CN115793217A

CN115793217A - 变焦镜头及成像装置

Info

Publication number: CN115793217A
Application number: CN202211495879.2A
Authority: CN
Inventors: 张良; 王晓; 欧俊星; 于存胜; 王浩
Original assignee: Zhongshan United Optoelectronic Research Institute Co Ltd
Current assignee: Zhongshan United Optoelectronic Research Institute Co Ltd
Priority date: 2022-11-24
Filing date: 2022-11-24
Publication date: 2023-03-14

Abstract

本发明公开了一种变焦镜头及成像装置，变焦镜头包括镜筒、光源以及透镜组，透镜组包括自物侧至像侧依次设置的固定组、变倍组、补偿组以及像面，变倍组和补偿组沿光轴方向协同移动，补偿组用以在变倍组变倍时调节成像距离，固定组包括第一柱透镜和第二自由曲面透镜，通过第一柱透镜将光源投射过来的光束在x方向上整形，第二自由曲面透镜将第一柱透镜投射过来的光束在y方向上整形，使得变焦镜头具有较强的整形作用，可以对两个方向的光线进行拉伸，且最大限度地压缩了体积，且自由曲面的面型自由度高，可以有效矫正光线像差，增加最终光斑周围的清晰度，以解决现有的激光镜头像差矫正能力差、体积大、变倍比不高的问题。

Description

变焦镜头及成像装置

技术领域

本发明涉及光学系统设计技术领域，特别涉及一种应用于室外监控系统的变焦镜头及成像装置。

背景技术

随着夜视变焦镜头技术的快速发展，变焦镜头的视野照明显得愈发重要，特别是在夜晚的红外光变焦照明需求不断提高。目前通常的方案是使用激光光纤作为光源，配合变焦镜头可以实现变化出射光角度的调整，且光斑均匀、边界清晰。为了能最大限度地适配拍摄画面的照明，有时还要求照明光斑的形状为椭圆形或是矩形，然而市面上的光纤端口形状大多为圆形和正方形，这意味着要对激光光束做整形处理。

通常的做法是使用柱透镜对光束整形，将一个方向的光线拉伸，原本成圆形的光斑会被拉长成椭圆形，但是柱透镜的像差较大，且只能对一个方向整形。当镜头的总长和最大口径有限制时，镜头的变焦比无法做到极限，使得现有的激光镜头的像差矫正能力差、体积大、变倍比不高。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种变焦镜头，旨在改善现有的激光镜头像差矫正能力差、体积大、变倍比不高的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种变焦镜头，所述变焦镜头具有沿光轴方向呈相对设置的物侧和像侧，所述变焦镜头包括：

镜筒；

光源，设于所述物侧；以及，

透镜组，所述透镜组包括自所述物侧至所述像侧依次设置的固定组、变倍组、补偿组以及像面，其中，所述固定组固定安装于所述镜筒，所述变倍组和所述补偿组沿所述光轴方向可移动地安装于所述镜筒，所述变倍组和所述补偿组沿所述光轴方向协同移动，所述补偿组用以在所述变倍组变倍时调节成像距离；

其中，所述固定组包括自所述物侧至所述像侧依次设置的第一柱透镜和第二自由曲面透镜，所述第一柱透镜用以将所述光源投射过来的光束在x方向上整形，所述第二自由曲面透镜用以将所述第一柱透镜投射过来的光束在y方向上整形。

可选地，所述光源设置为光纤光源。

可选地，所述固定组的光焦度为正，所述第一柱透镜、所述第二自由曲面透镜和所述固定组满足以下条件：

0.8<f1x/F1x<1，且6.7<f2x/F1x<9.0，f2y＝F1y；

其中，F1x为所述固定组的x方向焦距，F1y为所述固定组的y方向焦距，f1x为所述第一柱透镜的x方向焦距，f2x为所述第二自由曲面透镜x方向焦距，f2y为所述第二自由曲面透镜y方向焦距。

可选地，所述第一柱透镜的光焦度为正，且所述第一柱透镜的物侧面为凸面，其像侧面为凸面；

所述第二自由曲面透镜的光焦度为正，且所述第二自由曲面透镜的物侧面为凹面，其像侧面为凸面。

可选地，所述第二自由曲面透镜的物侧面的表面形状满足以下条件：

其中，c_x为x方向的曲率半径，c_y为y方向的曲率半径，k_x为x方向的圆锥系数，k_y为y方向的圆锥系数。

可选地，所述变倍组的光焦度为负，所述变倍组包括自所述物侧至所述像侧依次设置的第三双凹透镜和第四双凹透镜，所述第三双凹透镜和所述第四双凹透镜均为球面透镜，所述第三双凹透镜、所述第四双凹透镜和所述变倍组满足以下条件：

