CN114624869B - 高分辨率、大变倍比的光学系统及采用该系统的变焦镜头 - Google Patents

高分辨率、大变倍比的光学系统及采用该系统的变焦镜头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高分辨率、大变倍比的光学系统，该系统包括沿光轴依次设置的物镜组、变倍组、补偿组和后组；物镜组沿光轴依次设有双凹透镜、双凸透镜、双凸透镜以及正月牙透镜；正变倍组沿光轴依次设有负月牙透镜、双凹透镜与正月牙透镜密接的第一胶合组；补偿组沿光轴依次设有双凸透镜、负月牙透镜与双凸透镜密接的第二胶合组、双凸透镜；后组沿光轴依次设有固定光阑、双凹透镜与正月牙透镜密接的第三胶合镜组、正月牙透镜、负月牙透镜和双凸透镜密接的第四胶合组。本发明在同等尺寸和重量条件下，变焦距镜头的变倍比可达20，分辨率1920x1080，具有对远距离目标搜索并放大观察能力，适用于复杂的环境条件。

Description

高分辨率、大变倍比的光学系统及采用该系统的变焦镜头
技术领域
本发明涉及光学技术领域，提供了一种高分辨率、大变倍比的光学系统及采用该系统的变焦镜头。
背景技术
目前，随着现代光学技术的发展，变焦镜头不仅要求体积小、质量轻、探测范围大，还要求分辨率高，对目标既能作大视场小倍率大区域搜索，又能作小视场大倍率的小区域放大观察。传统的光路结构采用两组切换的方式，该光路存在外形以及结构受限，普遍存在体积大，变倍比小，分辨率低等缺点，变倍比只能达到4-5，分辨率只能达到MTF≥0.2(100lp/mm)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高分辨率、大变倍比的光学系统及采用该系统的变焦镜头；该镜头在同等尺寸和重量条件下，增大了变倍比，提高了分辨率。
为了解决上述技术问题，本发明的高分辨率、大变倍比的光学系统包括沿光轴依次设置的光焦度为正的物镜组、光焦度为负的变倍组、光焦度为正的补偿组和后组；所述物镜组沿光轴依次设有双凹透镜A-1、双凸透镜A-2、双凸透镜A-3以及正月牙透镜A-4；正月牙透镜A-4物方为凸面，像方为凹面；所述变倍组沿光轴依次设有负月牙透镜B-1、双凹透镜B-2与正月牙透镜B-3密接的第一胶合组；负月牙透镜B-1物方为凸面，像方为凹面；所述补偿组沿光轴依次设有双凸透镜C-1、负月牙透镜C-2与双凸透镜C-3密接的第二胶合组、双凸透镜C-4；所述后组沿光轴依次设有固定光阑D-1、双凹透镜D-2与正月牙透镜D-3密接的第三胶合镜组、正月牙透镜D-5、负月牙透镜D-6和双凸透镜D-7密接的第四胶合组；正月牙透镜D-5物方为凹面，像方为凸面；具有光焦度的透镜共设置16片。
进一步的，所述物镜组与变倍组之间的空气间隔是25.46mm-89.31mm，所述变倍组与补偿组之间的空气间隔是1.05mm-84.61mm，所述补偿组与后组之间的空气间隔是2.85mm-22.55mm。
进一步，所述后组中还设置滤光片D-8,滤光片D-8设置在双凸透镜D-7后方。
各透镜的参数如表1；表中Ri表示第i个光学表面的曲率半径，tj表示第j个透镜的厚度，dn表示第n个透镜后表面到下一透镜前表面的空气间隔；
表1
其中d14为正月牙透镜D-3后表面与正月牙透镜D-5前表面之间的距离；d19为滤光片D-8后表面到像面的距离。
