CN108319006A - 紧凑型高倍率高清连续变焦光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电成像技术领域，针对现有变焦光学系统长焦焦距较短，难以实现高变倍比、小型化、可见光与透雾双波段高清成像等要求的问题，提出紧凑型高倍率高清连续变焦光学系统，该系统包括，沿光轴方向自左向右依次同轴设置的前固定组、第一移动组、第二移动组、第三移动组、后固定组和滤光片，第一移动组和第二移动组之间的光路上设有光阑，前固定组的左侧为物面，滤光片的右侧为像面；通过第一移动组、第二移动组和第三移动组在光轴方向前后相对运动实现连续变焦与补偿。
Description
技术领域
本发明涉及光电成像技术领域，具体涉及紧凑型高倍率高清连续变焦光学系统。
背景技术
随着现代社会的发展以及科学技术的进步，尤其是小像元高分辨率图像探测器不断出现以及视频监控的网络化，连续变焦光学系统已广泛应用于生活的各个方面，例如安防、监控、天网、交通、安全生产、森林防火等领域。随之而来，人们对变焦镜头的要求和期望也越来越高，不仅要求看得远，看得清，还要系统结构紧凑，小巧。变焦系统既要能在雨、雪、薄雾等恶劣条件下的不间断连续监控，又要成像分辨率高、变倍比大。
虽然变焦镜头的应用已有几十年的历史，传统的变焦镜头光路结构形式由前固定组、变倍组、补偿组、后固定组构成，导致变焦系统体积庞大、分辨率低，已经无法满足人们日益增长的对高倍率、高分辨率、小型化连续变焦系统的需求。因此，研制高倍率、长焦距、结构紧凑、成像优良的双波段(可见光与近红外)高清连续变焦光学系统就显得非常迫切和重要。
中国专利申请CN205027963U，公开了一种小型化高清透雾变焦摄像镜头，实现了19.35～144mm的连续变焦，总长为108mm，远摄比(光学系统总长与长焦焦距比)为0.75。该技术方案可同时实现可见光与近红外透雾波段高清成像，但变倍比较小只有7.4，且长焦焦距较短，若要应用在更长焦距、更高倍率的光学系统设计时，系统体积较难实现紧凑化或小型化。
中国专利申请CN106483644A，公开了一种38倍超大变倍比变焦距摄像机镜头，实现了5.5～220mm的连续变焦，总长为140mm，远摄比为0.64。该技术方案提供的光学系统实现了较大的变倍比，但系统体积尺寸一般，长焦焦距仍然较短，且不能同时实现可见光与近红外透雾波段成像。
中国专利申请CN104749755A，公开了一种紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头，实现了12.5～750mm的连续变焦，总长为368mm，远摄比为0.5。该光学系统变倍很大，长焦焦距较长，且结构较紧凑，但只能用于可见光成像，不具备近红外透雾波段成像能力。此外，光学系统空间频率只计算到50lp/mm，系统不具备高清成像能力。
中国专利申请CN104049347A，公开了一种紧凑型连续变焦镜头，实现了65.6～398.5mm的连续变焦，总长为214.8mm，远摄比为0.54。该系统体积较小，结构较紧凑，但变倍很小，长焦焦距较短，且不能同时实现可见光与近红外透雾波段成像。
目前现有技术中的连续变焦镜头普遍存在长焦焦距较短，难以实现高变倍比、小型化、高清成像、可见光与透雾双波段成像等要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有变焦光学系统长焦焦距较短，难以实现高变倍比、小型化、可见光与透雾双波段高清成像等要求，而提供一种紧凑型高倍率高清连续变焦光学系统，全部采用球面透镜，其具有变倍比大、长焦焦距长、分辨率高、高清成像、结构紧凑等特点，同时具有可见光成像与光学透雾功能，满足在大气能见度较差的薄雾、雨、雪等雾霾天气条件下对目标成像与探测需求。