一種變焦系統(tǒng)及其凸輪曲線實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種變焦系統(tǒng)及變焦系統(tǒng)的凸輪曲線實(shí)現(xiàn)方法，其中，方法包括根據(jù)變焦系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，確定前固定鏡組的焦距、變倍鏡組的焦距、補(bǔ)償鏡組的焦距以及后固定鏡組的焦距，以及確定前固定鏡組的結(jié)構(gòu)、變倍鏡組的結(jié)構(gòu)、補(bǔ)償鏡組的結(jié)構(gòu)以及后固定鏡組的結(jié)構(gòu)；確定變焦系統(tǒng)在不同焦距下，對(duì)應(yīng)的多組前固定鏡組焦點(diǎn)與變倍鏡組焦點(diǎn)之間的距離L1、變倍鏡組焦點(diǎn)與補(bǔ)償鏡組焦點(diǎn)之間的距離L2，以及補(bǔ)償鏡組焦點(diǎn)與后固定鏡組焦點(diǎn)之間的距離L3；根據(jù)多組L1、L2以及L3得到凸輪曲線。使鏡組以最小的移動(dòng)距離來(lái)實(shí)現(xiàn)所需變倍比及結(jié)構(gòu)上的小型化，而且凸輪曲線更易加工。
【專利說明】一種變焦系統(tǒng)及其凸輪曲線實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)成像【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種變焦系統(tǒng)及其凸輪曲線實(shí)現(xiàn)方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]早在20世紀(jì)，變焦系統(tǒng)就廣泛應(yīng)用于顯微、照相、望遠(yuǎn)等領(lǐng)域中。近年來(lái)，隨著光學(xué)儀器不斷發(fā)展，變焦鏡頭發(fā)展迅速起來(lái)，逐漸向著高變倍比、小型化、高像質(zhì)的方向發(fā)展，使變焦鏡頭的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。
[0003]變焦系統(tǒng)的小型化和凸輪曲線的優(yōu)化是設(shè)計(jì)變焦系統(tǒng)時(shí)重點(diǎn)考慮的因素。變焦系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)組份只有沿著已設(shè)計(jì)好的凸輪曲線準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，才能保證各個(gè)焦距處的像面穩(wěn)定，成像質(zhì)量較好。
[0004]變焦系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)目前采用較多的是引入非球面或者二元衍射元件，或使用液體透鏡來(lái)縮短總長(zhǎng)，這些方法加工上不容易實(shí)現(xiàn)，且成本較高，不能滿足變焦鏡頭的各領(lǐng)域使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實(shí)施例的目的是提供一種變焦系統(tǒng)及其凸輪曲線實(shí)現(xiàn)方法，優(yōu)化凸輪曲線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化。
[0006]本發(fā)明實(shí)施例的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種變焦系統(tǒng)，包括依次設(shè)置的前固定鏡組、變倍鏡組、補(bǔ)償鏡組和后固定鏡組，所述前固定鏡組包括依次設(shè)置的四個(gè)單透鏡，所述變倍鏡組包括依次設(shè)置的一個(gè)單透鏡和一個(gè)雙膠合透鏡，所述補(bǔ)償鏡組包括一個(gè)雙膠合透鏡，所述后固定鏡組包括依次設(shè)置的兩個(gè)單透鏡和兩個(gè)雙膠合透鏡，所述前固定鏡組的焦距為303mm、所述變倍鏡組的焦距為-53mm、所述補(bǔ)償鏡組的焦距為115mm，所述后固定鏡組的焦距為54mm。
[0008]一種變焦系統(tǒng)的凸輪曲線實(shí)現(xiàn)方法，包括:
[0009]根據(jù)變焦系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，確定前固定鏡組的焦距、變倍鏡組的焦距、補(bǔ)償鏡組的焦距以及后固定鏡組的焦距，以及確定所述前固定鏡組的結(jié)構(gòu)、所述變倍鏡組的結(jié)構(gòu)、所述補(bǔ)償鏡組的結(jié)構(gòu)以及所述后固定鏡組的結(jié)構(gòu)；
[0010]確定變焦系統(tǒng)在不同焦距下，對(duì)應(yīng)的多組所述前固定鏡組焦點(diǎn)與所述變倍鏡組焦點(diǎn)之間的距離L1、所述變倍鏡組焦點(diǎn)與所述補(bǔ)償鏡組焦點(diǎn)之間的距離L2，以及所述補(bǔ)償鏡組焦點(diǎn)與所述后固定鏡組焦點(diǎn)之間的距離L3 ；
[0011]根據(jù)多組所述L1、L2以及L3得到凸輪曲線。
[0012]由上述本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以看出，建立變焦系統(tǒng)的焦距與各組份之間的空氣間隔的關(guān)系，從而得出任一焦距處各組份之間的可變厚度，將焦距按照一定的步長(zhǎng)設(shè)置，就可得出多組空氣間隔，從而可得出最后加工的凸輪曲線，在保證像質(zhì)的條件下，使鏡組以最小的移動(dòng)距離來(lái)實(shí)現(xiàn)所需變倍比及結(jié)構(gòu)上的小型化，輕量化、簡(jiǎn)單化。【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。
[0014]圖1為本發(fā)明實(shí)施例變焦系統(tǒng)的凸輪曲線實(shí)現(xiàn)方法的流程示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的變焦系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖3為本發(fā)明實(shí)例的變焦系統(tǒng)短焦時(shí)光學(xué)結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖4為本發(fā)明實(shí)例的變焦系統(tǒng)中焦時(shí)光學(xué)結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖5為本發(fā)明實(shí)例的變焦系統(tǒng)長(zhǎng)焦時(shí)光學(xué)結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖6為本發(fā)明實(shí)例光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)焦處全視場(chǎng)的傳遞函數(shù)。
