CN117348219A - 变焦光学系统 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种变焦光学系统，变焦光学系统从物方向像方依次设置有第一透镜组、第二透镜组、光阑、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组和感光元件；第二透镜组、第三透镜组为变倍透镜组，第四透镜组为聚焦透镜组；第一透镜组和第二透镜组的光焦度为负，变焦光学系统的焦距在6.1毫米‑18.4毫米之间变化，变焦光学系统处于短焦端时的水平视场角大于100°；变焦光学系统处于长焦端时的焦距ft和变焦光学系统的光学总长TTL满足：8≥TTL/ft≥7。变焦光学系统处于短焦端时的光圈数为1且处于长焦端时的光圈数为1.2，提高了变焦光学系统的适用性。
Description
技术领域
本申请涉及光学成像技术领域，特别是涉及一种变焦光学系统。
背景技术
目前现有的光学系统由于其体积和成本限制，当光学系统处于短焦端时拍摄角度较小，并且现有光学系统中的光圈较小，导致光学系统的拍摄效果更差，无法满足正常的拍摄需求。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种变焦光学系统，以实现一种大光圈大角度的变焦光学系统。具体技术方案如下：
本申请实施例提供了一种变焦光学系统，所述光学系统从物方向像方依次设置有第一透镜组、第二透镜组、光阑、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组和感光元件；其中所述第二透镜组、所述第三透镜组为变倍透镜组，所述第四透镜组为聚焦透镜组；
所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述第四透镜组的光焦度为负，所述第三透镜组和所述第五透镜组的光焦度为正；
所述光阑与所述第三透镜组的相对位置不变，所述第二透镜组、所述第三透镜组和所述第四透镜组能够沿光轴方向前后移动，以使可见光在所述感光元件成像；
其中，所述第一透镜组的焦距f1、所述第二透镜组的焦距f2、所述第三透镜组的焦距f3、所述第四透镜组的焦距f4和所述第五透镜组的焦距f5，满足：7.5≥f2/f1≥7；-0.8≥f3/f1≥-1.5；27≥f4/f1≥25；-1≥f5/f1≥-1.8；所述变焦光学系统处于长焦端时的焦距ft和所述变焦光学系统处于短焦端时的焦距fw满足：ft/fw≥3，其中，所述变焦光学系统处于短焦端时的水平视场角大于100°；所述变焦光学系统处于长焦端时的焦距ft和所述变焦光学系统的光学总长TTL满足：8≥TTL/ft≥7。
在一种可能的实施方式中，所述变焦光学系统处于短焦端时变焦至所述变焦光学系统处于长焦端时，所述第二透镜组的移动距离m1、所述第三透镜组的移动距离m2满足：
在一种可能的实施方式中，所述变焦光学系统处于短焦端时变焦至所述变焦光学系统处于长焦端时，所述第二透镜组的移动范围为0～25.8毫米。
在一种可能的实施方式中，所述变焦光学系统处于短焦端时变焦至所述变焦光学系统处于长焦端时，所述第三透镜组的移动范围为0～38.8毫米。
在一种可能的实施方式中，所述变焦光学系统处于短焦端时变焦至所述变焦光学系统处于长焦端时，所述第四透镜组的移动范围为0～3.8毫米。
在一种可能的实施方式中，所述第一透镜组包括沿物方向像方依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中，所述第一透镜为光焦度为负且凹面朝向像方的球面透镜，所述第二透镜为光焦度为正的双凸球面透镜，所述第三透镜为光焦度为负的双凹球面透镜，所述第四透镜为光焦度为正且凸面朝向物方的弯月形球面透镜，所述第二透镜的像面和所述第三透镜的物面胶合；和/或
所述第二透镜组包括沿物方向像方依次设置的第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜，其中，所述第五透镜为光焦度为正且凸面朝向像方的弯月形球面透镜，所述第六透镜为光焦度为负且凹面朝向物方的球面透镜，所述第七透镜为光焦度为正的双凸球面透镜，所述第八透镜为光焦度为负的双凹球面透镜；和/或
所述第三透镜组包括沿物方向像方依次设置的第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜，其中，所述第九透镜、所述第十透镜和所述第十二透镜为光焦度为正的双凸球面透镜，所述第十一透镜为光焦度为负的双凹球面透镜；和/或
