CN117111281A - 变焦光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种变焦光学系统，包括由物侧至像侧依序排列的光焦度为负的变焦前组、光焦度为正的补偿前组、光焦度为正的变焦后组、光焦度为负的补偿后组和光焦度为正的固定组，其中，变焦前组包括第一透镜，补偿前组包括第二透镜和第三透镜，变焦后组包括第四透镜，补偿后组包括第五透镜和第六透镜，固定组包括第七透镜，光阑位于补偿前组与变焦后组之间；所述变焦光学系统由广角端至望远端变化时，变焦前组、补偿前组、变焦后组、补偿后组均朝向物侧移动；光阑也朝向物侧移动。实现10mm以下变焦成像，通过合理分配光焦度和面型，搭配曲率、厚度和非球面等进一步优化，实现了大视场、低像差和低色差的高质量成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学系统，特别是一种变焦光学系统。
背景技术
现有的4~8mm焦距的镜头一般为定焦镜头，例如CN108445611A公开的无热化高分辨率定焦镜头，焦距在5.8~6.2mm之间，无法满足短焦距的变焦成像，而且该镜头没有得到合适的优化，系统像差较大，视场角较小。
而变焦镜头一般焦距处于10mm以上，10mm以下的变焦镜头较少，且存在着系统像差较大，视场角较小，体积较大等不足。
发明内容
针对上述技术问题，本发明旨在提出一种焦距在10mm以下的变焦光学系统，实现大视场、小体积以及较高的成像质量。
本发明的变焦光学系统包括由物侧至像侧依序排列的光焦度为负的变焦前组、光焦度为正的补偿前组、光焦度为正的变焦后组、光焦度为负的补偿后组和光焦度为正的固定组，其中，变焦前组包括第一透镜，补偿前组包括第二透镜和第三透镜，变焦后组包括第四透镜，补偿后组包括第五透镜和第六透镜，固定组包括第七透镜，光阑位于补偿前组与变焦后组之间；所述变焦光学系统由广角端至望远端变化时，变焦前组、补偿前组、变焦后组、补偿后组均朝向物侧移动；
其中：
第一透镜为负透镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
第二透镜为正透镜，物侧面为凹面，像侧面为凸面；
第三透镜为正透镜，物侧面为凸面，像侧面为凸面；
第四透镜为正透镜，物侧面为凸面，像侧面为凸面；
第五透镜为正透镜，物侧面为凸面，像侧面为凸面；
第六透镜为负透镜，物侧面为凹面，像侧面为凹面；
第七透镜为正透镜，物侧面为凸面，像侧面为凸面；
根据本发明的变焦光学系统，满足下列条件式：
-2.0<fG1/EFL<-0.5；0.5<fG2/EFL<2.0；1.0<fG3/EFL<5.0；-4.0<fG4/EFL<-1.0；
1.0<fG5/EFL<4.0；3.0<EFL*tan(HFOV)<8.0；
其中，fG1表示变焦前组的合焦距，fG2表示补偿前组的合焦距，fG3表示变焦后组的合焦距，fG4表示补偿后组的合焦距，fG5表示固定组的合焦距，EFL为变焦光学系统的有效焦距，FOV为全视场角，HFOV为半视场角。
根据本发明的变焦光学系统，满足下列条件式：
-2.0<f1/EFL<-0.4；3.0<f2/EFL<8.0；1.0<f3/EFL<3.0；
1.5<f4/EFL<4.0；1.0<f5/EFL<2.5；-1.5<f6/EFL<-0.4；
1.0<f7/EFL<3.0；-0.8<fG1/fG2<-0.9；-2<fG3/fG4<-0.8；
f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f4为第四透镜的焦距，f5为第五透镜的焦距，f6为第六透镜的焦距，f7为第七透镜的焦距。
根据本发明的变焦光学系统，满足下列条件式：
0.12<D1/TTL<0.18；0.10<D3/TTL<0.15；0.02<D5/TTL<0.03；0.03<D8/TTL<0.05；
0.06<D10/TTL<0.06；0.007<D12/TTL<0.009；0.12<D14/TTL<0.18；
D1为第一透镜在光轴上的厚度，D3为第二透镜在光轴上的厚度，D5为第三透镜在光轴上的厚度，D8为第四透镜在光轴上的厚度，D10为第五透镜在光轴上的厚度，D12为第六透镜在光轴上的厚度，D14为第七透镜在光轴上的厚度，TTL为变焦光学系统的总长。
根据本发明的变焦光学系统，满足下列条件式：
0.5<(R1-R2)/(R1+R2)<0.8；0.2<(R3-R4)/(R3+R4)<0.3；-1.0<(R5-R6)/(R5+R6)<-0.8；
