CN108333734A - 高分辨率、大像面、公差敏感度低的变焦光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高分辨率、大像面、公差敏感度低的变焦光学系统，从物侧至像侧依次设有：焦距为正的第一透镜群、焦距为负第二透镜群、可变光阑、焦距为正的第三透镜群、焦距为正的第四透镜群和感光芯片；第一透镜群、可变光阑和第三透镜群相对感光芯片固定，第二透镜群和第四透镜群可相对感光芯片前后移动；光学系统从短焦距向长焦距变化过程中，第二透镜群逐渐向第三透镜群移动，第四透镜群相对感光芯片移动时实现对焦的效果；第二透镜群的中间的透镜，以及第三透镜群的后端的透镜均为非球面透镜；在本方案中，其非球面透镜的设置能够校正像差，减少畸变，从而使得变焦光学系统获得较高的成像质量。
Description
技术领域
本发明涉及光学镜头技术领域，特别是涉及一种高分辨率、大像面、公差敏感度低的变焦光学系统。
背景技术
目前变焦镜头广泛应用到人们的日常生活中，当前市场往高分辨率和高像质的方向发展，为了获得更好的成像品质，使用像素点更大，像素点更多的芯片是解决问题的根本途径之一，但是目前的安防监控、路况监控装置存在如下缺点：
普通的变焦镜头往往无法做到大像面与体积兼容，像面增大同时会引起镜头体积的急剧变化，目前市场上的大画面的监控镜头，如1″左右的镜头，像面大小达到16.0mm的，其体积比较大，而且多是定焦镜头，在监控距离发生变化时难以控制；
目前主流的市面上的高像质的监控镜头分辨率较低，多为1080p，像素点数200万的，然而随着数据传输速度的提升，更高像质的画面传输成为可能，200万像素已经不能满足需求；目前主流的1080P的镜头像面主要是1/2.8″的，使用有效成像面对角线6.2mm的1/2.8″的CMOS的芯片，其像素点大小仅有2.8μm，分辨率不是很高；而且由于像素点很小，其感光性及色彩还原等性能都不是很理想，急需性能改进；
目前市场上的监控镜头，多为非红外共焦镜头，因此在光学波长段较多的场合如傍晚，或晚上有部分灯光照明时，拍摄的画面无法整体清晰，总会有部分模糊；
目前市场上的监控镜头，很少通过光学结构去消除镜头的杂散光，在强光源或晴天时候，镜头杂光现象严重，使镜头实际成像效果较差；
镜头设计使用非球面可有效减小像差，但同时又会增加镜头敏感性，通常非球面越多的镜头，其敏感度越高，镜片难以加工，镜头组装良率很低。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种变焦光学系统，以达到高分辨率、小体积、大像面、低成本、无杂光且红外共焦的效果。
一种高分辨率、大像面、公差敏感度低的变焦光学系统，从物侧至像侧依次设有：
焦距为正的第一透镜群、焦距为负第二透镜群、可变光阑、焦距为正的第三透镜群、焦距为正的第四透镜群和感光芯片；
第一透镜群、可变光阑和第三透镜群相对感光芯片固定，第二透镜群和第四透镜群可相对感光芯片前后移动；光学系统从短焦距向长焦距变化过程中，第二透镜群逐渐向第三透镜群移动，第四透镜群相对感光芯片移动时实现对焦的效果；
第二透镜群的中间的透镜，以及第三透镜群的后端的透镜均为非球面透镜。
在其中一个实施例中，第三透镜群从物侧至像侧依次设有焦距为正的第七透镜、焦距为负的第八透镜、焦距为正的第九透镜和焦距为负的第十透镜；所述第七透镜和第九透镜的阿贝数大于或等于50，第八透镜的折射率大于或等于1.6，阿贝数小于或等于50，第八透镜与第九透镜之间的间隔距离小于或等于0.02mm，第十透镜为非球面透镜。
在其中一个实施例中，第四透镜群从物侧至像侧依次设有焦距为正的第十一透镜、焦距为负的第十二透镜和焦距为正的第十三透镜；第十一透镜和第十二透镜为胶合透镜。
在其中一个实施例中，所述第十三透镜的像侧面的半径绝对值大于或等于90mm。
在其中一个实施例中，所述非球面透镜的口径小于或等于19mm。
在其中一个实施例中，所述非球面透镜为玻璃非球面透镜。
在其中一个实施例中，第二透镜群从物侧至像侧依次设有焦距为负的第四透镜、焦距为负的第五透镜和焦距为正的第六透镜；第四透镜的折射率大于或等于1.6，阿贝数小于或等于50，第五透镜为非球面透镜。
在其中一个实施例中，第一透镜群从物侧面至像侧面依次设有焦距为负的第一透镜、焦距为正的第二透镜和焦距为正的第三透镜；第一透镜和第二透镜为胶合透镜。
