CN116699817A - 变焦镜头和激光照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变焦镜头和激光照明装置，所述变焦镜头包括镜筒以及透镜群，所述透镜群包括自所述物侧至所述像侧依次设置的光焦度为正的第一透镜群、光焦度为负的第二透镜群、光焦度为正的第三透镜群，通过三个透镜群的合理设置以及所述变焦镜头广角端焦距和各透镜群焦距比值的有条件的限制，所述变焦镜头的变倍率为150X，其光学总长控制在100mm以内，所述变焦镜头的光圈F数能达到2.27，能适用800～1100nm波长内的范围，使得所述变焦镜头具有小体积、高倍率、光斑均匀、低成本的特点，以改善现有激光照明镜头存在的变焦范围小、镜头体积大、适用波长范围窄等技术问题。

Description

变焦镜头和激光照明装置

技术领域

本发明涉及光学系统设计技术领域，特别涉及一种变焦镜头和激光照明装置。

背景技术

为了有效利用激光出射光束，并使其照明角度可根据使用要求在某一范围连续可调，通常将激光出射光经光纤耦合整型输出，光纤出射光再通过一光学系统进行扩束使得出射光束的最终出射光束角度可调，并实现对出射光束的均匀化，最终在物体表面得到一个均匀的照明光斑。因此，远距离激光照明装置需要满足以下要求：一、满足一定的变焦范围，即满足一定的角度变化范围；二、需要较小的F数，以便达到对光源能量的充分利用；三、需满足使出射光束在物体表面得到一个均匀的光斑，即在光束的照明范围内各点能量比较均匀。现有激光照明变焦镜头中，存在镜头体积大，变焦倍率小、适用波长范围窄等问题，因此无法充分满足需求。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种变焦镜头和激光照明装置，旨在改善现有变焦镜头体积大，变焦倍率小、适用波长范围窄的问题。

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；以及，

多个透镜群，设于所述镜筒内，包括自所述物侧至所述像侧依次设置光焦度为正的第一透镜群、光焦度为负的第二透镜群、光焦度为正的第三透镜群以及光纤，其中，所述第一透镜群和所述第二透镜群至少一个可沿所述光轴的延伸方向可移动地设置，以将所述变焦镜头变焦，所述第三透镜群沿所述光轴方向移动，以将所述变焦镜头对焦；

其中，所述变焦镜头处于广角端的焦距为fw，所述第一透镜群的焦距为f1，所述第二透镜群的焦距为f2，所述第三透镜群的焦距为f3，所述变焦镜头满足以下条件：

0.0015<fw/f1<0.015，且-0.78<fw/f2<-0.05，且0.065<fw/f3<0.37。

可选地，fw/f1＝2/327，且fw/f2＝-(3/43)，且fw/f3＝4/41。

可选地，所述第一透镜群包括自所述物侧至所述像侧依次设置的具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜；

所述第一透镜、所述第二透镜均为玻璃球面透镜；

所述第一透镜的焦距为f11，所述第二透镜的焦距为f12，在所述第一透镜群内的各透镜满足以下条件：

0.07<f1/f11<0.85，且0.32<f1/f12<1.32。

可选地，所述第一透镜为双凸透镜，所述第二透镜为凸凹透镜，所述第二透镜的像侧面为凹面；

所述第一透镜群内的各透镜满足以下条件：f1/f11＝37/73，且f1/f12＝1/2；

所述第一透镜的光焦度为174.19，所述第二透镜的光焦度为177.96。

可选地，所述第二透镜群包括自所述物侧至所述像侧依次设置的具有负光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜；

所述第三透镜为玻璃球面透镜，所述第四透镜均为玻璃球面透镜；

所述第三透镜的焦距为f21，所述第四透镜的焦距为f22，在所述第二透镜群内的各透镜满足以下条件：

0.31<f2/f21<0.95，且0.18<f2/f22<1.03。

可选地，所述第三透镜为凸凹透镜，所述第三透镜的像侧面为凹面，所述第四透镜为双凹透镜；

所述第二透镜群内的各透镜满足以下条件：f2/f21＝21/47，且f2/f22＝1/2；

所述第三透镜的光焦度为-10.39，所述第四透镜的光焦度为-9.21。

可选地，所述第三透镜群包括自所述物侧至所述像侧依次设置的具有正光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、具有正光焦度的第七透镜；

