CN117572612B - 变焦透镜系统和摄像机 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了变焦透镜系统和摄像机，变焦透镜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、第四透镜组和感光元件；光阑与第三透镜组的相对位置不变，第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组能够沿光轴方向前后移动变焦，变焦透镜系统的焦距在10.3‑106.3毫米之间变化，变焦透镜系统处于长焦端时的焦距ft和变焦透镜系统的光学总长TTL满足：。变焦透镜系统在广角端光圈F数为1.05且在长焦端光圈F数为3.5，实现了小体积、大光圈的变焦透镜系统。

Description

变焦透镜系统和摄像机

技术领域

本申请涉及光学成像技术领域，特别是涉及变焦透镜系统和摄像机。

背景技术

目前现有的光学系统由于其体积的限制，镜头的光圈较小，导致光学系统处于光线条件不足的环境中时由于进光量减少，使得成像效果差，无法满足正常的拍摄需求。目前具备大光圈的光学系统多为三倍变焦镜头，变焦范围小，无法满足对远距离范围的拍摄需求。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供变焦透镜系统和摄像机，以实现一种小体积大光圈的变焦透镜系统。具体技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种变焦透镜系统，所述变焦透镜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；

所述第二透镜组的光焦度为负，所述第一透镜组、第三透镜组和所述第四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和所述第四透镜组的焦距f4，满足：；/>；；所述变焦透镜系统处于长焦端时的焦距ft和所述变焦透镜系统处于短焦端时的焦距fw满足：/>；所述变焦透镜系统处于长焦端时的焦距ft和所述变焦透镜系统的光学总长TTL满足：/>。

在一种可能的实施方式中，所述变焦透镜系统处于短焦端时变焦至所述变焦透镜系统处于长焦端时，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，所述变焦透镜系统处于短焦端时变焦至所述变焦透镜系统处于长焦端时，所述第二透镜组的移动范围为0～17毫米。

在一种可能的实施方式中，所述变焦透镜系统处于短焦端时变焦至所述变焦透镜系统处于长焦端时，所述第三透镜组的移动范围为0～12.3毫米。

在一种可能的实施方式中，所述变焦透镜系统处于短焦端时变焦至所述变焦透镜系统处于长焦端时，所述第四透镜组的移动范围为0～7.7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、第二透镜和第三透镜，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且凸面朝向物方的弯月形球面透镜，所述第三透镜为光焦度为正且凸面朝向物方的弯月形球面透镜，所述第一透镜的像面与所述第二透镜的物面胶合；和/或

所述第二透镜组包括沿物方向像方依次设置的第四透镜、第五透镜和第六透镜，其中，所述第四透镜为光焦度为负的双凹球面透镜，第五透镜为光焦度为负的双凹球面透镜，所述第六透镜为光焦度为正的双凸球面透镜；和/或

所述第三透镜组包括沿物方向像方依次设置的第七透镜、第八透镜和第九透镜，其中，所述第七透镜为光焦度为正的双凸非球面透镜，所述第八透镜为光焦度为正的双凸球面透镜，所述第九透镜为光焦度为负且凹面朝向像方的球面透镜；和/或

所述第四透镜组包括沿物方向像方依次设置的第十透镜、第十一透镜和第十二透镜，所述第十透镜为光焦度为负且凹面朝向物方的球面透镜，所述第十一透镜为光焦度为正且凸面朝向像方的弯月形非球面透镜，所述第十二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，所述非球面透镜的表达式为：

;

其中，c为曲率半径，y为径向坐标，k为圆锥曲线系数，、/>、/>、/>、/>、/>、/>、为径向坐标系数。

在一种可能的实施方式中，所述变焦透镜系统还包括滤光片，所述滤光片位于所述第四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1/2.8英寸。

在一种可能的实施方式中，所述变焦透镜系统的变焦范围为10.3毫米-106.3毫米，所述变焦透镜系统处于广角端时的光圈数为1.05，且所述变焦透镜系统处于长焦端时的光圈数为3.5。

