CN111474685A - 一种长焦距宽谱段消色差光学镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长焦距宽谱段消色差光学镜头，包括沿光轴依次设置的第一透镜组、光阑、第二透镜组、第三透镜组；第一透镜组包括双凸透镜一、双凹透镜一、弯月透镜一；第二透镜组包括弯月透镜二、双凹透镜二、双凸透镜二；第三透镜组包括双凹透镜三；其中，双凸透镜一和弯月透镜二的折射率范围相同，且阿贝数范围也相同；双凹透镜一和双凹透镜二的折射率范围相同，且阿贝数范围也相同；弯月透镜一和双凸透镜二的折射率范围相同，且阿贝数范围也相同。本申请中的光学***能够在长焦距，宽光谱的条件下消除色差良好成像，满足光学镜头应用需求。

Description

一种长焦距宽谱段消色差光学镜头

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，特别是涉及一种长焦距宽谱段消色差光学镜头。

背景技术

为了提高成像分辨率，在光学领域许多应用场合中均需要用到具有长焦距特征的光学***，并且随着光学探测器的发展，探测器对光谱响应范围越来越宽，相应地也就对光学镜头提出宽光谱的要求。

但是对于长焦距、宽光谱的镜头而言，色差是影响长焦距光学物镜成像质量的主要因素，限制了长焦距光学***的实现。传统的光学物镜仅在以d光(587.5618nm)、F光(486.1327nm)、C光(656.2725nm)等为特征谱线的较窄谱段范围内的完成色差校正。但随着光学***成像谱段越来越宽，需要光学物镜具有更强的消色差能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种长焦距宽谱段消色差光学镜头，实现了在长焦距、宽光谱、视场角不小于17度的条件下光学镜头具有较好的消色差能力，提高光学镜头的成像效果。

为解决上述技术问题，本发明提供一种长焦距宽谱段消色差光学镜头，包括：

沿光轴依次设置的第一透镜组、光阑、第二透镜组、第三透镜组；

所述第一透镜组包括双凸透镜一、双凹透镜一、弯月透镜一；所述第二透镜组包括弯月透镜二、双凹透镜二、双凸透镜二；所述第三透镜组包括双凹透镜三；

其中，所述双凸透镜一和所述弯月透镜二的折射率范围均为：1.56～1.66，且阿贝数范围均为：44.60～48.60；

所述双凹透镜一和所述双凹透镜二的折射率范围均为：1.56～1.66，且阿贝数范围均为：42.49～46.49；

所述弯月透镜一和所述双凸透镜二的折射率范围均为：1.49～1.59，且阿贝数范围均为：57.71～61.71。

在本申请一种可选的实施例中，所述第一透镜组的焦距f1满足：1.10≤f1/f≤1.30；所述第二透镜组的焦距f2满足：1.80≤f2/f≤2.20；所述第三透镜组的焦距f3满足：-0.92≤f3/f≤-0.83；其中，f为光学镜头焦距。

