CN112346225A - 变焦镜头 - Google Patents

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CN112346225A CN202011181735.0A CN202011181735A CN112346225A CN 112346225 A CN112346225 A CN 112346225A CN 202011181735 A CN202011181735 A CN 202011181735A CN 112346225 A CN112346225 A CN 112346225A
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Abstract

本发明涉及一种变焦镜头，沿物侧至像侧方向，依次包括具有正光焦度的第一固定透镜群组(G1)、具有负光焦度的第一变焦透镜组(G2)、光阑(STO)、具有正光焦度的第二固定透镜组(G3)和具有正光焦度的聚焦透镜组(G4)。本发明的变焦镜头具有体积小、大光圈、高分辨率、低畸变、大像面、‑40℃‑80℃温度范围内不虚焦的特性。

Description

变焦镜头
技术领域
本发明涉及光学系统和器件设计技术领域，尤其涉及一种变焦镜头。
背景技术
随着安防领域的发展，对于光学镜头的成像质量提出了更高的要求，比如镜头的解像力、变焦范围、日夜共焦、高低温共焦等方面。目前市场上的监控镜头普遍无法做到大像面与体积的兼容，并且目前市场上的监控镜头大多是定焦镜头，在监控距离发生变化时难以控制，同时体积较大。
此外，目前市场上的监控镜头在不同焦距端的光学畸变变化较大，不利于应用在当前逐渐普及的人脸识别、车牌识别等人工智能领域。同时，现有的监控镜头，通常是非红外共焦镜头，在傍晚或晚上等光线不足的情况下，拍摄的画面清晰度较差。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种大光圈、大像面、小体积的变焦镜头。
为实现本发明的上述目的，本发明提供一种变焦镜头，沿物侧至像侧方向，依次包括具有正光焦度的第一固定透镜群组、具有负光焦度的第一变焦透镜组、光阑、具有正光焦度的第二固定透镜组和具有正光焦度的聚焦透镜组。
根据本发明的一个方面，所述第一固定透镜组沿物侧至像侧方向依次包括具有负光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜和具有正光焦度的第三透镜。
根据本发明的一个方面，沿物侧至像侧方向，所述第一透镜和所述第三透镜均为凸凹型透镜。
根据本发明的一个方面，所述第一变焦透镜组沿物侧至像侧依次包括第四透镜、具有负光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜和第七透镜。
根据本发明的一个方面，所述第二固定透镜组沿物侧至像侧依次包括具有正光焦度的第八透镜、具有正光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜和具有负光焦度的第十一透镜。
根据本发明的一个方面，所述第八透镜为非球面透镜。
根据本发明的一个方面，所述第九透镜为双凸型透镜。
根据本发明的一个方面，所述聚焦透镜组沿物侧至像侧方向依次包括具有正光焦度的第十二透镜、具有负光焦度的第十三透镜、具有负光焦度的第十四透镜和具有正光焦度的第十五透镜。
根据本发明的一个方面，所述第九透镜、第十透镜和第十一透镜的折射率分别为Nd9、Nd10和Nd11，满足：1.45≤Nd9≤1.65，Nd10＞Nd9，Nd11 ＞Nd9；
所述第九透镜、第十透镜和第十一透镜的阿贝数分别为Vd9、Vd10和 Vd11，满足：62＜Vd9＜65,30＜|Vd10-Vd11|＜60。
根据本发明的一个方面，所述第一固定透镜群组、第一变焦透镜组、第二固定透镜组和聚焦透镜组中均包含至少一个胶合透镜组。
根据本发明的一个方面，所述第一固定透镜群组、第一变焦透镜组、第二固定透镜组和聚焦透镜组的焦距为f1、f2、f3和f4，所述变焦镜头广角端焦距为fw，满足关系式：1.5≤f1/fw≤9，-5≤f2/fw≤-0.5， 1≤f3/fw≤4.5，1.2≤f4/fw≤7.5。
根据本发明的一个方面，所述光阑的位置满足：0.35≤Ls/TTL≤0.46，其中Ls表示光阑至像面的间距，TTL表示所述变焦镜头光学系统总长。
根据本发明的一个方面，所述第一固定透镜组中最大的透镜直径为
