紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学系统设计技术领域，具体涉及一种紧凑型三组元大变倍比连续变 焦距镜头。
【背景技术】
[0002] 随着现代社会和科技的发展，变焦距镜头在诸如安防、监控等众多领域被广泛采 用，通过与电视摄像技术的结合，可对远距离目标进行详细观察记录，也可以对大范围目标 进行搜索。为实现远距离高分辨率成像，要求镜头长焦端的焦距足够长；而为使系统观测范 围宽，又要求镜头短焦端焦距足够短；另外为了便于机构设计、以及镜头的移动、安装和使 用，希望镜头光学结构简单、整体尺寸紧凑。因此大变倍比、长焦距、结构紧凑、像质优良的 变焦距镜头最受用户青睐。
[0003] 但一般镜头的长度与其焦距相近，因此长焦距镜头的长度也相应较长。另外当变 倍比大时，变焦组元的移动量也较大，像差校正也困难，这些又都增加了紧凑型镜头设计的 难度。因此如何使长焦距、大变倍比变焦距镜头尺寸端、结构简单紧凑，一直是光学设计中 的研制重点之一。
[0004] 目前最为流行的变焦距镜头形式是机械补偿四组式结构，即包括前固定组、变倍 组、补偿组、后固定组。但这种结构较为复杂，由于组元较多，长度的减小受到限制。目前 文献报道的大变倍比镜头多采用这种四组式形式，由于长度的限制，变倍比一般不超过50 倍。而其他形式，如两组式、三组式等仅在变倍比为4~5的小倍率系统中采用。如何研制 变倍比大、焦距长、结构简单、紧凑的变焦距镜头一直是光学设计领域的一项难题。
【发明内容】
[0005] 本发明为克服现有大倍率、长焦距连续变焦距镜头结构复杂、尺寸长的问题，提出 紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头，采用三组元结构，使长焦距、大变倍比镜头在保证 成像质量优良的前提下，实现结构的简单、紧凑。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] 紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头，其特征是，其从左至右依次为正光焦度 的前固定组、负光焦度的变倍组及正光焦度的补偿组，可变光阑固定在补偿组前端，随补偿 组移动；
[0008] 前固定组包含双胶合透镜和单透镜；双胶合透镜为负、正结构，其中负透镜为弯月 形透镜，正透镜为双凸形透镜；单透镜为平凸形透镜；
[0009] 变倍组包含负透镜和负光焦度的双胶合透镜；单透镜为双凹形；双胶合透镜为负 透镜和正透镜胶合结构；
[0010] 补偿组包含第一双胶合透镜和第二双胶合透镜的光焦度为正，第三双胶合透镜光 焦度为负；靠近像面的单透镜采用高折射率材料的厚弯月形，用于对场曲和象散的校正。
[0011] 各组元光焦度满足的条件如下，
[0012] 5 < | fA/fB | < 8
[0013] 1.2< |fc/fB| <2
[0014] dBCL/fB>0
[0015] 式中：fA为前固定组焦距，f 变倍组焦距，f c为补偿组焦距，dBu为长焦位置端 变倍组与补偿组间隔。
[0016] 第三双胶合透镜中的正、负透镜分别采用特殊色散玻璃H-FK61和TF3。
[0017] 本发明的有益效果：为达到大变倍比，采用换根的正组补偿方式，即变倍组光焦度 为负，补偿组光焦度为正，补偿曲线经过换根点，由换根点到短焦端实现倍率10倍以上的 变化，由换根点到长焦端实现倍率5倍以上的变化，从而使整个变倍曲线范围内实现50倍 以上的变倍比。为使结构紧凑，将补偿组设计成光焦度前移的远摄型，使主面向前移出镜组 之外，使高斯参数计算时长焦端变倍组与补偿组间隔为负，从而在补偿曲线选段阶段实现 系统总长的减小；同时利用远摄结构总长小于焦距的特点，减小后工作距离，使厚透镜设计 阶段进一步减小长度。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明的紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头光学结构。
[0019]图2为本发明实施例的变倍补偿曲线，（1)为变倍组与补偿组移动量与凸轮转角 关系，（2)为系统焦距与凸轮转角关系。
[0020] 图3为变焦距系统在短焦f 12. 5mm、中焦f 186mm及长焦750mm三个位置的高斯光 学结构图。
[0021] 图4为实施例的变焦距镜头在短焦f 12. 5mm、中焦f 186mm及长焦750mm三个位置 的实际光路图。
[0022] 图5为变焦距镜头在短焦f 12. 5mm、中焦f 186mm及长焦750mm三个位置的MTF曲 线。
[0023] 图6为变焦距镜头在短焦f 12. 5mm、中焦f 186mm及长焦750mm三个位置的的像差 曲线图，包括球差曲线、象散和场曲曲线、畸变曲线。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0025] 采用三组元结构，如图1所示，包含正光焦度的前固定组1、负光焦度的变倍组2及 正光焦度的补偿组4,可变光阑3固定在补偿组4前端，随补偿组移动。与常用的四组式相 比省去了后固定组，简化了系统结构。
[0026] 为达到大变倍比，采用换根的正组补偿方式，即变倍组光焦度为负，补偿组光焦度 为正，补偿曲线经过换根点，由换根点到短焦端实现倍率10倍以上的变化，由换根点到长 焦端实现倍率5倍以上的变化，从而使整个变倍曲线范围内实现50倍以上的变倍比。
[0027] 三组结构中前固定组1包含一块双胶合透镜1-1和一块单透镜1-2。双胶合透镜 1-1为负、正结构，其中的负透镜为弯月形，采用高折射率的火石玻璃，正透镜为双凸形，采 用低折射率、特殊色散玻璃HFK61。单透镜1-2为平凸形，也采用特殊色散玻璃HFK61。
