CN206906685U - 紧凑型连续变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光电技术领域，涉及一种摄影物镜光学系统，具体涉及一种紧凑型连续变焦光学系统。该光学系统包括由物面至焦面依次同轴设置的前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组、光阑和后固定镜组。本实用新型在全变焦段范围内，均可实现高清成像，可实现大于20倍的连续变倍功能。在焦距连续变化的过程中，所有焦距中心视场及边缘视场均具有较好的成像质量。由变倍镜组和补偿镜组组成的变焦核，按设计给定的运动规律连续运动，在内变焦过程中始终在光轴上前后移动，变倍时光圈F数恒定不变，总长固定不变，质心变化较小，系统体积小，结构紧凑。

Description

紧凑型连续变焦光学系统

技术领域

本实用新型属于光电技术领域，涉及一种摄影物镜光学系统，具体涉及一种紧凑型连续变焦光学系统。

背景技术

近年来，用于成像探测的固态成像传感器飞速发展，探测灵敏度不断提高，大面阵、小像元图像传感器逐渐成为主流，成像设备的小型化、高清化、多用途化成为可能。摄影物镜光学系统是成像设备的核心，为了满足市场对小型化成像设备日益严格的技术要求，尤其是对于光电成像载荷旧产品的换代升级、新产品的试制开发，采用小像元高灵敏度图像传感器后，可有效减小成像设备的体积重量，提高整机性能。因此，开发紧凑型具备大变倍比、可高清成像的连续变焦光学系统变得十分迫切和重要。

摄远型光学系统凭借其结构紧凑的优点，在要求严格的成像设备中应用广泛。但该类系统的固有缺点，如：系统主要光焦度集中在系统前部，球差、轴上色差尤其是二级光谱等轴向像差的校正难度大；光焦度前后分离，轴外像差尤其是垂轴色差、畸变等严重限制了成像视场角；特别是当要求这类系统与高清相机适配时，更增加了设计难度。现有技术中采用摄远型结构的连续变焦光学系统要么变倍比小，要么体积大，要么作用距离近，无法满足轻小型光电成像载荷日益严格的技术要求。

2010年12月刊载于《光子学报》第39卷第1期的名称为《一种8倍可见光变焦光学系统设计》的中国文献，公开了一种摄远型连续变焦光学系统设计，采用了典型的摄远型光学结构。适配焦面大小为1/3”，可实现从6.5～52mm的连续变焦功能，但其系统总长达到115mm，远摄比为2.3，若要应用在更长焦距、更大变倍比的光学系统设计时，光学系统体积较难实现紧凑化或小型化。

中国专利申请CN103777331A(公开日：2014年5月7日)公开了一种紧凑型大变倍比高分辨率变焦镜头，采用与上述文献类似的光学结构。虽然适配焦面大小为1/2.5”，具备从4.7～87.6mm达18倍的连续变焦功能，但总长为90mm，远摄比为0.97，且长焦焦距为87.6mm，与上述文献中公开的光学设计有类似的问题。

中国专利申请CN101887164A(公开日：2010年11月17日)公开了一种双波段光学镜头，虽然结构紧凑小巧，但是只能实现焦距5～50mm的10倍光学变焦，长焦焦距较小而且变焦倍数较低。

2013年3月，刊载于《应用光学》第34卷第2期的中国文献《一种高分辨率电视制导连续变焦光学系统》公开了一种摄远型连续变焦光学系统，适配1/1.8”图像传感器，F数为3.5，可实现焦距范围为40～152mm的3.8倍连续变焦，总长为160mm，远摄比为0.95。其中，变倍组采用了三分离的结构，长度较长，若要用于更大变倍比光学系统的设计时，难以做到小型化。

中国专利申请CN105807411A(公开日：2016年7月27日)，公开了一种紧凑型透雾高清电视变焦镜头，同样采用了摄远型光学结构，具备光学透雾功能，实现了14～86mm的连续变焦，总长为83mm，远摄比为1.04。该专利申请提供的光学系统体积较为紧凑，但是长焦焦距较短，变焦倍数也较低。

美国专利申请US005815322A(公开日：1998年9月29日)公开了一种连续变焦镜头，该镜头虽然具备12～234mm达19.5倍的连续变焦功能，但总长也达220mm，体积较大，无法满足小型化设计要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种紧凑型连续变焦光学系统，解决现有光学系统难以实现小型化、高变焦比的技术问题。

