CN109164563B - 一种超大像面大相对孔径高清连续变焦光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超大像面大相对孔径高清连续变焦光学系统，属于光学技术领域。所述系统包括自物方至像方依次设置的光焦度为正的前透镜组、光焦度为负的变倍透镜组、光焦度为负的补偿透镜组、可变光阑和光焦度为正的后透镜组。所述系统具有适配对角线长度不大于
Figure DDA0001802144200000011
超大像面可见光探测器的能力；相对孔径可以达到广角端F/3，长焦端F/5；焦距可达到30mm～330mm。解决了大相对孔径系统固有的二级光谱像差、色球差、高级球差等难于校正的问题，使分辨率得到有效提高；两组元的变焦结构简单，从光学系统上保证了整体镜头的轻量性和稳定性。

Description

一种超大像面大相对孔径高清连续变焦光学系统
技术领域
本发明涉及一种变焦透镜系统，特别涉及一种超大像面大相对孔径高清连续变焦光学系统，属于光学技术领域。
背景技术
在边海防监控、观测、瞄准设备中，连续变焦镜头得到了广泛的应用。它既可以使用大视场来统筹观测宏观场景，也可以用小视场观测远处细节，连续变焦功能可以让使用者对任意不同远处的物体进行细节观测。若能设计出一种既具有大像面又具有大的相对孔径且满足高清的变焦光学系统，由此可带来更大的通光量以及更明亮的相对照度，从而既可以实现在万里无云的晴朗天气使用也可以在只有星光级照明的暗夜使用。
在现有技术中，如中国专利申请《一种大靶面高解像力的光学变焦镜头》(公布号为CN103777333A)中提出的一种F/#数为1.6、像面大小为1/2英寸的连续变焦镜头；中国专利申请《大相对孔径长焦距像方远心变焦镜头》(公布号为CN101639569A)中提出一种F/#为2，像面大小为对角线7.68mm(约为1/2英寸)的连续变焦镜头；中国专利申请《一种大相对孔径小型变焦距光学系统》(公布号为CN105068228A)中提出了一种F/2.4～F/3焦距为4.92mm～9.84mm的连续变焦镜头；中国专利申请《紧凑型超大像面连续变焦镜头》(公布号为CN104049347 A)中提出一种F/#为6的连续变焦镜头；中国专利申请《一种较小体积、高分辨率、大像面的变焦光学系统》(公布号为CN104142569A)中提出一种F/1.6～F/2.4像面大小为1英寸的连续变焦镜头；中国专利申请《日夜共焦大靶面高清镜头》(公布号为CN104199174A)中突出一种F/#数为1.5，像面大小为对角线长度9mm的连续变焦镜头。
在已公开的现有技术中，有的相对孔径大而像面小，有的像面大而相对孔径小；目前还无法同时满足大像面、大相对孔径和高清的要求。在专业领域内公知，相对孔径、像面大小、焦距长短为三个互相制衡之变量，此消彼长。大的相对孔径可以带来更强烈的像面照度，但也同时引入了大量的轴外球差、彗差、色差、色球差；更大的像面则会引入大量的畸变、场曲、球差、彗差以及色差。大量的轴外像差会给光学系统的像差矫正带来了极具的难度。然而随着探测器的不断发展，像元逐渐减小，极限分辨率越来越高，对光学系统的设计要求也越来越高。因此亟需一种具有大相对孔径、超大像面、高清晰度且连续变焦的透镜系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超大像面大相对孔径高清连续变焦光学系统，通过设置合适的透镜组，使该系统在连续变焦过程中可同时满足大像面、大相对孔径且成像清晰的要求。
进一步的，每一个组元的放大倍率都给予分配了合适的光焦度，使得每一个组元分配的光焦度都可以达到良好的优化像差的效果，可以匹配适配器对角线长度不大于30.2mm、像元大小5μm×5μm的超大像面可见光连续变焦光学系统，像面尺寸远远优于已有系统，且具有F/3～F/5的大相对孔径、30mm～330mm的大倍率焦段以及高的清晰度。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种超大像面大相对孔径高清连续变焦光学系统，所述系统包括自物方至像方依次设置的光焦度为正的前透镜组、光焦度为负的变倍透镜组、光焦度为负的补偿透镜组、可变光阑和光焦度为正的后透镜组；
其中，前透镜组包括自物方至像方依次设置的光焦度为负的前透镜组第一透镜、光焦度为正的前透镜组第二透镜、光焦度为正的前透镜组第三透镜、光焦度为正的前透镜组第四透镜和光焦度为正的前透镜组第五透镜；在变焦过程中，前透镜组保持不动，在聚焦过程中，前透镜组沿着光轴方向前后移动；
