一种恒定大光圈的变焦镜头

技术领域

本发明涉及光学成像领域，尤其涉及一种恒定大光圈的变焦镜头。

背景技术

变焦镜头由于其焦距可变从而可适用多种监控场景，在安防监控市场上越来越受到青睐。

市面现有的恒定光圈变焦头，仍存在一些性能缺陷而限制其使用场景。如广角端角度不够大，监控范围有限；光圈较小，不能满足低照度环境的监控需求；解像力不足，分辨率较低，变倍范围较小，监控范围有限等诸多缺点。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种恒定大光圈的变焦镜头，解决变焦镜头成像性能差的问题。。

为实现上述目的，本发明提供一种恒定大光圈的变焦镜头，包括：从物侧至像侧依次设置的具有正光焦度的第一透镜组、具有负光焦度的第二透镜组、光阑、具有正光焦度的第三透镜组和具有正光焦度的第四透镜组；

所述第一透镜组和第三透镜组为固定组，所述第二透镜组沿光轴从物侧向像侧移动进行从广角端向望远端的变倍，同时通过所述第四透镜组沿光轴移动，用于变倍过程中像面位置的校正；

所述第一透镜组与所述第二透镜组满足：

2.0≤(d

其中，d

根据本发明的一个方面，所述第一透镜组包括：一枚光焦度为负的镜片，两枚光焦度为正的镜片；

根据本发明的一个方面，所述第二透镜组包括：两枚或三枚光焦度为负的镜片，一枚光焦度为正的镜片；

根据本发明的一个方面，所述第三透镜组包括：三枚或四枚光焦度为负的镜片，三枚或四枚光焦度为正的镜片；其中，从物侧到像侧方向，所述第三透镜组中最后一枚镜片的光焦度为正；

根据本发明的一个方面，所述第四透镜组包括：两枚光焦度为负的镜片和两枚光焦度为正的镜片；其中，从物侧到像侧方向，所述第四透镜组中最后一枚镜片的光焦度为负。

根据本发明的一个方面，所述第三透镜组中的所述镜片中具有一枚非球面镜片。

根据本发明的一个方面，所述第一透镜组中，具有一枚双胶合透镜组；

所述第二透镜组中，具有一枚双胶合透镜组；

所述第三透镜组中，具有一枚或两枚双胶合透镜组；

所述第四透镜组中，具有一枚或两枚双胶合透镜组。

根据本发明的一个方面，所述第二透镜组焦距f

根据本发明的一个方面，所述第三透镜组焦距f

根据本发明的一个方面，所述第一透镜组中，至少有一枚光焦度为正的镜片的相对折射率温度系数dn/dt

根据本发明的一个方面，所述第二透镜组中，至少有一枚光焦度为负的镜片的相对折射率温度系数dn/dt

根据本发明的一个方面，所述第三透镜组中，至少有一枚光焦度为正的镜片的折射率Nd

根据本发明的一个方面，所述第四透镜组中，至少有一枚光焦度为正的镜片的折射率Nd

根据本发明的一个方案，本发明的变焦镜头通过合理地搭配四个透镜组，实现不同倍率下都能高质量成像。

根据本发明的一个方案，本发明的变焦镜头通过合理地分布不同折射率的玻璃，达到高质量的成像效果。

根据本发明的一个方案，本发明的变焦镜头具有优秀的解像力，像质接近衍射极限。

根据本发明的一个方案，本发明的变焦镜头具有大且恒定光圈，保证不同倍率下照度均匀。

根据本发明的一个方案，本发明的变焦镜头能够实现红外共焦，保证了在可见光波长和红外光波长下都能高质量成像。

根据本发明的一个方案，本发明的变焦镜头畸变小，成像质量高，像质均匀，画质细腻，色彩丰富，对比度高。

根据本发明的一个方案，本发明的变焦镜头整体透过率高，且画面亮度均匀。

根据本发明的一个方案，本发明的变焦镜头能够解决温度漂移问题，在-40℃～80℃的温度范围不需重新对焦即可清晰成像。

根据本发明的一个方案，本发明的变焦镜头单部品及组装公差较好，有良好的制造性。

根据本发明的一个方案，第一透透镜组G1为固定组，主要作用为校正系统的像差及畸变，同时减小公差敏感度，保证画面的均匀性。采用第二透镜组G2移动设置，在实现从广角端向望远端的变倍的同时也可以保证光圈值变化较小。第三透镜组G3为固定组，分担了第一、二透镜组对主光线入射角度的校正压力，保证良好的色彩还原度。采用第四透镜组G4移动来进行不同倍率下的对焦，可以更有效地提高不同物距下的成像质量，保证了画面的均匀性。

