CN219695552U - 变焦镜头光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种变焦镜头光学系统，包括从物侧到像侧沿光轴依次配置的第一固定组、变焦组、第二固定组以及对焦组，变焦组能够沿光轴移动，用于进行在广角端和望远端之间的光学变焦，对焦组能够沿光轴移动，用于校正在变焦组的变焦过程中的像面位置变化。在将FA、FB、FC、FD分别设为第一固定组的焦距、变焦组的焦距、第二固定组的焦距、对焦组的焦距时，满足以下关系式：0.85≤FA/FC≤1.95，‑1.05≤FB/FC≤‑0.05，0.10≤FD/FC≤1.20。由此，变焦镜头光学系统的体积小、分辨率高、畸变小，能够满足4K高清视频用摄像设备的使用需求。

Description

变焦镜头光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种变焦镜头光学系统，尤其是涉及一种4K高清视频用变焦镜头光学系统。

背景技术

在视频中使用的变焦镜头通常是一种大视场角、小畸变的光学系统。随着图像传感器技术和图像算法处理技术的发展，变焦镜头在视频领域的应用也在不断地拓展，因此对摄像机镜头的分辨率、高低温性能等提出了更高的要求。然而，目前在视频中使用的变焦镜头大都是1080P镜头，由于其分辨率低、成本高且体积大，因此已经不能满足市场对高像素镜头的需求。

实用新型内容

技术问题

有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题是提供一种体积小且能够达到4K高清分辨率的要求的4K高清视频用变焦镜头光学系统。

解决方案

为了解决上述技术问题，根据本实用新型的一实施例，提供了一种变焦镜头光学系统，包括从物侧到像侧沿光轴依次配置的第一固定组、变焦组、第二固定组以及对焦组，所述变焦组能够沿所述光轴进行移动，用于进行在广角端和望远端之间的光学变焦，所述对焦组能够沿所述光轴进行移动，用于校正在所述变焦组的变焦过程中的像面位置变化，所述变焦镜头光学系统满足以下关系式：

0.85≤FA/FC≤1.25

-1.05≤FB/FC≤-0.05

0.10≤FD/FC≤1.20

其中，FA为所述第一固定组的焦距，FB为所述变焦组的焦距，FC为所述第二固定组的焦距，FD为所述对焦组的焦距。

优选地，满足以下关系式：

0.02≤Fw/FC≤0.12

其中，Fw为所述变焦镜头光学系统的广角端焦距。

优选地，所述第一固定组为正光焦度，所述变焦组为负光焦度，所述第二固定组为正光焦度，所述对焦组为正光焦度。

优选地，所述第一固定组包括从物侧到像侧依次配置的具有负光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜以及具有正光焦度的第三透镜。

优选地，所述变焦组包括从物侧到像侧依次配置的具有负光焦度的第四透镜、具有负光焦度的第五透镜以及具有正光焦度的第六透镜。

优选地，所述第二固定组包括从物侧到像侧依次配置的具有正光焦度的第七透镜、具有正光焦度的第八透镜以及具有负光焦度的第九透镜。

优选地，所述对焦组包括从物侧到像侧依次配置的具有正光焦度的第十透镜、具有负光焦度的第十一透镜以及具有正光焦度的第十二透镜。

优选地，所述第一固定组中的至少一枚透镜和所述对焦组中的至少一枚透镜满足以下关系式：

1.40≤nd1≤1.65

60≤vd1≤85

其中，nd1是该透镜的折射率，vd1是该透镜的阿贝数。

优选地，所述变焦组包括至少一枚非球面透镜，所述第二固定组包括至少一枚非球面透镜，所述对焦组包括至少一枚非球面透镜，所述变焦组和所述对焦组中的非球面透镜是塑胶透镜，所述第二固定组中的非球面透镜是玻璃透镜或者塑胶透镜。

优选地，满足以下关系式：

1.70≤nd2≤1.90

其中，nd2是所述变焦组中的最靠物侧的透镜的折射率。

优选地，所述第一固定组包括至少一个由相邻的透镜胶合而成的胶合透镜，所述对焦组包括至少一个由相邻的透镜胶合而成的胶合透镜。

优选地，所述第二固定组还包括光阑，所述光阑在所述第二固定组中位于最靠物侧的位置。

有益效果

通过使第一固定组的焦距FA、变焦组的焦距FB、第二固定组的焦距FC、对焦组的焦距FD满足以下关系式：0.85≤FA/FC≤1.95，-1.05≤FB/FC≤-0.05，0.10≤FD/FC≤1.20，根据本实用新型实施例的变焦镜头光学系统的总长度为105mm并且广角端水平视场角为80°，因此体积小，并且能够达到4K高清分辨率的要求。因此根据本实用新型实施例的变焦镜头光学系统能够良好地适用于4K成像输出的视频摄像机中。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本实用新型的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本实用新型的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本实用新型的原理。

