CN112099211B - 变焦光学系统及图像采集设备 - Google Patents

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Abstract

本公开实施例提供一种变焦光学系统及图像采集设备。变焦光学系统包括沿光入射方向依次设置第一透镜群、第二透镜群、光阑、第三透镜群、第四透镜群和分光棱镜，位于分光棱镜的透射出光侧且垂直光轴设置的第一感光芯片，以及位于分光棱镜的反射出光侧且平行光轴设置的第二感光芯片，其中：第一透镜群、第三透镜群和第四透镜群的焦距为正，第二透镜群的焦距为负；第一透镜群、光阑、第三透镜群、分光棱镜、第一感光芯片和第二感光芯片的位置相对固定，第二透镜群和第四透镜群能够沿光轴方向相对第一感光芯片前后移动，以使可见光在第一感光芯片成像，红外光在第二感光芯片成像。

Description

变焦光学系统及图像采集设备
技术领域
本公开涉及光学成像技术领域，特别涉及一种变焦光学系统及图像采集设备。
背景技术
目前广泛应用于人们日常生活中的变焦镜头，多采用单一镜头匹配单一感光芯片的设计，所拍摄画面的清晰度、色彩锐利饱和度和分辨率不够理想，成像品质有待进一步提升。
发明内容
本公开实施例提供一种变焦光学系统及图像采集设备，以提升成像品质。
根据本公开实施例的一个方面，提供一种变焦光学系统，包括沿光入射方向依次设置第一透镜群、第二透镜群、光阑、第三透镜群、第四透镜群和分光棱镜，位于分光棱镜的透射出光侧且垂直光轴设置的第一感光芯片，以及位于分光棱镜的反射出光侧且平行光轴设置的第二感光芯片，其中：
第一透镜群、第三透镜群和第四透镜群的焦距为正，第二透镜群的焦距为负；
第一透镜群、光阑、第三透镜群、分光棱镜、第一感光芯片和第二感光芯片的位置相对固定，第二透镜群和第四透镜群能够沿光轴方向相对第一感光芯片前后移动，以使可见光在第一感光芯片成像，红外光在第二感光芯片成像。
在一些实施例中，第一透镜群的焦距f1、第二透镜群的焦距f2、第三透镜群的焦距f3和第四透镜群的焦距f4，满足：-5≤f1/f2≤-3.5；0.8≤f1/f3≤1.5；1.5≤f1/f4≤3。
在一些实施例中，变焦光学系统的光学总长TTL和长焦端的焦距ft，满足：3＜TTL/ft＜6。
在一些实施例中，变焦光学系统从广角端变焦至长焦端，第二透镜群的移动距离m2和第二透镜群的焦距f2，满足：0.5＜|m2/f2|＜2。
在一些实施例中，变焦光学系统还满足以下特征至少之一：
第二透镜群的移动范围为0～12毫米；
第四透镜群的移动范围为0～2.6毫米；
光阑与第一感光芯片之间的距离为38.42毫米～42.46毫米；
第一透镜群与光阑之间的距离为42.71毫米～47.20毫米；
光阑的孔径为固定值，取值范围为11.59毫米～12.81毫米。
在一些实施例中，变焦光学系统从广角端变焦至长焦端的过程中，控制第二透镜群朝向光阑移动，根据第二透镜群的移动距离和物距的变化量，确定第四透镜群相对第一感光芯片的目标移动距离，根据目标移动距离控制第四透镜群移动，其中，目标移动距离为使成像面落在第一感光芯片和第二感光芯片上的第四透镜群的移动距离。
在一些实施例中，第一透镜群包括沿光入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中，第一透镜为双凸球面凸透镜，第二透镜为双凹球面凹透镜，第二透镜和第一透镜粘合，第三透镜为凸面朝向第二透镜的弯月形球面凸透镜；和/或
第二透镜群包括沿光入射方向依次设置的第四透镜、第五透镜和第六透镜，其中，第四透镜和第五透镜为双凹球面凹透镜，第六透镜为双凸球面凸透镜；和/或
第三透镜群包括沿光入射方向依次设置的第七透镜、第八透镜和第九透镜，其中，第七透镜为双凸非球面凸透镜，第八透镜为双凹球面凹透镜，第九透镜为双凸球面凸透镜；和/或
