CN219285495U - 变焦系统和摄像设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种变焦系统和摄像设备，变焦系统包括由物侧到像侧依次布置的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组，所述第一透镜组和所述第四透镜组的位置固定，所述第二透镜组和所述第四透镜组沿所述光轴的延伸方向可活动设置，以具有靠近物侧或靠近像侧之间的活动行程。通过所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述第四透镜组中的各透镜的折射率、阿贝数、曲率和芯厚，以使得所述变焦系统实现3x倍率的情况下，所述变焦系统清晰成像，提供一种在保证3X变倍的情况下，设计低成本、高清成像变倍的变焦系统。

Description

变焦系统和摄像设备

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，尤其涉及变焦系统和摄像设备。

背景技术

目前安防系统普遍存在这样的缺点：镜头成本过高、成像质量较差。为了解决上述问题，本实用新型提供一种低成本高清成像镜头。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种变焦系统和摄像设备，旨在提供一种在保证3X变倍的情况下，设计低成本、高清成像变倍的变焦系统。

为实现上述目的，本实用新型提出的一种变焦系统，其中所述变焦系统包括壳体和多个透镜组，多个所述透镜组之间对应在所述壳体内形成一光轴，多个所述透镜组包括：

第一透镜组，固设于所述壳体内，所述第一透镜组具有正光焦度；

第二透镜组，具有负光焦度，所述第二透镜组沿所述光轴的延伸方向可活动地设于所述壳体，以具有靠近物侧或靠近像侧之间的活动行程；

第三透镜组，固设于所述壳体内，所述第三透镜组具有正光焦度；

第四透镜组，具有正光焦度，所述第四透镜组沿所述光轴的延伸方向可活动地设于所述壳体，以具有靠近物侧或靠近像侧之间的活动行程；以及，

像面；

其中，通过由物侧到像侧依次布置的所述第一透镜组、所述第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组中的各透镜的折射率、阿贝数、曲率和芯厚，对所述变焦系统的光学总长控制在小于53mm时，能够实现所述变焦系统的倍率为3x。

可选地，所述第一透镜组的焦距为f₁，所述第二透镜组的焦距为f₂，所述第三透镜组的焦距为f₃，所述第四透镜组的焦距为f₄，其中，

可选地，所述变焦系统的有效焦距为f，10mm≤f≤30mm。

可选地，所述第一透镜组与所述第二透镜组在广角端时的间距为d_w1，所述第一透镜组与所述第二透镜组在望远端时的间距为d_t1，所述第二透镜组与所述第三透镜组在广角端时的间距为d_w2，所述第二透镜组与所述第三透镜组在望远端时的间距为d_t2，所述第三透镜组与所述第四透镜组在广角端时的间距为d_W3，所述第三透镜组与所述第四透镜组在望远端时的间距为d_t3，所述第四透镜组与所述像面在广角端时的间距为d_W4，所述第四透镜组与所述像面在望远端时的间距为d_t4，其中，

可选地，所述第一透镜组包括由物侧到像侧依次布置的光焦度为负的第一透镜和光焦度为正的第二透镜；

所述第二透镜组包括由物侧到像侧依次布置的光焦度为负的第三透镜、光焦度为负的第四透镜、以及光焦度为正的第五透镜；

所述第三透镜组包括由物侧到像侧依次布置的光焦度为正的第六透镜、光焦度为正的第七透镜、以及光焦度为负的第八透镜；

所述第四透镜组包括由物侧到像侧依次布置的光焦度为正的第九透镜、光焦度为负的第十透镜、光焦度为正的第十一透镜、光焦度为负的第十二透镜、以及光焦度为负的第十三透镜。

可选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第九透镜均为玻璃球面透镜。

可选地，所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第十透镜、所述第十一透镜、所述第十二透镜、所述第十三透镜均为塑料非球面透镜。