附图说明

图1-2是示意性表示本发明的实施例1中变焦镜头物距为无限远时广角端、望远端的镜头结构图；

图3-5是示意性表示本发明的实施例1中变焦镜头物距为无限远时广角端的位置色差、倍率色差、畸变图；

图6-8是示意性表示本发明的实施例1中变焦镜头物距为无限远时望远端的位置色差、倍率色差、畸变图；

图9是示意性表示本发明的实施例1中变焦镜头物距为无限远时广角端的性能图、可见光与红外的离焦曲线及高低温下的离焦曲线图；

图10-11是示意性表示本发明的实施例2中变焦镜头物距为无限远时广角端、望远端的镜头结构图；

图12-14是示意性表示本发明的实施例2中变焦镜头物距为无限远时广角端的位置色差、倍率色差、畸变图；

图15-17是示意性表示本发明的实施例2中变焦镜头物距为无限远时望远端的位置色差、倍率色差、畸变图；

图18是示意性表示本发明的实施例2中变焦镜头物距为无限远时广角端的性能图、可见光与红外的离焦曲线及高低温下的离焦曲线图；

图19-21是示意性表示本发明的实施例3中变焦镜头物距为无限远时广角端、望远端的镜头结构图；

图22-23是示意性表示本发明的实施例3中变焦镜头物距为无限远时广角端的位置色差、倍率色差、畸变图；

图24-26是示意性表示本发明的实施例3中变焦镜头物距为无限远时望远端的位置色差、倍率色差、畸变图；

图27是示意性表示本发明的实施例3中变焦镜头物距为无限远时广角端的性能图、可见光与红外的离焦曲线及高低温下的离焦曲线图；

图28-29是示意性表示本发明的实施例4中变焦镜头物距为无限远时广角端、望远端的镜头结构图；

图30-32是示意性表示本发明的实施例4中变焦镜头物距为无限远时广角端的位置色差、倍率色差、畸变图；

图33-35是示意性表示本发明的实施例4中变焦镜头物距为无限远时望远端的位置色差、倍率色差、畸变图；

图36是示意性表示本发明的实施例4中变焦镜头物距为无限远时广角端的性能图、可见光与红外的离焦曲线及高低温下的离焦曲线图；

图37-38是示意性表示本发明的实施例5中变焦镜头物距为无限远时广角端、望远端的镜头结构图；

图39-41是示意性表示本发明的实施例5中变焦镜头物距为无限远时广角端的位置色差、倍率色差、畸变图；

图42-44是示意性表示本发明的实施例5中变焦镜头物距为无限远时望远端的位置色差、倍率色差、畸变图；

图45是示意性表示本发明的实施例5中变焦镜头物距为无限远时广角端的性能图、可见光与红外的离焦曲线及高低温下的离焦曲线图。

具体实施方式

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。

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。

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。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种恒定大光圈的变焦镜头，包括：沿光轴从物侧至像侧依次排列的具有正光焦度的第一透镜组G1、具有负光焦度的第二透镜组G2、光阑STOP、具有正光焦度的第三透镜组G3和具有正光焦度的第四透镜组G4。在本实施方式中，第一透镜组G1和第三透镜组G3为固定组，第二透镜组G2沿光轴从物侧向像侧移动进行从广角端向望远端的变倍，同时通过第四透镜组G4沿光轴移动，用于变倍过程中像面位置的校正。

在本实施方式中，第一透镜组G1与第二透镜组G2满足：

2.0≤(d

其中，d

通过上述设置，使第一透镜组G1与第二透镜组G2满足上述关系式，有效减小第一透镜组G1和第二透镜组G2之间产生的像差，通过还有效控制了整个变焦镜头的体积，缩减了整个变焦镜头的设计和制造成本。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第一透镜组G1包括：一枚光焦度为负的镜片，两枚光焦度为正的镜片。在本实施方式中，第一透镜组G1中，具有一枚采用上述多个镜片构成的双胶合透镜组。

通过上述设置，采用正负光焦度的镜片搭配使用，有利于校正第一透镜组G1内部的球差、像散和畸变，进而有利于实现本发明的变焦镜头的大光圈效果。此外，通过上述设置，还有效减小了透镜组呢的公差敏感度，对于降低群组的生产、组装的难度有益。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第二透镜组G2包括：两枚或三枚光焦度为负的镜片，一枚光焦度为正的镜片。在本实施方式中，第二透镜组G2中，具有一枚采用多个镜片构成的双胶合透镜组。