所述第五透镜的焦距为f31，所述第六透镜的焦距为f32，所述第七透镜的焦距为f33，在所述第三透镜群内的各透镜满足以下条件：

0.27<f3/f31<1.02，且0.03<f3/f32<0.58，且0.17<f3/f33<0.98。

可选地，所述第五透镜为双凸透镜，所述第六透镜为凸凹透镜，所述第六透镜的像侧面为凹面，所述第七透镜为凸凹透镜，所述第七透镜的像侧面为凹面；

所述第三透镜群内的各透镜满足以下条件：f3/f31＝4/9，且f3/f32＝7/24，且f3/f33＝5/21；

所述第五透镜的光焦度为12.89，所述第六透镜的光焦度为19.69，所述第七透镜的光焦度为24.36。

可选地，所述变焦镜头还包括光阑，所述光阑设置为可调光阑，所述光阑位于所述第二透镜群与所述第三透镜群之间或者位于所述第三透镜群上，所述光阑与所述第三透镜群连接，以随所述第三透镜群同步移动；

所述光阑到所述变焦镜头的像面在所述光轴上的距离为L，为所述变焦镜头的光学总长为TTL，所述变焦镜头满足以下条件：0.05<L/TTL<0.42。

本发明还提供一种激光照明装置，所述激光照明装置包括变焦镜头，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；以及，

多个透镜群，设于所述镜筒内，包括自所述物侧至所述像侧依次设置光焦度为正的第一透镜群、光焦度为负的第二透镜群、光焦度为正的第三透镜群以及光纤，其中，所述第一透镜群和所述第二透镜群至少一个可沿所述光轴的延伸方向可移动地设置，以将所述变焦镜头变焦，所述第三透镜群沿所述光轴方向移动，以将所述变焦镜头对焦；

其中，所述变焦镜头处于广角端的焦距为fw，所述第一透镜群的焦距为f1，所述第二透镜群的焦距为f2，所述第三透镜群的焦距为f3，所述变焦镜头满足以下条件：

0.0015<fw/f1<0.015，且-0.05<fw/f2<0.21，且0.065<fw/f3<0.37。

在本发明提供的技术方案中，所述第一透镜群和所述第二透镜群中至少一个沿光轴方向可活动地安装于所述镜筒，用以进行变焦，并且所述第三透镜群受到外力驱动沿着所述光轴做与所述第一透镜群和所述第二透镜群的位置、照明波长、照明距离对应的移动对焦，使所述变焦镜头在变焦过程中保持照明面成像清晰，通过三个透镜群的合理设置以及所述变焦镜头广角端焦距和各透镜群焦距比值的有条件的限制，所述变焦镜头的变倍率为150X，其光学总长控制在100mm以内，所述变焦镜头的光圈F数能达到2.27，能适用800～1100nm波长内的范围，使得所述变焦镜头具有小体积、高倍率、光斑均匀、低成本的特点，以改善现有激光照明镜头存在的变焦范围小、镜头体积大、适用波长范围窄等技术问题。