1.2<(R8-R9)/(R8+R9)<2.0；-3<(R10-R11)/(R10+R11)<-2；-2<(R12-R13)/(R12+R13)<-1；
-8<(R14-R15)/(R14+R15)<-5；
R1和R2分别为第一透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R3和R4分别为第二透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R5和R6分别为第三透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R8和R9分别为第四透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R10和R11分别为第五透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R12和R13分别为第六透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R14和R15分别为第七透镜的物侧面和像侧面的曲率半径。
根据本发明的变焦光学系统，满足下列条件式：
1.5<δDG12/δDG23<2.0；0.2<δDG12/δDG23<0.3；
δDG12为变焦光学系统由广角端至望远端变化时，变焦前组与补偿前组间隔的变化量，δDG23为变焦光学系统由广角端至望远端变化时，补偿前组与变焦后组间隔的变化量，δDG34为变焦光学系统由广角端至望远端变化时，变焦后组与补偿后组间隔的变化量，δDG45为变焦光学系统由广角端至望远端变化时，补偿后组与固定组间隔的变化量。
根据本发明的变焦光学系统，满足下列条件式：
FOV≥84°。
变焦光学系统由广角端至望远端变化时，光阑也朝向物侧移动。
有益效果：本发明通过设置合适的镜头结构，实现10mm以下变焦成像，通过合理分配光焦度和面型，搭配曲率、厚度和非球面等进一步优化，实现了大视场、低像差和低色差的高质量成像。
附图说明
图1是本发明变焦光学系统一实施例的光学布局图。
图2是本发明变焦光学系统一实施例在（a）广角端、（b）中间端和（c）望远端的光学布局图。
图3是本发明变焦光学系统一实施例在广角端的像面光迹图。
图4是本发明变焦光学系统一实施例在中间端的像面光迹图。
图5是本发明变焦光学系统一实施例在望远端的像面光迹图。
图6是本发明变焦光学系统一实施例在中间端的场曲和畸变图，其中（a）为场曲图，（b）为畸变图。
图7是本发明变焦光学系统一实施例在中间端的垂轴色差图。
其中，G1表示变焦前组，G2表示补偿前组，G3表示变焦后组，G4表示补偿后组，G5表示固定组，L1~L7分别表示第一至第七透镜，S1~S18表示各表面序号，STO表示光阑，GC表示保护玻璃，IMG表示成像面，各图中半视场角均分别取0°、20°、-20°、40°、和-40°。
具体实施方式
以下结合附图1-7详细说明本发明的变焦光学系统。
首先从图1和图2来看，图1是本发明变焦光学系统一实施例的光学布局图，图2是本发明变焦光学系统一实施例在（a）广角端、（b）中间端和（c）望远端的光学布局图。本发明一实施例的变焦光学系统包括由物侧至像侧依序排列的光焦度为负的变焦前组G1、光焦度为正的补偿前组G2、光焦度为正的变焦后组G3、光焦度为负的补偿后组G4和光焦度为正的固定组G5，其中，变焦前组G1包括第一透镜L1，补偿前组G2包括第二透镜L2和第三透镜L3，变焦后组G3包括第四透镜L4，补偿后组G4包括第五透镜L5和第六透镜L6，固定组G5包括第七透镜L7，光阑STO位于补偿前组G2与变焦后组G3之间。所述变焦光学系统由广角端至望远端变化时，变焦前组G1、补偿前组G2、变焦后组G3、补偿后组G4均朝向物侧移动；
其中：
第一透镜L1为负透镜，物侧面S1为凸面，像侧面S2为凹面；
第二透镜L2为正透镜，物侧面S3为凹面，像侧面S4为凸面；
第三透镜L3为正透镜，物侧面S5为凸面，像侧面S6为凸面；
第四透镜L4为正透镜，物侧面S8为凸面，像侧面S9为凸面；
第五透镜L5为正透镜，物侧面S10为凸面，像侧面S11为凸面；
第六透镜L6为负透镜，物侧面S12为凹面，像侧面S13为凹面；
第七透镜L7为正透镜，物侧面S14为凸面，像侧面S15为凸面；
根据本实施例的变焦光学系统，满足下列条件式（1）：