在本申请一种可选的实施例中，所述第一透镜组、所述第二透镜组以及所述第三透镜组中的透镜均为球面镜；

其中，所述双凸透镜一的入射面曲率半径R11满足：0.388≤R11/f≤0.428，出射面曲率半径R12满足：0.775≤R12/f≤0.855；

所述双凹透镜一的入射面曲率半径R21满足：0.756≤R21/f≤0.836，出射面曲率半径R22满足：0.181≤R22/f≤0.200；

所述弯月透镜一的入射面曲率半径R31满足：0.185≤R31/f≤0.205，出射面曲率半径R32满足：1.920≤R32/f≤2.122；

所述弯月透镜二的入射面曲率半径R41满足：2.323≤R41/f≤2.568，出射面曲率半径R42满足：0.170≤R42/f≤0.188；

所述双凹透镜二的入射面曲率半径R51满足：0.165≤R51/f≤0.182，出射面曲率半径R52满足：0.412≤R52/f≤0.456；

所述双凸透镜二的入射面曲率半径R61满足：0.585≤R61/f≤0.646，出射面曲率半径R62满足：0.440≤R62/f≤0.487；

所述双凹透镜三的入射面曲率半径R71满足：0.635≤R71/f≤0.702，出射面曲率半径R72满足：2.688≤R72/f≤2.971。

在本申请一种可选的实施例中，所述弯月透镜一和所述弯月透镜二沿光轴方向的光轴间距d满足0.15≤d/f≤0.25，其中，f为光学镜头焦距；

所述光阑和所述弯月透镜一以及所述弯月透镜二沿光轴方向的间距，均不小于所述光轴间距d的三分之一。

在本申请一种可选的实施例中，所述双凸透镜一和所述弯月透镜二的折射率以及阿贝数均相同；所述双凹透镜一和所述双凹透镜二的折射率以及阿贝数均相同；所述弯月透镜一和所述双凸透镜二的折射率以及阿贝数均相同；所述双凸透镜一和所述双凹透镜一的折射率均相同。

在本申请一种可选的实施例中，所述双凸透镜一、所述双凹透镜一、所述弯月透镜一、所述弯月透镜二、所述双凹透镜二、所述双凸透镜二、所述双凹透镜三中任意两个相邻透镜之间均不形成胶合透镜；

所述第一透镜组、所述第二透镜组、以及所述第三透镜组均为玻璃透镜组。

在本申请一种可选的实施例中，所述第一透镜组的入射光线的一侧设置有第一透光平板；其中所述第一透光平板为保护窗口或滤光片；

和/或，所述第二透镜组和所述第三透镜组之间设置有第二透光平板、反射镜、分光棱镜、立方棱镜中的一种或几种无光焦度光学元件，所述第二透光平板为保护窗口或滤光片。

在本申请一种可选的实施例中，所述双凸透镜二为调焦透镜，所述双凸透镜二相对于所述双凹透镜二以及所述双凹透镜三沿光轴方向的距离可调。

在本申请一种可选的实施例中，所述双凹透镜三为调焦透镜，所述双凹透镜三和所述双凸透镜二沿光轴方向的距离可调。

本发明所提供的一种长焦距宽谱段消色差光学镜头，包括沿光轴依次设置的第一透镜组、光阑、第二透镜组、第三透镜组；第一透镜组包括双凸透镜一、双凹透镜一、弯月透镜一；第二透镜组包括弯月透镜二、双凹透镜二、双凸透镜二；第三透镜组包括双凹透镜三；其中，双凸透镜一和弯月透镜二的折射率范围均为：1.56～1.66，且阿贝数范围均为：44.60～48.60；双凹透镜一和双凹透镜二的折射率范围均为：1.56～1.66，且阿贝数范围均为：42.49～46.49；弯月透镜一和双凸透镜二的折射率范围均为：1.49～1.59，且阿贝数范围均为：57.71～61.71。

本申请中所提供的光学***中包含有光阑和三组透镜组，其中，第一透镜组和第二透镜组中的包含的透镜在布局上以光阑为中心近似地对称，同时第一透镜组和第二透镜组中各个透镜的折射率和阿贝数具有相类似的取值范围，使得第一透镜组和第一透镜组之间产生的色差具有相互抵消的效果；此外第一透镜组中沿光线传输方向的三个透镜分别和第二透镜组中沿光线传输方向的三个透镜的折射率和阿贝数的取值范围逐一相同，进一步提升两组透镜组产生色差相互抵消的效果，从而实现在长焦距且接收宽光谱入射的条件下消除色差，使得本申请中所提供的光学***能够满足500mm以上焦距，400nm～1000nm谱段条件下的良好成像，满足了各种光学探测器的应用需求。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，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获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的长焦距宽谱段消色差光学镜头的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的第一透镜组的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的第二透镜组的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的第三透镜组的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的光学镜头的调制传递函数；