变倍透镜组包括自物方至像方依次设置的光焦度为负的变倍透镜组第一透镜、光焦度为负的变倍透镜组第二透镜、光焦度为负的变倍透镜组第三透镜和光焦度为正的变倍透镜组第四透镜，变倍透镜组第三透镜和变倍透镜组第四透镜密接为光焦度为负的变倍透镜组密接透镜组；在变焦过程中，变倍透镜组沿着光轴前后移动，变倍透镜组用于改变焦距；
补偿透镜组包括自物方至像方依次设置的光焦度为负的补偿透镜组第一透镜和光焦度为正的补偿透镜组第二透镜，补偿透镜组第一透镜和补偿透镜组第二透镜密接为一组光焦度为负的的补偿透镜组密接透镜组；
补偿透镜组沿光轴方向与变倍透镜组做同步的相对运动，用于补偿像面位置的稳定性；
系统的总变化倍率由前透镜组，变倍透镜组与补偿透镜组叠加而成；
后透镜组由自物方至像方依次设置的光焦度为正的后透镜组第一透镜、光焦度为正的后透镜组第二透镜、光焦度为负的后透镜组第三透镜、光焦度为正的后透镜组第四透镜、光焦度为正的后透镜组第五透镜、光焦度为负的后透镜组第六透镜、光焦度为正的后透镜组第七透镜、光焦度为正的后透镜组第八透镜和光焦度为负的后透镜组第九透镜组成；其中，后透镜组第二透镜与后透镜组第三透镜密接成为光焦度为正的后透镜组第一密接透镜组，后透镜组第八透镜与后透镜组第九透镜密接成为光焦度为正的后透镜组第二密接透镜组，后透镜组在变焦和聚焦过程中保持不动，用于校正像差并保证焦距数值；
可变光阑位于补偿透镜组与后透镜组之间，以限制轴外光线产生较为严重的畸变和场曲，并保证系统在变焦过程中通光孔径不随着变焦位置的变化而改变。
进一步的，所述系统的光焦度满足如下关系：
Figure BDA0001802144180000041
Figure BDA0001802144180000042
Figure BDA0001802144180000043
Figure BDA0001802144180000044
Figure BDA0001802144180000045
其中，
Figure BDA0001802144180000046
为前透镜组光焦度，
Figure BDA0001802144180000047
为变倍透镜组光焦度、
Figure BDA0001802144180000048
为补偿透镜组光焦度、
Figure BDA0001802144180000049
为后透镜组光焦度、
Figure BDA00018021441800000410
为光学系统在广角端的光焦度。
进一步的，所述前透镜组与所述变倍透镜组之间的空气间隔为9.62mm～90.16mm，所述变倍透镜组与所述补偿透镜组之间的空气间隔为101.6mm～7.44mm，所述补偿透镜组与所述后透镜组之间的空气间隔为5.2mm～1.88mm。
进一步的，所述前透镜组中四片以上透镜采用超低色散玻璃材料H-FK61；所述后透镜组中两片以上透镜采用了超低色散玻璃材料H-FK61。
有益效果
本发明所述的一种超大像面大相对孔径高清连续变焦光学系统，所述系统具有适配对角线长度不大于
Figure BDA00018021441800000411
超大像面可见光探测器的能力；相对孔径可以达到广角端F/3，长焦端F/5；焦距可达到30mm～330mm。是目前视场上和已公开专利中少见的兼顾大像面大相对孔径且具有大倍率的连续变焦光学系统。解决了大相对孔径系统固有的二级光谱像差、色球差、高级球差等难于校正的问题，使分辨率得到有效提高；两组元的变焦结构简单，从光学系统上保证了整体镜头的轻量性和稳定性。
在本发明中，公式(1)可以达到大像面的最高性能；公式(2)～公式(5)为光学系统各个组元的光焦度分配，其可以同时保证光学系统在大相对孔径、大像面的条件下，整个变焦过程中满足高清像质的要求。若光学系统广角端的光焦度与前透镜组的光焦度的比低于公式(2)的下限，则系统在大相对孔径下，变焦过程中将产生难以矫正的轴外像差，若高于公式(2)的上限，则面对过大的像面时，前透镜组的透镜直径将过大，提高了加工成本，且光学系统的总体长度将增加。若光学系统广角端的光焦度与变倍透镜组的光焦度的比值低于公式(3)的下限，则系统在大相对孔径下，变焦过程中变倍组的移动量增大，增加了系统的总体长度，且提高了像差矫正的难度，若高于公式(3)的上限，则变倍透镜组会为系统引入过量的轴外像差，将很难在大相对孔径、大像面下对像差进行矫正。若光学系统广角端的光焦度与补偿透镜组的光焦度的比值低于公式(4)的下限，则会由于在大相对孔径下，光焦度不足而难以矫正系统中的像差，若高于公式(4)的上限，则系统在变焦过程中补偿组的移动量增大，增加了系统的总体长度。若光学系统广角端的光焦度与后透镜组的光焦度的比值低于公式(5)的下限，则会由于在大相对孔径下，光焦度不足而难以矫正系统中的像差，若高于公式(5)的上限，则会导致后截距增加，增加了光学系统总体的长度。