-2.0<fG1/EFL<-0.5；0.5<fG2/EFL<2.0；1.0<fG3/EFL<5.0；-4.0<fG4/EFL<-1.0；
1.0<fG5/EFL<4.0；3.0<EFL*tan(HFOV)<8.0 （1）
条件式（1）优化了各透镜组的焦距分配，通过限制各组的焦距变化范围，使得系统整体的结构得到优化，合适的整体结构直接决定了系统的成像质量。如果不满足上述焦距范围，部分透镜组的面型将过度弯曲，部分间隔会非常近导致透镜边缘呈现交叠，严重影响边缘视场优化，而且还会出现部分透镜组间隔过大，大视场的光线从前组出射后无法入射到后组，导致无法进行大视场优化，整个像面成像质量会快速下降。另外，通过限定有效焦距与视场角的关系式，保证系统在变焦过程中保持大视场。
根据本实施例的变焦光学系统，满足下列条件式（2）：
-2.0<f1/EFL<-0.4；3.0<f2/EFL<8.0；1.0<f3/EFL<3.0；
1.5<f4/EFL<4.0；1.0<f5/EFL<2.5；-1.5<f6/EFL<-0.4；
1.0<f7/EFL<3.0；-0.8<fG1/fG2<-0.9；-2<fG3/fG4<-0.8 （2）
条件式（2）进一步优化了各透镜的焦距分配，合理的焦距分配降低了各个透镜像差和色差的敏感性，使得系统变焦的过程中保持较低的像差和色差。另外，变焦前组G1和补偿前组G2以及变焦后组G3和补偿后组G4在变焦的过程中对视场角的影响非常大，因此通过限定变焦前组G1和补偿前组G2焦距比值以及变焦后组G3和补偿后组G4焦距比值的范围限制变焦过程中对视场角的影响，保持大视场角成像。
根据本实施例的变焦光学系统，满足下列条件式（3）：
0.12<D1/TTL<0.18；0.10<D3/TTL<0.15；0.02<D5/TTL<0.03；0.03<D8/TTL<0.05；
0.06<D10/TTL<0.06；0.007<D12/TTL<0.009；0.12<D14/TTL<0.18； （3）
条件式（3）进一步优化了各透镜的厚度分配，厚度的分配使得变焦光学系统的两侧透镜厚度较大，中间透镜的厚度薄，有利于保护中间的薄透镜，并通过厚度的分配限制了系统的体积，避免变焦光学系统过大的体积。
根据本实施例的变焦光学系统，优选满足下列条件式(4)：
0.5<(R1-R2)/(R1+R2)<0.8；0.2<(R3-R4)/(R3+R4)<0.3；-1.0<(R5-R6)/(R5+R6)<-0.8；
1.2<(R8-R9)/(R8+R9)<2.0；-3<(R10-R11)/(R10+R11)<-2；-2<(R12-R13)/(R12+R13)<-1；
-8<(R14-R15)/(R14+R15)<-5 （4）
条件式（4）进一步优化了各透镜的面型，通过限定各透镜物侧面和像侧面的曲率半径，使得变焦过程中的像差变化进一步降低，稳定的像差有利于后续通过非球面进行定向的像差校正。
根据本实施例的变焦光学系统，优选满足下列条件式(5)：
1.5<δDG12/δDG23<2.0；0.2<δDG12/δDG23<0.3 （5）
条件式（5）进一步优化了变焦时的移动量，通过合理设计分配变焦过程中的移动量之比，使得系统变焦过程中的系统更加稳定，而且有利于减小系统的总长。
根据本实施例的变焦光学系统，优选满足变焦光学系统由广角端至望远端变化时，光阑也朝向物侧移动。
根据本实施例的变焦光学系统，优选满足下列条件式(6)：
FOV≥84°（6）
条件式（6）对视场角进行限制，进一步保证系统具有大视场。
表1为变焦光学系统的一组具体数据，系统的入瞳直径设为2.0，表中各移动组的距离以变焦光学系统的焦距处于中间端为例。
[表1]（长度单位：mm，波长设为F,d,C(可见)，中心波长587.6nm，OBJ为物面，STO为光阑，IMG为像面）
图2是本发明变焦光学系统一实施例在（a）广角端、（b）中间端和（c）望远端的光学布局图。从图中可以看出变焦过程中，变焦前组G1、补偿前组G2、变焦后组G3、补偿后组G4均朝向物侧移动。且变焦光学系统由广角端至望远端变化时，各视场的光线会逐渐远离光轴，使得系统的像高逐渐增大，边缘视场光线的成像质量会显著下降而使得系统的视场角减小。为了使得变焦光学系统由广角端至望远端变化的过程中视场角均保持较大的值，本实施例中光阑设置为可以移动，且变焦光学系统由广角端至望远端变化时，光阑也朝向物侧移动。具体变焦数据参见表2。
[表2]（长度单位：mm）
第一透镜L1至第七透镜L7均采用非球面降低像差。非球面采用偶次非球面，方程为：
;
