CN109031631B - 一种大孔径变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大孔径变焦光学系统。包括前固定组G1、第一变倍组G2、补偿组G3、孔径光阑、第二变倍组G4、后固定组G5和平行平板；所述前固定组G1由第1透镜L11和第2透镜L12组成；所述第一变倍组G2由第3透镜L21和第4透镜L22组成；所述补偿组G3包括第5透镜L31；所述第二变倍组G4由第6透镜L41、第7透镜L42和第8透镜L43组成；所述后固定组G5由第9透镜L51、第10透镜L52和第11透镜L53组成；所述前固定组G1和后固定组G5在整个系统中固定不动；所述变倍组G2和G4能够左右移动，所述补偿组G3能够沿物方到像方的方向移动，以此能够实现改变系统的焦距。本发明具有大孔径、成像质量非常高、像面均匀性好等特点。

Description

一种大孔径变焦光学系统

技术领域

本发明属于光学系统成像技术领域，特别是一种大孔径变焦光学系统，能够在一定范围内连续变化，从而实现倍率的改变的光学变焦系统。

背景技术

变焦距光学系统是在连续变焦过程中，仍保持成像面固定不动的一种光学系统。随着计算机技术的发展和光学设计理论以及加工工艺的日趋成熟，变焦距光学系统被广泛应用到国民经济和国防建设等各个领域中。

随着变焦光学系统在诸多领域的应用越来越多，它的研究设计已经引起更多光学设计人员的浓厚兴趣，特别是如今的变焦光学系统向着更大的视场和孔径、倍率更高、体积更小、成像更加清晰的方向发展。对于变焦光学系统，通过把光学系统的焦距放大或缩小，在不改变物体位置的情况下，就可以清晰观察到物体的不同部位。通过改变放大倍率，对物体的全局观察和局部精确检测就能实现，这些功能是单个定焦光学系统所无法具备的。对于变焦光学系统设计，人们都是完全依赖于Zemax来对其进行优化设计，这种方法具有一定的盲目性，而且较难得到成像质量非常好的变焦光学系统，尤其是在大孔径成像情况下，这种设计方法更难设计出较好性能的镜头。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大孔径变焦光学系统，具有像面均匀性好、成像质量高、大孔径、结构紧凑、易于加工和安装等优点。

为实现上述目的，本发明应用PWC法对镜头像差进行了合理分配，并合理使用优化函数对其进行像差校正，然后应用光学设计软件Zemax对其进行反复的优化；另外，在设计过程中应用非球面来对系统的像差进行校正；最终达到成像质量较好的大孔径变焦光学系统。

本发明的技术方案是：一种大孔径变焦光学系统，由从物方到像方依次设置的具有负光焦度的前固定组G1、具有正光焦度的第一变倍组G2、具有负光焦度的补偿组G3、具有正光焦度的第二变倍组G4、具有正光焦度的后固定组G5和平行平板，以及设于补偿组G3与第二变倍组G4之间的孔径光阑组成；

所述前固定组G1从物方到像方依次由具有负光焦度的第1透镜L11和具有负光焦度的第2透镜L12组成；第1透镜L11朝向物方的光学面为凸向像方的凹面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面；第2透镜L12的朝向物方的光学面和朝向像方的光学面均采用非球面结构；

所述第一变倍组G2从物方到像方依次由具有正光焦度的第3透镜L21和正光焦度的第4透镜L22组成；第3透镜L21朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面；第4透镜L22朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向物方的凹面；

所述补偿组G3为具有负光焦度的第5透镜L31；第5透镜L31朝向物方的光学面为凸向像方凹面，朝向像方的光学面为凸向物方的凹面；

所述第二变倍组G4从物方到像方依次由具有正光焦度的第6透镜L41、具有负光焦度的第7透镜L42和具有正光焦度的第8透镜L43组成；第6透镜L41朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面；第7透镜L42朝向物方的光学面为凸向像方凹面，朝向像方的光学面为凸向物方的凹面；第8透镜L43朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面；其中第7透镜L42和第8透镜L43为双胶合透镜；

所述后固定组G5从物方到像方依次由具有正光焦度的第9透镜L51、具有负光焦度的第10透镜L52和具有正光焦度的第11透镜L53组成；第9透镜L51朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面，第10透镜L52朝向物方的光学面为凸向像方的凹面，朝向像方的光学面为凸向物方的凹面，第11透镜L53朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面；其中第10透镜L52和第11透镜L53为双胶合透镜；

