一种高倍率变焦镜头的制作方法

1.本发明属于光学镜头技术领域，具体涉及一种高倍率变焦镜头。


背景技术：

2.在安防行业中，小体积变焦镜头由于其焦距可变而应用十分广泛。随着安防行业的发展，其对变焦镜头性能的要求越来越高。超广角可以扩大监控范围，这在安防监控中十分必要；大光圈可以增大镜头的通光量，在夜视等低照度环境中仍能满足需求；大变倍比率可以适应更广泛的应用环境；红外光和可见光共焦，可以适应白天、黄昏、夜晚等全天候的监控需求；合理的温度补偿设计，可以保证镜头在高温或低温环境下，镜头不需重新对焦可以保证与常温相同的分辨率。而目前安防监控市场上现有的变焦镜头，有些广角和光圈不够大，有些使用玻璃非球面材料，成本高昂，难以满足实际实用需求，应用范围受限。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对上述问题，提出一种高倍率变焦镜头，具有高倍率、超广角、大光圈、红外共焦的优越性能，可有效提高光线传递效率、降低生产成本，且成像清晰、体积小、像面大，应用范围广。
4.为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
5.本发明提出的一种高倍率变焦镜头，由沿光轴从物面至像面依次设置的第一透镜组、光阑和第二透镜组组成，第一透镜组具有负光焦度，第二透镜组具有正光焦度，光阑和第二透镜组通过沿光轴移动进行调焦，第一透镜组包括沿光轴从物面至像面依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜共三枚透镜；第二透镜组包括沿光轴从物面至像面依次设置的第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜共五枚透镜，并满足如下条件：
[0006]-1.3≤ff/fv≤-0.4；0.1≤fw/fv≤0.5；1.1≤f4/fv≤1.5
[0007]
式中，ff为第一透镜组的焦距，fv为第二透镜组的焦距，fw为镜头广角端的焦距，f4为第四透镜的焦距，单位mm。
[0008]
优选地，第一透镜、第二透镜、第五透镜和第八透镜具有负光焦度，第三透镜、第四透镜、第六透镜、第七透镜具有正光焦度。
[0009]
优选地，第二透镜、第三透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜均为塑胶非球面透镜，第一透镜和第四透镜均为玻璃球面透镜。
[0010]
优选地，第四透镜满足如下条件：
[0011]
1.42≤nd4≤1.63；55≤vd4≤96
[0012]
式中，nd4为第四透镜的折射率，vd4为第四透镜的阿贝数。
[0013]
优选地，第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第八透镜均为塑胶非球面透镜，第一透镜和第七透镜均为玻璃球面透镜。
[0014]
优选地，第四透镜、第五透镜、第六透镜和第八透镜均为塑胶非球面透镜，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第七透镜均为玻璃球面透镜。
[0015]
优选地，第七透镜满足如下条件：
[0016]
1.42≤nd7≤1.63；55≤vd7≤96
[0017]
式中，nd7为第七透镜的折射率，vd7为第七透镜的阿贝数。
[0018]
优选地，高倍率变焦镜头还满足如下条件：
[0019]-1.7≤f5/f7≤-1.2
[0020]
式中，f5为第五透镜的焦距，f7为第七透镜的焦距，单位mm。
[0021]
优选地，高倍率变焦镜头还满足如下条件：
[0022][0023]
式中，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f5为第五透镜的焦距，f6为第六透镜的焦距，f7为第七透镜的焦距，f8为八透镜的焦距，单位mm。