通过上述设置，采用正负光焦度的镜片以及胶合透镜组的形式搭配使用，有利于校正第二透镜组G2内部的球差、像散和畸变。第二透镜组G2内部像差的校正有利于减小第一透镜组对像差校正的负担比例，能够更好地降低活动组的公差敏感度，对全面提升整个变焦镜头的成像质量有利。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第三透镜组G3包括：三枚或四枚光焦度为负的镜片，三枚或四枚光焦度为正的镜片；其中，从物侧到像侧方向，第三透镜组G3中最后一枚镜片的光焦度为正；在本实施方式中，第三透镜组G3中，具有一枚或两枚采用上述多个镜片构成的双胶合透镜组。在本实施方式中，第三透镜组G3中的镜片中具有一枚非球面镜片。

通过上述设置，在第三透镜组中使用胶合镜片以及非球面透镜，光学系统能够平顺地收集入射光线，能够有效减小大视场角入射光线产生的场曲和像散，在实现大光圈的同时保持低畸变的优点。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第四透镜组G4包括：两枚光焦度为负的镜片和两枚光焦度为正的镜片；其中，从物侧到像侧方向，第四透镜组G4中最后一枚镜片的光焦度为负。在本实施方式中，第四透镜组G4中，具有一枚或两枚采用上述多个镜片构成的双胶合透镜组。

通过上述设置，采用采用正负光焦度的镜片以及胶合透镜组的形式搭配使用，有利于保证充足的后焦和较大的成像画幅，同时，还有利于达成较小的主光线入射角，实现画面色彩的高还原性。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第二透镜组G2焦距f

通过上述设置，第二透镜组的焦距和变焦镜头的广角端的焦距满足上述关系，有效提高了本发明的望远端的解像力，同时可达到大倍率变焦与小体积的要求，有效缩减了设计和制造成本。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第三透镜组G3焦距f

通过上述设置，第三透镜组的焦距和变焦镜头的广角端的焦距满足上述关系式，可以有效地降低第三透镜组的公差敏感度，有效提升了整个变焦镜头的解像力。此外，通过上述设置，还使得本发明的变焦镜头可达到大倍率变焦与小体积的要求，有效缩减了设计和制造成本。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第一透镜组G1中，至少有一枚光焦度为正的镜片的相对折射率温度系数dn/dt

通过上述设置，选择性的使第一透镜组中的镜片满足上述关系式，有利于无热化系统的温度校正，可以更有效地平衡该变焦镜头望远端在高低温状态下的像面漂移量。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第二透镜组G2中，至少有一枚光焦度为负的镜片的相对折射率温度系数dn/dt

通过上述设置，选择性的使第一透镜组中的镜片满足上述关系式，有利于无热化系统的温度校正，可以更有效地平衡该变焦镜头望远端在高低温状态下的像面漂移量。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第三透镜组G3中，至少有一枚光焦度为正的镜片的折射率Nd

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，第四透镜组G4中，至少有一枚光焦度为正的镜片的折射率Nd

通过上述设置，选择性的使第三透镜组G3中的镜片满足上述关系式，可以有效校正第三透镜组与第四透镜组的色差和畸变，从而对提高整个变焦系统的成像质量有利。

根据本发明，第一透透镜组G1为固定组，主要作用为校正系统的像差及畸变，同时减小公差敏感度，保证画面的均匀性。采用第二透镜组G2移动设置，在实现从广角端向望远端的变倍的同时也可以保证光圈值变化较小。第三透镜组G3为固定组，分担了第一、二透镜组对主光线入射角度的校正压力，保证良好的色彩还原度。采用第四透镜组G4移动来进行不同倍率下的对焦，可以更有效地提高不同物距下的成像质量，保证了画面的均匀性。

以下根据本发明的上述设置给出五组具体实施方式来具体说明根据本发明的变焦镜头。

在以下实施方式中，非球面透镜面型满足下式：

Z＝cy

其中，参数c为非球面透镜的半径所对应的曲率，y为非球面透镜的径向坐标，其单位与透镜长度单位相同，k为非球面透镜的圆锥二次曲线系数，a4，a6…a12分别为非球面相应阶次系数。

