CN115616748B - 一种高清大像面手动变倍镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高清大像面手动变倍镜头，所述镜头的光学***由沿入射光路依次设置的正光焦度的固定组A、负光焦度的变倍组B、可变光阑C、正光焦度的补偿组D和平板滤镜组成；所述固定组A由依次设置的弯月负透镜A1、弯月正透镜A2、弯月正透镜A3组成；所述变倍组B由依次设置的弯月负透镜B1、双凹负透镜B2、弯月负透镜B3、弯月正透镜B4组成；所述补偿组D由依次设置的双凸正透镜D1、双凹负透镜D2、双凸正透镜D3、双凸正透镜D4、双凹负透镜D5、双凸正透镜D6、弯月负透镜D7、双凸正透镜D8组成。采用精简的三组群变焦形式有利于控制镜头体积，通过对镜头的像差级数和光线入射角的控制，降低了镜头的装配敏感性，增强其抗干扰性。
Description
技术领域
本发明涉及光学镜头领域，特别是一种高清大像面手动变倍镜头。
背景技术
随着机器视觉产业的兴起及发展，使得机器视觉镜头的受用场景逐渐增加，在一些精密检测、智慧识别、物流扫码、缺陷检测的应用场景下，优异的机器视觉***可极大程度的提高检测识别效率，为自动化生产检测提供诸多便利，而随着应用场景的增多，用户则需要频繁的进行检测机位调节和镜头更换来适应不同场景下放大倍率及拍摄距离的要求，增加了使用成本。
虽然变焦镜头可实现固定机位的不同倍率检测需求，但传统的自动变焦镜头在小范围物距下依靠前固定组的微补偿机制已经无法适应机器视觉检测的超宽物距范围高清检测的要求，为满足使用需求不得不选用不同焦距的定焦镜头进行检测识别。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种高清大像面手动变倍镜头，体积小，采用了精简的变倍补偿结构形式，通过对变倍组和补偿组的手动精确控制，实现多焦距、宽物距范围的灵活调节。
本发明采用以下方案实现：一种高清大像面手动变倍镜头，所述镜头的光学***由沿入射光路依次设置的正光焦度的固定组A、负光焦度的变倍组B、可变光阑C、正光焦度的补偿组D和平板滤镜组成；所述固定组A由依次设置的弯月负透镜A1、弯月正透镜A2、弯月正透镜A3组成；所述变倍组B由依次设置的弯月负透镜B1、双凹负透镜B2、弯月负透镜B3、弯月正透镜B4组成；所述补偿组D由依次设置的双凸正透镜D1、双凹负透镜D2、双凸正透镜D3、双凸正透镜D4、双凹负透镜D5、双凸正透镜D6、弯月负透镜D7、双凸正透镜D8组成。
进一步的，固定组A中弯月负透镜A1和弯月正透镜A2胶合密接形成第一胶合组；变倍组B中弯月负透镜B1和双凹负透镜B2胶合密接形成第二胶合组；补偿组D中双凹负透镜D2和双凸正透镜D3胶合密接形成第三胶合组，双凸正透镜D4和双凹负透镜D5胶合密接形成第四胶合组，双凸正透镜D6和弯月负透镜D7胶合密接形成第五胶合组。
进一步的，所述固定组A中第一胶合组的焦距F1和固定组A的焦距FA满足关系式：2.1＜F1/FA＜2.4；所述变倍组B中第二胶合组的焦距F2和变倍组B的焦距FB满足关系式: -2.6＜F2/FB＜-2.3；所述补偿组D中第三胶合组的焦距F3、第四胶合组的焦距F4、第五胶合组焦距F5和补偿组D的焦距FD满足关系式: 2.7＜F3/FD＜3.1，-1.5＜F4/FD＜-1.2，3.2＜F5/FD＜3.5。
进一步的，所述固定组A到变倍组B的空气距移动范围为1.0mm-18.83mm；所述变倍组B到可变光阑C的空气距移动范围为2.10mm-19.93mm；所述可变光阑C到补偿组D的空气距移动范围为1.76mm-8.84mm；所述补偿组D到平板滤镜的空气距移动范围为12.32mm-19.40mm。