第四透镜群包括沿光入射方向依次设置的第十透镜、第十一透镜、第十二透镜和第十三透镜，其中，第十透镜为弯月形球面凹透镜且凸面朝向第九透镜，第十一透镜为双凸球面凸透镜，第十一透镜和第十透镜粘合，第十二透镜为弯月形球面凸透镜且凸面朝向第十一透镜，第十三透镜为双凸球面凸透镜。
在一些实施例中，第七透镜的非球面表达式为：
Figure BDA0002704395620000021
其中，c为曲率半径，y为径向坐标，k为圆锥曲线系数，a2、a4、a6、a8、a10、a12、a14、a16为径向坐标系数。
在一些实施例中，变焦光学系统还包括：位于分光棱镜的透射出光侧与第一感光芯片之间的第一滤光片，及位于分光棱镜的反射出光侧与第二感光芯片之间的第二滤光片。
根据本公开实施例的另一个方面，提供一种图像采集设备，包括前述技术方案所述的变焦光学系统。
本公开实施例可以通过调整后焦距实现双光路变焦，第一感光芯片和第二感光芯片分别对不同波段的光进行感测和还原，可以显著提升变焦光学系统的解像力，从而提升图像的分辨率，提高拍摄画面的清晰度和色彩锐利饱和度，改善甚至消除了紫边现象，成像品质显著提高。
当然，实施本公开任一实施例的产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或相关技术中的技术方案，下面对本公开实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本公开一些实施例变焦光学系统的示意图；
图2为本公开一些实施例中各透镜群在广角端、中间端和长焦端下的相对位置示意图。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
相关技术中，变焦镜头的光学系统多采用单一镜头匹配单一感光芯片的设计，感光芯片既接收可见光波段，又接收红外光波段，导致感光芯片对不同波段光的还原度差别较大，色差与红外解像无法取得平衡，这些原因导致：拍摄图像分辨率较低(通常为720P或1080P)，拍摄画面的清晰度和色彩锐利饱和度不理想，容易出现紫边(紫边是指由于被摄物体反差较大，在高光与低光部位交界处出现色斑的现象)。另外，变焦镜头在从广角端变焦至长焦端的过程中，光圈逐渐减小，使得低照度环境中长焦距段的通光量下降明显，也会导致拍摄画面不清晰。
本公开实施例提供了一种变焦光学系统及图像采集设备，以解决上述技术问题，提升成像品质。
如图1所示，本公开一些实施例提供的变焦光学系统，包括沿光入射方向依次设置的第一透镜群1、第二透镜群2、光阑5、第三透镜群3、第四透镜群4和分光棱镜6，位于分光棱镜6的透射出光侧6a且垂直光轴S设置的第一感光芯片8，以及位于分光棱镜6的反射出光侧6b且平行光轴S设置的第二感光芯片10，其中：
第一透镜群1、第三透镜群3和第四透镜群4的焦距为正，第二透镜群2的焦距为负；
第一透镜群1、光阑5、第三透镜群3、分光棱镜6、第一感光芯片8和第二感光芯片10的位置相对固定，第二透镜群2和第四透镜群4能够沿光轴S方向相对第一感光芯片8前后移动，以使可见光在第一感光芯片8成像，红外光在第二感光芯片10成像。
分光棱镜6通常包括两个直角棱镜60，其中一个直角棱镜60的斜面设有镀膜61，两个直角棱镜60胶合构成立方体结构。分光棱镜6通过其结构和镀膜设计，可以将入射光按波段分为相正交的两部分，一部分(波长为430纳米～650纳米的可见光)从透射出光侧6a射出，一部分(波长为740纳米～760纳米、840纳米～860纳米的红外光)反射后从反射出光侧6b射出。
本公开实施例共包含四个透镜群，第二透镜群2前后移动，变焦光学系统的后焦距随之发生变化，第四透镜群4前后移动进行对焦，可以使上述可见光的成像面落在第一感光芯片8上，上述红外光的成像面落在第二感光芯片10上。因此，本公开实施例可以通过调整后焦距实现双光路变焦，也即全程红外共焦，第一感光芯片8和第二感光芯片10分别对不同波段的光进行感测和还原，可以显著提升变焦光学系统的解像力，从而提升图像的分辨率，提高拍摄画面的清晰度和色彩锐利饱和度，改善甚至消除了紫边现象，成像品质显著提高。
