一种大变倍比高清连续变焦光学系统的制作方法

1.本发明属于连续变焦光学系统，具体涉及一种大变倍比高清连续变焦光学系统。


背景技术：

2.随着人们生产实践活动领域的扩展和深入，社会安全问题日趋复杂，同时，由于人们公共安全意识和安防意识的逐步增强，对机载、车载探测系统也提出了更高的要求。因此，亟需作为视频监控、车载机载探测系统核心部件之一的光学成像镜头，能够同时具备大区域小倍率搜索和小区域大倍率放大的观察功能。相比于定焦距光学成像系统无法同时扩大视野和放大倍率的固有技术缺陷，变焦光学成像系统则可以通过改变系统组元之间间隔距离实现焦距的连续变化，进而实现大区域物体概观、小区域物体分辨的目的。
3.目前大部分用于安防监控、车载机载探测系统的变焦光学系统，普遍存在变倍比小、焦距短、体积大、重量大，以及分辨率低等缺点，导致整个系统观测距离及观测范围不够，成像质量不佳，而且结构笨重不紧凑。


技术实现要素：

4.本发明为解决目前用于安防监控和车载机载探测系统的变焦光学系统，普遍存在变倍比小、焦距短、体积大、重量大，以及分辨率低等缺点，导致整个系统观测距离及观测范围不够，成像质量不佳，而且结构笨重不紧凑的技术问题，提供一种大变倍比高清连续变焦光学系统。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种大变倍比高清连续变焦光学系统，其特殊之处在于，包括沿光轴方向依次设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组和滤光片；
7.所述前固定组包括沿光轴方向从物方起依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，第一透镜为前凸后凹的负透镜，第二透镜为双凸的正透镜，第三透镜为前凸后凹的正透镜；
8.所述变倍组包括沿光轴方向从物方起依次设置的第四透镜、第五透镜和第六透镜；其中，第四透镜为双凸的正透镜，第五透镜为双凹的负透镜，第六透镜为双凹的负透镜，且第四透镜和第五透镜为通过胶合形成的胶合透镜；
9.所述补偿组包括沿光轴方向从物方起依次设置的第七透镜、第八透镜和第九透镜；其中，第七透镜为双凸的正透镜，第八透镜为双凸的正透镜，第九透镜为前凹后凸的负透镜，且第八透镜和第九透镜为通过胶合形成的胶合透镜；
10.所述第七透镜的前表面上固定有光阑；
11.所述后固定组包括沿光轴方向从物方起依次设置的第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜和第十四透镜；其中，第十透镜为前凹后凸的负透镜，第十一透镜为前凸后凹的正透镜，第十二透镜为双凸的正透镜，第十三透镜为双凹的负透镜，第十四透镜为双凸的正透镜，且第十二透镜和第十三透镜为通过胶合形成的胶合透镜。
12.进一步地，所述滤光片为吸收型滤光片，滤光片的厚度为1.1mm。
13.进一步地，各相邻透镜之间间距可优选按照如下参数设置：
14.所述第一透镜与第二透镜之间的间距为0.8m；
15.所述第二透镜与第三透镜之间的间距为0.2mm；
16.所述第三透镜与第四透镜之间的间距为1.2
‑
62.1mm；
17.所述第五透镜与第六透镜之间的间距为3.4mm；
18.所述第六透镜与第七透镜之间的间距为2.0
‑
96.3mm；
19.所述第七透镜与第八透镜之间的间距为0.2mm；
20.所述第九透镜与第十透镜之间的间距为0.6
‑
34.0mm；
21.所述第十透镜与第十一透镜之间的间距为0.2mm；
22.所述第十一透镜与第十二透镜之间的间距为6.9mm；
23.所述第十三透镜与第十四透镜之间的间距为1.9mm；
24.所述第十四透镜与滤光片之间的间距为6.2mm。
