CN113267883B - 具有液体透镜的变焦镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有液体透镜的变焦镜头，包括第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组与第四透镜组。第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组与第四透镜组沿光路入射方向依次设置。第一透镜组、第三透镜组与第四透镜组为正光焦度，第二透镜组为负光焦度。第一透镜组与第四透镜组为固定组，第二透镜组与第三透镜组为变焦组。第一透镜组包括沿光路方向依次设置的第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜与第三正透镜。第二透镜组包括依次设置的第二负透镜、第四正透镜与第三负透镜。第三透镜组包括依次设置的光阑、第五正透镜与第四负透镜。第四透镜组包括依次设置的液体透镜、第六正透镜与第五负透镜。上述变焦镜头，镜头体积较小，成像效果较好。

Description

具有液体透镜的变焦镜头
技术领域
本发明涉及光学镜头技术领域，特别是涉及一种具有液体透镜的变焦镜头。
背景技术
变焦镜头是在一定范围内可以变换焦距，从而得到不同宽窄的视场角、不同大小的影像和不同景物范围的相机镜头。变焦镜头在不改变拍摄距离的情况下，可以通过变动焦距来改变拍摄范围，因此非常有利于画面构图。
变焦镜头由于其焦距可变从而可适用于多种场景，如在安防监控方面、海洋生态检测方面、无人机航拍等。市面现有的恒定光圈变焦镜头，仍存在一些性能缺陷而限制其使用场景。如广角端视场角度不够大，拍摄范围有限；光圈较小，不能满足低照度环境的拍摄需求；解像力不足，分辨率较低，变倍范围较小，拍摄范围有限等诸多缺点。还有少数高端光学系统使用变焦镜头，能快速拉近拉远的功能，但传统的变焦摄像镜头，广角端角度较小或者摄像机的体积很大或者放大倍率很小或者像素较低，无法做到兼容。
综上所述，传统的变焦镜头的体积与成像性能难以兼顾。
发明内容
基于此，有必要针对传统的变焦镜头的体积与成像性能难以兼顾的问题，提供一种体积较小、成像性能较好的具有液体透镜的变焦镜头。
一种具有液体透镜的变焦镜头，包括
第一透镜组，包括沿光路方向依次设置的第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜与第三正透镜；
第二透镜组，包括沿光路方向依次设置的第二负透镜、第四正透镜与第三负透镜；
第三透镜组，包括沿光路方向依次设置的光阑、第五正透镜与第四负透镜；与
第四透镜组，包括沿光路方向依次设置的液体透镜、第六正透镜与第五负透镜；
所述第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组与第四透镜组沿光路入射方向依次设置，所述第一透镜组、第三透镜组与第四透镜组为正光焦度，所述第二透镜组为负光焦度，所述第一透镜组与第四透镜组为固定组，所述第二透镜组与第三透镜组为变焦组。
进一步的，所述第一透镜组的焦距与所述第一透镜组的光路入射镜面到像面在光轴上的长度满足关系式：
0.75≤fA′/L≤0.85，
其中，fA′为第一透镜组的焦距，L为第一透镜组的光路入射镜面到像面在光轴上的长度。
进一步的，所述第二透镜组的焦距与所述第一透镜组的光路入射镜面到像面在光轴上的长度满足关系式：
-0.1≤fB′/L≤-0.2，
其中，fB′为第二透镜组的焦距，L为第一透镜组的光路入射镜面到像面在光轴上的长度。
进一步的，所述第二透镜组的焦距与第三透镜组的焦距满足关系式：
-1≤fB′/fC′＜0，
其中，fB′为第二透镜组的焦距，fC′为第三透镜组的焦距。
进一步的，所述第三透镜组的焦距与第一透镜组的光路入射镜面到像面在光轴上的长度满足关系式：
0.1≤fC′/L≤0.2，
其中，fC′为第三透镜组的焦距，L为第一透镜组的光路入射镜面到像面在光轴上的长度。