进一步的，所述固定组A中弯月正透镜A2到弯月正透镜A3的空气间隔为0.1mm；所述变倍组B中弯月负透镜B1到双凹负透镜B2的空气间隔为5.35mm，双凹负透镜B2到弯月负透镜B3的空气间隔为0.88mm。
进一步的，所述补偿组D中双凸正透镜D1到双凹负透镜D2的空气间隔为1.74mm，双凸正透镜D3到双凸正透镜D4的空气间隔为0.1mm，双凹负透镜D5到双凸正透镜D6的空气间隔为1.17mm，弯月负透镜D7到双凸正透镜D8的空气间隔为5.44mm，平板滤镜到像面的空气间隔为0.1mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）采用精简的三组群变焦形式有利于控制镜头体积，通过对镜头的像差级数和光线入射角的控制，降低了镜头的装配敏感性，增强其抗干扰性；通过引入补偿组的物距调节功能，极大程度的拓宽了使用物距范围，使镜头在固定机位的多视野倍率检测、多物距场景下均能进行高分辨率成像，无需再频繁的更换镜头，使镜头具备更广泛的受用场景。
（2）补偿组通过三组胶合透镜组最大化的降低了大像面入射光线在镜片上的入射角度，不仅降低补偿组多镜片之间的组装敏感性，也使得大像面镜头的轴外像差得到控制，引入了两片正光焦度高阿贝数材料和高折射率的负光焦度镜片进行胶合可充分降低***的二级光谱，使镜头在大像面所带来的高像差级数下仍然可以保持高分辨率成像。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例的短焦光路示意图；
图2为本发明实施例的次长焦光路示意图；
图3为本发明实施例的长焦光路示意图；
图4为本发明实施例的短焦Spot点列图；
图5为本发明实施例的次长焦Spot点列图；
图6为本发明实施例的长焦Spot点列图；
图7为本发明实施例的短焦300mm物距MTF传函图；
图8为本发明实施例的短焦500mm物距MTF传函图；
图9为本发明实施例的短焦无穷远物距MTF传函图；
图10为本发明实施例的次长焦300mm物距MTF传函图；
图11为本发明实施例的次长焦500mm物距MTF传函图；
图12为本发明实施例的次长焦无穷远物距MTF传函图；
图13为本发明实施例的长焦300mm物距MTF传函图；
图14为本发明实施例的长焦500mm物距MTF传函图；
图15为本发明实施例的长焦无穷远物距MTF传函图；
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1~15所示，一种高清大像面手动变倍镜头，所述镜头的光学***由沿入射光路依次设置的正光焦度的固定组A、负光焦度的变倍组B、可变光阑C、正光焦度的补偿组D和平板滤镜组成；所述固定组A由依次设置的弯月负透镜A1、弯月正透镜A2、弯月正透镜A3组成；所述变倍组B由依次设置的弯月负透镜B1、双凹负透镜B2、弯月负透镜B3、弯月正透镜B4组成；所述补偿组D由依次设置的双凸正透镜D1、双凹负透镜D2、双凸正透镜D3、双凸正透镜D4、双凹负透镜D5、双凸正透镜D6、弯月负透镜D7、双凸正透镜D8组成。
在本实施例中，固定组A中弯月负透镜A1和弯月正透镜A2通过光敏胶胶合密接形成第一胶合组；变倍组B中弯月负透镜B1和双凹负透镜B2通过光敏胶胶合密接形成第二胶合组；补偿组D中双凹负透镜D2和双凸正透镜D3通过光敏胶胶合密接形成第三胶合组，双凸正透镜D4和双凹负透镜D5通过光敏胶胶合密接形成第四胶合组，双凸正透镜D6和弯月负透镜D7通过光敏胶胶合密接形成第五胶合组。
