍射的多色调制传递函数(MTF)如图3所示,所示最大空间频率为100周期/mm,这样给定约6mm的图像直径和对探测器的选择可以达到常规的分辨率要求。在广角端,最低的MTF值约为35%,最低相对照度为66%;在中间端时,变焦透镜的点列图如图4所示,表5所示的RMS的大小均处于可接受范围。图5中的子午场曲值(T)和弧矢场曲值(S)均控制在(-0.10mm-0.10mm)范围内,图6的光学传递函数(MTF)中,最低的MTF值约为28%,最低相对照度约为67%。变焦摄像镜头在望远端时,其点列图如图7所示,具体数值如表5所示。图8总的子午场曲值(T)和弧矢场曲值(S)均控制在(-0.20mm~0.20mm)范围内,图9的光学传递函数(MTF)中,最低的MTF值约为34%,最低相对照度约为82%。变焦摄像镜头在广角端、中间端及望远端的最低相对照度,对于现有技术的探测器而言是可以被接受的。由此可见,变焦摄像镜头的像差均能被很好的校正。
表5
视场\RMS(μm) | 1 | 2 | 3 |
广角端 | 1.817 | 3.379 | 6.562 |
中间端 | 2.542 | 6.929 | 4.669 |
望远端 | 4.874 | 3.334 | 5.170 |
实施例的作用与效果
根据本实施例提供的基于液体透镜的变焦摄像镜头,利用某种方法通过改变液体透镜的折射率或者形状从而使得液体透镜的焦距发生改变,这种方式具有响应速度快、功耗低、无噪声等优点,所以本实施例的变焦摄像镜头基于液体透镜配合固定组的设计,实现无机械可动部件,不但不易因碰撞或机械磨损而损坏,而且简化了变焦变倍系统,弥补了某些特殊变焦变倍系统要求无可动部件的需求,同时满足良好的成像效果。
又由于本实施例的TTL/fw<27.5,这样能实现变焦摄像镜头结构紧凑的要求。
尽管上面对本发明说明书的具体实施方式进行了描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (8)
1.一种基于液体透镜的变焦摄像镜头,其特征在于,包括:
从物侧至像侧顺序排布的具有负光焦度的第一固定透镜组、第一调焦组、具有正光焦度的第二固定透镜组、具有正光焦度的第三固定透镜组、具有负光焦度的第四固定透镜组、第二调焦组以及具有正光焦度的第五固定透镜组,
其中,所述第一调焦组以及第二调焦组分别具有一个液体透镜,所述第一固定透镜组、第二固定透镜组、第三固定透镜组和第四固定透镜组均为球面透镜组成,
所述第五透镜的物侧和像侧的透镜表面均为非球面透镜。
2.如权利要求1所述的基于液体透镜的变焦摄像镜头,其特征在于:
其中,所述液体透镜的口径大小为8mm,变焦焦距为(-∞,-50]∪[50,+∞),单位:mm。
3.如权利要求1所述的基于液体透镜的变焦摄像镜头,其特征在于:
其中,所述第二固定透镜组包括自物侧至像侧顺序排布的正光焦度透镜、负光焦度透镜以及正光焦度透镜。
4.如权利要求1所述的基于液体透镜的变焦摄像镜头,其特征在于:
其中,所述第四固定透镜组和所述第五固定透镜组均为双胶合透镜。
5.如权利要求1所述的基于液体透镜的变焦摄像镜头,其特征在于,还包括:
光阑,被设置在所述第二固定透镜组与所述第三固定透镜组之间的光路上。
6.如权利要求1所述的基于液体透镜的变焦摄像镜头,其特征在于:
其中,所述变焦摄像镜头的阿贝数满足条件为:
式中,υi<υ油,vmax为各个所述固定透镜组中最大阿贝数,v油为各个所述液体透镜中油性液体的阿贝数,n为阿贝数小于油性液体阿贝数的透镜数目。
7.如权利要求1所述的基于液体透镜的变焦摄像镜头,其特征在于
其中,所述基于变焦摄像镜头满足TTL/fw<27.5的条件,
TTL为所述变焦摄像镜头的整体长度,fw为所述基于液体透镜的变焦摄像镜头在广角状态的焦距。
8.一种包括如权利要求1至7所述的基于液体透镜的变焦摄像镜头的摄像仪器,其特征在于:
其中,所述摄像仪器为照相机、摄像机、显微镜、望远镜、内窥镜中的任意一种。
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Granted publication date: 20180731 Termination date: 20210811 |
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