1.9<f3/F2<2.7，且2.1<f4/F2<2.9；

其中，F2为所述变倍组的焦距，f3为所述第三双凹透镜的焦距，f4为所述第四双凹透镜的焦距。

可选地，所述第三双凹透镜和所述第四双凹透镜的光焦度均为负，且所述第三双凹透镜和所述第四双凹透镜的物侧面和像侧面也均为凹面。

可选地，所述补偿组的光焦度为正，所述补偿组包括自所述物侧至所述像侧依次设置的第五弯月透镜、第六弯月透镜和第七双凸透镜，所述第五弯月透镜、所述第六弯月透镜、所述第七双凸透镜均为球面透镜，所述第五弯月透镜、所述第六弯月透镜、所述第七双凸透镜和所述补偿组满足以下条件：

2.7<f5/F3<3.8，且2.7<f6/F3<3.6，且2.2<f7/F3<3.0；

其中，F3为所述补偿组的焦距，f5为所述第五弯月透镜的焦距，f6为所述第六弯月透镜的焦距，f7为所述第七双凸透镜的焦距。

可选地，所述第五弯月透镜的光焦度为正，且所述第五弯月透镜的物侧面为凹面，其像侧面为凸面；

所述第六弯月透镜的光焦度为正，且所述第六弯月透镜的物侧面为凹面，其像侧面为凸面；

所述第七双凸透镜的光焦度为正，且所述第七双凸透镜的物侧面为凸面，其像侧面为凸面。

一种成像装置，所述成像装置包括上述技术方案所述的变焦镜头。

在本发明提供的技术方案中，所述固定组固定安装于所述镜筒，所述变倍组和所述补偿组沿光轴方向可活动地安装于所述镜筒，所述固定组包括自所述物侧至所述像侧依次设置的第一柱透镜和第二自由曲面透镜，所述第一柱透镜和所述第二自由曲面透镜用于将入射的光束聚焦和整形，使得光束整形为所需形状光斑的光束，所述变倍组用以进行变焦，所述补偿组用以在所述变倍组变倍时调节成像距离，在所述变倍组和所述补偿组沿所述光轴方向协同移动，以使得所述变焦镜头由广角端变焦至望远端，并且所述补偿组受到外力驱动沿着所述光轴做与所述变倍组的位置、成像波长、成像物距对应的移动对焦，使所述变焦镜头在变焦过程中保持所述成像面成像清晰，通过所述第一柱透镜将所述光源投射过来的光束在x方向上整形，所述第二自由曲面透镜将所述第一柱透镜投射过来的光束在y方向上整形，使得所述变焦镜头具有较强的整形作用，可以对两个方向的光线进行拉伸，且最大限度地压缩了体积，且自由曲面的面型自由度高，可以有效矫正光线像差，增加最终光斑周围的清晰度，以解决现有的激光镜头像差矫正能力差、体积大、变倍比不高的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的变焦镜头的截面结构示意图；

图2为图1中的光源的示意图；

图3为图1中的变焦镜头处于广角端时的结构示意图；

图4为图1中的变焦镜头处于中间倍率时的结构示意图；

图5为图1中的变焦镜头处于望远端时的结构示意图；

图6为图3中的变焦镜头处于广角端时的非相干辐照度的示意图；

图7为图4中的变焦镜头处于广角端时的非相干辐照度的示意图；

图8为图5中的变焦镜头处于中间倍率时的非相干辐照度的示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	光源	4	第四双凹透镜
20	固定组	40	补偿组
				1	第一柱透镜	5	第五弯月透镜
2	第二自由曲面透镜	6	第六弯月透镜
				30	变倍组	7	第七双凸透镜
3	第三双凹透镜

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。还有就是，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

随着夜视变焦镜头技术的快速发展，变焦镜头的视野照明显得愈发重要，特别是在夜晚的红外光变焦照明需求不断提高。目前通常的方案是使用激光光纤作为光源，配合变焦镜头可以实现变化出射光角度的调整，且光斑均匀、边界清晰。为了能最大限度地适配拍摄画面的照明，有时还要求照明光斑的形状为椭圆形或是矩形，然而市面上的光纤端口形状大多为圆形和正方形，这意味着要对激光光束做整形处理。通常的做法是使用柱透镜对光束整形，将一个方向的光线拉伸，原本成圆形的光斑会被拉长成椭圆形，但是柱透镜的像差较大，且只能对一个方向整形。当镜头的总长和最大口径有限制时，镜头的变焦比无法做到极限，使得现有的激光镜头的像差矫正能力差、体积大、变倍比不高。