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第一实施例处于广角端时的结构示意图；

图2为变焦镜头处于中间倍率时的结构示意图；

图3为变焦镜头处于望远端时的结构示意图；

图4为图1中的变焦镜头处于广角端时的像差图；

图5为图1中的变焦镜头处于广角端时的场曲图；

图6为图1中的变焦镜头处于广角端时的畸变图；

图7为图2中的变焦镜头处于中间倍率时的像差图；

图8为图2中的变焦镜头处于中间倍率时的场曲图；

图9为图2中的变焦镜头处于中间倍率时的畸变图；

图10为图3中的变焦镜头处于望远端时的像差图；

图11为图3中的变焦镜头处于望远端时的场曲图；

图12为图3中的变焦镜头处于望远端时的畸变图。

附图标号说明：

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。

现有激光照明变焦镜头中，存在镜头体积大，变焦倍率小、适用波长范围窄等问题。

本发明提供一种变焦镜头，旨在改善现有变焦镜头体积大，变焦倍率小、适用波长范围窄的问题，请参照图1至图12，附图所示为所述变焦镜头的具体实施例。

图1至图12为本发明提供的变焦镜头的一实施例。

请参照图1至图3，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)以及多个透镜群，所述镜筒沿所述光轴方向延伸设置，所述透镜群设于所述镜筒内，所述透镜群包括自所述物侧至所述像侧依次设置的光焦度为正的第一透镜群1、光焦度为负的第二透镜群2、光焦度为正的第三透镜群3以及光纤4，其中，所述第一透镜群1和所述第二透镜群2至少一个可沿所述光轴的延伸方向可移动地设置，以将所述变焦镜头变焦，所述第三透镜群3沿所述光轴方向移动，以将所述变焦镜头对焦。

需要说明的是，所述第一透镜群1和所述第二透镜群2至少一个沿所述光轴的延伸方向移动时用以进行变焦，所述第三透镜群3受到外力驱动沿着所述光轴做与所述第一透镜群1和所述第二透镜群2的位置、照明波长、照明距离对应的移动对焦，使所述变焦镜头在变焦过程中保持照明面成像清晰。

还需要说明的是所述第一透镜群1和所述第二透镜群2至少一个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。

并且，所述变焦镜头处于广角端的焦距为fw，所述第一透镜群1的焦距为f1，所述第二透镜群2的焦距为f2，所述第三透镜群3的焦距为f3，所述变焦镜头满足以下条件：

0.0015<fw/f1<0.015，且-0.78<fw/f2<-0.05，且0.065<fw/f3<0.37。

在本发明提供的技术方案中，所述第一透镜群1和所述第二透镜群2中至少一个沿光轴方向可活动地安装于所述镜筒，用以进行变焦，并且所述第三透镜群3受到外力驱动沿着所述光轴做与所述第一透镜群1和所述第二透镜群2的位置、照明波长、照明距离对应的移动对焦，使所述变焦镜头在变焦过程中保持所述像面成像清晰，通过三个透镜群的合理设置以及所述变焦镜头广角端焦距和各透镜群焦距比值的有条件的限制，所述变焦镜头的变倍率为150X，其光学总长控制在100mm以内，所述变焦镜头的光圈F数能达到2.27，能适用800～1100nm波长内的范围，使得所述变焦镜头具有小体积、高倍率、光斑均匀、低成本的特点，以改善现有激光照明镜头存在的变焦范围小、镜头体积大、适用波长范围窄等技术问题。

在一具体实施例中，fw/f1＝2/327，且fw/f2＝-(3/43)，且fw/f3＝4/41。

具体地，在本实施例中，所述第一透镜群1包括自所述物侧至所述像侧依次设置的具有正光焦度的第一透镜11、具有正光焦度的第二透镜12；所述第一透镜11、所述第二透镜12均为玻璃球面透镜；所述第一透镜11的焦距为f11，所述第二透镜12的焦距为f12，在所述第一透镜群1内的各透镜满足以下条件：0.07<f1/f11<0.85，且0.32<f1/f12<1.32。

在一具体的实施例中，所述第一透镜11为双凸透镜，所述第二透镜12为凸凹透镜，所述第二透镜12的像侧面为凹面；所述第一透镜群1内的各透镜满足以下条件：f1/f11＝37/73，且f1/f12＝1/2；所述第一透镜11的光焦度为174.19，所述第二透镜12的光焦度为177.96。

具体地，在本实施例中，所述第二透镜群2包括自所述物侧至所述像侧依次设置的具有负光焦度的第三透镜21、具有负光焦度的第四透镜22；所述第三透镜21为玻璃非球面透镜，所述第四透镜22均为玻璃球面透镜；所述第三透镜21的焦距为f21，所述第四透镜22的焦距为f22，在所述第二透镜群2内的各透镜满足以下条件：0.31<f2/f21<0.95，且0.18<f2/f22<1.03。

在一具体的实施例中，所述第三透镜21为凸凹透镜，所述第三透镜21的像侧面为凹面，所述第四透镜22为双凹透镜；所述第二透镜群2内的各透镜满足以下条件：f2/f21＝21/47，且f2/f22＝1/2；所述第三透镜21的光焦度为-10.39，所述第四透镜22的光焦度为-9.21。

