CN109324402B - 一种可见光近红外宽波段复消色差连续变焦光学镜头 - Google Patents

一种可见光近红外宽波段复消色差连续变焦光学镜头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可见光近红外宽波段复消色差连续变焦光学镜头，采用低色散玻璃与其他光学玻璃合理匹配的方法，消除了可见光近红外宽波段引入的二级光谱问题，将光学***色差控制在合理范围；采用机械补偿变焦方法中的三组联动的变焦方式，在有效的缩短了光学***长度的同时保证整个变焦段的高清晰成像；采用设置负渐晕的方法，保证了整个变焦过程中，各个变焦位置光阑口径一致，实现了定光阑口径变F数，同时有效保证了各个变焦位置的像面相对照度的均匀性；保证在整个变焦段昼夜均能提供高清晰的影像；采用通用光学玻璃材料以及全球面设计，降低了成本，而且光学成像性能优良。

Description

一种可见光近红外宽波段复消色差连续变焦光学镜头
技术领域
本发明属于光学技术，涉及一种可见光近红外宽波段复消色差连续变焦光学镜头。
背景技术
连续变焦镜头是一种焦距可连续变化、而像面位置保持稳定并且在变焦过程中像质保持良好的成像***。定焦红外热像仪在像面上欲得到不同大小的像，必须改变目标物体与镜头之间的距离或更换不同焦距的镜头。而连续变焦镜头可以连续改变***焦距，因此，可以在像面上得到连续改变大小的目标像，对于光电探测及侦察、跟踪等都非常有利。连续变焦镜头作为各类光电***的重要部件，广泛应用于光电侦察与监控等领域。
随着CCD、CMOS器件规模和分辨率的不断提高，以及对昼夜环境条件下光电探测、监控的需求，对连续变焦镜头高清化的需求也日趋强烈。
本发明详细介绍了一种可见光近红外宽波段复消色差连续变焦光学镜头设计，该连续变焦光学镜头采用低色散玻璃与其他光学玻璃有效匹配，将光学***色差控制在合理范围；采用三组联动的变焦方式，有效的缩短了光学***长度，并保证整个变焦段的高清晰成像；通过CCD、CMOS器件内置的可切换可见光、近红外滤光片，保证在整个变焦段昼夜均能提供高清晰的影像；镜头采用通用光学玻璃材料全球面设计，降低了成本，而且光学性能优良。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种可见光近红外宽波段复消色差连续变焦光学镜头。
技术方案
一种可见光近红外宽波段复消色差连续变焦光学镜头，其特征在于包括按光路走向从物方到像方依次共轴设置的光焦度为正的前固定组G1、光焦度为负的变倍组G2、光阑、光焦度为正的补偿组G3、光焦度为负的补偿组G4和光焦度为正的后固定组G5；光焦度为正的前固定组G1、光焦度为负的变倍组G2、光焦度为正的补偿组G3、光焦度为负的补偿组G4的焦距满足如下关系式：
0.30≤f1/ft≤0.35
0.55≤f2/f3≤0.60
0.75≤f2/f4≤0.80
其中，f1是光焦度为正的前固定组G1的焦距值；f2是光焦度为负的变倍组G2的焦距值；f3是光焦度为正的补偿组G3的焦距值；f4是光焦度为负的补偿组G4的焦距值；ft是所述光学镜头最长焦的焦距值。
所述光焦度为正的后固定组G5后光路为CCD或CMOS的像面。
所述光焦度为正的前固定组G1包含从物方到像方方向顺序共轴设置的正光焦度双凸透镜L11、负光焦度双胶合透镜L12、正光焦度弯月透镜L13。
所述光焦度为负的变倍组G2包含从物方到像方方向顺序共轴设置的负光焦度弯月透镜L21、负光焦度三胶合透镜L22、负光焦度双凹透镜L23。
所述光焦度为正的补偿组G3包含从物方到像方方向顺序共轴设置的正光焦度双胶合透镜L31、负光焦度双胶合透镜L32、正光焦度双凸透镜L33、负光焦度弯月透镜L34、正光焦度弯月透镜L35。
所述光焦度为负的补偿组G4为负光焦度双凹透镜L41。
所述光焦度为正的后固定组G5包含从物方到像方方向顺序共轴设置的正光焦度弯月透镜L51、正光焦度弯月透镜L52。
所述光焦度为正的前固定组G1的正光焦度双凸透镜L11、负光焦度双胶合透镜L12、正光焦度弯月透镜L13，光焦度为正的补偿组G3的正光焦度双胶合透镜L31、正光焦度双凸透镜L33均采用了低色散玻璃HFK61。
采用设置负渐晕的方法，保证了整个变焦过程中，各个变焦位置光阑口径一致，实现了定光阑口径变F数，同时有效保证了各个变焦位置的像面相对照度的均匀性。
光学***的工作光谱范围为486nm～900nm,焦距为10.266mm～260mm，变倍比为25倍，相对孔径为1:3～1:6可变，光学长度155mm，视场角为30.8°～1.25°。
有益效果
本发明提出的一种可见光近红外宽波段复消色差连续变焦光学镜头，采用低色散玻璃与其他光学玻璃合理匹配的方法，消除了可见光近红外宽波段引入的二级光谱问题，将光学***色差控制在合理范围；采用机械补偿变焦方法中的三组联动的变焦方式，在有效的缩短了光学***长度的同时保证整个变焦段的高清晰成像；采用设置负渐晕的方法，保证了整个变焦过程中，各个变焦位置光阑口径一致，实现了定光阑口径变F数，同时有效保证了各个变焦位置的像面相对照度的均匀性；通过CCD、CMOS器件内置的可切换可见光、近红外滤光片，实现可见光、和近红外波段的切换成像，保证在整个变焦段昼夜均能提供高清晰的影像；采用通用光学玻璃材料以及全球面设计，降低了成本，而且光学成像性能优良。
本发明的技术效果是：