第二方面，本申请实施例提供了一种摄像机，所述摄像机具有如前述第一方面所述的变焦透镜系统。

本申请实施例有益效果：

本申请实施例提供的变焦透镜系统，采用本申请实施例提供的变焦透镜系统，通过两个变倍透镜组和一个聚焦透镜组相互配合的结构，一方面，将光阑设置在第三透镜组上随着变倍透镜组移动，光圈会随着第三透镜组向第一透镜组移动，减小了第一透镜组到光圈位置的光程和镜头前端口径，从而增加了通光量，提高了变焦透镜系统在光线不足时的低照效果。另一方面，变焦透镜系统处于长焦端时的焦距ft和变焦透镜系统的光学总长TTL满足：1≥TTL/ft≥0.75，减小了变焦透镜系统从短焦端到长焦端的长度，进而减小变焦透镜系统的体积，从而实现了大光圈、小体积的变焦透镜系统。

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透镜系统的示意图；

图2为本申请实施例提供的变焦透镜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透镜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透镜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透镜系统，变焦透镜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5、第三透镜组3、第四透镜组4和感光元件7；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；

第二透镜组2的光焦度为负，第一透镜组1、第三透镜组3和和第四透镜组4的光焦度为正；

光阑5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7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和第四透镜组4的焦距f4，满足：；/>；/>；变焦透镜系统处于长焦端时的焦距ft和变焦透镜系统处于短焦端时的焦距fw满足：；变焦透镜系统处于长焦端时的焦距ft和变焦透镜系统的光学总长TTL满足：。

其中，光阑5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。

采用本申请实施例提供的变焦透镜系统，通过两个变倍透镜组和一个聚焦透镜组相互配合的结构，一方面，将光阑设置在第三透镜组上随着变倍透镜组移动，光圈会随着第三透镜组向第一透镜组移动，减小了第一透镜组到光圈位置的光程和镜头前端口径，从而增加了通光量，提高了变焦透镜系统在光线不足时的低照效果。示例性的，变焦透镜系统处于短焦端时的光圈为1.05，且变焦透镜系统处于长焦端时的光圈数为3.5，相较于现有技术中变焦透镜系统处于短焦端时的光圈通常为1.6甚至为2，实现了大光圈的变焦透镜系统。

另一方面，变焦透镜系统处于长焦端时的焦距ft和变焦透镜系统的光学总长TTL满足：，减小了变焦透镜系统从短焦端到长焦端的长度，进而减小变焦透镜系统的体积，从而实现了大光圈、小体积的变焦透镜系统。

其中，短焦端和长焦端是变焦透镜系统的两种状态，通过调整各透镜组的位置可以使得变焦透镜系统处于短焦端或者处于长焦端，还可以使得变焦透镜系统处于其他状态，例如中间端。短焦端也称广角端，变焦透镜系统处于短焦端时变焦透镜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，变焦透镜系统处于长焦端时变焦透镜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；中间端是变焦透镜系统介于长焦端和短焦端时的状态。变焦透镜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透镜系统系统变焦，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，有效的减小变焦透镜系统的总体长度。

在一种可能的实施例中，变焦透镜系统的变焦范围为10.3毫米-106.3毫米，变焦透镜系统处于广角端时的光圈数为1.05，且变焦透镜系统处于长焦端时的光圈数为3.5，实现10倍变焦；水平视场角范围为7.6°（长焦端）~30.6°（短焦端），拍摄范围广，当变焦透镜系统处于短焦端时，即使拍摄距离为0.5米，变焦透镜系统也能清晰的拍摄到画面，当变焦透镜系统处于长焦端时，即使拍摄距离为1米，变焦透镜系统也能清晰的拍摄到画面，因此，本申请实施例中的变焦透镜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7的尺寸为1/2.8英寸。