25.进一步地，所述前固定组、变倍组、补偿组和后固定组分别满足下式： 2≤∣f
l
/f1∣≤3、10≤∣f
l
/f2∣≤18、5≤∣f
l
/f3∣≤10、1≤∣f
l
/f4∣≤5；
26.其中，f
l
为连续变焦光学系统的长焦焦距，f1为前固定组的焦距，f2为变倍组的焦距，f3为补偿组的焦距，f4为后固定组的焦距。
27.进一步地，各透镜前后两面曲率半径参数优选按照如下设置：
28.所述第一透镜的前表面曲率半径大于等于135mm且小于等于150mm，后表面曲率半径大于等于70mm且小于等于78mm；
29.所述第二透镜的前表面曲率半径大于等于70mm且小于等于77mm，后表面曲率半径大于等于
‑
285mm且小于等于
‑
260mm；
30.所述第三透镜的前表面曲率半径大于等于60mm且小于等于70mm，后表面曲率半径大于等于245mm且小于等于255mm；
31.所述第四透镜的前表面曲率半径大于等于155mm且小于等于170mm，后表面曲率半径大于等于
‑
55mm且小于等于
‑
45mm；
32.所述第五透镜的前表面曲率半径大于等于
‑
55mm且小于等于
‑
45mm，后表面曲率半径大于等于25mm且小于等于40mm；
33.所述第六透镜的前表面曲率半径大于等于
‑
40mm且小于等于
‑
30mm，后表面曲率半径大于等于115mm且小于等于135mm；
34.所述第七透镜的前表面曲率半径大于等于65mm且小于等于82mm，后表面曲率半径大于等于
‑
40mm且小于等于
‑
35mm；
35.所述第八透镜的前表面曲率半径大于等于40mm且小于等于50mm，后表面曲率半径大于等于
‑
35mm且小于等于
‑
25mm；
36.所述第九透镜的前表面曲率半径大于等于
‑
35mm且小于等于
‑
25mm，后表面曲率半径大于等于2000mm且小于等于4000mm；
37.所述第十透镜的前表面曲率半径大于等于
‑
50mm且小于等于
‑
40mm，后表面曲率半径大于等于
‑
200mm且小于等于
‑
175mm；
38.所述第十一透镜的前表面曲率半径大于等于13mm且小于等于15.5mm，后表面曲率
半径大于等于40mm且小于等于55mm；
39.所述第十二透镜的前表面曲率半径大于等于155mm且小于等于175mm，后表面曲率半径大于等于
‑
40mm且小于等于
‑
30mm；
40.所述第十三透镜的前表面曲率半径大于等于
‑
40mm且小于等于
‑
30mm，后表面曲率半径大于等于11mm且小于等于13.5mm；
41.所述第十四透镜的前表面曲率半径大于等于50mm且小于等于75mm，后表面曲率半径大于等于
‑
40mm且小于等于
‑
20mm。
42.进一步地，各透镜的厚度优选按照如下设置：
43.所述第一透镜的厚度为4.5mm；
44.所述第二透镜的厚度为9mm；
45.所述第三透镜的厚度为6mm；
46.所述第四透镜的厚度为2.9mm；
47.所述第五透镜的厚度为2.0mm；
48.所述第六透镜的厚度为1.8mm；
49.所述第七透镜的厚度为3.2mm；
50.所述第八透镜的厚度为3.5mm；
51.所述第九透镜的厚度为1.3mm；
52.所述第十透镜的厚度为1.8mm；
53.所述第十一透镜的厚度为3.0mm；
54.所述第十二透镜的厚度为2.6mm；
55.所述第十三透镜的厚度为1.5mm；
56.所述第十四透镜的厚度为2.6mm。
57.进一步地，各透镜的结构和材料参数优选按照如下设置：
58.所述第一透镜的折射率为1.85，平均色散系数为27.55；
59.所述第二透镜的折射率为1.49，平均色散系数为81.59；
60.所述第三透镜的折射率为1.49，平均色散系数为81.59；