可选地，所述第二透镜组与所述第三透镜组之间设有光阑，所述光阑固设于所述壳体内。

可选地，所述变焦系统还包括感光芯片，所述感光芯片设于所述第四透镜组朝向像侧的一侧，且所述感光芯片朝向所述第四透镜组的一侧形成所述像面；和/或，

所述感光芯片与所述第四透镜组之间设有滤光片。

本实用新型还提供一种摄像设备，所述摄像设备包括上述的变焦系统。

本实用新型提供的技术方案中，第二透镜组和第四透镜组分别沿光轴的延伸方向可活动设置，所述第二透镜组沿所述光轴方向协同移动，以使得所述变焦系统由广角端变焦至望远端，并且所述第四透镜组受到外力驱动沿着所述光轴做与所述第二透镜组的位置、成像波长、成像物距对应的移动对焦，使所述变焦系统在变焦过程中保持所述像面成像清晰，通过四个透镜组的合理设置以及所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组和所述第四透镜组组中的各透镜的折射率、阿贝数、曲率和芯厚的有条件的限制，以使得所述变焦系统实现3x倍率的情况下，所述变焦系统清晰成像，提供一种在保证3X变倍的情况下，设计低成本、高清成像变倍的变焦系统。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型提供的变焦系统主体在广角端的结构示意图；

图2为本实用新型提供的变焦系统主体在望远端的结构示意图；

图3为图1中变焦系统主体广角端的MTF曲线图；

图4为图1中变焦系统主体中间端的MTF曲线图；

图5为图1中变焦系统主体望远端的MTF曲线图。

附图标号说明：

本实用新型目的的实现、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

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)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，若本实用新型实施例中有涉及“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。另外，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，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

目前安防系统普遍存在这样的缺点：镜头成本过高、成像质量较差。为了解决上述问题，本实用新型提供一种低成本高清成像镜头。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种变焦系统，图1和图2为本实用新型提供的变焦系统的具体实施例。

请参阅图1，所述变焦系统包括壳体和多个透镜组，多个所述透镜组之间对应在所述壳体内形成一光轴，多个所述透镜组包括第一透镜组100、第二透镜组200、第三透镜组300、第四透镜组400和像面，所述第一透镜组100固设于所述壳体内，所述第一透镜组100具有正光焦度；所述第二透镜组200具有负光焦度，所述第二透镜组200沿所述光轴的延伸方向可活动地设于所述壳体，以具有靠近物侧或靠近像侧之间的活动行程；所述第三透镜组300固设于所述壳体内，所述第三透镜组300具有正光焦度；所述第四透镜组400具有正光焦度，所述第四透镜组400沿所述光轴的延伸方向可活动地设于所述壳体，以具有靠近物侧或靠近像侧之间的活动行程；其中，通过由物侧到像侧依次布置的所述第一透镜组100、所述第二透镜组200、第三透镜组300和第四透镜组400中的各透镜的折射率、阿贝数、曲率和芯厚，对所述变焦系统的光学总长控制在小于53mm时，能够实现所述变焦系统的倍率为3x。

本实用新型提供的技术方案中，第二透镜组200和第四透镜组400分别沿光轴的延伸方向可活动设置，所述第二透镜组200沿所述光轴方向协同移动，以使得所述变焦系统由广角端变焦至望远端，并且所述第四透镜组400受到外力驱动沿着所述光轴做与所述第二透镜组200的位置、成像波长、成像物距对应的移动对焦，使所述变焦系统在变焦过程中保持所述像面成像清晰，通过四个透镜组的合理设置以及所述第一透镜组100、所述第二透镜组200、所述第三透镜组300和所述第四透镜组400组中的各透镜的折射率、阿贝数、曲率和芯厚的有条件的限制，以使得所述变焦系统实现3x倍率的情况下，所述变焦系统清晰成像，提供一种在保证3X变倍的情况下，设计低成本、高清成像变倍的变焦系统。

需要说明的是所述第二透镜组200和所述第三透镜组300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。

具体地，为了使得各个球面透镜能够相互配合作用达到所需的效果，在本实施例中，所述第一透镜组100的焦距为，所述第二透镜组200的焦距为，所述第三透镜组300的焦距为，所述第四透镜组400的焦距为，其中，

如此通过焦距设置比值的设置，能够使得所述变焦系统的焦距的最小焦距达到10mm，能够控制所述变焦系统的焦距的最大焦距达到30mm，实现倍率3x。

具体地，在本实施例中，所述第二透镜组200沿着光轴向物侧移动，所述第四透镜组400沿着光轴向像侧移动时，实现望远端向广角端变倍，当所述第二透镜组200沿着光轴向像侧移动，所述第四透镜组400沿着光轴向物侧移动时，实现广角端向望远端变倍；所述第一透镜组100与所述第二透镜组200在广角端时的间距为，所述第一透镜组100与所述第二透镜组200在望远端时的间距为，所述第二透镜组200与所述第三透镜组300在广角端时的间距为，所述第二透镜组200与所述第三透镜组300在望远端时的间距为，所述第三透镜组300与所述第四透镜组400在广角端时的间距为，所述第三透镜组300与所述第四透镜组400在望远端时的间距为，所述第四透镜组400与所述像面在广角端时的间距为，所述第四透镜组400与所述像面在望远端时的间距为，其中，

