本发明涉及一种紧凑型广角大变倍比高清变焦镜头。
背景技术
国际科技对抗水平的提升，对机载、车载探测系统提出了更高的要求，尤其体现在紧凑化、轻量化、高清晰度图像输出等方面，同时也要求对目标既能作大区域小倍率的全景搜索，又能作小区域大倍率的放大观察。因此必须在传统机械补偿式变焦距镜头的基础上，改变设计思路，改进设计方法，克服传统四组元结构普遍存在的体积较大、变倍比小、分辨率较低、图像质量不佳的缺点，使之能与高清晰度摄像机匹配，提升科技对抗能力。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的是提供一种结构紧凑，体积小，具有大变倍比的紧凑型广角大变倍比高清变焦镜头。
本发明采用以下方案实现：一种紧凑型广角大变倍比高清变焦镜头，所述镜头的光学系统包括沿光线自前向后入射方向依次设置的光焦度为正的前固定组a、光焦度为负的变倍组b、光焦度为正的补偿组c、光阑d、光焦度为正的后固定组e，所述前固定组a包括双凸透镜a-1、负弯月透镜a-2与双凸透镜a-3密接的第一胶合组和正弯月透镜a-4；所述变倍组b包括双凸透镜b-1与双凹透镜b-2密接的第二胶合组和平凹透镜b-3；所述补偿组c包括双凸透镜c-1、负弯月透镜c-2与双凸透镜c-3密接的第三胶合组；所述后固定组e包括双凹透镜e-1与平凸透镜e-2密接的第四胶合组、双凸透镜e-3、负弯月透镜e-4、平凸透镜e-5、双凹透镜e-6与双凸透镜e-7密接的第五胶合组和双凸透镜e-8。
进一步的，所述前固定组a与变倍组b之间的空气间隔为2.85～73mm，所述变倍组b与补偿组c之间的空气间隔为5.46～105.58mm，所述补偿组c与后固定组e之间的空气间隔为2.03～32mm，所述双凸透镜a-3和正弯月透镜a-4使用超低色散的fcd100材料。
进一步的，所述双凸透镜a-1和第一胶合组之间的空气间隔为0.73mm，所述第一胶合组和正弯月透镜a-4之间的空气间隔为0.12mm，所述第二胶合组和平凹透镜b-3之间的空气间隔为4.71mm，所述双凸透镜c-1和第三胶合组之间的空气间隔为0.1mm，所述第四胶合组和双凸透镜e-3之间的空气间隔为11.76mm，所述双凸透镜e-3和负弯月透镜e-4之间的空气间隔为4.8mm，所述负弯月透镜e-4和平凸透镜e-5之间的空气间隔为0.74mm，所述平凸透镜e-5和第五胶合组之间的空气间隔为1.37mm，所述第五胶合组和双凸透镜e-8之间的空气间隔为4.32mm。
进一步的，所述双凸透镜a-1前镜面的曲率半径r1满足关系式：680mm≤r1≤685mm，后镜面的曲率半径r2满足关系式：-685mm≤r2≤-680mm，厚度为4.98mm；第一胶合组前镜面的曲率半径r3满足关系式：165mm≤r3≤175mm，胶合面的曲率半径r4满足关系式：82.1mm≤r4≤83.98mm，后镜面的曲率半径r5满足关系式：-1565mm≤r5≤-1825.1mm，负弯月透镜a-2厚度为3.77mm，双凸透镜a-3厚度为11.2mm，正弯月透镜a-4前镜面的曲率半径r6满足关系式：71.8mm≤r6≤72.254mm，后镜面的曲率半径r7满足关系式：241.232mm≤r7≤253.46mm，厚度为9.44mm；第二胶合组前镜面的曲率半径r8满足关系式：197mm≤r8≤252.32mm，胶合面的曲率半径r9满足关系式：-67.3mm≤r9≤-65.945mm，后镜面的曲率半径r10满足关系式：26.875mm≤r10≤27.024mm，双凸透镜b-1厚度为10.69mm，双凹透镜b-2厚度为1.67mm；平凹透镜b-3前镜面的曲率半径r11满足关系式