CN113253443A - 变焦镜头 - Google Patents

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CN113253443A CN202110666327.2A CN202110666327A CN113253443A CN 113253443 A CN113253443 A CN 113253443A CN 202110666327 A CN202110666327 A CN 202110666327A CN 113253443 A CN113253443 A CN 113253443A
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赖景辉
沈悦
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桂勋
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Sunny Optics Zhongshan Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种变焦镜头，包括沿光轴从物侧至像侧依次排列的具有负光焦度的补偿透镜组(G1)、光阑(STO)以及具有正光焦度的变倍透镜组(G2)，沿光轴从物侧至像侧方向，所述补偿透镜组(G1)包括第一透镜(L1)、第二透镜(L2)和第三透镜(L3)，所述变倍透镜组(G2)包括第四光学元件(B4，L4)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)、第七透镜(L7)和第八透镜(L8)，所述第八透镜(L8)为凸凹型透镜。本发明的变焦镜头能实现红外共焦、无热化以及超低成本。

Description

变焦镜头
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种变焦镜头。
背景技术
变焦镜头具备焦距可变的特性，可满足多样的监控场景需求，因此在安防监控领域上广受关注。伴随变焦镜头应用场景的增多以及市场越来越大的需求,对应用于安防监控领域的变焦镜头的分辨率、光圈、红外性能及高低温性能也提出了更高的要求。但是，现有技术中的变焦镜头往往不能兼顾上述特性，且由于性能缺陷的存在而导致使用场景也受到限制。可见，同时兼具高分辨率、红外共焦以及高低温状态下不虚焦的特性的光学变焦系统，往往可以满足更多的使用条件，从而占据市场中较高的生产比重。不过这类镜头的制造成本普遍较高，难以实现低成本化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变焦镜头。
为实现上述发明目的，本发明提供一种变焦镜头，包括沿光轴从物侧至像侧依次排列的具有负光焦度的补偿透镜组、光阑以及具有正光焦度的变倍透镜组，沿光轴从物侧至像侧方向，所述补偿透镜组包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述变倍透镜组包括第四光学元件、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜，所述第八透镜为凸凹型透镜。
根据本发明的一个方面，所述第四光学元件为具有正光焦度的胶合镜组。
根据本发明的一个方面，所述胶合镜组包括光焦度为正且为双凸型的第一子透镜和光焦度为负且为凹凸型的第二子透镜。
根据本发明的一个方面，所述第四光学元件为光焦度为正的第四透镜。
根据本发明的一个方面，所述第四透镜为双凸型。
根据本发明的一个方面，所述第一透镜的光焦度为负，所述第二透镜的光焦度为负，所述第三透镜的光焦度为正。
根据本发明的一个方面，所述第一透镜为凸凹型透镜，第二透镜为双凹或凸凹型透镜，第三透镜为凸凹或双凸型透镜。
根据本发明的一个方面，所述第五透镜的光焦度为正，所述第六透镜的光焦度为负,所述第七透镜的光焦度为正，所述第八透镜的光焦度为正或负。
根据本发明的一个方面，所述第五透镜为凸凹或双凸型透镜，所述第六透镜为凸凹或双凹型透镜，所述第七透镜为凸凹或双凸型透镜。
