CN115576087A - 一种中画幅双焦距镜头光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中画幅双焦距镜头光学系统，通过13片透镜形成光焦度依次为“负‑正‑正‑负”四组架构，从物方到像方沿光轴依次同轴设置固定组、变倍组、补偿组、对焦组，孔径光阑放置在补偿组两透镜中间固定位置。变倍组可沿光轴移动，用于实现广角端和长焦端之间的光学变焦，补偿组和对焦组可沿光轴移动，用于补偿变焦镜头在光学变焦过程中像面位置的变化。孔径光阑随补偿组移动使光圈在广角端和长焦端基本不变。本发明实现了双焦距镜头高倍率与小体积的兼容，同时保证双焦段(广角端和长焦端)满足高分辨率，兼顾低畸变成像性能和大视场角。通过本发明技术方案的改进，满足中画幅光学成像相机在更大视场、更高分辨率、更小畸变等方面的需求。

Description

一种中画幅双焦距镜头光学系统
技术领域
本发明涉及光学设计技术领域，具体涉及一种中画幅双焦距镜头光学系统。
背景技术
光学镜头是机器视觉成像中的核心部件之一，随着成像要求越来越高，对光学镜头在色差、场曲等方面的校正精度也越高，它的成像质量指标优劣直接影响了整机性能。
城市管道检测、建筑物损伤识别和道路裂缝识别需要用中画幅双焦距光学镜头设计，以满足光学成像相机在更大视场、更高分辨率、更小畸变等方面的需求。然而在光学设计中，畸变与视场角相互制约，图像的畸变随着视场角的增加而增大，产生失真，从而影响图像识别分析。
现有的镜头难以兼容中大倍变焦、广角和低畸变的性能。现有光学成像镜头普遍存在光圈小和分辨率低等问题，无法满足低照度下图像对亮度的需求，主流1080P镜头的分辨率为200万，无法满足对高像素的需求。现在主流高像质镜头要求分辨率为数千万像素至上亿像素，在应用中同时需要广角初查和长焦精查，目前多采用两种相机分别实现，成本高，体积大。
综上所述，如何有效地解决现有光学成像相机图像分辨率不足以及畸变和大视场的矛盾，从而造成图像分析困难等的问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术及存在的问题，本发明提出了一种中画幅双焦距镜头光学系统，用一个镜头实现双焦距视场的切换，同时兼顾广角初查和长焦精查，实现小体积、高性能的中画幅相机。本系统整体为四组元变焦结构。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明的一种中画幅双焦距镜头光学系统，它包括从物侧到像侧沿着光轴依次同轴设置有具有负光焦度的第一固定组、具有正光焦度的变倍组、具有正光焦度的补偿组、具有负光焦度的对焦组，孔径光阑放置在补偿组两透镜中间固定位置。所述变倍组、所述补偿组、对焦组沿所述光轴可移动，来实现双焦距的切换。
根据本发明的一个方面，沿光轴从物侧至像侧的方向，所述第一固定组依次包括：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负光焦度的第三透镜；所述第一透镜的物侧面和像侧面分别为凸和凹；所述第二透镜的物侧面和像侧面分别为凸和凹；所述第三透镜的物侧面和像侧面均为凹；所述第一透镜的物侧面和像侧面均为非球面。
根据本发明的一个方面，沿光轴从物侧至像侧的方向，所述变倍组依次包括：具有正光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜、具有负光焦度的第六透镜和具有负光焦度的第七透镜。所述第四透镜的物侧面和像侧面均为凸；所述第五透镜的物侧面和像侧面均为凸；所述第六透镜的物侧面和像侧面均为凹；所述第七透镜的物侧面和像侧面分别为凸和凹；所述第四透镜的物侧面为非球面；所述第六透镜的像侧面为非球面；所述第七透镜的物侧面和像侧面均为非球面；所述第五透镜、所述第六透镜和所述第七透镜胶合组成一个三胶合透镜。
根据本发明的一个方面，沿光轴从物侧至像侧的方向，所述补偿组依次包括：具有正光焦度的第八透镜和具有正光焦度的第九透镜。所述第八透镜的物侧面和像侧面均为凸；所述第九透镜的物侧面和像侧面分别为凹和凸；所述第八透镜的物侧面为非球面；所述第九透镜的物侧面和像侧面均为非球面。