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：紧凑型高倍率高清连续变焦光学系统，其特殊之处在于，包括沿光轴方向自左向右依次同轴设置的前固定组、第一移动组、第二移动组、第三移动组、后固定组和滤光片，第一移动组和第二移动组之间的光路上设有光阑，前固定组的左侧为物面，滤光片的右侧为像面；通过第一移动组、第二移动组和第三移动组在光轴方向前后相对运动实现连续变焦与补偿；所述前固定组由四个透镜组成，自左向右依次为凹面朝向光阑的第一负透镜、第一双凸正透镜、第二双凸正透镜、凹面朝向光阑的第一正透镜；所述第一移动组由三个透镜组成，自左向右依次为第一胶合透镜组和第一双凹负透镜；所述第一胶合透镜组自左向右由双凸正透镜和双凹负透镜组成；所述第二移动组由三个透镜组成，自左向右依次为第三双凸正透镜、第四双凸正透镜以及第二双凹负透镜；光阑固设在第三双凸正透镜的前表面处；所述第三移动组由五个透镜组成，自左向右依次为第二胶合透镜组、第三胶合透镜组以及第五双凸正透镜，第二胶合透镜组和第三胶合透镜组胶合面弯曲方向背向光阑，所述第二胶合透镜组自左向右由双凹负透镜、凸凹正透镜组成；所述第三胶合透镜组自左向右由负透镜、双凸正透镜组成，负透镜的凹面背向光阑；所述后固定组由两个透镜组成，自左向右依次第三双凹负透镜和第六双凸正透镜。
进一步地，上述滤光片为吸收型滤光片，在保证所需的光谱透过范围的同时，降低滤光片可能产生的杂光干扰。
进一步地，上述滤光片包括可见光通道滤光片和近红外通道滤光片，两种滤光片具有不同的光谱透过范围，可有效降低杂光对成像的干扰；可见光通道滤光片中心厚度与近红外通道滤光片中心厚度不同。
进一步地，上述可见光通道滤光片中心厚度为2mm，近红外通道滤光片中心厚度为1.7mm。创新性的提出了通过选择厚度不同的滤光片来校正不同谱段的色差。本例中通过改变近红外通道滤光片的中心厚度到1.7mm来补偿因为色差造成的近红外最佳像面的漂移，实现对近红外色差有效地的控制，从而保证变焦系统在可见光通道和近红外光谱通道均能实现良好的色差校正，这有效地降低双光谱通道变焦光学系统设计难度。
进一步地，上述可见光通道滤光片和近红外通道滤光片安装在滤光轮上，可在电机带动下根据需求进行切换，滤光片在光路中的位置不变。
进一步地，上述前固定组与第一移动组之间的空气间隔是9.3mm～83mm；第一移动组与第二移动组之间的空气间隔是3mm～137.3mm；第二移动组与第三移动组之间的空气间隔是5.7mm～92mm；第三移动组与后固定组之间的空气间隔是2.2mm～28mm；后固定组与滤光片之间的空气间隔是1mm。
进一步地，光学系统各组光焦度满足如下条件：
2≤∣fL/f1∣≤3
10≤∣fL/f2∣≤20
5≤∣fL/f3∣≤10
10≤∣fL/f4∣≤20
1≤∣fL/f5∣≤2
式中：f1为前固定组1焦距，f2为第一移动组2焦距，f3为第二移动组3焦距，f4为第三移动组4焦距，f5为后固定组5焦距，fL为光学系统的长焦焦距。
进一步地，∣fL/f1∣＝3，∣fL/f2∣＝15.1，∣fL/f3∣＝7，∣fL/f4∣＝16，∣fL/f5∣＝1.3。
进一步地，上述前固定组可整体沿光轴左右移动。即采用前组调焦方式实现调焦，补偿像面温度离焦量。
进一步地，上述前固定组的第一负透镜、第一双凸正透镜和第二双凸正透镜均采用超低色散玻璃HFK61；有效降低前固定组对长焦端色差影响降低光学系统二级光谱。第二移动组的第三双凸正透镜和第四双凸正透镜均采用超低色散材料FK61；用于校正了光学系统在不同位置处的色差。可见光通道滤光片的材料为光学有色玻璃QB21；近红外通道滤光片602的材料为光学有色玻璃HB700。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明提供的紧凑型高倍率高清连续变焦光学系统，焦距可在17mm～560mm连续变化，F数为2.2～8，视场角0.8°～29.8°，系统长度仅为280mm(到像面)；适用于频率140lp/mm的Nyquist探测器，能够保持良好的成像质量，其成像分辨率很高，与后端的高清摄像机匹配时，可实现对目标的全高清成像。
2、为了实现高倍率同时，减小光学系统体积，本发明采用包含了三个运动组实现变焦与补偿功能，三组按设计给定的运动规律连续运动，在全变焦段范围内实现了33倍的连续变倍功能，而光学系统总长度(到像面)仅为长焦焦距的0.5倍，系统结构相当紧凑。