其中，Z为弧矢，C为顶点曲率，r为到透镜表面中心的距离，k为圆锥系数，A4~A16为高次项系数。
表3为本实施例的非球面参数。
[表3]（长度单位：mm）
表4和表5为本实施例的部分光学条件式参数。
[表4]（长度单位：mm）
[表5]
各标记的含义如下：
EPD为入瞳直径，EFL为变焦光学系统的有效焦距，FOV为全视场角，HFOV为半视场角；TTL为变焦光学系统的总长，f1~f7为各透镜的焦距，fG1表示变焦前组G1的合焦距，fG2表示补偿前组G2的合焦距，fG3表示变焦后组G3的合焦距，fG4表示补偿后组G4的合焦距，fG5表示固定组G5的合焦距；D1为第一透镜在光轴上的厚度，D3为第二透镜在光轴上的厚度，D5为第三透镜在光轴上的厚度，D8为第四透镜在光轴上的厚度，D10为第五透镜在光轴上的厚度，D12为第六透镜在光轴上的厚度，D14为第七透镜在光轴上的厚度，D2为变焦前组G1和补偿前组G2在光轴上的间隔，D6为补偿前组G2和光阑在光轴上的间隔，D7为光阑和变焦后组G3在光轴上的间隔，D9为变焦后组G3和补偿后组G4在光轴上的间隔，D13为补偿后组G4和固定组G5在光轴上的间隔，Imgh为全像高，即成像面上对角线的距离，R1和R2分别为第一透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R3和R4分别为第二透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R5和R6分别为第三透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R8和R9分别为第四透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R10和R11分别为第五透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R12和R13分别为第六透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R14和R15分别为第七透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，δDG12为变焦光学系统由广角端至望远端变化时，变焦前组G1与补偿前组G2间隔的变化量，δDG23为变焦光学系统由广角端至望远端变化时，补偿前组G2与变焦后组G3间隔的变化量，δDG34为变焦光学系统由广角端至望远端变化时，变焦后组G3与补偿后组G4间隔的变化量，δDG45为变焦光学系统由广角端至望远端变化时，补偿后组G4与固定组G5间隔的变化量。
图3是本发明变焦光学系统一实施例在广角端的像面光迹图，图4是本发明变焦光学系统一实施例在中间端的像面光迹图，图5是本发明变焦光学系统一实施例在望远端的像面光迹图。从光迹图上可以看到变焦光学系统由广角端至望远端变化时，像高与焦距成比例增长，像面均匀性较高。
图6是本发明变焦光学系统一实施例在中间端的场曲和畸变图，其中（a）为场曲图，（b）为畸变图。
图7是本发明变焦光学系统一实施例在中间端的垂轴色差图。可以看到像差得到了良好的校正。
通过以上较佳的实施例，足见本发明的变焦光学系统获得了较好的成像质量，上述实施例只是示范性的，本领域的技术人员在不脱离本发明公开的范围下，可以对其进行修改和变型。
Claims (7)
1.一种变焦光学系统，包括由物侧至像侧依序排列的光焦度为负的变焦前组、光焦度为正的补偿前组、光焦度为正的变焦后组、光焦度为负的补偿后组和光焦度为正的固定组，其中，变焦前组包括第一透镜，补偿前组包括第二透镜和第三透镜，变焦后组包括第四透镜，补偿后组包括第五透镜和第六透镜，固定组包括第七透镜，光阑位于补偿前组与变焦后组之间；其特征在于：所述变焦光学系统由广角端至望远端变化时，变焦前组、补偿前组、变焦后组、补偿后组均朝向物侧移动；
其中：
第一透镜为负透镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
第二透镜为正透镜，物侧面为凹面，像侧面为凸面；
第三透镜为正透镜，物侧面为凸面，像侧面为凸面；
第四透镜为正透镜，物侧面为凸面，像侧面为凸面；
第五透镜为正透镜，物侧面为凸面，像侧面为凸面；
第六透镜为负透镜，物侧面为凹面，像侧面为凹面；
第七透镜为正透镜，物侧面为凸面，像侧面为凸面；
根据本发明的变焦光学系统，满足下列条件式：
