CN109491061A

CN109491061A - 小型化变焦镜头

Info

Publication number: CN109491061A
Application number: CN201811617561.0A
Authority: CN
Inventors: 洪永丰; 张玉鑫; 张保
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2019-03-19
Anticipated expiration: 2038-12-28
Also published as: CN109491061B

Abstract

本发明涉及一种小型化变焦镜头，自物侧至像侧包含：第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4，以及第五透镜组G5，其中第二透镜组G2和第四透镜组G4具有负光焦度，第一透镜组G1、第三透镜组G3及第五透镜组G5具有正光焦度；该小型化变焦镜头满足下列关系式：8<F1/Fw<9.2，其中，F1为第一透镜组的有效焦距；Fw为该小型化变焦镜处于广角端状态下的有效焦距。本发明的小型化变焦镜头兼具小型化与良好的成像品质。

Description

小型化变焦镜头

技术领域

本发明涉及光学镜头技术领域，特别是涉及一种小型化变焦镜头。

背景技术

近年来，随着光电技术的迅速发展，航空相机在国防军事和民事领域中都得到重要应用，航空成像具有时效性强、准确度高、侦查范围宽广深远、针对性强、机动灵活的特点，为军队获取敌情、地形和有关情报提供便利，同时在地形测绘、资源调查、灾情防救、边防稽私等民用领域也发挥着重要作用。

航空相机多采用变焦光学系统，变焦光学系统是指焦距在一定范围内连续改变时，像面仍稳定并且保持良好的像质的光学系统，既可以满足对目标的大视场小倍率搜索，又能实现对目标的小视场大倍率的识别。同时，受载机载荷的限制，要求相机结构紧凑、体积小、重量轻，因此变焦光学系统的小型化设计至关重要。

变焦镜头的小型化，要在保证成像质量的前提下，缩短光学筒长，减小通光口径，简化透镜组的结构。在变焦系统的设计过程中，系统的光学筒长可缩短至长焦距的2/3倍左右，若要进一步缩短筒长会增加设计难度，像差的校正也更加困难。同时考虑生产成本，系统中应尽量减少非球面镜的使用，因此变焦镜头的小型化、低成本、高像质的设计是相关领域技术发展的重要课题之一。

发明内容

本发明的目的在于提出一种小型化变焦镜头，以达到体积小，成像品质好，成本低的要求。

一种小型化变焦镜头，其特征在于，自物侧至像侧包含：第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组，以及第五透镜组，其中第二透镜组和第四透镜组具有负光焦度，第一透镜组G1、第三透镜组G3及第五透镜组G5具有正光焦度；该小型化变焦镜头满足下列关系式：8<F1/Fw<9.2，其中，F1为第一透镜组的有效焦距；Fw为该小型化变焦镜处于广角端状态下的有效焦距。

本发明小型化变焦镜头在广角端、中间焦距位置与望远端的场曲、畸变及像差均能获得良好的校正。且本发明的小型化变焦镜头兼具小型化与良好的成像品质。

附图说明

图1A至图1C为本发明的一实施例的小型化变焦镜头分别于广角端、中间位置与望远端的结构示意图。

图2A为图1A的小型化变焦镜头在广角状态的场曲图。

图2B为图1B的小型化变焦镜头在中间焦距状态的场曲图。

图2C为图1C的小型化变焦镜头在望远状态的场曲图。

图3A为图1A的小型化变焦镜头在广角状态的畸变图。

图3B为图1B的小型化变焦镜头在中间焦距状态的畸变图。

图3C为图1C的小型化变焦镜头在望远状态的畸变图。

图4A为图1A的小型化变焦镜头在广角状态的球差图。

图4B为图1B的小型化变焦镜头在中间焦距状态的球差图。

图4C为图1C的小型化变焦镜头在望远状态的球差图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人士在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1A至图1C，图1A至图1C为本发明的一实施例的小型化变焦镜头100分别于广角端、中间位置与望远端的结构示意图，本实施例的小型化变焦镜头10包括五个透镜组，自物侧(object side)至像侧(image side)依序为第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4以及第五透镜组G5。该五个透镜组沿着光轴A设置，且于像侧形成像面IMA，在该第五透镜组G5与该成像面IMA之间可设置保护玻璃CG(Cover Glass)，且保护玻璃为平板玻璃。其中，第一透镜组G1具有正光焦度，第二透镜组G2具有负光焦度，第三透镜组G3具有正光焦度，第四透镜组G4具有负光焦度，第五透镜组G5具有正光焦度，且成像面IMA上可以设置具有光电转换功能的影像感测器，例如CCD或者CMOS。