如图2所示，变焦光学系统从广角端(即短焦端)变焦至长焦端的过程中，控制第二透镜群2朝向光阑5移动；根据第二透镜群2的移动距离和物距的变化量，可以确定出第四透镜群4相对第一感光芯片8的目标移动距离；根据该目标移动距离控制第四透镜群4移动；其中，目标移动距离为使成像面落在第一感光芯片8和第二感光芯片10上的第四透镜群4的移动距离。
在一些实施例中，变焦光学系统的变焦范围为6毫米～18毫米，可以实现3倍变焦，水平拍摄角度在±65°(广角端)到±25°(长焦端)之间变化，拍摄范围较广。在广角端，拍摄距离最近可至1米，在长焦端，拍摄距离最近可至1.5米，可以适用多种拍摄场景。
本公开实施例的变焦光学系统能够达到高于4M(400万像素)的分辨率，以第一感光芯片8和第二感光芯片10采用对角尺寸为9.2毫米的1/1.8英寸的CCD(Charge CoupledDevice，电荷耦合元件)为例，其中心分辨率高于250lp/mm(线对/毫米)，周边0.8H(80％对角线位置)处分辨率高于160lp/mm。这与目前常见的分辨率为720P或1080P的感光芯片相比，分辨率大大提高。
光阑5用于控制光束通过的多少。在本公开的一些实施例中，光阑5的孔径为固定值，即变焦光学系统在从广角端变焦至长焦端的过程中，光圈大小恒定不变，这样可以保证在低照度环境下整个焦距段的通光量，从而提高拍摄画面的清晰度。在一些实施例中，光阑5的孔径在11.59毫米～12.81毫米范围内取值，例如为12.2毫米。
本公开实施例对第一透镜群1、第二透镜群2、第三透镜群3和第四透镜群4的具体结构不做具体限定。
如图1所示，在一些实施例中，第一透镜群1包括沿光入射方向依次设置的第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13，其中，第一透镜11为双凸球面凸透镜，第二透镜12为双凹球面凹透镜，第二透镜12和第一透镜11粘合，即第二透镜12和第一透镜11的相靠近的表面凸凹配合并通过透明胶层粘合，第三透镜13为凸面朝向第二透镜12的弯月形球面凸透镜。
第二透镜群2包括沿光入射方向依次设置的第四透镜21、第五透镜22和第六透镜23，其中，第四透镜21和第五透镜22为双凹球面凹透镜，第六透镜23为双凸球面凸透镜。
第三透镜群3包括沿光入射方向依次设置的第七透镜31、第八透镜32和第九透镜33，其中，第七透镜31为双凸非球面凸透镜，第八透镜32为双凹球面凹透镜，第九透镜33为双凸球面凸透镜。
第四透镜群4包括沿光入射方向依次设置的第十透镜41、第十一透镜42、第十二透镜43和第十三透镜44，其中，第十透镜41为弯月形球面凹透镜且凸面朝向第九透镜，第十一透镜42为双凸球面凸透镜，第十一透镜42和第十透镜41粘合，即第十一透镜42和第十透镜41的相靠近的表面凸凹配合并通过透明胶层粘合，第十二透镜43为弯月形球面凸透镜且凸面朝向第十一透镜42，第十三透镜44为双凸球面凸透镜。
凸透镜的特点是中央较厚，边缘较薄，焦距为正值。凹透镜的特点是中央较薄，边缘较厚，焦距为负值。弯月形球面透镜的特点是两个表面均朝同一侧凸起，弯月形球面透镜既可以为凸透镜，也可以为凹透镜。
第七透镜31为双凸非球面凸透镜。非球面的特点是从中心到边缘，曲率连续发生变化。非球面透镜一方面可以减小边缘视场的相差，提高成像品质，另一方面，可以减小镜头的体积和重量。在本公开实施例中，非球面透镜的非球面表达式为：
Figure BDA0002704395620000061
其中，c为曲率半径，y为径向坐标，k为圆锥曲线系数，a2、a4、a6、a8、a10、a12、a14、a16为径向坐标系数。k在不同范围取值时，表达式所表示的面形曲线的形状不同。具体的，k＜-1时，面形曲线为双曲线；k＝-1时，面形曲线为抛物线；-1＜k＜0时，面形曲线为椭圆；k＝0时，面形曲线为圆形；k＞0时，面形曲线为扁圆形。
