本实用新型涉及光学镜头设计，尤其涉及一种宽波段三组元连续变焦光学系统。
背景技术：
连续变焦镜头是指焦距范围在一定范围内可以连续变化的光学镜头。随着焦距的长短变化，可以得到不同宽窄的视场角。在使用所述连续变焦镜头的过程中，可以根据实际需要进行长短焦距的选择。
通常，使用者对于远距离目标，会选择利用短焦距大视场进行搜索，当搜索到目标后，再利用长焦距模式进行跟踪。但是，目前的光学设计中难以实现长焦距变焦和宽光谱范围。
技术实现要素：
有鉴于此，确有必要提供一种能够同时实现长焦距和宽光谱的一种宽波段三组元连续变焦光学系统。
本实用新型的目的采用以下技术方案来实现：
一种宽波段三组元连续变焦光学系统，其特征在于，该光学系统适用于波段范围为450nm～950nm；该光学系统包括16个镜片和1个棱镜，并从物侧到像侧依次设置形成前固定组，变倍组，补偿组，像差补偿组及后固定组五个透镜组结构；根据所述变倍组、补偿组和像差补偿组之间的光学间隔和焦距变化的值对所述光学系统中的变焦凸轮曲线进行优化，所述变倍组和像差补偿组对应的凸轮曲线均为非线性，所述补偿组对应的凸轮曲线为线性，所述补偿组对应的凸轮曲线最大压力角为53°，所述像差补偿组对应的凸轮曲线最大压力角为55°。
与现有技术相比，本实用新型提供的宽波段三组元连续变焦光学系统利用三组联动的模式，解决长焦距和宽光谱难以同时实现的难题，完成高质量的镜头设计；同时将凸轮曲线压力角优化到最小，保证工程设计的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本实用新型实施例提供的宽波段三组元连续变焦光学系统的结构示意图。
图2是图1所示的宽波段三组元连续变焦光学系统焦距f＝100mm时的系统光路图。
图3是图1所示的宽波段三组元连续变焦光学系统焦距f＝385mm时的系统光路图。
图4是图1所示的宽波段三组元连续变焦光学系统焦距f＝550mm时的系统光路图。
图5是图1所示的宽波段三组元连续变焦光学系统在焦距f＝100mm位置成像的调制传递函数曲线图。
图6是图1所示的宽波段三组元连续变焦光学系统在焦距f＝385mm位置成像的调制传递函数曲线图。
图7是图1所示的宽波段三组元连续变焦光学系统在焦距f＝550mm位置成像的调制传递函数曲线图。
图8是图1所示的宽波段三组元连续变焦光学系统中凸轮筒的结构示意图。
图9是图8所示的凸轮筒表面导向槽的结构形式曲线第一版设计图。
图10是图8所示的凸轮筒表面导向槽的结构形式曲线第二版设计图。
图11是图8所示的凸轮筒表面导向槽的结构形式曲线第三版设计图。
图12是对图11所示的导向槽的结构形式曲线第三版设计图的改进版设计图。
图13是图8所示的凸轮筒表面导向槽的结构形式曲线最终版设计图。
图标：100-光学系统；110-前固定组；120-变倍组；130-补偿组；140-像差补偿组；150-后固定组；160-凸轮；1-第一双胶合透镜；2-第一弯月透镜、3-第一平凸透镜、4-第一平凹透镜；5-第一双凹透镜；6-第一双凸透镜；7-第二双胶合透镜；8-第三双胶合透镜；9-第二平凹透镜；10-第四双胶合透镜；11-第二弯月透镜；12-第二平凸透镜。
具体实施方式
为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1，本实用新型实施例提供一种宽波段三组元连续变焦光学系统100，该光学系统100适用于波段范围为450nm～950nm；该光学系统100包括16个镜片和1个棱镜，其中包括4个胶合镜，并从物侧到像侧依次设置形成前固定组110，变倍组120，补偿组130，像差补偿组140及后固定组150五个透镜组结构；根据所述变倍组120、补偿组130和像差补偿组140之间的光学间隔和焦距变化的值对所述光学系统100中的变焦凸轮曲线进行优化，所述补偿组130对应的凸轮曲线最大压力角为53°，所述像差补偿140组对应的凸轮曲线最大压力角为55°。凸轮曲线压力角主要取决于光学系统设计，在结构设计中，可以通过优化凸轮筒转角以及凸轮筒的直径在一定程度上优化压力角。
所述前固定组110包括一第一双胶合透镜1。