：-33.235mm≤r11≤-33.045mm，后镜面为平面，厚度为1.63mm；双凸透镜c-1前镜面的曲率半径r13满足关系式：59.87mm≤r13≤60.23mm，后镜面的曲率半径r14满足关系式：-60.23mm≤r14≤-59.87mm，厚度为3.8mm；第三胶合组前镜面的曲率半径r15满足关系式：49.895mm≤r15≤50.105mm，胶合面的曲率半径r16满足关系式：24.12mm≤r16≤25.895mm，后镜面的曲率半径r17满足关系式：-77mm≤r17≤-74.235mm，负弯月透镜c-2厚度为0.95mm，双凸透镜c-3厚度为4mm；第四胶合组前镜面的曲率半径r18满足关系式：-33.2mm≤r18≤-31.157mm，胶合面的曲率半径r19满足关系式：25.17mm≤r19≤25.345mm，后镜面为平面，双凹透镜e-1厚度为0.8mm，平凸透镜e-2厚度为1.67mm；双凸透镜e-3前镜面的曲率半径r21满足关系式：64.23mm≤r21≤64.876mm，后镜面的曲率半径r22满足关系式：-30.254≤r22≤-29.998，厚度为1.9mm；负弯月透镜e-4前镜面的曲率半径r23满足关系式：56.3mm≤r23≤57.9mm，后镜面的曲率半径r24满足关系式17.2mm≤r24≤18.98mm，厚度为1.5mm；平凸透镜e-5前镜面为平面，后镜面的曲率半径r26满足关系式：-23.12mm≤r26≤-22.471mm，厚度为1.5mm；第五胶合组前镜面的曲率半径r27满足关系式：-13.777mm≤r27≤-13.725mm，胶合面的曲率半径r28满足关系式：10.4mm≤r28≤10.775mm，后镜面的曲率半径r29满足关系式：24.012mm≤r29≤-23.974mm，双凹透镜e-6厚度为1mm，双凸透镜e-7厚度为3mm；双凸透镜e-8前镜面的曲率半径r30满足关系式：23.2mm≤r30≤24.716mm，后镜面的曲率半径r31满足关系式：-69mm≤r31≤-66.537mm，厚度为2.65mm。
进一步的，所述镜头的机械结构包括位于变倍组b与补偿组c位置的变倍补偿变焦机构、位于前固定组a位置的调焦组件、位于光阑d位置的dc自动光圈组件、位于后固定组e位置的后固定组件、位于成像靶面位置的摄像机组件以及位于镜头后侧的连接底座。
进一步的，所述变倍补偿变焦机构包括主镜筒，所述主镜筒的内前端设有安装有变倍组b的变倍组件，所述主镜筒的内后端设有安装有补偿组c的补偿组件，所述变倍组件与主镜筒之间设置有变倍滑架，所述补偿组件与主镜筒之间设置有补偿滑架，所述主镜筒外套设有变倍凸轮，主镜筒外设置有与变倍凸轮啮合传动的变焦电机，所述变焦电机的电机齿轮与变倍凸轮的齿轮啮合。
进一步的，所述调焦组件包括调焦主镜筒，所述前固定组a安置在前组镜筒内，所述前组镜筒通过研磨配合方式装在调焦主镜筒内，所述调焦主镜筒外套设有调焦凸轮，调焦主镜筒外设置有与调焦凸轮啮合传动的调焦电机，所述调焦电机的电机齿轮与调焦凸轮的齿轮啮合。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）具有大视场、大变倍比的优点，且重量轻，携带方便；（2）采用正组补偿结构，使得前组光焦度较小，降低二级光谱像差，并使用超低色散材料，极大提高了长焦段的分辨率水平，能与两百万像素高清相机适配；（3）合理分配光焦度，在光学总长较小的前提下，实现了大变倍比，具有紧凑化特点，摄远比（光学总长与焦距的比值）降低到0.6。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例的光学系统示意图；