在本发明中，摒弃了原有前透镜组光焦度分配偏少、透镜数量尽可能少的原则，增加了前透镜组透镜的数量，并在此基础上，增大了光焦度分配的比例，且引入了不少于四片的超低色散透镜材料，除了保证将物体发出的光线汇聚进入光学系统外，在大相对孔径、大像面条件下，具有良好的消色差、球差、彗差等功能。
在大相对孔径下，光学系统为了矫正轴外像差，往往会以增加光学系统长度作为一种弥补方式，而本发明中，补偿透镜组的光焦度选取为负值是为了在充分保证光学系统图像质量的前提下，尽可能的减小光学系统的总体长度。
本发明中，充分的考量了在大相对孔径、大像面的条件下，轴外像差引入量大且难以矫正的因素。对后透镜组的光焦度进行了合理的分配，且对后透镜组内各个透镜光焦度的分配。其中后透镜组中两组密接透镜组中，第一片透镜均为超低色散材料，具有良好的消色差功能。
本发明中，后透镜组内设置了不少于两片的超低色散材料，对系统的高级像差进行补偿，对二级光谱进行矫正。
附图说明
图1为本发明所述系统的结构示意图。
图2为本发明所述系统的短焦MTF曲线。
图3为本发明所述系统的中焦MTF曲线。
图4为本发明所述系统的长焦MTF曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种超大像面大相对孔径高清连续变焦光学系统，具有四组透镜组：前透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组、后透镜组。
前透镜组由具有负光焦度的前透镜组第一透镜、具有正光焦度的前透镜组第二透镜、具有正光焦度的前透镜组第三透镜、具有正光焦度的前透镜组第四透镜和具有正光焦度的前透镜组第五透镜组成。其顺序自左向右沿光线传播的方向放置于光路中，其具有汇聚远处物体发出的光线进入光学系统的功能。在变焦过程中，前透镜组保持不动，但是在一个聚焦操作中，前透镜组沿着光轴方向的前后移动可以达到聚焦效果。前透镜组即为聚焦透镜组且具有消色差的功能。
变倍透镜组放置于前透镜组沿光轴方向像面一侧。变倍透镜组由具有负光焦度的变倍透镜组第一透镜、具有负光焦度的变倍透镜组第二透镜、光焦度为负的变倍透镜组第三透镜和光焦度为正的变倍透镜组第四透镜，变倍透镜组第三透镜和变倍透镜组第四透镜密接为光焦度为负的变倍透镜组密接透镜组。其顺序自左向右沿光线传播的方向放置于光路中。在变焦操作中，变倍透镜组沿着光轴前后移动，主要完成改变焦距的功能。
补偿透镜组放置于变倍透镜组沿光轴方向像面一侧。补偿透镜组包括自物方至像方依次设置的光焦度为负的补偿透镜组第一透镜和光焦度为正的补偿透镜组第二透镜，补偿透镜组第一透镜和补偿透镜组第二透镜密接为一组光焦度为负的的补偿透镜组密接透镜组。补偿透镜组沿光轴方向与变倍透镜组做同步的相对运动，对于像面位置的稳定性起到补偿的作用，具体的补偿透镜组与变倍透镜组如何做同步的相对运动为本领域的公知常识。
系统的总变化倍率由前透镜组，变倍透镜组与补偿透镜组叠加而成。
后透镜组放置于补偿透镜组沿光轴方向像面一侧。后透镜组由光焦度为正的后透镜组第一透镜、光焦度为正的后透镜组第二透镜、光焦度为负的后透镜组第三透镜、光焦度为正的后透镜组第四透镜、光焦度为正的后透镜组第五透镜、光焦度为负的后透镜组第六透镜、光焦度为正的后透镜组第七透镜、光焦度为正的后透镜组第八透镜和光焦度为负的后透镜组第九透镜组成；其中，后透镜组第二透镜与后透镜组第三透镜密接成为光焦度为正的后透镜组第一密接透镜组，后透镜组第八透镜与后透镜组第九透镜密接成为光焦度为正的后透镜组第二密接透镜组。后透镜组在变焦操作和聚焦操作过程中不进行位置移动。
可变光阑放置于后组第一片透镜与补偿组最后一片透镜之间。
所述前透镜组与变倍透镜组之间的空气间隔为：所述前透镜组与变倍透镜组之间的空气间隔为9.62mm～90.16mm，所述变倍镜组与补偿镜组之间的空气间隔为101.6mm～7.44mm，所述补偿镜组与后透镜镜组之间的空气间隔为5.2mm～1.88mm。