所述前固定组G1和后固定组G5在整个系统中固定不动；所述变倍组G2和G4能够沿像方到物方的方向以及沿物方到像方的方向移动，所述补偿组G3能够沿物方到像方的方向移动，以此能够实现改变系统的焦距。

在本发明一实施例中，所述第2透镜L12朝向物方的光学面和朝向像方的光学面的非球面结构均为偶次非球面。

在本发明一实施例中，所述第2透镜L12朝向物方的光学面和朝向像方的光学面的面型为Z，c为光学面半径所对应的曲率，y²、y⁴、y⁶、y⁸、y¹⁰、y¹²、y¹⁴、y¹⁶为光学面的径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇和a₈分布表示各个径向坐标所对应的系数，满足：

在本发明一实施例中，所述第2透镜L12朝向物方的光学面和朝向像方的光学面对应的非球面面型系数分别为：

第2透镜L12的朝向物方的光学面：k＝-619.004，a₁＝0，a₂＝-2.246×10^-6，a₃＝1.792×10^-9，a₄＝-1.056×10^-12，a₅＝2.584×10^-16，a₆＝0，a₇＝0，a₈＝0；

第2透镜L12的朝向像方的光学面：k＝-0.561，a₁＝0，a₂＝-6.817×10^-6，a₃＝1.593×10^-9，a₄＝-2.202×10^-12，a₅＝-8.593×10^-16，a₆＝0，a₇＝0，a₈＝0。

在本发明一实施例中，所述第1透镜L11、第2透镜L12、第3透镜L21、第4透镜L22、第5透镜L31、第6透镜L41、第7透镜L42、第8透镜L43、第9透镜L51、第10透镜L52、第11透镜L53的折射率n及阿贝数υ分别为n＝1.6011及υ＝53.2615、n＝1.5312及υ＝56.0438、n＝1.6204及υ＝60.3236、n＝1.7433及υ＝49.3994、n＝1.6230及υ＝35.1617、n＝1.7286及υ＝50.3286、n＝1.7234及υ＝28.1306、n＝1.7383及υ＝49.7046、n＝1.7433及υ＝49.3994、n＝1.5781及υ＝40.8775、n＝1.7443及υ＝49.3994；所述平行平板的折射率n及阿贝数υ为n＝1.5163及υ＝64.1435。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明是应用PWC法对镜头像差进行了合理分配，并合理使用优化函数对其进行像差校正，然后应用光学设计软件Zemax对其进行反复的优化；另外，在设计过程中应用非球面来对系统的像差进行校正；比较完美地达到像面均匀性好、成像质量较好等优点的一种大孔径变焦光学系统。

附图说明

图1是根据本发明实施例所述的一种大孔径变焦光学系统的结构示意图。

图2是根据图1所示的一种大孔径变焦光学系统在短焦情况下的MTF曲线图。

图3是根据图1所示的一种大孔径变焦光学系统在中焦情况下的MTF曲线图。

图4是根据图1所示的一种大孔径变焦光学系统在长焦情况下的MTF曲线图。

图5是根据图1所示的一种大孔径变焦光学系统在短焦情况下的相对照度曲线图。

图6是根据图1所示的一种大孔径变焦光学系统在中焦情况下的相对照度曲线图。

图7是根据图1所示的一种大孔径变焦光学系统在长焦情况下的相对照度曲线图。

图8是根据图1所示的一种大孔径变焦光学系统的光路图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种大孔径变焦光学系统，由从物方到像方依次设置的具有负光焦度的前固定组G1、具有正光焦度的第一变倍组G2、具有负光焦度的补偿组G3、具有正光焦度的第二变倍组G4、具有正光焦度的后固定组G5和平行平板，以及设于补偿组G3与第二变倍组G4之间的孔径光阑组成；

所述前固定组G1从物方到像方依次由具有负光焦度的第1透镜L11和具有负光焦度的第2透镜L12组成；第1透镜L11朝向物方的光学面为凸向像方的凹面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面；第2透镜L12的朝向物方的光学面和朝向像方的光学面均采用非球面结构；

所述第一变倍组G2从物方到像方依次由具有正光焦度的第3透镜L21和正光焦度的第4透镜L22组成；第3透镜L21朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面；第4透镜L22朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向物方的凹面；

所述补偿组G3为具有负光焦度的第5透镜L31；第5透镜L31朝向物方的光学面为凸向像方凹面，朝向像方的光学面为凸向物方的凹面；

所述第二变倍组G4从物方到像方依次由具有正光焦度的第6透镜L41、具有负光焦度的第7透镜L42和具有正光焦度的第8透镜L43组成；第6透镜L41朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面；第7透镜L42朝向物方的光学面为凸向像方凹面，朝向像方的光学面为凸向物方的凹面；第8透镜L43朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面；其中第7透镜L42和第8透镜L43为双胶合透镜；

