变焦镜头的制作方法

1.本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种变焦镜头。


背景技术：

2.安防行业的高端市场对画面的清晰度要求越来越高，4k分辨率逐渐成为主流。现有大倍率变焦镜头的望远端分辨率多在2m、4m水平，已经满足不了市场的需求。由于变焦镜头变倍比与镜头的前端口径和总长存在相互制约的关系，难以实现小型化。若变焦镜头采用大光圈，虽然可在暗场与夜间保证捕捉足够光线，但同时往往带来了像差明显、成像不够清晰的影响。此外，安防领域普遍要求摄像机镜头需要具备红外共焦性能和高低温下图像不失真的特性。也就是说，变焦系统需要兼顾高分辨率、红外共焦和高低温图像不失真性能。为了保证镜头解像，使用玻璃非球面镜片难以实现低成本化。
3.为了解决上述问题，现有技术cn201310185215.0公开了一种高像素微距对焦大倍率变焦光学系统。该系统从被摄物体到像面之间依次设有第一、第二、第三、第四和第五透镜组，其焦距分别为正、负、正、正、正。其中，第一和第三透镜组相对于像面固定不动，第二、第四和第五透镜组相对于像面可沿物像方向前、后移动，在第二和第三透镜组之间设有光阑。五个透镜组共包含十五枚光学玻璃球面透镜，并在第十五透镜和像面之间设有滤光片。该方案虽然解决了该变焦光学系统体积大和分辨率低的问题，但是全部使用玻璃球面镜片，使得该变焦光学系统成本高、重量大。另外，也并未提到能同时满足红外共焦和高低温图像不失真的性能。


技术实现要素：

4.为弥补上述缺陷，本发明的目的在于提供一种变焦镜头，体积小的同时兼顾高分辨率、红外共焦和高低温图像不失真的性能。
5.为实现上述发明目的，本发明提供一种变焦镜头，包括：沿光轴从物侧至像侧依次排列的光焦度为正的第一固定透镜群组、光焦度为负的变焦透镜群组、孔径光阑、光焦度为正的第二固定透镜群组、光焦度为正的对焦透镜群组和第三固定透镜群组，所述变焦透镜群组和所述对焦透镜群组均可沿着光轴方向移动，所述第三固定透镜群组的光焦度为负。
6.根据本发明的一个方面，所述第一固定透镜群组的焦距fg1满足：3≤fg1/fw≤5.5；
7.所述变焦透镜群组的焦距fg2满足：
‑
1.8≤fg2/fw≤
‑
0.6；
8.所述第二固定透镜群组的焦距fg3满足：1≤fg3/fw≤2.8；
9.所述对焦透镜群组的焦距fg4满足：1.5≤fg4/fw≤4；
10.所述第三固定透镜群组的焦距fg5满足：fg5/fw≤
‑
3；
11.其中，fw为变焦镜头广角端的焦距。
12.根据本发明的一个方面，沿光轴从物侧至像侧的方向，
13.所述第一固定透镜群组依次包括光焦度为负的第一透镜、光焦度为正的第二透镜
和光焦度为正的第三透镜；
14.所述第一透镜和所述第二透镜胶合组成胶合镜组。
15.根据本发明的一个方面，沿光轴从物侧至像侧的方向，
16.所述第一透镜和所述第三透镜为凸
‑
凹型；
17.所述第二透镜为凸
‑
凸型。
18.根据本发明的一个方面，沿光轴从物侧至像侧的方向，
19.所述变焦透镜群组依次包括光焦度为负的第四透镜、光焦度为负的第五透镜、光焦度为正的第六透镜和光焦度为负的第七透镜；
20.所述第五透镜和所述第六透镜胶合组成胶合镜组。
21.根据本发明的一个方面，沿光轴从物侧至像侧的方向，
22.所述第四透镜为凸
‑
凹型；
23.所述第五透镜为凹
‑
凹型；
24.所述第六透镜为凸
‑
凸型；
25.所述第七透镜的近轴区为凸
‑
凹型。
26.根据本发明的一个方面，沿光轴从物侧至像侧的方向，
27.所述第二固定透镜群组依次包括光焦度为正的第八透镜、光焦度为正的第九透镜、光焦度为负的第十透镜、光焦度为负的第十一透镜、光焦度为正的第十二透镜和光焦度为负的第十三透镜；
28.所述第十一透镜和所述第十二透镜或者所述第十一透镜、所述第十二透镜和所述第十三透镜胶合组成胶合镜组。
29.根据本发明的一个方面，沿光轴从物侧至像侧的方向，
30.所述第八透镜、所述第九透镜和所述第十二透镜为凸
‑
凸型；
31.所述第十透镜和所述第十三透镜为凹
‑
凹型；
32.所述第十一透镜为凸
‑
凹型。
33.根据本发明的一个方面，所述第八透镜、第九透镜与第十透镜的折射率nd均满足关系式：nd≤1.68。
