专利名称：超远摄变焦距光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学系统，特别提供一种超远摄变焦距光学系统。
背景技术：
电视摄像技术和设备的应用在当今社会已经相当普遍，它可以供众多的人同时观看某一场景，并且可以方便地将场景的情形记录下来。在电视摄像技术中经常会涉及到需要观察和监测距离较远目标的问题，例如环境保护部门需要知道方圆几公里内是否有部位排放烟尘，油气田开采企业需要知道几公里内的产品输送管线是否安全等。凡是类似这种远距离的电视观测都需要使用长焦距的电视镜头。
一般而言，长焦距镜头的焦距数值和镜头的长度是差不多的，光学设计者为了尽可能减小镜头的体积发明了远摄镜头。长焦距镜头的远摄比te定义为 所谓的远摄镜头就是镜头的轴向长度尺寸比镜头的焦距数值小，既te＜1，te值越小远摄比越大。一般认为折射式光学系统的te值能到达0.85就是不错的了。但是最近的5年技术又有了很大进步使这个记录不断的刷新，为了有别于前人的成就，业内普遍把远摄比达到0.7的镜头称之为超远摄镜头。对于折反式光学系统做到te≤0.7并不是件难事，但折反式光学镜头的径向尺寸很大，这样的短而粗镜头显得很笨重。在远距离监测活动中人们普遍要求的是小巧、灵活、便携的产品，以满足实际使用过程中方便移动、系统组装和轻便使用的需要。
对于定焦距光学系统即使有大的远摄比在当今社会也很难再引起人们的注意，现今人们对有活力的器物才有兴趣，设计出具有大的远摄比和高倍率的变焦距光学系统一直是精密器材的研究者和制造者追求的目标。
变焦距光学系统在设计和制造上都比定焦距系统要难，一般变焦距系统的轴向尺寸比系统焦距的最大值要略大一些。例如镜头的焦距为100-1000mm有10倍的变焦距范围，这样的光学系统总长就要超过1000mm。如果光学系统的总长度小于700mm就称得上是超远摄变焦距光学系统了。如果系统的长度更小而只有不到500mm，这样的系统则是非常受人们欢迎的。
发明内容
本发明的目的在于通过一种超远摄变焦距光学系统来克服现有技术中的问题和不足，在具有优良的光学性能同时保持良好的像差特性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种超远摄变焦距光学系统，该超远摄变焦距光学系统由前固定组、场镜、变倍组和补偿组构成，在变焦过程中，各镜组之间的沿轴距离是可变的，其中该前固定组包含具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜和具有负光焦度的第三透镜，该第一透镜为低色散双凸透镜，该第二透镜为低色散正弯月透镜，该第二透镜凸面靠近第一透镜，该第三透镜为高色散平凹形透镜，其平面靠近第二透镜；在前固定组焦点前面设置有透镜，光学设计者把设置在某一镜组焦点附近的透镜称作场镜，该场镜是平凸型的，它的凸面朝向后面的变倍组。
该变倍组包含具有正光焦度的第五透镜、具有负光焦度的第六透镜、具有正光焦度的第七透镜，该第五透镜为低色散的双凸透镜，该第六透镜为高色散的双凹透镜，该第七透镜为低色散的平凸透镜，其平面靠近第六透镜；
该补偿组包含具有正光焦度的第八透镜、具有负光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜，该第八透镜为低色散的平凸透镜，其凸面靠近第七透镜，该第九透镜为高色散的双凹透镜，该第十透镜为低色散的双凸透镜。
一般在光学系统设计时都将前固定组的焦距取的大一些和系统的最长焦距值fmax接近，既fa≈fmax。几乎所有的变焦距光学系统中变倍组b都是负光焦度组。补偿组c可以设计成负光焦度组称为负组补偿，也有将补偿组设计成正光焦度的称为正组补偿，正组补偿的结构形式复杂一些但镜头的外型可以做的细一些，不论是正组补偿还是负组补偿，在系统焦距由短焦距向长焦距变化的过程中，变倍组是背向前固定组移动的，习惯上称作向后移动。