进一步的，所述第四透镜组的焦距与第一透镜组的光路入射镜面到像面在光轴上的长度满足关系式：
0.1≤fD′/L≤0.8，
其中，fD′为第四透镜组的焦距，L为第一透镜组的光路入射镜面到像面在光轴上的长度。
进一步的，所述第一透镜组与第二透镜组之间的空气间隔为0.1mm～79.3mm，所述第二透镜组与第三透镜组之间的空气间隔为81.7mm～3.0mm。
进一步的，所述第三透镜组与第四透镜组之间空气间隔为7.8mm～14.6mm，所述第四透镜组与像面之间的空气间隔为6.5mm。
进一步的，所述第一负透镜与第一正透镜密接形成第一胶合组，所述第一胶合组与所述第二正透镜之间的空气间隔为0.1mm，所述第二正透镜与第三正透镜之间的空气间隔为0.1mm，所述第四正透镜与所述第三负透镜密接形成第二胶合组，所述第二负透镜与所述第二胶合组之间的空气间隔为4.9mm。
进一步的，所述第六正透镜与第五负透镜密接形成第四胶合组，所述液体透镜与所述第四胶合组之间的空气间隔在广角端、中间端与望远端分别为1.6mm、1.0mm和1.0mm。
上述具有液体透镜的变焦镜头，沿光路入射方向的第一镜片采用第一负透镜，有效降低了系统大视角所造成的大偏角负担，压缩了系统的径向尺寸，使镜头体积较小。第二透镜组与第三透镜组沿光轴的方向移动，可实现连续变焦与补偿像面位移。第四透镜组中加入液体透镜，通过控制液体透镜的电压，可以快速的改变液体透镜的焦距，通过微小的焦距改变辅助补偿第二透镜组变倍导致的像面位移，以辅助第三透镜组共同补偿系统像面的位移，具有较好的成效效果。
附图说明
图1为本发明的具有液体透镜的变焦镜头处于广角端位置时的示意图；
图2为本发明的具有液体透镜的变焦镜头处于中间端位置时的示意图；
图3为本发明的具有液体透镜的变焦镜头处于望远端位置时的示意图；
图4为本发明的具有液体透镜的变焦镜头处于广角端位置时成像效果图；
图5为本发明的具有液体透镜的变焦镜头处于中间端位置时成像效果图；
图6为本发明的具有液体透镜的变焦镜头处于望远端位置时成像效果图；
图7为本发明的具有液体透镜的变焦镜头处于广角端位置时MTF图；
图8为本发明的具有液体透镜的变焦镜头处于广角端位置时像散图；
图9为本发明的具有液体透镜的变焦镜头处于广角端位置时畸变图；
图10为本发明的具有液体透镜的变焦镜头处于中间位置时MTF图；
图11为本发明的具有液体透镜的变焦镜头处于中间端位置时像散图；
图12为本发明的具有液体透镜的变焦镜头处于中间端位置时畸变图；
图13为本发明的具有液体透镜的变焦镜头处于望远端位置时MTF图；
图14为本发明的具有液体透镜的变焦镜头处于望远端位置时像散图；
图15为本发明的具有液体透镜的变焦镜头处于望远端位置时畸变图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2与图3所示，在一个实施例中，一种具有液体透镜的变焦镜头，包括第一透镜组110、第二透镜组120、第三透镜组130与第四透镜组140。第一透镜组110包括沿光路方向(从物面侧到像面侧)依次设置的第一负透镜111、第一正透镜112、第二正透镜113与第三正透镜114。第二透镜组120包括沿光路方向依次设置的第二负透镜121、第四正透镜122与第三负透镜123。第三透镜组130包括沿光路方向依次设置的光阑131、第五正透镜132与第四负透镜133。第四透镜组140包括沿光路方向依次设置的液体透镜141、第六正透镜142与第五负透镜143。第一透镜组110、第二透镜组120、第三透镜组130与第四透镜组140沿光路入射方向依次设置。第一透镜组110、第三透镜组130与第四透镜组140为正光焦度。第二透镜组120为负光焦度。第一透镜组110与第四透镜组140为固定组。第二透镜组120与第三透镜组130为变焦组。