所述后固定组G5从物方到像方依次由具有正光焦度的第9透镜L51、具有负光焦度的第10透镜L52和具有正光焦度的第11透镜L53组成；第9透镜L51朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面，第10透镜L52朝向物方的光学面为凸向像方的凹面，朝向像方的光学面为凸向物方的凹面，第11透镜L53朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面；其中第10透镜L52和第11透镜L53为双胶合透镜；

所述前固定组G1和后固定组G5在整个系统中固定不动；所述变倍组G2和G4能够沿像方到物方的方向以及沿物方到像方的方向移动，所述补偿组G3能够沿物方到像方的方向移动，以此能够实现改变系统的焦距。

所述第2透镜L12朝向物方的光学面和朝向像方的光学面的非球面结构均为偶次非球面。所述第2透镜L12朝向物方的光学面和朝向像方的光学面的面型为Z，c为光学面半径所对应的曲率，y²、y⁴、y⁶、y⁸、y¹⁰、y¹²、y¹⁴、y¹⁶为光学面的径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇和a₈分布表示各个径向坐标所对应的系数，满足：

所述第2透镜L12朝向物方的光学面和朝向像方的光学面对应的非球面面型系数分别为：

第2透镜L12的朝向物方的光学面：k＝-619.004，a₁＝0，a₂＝-2.246×10^-6，a₃＝1.792×10^-9，a₄＝-1.056×10^-12，a₅＝2.584×10^-16，a₆＝0，a₇＝0，a₈＝0；

第2透镜L12的朝向像方的光学面：k＝-0.561，a₁＝0，a₂＝-6.817×10^-6，a₃＝1.593×10^-9，a₄＝-2.202×10^-12，a₅＝-8.593×10^-16，a₆＝0，a₇＝0，a₈＝0。

所述第1透镜L11、第2透镜L12、第3透镜L21、第4透镜L22、第5透镜L31、第6透镜L41、第7透镜L42、第8透镜L43、第9透镜L51、第10透镜L52、第11透镜L53的折射率n及阿贝数υ分别为n＝1.6011及υ＝53.2615、n＝1.5312及υ＝56.0438、n＝1.6204及υ＝60.3236、n＝1.7433及υ＝49.3994、n＝1.6230及υ＝35.1617、n＝1.7286及υ＝50.3286、n＝1.7234及υ＝28.1306、n＝1.7383及υ＝49.7046、n＝1.7433及υ＝49.3994、n＝1.5781及υ＝40.8775、n＝1.7443及υ＝49.3994；所述平行平板的折射率n及阿贝数υ为n＝1.5163及υ＝64.1435。

以下为本发明一具体实例。

如图1和图5所示，一种大孔径变焦光学系统，沿光轴的方向，从物方到像方的顺序依次排列的具有负光焦度的前固定组G1，由第1透镜L11和第2透镜L12组成，具有正光焦度的第一变倍组G2，由第3透镜L21和第4透镜L22组成，具有负光焦度的补偿组G3，由第5透镜L31组成，孔径光阑，具有正光焦度的第二变倍组G4，由第6透镜L41、第7透镜L42和第8透镜L43组成，具有正光焦度的后固定组G5，由第9透镜L51、第10透镜L52和第11透镜L53组成，和平行平板组成的系统；前固定组G1和后固定组G5在整个系统中固定不动；而变倍组G2和G4沿像方到物方的方向移动，然后再沿物方到像方的方向移动，补偿组G3固定沿物方到像方的方向移动，改变系统的焦距。在设计过程中第2透镜L12的两个光学面均采用了二次偶次非球面，其余的光学面都采用球面设计。

镜头的可视场角范围为60°～30°，F/#值为1.5；短焦、中焦和长焦的焦距分布为15.19mm、22.04mm和33.39mm，它们对应的总长度分别为277.99mm、259.40mm和250。56mm，可探测的波长范围为400nm-700nm，主波长为586.7nm。

所述第1透镜L11、第2透镜L12、第3透镜L21、第4透镜L22、第5透镜L31、第6透镜L41、第7透镜L42、第8透镜L43、第9透镜L51、第10透镜L52、第11透镜L53的折射率n和阿贝数υ分别为(n＝1.6011，υ＝53.2615)、(n＝1.5312，υ＝56.0438)、(n＝1.6204，υ＝60.3236)、(n＝1.7433，υ＝49.3994)、(n＝1.6230，υ＝35.1617)、(n＝1.7286，υ＝50.3286)、(n＝1.7234，υ＝28.1306)、(n＝1.7383，υ＝49.7046)、(n＝1.7433，υ＝49.3994)、(n＝1.5781，υ＝40.8775)、(n＝1.7443，υ＝49.3994)；所述平行平板的折射率n和阿贝数υ为(n＝1.5163，υ＝64.1435)。