在本实施例中，该小型化变焦镜头100满足以下条件：8<F1/Fw<9.2。其中，F1为第一透镜组G1的有效焦距；Fw为该小型化变焦镜头100在广角端的焦距。

在本实施例中，该小型化变焦镜头100还满足以下条件：13.5<TTL/Fw<14.1。其中，TTL是小型化变焦镜头100在望远端的镜头总长，而镜头总长的定义为自第一透镜组G1靠近物侧的表面至成像面IMA的距离。

此外，在本实施例中，该小型化变焦镜头100还满足以下条件：Ft/Fw>19.8，即小型化变焦镜头100的放大倍率可以达到19.8倍以上。其中，Ft为该小型化变焦镜头100在望远端的焦距。

再如图1A至图1C所示，本实施例的小型化变焦镜头100所示的五个透镜组，分别是第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3、第四透镜组G4与第五透镜组G5，总共采用了16个透镜，且第一至第五透镜组的16个透镜均为球面透镜设计。

在本实施例中，第一透镜组G1自物侧至像侧依序包括具有负光焦度的第一透镜L11、具有正光焦度的第二透镜L12、具有正光焦度的第三透镜L13以及具有正光焦度的第四透镜L14；第二透镜组G2自物侧至像侧依序包括具有负光焦度的第一透镜L21、具有负光焦度的第二透镜L22及具有正光焦度的第三透镜L23；第三透镜组G3包括具有正光焦度的第一透镜L31、具有负光焦度的第二透镜L32、具有正光焦度第三透镜L33以及具有正光焦度第四透镜L34；第四透镜组G4包括具有负光焦度的第一透镜L41及具有正光焦度的第二透镜L42；第五透镜组G5包括具有正光焦度的第一透镜L51、具有负光焦度的第二透镜L52以及具有正光焦度的第三透镜L53。

在本实施例中，本发明的小型化变焦镜头100的光阑S(stop)放置于第十九透镜面与第二十透镜面之间，即位于第三透镜组G3的第四透镜L34和第四透镜组G4的第一透镜L41之间，可以限制通过第一透镜组G1、第二透镜组G2以及第三透镜组G3的光束进入第四透镜组G4的光通量，同时保证数值孔径满足设计要求。在本实施例中，该小型化变焦镜头100在广角端和望远端的光圈值(F number，Fno)小于6，更具体的光圈值为5.6。

在本实施例中，当小型化变焦镜头100进行变焦时，第二透镜组G2以及第三透镜组G3沿着光轴A移动。从广角端向望远端变焦时，第二透镜组G2由物侧沿光轴A逐渐向像侧方向移动，第三透镜组G3由像侧沿光轴逐渐向物侧方向移动，可用于改变倍率、保证像面稳定以及修正像差。

在本实施例中，第一透镜组G1的第一透镜L11是凹面朝像侧的负光焦度的平凹透镜、第二透镜L12及第三透镜L13是正光焦度的双凸透镜、第四透镜L14是凸面朝物侧的正光焦度的凸凹透镜，且第一透镜组G1的第一透镜L11和第二透镜L12组成双胶合透镜；第二透镜组G2的第一透镜L21是负光焦度的双凹透镜、第二透镜L22是负光焦度的双凹透镜、第三透镜L23是凸面朝物侧的正光焦度的平凸透镜，第二透镜组G2的第二透镜L22及第三透镜L23组成双胶合透镜；第三透镜组G3的第一透镜L31是正光焦度的双凸透镜、第二透镜L32是凸面朝物侧的负光焦度的凸凹透镜、第三透镜L33是正光焦度的双凸透镜以及第四透镜L34是正光焦度的双凸透镜，第三透镜组G3的第二透镜L32及第三透镜L33组成双胶合透镜；第四透镜组G4的第一透镜L41是负光焦度的双凹透镜、第二透镜L42是正光焦度的双凸透镜，第四透镜组G4的第一透镜L41及第二透镜L42组成双胶合透镜；第五透镜组G5的第一透镜L51是正光焦度的双凸透镜、第二透镜L52是凹面朝像侧的负光焦度的平凹透镜以及第三透镜L53是凸面朝像侧的正光焦度的双凸透镜。