本实用新型的技术解决方案是：一种紧凑型连续变焦光学系统，其特殊之处在于：包括由物面至焦面依次同轴设置的前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组、光阑和后固定镜组；

所述前固定镜组包括由物面至焦面方向依次设置的第一胶合镜组和第二正透镜，所述第一胶合镜组具有正折射力；

所述变倍镜组包括由物面至焦面方向依次设置的第二胶合镜组和第三负透镜，所述第二胶合镜组具有正折射力；

所述补偿镜组包括由物面至焦面方向依次设置的第三胶合镜组和第五负透镜，所述第三胶合镜组具有正折射力；

所述后固定镜组包括由物面至焦面方向依次设置的第五正透镜、第六正透镜、第六负透镜、第四胶合镜组和第八正透镜，所述第四胶合镜组具有负折射力。

进一步地，在由物面至焦面的方向上，所述第一胶合镜组包括相互胶合的第一负透镜和第一正透镜，所述第二胶合镜组包括相互胶合的第二负透镜和第三正透镜，所述第三胶合镜组包括相互胶合的第四正透镜和第四负透镜，所述第四胶合镜组包括相互胶合的第七正透镜和第七负透镜。

进一步地，上述第一负透镜对d线的阿贝数vd601满足条件式(1)vd601＜40；所述第二正透镜对d线的阿贝数vd603满足条件式(2)vd603＞80。条件式(1)以及条件式(2)是规定前固定镜组对整个工作谱段范围的光产生的色差良好地进行校正的条件式。通过由满足条件式(1)的高色散材料形成前固定镜组中的第一负透镜以及满足式(2)的低色散材料形成的第二正透镜，能够在全变倍范围对整个工作谱段范围的光产生的色差良好地进行校正。另外，如果超出条件式(1)和条件式(2)的限制，则轴上色差的校正变得困难，不能够对前固定镜组在整个工作谱段范围的光产生的色差充分地进行校正。

进一步地，上述变倍镜组的焦距f5以及所述紧凑型连续变焦光学系统的长焦端焦距f1满足条件式(3)8.6＜|fl/f5|＜13；所述第三正透镜对d线的阿贝数vd502满足条件式(4)vd502＜26。变倍镜组能够压缩后组孔径，对与大口径化相伴而生的像差良好地进行校正，保证光学系统变焦迅速，并且能对跨全变倍区域的在整个工作谱段范围内的光产生的色差更好地进行校正。条件式(3)是对变倍镜组的焦距范围进行限定的条件式。满足条件式(3)能够保证光学系统变焦迅速，并能够实现光学系统的小型化。在条件式(3)中若低于其下限，则变倍镜组的移动量增加，因此光学系统的小型化变得困难。在条件式(3)中若超过其上限，对光学系统小型化有利，但是短焦端中的彗差和像散的校正变得困难，光学性能劣化。条件式(4)是规定跨全变倍区域地对变倍镜组相对于整个工作谱段区域的光产生的色像差良好地进行校正的条件式。通过由满足条件式(4)的高色散材料形成变倍镜组中的第三正透镜，能够在全变倍范围对相对于从可见光区域到近红外光域的光而产生的色差良好地进行校正。另外，条件式(4)中，若低于它的下限，则轴上色差的校正变得困难，不能够对于整个工作谱段范围的光产生的色差充分地进行校正。

进一步地，上述补偿镜组的焦距f4以及所述紧凑型连续变焦光学系统的长焦端焦距f1满足条件式(5)6＜|fl/f4|＜8；所述第五负透镜对d线的阿贝数vd403满足条件式(6)vd403＜20。条件式(5)是对与变倍镜组相伴的补偿镜组的焦距范围进行限定的条件式。通过满足条件式(5)能够保证补偿镜组运动平缓迅速，特别是能对短焦端中的像散更好地进行校正。在条件式(5)中若低于其下限，则补偿镜组的移动量增加，光学系统的小型化变得困难。另一方面，在条件式(5)中若高于其上限，对光学系统小型化有利，但是短焦端中像散的校正变得困难，光学性能劣化。条件式(6)与条件式(1)、(2)同样，是规定用于跨全变倍区域地对整个工作谱段区域的光而产生的色像差良好地进行校正的条件式。利用满足条件式(6)的高色散材料形成补偿镜组的第五负透镜，而对跨度全变倍区域地在整个工作谱段范围内的光所产生的色差进一步良好地进行校正。在条件式(6)中若高于其上限，则补偿镜组中的轴外色像差的校正变得困难。