如此设置，使得所述变焦系统的工作F数从广角端到望远端能够实现在1.75-1.8的区间范围内。

具体地，在本实施例中，所述第一透镜组100包括由物侧到像侧依次布置的光焦度为负的第一透镜1和光焦度为正的第二透镜2；所述第二透镜组200包括由物侧到像侧依次布置的光焦度为负的第三透镜3、光焦度为负的第四透镜4、以及光焦度为正的第五透镜5；所述第三透镜组300包括由物侧到像侧依次布置的光焦度为正的第六透镜6、光焦度为正的第七透镜7、以及光焦度为负的第八透镜8；所述第四透镜组400包括由物侧到像侧依次布置的光焦度为正的第九透镜9、光焦度为负的第十透镜10、光焦度为正的第十一透镜11、光焦度为负的第十二透镜12、以及光焦度为负的第十三透镜13。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。通过合理分配镜片光焦度，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，以达到清晰成像的效果。

具体地，考虑到温度变化的影响，因玻璃材质的透镜具有硬度高、耐磨性强、使用寿命长的特点。故，在本实施例中，所述第一透镜1、所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第九透镜9均为玻璃球面透镜。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，保证像质和可靠性，组装敏感度较低，提升成品良率。

具体地，在本实施例中，所述第四透镜4、所述第五透镜5、所述第六透镜6、所述第七透镜7、所述第八透镜8、所述第十透镜10、所述第十一透镜11、所述第十二透镜12、所述第十三透镜13均为塑料非球面透镜。通过采用塑料非球面透镜有效地控制成本，且通过非球面透镜可以很好的矫正镜头色差，在保证镜头紫边控制情况下，同时矫正高倍位置的球差和正弦差。

进一步地，为了提升成像质量，在本实施例中，所述第二透镜组200与所述第三透镜组300之间设有光阑500，所述光阑500固设于所述壳体内。所述光阑500限制轴上光束通光口径在变焦过程中拦掉部分光线，减少了光斑、提高了图像对比度，并有助于提升像质。

具体地，在本实施例中，所述变焦系统还包括感光芯片600，所述感光芯片600设于所述第四透镜组400朝向像侧的一侧，且所述感光芯片600朝向所述第四透镜组400的一侧形成所述像面，以此在所述感光芯片600的像面在像侧接收物象，并通过所述感光芯片600对接收的物象进行处理。

进一步地，所述感光芯片600与所述第四透镜组400之间设有滤光片。所述滤光片可有效滤掉非工作波段的杂光，以减小光噪声，为后续的光电模块处理部分减小困难。所述滤光片也可用以调节最后成像时物象的色彩度。

具体地，所述像面可以理解为所述感光芯片600朝向所述物侧的表面，即可以为CCD或者CMOS等摄像元件的表面，可以理解的是，携带被摄物体信息的光线能够依次经过所述第一透镜1、所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述第四透镜4、所述第五透镜5、所述第六透镜6、所述第七透镜7、所述第八透镜8、所述第九透镜9、所述第十透镜10、所述第十一透镜11、所述第十二透镜12、所述第十三透镜13、所述滤光镜并最终成像于所述像面上。

需要说明的是，请参阅图2，在一具体实施例中，变焦系统的基本参数表如表1所示，其中曲率半径、厚度单位均为毫米(mm)。

表1

表1中的S1～S33代表各光学元件的面序号，R代表光学元件的曲率半径，D代表光学元件的厚度或空气间隔，Nd代表所用光学材料的d光折射率，Vd代表所用光学材料的d光阿贝数。具体地，光阑面STOP、第一透镜入光面S1、第一透镜出光面S2、第二透镜入光面S2、第二透镜出光面S3、第三透镜入光面S4、第三透镜出光面S5、第四透镜入光面S6、第四透镜出光面S7、第五透镜入光面S8、第五透镜出光面S9、第六透镜入光面S11、第六透镜出光面S12、第七透镜入光面S13、第七透镜出光面S14、第八透镜入光面S15、第八透镜出光面S16、第九透镜入光面S17、第九透镜出光面S18、第十透镜入光面S19、第十透镜出光面S20、第十一透镜入光面S21、第十一透镜出光面S22、第十二透镜入光面S23、第十二透镜出光面S24、第十三透镜入光面S25、第十三透镜出光面S26。

