大倍率变焦镜头的制作方法

1.本发明涉及光学成像技术领域，特别为一种大倍率变焦镜头。


背景技术：

2.在河道、高速公路、城市制高点、铁路、森林防火、机场、边防、海防等需要大范围、远距离的监控项目上，一般要用到大变倍(倍数≥5)长焦距的电动变焦镜头。该类监控项目，在监测系统中，有时需要在大范围内达到无缝监控，其是通过多个监控点的接力来实现的，其中单个摄像机监视距离一般需在1-20公里左右。相对应的焦距规格为12.5-750mm或12.5-775mm，其长度超过350mm，重量超过5千克。另外，因镜头又重又大，通常需要放置在重载云台上使用。综合使用成本高昂，难以大规模使用。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于：克服以上缺点提供一种大倍率变焦镜头。该镜头仅用3μm像元1/2.5
″
成像区域的cmos即可维持原有低照效果。在监视距离为1.5-20公里前提下，所需镜头的规格相应地变更为5-100mm。同时，镜头的长度小于120mm，约为原来的1/3，体积大大减少；且不需要昂贵的重载云台。整体使用成本将大幅度下降，且占用空间也随之变少，有利于大规模应用。
4.本发明通过如下技术方案实现：一种大倍率变焦镜头，其特征在于：包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的正光焦度的聚焦群组、负光焦度的变倍群组、正光焦度的补偿群组和正光焦度的固定群组；
5.其中聚焦群组、变倍群组和补偿群组均沿光轴方向移动可调，所述固定群组相对像面位置固定设置，各群组均至少设有一枚双胶合透镜，系统光栏设置在补偿群组和固定群组之间，所述大倍率变焦镜头还满足以下关系：
6.4.5《|fg1/fg2|《6；
7.1.1《|fg3/fg2|《1.9；
8.其中，fg1为聚焦群组的焦距，fg2为变倍群组的焦距，fg3为补偿群组的焦距。当|fg1/fg2|小于下限时，聚焦群组球差和慧差变大而较难消除，大于上限时聚焦群组轴向色差将难以校正。当|fg3/fg2|小于下限时，补偿群组球差变大，大于上限时补偿群组轴向色差将难以校正。
9.优选地，所述聚焦群组包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的负光焦度的第一透镜、正光焦度的第二透镜、正光焦度的第三透镜、正光焦度的第四透镜，所述第一透镜为双凹透镜，所述第二透镜为双凸透镜，第一透镜和第二透镜组成双胶合组，所述第三透镜为双凸透镜，第四透镜为前凸后凹的弯月透镜；
10.所述变倍群组包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的负光焦度的第五透镜、负光焦度的第六透镜、负光焦度的第七透镜和正光焦度的第八透镜，所述第五透镜为前凸后凹的弯月透镜，所述第六透镜为双凹透镜，所述第七透镜为双凹透镜，所述第八透镜为弯月
透镜，所述第七透镜和第八透镜组成双胶合透镜；
11.所述补偿群组包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的正光焦度的第九透镜、负光焦度的第十透镜和正光焦度的第十一透镜，所述第九透镜为双凸透镜，所述第十透镜为弯月透镜，所述第十一透镜为双凸透镜，第十透镜和第十一透镜组成双胶合透镜；
12.所述固定群组包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的负光焦度的第十二透镜、正光焦度的第十三透镜、正光焦度的第十四透镜、负光焦度的第十五透镜、正光焦度的第十六透镜、正光焦度的第十七透镜、正光焦度的第十八透镜和负光焦度的第十九透镜，所述第十二透镜为双凹透镜，所述第十三透镜为弯月透镜，所述第十二透镜和第十三透镜组成双胶合透镜，所述第十四透镜为双凸透镜，所述第十五透镜为双凹透镜，所述第十六透镜为双凸透镜，所述第十五透镜和第十六透镜组成双胶合透镜，所述第十七透镜为双凸透镜，所述第十八透镜为前凹后凸的弯月透镜，所述第十九透镜为前凹后凸的弯月透镜，所述第十八透镜和第十九透镜组成双胶合透镜。