在其中一个实施例中，第一透镜群与第三透镜群之间的间隔距离为38.6mm，第二透镜群与第三透镜群之间的间隔距离为2.3mm～22.6mm，第三透镜群与第四透镜群之间的间隔距离为0.9mm～8.46mm，第四透镜群与感光芯片之间的距离为16.7mm～25.1mm。
本发明与现有技术相比，至少具有以下优点：
1、本发明的变焦光学系统使用了含2枚非球面玻璃透镜在内的13枚透镜，在较少数量的情况下获得较高的品质，而且体积较小，镜头的透过率也较高；
2、镜头FNO＝EFL/D，其中EFL为焦距，D为光圈直径；对于成像镜头，光圈直径越大,通光量就越大；在一般环境下由于传感器会自动调整曝光值,此时就比较不出FNO数值不同镜头的好坏，但在低照度的环境条件下，传感器曝光已经到极限，因此FNO数值小的镜头比较佳的表现；本发明的变焦光学系统使用可变光阑，而且在近焦端FNO达到1.7，在长焦端FNO达到2.5，有极高的感光性能，在调节光圈变化的情况下，适合多种照明状况下使用，还可以调节清晰度，提高镜头效果；
3、本发明的变焦光学系统使用玻璃非球面透镜，未使用塑料非球面透镜，因此温度变化对镜头的性能影响很小，在多种环境下均可使用；
4、本发明的变焦光学系统使用了4个透镜群，且4个透镜群之间的间隔是变化的，前3个透镜群之间的间隔的变化使镜头的焦距发生变化，第4个透镜群用于实现对焦功能，镜头在短焦焦距达到12mm，长焦焦距大于40mm；
5、本发明的整个镜头以第一透镜群为最高点，且第一透镜群与感光芯片之间的距离是不发生变化的，其高度小于110mm，在使用1″CCD的镜头中，体积较小；
6、本发明能够实现高于1200万像素的分辨率，以16.05mm的1″的CCD为例，本发明可以达到中心分辨率高于180lp/mm、周边0.7H(70％对角线位置)分辨率高于1800tvline的效果；
7、本发明的变焦光学系统利用第四透镜群实现AF自动对焦功能，从最远的无穷远到最近的1500mm微距都能够成清晰的影像，成像效果好；
8、本发明的镜头实现了全程红外共焦，在可见光波长段430nm-650nm和红外灯波长段830nm-870nm可以同时达到清晰，因此在多种波段存在的条件下使画面整体都清晰；
9、本发明中玻璃非球面镜片口径都小于19mm，且第三透镜群的口径最小，成本低，易于向市场推广；
10、本发明只使用了两枚玻璃非球面透镜，使得镜头敏感度降低，镜片易于加工，镜头组装良率大大增加。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下结合图1进行进一步说明：
一种高分辨率、大像面、公差敏感度低的变焦光学系统，从物侧至像侧依次设有：
焦距为正的第一透镜群1、焦距为负第二透镜群2、可变光阑6、焦距为正的第三透镜群3、焦距为正的第四透镜群4和感光芯片5；
第一透镜群1、可变光阑6和第三透镜群3相对感光芯片5固定，第二透镜群2和第四透镜群4可相对感光芯片5前后移动，光学系统从短焦距向长焦距变化过程中，第二透镜群2逐渐向第三透镜群3移动，第四透镜群4相对感光芯片5移动时实现对焦的效果；
第二透镜群2中间的透镜为非球面透镜，可以校正像差，减小畸变的，使镜头获得高的成像质量；
第三透镜群3的后端的透镜为非球面透镜，可以校正像差，使光学系统获得高的成像质量；
其中，上述的非球面透镜的表面形状满足以下关系式：
式中，参数c为半径所对应的曲率，r为径向坐标，其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数，当k系数小于-1时面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时为抛物线，当k系数介于-1到0之间时为椭圆，当k系数等于0时为圆形，当k系数大于0时为扁圆形，α1至α8分别表示各径向坐标所对应的系数，通过以上参数可以精确设定非球面透镜的形状尺寸。
在其中一个实施例中，第三透镜群3从物侧至像侧依次设有焦距为正的第七透镜301、焦距为负的第八透镜302、焦距为正的第九透镜303和焦距为负的第十透镜304；所述第七透镜301和第九透镜303的阿贝数较高，均大于或等于50，第八透镜302的折射率较高，大于或等于1.6，阿贝数较低，小于或等于50，第八透镜302与第九透镜303之间的间隔距离小于或等于0.02mm，第十透镜304为非球面透镜；在四枚透镜的共同作用下，可以有效减少畸变，同时也能校正色差，达到红外光与可见光具有共焦的效果。
