CN108983403B - 变焦距光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及成像技术领域，尤其涉及一种变焦距光学系统。变焦距光学系统沿光线入射方向，依次设置有前固定组、三棱镜、变倍组、补偿组、物镜组以及像面，变焦距光学系统的光学总长度固定；前固定组包括第一透镜；变倍组包括第二透镜；补偿组包括沿光路方向设置的第三透镜和第四透镜；物镜组包括第五透镜；所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜均为玻璃透镜。本发明能够适应小型化、微型化电子设备的发展趋势，且成像性能好。
Description
技术领域
本发明涉及成像技术领域，尤其涉及一种变焦距光学系统。
背景技术
随着电子设备如手机、相机等小型化的发展，其上的成像设备的小型化也成为一种趋势。现有的变焦距光学系统通过变倍组和补偿组进行焦距切换，以实现清晰成像。然而，这种变焦距光学系统的结构比较复杂，且整体长度较长，无法满足小型化、微型化电子设备的发展趋势。
发明内容
本发明提供了一种变焦距光学系统，能够解决上述问题。
本发明提供了一种变焦距光学系统，沿光线入射方向，依次设置有前固定组、三棱镜、变倍组、补偿组、物镜组以及像面，所述变焦距光学系统的光学总长度固定不变；
所述前固定组包括第一透镜，所述第一透镜为前凸后凹透镜；
所述三棱镜用于实现光路转折；所述变倍组与所述补偿组沿所述光路方向能够在所述三棱镜与所述物镜组之间移动，以实现焦距连续切换；
所述变倍组包括第二透镜，所述第二透镜为双凸透镜；
所述补偿组包括沿光路方向设置的第三透镜和第四透镜，所述第三透镜为双凹透镜，所述第四透镜为双凸透镜；
所述物镜组能够沿所述光路方向相对于所述像面移动，以用于不同距离场景的对焦，所述物镜组包括第五透镜，所述第五透镜为双凸透镜；
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜均为玻璃透镜。
优选地，所述变焦距光学系统满足以下条件式，
7.5mm≤D1≤12.5mm；
其中，D1为所述第一透镜的物侧面到所述三棱镜远离所述第一透镜的一端的轴上距离。
优选地，所述变焦距光学系统满足以下条件式，
D1/∑Ti<1.1；
∑Ti＝T1+T5+T8+T10+T12；
其中，
D1为所述第一透镜的物侧面到所述三棱镜远离所述第一透镜的一端的轴上距离；
∑Ti为所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜以及所述第五透镜的中心厚度之和；
T1为所述第一透镜的中心厚度；
T5为所述第二透镜的中心厚度；
T8为所述第三透镜的中心厚度；
T10为所述第四透镜的中心厚度；
T12为所述第五透镜的中心厚度。
优选地，所述变焦距光学系统满足以下条件式，
1.55≤n1≤1.65；
1.75≤nTP≤1.85；
1.55≤n2≤1.61；
1.7≤n3≤1.75；
1.53≤n4≤1.63；
1.55≤n5≤1.61；
其中，
nTP为所述三棱镜的折射率；
n1为所述第一透镜的折射率；
n2为所述第二透镜的折射率；
n3为所述第三透镜的折射率；
n4为所述第四透镜的折射率；
n5为所述第五透镜的折射率。
优选地，所述变焦距光学系统满足以下条件式，
其中，
f1为所述第一透镜的焦距；
f2为所述第二透镜的焦距；
f3为所述第三透镜的焦距；
f4为所述第四透镜的焦距；
f5为所述第五透镜的焦距；
fs为所述变焦距光学系统的短焦焦距。
优选地，所述变焦距光学系统满足以下条件式，
T4>2mm；
其中，T4为长焦时所述三棱镜像侧面到所述第二透镜物侧面的轴上距离。
优选地，还包括光阑，所述光阑位于所述第二透镜与所述第三透镜之间，所述变焦距光学系统满足以下条件式，
T6>1.5mm；
T7>1.5mm；
其中，
T6为所述第二透镜像侧面到所述光阑的轴上距离；
T7为所述光阑到所述第三透镜物侧面的轴上距离。
优选地，所述第一透镜的物侧面和像侧面、所述第四透镜的物侧面和像侧面均为球面；所述第二透镜的物侧面和像侧面、所述第三透镜的物侧面和像侧面、所述第五透镜的物侧面和像侧面均为非球面。