在本实施例中，第一胶合组的光焦度为正值；第二胶合组的光焦度为正值；第三胶合组的光焦度为正值；第四胶合组的光焦度为负值；补偿组D中密接胶合片5的光焦度为正值。
在本实施例中，第一胶合组的胶合面弯向光阑，正光焦度的弯月透镜A2采用高阿贝的材料同弯月负透镜A1进行胶合，有利于大孔径带色差的矫正；变倍组B中第二胶合组的胶合面弯向光阑；补偿组D中第三胶合组的胶合面背向光阑；补偿组D中第四胶合组的胶合面弯向光阑；补偿组D中第五胶合组的胶合面弯向光阑。补偿组D中采用多组胶合透镜组进行色差和球差的平衡矫正，并降低轴外像差。
在本实施例中，所述固定组A中第一胶合组的焦距F1和固定组A的焦距FA满足关系式：2.1＜F1/FA＜2.4；所述变倍组B中第二胶合组的焦距F2和变倍组B的焦距FB满足关系式:-2.6＜F2/FB＜-2.3；所述补偿组D中第三胶合组的焦距F3、第四胶合组的焦距F4、第五胶合组焦距F5和补偿组D的焦距FD满足关系式: 2.7＜F3/FD＜3.1，-1.5＜F4/FD＜-1.2，3.2＜F5/FD＜3.5。
在本实施例中，所述镜头内部镜片均采用环保的无色光学玻璃组合而成，其中，弯月负透镜A1的销材选用了重火石玻璃、弯月正透镜A2的销材选用了镧冕玻璃、弯月正透镜A3的销材选用了镧冕玻璃、弯月负透镜B1的销材选用了重镧火石玻璃、双凹负透镜B2的销材选用了镧冕玻璃、弯月负透镜B3的销材选用了冕火石玻璃、弯月正透镜B4的销材选用了重镧火石玻璃；双凸正透镜D1的销材选用了重镧火石玻璃、双凹负透镜D2的销材选用了重火石玻璃、双凸正透镜D3的销材选用了重火石玻璃、双凸正透镜D4的销材选用了重磷冕玻璃、双凹负透镜D5的销材选用了重火石玻璃、双凸正透镜D6的销材选用了重磷冕玻璃、弯月负透镜D7的销材选用了重火石玻璃、双凸正透镜D8的销材选用了重火石玻璃，各镜片表面镀有高透膜，以增加透过率减弱杂散光。
在本实施例中，所述弯月负透镜A1、弯月正透镜A2、弯月正透镜A3构成的固定组A在镜头使用过程中相对于像面保持固定状态；由弯月负透镜B1、双凹负透镜B2、弯月负透镜B3、弯月正透镜B4所构成的变倍组B在镜头使用过程中相对于像面保持运动状态，以实现镜头的焦距变化功能，其运动轨迹沿光轴方向进行左右移动；可变光阑C在镜头使用过程中相对于像面保持固定状态；由双凸正透镜D1、双凹负透镜D2、双凸正透镜D3、双凸正透镜D4、双凹负透镜D5、双凸正透镜D6、弯月负透镜D7、双凸正透镜D8所构成的补偿组D在镜头使用过程中相对于像面保持运动状态，以实现不同焦距的聚焦补偿功能，同时可对不同物距进行精确对焦，其运动轨迹沿光轴方向进行左右移动。
在本实施例中，第一胶合组和弯月正透镜A3之间采用金属隔圈进行间接承靠；变倍组B中弯月负透镜B1和双凹负透镜B2之间采用镜片边缘进行直接承靠；变倍组B中双凹负透镜B2和第二胶合组之间采用镜片边缘进行直接承靠。
在本实施例中，补偿组D中双凸正透镜D1和第三胶合组之间采用金属隔圈进行间接承靠；第三胶合组和第四胶合组之间采用金属隔圈进行间接承靠；第四胶合组和第五胶合组之间采用镜片边缘进行直接承靠；第五胶合组和双凸正透镜D8之间采用金属隔圈进行直接承靠。
在本实施例中，所述固定组A到变倍组B的空气距移动范围为1.0mm-18.83mm；所述变倍组B到可变光阑C的空气距移动范围为2.10mm-19.93mm；所述可变光阑C到补偿组D的空气距移动范围为1.76mm-8.84mm；所述补偿组D到平板滤镜的空气距移动范围为12.32mm-19.40mm。
在本实施例中，所述固定组A中弯月正透镜A2到弯月正透镜A3的空气间隔为0.1mm；所述变倍组B中弯月负透镜B1到双凹负透镜B2的空气间隔为5.35mm，双凹负透镜B2到弯月负透镜B3的空气间隔为0.88mm。
