一种高清多组元大变倍比光学变焦镜头及其成像方法

摘要

本发明涉及一种高清多组元大变倍比光学变焦镜头，包括沿光线入射光路自左向右依次设置的前固定组A、变倍调焦组B、可变光阑、中间固定组C和补偿聚焦组D；前固定组A包括弯月负透镜A1、双凸正透镜A2、双凸正透镜A3、弯月正透镜A4和弯月正透镜A5；变倍调焦组B包括弯月负透镜B1、双凹负透镜B2、双凸正透镜B3和弯月负透镜B4；中间固定组C包括弯月正透镜C1、弯月负透镜C2和双凸正透镜C3；补偿聚焦组D包括弯月正透镜D1、弯月负透镜D2和双凸正透镜D3。本发明选用四组元的变焦方案实现了大倍率的光学变焦，可对大视场范围内的目标进行精确的切换探测，通过像差平衡矫正提高了各焦段的分辨率水平及抗干扰能力，能够适配于多种高像素相机。

权利要求

1.一种高清多组元大变倍比光学变焦镜头，其特征在于，由沿光线入射光路自左向右依次设置的前固定组A、变倍调焦组B、可变光阑、中间固定组C和补偿聚焦组D组成；所述前固定组A由弯月负透镜A1、双凸正透镜A2、双凸正透镜A3、弯月正透镜A4和弯月正透镜A5组成，所述弯月负透镜A1与双凸正透镜A2构成第一密接胶合片；所述变倍调焦组B由弯月负透镜B1、双凹负透镜B2、双凸正透镜B3和弯月负透镜B4组成，双凹负透镜B2与双凸正透镜B3构成第二密接胶合片；所述中间固定组C由弯月正透镜C1、弯月负透镜C2和双凸正透镜C3组成，所述弯月负透镜C2与双凸正透镜C3构成第三密接胶合片；所述补偿聚焦组D由弯月正透镜D1、弯月负透镜D2和双凸正透镜D3组成；

所述前固定组A焦距fa和短焦段焦距fw具有如下关系: 10.1≤|fa/fw|≤10.8；所述前固定组A焦距fa和长焦段焦距ft具有如下关系：0.2≤|fa/ft|≤0.4；所述变倍调焦组B焦距fb和短焦段焦距fw具有如下关系：1.5≤|fb/fw|≤1.9；所述变倍调焦组B焦距fb和长焦段焦距ft具有如下关系：0.05≤|fb/ft|≤0.15；所述中间固定组C焦距fc和短焦段焦距fw具有如下关系：4.7≤|fc/fw|≤5.2；所述中间固定组C焦距fc和长焦段焦距ft具有如下关系：

0.1≤|fc/ft|≤0.3；所述补偿聚焦组D焦距fd和短焦段焦距fw具有如下关系：3.7≤|fd/fw|≤4.1；所述补偿聚焦组D焦距fd和长焦段焦距ft具有如下关系：0.05≤|fd/ft|≤0.15。

2.根据权利要求1所述的一种高清多组元大变倍比光学变焦镜头，其特征在于，所述第一密接胶合片与双凸正透镜A3之间的空气距离为0.1mm，所述双凸正透镜A3与弯月正透镜A4之间的空气距离为0.1mm，所述弯月正透镜A4与弯月正透镜A5之间的空气距离为0.1mm，所述弯月正透镜A5与弯月负透镜B1之间的空气距离为0.5mm‑49.89mm；所述弯月负透镜B1与第二密接胶合片之间的空气距离为5.1mm，所述第二密接胶合片与弯月负透镜B4之间的空气距离为0.96mm，所述弯月负透镜B4与可变光阑之间的空气距离为0.5mm‑49.89mm；所述可变光阑到与弯月正透镜C1之间的空气距离为0.1mm；所述弯月正透镜C1与第三密接胶合片之间的空气距离为4.39mm，所述第三密接胶合片与弯月正透镜D1之间的空气距离为

0.5mm‑25.29mm，所述弯月正透镜D1与弯月负透镜D2之间的空气距离为3.52mm，所述弯月负透镜D2与双凸正透镜D3之间的空气距离为0.1mm。

3.根据权利要求1所述的一种高清多组元大变倍比光学变焦镜头，其特征在于，所述双凸正透镜D3右侧设置有平板玻璃，所述平板玻璃的中心厚度为1mm，所述双凸正透镜D3与平板玻璃之间的空气距离为5.5mm‑20.29mm；所述平板玻璃至像面的空气距离为0.1mm。