图2是本发明实施例结构总装配图；
图3是本发明实施例中调焦组件构造示意图；
图4是图3的侧视图；
图5是本发明实施例中凸轮组件端面视图；
图6是本发明实施例变倍补偿变焦机构构造示意图；
图7是本发明实施例中自动光圈组件端面视图；
图8是本发明实施例中自动光圈组件剖面图；
图9是图8的左视图；
图10为该发明实施例长焦时的mtf图；
图11为该发明实施例短焦时的mtf图；
图中标号说明：
41-调焦组件，42-变倍组件，43-补偿组件，44-自动光圈组件，45-凸轮组件，46-摄像机组件；
51-正弯月透镜a-4，52-双凸透镜a-3，53-负弯月透镜a-2，其中a-2和a-3胶合在一起，54-双凸透镜a-1，55-前组压圈，56-调焦凸轮压圈，57-调焦凸轮，58-调焦主镜筒，59-调焦导钉，510-前组隔圈1，511-前组隔圈2，512-前组镜筒，513-调焦限位钉，514-调焦限位支架1，515-微动开关，516-调焦限位支架2，517-调焦电机，518-调焦齿轮，519-调焦电机架，520-调焦电位器架，521-调焦电位器，521-调焦电位器齿轮；
61-调整垫片，62-钢球，63-主镜筒，64-变倍凸轮，65-变倍组b，66-变倍滑架，67-补偿组c，68-补偿导钉，69-补偿滑架，610-变倍凸轮压圈，611-变倍导钉，612-变倍限位支架1，613-变倍限位钉，614-微动开关，615-变倍电机架，616-变倍限位支架2，617-变倍电机，618-变倍电机齿轮，619-变倍电位器，520-变倍电位器齿轮；
71-双凹透镜e-1，72-平凸透镜e-2，73-双凸透镜e-3，74-负弯月透镜e-4，75-平凸透镜e-5，76-双凹透镜e-6，77-双凸透镜e-7，78-双凸透镜e-8，79-后组压圈，710-后组隔圈，711-后组隔圈，712-后组隔圈，713-后组隔圈，714-光栏座，715-光驱压板，716-dc光驱，717-防尘板，718-光驱修饰环。
具体实施方式
如图1~11所示，一种紧凑型广角大变倍比高清变焦镜头，所述镜头的光学系统包括沿光线自前向后入射方向依次设置的光焦度为正的前固定组a、光焦度为负的变倍组b、光焦度为正的补偿组c、光阑d、光焦度为正的后固定组e，所述前固定组a包括双凸透镜a-1、负弯月透镜a-2与双凸透镜a-3密接的第一胶合组和正弯月透镜a-4；所述变倍组b包括双凸透镜b-1与双凹透镜b-2密接的第二胶合组和平凹透镜b-3；所述补偿组c包括双凸透镜c-1、负弯月透镜c-2与双凸透镜c-3密接的第三胶合组；所述后固定组e包括双凹透镜e-1与平凸透镜e-2密接的第四胶合组、双凸透镜e-3、负弯月透镜e-4、平凸透镜e-5、双凹透镜e-6与双凸透镜e-7密接的第五胶合组和双凸透镜e-8。
在本实施例中，所述前固定组a与变倍组b之间的空气间隔为2.85～73mm，所述变倍组b与补偿组c之间的空气间隔为5.46～105.58mm，所述补偿组c与后固定组e之间的空气间隔为2.03～32mm，所述双凸透镜a-3和正弯月透镜a-4使用超低色散的fcd100材料。
在本实施例中，所述双凸透镜a-1和第一胶合组之间的空气间隔为0.73mm，所述第一胶合组和正弯月透镜a-4之间的空气间隔为0.12mm，所述第二胶合组和平凹透镜b-3之间的空气间隔为4.71mm，所述双凸透镜c-1和第三胶合组之间的空气间隔为0.1mm，所述第四胶合组和双凸透镜e-3之间的空气间隔为11.76mm，所述双凸透镜e-3和负弯月透镜e-4之间的空气间隔为4.8mm，所述负弯月透镜e-4和平凸透镜e-5之间的空气间隔为0.74mm，所述平凸透镜e-5和第五胶合组之间的空气间隔为1.37mm，所述第五胶合组和双凸透镜e-8之间的空气间隔为4.32mm。