在一些实施例中，为简化计算，将非球面透镜的非球面表达式简化为：
Figure BDA0002704395620000062
在本公开实施例中，感光芯片例如为CCD或CMOS(Complementary Metal-OxideSemiconductor，金属氧化物半导体元件)。如图1所示，在本公开的一些实施例中，变焦光学系统还包括：位于分光棱镜6的透射出光侧6a与第一感光芯片8之间的第一滤光片7，及位于分光棱镜6的反射出光侧6b与第二感光芯片10之间的第二滤光片9。第一滤光片7和第二滤光片9例如为滤光玻璃，不但能够对感光芯片起到机械保护，还能够过滤掉所需波段之外的干扰光。
在本公开的一些实施例中，第一透镜群1的焦距f1、第二透镜群2的焦距f2、第三透镜群3的焦距f3和第四透镜群4的焦距f4，满足：-5≤f1/f2≤-3.5；0.8≤f1/f3≤1.5；1.5≤f1/f4≤3。
在本公开的一些实施例中，变焦光学系统的光学总长TTL和长焦端的焦距ft，满足：3＜TTL/ft＜6。
在本公开的一些实施例中，变焦光学系统从广角端变焦至长焦端，第二透镜群2的移动距离m2和第二透镜群2的焦距f2，满足：0.5＜|m2/f2|＜2。
在本公开的一些实施例中，变焦光学系统还满足以下至少之一：第二透镜群2的移动范围(即沿光轴S的最大允许位移)为0～12毫米；第四透镜群4的移动范围(即沿光轴S的最大允许位移)为0～2.6毫米；光阑5与第一感光芯片8之间的距离(即光阑5中心点与第一感光芯片8中心点之间的距离)为38.42毫米～42.46毫米，例如为40.44毫米；第一透镜群1与光阑5之间的距离(即第一透镜群1的光心与光阑5中心点之间的距离)为42.71毫米～47.20毫米，例如为44.96毫米。
本公开一实施例的变焦光学系统采用了如图1所示的结构设计，各元件参数如以下表一所示，第七透镜31的非球面参数如以下表二所示，变焦光学系统的光学参数如以下表三所示。表一和表二中，各面编号对应图1中编号为①、②、③…的表面，中心厚度t和间隙c参见图1中所示意。
Figure BDA0002704395620000071
Figure BDA0002704395620000081
表一变焦光学系统中各元件的参数
面编号 径向坐标系数a<sub>4</sub> 径向坐标系数a<sub>6</sub> 径向坐标系数a<sub>8</sub> 径向坐标系数a<sub>10</sub>
13 4.4280495e-06 3.0419448e-08 2.6121313e-09 -1.7086194e-10
14 2.9445559e-05 -1.592801e-08 1.2351222e-09 -1.3905443e-10
表二第七透镜的非球面参数
Figure BDA0002704395620000082
Figure BDA0002704395620000091
表三变焦光学系统的光学参数
本公开实施例还提供一种图像采集设备，包括前述任一实施例的变焦光学系统。图像采集设备的具体类型不限，例如，可以为摄像头、摄像机、相机、监控摄像机或者各种移动终端的相机模块等。该图像采集设备与相关技术相比，由于改善了前述技术问题，因此拍摄品质较佳。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。
以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并非用于限定本公开的保护范围。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本公开的保护范围内。

Claims (8)

