CN110764238A - 广角低畸变大靶面的消热差连续变焦镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种广角低畸变大靶面的消热差连续变焦镜头，所述镜头的光学系统中，沿光线从左向右入射方向依次设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为正的补偿组C、光阑D、光焦度为正的后固定组E，通过改变前固定组A、变倍组B、补偿组C、光阑D之间的间隔，并保持总长度不变，实现焦距的连续变化。从广角端向望远端变焦时，所述变倍组B远离物体侧，所述补偿组C靠近物体侧，本镜头最大光学畸变小，实现摄像范围连续可变、高帧频高信息量连续摄像、图像失真度小、宽温度工作环境的工业摄像要求，适用于工作温度环境多变、图像还原度高、大视场、高帧频、高信息量的工业摄像领域。

Description

广角低畸变大靶面的消热差连续变焦镜头
技术领域
本发明涉及一种广角低畸变大靶面的消热差连续变焦镜头。
背景技术
在工业摄像领域，由于对图像还原度、分辨率水平、温度环境适应性、图像帧频速率、单帧频信息量等方面要求越来越高，因此选择的镜头必须具备低畸变、大靶面、大相对孔径、高分辨率的特点。一般来说会采用定焦镜头，此类镜头在设计上可以降低难度，在高性价比的前提下实现高性能指标。但是，定焦镜头有其固有缺陷，其视场是固定不变的，不能同时提供小目标放大进行细节识别、大目标完整采样的功能，必须配置多个摄像系统同时工作，在事实上需要更大的体积、更高的成本，可调整性更低。
另一方面，工作环境的多样化，要求镜头具有较宽的温度适应性。对定焦镜头易于实现，但对于变焦镜头，尤其是长焦距、高倍率的变焦镜头，实现全程光学被动式消热差比较困难，一般需要部分镜片作为调焦组，降低温度效应的影响。但这种工作方式会造成焦距改变、光轴抖动，影响测量精度。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种广角低畸变大靶面的消热差连续变焦镜头。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种广角低畸变大靶面的消热差连续变焦镜头，所述镜头的光学系统中，沿光线从左向右入射方向依次设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为正的补偿组C、光阑D、光焦度为正的后固定组E；
所述前固定组A包括依次设置的平凹透镜A-1与双凸透镜A-2密接的第一胶合组、双凸透镜A-3、正弯月透镜A-4；所述变倍组B包括依次设置的负弯月透镜B-1、双凹透镜B-2与双凸透镜B-3密接的第二胶合组、双凹透镜B-4；所述补偿组C包括依次设置的双凸透镜C-1、负弯月透镜C-2与双凸透镜C-3密接的第三胶合组、双凸透镜C-4；所述后固定组E包括依次设置的双凹透镜E-1、正弯月透镜E-2、双凹透镜E-3与双凸透镜E-4密接的第四胶合组、双凹透镜E-5与双凸透镜E-6密接的第五胶合组、平凸透镜E-7；
所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔为0.75～65.36mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为95.66～2.06mm，所述补偿组C与后固定组E之间的空气间隔为2.19～31.19mm。
进一步的，所述第一胶合组和双凸透镜A-3之间的空气间隔为0.12mm，所述双凸透镜A-3和正弯月透镜A-4之间的空气间隔为0.12mm，所述负弯月透镜B-1和第二胶合组之间的空气间隔为11.20mm，所述第二胶合组和双凹透镜B-4之间的空气间隔为2.25mm，所述双凸透镜C-1和第三胶合组之间的空气间隔为0.1mm，所述第三胶合组和双凸透镜C-4之间的空气间隔为0.1mm，所述双凹透镜E-1和正弯月透镜E-2之间的空气间隔为0.1mm，所述正弯月透镜E-2和第四胶合组之间的空气间隔为3.95mm，所述第四胶合组和第五胶合组之间的空气间隔为11.71mm，所述第五胶合组和平凸透镜E-7之间的空气间隔为0.1mm。