在本实施例中，所述双凸透镜a-1前镜面的曲率半径r1满足关系式：680mm≤r1≤685mm，后镜面的曲率半径r2满足关系式：-685mm≤r2≤-680mm，厚度为4.98mm，材料为lafn23；第一胶合组前镜面的曲率半径r3满足关系式：165mm≤r3≤175mm，胶合面的曲率半径r4满足关系式：82.1mm≤r4≤83.98mm，后镜面的曲率半径r5满足关系式：-1565mm≤r5≤-1825.1mm，负弯月透镜a-2厚度为3.77mm，材料为e-fd10，双凸透镜a-3厚度为11.2mm，材料为fcd100，正弯月透镜a-4前镜面的曲率半径r6满足关系式：71.8mm≤r6≤72.254mm，后镜面的曲率半径r7满足关系式：241.232mm≤r7≤253.46mm，厚度为9.44mm，材料为fcd100；第二胶合组前镜面的曲率半径r8满足关系式：197mm≤r8≤252.32mm，胶合面的曲率半径r9满足关系式：-67.3mm≤r9≤-65.945mm，后镜面的曲率半径r10满足关系式：26.875mm≤r10≤27.024mm，双凸透镜b-1厚度为10.69mm，材料为tafd25，双凹透镜b-2厚度为1.67mm，材料为lasfn9；平凹透镜b-3前镜面的曲率半径r11满足关系式：-33.235mm≤r11≤-33.045mm，后镜面为平面，厚度为1.63mm，材料为tafd33；双凸透镜c-1前镜面的曲率半径r13满足关系式：59.87mm≤r13≤60.23mm，后镜面的曲率半径r14满足关系式：-60.23mm≤r14≤-59.87mm，厚度为3.8mm，材料为lafn23；第三胶合组前镜面的曲率半径r15满足关系式：49.895mm≤r15≤50.105mm，胶合面的曲率半径r16满足关系式：24.12mm≤r16≤25.895mm，后镜面的曲率半径r17满足关系式：-77mm≤r17≤-74.235mm，负弯月透镜c-2厚度为0.95mm，材料为sf57，双凸透镜c-3厚度为4mm，材料为n-pk52a；第四胶合组前镜面的曲率半径r18满足关系式：-33.2mm≤r18≤-31.157mm，胶合面的曲率半径r19满足关系式：25.17mm≤r19≤25.345mm，后镜面为平面，双凹透镜e-1厚度为0.8mm，材料为f1，平凸透镜e-2厚度为1.67mm，材料为tafd25；双凸透镜e-3前镜面的曲率半径r21满足关系式：64.23mm≤r21≤64.876mm，后镜面的曲率半径r22满足关系式：-30.254≤r22≤-29.998，厚度为1.9mm，材料为n-llf6；负弯月透镜e-4前镜面的曲率半径r23满足关系式：56.3mm≤r23≤57.9mm，后镜面的曲率半径r24满足关系式17.2mm≤r24≤18.98mm，厚度为1.5mm，材料为tafd33；平凸透镜e-5前镜面为平面，后镜面的曲率半径r26满足关系式：-23.12mm≤r26≤-22.471mm，厚度为1.5mm，材料为n-sf5；第五胶合组前镜面的曲率半径r27满足关系式：-13.777mm≤r27≤-13.725mm，胶合面的曲率半径r28满足关系式：10.4mm≤r28≤10.775mm，后镜面的曲率半径r29满足关系式：24.012mm≤r29≤-23.974mm，双凹透镜e-6厚度为1mm，材料为n-laf21，双凸透镜e-7厚度为3mm，材料为lf7；双凸透镜e-8前镜面的曲率半径r30满足关系式：23.2mm≤r30≤24.716mm，后镜面的曲率半径r31满足关系式：-69mm≤r31≤-66.537mm，厚度为2.65mm，材料为n-fk5，双凸透镜e-8与成像靶面之间的空气间隔为10.06±0.25mm。