34.根据本发明的一个方面，所述第八透镜的阿贝数vb8满足关系式：60≤vb8≤96。
35.根据本发明的一个方面，沿光轴从物侧至像侧的方向，所述对焦透镜群组依次包括光焦度为正的第十四透镜、光焦度为负的第十五透镜和光焦度为正的第十六透镜。
36.根据本发明的一个方面，沿光轴从物侧至像侧的方向，
37.所述第十四透镜为凸
‑
凹型；
38.所述第十五透镜和所述第十六透镜为凹
‑
凸型。
39.根据本发明的一个方面，沿光轴从物侧至像侧的方向，所述第三固定透镜群组依次包括光焦度为正的第十七透镜和光焦度为负的第十八透镜。
40.根据本发明的一个方面，沿光轴从物侧至像侧的方向，
41.所述第十七透镜为凹
‑
凸型；
42.所述第十八透镜的近轴区为凹
‑
凹型。
43.根据本发明的一个方面，所述变焦镜头所包含的透镜中至少有3枚为非球面透镜；其中至少有2枚所述非球面透镜为塑胶材质。
44.根据本发明的一个方面，所述变焦镜头所包含的透镜中至少含有3个由相邻透镜胶合而成的胶合镜组。
45.根据本发明的一个方面，所述变焦镜头所覆盖的靶面直径φi与所述变焦镜头的总长ttl之间满足关系式：0.070≤φi/ttl≤0.110。
46.根据本发明的一个方面，所述变焦透镜群组的行程绝对值d2与所述变焦镜头的总长ttl之间满足关系式：0.3≤d2/ttl≤0.4。
47.根据本发明的一个方面，所述对焦透镜群组的行程绝对值d4与所述变焦透镜群组的行程绝对值d2之间满足关系式：0≤d4/d2≤0.2。
48.根据本发明的方案，提供一种变焦镜头，实现小体积、大光圈、大靶面，日夜共焦，高低温环境下不虚焦，全焦段满足4k分辨率。另外使用塑胶非球面透镜，实现低成本。
49.根据本发明的一个方案，采用第一固定透镜群组、变焦透镜群组、第二固定透镜群组、对焦透镜群组和第三固定透镜群组的五群架构，使该变焦镜头实现大靶面φ9.1和最大光圈可达f1.4。同时，第一固定透镜群组的光焦度为正，变焦透镜群组的光焦度为负，保证无论是大角度还是大口径的光线入射，都能够进入后面透镜群组，实现较大的变焦倍率。在满足大倍率、小体积、大光圈和大靶面性能需求的同时可实现全焦段4k成像。
50.根据本发明的一个方案，通过合理的光焦度分配和特定玻璃材料的选择，使变焦镜头实现长焦端380～940nm之间的色差和二级光谱色差矫正。胶合镜组的合理设置可满足全焦段红外共焦。
51.根据本发明的一个方案，通过合理搭配各个透镜特定材料的折射率温度系数，在
‑
40℃～80℃的温度范围内不虚焦、图像不失真，全焦段实现4k高分辨率成像。
52.根据本发明的一个方案，通过合理使用塑胶非球面透镜，实现变焦镜头的低成本化。
附图说明
53.图1示意性表示本发明第一种实施方式的变焦镜头的结构示意图；
54.图2示意性表示本发明第一种实施方式的变焦镜头在广角端的mtf图；
55.图3示意性表示本发明第一种实施方式的变焦镜头在长焦端的mtf图；
56.图4示意性表示本发明第二种实施方式的变焦镜头的结构示意图；
57.图5示意性表示本发明第二种实施方式的变焦镜头在广角端的mtf图；
58.图6示意性表示本发明第二种实施方式的变焦镜头在长焦端的mtf图；
59.图7示意性表示本发明第三种实施方式的变焦镜头的结构示意图；
60.图8示意性表示本发明第三种实施方式的变焦镜头在广角端的mtf图；
61.图9示意性表示本发明第三种实施方式的变焦镜头在长焦端的mtf图。
具体实施方式
62.为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
63.在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
64.下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
