一种长焦镜头及包含该长焦镜头的远摄系统的制作方法

1.本实用新型属于光学远摄成像领域，具体涉及一种长焦镜头及包含该长焦镜头的远摄系统。


背景技术：

2.长焦镜头是对远距离物体成像的一种镜头，其特点是相对孔径和视场角小。
3.长焦镜头在望远镜中经常使用，作为其物镜，配合目镜供使用者对远处物体观察。望远镜通常的形式目视系统，所以其具体实现形式是单筒的望远镜或者双筒的望远镜。由于目视望远镜中的长焦镜头要和目镜、棱镜或透镜式转向系统组合起来使用，所以在设计时，应考虑它和其他部分之间的像差补偿。这给设计增加了一定的难度。手持望远镜使用时，由于手持的不稳定，画面会晃动，体检感差，长时间观察会使人眼疲劳，产生眩晕的感觉。如果遇到精彩的视野，想要记录拍摄下来，还要通过转接环连接手机进行拍照，造成诸多不便。
4.目前在智能电子设备端，如手机上也出现了长焦镜头，配合图像传感器直接记录显示图像，省去了人眼观察的过程。但由于智能电子设备空间有限，限制了长焦镜头的孔径(4mm左右)和焦距(10mm左右)，无法实现常规望远物镜的成像效果。


技术实现要素：

5.针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本实用新型提供了一种长焦镜头及包含该长焦镜头的远摄系统，长焦镜头采用4片球面镜片组成两组双胶合透镜的方式，整体焦距大于机械筒长，相较于手机长焦镜头，在通光孔径和焦距两方面都得以增加，实现了高质量远摄成像。
6.为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种长焦镜头，其特征在于，从物侧至像侧依次包括：
7.具有正曲折力的第一透镜，其前后表面均为凸面；
8.具有负曲折力的第二透镜，其物侧表面为凹面，像侧表面为凸面；
9.具有正曲折力的第三透镜，其前后表面均为凸面；
10.具有负曲折力的第四透镜，其前后表面均为凹面；
11.其中，第一透镜和第二透镜组成第一双胶合透镜，具有正曲折力；
12.第三透镜和第四透镜组成第二双胶合透镜，具有负曲折力；
13.该长焦镜头满足下列关系式：
14.1＜f/ttl
15.2＜|f
34
/f
12
|
16.其中，f、f
12
、f
34
分别是整个长焦镜头、第一双胶合透镜、第二双胶合透镜的焦距，ttl是镜头物方第一个表面到像面的距离。
17.优选地，所述第一透镜前后曲率半径r1、r2满足：
18.0.5＜|r1/r2|＜2。
19.优选地，所述第一透镜材料的d光的折射率nd≤1.55，阿贝数vd≥70。
20.优选地，所述第三透镜物方表面和第四透镜像方表面曲率半径r4、r6满足：
21.1.2＜r4/r6＜1.8
22.且r6＜60mm。
23.优选地，在第四透镜和像面之间还有放置有滤光片，该滤光片前后表面均为平面。
24.优选地，所述第一透镜前表面设有光阑。
25.为实现上述目的，按照本实用新型的另一个方面，还提供了一种远摄系统，其特征在于，包括：
26.所述的长焦镜头、固定长焦镜头的固定环和隔圈、传感器芯片及驱动板、调焦机构；
27.所述固定环用于将长焦镜头的第一双胶合透镜、隔圈、第二双胶合透镜依次塞入，实现长焦镜头的固定；
28.所述隔圈用于保证两个双胶合透镜的间距满足设计值；
29.所述传感器芯片位于所述长焦镜头的像侧、固定于所述驱动板上，用于探测图像；
30.所述驱动板为远摄系统的主控电路，用于驱动传感器芯片获取图像；
31.所述调焦机构用于改变固定环与驱动板的相对距离实现调焦。
32.优选地，所述调焦机构单独移动所述固定环，或者单独移动所述驱动板。
33.优选地，所述调焦机构为手动调焦结构；
34.或者，所述调焦机构为电动调焦机构，电动调焦受到所述驱动板的控制。
35.优选地，所述固定环为弹性干涉环；
36.所述弹性干涉环的内径小于待装入长焦镜头各透镜的直径，且弹性干涉环的侧壁留有开口缝；