本发明提供的技术方案可以达到以下有益效果：
本发明所提供的变焦距光学系统，通过增加三棱镜实现光路的转折，能够减小整个系统的长度，适应小型化、微型化电子设备的发展趋势；且通过变倍组和补偿组中各透镜的共同工作，使物体在有限距离至无穷远距离时均能够成清晰的图像。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
图1为本发明所提供的变焦距光学系统的一种具体实施例在短焦状态时的结构示意图；
图2为本发明所提供的变焦距光学系统的一种具体实施例在中焦状态时的结构示意图；
图3为本发明所提供的变焦距光学系统的一种具体实施例在长焦状态时的结构示意图；
图4为本发明所提供的变焦距光学系统的一种具体实施例在短焦状态时的垂轴色差图；
图5为本发明所提供的变焦距光学系统的一种具体实施例在中焦状态时的垂轴色差图；
图6为本发明所提供的变焦距光学系统的一种具体实施例在长焦状态时的垂轴色差图；
图7为本发明所提供的变焦距光学系统的一种具体实施例在短焦状态时的场曲与畸变曲线图；
图8为本发明所提供的变焦距光学系统的一种具体实施例在中焦状态时的场曲与畸变曲线图；
图9为本发明所提供的变焦距光学系统的一种具体实施例在长焦状态时的场曲与畸变曲线图。
附图标记：
L1-第一透镜；
TP-三棱镜；
L2-第二透镜；
L3-第三透镜；
L4-第四透镜；
L5-第五透镜；
G1-玻璃板；
W-像面；
S-光阑。
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
如图1-3所示，本发明实施例提供了一种变焦距光学系统，沿光线入射方向，依次设置有前固定组、三棱镜TP、变倍组、补偿组、物镜组以及像面W，变焦距光学系统的光学总长度固定不变，采用连续变焦方式。具体地，前固定组包括第一透镜L1，第一透镜L1为前凸后凹透镜，即第一透镜L1的物侧面为凸面，像侧面为凹面；三棱镜TP用于实现光路转折，可以为直角三棱镜，三棱镜TP的一条直角边与第一透镜L1相对，另一条直角边与第二透镜L2相对；变倍组与补偿组沿光路方向能够在三棱镜TP与物镜组之间移动，以实现焦距连续切换，其中，变倍组包括第二透镜L2，第二透镜L2为双凸透镜；补偿组包括沿光路方向设置的第三透镜L3和第四透镜L4，第三透镜L3为双凹透镜，第四透镜L4为双凸透镜；物镜组能够沿光路方向相对于像面W移动，以实现物镜组的微调，用于不同距离场景的对焦，物镜组包括第五透镜L5，第五透镜L5为双凸透镜。需要说明的是，上述“前”指沿光路方向靠近入射端的一侧，“后”指沿光路方向远离入射端的一侧。且第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5均为玻璃透镜.
上述结构中，通过增加三棱镜TP，能够实现光路的转折，进而减小整个光学系统的长度，以适应小型化、微型化电子设备的发展趋势；且通过变倍组和补偿组中各透镜的共同工作，使物体在有限距离至无穷远距离时均能够成清晰的图像。
进一步地，第一透镜L1、第三透镜L3具有负光焦度，第二透镜L2、第四透镜L4、第五透镜L5具有正光焦度。
第二透镜L2的物侧面和像侧面、第三透镜L3的物侧面和像侧面、第五透镜L5的物侧面和像侧面中，至少一者为非球面，其余几者为球面。可选地，第一透镜L1的物侧面和像侧面、第四透镜L4的物侧面和像侧面均为球面；第二透镜L2的物侧面和像侧面、第三透镜L3的物侧面和像侧面、第五透镜L5的物侧面和像侧面均为非球面，也就是说，第一透镜L1的物侧面和像侧面、第四透镜L4的物侧面和像侧面中，每个面上的各点均满足球面方程；第二透镜L2的物侧面和像侧面、第三透镜L3的物侧面和像侧面、第五透镜L5的物侧面和像侧面中，每个面上的各点均满足非球面方程。通过这种球面与非球面的设置，能够更好地补正像差，提高成像质量。
上述实施例中，变焦距光学系统满足以下条件式，
7.5mm≤D1≤12.5mm； (1)
其中，D1为所述第一透镜L1的物侧面到三棱镜TP远离第一透镜L1的一端的轴上距离，如图1所示。