根据本发明的一个方面，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第八透镜为近轴区为非球面的透镜，所述第七透镜为近轴区为球面或非球面的透镜。
根据本发明的一个方面，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第八透镜的材质为塑胶。
根据本发明的一个方面，所述补偿透镜组的焦距FⅠ和所述变倍透镜组的焦距FⅡ满足以下关系：0.65<|FⅠ/FⅡ|<1.25。
根据本发明的一个方面，所述变倍透镜组的焦距FⅡ与所述变焦镜头广角端焦距fw和望远端焦距ft分别满足以下关系：2.75≤FII/fw≤3.15；0.7≤FII/ft≤1.12。
根据本发明的一个方面，所述变倍透镜组从所述变焦镜头的广角端移动至望远端的距离ΔD与所述变焦镜头广角端的光学总长TTL满足以下关系：0.1<ΔD/TTL<0.25。
根据本发明的一个方面，所述第四光学元件的焦距f4与所述变倍透镜组的焦距FⅡ满足以下关系：1.05<f4/FⅡ<1.70。
根据本发明的一个方面，所述第五透镜的焦距f5和所述第六透镜的焦距f6满足以下关系：-2.80<F5/F6<-1.30。
根据本发明的一个方面，第一子透镜或第四透镜的折射率nd4和阿贝数vd4分别满足以下条件：1.40<nd4<1.66；58<vd4<96。
根据本发明的一个方面，所述第一子透镜的阿贝数vd4与所述第二子透镜的阿贝数vd42满足以下关系：12<vd4-vd42<56。
根据本发明的一个方面，所述第五透镜的焦距f5和所述第六透镜的焦距f6分别与所述变倍透镜组的焦距FⅡ满足以下关系：1.50<f5/FⅡ<5.50；-2.20<f6/FⅡ<-0.80。
根据本发明的方案，提供一种高像素的变焦镜头，能够实现红外共焦、无热化以及超低成本。
根据本发明的一个方案，通过合理分配变焦镜头各个群组间的光焦度，有利于提高光线的传递性，从而更好地实现对焦与变焦。
根据本发明的一个方案，通过合理设置变倍透镜组的焦距与镜头广角端和望远端的焦距的关系，在一定总长条件下能够尽可能实现大的变倍比，从而更好的限制镜头的总长，以减小镜头的体积。
根据本发明的一个方案，通过合理设置变倍透镜组从广角端至望远端的移动距离与镜头广角端总长的关系，能够以较小的群组间隔的变化量实现大的变倍比，从而有利于压缩镜头总长。
根据本发明的一个方案，通过合理的设置第四光学元件的焦距与变倍透镜组焦距的关系，可以进一步提升补偿组至变倍组的光线的传递性，减小镜头变倍透镜组的体积，从而既能实现高效变焦，还能实现轻巧化以及生产成本的降低。
根据本发明的一个方案，通过合理设置第五、第六透镜的焦距的关系，有利于像差的校正，并且可以有效保证变焦镜头在高低温状态下不虚焦。
根据本发明的一个方案，通过合理设置第一子透镜或第四透镜的折射率与阿贝数的关系，能够进一步矫正镜头的色差，使镜头紫边得到较好平衡的同时，实现可见和红外完全共焦。
根据本发明的一个方案，当第四光学元件为胶合镜组时，通过合理设置两枚子透镜的阿贝数关系，可以校正系统的球差、色差，保证了镜头成像的锐利度，同时实现可见红外共焦。
根据本发明的一个方案，通过合理设置各个透镜的凹凸性以及材质和球面、非球面关系，可以很好地校正系统的各类像差，从而提高了镜头的分辨率，实现4K高清解析力。另通过巧妙地搭配玻璃和塑胶透镜，可以完美地补偿了镜头高低温下的后焦漂移，保证了镜头在极限温度条件下的清晰成像。
根据本发明的一个方案，通过合理设置第五、第六透镜的焦距与变倍透镜组的焦距的关系，有利于像差校正，并且有效保证变焦镜头在高低温状态下不虚焦。
附图说明
图1示意性表示本发明的第一种实施方式的变焦镜头广角端的结构图；
图2示意性表示本发明的第一种实施方式的变焦镜头望远端的结构图；
图3示意性表示本发明的第一种实施方式的变焦镜头广角端的可见光MTF图；
图4示意性表示本发明的第一种实施方式的变焦镜头望远端的可见光MTF图；
图5示意性表示本发明的第二种实施方式的变焦镜头广角端的结构图；
图6示意性表示本发明的第二种实施方式的变焦镜头望远端的结构图；
图7示意性表示本发明的第二种实施方式的变焦镜头广角端的可见光MTF图；
图8示意性表示本发明的第二种实施方式的变焦镜头望远端的可见光MTF图；
图9示意性表示本发明的第三种实施方式的变焦镜头广角端的结构图；
图10示意性表示本发明的第三种实施方式的变焦镜头望远端的结构图；