以感光元件7采用对角尺寸为6.7毫米的1/2.8的CCD为例，本申请实施例中的变焦透镜系统像元尺寸为2微米，变焦透镜系统的中心分辨率高于250 lp/mm(线对/毫米)，且周边0.8H（80%对角线位置）分辨率高于175 lp/mm。这与现有的分辨率为720P、1080P的镜头相比，分辨率高。

为方便描述，将变焦透镜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，并将变焦透镜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。

则在变焦透镜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为变焦透镜系统处于短焦端时的示意图，图3为变焦透镜系统处于中间端时的示意图，图4为变焦透镜系统变焦透镜系统处于长焦端时的示意图，变焦透镜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的均可以沿着光轴移动。

在一种可能的实施方式中，变焦透镜系统处于短焦端时变焦至变焦透镜系统处于长焦端时，第二透镜组2的移动范围为0～17毫米；第三透镜组3的移动范围为0～12.3毫米；第四透镜组4的移动范围为0～7.7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透镜系统处于短焦端时变焦至变焦透镜系统处于长焦端时，透镜组沿着光轴向物方的最大位移。示例性的，变焦透镜系统当前处于初始状态，即处于短焦端，若将变焦透镜系统进行变焦至变焦透镜系统处于长焦端，则调节第二透镜组2沿着光轴S向物方移动，第二透镜组2移动的最大距离为17毫米。

采用本申请实施例，第二透镜组2、第三透镜组3沿着光轴前后移动，由于光阑5固定在第三透镜组3上，第四透镜组4随着第二透镜组2、第三透镜组3的移动而移动并进行对焦，使得变焦透镜系统的焦距在10.3毫米-106.3毫米之间变化。

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和第三透镜13，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为光焦度为正且凸面朝向物方的弯月形球面透镜，第三透镜13为光焦度为正且凸面朝向物方的弯月形球面透镜，第一透镜11的像面与第二透镜12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四透镜21、第五透镜22和第六透镜23，其中，第四透镜21为光焦度为负的双凹球面透镜，第五透镜22为光焦度为负的双凹球面透镜，第六透镜23为光焦度为正的双凸球面透镜；和/或

第三透镜组3包括沿物方向像方依次设置的第七透镜31、第八透镜32和第九透镜33，其中，第七透镜31为光焦度为正的双凸非球面透镜，第八透镜32为光焦度为正的双凸球面透镜，第九透镜33为光焦度为负且凹面朝向像方的球面透镜；和/或

第四透镜组4包括沿物方向像方依次设置的第十透镜41、第十一透镜42和第十二透镜43，第十透镜41为光焦度为负且凹面朝向物方的球面透镜，第十一透镜42为光焦度为正且凸面朝向像方的弯月形非球面透镜，第十二透镜43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，非球面透镜能够进行球面像差校正，还能减少镜片的像差，使视觉更清晰，并在高光度下也能获得清晰的图像。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中第六透镜23为双凸球面透镜，其像面和物面均向透镜外侧突出，图2中的第七透镜31为双凸非球面透镜，其物面向透镜外侧突出，像面相对平整；双凹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中第五透镜22为双凹球面透镜，其物面和像面均向透镜内侧凹陷，图2中的第四透镜21为双凹球面透镜，其像面向透镜内侧明显凹陷，物面相对平整。

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，使用十枚球面透镜和两枚非球面透镜，降低了成本和生产工艺复杂度，并且，采用非球面透镜可以更好地控制光线的传播，从而减小变焦透镜系统的畸变。

在一种可能的实施方式中，如图2所示，变焦透镜系统还包括滤光片6，滤光片6位于第四透镜组4和感光元件7之间。

滤光片6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6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，通过在第四透镜组4和感光元件7之间设置滤光片6，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。

在一种可能的实施方式中，前述非球面透镜的表达式为：

;

其中，c为曲率半径，y为径向坐标，k为圆锥曲线系数，、/>、/>、/>、/>、/>、/>、为径向坐标系数。通过设置/>、/>、/>等径向坐标系数，可以精确设定非球面的形状尺寸。