进一步的，所述第一胶合组具备一个负折射力的胶合面，且满足：胶合面两边分别为具有负光焦度的负透镜、具有正光焦度的正透镜，其折射率之差大于0.2，胶合面弯向像面侧，其中的正透镜玻璃材料，具有校正二级光谱的能力。
进一步的，所述第二胶合组具备一个正折射力的胶合面，且满足：胶合面两边镜片材料折射率之差大于0.25、小于0.35，胶合面弯向像面侧。
进一步的，所述第三胶合组中，正透镜材料为超低色散玻璃材料，靠近像面侧，负透镜为火石玻璃材料，靠近物体侧，其折射率之差大于0.25，胶合面具有负折射力，并弯向像面侧。
进一步的，所述镜头在广角端视场角达到650、像面尺寸达到23.2mm的前提下，光学畸变小于5%。
进一步的，所述镜头在像面侧设置摄像元件，将光学图像转换为电信号。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：最大光学畸变小，实现摄像范围连续可变、高帧频高信息量连续摄像、图像失真度小、宽温度工作环境的工业摄像要求，适用于工作温度环境多变、图像还原度高、大视场、高帧频、高信息量的工业摄像领域。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为该镜头的光学系统示意图；
图2为该镜头长焦时的MTF图；
图3为该镜头长焦时在-40℃温度下的MTF图；
图4为该镜头长焦时在+60℃温度下的MTF图；
图5为该镜头短焦时的MTF图；
图6为该镜头短焦时在-40℃温度下的MTF图；
图7为该镜头短焦时在+60℃温度下的MTF图；
图 8为该镜头短焦时光学畸变曲线。。
图中：
1-平凹透镜A-1；2-双凸透镜A-2；3-双凸透镜A-3；4-正弯月透镜A-4；5-负弯月透镜B-1；6-双凹透镜B-2；7-双凸透镜B-3；8-双凹透镜B-4；9-双凸透镜C-1；10-负弯月透镜C-2；11-双凸透镜C-3；12-双凸透镜C-4；13-双凹透镜E-1；14-正弯月透镜E-2；15-双凹透镜E-3；16-双凸透镜E-4；17-双凹透镜E-5；18-双凸透镜E-6；19-平凸透镜E-7；20-成型靶面；A-前固定组A；B-变倍组B；C-补偿组C；D-光阑D；E-后固定组E。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1-5所示，一种广角低畸变大靶面的消热差连续变焦镜头，所述镜头的光学系统中，沿光线从左向右入射方向依次设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为正的补偿组C、光阑D、光焦度为正的后固定组E；
所述前固定组A包括依次设置的平凹透镜A-1与双凸透镜A-2密接的第一胶合组、双凸透镜A-3、正弯月透镜A-4；所述变倍组B包括依次设置的负弯月透镜B-1、双凹透镜B-2与双凸透镜B-3密接的第二胶合组、双凹透镜B-4；所述补偿组C包括依次设置的双凸透镜C-1、负弯月透镜C-2与双凸透镜C-3密接的第三胶合组、双凸透镜C-4；所述后固定组E包括依次设置的双凹透镜E-1、正弯月透镜E-2、双凹透镜E-3与双凸透镜E-4密接的第四胶合组、双凹透镜E-5与双凸透镜E-6密接的第五胶合组、平凸透镜E-7；
所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔为0.75～65.36mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为95.66～2.06mm，所述补偿组C与后固定组E之间的空气间隔为2.19～31.19mm；