所述双凹透镜A-1、双凸透镜A-2、双凸透镜A-3、正月牙透镜A-4、负月牙透镜B-1、双凹透镜B-2、正月牙透镜B-3、双凸透镜C-1、负月牙透镜C-2、双凸透镜C-3、双凸透镜C-4、双凹透镜D-2、正月牙透镜D-3、正月牙透镜D-5、负月牙透镜D-6、双凸透镜D-7材料分别为H-TF3L、H-FK61、H-FK61、H-FK61、H-FK61、H-LAK3、H-ZF7LA、H-FK61、H-LAF4、H-FK61、H-FK61、H-LAK3、H-ZF7LA、H-QK3L、H-ZF6、H-QF1。
进一步，正月牙透镜D-3与正月牙透镜D-5之间还设置倾斜的平面反射镜D-4；正月牙透镜D-3透射的光线经平面反射镜D-4反射后入射到正月牙透镜D-5。
进一步，所述后组中还设置倾斜的平面反射镜D-9，平面反射镜D-9设置在滤光片D-8与像面之间，由滤光片D-8透射的光线经平面反射镜D-9反射后入射到像面。
一种采用上述高分辨率、大变倍比光学系统的变焦镜头，采用套筒连接结构，物镜筒1与主镜筒2、后镜筒3依次连接，物镜组调整垫11夹在两者的法兰盘中间；物镜组设置在物镜筒1内，变倍组和补偿组设置在主镜筒2内，后组的固定光阑D-1、双凹透镜D-2、第三胶合镜组、正月牙透镜D-5、第四胶合组设置在后镜筒3内；凸轮4套装在主镜筒2上，可相对于主镜筒旋转；凸轮上具有螺线形的变倍曲线槽42和补偿曲线槽43；调焦电机5转子通过传动机构与凸轮4连接；所述变倍组固定在变倍镜座81内；变倍镜座81的外螺纹与变倍滑架82的内螺纹连接，变倍滑架82通过其上固定的变倍导钉83及变倍导钉上的变倍垫环84与主镜筒2上的变倍曲线槽42相配合以引导变倍组相对主镜筒2作直线运动；所述补偿组固定在补偿镜座91内，补偿镜座91的外螺纹与补偿滑架92内螺纹连接，补偿滑架92通过其上的补偿导钉93及补偿垫环94与主镜筒2上的补偿曲线槽43相配合以引导补偿组相对主镜筒2作直线运动。
所述的后组还包括平面反射镜D-4、，平面反射镜D-4通过压块33固定在后镜筒上部的45°斜面开窗部31上；后镜筒3上部垂直开窗部32与主镜筒2右侧固定连接。
所述凸轮4的两端滚道41为90°锥形，分别通过精密钢球支撑；凸轮调整垫44套装在主镜筒2上并位于凸轮的右侧支撑精密钢球，锁紧螺母45螺纹连接在主镜筒2的右端将凸轮调整垫44锁紧固定。
进一步，本发明还包括霍尔元件62和磁铁组63；霍尔元件62通过霍尔元件支座61安装固定在后镜筒上部垂直开窗部32左侧，磁铁组63通过磁铁座安装固定在主镜筒上并且其位置与霍尔元件62对应。
进一步，本发明还包括；电位器71通过机支架51上固定在后镜筒上部垂直开窗部32左侧，并与凸轮。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：在同等尺寸和重量条件下，该高分辨率、大变倍比变焦距镜头的变倍比可达20，分辨率1920x1080，具有连续电动变焦功能，具有对远距离目标搜索并放大观察能力，适用于复杂的环境条件。
附图说明
图1为本发明的光学系统示意图。
图2为本发明的整体结构示意图。
图3为本发明的整体结构剖视图。
图4为变焦电机组示意图。
图中：1-物镜筒，11-物镜组调整垫，2-主镜筒，3-后镜筒，31-斜面开窗部，32-垂直开窗部，33-压块，4-凸轮，41-滚道，42-变倍曲线槽，43-补偿曲线槽，44-凸轮调整垫，45-锁紧螺母，46-外齿圈，5-调焦电机，51-电机支架，52-电机齿轮，61-霍尔元件支座，62-霍尔元件，63-磁铁组，71-电位器，72-电位器齿轮，81-变倍镜座，82-变倍滑架，83-变倍导钉，84-变倍垫环，91-补偿镜座，92-补偿滑架，93-补偿导钉，94-补偿垫环，10-摄像机组。