[0024]
优选地，高倍率变焦镜头还包括滤光片，滤光片位于八透镜的像侧。
[0025]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0026]
1)通过合理设置各透镜群之间的焦距、透镜数量和形状，确保整体质量均衡，使得该变焦镜头具有高倍率、超广角、大光圈、红外共焦的优越性能，并有利于降低透镜群之间的组装公差，便于装配并提高镜头组装精度；
[0027]
2)对透镜群的光焦度进行优化分配，实现对可见光和红外光的优良共焦成像能力，同时，具有温度补偿功能，解决了高低温环境下的焦点漂移问题，在-40℃～80℃温度范围内不虚焦，在大光圈状态下仍具有良好的解析度，达到清晰成像的效果，应用范围广；
[0028]
3)可保证较大视场角的同时减小总体长度，有效提高光线传递效率、降低生产成本，镜头体积小、像面大，可搭配多种类型摄像设备，满足使用需求；
[0029]
4)可实现380～850nm波段的色差和二级光谱的校正，在日夜切换时无需重新对焦即可保证解像力。
附图说明
[0030]
图1为本发明实施例1的高倍率变焦镜头广角端的结构示意图；
[0031]
图2为本发明实施例1的高倍率变焦镜头望远端的结构示意图；
[0032]
图3为本发明实施例1的高倍率变焦镜头广角端光线扇形图；
[0033]
图4为本发明实施例1的高倍率变焦镜头广角端垂轴色差图；
[0034]
图5为本发明实施例1的高倍率变焦镜头望远端光线扇形图；
[0035]
图6为本发明实施例1的高倍率变焦镜头望远端垂轴色差图；
[0036]
图7为本发明实施例2的高倍率变焦镜头广角端的结构示意图；
[0037]
图8为本发明实施例2的高倍率变焦镜头望远端的结构示意图；
[0038]
图9为本发明实施例2的高倍率变焦镜头广角端光线扇形图；
[0039]
图10为本发明实施例2的高倍率变焦镜头广角端垂轴色差图；
[0040]
图11为本发明实施例2的高倍率变焦镜头望远端光线扇形图；
[0041]
图12为本发明实施例2的高倍率变焦镜头望远端垂轴色差图；
[0042]
图13为本发明实施例3的高倍率变焦镜头广角端的结构示意图；
[0043]
图14为本发明实施例3的高倍率变焦镜头望远端的结构示意图；
[0044]
图15为本发明实施例3的高倍率变焦镜头广角端光线扇形图；
[0045]
图16为本发明实施例3的高倍率变焦镜头广角端垂轴色差图；
[0046]
图17为本发明实施例3的高倍率变焦镜头望远端光线扇形图；
[0047]
图18为本发明实施例3的高倍率变焦镜头望远端垂轴色差图。
[0048]
附图标记说明：1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第五透镜；6、第六透镜；7、第七透镜；8、第八透镜；ir、滤光片；cg、保护玻璃；a、第一透镜组；b、第二透镜组；s、光阑；image、像面。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0050]
需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本技术。
[0051]
如图1-18所示，一种高倍率变焦镜头，由沿光轴从物面至像面依次设置的第一透镜组a、光阑s和第二透镜组b组成，第一透镜组a具有负光焦度，第二透镜组b具有正光焦度，光阑s和第二透镜组b通过沿光轴移动进行调焦，第一透镜组a包括沿光轴从物面至像面依次设置的第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3共三枚透镜；第二透镜组b包括沿光轴从物面至像面依次设置的第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7和第八透镜8共五枚透镜，并满足如下条件：