其中，k的取值范围不同，上述表达式表示的面形形状不同。具体的，当k＜-1时，面形形状为双曲线；当k=-1时，面形形状为抛物线；当-1＜k＜0时，面形形状为椭圆；当k=0时，面形曲线为圆形；当k＞0时，面形曲线为扁圆形。

在一种具体实施例中，变焦透镜系统采用了如图2所示的结构，各透镜的参数如表1所示，第七透镜31和第十一透镜42的非球面参数如表2所示，变焦透镜系统的光学参数如表3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，第一透镜11的像面与第二透镜12的物面胶合，则编号P2既表示第一透镜11的像面，又表示第二透镜12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 非球面参数

表3 光学参数

在一种可能的实施方式中，为了简化计算，上述非球面透镜的非球面表达式可以简化为：

;

对应于前述变焦透镜系统，本申请实施例还提供了一种摄像机，所述摄像机具有如前述第一方面所述的变焦透镜系统。由于摄像机具有如前述第一方面所述的变焦透镜系统，因此能够实现前述变焦透镜系统所能实现的技术效果。

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)

1.一种变焦透镜系统，其特征在于，所述变焦透镜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；

所述第二透镜组的光焦度为负，所述第一透镜组、第三透镜组和所述第四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满足： ；/>；；所述变焦透镜系统处于长焦端时的焦距ft和所述变焦透镜系统处于短焦端时的焦距fw满足：/>；所述变焦透镜系统处于长焦端时的焦距ft和所述变焦透镜系统的光学总长TTL满足：/>。

2.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，所述变焦透镜系统处于短焦端时变焦至所述变焦透镜系统处于长焦端时，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所述的变焦透镜系统，其特征在于，所述变焦透镜系统处于短焦端时变焦至所述变焦透镜系统处于长焦端时，所述第二透镜组的移动范围为0～17毫米。

4.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，所述变焦透镜系统处于短焦端时变焦至所述变焦透镜系统处于长焦端时，所述第三透镜组的移动范围为0～12.3毫米。

5.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，所述变焦透镜系统处于短焦端时变焦至所述变焦透镜系统处于长焦端时，所述第四透镜组的移动范围为0～7.7毫米。

6.根据权利要求1-2任一项所述的变焦透镜系统，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、第二透镜和第三透镜，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且凸面朝向物方的弯月形球面透镜，所述第三透镜为光焦度为正且凸面朝向物方的弯月形球面透镜，所述第一透镜的像面与所述第二透镜的物面胶合；和/或

所述第二透镜组包括沿物方向像方依次设置的第四透镜、第五透镜和第六透镜，其中，所述第四透镜为光焦度为负的双凹球面透镜，第五透镜为光焦度为负的双凹球面透镜，所述第六透镜为光焦度为正的双凸球面透镜；和/或

所述第三透镜组包括沿物方向像方依次设置的第七透镜、第八透镜和第九透镜，其中，所述第七透镜为光焦度为正的双凸非球面透镜，所述第八透镜为光焦度为正的双凸球面透镜，所述第九透镜为光焦度为负且凹面朝向像方的球面透镜；和/或

所述第四透镜组包括沿物方向像方依次设置的第十透镜、第十一透镜和第十二透镜，所述第十透镜为光焦度为负且凹面朝向物方的球面透镜，所述第十一透镜为光焦度为正且凸面朝向像方的弯月形非球面透镜，所述第十二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所述的变焦透镜系统，其特征在于，所述非球面透镜的表达式为：

;

其中，c为曲率半径，y为径向坐标，k为圆锥曲线系数，、/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>为径向坐标系数。

8.根据权利要求6所述的变焦透镜系统，其特征在于，所述变焦透镜系统还包括滤光片，所述滤光片位于所述第四透镜组和所述感光元件之间。

9.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，所述感光元件的尺寸为1/2.8英寸。

10.一种摄像机，其特征在于，所述摄像机具有如权利要求1所述的变焦透镜系统。