由上述镜片组构成的光学系统达到了如下的光学指标：
1、焦距：11.85mm～360mm；
2、视场角：1.66°～50.33°；
3、相对孔径：d/f′大于1/4.5；
4、光学传递函数：传递函数空间频率105lp/mm时，长焦、短焦时中心mtf≥0.55，在最大视场仍具有良好的成像质量，边缘视场mtf≥0.23，与两百万像素的2/3″靶面尺寸、1920×1080像元的cmos摄像机适配。
5、光学总长小于218mm；
6、变焦全程变焦时间为5s；
7、工作温度：-40℃～60℃。
光学系统总长的缩短并减小径向尺寸，实现紧凑化，变倍组和补偿组的移动范围小，同时采用最速变焦凸轮曲线设计，当变倍组的倍率m2=-1时，补偿组的倍率为m31=m32=-1，实现光学系统30倍的大变倍比，在该焦距点位置平滑过渡，实现最速变焦，使得变焦过程的导程最小，光学总长最短，使整个系统的体积小巧。
本发明紧凑型广角大变倍比高清变焦镜头：（1）具有大视场、大变倍比的优点，且重量轻，携带方便；（2）采用正组补偿结构，使得前组光焦度较小，降低二级光谱像差，并使用超低色散材料，极大提高了长焦段的分辨率水平，能与两百万像素高清相机适配；（3）合理分配光焦度，在光学总长较小的前提下，实现了大变倍比，具有紧凑化特点，摄远比（光学总长与焦距的比值）降低到0.6。
本镜头采用光焦度为正的前固定组a、光焦度为负的变倍组b、光焦度为正的补偿组c、光焦度为正的后固定组e四组元结构，变倍组前后移动时，补偿组同时移动以保证像面不变，这个过程实现了镜头焦距的变化；通过合理分配四个组元的光焦度，使镜头在较小的长度尺寸下有较长的焦距。为追求更高的分辨率，光学设计时，使前组适当复杂化，采用四片结构，提高了光线高度最高的前固定组a的光焦度承担能力，并使用两片超低色散玻璃，有效地降低了光学镜头二级光谱等像差，使镜头的分辨率显著提高，达到两百万像素，可与高清摄像机适配。
在本实施例中，所述镜头的机械结构包括位于变倍组b与补偿组c位置的变倍补偿变焦机构、位于前固定组a位置的调焦组件、位于光阑d位置的dc自动光圈组件、位于后固定组e位置的后固定组件、位于成像靶面位置的摄像机组件以及位于镜头后侧的连接底座，连接底座上有4个φ5.5mm的连接孔，镜头的后端设有摄像机调整结构，所述前固定组a设于调焦焦组件31内，所述变倍组b设于变倍组件32内，所述补偿组c设于补偿组件33内，所述光阑d与后固定组件e均设于自动光圈组件34内，所述成像靶面设于摄像机组件内。
在本实施例中，所述变倍补偿变焦机构包括主镜筒，所述主镜筒的内前端设有安装有变倍组b的变倍组件，所述主镜筒的内后端设有安装有补偿组c的补偿组件，所述变倍组件与主镜筒之间设置有变倍滑架，所述补偿组件与主镜筒之间设置有补偿滑架，所述主镜筒外套设有变倍凸轮，主镜筒外设置有与变倍凸轮啮合传动的变焦电机，所述变焦电机的电机齿轮与变倍凸轮的齿轮啮合。
在本实施例中，所述变倍组b65通过连接螺钉安置在变倍滑架66上组成变倍组件42；补偿组c67通过连接螺钉安置在补偿滑架69上组成补偿组件43；所述变倍滑架66与补偿滑架69通过可在主镜筒63内前后移动，变倍凸轮64通过钢珠62置于主镜筒63组成滚动轴承，由变倍凸轮压圈610锁紧；所述变倍凸轮64按光学变焦运动方程的要求加工变倍、补偿曲线槽，分别用变倍导钉611和补偿导钉68把变倍凸轮64与变倍滑架66、补偿滑架69连接在一起。