4.根据权利要求1所述的一种高清多组元大变倍比光学变焦镜头，其特征在于，所述弯月负透镜B1为玻璃非球面透镜。

5.根据权利要求1所述的一种高清多组元大变倍比光学变焦镜头，其特征在于，所述弯月正透镜C1为玻璃非球面透镜。

6.根据权利要求1所述的一种高清多组元大变倍比光学变焦镜头，其特征在于，所述双凸正透镜D3为玻璃非球面透镜。

7.根据权利要求1所述的一种高清多组元大变倍比光学变焦镜头，其特征在于，所述补偿聚焦组D的后端处设置有相机传感器。

8.一种如权利要求1 7任一所述的一种高清多组元大变倍比光学变焦镜头的成像方~

法，其特征在于，光线自左向右依次通过弯月负透镜A1、双凸正透镜A2、双凸正透镜A3、弯月正透镜A4、弯月正透镜A5、弯月负透镜B1、双凹负透镜B2、双凸正透镜B3、弯月负透镜B4、弯月正透镜C1、弯月负透镜C2、双凸正透镜C3、弯月正透镜D1、弯月负透镜D2和双凸正透镜D3后进行成像。

说明书

一种高清多组元大变倍比光学变焦镜头及其成像方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高清多组元大变倍比光学变焦镜头及其成像方法。

背景技术

[0002] 大倍率变焦超高清监测技术一直是我国民用及军用光学变焦镜头的重点探索方向。近年来，随着军民光学技术的融合加深，有越来越多的光学变焦镜头被应用空间探测、机载、交通、安防等领域，但光学变焦镜头普遍存在着体积大、长短焦像素低、倍率拓宽难度大、像面尺寸难以做大、抗干扰能力弱等难题，致使其应用场景严重受限。

[0003] 光学变焦镜头的变倍比率受到镜头体积、光圈及像面尺寸、像素要求的制约，尤其在短焦及长焦部分，受轴外像差和复色光像差的影响，使得探测画面锐利度的一致性大大衰减，不得不将变倍比压缩减少。现如今，随着民用需求激增以及军备发展的需求，高清大变倍比变焦镜头的探索发展具有重要意义。

发明内容

[0004] 本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种高清多组元大变倍比光学变焦镜头及其成像方法，采用四组元的光学结构形式，提高了光学变焦镜头的变倍比率以及整体像素。

[0005] 本发明是这样构成的，它包括沿光线入射光路自左向右依次设置的前固定组A、变倍调焦组B、可变光阑、中间固定组C和补偿聚焦组D；所述前固定组A包括弯月负透镜A1、双凸正透镜A2、双凸正透镜A3、弯月正透镜A4和弯月正透镜A5，所述弯月负透镜A1与双凸正透镜A2构成第一密接胶合片；所述变倍调焦组B包括弯月负透镜B1、双凹负透镜B2、双凸正透镜B3和弯月负透镜B4，双凹负透镜B2与双凸正透镜B3构成第二密接胶合片；所述中间固定组C包括弯月正透镜C1、弯月负透镜C2和双凸正透镜C3，所述弯月负透镜C2与双凸正透镜C3构成第三密接胶合片；所述补偿聚焦组D包括弯月正透镜D1、弯月负透镜D2和双凸正透镜D3。

[0006] 进一步的，所述第一密接胶合片与双凸正透镜A3之间的空气距离为0.1mm，所述双凸正透镜A3与弯月正透镜A4之间的空气距离为0.1mm，所述弯月正透镜A4与弯月正透镜A5之间的空气距离为0.1mm，所述弯月正透镜A5与弯月负透镜B1之间的空气距离为0.5mm‑49.89mm；所述弯月负透镜B1与第二密接胶合片之间的空气距离为5.1mm，所述第二密接胶合片与弯月负透镜B4之间的空气距离为0.96mm，所述弯月负透镜B4与可变光阑之间的空气距离为0.5mm‑49.89mm；所述可变光阑到与弯月正透镜C1之间的空气距离为0.1mm；所述弯月正透镜C1与第三密接胶合片之间的空气距离为4.39mm，所述第三密接胶合片与弯月正透镜D1之间的空气距离为0.5mm‑25.29mm，所述弯月正透镜D1与弯月负透镜D2之间的空气距离为3.52mm，所述弯月负透镜D2与双凸正透镜D3之间的空气距离为0.1mm；