所述第四透镜组包括第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜和第十六透镜，所述第十三透镜和所述第十六透镜为光焦度为正的双凸球面透镜，所述第十四透镜和所述第十五透镜为光焦度为负且凹面朝向物方的球面透镜；和/或
所述第五透镜组包括沿物方向像方依次设置的第十七透镜、第十八透镜和第十九透镜，其中，所述第十七透镜为光焦度为负且凹面朝向像方的球面透镜，所述第十八透镜为光焦度为正的双凸球面透镜，所述第十九透镜为光焦度为正且凸面朝向物方的弯月形球面透镜。
在一种可能的实施方式中，所述变焦光学系统还包括滤光片，所述滤光片位于所述第五透镜组和所述感光元件之间。
在一种可能的实施方式中，所述感光元件的尺寸为1/1.2英寸。
在一种可能的实施方式中，所述变焦光学系统的变焦范围为6.1毫米-18.4毫米。
在一种可能的实施方式中，所述变焦光学系统处于短焦端时的光圈数为1，且所述变焦光学系统处于长焦端时的光圈数为1.2。
本申请实施例有益效果：
本申请实施例提供的一种变焦光学系统，采用了两个变倍透镜组和一个聚焦透镜组相互配合的结构，将光阑设置在第三透镜组上随着变倍透镜组移动，光学系统的焦距可以随着各变倍透镜组位置的变化而发生变化，减小了第一透镜组到光圈位置的光程和镜头前端口径，从而实现该变焦光学系统从短焦端变焦长焦端这一过程中全程大光圈的特点，增加了通光量，提高了变焦光学系统在夜晚或光线不足时的低照效果，并且使得变焦光学系统处于短焦端时的水平视场角大于100°，增大了变焦光学系统的拍摄角度，同时减小了光学系统从短焦端到长焦端的长度，进而减小光学系统的体积，从而实现了大光圈、大角度的变焦光学系统。
当然，实施本申请的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为本申请实施例提供的变焦光学系统的示意图；
图2为本申请实施例提供的变焦光学系统处于短焦端时的示例图；
图3为本申请实施例提供的变焦光学系统处于中间端时的示例图；
图4为本申请实施例提供的变焦光学系统处于长焦端时的示例图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员基于本申请所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，本申请实施例提供了一种变焦光学系统，变焦光学系统从物方向像方依次设置有第一透镜组1、第二透镜组2、光阑6、第三透镜组3、第四透镜组4、第五透镜组5和感光元件8；其中第二透镜组2、第三透镜组3为变倍透镜组，第四透镜组4为聚焦透镜组；
第一透镜组1、第二透镜组2和第四透镜组4的光焦度为负，第三透镜组3和第五透镜组5的光焦度为正；
光阑6与第三透镜组3的相对位置不变，第二透镜组2、第三透镜组3和第四透镜组4能够沿光轴方向前后移动，以使可见光在感光元件8成像；
其中，第一透镜组1的焦距f1、第二透镜组2的焦距f2、第三透镜组3的焦距f3、第四透镜组4的焦距f4和第五透镜组5的焦距f5，满足：7.5≥f2/f1≥7；-0.8≥f3/f1≥-1.5；27≥f4/f1≥25；-1≥f5/f1≥-1.8；变焦光学系统处于长焦端时的焦距ft和变焦光学系统处于短焦端时的焦距fw满足：ft/fw≥3，其中，变焦光学系统处于短焦端时的水平视场角大于100°；变焦光学系统处于长焦端时的焦距ft和变焦光学系统的光学总长TTL满足：8≥TTL/ft≥7。
其中，光阑6是用于控制入射光束的大小。
物方是指靠近物体所在的一侧，像方是指靠近像平面所在的一侧。透镜通常具有像面和物面，像面是指透镜的靠近物体的面，像面是指通过透镜能成像的面。变倍透镜组是指放大倍数可以在一定范围内连续调节的透镜组。
采用本申请实施例，本申请实施例提供的一种变焦光学系统，采用了两个变倍透镜组和一个聚焦透镜组相互配合的结构，将光阑6设置在第三透镜组3上随着变倍透镜组移动，变焦光学系统的焦距可以随着各变倍透镜组位置的变化而发生变化，减小了第一透镜组1到光圈位置的光程和镜头前端口径，从而实现该变焦光学系统从短焦端变焦长焦端这一过程中全程大光圈的特点，增加了通光量，提高了变焦光学系统在夜晚或光线不足时的低照效果，并且使得变焦光学系统处于短焦端时的水平视场角大于100°，增大了变焦光学系统的拍摄角度，同时减小了光学系统从短焦端到长焦端的长度，进而减小光学系统的体积，从而实现了大光圈、大角度的变焦光学系统。