所述第2透镜L12朝向物方的光学面和朝向像方的光学面均采用非球面面型，它们都为偶次非球面。所述第2透镜L12朝向物方的光学面和朝向像方的光学面的面型为Z，c为光学面半径所对应的曲率，y²、y⁴、y⁶、y⁸、y¹⁰、y¹²、y¹⁴、y¹⁶为光学面的径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇和a₈分布表示各个径向坐标所对应的系数，满足：

其中：所述第2透镜L12朝向物方的光学面和朝向像方的光学面对应的非球面面型系数分别为：

第2透镜L12的朝向物方的光学面：k＝-619.004，a₁＝0，a₂＝-2.246×10^-6，a₃＝1.792×10^-9，a₄＝-1.056×10^-12，a₅＝2.584×10^-16，a₆＝0，a₇＝0，a₈＝0；

第2透镜L12的朝向像方的光学面：k＝-0.561，a₁＝0，a₂＝-6.817×10^-6，a₃＝1.593×10^-9，a₄＝-2.202×10^-12，a₅＝-8.593×10^-16，a₆＝0，a₇＝0，a₈＝0。

图2、图3和图4分别为一种大孔径变焦光学系统在短焦、中焦和长焦情况下的MTF曲线；图5、图6和图7分别为一种大孔径变焦光学系统在短焦、中焦和长焦情况下的相对照度曲线图。从图2～图7中可以得到本发明要求保护的一种大孔径变焦光学系统具有成像质量高、各种像差校正的到了一个非常好的水平，以及相对照度高的特点。图8是本发明大孔径变焦光学系统的光路图。

为了能够更加方便理解本发明的上述技术方案，下面在具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

在本发明的一种大孔径变焦光学系统的设计中，沿光轴的方向，包括有从物方到像方的顺序依次排列的具有负光焦度的前固定组G1，具有正光焦度的第一变倍组G2，具有负光焦度的补偿组G3，孔径光阑，具有正光焦度的第二变倍组G4，具有正光焦度的后固定组G5和平行平板组成的系统；

前固定组G1由具有负光焦度的第1透镜L11和具有负光焦度的第2透镜L12组成；第1透镜L11的朝向物方和像方的光学面均凸向像方，第2透镜L12的朝向物方的光学面和朝向像方的光学面均采用非球面结构；

第一变倍组G2由具有正光焦度的第3透镜L21和正光焦度的第4透镜L22组成；第3透镜L21的朝向物方的光学面凸向物方，朝向像方的光学面凸向像方，第4透镜L22的朝向物方和像方的光学面凸向物方；

补偿组G3由具有负光焦度的第5透镜L31组成；第5透镜L31的朝向物方的光学面凸向像方，朝向像方的光学面凸向物方；

第二变倍组G4由具有正光焦度的第6透镜L41、具有负光焦度的第7透镜L42和具有正光焦度的第8透镜L43组成；第6透镜L41的朝向物方的光学面凸向物方，朝向像方的光学面凸向像方，第7透镜L42的朝向物方的光学面凸向像方，朝向像方的光学面凸向物方，第8透镜L43的朝向物方的光学面凸向物方，朝向像方的光学面凸向像方；其中第7透镜L42和第8透镜L43为双胶合透镜；

后固定组G5由具有正光焦度的第9透镜L51、具有负光焦度的第10透镜L52和具有正光焦度的第11透镜L53组成；第9透镜L51的朝向物方的光学面凸向物方，朝向像方的光学面凸向像方，第10透镜L52的朝向物方的光学面凸向像方，朝向像方的光学面凸向物方，第11透镜L53的朝向物方的光学面凸向物方，朝向像方的光学面凸向像方；其中第10透镜L52和第11透镜L53为双胶合透镜；

前固定组G1和后固定组G5在整个系统中固定不动；而变倍组G2和G4沿像方到物方的方向移动，然后再沿物方到像方的方向移动，补偿组G3固定沿物方到像方的方向移动，改变系统的焦距。

