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一种后组聚焦的大视场长后截距变焦系统及光学变焦镜头

2021-03-05 02:01:11

一种后组聚焦的大视场长后截距变焦系统及光学变焦镜头

  技术领域

  本实用新型涉及监控装置技术领域,具体是一种后组聚焦的大视场长后截距变焦系统及光学变焦镜头。

  背景技术

  成像系统在军用领域与民用领域都有着广泛的应用。在一些成像系统中,比如侦察系统与地面遥感系统,为了完成目标捕获和跟踪,需要在系统中集成变焦系统以获得不同物距、不同视场下目标的清晰图像;变焦系统在变焦过程中不会丢失跟踪目标,而且能够根据目标特征选择合适大小的视场,大大提高跟踪、监测的功效。

  传统的变焦系统只由一个或多个固定焦距透镜组以及一个或多个可变焦距透镜组构成,利用空间凸轮等机械装置移动镜筒内可变焦距透镜组或者将可变焦距透镜组固定在可伸缩移动的镜筒内改变系统的焦距。这两种方法都是通过改变系统内光学结构来改变系统焦距。传统的变焦系统中聚焦结构一般是通过前面的固定焦距透镜组移动来实现,前面的固定焦距透镜组口径及重量相对较大、整体长度会相应发生变化,应用时会存在一定问题,视场和后截距会存在一定限制。

  随着监控市场发展、探测器大靶面、F卡口接口等通用性,要求大视场,长后截距等等参数,因此迫切需要一种后组聚焦的大视场长后截距变焦系统。

  实用新型内容

  本实用新型所要解决的技术问题是:提供一种大视场,长后截距,并且具有后组聚焦的变焦系统。

  为了解决上述技术问题,本实用新型是通过以下技术方案实现的:一种后组聚焦的大视场长后截距变焦系统,包括从左至右依次设置且处于同一光轴方向上的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、光阑器、第四透镜组以及全靶面;其中,

  所述第一透镜组、第三透镜组和第四透镜组均具有正光焦度,所述第二透镜组具有负光焦度,所述第四透镜组包括具有正光焦度的聚焦组;

  所述第一透镜组和第四透镜组为固定不动的固定焦距透镜组,所述第二透镜组和第三透镜组为能够沿光轴方向移动的可变焦距透镜组;通过移动所述第二透镜组和第三透镜组改变各透镜组的间隔从而在所述变焦系统的广角端与望远端之间进行变倍;通过移动所述聚焦组在物距不同情况下校正像面位置变化。

  进一步的,所述第一透镜组包括相互对应的第一胶合镜和第一单透镜,其中所述第一胶合镜的第一片镜片为选用ZF4_CHINA材料制作的凹透镜、第二片镜片为选用HQK3_CDGM材料制作的凸透镜,所述第一单透镜为选用ZK系材料制作的凸透镜。

  进一步的,所述第二透镜组包括相互对应的第二单透镜和第二胶合镜,其中所述第二单透镜为选用HZK21_CDGM材料制作的凹透镜,所述第二胶合镜的第一片镜片为选用HZK3_CDGM材料制作的凹透镜、第二片镜片为选用高折射率低色散材料制作的凸凹透镜。

  进一步的,所述第三透镜组包括相互对应的第三单透镜和第三胶合镜,其中所述第三单透镜为选用LAF系材料制作的凸透镜,所述第三胶合镜的第一片镜片为选用HZBAF3_CDGM材料制作的凸透镜、第二片镜片为选用ZF4_CHINA材料制作的凹透镜。

  进一步的,所述第四透镜组还包括相互对应的第四单透镜、第五单透镜和第四胶合镜,其中所述第四单透镜为选用LAK系材料制作的凹透镜,所述聚焦组为选用HQK3L_CDGM材料制作的凹凸透镜,所述第五单透镜为选用HQK3L_CDGM材料制作的凸透镜,所述第四胶合镜的第一片镜片为选用HQK3L_CDGM材料制作的凸透镜、第二片镜片为选用HZF6_CDGM材料制作的凹透镜。

  进一步的,所述聚焦组为选用HQK3L材料制作的单片镜片,焦距为80mm~85mm,靠近所述第四单透镜的一面距所述第四单透镜的距离为8.2mm~10.2mm,靠近所述第五单透镜的一面距所述第五单透镜的距离为11.2mm~13.2mm。

  进一步的,设所述变焦系统的焦距为f、入瞳直径为D,其中f的取值范围是20mm~150mm,D/f=1/3.2~1/2.6。

  进一步的,所述全靶面的长度为20mm~25mm,所述全靶面到所述第四胶合镜的距离即后截距≥46.5mm。

  进一步的,所述广角端的全视场角≥60°,变倍比≥7.5。

  本实用新型还提供一种光学变焦镜头,包括前文所述的后组聚焦的大视场长后截距变焦系统,目标物反射的光束经所述后组聚焦的大视场长后截距变焦系统后成像到全靶面上。

  与现有技术相比,本实用新型的有益之处是:

