緊湊型三組元大變倍比連續(xù)變焦距鏡頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種緊湊型三組元大變倍比連續(xù)變 焦距鏡頭。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代社會(huì)和科技的發(fā)展，變焦距鏡頭在諸如安防、監(jiān)控等眾多領(lǐng)域被廣泛采 用，通過(guò)與電視攝像技術(shù)的結(jié)合，可對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)觀察記錄，也可以對(duì)大范圍目標(biāo) 進(jìn)行搜索。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高分辨率成像，要求鏡頭長(zhǎng)焦端的焦距足夠長(zhǎng)；而為使系統(tǒng)觀測(cè)范 圍寬，又要求鏡頭短焦端焦距足夠短；另外為了便于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、以及鏡頭的移動(dòng)、安裝和使 用，希望鏡頭光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整體尺寸緊湊。因此大變倍比、長(zhǎng)焦距、結(jié)構(gòu)緊湊、像質(zhì)優(yōu)良的 變焦距鏡頭最受用戶青睞。
[0003] 但一般鏡頭的長(zhǎng)度與其焦距相近，因此長(zhǎng)焦距鏡頭的長(zhǎng)度也相應(yīng)較長(zhǎng)。另外當(dāng)變 倍比大時(shí)，變焦組元的移動(dòng)量也較大，像差校正也困難，這些又都增加了緊湊型鏡頭設(shè)計(jì)的 難度。因此如何使長(zhǎng)焦距、大變倍比變焦距鏡頭尺寸端、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，一直是光學(xué)設(shè)計(jì)中 的研制重點(diǎn)之一。
[0004] 目前最為流行的變焦距鏡頭形式是機(jī)械補(bǔ)償四組式結(jié)構(gòu)，即包括前固定組、變倍 組、補(bǔ)償組、后固定組。但這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由于組元較多，長(zhǎng)度的減小受到限制。目前 文獻(xiàn)報(bào)道的大變倍比鏡頭多采用這種四組式形式，由于長(zhǎng)度的限制，變倍比一般不超過(guò)50 倍。而其他形式，如兩組式、三組式等僅在變倍比為4~5的小倍率系統(tǒng)中采用。如何研制 變倍比大、焦距長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊的變焦距鏡頭一直是光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一項(xiàng)難題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明為克服現(xiàn)有大倍率、長(zhǎng)焦距連續(xù)變焦距鏡頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸長(zhǎng)的問(wèn)題，提出 緊湊型三組元大變倍比連續(xù)變焦距鏡頭，采用三組元結(jié)構(gòu)，使長(zhǎng)焦距、大變倍比鏡頭在保證 成像質(zhì)量?jī)?yōu)良的前提下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單、緊湊。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0007] 緊湊型三組元大變倍比連續(xù)變焦距鏡頭，其特征是，其從左至右依次為正光焦度 的前固定組、負(fù)光焦度的變倍組及正光焦度的補(bǔ)償組，可變光闌固定在補(bǔ)償組前端，隨補(bǔ)償 組移動(dòng)；
[0008] 前固定組包含雙膠合透鏡和單透鏡；雙膠合透鏡為負(fù)、正結(jié)構(gòu)，其中負(fù)透鏡為彎月 形透鏡，正透鏡為雙凸形透鏡；單透鏡為平凸形透鏡；