五组实施方式数据汇总后如下表1中数据：

表1

以下各实施方式分别结合附图所示的变焦镜头结构进行说明。

实施方式一：

在本实施方式中，该变焦镜头各参数如下所述：

TTL＝168.1mm；

FNO＝1.10；

广角端焦距f

望远端焦距f

在本实施方式中，变焦镜头中，从物侧到像侧方向，第一透镜组G1中依次设置有第一镜片L1、第二镜片L2和第三镜片L3；

从物侧到像侧方向，第二透镜组G2中的依次设置有第四镜片L4、第五镜片L5、第六镜片L6和第七镜片L7；

从物侧到像侧方向，第三透镜组G3中依次设置有第八镜片L8、第九镜片L9、第十镜片L10、第十一镜片L11、第十二镜片L12、第十三镜片L13和第十四镜片L14；

从物侧到像侧方向，第四透镜组G4中，依次设置有第十五镜片L15、第十六镜片L16、第十七镜片L17和第十八镜片L18。

因为根据本发明的变焦镜头共有十八片透镜，其中还具有多个胶合透镜组，再加上光阑面STOP，一共30个面。这30个面按照本发明的结构顺序依次排列布置，为了便于叙述说明，将30个面编号为sur1至sur30，其中光阑面用Stop代替sur13，胶合透镜组中的胶合面以一个编号表示，成像面表示为Image。

表2为实施方式一的参数表：

表2

在本实施方式中，非球面数据如下表3所示：

表3

在本实施方式中，第一透镜组G1中的第二枚透镜L2的相对折射率温度系数为：dn/dt

第一透镜组G1中的第三枚透镜L3的相对折射率温度系数为：dn/dt

第二透镜组G2中的第四枚透镜L7的相对折射率温度系数为：dn/dt

在本实施方式中，第三透镜群G3中第五枚透镜L12其折射率和阿贝数为：Nd

第四透镜群G4中第二枚透镜L16其折射率和阿贝数为：Nd

结合图3至图9，通过优选以上参数值，本实施方式镜头最大光圈1.1，实现了大光圈，可见光与红外光共焦，以及广角端和望远端最大视场角最优的效果。此外，本发明的变焦镜头还具有温度补偿的优点，在较大的温差范围内，镜头不需要重新对焦可以保证与常温相同的解像力。

实施方式二：

在本实施方式中，该变焦镜头各参数如下所述：

TTL＝169.3mm；

FNO＝1.0；

广角端焦距f

望远端焦距f

在本实施方式中，变焦镜头中，从物侧到像侧方向，第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3和第四透镜组G4中镜片数与实施方式一是一致的，在此不再赘述。

在本实施方式中，本发明的变焦镜头共有十八片透镜，其中还具有多个胶合透镜组，再加上光阑面STOP，一共31个面。这31个面按照本发明的结构顺序依次排列布置，为了便于叙述说明，将31个面编号为sur1至sur31，其中光阑面用Stop代替sur13，胶合透镜组中的胶合面以一个编号表示，成像面表示为Image。

表4为实施方式二参数表：

表4

在本实施方式中，非球面数据如下表5所示：

表5

在本实施方式中，第一透镜群G1中的第三枚透镜L3的相对折射率温度系数为：dn/dt

第二透镜群G2中的第一枚透镜L4的相对折射率温度系数为：dn/dt

在本实施方式中，第三透镜群G3中第五枚透镜L12其折射率和阿贝数为：Nd

第四透镜群G4中第二枚透镜L16其折射率和阿贝数为：NdL16＝1.69，VdL16＝54.6。

结合图12至图18，通过优选以上参数值，本实施方式镜头最大光圈1.0，实现了大光圈，可见光与红外光共焦，以及广角端和望远端最大视场角最优的效果。此外，本发明的变焦镜头还具有温度补偿的优点，在较大的温差范围内，镜头不需要重新对焦可以保证与常温相同的解像力。

实施方式三：

在本实施方式中，该变焦镜头各参数如下所述：

TTL＝181.34mm；

FNO＝1.0；

广角端焦距fw＝19.5；

望远端焦距ft＝60.5；

在本实施方式中，变焦镜头中，从物侧到像侧方向，第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3和第四透镜组G4中镜片数是一致的，在此不再赘述。

在本实施方式中，本发明的变焦镜头共有十八片透镜，其中还具有多个胶合透镜组，再加上光阑面STOP，一共32个面。这32个面按照本发明的结构顺序依次排列布置，为了便于叙述说明，将31个面编号为sur1至sur31，其中光阑面用Stop代替sur13，胶合透镜组中的胶合面以一个编号表示，成像面表示为Image。