3、本发明提供的变焦光学系统中，滤光片可在可见光通道与近红外通道相互切换，能够在两个不同的光谱范围(可见光450nm～650nm和近红外谱段700nm～900nm)分时成像，系统长焦焦距达560mm，满足设计MTF空间频率140lp/mm，可实现对光学系统色差校正尤其是二级光谱校正。
4、本发明通过三个运动组沿光轴移动，可实现变焦系统在-40℃～+60℃温度范围内良好的成像质量，满足大多数恶劣的应用环境。
5、本发明所有镜片均为球面，容易加工和装配，生产周期小，费用低，且结构紧凑，在空间频率140lp/mm时系统公差宽松。
6、本发明光阑位于第三移动组3，光阑附近的两片正透镜在系统变焦过程中，始终具有很高的光线透射高度，因此与孔径相关的球差、色差贡献较大；第三双凸正透镜301、第四双凸正透镜302均采用超低色散材料FK61，校正了光学系统在不同位置处的色差，使光学系统在可见光450nm～650nm和近红外谱段700nm～900nm两个谱段均达到了良好的成像质量，实现高清彩色成像与光学透雾(黑白)功能，提高了变焦系统在雾霾等恶劣天气条件下对远距离目标的探测、识别能力。
附图说明
图1是本发明一个实施例的光学系统结构示意图；
图2是本发明实施例在短焦距位置时的结构示意图；
图3是本发明实施例在中焦距位置时的结构示意图；
图4是本发明实施例在长焦距位置时的结构示意图；
图5是本发明实施例在短焦状态下传递函数图(空间频率1401p/mm)；
图6是本发明实施例在中焦状态下传递函数图(空间频率1401p/mm)；
图7是本发明实施例在长焦状态下传递函数图(空间频率1401p/mm)。
图中各标号的说明如下：
1—前固定组，101—第一负透镜，102—第一双凸正透镜，103—第二双凸正透镜，104—第一正透镜；
2—第一移动组，201—第一胶合透镜组，202—第一双凹负透镜；
3—第二移动组，301—第三双凸正透镜，302—第四双凸正透镜，303—第二双凹负透镜；
4—第三移动组，401—第二胶合透镜组，402—第三胶合透镜组，403—第五双凸正透镜；
5—后固定组，501—第三双凹负透镜，502—第六双凸正透镜；
601—可见光通道滤光片，602—近红外通道滤光片；
7—像面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例提供一种紧凑型高倍率高清连续变焦光学系统，包括沿光轴方向自左向右依次同轴设置的前固定组1、第一移动组2、第二移动组3、第三移动组4、后固定组5和滤光片；滤光片为吸收型滤光片，包括可见光通道滤光片601和近红外通道滤光片602。第一移动组2和第二移动组3之间的光路上设有光阑，前固定组1的左侧为物面，滤光片的右侧为像面7；通过第一移动组2、第二移动组3和第三移动组4按设计给定的运动规律在光轴方向前后相对运动实现连续变焦与补偿；如图2，3和4所示，图2是短焦距位置时光学系统的结构示意图，图3是中焦状态位置时光学系统的结构示意图，图4是长焦位置时光学系统的结构示意图。
前固定组1由四个透镜组成，自左向右依次为凹面朝向光阑的弯月形第一负透镜101、第一双凸正透镜102、第二双凸正透镜103、凹面朝向光阑的弯月形第一正透镜104；前固定组1可整体沿光轴左右移动。调焦量为-5mm～+7mm，可满足-40℃～+60℃清晰成像的需求。
第一移动组2由三个透镜组成，自左向右依次为第一胶合透镜组201和第一双凹负透镜202；第一胶合透镜组201自左向右由双凸正透镜和双凹负透镜组成；
第二移动组3由三个透镜组成，自左向右依次为第三双凸正透镜301、第四双凸正透镜302以及第二双凹负透镜303；光阑固设在第三双凸正透镜301的前表面处，变焦时光阑随第二移动组移动；
第三移动组4由五个透镜组成，自左向右依次为第二胶合透镜组401、第三胶合透镜组402以及第五双凸正透镜403，第二胶合透镜组401和第三胶合透镜组402胶合面弯曲方向背向光阑，第二胶合透镜组401自左向右由双凹负透镜、凸凹正透镜组成，胶合面弯曲方向背向光阑；第三胶合透镜组402自左向右由负透镜、双凸正透镜组成，负透镜的凹面背向光阑；