[0009] 變倍組包含負(fù)透鏡和負(fù)光焦度的雙膠合透鏡；單透鏡為雙凹形；雙膠合透鏡為負(fù) 透鏡和正透鏡膠合結(jié)構(gòu)；
[0010] 補(bǔ)償組包含第一雙膠合透鏡和第二雙膠合透鏡的光焦度為正，第三雙膠合透鏡光 焦度為負(fù)；靠近像面的單透鏡采用高折射率材料的厚彎月形，用于對(duì)場(chǎng)曲和象散的校正。
[0011] 各組元光焦度滿足的條件如下，
[0012] 5 < | fA/fB | < 8
[0013] 1.2< |fc/fB| <2
[0014] dBCL/fB>0
[0015] 式中：fA為前固定組焦距，f 變倍組焦距，f c為補(bǔ)償組焦距，dBu為長(zhǎng)焦位置端 變倍組與補(bǔ)償組間隔。
[0016] 第三雙膠合透鏡中的正、負(fù)透鏡分別采用特殊色散玻璃H-FK61和TF3。
[0017] 本發(fā)明的有益效果：為達(dá)到大變倍比，采用換根的正組補(bǔ)償方式，即變倍組光焦度 為負(fù)，補(bǔ)償組光焦度為正，補(bǔ)償曲線經(jīng)過(guò)換根點(diǎn)，由換根點(diǎn)到短焦端實(shí)現(xiàn)倍率10倍以上的 變化，由換根點(diǎn)到長(zhǎng)焦端實(shí)現(xiàn)倍率5倍以上的變化，從而使整個(gè)變倍曲線范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)50倍 以上的變倍比。為使結(jié)構(gòu)緊湊，將補(bǔ)償組設(shè)計(jì)成光焦度前移的遠(yuǎn)攝型，使主面向前移出鏡組 之外，使高斯參數(shù)計(jì)算時(shí)長(zhǎng)焦端變倍組與補(bǔ)償組間隔為負(fù)，從而在補(bǔ)償曲線選段階段實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)總長(zhǎng)的減小；同時(shí)利用遠(yuǎn)攝結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)小于焦距的特點(diǎn)，減小后工作距離，使厚透鏡設(shè)計(jì) 階段進(jìn)一步減小長(zhǎng)度。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的緊湊型三組元大變倍比連續(xù)變焦距鏡頭光學(xué)結(jié)構(gòu)。
[0019]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的變倍補(bǔ)償曲線，（1)為變倍組與補(bǔ)償組移動(dòng)量與凸輪轉(zhuǎn)角 關(guān)系，（2)為系統(tǒng)焦距與凸輪轉(zhuǎn)角關(guān)系。
[0020] 圖3為變焦距系統(tǒng)在短焦f 12. 5mm、中焦f 186mm及長(zhǎng)焦750mm三個(gè)位置的高斯光 學(xué)結(jié)構(gòu)圖。
[0021] 圖4為實(shí)施例的變焦距鏡頭在短焦f 12. 5mm、中焦f 186mm及長(zhǎng)焦750mm三個(gè)位置 的實(shí)際光路圖。
[0022] 圖5為變焦距鏡頭在短焦f 12. 5mm、中焦f 186mm及長(zhǎng)焦750mm三個(gè)位置的MTF曲 線。
[0023] 圖6為變焦距鏡頭在短焦f 12. 5mm、中焦f 186mm及長(zhǎng)焦750mm三個(gè)位置的的像差 曲線圖，包括球差曲線、象散和場(chǎng)曲曲線、畸變曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0025] 采用三組元結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包含正光焦度的前固定組1、負(fù)光焦度的變倍組2及 正光焦度的補(bǔ)償組4,可變光闌3固定在補(bǔ)償組4前端，隨補(bǔ)償組移動(dòng)。與常用的四組式相 比省去了后固定組，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