在本实施例中，变倍电机519、变倍电位器520、霍尔元件517组成电动变焦机构，所述变倍电机617、变倍电位器619通过变倍电机架615安置在主镜筒上63，所述微动开关614分别通过变倍限位支架612和变倍限位支架616安置于主镜筒上；变倍电机齿轮618与变倍凸轮64相啮合，当变倍电机617转子做正负旋转运动时，带动变倍凸轮64做相应的转动，通过变倍、补偿曲线槽及变倍导钉611、补偿导钉68带动变倍滑架66、补偿滑架69按变倍、补偿曲线槽的方式运动，主镜筒上的两条直槽起到限制变倍导钉、补偿导钉的作用，并使变倍滑架、补偿滑架的旋转运动变为直线运动。严格控制变倍导钉和补偿导钉与变倍凸轮的曲线槽和主镜筒上的直线槽之间的配合间隙，保证变倍组件42和补偿组件43滑动平稳、无卡带。这样通过变倍电机旋转实现变倍组件和补偿组件按变焦运动方程要求做来回的直线运动，从而实现系统焦距的连续变化功能。当系统的焦距发生变化时，变倍电位器齿轮619与变倍凸轮64啮合，同步的与变倍凸轮64发生相对的旋转，变倍电位器619的阻值发生变化，通过适当的取样电路可以求出变倍电位器619的变化值，并传给控制中心，从而实现变焦值的显示；反之，通过控制中心给出相应阻值命令，可实现焦距的实时控制。
同时精密电位器的齿轮与变倍凸轮的齿轮啮合，所述变倍凸轮设置有两条变倍曲线槽和补偿曲线槽，所述主镜筒上设置有两组变倍直槽和补偿直槽，所述变倍曲线槽通过变倍导钉组件经变倍直槽与变倍滑架相连接，所述补偿曲线槽通过补偿导钉组件经补偿直槽与补偿滑架相连接。
在本实施例中，所述调焦组件包括调焦主镜筒，所述前固定组a安置在前组镜筒内，所述前组镜筒可在调焦主镜筒内前后移动，所述调焦主镜筒外套设有调焦凸轮，调焦主镜筒外设置有与调焦凸轮啮合传动的调焦电机，所述调焦电机的电机齿轮与调焦凸轮的齿轮啮合，前组镜筒512通过3条120º均布的线性直槽用调焦导钉59安置于58调焦主镜筒上。调焦电机517、调焦齿轮518、调焦电机架519、调焦主镜筒58、微动开关515、调焦电位器520、调焦电位器架521、调焦限位支架514、调焦限位支架516组成调焦组件。
在本实施例中，所述调焦电机517通过调焦电机架519安置在调焦主镜筒58上，所述微动开关515分别通过调焦限位支架514和调焦限位支架516安置在调焦主镜筒58上，所述调焦凸轮57上开设有精密加工的3条120º均布的线性斜槽，用调焦导钉59与调焦主镜筒58连接在一起，调焦齿轮518与调焦凸轮57相啮合，当调焦电机517通电转动，通过调焦齿轮518带动调焦凸轮57旋转，通过调焦主镜筒58上的直槽限制，前组镜筒512的旋转被限制从而只做直槽内的直线运动，从而实现对远近目标的调焦功能。当系统的调节距离发生变化，调焦电位器齿轮522通过与调焦凸轮57啮合，使调焦电位器521发生旋转，则调焦电位器521阻值发生变化，通过适当的取样电路可以取出调焦电位器521的变化值，并传给控制中心，从而实现调焦距离的显示；反之，通过控制中心给出命令，可实现调焦距离实时控制。
在本实施例中，所述自动光圈组件44是用后组压圈79将后固定组e安置在714光栏座内，用后组隔圈713将双凹透镜e-1与平凸透镜e-2密接的胶合组与双凸透镜e-3隔开，用后组隔圈712将双凸透镜e-3与负弯月透镜e-4隔开，用后组隔圈711将平凸透镜e-5与双凹透镜e-6和双凸透镜e-7密接的胶合组隔开，用后组隔圈710将双凹透镜e-6和双凸透镜e-7密接的胶合组与双凸透镜e-8隔开，利用光驱压板715将716dc光驱固定于714光栏座上。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。