在其中一个实施例中，第四透镜群4从物侧至像侧依次设有焦距为正的第十一透镜401、焦距为负的第十二透镜402和焦距为正的第十三透镜403；第十一透镜401和第十二透镜402为胶合透镜，可起到对焦的效果，第四透镜群各枚透镜焦距的正负组合结构，可以有效减少变焦过程中光学系统的像差变化。
在其中一个实施例中，所述第十三透镜403的像侧面接近平面，其半径绝对值大于或等于90mm，消除了镜头出现杂光的可能性，极大提升了成像效果。
在其中一个实施例中，所述非球面透镜的口径小于或等于19mm，成本低，易于向市场推广。
在其中一个实施例中，所述非球面透镜为玻璃非球面透镜，未使用塑料非球面透镜，因此温度变化对镜头的性能影响很小，在多种环境下均可使用。
在其中一个实施例中，第二透镜群2从物侧至像侧依次设有焦距为负的第四透镜201、焦距为负的第五透镜202和焦距为正的第六透镜203；第四透镜201为高折射率、高色散材料制成的透镜，其折射率大于或等于1.6，阿贝数小于或等于50了，可以有效矫正光学系统在短焦端的畸变，同时能够大幅提高短焦状态下的分辨率，第五透镜202为非球面透镜。
在其中一个实施例中，第一透镜101的焦距为负，第二透镜102的焦距为正，第三透镜103的焦距为正；第一透镜101和第二透镜102为胶合透镜。
在其中一个实施例中，第一透镜群1与第三透镜群3之间的间隔距离为38.6mm，第二透镜群2与第三透镜群3之间的间隔距离为2.3mm～22.6mm，第三透镜群3与第四透镜群4之间的间隔距离为0.9mm～8.46mm，第四透镜群4与感光芯片5之间的距离为16.7mm～25.1mm。
如表1所示，为本发明的一个实际设计案例：
| 面 | 类型 | 半径 | 厚度 | 材料 | K值 |
| 101a | 球面 | 108.182 | 1.200 | ZF7L | 0.000 |
| 101b/102a | 球面 | 48.401 | 8.605 | HZPK5 | 0.000 |
| 102b | 球面 | -572.407 | 0.080 | 0.000 | |
| 103a | 球面 | 36.121 | 5.907 | HLAK53A | 0.000 |
| 103b | 球面 | 92.585 | 0.704 | 0.000 | |
| 201a | 球面 | 95.477 | 0.700 | HLAF50B | 0.000 |
| 201b | 球面 | 11.752 | 8.826 | 0.000 | |
| 202a | 非球面 | -46.312 | 3.000 | MBACD5N | -1.134 |
| 202b | 非球面 | 16.817 | 0.842 | 11.006 | |
| 203a | 球面 | 53.262 | 2.591 | HZLAF90 | 0.000 |
| 203b | 球面 | -68.882 | 19.896 | 0.000 | |
| 6 | 球面 | infinity | 2.100 | 0.000 | |
| 301a | 球面 | 15.199 | 2.700 | FCD100 | 0.000 |
| 301b | 球面 | 49.429 | 5.607 | 0.000 | |
| 302a | 球面 | -23.978 | 0.700 | H-TF3 | 0.000 |
| 302b | 球面 | 84.682 | 0.020 | 0.000 | |
| 303a | 球面 | 19.718 | 4.370 | H-QK3L | 0.000 |
| 303b | 球面 | -22.211 | 0.022 | 0.000 | |
| 304a | 非球面 | -19.065 | 1.200 | M-BACD15 | -5.816 |
| 304b | 非球面 | -32.687 | 8.573 | 1.189 | |
| 401a | 球面 | 17.740 | 5.717 | FCD505 | 0.000 |
| 401b/402a | 球面 | -29.127 | 3.502 | HF1 | 0.000 |
| 402b | 球面 | 15.992 | 2.345 | 0.000 | |
| 403a | 球面 | 20.037 | 3.471 | MFCD500 | 0.000 |
| 403b | 球面 | -94.18 | 2.724 | 0.000 | |