这种镜组分配形式经过了众多科学工作者的研究被认为是目前很成熟的设计方法。通过本发明人的研究发现对于远摄变焦距光学系统，变倍组和补偿组均采用正光焦度组系统可以设计的更紧凑些。当前固定组a的焦距fa的取值在0.17-0.35倍的fmax时，系统可以有比较小的长度并且在结构形式不十分复杂的情况下就可以把像差校正好。变倍组和补偿组的光焦度都取正值，它们的焦距取0.2-0.42倍的fmin，这样即可以获得大的变焦倍率又对校正像差有利。本发明的各光组要满足的条件是其中|0.17·fmax|≤fa≤|0.35·fmax||0.2·fmin|≤fb≤|0.42·fmin||0.2·fmin|≤fc≤|0.42·fmin|这里，fa前固定组的焦距；fb变倍组的焦距；fc补偿组的焦距。
在求解和布置光路中会发现最好的结果之一系统的光学像是正立的，这是因为变倍组和补偿组对前固定组起实像缩放作用的结果。这时系统虽然是实像但由于是正立的，按光学设计习惯定义系统的焦距是负的，这里的系统负光焦度与人们通常所说的透镜负光焦度并不是一回事，在表达式中对系统焦距用了绝对值符号。同时也表明了本发明的3个镜组的焦距fa、fb、fc都是正的。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步描述。
图1为本发明的光学系统实例示意图；图2为一般变焦距镜组移动的示意图；图3为本发明变焦距系统镜组移动示意图；图4为连续变倍望远镜的光学系统图。
具体实施例方式
按照本发明所研究的设计规律，可以设计出一系列的超远摄变焦距光学系统。下面的数据是一个应用于电视摄像机的10倍超远摄变焦距光学系统，根据摄像机像接收器件的不同格式可以将系统进行适当的缩放。下面表1给出的焦距是100-1000mm，适用于1/3″电视摄像机。图1是表1数据的光学系统图。
可变间隔Dab、Dbc、Dcd可由下式求得Δ=-7.350348-1.905279·f-541.206928+77309.07898/f;]]>Dab＝(1-278.0451/f)·1009.328/Δ+21.00137；Dbc＝Δ+53.85269；Dcd＝85.91-Dab-Dbc。
按照光学系统专利习惯需要给出一些主要可变间隔的数例，表2是5个焦距值所对应的数例。
前固定组由序号为1、2、3的3个单透镜组成，第一透镜1是双凸透镜；第二透镜2是凸凹透镜通常被称作正弯月透镜，凹面朝向孔径光阑；第三透镜3是平凹型的负透镜，它的凹面也是朝向孔径光阑；第一透镜1和第二透镜2的材料为低色散，第三透镜3为高色散材料。这样的结构形式既简单又有校正像差的能力，前固定组a的焦距为248.73mm。在前固定组的后面设置了孔径光阑，在图1和表1中它的序号是4，它是用来控制进入系统而到达像面光能量的机构。
前固定组a的像方焦点前边设置了一个平凸形透镜，在图1和表1中它的序号是5，这个透镜被称作场镜，它的作用是将光束进行会聚，这样可以使变倍组透镜的轮廓尺寸比较小，同时也就更容易校正像差。
本发明所设计实例的变倍组和补偿组是相同数据的镜像结构，图1和表1中的序号11是序号6的镜像，序号10是序号7的镜像，序号9是序号8的镜像，这种镜像结构在光学上叫作全对称结组设计。序号6、7、8组成变倍组，9、10、11组成补偿组，它们的组焦距是31.77mm，它们分别是由3个单透镜构成的，中间是高色散的双凹透镜，它的两边分别是低色散的双凸透镜和平凸透镜，双凸透镜的大曲率半径面和平凸透镜的平面分别靠近双凹透镜的两个面。本发明人的研究表明这种结构形式在超远摄变焦距系统中是最简洁的，同时也是制造成本最低的选择。
这种超远摄变焦距光学系统的变倍组以及补偿组的运动规则与一般变焦距系统镜组是不同的，图2是一般变焦距镜组移动的示意图，图3是本发明镜组移动示意图。一般变焦距系统在焦距由短变长过程中变倍组是向后，既背离前固定组方向移动；而本发明是朝向前固定组方向向前移动。本发明所设计的透镜运动曲线是两条非线性曲线，其中各自都有线性段，这种设计可以使透镜的运动达到最佳的平稳度和最佳的扭矩。
