一种变焦镜头的制作方法

本发明涉及光学设备技术领域，特别是涉及一种变焦镜头。

背景技术：

目前，对大型广场、道路或者森林防护等场合的监控既需要全局概览，也需要能够实现对重点目标的放大锁定追踪。这就需要一种能够自动变焦兼顾广角与长焦的大倍率变焦镜头。

现有的变焦镜头光学结构有2组元的和通常具备3群组以上的多组元的，其中2组元结构具备较小的体积，但其倍率通常小于4.5倍，而多组元结构通常具备10倍以上的倍率，例如，4群组结构还能实现20倍以上的倍率。

现有常见的大倍率变焦镜头中能够满足高清要求的，往往总长过长、体积较大，难以适应小型化半球机芯产品的要求；而体积符合要求的变焦镜头变焦倍率小或像素偏低。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种变焦镜头，以在提高分辨率的基础上，提高产品性能与产品结构的匹配度。

本发明实施例提供了一种变焦镜头，包括：沿光线入射方向依次设置的第一固定透镜组、变焦透镜组、第二固定透镜组以及补偿透镜组，其中：

所述第二固定透镜组的总光焦度为正，所述补偿透镜组的总光焦度为正，所述变焦透镜组以及所述补偿透镜组均可沿光轴方向移动；

所述第一固定透镜组包括沿物侧到像侧方向依次设置第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；所述第一透镜为负光焦度透镜，所述第二透镜为正光焦度透镜，所述第三透镜为正光焦度透镜，所述第四透镜为正光焦度透镜。

在本发明实施例中，可选的，所述变焦透镜组的焦距f1′，所述补偿透镜组的焦距f2′与所述变焦镜头在短焦状态下的焦距fw′之间满足：

-2.1<f1'/fw'<-1；

3.8<f2'/fw'<4.8。

在本发明任一实施例中，可选的，所述第一透镜朝向所述像侧的表面为凹面，所述第二透镜朝向所述物侧的表面为凸面，所述第三透镜朝向所述物侧的表面为凸面，所述第四透镜朝向所述像侧的表面为凹面。

在本发明实施例中，可选的，所述变焦透镜组包括沿物侧到像侧方向依次设置的第五透镜、第六透镜以及第七透镜，所述第五透镜为负光焦度透镜，所述第六透镜为负光焦度透镜，所述第七透镜为正光焦度透镜。

在本发明任一实施例中，可选的，所述第五透镜朝向所述像侧的表面为凹面，所述第六透镜朝向所述物侧的表面以及朝向所述像侧的表面均为凸面，所述第七透镜朝向所述物侧的表面为凹面。

在本发明实施例中，可选的，所述第六透镜的材质为玻璃，所述第六透镜的阿贝数vd32满足：vd32≥70。

在本发明任一实施例中，可选的，所述第二固定透镜组包括沿物侧到像侧方向依次设置的第八透镜、第九透镜、第十透镜以及第十一透镜，所述第八透镜为正光焦度透镜，所述第九透镜为正光焦度透镜，所述第十透镜为正光焦度透镜，所述第十一透镜为负光焦度透镜。

在本发明实施例中，可选的，所述第八透镜为包括至少一片光焦度为正的非球面镜片的透镜子组，所述第九透镜朝向所述物侧的表面以及朝向所述像侧的表面均为凸面，所述第十透镜朝向所述物侧的表面以及朝向所述像侧的表面均为凸面，所述第十一透镜朝向所述物侧的表面以及朝向所述像侧的表面均为凹面。