上述具有液体透镜的变焦镜头，沿光路入射方向的第一镜片采用第一负透镜111，有效降低了系统大视角所造成的大偏角负担，压缩了系统的径向尺寸，使镜头体积较小。第二透镜组120与第三透镜组130沿光轴的方向移动，可实现连续变焦与补偿像面位移。第四透镜组140中加入液体透镜141，通过控制液体透镜的电压，可以快速的改变液体透镜的焦距，通过微小的焦距改变辅助补偿第二透镜组120变倍导致的像面位移，以辅助第三透镜组130共同补偿系统像面的位移。变焦过程中，具有广角端位置、中间端位置和长焦端位置，实现了较好的成像效果(参见图4、图5、图6)。
在本实施例中，第一透镜组110的焦距fA′与第一透镜组110的光路入射镜面到像面50在光轴上的长度L满足的关系式为0.75≤fA′/L≤0.85。第二透镜组120的焦距fB′与第一透镜组110的光路入射镜面到像面在光轴上的长度L满足的关系式为-0.1≤fB′/L≤-0.2。第二透镜组120的焦距fB′与第三透镜组130的焦距fC′满足的关系式为-1≤fB′/fC′＜0。第三透镜组130的焦距fC′与第一透镜组110的光路入射镜面到像面在光轴上的长度L满足的关系式为0.1≤fC′/L≤0.2。第四透镜组140的焦距fD′与第一透镜组110的光路入射镜面到像面在光轴上的长度L满足的关系式为0.1≤fD′/L≤0.8。
在本实施例中，第一透镜组110与第二透镜组120之间的空气间隔为0.1mm～79.3mm(毫米)。第二透镜组120与第三透镜组130之间的空气间隔为81.7mm～3.0mm。第三透镜组130与第四透镜组140之间空气间隔为7.8mm～14.6mm，第四透镜组140与像面50之间的空气间隔为6.5mm。
在本实施例中，第一负透镜111与第一正透镜112密接形成第一胶合组(未标识)。第一胶合组与第二正透镜113之间的空气间隔为0.1mm。第二正透镜113与第三正透镜114之间的空气间隔为0.1mm。第四正透镜122与第三负透镜123密接形成第二胶合组(未标识)，第二负透镜121与第二胶合组之间的空气间隔为4.9mm。第五正透镜132与第四负透镜133密接形成第三胶合组(未标识)。第六正透镜142与第五负透镜143密接形成第四胶合组(未标识)，液体透镜141与第四胶合组之间的空气间隔在广角端、中间端与望远端分别为1.6mm、1.0mm和1.0mm。
该变焦镜头较普通四组元变焦结构增加了液体透镜141，镜头的第一片采用负透镜，并采用高折射率材料，有效降低了系统大视场角所带来的大偏角负担，同时也压缩了系统径向尺寸，使镜头外形体积小，且成像靶面大，能与大像面摄像机适配。本发明的镜头具有大的变焦比，可以实现等于或者大于20的变焦比，可以满足安防监控、海洋生态监测、无人机摄像等多种场景的使用要求。并且，观测范围大，质量轻，高清晰度高，对目标既能作大区域小倍率的全景观测，又能作小区域大倍率的放大观察。
如图1、图2、图3所示，本实施例中，变焦镜头具有广角端位置、中间端位置和长焦端位置。表1示出了本发明的变焦镜头的参数，其中，有效焦距f′、光圈数、第一透镜组110与第二透镜组120之间的距离T1、第二透镜组120与第三透镜组130之间的距离T2、第三透镜组130与第四透镜组140之间的距离T3的单位均为毫米(mm)。
f′ 光圈数 T1 T2 T3
广角端 4.5 2.00 0.1 81.74 7.80
中间端 45.0 2.50 64.26 10.77 14.62
望远端 90.0 3.00 79.26 3.00 7.39
表1
沿光路入射方向(从物面侧到像面侧)依次设定表面名称为S1、S2、…S12、STO、S14、…S21。
广角端位置：
表2示出了本发明位于广角端变焦镜头的基本结构参数表，其中，曲率半径、厚度的单位均为毫米(mm)。
Figure BDA0003074836500000071
表2
图7、图8与图9示出了变焦镜头处于广角端位置时的MTF(Modulation TransferFunction，调制传递函数)、像散、畸变图。
中间端位置：
表3示出了本发明位于中间端变焦镜头的基本结构参数表，其中，曲率半径、厚度的单位均为毫米(mm)。