  本实用新型提供的变焦系统及光学变焦镜头通过改变各透镜组的间隔从而在广角端与望远端之间进行变倍;通过移动聚焦组在物距不同情况下校正像面位置变化;聚焦组选用单片镜片即可实现变焦系统聚焦,减少聚焦结构件及驱动结构,大大降低了系统的成本且实用性强;变焦系统中的镜片选用常规玻璃材料、在较少镜片数情况下,通过两可变焦距透镜组按照一定方式移动实现小型化、大视场、长后截距变倍过程,同时提高了成像性能,具有结构简单、装配容易、透过率高等优点,适合大批量生产,具有广阔的市场前景。

  附图说明

  为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例,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示出的结构获得其他的附图。

  下面结合附图对本实用新型进一步说明:

  图1是本实用新型所述变焦系统的整体结构图;

  图2是图1的细节结构图;

  图3是所述变焦系统中各个镜片的表面分布图;

  图4是所述变焦系统在焦距f=20mm时的光学系统图;

  图5是所述变焦系统在焦距f=70mm时的光学系统图;

  图6是所述变焦系统在焦距f=150mm时的光学系统图;

  图7是所述变焦系统的凸轮曲线图;

  图8是所述变焦系统在焦距f=20mm时的光学传递函数曲线图;

  图9是所述变焦系统在焦距f=70mm时的光学传递函数曲线图;

  图10是所述变焦系统在焦距f=150mm时的光学传递函数曲线图;

  图11是所述变焦系统在焦距f=20mm时的场曲、畸变曲线图;

  图12是所述变焦系统在焦距f=70mm时的场曲、畸变曲线图;

  图13是所述变焦系统在焦距f=150mm时的场曲、畸变曲线图;

  1、第一透镜组;2、第二透镜组;3、第三透镜组;4、第四透镜组;5、全靶面;6、光阑器;11、第一胶合镜;12、第一单透镜;21、第二单透镜;22、第二胶合镜;31、第三单透镜;32、第三胶合镜;41、第四单透镜;42、聚焦组;43、第五单透镜;44、第四胶合镜。

  具体实施方式

  下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型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实用新型的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,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例,都属于本实用新型保护的范围。

  需要说明,本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。

  另外,在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。

  在本实用新型中,除非另有明确的规定和限定,术语“连接”、“固定”等应做广义理解,例如,“固定”可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接,还可以是物理连接或无线通信连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

  另外,本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本实用新型要求的保护范围之内。

  实施例一

  如图1至图3所示的一种后组聚焦的大视场长后截距变焦系统,包括从左至右依次设置且处于同一光轴方向上的第一透镜组1、第二透镜组2、第三透镜组3、光阑器6、第四透镜组4以及全靶面5;其中,所述第一透镜组1、第三透镜组3和第四透镜组4均具有正光焦度,所述第二透镜组2具有负光焦度,所述第四透镜组4包括具有正光焦度的聚焦组42,所述第一透镜组1和第四透镜组4为固定不动的固定焦距透镜组,所述第二透镜组2和第三透镜组3为能够沿光轴方向移动的可变焦距透镜组,安装在镜筒内的空间凸轮等机械装置上实现第二透镜组2和第三透镜组3的移动进一步达到变焦的目的;通过移动所述第二透镜组2和第三透镜组3改变各透镜组的间隔从而在所述变焦系统的广角端与望远端之间进行变倍,要求所述广角端的全视场角≥60°,变倍比≥7.5;所述聚焦组42固定于移动结构上,通过移动所述聚焦组42在物距不同情况下校正像面位置变化,移动结构组成尽可能简单,且为移动空间留有余量。

  本实施例通过改变各透镜组的间隔从而在广角端与望远端之间进行变倍;通过移动聚焦组42在物距不同情况下校正像面位置变化;聚焦组42选用单片镜片即可实现变焦系统聚焦,减少聚焦结构件及驱动结构,大大降低了本实施例的成本且实用性强。

  在其中一个实施例中,所述第一透镜组1包括相互对应的第一胶合镜11和第一单透镜12,其中所述第一胶合镜11的第一片镜片为选用ZF4_CHINA材料制作的凹透镜,第二片镜片为选用HQK3_CDGM材料制作的凸透镜,第一胶合镜11的第一片镜片的后表面和第二片镜片的前表面是重合的,此时形成表面S1、S2和S3,所述第一单透镜12为选用ZK系材料制作的凸透镜,具有表面S4和S5。