通过改变前固定组A、变倍组B、补偿组C、光阑D之间的间隔，并保持总长度不变，实现焦距的连续变化。从广角端向望远端变焦时，所述变倍组B远离物体侧，所述补偿组C靠近物体侧。
在本实施例中，所述双凸透镜A-3使用超低色散的CAF2材料，所述双凸透镜C-3使用超低色散的FCD515材料，所述双凸透镜E-4使用超低色散的FCD515材料。
在本实施例中，第一胶合组材料分别为N-LASF46A、H-ZBAF20，具有负折射力，弯向像面侧，折射率之差为0.21，双凸透镜A-3使用超低色散材料CAF2，具有极好的消二级光谱能力，同时起到与前固定组A-2、A-4镜片配合消热差的作用，A-2、A-4具有正折射率温度系数，材料均为H-ZBAF20，具有降低长焦二级光谱像差的作用。
在本实施例中，第二胶合组相邻透镜为B-2、B-3，材料分别为N-SK16、N-SF66，具有正折射力，折射率之差为0.30，胶合面弯向像面侧，具有消短焦像散、降低光学畸变、平衡不同焦距段色差的作用。
在本实施例中，第三胶合组胶合面相邻透镜为C-2、C-3，材料分别为SF57、FCD515，具有负折射力，折射率之差为0.26，胶合面弯向像面侧，具有校正短焦二级光谱像差的作用，同时起到与补偿组其它镜片配合，对短焦位置消色差、消热差的作用。该结构形式的选择、材料选取有利于实现变焦高倍率、系统紧凑化。
在本实施例中，所述第一胶合组和双凸透镜A-3之间的空气间隔为0.12mm，所述双凸透镜A-3和正弯月透镜A-4之间的空气间隔为0.12mm，所述负弯月透镜B-1和第二胶合组之间的空气间隔为11.20mm，所述第二胶合组和双凹透镜B-4之间的空气间隔为2.25mm，所述双凸透镜C-1和第三胶合组之间的空气间隔为0.1mm，所述第三胶合组和双凸透镜C-4之间的空气间隔为0.1mm，所述双凹透镜E-1和正弯月透镜E-2之间的空气间隔为0.1mm，所述正弯月透镜E-2和第四胶合组之间的空气间隔为3.95mm，所述第四胶合组和第五胶合组之间的空气间隔为11.71mm，所述第五胶合组和平凸透镜E-7之间的空气间隔为0.1mm。
在本实施例中，所述第一胶合组具备一个负折射力的胶合面，且满足：胶合面两边分别为具有负光焦度的负透镜、具有正光焦度的正透镜，其折射率之差大于0.2，胶合面弯向像面侧，其中的正透镜玻璃材料，具有校正二级光谱的能力, 以实现长焦消球差、消二级光谱像差的目的。例如，折射率之差为0.21，双凸透镜A-3使用超低色散材料CAF2，具有极好的消二级光谱能力，同时起到与前固定组A-2、A-4镜片配合消热差的作用，A-2、A-4具有正折射率温度系数，材料均为H-ZBAF20，具有降低长焦二级光谱像差的作用。
在本实施例中，所述第二胶合组具备一个正折射力的胶合面，且满足：胶合面两边镜片材料折射率之差大于0.25、小于0.35，胶合面弯向像面侧, 具有消短焦像散、降低光学畸变、平衡不同焦距段色差的作用。
在本实施例中，所述第三胶合组中，正透镜材料为超低色散玻璃材料，靠近像面侧，负透镜为火石玻璃材料，靠近物体侧，其折射率之差大于0.25，胶合面具有负折射力，并弯向像面侧,所述双凸透镜C-3材料为FCD515，为超低色散玻璃材料，具有校正短焦二级光谱像差的作用，同时起到与补偿组其它镜片配合，对短焦位置消色差、消热差的作用。该结构形式的选择、材料选择有利于实现光学变焦高倍率、紧凑化的目的。
在本实施例中，所述镜头在广角端视场角达到650、像面尺寸达到23.2mm的前提下，光学畸变小于5%。
在本实施例中，所述镜头在像面侧设置摄像元件，将光学图像转换为电信号。
在本实施例中，通过合理选择玻璃材质，并与镜头的镜筒材料配合，使镜头具有良好的消热差能力，在负40摄氏度到正60摄氏度温度范围内，无需温度聚焦。