[0007] 进一步的，所述双凸正透镜D3右侧设置有平板玻璃，所述平板玻璃的中心厚度为1mm，所述双凸正透镜D3与平板玻璃之间的空气距离为5.5mm‑20.29mm；所述平板玻璃至像面的空气距离为0.1mm。

[0008] 进一步的，所述前固定组A焦距fa和短焦段焦距fw具有如下关系: 10.1≤|fa/fw|≤10.8；所述前固定组A焦距fa和长焦段焦距ft具有如下关系：0.2≤|fa/ft|≤0.4；所述变倍调焦组B焦距fb和短焦段焦距fw具有如下关系：1.5≤|fb/fw|≤1.9；所述变倍调焦组B焦距fb和长焦段焦距ft具有如下关系：0.05≤|fb/ft|≤0.15；所述中间固定组C焦距fc和短焦段焦距fw具有如下关系：4.7≤|fc/fw|≤5.2；所述中间固定组C焦距fc和长焦段焦距ft具有如下关系：0.1≤|fc/ft|≤0.3；所述补偿聚焦组D焦距fd和短焦段焦距fw具有如下关系：3.7≤|fd/fw|≤4.1；所述补偿聚焦组D焦距fd和长焦段焦距ft具有如下关系：0.05≤|fd/ft|≤0.15。

[0009] 进一步的，所述弯月负透镜B1为玻璃非球面透镜。

[0010] 进一步的，所述弯月正透镜C1为玻璃非球面透镜。

[0011] 进一步的，所述双凸正透镜D3为玻璃非球面透镜。

[0012] 进一步的，所述补偿聚焦组D的后端处设置有相机传感器。

[0013] 进一步的，一种高清多组元大变倍比光学变焦镜头的成像方法，光线自左向右依次通过弯月负透镜A1、双凸正透镜A2、双凸正透镜A3、弯月正透镜A4、弯月正透镜A5、弯月负透镜B1、双凹负透镜B2、双凸正透镜B3、弯月负透镜B4、弯月正透镜C1、弯月负透镜C2、双凸正透镜C3、弯月正透镜D1、弯月负透镜D2和双凸正透镜D3后进行成像。

[0014] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本装置通过四组元光学结构的二群组变倍调焦、四群组补偿聚焦的结构形式，并在变倍组和聚焦组分别采用了一枚玻璃非球面镜片进行像差优化，不仅减少了镜头的尺寸和体积，也使镜头的变焦倍率得以拓展，增大了视场角变化范围和成像面的尺寸范围。中间固定组设置了一枚玻璃非球面以矫正孔径球差和彗差。通过多枚胶合片的组合和高阿贝材料的引入，充分矫正的镜头的复色光像差，提高了镜头的成像质量；同时镜头选用四组元的变焦方案实现了大倍率的光学变焦，可对大视场范围内的目标进行精确的切换探测，通过像差平衡矫正提高了各焦段的分辨率水平及抗干扰能力，能够适配于多种高像素相机。

附图说明

[0015] 图1是本发明实施例的短焦段光路示意图；

[0016] 图2是本发明实施例的中焦段光路示意图；

[0017] 图3是本发明实施例的长焦段光路示意图；

[0018] 图4是本发明实施例的短焦段离焦曲线图；

[0019] 图5是本发明实施例的中焦段离焦曲线图；

[0020] 图6是本发明实施例的长焦段离焦曲线图；

[0021] 图7是本发明实施例的短焦段光学传函示意图；

[0022] 图8是本发明实施例的中焦段光学传函示意图；

[0023] 图9是本发明实施例的长焦段光学传函示意图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

[0025] 实施例1：参照附图1‑3所示，本实施例中，提供一种高清多组元大变倍比光学变焦镜头，包括沿光线入射光路自左向右依次设置的前固定组A、变倍调焦组B、可变光阑、中间固定组C和补偿聚焦组D；所述前固定组A包括弯月负透镜A1、双凸正透镜A2、双凸正透镜A3、弯月正透镜A4和弯月正透镜A5，所述弯月负透镜A1与双凸正透镜A2构成第一密接胶合片；所述变倍调焦组B包括弯月负透镜B1、双凹负透镜B2、双凸正透镜B3和弯月负透镜B4，双凹负透镜B2与双凸正透镜B3构成第二密接胶合片；所述中间固定组C包括弯月正透镜C1、弯月负透镜C2和双凸正透镜C3，所述弯月负透镜C2与双凸正透镜C3构成第三密接胶合片；所述补偿聚焦组D包括弯月正透镜D1、弯月负透镜D2和双凸正透镜D3；光学变焦镜头的像面前设置了一块平板玻璃。该镜头选用四组元的变焦方案实现了大倍率的光学变焦，可对大视场范围内的目标进行精确的切换探测，通过像差平衡矫正提高了各焦段的分辨率水平及抗干扰能力，能够适配于多种高像素相机。