根据本发明的一个方面，沿光轴从物侧至像侧的方向，所述对焦组依次包括：具有负光焦度的第十透镜、具有正光焦度的第十一透镜、具有正光焦度的第十二透镜和具有负光焦度的第十三透镜。所述第十透镜的物侧面和像侧面均为凹；所述第十一透镜的物侧面和像侧面均为凸；所述第十二透镜的物侧面和像侧面分别为凸和凹；所述第十三透镜的物侧面和像侧面均为凸和凹；所述第十二透镜的物侧面和像侧面均为非球面；所述第十三透镜的物侧面和像侧面均为非球面。所述第十透镜和所述第十一透镜胶合组成一个双胶合透镜；所述第十二透镜和所述第十三透镜胶合组成一个双胶合透镜。
所述双焦距镜头在广角端的焦距Fw、所述双焦距镜头在长焦端的焦距Ft与所述第一固定组的第一个面到成像面的距离TTL满足以下关系：55≤TTL/(Ft/Fw)≤65。
根据本发明的一个方面，所述第一固定组的焦距FG1与所述双焦距镜头在广角端的焦距Fw满足条件式：-2.0≤FG1/Fw≤-1.8。所述变倍组的焦距FG2与所述双焦距镜头在广角端的焦距Fw满足条件式：1.8≤FG2/Fw≤2.0。所述补偿组的焦距FG3与所述双焦距镜头在广角端的焦距Fw满足条件式：1.1≤FG3/Fw≤1.3。所述对焦组的焦距FG4与所述双焦距镜头在广角端的焦距Fw满足条件式：-1.2≤FG4/Fw≤-1.0。
本方案用一个镜头实现双焦距视场的切换，采用上述13枚透镜，并合理分配各透镜的光焦度及其物侧面和像侧面的形状，并且特定的透镜采用特定色散系数的材料、特定材质、特定面型的选择，实现了双焦距镜头广角端和长焦端450～656nm可见光波段间色差和二级光谱的校正，并矫正元件公差，具备良好的组装加工性。本方案兼具中大倍变焦、广角低畸变的优良成像性能，同时满足较高的图像分辨率，有效解决现有光学相机分辨率不足以及大视场大畸变下的图像分析困难等问题。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明
图1为本发明的实施例的广角端的光学系统结构示意图
图2为本发明的广角端的像方MTF
图3为本发明的广角端的场曲及畸变曲线图
图4为本发明的实施例的长焦端的光学系统结构示意图
图5为本发明的长焦端的像方MTF
图6为本发明的长焦端的场曲及畸变曲线图
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细描述。
图1为本发明的一种中画幅双焦距光学镜头。本实施例为四组元变焦透射式结构，从物方到像方沿光轴依次同轴设置有具有负光焦度的第一固定组G1、具有正光焦度的变倍组G2、具有正光焦度的补偿组G3、具有负光焦度的对焦组G4、保护玻璃片以及CMOS，孔径光阑STO放置在补偿组两透镜中间固定位置。变倍组G2可沿光轴移动，用于实现双焦距镜头在广角端和长焦端之间的光学变焦，补偿组G3和对焦组G4可沿光轴移动，用于补偿双焦距镜头在光学变焦过程中像面位置的变化。该孔径光阑STO随补偿组移动，使得双焦距镜头的光圈在广角端和长焦端为F#＝4.80和F#＝4.83。通过上述设置，采用光焦度依次为负、正、正、负的四个透镜群组，实现了双焦距镜头高倍率与小体积的兼容，同时保证双焦段(广角端和长焦端)下满足高分辨率，且兼顾满足低畸变成像和大视场角的良好性能，解决了现有光学相机分辨率低及大视场下畸变大造成图像分析困难等问题。
本发明实施例中，沿光轴从物侧至像侧的方向，所述第一固定组依次包括G1：具有负光焦度的第一透镜L1、具有正光焦度的第二透镜L2和具有负光焦度的第三透镜L3；所述第一透镜L1的物侧面S1和像侧面S2分别为凸和凹；所述第二透镜L2的物侧面S3和像侧面S4分别为凸和凹；所述第三透镜L3的物侧面S5和像侧面S6均为为凹；所述第一透镜L1的物侧面S1和像侧面S2均为非球面。
本发明实施例中，沿光轴从物侧至像侧的方向，所述变倍组G2依次包括：具有正光焦度的第四透镜L4、具有正光焦度的第五透镜L5、具有负光焦度的第六透镜L6和具有负光焦度的第七透镜L7。所述第四透镜L4的物侧面S7和像侧面S8均为凸；所述第五透镜L5的物侧面S9和像侧面S10均为凸；所述第六透镜L6的物侧面S10和像侧面S11均为为凹；所述第七透镜L7的物侧面S11和像侧面S12分别为凸和凹；所述第四透镜L4的物侧面S7为非球面；所述第六透镜L6的像侧面S11为非球面；所述第七透镜L7的物侧面S11和像侧面S12均为非球面；所述第五透镜L5、所述第六透镜L6和所述第七透镜L7胶合组成一个三胶合透镜。所述第五透镜和所述第六透镜的胶合面的曲率半径RL5L6与所述变倍组的焦距FG2满足条件式：-1.8≤RL5L6/FG2≤-1.5。所述第六透镜和所述第七透镜的胶合面的曲率半径RL6L7与所述变倍组的焦距FG2满足条件式：0.2≤RL6L7/FG2≤0.5。