其中，广角端与望远端时各透镜组间距如表2所示：

表2

	D1	D2	D3	D4
					广角端	14.81	0.14	0.61	4.51
望远端	0.80	14.15	1.60	3.52

表2中的D1代表所述第一透镜组100与所述第二透镜2组的可变间距，D2代表所述第二透镜2组与所述的光阑可变间距，D3代表所述光阑与所述第三透镜组300的可变间距，D4代表所述第三透镜组300与所述第四透镜组400可变间距。

具体地，因所述第四透镜4、所述第五透镜5、所述第六透镜6、所述第七透镜7、所述第八透镜8、所述第十透镜10、所述第十一透镜11、所述第十二透镜12、所述第十三透镜13均为塑料非球面透镜，非球面镜片的特点是：从镜片中心到镜片周边，曲率是连续变化的，与从镜片中心到镜片周边具有恒定曲率的球面镜片不同，非球面镜片具有更佳的曲率半径特性，具有改善歪曲像差及改善像散像差的优点，采用非球面镜片后，能够尽可能地消除在成像的时候出现的像差，从而提升镜头的成像质量，而采用玻璃材质的镜片，可减小温度对镜头光学性能的影响。

进一步地，在本实施例中，非球面透镜的非球面表面形状满足以下条件：

其中，z表示非球面Z向的轴向矢高；y表示非球面的高度；c表示拟合球面的曲率，数值上为曲率半径的倒数，k为圆锥二次曲线系数，(当k系数小于-1时面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时为抛物线，当k系数介于-1到0之间时为椭圆，当k系数等于0时为圆形，当k系数大于0时为扁圆形)，a1、a2、a3、a4为高次非球面系数(请参照下表3)，通过以上参数即可设定透镜物侧面和像侧面非球面的形状尺寸。

表3非球面镜片对应的圆锥系数和非球面系数：

编号	K	四阶项系数	六阶项系数	八阶项系数	十阶项系数
						6	9.958E+01	-1.565E-03	6.730E-05	-2.286E-06	5.420E-08
7	-6.248E+00	-5.620E-04	2.088E-05	-4.736E-07	1.812E-08
						8	3.507E+00	1.402E-04	-3.066E-05	1.436E-06	-3.443E-08
9	0.000E+00	0.000E+00	0.000E+00	0.000E+00	0.000E+00
						11	4.277E-01	-6.185E-05	1.278E-06	-8.542E-08	1.620E-09
12	-1.328E-01	7.873E-04	-1.490E-05	1.864E-07	2.076E-09
						13	-2.899E+00	-3.817E-04	-9.000E-06	-1.873E-07	5.683E-09
14	-9.903E+01	-3.682E-04	-7.758E-07	1.340E-07	1.605E-11
						15	-9.972E+01	5.580E-04	-1.679E-05	7.535E-07	-1.845E-08
16	-5.605E-01	-4.232E-04	-6.561E-06	-4.894E-08	4.976E-09
						19	-3.321E+01	-2.321E-03	9.584E-05	-2.853E-06	6.222E-08
20	-3.310E+00	1.144E-03	-8.141E-06	2.061E-06	-6.890E-08
						21	9.220E+01	1.891E-03	-8.138E-05	3.257E-06	-8.293E-08
22	9.358E-01	4.163E-04	-2.559E-05	2.721E-07	-1.106E-08
						23	9.973E+01	2.603E-05	-1.473E-04	1.534E-06	1.501E-08
24	2.525E+01	1.252E-03	-3.080E-04	6.102E-06	-2.809E-08
						25	1.222E+00	-5.303E-03	-2.892E-05	3.217E-06	-2.156E-08
26	-5.565E+00	-4.849E-03	1.422E-04	-8.515E-07	-1.388E-08

图3显示所述变焦系统主体广角端的MTF(Modulation Transfer Function)曲线图，曲线图的横轴表示像高(与成像中心的距离mm)，纵轴表示对比度值(值为1)。