本镜头采用光学被动式方法进行消热差设计，并对不同温度时焦距改变量进行约束设计，在不同温度环境下，焦距改变量极小。在长焦时，-400温度环境下，焦距改变率仅为-0.16%，短焦焦距改变率为+0.015%，近似于0，其他焦距段的改变率在此范围内变动。
本镜头采用正组补偿结构，使得前组光焦度较小，降低二级光谱像差，并使用超低色散材料CAF2，极大提高了长焦端的分辨率水平，使焦距最长可以做到202.5mm，最大相对孔径达到1/3.5，能与高帧频相机配合使用，且适用于光照度条件较差的使用环境。
本镜头连续变焦，同时满足小目标放大进行细节识别、大目标完整采样的功能，短焦焦距为19.7mm，变焦倍率为10.3倍。
本镜头学畸变小，在广角端视场角达到650、像面尺寸达到23.2mm的前提下，光学畸变小于5%，图像失真度小，满足工业摄像需求；同时由于靶面像素数量大，因此图像信息量大。
本镜头实现了变焦全程光学被动式消热差设计，在宽温度动态范围下，不需要温度调焦，使得结构简单。由于不需要温度聚焦，可以确保长焦瞄准光轴的稳定性，且焦距变化量极小，最大改变率仅为-0.16%，满足高精度测量需求。
在本实施例中，工作波段：450nm～700nm；焦距：19.7mm～202.5mm连续变焦；视场角：6.4°～65°；相对孔径：长焦1/3.5，短焦1/3.5；工作温度：-40℃～60℃，实现光学被动式无热化设计，无需温度聚焦，且焦距变化量小；图像光学畸变小，在广角端，光学畸变为-5%；靶面尺寸：23.2mm。
各镜片具体参数如下：
表面 曲率半径（mm） 厚度（mm） 材料
1 平面 4.7 N-LASF46A
2 109.8≤R≤113.45 17.0 H-ZBAF20
3 -770≤R≤-762.37 0.12 AIR
4 136.25≤R≤139.457 11.45 CAF2
5 -3765.4≤R≤-3571.215 0.12 AIR
6 102.1≤R≤105.625 10 H-ZBAF20
7 377≤R≤383.5 0.75～65.36 AIR
8 133.45≤R≤133.725 2.6 N-SF66
9 30.78≤R≤32.457 11.2 AIR
10 -90.25≤R≤-88.014 2.2 N-SK16
11 33.6≤R≤33.8 9.95 N-SF66
12 -175≤R≤-169.4 2.25 AIR
13 -61.2≤R≤-60.05 2.2 N-LAF21
14 275≤R≤283 95.66～2.06 AIR
15 91≤R≤93 3.6 LAFN23
16 -223≤R≤-218 0.1 AIR
17 116≤R≤118 1.55 SF57
18 34.88≤R≤36.75 5.7 FCD515
19 -123≤R≤-122.2 0.1 AIR
20 87.006≤R≤88.918 3.2 LAFN23
21 -365≤R≤-358 2.19～31.19 AIR
22 光阑平面 2.10 AIR
23 -65≤R≤-64.1 1.8 N-LAK34
24 74.592≤R≤76.787 0.1 AIR
25 28.45≤R≤28.475 12 SF57
26 60.454≤R≤61.554 3.95 AIR
27 -780≤R≤-774 1.52 LASFN15
28 20.2≤R≤20.235 11.8 FCD515
29 -35≤R≤-34.78 11.71 AIR
30 -19.1≤R≤-18.782 2.5 SF10
31 20.55≤R≤21.577 7.27 N-LAF2
32 -61.3≤R≤-60.012 0.1 AIR
33 37≤R≤39.124 4.2 LASFN15
34 平面 15.4±0.25 AIR