图5a、5b、5c分别为本发明在f＝15、f＝180，f＝300时的传递函数曲线。
图6a、6b、6c分别为本发明在f＝15、f＝180，f＝300时的场曲和畸变曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义的理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况具体理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或者仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”、“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
如图1所示，本发明的高分辨率、大变倍比的光学系统包括沿光轴依次设置的光焦度为正的物镜组、光焦度为负的变倍组、光焦度为正的补偿组和后组；所述物镜组沿光轴依次设有双凹透镜A-1、双凸透镜A-2、双凸透镜A-3以及正月牙透镜A-4；正月牙透镜A-4物方为凸面，像方为凹面；所述变倍组沿光轴依次设有负月牙透镜B-1、双凹透镜B-2与正月牙透镜B-3密接的第一胶合组；负月牙透镜B-1物方为凸面，像方为凹面；所述补偿组沿光轴依次设有双凸透镜C-1、负月牙透镜C-2与双凸透镜C-3密接的第二胶合组、双凸透镜C-4；所述后组沿光轴依次设有固定光阑D-1、双凹透镜D-2与正月牙透镜D-3密接的第三胶合镜组、平面反射镜D-4、正月牙透镜D-5、负月牙透镜D-6与双凸透镜D-7密接的第四胶合组、滤光片D-8以及平面反射镜D-9；正月牙透镜D-5物方为凹面，像方为凸面；其中平面反射镜D-4、平面反射镜D-9表面与光轴的夹角为45°。
所述物镜组与变倍组之间的空气间隔是25.46-89.31mm，所述变倍组与补偿组之间的空气间隔是1.05-84.61mm，所述补偿组与后组之间的空气间隔是2.85-22.55mm。
所述物镜组、变倍组、补偿组和后组中所有透镜表面均为球面。
实施例1
各光学元件的具体参数如表2所示，表中Ri表示第i个光学元件表面的曲率半径，tj表示第j个光学元件的厚度，dn表示第n个光学元件后表面到下一光学元件前表面的空气间隔；
表2
d20为平面反射镜D-9到像面的距离。
在本实施例中，该本发明的高分辨率、大变倍比变焦距镜头达到了以下技术指标：(1)d4＝25.46，d7＝84.61，d11＝2.84时，焦距f＝15mm；(2)视场角范围：10°×7.8°；(3)工作波段：400nm-700nm；(4)相对孔径：D/f优于1/5；(5)畸变：≤2％；(6)全程变焦时间优于6秒；(7)工作温度：-45℃-+65℃，稳定时间2h，能够正常工作；(8)传递函数MTF≥0.4(100lp/mm)。
实施例2
各光学元件的具体参数如表3所示，表中Ri表示第i个光学元件表面的曲率半径，tj表示第j个光学元件的厚度，dn表示第n个光学元件后表面到下一光学元件前表面的空气间隔；
表3(R3R4中间值)