65.参见图1，本发明的变焦镜头，包括沿着光轴从物侧至像侧的依次排列的光焦度为正的第一固定透镜群组g1、光焦度为负的变焦透镜群组g2、孔径光阑sto、光焦度为正的第二固定透镜群组g3、光焦度为正的对焦透镜群组g4和光焦度为负的第三固定透镜群组g5。其中，第一固定透镜群组g1的光焦度为正，变焦透镜群组g2的光焦度为负，保证无论是大角度还是大口径的光线入射，都能够进入后面的透镜群组，实现较大的变焦倍率。变焦透镜群组g2可沿着光轴方向移动，用来实现该变焦镜头在广角端和望远端之间的光学变焦。对焦透镜群组g4也可沿着光轴方向移动，用来补偿光学变焦过程中像面位置的变化。在使用过程中，适当调节对焦透镜群组g4，使其与变焦透镜群组g2在物体较远处和微距情况下产生的共轭距变化量相抵消，实现像面补偿，从而得到高质量的图像画面。
66.本发明中，第一固定透镜群组g1的焦距fg1满足：3≤fg1/fw≤5.5；变焦透镜群组g2的焦距fg2满足：
‑
1.8≤fg2/fw≤
‑
0.6；第二固定透镜群组g3的焦距fg3满足：1≤fg3/fw≤2.8；对焦透镜群组g4的焦距fg4满足：1.5≤fg4/fw≤4；第三固定透镜群组g5的焦距fg5满足：fg5/fw≤
‑
3。其中，fw为变焦镜头广角端的焦距。通过设置各透镜群组与该变焦镜头广角端焦距之间的比值范围，在变焦透镜群组g2在光轴上的移动实现变焦的同时，对焦透镜群组g4可通过在光轴上的移动来补偿像差，实现清晰成像。
67.本发明中，沿着光轴从物侧至像侧的方向，第一固定透镜群组g1依次包括光焦度为负的第一透镜l1、光焦度为正的第二透镜l2和光焦度为正的第三透镜l3。其中，第一透镜l1和所述第二透镜l2胶合组成胶合镜组。第一透镜l1和第三透镜l3的形状均为凸
‑
凹型，第二透镜l2的形状为凸
‑
凸型。如图1、图4和图7所示，第一固定透镜群组g1采用胶合镜组和单个透镜配合使用，且胶合面弯向孔径光阑sto，不仅使第一辅助光线有很好的走向，而且还能够矫正高倍位置的球差。
68.变焦透镜群组g2依次包括光焦度为负的第四透镜l4、光焦度为负的第五透镜l5、光焦度为正的第六透镜l6和光焦度为负的第七透镜l7。其中，第五透镜l5和第六透镜l6胶合组成胶合镜组。第四透镜l4的形状为凸
‑
凹型，第五透镜l5的形状为凹
‑
凹型，第六透镜l6的形状为凸
‑
凸型，第七透镜l7近轴区的形状为凸
‑
凹型。
69.第二固定透镜群组g3依次包括光焦度为正的第八透镜l8、光焦度为正的第九透镜l9、光焦度为负的第十透镜l10、光焦度为负的第十一透镜l11、光焦度为正的第十二透镜l12和光焦度为负的第十三透镜l13。其中，第十一透镜l11和第十二透镜l12或者第十一透镜l11、第十二透镜l12和第十三透镜l13胶合组成胶合镜组。第八透镜l8、第九透镜l9和第十二透镜l12的形状均为凸
‑
凸型，第十透镜l10和第十三透镜l13的形状均为凹
‑
凹型，第十一透镜l11的形状为凸
‑
凹型。
70.对焦透镜群组g4依次包括光焦度为正的第十四透镜l14、光焦度为负的第十五透
镜l15和光焦度为正的第十六透镜l16。其中，第十四透镜l14的形状为凸
‑
凹型，第十五透镜l15和第十六透镜l16的形状均为凹
‑
凸型。
71.第三固定透镜群组g5依次包括光焦度为正的第十七透镜l17和光焦度为负的第十八透镜l18。其中，第十七透镜l17的形状为凹
‑
凸型，第十八透镜l18近轴区的形状为凹
‑
凹型。本发明采用光焦度依次为正、负、正、正、负的五个透镜群组，并且与每个透镜群组中各个透镜面型形状的不同选择进行配合使用，使得像差得到良好的矫正。
72.本发明中，第八透镜l8、第九透镜l9与第十透镜l10的折射率nd均满足关系式：nd≤1.68。其中，第八透镜l8的阿贝数vb8满足关系式：60≤vb8≤96。通过对第二固定透镜群组中的第八透镜l8、第九透镜l9和第十透镜l10选取恰当的材料，可与本发明透镜群组光焦度和透镜形状配合，矫正二级光谱色差。
73.本发明中，变焦镜头所包含的透镜中至少有3枚为非球面透镜。其中至少有2枚非球面透镜为塑胶材质。本发明采用塑胶非球面透镜与玻璃透镜混合使用，可调节透镜群组的变焦功能或补偿功能，从而实现该变焦镜头中透镜的轻量化，大大降低了成本。同时保证了该变焦镜头在高低温环境下仍能成像清晰，具有良好性能。
74.本发明中，变焦镜头所包含的透镜中至少含有3个由相邻透镜胶合而成的胶合镜组。采用胶合镜组，可以消除成像部分色差且效果好，实现红外共焦。同时与透镜材料搭配可进一步矫正二级光谱色差。