[0026] 上述由弯月负透镜A1与双凸正透镜A2构成第一密接胶合片的焦距为负，对入射光线具有发散作用，使入射光线变得平缓；双凹负透镜B2与双凸正透镜B3构成第二密接胶合片的焦距为负，对变倍调焦组B入射光线具有发散作用；弯月负透镜C2与双凸正透镜C3构成第三密接胶合片的焦距为负，对中间固定组C入射光线具有发散作用。

[0027] 第一密接胶合片的胶合所在面弯向可变光阑的一侧；第二密接胶合片的胶合所在面弯向可变光阑一侧；第三密接胶合片的胶合所在面背向可变光阑一侧。

[0028] 上述的前固定组A在镜头变倍聚焦过程中与可变光阑和像面保持相对静止状态；中间固定组C在镜头变倍聚焦过程中与可变光阑和像面保持相对静止状态；变倍调焦组B在前固定组A和可变光阑之间作轴向位移，起变倍作用；补偿聚焦组在中间固定组C和像面之间作轴向位移，起补偿像面偏移和聚焦作用。

[0029] 上述的前固定组A采用多枚高阿贝系数材料，有利于大视场入射光线的复色差矫正，通过控制适当的单透镜弯曲可平缓光线走势，改善部分单色像差；变倍调焦组B通过引入胶合片和控制胶面的方向可在矫正轴上及轴外色差的同时，进行球差和彗星状像差的补偿矫正，变倍调焦组B胶合片选用一枚超高折射率材料有利于整体像质提升。

[0030] 在本实施例中，如表1所示，所述第一密接胶合片与双凸正透镜A3之间的空气距离为0.1mm，所述双凸正透镜A3与弯月正透镜A4之间的空气距离为0.1mm，所述弯月正透镜A4与弯月正透镜A5之间的空气距离为0.1mm，所述弯月正透镜A5与弯月负透镜B1之间的空气距离为0.5mm‑49.89mm；所述弯月负透镜B1与第二密接胶合片之间的空气距离为5.1mm，所述第二密接胶合片与弯月负透镜B4之间的空气距离为0.96mm，所述弯月负透镜B4与可变光阑之间的空气距离为0.5mm‑49.89mm；所述可变光阑到与弯月正透镜C1之间的空气距离为0.1mm；所述弯月正透镜C1与第三密接胶合片之间的空气距离为4.39mm，所述第三密接胶合片与弯月正透镜D1之间的空气距离为0.5mm‑25.29mm，所述弯月正透镜D1与弯月负透镜D2之间的空气距离为3.52mm，所述弯月负透镜D2与双凸正透镜D3之间的空气距离为0.1mm；

[0031] 在本实施例中，所述双凸正透镜D3右侧设置有平板玻璃，所述平板玻璃的中心厚度为1mm，所述双凸正透镜D3与平板玻璃之间的空气距离为5.5mm‑20.29mm；所述平板玻璃至像面的空气距离为0.1mm。

[0032] 在本实施例中，所述前固定组A焦距fa和短焦段焦距fw具有如下关系: 10.1≤|fa/fw|≤10.8；所述前固定组A焦距fa和长焦段焦距ft具有如下关系：0.2≤|fa/ft|≤0.4；所述变倍调焦组B焦距fb和短焦段焦距fw具有如下关系：1.5≤|fb/fw|≤1.9；所述变倍调焦组B焦距fb和长焦段焦距ft具有如下关系：0.05≤|fb/ft|≤0.15；所述中间固定组C焦距fc和短焦段焦距fw具有如下关系：4.7≤|fc/fw|≤5.2；所述中间固定组C焦距fc和长焦段焦距ft具有如下关系：0.1≤|fc/ft|≤0.3；所述补偿聚焦组D焦距fd和短焦段焦距fw具有如下关系：3.7≤|fd/fw|≤4.1；所述补偿聚焦组D焦距fd和长焦段焦距ft具有如下关系：
0.05≤|fd/ft|≤0.15。