1.一种变焦光学系统，其特征在于，包括沿光入射方向依次设置第一透镜群、第二透镜群、光阑、第三透镜群、第四透镜群和分光棱镜，位于分光棱镜的透射出光侧且垂直光轴设置的第一感光芯片，以及位于分光棱镜的反射出光侧且平行光轴设置的第二感光芯片，其中：
第一透镜群、第三透镜群和第四透镜群的焦距为正，第二透镜群的焦距为负；
第一透镜群、光阑、第三透镜群、分光棱镜、第一感光芯片和第二感光芯片的位置相对固定，第二透镜群和第四透镜群能够沿光轴方向相对第一感光芯片前后移动，以使可见光在第一感光芯片成像，红外光在第二感光芯片成像；
其中，第一透镜群的焦距f1、第二透镜群的焦距f2、第三透镜群的焦距f3和第四透镜群的焦距f4，满足：-5≤f1/f2≤-3.5；0.8≤f1/f3≤1.5；1.5≤f1/f4≤3；变焦光学系统的光学总长TTL和长焦端的焦距ft，满足：3＜TTL/ft＜6。
2.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，变焦光学系统从广角端变焦至长焦端，第二透镜群的移动距离m2和第二透镜群的焦距f2，满足：0.5＜|m2/f2|＜2。
3.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，还满足以下特征至少之一：
第二透镜群的移动范围为0～12毫米；
第四透镜群的移动范围为0～2.6毫米；
光阑与第一感光芯片之间的距离为38.42毫米～42.46毫米；
第一透镜群与光阑之间的距离为42.71毫米～47.20毫米；
光阑的孔径为固定值，取值范围为11.59毫米～12.81毫米。
4.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，变焦光学系统从广角端变焦至长焦端的过程中，控制第二透镜群朝向光阑移动，根据第二透镜群的移动距离和物距的变化量，确定第四透镜群相对第一感光芯片的目标移动距离，根据目标移动距离控制第四透镜群移动，其中，目标移动距离为使成像面落在第一感光芯片和第二感光芯片上的第四透镜群的移动距离。
5.根据权利要求1-4任一项所述的变焦光学系统，其特征在于，
第一透镜群包括沿光入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中，第一透镜为双凸球面凸透镜，第二透镜为双凹球面凹透镜，第二透镜和第一透镜粘合，第三透镜为凸面朝向第二透镜的弯月形球面凸透镜；和/或
第二透镜群包括沿光入射方向依次设置的第四透镜、第五透镜和第六透镜，其中，第四透镜和第五透镜为双凹球面凹透镜，第六透镜为双凸球面凸透镜；和/或
第三透镜群包括沿光入射方向依次设置的第七透镜、第八透镜和第九透镜，其中，第七透镜为双凸非球面凸透镜，第八透镜为双凹球面凹透镜，第九透镜为双凸球面凸透镜；和/或
第四透镜群包括沿光入射方向依次设置的第十透镜、第十一透镜、第十二透镜和第十三透镜，其中，第十透镜为弯月形球面凹透镜且凸面朝向第九透镜，第十一透镜为双凸球面凸透镜，第十一透镜和第十透镜粘合，第十二透镜为弯月形球面凸透镜且凸面朝向第十一透镜，第十三透镜为双凸球面凸透镜。
6.根据权利要求5所述的变焦光学系统，其特征在于，第七透镜的非球面表达式为：
Figure FDA0003632469620000021
其中，c为曲率半径，y为径向坐标，k为圆锥曲线系数，a2、a4、a6、a8、a10、a12、a14、a16为径向坐标系数。
7.根据权利要求5所述的变焦光学系统，其特征在于，还包括：
位于分光棱镜的透射出光侧与第一感光芯片之间的第一滤光片，及位于分光棱镜的反射出光侧与第二感光芯片之间的第二滤光片。
8.一种图像采集设备，其特征在于，包括根据权利要求1-7任一项所述的变焦光学系统。
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