在本实施例中，该本发明的高分辨率、大变倍比变焦距镜头达到了以下技术指标：(1)d4＝60.74，d7＝36.70，d11＝15.48时，焦距f＝180mm；(2)视场角范围：5.7×4.5°；(3)工作波段：400nm-700nm；(4)相对孔径：D/f优于1/5；(5)畸变：≤2％；(6)全程变焦时间优于6秒；(7)工作温度：-45℃-+65℃，稳定时间2h，能够正常工作；(8)传递函数MTF≥0.4(100lp/mm)。
实施例3
各光学元件的具体参数如表4所示，表中Ri表示第i个光学元件表面的曲率半径，tj表示第j个光学元件的厚度，dn表示第n个光学元件后表面到下一光学元件前表面的空气间隔；
表4
在本实施例中，该本发明的高分辨率、大变倍比变焦距镜头达到了以下技术指标：(1)d4＝89.31，d7＝1.05，d11＝22.55时，焦距f＝300mm；(2)视场角范围：1.9°×1.5°；(3)工作波段：400nm-700nm；(4)相对孔径：D/f优于1/5；(5)畸变：≤2％；(7)全程变焦时间优于6秒；(8)工作温度：-45℃-+65℃，稳定时间2h，能够正常工作；(8)传递函数MTF≥0.4(100lp/mm)。
实施例4
各光学元件的具体参数如表5所示，表中Ri表示第i个光学元件表面的曲率半径，tj表示第j个光学元件的厚度，dn表示第n个光学元件后表面到下一光学元件前表面的空气间隔；
表5
d19为滤光片D-8后表面到像面的距离。
在本实施例中，该本发明的高分辨率、大变倍比变焦距镜头达到了以下技术指标：(1)d4＝25.46，d7＝84.61，d11＝2.84时，焦距f＝15mm；(2)视场角范围：10°×7.8°；(3)工作波段：400nm-700nm；(4)相对孔径：D/f优于1/5；(5)畸变：≤2％；(6)全程变焦时间优于6秒；(7)工作温度：-45℃-+65℃，稳定时间2h，能够正常工作；(8)传递函数MTF≥0.4(100lp/mm)。
实施例5
各光学元件的具体参数如表6所示，表中Ri表示第i个光学元件表面的曲率半径，tj表示第j个光学元件的厚度，dn表示第n个光学元件后表面到下一光学元件前表面的空气间隔；
表6
/>
在本实施例中，该本发明的高分辨率、大变倍比变焦距镜头达到了以下技术指标：(1)d4＝60.74，d7＝36.70，d11＝15.48时，焦距f＝180mm；(2)视场角范围：5.7×4.5°；(3)工作波段：400nm-700nm；(4)相对孔径：D/f优于1/5；(5)畸变：≤2％；(6)全程变焦时间优于6秒；(7)工作温度：-45℃-+65℃，稳定时间2h，能够正常工作；(8)传递函数MTF≥0.4(100lp/mm)。
实施例6
各光学元件的具体参数如表7所示，表中Ri表示第i个光学元件表面的曲率半径，tj表示第j个光学元件的厚度，dn表示第n个光学元件后表面到下一光学元件前表面的空气间隔；
表7
在本实施例中，该本发明的高分辨率、大变倍比变焦距镜头达到了以下技术指标：(1)d4＝89.31，d7＝1.05，d11＝22.55时，焦距f＝300mm；(2)视场角范围：1.9°×1.5°；(3)工作波段：400nm-700nm；(4)相对孔径：D/f优于1/5；(5)畸变：≤2％；(7)全程变焦时间优于6秒；(8)工作温度：-45℃-+65℃，稳定时间2h，能够正常工作；(8)传递函数MTF≥0.4(100lp/mm)。