[0033] 在本实施例中，如表2所示，所述弯月负透镜B1为玻璃非球面透镜；如表3所示，所述弯月正透镜C1为玻璃非球面透镜；如表4所示，所述双凸正透镜D3为玻璃非球面透镜。

[0034] 在本实施例中，在本实施例中，所述补偿聚焦组D的后端处设置有相机传感器，可进行光电信号转换，进行图形数据采集。

[0035] 在本实施例中，成像时：光线自左向右依次通过弯月负透镜A1、双凸正透镜A2、双凸正透镜A3、弯月正透镜A4、弯月正透镜A5、弯月负透镜B1、双凹负透镜B2、双凸正透镜B3、弯月负透镜B4、弯月正透镜C1、弯月负透镜C2、双凸正透镜C3、弯月正透镜D1、弯月负透镜D2和双凸正透镜D3后进行成像。

[0036] 实施例2：在实施例1的基础上，本实施例中，前固定组A具有正光焦度，变倍调焦组B具有负光焦度，中间固定组C和补偿聚焦组D具有正光焦度，对于可变光阑的前组由前固定组A和变倍调焦组B构成，可变光阑的后组由中间固定组C和补偿聚焦组D构成，可变光阑的前组光焦度为负，可变光阑的后组光焦度为正。

[0037] 在本实施例中，所述可变光阑的前组总光焦度为fq，可变光阑的后组总光焦度为fh，满足如下关系式： 0.4≤|fq/fh|≤0.7。

[0038] 在本实施例中，非球面透镜B1、非球面透镜C1、非球面透镜D3的非球面曲线方程表达式为：

[0039]

[0040] 其中，Z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的离矢高；c为非球面的近轴曲率；k为圆锥常数；a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8均为高次项系数。

[0041] 在本实施例中，由前固定组A、变倍调焦组B、中间固定组C和补偿聚焦组D构成的高清多组元大变倍比光学变焦镜头达到了如下的光学指标：焦距范围为7mm‑210mm，变倍比为30倍，镜头F值为F3.6‑F5.0，视场角范围为2.4°至66.5°，像面直径≥9mm  ，镜头总长≤
149mm，工作温度：‑40°至70°；

[0042] 在本实施例中，如下表1所示，前固定组A、变倍调焦组B、可变光阑、中间固定组C和补偿聚焦组D的镜片参数依次如下表所示,面序号依次为各个镜片沿光线入射方向左至右的顺序排列：

[0043]

[0044] 表1 各镜片参数表；

[0045]

[0046] 表2 为非球面透镜B1的非球面系数表；

[0047]

[0048] 表3 为非球面透镜C1的非球面系数表；

[0049]

[0050] 表4 为非球面透镜D3的非球面系数表；

[0051] 可参考图4，图5，图6可知高清多组元大变倍比光学变焦镜头在采用四群组3枚玻璃非球面12枚玻璃球面的光学结构组合，通过合理的材料选择和光焦度平衡，充分矫正了大视场轴外场曲等像差，使不同焦段不同视场角的传函得以集中，提高了中心和四周清晰度的一致性。

[0052] 可参考图7，所述高清多组元大变倍比光学变焦镜头在变倍调焦组B采用超高折射率材料后充分矫正了广角像差，提高了短焦轴外低频和高频传函，在120lp/mm下中心传函≥0.6，轴外传函≥0.35，因此短焦段具备优秀的大视野图像还原能力。

[0053] 可参考图8，高清多组元大变倍比光学变焦镜头充分平衡了中焦段轴上及轴外的单色、复色像差，进一步提高中焦段传函，使得中焦段在120lp/mm下中心传函≥0.6，轴外传函≥0.4。

[0054] 可参考图9，高清多组元大变倍比光学变焦镜头采用多枚非球面镜片组合以及胶合片组合，通过高阿贝、反常材料的引入，使长焦色差得到了良好矫正，使其长焦段在120lp/mm下中心传函≥0.5，轴外传函≥0.25，使得成像锐利度得到保证。

[0055] 综上所述，本发明提供的一种高清多组元大变倍比光学变焦镜头，该镜头采用四群组15枚全玻璃材料的光学结构形式实现了超高变倍比的光学变焦功能，并通过引入非球面面型矫正了球面难以矫正和平衡的像差，增大了成像面积，同时进一步压缩了镜头体积，支持多种场景下使用，使该大变倍比光学变焦镜头具备更强竞争力。

[0056] 上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

[0057] 同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

[0058] 如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。

[0059] 另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

[0060] 本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

[0061] 最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。