进一步的，第二透镜组G2的第三透镜L23的折射率大于1.8，阿贝数小于26。

第三透镜组G3的第一透镜L31的折射率小于1.7、阿贝数大于54，该第三透镜组G3的第二透镜L32的折射率大于1.8、阿贝数大于25，第三透镜组G3的第三透镜L33折射率大于1.7、阿贝数大于51，该第三透镜组G3的第四透镜L34折射率小于1.7、阿贝数小于55。

该第四透镜组G4的第一透镜L41折射率大于1.7、阿贝数大于51，该第四透镜组G4的第二透镜L42折射率小于1.7、阿贝数大于30。

该第五透镜组G5的第一透镜L51折射率小于1.5、阿贝数大于70，该第五透镜组G51的第二透镜L52折射率大于1.6、阿贝数大于36，该第五透镜组G51的第三透镜G53折射率大于1.5、阿贝数小于46。

以下内容将举出小型化变焦镜头100的一实施例，然而，下文中所列举的数据资料并非用以限定本发明，任何所属领域中具有通常知识者在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的改动，但其仍应属于本发明的范畴内。

表一列出根据本发明如图1A至图1C小型化变焦镜头100的一实施例的详细数据，其包含各透镜的曲率半径、厚度、折射率及色散系数。

表一小型化变焦镜头具体参数

在表一中，透镜序号和表面序号是从物侧至像侧依序编排，例如：S1代表第一透镜L11朝物侧的表面，S2代表第一透镜L11朝像侧的表面，Stop代表光阑S表面，IMA代表成像面，可设置影像感测元件，此外，CG代表玻璃盖(cover glass)，用以保护影像感测元件，S29及S30分别为玻璃盖CG的前后两表面。曲率半径是指每一表面的曲率半径，间隔代表该表面与相邻于像侧另一表面的距离，可以表示玻璃厚度，也可以表示空气间隔，例如，表面S1的间隔为表面S1与表面S2的距离，表示L11的玻璃厚度，表面S2的间隔为表面S2与表面S3的距离，表示L11同L12的空气间隔。若间隔值标示为[D1][D2][D3]，表示两表面的距离根据广角端(wide)与望远端(tele)不同焦距而有所不同，其距离如表二所示。同时表二亦列出该小型化变焦镜头100于广角端与望远端的焦距值。

表二不同焦距元件间隔

位置	广角端	中间位置1	中间位置2	中间位置3	望远端
						焦距	15.084	30.153	100.313	200.217	299.966
D1	22.900	47.891	74.709	83.952	87.959
						D2	88.848	61.220	27.321	11.879	3.228
D3	3.324	5.960	13.041	19.240	23.884

在本实施例中，小型化变焦镜头100在广角端的焦距为15mm，在望远端的焦距Ft为299.966mm，故变焦镜头的倍率Ft/Fw为19.886。

在本实施例中，小型化变焦镜头100的第一透镜组G1的有效焦距F1为129.625mm，在广角端的焦距Fw为15mm，故F1/Fw的值为8.642。

在本实施例中，小型化变焦镜头100在望远端的镜头总长TTL为213.054，故TTL/Fw的值为14.125。

图2A至图2C分别显示本发明本实施例的小型化变焦镜头100在广角端、中间位置及望远端的场曲(field curvature)曲线图。其中，曲线T、S分别显示该小型化变焦镜头100对于子午光束(Tangential Rays)与弧矢光束(Sagittal Rays)的数据曲线，a曲线代表波长0.486μm光束的数据曲线，b曲线代表波长0.588μm光束的数据曲线，c曲线代表波长0.656μm光束的数据曲线。在本实施例中，在广角端时，各种波长的光束的子午场曲值与弧矢场曲值均控制在(-0.09mm，0.05mm)范围内；在中间焦距位置时，各种波长的光束的子午场曲值与弧矢场曲值均控制在(-0.01mm，0.25mm)范围内；在望远端时，各种波长的光束的子午场曲值与弧矢场曲值均控制在(-0.45mm，0.25mm)范围内。

图3A与图3C分别显示本发明本实施例的小型化变焦镜头100在广角端、中间位置与望远端的畸变(distortion)曲线图。在本实施例中，在望远端时，各种波长光束的畸变率控制在(0，2％)范围内；在中间焦距位置时，畸变率控制在(0，2％)范围内；在广角端时，畸变率控制在(-2％，0)范围内。

图4A与图4C分别显示本发明本实施例的小型化变焦镜头100在广角端、中间位置与望远端的球差(longitudinal aberration)图。在本实施例中，在广角端时，各种波长的光束的球差控制在(-0.09mm，0.5mm)范围内；在中间焦距位置时，各种波长的光束的球差控制在(-0.14mm，0.18mm)范围内；在望远端时，各种波长的光束的球差控制在(-0.1mm,0.25mm)范围内。