进一步地，上述补偿镜组从短焦端到长焦端的最大移动量Dt4以及所述紧凑型连续变焦光学系统的系统总长TOTL满足条件式(7)15.5＜TOTL/Dt4＜21。条件式(7)是对与变倍镜组相伴的补偿镜组行程范围进行限定的条件式。通过满足条件式(7)，能够维持高的光学性能，并能够实现光学系统的小型化。在条件式(7)中若低于其下限，则补偿镜组的移动量增加，因此光学系统的小型化变得困难。另一方面，在条件式(7)中若超过其上限，对光学小型化有利，但特别是长焦端中的像散和彗差的校正变得困难，光学性能劣化。

进一步地，上述第八正透镜(作为调焦件)的焦距f206以及所述紧凑型连续变焦光学系统的长焦端焦距f1满足条件式(8)5＜|fl/f206|＜10。条件式(8)是对调焦件光焦度范围进行限定的条件式。通过满足条件式(8)，能够维持调焦件较短的调焦行程，并能够保证光学系统在不同使用条件下的适应性。在条件式(8)中若低于其下限，则后固定镜组的光焦度变小，调焦行程变大，因此光学系统的调焦补偿时间变长。另一方面，在条件式(8)中若超过其上限，对减小调焦件行程有利，但会导致长焦端中的场曲和像散的校正变得困难，光学性能劣化。

进一步地，上述光阑为通光孔径可变的光阑。

进一步地，上述焦面上设置有滤光片，所述滤光片为红外截止滤光片或者近红外带通滤光片。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型在全变焦段范围内，均可实现高清成像，可实现大于20倍的连续变倍功能。在焦距连续变化的过程中，所有焦距中心视场及边缘视场均具有较好的成像质量。由变倍镜组和补偿镜组组成的变焦核，按设计给定的运动规律连续运动，在内变焦过程中始终在光轴上前后移动，变倍时光圈F数恒定不变，总长固定不变，质心变化较小，系统体积小，结构紧凑。

(2)本实用新型中的光学系统光阑固定位于后固定镜组靠近物方侧透镜的外侧，可为采用不同类型的光阑留有足够空间，以保证紧凑型连续变焦光学系统相对孔径恒定不变、手动或自动变化，提高了本实用新型紧凑型连续变焦光学系统的模块化水平；另一方面，光阑经后固定镜组成像于像面侧很远距离处，构成准像方远心光路，可保证整个像面具有均匀的相对照度分布。

(3)本实用新型中的四个透镜组镜片总数数量少，具有较好的公差特性。各镜组所用光学材料均为常用光学玻璃材料，均具有较好的可获得与可加工特性。

(4)本实用新型放置在焦面前的滤光片可更换。当光学系统需要工作于彩色成像条件时，切入红外截止滤光片，保证所成图像彩色信息均匀丰富；当光学系统需要工作于低照度模式时，切入近红外带通滤光片，此时，所成图像为黑白图像，保证整个紧凑型连续变焦光学系统的低照度成像特性。

(5)本实用新型采用准像方远心的设计形式结合像差渐晕的设计方法，保证光学系统在各视场条件下均具有较好畸变特性的同时，亦可使各视场条件下像面照度分布更为均匀。

(6)本实用新型所述光学系统所用双胶合镜组考虑了各透镜材料线胀系数的匹配，即使是在使用环境未加热控措施的情况下，亦可保证整个光学系统在-50℃～+65℃温度范围内的环境适应特性。

附图说明

图1为本实用新型紧凑型连续变焦光学系统的较佳实施例结构示意图。

图2为本实用新型紧凑型连续变焦光学系统的较佳实施例在不同焦距下的镜组分布示意图。

图3为本实用新型紧凑型连续变焦光学系统的较佳实施例在不同焦距下的像差分布示意图(短焦)。

图4为本实用新型紧凑型连续变焦光学系统的较佳实施例在不同焦距下的像差分布示意图(中焦)。

图5为本实用新型紧凑型连续变焦光学系统的较佳实施例在不同焦距下的像差分布示意图(长焦)。

其中，附图标记如下：

1-焦面，2-后固定镜组，3-光阑，4-补偿镜组，5-变倍镜组，6-前固定镜组，7-物面，601-第一负透镜，602-第一正透镜，603-第二正透镜，501-第二负透镜，502-第三正透镜，503-第三负透镜，401-第四正透镜，402-第四负透镜，403-第五负透镜，201-第五正透镜，202-第六正透镜，203-第六负透镜，204-第七正透镜，205-第七负透镜，206-第八正透镜。