Figure BDA0002750378670000021
所述变焦镜头的光学系统总长为TTL，满足：
Figure BDA0002750378670000022
根据本发明的一个方面，所述第一变焦透镜组从广角端到长焦端移动的距离为D，所述变焦镜头的光学系统总长为TTL，满足关系式：0.2≤D/TTL ≤0.3。
本发明的变焦镜头按照以上限定进行设置，使用了15枚透镜，在较少镜片数量的情况的下获得了大像面、高分辨率的性能，并且体积较小，同时能够保证在-40℃～80℃温度范围内不虚焦。此外，本发明的变焦镜头可实现光圈数FNO≤1.8，4X的变焦范围，不但可以日夜两用，而且克服了大相对孔径、日夜共焦、高低温虚焦和解像力之间的矛盾，增加了镜头的使用场合及环境条件范围，提升镜头产品的品质及竞争力。
附图说明
图1示意性表示根据本发明实施例1的变焦镜头的结构示意图；
图2示意性表示根据本发明实施例1的变焦镜头在常温20℃、可见光下的广角端MTF图；
图3示意性表示根据本发明实施例1的变焦镜头在低温-40℃、可见光下的广角端的离焦曲线图；
图4示意性表示根据本发明实施例1的变焦镜头在高温80℃、可见光下的广角端的离焦曲线图；
图5示意性表示根据本发明实施例2的变焦镜头的结构示意图；
图6示意性表示根据本发明实施例2的变焦镜头在常温20℃、可见光下的广角端MTF图；
图7示意性表示根据本发明实施例2的变焦镜头在低温-40℃、可见光下的广角端的离焦曲线图；
图8示意性表示根据本发明实施例2的变焦镜头在高温80℃、可见光下的广角端的离焦曲线图；
图9示意性表示根据本发明实施例3的变焦镜头的结构示意图；
图10示意性表示根据本发明实施例3的变焦镜头在常温20℃、可见光下的广角端MTF图；
图11示意性表示根据本发明实施例3的变焦镜头在低温-40℃、可见光下的广角端的离焦曲线图；
图12示意性表示根据本发明实施例3的变焦镜头在高温80℃、可见光下的广角端的离焦曲线图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，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他的附图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
参照附图1所示，本发明提供一种变焦镜头，沿物侧至像侧方向，依次包括第一固定透镜组G1、第一变焦透镜组G2、光阑STO、第二固定透镜组G3和聚焦透镜组G4。在本发明中，第一固定透镜组G1具有正光焦度、第一变焦透镜组G2具有负光焦度，第二固定透镜组G3具有正光焦度、聚焦透镜组G4具有正光焦度。
本发明的变焦镜头，第一变焦透镜组G2可沿光轴移动，用于实现本发明变焦镜头从广角到长焦的变化。本发明的聚焦透镜组G4可沿着光轴移动，用于补偿光学变焦过程中像面位置的变化。
本发明的变焦镜头，按照上述限定布置本发明的各个组成部分，合理配置各个组成部分的光焦度搭配，使得本发明的变焦镜头体积较小的情况下，实现高分辨率、低畸变、大像面、-40℃-80℃温度范围内不虚焦，同时具备恒定大光圈，配合大像面能提升画面亮度和像质，并具有一定变倍能力，从而使得本发明的变焦镜头能适应监控存在变化的使用环境。
具体来说，本发明的变焦镜头，沿物侧至像侧方向,第一固定透镜组 G1依次包括具有负光焦度的第一透镜L1、具有正光焦度的第二透镜L2和具有正光焦度的第三透镜L3。其中第一透镜L1和第三透镜L3均为凸凹型透镜。
本发明的变焦镜头，第一变焦透镜组G2沿物侧至像侧依次包括第四透镜L4、具有负光焦度的第五透镜L5、具有正光焦度的第六透镜L6和第七透镜L7。本发明的变焦镜头，第四透镜L4和第七透镜L7的光焦度可以为正或者为负。第二固定透镜组G3沿物侧至像侧依次包括具有正光焦度的第八透镜L8、具有正光焦度的第九透镜L9、具有正光焦度的第十透镜L10和具有负光焦度的第十一透镜L11。聚焦透镜组G4沿物侧至像侧方向依次包括具有正光焦度的第十二透镜L12、具有负光焦度的第十三透镜L13、具有负光焦度的第十四透镜L14和具有正光焦度的第十五透镜L15。
在本发明的变焦镜头中，第八透镜L8为非球面透镜。当然，根据本发明的构思，本发明变焦镜头中的其他透镜可以设置为玻璃球面透镜，也可以设置为非球面透镜，如此通过非球面透镜的使用，一方面可以降低生产成本。另一方面，通过非球面透镜和玻璃球面透镜的相互搭配使用，有利于保证本发明的透镜在40℃～80℃温度范围内不虚焦。