示例性的，变焦光学系统处于短焦端时的光圈数为1，且变焦光学系统处于长焦端时的光圈数为1.2，实现了变焦光学系统从短焦端变化至长焦端的过程中全程大光圈的特点。
其中，短焦端和长焦端是变焦光学系统的两种状态，通过调整各透镜组的位置可以使得变焦光学系统处于短焦端或者处于长焦端，还可以使得变焦光学系统处于其他状态，例如中间端。短焦端也称广角端，变焦光学系统处于短焦端时变焦光学系统的取景的角度比较广，所成像中包含的信息量大；长焦端又称远摄端，变焦光学系统处于长焦端时变焦光学系统的取景的角度狭窄，可以将远处的物体拉近，所成像中包含的信息量较少；中间端是变焦光学系统介于长焦端和短焦端时的状态。变焦光学系统的初始状态为处于短焦端。
在一种可能的实施例中，各透镜组设置在固定长度的镜筒中，通过调节各透镜组，使得各透镜组在镜筒内沿着镜筒壁移动实现光学系统变焦，相较于现有技术中通过调节镜筒长度来带动各透镜组移动，有效的减小变焦光学系统的总体长度。
在一种可能的实施例中，变焦光学系统的变焦范围为6.1毫米-18.4毫米，实现3倍变焦；水平视场角范围为27°(长焦端)～105°(短焦端)，拍摄范围广，当变焦光学系统处于短焦端时，即使拍摄距离为1米，变焦光学系统也能清晰的拍摄到画面，当变焦光学系统处于长焦端时，即使拍摄距离为1.5米，变焦光学系统也能清晰的拍摄到画面，因此，本申请实施例中的变焦光学系统可以适用于多种环境。
在一种可能的实施例中，感光元件8的尺寸为1/1.2英寸。
以感光元件8采用对角尺寸为13.1毫米的1/1.2英寸的CCD为例，本申请实施例中的变焦光学系统可以实现大的靶面，像元尺寸为2.9微米，大尺寸的像元使低照效果提高，因此1/1.2英寸的CCD优于1/1.8英寸的CCD，变焦光学系统的中心分辨率高于172lp/mm(线对/毫米)，且周边0.8H(80％对角线位置)分辨率高于125lp/mm。这与现有的分辨率为720P、1080P、4M的镜头相比，分辨率高。
为方便描述，将变焦光学系统处于短焦端时第二透镜组2所处的位置记为x1，第三透镜组3所处的位置记为x2，并将变焦光学系统处于长焦端时第二透镜组2所处的位置即为y1，第三透镜组3所处的位置记为y2。
则在变焦光学系统从短焦端变化至长焦端的过程中，第二透镜组2移动的距离为|x1-y1|(下文记为m1)，第三透镜组3移动的距离为|x2-y2|(下文记为m2)。
在一种可能的实施例中，m1、m2与透镜组的焦距需要满足一定的约束条件，示例性，需要满足以下约束条件：
如图2、图3和图4所示，图2为变焦光学系统处于短焦端时的示意图，图3为变焦光学系统处于中间端时的示意图，图4为变焦光学系统变焦光学系统处于长焦端时的示意图，变焦光学系统处于短焦端变焦至处于长焦端的过程中，第二透镜组2、第三透镜组3和第四透镜组4的均朝向第一透镜组1移动。
在一种可能的实施方式中，变焦光学系统处于短焦端时变焦至变焦光学系统处于长焦端时，第二透镜组2的移动范围为0～25.8毫米；第三透镜组3的移动范围为0～38.8毫米；第四透镜组4的移动范围为0～3.8毫米。
其中，透镜组的移动范围是0到最大可移动距离，最大可移动距离是指变焦光学系统处于短焦端时变焦至变焦光学系统处于长焦端时，透镜组沿着光轴向像方的最大位移。示例性的，变焦光学系统当前处于初始状态，即处于短焦端，若将变焦光学系统进行变焦至光学系统处于长焦端，则调节第二透镜组2沿着光轴S向像方移动，第二透镜组2移动的最大距离为25.8毫米。
采用本申请实施例，第二透镜组2、第三透镜组3和第四透镜组4沿着光轴前后移动，相较于传统镜头，变焦光学镜头处于长焦端，在相同光圈大小时，光圈会随着第三透镜组3向第一透镜组1的方向移动，从第一透镜组1到达光圈位置的光程减小，前群镜片口径大大减小。
在一种可能的实施方式中，第一透镜组1包括沿物方向像方依次设置的第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13和第四透镜14，其中，第一透镜11为光焦度为负且凹面朝向像方的球面透镜，第二透镜12为光焦度为正的双凸球面透镜，第三透镜13为光焦度为负的双凹球面透镜，第四透镜14为光焦度为正且凸面朝向物方的弯月形球面透镜，第二透镜12的像面和第三透镜13的物面胶合；和/或