条件(1)规定了第一透镜L1与三棱镜TP的轴上距离，如D1＝7.5mm、8.0mm、9mm、9.8mm、9.85mm、10mm、11mm、12.5mm等，以在保证成像质量的同时，尽可能减小变焦距光学系统的在入射光方向上的尺寸，进而更好地适应电子设备的小型化、微型化的发展趋势。
上述实施例的变焦距光学系统满足以下条件式，
D1/∑Ti<1.1； (2)
∑Ti＝T1+T5+T8+T10+T12； (3)
其中，
D1为第一透镜L1的物侧面到三棱镜TP远离第一透镜L1的一端的轴上距离，如图1所示；
∑Ti为第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4以及第五透镜L5的中心厚度之和；
T1为第一透镜L1的中心厚度；
T5为第二透镜L2的中心厚度；
T8为第三透镜L3的中心厚度；
T10为第四透镜L4的中心厚度；
T12为第五透镜L5的中心厚度。
上述条件式(2)、(3)共同规定了光学系统的径向尺寸与长度的比值，从而进一步减小整个光学系统的体积，适应电子设备小型化的发展趋势。
上述实施例中，变焦距光学系统满足以下条件式，
1.55≤n1≤1.65； (4)
1.75≤nTP≤1.85； (5)
1.55≤n2≤1.61； (6)
1.7≤n3≤1.75； (7)
1.53≤n4≤1.63； (8)
1.55≤n5≤1.61； (9)
其中，
nTP为三棱镜的折射率；
n1为所述第一透镜L1的折射率；
n2为所述第二透镜L2的折射率；
n3为所述第三透镜L3的折射率；
n4为所述第四透镜L4的折射率；
n5为所述第五透镜L5的折射率。
上述条件中，条件(5)规定了三棱镜TP的折射率，如nTP＝1.75、1.8、1.8042、1.85等，在条件(5)的范围内，有利于增大光线入射角，增大光学系统的成像范围，优选nTP接近上限值。如果nTP超出下限值时，不利于增大光线入射角，导致成像范围缩小，而nTP超出上限值时，造成可选材料较少，导致成本增加。
条件(4)、(6)、(7)、(8)、(9)分别规定了第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4以及第五透镜L5的折射率，如n1＝1.55、1.58、1.6、1.638542、1.65等，n2＝1.55、1.58、1.6、1.61等、n3＝1.7、1.72、1.74、1.75等，n4＝1.53、1.56、1.59、1.6等，n5＝1.55、1.57、1.6、1.61。在上述条件范围内，有利于校正色差，提高成像质量。如果超出条件(4)、(6)、(7)、(8)、(9)的下限值或者上限值，则不利于校正色差，且可能造成可选材料较少，增加成本。
上述实施例的变焦距光学系统满足以下条件式，
其中，
f1为所述第一透镜的焦距；
f2为所述第二透镜的焦距；
f3为所述第三透镜的焦距；
f4为所述第四透镜的焦距；
f5为所述第五透镜的焦距；
fs为所述变焦距光学系统的短焦焦距。
条件(10)-(14)规定了各透镜的焦距与短焦焦距的比值，如
-2.8、-2.634、-2.5、-2.2、-2.1等，
1.6、1.7317、1.85、1.9、2.0等，
-0.9、-0.6232、-0.6、-0.5、-0.35、-0.3等，
0.65、0.8、0.9、1.171、1.2、1.5等，
1.8、2.0、2.1、2.1574、2.25、2.45等，在条件(10)-(14)的范围内，各透镜的光焦度分配比较合理，能够有效控制系统的场曲。
上述实施例的变焦距光学系统满足以下条件式，
T4>2mm； (15)
其中，T4为长焦时三棱镜TP像侧面到第二透镜L2物侧面的轴上距离。
条件(15)规定了三棱镜TP物侧面到第二透镜L2像侧面的轴上距离，如T4＝2.0mm、2.34mm、3mm等，以保证光线经三棱镜TP折射后全部进入第二透镜L2，进而保证成像的质量。
通常，变焦距光学系统还包括光阑S，沿光路方向，光阑S位于第二透镜L2与第三透镜L3之间，变焦距光学系统满足以下条件式，
T6>1.5mm； (16)
T7>1.5mm； (17)
其中，
T6为第二透镜L2像侧面到光阑S的轴上距离；
T7为光阑S到第三透镜L3物侧面的轴上距离。