图4显示所述变焦系统主体中间端的MTF(Modulation Transfer Function)曲线图，曲线图的横轴表示像高(与成像中心的距离mm)，纵轴表示对比度值(值为1)。

图5显示所述变焦系统主体望远端的MTF(Modulation Transfer Function)曲线图，曲线图的横轴表示像高(与成像中心的距离mm)，纵轴表示对比度值(值为1)。

由上述图可知，本实施例中的所述变焦系统分别在中间端、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，本实用新型还提供一种摄像设备，所述摄像设备可以是室外监控、室内监控等，所述摄像设备包括上述技术方案所述的变焦系统，因所述摄像设备包括所述变焦系统，该变焦系统的具体结构参照上述实施例，由于本摄像设备的变焦系统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。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型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实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种变焦系统，其特征在于，包括壳体和多个透镜组，多个所述透镜组之间对应在所述壳体内形成一光轴，多个所述透镜组包括：

第一透镜组，固设于所述壳体内，所述第一透镜组具有正光焦度；

第二透镜组，具有负光焦度，所述第二透镜组沿所述光轴的延伸方向可活动地设于所述壳体，以具有靠近物侧或靠近像侧之间的活动行程；

第三透镜组，固设于所述壳体内，所述第三透镜组具有正光焦度；

第四透镜组，具有正光焦度，所述第四透镜组沿所述光轴的延伸方向可活动地设于所述壳体，以具有靠近物侧或靠近像侧之间的活动行程；以及，

像面；

其中，通过由物侧到像侧依次布置的所述第一透镜组、所述第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组中的各透镜的折射率、阿贝数、曲率和芯厚，对所述变焦系统的光学总长控制在小于53mm时，能够实现所述变焦系统的倍率为3x。

2.如权利要求1所述的变焦系统，其特征在于，所述第一透镜组的焦距为f₁，所述第二透镜组的焦距为f₂，所述第三透镜组的焦距为f₃，所述第四透镜组的焦距为f₄，其中，

3.如权利要求1所述的变焦系统，其特征在于，所述变焦系统的有效焦距为f，10mm≤f≤30mm。

4.如权利要求1所述的变焦系统，其特征在于，所述第一透镜组与所述第二透镜组在广角端时的间距为d_w1，所述第一透镜组与所述第二透镜组在望远端时的间距为d_t1，所述第二透镜组与所述第三透镜组在广角端时的间距为d_w2，所述第二透镜组与所述第三透镜组在望远端时的间距为d_t2，所述第三透镜组与所述第四透镜组在广角端时的间距为d_W3，所述第三透镜组与所述第四透镜组在望远端时的间距为d_t3，所述第四透镜组与所述像面在广角端时的间距为d_W4，所述第四透镜组与所述像面在望远端时的间距为d_t4，其中，

5.如权利要求1所述的变焦系统，其特征在于，所述第一透镜组包括由物侧到像侧依次布置的光焦度为负的第一透镜和光焦度为正的第二透镜；

所述第二透镜组包括由物侧到像侧依次布置的光焦度为负的第三透镜、光焦度为负的第四透镜、以及光焦度为正的第五透镜；

所述第三透镜组包括由物侧到像侧依次布置的光焦度为正的第六透镜、光焦度为正的第七透镜、以及光焦度为负的第八透镜；

所述第四透镜组包括由物侧到像侧依次布置的光焦度为正的第九透镜、光焦度为负的第十透镜、光焦度为正的第十一透镜、光焦度为负的第十二透镜、以及光焦度为负的第十三透镜。

6.如权利要求5所述的变焦系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第九透镜均为玻璃球面透镜。

7.如权利要求5所述的变焦系统，其特征在于，所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第十透镜、所述第十一透镜、所述第十二透镜、所述第十三透镜均为塑料非球面透镜。

8.如权利要求1所述的变焦系统，其特征在于，所述第二透镜组与所述第三透镜组之间设有光阑，所述光阑固设于所述壳体内。

9.如权利要求1所述的变焦系统，其特征在于，所述变焦系统还包括感光芯片，所述感光芯片设于所述第四透镜组朝向像侧的一侧，且所述感光芯片朝向所述第四透镜组的一侧形成所述像面；和/或，

所述感光芯片与所述第四透镜组之间设有滤光片。

10.一种摄像设备，其特征在于，包括如权利要求1至9中任意一项所述的变焦系统。

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