在本实施例中，所述补偿组D中双凸正透镜D1到双凹负透镜D2的空气间隔为1.74mm，双凸正透镜D3到双凸正透镜D4的空气间隔为0.1mm，双凹负透镜D5到双凸正透镜D6的空气间隔为1.17mm，弯月负透镜D7到双凸正透镜D8的空气间隔为5.44mm，平板滤镜到像面的空气间隔为0.1mm。
由上述光学镜片组所构成的一种高清大像面手动变倍镜头主要实现了以下光学指标：
1.焦距：10.8mm-30mm；
2.相对孔径：D/f′大于1/2.8；
3.物距范围：300mm-无穷远；
4.全像高≥14.4mm；
5.光学总长小于98mm；
6.工作温度：-40℃-70℃。
该高清大像面手动变倍镜头通过控制镜片的销材热膨胀系数和温度系数的选择来平衡结构件及镜片之间的温度漂移曲线，实现了不同温度下的无热化成像，使镜头在不同温度下工作时无需进行重新对焦。
该镜头采用三组式变焦结构实现手动变倍及聚集过程，其正光焦度的补偿组D可对不同物距的场曲进行精确补偿矫正、调节不同焦距下的的轴上和轴外像差，所述正光焦度的补偿组D的焦距FD和镜头的短焦段焦距FW满足关系式：1.8＜FD/FW＜2.1；所述正光焦度的补偿组D的焦距FD和镜头的长焦段焦距FT满足关系式：0.6＜FD/FT＜0.8；所述补偿组D的焦距FD和补偿组D中双凸正透镜焦距FD1满足关系式：0.9＜FD1/FD＜1.1；所述补偿组D的焦距FD和补偿组D中双凸正透镜焦距FD8满足关系式：1.6＜FD8/FD＜1.9。
在本实施例中，各镜片的面序号及其参数如下表所示,下表所示各曲率半径R及厚度间隔单位均为mm，面序号依次为各个镜片沿图1所示沿光线入射方向从左至右的次序排列：
表1为所述的一种高清大像面手动变倍镜头在短焦、次长焦、长焦下的光学镜片参数图表，图1-图3为所示的一种高清大像面手动变倍镜头在短焦、次长焦、长焦下的光路示意图。由图表相关参数可知此高清大像面镜头的各镜片面型均易于加工和控制，且具备紧凑化的外形体积和精简的手动变焦结构形式。
图4-6所示的是该高清大像面手动变倍镜头在短焦、次长焦、长焦下的Spot点列图，由图可知该镜头的像差经过***性的优化平衡后，其弥散斑半径已控制在很小的范围内，确保镜头无成像拖影，且具备优秀的成像锐度。
图7-图9所示的是该高清大像面手动变倍镜头在短焦下不同物距的MTF传函图表，由图可知经补偿组D对轴上及轴外的像差的补偿矫正后，在300mm物距进行成像时，其轴上光线在80lp/mm时MTF＞0.7，轴外光线在80lp/mm时MTF＞0.3；在500mm物距进行成像时，其轴上光线在80lp/mm时MTF＞0.7，轴外光线在80lp/mm时MTF＞0.5；对无穷远物距进行成像时，其轴上光线在80lp/mm时MTF＞0.7，轴外光线在80lp/mm时MTF＞0.2。
图10-图12所示的是该高清大像面手动变倍镜头在次长焦下不同物距的MTF传函图表，由图可知经补偿组D对轴上及轴外的像差的补偿矫正后，在300mm物距进行成像时，其轴上光线在80lp/mm时MTF＞0.75，轴外光线在80lp/mm时MTF＞0.4；在500mm物距进行成像时，其轴上光线在80lp/mm时MTF＞0.75，轴外光线在80lp/mm时MTF＞0.6；对无穷远物距进行成像时，其轴上光线在80lp/mm时MTF＞0.75，轴外光线在80lp/mm时MTF＞0.3。