在本发明任一实施例中，可选的，所述第十透镜的材质为玻璃，所述第十透镜的阿贝数vd43满足：vd43≥66；

所述第十一透镜的材质为玻璃，所述第十一透镜的折射率nd44满足：nd44≥1.8。

在本发明实施例中，可选的，所述补偿透镜组包括沿物侧到像侧方向依次设置的第十二透镜和第十三透镜，所述第十二透镜为正光焦度透镜，所述第十三透镜为负光焦度透镜。

在本发明任一实施例中，可选的，所述第十二透镜为非球面镜片透镜，所述第十三透镜朝向所述物侧的表面为凹面。

在本发明实施例中，可选的，所述第十二透镜的材质为玻璃，所述第十二透镜的阿贝数vd51满足：vd51≥66。

在本发明任一实施例中，可选的，所述非球面镜片的材质为玻璃或塑胶。

在本发明实施例中，可选的，所述变焦镜头，还包括设置于所述变焦透镜组与所述第二固定透镜组之间的孔径光阑。

在本技术方案的变焦镜头中，使第一固定透镜组包括沿物侧到像侧方向依次设置第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；第一透镜为负光焦度透镜，第二透镜为正光焦度透镜，第三透镜为正光焦度透镜，第四透镜为正光焦度透镜，并通过第二固定透镜组沿光轴的移动来改变焦距，同时可通过补偿透镜组沿光轴的配合运动来找到一个位置，从而可以使像面位置不变，并且成像清晰。与现有技术相比，本技术方案的变焦镜头可以很好的控制系统的最大长度，从而使得产品性能和外观尺寸得到很好的匹配，从而可广泛应用于安防监控等技术领域。

附图说明

图1为本发明实施例的变焦镜头的结构示意图；

图2-1为本发明实施例的变焦镜头短焦状态的可见光部分的光学传递函数曲线图；

图2-2为本发明实施例的变焦镜头长焦状态的可见光部分的光学传递函数曲线图；

图3-1为本发明实施例的变焦镜头短焦状态的可见光部分的像场弯曲曲线图；

图3-2为本发明实施例的变焦镜头长焦状态的可见光部分的像场弯曲曲线图；

图4-1为本发明实施例的变焦镜头短焦状态的可见光部分的轴向色差曲线图；

图4-2为本发明实施例的变焦镜头长焦状态的可见光部分的轴向色差曲线图；

图5-1为本发明实施例的变焦镜头短焦状态的可见光部分的垂轴色差曲线图；

图5-2为本发明实施例的变焦镜头长焦状态的可见光部分的垂轴色差曲线图。

附图标记：

1-变焦镜头；

2-第一固定透镜组；

21-第一透镜；

22-第二透镜；

23-第三透镜；

24-第四透镜；

3-变焦透镜组；

31-第五透镜；

32-第六透镜；

33-第七透镜；

4-第二固定透镜组；

41-第八透镜；

42-第九透镜；

43-第十透镜；

44-第十一透镜；

5-补偿透镜组；

51-第十二透镜；

52-第十二透镜；

6-孔径光阑；

7-滤光片；

8-像面。

具体实施方式

为在提高分辨率的基础上，提高产品性能与产品结构的匹配度，本发明实施例提供了一种变焦镜头。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明作进一步详细说明。