本发明实施例中，沿光轴从物侧至像侧的方向，所述补偿组G3依次包括：具有正光焦度的第八透镜L8和具有正光焦度的第九透镜L9。所述第八透镜L8的物侧面S13和像侧面S14均为凸；所述第九透镜L9的物侧面S16和像侧面S17分别为凹和凸；所述第八透镜L8的物侧面S13为非球面；所述第九透镜L9的物侧面S16和像侧面S17均为非球面。
本发明实施例中，沿光轴从物侧至像侧的方向，所述对焦组G4依次包括：具有负光焦度的第十透镜L10、具有正光焦度的第十一透镜L11、具有正光焦度的第十二透镜L12和具有负光焦度的第十三透镜L13。所述第十透镜L10的物侧面S18和像侧面S19均为凹；所述第十一透镜L11的物侧面S19和像侧面S20均为凸；所述第十二透镜L12的物侧面S21和像侧面S22分别为凸和凹；所述第十三透镜L13的物侧面S22和像侧面S23均为凸和凹；所述第十二透镜L12的物侧面S21和像侧面S22均为非球面；所述第十三透镜L13的物侧面S22和像侧面S23均为非球面。所述第十透镜L10和所述第十一透镜L11胶合组成一个双胶合透镜；所述第十二透镜L12和所述第十三透镜L13胶合组成一个双胶合透镜。所述第十透镜和所述第十一透镜的胶合面的曲率半径RL10L11与所述对焦组的焦距FG4满足条件式：-0.6≤RL10L11/FG4≤-0.4。所述第十二透镜和所述第十三透镜的胶合面的曲率半径RL12L13与所述对焦组的焦距FG4满足条件式：-15≤RL12L13/FG4≤-10。
所述双焦距镜头在广角端的焦距Fw、所述双焦距镜头在长焦端的焦距Ft与所述前固定组的第一个面到成像面的距离TTL满足以下关系：55≤TTL/(Ft/Fw)≤65。
根据本发明的一个方面，所述第一固定组的焦距FG1与所述双焦距镜头在广角端的焦距Fw满足条件式：-2.0≤FG1/Fw≤-1.8。根据本发明的一个方面，所述变倍组的焦距FG2与所述双焦距镜头在广角端的焦距Fw满足条件式：1.8≤FG2/Fw≤2.0。根据本发明的一个方面，所述补偿组的焦距FG3与所述双焦距镜头在广角端的焦距Fw满足条件式：1.1≤FG3/Fw≤1.3。根据本发明的一个方面，所述对焦组的焦距FG4与所述双焦距镜头在广角端的焦距Fw满足条件式：-1.2≤FG4/Fw≤-1.0。
本发明的实施例中中画幅双焦距光学镜头的广角端光学系统等效参数与长焦端光学系统等效参数分别如表1、表2所示。
表1中画幅双焦距光学镜头参数
表面序号 表面类型 曲率半径R值(mm) 厚度(mm) 折射率 阿贝数
S0 球面 Infinity Infinity
S1 非球面 291.030 5.000 1.80 46.6
S2 非球面 96.410 5.930
S3 球面 173.020 11.780 1.92 20.9
S4 球面 388.200 12.330
S5 球面 -206.770 5.000 1.71 53.9
S6 球面 89.820 T1
S7 非球面 62.490 22.190 1.62 63.4
S8 球面 -175.170 0.500
S9 球面 41.760 19.110 1.62 63.4
S10 球面 -115.010 4.000 1.81 33.3
S11 非球面 23.750 10.640 1.55 45.8
S12 非球面 41.420 T2
S13 非球面 178.130 8.900 1.85 23.8
S14 球面 -63.400 0.500
Stop 球面 Infinity 0.850
S16 非球面 -197.150 8.300 1.62 63.4
S17 非球面 -61.750 T3
S18 球面 -243.750 2.500 1.81 33.3
S19 球面 20.500 12.454 1.50 81.6
S20 球面 -86.000 6.400
S21 非球面 688.220 5.040 1.49 70.1
S22 非球面 500.000 4.770 1.71 53.9
S23 非球面 62.400 T4
