CN108572433B

CN108572433B - 一种二元面高倍变焦镜头

Info

Publication number: CN108572433B
Application number: CN201710142498.9A
Authority: CN
Inventors: 欧阳霞; 韩志刚; 李开华; 李宏宇; 郑东
Original assignee: HUBEI HUAZHONG PHOTOELECTRIC SCIENCE AND TECHNOLOGY Ltd
Current assignee: Hubei Huazhong Changjiang Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: CN108572433A

Abstract

本发明公开了一种二元面高倍变焦镜头，所述高倍镜头在轴向方向上依次包括：前固定镜组，变倍镜组，补偿镜组，后固定镜组，可切换滤光镜组，其中，前固定镜组中的朝向被拍摄对象的第一个光学元件设置为二元面，按照本发明实现的二元面高倍变焦镜头，采用衍射补偿色差，改善光学零件工艺性，降低零件厚度，减少后固定组镜片数量，在这种情况下，显著地减小了系统的整体重量，并且二元面的引入能够更进一步的降低前固定镜组的加工要求，进一步提高变焦镜头的可加工适应性。

Description

一种二元面高倍变焦镜头

技术领域

本发明属于光电设备领域，更具体地，涉及一种二元面高倍变焦镜头。

背景技术

对于变焦距物镜，在性能的实现上应该达到：高变倍比，大相对孔径、大视场结构体积要小、质量轻，但上述要求是互相矛盾的。

对于高变倍比，大孔径的光学镜头就意味着光学零件加工困难及光学系统的透过率较低且镜头大多比较笨重。如何尽量地减小光学零件的质量，以及提高加工的可行性和适普性，是现有技术中应该尽量解决的问题。由于红外材料昂贵且品种少，二元面可以很好的补偿色差，在红外系统中被广泛应用。然而却鲜少应用于白光系统，由于白光系统可选材料种类繁多，色差可通过材料及面型进行控制，但高变倍比的白光系统作为复杂的光学系统，引进二元面可以解决现有镜头的透过率低、笨重等诟病。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种二元面高倍镜头，由此进一步地减小高倍镜头的元器件数量，并且减小加工的难度，提高系统。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种二元面高倍变焦镜头，其特征在于，所述高倍镜头在轴向方向上依次包括：前固定镜组，变倍镜组，补偿镜组，后固定镜组，可切换滤光镜组，其中，所述前固定镜组包括二元面单透镜，球面单透镜，球面单透镜，所述变倍镜组包括球面双胶合透镜，球面双胶合透镜，所述补偿镜组包括球面单透镜，球面双胶合透镜，所述后固定镜组包括球面双胶合透镜，球面单透镜，球面双胶合透镜，所述可切换滤光镜组具体为可见光及近红外的两个平行平板。

进一步地，所述前固定镜组的光学元件的材料为参数为折射率为1.52，色散系数为64.2。

进一步地，所述二元面的加工方法优选为电子束直写法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)在本发明实现的方案中，将前固定组中一片透镜的一面由球面改为二元面，由折射系统改进为折衍系统，利用二元面代替传统的球面透镜，二元面的加入，采用衍射补偿色差，改善光学零件工艺性，降低零件厚度，减少后固定组镜片数量，在这种情况下，显著地减小了系统的整体重量；

(2)二元面的引入可以使现有技术中的前固定组中难以加工及寻觅的晶体材料折射率1.43，色散系数95.0进行替换，替换的材料为折射率1.52，色散系数64.2，该种材料的加工方便，并且更容易获得，使得按照本发明实现的镜头具有适普的加工能力，在保障高倍镜头性能的前提下进一步减小加工成本，减轻系统质量。