本发明采用正组补偿变焦结构，因此可以依靠最速变焦凸轮曲线实现紧凑化设计。当变倍组的倍率m2= -1时，补偿组的倍率为m31=m32=-1，在该焦距点位置平滑过渡，实现最速变焦，使得导程小、光学总长短，结构紧凑。上述胶合面折射率之差，依据实际设计指标，可适当调整。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种广角低畸变大靶面的消热差连续变焦镜头，其特征在于：所述镜头的光学系统中，沿光线从左向右入射方向依次设有光焦度为正的前固定组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为正的补偿组C、光阑D、光焦度为正的后固定组E；
所述前固定组A包括依次设置的平凹透镜A-1与双凸透镜A-2密接的第一胶合组、双凸透镜A-3、正弯月透镜A-4；所述变倍组B包括依次设置的负弯月透镜B-1、双凹透镜B-2与双凸透镜B-3密接的第二胶合组、双凹透镜B-4；所述补偿组C包括依次设置的双凸透镜C-1、负弯月透镜C-2与双凸透镜C-3密接的第三胶合组、双凸透镜C-4；所述后固定组E包括依次设置的双凹透镜E-1、正弯月透镜E-2、双凹透镜E-3与双凸透镜E-4密接的第四胶合组、双凹透镜E-5与双凸透镜E-6密接的第五胶合组、平凸透镜E-7；
所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔为0.75～65.36mm，所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为95.66～2.06mm，所述补偿组C与后固定组E之间的空气间隔为2.19～31.19mm。
2.根据权利要求1所述的广角低畸变大靶面的消热差连续变焦镜头，其特征在于：所述第一胶合组和双凸透镜A-3之间的空气间隔为0.12mm，所述双凸透镜A-3和正弯月透镜A-4之间的空气间隔为0.12mm，所述负弯月透镜B-1和第二胶合组之间的空气间隔为11.20mm，所述第二胶合组和双凹透镜B-4之间的空气间隔为2.25mm，所述双凸透镜C-1和第三胶合组之间的空气间隔为0.1mm，所述第三胶合组和双凸透镜C-4之间的空气间隔为0.1mm，所述双凹透镜E-1和正弯月透镜E-2之间的空气间隔为0.1mm，所述正弯月透镜E-2和第四胶合组之间的空气间隔为3.95mm，所述第四胶合组和第五胶合组之间的空气间隔为11.71mm，所述第五胶合组和平凸透镜E-7之间的空气间隔为0.1mm。
3.根据权利要求1所述的广角低畸变大靶面的消热差连续变焦镜头，其特征在于：所述第一胶合组具备一个负折射力的胶合面，且满足：胶合面两边分别为具有负光焦度的负透镜、具有正光焦度的正透镜，其折射率之差大于0.2，胶合面弯向像面侧，其中的正透镜玻璃材料，具有校正二级光谱的能力。
4.根据权利要求1所述的广角低畸变大靶面的消热差连续变焦镜头，其特征在于：所述第二胶合组具备一个正折射力的胶合面，且满足：胶合面两边镜片材料折射率之差大于0.25、小于0.35，胶合面弯向像面侧。
5.根据权利要求1所述的广角低畸变大靶面的消热差连续变焦镜头，其特征在于：所述第三胶合组中，正透镜材料为超低色散玻璃材料，靠近像面侧，负透镜为火石玻璃材料，靠近物体侧，其折射率之差大于0.25，胶合面具有负折射力，并弯向像面侧。
6.根据权利要求1所述的广角低畸变大靶面的消热差连续变焦镜头，其特征在于：所述镜头在广角端视场角达到650、像面尺寸达到23.2mm的前提下，光学畸变小于5%。
7.根据权利要求1所述的广角低畸变大靶面的消热差连续变焦镜头，其特征在于：所述镜头在像面侧设置摄像元件，将光学图像转换为电信号。
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WO2022267574A1 (zh) * 2021-06-23 2022-12-29 华为技术有限公司 一种变焦镜头、变焦摄像机及电子设备

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