在本发明中，第九透镜L9为双凸型透镜。第九透镜L9、第十透镜L10 和第十一透镜L11的折射率分别为Nd9、Nd10和Nd11，满足：1.45≤Nd9 ≤1.65，Nd10＞Nd9，Nd11＞Nd9。第九透镜L9、第十透镜L10和第十一透镜L11的阿贝数分别为Vd9、Vd10和Vd11，满足：62＜Vd9＜65,30＜ |Vd10-Vd11|＜60。如此设置，能够有效矫正光学系统色差，保证拍摄的换面色彩还原更高。
本发明的变焦镜头，第一固定透镜群组G1、第一变焦透镜组G2、第二固定透镜组G3和聚焦透镜组G4中均包含至少一个胶合透镜组。第一固定透镜群组G1、第一变焦透镜组G2、第二固定透镜组G3和聚焦透镜组G4的焦距为f1、f2、f3和f4，变焦镜头广角端焦距为fw，满足关系式： 1.5≤f1/fw≤9，-5≤f2/fw≤-0.5，1≤f3/fw≤4.5，1.2≤f4/fw≤7.5。
在本发明中，光阑STO的位置满足：0.35≤Ls/TTL≤0.46，其中Ls表示光阑至像面的间距，TTL表示所述变焦镜头光学系统总长。本发明的第一固定透镜组G1中最大的透镜直径为
Figure BDA0002750378670000051
所述变焦镜头的光学系统总长为TTL，满足：
Figure BDA0002750378670000052
本发明中，第一变焦透镜组G2从广角端到长焦端移动的距离为D，满足关系式：0.2≤D/TTL≤0.3。
综上，本发明的变焦镜头按照以上限定进行设置，使用了15枚透镜，在较少镜片数量的情况的下获得了大像面、高分辨率的性能，并且体积较小，同时能够保证在-40℃～80℃温度范围内不虚焦。此外，本发明的变焦镜头可实现光圈数FNO≤1.8，4X的变焦范围，不但可以日夜两用，而且克服了大相对孔径、日夜共焦、高低温虚焦和解像力之间的矛盾，增加了镜头的使用场合及环境条件范围，提升镜头产品的品质及竞争力。
以下根据本发明的上述设置给出3组具体实施方式来具体说明根据本发明的变焦镜头。
三组实施方式数据如下表1中数据：
Figure BDA0002750378670000061
表1
实施方式一：
图1是示意性表示根据本发明的实施方式一的变焦镜头结构图。
以下表2列出本实施方式的各透镜的相关参数，包括表面类型、曲率半径、厚度、材料的折射率、阿贝数：
Figure BDA0002750378670000062
Figure BDA0002750378670000071
表2
在本实施方式中，第一透镜L1和第二透镜L2组成胶合透镜组，第5 透镜L5和第六透镜L6组成胶合透镜组，第十透镜L10和第十一透镜L11 组成胶合透镜组，第十二透镜L12和第十三透镜L13组成胶合透镜组。第七透镜L7、第八透镜L8和第十四透镜L14为非球面透镜，其余透镜为玻璃球面透镜。并且所有非球面满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，z为沿光轴方向，垂直于光轴的高度为h的位置处曲面到顶点的轴向距离；c表示非球面曲面顶点处的曲率；k为圆锥系数；A4、A6、 A8、A10、A12分别表示四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶非球面系数。
表3列出的是本实施例中各非球面透镜的非球面系数，K为该表面的二次曲面常数，A、B、C、D、E分别为四阶、六阶、八阶、十阶和十二阶的非球面系数。
Figure BDA0002750378670000073
Figure BDA0002750378670000081
表3
表4列出的是广角端、望远端变倍数据如下：
厚度 广角端 望远端
D1 0.609 17.109
D2 17.845 1.345
D3 3.112 4.312
D4 2.978 1.778
表4
其中D1表示自第一固体透镜组G1的像侧至第一变焦透镜组G2的物侧的距离、D2表示自第一变焦透镜组G2的像侧至光阑的物侧的距离、D3表示自第二固定透镜组G3的像侧至聚焦透镜组G4的物侧的距离、D4表示自聚焦透镜组G4的像侧至保护玻璃CG的物侧的距离。其中“D1”、“D2”、“D3”、“D4”依广角端和望远端有所不同。
图2-4分别示意性实施例1的变焦镜头在常温20℃、可见光下的广角端 MTF图、低温-40℃、可见光下的广角端的离焦曲线图和高温80℃、可见光下的广角端的离焦曲线图。结合附图可以得知，按照本发明实施例1得到的变焦镜头，在小体积的情况下具有大光圈、高分辨率、低畸变、大像面、-40℃ -80℃温度范围内不虚焦的特性。