61.所述第四透镜的折射率为1.95，平均色散系数为17.90；
62.所述第五透镜的折射率为1.75，平均色散系数为52.32；
63.所述第六透镜的折射率为1.88，平均色散系数为40.80；
64.所述第七透镜的折射率为1.62，平均色散系数为65.95；
65.所述第八透镜的折射率为1.62，平均色散系数为63.40；
66.所述第九透镜的折射率为1.85，平均色散系数为30.06；
67.所述第十透镜的折射率为1.91，平均色散系数为35.55；
68.所述第十一透镜的折射率为1.52，平均色散系数为64.21；
69.所述第十二透镜的折射率为1.95，平均色散系数为17.9；
70.所述第十三透镜的折射率为1.91，平均色散系数为35.55；
71.所述第十四透镜的折射率为1.55，平均色散系数为45.83。
72.进一步地，所述第二透镜和第三透镜的透镜材料均为hfk61。
73.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
74.1.本发明大变倍比高清连续变焦光学系统，采用正组补偿，通过合理配置各组元光焦度，前固定组、变倍组、补偿组和后固定组中各透镜选用合适的透镜种类，使得该连续变焦光学系统成像质量良好。另外，连续变焦光学系统全部采用球面透镜，容易加工和装配，使得生产周期短、费用低。通过调整变倍组和补偿组两个组元的距离，在全焦段范围内实现20倍连续变焦功能，相比为实现大变倍比而采用三个运动组元或三个以上运动组元的变焦光学系统，本发明的成像方法更有利于后期机械结构及电路控制设计。另外，调整前固定组的位置，使整个变焦光学系统可实现在
‑
40℃
‑
60℃温度范围内成像质量良好，满足绝大多数恶劣的应用环境。
75.2.本发明中滤光片采用吸收型滤光片，在保证所需光谱透过范围的同时，降低了滤光片可能产生的杂光干扰。
76.3.本发明中提供了作为优选方案的各透镜参数设置，经验证，使得本发明光学系统能够实现20倍变焦，焦距为15mm
‑
300mm，且焦距可在15mm
‑
300mm 间连续变化，f数为3.5
‑
6，视场为1.5
°‑
28.4
°
，系统总长为169mm，能够适用于奈奎斯特频率为145lp/mm的探测器，在1451p/mm处公差宽松，能够实现视场内高分辨率成像，对目标进行全高清成像。全焦段范围内畸变小于 1.5％，满足145lp/mm时成像质量良好。
77.4.本发明中第二透镜和第三透镜的材质采用超低色散材料hfk61，能够有效降低光学系统的二级光谱。
78.5.本发明连续变焦光学系统成像方法，通过调整变倍组和补偿组两个组元的距离，在全焦段范围内实现20倍连续变焦功能，相比为实现大变倍比而采用三个运动组元或三个以上运动组元的变焦光学系统，本发明的成像方法更有利于后期机械结构及电路控制设计。另外，调整前固定组的位置，使整个变焦光学系统可实现在
‑
40℃
‑
60℃温度范围内成像质量良好，满足绝大多数恶劣的应用环境。
附图说明
79.图1为本发明大变倍比高清连续变焦光学系统实施例的结构示意图；
80.图2为采用本发明实施例成像时在短焦位置时的结构示意图。
81.图3为采用本发明实施例成像时在中焦位置时的结构示意图。
82.图4为采用本发明实施例成像时长焦位置时的结构示意图。
83.图5为本发明实施例在短焦位置时的传递函数图；
84.图6为本发明实施例在中焦位置的传递函数图；
85.图7为本发明实施例在长焦位置的传递函数图；
86.图8为本发明实施例在短焦位置的场曲/畸变曲线；
87.图9为本发明实施例在中焦位置的场曲/畸变曲线；
88.图10为本发明实施例在长焦位置的场曲/畸变曲线。
89.其中，1
‑
前固定组、101
‑
第一透镜、102
