一種15mm~300mm可見光連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種15mm~300mm可見光連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng),包括光焦度為正的前固定組、光焦度為負(fù)的變倍組、光焦度為負(fù)的補(bǔ)償組和光焦度為正的后固定組;通過變倍組和補(bǔ)償組的相對運(yùn)動來實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的變焦。該連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)F#為4.5,焦距為15mm~300mm,適配像元數(shù)為1024×768,像元尺寸為4.65μm×4.65μm的CCD或CMOS成像器件,光學(xué)系統(tǒng)第一透鏡的前表面至焦平面的總長為180mm。該光學(xué)系統(tǒng)的分辨率相比于現(xiàn)有技術(shù)來說得到了很大程度的提升,適用于高清攝像機(jī),也適用于一些對系統(tǒng)尺寸及重量有嚴(yán)格要求的機(jī)載光電系統(tǒng)。
【專利說明】
一種15mm~300mm可見光連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本實用新型涉及機(jī)載光電設(shè)備的可見光光學(xué)系統(tǒng),具體涉及一種15mm~300mm可 見光連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 連續(xù)變焦系統(tǒng)在視場變化的過程中能夠保持圖像的連續(xù)性,在變化倍率時不會丟 失目標(biāo),是解決大視場搜索、小視場跟蹤、識別、分析的最佳選擇。機(jī)械補(bǔ)償變焦系統(tǒng)通過變 倍組和補(bǔ)償組的相對移動,各運(yùn)動組份按不同的運(yùn)動規(guī)律作較復(fù)雜的移動,達(dá)到完全防止 像面移動。它需要用機(jī)械加工辦法加工成準(zhǔn)確的凸輪,保證組份的準(zhǔn)確移動。目前機(jī)械加工 水平完全有保證,確保鏡頭的焦距能夠連續(xù)地改變,因此得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。
[0003] 目前,適用于機(jī)載光電系統(tǒng)的可見光攝像機(jī)要求光學(xué)系統(tǒng)具有重量輕、體積小、探 測距離遠(yuǎn)等特點(diǎn),此外由過去的標(biāo)清向高清方向發(fā)展,這對光學(xué)系統(tǒng)的分辨率提出了更高 要求。傳統(tǒng)的機(jī)械補(bǔ)償變焦距光學(xué)系統(tǒng)普遍存在著重量體積較大,不適用于機(jī)載設(shè)備、且分 辨率較低,不適用于高清攝像機(jī)。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 本實用新型的目的是提供一種15mm~300mm可見光連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng),用以解決 現(xiàn)有的可見光變焦光學(xué)系統(tǒng)的分辨率較低,不適用于高清攝像機(jī)的問題。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的,本實用新型的方案包括一種15mm~300mm可見光連續(xù)變焦光學(xué) 系統(tǒng),包括沿著光線的傳播方向從左向右依次同軸設(shè)置的光焦度為正的前固定組、光焦度 為負(fù)的變倍組、光焦度為負(fù)的補(bǔ)償組和光焦度為正的后固定組,所述補(bǔ)償組和后固定組之 間的光路上設(shè)有光闌,通過變倍組和補(bǔ)償組的相對運(yùn)動來實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的變焦;所述前固 定組由四個透鏡組成,依次為:第一前固定透鏡、第二前固定透鏡、第三前固定透鏡和第四 前固定透鏡,所述第一前固定透鏡為凹面向光闌的負(fù)透鏡,第二前固定透鏡為凹面向光闌 的正透鏡,第三前固定透鏡為凹面向光闌的正透鏡,第四前固定透鏡為凹面向光闌的正透 鏡,所述第一前固定透鏡和第二前固定透鏡組成第一膠合透鏡組;所述變倍組由三個透鏡 組成:第一變倍透鏡、第二變倍透鏡和第三變倍透鏡,所述第一變倍透鏡為凹面向光闌的負(fù) 透鏡,第二變倍透鏡為凹面向光闌的負(fù)透鏡,第三變倍透鏡為凹面向光闌的正透鏡,所述第 