第二透镜组2包括沿物方向像方依次设置的第五透镜21、第六透镜22、第七透镜23和第八透镜24，其中，第五透镜21为光焦度为正且凸面朝向像方的弯月形球面透镜，第六透镜22为光焦度为负且凹面朝向物方的球面透镜，第七透镜23为光焦度为正的双凸球面透镜，第八透镜24为光焦度为负的双凹球面透镜；和/或
第三透镜组3包括沿物方向像方依次设置的第九透镜31、第十透镜32、第十一透镜33和第十二透镜34，其中，第九透镜31、第十透镜32和第十二透镜34为光焦度为正的双凸球面透镜，第十一透镜33为光焦度为负的双凹球面透镜；和/或
第四透镜组4包括第十三透镜41、第十四透镜42、第十五透镜43和第十六透镜44，第十三透镜41和第十六透镜44为光焦度为正的双凸球面透镜，第十四透镜42和第十五透镜43为光焦度为负且凹面朝向物方的球面透镜；和/或
第五透镜组5包括沿物方向像方依次设置的第十七透镜51、第十八透镜52和第十九透镜53，其中，第十七透镜51为光焦度为负且凹面朝向像方的球面透镜，第十八透镜52为光焦度为正的双凸球面透镜，第十九透镜53为光焦度为正且凸面朝向物方的弯月形球面透镜。
其中，非球面透镜是从中心到边缘，曲率连续发生变化的透镜，凹透镜是中央较薄，边缘较厚光焦度为负的透镜，凸透镜是中央较厚，边缘较薄光焦度为正的透镜，弯月形球面透镜是边缘较薄，且两侧均向同侧凸起的透镜。
双凸面透镜可以是两面中央均向透镜外侧明显突出的凸透镜，也可以是只有一面中央向透镜外侧明显突出、另一面相对平整的凸透镜，例如图2中的第十六透镜44为双凸面球面透镜，其像面相对平整，物面向物方突出；双凹面透镜可以是两面中央均向透镜内侧明显凹陷的凹透镜，也可以是只有一面中央向透镜内侧明显凹陷、另一面相对平整的凹透镜，例如图2中的第八透镜24为双凹面球面透镜，其物面和像面均向透镜内侧凹陷。
将两个透镜胶合是使用透明胶将两个透镜进行粘合，或者使用现有手段将两个透镜固定为一体。
采用本申请实施例，使用十九枚球面透镜，降低了成本和生产工艺复杂度。
在一种可能的实施方式中，如图2所示，变焦光学系统还包括滤光片7，滤光片7位于第五透镜组5和感光元件8之间。
滤光片7的作用为消除红外线、修正入射的光线。在一种可能的实施例中，滤光片7采用石英滤光片，利用适应的物理偏振保持入射光的直射部分，反射斜射部分。
采用本申请实施例，通过在第五透镜组5和感光元件8之间设置滤光片7，能够过滤所需波段之外的光线，避免所需波段之外的光线产生干扰。
在一种具体实施例中，变焦光学系统采用了如图2所示的结构，各透镜的参数如表1所示，变焦光学系统的光学参数如表2所示，表1中各面编号对应图2中编号为p1、p2、p3……的表面，若相邻的两枚透镜的物面和像面胶合，则使用同一个编号来表示胶合的物面和像面，例如，第二透镜12的像面与第三透镜13的物面胶合，则编号p4既表示第二透镜12的像面，又表示第三透镜13的物面。另外，表1中厚度是指透镜的中心厚度。
表1各透镜的参数
表2光学参数
| 短焦端 | 中间端 | 长焦端 | |
| 焦距f(mm) | 4.15 | 10 | 12.5 |
| F#(mm) | 1. | 1.1 | 1.2 |
| 像高(mm) | 9.3 | 9.3 | 9.3 |
| D(1)(mm) | 4.218 | 6.909 | 2.530 |
| D(2)(mm) | 25.265 | 2.947 | 2.152 |
| D(3)(mm) | 0.6 | 14.568 | 21.835 |
| D(4)(mm) | 2.421 | 8.079 | 5.987 |
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围内。
Claims (10)
1.一种变焦光学系统，其特征在于，所述光学系统从物方向像方依次设置有第一透镜组、第二透镜组、光阑、第三透镜组、第四透镜组、第五透镜组和感光元件；其中所述第二透镜组、所述第三透镜组为变倍透镜组，所述第四透镜组为聚焦透镜组；
所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述第四透镜组的光焦度为负，所述第三透镜组和所述第五透镜组的光焦度为正；
所述光阑与所述第三透镜组的相对位置不变，所述第二透镜组、所述第三透镜组和所述第四透镜组能够沿光轴方向前后移动，以使可见光在所述感光元件成像；
