CN108627961A - 一种大相对孔径水下变焦成像镜头 - Google Patents

一种大相对孔径水下变焦成像镜头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大相对孔径水下变焦成像镜头，包括隔水窗、由11片透镜组成的变焦透镜组和成像CCD，所述变焦透镜组从物侧到像侧依次包括前固定组、变焦组和后固定组，所述前固定组包括第一透镜和第二透镜，所述变焦组包括第三透镜、第四透镜、光阑以及第五透镜，所述后固定组包括第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜和第十一透镜；所述第一透镜为校正色差的非球面双胶合透镜；第二透镜为具有正光焦度的非球面透镜；第三、九、十透镜为具有负光焦度的透镜；第四、五、六透镜为校正色差的双胶合透镜；第七、八、十一透镜为具有正光焦度的透镜，本发明所公开的镜头具有大相对孔径，能够保证在大视场下，具有较高的照度，满足成像的要求。

Description

一种大相对孔径水下变焦成像镜头
技术领域
本发明涉及一种水下光学成像系统，特别涉及一种大相对孔径、较大视场角的水下三挡变焦镜头。
背景技术
空气介质中使用的光学摄影镜头经过装配隔水密封窗口，在水下工作会导致镜头的像差过大、视场角变小，无法成像质量的要求。因此，为适应海水中成像的需要，需要增大相对孔径，以提高水下光能的利用效率和工作距离。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种大相对孔径水下变焦成像镜头，以达到具有大相对孔径，能够保证在大视场下，具有较高的照度，满足成像要求的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种大相对孔径水下变焦成像镜头，包括隔水窗、由11片透镜组成的变焦透镜组和成像CCD，所述变焦透镜组从物侧到像侧依次包括前固定组、变焦组和后固定组，所述前固定组包括第一透镜和第二透镜，所述变焦组包括第三透镜、第四透镜、光阑以及第五透镜，所述后固定组包括第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜和第十一透镜；所述第一透镜为校正色差的非球面双胶合透镜；第二透镜为具有正光焦度的非球面透镜；第三、九、十透镜为具有负光焦度的透镜；第四、五、六透镜为校正色差的双胶合透镜；第七、八、十一透镜为具有正光焦度的透镜。
上述方案中，所述隔水窗材料为F_SILICA，折射率n＝1.46，阿贝系数v＝67.8；所述第一透镜的材料为N-SF19、LAKN6，折射率n＝1.67、1.64，阿贝系数v＝33.1、58；所述第二透镜的材料为LAFN21，折射率n＝1.79，阿贝系数v＝47.5；所述第三透镜的材料为KZFS6，折射率n＝1.59，阿贝系数v＝48.5；所述第四透镜的材料为LAK11、SF6，折射率n＝1.66、1.81，阿贝系数v＝57.3、25.4；所述第五透镜双胶合材料为N-SK18、N-SF10，折射率n＝1.64、1.73，阿贝系数v＝55.4、28.5；所述第六透镜的材料为LAF20、SF6，折射率n＝1.68、1.81，阿贝系数v＝48.2、25.4；所述第七透镜的材料为SK55，折射率n＝1.62，阿贝系数v＝60.1；所述第八透镜的材料为BASF54，折射率n＝1.74，阿贝系数v＝32.1；所述第九透镜的材料为SF6HT，折射率n＝1.81，阿贝系数v＝25.4；所述第十透镜的材料为BK3，折射率n＝1.50，阿贝系数v＝65.1；所述第十一透镜的材料为SSK4A，折射率n＝1.62，阿贝系数v＝55.1。
上述方案中，所述镜头为三挡变焦成像镜头，光学系统焦距为10mm、14mm和28mm，变焦过程F数为1.4。
上述方案中，所述光阑为视场光阑。
上述方案中，所述成像CCD的尺寸为6.4mm*4.8mm。
上述方案中，所述第一透镜和第二透镜满足以下非球面公式：
公式中：c为曲面顶点的曲率，k为二次曲面系数，a2、a4、a6…是高次曲面系数，h为垂直光轴方向的径向坐标。