实施方式二：
图5是示意性表示根据本发明的实施方式二的变焦镜头结构图。
以下表5列出本实施方式的各透镜的相关参数，包括表面类型、曲率半径、厚度、材料的折射率、阿贝数：
Figure BDA0002750378670000082
Figure BDA0002750378670000091
表5
在本实施方式中，第一透镜L1和第二透镜L2组成胶合透镜组，第5 透镜L5和第六透镜L6组成胶合透镜组，第十透镜L10和第十一透镜L11 组成胶合透镜组，第十二透镜L12和第十三透镜L13组成胶合透镜组。第七透镜L7、第八透镜L8和第十四透镜L14为非球面透镜，其余透镜为玻璃球面透镜。
表6列出的是本实施例中各非球面透镜的非球面系数，K为该表面的二次曲面常数，A、B、C、D、E分别为四阶、六阶、八阶、十阶和十二阶的非球面系数。
面序号 K A B C D E
S11 -15.75 0.00E+00 2.01E-5 -8.58E-8 3,86E-10 -5.78E-12
S12 -1.738 0.00E+00 5.21E-4 6.58E-8 7.21E-10 5.21E-11
S13 -5985 0.00E+00 -4.95E-4 2.89E-7 -4.21E-10 1.89E-13
S14 -2.923 0.00E+00 6.58E-5 -9.25E-8 3.58E-10 5.65E-12
S23 25.968 0.00E+00 8.14E-5 -5.29E-8 9.52E-9 -3.26E-11
S24 -2.968 0.00E+00 -2.56E-4 -5.69E-8 -6.98E-11 5.68E-13
表6
表7列出的是广角端、望远端变倍数据如下：
厚度 广角端 望远端
D1 0.839 16.015
D2 16.358 1.182
D3 3.212 4.019
D4 2.878 2.071
表7
图6-8分别示意性实施例2的变焦镜头在常温20℃、可见光下的广角端 MTF图、低温-40℃、可见光下的广角端的离焦曲线图和高温80℃、可见光下的广角端的离焦曲线图。结合附图可以得知，按照本发明实施例2得到的变焦镜头，在小体积的情况下具有大光圈、高分辨率、低畸变、大像面、-40℃ -80℃温度范围内不虚焦的特性。
实施方式三：
图9是示意性表示根据本发明的实施方式三的变焦镜头结构图。
以下表8列出本实施方式的各透镜的相关参数，包括表面类型、曲率半径、厚度、材料的折射率、阿贝数：
Figure BDA0002750378670000101
Figure BDA0002750378670000111
表8
在本实施方式中，第一透镜L1和第二透镜L2组成胶合透镜组，第5 透镜L5和第六透镜L6组成胶合透镜组，第十透镜L10和第十一透镜L11 组成胶合透镜组，第十二透镜L12和第十三透镜L13组成胶合透镜组。第七透镜L7、第八透镜L8和第十四透镜L14为非球面透镜，其余透镜为玻璃球面透镜。
表9列出的是本实施例中各非球面透镜的非球面系数，K为该表面的二次曲面常数，A、B、C、D、E分别为四阶、六阶、八阶、十阶和十二阶的非球面系数。
面序号 K A B C D E
S11 -10.356 0.00E+00 1.05E-5 -6.56E-8 2.89E-10 -5.23E-13
S12 1.025 0.00E+00 8.14E-5 -1.118E-7 2.65E-6 -7.206E-7
S13 -1.925 0.00E+00 8.21E-4 -9.15E-6 9.21E-10 -1.05E-12
S14 31.056 0.00E+00 -4.95E-4 2.89E-7 -4.21E-10 1.89E-13
S23 1.656 0.00E+00 8.14E-5 -1.12E-7 1.25E-10 -3.26E-11
S24 1.901 0.00E+00 3.375E-5 -1.18E-7 1.74E-10 -7.206E-7
表9
表10列出的是广角端、望远端变倍数据如下：
厚度 广角端 望远端
D1 0.710 17.351
D2 17.860 1.219
D3 3.258 3.978
D4 2.484 1.764
表10