条件(16)、(17)规定了光阑S分别与第二透镜L2、第三透镜L3的距离，如T6、T7可以分别选自下述值：1.55mm、1.6mm、1.9mm、2.2mm、2.34mm、2.5mm等，在条件(16)、(17)规定的范围内，能够保证有足够的光线通过，进而保证光线的强度，提高成像质量。
通常，变焦距光学系统还包括玻璃板G1，沿光路方向，玻璃板G1设置于第五透镜L5与像面W之间。
以下述第一实施例的具体参数设置说明本发明所述的变焦距光学系统，其中，表1列出该实施例中第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5以及三棱镜TP、光阑S的参数，表2列出该实施例中各非球面头镜面的非球面系数，表3列出第一实施例中处于短焦、中焦、长焦时的各种参数，表4为本申请中各条件式在该实施例中的具体参数，表中各参数的定义如下：
R11：第一透镜L1物侧面的曲率半径；
R12：第一透镜L1像侧面的曲率半径；
R21：第二透镜L2物侧面的曲率半径；
R22：第二透镜L2像侧面的曲率半径；
R31：第三透镜L3物侧面的曲率半径；
R32：第三透镜L3像侧面的曲率半径；
R41：第四透镜L4物侧面的曲率半径；
R42：第四透镜L4像侧面的曲率半径；
R51：第五透镜L5物侧面的曲率半径；
R52：第五透镜L5像侧面的曲率半径；
n1：第一透镜L1的折射率；
nTP：三棱镜TP的折射率；
n2：第二透镜L2的折射率；
n3：第三透镜L3的折射率；
n4：第四透镜L4的折射率；
n5：第五透镜L5的折射率；
n6：玻璃板G1的折射率；
V1：第一透镜L1的色散系数；
VTP：三棱镜的色散系数；
V2：第二透镜L2的色散系数；
V3：第三透镜L3的色散系数；
V4：第四透镜L4的色散系数；
V5：第五透镜L5的色散系数；
V6：玻璃板G1的色散系数；
T1：第一透镜L1的中心厚度；
T2：第一透镜L1像侧面到三棱镜TP物侧面的轴上距离；
T31：三棱镜TP的横向中心厚度；
T32：三棱镜TP的纵向中心厚度；
T4：三棱镜TP的像侧面到第二透镜L2物侧面的轴上距离；
T5：第二透镜L2的中心厚度；
T6：第二透镜L2像侧面到光阑S的轴上距离；
T7：光阑S到第三透镜L3物侧面的轴上距离；
T8：第三透镜L3的中心厚度；
T9：第三透镜L3像侧面到第四透镜L4物侧面的轴上距离；
T10：第四透镜L4的中心厚度；
T11：第四透镜L4像侧面到第五透镜L5物侧面的轴上距离；
T12：第五透镜L5的中心厚度；
T13：第五透镜L5像侧面到第一玻璃板G1物侧面的轴上距离；
T14：第一玻璃板G1的中心厚度；
T15：第一玻璃板G1像面到像面W的轴上距离；
f：变焦距光学系统的焦距；
fs：变焦距光学系统处于短焦状态时的焦距
f1：第一透镜L1的焦距；
f2：第二透镜L2的焦距；
f3：第三透镜L3的焦距；
f4：第四透镜L4的焦距；
f5：第五透镜L5的焦距；
FOV：视场角；
D：有效口径；
H：水平视场角；
V：垂直视场角；
ENPD：入瞳直径；
D1：第一透镜L1的物侧面到三棱镜TP远离第一透镜L1的一端的轴上距离；
其中，为了方便起见，各个透镜面的非球面满足条件(18)的非球面方程，式中，R是轴上的曲率半径，k是圆锥系数，A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16是非球面系数。
第一实施例
表1
需要说明的是，表1中，列出的T4、T6、T11、T15为第一实施例处于中焦状态时的距离值，在短焦状态时，T4＝2.001，T6＝4.738，T11＝8.071，T15＝0.96；在长焦状态时，T4＝11.498，T6＝2.915，T11＝0.5，T15＝0.963。
表2
表3
表4
需要说明的是，采用表1-表3中参数的实施例，所成的图像的高度为2.45mm。