具体实施方式

参见图1和图2，本实用新型提供了一种紧凑型连续变焦光学系统，其较佳实施例的结构包括从物面7到焦面1依次排列的具有正折射力的前固定镜组6、具有负折射力的变倍镜组5、具有负折射力的补偿镜组4、光阑3和具有正折射力的后固定镜组2，焦面1上配置CCD、CMOS等成像器件。变倍镜组5与前固定镜组6、补偿镜组4和后固定镜组3共同构成完整的成像系统，本实用新型在变焦过程中系统总长不变，前固定镜组6的位置恒定，变倍镜组5和补偿镜组4在光轴上按一定规律前后移动。在从宽视场向窄视场变化时，变倍镜组5往靠近像面1方向一侧平移；在从窄视场向宽视场变化时，变倍镜组5向物面7方向一侧移动。

前固定镜组6包括从物面至焦面方向沿中心轴线同轴排列的第一胶合镜组和具有正折射力的第二正透镜603，其中，第一胶合镜组和第二正透镜603均具有正折射力；第一胶合镜组由第一负透镜601与第一正透镜602胶合构成。在光学系统的最靠物面7的一侧，配置具有较长焦距且具有正折射力的前固定镜组6，有利于光学系统的小型化。

变倍镜组5包括从第二正透镜603至像面1方向沿中心轴线同轴排列的第二胶合镜组和第三负透镜503；其中，第二胶合镜组具有正折射力，由第二负透镜501与第三正透镜502胶合而成。变倍镜组5能够有效压缩光线在后组镜片表面的入射角，降低后组镜片像差校正的难度。

补偿镜组4包括从第三负透镜503至像面1方向沿中心轴线同轴排列的具有正折射力的第三胶合镜组、第五负透镜403；第三胶合镜组具有正折射力，由第四正透镜401与第四负透镜402胶合而成。补偿镜组4能够对组内各透镜产生的像差进行独立校正，并对变倍镜组引入的像散和色差进行部分补偿。

后固定镜组2包括从第五负透镜403至像面1方向沿中心轴线同轴排列的第五正透镜201、第六正透镜202、第六负透镜203、第四胶合镜组和第八正透镜206；第四胶合镜组具有负的折射力，由第七正透镜204与具有负的折射力的第七负透镜205胶合构成。其中，第八正透镜206为本实施例连续变焦光学系统的调焦件。后固定镜组3能够有效补偿变倍镜组5与补偿镜组4在变倍运动过程中引入的彗差、像散等像差，并能对光学系统不同使用条件下的离焦有效地进行补偿。

本实施例中，光阑3采用可变光阑的设计方式，固定在后固定镜组2的物面一侧，可以保证光学系统焦距或外界环境照度变化时，通过调节光阑的光圈大小，保证较好的成像对比度，扩宽成像组件的动态范围。

本实施例中，各透镜以及光阑的基本数据如表1所示。

表1基本透镜数据

注：含*号的表面采用非球面结构。

在进行变倍调焦的过程中，由于变倍镜组5和补偿镜组4的移动将产生间隔距离的变化，其中可变面间隔数据如表2所示。

表2可变面间隔数据

在本实施例中，部分透镜对d线的阿贝数以及焦距、移动量等数据参数如表3所示。

表3透镜参数取值

条件参数	参数取值
		vd601	35.3
vd603	95.1
		|fl/f5|	9.0
vd502	17.9
		|fl/f4|	7.1
vd403	15.6
		TOTL/Dt4	18.5
|fl/f206|	6.5

其中，vd601为第一负透镜对d线的阿贝数，vd603为第二正透镜对d线的阿贝数，vd502为第三正透镜对d线的阿贝数，vd403为第五负透镜对d线的阿贝数，f1为本实施例光学系统的长焦端焦距，f4为补偿镜组的焦距，f5为变倍镜组的焦距，f206为第八正透镜的焦距，TOTL为本实施例光学系统的系统总长，Dt4为补偿镜组从短焦端到长焦端的最大移动量。