‑
第二透镜、103
‑
第三透镜、2
‑ꢀ
变倍组、201
‑
第四透镜、202
‑
第五透镜、203
‑
第六透镜、3
‑
补偿组、301
‑
第七透镜、302
‑
第八透镜、303
‑
第九透镜、4
‑
后固定组、401
‑
第十透镜、402
‑
第十一透镜、403
‑
第十二透镜、404
‑
第十三透镜、405
‑
第十四透镜、5
‑
滤光片、6
‑ꢀ
成像面。
具体实施方式
90.下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
91.如图1，本发明提供了一种大变倍比高清连续变焦光学系统光学系统，不仅具有大变倍比，放大倍数高，能够满足可见光波段大变倍比，高分辨率成像，而且外形结构简单紧凑、清晰度高，变焦过程成像清晰稳定，可与高清晰度摄像机匹配，满足安防监控和车载机载日益增长的探测能力要求。
92.如图1所示，本发明的光学系统包括沿光轴方向依次设置的光焦度为正的前固定组1、光焦度为负的变倍组2、光焦度为正的补偿组3、光焦度为负的后固定组4和滤光片5，变倍组2和补偿组3之间的光路上设置有光阑，光阑固定在补偿组3第一个透镜的前表面上，前固定组1前侧为物面，成像面6 位于滤光片5的后侧，通过变倍组2与补偿组3之间的运动能够实现连续变倍和补偿。
93.其中，前固定组1由三个透镜组成，沿光轴方向从物方起依次包括第一透镜101、第二透镜102和第三透镜103，以物方为前方，第一透镜101为前凸后凹的负透镜，第二透镜102为双凸的正透镜，第三透镜103为前凸后凹的正透镜。变倍组2由三个透镜组成，沿光轴方向从物方起依次包括第四透镜201、第五透镜202和第六透镜203，以物方为前方，第四透镜201为双凸的正透镜，第五透镜202为双凹的负透镜，第六透镜203为双凹的负透镜，而且，第四透镜201与第五透镜202通过胶合形成胶合透镜。补偿组3由三个透镜组成，沿光轴方向从物方起依次包括第七透镜301、第八透镜302和第九透镜303，以物方为前方，第七透镜301为双凸的正透镜，第八透镜302为双凸的正透镜，第九透镜303为前凹后凸的负透镜，而且，第八透镜302与第九透镜303通过胶合形成胶合透镜。后固定组4由五个透镜组成，沿光轴方向从物方起依次包括第十透镜401、第十一透镜402、第十二透镜403、第十三透镜404和第十四透镜405，以物方为前方，第十透镜为401为前凹后凸的负透镜，第十一透镜402为前凸后凹的正透镜，第十二透镜403为双凸的正透镜，第十三透镜404为双凹的负透镜，第十四透镜405为双凸的正透镜，而且，第十二透镜403和第十三透镜404通过胶合形成胶合透镜。
94.如下是本发明的一个具体实施例，示出了光学系统中各组件的具体参数，并以此说明本发明光学系统的技术效果：
95.滤光片5采用吸收型滤光片，在保证所需光谱透过范围的同时，降低滤光片可能产生的杂光干扰，作为一种优选方案，滤光片5的厚度为1.1mm。前固定组1与变倍组2之间的间隔为1.2mm
‑
62.1mm，变倍组2与补偿组3之间的间隔为2.0mm
‑
96.3mm，补偿组3与后固定组4之间的间隔是 0.6mm
‑
34.0mm，后固定组4与滤光片5之间的间隔是6.2mm。另外，第一透镜101与第二透镜102之间的间隔是0.8mm，第二透镜102与第三透镜103 之间的间隔是0.2mm，第五透镜202与第六透镜203之间的间隔是3.4mm，第七透镜301与第八透镜302之间的间隔是0.2mm，第十透镜401与第十一透镜402之间的间隔是0.2mm，第十一透镜402与第十二透镜403之间的间隔是6.9mm，第十三透镜404与第十四透镜405之间的间隔是1.9mm。
96.而且，各组元光焦度满足如下条件：