当本申请提及“第一”、“第二”、“第三”或者“第四”等序数词时，除非根据上下文其确实表达顺序之意，否则应当理解为仅仅是起区分之用。

如图1所示，本发明实施例提供了一种变焦镜头1，包括：沿光线入射方向依次设置的第一固定透镜组2、变焦透镜组3、第二固定透镜组4以及补偿透镜组5，其中：

第二固定透镜组4的总光焦度为正，补偿透镜组5的总光焦度为正，变焦透镜组3以及补偿透镜组5均可沿光轴方向移动；

变焦透镜组3的焦距f1′，补偿透镜组5的焦距f2′与变焦镜头1在短焦状态下的焦距fw′之间满足：

-2.1<f1'/fw'<-1；

3.8<f2'/fw'<4.8。

在本发明实施例中，物侧是指变焦镜头所拍摄的物体所在的一侧，像侧是指物体在变焦镜头中成像的一侧。

进一步的，如图1所示，在本发明实施例中，第一固定透镜组2、变焦透镜组3、第二固定透镜组4以及补偿透镜组5四组透镜从物侧到像侧按顺序依次排列，具体为：

第一固定透镜组2：总光焦度为正，其从物侧到像侧依次包括：

第一透镜21：光焦度为负，其朝向像侧的表面为凹面；

第二透镜22：光焦度为正，其朝向物侧的表面为凸面；

第三透镜23：光焦度为正，其朝向物侧的表面为凸面；

第四透镜24：光焦度为正，其朝向物侧的表面为凹面；

变焦透镜组3：总光焦度为负，其从物侧到像侧依次包括：

第五透镜31：光焦度为负，其朝向像侧的表面为凹面；

第六透镜32：光焦度为负，其朝向物侧的表面为凸面；

第七透镜33：光焦度为正，其朝向物侧的表面为凹面；

第二固定透镜组4：总光焦度为正，其从物侧到像侧依次包括：

第八透镜41：为包括至少一片光焦度为正的非球面镜片的透镜子组；

第九透镜42：光焦度为正，其朝向物侧的表面以及朝向像侧的表面均为凸面；

第十透镜43：光焦度为正，其朝向物侧的表面以及朝向像侧的表面均为凸面；

第十一透镜44：光焦度为负，其朝向物侧的表面以及朝向像侧的表面均为凹面；

补偿透镜组5：总光焦度为正，其从物侧到像侧依次包括：

第十二透镜51：为光焦度为负的非球面镜片透镜；

第十三透镜52：光焦度为负，其朝向物侧的表面为凹面。

在本发明任一实施例中，可选的，非球面镜片的材质为玻璃或塑胶。

这样可以使包括非球面镜片的透镜组的整体的光角度在本申请的限定范围内的同时，使表征非球面形状的系数有一定的变化自由度。

这样，在本发明实施例中，当第六透镜32的材质为玻璃时，第六透镜32的阿贝数vd32满足：vd32≥70。

当第十透镜43的材质为玻璃时，第十透镜43的阿贝数vd43满足：vd43≥66。

当第十一透镜44的材质为玻璃时，第十一透镜44的折射率nd44满足：nd44≥1.8。

当第十二透镜51的材质为玻璃时，第十二透镜51的阿贝数vd51满足：vd51≥66。

进一步的，如图1所示，在本发明实施例中，可选的，变焦镜头1，还包括设置于变焦透镜组3与第二固定透镜组4之间的孔径光阑6。

通过在变焦透镜组3与第二固定透镜组4之间设置孔径光阑6，可以有效的控制进入至变焦镜头1系统的光束的口径及位置。

继续参照图1所示，在本发明实施例中，变焦镜头1还可以包括依次设置于补偿透镜组5靠近像侧一侧的滤光片7和像面8。

以下针对依据本申请的具体内容提供的镜头为例对本申请作具体说明：

其中，变焦镜头的各个透镜的曲率半径r、中心厚度tc、折射率nd以及阿贝数vd如表1所示：

表1

其中，第12、13、24、25面对应的镜面可以表示成，矢高z与口径y、r值、圆锥系数k、多次项系数a4、a6、a8、a10、a12、a14、a16关系式：

z＝[(1/r)²y]/1+[1-(1+k)(1/r)²y²]^1/2+a4y⁴+a6y⁶+a8y⁸+a10y¹⁰+a12y¹²+a14y¹⁴+a16y¹⁶

计算得到，第14面的系数：

k＝-1.06602；a4＝-3.0194886e-006；a6＝-3.0736896e-008；

a8＝2.2923843e-008；a10＝-1.126297e-009；a12＝4.2787454e-012；

a14＝3.7809138e-013；a16＝-5.2449137e-015；

第15面的系数：

k＝-15.86098；a4＝7.466835e-005；a6＝-7.3398369e-007；