通过上述技术方案，本发明提供的大相对孔径水下变焦成像镜头水下视场角达到52度，透镜组焦距为10mm、14mm和28mm，相对孔径F数为1.4，透镜组系统总长为200mm；变焦比满足f2/f1＝1.4、f3/f1＝2.8。
本发明的水下变焦镜头，畸变和场曲控制在合理的范围，几何包围能量大于90％，奈奎斯特频率N＝42lp/mm时光学调制传递函数(MTF)值在0.5以上，因此具有比较理想的成像质量。变焦过程中F数保持不变，在水下具有较大视场。而且此光学镜头具有大相对孔径，能够保证在大视场下，具有较高的照度，满足成像的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明水下变焦镜头10mm焦距的光学结构示意图；
图2为本发明水下变焦镜头10mm焦距的场曲和畸变曲线示意图；
图3为本发明水下变焦镜头10mm焦距的MTF曲线示意图；
图4为本发明水下变焦镜头10mm焦距的相对照度示意图；
图5为本发明水下变焦镜头14mm焦距的光学结构示意图；
图6为本发明水下变焦镜头14mm焦距的场曲和畸变曲线示意图；
图7为本发明水下变焦镜头14mm焦距的MTF曲线示意图；
图8为本发明水下变焦镜头14mm焦距的相对照度示意图；
图9为本发明水下变焦镜头28mm焦距的光学结构示意图；
图10为本发明水下变焦镜头28mm焦距的场曲和畸变曲线示意图；
图11为本发明水下变焦镜头28mm焦距的MTF曲线示意图；
图12为本发明水下变焦镜头28mm焦距的相对照度示意图。
图中，1、隔水窗；2、第一透镜；3、第二透镜；4、第三透镜；5、第四透镜；6、第五透镜；7、第六透镜；8、第七透镜；9、第八透镜；10、第九透镜；11、第十透镜；12、第十一透镜；13、光阑；14、成像CCD。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种大相对孔径水下变焦成像镜头，如图1、5、9所示的结构，该镜头包括隔水窗1、由11片透镜组成的变焦透镜组和成像CCD14，变焦透镜组从物侧到像侧依次包括前固定组、变焦组和后固定组。前固定组包括第一透镜2和第二透镜3，变焦组包括第三透镜4、第四透镜5、光阑13以及第五透镜6，后固定组包括第六透镜7、第七透镜8、第八透镜9、第九透镜10、第十透镜11和第十一透镜12；第一透镜2为校正色差的非球面双胶合透镜；第二透镜3为具有正光焦度的非球面透镜；第三、九、十透镜为具有负光焦度的透镜；第四、五、六透镜为校正色差的双胶合透镜；第七、八、十一透镜为具有正光焦度的透镜。
隔水窗1材料为F_SILICA，折射率n＝1.46，阿贝系数v＝67.8；第一透镜2的材料为N-SF19、LAKN6，折射率n＝1.67、1.64，阿贝系数v＝33.1、58；第二透镜3的材料为LAFN21，折射率n＝1.79，阿贝系数v＝47.5；第三透镜4的材料为KZFS6，折射率n＝1.59，阿贝系数v＝48.5；第四透镜5的材料为LAK11、SF6，折射率n＝1.66、1.81，阿贝系数v＝57.3、25.4；第五透镜6双胶合材料为N-SK18、N-SF10，折射率n＝1.64、1.73，阿贝系数v＝55.4、28.5；第六透镜7的材料为LAF20、SF6，折射率n＝1.68、1.81，阿贝系数v＝48.2、25.4；第七透镜8的材料为SK55，折射率n＝1.62，阿贝系数v＝60.1；第八透镜9的材料为BASF54，折射率n＝1.74，阿贝系数v＝32.1；第九透镜10的材料为SF6HT，折射率n＝1.81，阿贝系数v＝25.4；第十透镜11的材料为BK3，折射率n＝1.50，阿贝系数v＝65.1；第十一透镜12的材料为SSK4A，折射率n＝1.62，阿贝系数v＝55.1。
镜头为三挡变焦成像镜头，光学系统焦距为10mm、14mm和28mm，变焦过程F数为1.4。本实施例中，光阑为视场光阑。成像CCD的尺寸为6.4mm*4.8mm。
第一透镜和第二透镜满足以下非球面公式：
公式中：c为曲面顶点的曲率，k为二次曲面系数，a2、a4、a6…是高次曲面系数，h为垂直光轴方向的径向坐标。