将表1中的R和d以及表2中的Dab、Dbc、Dcd数值分别各乘以一个定数M就可以产生一个与实例数据近似的光学系统，如取M＝0.5就是一个适用于1/6″摄像机的光学系统，焦距f＝50-500，系统总长为181.9视场角和相对孔径不变。同理若M＝1.3则系统的焦距为130-1300，光学系统适用于1/2″格式的摄像机，视场角仍然是4°-0.4°，相对孔径还是1∶2.8-1∶20不变。
这个例子所设计的超远摄变焦距光学系统是个正像系统，在这个光学系统的后面接一个目镜就可以成为连续变倍望远镜，这样的望远镜不需要加转向棱镜，结构形式要简洁的多。例如在本实例的超远摄变焦距光学系统后面连接10倍目镜，就成了4-40倍的连续变倍望远镜了。图4是连续变倍望远镜的光学系统图，出瞳A是望远镜使用者眼瞳的位置。
综上所述，本发明从使用目的上、效能上、进步性及新颖性等观点进行阐述，其具有的实用进步性，已符新型专利法所强调的功能增进及实用要件，本发明以上的实施说明及附图所示，为本发明较佳实施例之一，并非以此局限本发明，是以，举凡与本发明的构造、装置、特征等近似、雷同者，均应属本发明的创设目的及申请专利范围之内。
权利要求
1.一种超远摄变焦距光学系统，该超远摄变焦距光学系统由前固定组、场镜、变倍组和补偿组构成，在变焦过程中，该固定组、变倍组和补偿组之间的距离是可变的，其特征在于该固定组、变倍组和补偿组均为正光焦度；其中，该前固定组包含具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜和具有负光焦度的第三透镜，该第一透镜为低色散双凸透镜，该第二透镜为低色散正弯月透镜，该第二透镜凸面靠近第一透镜，该第三透镜为高色散平凹形透镜，其平面靠近第二透镜；该变倍组包含具有正光焦度的第五透镜、具有负光焦度的第六透镜、具有正光焦度的第七透镜，该第五透镜为低色散的双凸透镜，该第六透镜为高色散的双凹透镜，该第七透镜为低色散的平凸透镜，其平面靠近第六透镜；该补偿组包含具有正光焦度的第八透镜、具有负光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜，该第八透镜为低色散的平凸透镜，其凸面靠近第七透镜，该第九透镜为高色散的双凹透镜，该第十透镜为低色散的双凸透镜。
2.如权利要求1所述的超远摄变焦距光学系统，其特征在于其中该前固定组、变倍组以及补偿组满足下列条件|0.17·fmax|≤fa≤|0.35·fmax||0.2·fmin|≤fb≤|0.42·fmin||0.2·fmin|≤fc≤|0.42·fmin|这里，fa前固定组的焦距值；fb变倍组的焦距值；fc补偿组的焦距值；fmin变焦距系统的最小焦距值；fmax变焦距系统的最大焦距值。
全文摘要
本发明公开了一种超远摄变焦距光学系统，该超远摄光学系统具有很长的焦距而系统的总长却很小；该超远摄变焦距光学系统由前固定组、场镜、变倍组和补偿组构成，其中，各透镜组均为正光焦度，该前固定组包含具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜和具有负光焦度的第三透镜；该变倍组包含具有正光焦度的第五透镜、具有负光焦度的第六透镜、具有正光焦度的第七透镜；该补偿组包含具有正光焦度的第八透镜、具有负光焦度的第九透镜、具有正光焦度的第十透镜。变倍组和补偿组有规则的移动可以使系统的焦距产生连续变化，超远摄连续变焦距光学系统是远距离监视用电视摄像机镜头的核心部分也可以作为连续变倍望远镜的物镜。
文档编号G02B15/14GK1601318SQ0316005
公开日2005年3月30日 申请日期2003年9月26日 优先权日2003年9月26日
发明者梁来顺 申请人:公安部第一研究所