图1是实施例所涉及的变焦镜头光学系统的透镜截面及光路图。

图2是实施例所涉及的变焦镜头光学系统的广角端的MTF曲线图。

图3是实施例所涉及的变焦镜头光学系统的广角端的光学畸变图。

图4是实施例所涉及的变焦镜头光学系统的广角端的场曲曲线图。

图5是实施例所涉及的变焦镜头光学系统的望远端的MTF曲线图。

图6是实施例所涉及的变焦镜头光学系统的望远端的光学畸变图。

图7是实施例所涉及的变焦镜头光学系统的望远端的场曲曲线图。

附图标记列表

L1～L12：第一透镜～第十二透镜；STOP：孔径光阑；IR：滤光片；IMA：成像面；G1：第一固定组；G2：变焦组；G3：第二固定组；G3：对焦组。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本实用新型的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本实用新型，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本实用新型同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本实用新型的主旨。

本实施方式提供一种变焦镜头光学系统，包括从物侧到像侧沿光轴依次配置的第一固定组、变焦组、第二固定组以及对焦组。变焦组能够沿该光轴进行移动，用于进行在广角端和望远端之间的光学变焦。对焦组能够沿该光轴进行移动，用于校正在变焦组的变焦过程中的像面位置变化。在将第一固定组的焦距设为FA、将变焦组的焦距设为FB、将第二固定组的焦距设为FC、将对焦组的焦距设为FD时，变焦镜头光学系统满足以下关系式。

0.85≤FA/FC≤1.95

-1.05≤FB/FC≤-0.05

0.10≤FD/FC≤1.20

本实施方式的变焦镜头光学系统通过使第一固定组的焦距FA、变焦组的焦距FB、第二固定组的焦距FC、对焦组的焦距FD满足上述关系式，使得总长度为105mm并且广角端水平视场角为80°，因此体积小，并且能够达到4K高清分辨率的要求。因此，能够将本实施方式的变焦镜头光学系统良好地适用于4K成像输出的视频摄像机中。

另外，本实施方式的变焦镜头光学系统还可以满足以下关系式：

0.02≤Fw/FC≤0.12

其中，Fw为变焦镜头光学系统的广角端焦距。

本实施方式的变焦镜头光学系统的广角端焦距Fw与第二固定组G3的焦距FC通过满足上述关系式，能够在变焦组沿着光轴从物侧向像侧移动时良好地实现变焦镜头光学系统从广角端向望远端的变焦。

举例而言，可以是，第一固定组为正光焦度，变焦组为负光焦度，第二固定组为正光焦度，对焦组为正光焦度。例如，第一固定组可以包括从物侧到像侧依次配置的具有负光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜以及具有正光焦度的第三透镜。例如，变焦组可以包括从物侧到像侧依次配置的具有负光焦度的第四透镜、具有负光焦度的第五透镜以及具有正光焦度的第六透镜。例如，第二固定组可以包括从物侧到像侧依次配置的具有正光焦度的第七透镜、具有正光焦度的第八透镜以及具有负光焦度的第九透镜。例如，对焦组可以包括从物侧到像侧依次配置的具有正光焦度的第十透镜、具有负光焦度的第十一透镜以及具有正光焦度的第十二透镜。本实施方式的变焦镜头光学系统通过如上那样设置，针对各组透镜进行了满足上述关系式的光焦度的搭配，由此本实施方式的变焦镜头光学系统能够实现具有4K效果的成像能力。另外，本实施方式的变焦镜头光学系统通过如上那样设置，能够使本实施方式的变焦镜头光学系统在不同的环境温度下清晰成像，从而满足高清的使用需求。

优选的是，第一固定组中的至少一枚透镜和对焦组中的至少一枚透镜的折射率nd1和阿贝数vd1分别满足以下关系式：

1.40≤nd1≤1.65

60≤vd1≤85

由于透镜材料的阿贝数越大则表示该材料对不同波长的光线的色散越小，因此，通过将第一固定组中的至少一枚透镜和对焦组中的至少一枚透镜设置为满足上述关系式，能够使本实施方式的变焦镜头光学系统具有更好的色差校正能力。