13.优选地，所述聚焦群组包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的负光焦度的第一透镜、正光焦度的第二透镜、正光焦度的第三透镜、正光焦度的第四透镜，所述第一透镜为双凹透镜，所述第二透镜为双凸透镜，第一透镜和第二透镜组成双胶合组，所述第三透镜为双凸透镜、第四透镜为前凸后凹的弯月透镜；
14.所述变倍群组包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的负光焦度的第五透镜、负光焦度的第六透镜、正光焦度的第七透镜和负光焦度的第八透镜，所述第五透镜为前凸后凹的弯月透镜，所述第六透镜为双凹透镜，所述第七透镜为双凸透镜，所述第八透镜为双凹透镜，所述第七透镜和第八透镜组成双胶合透镜；
15.所述补偿群组包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的正光焦度的第九透镜、负光焦度的第十透镜和正光焦度的第十一透镜，所述第九透镜为双凸透镜，所述第十透镜为弯月透镜，所述第十一透镜为双凸透镜，第十透镜和第十一透镜组成双胶合透镜；
16.所述固定群组包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的负光焦度的第十二透镜、正光焦度的第十三透镜、正光焦度的第十四透镜、负光焦度的第十五透镜、正光焦度的第十六透镜、正光焦度的第十七透镜、正光焦度的第十八透镜和负光焦度的第十九透镜，所述第十二透镜为双凹透镜，所述第十三透镜为弯月透镜，所述第十二透镜和第十三透镜组成双胶合透镜，所述第十四透镜为双凸透镜，所述第十五透镜为双凹透镜，所述第十五透镜和第十四透镜组成双胶合透镜，所述第十六透镜为双凸透镜，所述第十七透镜为双凸透镜，所述第十八透镜为双凸透镜，所述第十九透镜为弯月透镜，所述第十八透镜和第十九透镜组成双胶合透镜。
17.为了进一步降低聚焦群组和固定群组的色差，所述倍率变焦镜头还满足以下关系：vd3》65；vd17》65，其中，vd3为第三透镜的阿贝数，vd17为第十七透镜的阿贝数。
18.为了降低固定群组的制造误差带来的性能下降，所述固定群组中各镜片表面的曲率半径均大于4.5mm。
19.较之前技术而言，本发明的有益效果为：
20.1.本发明一种大倍率变焦镜头。该镜头仅用3μm像元1/2.5
″
成像区域的cmos即可维持原有低照效果。在监视距离为1.5-20公里前提下，所需镜头的规格相应地变更为5-100mm。同时，镜头的长度小于120mm，约为原来的1/3，体积大大减少；重量不到400克，不到
原来的1/10，且不需要昂贵的重载云台。整体使用成本将大幅度下降，且占用空间也随之变少，有利于大规模应用。
附图说明
21.图1为本发明实施例一在短焦5.06mm时的结构示意图；
22.图2为本发明实施例一在5.06mm焦距端的白光下mtf(调制传递函数)曲线图；
23.图3为本发明实施例一在44.18mm焦距端的白光下mtf(调制传递函数)曲线图；
24.图4为本发明实施例一在103.86mm焦距端的白光下mtf(调制传递函数)曲线图；
25.图5为本发明实施例一在5.06mm焦距端的无离焦下的0.76～0.900um透雾模式下的mtf曲线图；
26.图6为本发明实施例一在44.18mm焦距端的无离焦下的0.76～0.900um透雾模式下的mtf曲线图；
27.图7为本发明实施例一在103.86mm焦距端的无离焦下的0.76～0.900um透雾模式下的mtf曲线图；
28.图8为本发明实施例二在短焦5.06mm时的结构示意图；
29.图9为本发明实施例二在5.06mm焦距端的白光下mtf(调制传递函数)曲线图；
30.图10为本发明实施例二在45.52mm焦距端的白光下mtf(调制传递函数)曲线图；
31.图11为本发明实施例二在99.61mm焦距端的白光下mtf(调制传递函数)曲线图；
32.图12为本发明实施例二在5.06mm焦距端的无离焦下的0.76～0.900um透雾模式下的mtf曲线图；
33.图13为本发明实施例二在45.52mm焦距端的无离焦下的0.76～0.900um透雾模式下的mtf曲线图；