根据以上参数设计，本实施例所涉及的变焦光学系统相关的各种数值数据如下：

变焦光学系统全系统的焦距＝10mm(短焦端)～200mm(长焦端)

对角线视场角(2ω)＝2.1°(长焦端)～41.6°(短焦端)

光学系统总长≤160mm

F＝4.5，F即为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D。

本实施例中，从前固定镜组6靠近物面7一侧的面到焦面1的总长小于160mm，各透镜最大口径小于58mm，焦距范围10mm～200mm，变倍比为20，适配成像传感器大小为1/2”。变倍过程中，系统总长恒定，F数固定不变。该光学系统具有较小的体积、较轻的重量，且属于内变焦，变倍过程中质心变化不大。

图3、图4和图5分别给出了本实施例光学系统在短焦、中焦和长焦位置的球差、像散及相对畸变分布，可以看出，各像差分布合理，表明该光学系统具有较好的成像质量。

以上利用实施实例对本实用新型的描述，其附图是示例性的，不对本实用新型的保护范围起限制作用。因此，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本实用新型所提出的权利要求范围的条件内，可对所描述的本实用新型进行特征替换或修改。

Claims (9)

1.一种紧凑型连续变焦光学系统，其特征在于：包括由物面至焦面依次同轴设置的前固定镜组、变倍镜组、补偿镜组、光阑和后固定镜组；

所述前固定镜组包括由物面至焦面方向依次设置的第一胶合镜组和第二正透镜，所述第一胶合镜组具有正折射力；

所述变倍镜组包括由物面至焦面方向依次设置的第二胶合镜组和第三负透镜，所述第二胶合镜组具有正折射力；

所述补偿镜组包括由物面至焦面方向依次设置的第三胶合镜组和第五负透镜，所述第三胶合镜组具有正折射力；

所述后固定镜组包括由物面至焦面方向依次设置的第五正透镜、第六正透镜、第六负透镜、第四胶合镜组和第八正透镜，所述第四胶合镜组具有负折射力。

2.根据权利要求1所述的紧凑型连续变焦光学系统，其特征在于：在由物面至焦面的方向上，所述第一胶合镜组包括相互胶合的第一负透镜和第一正透镜，所述第二胶合镜组包括相互胶合的第二负透镜和第三正透镜，所述第三胶合镜组包括相互胶合的第四正透镜和第四负透镜，所述第四胶合镜组包括相互胶合的第七正透镜和第七负透镜。

3.根据权利要求2所述的紧凑型连续变焦光学系统，其特征在于：所述第一负透镜对d线的阿贝数vd601满足vd601＜40；

所述第二正透镜对d线的阿贝数vd603满足vd603＞80。

4.根据权利要求2所述的紧凑型连续变焦光学系统，其特征在于：所述变倍镜组的焦距f5以及所述紧凑型连续变焦光学系统的长焦端焦距f1满足8.6＜|fl/f5|＜13；

所述第三正透镜对d线的阿贝数vd502满足vd502＜26。

5.根据权利要求2所述的紧凑型连续变焦光学系统，其特征在于：所述补偿镜组的焦距f4以及所述紧凑型连续变焦光学系统的长焦端焦距f1满足6＜|fl/f4|＜8；

所述第五负透镜对d线的阿贝数vd403满足vd403＜20。

6.根据权利要求5所述的紧凑型连续变焦光学系统，其特征在于：所述补偿镜组从短焦端到长焦端的最大移动量Dt4以及所述紧凑型连续变焦光学系统的系统总长TOTL满足15.5＜TOTL/Dt4＜21。

7.根据权利要求2所述的紧凑型连续变焦光学系统，其特征在于：所述第八正透镜的焦距f206以及所述紧凑型连续变焦光学系统的长焦端焦距f1满足5＜|fl/f206|＜10。

8.根据权利要求1-7中任一所述的紧凑型连续变焦光学系统，其特征在于：所述光阑为通光孔径可变的光阑。

9.根据权利要求8所述的紧凑型连续变焦光学系统，其特征在于：所述焦面上设置有滤光片，所述滤光片为红外截止滤光片或者近红外带通滤光片。