  在其中一个实施例中,所述第二透镜组2包括相互对应的第二单透镜21和第二胶合镜22,其中所述第二单透镜21为选用HZK21_CDGM材料制作的凹透镜,具有表面S6和S7,所述第二胶合镜22的第一片镜片为选用HZK3_CDGM材料制作的凹透镜,第二片镜片为选用高折射率低色散材料制作的凸凹透镜,第二胶合镜22的第一片镜片的后表面和第二片镜片的前表面是重合的,此时形成表面S8、S9和S10。

  在其中一个实施例中,所述第三透镜组3包括相互对应的第三单透镜31和第三胶合镜32,其中所述第三单透镜31为选用LAF系材料制作的凸透镜,具有表面S11和S12,所述第三胶合镜32的第一片镜片为选用HZBAF3_CDGM材料制作的凸透镜,第二片镜片为选用ZF4_CHINA材料制作的凹透镜,第三胶合镜32的第一片镜片的后表面和第二片镜片的前表面是重合的,此时形成表面S13、S14和S15,所述光阑器6具有表面S16。

  在其中一个实施例中,所述第四透镜组4还包括相互对应的第四单透镜41、第五单透镜43和第四胶合镜44,其中所述第四单透镜41为选用LAK系材料制作的凹透镜,具有表面S17和S18,所述聚焦组42为选用HQK3L_CDGM材料制作的凹凸透镜,具有表面S19和表面S20,所述第五单透镜43为选用HQK3L_CDGM材料制作的凸透镜,具有表面S21和表面S22,所述第四胶合镜44的第一片镜片为选用HQK3L_CDGM材料制作的凸透镜,第二片镜片为选用HZF6_CDGM材料制作的凹透镜,第四胶合镜44的第一片镜片的后表面和第二片镜片的前表面是重合的,此时形成表面S23、S24和S25,所述全靶面5具有表面S26,也称为像面。

  在其中一个实施例中,所述聚焦组42为选用HQK3L材料制作的单片镜片,焦距为83mm,靠近所述第四单透镜41的一面距所述第四单透镜41的距离为9.2mm,靠近所述第五单透镜43的一面距所述第五单透镜43的距离为12.2mm,单片镜片为常规的玻璃材料,减少聚焦结构件及驱动结构,大大降低了本实用新型的成本。

  在其中一个实施例中,设所述变焦系统的焦距为f、入瞳直径为D,其中f的取值范围是20mm~150mm,相对口径D/f=1/2.8,属于镜头指标,为实验常规设置;所述全靶面5的长度为23mm,所述全靶面5到所述第四胶合镜44的距离即后截距为46.6mm;当f=20mm时,广角端全视场为60°,当f=150mm时,广角端全视场为8.8°。

  本实施例仅使用了14个镜片,包括4个胶合镜:第一胶合镜11、第二胶合镜22、第三胶合镜32、第四胶合镜44,6个单透镜:第一单透镜12、第二单透镜21、第三单透镜31、第四单透镜41、聚焦组42以及第五单透镜43,具有结构简单、装配容易、透过率高的特点。本实施例选用常规玻璃材料、在较少镜片数情况下,通过两可变焦距透镜组按照一定方式移动实现小型化、大视场、长后截距变倍过程,同时提高了成像性能,具有结构简单、装配容易、透过率高等优点,适合大批量生产,具有广阔的市场前景。

  所述变焦系统中各个镜片的参数如表一所示:

  

  

  其中,曲率半径指每个表面的曲率半径,间隔指两相邻表面间的距离,举例来说,表面S1的间距即为表面S1至表面S2间的距离。

  在变倍过程中,三个变化位如表二所示:

  

  当焦距f=20mm时,其光学系统图如图4所示;当焦距f=70mm时,其光学系统图如图5所示;当焦距f=150mm时,其光学系统图如图6所示。

  如图7所示为本实施例凸轮曲线图,其中横坐标为凸轮转动角度,纵坐标为移动距离或者焦距,三条曲线分别为变焦光学系统焦距、变倍组移动距离、补偿组移动距离。

  当焦距f=20mm时,其光学传递函数曲线如图8所示;当焦距f=70mm时,其光学传递函数曲线如图9所示;当焦距f=150mm时,其光学传递函数曲线如图10所示,图8至图10中横轴为每毫米的线对数,纵轴为对比度数值。

  当焦距f=20mm时,其场曲、畸变曲线如图11所示;当焦距f=70mm时,其场曲、畸变曲线如图12所示;当焦距f=150mm时,其场曲、畸变曲线如图13所示。

  本实施例的主要光学指标是:焦距为20mm~150mm,视场角为60°~8.8°,F数为2.8。

  本实用新型所述后组聚焦的大视场长后截距变焦系统的具体使用过程是:

  入射到第一透镜组1的光束依次经过第一透镜组1汇聚、第二透镜组2折射、第三透镜组3折射、第四透镜组4和光阑器6后成像在全靶面5形成像面。通过第二透镜组2变倍组和第三透镜组3补偿组相对运动,实现光学系统放大缩小在全靶面5上成像,通过第四透镜组4中聚焦组42移动,实现光学系统在距离物体不同距离时候均可清晰成像。

  实施例二

  如图1至图3所示的另一种后组聚焦的大视场长后截距变焦系统,包括从左至右依次设置且处于同一光轴方向上的第一透镜组1、第二透镜组2、第三透镜组3、光阑器6、第四透镜组4以及全靶面5;其中,所述第一透镜组1、第三透镜组3和第四透镜组4均具有正光焦度,所述第二透镜组2具有负光焦度,所述第四透镜组4包括具有正光焦度的聚焦组42,所述第一透镜组1和第四透镜组4为固定不动的固定焦距透镜组,所述第二透镜组2和第三透镜组3为能够沿光轴方向移动的可变焦距透镜组,安装在镜筒内的空间凸轮等机械装置上实现第二透镜组2和第三透镜组3的移动进一步达到变焦的目的;通过移动所述第二透镜组2和第三透镜组3改变各透镜组的间隔从而在所述变焦系统的广角端与望远端之间进行变倍。

  在其中一个实施例中,所述聚焦组42的焦距为80mm,靠近所述第四单透镜41的一面距所述第四单透镜41的距离为8.2mm,靠近所述第五单透镜43的一面距所述第五单透镜43的距离为11.2mm。

  在其中一个实施例中,设所述变焦系统的焦距为f、入瞳直径为D,其中f的取值范围是20mm~70mm,D/f=1/3.2,属于镜头指标,为实验常规设置。

  在其中一个实施例中,所述全靶面5的长度为20mm,所述全靶面5到所述第四胶合镜44的距离即后截距≥46.5mm,在本实施例中,F卡口的法兰距为46.5mm,后截距需要大于F卡口的法兰距,F卡口的法兰距越长设计难度越大。

  其他部分与使用过程与实施例一相同,在此不做赘述。

  实施例三

  如图1至图3所示的再一种后组聚焦的大视场长后截距变焦系统,包括从左至右依次设置且处于同一光轴方向上的第一透镜组1、第二透镜组2、第三透镜组3、光阑器6、第四透镜组4以及全靶面5;其中,所述第一透镜组1、第三透镜组3和第四透镜组4均具有正光焦度,所述第二透镜组2具有负光焦度,所述第四透镜组4包括具有正光焦度的聚焦组42,所述第一透镜组1和第四透镜组4为固定不动的固定焦距透镜组,所述第二透镜组2和第三透镜组3为能够沿光轴方向移动的可变焦距透镜组,安装在镜筒内的空间凸轮等机械装置上实现第二透镜组2和第三透镜组3的移动进一步达到变焦的目的;通过移动所述第二透镜组2和第三透镜组3改变各透镜组的间隔从而在所述变焦系统的广角端与望远端之间进行变倍。

  在其中一个实施例中,所述聚焦组42的焦距为85mm,靠近所述第四单透镜41的一面距所述第四单透镜41的距离为10.2mm,靠近所述第五单透镜43的一面距所述第五单透镜43的距离为13.2mm。

  在其中一个实施例中,设所述变焦系统的焦距为f、入瞳直径为D,其中f的取值范围是70mm~150mm,D/f=1/2.6,属于镜头指标,为实验常规设置。

  在其中一个实施例中,所述全靶面5的长度为25mm,所述全靶面5到所述第四胶合镜44的距离即后截距≥46.5mm。

  其他部分与使用过程与实施例一相同,在此不做赘述。

  实施例四

  本实用新型还提供一种光学变焦镜头,包括实施例一至实施例三任一项所述的后组聚焦的大视场长后截距变焦系统,目标物反射的光束经所述后组聚焦的大视场长后截距变焦系统后成像到全靶面5上。

  通过改变各透镜组的间隔从而在广角端与望远端之间进行变倍;通过移动聚焦组42在物距不同情况下校正像面位置变化;聚焦组42选用单片镜片即可实现变焦系统聚焦,减少聚焦结构件及驱动结构,大大降低了系统的成本且实用性强;变焦系统中的镜片选用常规玻璃材料、在较少镜片数情况下,通过两可变焦距透镜组按照一定方式移动实现小型化、大视场、长后截距变倍过程,同时提高了成像性能,具有结构简单、装配容易、透过率高等优点,适合大批量生产,具有广阔的市场前景。

  以上所述仅为本实用新型的优选实施例,并非因此限制本实用新型的专利范围,凡是在本实用新型的实用新型构思下,利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

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