[0026] 為達(dá)到大變倍比，采用換根的正組補(bǔ)償方式，即變倍組光焦度為負(fù)，補(bǔ)償組光焦度 為正，補(bǔ)償曲線經(jīng)過(guò)換根點(diǎn)，由換根點(diǎn)到短焦端實(shí)現(xiàn)倍率10倍以上的變化，由換根點(diǎn)到長(zhǎng) 焦端實(shí)現(xiàn)倍率5倍以上的變化，從而使整個(gè)變倍曲線范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)50倍以上的變倍比。
[0027] 三組結(jié)構(gòu)中前固定組1包含一塊雙膠合透鏡1-1和一塊單透鏡1-2。雙膠合透鏡 1-1為負(fù)、正結(jié)構(gòu)，其中的負(fù)透鏡為彎月形，采用高折射率的火石玻璃，正透鏡為雙凸形，采 用低折射率、特殊色散玻璃HFK61。單透鏡1-2為平凸形，也采用特殊色散玻璃HFK61。
[0028] 變倍組2包含一塊負(fù)透鏡2-1和一塊負(fù)光焦度的雙膠合透鏡2-2。單透鏡2-1為 雙凹形，采用低色散的冕牌玻璃。雙膠合透鏡2-2為負(fù)、正結(jié)構(gòu)，其中的負(fù)透鏡采用特殊色 散玻璃TF3,正透鏡采用高折射率、高色散的火石玻璃。
[0029] 補(bǔ)償組4包含三塊正、負(fù)結(jié)構(gòu)的雙膠合透鏡及一塊單透鏡。其中前兩塊雙膠合透 鏡4-1、4-2的光焦度為正，第三塊雙膠合透鏡4-3光焦度為負(fù)，雙膠合透鏡4-3中的正、負(fù) 透鏡分別采用特殊色散玻璃H-FK61和TF3;靠近像面的單透鏡4-4采用高折射率材料的厚 彎月形，用于對(duì)場(chǎng)曲和象散的校正。
[0030] 為使結(jié)構(gòu)緊湊，將補(bǔ)償組4設(shè)計(jì)成光焦度前移的遠(yuǎn)攝型，使主面向前移出鏡組之 外，使高斯參數(shù)計(jì)算時(shí)長(zhǎng)焦端變倍組2與補(bǔ)償組4間隔為負(fù)，從而在補(bǔ)償曲線選段階段實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)總長(zhǎng)的減??；同時(shí)利用遠(yuǎn)攝結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)小于焦距的特點(diǎn)，減小后工作距離，使厚透鏡設(shè)計(jì) 階段進(jìn)一步減小長(zhǎng)度。
[0031] 可變光闌3固定在補(bǔ)償組4前端，隨補(bǔ)償組移動(dòng)。
[0032] 本發(fā)明的各組元光焦度滿足的條件是：
[0033] 5 < | fA/fB | < 8
[0034] 1. 2 < |fc/fBl < 2
[0035] dBC L/fB> 0
[0036]式中fA為前固定組焦距，f 變倍組焦距，f。為補(bǔ)償組焦距，d 為長(zhǎng)焦位置端變 倍組與補(bǔ)償組間隔。
[0037] 實(shí)施例：
[0038] 應(yīng)用于高分辨率監(jiān)視的長(zhǎng)焦距大倍率鏡頭光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用波段為486nm~ 656nm的可見光，焦距12. 5謹(jǐn)~750謹(jǐn)，變倍比60倍，相對(duì)口徑1/2. 8~1/7,視場(chǎng)角 38.5° ~0.66。，相機(jī)采用 2/3〃 CCD。
[0039] 實(shí)施例中首先進(jìn)行高斯光學(xué)計(jì)算，從而選擇最合理的高斯參數(shù)，最終確定為：
[0040] l)fA/fB= -6. 2；
[0041] 2)fc/fB= -1. 78；
[0042] 3) dBC L/fB=0.45；
[0043] 4)變倍組倍率：mB= -2. 2 ~-0? 22;
[0044] 5)補(bǔ)償組倍率：mc= -1. 82 ~-0? 31;
[0045]6)歸一化系數(shù)：fB=-30mm〇