如图1所示，为采用表1-3中参数的实施例在短焦状态时的结构示意图，图4示出了该状态时的垂轴色差图，图7示出了该状态时的场曲与畸变曲线图；图2为采用表1-3中参数的实施例在中焦状态时的结构示意图，图5示出了该状态时的垂轴色差图，图8示出了该状态时的场曲与畸变曲线图；图3为采用表1-3中参数的实施例在长焦状态时的结构示意图，图6示出了该状态时的垂轴色差图，图9示出了该状态时的场曲与畸变曲线图，其中，曲线S1、S3、S5是短波长相对长波长的垂轴色差，S2、S4、S6是短波长相对主波长的垂轴色差。由图1-3可以看出，由短焦向中焦、长焦的变焦过程中，变倍组(即第二透镜L2)逐渐远离三棱镜TP，补偿组(即第三透镜L3和第四透镜L4)逐渐靠近像面W；由图4-9能够看出，采用本发明提供的实施例能够得到更好地图像质量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种变焦距光学系统，其特征在于，沿光线入射方向，依次设置有前固定组、三棱镜、变倍组、补偿组、物镜组以及像面，所述变焦距光学系统的光学总长度固定不变；
所述前固定组包括第一透镜，所述第一透镜为前凸后凹透镜；
所述三棱镜用于实现光路转折；所述变倍组与所述补偿组沿所述光路方向能够在所述三棱镜与所述物镜组之间移动，以实现焦距连续切换；
所述变倍组包括第二透镜，所述第二透镜为双凸透镜；
所述补偿组包括沿光路方向设置的第三透镜和第四透镜，所述第三透镜为双凹透镜，所述第四透镜为双凸透镜；
所述物镜组能够沿所述光路方向相对于所述像面移动，以用于不同距离场景的对焦，所述物镜组包括第五透镜，所述第五透镜为双凸透镜；
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜均为玻璃透镜；
其中，所述变焦距光学系统满足以下条件式：
D1/∑Ti<1.1；
∑Ti＝T1+T5+T8+T10+T12；
其中，
D1为所述第一透镜的物侧面到所述三棱镜远离所述第一透镜的一端的轴上距离；
∑Ti为所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜以及所述第五透镜的中心厚度之和；
T1为所述第一透镜的中心厚度；
T5为所述第二透镜的中心厚度；
T8为所述第三透镜的中心厚度；
T10为所述第四透镜的中心厚度；
T12为所述第五透镜的中心厚度。
2.根据权利要求1所述的变焦距光学系统，其特征在于，所述变焦距光学系统满足以下条件式：
7.5mm≤D1≤12.5mm；
其中，D1为所述第一透镜的物侧面到所述三棱镜远离所述第一透镜的一端的轴上距离。
3.根据权利要求1所述的变焦距光学系统，其特征在于，所述变焦距光学系统满足以下条件式，
1.55≤n1≤1.65；
1.75≤nTP≤1.85；
1.55≤n2≤1.61；
1.7≤n3≤1.75；
1.53≤n4≤1.63；
1.55≤n5≤1.61；
其中，
nTP为所述三棱镜的折射率；
n1为所述第一透镜的折射率；
n2为所述第二透镜的折射率；
n3为所述第三透镜的折射率；
n4为所述第四透镜的折射率；
n5为所述第五透镜的折射率。
4.根据权利要求1所述的变焦距光学系统，其特征在于，所述变焦距光学系统满足以下条件式，
其中，
f1为所述第一透镜的焦距；
f2为所述第二透镜的焦距；
f3为所述第三透镜的焦距；
f4为所述第四透镜的焦距；
f5为所述第五透镜的焦距；
fs为所述变焦距光学系统的短焦焦距。
5.根据权利要求1所述的变焦距光学系统，其特征在于，所述变焦距光学系统满足以下条件式，
T4>2mm；
其中，T4为长焦时所述三棱镜像侧面到所述第二透镜物侧面的轴上距离。
6.根据权利要求1所述的变焦距光学系统，其特征在于，还包括光阑，所述光阑位于所述第二透镜与所述第三透镜之间，所述变焦距光学系统满足以下条件式，
T6>1.5mm；
T7>1.5mm；
其中，
T6为所述第二透镜像侧面到所述光阑的轴上距离；
T7为所述光阑到所述第三透镜物侧面的轴上距离。
7.根据权利要求1-6任一项所述的变焦距光学系统，其特征在于，所述第一透镜的物侧面和像侧面、所述第四透镜的物侧面和像侧面均为球面；所述第二透镜的物侧面和像侧面、所述第三透镜的物侧面和像侧面、所述第五透镜的物侧面和像侧面均为非球面。
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