附图说明

图1为按照本发明实现的机械补偿式变焦镜头的整体结构示意图；

图2为按照本发明实现的机械补偿式变焦镜头的细节结构示意图；

图3为按照本发明实现的机械补偿式变焦镜头的镜头组成结构详细细节示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-前固定镜组，2-变倍镜组，3-补偿镜组，4-后固定镜组，5-可切换滤光镜组，1-1-二元面单透镜，1-2-第一球面单透镜，1-3-第二球面单透镜，2-1-第一球面双胶合透镜，2-2-第二球面双胶合透镜，3-1-第三球面单透镜，3-2-第三球面双胶合透镜，4-1-第四球面双胶合透镜，4-2-第四球面单透镜，4-3-第五球面双胶合透镜，5-可切换滤光镜组，6-压圈，7-调教齿轮，8-变倍管，9-滑杆，10-镜管，11-后支架，12-光阑，13-视差圈，14-传感器接口，15-电机Ⅰ，16-电机Ⅱ，17-安装固定板，18-挡片，19-螺钉。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，是机械补偿式变焦镜头的光学元件的整体组成结构示意图，其中1为前固定镜组，其中2为变倍镜组，其中3为补偿镜组。4为后固定镜组，5可切换滤光镜组。

如图2所示，是机械补偿式变焦镜头的光学结构的详细组成结构示意图，其中，前固定镜头1包括的结构为1-1为二元面单透镜，采用平凸结构,材料代码为517642、1-2为第一球面单透镜，采用双凸结构，材料代码为487704、1-3为第二球面单透镜，采用双凹结构，材料代码为847238；

其中变倍镜组2所包括的具体结构：2-1为第一球面双胶合透镜，双胶合透镜分别由双凸透镜及双凹透镜胶合而成，材料代码分别为923209、487704；2-2为第二球面双胶合透镜，双胶合透镜分别由双凹透镜及弯月透镜胶合而成，材料代码分别为744449、847238。

其中补偿镜组3的具体结构为：3-1为第三球面单透镜，采用双凸结构，材料代码为665546，3-2第三球面双胶合透镜，双胶合透镜分别由双凸透镜及弯月透镜胶合而成，材料代码分别为497816、847238。

其中后固定镜组4所包括的具体结构为：4-1为第四球面双胶合透镜，双胶合透镜分别由双凸透镜及平凹透镜胶合而成，材料代码分别为497816、834372。4-2为第四球面单透镜，采用弯月结构，材料代码为699301。4-3为第五球面双胶合透镜，双胶合透镜分别由双凸透镜及双凹透镜胶合而成，材料代码分别为847238、744449。

其中可切换滤光镜5为：可见光及近红外的两个平行平板。

如图2所示，该光学系统由15片透镜组成，15片透镜组成10个透镜组，其中元件1-1的平面为二元面，其余均为球面。

如图3所示，如果包括整体镜头的机械变焦式调整部分，则整个镜头由如下几个部分组成，沿镜头的轴向方向依次具体包含：压圈6、调教齿轮7、前固定组1、变倍管8、变倍镜组2、滑杆9、补偿镜组3、镜管10、后支架11、光阑12、后镜组4、可切换滤光镜组5、视差圈13、传感器接口14、电机Ⅰ15、电机Ⅱ16、安装固定板17。

其变倍形式为机械式补偿，其中电机Ⅰ15传动调教齿轮7前后移动前固定组1调焦，电机Ⅱ16传动变倍镜组2，使变倍管8与补偿镜组3在镜管10内，沿滑杆9滑动，以保证镜头变倍光轴一致性。

通过调节光阑12调节光圈，通过调节视差圈13调节视差，满足传感器成像清晰。为确保产品稳定、可靠，用镜管10和后支架11固定镜头在安装固定板17上，18是挡片，19是螺钉。

本发明的核心思路所涉及的方案为：将前固定组中一片透镜的一面由球面改为二元面，由折射系统改进为折衍系统，利用二元面代替传统的球面透镜，二元面的加入，衍射补偿色差，改善光学零件工艺性，降低零件厚度，减少后固定组镜片数量(将后固定组由7片透镜4个透镜组改为5片透镜3个透镜组)，使光学件重量由153g减少至85g。

与同类系统相比，二元面变焦电视在同样的技术指标下具有更好的成像效果，系统透过率更高，整个图像画面更加细致明亮。

传统折射元件中，常利用色差系数相差较大的两种材料来消色差，但是它们的阿贝系数均为正数，必采用正负透镜组合方式，单块透镜光焦度绝对值大，不利于单色像差的校正。二元面属于衍射元件，衍射元件有负的色散系数，与常规材料色散系数正好符号相反，可以更好的校正系统的色差和二级光谱。