34.图14为本发明实施例二在99.61mm焦距端的无离焦下的0.76～0.900um透雾模式下的mtf曲线图。
35.标号说明：1-聚焦群组、11-第一透镜、12-第二透镜、13-第三透镜、14-第四透镜、11
’‑
第一透镜、12
’‑
第二透镜、13
’‑
第三透镜、14
’‑
第四透镜；
36.2-变倍群组、21-第五透镜、22-第六透镜、23-第七透镜、24-第八透镜、25-第九透镜、21
’‑
第五透镜、22
’‑
第六透镜、23
’‑
第七透镜、24
’‑
第八透镜、25
’‑
第九透镜；
37.3-补偿群组、31-第十透镜、32-第十一透镜、33-第十二透镜、31
’‑
第十透镜、32
’‑
第十一透镜、33
’‑
第十二透镜；
38.4-固定群组、41-第十三透镜、42-第十四透镜、43-第十五透镜、44-第十六透镜、45-第十七透镜、46-第十八透镜、47-第十九透镜、48-第二十透镜、41
’‑
第十三透镜、42
’‑
第十四透镜、43
’‑
第十五透镜、44
’‑
第十六透镜、45
’‑
第十七透镜、46
’‑
第十八透镜、47
’‑
第十九透镜、48
’‑
第二十透镜。
具体实施方式
39.下面结合附图说明对本发明做详细说明：
40.实施例一：
41.如图1-7所示，一种大倍率变焦镜头，其特征在于：包括由物方至像方沿光轴方向
依次设置的正光焦度的聚焦群组1、负光焦度的变倍群组2、正光焦度的补偿群组3和正光焦度的固定群组4；
42.其中聚焦群组1、变倍群组2和补偿群组3均沿光轴方向移动可调，所述固定群组4相对像面5位置固定设置，各群组均至少设有一枚双胶合透镜，系统光栏设置在补偿群组3和固定群组4之间，所述大倍率变焦镜头还满足以下关系：
43.4.5《|fg1/fg2|《6；
44.1.1《|fg3/fg2|《1.9；
45.其中，fg1为聚焦群组的焦距，fg2为变倍群组的焦距，fg3为补偿群组的焦距。
46.优选地，所述聚焦群组1包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的负光焦度的第一透镜11、正光焦度的第二透镜12、正光焦度的第三透镜13、正光焦度的第四透镜14，所述第一透镜11为双凹透镜，所述第二透镜12为双凸透镜，第一透镜11和第二透镜12组成双胶合组，所述第三透镜13为双凸透镜，第四透镜14为前凸后凹的弯月透镜；
47.所述变倍群组2包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的负光焦度的第五透镜21、负光焦度的第六透镜22、负光焦度的第七透镜23和正光焦度的第八透镜24，所述第五透镜21为前凸后凹的弯月透镜，所述第六透镜22为双凹透镜，所述第七透镜23为双凹透镜，所述第八透镜24为弯月透镜，所述第七透镜23和第八透镜24组成双胶合透镜；
48.所述补偿群组3包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的正光焦度的第九透镜31、负光焦度的第十透镜32和正光焦度的第十一透镜33，所述第九透镜31为双凸透镜，所述第十透镜32为弯月透镜，所述第十一透镜33为双凸透镜，第十透镜32和第十一透镜33组成双胶合透镜；
49.所述固定群组4包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的负光焦度的第十二透镜41、正光焦度的第十三透镜42、正光焦度的第十四透镜43、负光焦度的第十五透镜44、正光焦度的第十六透镜45、正光焦度的第十七透镜46、正光焦度的第十八透镜47和负光焦度的第十九透镜48，所述第十二透镜41为双凹透镜，所述第十三透镜42为弯月透镜，所述第十二透镜41和第十三透镜42组成双胶合透镜，所述第十四透镜43为双凸透镜，所述第十五透镜44为双凹透镜，所述第十六透镜45为双凸透镜，所述第十五透镜44和第十六透镜45组成双胶合透镜，所述第十七透镜46为双凸透镜，所述第十八透镜47为前凹后凸的弯月透镜，所述第十九透镜48为前凹后凸的弯月透镜，所述第十八透镜47和第十九透镜48组成双胶合透镜。
50.所述镜头焦距为5.06～103.86mm，fno为3.26～5.65，视场角为82.6
°