37.长焦镜头依次装入弹性干涉环后，第一双胶合透镜、第二双胶合透镜与弹性干涉环之间相互干涉配合，不同透镜的光轴及弹性干涉环的机械轴重合。
38.上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
39.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
40.1、本实用新型的长焦镜头属于典型的远摄型光组，整体焦距大于机械筒长，有利于保证镜头的长焦特性又不会造成筒长过长，使得整体结构小巧。
41.2、本实用新型的长焦镜头采用4片球面镜片组成两组双胶合透镜的方式实现，在保证较高成像质量的同时缩减了透镜装配数量，便于安装；另一方面，两个双胶合透镜之间的相对位置偏差对成像影响较小，降低了镜头的公差敏感性。
42.3、本实用新型的远摄系统，具备上述长焦镜头诸多显著的进步的同时，还具有如下突出优势：采用图像传感器直接探测信号，省去转像棱镜、目镜系统，既避免了使用目视望远镜长时间观测的眩晕感，又能够解决连接电子设备如手机、平板、电脑等实时显示、存储，解决目视望远镜存图繁琐的问题。
附图说明
43.图1是本实用新型的长焦镜头的示意图；
44.图2是本实用新型的长焦镜头实施例1的轴上色差图；
45.图3a是本实用新型的长焦镜头实施例1的场曲图；
46.图3b是本实用新型的长焦镜头实施例1的畸变图；
47.图4是本实用新型的长焦镜头实施例1的点列图；
48.图5是本实用新型的长焦镜头实施例1的mtf曲线图；
49.图6是本实用新型的长焦镜头实施例2的轴上色差图；
50.图7a是本实用新型的长焦镜头实施例2的场曲图；
51.图7b是本实用新型的长焦镜头实施例2的畸变图；
52.图8是本实用新型的长焦镜头实施例2的点列图；
53.图9是本实用新型的长焦镜头实施例2的mtf曲线图；
54.图10是本实用新型的长焦镜头实施例3的轴上色差图；
55.图11a是本实用新型的长焦镜头实施例3的场曲图；
56.图11b是本实用新型的长焦镜头实施例3的畸变图；
57.图12是本实用新型的长焦镜头实施例3的点列图；
58.图13是本实用新型的长焦镜头实施例3的mtf曲线图；
59.图14是本实用新型中包含长焦镜头的远摄系统实施例1的示意图；
60.图15是本实用新型中包含长焦镜头的远摄系统实施例2的示意图；
61.图16是本实用新型中包含长焦镜头的远摄系统实施例3的示意图；
62.图17是本实用新型中包含长焦镜头的远摄系统实施例4的示意图。
具体实施方式
63.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本实用新型进一步详细说明。
64.如图1所示，为本实用新型的长焦镜头具体实施示意图，长焦镜头从物方至像方依次包括：
65.位于第一透镜l1前表面位置处的光阑stop；
66.具有正曲折力的第一透镜l1，其前后表面均为凸面；
67.具有负曲折力的第二透镜l2，其物侧表面为凹面，像侧表面为凸面；
68.具有正曲折力的第三透镜l3，其前后表面均为凸面；
69.具有负曲折力的第四透镜l4，其前后表面均为凹面；
70.其中，第一透镜l1和第二透镜l2组成第一双胶合透镜，具有正曲折力；
71.第三透镜l3和第四透镜l4组成第二双胶合透镜，具有负曲折力；
72.该长焦镜头满足下列关系式：
73.1＜f/ttl
74.2＜|f
34
/f
12
|
75.其中，f、f
12
、f
34
分别是整个长焦镜头、第一双胶合透镜、第二双胶合透镜的焦距，ttl是镜头物方第一个表面到像面的距离。
76.优选地，所述第一透镜前后曲率半径r1、r2满足：
77.0.5＜|r1/r2|＜2。
78.优选地，所述第一透镜材料的d光的折射率nd≤1.52，阿贝数vd≥70。如此设置，可有效校正色差，提高成像质量。
79.优选地，所属第三透镜物方表面和第四透镜像方表面曲率半径r4、r6满足：
80.1.2＜r4/r6＜1.8
81.且r6＜60mm。