本发明提供一种变焦镜头，旨在改善现有激光镜头的像差矫正能力差、体积大、变倍比不高的技术问题，请参照图1至图8，附图所示为所述变焦镜头的具体实施例。

图1至图8为本发明提供的变焦镜头的第一实施例。

请参照图1至图5，所述变焦镜头具有沿光轴方向呈相对设置的物侧和像侧，所述变焦镜头包括镜筒(图中未示出)、光源10和透镜组，所述光源10设于所述物侧，所述透镜组包括自所述物侧至所述像侧依次设置的固定组20、变倍组30、补偿组40以及像面，其中，所述固定组20固定安装于所述镜筒，所述变倍组30和所述补偿组40沿所述光轴方向可移动地安装于所述镜筒，所述变倍组30和所述补偿组40沿所述光轴方向协同移动，所述补偿组40用以在所述变倍组30变倍时调节成像距离；其中，所述固定组20包括自所述物侧至所述像侧依次设置的第一柱透镜1和第二自由曲面透镜2，所述第一柱透镜1用以将所述光源10投射过来的光束在x方向上整形，所述第二自由曲面透镜2用以将所述第一柱透镜1投射过来的光束在y方向上整形。

需要说明的是所述变倍组30、所述补偿组40均能够受到外力驱动而沿所述光轴方向移动，其中，外力驱动可以是驱动电机驱动，也可以是人工手动调节在此不做限制。

需要说明的是，定义光线出射的上光线到下光线的夹角为发散角。发散角可以由所述变倍组30和所述补偿组40配合运动来进行改变，在所述变倍组30靠近所述光源10的望远端即T端时，所述变焦镜头具有最大的焦距和最小的发散角，在所述变倍组30靠近所述像面，朝广角端即W端活动时，此时，所述变焦镜头焦距逐渐变小，发散角逐渐变大。

在本发明提供的技术方案中，所述固定组20固定安装于所述镜筒，所述变倍组30和所述补偿组40沿光轴方向可活动地安装于所述镜筒，所述固定组20包括自所述物侧至所述像侧依次设置的第一柱透镜1和第二自由曲面透镜2，所述第一柱透镜1和所述第二自由曲面透镜2用于将入射的光束聚焦和整形，使得光束整形为所需形状光斑的光束，所述变倍组30用以进行变焦，所述补偿组40用以在所述变倍组30变倍时调节成像距离，在所述变倍组30和所述补偿组40沿所述光轴方向协同移动，以使得所述变焦镜头由广角端变焦至望远端，并且所述补偿组40受到外力驱动沿着所述光轴做与所述变倍组30的位置、成像波长、成像物距对应的移动对焦，使所述变焦镜头在变焦过程中保持所述成像面成像清晰，通过所述第一柱透镜1将所述光源10投射过来的光束在x方向上整形，所述第二自由曲面透镜2将所述第一柱透镜1投射过来的光束在y方向上整形，使得所述变焦镜头具有较强的整形作用，可以对两个方向的光线进行拉伸，且最大限度地压缩了体积，且自由曲面的面型自由度高，可以有效矫正光线像差，增加最终光斑周围的清晰度，以解决现有的激光镜头像差矫正能力差、体积大、变倍比不高的问题。

具体地，在本实施例中，所述光源10设置为光纤光源10。因光纤端面本身的光强分布是均匀的，边界是清晰的，所以成像的光斑也是均匀且边界清晰的。更为具体地，所述光纤光源10的光纤端口型号设置为SMA905，该光纤光端的端口直径为0.28mm，数值孔径NA＝0.22，所述光纤光源10出射的光束经所述透镜组后，使得光束最终透射至像面上的光斑为放大的椭圆形光斑，且均匀度达到90％以上，边界较为清晰。

具体地，在本实施例中，所述固定组20的光焦度为正，所述第一柱透镜1、所述第二自由曲面透镜2和所述固定组20满足以下条件：0.8<f1x/F1x<1，且6.7<f2x/F1x<9.0，f2y＝F1y；其中，F1x为所述固定组20的x方向焦距，F1y为所述固定组20的y方向焦距，f1x为所述第一柱透镜1的x方向焦距，f2x为所述第二自由曲面透镜2x方向焦距，f2y为所述第二自由曲面透镜2y方向焦距。需要说明的是，光焦度等于像方光束会聚度与物方光束会聚度之差，它表征光学系统偏折光线的能力。