前透镜组中不少于四片透镜采用了超低色散玻璃材料H-FK61；后透镜组中不少于两片透镜采用了超低色散玻璃材料H-FK61，解决就了大相对孔径系统固有的二级光谱像差、色球差、高级球差等难于校正的问题，使分辨率得到有效提高。
所述超大像面大相对孔径高清连续变焦光学系统适配对角线长度小于φ30.2mm的可见光探测器。
所述超大像面大相对孔径高清连续变焦光学系统其相对孔径可达到广角端F/3，长焦端F/5。
所述系统的具体结构参数如表1和表2所示，其中Nd表示折射率，Vd表示色散系数。
表1
Figure BDA0001802144180000081
Figure BDA0001802144180000091
表2
Figure BDA0001802144180000092
图2、图3、图4分别为本发明实例焦距为30mm、150mm和330mm情况下的MTF曲线图，可以看出：
MTF≥0.5@80lp/mm@30mm；
MTF≥0.4@80lp/mm@150mm；
MTF≥0.45@80lp/mm@330mm。
综上所述，发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种超大像面大相对孔径高清连续变焦光学系统，其特征在于：所述系统包括自物方至像方依次设置的光焦度为正的前透镜组、光焦度为负的变倍透镜组、光焦度为负的补偿透镜组、可变光阑和光焦度为正的后透镜组；
其中，前透镜组包括自物方至像方依次设置的光焦度为负的前透镜组第一透镜、光焦度为正的前透镜组第二透镜、光焦度为正的前透镜组第三透镜、光焦度为正的前透镜组第四透镜和光焦度为正的前透镜组第五透镜；
变倍透镜组包括自物方至像方依次设置的光焦度为负的变倍透镜组第一透镜、光焦度为负的变倍透镜组第二透镜、光焦度为负的变倍透镜组第三透镜和光焦度为正的变倍透镜组第四透镜，变倍透镜组第三透镜和变倍透镜组第四透镜密接为光焦度为负的变倍透镜组密接透镜组；
补偿透镜组包括自物方至像方依次设置的光焦度为负的补偿透镜组第一透镜和光焦度为正的补偿透镜组第二透镜，补偿透镜组第一透镜和补偿透镜组第二透镜密接为一组光焦度为负的补偿透镜组密接透镜组；
后透镜组由自物方至像方依次设置的光焦度为正的后透镜组第一透镜、光焦度为正的后透镜组第二透镜、光焦度为负的后透镜组第三透镜、光焦度为正的后透镜组第四透镜、光焦度为正的后透镜组第五透镜、光焦度为负的后透镜组第六透镜、光焦度为正的后透镜组第七透镜、光焦度为正的后透镜组第八透镜和光焦度为负的后透镜组第九透镜组成；其中，后透镜组第二透镜与后透镜组第三透镜密接成为光焦度为正的后透镜组第一密接透镜组，后透镜组第八透镜与后透镜组第九透镜密接成为光焦度为正的后透镜组第二密接透镜组；
可变光阑位于补偿透镜组与后透镜组之间；
其中，所述系统的光焦度满足如下关系：
Figure FDA0002514013710000011
Figure FDA0002514013710000021
Figure FDA0002514013710000022
Figure FDA0002514013710000023
Figure FDA0002514013710000024
其中，
Figure FDA0002514013710000025
为前透镜组光焦度，
Figure FDA0002514013710000026
为变倍透镜组光焦度、
Figure FDA0002514013710000027
为补偿透镜组光焦度、
Figure FDA0002514013710000028
为后透镜组光焦度、
Figure FDA0002514013710000029
为光学系统在广角端的光焦度。
2.如权利要求1所述的一种超大像面大相对孔径高清连续变焦光学系统，其特征在于：所述前透镜组与所述变倍透镜组之间的空气间隔为9.62mm～90.16mm，所述变倍透镜组与所述补偿透镜组之间的空气间隔为101.6mm～7.44mm，所述补偿透镜组与所述后透镜组之间的空气间隔为5.2mm～1.88mm。
3.如权利要求1所述的一种超大像面大相对孔径高清连续变焦光学系统，其特征在于：所述前透镜组中四片以上透镜采用超低色散玻璃材料H-FK61；所述后透镜组中两片以上透镜采用了超低色散玻璃材料H-FK61。
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