本实施例所述的一种大孔径变焦光学系统结构参数见表1。

表1一种大孔径变焦光学系统在短焦、中焦和长焦情况下的结构参数

综上所述，借助于发明的上述技术方案，可以使得镜头在连续变焦过程中都能使得像面均匀性更好，成像质量更高，结构紧凑，更加便于加工和安装。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大孔径变焦光学系统，其特征在于，由从物方到像方依次设置的具有负光焦度的前固定组G1、具有正光焦度的第一变倍组G2、具有负光焦度的补偿组G3、具有正光焦度的第二变倍组G4、具有正光焦度的后固定组G5和平行平板，以及设于补偿组G3与第二变倍组G4之间的孔径光阑组成；

所述前固定组G1从物方到像方依次由具有负光焦度的第1透镜L11和具有负光焦度的第2透镜L12组成；第1透镜L11朝向物方的光学面为凸向像方的凹面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面；第2透镜L12的朝向物方的光学面和朝向像方的光学面均采用非球面结构；

所述第一变倍组G2从物方到像方依次由具有正光焦度的第3透镜L21和正光焦度的第4透镜L22组成；第3透镜L21朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面；第4透镜L22朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向物方的凹面；

所述补偿组G3为具有负光焦度的第5透镜L31；第5透镜L31朝向物方的光学面为凸向像方凹面，朝向像方的光学面为凸向物方的凹面；

所述第二变倍组G4从物方到像方依次由具有正光焦度的第6透镜L41、具有负光焦度的第7透镜L42和具有正光焦度的第8透镜L43组成；第6透镜L41朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面；第7透镜L42朝向物方的光学面为凸向像方凹面，朝向像方的光学面为凸向物方的凹面；第8透镜L43朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面；其中第7透镜L42和第8透镜L43为双胶合透镜；

所述后固定组G5从物方到像方依次由具有正光焦度的第9透镜L51、具有负光焦度的第10透镜L52和具有正光焦度的第11透镜L53组成；第9透镜L51朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面，第10透镜L52朝向物方的光学面为凸向像方的凹面，朝向像方的光学面为凸向物方的凹面，第11透镜L53朝向物方的光学面为凸向物方的凸面，朝向像方的光学面为凸向像方的凸面；其中第10透镜L52和第11透镜L53为双胶合透镜；

所述前固定组G1和后固定组G5在整个系统中固定不动；所述变倍组G2和G4能够沿像方到物方的方向以及沿物方到像方的方向移动，所述补偿组G3能够沿物方到像方的方向移动，以此能够实现改变系统的焦距。

2.根据权利要求1所述的一种大孔径变焦光学系统，其特征在于，所述第2透镜L12朝向物方的光学面和朝向像方的光学面的非球面结构均为偶次非球面。

3.根据权利要求2所述的一种大孔径变焦光学系统，其特征在于：所述第2透镜L12朝向物方的光学面和朝向像方的光学面的面型为Z，c为光学面半径所对应的曲率，y²、y⁴、y⁶、y⁸、y¹⁰、y¹²、y¹⁴、y¹⁶为光学面的径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆、a₇和a₈分布表示各个径向坐标所对应的系数，满足：

4.根据权利要求3所述的一种大孔径变焦光学系统，其特征在于：所述第2透镜L12朝向物方的光学面和朝向像方的光学面对应的非球面面型系数分别为：

第2透镜L12的朝向物方的光学面：k＝-619.004，a₁＝0，a₂＝-2.246×10^-6，a₃＝1.792×10^-9，a₄＝-1.056×10^-12，a₅＝2.584×10^-16，a₆＝0，a₇＝0，a₈＝0；

第2透镜L12的朝向像方的光学面：k＝-0.561，a₁＝0，a₂＝-6.817×10^-6，a₃＝1.593×10^-9，a₄＝-2.202×10^-12，a₅＝-8.593×10^-16，a₆＝0，a₇＝0，a₈＝0。

5.根据权利要求1所述的一种大孔径变焦光学系统，其特征在于：所述第1透镜L11、第2透镜L12、第3透镜L21、第4透镜L22、第5透镜L31、第6透镜L41、第7透镜L42、第8透镜L43、第9透镜L51、第10透镜L52、第11透镜L53的折射率n及阿贝数υ分别为n＝1.6011及υ＝53.2615、n＝1.5312及υ＝56.0438、n＝1.6204及υ＝60.3236、n＝1.7433及υ＝49.3994、n＝1.6230及υ＝35.1617、n＝1.7286及υ＝50.3286、n＝1.7234及υ＝28.1306、n＝1.7383及υ＝49.7046、n＝1.7433及υ＝49.3994、n＝1.5781及υ＝40.8775、n＝1.7443及υ＝49.3994；所述平行平板的折射率n及阿贝数υ为n＝1.5163及υ＝64.1435。

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