Figure BDA0003074836500000081
表3
图10、图11与图12示出了变焦镜头处于中间端位置时的MTF、像散、畸变图。
望远端位置：
表4示出了本发明位于望远端变焦镜头的基本结构参数表，其中，曲率半径、厚度的单位均为毫米(mm)。
Figure BDA0003074836500000091
表4
图13、图14与图15示出了变焦镜头处于望远端位置时的MTF、像散、畸变图。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种具有液体透镜的变焦镜头，其特征在于，包括
第一透镜组，包括沿光路方向依次设置的第一负透镜、第一正透镜、第二正透镜与第三正透镜；
第二透镜组，包括沿光路方向依次设置的第二负透镜、第四正透镜与第三负透镜；
第三透镜组，包括沿光路方向依次设置的光阑、第五正透镜与第四负透镜；与
第四透镜组，包括沿光路方向依次设置的液体透镜、第六正透镜与第五负透镜；
所述第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组与第四透镜组沿光路入射方向依次设置，所述第一透镜组、第三透镜组与第四透镜组为正光焦度，所述第二透镜组为负光焦度，所述第一透镜组与第四透镜组为固定组，所述第二透镜组与第三透镜组为变焦组。
2.根据权利要求1所述的具有液体透镜的变焦镜头，其特征在于，所述第一透镜组的焦距与所述第一透镜组的光路入射镜面到像面在光轴上的长度满足关系式：
0.75≤fA′/L≤0.85，
其中，fA′为第一透镜组的焦距，L为第一透镜组的光路入射镜面到像面在光轴上的长度。
3.根据权利要求1所述的具有液体透镜的变焦镜头，其特征在于，所述第二透镜组的焦距与所述第一透镜组的光路入射镜面到像面在光轴上的长度满足关系式：
-0.1≤fB′/L≤-0.2，
其中，fB′为第二透镜组的焦距，L为第一透镜组的光路入射镜面到像面在光轴上的长度。
4.根据权利要求1所述的具有液体透镜的变焦镜头，其特征在于，所述第二透镜组的焦距与第三透镜组的焦距满足关系式：
-1≤fB′/fC′＜0，
其中，fB′为第二透镜组的焦距，fC′为第三透镜组的焦距。
5.根据权利要求1所述的具有液体透镜的变焦镜头，其特征在于，所述第三透镜组的焦距与第一透镜组的光路入射镜面到像面在光轴上的长度满足关系式：
0.1≤fC′/L≤0.2，
其中，fC′为第三透镜组的焦距，L为第一透镜组的光路入射镜面到像面在光轴上的长度。
6.根据权利要求1所述的具有液体透镜的变焦镜头，其特征在于，所述第四透镜组的焦距与第一透镜组的光路入射镜面到像面在光轴上的长度满足关系式：
0.1≤fD′/L≤0.8，
其中，fD′为第四透镜组的焦距，L为第一透镜组的光路入射镜面到像面在光轴上的长度。
7.根据权利要求1所述的具有液体透镜的变焦镜头，其特征在于，所述第一透镜组与第二透镜组之间的空气间隔为0.1mm～79.3mm，所述第二透镜组与第三透镜组之间的空气间隔为81.7mm～3.0mm。
8.根据权利要求1所述的具有液体透镜的变焦镜头，其特征在于，所述第三透镜组与第四透镜组之间空气间隔为7.8mm～14.6mm，所述第四透镜组与像面之间的空气间隔为6.5mm。
9.根据权利要求1所述的具有液体透镜的变焦镜头，其特征在于，所述第一负透镜与第一正透镜密接形成第一胶合组，所述第一胶合组与所述第二正透镜之间的空气间隔为0.1mm，所述第二正透镜与第三正透镜之间的空气间隔为0.1mm，所述第四正透镜与所述第三负透镜密接形成第二胶合组，所述第二负透镜与所述第二胶合组之间的空气间隔为4.9mm。
10.根据权利要求1所述的具有液体透镜的变焦镜头，其特征在于，所述第六正透镜与第五负透镜密接形成第四胶合组，所述液体透镜与所述第四胶合组之间的空气间隔在广角端、中间端与望远端分别为1.6mm、1.0mm和1.0mm。
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