75.本发明中，变焦镜头所覆盖的靶面直径φi与变焦镜头的总长ttl之间满足关系式：0.070≤φi/ttl≤0.110。这样设计可使该变焦镜头小型化、轻量化。
76.本发明中，变焦透镜群组g2的行程绝对值d2与变焦镜头的总长ttl之间满足关系式：0.3≤d2/ttl≤0.4。同时，对焦透镜群组g4的行程绝对值d4与变焦透镜群组g2的行程绝对值d2之间满足关系式：0≤d4/d2≤0.2。使得该变焦镜头具有更快的变倍和对焦速度。
77.综上所述，本发明采用五群架构，并合理分配透镜及透镜群组的正负光焦度、透镜面形状以及透镜材料，使像差得到良好矫正的同时还可以矫正二级光谱色差。通过合理分配各个透镜群组的焦距，可以实现全焦距段4k高分辨率成像。采用胶合镜组，可以消除或矫正该变焦镜头的色差和球差，实现全焦距段红外共焦。通过合理搭配各个透镜玻璃材料和塑胶材料的折射率温度系数，可以使该变焦镜头在
‑
40℃～80℃的温度范围内不虚焦、图像不失真。通过使用塑胶非球面透镜，实现小体积、低成本。
78.以下以三组实施方式来具体说明本发明的变焦镜头。在下列各个实施方式中，像面记为ima，胶合镜组的胶合面记为一面。
79.具体符合上述条件式的各实施方式的参数如下表1所示：
[0080][0081]
表1
[0082]
第一种实施方式
[0083]
参见图1至图3，在本实施方式中，本发明采用共计18枚透镜，其中有四枚透镜为非球面透镜，且第七透镜l7、第十五透镜l15和第十八透镜l18均为塑胶非球面透镜。采用三个胶合镜组，如图1所示，分别是由第一透镜l1和第二透镜l2、第五透镜l5和第六透镜l6以及第十一透镜l11、第十二透镜l12和第十三透镜l13胶合而成的胶合镜组。
[0084]
在本实施方式中，光圈f#：1.6。
[0085]
本实施方式的变焦镜头的各透镜的参数包括表面类型、曲率半径(r值)、厚度、材料的折射率、阿贝数，如下表2所示：
[0086]
[0087][0088]
表2
[0089]
本实施方式的变焦镜头各非球面透镜的非球面系数包括该表面的二次曲面常数k、四阶非球面系数a、六阶非球面系数b、八阶非球面系数c、十阶非球面系数d、十二阶非球面系数e，如下表3所示。
[0090]
面序号kabcdes11
‑
1.51e
‑
04
‑
6.11e
‑
079.12e
‑
09
‑
8.87e
‑
117.48e
‑
13
‑
1.51e
‑
04s12
‑
1.54e
‑
04
‑
2.08e
‑
071.27e
‑
096.16e
‑
11
‑
1.14e
‑
12
‑
1.54e
‑
04s141.59e
‑
051.40e
‑
112.17e
‑
10
‑
2.27e
‑
129.08e
‑
151.59e
‑
05s159.20e
‑
06
‑
1.57e
‑
081.85e
‑
10
‑
1.34e
‑
121.01e
‑
149.20e
‑
06s26
‑
1.70e+01
‑
7.04e
‑
051.19e
‑
06
‑
4.10e
‑
087.60e
‑
10
‑
1.31e
‑
11s27
‑
4.60e
‑
01
‑
6.02e
‑
056.16e
‑
07
‑
2.07e
‑
084.44e
‑
10
‑
1.84e
‑
12s32
‑
1.70e+01
‑
6.69e
‑
049.82e
‑
064.29e
‑
08
‑
4.58e
‑
092.78e
‑
11s33
‑
4.60e
‑
01
‑
9.38e
‑
048.96e
‑
06
‑
7.63e
‑
081.48e
‑
09
‑
5.54e
‑
11
[0091]
表3
[0092]
本实施方式的变焦镜头的广角端和望远端变倍数据，如下表4所示。
[0093][0094][0095]
表4
[0096]
结合图1至图3可知，本实施方式可实现最大光圈f1.6，可矫正380～940nm之间的位置色差和倍率色差，实现380～940nm共焦。在
‑
40℃～80℃的高低温环境下，该变焦镜头无需重新对焦仍然能满足全4k分辨率。该变焦镜头实现大光圈、小体积，可适用于更多不同条件的场景。
[0097]
第二种实施方式
[0098]