二變倍透鏡和第三變倍透鏡組成第二膠合透鏡組;所述補(bǔ)償組由兩個透鏡組成:第一補(bǔ)償 透鏡和第二補(bǔ)償透鏡,所述第一補(bǔ)償透鏡為雙凹負(fù)透鏡,第二補(bǔ)償透鏡為凹面向光闌的負(fù) 透鏡,所述第一補(bǔ)償透鏡和第二補(bǔ)償透鏡組成第三膠合透鏡組;所述后固定組由七個透鏡 組成:第一至第七后固定透鏡,所述第一至第七后固定透鏡依次為雙凸正透鏡、凸面向光闌 的正透鏡、雙凸正透鏡、雙凹負(fù)透鏡、凹面向光闌的正透鏡、雙凹負(fù)透鏡和雙凸正透鏡,第三 后固定透鏡、第四后固定透鏡和第五后固定透鏡組成第四膠合透鏡組,第六后固定透鏡和 第七后固定透鏡組成第五膠合透鏡組。
[0006] 所述光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)為:光學(xué)系#F# : 4.5 ;焦距:15mm~300mm;視場: 22.62°~1.14° ;適配像元數(shù)為1024 X 768,像元尺寸為4.65μπι X 4.65μπι的CCD或CMOS成像器 件。
[0007] 所述前固定組和變倍組之間的空氣間隔為1.5mm~51.63mm,所述變倍組和補(bǔ)償組 之間的間隔為2mm~32.28mm,所述補(bǔ)償組和后固定組之間的間隔為1.5mm~51.33_。
[0008] 所述第一膠合透鏡組與第三前固定透鏡的間隔是〇. 15mm,第三前固定透鏡與第四 前固定透鏡之間的間隔為〇.15_;第一變倍透鏡與第二膠合透鏡組之間的間隔為1mm;第一 后固定透鏡與第二后固定透鏡之間的間隔為〇.15mm,第二后固定透鏡與第四膠合透鏡組之 間的間隔為1.7_,第四膠合透鏡組與第五膠合透鏡組之間的間隔為14.65_。
[0009] 所述前固定組中的四個透鏡中,至少有一個透鏡的光學(xué)材料為H-FK61、H-FK71或 GaF2〇
[0010] 所述前固定組中的四個透鏡的材料分別是:H-ZF52、H-ZK9A、H-ZK9A和H-FK61,所 述變倍組中的三個透鏡的材料分別是:H-ZLaF4LA、H-FK61和H-ZF52,所述補(bǔ)償組中的兩個 透鏡的材料分別是:H-LaF7和H-ZF52,所述后固定組中的七個透鏡的材料分別是:H-ZK9A、 H-LaK6A、H-FK61、H-ZLaF4LA、H-FK61、H-ZLaF4IJ^PZF13。
[0011] 所述第一前固定透鏡的靠近物方的表面與該光學(xué)系統(tǒng)的焦平面之間的距離為 180mm〇
[0012] 本實用新型的提供的可見光連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng),適用于像元數(shù)為1024X768,像元 尺寸為4.65μπι X 4.65μπι的CCD或CMOS成像器件,該光學(xué)系統(tǒng)的分辨率相比于現(xiàn)有技術(shù)來說 得到了很大程度的提升,適用于高清攝像機(jī),也適用于一些對分辨率有嚴(yán)格要求的機(jī)載光 電系統(tǒng)。而且該光學(xué)系統(tǒng)的焦距為15mm~300mm,對遠(yuǎn)距離目標(biāo)的探測、識別能力相應(yīng)地有 了很大的提升,進(jìn)而提高偵察、打擊設(shè)備對遠(yuǎn)距離目標(biāo)的識別、跟蹤能力,其應(yīng)用范圍十分 寬廣。
【附圖說明】
[0013] 圖1是15mm~300mm可見光連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0014] 圖2是短焦?fàn)顟B(tài)下的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0015] 圖3是中焦?fàn)顟B(tài)下的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0016]圖4是長焦?fàn)顟B(tài)下的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0017]圖5是短焦?fàn)顟B(tài)下的光學(xué)系統(tǒng)在空間頻率1081p/mm傳遞函數(shù)圖;
[0018]圖6是中焦?fàn)顟B(tài)下的光學(xué)系統(tǒng)在空間頻率1081p/mm傳遞函數(shù)圖;
[0019]圖7是長焦?fàn)顟B(tài)下的光學(xué)系統(tǒng)在空間頻率1081p/mm傳遞函數(shù)圖;
[0020] 圖8是短焦?fàn)顟B(tài)下的光學(xué)系統(tǒng)場曲、畸變圖;
