紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头.pdf

紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头，属于光学系统设计技术领域，为克服现有变焦距镜头结构复杂、尺寸长的问题，紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头，正光焦度的前固定组、负光焦度的变倍组及正光焦度的补偿组，可变光阑固定在补偿组前端，随补偿组移动；前固定组包含双胶合透镜和单透镜；双胶合透镜为负、正结构，其中负透镜为弯月形透镜，正透镜为双凸形透镜；单透镜为平凸形透镜；变倍组包含负透镜和负光焦度的双胶合透镜；单透镜为双凹形；双胶合透镜为负透镜和正透镜胶合结构；补偿组包含第一双胶合透镜和第二双胶合透镜的光焦度为正，第三双胶合透镜光焦度为负；靠近像面的单透镜采用高折射率材料的厚弯月形，用于对场曲和象散的校正。

1.  紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头，其特征是，其从左至右依次为正光焦度的前固定组(1)、负光焦度的变倍组(2)及正光焦度的补偿组(4)，可变光阑(3)固定在补偿组(4)前端，随补偿组(4)移动；
前固定组(1)包含双胶合透镜(1-1)和单透镜(1-2)；双胶合透镜(1-1)为负、正结构，其中负透镜为弯月形透镜，正透镜为双凸形透镜；单透镜(1-2)为平凸形透镜；
变倍组(2)包含负透镜(2-1)和负光焦度的双胶合透镜(2-2)；单透镜(2-1)为双凹形；双胶合透镜(2-2)为负透镜和正透镜胶合结构；
补偿组(4)包含第一双胶合透镜(4-1)和第二双胶合透镜(4-2)的光焦度为正，第三双胶合透镜(4-3)光焦度为负；靠近像面的单透镜(4-4)采用高折射率材料的厚弯月形，用于对场曲和象散的校正。

2.  根据权利要求1所述的紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头，其特征是，各组元光焦度满足的条件如下，
5＜|f_A/f_B|＜8

1.  2＜|f_C/f_B|＜2
d_{BC_L}/f_B＞0
式中：f_A为前固定组(1)焦距，f_B为变倍组(2)焦距，f_C为补偿组(4)焦距，d_{BC_L}为长焦位置端变倍组(2)与补偿组(4)间隔。

3.  根据权利要求1所述的紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头，其特征是，第三双胶合透镜(4-3)中的正、负透镜分别采用特殊色散玻璃H-FK61和TF3。

紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头
技术领域
本发明属于光学系统设计技术领域，具体涉及一种紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头。
背景技术
随着现代社会和科技的发展，变焦距镜头在诸如安防、监控等众多领域被广泛采用，通过与电视摄像技术的结合，可对远距离目标进行详细观察记录，也可以对大范围目标进行搜索。为实现远距离高分辨率成像，要求镜头长焦端的焦距足够长；而为使系统观测范围宽，又要求镜头短焦端焦距足够短；另外为了便于机构设计、以及镜头的移动、安装和使用，希望镜头光学结构简单、整体尺寸紧凑。因此大变倍比、长焦距、结构紧凑、像质优良的变焦距镜头最受用户青睐。
但一般镜头的长度与其焦距相近，因此长焦距镜头的长度也相应较长。另外当变倍比大时，变焦组元的移动量也较大，像差校正也困难，这些又都增加了紧凑型镜头设计的难度。因此如何使长焦距、大变倍比变焦距镜头尺寸端、结构简单紧凑，一直是光学设计中的研制重点之一。
目前最为流行的变焦距镜头形式是机械补偿四组式结构，即包括前固定组、变倍组、补偿组、后固定组。但这种结构较为复杂，由于组元较多，长度的减小受到限制。目前文献报道的大变倍比镜头多采用这种四组式形式，由于长度的限制，变倍比一般不超过50倍。而其他形式，如两组式、三组式等仅在变倍比为4～5的小倍率系统中采用。如何研制变倍比大、焦距长、结构简单、紧凑的变焦距镜头一直是光学设计领域的一项难题。
发明内容
本发明为克服现有大倍率、长焦距连续变焦距镜头结构复杂、尺寸长的问题，提出紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头，采用三组元结构，使长焦距、大变倍比镜头在保证成像质量优良的前提下，实现结构的简单、紧凑。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头，其特征是，其从左至右依次为正 光焦度的前固定组、负光焦度的变倍组及正光焦度的补偿组，可变光阑固定在补偿组前端，随补偿组移动；
前固定组包含双胶合透镜和单透镜；双胶合透镜为负、正结构，其中负透镜为弯月形透镜，正透镜为双凸形透镜；单透镜为平凸形透镜；
变倍组包含负透镜和负光焦度的双胶合透镜；单透镜为双凹形；双胶合透镜为负透镜和正透镜胶合结构；
补偿组包含第一双胶合透镜和第二双胶合透镜的光焦度为正，第三双胶合透镜光焦度为负；靠近像面的单透镜采用高折射率材料的厚弯月形，用于对场曲和象散的校正。
各组元光焦度满足的条件如下，
5＜|f_A/f_B|＜8
1.2＜|f_C/f_B|＜2
d_{BC_L}/f_B＞0
式中：f_A为前固定组焦距，f_B为变倍组焦距，f_C为补偿组焦距，d_{BC_L}为长焦位置端变倍组与补偿组间隔。
第三双胶合透镜中的正、负透镜分别采用特殊色散玻璃H-FK61和TF3。
本发明的有益效果：为达到大变倍比，采用换根的正组补偿方式，即变倍组光焦度为负，补偿组光焦度为正，补偿曲线经过换根点，由换根点到短焦端实现倍率10倍以上的变化，由换根点到长焦端实现倍率5倍以上的变化，从而使整个变倍曲线范围内实现50倍以上的变倍比。为使结构紧凑，将补偿组设计成光焦度前移的远摄型，使主面向前移出镜组之外，使高斯参数计算时长焦端变倍组与补偿组间隔为负，从而在补偿曲线选段阶段实现系统总长的减小；同时利用远摄结构总长小于焦距的特点，减小后工作距离，使厚透镜设计阶段进一步减小长度。
附图说明
图1为本发明的紧凑型三组元大变倍比连续变焦距镜头光学结构。
图2为本发明实施例的变倍补偿曲线，(1)为变倍组与补偿组移动量与凸轮转角关系，(2)为系统焦距与凸轮转角关系。
图3为变焦距系统在短焦f12.5mm、中焦f186mm及长焦750mm三个位置的高斯光学结构图。
图4为实施例的变焦距镜头在短焦f12.5mm、中焦f186mm及长焦750mm三个位置的实际光路图。
图5为变焦距镜头在短焦f12.5mm、中焦f186mm及长焦750mm三个位置的MTF曲线。
图6为变焦距镜头在短焦f12.5mm、中焦f186mm及长焦750mm三个位置的的像差曲线图，包括球差曲线、象散和场曲曲线、畸变曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
采用三组元结构，如图1所示，包含正光焦度的前固定组1、负光焦度的变倍组2及正光焦度的补偿组4，可变光阑3固定在补偿组4前端，随补偿组移动。与常用的四组式相比省去了后固定组，简化了系统结构。
为达到大变倍比，采用换根的正组补偿方式，即变倍组光焦度为负，补偿组光焦度为正，补偿曲线经过换根点，由换根点到短焦端实现倍率10倍以上的变化，由换根点到长焦端实现倍率5倍以上的变化，从而使整个变倍曲线范围内实现50倍以上的变倍比。
三组结构中前固定组1包含一块双胶合透镜1-1和一块单透镜1-2。双胶合透镜1-1为负、正结构，其中的负透镜为弯月形，采用高折射率的火石玻璃，正透镜为双凸形，采用低折射率、特殊色散玻璃HFK61。单透镜1-2为平凸形，也采用特殊色散玻璃HFK61。
变倍组2包含一块负透镜2-1和一块负光焦度的双胶合透镜2-2。单透镜2-1为双凹形，采用低色散的冕牌玻璃。双胶合透镜2-2为负、正结构，其中的负透镜采用特殊色散玻璃TF3，正透镜采用高折射率、高色散的火石玻璃。
补偿组4包含三块正、负结构的双胶合透镜及一块单透镜。其中前两块双胶合透镜4-1、4-2的光焦度为正，第三块双胶合透镜4-3光焦度为负，双胶合透镜4-3中的正、负透镜分别采用特殊色散玻璃H-FK61和TF3；靠近像面的单透镜4-4采用高折射率材料的厚弯月形，用于对场曲和象散的校正。
为使结构紧凑，将补偿组4设计成光焦度前移的远摄型，使主面向前移出 镜组之外，使高斯参数计算时长焦端变倍组2与补偿组4间隔为负，从而在补偿曲线选段阶段实现系统总长的减小；同时利用远摄结构总长小于焦距的特点，减小后工作距离，使厚透镜设计阶段进一步减小长度。
可变光阑3固定在补偿组4前端，随补偿组移动。
本发明的各组元光焦度满足的条件是：
5＜|f_A/f_B|＜8
1.2＜|f_C/f_B|＜2
d_{BC_L}/f_B＞0
式中f_A为前固定组焦距，f_B为变倍组焦距，f_C为补偿组焦距，d_{BC_L}为长焦位置端变倍组与补偿组间隔。
实施例：
应用于高分辨率监视的长焦距大倍率镜头光学系统，该系统使用波段为486nm～656nm的可见光，焦距12.5mm～750mm，变倍比60倍，相对口径1/2.8～1/7，视场角38.5°～0.66°，相机采用2/3〞CCD。
实施例中首先进行高斯光学计算，从而选择最合理的高斯参数，最终确定为：
1)f_A/f_B＝-6.2；
2)f_C/f_B＝-1.78；
3)d_{BC_L}/f_B＝0.45；
4)变倍组倍率：m_B＝-2.2～-0.22；
5)补偿组倍率：m_C＝-1.82～-0.31；
6)归一化系数：f_B＝-30mm。
而后进行厚透镜设计，按照前述规律选择各组元结构形式和透镜材料，实施例的设计结果光学参数如表1，系统由8组13片透镜组成。
1)系统前固定组最大通光口径：107mm，变倍组最大通光口径28mm，补偿组最大通光口径30mm；
2)前片至像面总长：368mm；
3)后工作距离：18.32mm～91.17mm；
4)变倍组导程：123.5mm；
5)补偿量：72.85mm。
表1：