[0046] 而后進(jìn)行厚透鏡設(shè)計(jì)，按照前述規(guī)律選擇各組元結(jié)構(gòu)形式和透鏡材料，實(shí)施例的 設(shè)計(jì)結(jié)果光學(xué)參數(shù)如表1，系統(tǒng)由8組13片透鏡組成。
[0047] 1)系統(tǒng)前固定組最大通光口徑：107mm，變倍組最大通光口徑28mm，補(bǔ)償組最大通 光口徑30mm;
[0048] 2)前片至像面總長(zhǎng)：368mm;
[0049] 3)后工作距離：18. 32mm~91. 1 7mm；
[0050] 4)變倍組導(dǎo)程：123. 5mm;
[0051] 5)補(bǔ)償量：72.85mm。
[0052]表1 :
[0053]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 緊湊型三組元大變倍比連續(xù)變焦距鏡頭，其特征是，其從左至右依次為正光焦度的 前固定組（1)、負(fù)光焦度的變倍組（2)及正光焦度的補(bǔ)償組（4)，可變光闌（3)固定在補(bǔ)償 組⑷前端，隨補(bǔ)償組⑷移動(dòng)； 前固定組（1)包含雙膠合透鏡（1-1)和單透鏡（1-2);雙膠合透鏡（1-1)為負(fù)、正結(jié)構(gòu)， 其中負(fù)透鏡為彎月形透鏡，正透鏡為雙凸形透鏡；單透鏡（1-2)為平凸形透鏡； 變倍組（2)包含負(fù)透鏡（2-1)和負(fù)光焦度的雙膠合透鏡（2-2);單透鏡（2-1)為雙凹 形；雙膠合透鏡（2-2)為負(fù)透鏡和正透鏡膠合結(jié)構(gòu)； 補(bǔ)償組（4)包含第一雙膠合透鏡（4-1)和第二雙膠合透鏡（4-2)的光焦度為正，第三 雙膠合透鏡（4-3)光焦度為負(fù)；靠近像面的單透鏡（4-4)采用高折射率材料的厚彎月形，用 于對(duì)場(chǎng)曲和象散的校正。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊型三組元大變倍比連續(xù)變焦距鏡頭，其特征是，各組元 光焦度滿足的條件如下， 5< |fA/fBl <8 1.2< |fc/fB| <2 dBC-l"b>〇 式中：fA為前固定組⑴焦距，fB為變倍組⑵焦距，為補(bǔ)償組⑷焦距，d BC』為長(zhǎng) 焦位置端變倍組（2)與補(bǔ)償組（4)間隔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊型三組元大變倍比連續(xù)變焦距鏡頭，其特征是，第三雙 膠合透鏡（4-3)中的正、負(fù)透鏡分別采用特殊色散玻璃H-FK61和TF3。
【專利摘要】緊湊型三組元大變倍比連續(xù)變焦距鏡頭，屬于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，為克服現(xiàn)有變焦距鏡頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸長(zhǎng)的問(wèn)題，緊湊型三組元大變倍比連續(xù)變焦距鏡頭，正光焦度的前固定組、負(fù)光焦度的變倍組及正光焦度的補(bǔ)償組，可變光闌固定在補(bǔ)償組前端，隨補(bǔ)償組移動(dòng)；前固定組包含雙膠合透鏡和單透鏡；雙膠合透鏡為負(fù)、正結(jié)構(gòu)，其中負(fù)透鏡為彎月形透鏡，正透鏡為雙凸形透鏡；單透鏡為平凸形透鏡；變倍組包含負(fù)透鏡和負(fù)光焦度的雙膠合透鏡；單透鏡為雙凹形；雙膠合透鏡為負(fù)透鏡和正透鏡膠合結(jié)構(gòu)；補(bǔ)償組包含第一雙膠合透鏡和第二雙膠合透鏡的光焦度為正，第三雙膠合透鏡光焦度為負(fù)；靠近像面的單透鏡采用高折射率材料的厚彎月形，用于對(duì)場(chǎng)曲和象散的校正。
【IPC分類】G02B15-173
【公開號(hào)】CN104749755
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510147959
【發(fā)明人】王建立, 李宏壯, 李義, 劉欣悅
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【公開日】2015年7月1日
【申請(qǐng)日】2015年3月31日