[0021] 圖9是中焦?fàn)顟B(tài)下的光學(xué)系統(tǒng)場曲、畸變圖;
[0022] 圖10是長焦?fàn)顟B(tài)下的光學(xué)系統(tǒng)場曲、畸變圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0024] 如圖1所示的15mm~300mm可見光連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng),光線由物方入射到該光學(xué)系 統(tǒng)中,沿著光線傳播方向,該光學(xué)系統(tǒng)依次包括光焦度為正的前固定組G1、光焦度為負(fù)的變 倍組G2、光焦度為負(fù)的補(bǔ)償組G3和光焦度為正的后固定組G4。補(bǔ)償組G3和后固定組G4之間 的光路上設(shè)有光闌ST。
[0025]前固定組由四個透鏡組成,分別是:第一前固定透鏡為凹面向光闌的負(fù)透鏡11,第 二前固定透鏡為凹面向光闌的正透鏡12,第三前固定透鏡為凹面向光闌的正透鏡13,第四 前固定透鏡為凹面向光闌的正透鏡14,其中,負(fù)透鏡11與正透鏡12組成第一膠合透鏡組;變 倍組由三個透鏡組成,分別是:第一變倍透鏡為凹面向光闌的負(fù)透鏡21,第二變倍透鏡為凹 面向光闌的負(fù)透鏡22,第三變倍透鏡為凹面向光闌的正透鏡23,其中,負(fù)透鏡22和正透鏡23 組成第二膠合透鏡組;補(bǔ)償組由兩個透鏡組成,分別是:第一補(bǔ)償透鏡為雙凹負(fù)透鏡31,第 二補(bǔ)償透鏡為凹面向光闌的負(fù)透鏡32,負(fù)透鏡31和負(fù)透鏡32組成第三膠合透鏡組;后固定 組由七個透鏡組成,分別是:第一至第七后固定透鏡,依次為雙凸正透鏡41、凸面向光闌的 正透鏡42、雙凸正透鏡43、雙凹負(fù)透鏡44、凹面向光闌的正透鏡45、雙凹負(fù)透鏡46和雙凸正 透鏡47,其中,正透鏡43、負(fù)透鏡44、正透鏡45組成第四膠合透鏡組,負(fù)透鏡46和正透鏡47組 成第五膠合透鏡組。
[0026] 本實施例中:
[0027]該光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)為:
[0028] 波段:可見光波段;光學(xué)系#F#: 4.5;焦距:15mm~300mm;視場:22.62°~1.14° ;適 配像元數(shù)為1024 X 768,像元尺寸為4.65μπι X 4.65μπι的CXD或CMOS成像器件。并且,該光學(xué)系 統(tǒng)第一透鏡的前表面(即第一前固定透鏡11的靠近物方的表面)至焦平面的總長為180_。
[0029] 前固定組Gl和變倍組G2之間的空氣間隔為1.5mm~51.63mm,變倍組G2和補(bǔ)償組G3 之間的間隔為2mm~32.28mm,補(bǔ)償組G3和后固定組G4之間的間隔為1.5mm~51.33mm。
[0030] 在前固定組Gl中,第一膠合透鏡組與正透鏡13的間隔是0.15mm,正透鏡13與正透 鏡14之間的間隔為0.15mm。
[0031]在變倍組G2中,負(fù)透鏡21與第二膠合透鏡組之間的間隔為1_。
[0032] 在后固定組G4中,正透鏡41與正透鏡42之間的間隔為0.15mm;正透鏡42與第四膠 合透鏡組之間的間隔為1.7_;第四膠合透鏡組與第五膠合透鏡組之間的間隔為14.65_。 [0033] 利用前固定組來校正長焦的各種像差,在前固定組中加入正透鏡13與正透鏡14兩 個分離透鏡,利用空氣間隔的大小和半徑的差別進(jìn)行長焦端像差校正。而且,前固定組中的 四個透鏡中,至少有一個凹面向光闌面的正透鏡選用H-FK6UH-FK71或GaF2等超低色散的 光學(xué)材料,用于降低光學(xué)系統(tǒng)長焦端的二級光譜等像差。作為具體實施例,本實施例中,該 光學(xué)系統(tǒng)中所有透鏡的所有表面形均為球面,沒有非球面鏡片,易加工制造,成本低。而且 系統(tǒng)中透鏡所用的材料均為國產(chǎn)材料,具體為:前固定組中的四個透鏡的材料分別是:11-ZF5 2、H-ZK9A、H-ZK9A和H-FK61,變倍組中的三個透鏡的材料分別是:H-ZLaF4LA、H-FK61和 H-ZF52,補(bǔ)償組中的兩個透鏡的材料分別是:H-LaF7和H-ZF52,后固定組中的七個透鏡的材 料分別是:H-ZK9A、H-LaK6A、H-FK61、H-ZLaF4LA、H-FK61、H-ZLaF4LA 和 ZFl 3。
[0034] 表1為該光學(xué)系統(tǒng)的一組具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0035] 表 1