| 保护玻璃 | 球面 | infinity | 0.450 | H-K9L | 0.000 |
| 保护玻璃 | 球面 | infinity | 0.900 | H-K9L | 0.000 |
| 5 | 球面 | infinity | 1.300 | 0.000 | |
| 5 | 球面 | infinity | 0.000 | 0.000 |
表1
如表2所示，为本发明一个实际设计案例中各个非球面透镜的非球面系数：
表2
Claims (9)
1.一种高分辨率、大像面、公差敏感度低的变焦光学系统，其特征在于：从物侧至像侧依次设有：
焦距为正的第一透镜群(1)、焦距为负第二透镜群(2)、可变光阑(6)、焦距为正的第三透镜群(3)、焦距为正的第四透镜群(4)和感光芯片(5)；
第一透镜群(1)、可变光阑(6)和第三透镜群(3)相对感光芯片(5)固定，第二透镜群(2)和第四透镜群(4)可相对感光芯片(5)前后移动；光学系统从短焦距向长焦距变化过程中，第二透镜群(2)逐渐向第三透镜群(3)移动，第四透镜群(4)相对感光芯片(5)移动时实现对焦的效果；
第二透镜群(2)的中间的透镜，以及第三透镜群(3)的后端的透镜均为非球面透镜。
2.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、公差敏感度低的变焦光学系统，其特征在于：第三透镜群(3)从物侧至像侧依次设有焦距为正的第七透镜(301)、焦距为负的第八透镜(302)、焦距为正的第九透镜(303)和焦距为负的第十透镜(304)；所述第七透镜(301)和第九透镜(303)的阿贝数大于或等于50，第八透镜(302)的折射率大于或等于1.6，阿贝数小于或等于50，第八透镜(302)与第九透镜(303)之间的间隔距离小于或等于0.02mm，第十透镜(304)为非球面透镜。
3.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、公差敏感度低的变焦光学系统，其特征在于：第四透镜群(4)从物侧至像侧依次设有焦距为正的第十一透镜(401)、焦距为负的第十二透镜(402)和焦距为正的第十三透镜(403)；第十一透镜(401)和第十二透镜(402)为胶合透镜。
4.根据权利要求3所述的高分辨率、大像面、公差敏感度低的变焦光学系统，其特征在于：所述第十三透镜(403)的像侧面的半径绝对值大于或等于90mm。
5.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、公差敏感度低的变焦光学系统，其特征在于：所述非球面透镜的口径小于或等于19mm。
6.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、公差敏感度低的变焦光学系统，其特征在于：所述非球面透镜为玻璃非球面透镜。
7.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、公差敏感度低的变焦光学系统，其特征在于：第二透镜群(2)从物侧至像侧依次设有焦距为负的第四透镜(201)、焦距为负的第五透镜(202)和焦距为正的第六透镜(203)；第四透镜(201)的折射率大于或等于1.6，阿贝数小于或等于50，第五透镜(202)为非球面透镜。
8.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、公差敏感度低的变焦光学系统，其特征在于：第一透镜群(1)从物侧面至像侧面依次设有焦距为负的第一透镜(101)、焦距为正的第二透镜(102)和焦距为正的第三透镜(103)；第一透镜(101)和第二透镜(102)为胶合透镜。
9.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、公差敏感度低的变焦光学系统，其特征在于：第一透镜群(1)与第三透镜群(3)之间的间隔距离为38.6mm，第二透镜群(2)与第三透镜群(3)之间的间隔距离为2.3mm～22.6mm，第三透镜群(3)与第四透镜群(4)之间的间隔距离为0.9mm～8.46mm，第四透镜群(4)与感光芯片(5)之间的距离为16.7mm～25.1mm。
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