图10-12分别示意性实施例3的变焦镜头在常温20℃、可见光下的广角端MTF图、低温-40℃、可见光下的广角端的离焦曲线图和高温80℃、可见光下的广角端的离焦曲线图。结合附图可以得知，按照本发明实施例3得到的变焦镜头，在小体积的情况下具有大光圈、高分辨率、低畸变、大像面、-40℃-80℃温度范围内不虚焦的特性。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，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 (14)

1.一种变焦镜头，其特征在于，沿物侧至像侧方向，依次包括具有正光焦度的第一固定透镜群组(G1)、具有负光焦度的第一变焦透镜组(G2)、光阑(STO)、具有正光焦度的第二固定透镜组(G3)和具有正光焦度的聚焦透镜组(G4)。
2.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一固定透镜组(G1)沿物侧至像侧方向依次包括具有负光焦度的第一透镜(L1)、具有正光焦度的第二透镜(L2)和具有正光焦度的第三透镜(L3)。
3.根据权利要求2所述的变焦镜头，其特征在于，沿物侧至像侧方向，所述第一透镜(L1)和所述第三透镜(L3)均为凸凹型透镜。
4.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一变焦透镜组(G2)沿物侧至像侧依次包括第四透镜(L4)、具有负光焦度的第五透镜(L5)、具有正光焦度的第六透镜(L6)和第七透镜(L7)。
5.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第二固定透镜组(G3)沿物侧至像侧依次包括具有正光焦度的第八透镜(L8)、具有正光焦度的第九透镜(L9)、具有正光焦度的第十透镜(L10)和具有负光焦度的第十一透镜(L11)。
6.根据权利要求5所述的变焦镜头，其特征在于，所述第八透镜(L8)为非球面透镜。
7.根据权利要求5所述的变焦镜头，其特征在于，所述第九透镜(L9)为双凸型透镜。
8.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述聚焦透镜组(G4)沿物侧至像侧方向依次包括具有正光焦度的第十二透镜(L12)、具有负光焦度的第十三透镜(L13)、具有负光焦度的第十四透镜(L14)和具有正光焦度的第十五透镜(L15)。
9.根据权利要求5-7任一项所述的变焦镜头，其特征在于，所述第九透镜(L9)、第十透镜(L10)和第十一透镜(L11)的折射率分别为Nd9、Nd10和Nd11，满足：1.45≤Nd9≤1.65，Nd10＞Nd9，Nd11＞Nd9；
所述第九透镜(L9)、第十透镜(L10)和第十一透镜(L11)的阿贝数分别为Vd9、Vd10和Vd11，满足：62＜Vd9＜65,30＜|Vd10-Vd11|＜60。
10.根据权利要求1-8任一项所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一固定透镜群组(G1)、第一变焦透镜组(G2)、第二固定透镜组(G3)和聚焦透镜组(G4)中均包含至少一个胶合透镜组。
11.根据权利要求1-8任一项所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一固定透镜群组(G1)、第一变焦透镜组(G2)、第二固定透镜组(G3)和聚焦透镜组(G4)的焦距为f1、f2、f3和f4，所述变焦镜头广角端焦距为fw，满足关系式：1.5≤f1/fw≤9，-5≤f2/fw≤-0.5，1≤f3/fw≤4.5，1.2≤f4/fw≤7.5。
12.根据权利要求1-8任一项所述的变焦镜头，其特征在于，所述光阑(STO)的位置满足：0.35≤Ls/TTL≤0.46，其中Ls表示光阑至像面的间距，TTL表示所述变焦镜头光学系统总长。
13.根据权利要求1-8任一项所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一固定透镜组(G1)中最大的透镜直径为
Figure FDA0002750378660000021
所述变焦镜头的光学系统总长为TTL，满足：
Figure FDA0002750378660000022
14.根据权利要求1-8任一项所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一变焦透镜组(G2)从广角端到长焦端移动的距离为D，所述变焦镜头的光学系统总长为TTL，满足关系式：0.2≤D/TTL≤0.3。
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