[0038] 光學(xué)系統(tǒng)在進(jìn)行焦距變化時,通過變倍組和補(bǔ)償組的相對移動來實現(xiàn)變焦,當(dāng)系 統(tǒng)由短焦向長焦變化時,變倍組和補(bǔ)償組相對于固定組一起向后運(yùn)動,二組之間又按不同 的運(yùn)動規(guī)律做相對移動以補(bǔ)償像面的移動,達(dá)到完全保持像面穩(wěn)定的效果。使用該光學(xué)系 統(tǒng)時,由于被觀測目標(biāo)距離會發(fā)生變化,這就會引起光學(xué)系統(tǒng)離焦,所以需要對該光學(xué)系統(tǒng) 進(jìn)行調(diào)焦,采取移動前固定組中的透鏡的方式實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)焦,使像面調(diào)整到探測器 焦平面位置。變倍組本身要消色差,因為這樣倍率色差容易校正一些,本身要消色差就要求 變倍組中至少有一組透鏡是膠合透鏡組,在膠合透鏡組前加入負(fù)單個透鏡,即單片在前,雙 膠合在后的結(jié)構(gòu)形式,膠合透鏡組承擔(dān)的光線是經(jīng)過負(fù)單透鏡21發(fā)散的光線,光線在膠合 透鏡組的入射角減小從而能夠減小像差;而補(bǔ)償組的焦距不宜過長或過短,過長時補(bǔ)償像 面位移需要的補(bǔ)償量太大,過短時補(bǔ)償組負(fù)擔(dān)的相對孔徑太大,像差校正困難。一般控制在 補(bǔ)償組的焦距為變倍組的2.5倍左右。
[0039] 如圖2,3和4所示,圖2是短焦?fàn)顟B(tài)下的光學(xué)系統(tǒng),圖3是中焦?fàn)顟B(tài)下的光學(xué)系統(tǒng),圖 4是長焦?fàn)顟B(tài)下的光學(xué)系統(tǒng)。
[0040] 圖5是短焦?fàn)顟B(tài)下的光學(xué)系統(tǒng)在空間頻率1081p/mm傳遞函數(shù)圖;圖6是中焦?fàn)顟B(tài)下 的光學(xué)系統(tǒng)在空間頻率l〇81p/mm傳遞函數(shù)圖;圖7是長焦?fàn)顟B(tài)下的光學(xué)系統(tǒng)在空間頻率 1081p/mm傳遞函數(shù)圖,從圖5、6和7中可以看出,系統(tǒng)傳遞函數(shù)最低為0.3,滿足設(shè)計的要求。 圖8是短焦?fàn)顟B(tài)下的光學(xué)系統(tǒng)場曲、畸變圖;圖9是中焦?fàn)顟B(tài)下的光學(xué)系統(tǒng)場曲、畸變圖;圖 10是長焦?fàn)顟B(tài)下的光學(xué)系統(tǒng)場曲、畸變圖,從圖8、9和10可知,畸變在大小視場均小于4%。
[0041] 另外,說明書中沒有詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于【背景技術(shù)】中的已被公開的申請文件中的 技術(shù)特征或者是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
[0042] 以上給出了具體的實施方式,但本實用新型不局限于所描述的實施方式。本實用 新型的基本思路在于上述基本方案,對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言,根據(jù)本實用新型的教導(dǎo), 設(shè)計出各種變形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費(fèi)創(chuàng)造性勞動。在不脫離本實用新型的原理 和精神的情況下對實施方式進(jìn)行的變化、修改、替換和變型仍落入本實用新型的保護(hù)范圍 內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種15mm~300mm可見光連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,包括沿著光線的傳播方向 從左向右依次同軸設(shè)置的光焦度為正的前固定組、光焦度為負(fù)的變倍組、光焦度為負(fù)的補(bǔ) 償組和光焦度為正的后固定組,所述補(bǔ)償組和后固定組之間的光路上設(shè)有光闌,通過變倍 組和補(bǔ)償組的相對運(yùn)動來實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的變焦;所述前固定組由四個透鏡組成,依次為:第 一前固定透鏡、第二前固定透鏡、第三前固定透鏡和第四前固定透鏡,所述第一前固定透鏡 為凹面向光闌的負(fù)透鏡,第二前固定透鏡為凹面向光闌的正透鏡,第三前固定透鏡為凹面 向光闌的正透鏡,第四前固定透鏡為凹面向光闌的正透鏡,所述第一前固定透鏡和第二前 