后固定组5由两个透镜组成，自左向右依次第三双凹负透镜501和第六双凸正透镜502。
可见光通道滤光片601和近红外通道滤光片602安装在滤光轮上，可在电机带动下进行切换。可见光通道滤光片601的材料为光学有色玻璃QB21，其光谱透过范围为450nm～650nm；近红外通道滤光片602的材料为光学有色玻璃HB700，其光谱透过范围为700nm～900nm。
可见光通道滤光片601中心厚度与近红外通道滤光片602中心厚度不同，本实施例中，为了进一步实现对色差的校正，可见光通道滤光片601中心厚度为2mm，近红外通道滤光片602中心厚度为1.7mm；通过选择不同的滤光片的中心厚度来分别补偿因为色差造成的可见光和近红外最佳像面的漂移，从而保证变焦系统在可见光通道和近红外光谱通道均能实现良好的色差校正。
前固定组1对长焦端色差影响较大，为有效降低光学系统二级光谱，前固定组1的第一负透镜101、第一双凸正透镜102和第二双凸正透镜103均采用超低色散玻璃HFK61。
第二移动组3的第三双凸正透镜301和第四双凸正透镜302均采用超低色散材料FK61。
前固定组1与第一移动组2之间的空气间隔是9.3mm～83mm；第一移动组2与第二移动组3之间的空气间隔是3mm～137.3mm；第二移动组3与第三移动组4之间的空气间隔是5.7mm～92mm；第三移动组4与后固定组5之间的空气间隔是2.2mm～28mm；后固定组5与滤光片之间的空气间隔是1mm。
各组元光焦度如下：
∣fL/f1∣＝3，∣fL/f2∣＝15.1，∣fL/f3∣＝7，∣fL/f4∣＝16，∣fL/f5∣＝1.3
式中：f1为前固定组1焦距，f2为第一移动组2焦距，f3为第二移动组3焦距，f4为第三移动组4焦距，f5为后固定组5焦距，fL为光学系统的长焦焦距。
本实施例变焦光学系统需要在两个不同的光谱范围分时成像，即可见光450nm～650nm和近红外谱段700nm～900nm，再考虑系统长焦焦距达到560mm，设计MTF空间频率需达到140lp/mm，这对光学系统色差校正尤其是二级光谱校正难度很大，对光学系统设计而言是一种挑战。因此，设计时，变焦光学系统合理选择各组元中的光学零件材料及组元结构形式，尽可能做到各组元单独消色差，系统残余色差通过前固定组1以及后固定组5进行补偿。
短焦时前固定组1与第一移动组2构成一个负光焦度系统，有利于减小入射到第二移动组3上的主光线角度，消除或减少与视场有关的像差，该结构类似于反摄远光路中前组的功能。第二移动组3与第三移动组4构成双高斯结构，该结构进一步校正短焦位置的垂轴色差、畸变等，本实施例短焦位置光学系统相对畸变小于2％。本实施例采用准像方远心的设计方法，保证变焦系统各视场像面照度分布更为均匀。
在长焦位置时，由于前固定组1光线投射高度较高，前固定组1对长焦端色差贡献明显，为了降低系统二级光谱，提高成像质量，前固定组1采用3片具有正光焦度的透镜，使用的光学玻璃均为超低色散光学材料HFK61，实现了二级光谱及残余色差的补偿。
本实施例变焦光学系统，焦距可在17mm～560mm连续变化，F数为2.2～8，视场角0.8°～29.8°，系统长度仅为280mm到像面，整个系统在探测器像元数为1920×1080，像元大小3.45um，探测器Nyquist频率为140lp/mm，可见光光谱450nm～650nm，近红外透雾光谱范围为700nm～900nm。
图5是短焦状态下的光学系统在空间频率1401p/mm传递函数图；图6是中焦状态下的光学系统在空间频率1401p/mm传递函数图；图7是长焦状态下的光学系统在空间频率1401p/mm传递函数图，从图5、6和7中可以看出，变焦光学系统不同焦距位置、不同视场的传递函数在空间频率140Lp/mm处均保持较高数值，系统分辨率高，成像质量良好，满足设计的要求。
Claims (10)