如图2所示，变倍补偿曲线平滑，凸轮升角压力不大，易于实现；且变倍 组与补偿组在长焦端主面间隔为负值，使高斯光学计算阶段即对总长进行压缩；有利于系统的紧凑设计。
如图3所示，变焦距系统在短焦f12.5mm、中焦f186mm及长焦750mm三个位置的高斯光学结构图，镜头由短焦向长焦变化时，前固定组不动，变倍组向像面方向移动，补偿组向前固定组方向移动，即变倍组与补偿组靠近，并且使变倍组与补偿组在长焦端间隔为负值。
如图4所示，变焦距镜头在短焦f12.5mm、中焦f186mm及长焦750mm三个位置的实际光路图可以看出，镜头变焦过程中，前固定组与靶面距离恒定；短焦位置变倍组与前固定组间隔最小，此时补偿组与靶面距离(即镜头的后工作距离)也最小；长焦位置变倍组与前固定组间隔最大，此时补偿组与靶面距离(即镜头的后工作距离)也最大，而变倍组与补偿组之间的间隔最小，但仍保证一定的最小中心间隔。
如图5所示，系统短、中、长焦各位置轴上视场在50lp/mm频率处MTF大于0.6，边缘视场大于0.3。
如图6所示，系统短、中、长焦各位置像差得到较好的校正，最大畸变在短焦位置，最大畸变约为8％。
由以上各图可以看出，系统整体结构和各项成像质量指标均满足性能要求。