如图2和图3所示，本发明采用上述高分辨率、大变倍比光学系统的变焦镜头采用如图2所示的套筒连接结构，物镜筒1与主镜筒2法兰连接，物镜组调整垫11夹在两者的法兰盘中间；物镜组设置在物镜筒1内，变倍组和补偿组设置在主镜筒2内，后组的固定光阑D-1、第三胶合镜组、第四胶合组、滤光片D-8以及平面反射镜D-9设置在后镜筒3内，平面反射镜D-4通过压块33固定在后镜筒上部的45°斜面开窗部31上；后镜筒3上部垂直开窗部32通过法兰连接接口与主镜筒2右侧固定连接；凸轮4套装在主镜筒2上，其两端滚道41为90°锥形，分别通过精密钢球支撑，将凸轮旋转的滑动摩擦变为滚动摩擦，减小凸轮运动时的摩擦力，进一步减小变焦驱动机构所需的力矩；凸轮上具有螺线形的变倍曲线槽42和补偿曲线槽43；凸轮调整垫44套装在主镜筒2上并位于凸轮的右侧支撑精密钢球，锁紧螺母45螺纹连接在主镜筒2的右端将凸轮调整垫44锁紧固定。
变焦驱动机构采用调焦电机5；调焦电机5通过电机支架51固定在后镜筒上部垂直开窗部32左侧，其转子通过电机齿轮52和凸轮4上的外齿圈46与凸轮连接。霍尔元件支座61安装固定在后镜筒上部垂直开窗部32左侧，霍尔元件62安装固定在霍尔元件支座61上，磁铁组63通过磁铁座安装固定在主镜筒上并且其位置与霍尔元件62对应，用于检测调焦电机的转速；电位器71固定在电机支架51上，通过电位器齿轮72与外齿圈46啮合，用于变焦值的反馈。
所述变倍组固定在变倍镜座81内；变倍镜座81的外螺纹与变倍滑架82的内螺纹连接，变倍滑架82通过其上固定的变倍导钉83及变倍导钉上的变倍垫环84与主镜筒2上的变倍曲线槽42相配合以引导变倍组相对主镜筒2作直线运动；所述补偿组固定在补偿镜座91内，补偿镜座91的外螺纹与补偿滑架92内螺纹连接，补偿滑架92通过其上的补偿导钉93及补偿垫环94与主镜筒2上的补偿曲线槽43相配合以引导补偿组相对主镜筒2作直线运动。
调焦电机5运转，通过电机齿轮和外齿圈46带动凸轮4转动，通过变倍曲线槽42与变倍导钉83的相互作用使变倍滑架82带动变倍镜座81及变倍组左右直线移动，通过补偿曲线槽43及补偿导钉93的相互作用使补偿滑架92带动补偿组左右直线运动，实现镜头变焦。当镜头焦距发生变化时，凸轮通过外齿圈46带动电位器齿轮72同步转动，电位器内部阻值发生变化，通过电路实时传送给控制板，实现变焦值的反馈。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆属于本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种高分辨率、大变倍比的光学系统，其特征在于包括沿光轴依次设置的光焦度为正的物镜组、光焦度为负的变倍组、光焦度为正的补偿组和后组；所述物镜组沿光轴依次设有双凹透镜A-1、双凸透镜A-2、双凸透镜A-3以及正月牙透镜A-4；正月牙透镜A-4物方为凸面，像方为凹面；所述变倍组沿光轴依次设有负月牙透镜B-1、双凹透镜B-2与正月牙透镜B-3密接的第一胶合组；负月牙透镜B-1物方为凸面，像方为凹面；所述补偿组沿光轴依次设有双凸透镜C-1、负月牙透镜C-2与双凸透镜C-3密接的第二胶合组、双凸透镜C-4；所述后组沿光轴依次设有固定光阑D-1、双凹透镜D-2与正月牙透镜D-3密接的第三胶合镜组、正月牙透镜D-5、负月牙透镜D-6和双凸透镜D-7密接的第四胶合组、滤光片D-8；正月牙透镜D-5物方为凹面，像方为凸面；具有光焦度的透镜共设置16片，各透镜的参数如表1；表中Ri表示第i个光学表面的曲率半径，tj表示第j个透镜的厚度，dn表示第n个透镜后表面到下一透镜前表面的空气间隔；
表1
其中d14为正月牙透镜D-3后表面与正月牙透镜D-5前表面之间的距离；d19为滤光片D-8后表面到像面的距离。