1.紧凑型高倍率高清连续变焦光学系统，其特征在于：包括沿光轴方向自左向右依次同轴设置的前固定组(1)、第一移动组(2)、第二移动组(3)、第三移动组(4)、后固定组(5)和滤光片，第一移动组(2)和第二移动组(3)之间的光路上设有光阑，前固定组(1)的左侧为物面，滤光片的右侧为像面(7)；通过第一移动组(2)、第二移动组(3)和第三移动组(4)在光轴方向前后相对运动实现连续变焦与补偿；
所述前固定组(1)由四个透镜组成，自左向右依次为凹面朝向光阑的第一负透镜(101)、第一双凸正透镜(102)、第二双凸正透镜(103)、凹面朝向光阑的第一正透镜(104)；
所述第一移动组(2)由三个透镜组成，自左向右依次为第一胶合透镜组(201)和第一双凹负透镜(202)；所述第一胶合透镜组(201)自左向右由双凸正透镜和双凹负透镜组成；
所述第二移动组(3)由三个透镜组成，自左向右依次为第三双凸正透镜(301)、第四双凸正透镜(302)以及第二双凹负透镜(303)；
光阑固设在第三双凸正透镜(301)的前表面处；
所述第三移动组(4)由五个透镜组成，自左向右依次为第二胶合透镜组(401)、第三胶合透镜组(402)以及第五双凸正透镜(403)，第二胶合透镜组(401)和第三胶合透镜组(402)胶合面弯曲方向背向光阑；
所述第二胶合透镜组(401)自左向右由双凹负透镜、凸凹正透镜组成；
所述第三胶合透镜组(402)自左向右由负透镜、双凸正透镜组成，负透镜的凹面背向光阑；
所述后固定组(5)由两个透镜组成，自左向右依次第三双凹负透镜(501)和第六双凸正透镜(502)。
2.根据权利要求1所述的紧凑型高倍率高清连续变焦光学系统，其特征在于：所述滤光片为吸收型滤光片。
3.根据权利要求2所述的紧凑型高倍率高清连续变焦光学系统，其特征在于：所述滤光片包括可见光通道滤光片(601)和近红外通道滤光片(602)；
可见光通道滤光片(601)中心厚度与近红外通道滤光片(602)中心厚度不同。
4.根据权利要求3所述的紧凑型高倍率高清连续变焦光学系统，其特征在于：可见光通道滤光片(601)中心厚度为2mm，近红外通道滤光片(602)中心厚度为1.7mm。
5.根据权利要求4所述的紧凑型高倍率高清连续变焦光学系统，其特征在于：所述可见光通道滤光片(601)和近红外通道滤光片(602)安装在滤光轮上，可在电机带动下进行切换。
6.根据权利要求5所述的紧凑型高倍率高清连续变焦光学系统，其特征在于：所述前固定组(1)与第一移动组(2)之间的空气间隔是9.3mm～83mm；
所述第一移动组(2)与第二移动组(3)之间的空气间隔是3mm～137.3mm；
所述第二移动组(3)与第三移动组(4)之间的空气间隔是5.7mm～92mm；
所述第三移动组(4)与后固定组(5)之间的空气间隔是2.2mm～28mm；
所述后固定组(5)与滤光片之间的空气间隔是1mm。
7.根据权利要求6所述的紧凑型高倍率高清连续变焦光学系统，其特征在于，各组光焦度满足如下条件：
2≤∣fL/f1∣≤3
10≤∣fL/f2∣≤20
5≤∣fL/f3∣≤10
10≤∣fL/f4∣≤20
1≤∣fL/f5∣≤2
式中：f1为前固定组(1)焦距，f2为第一移动组(2)焦距，f3为第二移动组(3)焦距，f4为第三移动组(4)焦距，f5为后固定组(5)焦距，fL为光学系统的长焦焦距。
8.根据权利要求7所述的紧凑型高倍率高清连续变焦光学系统，其特征在于：∣fL/f1∣＝3，∣fL/f2∣＝15.1，∣fL/f3∣＝7，∣fL/f4∣＝16，∣fL/f5∣＝1.3。
9.根据权利要求8所述的紧凑型高倍率高清连续变焦光学系统，其特征在于：所述前固定组(1)可整体沿光轴左右移动。
10.根据权利要求9所述的紧凑型高倍率高清连续变焦光学系统，其特征在于：所述前固定组(1)的第一负透镜(101)、第一双凸正透镜(102)和第二双凸正透镜(103)均采用超低色散玻璃HFK61；
所述第二移动组(3)的第三双凸正透镜(301)和第四双凸正透镜(302)均采用超低色散材料FK61；
所述可见光通道滤光片(601)的材料为光学有色玻璃QB21；近红外通道滤光片(602)的材料为光学有色玻璃HB700。
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