图11示意性表示本发明的第三种实施方式的变焦镜头广角端的可见光MTF图；
图12示意性表示本发明的第三种实施方式的变焦镜头望远端的可见光MTF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。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
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。
参见图1，本发明的变焦镜头，包括沿光轴从物侧至像侧依次排列的具有负光焦度的补偿透镜组G1、位置固定的光阑STO以及具有正光焦度的变倍透镜组G2。沿光轴从物侧至像侧方向，补偿透镜组G1包括第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3，变倍透镜组G2包括第四光学元件B4，L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7和第八透镜L8，第四光学元件B4，L4为胶合镜组或第四透镜，第八透镜L8为凸凹型透镜。
根据本发明的一种实施方式，第四光学元件B4为具有正光焦度的胶合镜组。胶合镜组包括光焦度为正且为双凸型的第一子透镜B41和光焦度为负且为凹凸型的第二子透镜B42。根据本发明的另一种实施方式，第四光学元件L4为光焦度为正的第四透镜，该透镜为双凸型。本发明中，第一透镜L1的光焦度为负，第二透镜L2的光焦度为负，第三透镜L3的光焦度为正。第五透镜L5的光焦度为正，第六透镜L6的光焦度为负,第七透镜L7的光焦度为正，第八透镜L8的光焦度为正或负。另外，补偿透镜组G1的焦距FⅠ和变倍透镜组G2的焦距FⅡ满足以下关系：0.65<|FⅠ/FⅡ|<1.25。满足上述群组间光焦度的分配方式，有利于提高光线的传递性，从而更好地实现对焦与变焦。
本发明中，第一透镜L1为凸凹型透镜，第二透镜L2为双凹或凸凹型透镜，第三透镜L3为凸凹或双凸型透镜。第五透镜L5为凸凹或双凸型透镜，第六透镜L6为凸凹或双凹型透镜，第七透镜L7为凸凹或双凸型透镜。第二透镜L2、第三透镜L3、第五透镜L5、第六透镜L6、第八透镜L8为塑胶非球面(近轴区)透镜，第七透镜L7为球面或非球面(近轴区)透镜。由此，本发明通过合理地配置非球面和球面透镜，从而很好地校正了系统的各类像差，提高了镜头的分辨率，可实现4K高清解析力。另通过巧妙地搭配玻璃和塑胶透镜，完美地补偿了镜头高低温下的后焦漂移，保证了镜头在极限温度条件下的清晰成像。
本发明中，变倍透镜组G2的焦距FⅡ与变焦镜头广角端焦距fw和望远端焦距ft分别满足以下关系：2.75≤FII/fw≤3.15；0.7≤FII/ft≤1.12。这种光焦度之间的搭配关系在一定总长条件下可以尽可能实现大的变倍比，从而更好的限制镜头的总长，以减小镜头的体积。
本发明中，变倍透镜组G2从变焦镜头的广角端移动至望远端的距离ΔD与变焦镜头广角端的光学总长TTL满足以下关系：0.1<ΔD/TTL<0.25。如此，本发明以较小的群组间隔变化量实现了大的变倍比，从而有利于压缩镜头总长。
本发明中，第四光学元件B4，L4的焦距f4与变倍透镜组G2的焦距FⅡ满足以下关系：1.05<f4/FⅡ<1.70。这种光焦度的分配方式能够进一步提升补偿组至变倍组的光线的传递性，减小镜头变倍透镜组的体积，从而既能实现高效变焦，还能实现轻巧化以及生产成本的降低。
本发明中，第五透镜L5的焦距f5和第六透镜L6的焦距f6满足以下关系：-2.80<F5/F6<-1.30。这种正负光焦度搭配关系有利于像差的校正，并且能够有效保证变焦镜头在高低温状态下不虚焦。
本发明中，第一子透镜B41或第四透镜的折射率nd4和阿贝数vd4分别满足以下条件：1.40<nd4<1.66；58<vd4<96。这类材料能够进一步矫正镜头的色差，使镜头紫边得到较好平衡的同时，实现可见和红外完全共焦。
本发明中，第一子透镜B41的阿贝数vd4与第二子透镜B42的阿贝数vd42满足以下关系：12<vd4-vd42<56。如此，通过合理地配置变倍透镜组G2中的胶合镜组的阿贝数搭配，可以有效校正系统的球差、色差，保证了镜头成像的锐利度，同时实现可见红外共焦。