具体地，在本实施例中，所述第一柱透镜1的光焦度为正，且所述第一柱透镜1的物侧面为凸面，其像侧面为凸面；所述第二自由曲面透镜2的光焦度为正，且所述第二自由曲面透镜2的物侧面为凹面，其像侧面为凸面。

具体地，因所述第二自由曲面透镜2的物侧面为自由曲面，为了使得该自由曲面能够按照所需的传输方向传输，所述第二自由曲面透镜2的物侧面的表面形状满足以下条件：

其中，c_x为X方向的曲率半径，即c_x＝1/Rx，c_y为Y方向的曲率半径，即c_y＝1/Ry，k_x为X方向的圆锥系数，k_y为Y方向的圆锥系数。

具体地，在本实施例中，所述变倍组30的光焦度为负，所述变倍组30包括自所述物侧至所述像侧依次设置的第三双凹透镜3和第四双凹透镜4，所述第三双凹透镜3和所述第四双凹透镜4均为球面透镜，所述第三双凹透镜3、所述第四双凹透镜4和所述变倍组30满足以下条件：1.9<f3/F2<2.7，且2.1<f4/F2<2.9；其中，F2为所述变倍组30的焦距，f3为所述第三双凹透镜3的焦距，f4为所述第四双凹透镜4的焦距。

具体地，在本实施例中，所述第三双凹透镜3和所述第四双凹透镜4的光焦度均为负，且所述第三双凹透镜3和所述第四双凹透镜4的物侧面和像侧面也均为凹面。

具体地，因畸变会影响照度分布的均匀性，在本实施例中，所述补偿组40的光焦度为正，所述补偿组40包括自所述物侧至所述像侧依次设置的第五弯月透镜5、第六弯月透镜6和第七双凸透镜7，所述第五弯月透镜5、所述第六弯月透镜6、所述第七双凸透镜7均为球面透镜，所述第五弯月透镜5、所述第六弯月透镜6、所述第七双凸透镜7和所述补偿组40满足以下条件：2.7<f5/F3<3.8，且2.7<f6/F3<3.6，且2.2<f7/F3<3.0；其中，F3为所述补偿组40的焦距，f5为所述第五弯月透镜5的焦距，f6为所述第六弯月透镜6的焦距，f7为所述第七双凸透镜7的焦距。

具体地，在本实施例中，所述第五弯月透镜5的光焦度为正，且所述第五弯月透镜5的物侧面为凹面，其像侧面为凸面；所述第六弯月透镜6的光焦度为正，且所述第六弯月透镜6的物侧面为凹面，其像侧面为凸面；所述第七双凸透镜7的光焦度为正，且所述第七双凸透镜7的物侧面为凸面，其像侧面为凸面。有效地矫正畸变。

如此，通过合理的设计各透镜的光学参数、材质，从而实现所述变焦镜头在极端环境中不需要重新对焦而保证解像清晰，系统充分考虑各种镜片材料折射率、阿贝数高低温的变化量匹配面型和空气间隔的变化量，实现了高低温和湿度各要素变化量的正负搭配，保证高低温和不同湿度环境中像面的同步和清晰。通过合理分配镜片光焦度，调整玻璃形状及材料搭配，有效消色差及二级光谱，使各个镜片上的球差，慧差，像散等相互补偿抵消，以达到清晰成像的效果。采用球面透镜，在保证像质和可靠性的前提下，减少成本，组装敏感度较低，提升了成品良率。

具体地，所述成像面可以理解为所述感光芯片朝向所述物侧的表面，即可以为CCD或者CMOS等摄像元件的表面，可以理解的是，携带被摄物体信息的光线能够依次经过所述固定组20、所述变倍组30、所述补偿组40并最终成像于所述成像面上。

具体地，在本实施例中，所述变焦镜头的参数如下所示：

广角端焦距fw＝0.687mm，望远端焦距ft＝81.36mm；广角端光圈数Fno_w＝2.22，望远端光圈数Fno_T＝2.22；广角端水平场角FOVH_w＝20°，望远端半视场角FOVH_T＝0.15°；光学畸变范围在-1％到3.5％之间；所述变焦镜头的光学总长TTL＝90mm。