82.进一步地，当存在波长选择要求时，像面前方还包括滤光片l5。
83.图1中s1为第一透镜l1的前表面，s2为第一透镜l1与第二透镜l2的胶合表面，s3为第二透镜l2的后表面，s4为第三透镜l3的前表面，s5为第三透镜l3与第四透镜l4的胶合表面，s6为第四透镜l4的后表面，s7和s8为滤光片l5的前后表面，s9为像面。
84.以下所有实施例中，镜头参数均满足前述条件。
85.<长焦镜头实施例1>
86.表1是长焦镜头实施例1的参数表，主要参数如下：
87.f＝100.001mm，epd(净孔径)＝24mm，ttl＝94.95803mm，fov(视场角)＝2.228
°
，image hight＝4.000mm
88.表1、长焦镜头实施例1的参数表
89.表面编号表面类型曲率半径(mm)厚度(mm)折射率/阿贝数obj(目标)球面无穷无穷——stop球面无穷0——s1球面47.47851.497/81.595s2球面
‑
46.5244.51.750/35.021s3球面
‑
191.4688.14——s4球面21.8385.501.720/43.683s5球面
‑
398.55231.612/44.093s6球面14.94467——s7球面无穷0.51.517/64.212s8球面无穷1.30——s9球面无穷————
90.长焦镜头实施例1的轴上色差图如图2所示；
91.长焦镜头实施例1的场曲图如图3a所示；
92.长焦镜头实施例1的畸变图如图3b所示；
93.长焦镜头实施例1的点列图如图4所示；
94.长焦镜头实施例1的mtf曲线图如图5所示。
95.<长焦镜头实施例2>
96.表2是长焦镜头实施例2的参数表，主要参数如下：
97.f＝108.288mm，epd＝24mm，ttl＝100.000mm，fov(视场角)＝2.110
°
，image hight＝4.000mm。
98.表2、长焦镜头实施例2的参数表
99.表面编号表面类型曲率半径(mm)厚度(mm)折射率/阿贝数obj球面无穷无穷——stop球面无穷0——s1球面45.2034.991.497/81.595s2球面
‑
41.6144.51.626/35.714s3球面
‑
1016.184.99——s4球面21.7785.501.702/41.141s5球面
‑
420.5192.801.612/44.093s6球面15.31075——s7球面无穷0.51.517/64.212s8球面无穷1.71——s9球面无穷————
100.长焦镜头实施例2的轴上色差图如图6所示；
101.长焦镜头实施例2的场曲图如图7a所示；
102.长焦镜头实施例2的畸变图如图7b所示；
103.长焦镜头实施例2的点列图如图8所示；
104.长焦镜头实施例2的mtf曲线图如图9所示。
105.<长焦镜头实施例3>
106.表3是长焦镜头实施例3的参数表，主要参数如下：
107.f＝419.911mm，epd＝90mm，ttl＝404.680mm，fov(视场角)＝0.546
°
,image hight＝4.000mm。
108.表3、长焦镜头实施例3的参数表
[0109][0110]
[0111]
长焦镜头实施例3的轴上色差图如图10所示；
[0112]
长焦镜头实施例3的场曲图如图11a所示；
[0113]
长焦镜头实施例3的畸变图如图11b所示；
[0114]
长焦镜头实施例3的点列图如图12所示；
[0115]
长焦镜头实施例3的mtf曲线图如图13所示。
[0116]
本实用新型还提供了一种包含所述长焦镜头的远摄系统，其具体实施如下：
[0117]
<远摄系统实施例1>
[0118]
图14是远摄系统的具体实施例1，包含长焦镜头(包括第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3、第四透镜l4，优选还包括滤光片l5)、外壳1、固定环2、隔圈3、调焦旋钮40、传感器芯片5、驱动板6、电源及数据接口7。