具体地，在本实施例中，所述第三透镜群3包括自所述物侧至所述像侧依次设置的具有正光焦度的第五透镜31、具有正光焦度的第六透镜32、具有正光焦度的第七透镜33；所述第五透镜31的焦距为f31，所述第六透镜32的焦距为f32，所述第七透镜33的焦距为f33，在所述第三透镜群3内的各透镜满足以下条件：0.27<f3/f31<1.02，且0.03<f3/f32<0.58，且0.17<f3/f33<0.98。

在一具体的实施例中，所述第五透镜31为双凸透镜，所述第六透镜32为凸凹透镜，所述第六透镜32的像侧面为凹面，所述第七透镜33为凸凹透镜，所述第七透镜33的像侧面为凹面；所述第三透镜群3内的各透镜满足以下条件：f3/f31＝4/9，且f3/f32＝7/24，且f3/f33＝5/21；所述第五透镜31的光焦度为12.89，所述第六透镜32的光焦度为19.69，所述第七透镜33的光焦度为24.36。

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。所述第一透镜群1的正光焦度、所述第二透镜群2的负光焦度和所述第三透镜群3的正光焦度能够将光束按照所需设计的方向进行投射。在本实施例中，通过合理分配所述第一透镜11、所述第二透镜12、所述第三透镜21、所述第四透镜22、所述第五透镜31、所述第六透镜32和所述第七透镜33的光焦度，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，以达到均匀照明的效果。

并且，所述第一透镜11、所述第二透镜12、所述第三透镜21、所述第四透镜22、所述第五透镜31、所述第六透镜32和所述第七透镜33均为玻璃球面透镜，因玻璃透镜不容易受热胀冷缩的影响出现跑焦现象，因此玻璃透镜可以很好的抵抗镜头受热变形的问题，长时间保持镜头的高精度，并且使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，在本实施例中，所述变焦镜头还包括光阑，所述光阑设置为可调光阑，所述光阑位于所述第二透镜群2与所述第三透镜群3之间或者位于所述第三透镜群3上，所述光阑与所述第三透镜群3连接，以随所述第三透镜群3同步移动；所述光阑到所述变焦镜头的像面在所述光轴上的距离为L，为所述变焦镜头的光学总长为TTL，所述变焦镜头满足以下条件：0.05<L/TTL<0.42。需要说明的是，所述光学总长即为所述第一透镜11的物侧面中心顶点到所述像面的距离。

具体地，在本实施例中，所述变焦镜头还包括滤光镜，所述滤光镜位于所述第三透镜群3与所述像面之间，所述滤光镜用于滤除不必要波段的光线和杂散光，以减小光噪声，为后续的光电模块处理部分减小困难，所述滤光镜也可用以调节最后成像时物象的色彩度，从而提高成像质量。

具体地，所述像面可以理解为所述光纤4朝向所述物侧的表面，即光纤出光端面，可以理解的是，光纤出射光能够依次经过所述第三透镜群3、所述第二透镜群2、所述第一透镜群1、最终照射到被照射的物体表面上。

具体地，在一具体实施例中，透镜的材质折射率，曲率半径，厚度间隔如下表所示：

具体地，本实施例的所述变焦镜头达到如下性能参数：

表2变焦镜头分别处于广角端、中间倍率位置、望远端的变倍数据

所述变焦镜头的光学畸变范围在0.02％到0.4％之间；所述变焦镜头的光学总长控制在TTL＝100mm。

在本实施例中，请参照图1至图3，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群的位置示意图。

图4至图6分别显示所述变焦镜头处于广角端时的像差图(longitudinalaberration)、场曲图(field curvature)以及畸变图(distortion)，图中的S、T，分别为弧矢像面、子午像面所对应的像差。

请参照图7至图9，为所述变焦镜头处于中间倍率时的像差图、场曲图以及畸变图，图中的S、T，分别为弧矢像面、子午像面所对应的像差。

请参照图10至图12，为所述变焦镜头处于望远端时的球面像差图、场曲图以及畸变图，图中的S、T，分别为弧矢像面、子午像面所对应的像差。

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。

此外，本发明还提供一种激光照明装置，所述激光照明装置包括上述技术方案所述的变焦镜头，因所述激光照明装置包括所述变焦镜头，该变焦镜头的具体结构参照上述实施例，由于本激光照明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 (10)