所述变倍组120包括光焦度为正的第一弯月透镜2、光焦度为正的第一平凸透镜3、光焦度为负的第一平凹透镜4及光焦度为负的第一双凹透镜5。本实施例中，为了减小色差，所述第一弯月透镜2、第一平凸透镜3、第一平凹透镜4及第一双凹透镜5胶合。其中，胶合技术采用现有技术，在此不再一一赘述。
所述补偿组130包括一光焦度为正的第一双凸透镜6、第二双胶合透镜7及第三双胶合透镜8。本实施例中，所述第一弯月透镜2、第一平凸透镜3、第一平凹透镜4及第一双凹透镜5胶合。
所述像差补偿组140包括一光焦度为负的第二平凹透镜9及第四双胶合透镜10。本实施例中，所述第二平凹透镜9及第四双胶合透镜10胶合。
所述后固定组150包括一光焦度为负的第二弯月透镜11及一光焦度为正的第二平凸透镜12。本实施例中，所述第二弯月透镜11及第二平凸透镜12胶合。
如图2至图4所示，分别给出了上述宽波段三组元连续变焦光学系统100在短焦(f＝100mm)、中焦(f＝385mm)以及长焦(f＝550mm)位置的光路图。图5至图7分别给出了上述宽波段三组元连续变焦光学系统100在短焦、中焦、长焦位置的MTF，从图中可以看出，在截止频率80lp/mm处，光学系统100的MTF保持了较高的水平，具有清晰的成像质量。
在上述宽波段三组元连续变焦光学系统100中，所述变倍组120、补偿组130及像差补偿组140这三个透镜组均需要通过一变焦凸轮160来实现相对运动，如图8所示的凸轮筒160，镜头中的导向螺钉沿凸轮筒160上的曲线运动，带动所述变倍组120、补偿组130及像差补偿组140移动，从而使镜头焦距发生变化，因此变焦凸轮160是实现镜头连续变焦的关键。以下对所述凸轮筒160上的曲线结构进行优化设计，并作详细的介绍。
为了保证导向螺钉在凸轮筒160导向槽内平滑移动，无卡滞，且具有足够的强度；根据结构尺寸要求、工艺性以及材料的选用原则，将齿轮圈和凸轮筒进行分离设计。在所述凸轮筒160的圆周方向加工六条凸轮曲线，该凸轮曲线是根据上述宽波段三组元连续变焦光学系统100中的变倍组120、补偿组130和像差补偿组140之间的光学间隔和焦距变化的值优化而成。
根据光学系统100所得的参数对所述凸轮曲线进行设计，设计过程中分别对不同曲线情况设计分析，分析不同情况压力角，确保压力角尽量小，同时曲线平滑，从而得到不同凸轮曲线的仿真结果，如图9至图13，其中第一条曲线均对应所述变倍组120，第二条曲线均对应所述补偿组130，第三条曲线均对应所述像差补偿组140。
图9中，凸轮筒160上导向槽的三条曲线均为非线性，设计后第二条曲线的最大压力角为72°，第三条曲线的最大压力角为73°，该压力角设计过大，凸轮在旋转过程容易卡死。
图10中，凸轮筒160上导向槽的三条曲线中第一条曲线为线性，后两条曲线为非线性，其中第二条曲线的最大压力角为68°，该压力角设计同样过大，且在满足成像质量的情况下，曲线不平滑，凸轮旋转过程容易卡死。
图11中，凸轮筒160上导向槽的三条曲线中第一条曲线为线性，后两条为非线性，其中第二条的最大压力角为54°，该压力角设计比较合适，但是第二条曲线和第三条曲线中存在局部拐点较大的地方，会导致凸轮在此位置运转不流畅。对第二条曲线和第三条曲线中的局部拐点进行平滑处理，如图12所示，经过光学分析，在此处的成像不满足要求。
图13中，凸轮筒160上导向槽的三条曲线中第二条曲线为线性，其余两条为非线性，第二条的最大压力角为53°，第三条的最大压力角为55°，三组曲线压力角设计合适，并且曲线无明显拐点，运动流畅，可以满足要求。根据曲线以及仿真的数据，结合光学系统100的设计要求，因此，选取第四版的设计曲线作为最终的设计。
优选地，本实用新型实施例提供的所述宽波段三组元连续变焦光学系统100具有如下光学技术指标：
波段范围为450nm～950nm；
光学系统的焦距范围为100mm～550mm；
相对孔径范围为1/3.5～1/6.8；
靶面尺寸为1英寸。
本实用新型提供的宽波段三组元连续变焦光学系统100利用三组联动的模式，解决长焦距和宽光谱难以同时实现的难题，完成高质量的镜头设计；同时将凸轮曲线压力角优化到最小，保证工程设计的可靠性。
以上所述仅为本实用新型的优选实施方式而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。