图13-图15所示的是该高清大像面手动变倍镜头在长焦下不同物距的MTF传函图表，由图可知经补偿组D对轴上及轴外的像差的补偿矫正后，在300mm物距进行成像时，其轴上光线在80lp/mm时MTF＞0.75，轴外光线在80lp/mm时MTF＞0.4；在500mm物距进行成像时，其轴上光线在80lp/mm时MTF＞0.8，轴外光线在80lp/mm时MTF＞0.55；对无穷远物距进行成像时，其轴上光线在80lp/mm时MTF＞0.8，轴外光线在80lp/mm时MTF＞0.5。
综上所述，本发明镜头的固定组A、变倍组B、补偿组D通过引入多枚胶合片镜组对镜头的复色光像差进行矫正平衡，通过对大视场光线的优化控制充分降低***的轴外像差，使镜头在各个焦段、各个视场、各个物距段均能保持优异的成像及检测性能；此镜头采用精简的三组群变焦结构形式使镜头体积进一步减小，通过对各组镜片的像差级数控制，使各组元均能具备优秀的抗干扰能力，使镜头具备更广泛的受用场景。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种高清大像面手动变倍镜头，其特征在于：所述镜头的光学***由沿入射光路依次设置的正光焦度的固定组A、负光焦度的变倍组B、可变光阑C、正光焦度的补偿组D和平板滤镜组成；所述固定组A由依次设置的弯月负透镜A1、弯月正透镜A2、弯月正透镜A3组成；所述变倍组B由依次设置的弯月负透镜B1、双凹负透镜B2、弯月负透镜B3、弯月正透镜B4组成；所述补偿组D由依次设置的双凸正透镜D1、双凹负透镜D2、双凸正透镜D3、双凸正透镜D4、双凹负透镜D5、双凸正透镜D6、弯月负透镜D7、双凸正透镜D8组成；所述固定组A中第一胶合组的焦距F1和固定组A的焦距FA满足关系式：2.1＜F1/FA＜2.4；所述变倍组B中第二胶合组的焦距F2和变倍组B的焦距FB满足关系式: -2.6＜F2/FB＜-2.3；所述补偿组D中第三胶合组的焦距F3、第四胶合组的焦距F4、第五胶合组焦距F5和补偿组D的焦距FD满足关系式: 2.7＜F3/FD＜3.1，-1.5＜F4/FD＜-1.2，3.2＜F5/FD＜3.5。
2.根据权利要求1所述的高清大像面手动变倍镜头，其特征在于：固定组A中弯月负透镜A1和弯月正透镜A2胶合密接形成第一胶合组；变倍组B中弯月负透镜B1和双凹负透镜B2胶合密接形成第二胶合组；补偿组D中双凹负透镜D2和双凸正透镜D3胶合密接形成第三胶合组，双凸正透镜D4和双凹负透镜D5胶合密接形成第四胶合组，双凸正透镜D6和弯月负透镜D7胶合密接形成第五胶合组。
3.根据权利要求1所述的高清大像面手动变倍镜头，其特征在于：所述固定组A到变倍组B的空气距移动范围为1.0mm-18.83mm；所述变倍组B到可变光阑C的空气距移动范围为2.10mm-19.93mm；所述可变光阑C到补偿组D的空气距移动范围为1.76mm-8.84mm；所述补偿组D到平板滤镜的空气距移动范围为12.32mm-19.40mm。
4.根据权利要求1或3所述的高清大像面手动变倍镜头，其特征在于：所述固定组A中弯月正透镜A2到弯月正透镜A3的空气间隔为0.1mm；所述变倍组B中弯月负透镜B1到双凹负透镜B2的空气间隔为5.35mm，双凹负透镜B2到弯月负透镜B3的空气间隔为0.88mm。
5.根据权利要求1或3所述的高清大像面手动变倍镜头，其特征在于：所述补偿组D中双凸正透镜D1到双凹负透镜D2的空气间隔为1.74mm，双凸正透镜D3到双凸正透镜D4的空气间隔为0.1mm，双凹负透镜D5到双凸正透镜D6的空气间隔为1.17mm，弯月负透镜D7到双凸正透镜D8的空气间隔为5.44mm，平板滤镜到像面的空气间隔为0.1mm。
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