固定透鏡組成第一膠合透鏡組;所述變倍組由三個透鏡組成:第一變倍透鏡、第二變倍透鏡 和第三變倍透鏡,所述第一變倍透鏡為凹面向光闌的負(fù)透鏡,第二變倍透鏡為凹面向光闌 的負(fù)透鏡,第三變倍透鏡為凹面向光闌的正透鏡,所述第二變倍透鏡和第三變倍透鏡組成 第二膠合透鏡組;所述補(bǔ)償組由兩個透鏡組成:第一補(bǔ)償透鏡和第二補(bǔ)償透鏡,所述第一補(bǔ) 償透鏡為雙凹負(fù)透鏡,第二補(bǔ)償透鏡為凹面向光闌的負(fù)透鏡,所述第一補(bǔ)償透鏡和第二補(bǔ) 償透鏡組成第三膠合透鏡組;所述后固定組由七個透鏡組成:第一至第七后固定透鏡,所述 第一至第七后固定透鏡依次為雙凸正透鏡、凸面向光闌的正透鏡、雙凸正透鏡、雙凹負(fù)透 鏡、凹面向光闌的正透鏡、雙凹負(fù)透鏡和雙凸正透鏡,第三后固定透鏡、第四后固定透鏡和 第五后固定透鏡組成第四膠合透鏡組,第六后固定透鏡和第七后固定透鏡組成第五膠合透 鏡組。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的15mm~300mm可見光連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,所述光 學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)為:光學(xué)系#F #:4.5;焦距:15mm~300mm;視場:22.62°~1.14° ;適 配像元數(shù)為1024 X 768,像元尺寸為4.65μπι X 4.65μπι的C⑶或CMOS成像器件。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的15mm~300mm可見光連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,所述前 固定組和變倍組之間的空氣間隔為1.5mm~51.63mm,所述變倍組和補(bǔ)償組之間的間隔為 2mm~32.28mm,所述補(bǔ)償組和后固定組之間的間隔為1.5mm~51.33mm。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的15mm~300mm可見光連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,所述第 一膠合透鏡組與第三前固定透鏡的間隔是〇.15mm,第三前固定透鏡與第四前固定透鏡之間 的間隔為〇.15_;第一變倍透鏡與第二膠合透鏡組之間的間隔為1mm;第一后固定透鏡與第 二后固定透鏡之間的間隔為0.15mm,第二后固定透鏡與第四膠合透鏡組之間的間隔為 1.7_,第四膠合透鏡組與第五膠合透鏡組之間的間隔為14.65_。5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的15mm~300_可見光連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng),其特征在于, 所述前固定組中的四個透鏡中,至少有一個透鏡的光學(xué)材料為H-FK61、H-FK71或GaF2。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的15mm~300mm可見光連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng),其特征在于,所述前 固定組中的四個透鏡的材料分別是:H-ZF52、H-ZK9A、H-ZK9A和H-FK61,所述變倍組中的三 個透鏡的材料分別是:H-ZLaF4LA、H-FK61和H-ZF52,所述補(bǔ)償組中的兩個透鏡的材料分別 是:H-LaF7和H-ZF52,所述后固定組中的七個透鏡的材料分別是:H-ZK9A、H-LaK6A、H-FK61、 H-ZLaF4LA、H-FK61、H-ZLaF4LA和ZF13。7. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的15mm~300mm可見光連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng),其特征在于, 所述第一前固定透鏡的靠近物方的表面與該光學(xué)系統(tǒng)的焦平面之間的距離為180_。
【文檔編號】G02B15/17GK205581387SQ201620201921
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月16日
【發(fā)明人】吳海清, 崔莉, 田海霞, 李同海, 趙新亮
【申請人】凱邁(洛陽)測控有限公司