本发明中，第五透镜L5的焦距f5和第六透镜L6的焦距f6分别与变倍透镜组G2的焦距FⅡ满足以下关系：1.50<f5/FⅡ<5.50；-2.20<f6/FⅡ<-0.80。这种正负光焦度搭配关系有利于像差的校正，并且能够有效保证变焦镜头在高低温状态下不虚焦。
综上所述，本发明的变焦镜头通过合理地配置各个透镜的光焦度，使得一定总长条件下至少可实现3倍变焦，同时兼具高分辨率(4k)和红外共焦的特点。另外，本发明的变焦镜头采用玻璃透镜与塑胶透镜合理搭配，从而在使用极少玻璃透镜的情况下，仍然保证了系统的各项性能，同时极大地减小了生产成本。另通过透镜特定的材料选择与合理的光焦度搭配，可以使系统在高温80℃和低温-40℃状态下仍能保证良好的分辨率，从而在高低温下不虚焦。
以下以三组实施方式来具体说明本发明的变焦镜头。在下列各实施方式中，利用1、2、…、N来表示各透镜及保护玻璃CG的面，光阑也可记为STOP，像面记为IMA，胶合镜组的胶合面记为一面。非球面透镜满足以下公式：
Z＝cy2/{1+[1-(1+k)c2y2]1/2}+a4y4+a6y6+a8y8+a10y10+a12y12+a14y14+a16y16；
其中，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；y为非球面透镜的径向坐标；k为圆锥系数；a4、a6、a8、a10、a12、a14、a16分别表示四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶、十六阶非球面系数。
具体符合上述条件式的各实施方式的参数如下表1所示：
Figure BDA0003117575060000091
Figure BDA0003117575060000101
表1
第一种实施方式
参见图1和图2，在本实施方式中，变倍透镜组G2包含六枚透镜，第四光学元件B4为由第一子透镜B41和第二子透镜B42胶合而成的双胶合镜组。第二透镜L2、第三透镜L3、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8为非球面透镜，第八透镜L8光焦度为正。焦距：3.1-11.1mm；F number:1.5-3.3。
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、折射率，如下表2所示：
Figure BDA0003117575060000102
Figure BDA0003117575060000111
表2
本实施方式的K值和非球面系数如下表3所示：
Figure BDA0003117575060000112
表3
本实施方式的变焦镜头从广角端变化至望远端时，可变间隔数值如下表4所示：
Figure BDA0003117575060000113
Figure BDA0003117575060000121
表4
结合图3和图4可知，本实施方式的变焦镜头在极低的生产成本下可实现3.6倍变焦，同时兼具高分辨率(4k)和红外共焦的特点，并且保证高温80℃和低温-40℃状态下不虚焦。
第二种实施方式
参见图5和图6，在本实施方式中，变倍透镜组G2包含六枚透镜，第四光学元件B4为由第一子透镜B41与第二子透镜B42胶合而成的双胶合镜组。第二透镜L2、第三透镜L3、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8为非球面透镜，且第八透镜L8光焦度为负。焦距：3.1-9.3mm；F number:1.6-3.1。
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、折射率，如下表5所示：
Figure BDA0003117575060000122
Figure BDA0003117575060000131
表5
本实施方式的K值和非球面系数如下表6所示：
Figure BDA0003117575060000132
表6
本实施方式的变焦镜头从广角端变化至望远端时，可变间隔数值如下表7所示：
表面序号 厚度 广角端 望远端
6 D1 11.41 1.80
7 D2 7.21 0.30
18 D3 4.59 11.50
表7