优选的是，变焦组包括至少一枚非球面透镜，第二固定组包括至少一枚非球面透镜，对焦组包括至少一枚非球面透镜，变焦组和对焦组中的非球面透镜是塑胶透镜，第二固定组中的非球面透镜是玻璃透镜或者塑胶透镜。通过在变焦镜头光学系统中使用非球面透镜，能够在减少变焦镜头光学系统的体积的同时，良好地校正变焦镜头光学系统的球差以及各种高阶像素，从而使变焦镜头光学系统达到具有4K效果的分辨率需求。另外，通过在变焦镜头光学系统中使用塑胶材料的非球面透镜，能够有效地降低变焦镜头光学系统的成本。

优选的是，变焦组中的最靠物侧的透镜的折射率nd2满足以下关系式：

1.70≤nd2≤1.90

通常来说，透镜材料的折射率越高，则透镜材料的成本会越高。因此，通过将变焦镜头光学系统的透镜设置为满足上述关系式，能够减小对高折射率材料的使用，从而能够有效地降低变焦镜头光学系统的成本。

优选的是，第一固定组包括至少一个由相邻的透镜胶合而成的胶合透镜，对焦组包括至少一个由相邻的透镜胶合而成的胶合透镜。胶合镜片的应用是有效校正光学系统的色差和二级光谱的重要方法之一。通过在变焦镜头光学系统中设置上述的胶合透镜，能够良好地校正变焦镜头光学系统的色差，从而使成像的色彩质量满足4K分辨率的要求。

优选的是，第二固定组还包括光阑，光阑在第二固定组中位于最靠物侧的位置。通过像这样将光阑放置在变焦组的后级，变焦镜头光学系统的光圈最大可达F1.8，使得本实施方式的变焦镜头光学系统在低照度环境下的进光量充足，从而保证成像画面具有足够的亮度。

下面，结合附图来对实施例所涉及的变焦镜头光学系统进行说明。

如图1所示，在本实施例所涉及的变焦镜头光学系统中，从物侧至像侧沿光轴依次设置有第一固定组G1、变焦组G2、第二固定组G3、对焦组G4以及滤光片IR。滤光片IR例如为用于使红外线截止的红外截止滤光片。滤光片IR并非必要的器件，因此也可以省略。

第一固定组G1和第二固定组G3在变焦镜头光学系统中固定地设置。变焦组G2能够沿变焦镜头光学系统的光轴进行移动，用于进行变焦镜头光学系统在广角端和望远端之间的光学变焦。对焦组G4能够沿变焦镜头光学系统的光轴进行移动，用于校正在变焦组G2的变焦过程中的成像面IMA的像面位置变化。

在本实施例中，第一固定组G1为正光焦度，变焦组G2为负光焦度，第二固定组G3为正光焦度，对焦组G4为正光焦度。

第一固定组G1包括从物侧到像侧依次配置的具有负光焦度的第一透镜L1、具有正光焦度的第二透镜L2以及具有正光焦度的第三透镜L3。第一透镜L1是物侧为凸面且像侧为凹面的球面透镜，第二透镜L2是双凸的球面透镜，第三透镜L3是物侧为凸面且像侧为凹面的球面透镜。

变焦组G2包括从物侧到像侧依次配置的具有负光焦度的第四透镜L4、具有负光焦度的第五透镜L5以及具有正光焦度的第六透镜L6。第四透镜L4是物侧为凸面且像侧为凹面的球面透镜，第五透镜L5是双凹的非球面透镜，第六透镜L6是双凹的球面透镜。

第二固定组G3包括从物侧到像侧依次配置的光阑STOP、具有正光焦度的第七透镜L7、具有正光焦度的第八透镜L8以及具有负光焦度的第九透镜L9。光阑STOP可以是内孔径大小可以变动的可变光阑，由此能够实现光阑值的变动。第七透镜L7是物侧为凸面且像侧为凹面的非球面透镜，第八透镜L8是物侧为凸面且像侧为凹面的非球面透镜，第九透镜L9是双凹的球面透镜。

对焦组G4包括从物侧到像侧依次配置的具有正光焦度的第十透镜L10、具有负光焦度的第十一透镜L11以及具有正光焦度的第十二透镜L12。第十透镜L10是双凸的非球面透镜，第十一透镜L11是物侧为凸面且像侧为凹面的球面透镜，第十二透镜L12是双凸的球面透镜。

在将第一固定组G1的焦距设为FA、将变焦组G2的焦距为FB、将第二固定组G3的焦距设为FC、将变焦组G4的焦距设为FD时，实施例所涉及的变焦镜头光学系统满足关系式：

0.85≤FA/FC≤1.95，

-1.05≤FB/FC≤-0.05，

0.10≤FD/FC≤1.20。

通过像这样在各组中进行满足上述关系式的透镜的光焦度的搭配，实施例所涉及的变焦镜头光学系统能够实现具有4K效果的成像能力，还能够在不同的环境温度下清晰成像，从而满足4K高清视频用摄像设备的使用需求。