[0052]-1.3≤ff/fv≤-0.4；0.1≤fw/fv≤0.5；1.1≤f4/fv≤1.5
[0053]
式中，ff为第一透镜组a的焦距，fv为第二透镜组b的焦距，fw为镜头广角端的焦距，f4为第四透镜4的焦距，单位mm。
[0054]
其中，通过合理设置第一透镜组a的焦距ff与第二透镜组b的焦距fv之间的比值，能够有效保证该变焦镜头具有较好的解像力。若第一透镜组a的焦距ff与第二透镜组b的焦距fv的关系小于上述限定下限，则在固定倍率下镜头总长会变长，造成整体尺寸增大，不符合小型化尺寸要求，若第一透镜组a的焦距ff与第二透镜组b的焦距fv的关系大于上述限定上限，则第一透镜组a与第二透镜组b的像差会增大，造成镜头的解像力下降。通过合理设置镜头广角端的焦距fw与第二透镜组b的焦距fv的比值，能够保证该变焦镜头具有较大的视场角并且可以很好地平衡像差。若镜头广角端的焦距fw与第二透镜组b的焦距fv之间的关系小于上述限定下限，则镜头广角端轴外像差较大，全焦距段像差难以平衡。若镜头广角端的焦距fw与第二透镜组b的焦距fv之间的关系大于上述限定上限，则镜头广角端的视场角较小，不能满足大视场角的需求。且由于第四透镜4靠近光阑s设置，通过合理设置第四透镜4的焦距和第二透镜组b的焦距的比值，有利于该变焦镜头校正光学系统的色球差和二级光谱色差，实现可见光与红外光共焦。因此，通过上述设置并合理地配置各透镜组的光焦度，使得本发明的变焦镜头具有高倍率、超广角、大光圈、红外共焦的优越性能。
[0055]
在一实施例中，第一透镜1、第二透镜2、第五透镜5和第八透镜8具有负光焦度，第
三透镜3、第四透镜4、第六透镜6、第七透镜7具有正光焦度。通过合理配置各个透镜的光焦度，使得该变焦镜头具有超广角、大光圈的优越性能。
[0056]
在一实施例中，高倍率变焦镜头还满足如下条件：
[0057]-1.7≤f5/f7≤-1.2
[0058]
式中，f5为第五透镜5的焦距，f7为第七透镜7的焦距，单位mm。
[0059]
根据此关系式来约束第五透镜5的焦距和第七透镜7的焦距的比值，进一步有利于平衡该变焦镜头的温度补偿，降低温度变化时透镜折射率的变化对后焦漂移和像差平衡的影响，使镜头在高温或低温环境下，不需要重新对焦仍能具有与常温环境下相同的分辨率。
[0060]
在一实施例中，高倍率变焦镜头还满足如下条件：
[0061][0062]
式中，f2为第二透镜2的焦距，f3为第三透镜3的焦距，f5为第五透镜5的焦距，f6为第六透镜6的焦距，f7为第七透镜7的焦距，f8为八透镜8的焦距，单位mm。
[0063]
通过合理设置第二透镜2、第三透镜3、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7和第八透镜8的光焦度倒数之和，有利于在高低温时透镜对后焦进行温度补偿，使温度变化时成像面的位置保持不变，不虚焦。
[0064]
在一实施例中，高倍率变焦镜头还包括滤光片ir，滤光片ir位于八透镜8的像侧。
[0065]
具体地，该变焦镜头包括沿着光轴从物面至像面依次设置的第一透镜组a、光阑s和第二透镜组b，第一透镜组a具有负光焦度且包括三枚透镜。第二透镜组b具有正光焦度且包括五枚透镜。即该变焦镜头包括沿着光轴从物面至像面依次排布的具有负光焦度的第一透镜1、具有负光焦度的第二透镜2、具有正光焦度的第三透镜3、光阑s、具有正光焦度的第四透镜4、具有负光焦度的第五透镜5、具有正光焦度的第六透镜6、具有正光焦度的第七透镜7、具有负光焦度的第八透镜8、滤光片ir和保护玻璃cg。
[0066]
各透镜的材质和形状可根据实际需求调整，并根据本发明的变焦镜头中各透镜的材料和相关参数的变化给出以下实施例来具体说明。其中，各实施例中的条件式数据如下表1所示：