[0119]
第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3、第四透镜l4组成的成像镜头安装于固定环2中；固定环2是中空的圆柱结构，一端有安装台阶，安装时依次将第一透镜l1第二透镜l2组成的双胶合透镜、隔圈3和第三透镜l3第四透镜l4组成的双胶合透镜从另一端塞入。固定环外壁上开有凹槽，调焦旋钮40的调焦杆刚好嵌入凹槽中。调焦杆处于偏心状态，当旋转调焦旋钮40时，调焦杆饶中心轴做偏心旋转，带动固定环2在轴向(光轴方向)移动，进而实现调焦。
[0120]
滤光片l5厚度0.5mm，可直接通过点胶的方式固定在传感器芯片5前方，也可安装在传感器芯片5前方的滤光片支架上(未示出)。
[0121]
传感器芯片5的探测面位于无限远成像时的像方焦面处，当对近距离成像时，通过调焦旋钮40将镜头向远离传感器芯片5的方向移动即可。传感器芯片直接焊接在驱动板6上，驱动板6上有isp(image signal processor)芯片等电子元件，可实时处理、输出图像信息。
[0122]
电源及数据接口7可为但不限于type
‑
c或者micro
‑
usb，该接口可直接连接电脑、手机(手机需支持otg功能)等设备，既可供电又实时传输数据。
[0123]
优选地，所述固定环为弹性干涉环，用于多透镜的定心安装；所述弹性干涉环的内径小于待装入长焦镜头各透镜的直径，且弹性干涉环的侧壁留有开口缝；长焦镜头依次装入弹性干涉环后，第一双胶合透镜、第二双胶合透镜与弹性干涉环之间相互干涉配合，不同透镜的光轴及弹性干涉环的机械轴重合。
[0124]
所述的弹性干涉环的内径略小于长焦镜头各透镜的直径，自身具有径向弹性允许透镜装入，且弹性干涉环不闭合，在弹性干涉环11的侧壁留有一条直线细缝，长焦镜头各透镜的在装入弹性干涉环后，除了径向变形外，细缝张开，会受到来自弹性干涉环向内收缩的力，使弹性干涉环夹持住长焦镜头各透镜，长焦镜头各透镜与弹性干涉环实现干涉配合，长焦镜头各透镜的光轴与弹性干涉环的机械轴重合，达到定心安装的效果。
[0125]
优选的，所述的弹性干涉环的材料为pom塑料、pc塑料、abs塑料、铝合金等具有一定硬度、强度、钢性的材料，弹性干涉环轴向不易变形，保证透镜安装后的定心效果。
[0126]
优选的，所述的弹性干涉环的中间为直径统一的通孔。
[0127]
优选的，所述弹性干涉环的内表面均做消光处理，避免杂散光的影响，保证光学系统的成像质量。
[0128]
优选地，对于所述弹性干涉环的开口缝的直曲，所述弹性干涉环的开口缝为直线
或曲线，或直线与曲线的组合。
[0129]
优选地，对于所述弹性干涉环的开口缝的断续，所述弹性干涉环的开口缝为连续的，此时弹性干涉环的侧壁不闭合，或者，所述弹性干涉环的开口缝为不连续的分段的。细缝的宽度可以根据弹性干涉环的直径做出相应更改，保证透镜与弹性干涉环的干涉配合效果。
[0130]
通过使用特别构造的弹性干涉环，使透镜与弹性干涉环干涉配合安装，实现多透镜定心安装。本实用新型中的弹性干涉环对加工精度要求低，在保证透镜的加工精度后，不需要再考虑透镜的安装公差，也不需要反复调试修改安装镜筒，透镜装入弹性干涉环中即可实现定心安装。透镜的安装与拆卸方便，总体安装流程时间短，适用于大部分光学系统，利于广泛推广使用。
[0131]
<远摄系统实施例2>
[0132]
图15是远摄系统的具体实施例2示意图，与具体实施例1相比，调焦机构由调焦旋钮40更换为步进丝杆电机41。步进丝杆电机固定于外壳1内部，滑块411连接丝杆412和光杆413，滑块一端嵌入固定环2的凹槽内。电动调焦时，减速步进电机414带动丝杆旋转，进而使得滑块沿光杆轴向移动，带动固定环2移动。
[0133]
<远摄系统实施例3>
[0134]
图16是远摄系统的具体实施例3示意图，与具体实施例1相比，调焦时的移动对象由固定环2更换为驱动板6，调焦结构42采用齿轮齿条传动调焦。齿轮421与外壳1相对固定，驱动板6固定在齿条422上。调焦时，齿轮421旋转，与齿轮421啮合的齿条422也跟随移动，实现传感器芯片5的探测面的轴向移动。