图6为本申请实施例提供的光学镜头的点列图；

图7为本申请实施例提供的光学镜头的垂轴色差；

图8为本申请另一实施例提供的长焦距宽谱段消色差光学镜头的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图4所示，图1为本申请实施例提供的长焦距宽谱段消色差光学镜头的结构示意图，图2为本申请实施例提供的第一透镜组的结构示意图，图3为本申请实施例提供的第二透镜组的结构示意图；图4为本申请实施例提供的第三透镜组的结构示意图；该光学镜头可以包括：

沿光轴依次设置的第一透镜组G1、光阑L8、第二透镜组G2、第三透镜组G3；

第一透镜组G1包括双凸透镜一L1、双凹透镜一L2、弯月透镜一L3；

第二透镜组G2包括弯月透镜二L4、双凹透镜二L5、双凸透镜二L6；

第三透镜组G3包括双凹透镜三L7；

其中，双凸透镜一L1和弯月透镜二L4的折射率范围均为：1.56～1.66，且双凸透镜一L1和弯月透镜二L4的阿贝数范围均为：44.60～48.60；

双凹透镜一L2和双凹透镜二L5的折射率范围均为：1.56～1.66，且双凹透镜一L2和双凹透镜二L5的阿贝数范围均为：42.49～46.49；

弯月透镜一L3和双凸透镜二L6的折射率范围均为：1.49～1.59，且弯月透镜一L3和双凸透镜二L6的阿贝数范围均为：57.71～61.71。

参考图1，光阑L8设置在第一透镜组G1和第二透镜组G2之间，有图1可知，第一透镜组G1和第二透镜组G2中均包含有三个透镜，且两个透镜组中三个透镜的布局以光阑L8为中心近似对称，例如第一透镜组G1中的弯月透镜一L3和第二透镜组G2中的弯月透镜二L4是距离光阑L8最近的两个透镜，二者结构近似，均属于弯月透镜，且由图1可知，弯月透镜一L3和弯月透镜二L4弯曲的方向均是背离光阑L8的方向。当然，在实际应用中并不必然要求两个弯月透镜完全相对于光阑L8对称，只要求均是弯月透镜即可；类似的双凹透镜一L2和双凹透镜二L5均为凹透镜、双凸透镜一L1和双凸透镜二L6均为凸透镜，使得第一透镜组G1和第二透镜组G2在结构上相对于光阑L8存在一定的对称性，有利于第一透镜组G1和第二透镜组G2产生的色差相互抵消；

此外，第一透镜组G1和第二透镜组G2中，双凸透镜一L1和弯月透镜二L4，双凹透镜一L2和双凹透镜二L5，以及弯月透镜一L3和双凸透镜二L6，在折射率和阿贝数的取值范围相同，进一步地使得第一透镜组G1和第二透镜组G2所产生的色差能够在一定程度上相互消除。

需要说明的是，本实施例中的双凹透镜三L7在光学镜头中充当场镜作用，对场曲等像差起到校正作用，其前表面曲率中心靠近光阑L8中心，近似与光阑L8形成同心透镜，有利于扩大光学镜头的视场角。由此，本申请中起到消色差作用的主要是第一透镜组G1和第二透镜组G2，对双凹透镜三L7的折射率和阿贝数不做具体限制。

可选地，在实际应用中为了加工方便，可以将双凸透镜一L1和弯月透镜二L4采用同一种材料加工形成，也即是说双凸透镜一L1和弯月透镜二L4的折射率和阿贝数相同，同理双凹透镜一L2和双凹透镜二L5的折射率以及阿贝数也可以相同，以及弯月透镜一L3和双凸透镜二L6的折射率以及阿贝数也可以相同，对此本申请中不做具体限定。