其中，所述第一透镜组的焦距f1、所述第二透镜组的焦距f2、所述第三透镜组的焦距f3、所述第四透镜组的焦距f4和所述第五透镜组的焦距f5，满足：7.5≥f2/f1≥7；-0.8≥f3/f1≥-1.5；27≥f4/f1≥25；-1≥f5/f1≥-1.8；所述变焦光学系统处于长焦端时的焦距ft和所述变焦光学系统处于短焦端时的焦距fw满足：ft/fw≥3，其中，所述变焦光学系统处于短焦端时的水平视场角大于100°；所述变焦光学系统处于长焦端时的焦距ft和所述变焦光学系统的光学总长TTL满足：8≥TTL/ft≥7。
2.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，所述变焦光学系统处于短焦端时变焦至所述变焦光学系统处于长焦端时，所述第二透镜组的移动距离m1、所述第三透镜组的移动距离m2，满足：
3.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，所述变焦光学系统处于短焦端时变焦至所述变焦光学系统处于长焦端时，所述第二透镜组的移动范围为0～25.8毫米。
4.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，所述变焦光学系统处于短焦端时变焦至所述变焦光学系统处于长焦端时，所述第三透镜组的移动范围为0～38.8毫米。
5.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，所述变焦光学系统处于短焦端时变焦至所述变焦光学系统处于长焦端时，所述第四透镜组的移动范围为0～3.8毫米。
6.根据权利要求1-2任一项所述的变焦光学系统，其特征在于，所述第一透镜组包括沿物方向像方依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中，所述第一透镜为光焦度为负且凹面朝向像方的球面透镜，所述第二透镜为光焦度为正的双凸球面透镜，所述第三透镜为光焦度为负的双凹球面透镜，所述第四透镜为光焦度为正且凸面朝向物方的弯月形球面透镜，所述第二透镜的像面和所述第三透镜的物面胶合；和/或
所述第二透镜组包括沿物方向像方依次设置的第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜，其中，所述第五透镜为光焦度为正且凸面朝向像方的弯月形球面透镜，所述第六透镜为光焦度为负且凹面朝向物方的球面透镜，所述第七透镜为光焦度为正的双凸球面透镜，所述第八透镜为光焦度为负的双凹球面透镜；和/或
所述第三透镜组包括沿物方向像方依次设置的第九透镜、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜，其中，所述第九透镜、所述第十透镜和所述第十二透镜为光焦度为正的双凸球面透镜，所述第十一透镜为光焦度为负的双凹球面透镜；和/或
所述第四透镜组包括第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜和第十六透镜，所述第十三透镜和所述第十六透镜为光焦度为正的双凸球面透镜，所述第十四透镜和所述第十五透镜为光焦度为负且凹面朝向物方的球面透镜；和/或
所述第五透镜组包括沿物方向像方依次设置的第十七透镜、第十八透镜和第十九透镜，其中，所述第十七透镜为光焦度为负且凹面朝向像方的球面透镜，所述第十八透镜为光焦度为正的双凸球面透镜，所述第十九透镜为光焦度为正且凸面朝向物方的弯月形球面透镜。
7.根据权利要求6所述的变焦光学系统，其特征在于，所述变焦光学系统还包括滤光片，所述滤光片位于所述第五透镜组和所述感光元件之间。
8.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，所述感光元件的尺寸为1/1.2英寸。
9.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，所述变焦光学系统的变焦范围为6.1毫米-18.4毫米。
10.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于，所述变焦光学系统处于短焦端时的光圈数为1，且所述变焦光学系统处于长焦端时的光圈数为1.2。
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