衍射元件本身具有负色散系数，对材料要求较低，再加上设计在平面上加工，选择易加工且工艺性较强的材料便可以选择刻蚀法、薄膜沉积法，激光束直接法、电子束直写发、金刚石车削法、准分子激光加工法和灰阶掩膜法等方式进行二元面的加工。为减少加工误差，就必须增加台阶数目，但台阶数目的增加使得图形线条变细，使加工难度大大增加。电子束直写法一次成型且无离散化近似，能保证较好的衍射效率。为保证制作精度及衍射效率，我们选择电子束直写法进行二元面的加工。

二元面的引入可以使现有技术中的前固定组中难以加工及寻觅的晶体材料折射率1.43，色散系数95.0，该晶体既为CaF₂。进行替换(替换成材料主要为1.52，64.2，该材料既为成都光明的H-K9L或国产K9材料)，让传统镜头中材料难寻觅问题得到了解决。

总之，按照本发明其中一种实施例实现的方式种，传统镜头大多采用17片11组(不含滤光片)。改为二元面后，同等技术状态下，一般需采用15片10组(不含滤光片),二元面的加入很好的补偿了色差,让后固定组减少了一个胶合透镜,与此同时二元面镜头像质高于传统镜头的像质，且拥有更长的后截距。

并且，按照上述实施例中的15片10组的结构，机械补偿变焦电视，镜头光焦度为前固定组焦距103.99mm，变倍组焦距-19.31mm，补偿组焦距29.66mm，后补偿组焦距-87.77mm，变倍组行程为38.5mm，全程通过导轨滑动机构进行水平滑动实现变倍，在同等技术状态下，按照本发明实现的镜头具有更长的后截距，更短的镜筒长度。

进一步地，按照本发明实现的传统高变倍比光学镜头仅采用球面光学零件，为保证工艺性及设计性，前固定镜组一般采用晶体材料1.43，95.0,然而该材料具有萤光特性且加工工艺性较差，再者前固定组的光学零件往往口径较大，材料供应不易保证，很难保证零件加工公差。高变倍比的光学系统对零部件公差要求相对严苛，前固定组更为敏感因此前固定组的加工难度较高。采用二元面后，可以将前固定组中低折射率材料改为工艺性较强的折射率为1.52，色散系数为64.2的低成本材料,大大改善了加工工艺且降低了材料成本。

最后能够实现的镜头系统参数具体为焦距(25～290)mm，11.6倍连续变焦，1/1.8英寸探测器，在(0.45～0.65)um和(0.76～0.92)um滤光片双波段切换。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种二元面高倍变焦镜头，其特征在于，所述高倍镜头在轴向方向上依次包括：前固定镜组(1)，变倍镜组(2)，补偿镜组(3)，后固定镜组(4)，可切换滤光镜组(5)，其中，所述前固定镜组(1)包括二元面单透镜(1-1)，第一球面单透镜(1-2)，第二球面单透镜(1-3)，所述二元面透镜(1-1)采用平凸结构，所述第一球面单透镜(1-2)采用双凸结构，所述第二球面单透镜(1-3)采用双凹结构；所述变倍镜组(2)包括第一球面双胶合透镜(2-1)，第二球面双胶合透镜(2-2)，所述第一球面双胶合透镜(2-1)分别由双凸透镜及双凹透镜胶合而成，所述第二球面双胶合透镜(2-2)分别由双凹透镜及弯月透镜胶合而成；所述补偿镜组(3)包括第三球面单透镜(3-1)，第三球面双胶合透镜(3-2)，所述第三球面单透镜(3-1)采用双凸结构，所述第三球面双胶合透镜(3-2)分别由双凸透镜及弯月透镜胶合而成；所述后固定镜组(4)包括第四球面双胶合透镜(4-1)，第四球面单透镜(4-2)，第五球面双胶合透镜(4-3)，所述第四球面双胶合透镜(4-1)分别由双凸透镜及平凹透镜胶合而成，所述第四球面单透镜(4-2)采用弯月结构，所述第五球面双胶合透镜(4-3)分别由双凸透镜及双凹透镜胶合而成；所述可切换滤光镜组(5)具体为可见光及近红外的两个平行平板；

所述前固定镜组(1)的光学元件的材料为参数为折射率为1.52，色散系数为64.2。

2.如权利要求1所述的二元面高倍变焦镜头，其特征在于，所述二元面的加工方法优选为电子束直写法。