[0067]
表1
[0068]
条件式实施例1实施例2实施例3-1.3≤ff/fv≤-0.4-0.93-0.86-0.970.1≤fw/fv≤0.50.330.330.261.1≤f4/fv≤1.51.231.331.32-1.7≤f5/f7≤-1.2-1.56-1.50-1.43
[0069]
各实施例中的透镜焦距如下表2所示：
[0070]
表2
[0071]
焦距/mmf1f2f3f4f5f6f7f8实施例1-10.6-18.123.812.5-15.753.710.0-30.5实施例2-9.2-20.520.813.7-17.398.011.5-80.9实施例3-19.8-12.925.216.3-18.893.113.2-65.2
[0072]
由表1、2可知，根据本发明的三组实施例的变焦镜头中各项参数的设置，满足本发明变焦镜头对于各参数条件的要求，其中，f1为第一透镜1的焦距。
[0073]
实施例1：
[0074]
本实施例中，第二透镜2、第三透镜3、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7和第八透镜8均为塑胶非球面透镜，第一透镜1和第四透镜4均为玻璃球面透镜。
[0075]
本实施例中，第四透镜4满足如下条件：
[0076]
1.42≤nd4≤1.63；55≤vd4≤96
[0077]
式中，nd4为第四透镜4的折射率，vd4为第四透镜4的阿贝数。
[0078]
其中，如图1、2所示，第一透镜1为平凹玻璃球面透镜，第二透镜2为双凹塑胶非球面透镜，第三透镜3为双凸塑胶非球面透镜，第四透镜4为双凸玻璃球面透镜，第五透镜5为凸凹塑胶非球面透镜，第六透镜6为凸凹塑胶非球面透镜，第七透镜7为双凸塑胶非球面透镜，第八透镜8为双凹塑胶非球面透镜。采用玻璃球面透镜与塑胶非球面透镜合理搭配的方案，充分利用非球面透镜强大的校正像差能力的同时，极大的消除了塑胶透镜折射率随温度变化带来的后焦漂移，使镜头在高温和低温下仍具有良好的分辨率，同时玻璃球面透镜和塑胶球面透镜的配合使用，有利于降低成本。具体来说，将第四透镜4设置为玻璃球面透镜，此位置距离光阑s最近，对高低温的平衡有很好的效果，且第四透镜4用vd值(阿贝数)较大的材料，对矫正二级光谱非常有效，提升镜头夜晚的拍摄效果。将第五透镜5和第六透镜6设置为塑胶非球面透镜，此位置距离光阑s较近，矫正球差的效率很高，有利于提升本发明变焦镜头整体解像力和增大镜头的光圈。且由于第四透镜4靠近光阑s设置，第四透镜4采用上述条件式的限定，有利于该变焦镜头校正光学系统的色球差和二级光谱色差，实现可见光与红外光共焦。
[0079]
所有的非球面面型应满足非球面方程式：
[0080][0081]
式中，z为矢高，c为曲率，y为径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，α4、α6、α8、α
10
、α
12
为非球面高阶系数。
[0082]
以下表3列出了各透镜的相关参数，包括表面类型、曲率半径、厚度、材料(折射率/阿贝数)：
[0083]
表3
[0084][0085]
表3中，将光阑s视为具有一个光学面，其他元件视为具有两个光学面，即本发明的变焦镜头具有21个光学面，加上成像面，共有22个光学面，为了便于叙述说明，这22个光学面按照本发明的结构顺序即沿着光轴从物面至像面依次设置的顺序，根据光学面的排序进行编号，依次对应为s1-s22。
[0086]
以下表4列出了各非球面系数：
[0087]
表4
[0088][0089]
由表1、表2、表3和表4可知，在本实施例中，各透镜相关参数的设置满足本发明变焦镜头的条件要求。图3-6依次为本实施例变焦镜头广角端光线扇形图、广角端垂轴色差图、望远端光线扇形图、望远端垂轴色差图。由图3-6可知，依照实施例1中各透镜的相关参数来布置本发明的变焦镜头，能够使本发明的变焦镜头其广角端最大视场角在150