结合图7和图8可知，本实施方式的变焦镜头在极低的生产成本下可实现3倍变焦，同时兼具高分辨率(4k)和红外共焦的特点，并且保证高温80℃和低温-40℃状态下不虚焦。
第三种实施方式
参见图9和图10，在本实施方式中，变倍透镜组G2包含五枚透镜。第四光学元件L4为第四透镜。第二透镜L2、第三透镜L3、第五透镜L5、第六透镜L6、第八透镜L8为非球面透镜。第七透镜L7为球面透镜，第八透镜L8光焦度为正。焦距：3.14-9.42mm；F number:1.6-3.0。
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、折射率，如下表8所示：
Figure BDA0003117575060000141
Figure BDA0003117575060000151
表8
本实施方式的K值和非球面系数如下表9所示：
Figure BDA0003117575060000152
表9
本实施方式的变焦镜头从广角端变化至望远端时，可变间隔数值如下表10所示：
表面序号 厚度 广角端 望远端
6 D1 12.94 2.06
7 D2 7.10 0.30
18 D3 3.47 10.27
表10
结合图11和图12可知，本实施方式的变焦镜头在极低的生产成本下可实现3倍变焦，同时兼具高分辨率(4k)和红外共焦的特点，并且保证高温80℃和低温-40℃状态下不虚焦。
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，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变焦镜头，包括沿光轴从物侧至像侧依次排列的具有负光焦度的补偿透镜组(G1)、光阑(STO)以及具有正光焦度的变倍透镜组(G2)，沿光轴从物侧至像侧方向，所述补偿透镜组(G1)包括第一透镜(L1)、第二透镜(L2)和第三透镜(L3)，所述变倍透镜组(G2)包括第四光学元件(B4，L4)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)、第七透镜(L7)和第八透镜(L8)，其特征在于，所述第八透镜(L8)为凸凹型透镜。
2.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第四光学元件(B4)为具有正光焦度的胶合镜组。
3.根据权利要求2所述的变焦镜头，其特征在于，所述胶合镜组包括光焦度为正且为双凸型的第一子透镜(B41)和光焦度为负且为凹凸型的第二子透镜(B42)。
4.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第四光学元件(L4)为光焦度为正的第四透镜。
5.根据权利要求4所述的变焦镜头，其特征在于，所述第四透镜为双凸型。
6.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一透镜(L1)的光焦度为负，所述第二透镜(L2)的光焦度为负，所述第三透镜(L3)的光焦度为正。
7.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一透镜(L1)为凸凹型透镜，第二透镜(L2)为双凹或凸凹型透镜，第三透镜(L3)为凸凹或双凸型透镜。
8.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第五透镜(L5)的光焦度为正，所述第六透镜(L6)的光焦度为负,所述第七透镜(L7)的光焦度为正，所述第八透镜(L8)的光焦度为正或负。
9.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第五透镜(L5)为凸凹或双凸型透镜，所述第六透镜(L6)为凸凹或双凹型透镜，所述第七透镜(L7)为凸凹或双凸型透镜。
10.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第二透镜(L2)、所述第三透镜(L3)、所述第五透镜(L5)、所述第六透镜(L6)、所述第八透镜(L8)为近轴区为非球面的透镜，所述第七透镜(L7)为近轴区为球面或非球面的透镜。
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