1、三组联动连续变焦：本发明中设置了光焦度为正的前固定组G1、光焦度为负的变倍组G2、光阑、光焦度为正的补偿组G3、光焦度为负的补偿组G4、光焦度为正的后固定组G5，其中变倍组G2实现了对接收光的变倍、补偿组G3和补偿组G4实现了对变倍后光的补偿，再通过对前固定组G1、变倍组G2、补偿组G3、补偿组G4的焦距值进行设定，最终实现了可见光近红外宽波段复消色差和连续变焦。
2、消二级光谱：通过采用低色散玻璃与其他光学玻璃合理匹配的方法，消除了可见光近红外宽波段引入的二级光谱问题，使光学***色差得到了很好的校正。
3、固定光阑变F数：采用设置负渐晕的方法，保证了整个变焦过程中，各个变焦位置光阑口径一致，实现了定光阑口径变F数，同时有效保证了各个变焦位置的像面相对照度的均匀性，取消了变光阑机构，可靠性提高。
4、成本低、可加工性高：本发明使用全球面设计，采用常规光学玻璃材料，在保证性能的基础上，节约了成本。
附图说明
图1是本发明短焦距(10.266mm)光路图；
其中，G1—前固定组，由4组透镜L11、L12、L13组成；G2—变倍组，由3组透镜L21、L22、L23组成；G3—补偿组，由5组透镜L31、L32、L33、L34、L35组成；G4—补偿组，由1组透镜L41组成；G5—后固定组，由2组透镜L51、L52组成。
图2是本发明中焦距(100mm)光路图；
图3是本发明最长焦距(260mm)光路图；
图4是本发明最短焦距(10.266mm)光学传递函数图；
图5是本发明中焦距(100mm)光学传递函数图；
图6是本发明最长焦距(260mm)光学传递函数图；
图7是本发明最短焦距(10.266mm)像面相对照度图；
图8是本发明中焦距(100mm)像面相对照度图；
图9是本发明最长焦距(260mm)像面相对照度图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
提供一种可见光近红外宽波段复消色差连续变焦光学镜头，该连续变焦镜头采用低色散玻璃与其他光学玻璃合理匹配的方法，消除了可见光近红外宽波段引入的二级光谱问题，将光学***色差控制在合理范围；采用机械补偿变焦方法中的三组联动的变焦方式，在有效的缩短了光学***长度的同时保证整个变焦段的高清晰成像；采用设置负渐晕的方法，保证了整个变焦过程中，各个变焦位置光阑口径一致，实现了定光阑口径变F数，同时有效保证了各个变焦位置的像面相对照度的均匀性；通过CCD、CMOS器件内置的可切换可见光、近红外滤光片，实现可见光、和近红外波段的切换成像，保证在整个变焦段昼夜均能提供高清晰的影像；采用通用光学玻璃材料以及全球面设计，降低了成本，而且光学成像性能优良。
请参阅图1～3，本发明一种可见光近红外宽波段复消色差连续变焦光学镜头光路图。按光路走向包括从物方到像方依次共轴设置的光焦度为正的前固定组G1、光焦度为负的变倍组G2、光阑、光焦度为正的补偿组G3、光焦度为负的补偿组G4、光焦度为正的后固定组G5以及CCD或CMOS的像面。变倍组G2与补偿组G3、补偿组G4在变焦距过程中以一定规律相对运动，实现镜头变焦过程中高清晰成像。
如上所述的连续变焦镜头，其满足如下关系式：
0.30≤f1/ft≤0.35
0.55≤f2/f3≤0.60
0.75≤f2/f4≤0.80
其中，f1是前固定组G1的焦距值；f2是变倍组G2的焦距值；f3是补偿组G3的焦距值；f4是补偿组G4的焦距值；ft是所述光学镜头最长焦的焦距值。
如上所述的连续变焦镜头，前固定组G1包含正光焦度双凸透镜L11、负光焦度双胶合透镜L12、正光焦度弯月透镜L13。
如上所述的连续变焦镜头，变倍组G2包负光焦度弯月透镜L21、负光焦度三胶合透镜L22、负光焦度双凹透镜L23。
如上所述的连续变焦镜头，补偿组G3包含正光焦度双胶合透镜L31、负光焦度双胶合透镜L32、正光焦度双凸透镜L33、负光焦度弯月透镜L34、正光焦度弯月透镜L35。
如上所述的连续变焦镜头，补偿组G4为负光焦度双凹透镜L41。
如上所述的连续变焦镜头，后固定组G5包含正光焦度弯月透镜L51、正光焦度弯月透镜L52。
如上所述的连续变焦镜头，前固定组G1的正光焦度双凸透镜L11、负光焦度双胶合透镜L12、正光焦度弯月透镜L13，补偿组G3的正光焦度双胶合透镜L31、正光焦度双凸透镜L33均采用了低色散玻璃FK61。
在本实施例中，该光学***的工作光谱范围为486nm～900nm,焦距为10.266mm～260mm，变倍比为25倍，相对孔径为1:3～1：6，光学长度155mm，视场角为30.8°～1.25°。
实施例：
本实施例的具体数据如下表所示：
根据权利要求1所述的可见光近红外宽波段复消色差连续变焦光学镜头设计参数如下：
光路光学参数表(单位：mm)
Figure BDA0001856188370000061
Figure BDA0001856188370000071
表中，曲率半径是指每个表面的曲率半径，间隔是指两相邻表面间的距离，举例来说，表面S1的间隔，即表面S1至表面S2间的距离。
焦距(mm) D12(mm) D23(mm) D34(mm) D45(mm)
10.266 2.5 68.7 2.66 7.87
100 36.5 22.16 10.5 12.57
260 39.8 2.5 18.32 21.11
其中，D12表示前固定组G1、变倍组G2之间距离；D23表示变倍组G2、补偿组G3之间距离；D34表示补偿组G3、补偿组G4之间距离；D45表示补偿组G4、后固定组G5之间距离。