°
以上，望远端最小视场角在40
°
以下，基本覆盖主流的安防定焦镜头监控范围。最大光圈≤1.5，焦距变倍比》3.0，可实现可见光与红外光共焦且解像力达到4k，此外，在-40℃到80℃的环境温度变化下，镜头不需重新对焦可以保证与常温相同的分辨率。
[0090]
实施例2：
[0091]
本实施例中，第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6和第八透镜8均为塑胶非球面透镜，第一透镜1和第七透镜7均为玻璃球面透镜。
[0092]
本实施例中，第七透镜7满足如下条件：
[0093]
1.42≤nd7≤1.63；55≤vd7≤96
[0094]
式中，nd7为第七透镜7的折射率，vd7为第七透镜7的阿贝数。其中，如图7、8所示，第一透镜1为平凹玻璃球面透镜，第二透镜2为凸凹塑胶非球面透镜，第三透镜3为凸凹塑胶非球面透镜，第四透镜4为双凸塑胶非球面透镜，第五透镜5为凸凹塑胶非球面透镜，第六透镜6为凸凹塑胶非球面透镜，第七透镜7为双凸玻璃球面透镜，第八透镜8为凸凹塑胶非球面透镜。需要说明的是，第二透镜2和第八透镜8的非球面为反曲面，即非球面上的点的切线与光轴的夹角的正切值称为该点的斜率，斜率有正有负，就说明非球面弯曲的方向发生了改变，也就是反曲，所以这两个透镜的非球面中心和边缘的方向是反的，中心的r值(曲率半径)弯向透镜为凸，背离透镜为凹，而在图7、8上无法看出，所以整体视觉上呈现形状和文字描述不一致，以文字描述为准。采用玻璃球面透镜与塑胶非球面透镜合理搭配的方案，充分
利用非球面透镜强大的校正像差能力的同时，极大的消除了塑胶透镜折射率随温度变化带来的后焦漂移，使镜头在高温和低温下仍具有良好的分辨率，同时玻璃球面透镜和塑胶球面透镜的配合使用，有利于降低成本。具体来说，将第四透镜4距离光阑s最近，对高低温的平衡有很好的效果，且第七透镜7用vd值(阿贝数)较大的材料，对矫正二级光谱非常有效，提升镜头夜晚的拍摄效果。将第五透镜5和第六透镜6设置为塑胶非球面透镜，此位置距离光阑s较近，矫正球差的效率很高，有利于提升本发明变焦镜头整体解像力和增大镜头的光圈。且由于第四透镜4靠近光阑s设置，第四透镜4采用上述条件式的限定，有利于该变焦镜头校正光学系统的色球差和二级光谱色差，实现可见光与红外光共焦。
[0095]
所有的非球面面型应满足非球面方程式：
[0096][0097]
式中，z为矢高，c为曲率，y为径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，α4、α6、α8、α
10
、α
12
为非球面高阶系数。
[0098]
以下表5列出了各透镜的相关参数，包括表面类型、曲率半径、厚度、材料(折射率/阿贝数)：
[0099]
表5
[0100][0101]
表5中，将光阑s视为具有一个光学面，其他元件视为具有两个光学面，即本发明的变焦镜头具有21个光学面，加上成像面，共有22个光学面，为了便于叙述说明，这22个光学面按照本发明的结构顺序即沿着光轴从物面至像面依次设置的顺序，根据光学面的排序进行编号，依次对应为s1-s22。
[0102]
以下表6列出了各非球面系数：
[0103]
表6
[0104][0105]
由表1、表2、表5和表6可知，在本实施例中，各透镜相关参数的设置满足本发明变焦镜头的条件要求。图9-12依次为本实施例变焦镜头广角端光线扇形图、广角端垂轴色差图、望远端光线扇形图、望远端垂轴色差图。由图9-12可知，依照实施例2中各透镜的相关参数来布置本发明的变焦镜头，同样能够使本发明的变焦镜头其广角端最大视场角在150
°
以上，望远端最小视场角在40
°