因此，本实施例中结合第一透镜组G1和第二透镜组G2在结构上的对称性以及三个透镜组的折射率和阿贝数设定，使得本实施例中所提供的光学镜头能够在焦距为500mm以上、1:7的相对孔径、450nm-1000nm工作谱段条件下的良好成像，提高了光学镜头的在长焦距、宽光谱条件下的成像效果，有利于光学镜头的广泛应用。

需要说明的是，实际上对于同一种材料的透镜而言，对于不同波长的折射率是不同的，因此本申请中所有的折射率是均默认为对d光(587.5618nm波长的光)的折射率。

综上所述，本申请中所提供的光学镜头包括依次设置的第一透镜组、光阑、第二透镜组以及第三透镜组，并且第一透镜组和第二透镜组中的透镜在布局上相对于光阑具有一定的对称性，且第一透镜组中的三个透镜分别和第二透镜组中的三个透镜的折射率和阿贝数取值范围相同，进而使得第一透镜组和第二透镜组对光谱中各个波长的光线产生的色差能够在一定程度上相互抵消，使得第一透镜组和第二透镜组结合第三透镜组能够在长焦距宽光谱条件下实现光学镜头对色差的消除，有利于光学镜头的广泛应用。

如前所述，本申请中所提供的光学镜头能够实现长焦距条件下的色差消除，因此，在本申请的一种可选地实施例中，可以设定第一透镜组G1的焦距f1满足：1.10≤f1/f≤1.30；第二透镜组G2的焦距f2满足：1.80≤f2/f≤2.20；第三透镜组G3的焦距f3满足：-0.92≤f3/f≤-0.83；其中，f为光学镜头焦距。

具体地，在本申请的另一可选地实施例中，对于第一透镜组G1和第二透镜组G2以及第三透镜组G3的结构可以包括：

第一透镜组G1、第二透镜组G2以及第三透镜组G3中的透镜均为球面镜；

其中，双凸透镜一L1的入射面曲率半径R11满足：0.388≤R11/f≤0.428，出射面曲率半径R12满足：0.775≤R12/f≤0.855；

双凹透镜一L2的入射面曲率半径R21满足：0.756≤R21/f≤0.836，出射面曲率半径R22满足：0.181≤R22/f≤0.200；

弯月透镜一L3的入射面曲率半径R31满足：0.185≤R31/f≤0.205，出射面曲率半径R32满足：1.920≤R32/f≤2.122；

弯月透镜二L4的入射面曲率半径R41满足：2.323≤R41/f≤2.568，出射面曲率半径R42满足：0.170≤R42/f≤0.188；

双凹透镜二L5的入射面曲率半径R51满足：0.165≤R51/f≤0.182，出射面曲率半径R52满足：0.412≤R52/f≤0.456；

双凸透镜二L6的入射面曲率半径R61满足：0.585≤R61/f≤0.646，出射面曲率半径R62满足：0.440≤R62/f≤0.487；

双凹透镜三L7的入射面曲率半径R71满足：0.635≤R71/f≤0.702，出射面曲率半径R72满足：2.688≤R72/f≤2.971。

其中f为光学镜头焦距。

具体地，在实际应用中对于第一透镜组G1、第二透镜组G2以及第三透镜组G3中的透镜并不必然要求为球面透镜，只要能够满足长焦距、宽光谱并达到消除色差的要求即可。

可选地，如前所述，第一透镜组G1和第二透镜组G2中的透镜布局相对于光阑L8具有一定的对称性，因此，在实际应用中，较为优选的方式是将光阑L8设置在第一透镜组G1的弯月透镜一L3和第二透镜组G2的弯月透镜二L4之间的中点上。但基于光学镜头消除像差的需要，光阑L8并不必然位于在弯月透镜一L3和弯月透镜二L4之间中点位置，只要光阑L8设置在弯月透镜一L3和弯月透镜二L4之间中点附近，即可达到较好的消色差效果，具体地可以包括：