另外，通过将光阑STOP设置在第二固定组G3中的第七透镜L7的靠物侧的位置、也就是变焦组G2的后级，由此，变焦镜头光学系统的光圈最大可达F1.8，使得实施例所涉及的变焦镜头光学系统在低照度环境下的进光量充足，从而保证成像画面具有足够的亮度。

如上所述，变焦组G2中的第五透镜L5是非球面透镜，第二固定组G3中的第七透镜L7和第八透镜L8是非球面透镜，对焦组G4中的第十透镜L10是非球面透镜。通过在变焦组G2、第二固定组G3以及对焦组G4中分别设置至少一枚非球面透镜，能够在减少变焦镜头光学系统的体积的同时，良好地校正变焦镜头光学系统的球差以及各种高阶像素，从而使变焦镜头光学系统达到具有4K效果的分辨率需求。

另外，在本实施例中，变焦组G2和对焦组G4中的作为非球面透镜的第四透镜L4、第五透镜L5以及第十透镜L10是塑胶透镜，第二固定组G3中的作为非球面透镜的第七透镜L7可以是玻璃透镜也可以是塑胶透镜。通过在变焦镜头光学系统中使用塑胶材料的非球面透镜，能够有效地降低变焦镜头光学系统的成本。

如图1所示，在第一固定组G1中，第一透镜L1与第二透镜L2胶合而构成了胶合透镜，在对焦组G4中，第十一透镜L11与第十二透镜L12胶合而构成了胶合透镜。也就是说，第一固定组G1和对焦组G4分别设置有至少一个由相邻的透镜胶合而成的胶合透镜。胶合镜片的应用是有效校正光学系统的色差和二级光谱的重要方法之一，从这一观点出发，通过在变焦镜头光学系统中设置上述的胶合透镜，能够良好地校正变焦镜头光学系统的色差，从而使成像的色彩质量满足4K分辨率的要求。

优选的是，实施例所涉及的变焦镜头光学系统的广角端焦距Fw与第二固定组G3的焦距FC满足关系式：0.02≤Fw/FC≤0.12。由此，能够在变焦组沿着光轴从物侧向像侧移动时良好地实现变焦镜头光学系统从广角端向望远端的变焦。

优选的是，第一固定组G1中的至少一枚透镜和对焦组G4中的至少一枚透镜的折射率nd1和阿贝数vd1分别满足以下关系式：

1.40≤nd1≤1.65，

60≤vd1≤85。

由于透镜材料的阿贝数越大则表示该材料对不同波长的光线的色散越小，因此，通过将第一固定组G1中的至少一枚透镜和对焦组G4中的至少一枚透镜设置为满足上述关系式，能够使实施例所涉及的变焦镜头光学系统具有更好的色差校正能力。

优选的是，变焦组G2中的第四透镜L4的折射率nd2满足关系式：1.70≤nd2≤1.90。通常来说，透镜材料的折射率越高，则透镜材料的成本会越高。因此，通过将第四透镜L4设置为满足上述关系式，能够减小对高折射率材料的使用，从而能够有效地降低变焦镜头光学系统的成本。

本实施例所涉及的变焦镜头光学系统的设计参数可以如下表所示。关于记号，R为各透镜的表面的曲率半径，T为各透镜的中心厚度或空气间隔，Nd为各透镜针对d线的折射率，Vd为各透镜针对d线的阿贝数。

在上表中，当曲率半径为无限时，表示对应的表面为平面。

在上表中，透镜表面的曲率半径R及厚度T的单位均为毫米，标记“*”的面表示非球面，非球面透镜的面型满足以下关系式：

其中，Z(h)为非球面沿光轴方向的高度为h的位置距非球面顶点的距离矢高，c＝1/R，R表示非球面透镜的表面的曲率半径，k为圆锥系数conic，A、B、C、D、E、F、G为非球面的高阶次项系数。

在本实施例中，第五透镜L5、第七透镜L7、第八透镜L8、第十透镜L10的非球面数据如下表所示。

当变焦组G2沿着光轴从物侧向像侧移动来实现变焦镜头光学系统从广角端向望远端的变焦时，各可变间隔数据如下表如示：

在本实施例中，第一固定组G1、变焦组G2、第二固定组G3、对焦组G4以及变焦镜头光学系统的广角端焦距如下表所示：

组	FA	FB	FC	FD	Fw
						焦距	63.886	-8.984	50.963	16.796	3.700

图2是实施例所涉及的变焦镜头光学系统的广角端的MTF曲线图。图3是实施例所涉及的变焦镜头光学系统的广角端的光学畸变图。图4是实施例所涉及的变焦镜头光学系统的广角端的场曲曲线图。图5是实施例所涉及的变焦镜头光学系统的望远端的MTF曲线图。图6是实施例所涉及的变焦镜头光学系统的望远端的光学畸变图。图7是实施例所涉及的变焦镜头光学系统的望远端的场曲曲线图。