～3.88
°
，镜头总长为113.98mm。各个透镜的曲率半径、中心厚度、折射率nd和阿贝数vd等数据，如下表所示。
51.52.[0053][0054]
本实施例各关系如下：fg1＝46.38，fg2＝-8.51，fg3＝14.25，fg4＝69.00，|fg1/fg2|＝5.45，|fg3/fg2|＝1.67，vd3＝95.1，vd17＝81.61，其中，fg1为聚焦群组的焦距，fg2为变倍群组的焦距，fg3为补偿群组的焦距，fg4为固定群组的焦距，vd3为第三透镜的阿贝数，vd17为第十七透镜的阿贝数。
[0055]
图1是本发明实施例1短焦5.06mm时的镜头结构示意图。当第2群组向右线性移动时，与之对应的第3群组从左往右作非线性移动，以此实现本变焦镜头从短焦向长焦变化的功能。同时，当物体从无远处向镜头靠近时，向左移动第1群组进行聚焦。
[0056]
下面通过对实施例一进行详细的光学系统分析，进一步介绍本实施例一所提供的镜头。
[0057]
光学传递函数是用来评价一个光学系统的成像质量较准确、直观和常见的方式，其曲线越高、越平滑，表明系统的成像质量越好，对像差进行了很好的校正。
[0058]
图2-图4分别是系统在5.06mm、44.18mm和103.86mm焦距端的白光下mtf(调制传递函数)曲线图。如图，可见曲线平滑下降且集中。在100lp/mm时，y
′
像高3.6mm内mtf值大于0.2。从而实现了系统在白光下，镜头性能匹配3μm像元的cmos。
[0059]
图5-图7分别是系统在5.06mm、44.18mm和103.86mm焦距端的无离焦下的0.76～0.900um透雾模式下的mtf曲线图，与对应焦距端的白光mtf相比下降不多。也就是说，透雾模式下的mtf离焦量较小，再利用第1群组进行重新聚焦，可以获得更好的透雾效果。透雾滤色片的透过波段：0.76～0.900um。
[0060]
实施例二：
[0061]
如图8-14所示，一种大倍率变焦镜头，包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的正光焦度的聚焦群组1、负光焦度的变倍群组2、正光焦度的补偿群组3和正光焦度的固定群组4；
[0062]
其中聚焦群组1、变倍群组2和补偿群组3均沿光轴方向移动可调，所述固定群组4相对像面5位置固定设置，各群组均至少设有一枚双胶合透镜，以满足各群组各自独立消除色差的条件，系统光栏设置在补偿群组3和固定群组4之间，所述大倍率变焦镜头还满足以下关系：
[0063]
4.5《|fg1/fg2|《6；
[0064]
1.1《|fg3/fg2|《1.9；
[0065]
其中，fg1为聚焦群组的焦距，fg2为变倍群组的焦距，fg3为补偿群组的焦距。
[0066]
优选地，所述聚焦群组1包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的负光焦度的第一透镜11’、正光焦度的第二透镜12’、正光焦度的第三透镜13’、正光焦度的第四透镜14’，所述第一透镜11’为双凹透镜，所述第二透镜12’为双凸透镜，第一透镜11’和第二透镜12’组成双胶合组，所述第三透镜13’为双凸透镜、第四透镜为前凸后凹的弯月透镜；
[0067]
所述变倍群组2包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的负光焦度的第五透镜
21’、负光焦度的第六透镜22’、正光焦度的第七透镜23’和负光焦度的第八透镜24’，所述第五透镜21’为前凸后凹的弯月透镜，所述第六透镜22’为双凹透镜，所述第七透镜23’为双凸透镜，所述第八透镜24’为双凹透镜，所述第七透镜23’和第八透镜24’组成双胶合透镜；
[0068]
所述补偿群组3包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的正光焦度的第九透镜31’、负光焦度的第十透镜32’和正光焦度的第十一透镜33’，所述第九透镜31’为双凸透镜，所述第十透镜32’为弯月透镜，所述第十一透镜33’为双凸透镜，第十透镜32’和第十一透镜33’组成双胶合透镜；
[0069]