a8＝7.4809103e-008；a10＝-3.8301604e-009；a12＝8.3381621e-011；

a14＝-8.0595287e-013；a16＝1.7502908e-015；

第21面的系数：

k＝-0.012620；a4＝-8.3637147e-007；a6＝-2.8385117e-008；

a8＝0；a10＝0；a12＝0；a14＝0；a16＝0；

第22面的系数：

k＝0.031206；a4＝-5.5076144e-008；a6＝-1.2965681e-007；

a8＝0；a10＝0；a12＝0；a14＝0；a16＝0。

该实施例所提供的镜头具有如下光学技术指标：

光学总长ttl≤88mm；

镜头焦距f’：5(w)—110(t)mm；

镜头的视场角：67.2°(w)—3.1°(t)；

镜头的光学畸变：-8％(w)—+1％(t)；

镜头系统的光圈fno.：f1.6(w)—f4.0(t)；

镜头像面尺寸：1/3〞。

注：w表示短焦，t表示长焦。

下面通过光学传递函数对本申请实施例提供的变焦镜头作进一步的分析：

光学传递函数是用来评价一个变焦镜头的成像质量较准确、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，对各种像差(如：球差、慧差、象散、场曲、轴向色差、垂轴色差等)进行了很好的校正。

如图2所示，为可见光波段的光学传递函数(mtf)曲线图，从图2-1中可知，该变焦镜头短焦状态的可见光部分的光学传递函数曲线较平滑、集中，而且全视场(半像高y′＝3mm)mtf平均值达到0.65以上；从图2-2中可知，该变焦镜头长焦状态的可见光部分的光学传递函数(mtf)曲线图较平滑、集中，而且全视场(半像高y’＝3mm)mtf平均值接近0.5；可见本实施例提供的变焦镜头，能够达到很高的分辨率，满足1/3英寸300万像素摄像机的成像要求。

如图3-1和图3-2所示，变焦镜头可见光部分对应的像场弯曲图由三条曲线t和三条曲线s构成；其中，三条曲线t分别表示三种波长(486nm、587nm和656nm)对应的子午光束(tangentialrays)的像差，三条曲线s分别表示三种波长(486nm、587nm和656nm)对应的弧矢光束(sagittialrays)的像差，子午场曲值和弧矢场曲值越小，说明成像品质越好。如图3-1所示，短焦状态的子午场曲值控制在-0.02～-0.001mm范围内，弧矢场曲值控制在-0.014～0.01mm范围以内；如图3-2所示，长焦状态的子午场曲值控制在-0.06～0.019mm范围内，弧矢场曲值控制在-0.027～0.046mm范围以内。

如图4-1和图4-2所示，变焦镜头可见光部分对应的轴向色差图，图中曲线在y轴附近变化，越靠近y轴，说明变焦镜头成像品质越好。如图4-1所示，其短焦状态轴向色差控制在-0.04～+0.014mm之间；如图4-2所示，其长焦状态轴向色差控制在-0.038～+0.055mm之间。

如图5-1和图5-2所示，变焦镜头可见光部分对应的垂轴色差图，图中曲线越接近y轴，说明变焦镜头成像品质越好。如图5-1所示，其短焦状态的垂轴色差控制在-0.0005～+0.0024mm之间；如图5-2所示，其长焦状态的垂轴色差控制在-0.0032～+0.00025mm之间。

综上，本发明实施例提供了一种大倍率、大光圈、高分辨率的变焦镜头。采用四个透镜组，共十三个特定结构形状的光学透镜，并按照特定顺序从物侧至像侧依次排列，以及通过各个光学透镜的光焦度的分配，同时采用非球面镜片和相适应光学玻璃材质，使得变焦镜头的结构形式，透镜的折射率、阿贝系数等参数与成像条件匹配。进而使变焦镜头的球差、慧差、象散、场曲、垂轴色差、轴向色差得到很好的校正；从而达到在像面更大的前提下，同时满足大倍率、大光圈、高分辨率的要求，并能够实现更佳的低照环境下的成像性能；值得一提的是，本技术方案的变焦镜头，能够很好的控制变焦镜头系统的最大长度，使得产品性能和外形尺寸得到很好的匹配；因此，其可广泛应用到安防监控等领域。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。