S24 球面 Infinity 2.800
S25 球面 Infinity 1.000 1.52 64.2
S26 球面 Infinity 2.000
S27 球面 Infinity 0.000
表1列出本实施例的双焦距镜头各透镜的相关参数，包括：表面类型、曲率半径R值、厚度，材料的折射率和阿贝数。
表2中画幅双焦距光学镜头的非球面参数
表面序号 K A<sub>4</sub> A<sub>6</sub> A<sub>8</sub> A<sub>10</sub>
S1 0.00 -5.61E-07 -1.73E-10 5.56E-14 -8.95E-18
S2 -1.00 -1.52E-08 -5.29E-11 2.52E-16 -1.26E-18
S7 -1.00 5.24E-07 -6.47E-10 -5.71E-14 -1.29E-19
S11 -1.00 7.12E-07 5.76E-10 3.31E-13 0.00E+00
S12 1.30 3.00E-06 2.04E-08 5.38E-12 0.00E+00
S13 1.00 -5.18E-06 -3.51E-08 6.87E-12 0.00E+00
S16 1.00 7.21E-06 4.50E-09 -4.71E-11 0.00E+00
S17 0.02 1.80E-06 5.49E-09 2.81E-12 -3.24E-16
S21 1.00 -2.58E-06 2.51E-09 -1.26E-11 5.04E-15
S22 0.00 9.51E-05 -1.67E-09 2.29E-11 0.00E+00
S23 0.61 -1.88E-05 1.93E-09 -1.90E-11 1.49E-15
表2列出本实施例的双焦距镜头各非球面透镜的非球面参数，包括：该表面的二次曲面常数K、四阶非球面系数A4、六阶非球面系数A6、八阶非球面系数A8和十阶非球面系数A10。
表3广角端和长焦端的变倍数据
广角端 长焦端
T1 98.90 6.00
T2 6.80 27.50
T3 1.40 12.80
T4 2.75 63.70
结合图1以及上述表1所示，本实施例的双焦距镜头采用13枚透镜并形成光焦度依次为“负-正-正-负”四群架构，实现了光圈4.8，在-20～60℃范围内的不同温度下都具有较高的成像质量，广角端视场角大于74°，兼顾小畸变、大倍率的光学变焦性能。
该光学系统满足如下关系式：
所述第一固定透镜组G1的焦距为负，为三个单片透镜。其满足关系式：
-2.0≤FG1/Fw≤-1.8；
-0.5≤FG1/Ft≤-0.4；
其中FG1、Fw、Ft分别是第一透镜组G1、广角端以及长焦端的焦距。
本方案中第一透镜组为负透镜，可将大视场光束快速汇聚，满足短焦工作距离下大视场角小口径的要求，并且有利于在满足口径限制的条件下增大通光口径，提高物像分辨率，在双焦距下畸变低，保证拍摄画面变形量少。
本方案的广角端光学系统的视场角为74°，工作距离为无穷远。其像方MTF如图2所示，各个视场MTF曲线相互接近，可见各视场像差校正一致较好；其场曲与畸变如图3所示，其数值对于中画幅广角光学镜头而言属于可接受范围。
本方案的长焦端光学系统的的视场角为20°，工作距离为无穷远。在此条件下。其像方MTF如图4所示，各个视场MTF曲线彼此较为靠近，可见各视场像差校正一致较好；其场曲与畸变如图5所示，其数值对于显微图像而言属于较好范围。
综上所述，本发明的一种中画幅双焦距镜头光学系统通过设计，满足城市无人机的光学成像相机在更大视场、更高分辨率、更小畸变等方面的需求，进而解决无人机成像中此核心部件自主可控的卡脖子问题。
以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以之限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (7)

1.一种中画幅双焦距镜头光学系统，沿光轴从物侧到像侧方向，依次设有：第一固定组(G1)、变倍组(G2)、补偿组(G3)和对焦组(G4)，还包括孔径光阑(STO)，其特征在于，
所述第一固定组(G1)和所述对焦组(G4)具有负光焦度，所述变倍组(G2)和所述补偿组(G3)具有正光焦度；
所述变焦组(G2)、所述补偿组(G3)、对焦组(G4)沿所述光轴可移动；