Claims (2)

1.一种可见光近红外宽波段复消色差连续变焦光学镜头，其特征在于由按光路走向从物方到像方依次共轴设置的光焦度为正的前固定组(G1)、光焦度为负的变倍组(G2)、光阑、光焦度为正的补偿组(G3)、光焦度为负的补偿组(G4)和光焦度为正的后固定组(G5)组成；光焦度为正的前固定组(G1)、光焦度为负的变倍组(G2)、光焦度为正的补偿组(G3)、光焦度为负的补偿组(G4)的焦距满足如下关系式：
0.30≤f1/ft≤0.35
0.55≤f2/f3≤0.60
0.75≤f2/f4≤0.80
其中，f1是光焦度为正的前固定组(G1)的焦距值；f2是光焦度为负的变倍组(G2)的焦距值；f3是光焦度为正的补偿组(G3)的焦距值；f4是光焦度为负的补偿组(G4)的焦距值；ft是所述光学镜头最长焦的焦距值；
所述光焦度为正的前固定组(G1)包含从物方到像方方向顺序共轴设置的正光焦度双凸透镜(L11)、负光焦度双胶合透镜(L12)、正光焦度弯月透镜(L13)；
所述光焦度为负的变倍组(G2)包含从物方到像方方向顺序共轴设置的负光焦度弯月透镜(L21)、负光焦度三胶合透镜(L22)、负光焦度双凹透镜(L23)；
所述光焦度为正的补偿组(G3)包含从物方到像方方向顺序共轴设置的正光焦度双胶合透镜(L31)、负光焦度双胶合透镜(L32)、正光焦度双凸透镜(L33)、负光焦度弯月透镜(L34)、正光焦度弯月透镜(L35)；
所述光焦度为负的补偿组(G4)为负光焦度双凹透镜(L41)；
所述光焦度为正的后固定组(G5)包含从物方到像方方向顺序共轴设置的正光焦度弯月透镜(L51)、正光焦度弯月透镜(L52)；
所述光焦度为正的前固定组(G1)的正光焦度双凸透镜(L11)、负光焦度双胶合透镜(L12)、正光焦度弯月透镜(L13)，光焦度为正的补偿组(G3)的正光焦度双胶合透镜(L31)、正光焦度双凸透镜(L33)均采用了低色散玻璃HFK61。
2.根据权利要求1所述可见光近红外宽波段复消色差连续变焦光学镜头，其特征在于：所述光焦度为正的后固定组(G5)后光路为CCD或CMOS的像面。
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