参考图2、图6和图10，本发明水下变焦镜头的场曲和畸变曲线示意图。左边为场曲图，本发明专利的场曲控制在合理的范围之内；右图为畸变图，三种焦距系统下的畸变控制在了10％以内，能够满足水下成像的要求。
参考图3、图7和图11，本发明水下变焦镜头的MTF曲线相对平滑，42lp/mm下的MTF值达0.5，成像光学系统性能良好。
参考图4、图8和图12，本发明水下变焦镜头各视场相对照度控制在90％以上，这种结构提高了水下光的利用效率，满足成像的要求。
本发明水下变焦镜头10mm、14mm、28mm焦距的结构参数(从物侧到像侧)如表1至表3所示。隔水窗算两个面，一个透镜有前后两个面(如第二、三、七、八、九、十、十一透镜)，双胶合的透镜有三个面(如第一、四、五、六透镜)，光阑算一个面。
表1水下变焦镜头10mm焦距的结构参数
表2水下变焦镜头14mm焦距的结构参数
表3水下变焦镜头28mm焦距的结构参数
本发明水下变焦镜头的非球面系数如表4所示。第三面指的是第二透镜的左面，第六面指的是第三透镜的左面。
表4非球面透镜的系数
二次曲面系数 a2 a4 a6
第三面 -20.209 -6.446E-7 9.725E-10 -3.426E-13
第六面 0.427 1.84E-6 -1.673E-9 6.2E-13
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种大相对孔径水下变焦成像镜头，其特征在于，包括隔水窗、由11片透镜组成的变焦透镜组和成像CCD，所述变焦透镜组从物侧到像侧依次包括前固定组、变焦组和后固定组，所述前固定组包括第一透镜和第二透镜，所述变焦组包括第三透镜、第四透镜、光阑以及第五透镜，所述后固定组包括第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜和第十一透镜；所述第一透镜为校正色差的非球面双胶合透镜；第二透镜为具有正光焦度的非球面透镜；第三、九、十透镜为具有负光焦度的透镜；第四、五、六透镜为校正色差的双胶合透镜；第七、八、十一透镜为具有正光焦度的透镜。
2.根据权利要求1所述的一种大相对孔径水下变焦成像镜头，其特征在于，所述隔水窗材料为F_SILICA，折射率n＝1.46，阿贝系数v＝67.8；所述第一透镜的材料为N-SF19、LAKN6，折射率n＝1.67、1.64，阿贝系数v＝33.1、58；所述第二透镜的材料为LAFN21，折射率n＝1.79，阿贝系数v＝47.5；所述第三透镜的材料为KZFS6，折射率n＝1.59，阿贝系数v＝48.5；所述第四透镜的材料为LAK11、SF6，折射率n＝1.66、1.81，阿贝系数v＝57.3、25.4；所述第五透镜双胶合材料为N-SK18、N-SF10，折射率n＝1.64、1.73，阿贝系数v＝55.4、28.5；所述第六透镜的材料为LAF20、SF6，折射率n＝1.68、1.81，阿贝系数v＝48.2、25.4；所述第七透镜的材料为SK55，折射率n＝1.62，阿贝系数v＝60.1；所述第八透镜的材料为BASF54，折射率n＝1.74，阿贝系数v＝32.1；所述第九透镜的材料为SF6HT，折射率n＝1.81，阿贝系数v＝25.4；所述第十透镜的材料为BK3，折射率n＝1.50，阿贝系数v＝65.1；所述第十一透镜的材料为SSK4A，折射率n＝1.62，阿贝系数v＝55.1。
3.根据权利要求1所述的一种大相对孔径水下变焦成像镜头，其特征在于，所述镜头为三挡变焦成像镜头，光学系统焦距为10mm、14mm和28mm，变焦过程F数为1.4。
4.根据权利要求1所述的一种大相对孔径水下变焦成像镜头，其特征在于，所述光阑为视场光阑。
5.根据权利要求1所述的一种大相对孔径水下变焦成像镜头，其特征在于，所述成像CCD的尺寸为6.4mm*4.8mm。
6.根据权利要求1所述的一种大相对孔径水下变焦成像镜头，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜满足以下非球面公式：
公式中：c为曲面顶点的曲率，k为二次曲面系数，a2、a4、a6…是高次曲面系数，h为垂直光轴方向的径向坐标。
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