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；以及，

多个透镜群，设于所述镜筒内，包括自所述物侧至所述像侧依次设置光焦度为正的第一透镜群、光焦度为负的第二透镜群、光焦度为正的第三透镜群以及光纤，其中，所述第一透镜群和所述第二透镜群至少一个可沿所述光轴的延伸方向可移动地设置，以将所述变焦镜头变焦，所述第三透镜群沿所述光轴方向移动，以将所述变焦镜头对焦；

其中，所述变焦镜头处于广角端的焦距为fw，所述第一透镜群的焦距为f1，所述第二透镜群的焦距为f2，所述第三透镜群的焦距为f3，所述变焦镜头满足以下条件：

0.0015<fw/f1<0.015，且-0.78<fw/f2<-0.05，且0.065<fw/f3<0.37。

2.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，fw/f1＝2/327，且fw/f2＝-(3/43)，且fw/f3＝4/41。

3.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一透镜群包括自所述物侧至所述像侧依次设置的具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜；

所述第一透镜、所述第二透镜均为玻璃球面透镜；

所述第一透镜的焦距为f11，所述第二透镜的焦距为f12，在所述第一透镜群内的各透镜满足以下条件：

0.07<f1/f11<0.85，且0.32<f1/f12<1.32。

4.如权利要求3所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一透镜为双凸透镜，所述第二透镜为凸凹透镜，所述第二透镜的像侧面为凹面；

所述第一透镜群内的各透镜满足以下条件：f1/f11＝37/73，且f1/f12＝1/2；

所述第一透镜的光焦度为174.19，所述第二透镜的光焦度为177.96。

5.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第二透镜群包括自所述物侧至所述像侧依次设置的具有负光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜；

所述第三透镜为玻璃球面透镜，所述第四透镜均为玻璃球面透镜；

所述第三透镜的焦距为f21，所述第四透镜的焦距为f22，在所述第二透镜群内的各透镜满足以下条件：

0.31<f2/f21<0.95，且0.18<f2/f22<1.03。

6.如权利要求5所述的变焦镜头，其特征在于，所述第三透镜为凸凹透镜，所述第三透镜的像侧面为凹面，所述第四透镜为双凹透镜；

所述第二透镜群内的各透镜满足以下条件：f2/f21＝21/47，且f2/f22＝1/2；

所述第三透镜的光焦度为-10.39，所述第四透镜的光焦度为-9.21。

7.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第三透镜群包括自所述物侧至所述像侧依次设置的具有正光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、具有正光焦度的第七透镜；

所述第五透镜的焦距为f31，所述第六透镜的焦距为f32，所述第七透镜的焦距为f33，在所述第三透镜群内的各透镜满足以下条件：

0.27<f3/f31<1.02，且0.03<f3/f32<0.58，且0.17<f3/f33<0.98。

8.如权利要求7所述的变焦镜头，其特征在于，所述第五透镜为双凸透镜，所述第六透镜为凸凹透镜，所述第六透镜的像侧面为凹面，所述第七透镜为凸凹透镜，所述第七透镜的像侧面为凹面；

所述第三透镜群内的各透镜满足以下条件：f3/f31＝4/9，且f3/f32＝7/24，且f3/f33＝5/21；

所述第五透镜的光焦度为12.89，所述第六透镜的光焦度为19.69，所述第七透镜的光焦度为24.36。

9.如权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述变焦镜头还包括光阑，所述光阑设置为可调光阑，所述光阑位于所述第二透镜群与所述第三透镜群之间或者位于所述第三透镜群上，所述光阑与所述第三透镜群连接，以随所述第三透镜群同步移动；

所述光阑到所述变焦镜头的像面在所述光轴上的距离为L，为所述变焦镜头的光学总长为TTL，所述变焦镜头满足以下条件：0.05<L/TTL<0.42。

10.一种激光照明装置，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的变焦镜头。