2.根据权利要求1所述的高分辨率、大变倍比的光学系统，其特征在于所述物镜组与变倍组之间的空气间隔是25.46mm-89.31mm，所述变倍组与补偿组之间的空气间隔是1.05mm-84.61mm，所述补偿组与后组之间的空气间隔是2.85mm-22.55mm。
3.根据权利要求1所述的高分辨率、大变倍比的光学系统，其特征在于所述双凹透镜A-1、双凸透镜A-2、双凸透镜A-3、正月牙透镜A-4、负月牙透镜B-1、双凹透镜B-2、正月牙透镜B-3、双凸透镜C-1、负月牙透镜C-2、双凸透镜C-3、双凸透镜C-4、双凹透镜D-2、正月牙透镜D-3、正月牙透镜D-5、负月牙透镜D-6、双凸透镜D-7材料分别为H-TF3L、H-FK61、H-FK61、H-FK61、H-FK61、H-LAK3、H-ZF7LA、H-FK61、H-LAF4、H-FK61、H-FK61、H-LAK3、H-ZF7LA、H-QK3L、H-ZF6、H-QF1。
4.根据权利要求1所述的高分辨率、大变倍比的光学系统，其特征在于正月牙透镜D-3与正月牙透镜D-5之间还设置倾斜的平面反射镜D-4；正月牙透镜D-3透射的光线经平面反射镜D-4反射后入射到正月牙透镜D-5。
5.根据权利要求4所述的高分辨率、大变倍比的光学系统，其特征在于所述后组中还设置倾斜的平面反射镜D-9，平面反射镜D-9设置在滤光片D-8与像面之间，由滤光片D-8透射的光线经平面反射镜D-9反射后入射到像面。
6.一种采用如权利要求1-5任意一项权利要求所述的高分辨率、大变倍比光学系统的变焦镜头，其特征在于采用套筒连接结构，物镜筒(1)与主镜筒(2)、后镜筒(3)依次连接，物镜组调整垫(11)夹在两者的法兰盘中间；物镜组设置在物镜筒(1)内，变倍组和补偿组设置在主镜筒(2)内，后组的固定光阑D-1、双凹透镜D-2、第三胶合镜组、正月牙透镜D-5、第四胶合组设置在后镜筒(3)内；凸轮(4)套装在主镜筒(2)上，可相对于主镜筒旋转；凸轮上具有螺线形的变倍曲线槽(42)和补偿曲线槽(43)；调焦电机(5)转子通过传动机构与凸轮(4)连接；所述变倍组固定在变倍镜座(81)内；变倍镜座(81)的外螺纹与变倍滑架(82)的内螺纹连接，变倍滑架(82)通过其上固定的变倍导钉(83)及变倍导钉上的变倍垫环(84)与主镜筒(2)上的变倍曲线槽(42)相配合以引导变倍组相对主镜筒(2)作直线运动；所述补偿组固定在补偿镜座(91)内，补偿镜座(91)的外螺纹与补偿滑架(92)内螺纹连接，补偿滑架(92)通过其上的补偿导钉(93)及补偿垫环(94)与主镜筒(2)上的补偿曲线槽(43)相配合以引导补偿组相对主镜筒(2)作直线运动。
7.根据权利要求6所述的采用上述高分辨率、大变倍比光学系统的变焦镜头，其特征在于所述的后组还包括平面反射镜D-4，平面反射镜D-4通过压块（33）固定在后镜筒上部的45°斜面开窗部(31)上；后镜筒(3)上部垂直开窗部(32)与主镜筒(2)右侧固定连接。
8.根据权利要求6所述的采用上述高分辨率、大变倍比光学系统的变焦镜头，其特征在于所述凸轮(4)的两端滚道(41)为90°锥形，分别通过精密钢球支撑；凸轮调整垫(44)套装在主镜筒(2)上并位于凸轮的右侧支撑精密钢球，锁紧螺母(45)螺纹连接在主镜筒(2)的右端将凸轮调整垫(44)锁紧固定。
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