97.2≤∣f
l
/f1∣≤3
98.10≤∣f
l
/f2∣≤18
99.5≤∣f
l
/f3∣≤10
100.1≤∣f
l
/f4∣≤5
101.其中，f1为前固定组1的焦距，f2为变倍组2的焦距，f3为补偿组3的焦距，f4为后固定组4的焦距，f
l
为光学系统的长焦焦距。
102.各透镜的材料参数和结构参数如表示所示：
103.表1大变倍比高清连续变焦光学系统实施例中各透镜材料参数和结构参数表
[0104][0105]
各透镜的材料折射率和材料平均色散系数如表2所示：
[0106]
表2大变倍比高清连续变焦光学系统实施例中各透镜材料参数和结构参数表
[0107]
[0108][0109]
另外，由于前固定组1对长焦端色差影响较大，为有效降低光学系统二级光谱，前固定组1中的第二透镜102和第三透镜103均采用超低色散材料 hfk61。
[0110]
采用本发明的大变倍比高清连续变焦光学系统上述实施例成像时，采用如下成像方法：根据光学系统所处环境温度，调整前固定组1的位置，前固定组1可整体沿光轴左右移动，若环境温度小于20℃，将前固定组向初始位置的右侧移动，实现调焦；若环境温度大于20℃，将前固定组向初始位置的左侧移动，实现调焦。即采用前组调焦方式进行调焦，补偿因温度改变造成的像面离焦。根据光学系统所需的焦距，调整变倍组2和补偿组3之间的距离，其中，变倍组2与补偿组3之间距离，与所需焦距成反比设置。如图2 所示为短焦时变倍组2和补偿组3的位置示意图，将变倍组2与补偿组3之间的距离调整变大，前固定组1和变倍组2构成一个负光焦度系统，这种结构与反摄远结构前组功能相似，有利于轴外像差的校正，使系统能够达到较大的视场，如图5为在短焦位置时的传递函数图，其中空间频率为145lp/mm，图8为对应在短焦位置的场曲/畸变曲线。如图4所示为长焦位置时变倍组2 和补偿组3的位置示意图，将变倍组2与补偿组3之间的距离调整变小，前固定组1的光线投射高度较高，因此，前固定组1对长焦与光线孔径有关的像差影响较大，最明显的表现为色差，如图7为对应在长焦位置时的传递函数图，其中空间频率为145lp/mm，图10为对应在长焦位置的场曲/畸变曲线。为了消除长焦处倍率色差，降低系统二级光谱，提高成像质量，前固定组1 中的第二透镜102和第三透镜103还采用了两片正光焦度的透镜，其光学玻璃均为超低色散光学材料hfk61，实现二级光谱残余色差补偿。如图3所示，即为中焦位置时变倍组2和补偿组3的位置示意图，将变倍组2与补偿组3 之间的距离调整适中，如图6为对应在中焦位置时的传递函数图，其中空间频率为145lp/mm，图9为对应在中焦位置的场曲/畸变曲线。具体成像时，可根据所需具体焦距，调整变倍组2与补偿组3之间的距离。
[0111]
上述实施例光学系统采用本发明的成像方法成像，经检测及验证，能够实现20倍变焦、最长焦距300mm，设计mtf空间频率可达到145lp/mm，实际中这种参数要求下的光学系统色差校正尤其是二级光谱校正难度较大。另外，焦距在15mm
‑
300mm内可调且可连续变化，f数为3.5
‑
6，视场1.5
°ꢀ‑
28.4
°
，系统总长为169mm，适用于奈奎斯特频率为145lp/mm的探测
器，能够实现视场内高分辨率成像，对目标进行全高清成像。本发明合理配置了各组元光焦度，选择了合适的各组元光学结构形式及各透镜材料，做到了各组元单独消色差甚至是单独消像差，系统残余色差通过前固定组1和后固定组3得到补偿。且整个变焦光学系统可实现在
‑
40℃
‑
60℃温度范围内成像质量良好，满足绝大多数恶劣的应用环境。
[0112]
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。