弯月透镜一L3和弯月透镜二L4沿光轴方向的光轴间距d满足0.15≤d/f≤0.25；其中，f为光学镜头焦距。

光阑L8和弯月透镜一L3以及弯月透镜二L4沿光轴方向的间距，均不小于光轴间距d的三分之一。

本申请中进一步地考虑到目前的各种光学镜头中，具有消色差特征的光学镜头中很多均应用了含有CaF2氟化钙、BaF2氟化钡等材料的透镜。这种材质的透镜在受热后易出现膨胀形变，降低光学镜头可靠性，进而影响光学镜头的成像效果。因此，本申请中第一透镜组G1、第二透镜组G2、以及第三透镜组G3中的各个透镜均可以采用不含有CaF2氟化钙、BaF2氟化钡的玻璃透镜组。

此外，目前一般的光学镜头中为了达到消色差的目的，往往采用胶合透镜，而本实施例中双凸透镜一L1、双凹透镜一L2、弯月透镜一L3、弯月透镜二L4、双凹透镜二L5、双凸透镜二L6、双凹透镜三L7中任意两个相邻透镜之间均不形成胶合透镜，也能够实现良好的消色差的效果，进而避免相互胶合的透镜之间的胶层因受热变形等原因降低光学镜头的可靠性的问题，且降低光学镜头中透镜的加工难度。

基于上述实施例，在本申请另一实施例中提供了一种具体的光学镜头，该光学镜头的物镜指标为：焦距600mm，相对孔径1:7，视场角18°，工作谱段450nm-1000nm。

根据光学设计软件CODE V的计算，光学镜头的调制传递函数如,图5所示，光学镜头的点列图，如图6所示；光学镜头的垂轴色差；图7所示。由图7可知，本实施例中的光学镜头的最大垂轴色差仅在0.003mm左右，由此可见本申请提供的光学镜头具有较好的成像效果。

可选地，对于上述任意实施例中的光学镜头，还可以根据实际应用需要对该光学镜头产生一定的变形。例如，如图8所示，可以在第一透镜组G1的入射光线的一侧设置有第一透光平板L91；其中第一透光平板L91为保护窗口或滤光片；和/或，第二透镜组G2和第三透镜组G3之间设置有第二透光平板L92、反射镜L93、分光棱镜、立方棱镜中的一种或几种无光焦度光学元件，第二透光平板L92为保护窗口或滤光片。

可选地，在本申请的另一具体实施例中，还可以进一步地包括：

双凸透镜二L6为调焦透镜，双凸透镜二L6相对于双凹透镜二L5以及双凹透镜三L7沿光轴方向的距离可调，也即是说本申请中对双凸透镜二L6相对于双凹透镜二L5以及双凹透镜三L7的间距不存在限制，可以根据对双凹透镜三L7的位置进行调节，进而改变整个光学镜头的焦距。

当然，实际应用中，也可以将双凹透镜三L7作为调焦透镜，双凹透镜三L7和双凸透镜二L6沿光轴方向的距离可调，也即是改变双凹透镜三L7相对于双凸透镜二L6和像面的距离，以改变光学镜头的焦距。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种长焦距宽谱段消色差光学镜头，其特征在于，包括：

沿光轴依次设置的第一透镜组、光阑、第二透镜组、第三透镜组；

所述第一透镜组包括双凸透镜一、双凹透镜一、弯月透镜一；所述第二透镜组包括弯月透镜二、双凹透镜二、双凸透镜二；所述第三透镜组包括双凹透镜三；

其中，所述双凸透镜一和所述弯月透镜二的折射率范围均为：1.56～1.66，且阿贝数范围均为：44.60～48.60；

所述双凹透镜一和所述双凹透镜二的折射率范围均为：1.56～1.66，且阿贝数范围均为：42.49～46.49；

所述弯月透镜一和所述双凸透镜二的折射率范围均为：1.49～1.59，且阿贝数范围均为：57.71～61.71。

2.如权利要求1所述的长焦距宽谱段消色差光学镜头，其特征在于，所述第一透镜组的焦距f1满足：1.10≤f1/f≤1.30；所述第二透镜组的焦距f2满足：1.80≤f2/f≤2.20；所述第三透镜组的焦距f3满足：-0.92≤f3/f≤-0.83；其中，f为光学镜头焦距。