[0135]
<远摄系统实施例4>
[0136]
图17是远摄系统的具体实施例4示意图，与具体实施例1相比，图中未显示外壳1、滤光片l5、传感器芯片5、驱动板6、电源及数据接口7，着重显示新的一种调焦方式。
[0137]
新的调焦机构包含调焦杆21，带有导向斜槽的导向套筒22，内壁沿轴向开有凹槽的齿轮套筒23，带有齿轮的步进电机24。
[0138]
固定环2中安装有长焦镜头，其外壁上有一圆形凹槽，凹槽内固定有调焦杆21，调焦杆21的另外一端通过导向套筒22上的导向斜槽后卡进齿轮套筒23的凹槽内。步进电机24固定在导向套筒22上，调焦时，步进电机24转动带动与之啮合的齿轮套筒23旋转，由于调焦杆的一端卡在齿轮套筒23内壁的凹槽内，调焦杆跟着一起沿着导向套筒斜槽在轴向移动，调焦杆21与固定环2是连接在一起的，故而固定环2也会随着沿轴向移动。
[0139]
该调焦方案的动力来源除了电机外，也可稍加变化改成手动旋转齿轮套筒23实现。
[0140]
综上所述，与现有技术相比，本实用新型的方案存在如下显著优势：
[0141]
1、本实用新型的长焦镜头属于典型的远摄型光组，整体焦距大于机械筒长，有利于保证镜头的长焦特性又不会造成筒长过长，使得整体结构小巧。
[0142]
2、本实用新型的长焦镜头采用4片球面镜片组成两组双胶合透镜的方式实现，在保证较高成像质量的同时缩减了透镜装配数量，便于安装；另一方面，两个双胶合透镜之间的相对位置偏差对成像影响较小，降低了镜头的公差敏感性。
[0143]
3、本实用新型的远摄系统，具备上述长焦镜头诸多显著的进步的同时，还具有如
下突出优势：采用图像传感器直接探测信号，省去转像棱镜、目镜系统，既避免了使用目视望远镜长时间观测的眩晕感，又能够解决连接电子设备如手机、平板、电脑等实时显示、存储，解决目视望远镜存图繁琐的问题。
[0144]
可以理解的是，以上所描述的系统的实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，既可以位于一个地方，或者也可以分布到不同网络单元上。可以根据实际需要选择其中的部分或全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0145]
另外，本领域内的技术人员应当理解的是，在本实用新型实施例的申请文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0146]
本实用新型实施例的说明书中，说明了大量具体细节。然而应当理解的是，本实用新型实施例的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本实用新型实施例公开并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型实施例的示例性实施例的描述中，本实用新型实施例的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。
[0147]
然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型实施例要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，实用新型方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型实施例的单独实施例。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型实施例进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例各实施例技术方案的精神和范围。