[0028] 变倍组2包含一块负透镜2-1和一块负光焦度的双胶合透镜2-2。单透镜2-1为 双凹形，采用低色散的冕牌玻璃。双胶合透镜2-2为负、正结构，其中的负透镜采用特殊色 散玻璃TF3,正透镜采用高折射率、高色散的火石玻璃。
[0029] 补偿组4包含三块正、负结构的双胶合透镜及一块单透镜。其中前两块双胶合透 镜4-1、4-2的光焦度为正，第三块双胶合透镜4-3光焦度为负，双胶合透镜4-3中的正、负 透镜分别采用特殊色散玻璃H-FK61和TF3;靠近像面的单透镜4-4采用高折射率材料的厚 弯月形，用于对场曲和象散的校正。
[0030] 为使结构紧凑，将补偿组4设计成光焦度前移的远摄型，使主面向前移出镜组之 外，使高斯参数计算时长焦端变倍组2与补偿组4间隔为负，从而在补偿曲线选段阶段实现 系统总长的减小；同时利用远摄结构总长小于焦距的特点，减小后工作距离，使厚透镜设计 阶段进一步减小长度。
[0031] 可变光阑3固定在补偿组4前端，随补偿组移动。
[0032] 本发明的各组元光焦度满足的条件是：
[0033] 5 < | fA/fB | < 8
[0034] 1. 2 < |fc/fBl < 2
[0035] dBC L/fB> 0
[0036]式中fA为前固定组焦距，f 变倍组焦距，f。为补偿组焦距，d 为长焦位置端变 倍组与补偿组间隔。
[0037] 实施例：
[0038] 应用于高分辨率监视的长焦距大倍率镜头光学系统，该系统使用波段为486nm~ 656nm的可见光，焦距12. 5謹~750謹，变倍比60倍，相对口径1/2. 8~1/7,视场角 38.5° ~0.66。，相机采用 2/3〃 CCD。
[0039] 实施例中首先进行高斯光学计算，从而选择最合理的高斯参数，最终确定为：
[0040] l)fA/fB= -6. 2；
[0041] 2)fc/fB= -1. 78；
[0042] 3) dBC L/fB=0.45；
[0043] 4)变倍组倍率：mB= -2. 2 ~-0? 22;
[0044] 5)补偿组倍率：mc= -1. 82 ~-0? 31;
[0045]6)归一化系数：fB=-30mm〇
[0046] 而后进行厚透镜设计，按照前述规律选择各组元结构形式和透镜材料，实施例的 设计结果光学参数如表1，系统由8组13片透镜组成。
[0047] 1)系统前固定组最大通光口径：107mm，变倍组最大通光口径28mm，补偿组最大通 光口径30mm;
[0048] 2)前片至像面总长：368mm;
[0049] 3)后工作距离：18. 32mm~91. 1 7mm；
[0050] 4)变倍组导程：123. 5mm;
[0051] 5)补偿量：72.85mm。
[0052]表1 :
[0053]
【主权项】
1. 紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头，其特征是，其从左至右依次为正光焦度的 前固定组（1)、负光焦度的变倍组（2)及正光焦度的补偿组（4)，可变光阑（3)固定在补偿 组⑷前端，随补偿组⑷移动； 前固定组（1)包含双胶合透镜（1-1)和单透镜（1-2);双胶合透镜（1-1)为负、正结构， 其中负透镜为弯月形透镜，正透镜为双凸形透镜；单透镜（1-2)为平凸形透镜； 变倍组（2)包含负透镜（2-1)和负光焦度的双胶合透镜（2-2);单透镜（2-1)为双凹 形；双胶合透镜（2-2)为负透镜和正透镜胶合结构； 补偿组（4)包含第一双胶合透镜（4-1)和第二双胶合透镜（4-2)的光焦度为正，第三 双胶合透镜（4-3)光焦度为负；靠近像面的单透镜（4-4)采用高折射率材料的厚弯月形，用 于对场曲和象散的校正。
2. 根据权利要求1所述的紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头，其特征是，各组元 光焦度满足的条件如下， 5< |fA/fBl <8 1.2< |fc/fB| <2 dBC-l"b>〇 式中：fA为前固定组⑴焦距，fB为变倍组⑵焦距，为补偿组⑷焦距，d BC』为长 焦位置端变倍组（2)与补偿组（4)间隔。
3. 根据权利要求1所述的紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头，其特征是，第三双 胶合透镜（4-3)中的正、负透镜分别采用特殊色散玻璃H-FK61和TF3。
【专利摘要】紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头，属于光学系统设计技术领域，为克服现有变焦距镜头结构复杂、尺寸长的问题，紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头，正光焦度的前固定组、负光焦度的变倍组及正光焦度的补偿组，可变光阑固定在补偿组前端，随补偿组移动；前固定组包含双胶合透镜和单透镜；双胶合透镜为负、正结构，其中负透镜为弯月形透镜，正透镜为双凸形透镜；单透镜为平凸形透镜；变倍组包含负透镜和负光焦度的双胶合透镜；单透镜为双凹形；双胶合透镜为负透镜和正透镜胶合结构；补偿组包含第一双胶合透镜和第二双胶合透镜的光焦度为正，第三双胶合透镜光焦度为负；靠近像面的单透镜采用高折射率材料的厚弯月形，用于对场曲和象散的校正。
【IPC分类】G02B15-173
【公开号】CN104749755
【申请号】CN201510147959
【发明人】王建立, 李宏壮, 李义, 刘欣悦
【申请人】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年3月31日