由图2A至图4C可知，本发明实施例的小型化变焦镜头100在广角端、中间焦距位置与望远端的场曲、畸变及像差均能获得良好的校正。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种小型化变焦镜头，其特征在于，自物侧至像侧包含：第一透镜组G1、第二透镜组、第三透镜组、第四透镜组，以及第五透镜组，其中第二透镜组和第四透镜组具有负光焦度，第一透镜组、第三透镜组及第五透镜组具有正光焦度；该小型化变焦镜头满足下列关系式：8<F1/Fw<9.2，其中，F1为第一透镜组的有效焦距；Fw为该小型化变焦镜处于广角端状态下的有效焦距。

2.根据权利要求1所述的小型化变焦镜头，其特征在于，该小型化变焦镜头还满足以下条件：13.5<TTL/Fw<14.1，其中，TTL是该小型化变焦镜头在望远端的镜头总长。

3.根据权利要求1所述的小型化变焦镜头，其特征在于，该小型化变焦镜头还满足以下条件：Ft/Fw>19.8，其中，Ft为该小型化变焦镜头在望远端的焦距。

4.根据权利要求1所述的小型化变焦镜头，其特征在于，第一透镜组自物侧至像侧依序包括具有负光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜以及具有正光焦度的第四透镜；第二透镜组自物侧至像侧依序包括具有负光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜及具有正光焦度的第三透镜；第三透镜组包括具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、具有正光焦度第三透镜以及具有正光焦度第四透镜；第四透镜组包括具有负光焦度的第一透镜及具有正光焦度的第二透镜；第五透镜组包括具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜以及具有正光焦度的第三透镜。

5.根据权利要求4所述的小型化变焦镜头，其特征在于，还包括一个光阑，所述光阑位于第三透镜组的第四透镜和第四透镜组的第一透镜之间；第一透镜组的第一透镜是凹面朝像侧的负光焦度的平凹透镜、第二透镜及第三透镜是正光焦度的双凸透镜、第四透镜是凸面朝物侧的正光焦度的凸凹透镜，且第一透镜组的第一透镜和第二透镜组成双胶合透镜；第二透镜组的第一透镜是负光焦度的双凹透镜、第二透镜是负光焦度的双凹透镜、第三透镜是凸面朝物侧的正光焦度的平凸透镜，第二透镜组的第二透镜及第三透镜组成双胶合透镜；第三透镜组的第一透镜是正光焦度的双凸透镜、第二透镜是凸面朝物侧的负光焦度的凸凹透镜、第三透镜是正光焦度的双凸透镜以及第四透镜是正光焦度的双凸透镜，第三透镜组的第二透镜及第三透镜组成双胶合透镜；第四透镜组的第一透镜是负光焦度的双凹透镜、第二透镜是正光焦度的双凸透镜，第四透镜组的第一透镜及第二透镜组成双胶合透镜；第五透镜组的第一透镜是正光焦度的双凸透镜、第二透镜是凹面朝像侧的负光焦度的平凹透镜以及第三透镜是凸面朝像侧的正光焦度的双凸透镜。

6.根据权利要求5所述的小型化变焦镜头，其特征在于，第一透镜组至第五透镜组均为球面透镜；该小型化变焦镜头在广角端和望远端的光圈值小于6。

7.根据权利要求4所述的小型化变焦镜头，其特征在于，第二透镜组的第三透镜的折射率大于1.8，阿贝数小于26。

8.根据权利要求4所述的小型化变焦镜头，其特征在于，第三透镜组的第一透镜的折射率小于1.7、阿贝数大于54，该第三透镜组的第二透镜的折射率大于1.8、阿贝数大于25，第三透镜组的第三透镜折射率大于1.7、阿贝数大于51，该第三透镜组的第四透镜折射率小于1.7、阿贝数小于55。

9.根据权利要求4所述的小型化变焦镜头，其特征在于，该第四透镜组的第一透镜折射率大于1.7、阿贝数大于51，该第四透镜组的第二透镜折射率小于1.7、阿贝数大于30。

10.根据权利要求4所述的小型化变焦镜头，其特征在于，该第五透镜组的第一透镜折射率小于1.5、阿贝数大于70，该第五透镜组的第二透镜折射率大于1.6、阿贝数大于36，该第五透镜组的第三透镜折射率大于1.5、阿贝数小于46。