以下，基本覆盖主流的安防定焦镜头监控范围。最大光圈≤1.5，焦距变倍比》3.0，可实现可见光与红外光共焦且解像力达到4k；在-40℃到80℃的环境温度变化下，镜头不需重新对焦可以保证与常温相同的分辨率。
[0106]
实施例3：
[0107]
本实施例中，第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6和第八透镜8均为塑胶非球面透镜，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第七透镜7均为玻璃球面透镜。
[0108]
本实施例中，第七透镜7满足如下条件：
[0109]
1.42≤nd7≤1.63；55≤vd7≤96
[0110]
式中，nd7为第七透镜7的折射率，vd7为第七透镜7的阿贝数。
[0111]
其中，如图13、14所示，第一透镜1为凸凹玻璃球面透镜，第二透镜2为双凹玻璃球面透镜，第三透镜3为凸凹玻璃球面透镜，第四透镜4为双凸塑胶非球面透镜，第五透镜5为凸凹塑胶非球面透镜，第六透镜6为凸凹塑胶非球面透镜，第七透镜7为双凸玻璃球面透镜，第八透镜8为凸凹塑胶非球面透镜。采用玻璃球面透镜与塑胶非球面透镜合理搭配的方案，充分利用非球面透镜强大的校正像差能力的同时，极大的消除了塑胶透镜折射率随温度变化带来的后焦漂移，使镜头在高温和低温下仍具有良好的分辨率，同时玻璃球面透镜和塑胶球面透镜的配合使用，有利于降低成本。具体来说，将第四透镜4距离光阑s最近，对高低温的平衡有很好的效果，且第七透镜7用vd值(阿贝数)较大的材料，对矫正二级光谱非常有
效，提升镜头夜晚的拍摄效果。将第五透镜5和第六透镜6设置为塑胶非球面透镜，此位置距离光阑s较近，矫正球差的效率很高，有利于提升本发明变焦镜头整体解像力和增大镜头的光圈。且由于第四透镜4靠近光阑s设置，第四透镜4采用上述条件式的限定，有利于该变焦镜头校正光学系统的色球差和二级光谱色差，实现可见光与红外光共焦。
[0112]
所有的非球面面型应满足非球面方程式：
[0113][0114]
式中，z为矢高，c为曲率，y为径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，α4、α6、α8、α
10
、α
12
为非球面高阶系数。
[0115]
以下表7列出了各透镜的相关参数，包括表面类型、曲率半径、厚度、材料(折射率/阿贝数)：
[0116]
表7
[0117][0118]
表7中，将光阑s视为具有一个光学面，其他元件视为具有两个光学面，即本发明的变焦镜头具有21个光学面，加上成像面，共有22个光学面，为了便于叙述说明，这22个光学面按照本发明的结构顺序即沿着光轴从物面至像面依次设置的顺序，根据光学面的排序进
行编号，依次对应为s1-s22。
[0119]
以下表8列出了各非球面系数：
[0120]
表8
[0121][0122][0123]
由表1、表2、表7和表8可知，在本实施例中，各透镜相关参数的设置满足本发明变焦镜头的条件要求。图15-18依次为本实施例变焦镜头广角端光线扇形图、广角端垂轴色差图、望远端光线扇形图、望远端垂轴色差图。由图15-18可知，依照实施例3中各透镜的相关参数来布置本发明的变焦镜头，同样能够使本发明的变焦镜头其广角端最大视场角在150
°
以上，望远端最小视场角在40
°
以下，基本覆盖主流的安防定焦镜头监控范围。最大光圈≤1.5，焦距变倍比》3.0，可实现可见光与红外光共焦且解像力达到4k；在-40℃到80℃的环境温度变化下，镜头不需重新对焦可以保证与常温相同的分辨率。
[0124]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0125]
以上所述实施例仅表达了本技术描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。