表6为实施方式三的参数表：

表6

在本实施方式中，非球面数据如下表7所示：

表7

在本实施方式中，第一透镜群G1中的第二枚透镜L2的相对折射率温度系数为：dn/dt

第二透镜群G2中的第一枚透镜L4的相对折射率温度系数为：dn/dt

在本实施方式中，第三透镜群G3中第五枚透镜L12其折射率和阿贝数为：Nd

第四透镜群G4中第一枚透镜L15其折射率和阿贝为：Nd

结合图21至图27，通过优选以上参数值，本实施方式镜头最大光圈1.0，实现了大光圈，可见光与红外光共焦，以及广角端和望远端最大视场角最优的效果。此外，本发明的变焦镜头还具有温度补偿的优点，在较大的温差范围内，镜头不需要重新对焦可以保证与常温相同的解像力。

实施方式四：

在本实施方式中，该变焦镜头各参数如下所述：

TTL＝174.9mm；

FNO＝1.1；

广角端焦距fw＝12.5；

望远端焦距ft＝58.6；

在本实施方式中，变焦镜头中，从物侧到像侧方向，第一透镜组G1中依次设置有第一镜片L1、第二镜片L2和第三镜片L3；

从物侧到像侧方向，第二透镜组G2中的依次设置有第四镜片L4、第五镜片L5和第六镜片L6；

从物侧到像侧方向，第三透镜组G3中依次设置有第七镜片L7、第八镜片L8、第九镜片L9、第十镜片L10、第十一镜片L11、第十二镜片L12和第十三镜片L13；

从物侧到像侧方向，第四透镜组G4中，依次设置有第十四镜片L14、第十五镜片L15、第十六镜片L16和第十七镜片L17。

在本实施方式中，本发明的变焦镜头共有十七片透镜，其中还具有多个胶合透镜组，再加上光阑面STOP，一共28个面。这28个面按照本发明的结构顺序依次排列布置，为了便于叙述说明，将28个面编号为sur1至sur28，其中光阑面用Stop代替sur11，胶合透镜组中的胶合面以一个编号表示，成像面表示为Image。

表8为实施方式四的参数表：

表8

在本实施方式中，非球面数据如下表9所示：

表9

在本实施方式中，第一透镜群G1中的第二枚透镜L2的相对折射率温度系数为：dn/dt

第一透镜群G1中的第三枚透镜L3的相对折射率温度系数为：dn/dt

第二透镜群G2中的第三枚透镜L6的相对折射率温度系数为：dn/dt

在本实施方式中，第三透镜群G3中第四枚透镜L10其折射率和阿贝数为：Nd

第四透镜群G4中第二枚透镜L15其折射率和阿贝为：Nd

结合图30至图36，通过优选以上参数值，本实施方式镜头最大光圈1.1，实现了大光圈，可见光与红外光共焦，以及广角端和望远端最大视场角最优的效果。此外，本发明的变焦镜头还具有温度补偿的优点，在较大的温差范围内，镜头不需要重新对焦可以保证与常温相同的解像力。

实施方式五：

在本实施方式中，该变焦镜头各参数如下所述：

TTL＝174.5mm；

FNO＝1.0；

广角端焦距fw＝11；

望远端焦距ft＝60.5；

在本实施方式中，变焦镜头中，从物侧到像侧方向，第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3和第四透镜组G4中镜片数与实施方式一是一致的，在此不再赘述。

在本实施方式中，本发明的变焦镜头共有十八片透镜，其中还具有多个胶合透镜组，再加上光阑面STOP，一共32个面。这31个面按照本发明的结构顺序依次排列布置，为了便于叙述说明，将32个面编号为sur1至sur32，其中光阑面用Stop代替sur13，胶合透镜组中的胶合面以一个编号表示，成像面表示为Image。

表10为实施方式五参数表：

表10

在本实施方式中，非球面数据如下表11所示：

表11

在本实施方式中，第一透镜群G1中的第一枚透镜L1的相对折射率温度系数为：dn/dt

第二透镜群G2中的第四枚透镜L7的相对折射率温度系数为：dn/dt

在本实施方式中，第三透镜群G3中第五枚透镜L12其折射率和阿贝数为：Nd

第四透镜群G4中第一枚透镜L15其折射率和阿贝数为：Nd

结合图39至图45，通过优选以上参数值，本实施方式镜头最大光圈1.0，实现了大光圈，可见光与红外光共焦，以及广角端和望远端最大视场角最优的效果。此外，本发明的变焦镜头还具有温度补偿的优点，在较大的温差范围内，镜头不需要重新对焦可以保证与常温相同的解像力。

通过上述描述可知，本发明的变焦镜头实现了最大光圈≤1.2，可实现可见光与红外光共焦。并且镜头设计考虑温度补偿，在较大的温度范围内，镜头不需要重新对焦可以保证与常温相同的解像力。

以上仅为本发明的一个实施方式而已，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，均应包含在本发明的保护范围之内。