具体地，本实施例中，镜片的材质折射率，曲率半径，厚度间隔如下表所示：

表1镜片的参数

#

Type

Radius-Y

Thickness

Material

Conic-Y

Radius-X

conic-X

0

STANDARD

无限

2.48E+00

1.00E+00

0.00E+00

1

BICONICX

无限

1.88E+00

1.76,26.6

0.00E+00

6.62E+00

0.00E+00

2

BICONICX

无限

2.35E+00

0.00E+00

-3.51E+00

0.00E+00

3

BICONICX

-5.55E+01

1.40E+00

1.85,40.1

9.90E+01

-4.75E+00

1.86E+00

4

STANDARD

-4.53E+00

4.04E+01

-4.77E-01

0.00E+00

5

STANDARD

-7.05E+00

1.49E+00

1.62,58.1

0.00E+00

6

STANDARD

1.01E+01

2.24E+00

0.00E+00

7

STANDARD

-4.67E+00

1.54E+00

1.64,55.4

0.00E+00

8

STANDARD

1.36E+02

1.28E+00

0.00E+00

9

STANDARD

-3.87E+01

5.19E+00

1.49,70.4

0.00E+00

10

STANDARD

-2.49E+01

8.11E-02

0.00E+00

11

STANDARD

-9.91E+01

5.04E+00

1.49.70.4

0.00E+00

12

STANDARD

-3.78E+01

9.76E-02

0.00E+00

13

STANDARD

4.52E+02

5.04E+00

1.65,33.8

0.00E+00

14

STANDARD

-7.68E+01

3.00E+04

0.00E+00

15

STANDARD

无限

0.00E+00

在本实施例中，请参照图3至图5，为所述变焦镜头分别处于广角端时、中间倍率时、望远端时的结构示意图；其中，中间倍率可以理解为所述变焦镜头处于广角端和望远端之间时，所述变焦镜头中各个透镜组的位置示意图。

图6至图8分别显示所述变焦镜头处于广角端、中间倍率和望远端时的非相干辐照度的示意图。

由上述图可知，本实施例中的所述变焦镜头分别在中间倍率、广角端、望远端时的球面像差、场曲以及畸变均能够获得良好的校正，从而清晰成像。

综上所述，本发明所述的变焦镜头采用了“正负正”的三群结构，其中一个固定组20，一个变倍组30和一个补偿组40，随着所述变倍组30相应的移动，焦距发生变化，所述补偿组40用于对焦，焦距可在广角端0.687mmmm，望远端81.36mm之间变化，广角端(WIDE)拍摄角度水平>20°，广角端与望远端光学畸变-1％～3.5％以内，光学总长控制在90mm以内，具备体积小，光学效果好，变倍比大的效果；并且所述变焦镜头中含有5枚玻璃球面透镜，充分保证良好的光学性能。

此外，本发明还提供一种成像装置，所述成像装置包括上述技术方案所述的变焦镜头。该变焦镜头的具体结构参照上述实施例，由于本成像装置的变焦镜头采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的可选地实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种变焦镜头，其特征在于，所述变焦镜头具有沿光轴方向呈相对设置的物侧和像侧，所述变焦镜头包括：

镜筒；

光源，设于所述物侧；以及，

2.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述光源设置为光纤光源。

3.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述固定组的光焦度为正，所述第一柱透镜、所述第二自由曲面透镜和所述固定组满足以下条件：

0.8<f1x/F1x<1，且6.7<f2x/F1x<9.0，f2y＝F1y；

4.如权利要求3所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一柱透镜的光焦度为正，且所述第一柱透镜的物侧面为凸面，其像侧面为凸面；

5.如权利要求4所述的变焦镜头，其特征在于，所述第二自由曲面透镜的物侧面的表面形状满足以下条件：

6.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述变倍组的光焦度为负，所述变倍组包括自所述物侧至所述像侧依次设置的第三双凹透镜和第四双凹透镜，所述第三双凹透镜和所述第四双凹透镜均为球面透镜，所述第三双凹透镜、所述第四双凹透镜和所述变倍组满足以下条件：

1.9<f3/F2<2.7，且2.1<f4/F2<2.9；

7.如权利要求6所述的变焦镜头，其特征在于，所述第三双凹透镜和所述第四双凹透镜的光焦度均为负，且所述第三双凹透镜和所述第四双凹透镜的物侧面和像侧面也均为凹面。

8.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述补偿组的光焦度为正，所述补偿组包括自所述物侧至所述像侧依次设置的第五弯月透镜、第六弯月透镜和第七双凸透镜，所述第五弯月透镜、所述第六弯月透镜、所述第七双凸透镜均为球面透镜，所述第五弯月透镜、所述第六弯月透镜、所述第七双凸透镜和所述补偿组满足以下条件：

2.7<f5/F3<3.8，且2.7<f6/F3<3.6，且2.2<f7/F3<3.0；

9.如权利要求8所述的变焦镜头，其特征在于，所述第五弯月透镜的光焦度为正，且所述第五弯月透镜的物侧面为凹面，其像侧面为凸面；

10.一种成像装置，其特征在于，所述成像装置包括如权利要求1至9中任意一项所述的变焦镜头。