参见图4至图6，在本实施方式中，本发明采用共计18枚透镜，其中有三枚透镜为非球面透镜，且第七透镜l7和第十八透镜l18均为塑胶非球面透镜。采用四个胶合镜组，如图4所示，分别是由第一透镜l1和第二透镜l2、第五透镜l5和第六透镜l6、第九透镜l9和第十透镜l10、以及第十一透镜l11和第十二透镜l12胶合而成的胶合镜组。
[0099]
在本实施方式中，f#：1.5。
[0100]
本实施方式的变焦镜头的各透镜的参数包括表面类型、曲率半径(r值)、厚度、材料的折射率、阿贝数，如下表5所示：
[0101]
[0102][0103]
[0104]
表5
[0105]
本实施方式的变焦镜头各非球面透镜的非球面系数包括该表面的二次曲面常数k、四阶非球面系数a、六阶非球面系数b、八阶非球面系数c、十阶非球面系数d、十二阶非球面系数e，如下表6所示。
[0106]
面序号kabcdes110
‑
1.55e
‑
04
‑
6.12e
‑
078.97e
‑
09
‑
1.06e
‑
101.05e
‑
12s120
‑
1.54e
‑
04
‑
2.16e
‑
071.51e
‑
098.51e
‑
11
‑
1.16e
‑
12s14
‑
1.347410891.43e
‑
051.45e
‑
092.26e
‑
10
‑
2.18e
‑
129.42e
‑
15s15
‑
6.695381827.80e
‑
06
‑
1.39e
‑
081.80e
‑
10
‑
1.38e
‑
121.12e
‑
14s320
‑
7.03e
‑
049.79e
‑
066.99e
‑
08
‑
2.93e
‑
092.86e
‑
11s330
‑
8.11e
‑
041.02e
‑
05
‑
9.94e
‑
08
‑
2.29e
‑
10
‑
8.43e
‑
11
[0107]
表6
[0108]
本实施方式的变焦镜头的广角端和望远端变倍数据，如下表7所示。
[0109] 广角端长焦端t11.737.4t237.51.8t36.410.5t46.32.2
[0110]
表7
[0111]
结合图4至图6可知，本实施方式可实现最大光圈f1.5，可矫正380～940nm之间的位置色差和倍率色差，实现380～940nm共焦。在
‑
40℃～80℃的高低温环境下，该变焦镜头无需重新对焦仍然能满足全4k分辨率。该变焦镜头实现大光圈、小体积，可适用于更多不同条件的场景。
[0112]
第三种实施方式
[0113]
参见图7至图9，在本实施方式中，本发明采用共计18枚透镜，其中有四枚透镜为非球面透镜，且第七透镜l7、第十五透镜l15和第十八透镜l18均为塑胶非球面透镜。采用四个胶合镜组，如图7所示，分别是由第一透镜l1和第二透镜l2、第五透镜l5和第六透镜l6、第九透镜l9和第十透镜l10、以及第十一透镜l11、第十二透镜l12和第十三透镜l13胶合而成的胶合镜组。
[0114]
在本实施方式中，f#：1.4。
[0115]
本实施方式的变焦镜头的各透镜的参数包括表面类型、曲率半径(r值)、厚度、材料的折射率、阿贝数，如下表8所示：
[0116]
[0117][0118]
表8
[0119]
本实施方式的变焦镜头各非球面透镜的非球面系数包括该表面的二次曲面常数k、四阶非球面系数a、六阶非球面系数b、八阶非球面系数c、十阶非球面系数d、十二阶非球面系数e，如下表9所示。
[0120]
[0121][0122]
表9
[0123]
本实施方式的变焦镜头的广角端和望远端变倍数据，如下表10所示。
[0124] 广角端长焦端t10.537.1t236.70.1t31.71.6t49.69.7
[0125]
表10
[0126]
结合图7至图9可知，本实施方式可实现最大光圈f1.4，可矫正380～940nm之间的位置色差和倍率色差，实现380～940nm共焦。在
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40℃～80℃的高低温环境下，该变焦镜头无需重新对焦仍然能满足全4k分辨率。该变焦镜头实现大光圈、小体积，可适用于更多不同条件的场景。
[0127]
以上所述仅为本发明的一枚实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。