所述孔径光阑(STO)放置在补偿组内两透镜中间固定位置；
所述双焦距镜头在广角端的焦距Fw、所述双焦距镜头在长焦端的焦距Ft与所述第一固定组(G1)的第一个面到成像面的距离TTL满足以下关系：55≤TTL/(Ft/Fw)≤65。
2.根据权利要求1所述的一种中画幅双焦距镜头光学系统，其特征在于，沿光轴从物侧至像侧的方向，所述第一固定组(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)和具有负光焦度的第三透镜(L3)；
所述第一透镜(L1)的物侧面(S1)和像侧面(S2)分别为凸和凹；
所述第二透镜(L2)的物侧面(S3)和像侧面(S4)分别为凸和凹；
所述第三透镜(L3)的物侧面(S5)和像侧面(S6)均为为凹；
所述第一透镜(L1)的物侧面(S1)和像侧面(S2)均为非球面。
3.根据权利要求1所述的一种中画幅双焦距镜头光学系统，其特征在于，沿光轴从物侧至像侧的方向，所述变倍组(G2)依次包括：具有正光焦度的第四透镜(L4)、具有正光焦度的第五透镜(L5)、具有负光焦度的第六透镜(L6)和具有负光焦度的第七透镜(L7)；
所述第四透镜(L4)的物侧面(S7)和像侧面(S8)均为凸；
所述第五透镜(L5)的物侧面(S9)和像侧面(S10)均为凸；
所述第六透镜(L6)的物侧面(S10)和像侧面(S11)均为为凹；
所述第七透镜(L7)的物侧面(S11)和像侧面(S12)分别为凸和凹；
所述第四透镜(L4)的物侧面(S7)为非球面；
所述第六透镜(L6)的像侧面(S11)为非球面；
所述第七透镜(L7)的物侧面(S11)和像侧面(S12)均为非球面；
所述第五透镜(L5)、所述第六透镜(L6)和所述第七透镜(L7)胶合组成一个三胶合透镜。
4.根据权利要求1所述的一种中画幅双焦距镜头光学系统，其特征在于，沿光轴从物侧至像侧的方向，所述补偿组(G3)依次包括：具有正光焦度的第八透镜(L8)和具有正光焦度的第九透镜(L9)；
所述第八透镜(L8)的物侧面(S13)和像侧面(S14)均为凸；
所述第九透镜(L9)的物侧面(S16)和像侧面(S17)分别为凹和凸；
所述第八透镜(L8)的物侧面(S13)为非球面；
所述第九透镜(L9)的物侧面(S16)和像侧面(S17)均为非球面。
5.根据权利要求1所述的一种中画幅双焦距镜头光学系统，其特征在于，沿光轴从物侧至像侧的方向，所述对焦组(G4)依次包括：具有负光焦度的第十透镜(L10)、具有正光焦度的第十一透镜(L11)、具有正光焦度的第十二透镜(L12)和具有负光焦度的第十三透镜(L13)；
所述第十透镜(L10)的物侧面(S18)和像侧面(S19)均为凹；
所述第十一透镜(L11)的物侧面(S19)和像侧面(S20)均为凸；
所述第十二透镜(L12)的物侧面(S21)和像侧面(S22)分别为凸和凹；
所述第十三透镜(L13)的物侧面(S22)和像侧面(S23)均为凸和凹；
所述第十二透镜(L12)的物侧面(S21)和像侧面(S22)均为非球面；
所述第十三透镜(L13)的物侧面(S22)和像侧面(S23)均为非球面；
所述第十透镜(L10)和所述第十一透镜(L11)胶合组成一个双胶合透镜；
所述第十二透镜(L12)和所述第十三透镜(L13)胶合组成一个双胶合透镜。
6.根据权利要求1所述的一种中画幅双焦距镜头光学系统，其特征在于，所述第一固定组(G1)的焦距为负，其满足关系式：
-2.0≤FG1/Fw≤-1.8；
-0.5≤FG1/Ft≤-0.4；
其中FG1、Fw、Ft分别是第一透镜组(G1)、广角端以及长焦端的焦距。
7.根据权利要求1所述的一种中画幅双焦距镜头光学系统，其特征在于，所述第一固定组的焦距FG1与所述双焦距镜头在广角端的焦距Fw满足条件式：-2.0≤FG1/Fw≤-1.8，所述变倍组的焦距FG2与所述双焦距镜头在广角端的焦距Fw满足条件式：1.8≤FG2/Fw≤2.0，所述补偿组的焦距FG2与所述双焦距镜头在广角端的焦距Fw满足条件式：1.1≤FG3/Fw≤1.3，所述对焦组的焦距FG4与所述双焦距镜头在广角端的焦距Fw满足条件式：-1.2≤FG4/Fw≤-1.0。
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