根据本实施例所涉及的变焦镜头光学系统，通过采用上述的第一固定组G1、变焦组G2、第二固定组G3以及对焦组G4中的总共12枚透镜的优化设计，使得该变焦镜头光学系统能够实现12倍变焦，变焦镜头光学系统总长在105mm以内，变焦镜头光学系统体积较小。广角端时的水平视场角达到80度以上，能够拥有较大的视角且广角端时的光圈可以达到F1.8。广角端时，全视场角为90°，光学畸变为-5.8％，而望远端时，全视场角为9°，光学畸变为-1.2％，变焦镜头光学系统的全焦段畸变小。变焦镜头光学系统的像质高，能够实现全焦段4K高分辨率成像，从而能够良好地满足视频领域中对变焦镜头的性能需求。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种变焦镜头光学系统，其特征在于，

包括从物侧到像侧沿光轴依次配置的第一固定组、变焦组、第二固定组以及对焦组，

所述变焦组能够沿所述光轴进行移动，用于进行在广角端和望远端之间的光学变焦，

所述对焦组能够沿所述光轴进行移动，用于校正在所述变焦组的变焦过程中的像面位置变化，

所述变焦镜头光学系统满足以下关系式：

0.85≤FA/FC≤1.25

-1.05≤FB/FC≤-0.05

0.10≤FD/FC≤1.20

其中，FA为所述第一固定组的焦距，

FB为所述变焦组的焦距，

FC为所述第二固定组的焦距，

FD为所述对焦组的焦距。

2.根据权利要求1所述的变焦镜头光学系统，其特征在于，满足以下关系式：

0.02≤Fw/FC≤0.12

其中，Fw为所述变焦镜头光学系统的广角端焦距。

3.根据权利要求2所述的变焦镜头光学系统，其特征在于，

所述第一固定组为正光焦度，

所述变焦组为负光焦度，

所述第二固定组为正光焦度，

所述对焦组为正光焦度。

4.根据权利要求3所述的变焦镜头光学系统，其特征在于，

所述第一固定组包括从物侧到像侧依次配置的具有负光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜以及具有正光焦度的第三透镜。

5.根据权利要求3所述的变焦镜头光学系统，其特征在于，

所述变焦组包括从物侧到像侧依次配置的具有负光焦度的第四透镜、具有负光焦度的第五透镜以及具有正光焦度的第六透镜。

6.根据权利要求3所述的变焦镜头光学系统，其特征在于，

所述第二固定组包括从物侧到像侧依次配置的具有正光焦度的第七透镜、具有正光焦度的第八透镜以及具有负光焦度的第九透镜。

7.根据权利要求3所述的变焦镜头光学系统，其特征在于，

所述对焦组包括从物侧到像侧依次配置的具有正光焦度的第十透镜、具有负光焦度的第十一透镜以及具有正光焦度的第十二透镜。

8.根据权利要求3所述的变焦镜头光学系统，其特征在于，所述第一固定组中的至少一枚透镜和所述对焦组中的至少一枚透镜满足以下关系式：

1.40≤nd1≤1.65

60≤vd1≤85

其中，nd1是该透镜的折射率，

vd1是该透镜的阿贝数。

9.根据权利要求3所述的变焦镜头光学系统，其特征在于，

所述变焦组包括至少一枚非球面透镜，所述第二固定组包括至少一枚非球面透镜，所述对焦组包括至少一枚非球面透镜，

所述变焦组和所述对焦组中的非球面透镜是塑胶透镜，所述第二固定组中的非球面透镜是玻璃透镜或者塑胶透镜。

10.根据权利要求3所述的变焦镜头光学系统，其特征在于，满足以下关系式：

1.70≤nd2≤1.90

其中，nd2是所述变焦组中的最靠物侧的透镜的折射率。

11.根据权利要求3所述的变焦镜头光学系统，其特征在于，

所述第一固定组包括至少一个由相邻的透镜胶合而成的胶合透镜，

所述对焦组包括至少一个由相邻的透镜胶合而成的胶合透镜。

12.根据权利要求3所述的变焦镜头光学系统，其特征在于，

所述第二固定组还包括光阑，所述光阑在所述第二固定组中位于最靠物侧的位置。