-2.0<fG1/EFL<-0.5；0.5<fG2/EFL<2.0；1.0<fG3/EFL<5.0；-4.0<fG4/EFL<-1.0；
1.0<fG5/EFL<4.0；3.0<EFL*tan(HFOV)<8.0；
其中，fG1表示变焦前组的合焦距，fG2表示补偿前组的合焦距，fG3表示变焦后组的合焦距，fG4表示补偿后组的合焦距，fG5表示固定组的合焦距，EFL为变焦光学系统的有效焦距，HFOV为半视场角。
2.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于满足下列条件式：
-2.0<f1/EFL<-0.4；3.0<f2/EFL<8.0；1.0<f3/EFL<3.0；
1.5<f4/EFL<4.0；1.0<f5/EFL<2.5；-1.5<f6/EFL<-0.4；
1.0<f7/EFL<3.0；-0.8<fG1/fG2<-0.9；-2<fG3/fG4<-0.8；
其中，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f4为第四透镜的焦距，f5为第五透镜的焦距，f6为第六透镜的焦距，f7为第七透镜的焦距。
3.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于满足下列条件式：
0.12<D1/TTL<0.18；0.10<D3/TTL<0.15；0.02<D5/TTL<0.03；0.03<D8/TTL<0.05；
0.06<D10/TTL<0.06；0.007<D12/TTL<0.009；0.12<D14/TTL<0.18；
其中，D1为第一透镜在光轴上的厚度，D3为第二透镜在光轴上的厚度，D5为第三透镜在光轴上的厚度，D8为第四透镜在光轴上的厚度，D10为第五透镜在光轴上的厚度，D12为第六透镜在光轴上的厚度，D14为第七透镜在光轴上的厚度，TTL为变焦光学系统的总长。
4.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于满足下列条件式：
0.5<(R1-R2)/(R1+R2)<0.8；0.2<(R3-R4)/(R3+R4)<0.3；-1.0<(R5-R6)/(R5+R6)<-0.8；
1.2<(R8-R9)/(R8+R9)<2.0；-3<(R10-R11)/(R10+R11)<-2；-2<(R12-R13)/(R12+R13)<-1；
-8<(R14-R15)/(R14+R15)<-5；
R1和R2分别为第一透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R3和R4分别为第二透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R5和R6分别为第三透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R8和R9分别为第四透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R10和R11分别为第五透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R12和R13分别为第六透镜的物侧面和像侧面的曲率半径，R14和R15分别为第七透镜的物侧面和像侧面的曲率半径。
5.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于满足下列条件式：
1.5<δDG12/δDG23<2.0；0.2<δDG12/δDG23<0.3；
其中，δDG12为变焦光学系统由广角端至望远端变化时，变焦前组与补偿前组间隔的变化量，δDG23为变焦光学系统由广角端至望远端变化时，补偿前组与变焦后组间隔的变化量，δDG34为变焦光学系统由广角端至望远端变化时，变焦后组与补偿后组间隔的变化量，δDG45为变焦光学系统由广角端至望远端变化时，补偿后组与固定组间隔的变化量。
6.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于满足下列条件式：
FOV≥84°，FOV为全视场角。
7.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于：变焦光学系统由广角端至望远端变化时，光阑也朝向物侧移动。
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