所述固定群组4包括由物方至像方沿光轴方向依次设置的负光焦度的第十二透镜41’、正光焦度的第十三透镜42’、正光焦度的第十四透镜43’、负光焦度的第十五透镜44’、正光焦度的第十六透镜45’、正光焦度的第十七透镜46’、正光焦度的第十八透镜47’和负光焦度的第十九透镜48’，所述第十二透镜41’为双凹透镜，所述第十三透镜42’为弯月透镜，所述第十二透镜41’和第十三透镜42’组成双胶合透镜，所述第十四透镜43’为双凸透镜，所述第十五透镜44’为双凹透镜，所述第十五透镜44’和第十四透镜43’组成双胶合透镜，所述第十六透镜45’为双凸透镜，所述第十七透镜46’为双凸透镜，所述第十八透镜47’为双凸透镜，所述第十九透镜48’为弯月透镜，所述第十八透镜47’和第十九透镜48’组成双胶合透镜。
[0070]
所述镜头焦距为5.05-99.61mm，fno为3.19-5.49，视场角为80.5
°
～4.02
°
，镜头总长为109.79mm。各个透镜的曲率半径、中心厚度、折射率nd和阿贝数vd等数据，如下表所示。
[0071][0072]
[0073]
表中表面序号为沿光线入射的方向顺次设置的；
[0074]
带*记号的数字意味该表面为非球面。非球面公式如下：
[0075][0076]
其中，c为曲率半径，非球面系数如下表：
[0077] 第9面第12面第29面第30面k-2.91318e-01-9.50078e-01-3.04844e+01-5.28502e+01α21.50153e-05-9.77241e-06-3.01910e-04-7.49526e-04α3-3.19196e-061.92995e-073.65982e-042.38842e-04α42.43455e-07-8.78067e-09-9.03219e-05-5.20207e-05α5-9.43569e-09-3.16027e-101.19170e-055.74113e-06α61.68315e-101.37865e-11-8.83592e-07-3.58905e-07α7-1.11400e-12-1.28171e-133.34040e-081.12511e-08α8
ꢀꢀ‑
4.97325e-10-1.35371e-10
[0078]
其中，短焦、中焦和长焦状态下的可变厚度数据见下表
[0079]
系统焦距/mmd7d14d195.050.77843.1000.51645.5227.1089.9917.37399.6131.0551.55111.788
[0080]
本实施例的关系如下所示：fg1＝45.83，fg2＝-8.51，fg3＝13.57，fg4＝34.37，|fg1/fg2|＝5.39，|fg3/fg2|＝1.59，vd3＝95.1，vd17＝70.44其中，fg1为聚焦群组的焦距，fg2为变倍群组的焦距，fg3为补偿群组的焦距，fg4为固定群组的焦距，vd3为第三透镜的阿贝数，vd17为第十七透镜的阿贝数。
[0081]
如图8所示，当第2群组向右线性移动时，与之对应的第3群组从左往右作非线性移动，以此实现本变焦镜头从短焦向长焦变化的功能。同时，当物体从无远处向镜头靠近时，向左移动第1群组进行聚焦。
[0082]
下面通过对实施例二进行详细的光学系统分析，进一步介绍本实施例二所提供的镜头。
[0083]
图9-图11分别是系统在5.05mm、45.52mm和99.61mm焦距端的传递函数(mtf)曲线图。如图，可见曲线平滑下降且集中。在100lp/mm时，y
′
像高3.6mm内mtf值大于0.2。从而实现了系统在白光下，镜头性能匹配3μm像元的cmos。
[0084]
图12-图14分别是系统在5.05mm、45.52mm和99.61mm焦距端的无离焦下的0.76～0.900um透雾模式下的mtf曲线图，与对应焦距端的白光mtf相比下降不多。也就是说，透雾模式下的mtf离焦量较小，再利用第1群组进行重新聚焦，可以获得更好的透雾效果。
[0085]
尽管本发明采用具体实施例及其替代方式对本发明进行示意和说明，但应当理解，只要不背离本发明的精神范围内的各种变化和修改均可实施。因此，应当理解除了受随附的权利要求及其等同条件的限制外，本发明不受任何意义上的限制。