3.如权利要求2所述的长焦距宽谱段消色差光学镜头，其特征在于，所述第一透镜组、所述第二透镜组以及所述第三透镜组中的透镜均为球面镜；

其中，所述双凸透镜一的入射面曲率半径R11满足：0.388≤R11/f≤0.428，出射面曲率半径R12满足：0.775≤R12/f≤0.855；

所述双凹透镜一的入射面曲率半径R21满足：0.756≤R21/f≤0.836，出射面曲率半径R22满足：0.181≤R22/f≤0.200；

所述弯月透镜一的入射面曲率半径R31满足：0.185≤R31/f≤0.205，出射面曲率半径R32满足：1.920≤R32/f≤2.122；

所述弯月透镜二的入射面曲率半径R41满足：2.323≤R41/f≤2.568，出射面曲率半径R42满足：0.170≤R42/f≤0.188；

所述双凹透镜二的入射面曲率半径R51满足：0.165≤R51/f≤0.182，出射面曲率半径R52满足：0.412≤R52/f≤0.456；

所述双凸透镜二的入射面曲率半径R61满足：0.585≤R61/f≤0.646，出射面曲率半径R62满足：0.440≤R62/f≤0.487；

所述双凹透镜三的入射面曲率半径R71满足：0.635≤R71/f≤0.702，出射面曲率半径R72满足：2.688≤R72/f≤2.971。

4.如权利要求1所述的长焦距宽谱段消色差光学镜头，其特征在于，所述弯月透镜一和所述弯月透镜二沿光轴方向的光轴间距d满足0.15≤d/f≤0.25，其中，f为光学镜头焦距；

所述光阑和所述弯月透镜一以及所述弯月透镜二沿光轴方向的间距，均不小于所述光轴间距d的三分之一。

5.如权利要求1所述的长焦距宽谱段消色差光学镜头，其特征在于，所述双凸透镜一和所述弯月透镜二的折射率以及阿贝数均相同；所述双凹透镜一和所述双凹透镜二的折射率以及阿贝数均相同；所述弯月透镜一和所述双凸透镜二的折射率以及阿贝数均相同；所述双凸透镜一和所述双凹透镜一的折射率均相同。

6.如权利要求1至5任一项所述的长焦距宽谱段消色差光学镜头，其特征在于，所述双凸透镜一、所述双凹透镜一、所述弯月透镜一、所述弯月透镜二、所述双凹透镜二、所述双凸透镜二、所述双凹透镜三中任意两个相邻透镜之间均不形成胶合透镜；

所述第一透镜组、所述第二透镜组、以及所述第三透镜组均为玻璃透镜组。

7.如权利要求6所述的长焦距宽谱段消色差光学镜头，其特征在于，所述第一透镜组的入射光线的一侧设置有第一透光平板；其中所述第一透光平板为保护窗口或滤光片；

和/或，所述第二透镜组和所述第三透镜组之间设置有第二透光平板、反射镜、分光棱镜、立方棱镜中的一种或几种无光焦度光学元件，所述第二透光平板为保护窗口或滤光片。

8.如权利要求6所述的长焦距宽谱段消色差光学镜头，其特征在于，所述双凸透镜二为调焦透镜，所述双凸透镜二相对于所述双凹透镜二以及所述双凹透镜三沿光轴方向的距离可调。

9.如权利要求6所述的长焦距宽谱段消色差光学镜头，其特征在于，所述双凹透镜三为调焦透镜，所述双凹透镜三和所述双凸透镜二沿光轴方向的距离可调。

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