[0020]圖7為本發(fā)明實(shí)例光學(xué)系統(tǒng)短焦處全視場(chǎng)的傳遞函數(shù)。
[0021]圖8為本發(fā)明實(shí)施例的變焦系統(tǒng)凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0023]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供一種變焦系統(tǒng)的凸輪曲線實(shí)現(xiàn)方法，包括:
[0024]11、根據(jù)變焦系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，確定前固定鏡組的焦距、變倍鏡組的焦距、補(bǔ)償鏡組的焦距以及后固定鏡組的焦距，以及確定所述前固定鏡組的結(jié)構(gòu)、所述變倍鏡組的結(jié)構(gòu)、所述補(bǔ)償鏡組的結(jié)構(gòu)以及所述后固定鏡組的結(jié)構(gòu)；
[0025]12、確定變焦系統(tǒng)在不同焦距下，對(duì)應(yīng)的多組所述前固定鏡組焦點(diǎn)與所述變倍鏡組焦點(diǎn)之間的距離L1、所述變倍鏡組焦點(diǎn)與所述補(bǔ)償鏡組焦點(diǎn)之間的距離L2，以及所述補(bǔ)償鏡組焦點(diǎn)與所述后固定鏡組焦點(diǎn)之間的距離L3 ；
[0026]13、根據(jù)多組所述L1、L2以及L3得到凸輪曲線。
[0027]由上述本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以看出，建立變焦系統(tǒng)的焦距與各組份之間的空氣間隔的關(guān)系，這樣可以檢索出任何一個(gè)焦距處各組份之間的可變厚度，將焦距按照一定的步長(zhǎng)設(shè)置，就可得出多組空氣間隔，從而可得出最后加工的凸輪曲線，在保證像質(zhì)的條件下，使鏡組以最小的移動(dòng)距離來(lái)實(shí)現(xiàn)所需變倍比及結(jié)構(gòu)上的小型化，輕量化、簡(jiǎn)單化。
[0028]具體而言，依據(jù)高斯理論，根據(jù)變焦系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，確定前固定鏡組的焦距、變倍鏡組的焦距、補(bǔ)償鏡組的焦距以及后固定鏡組的焦距。
[0029]示例性的，所述變焦系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求可以包括:變倍比為20，變焦范圍為30?600mm (毫米)，視場(chǎng)角為16度，相對(duì)孔徑為4，光譜范圍為0.45?0.65 μ m (微米)，所述變焦系統(tǒng)總長(zhǎng)< 420mm ；
[0030]根據(jù)變焦系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，確定所述前固定鏡組的焦距為303mm、所述變倍鏡組的焦距為-53mm、所述補(bǔ)償鏡組的焦距為115mm，所述后固定鏡組的焦距為54mm。[0031]其中，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，變倍比為長(zhǎng)焦的焦距值與短焦焦距數(shù)值的比值，在此不做贅述。
[0032] 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，焦距指光入射時(shí)從透鏡光心到光聚集之焦點(diǎn)的距離。
[0033]進(jìn)一步的，通過光學(xué)軟件，優(yōu)化出所述前固定鏡組的焦距為303mm、所述變倍鏡組的焦距為-53mm、所述補(bǔ)償鏡組的焦距為115mm，所述后固定鏡組的焦距為54mm時(shí)，所述前固定鏡組的結(jié)構(gòu)、所述變倍鏡組的結(jié)構(gòu)、所述補(bǔ)償鏡組的結(jié)構(gòu)以及所述后固定鏡組的結(jié)構(gòu)。
[0034]示例性的，前固定鏡組包括依次設(shè)置的四個(gè)單透鏡，變倍鏡組包括依次設(shè)置的一個(gè)單透鏡和一個(gè)雙膠合透鏡，補(bǔ)償鏡組包括一個(gè)雙膠合透鏡，后固定鏡組24包括依次設(shè)置的兩個(gè)單透鏡和兩個(gè)雙膠合透鏡。
[0035]其中，補(bǔ)償鏡組采用一個(gè)雙膠合透鏡，相對(duì)鏡片數(shù)目少，有利于補(bǔ)償鏡組做曲線運(yùn)動(dòng)，如果鏡片數(shù)多，結(jié)構(gòu)件也互相對(duì)的復(fù)雜。
[0036]本發(fā)明實(shí)施例變焦系統(tǒng)的凸輪曲線實(shí)現(xiàn)方法中，變倍鏡組和補(bǔ)償鏡組統(tǒng)稱為運(yùn)動(dòng)組，前固定鏡組和后固定鏡組統(tǒng)稱為固定鏡組。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，變焦系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)組沿著設(shè)計(jì)好的凸輪曲線準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，從而保證各個(gè)焦距處的像面穩(wěn)定，成像質(zhì)量較好。
[0037]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，單透鏡指一個(gè)單獨(dú)的透鏡，膠合透鏡指兩個(gè)透鏡膠合到一起得到的透鏡結(jié)構(gòu)，單透鏡和雙膠合透鏡在結(jié)構(gòu)上沒有特殊限制。
[0038]單透鏡和雙膠合透鏡可以為兩種常規(guī)玻璃材料，如ZF6和ZK9玻璃材料，單透鏡和雙膠合透鏡可以為球面，易于加工和降低成本。
[0039]可見，先由光學(xué)理論計(jì)算出每個(gè)組份的焦距作為光學(xué)初始結(jié)構(gòu)，然后再通過光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)每個(gè)組份進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變的只是組份構(gòu)成的透鏡的曲率半徑，整體結(jié)構(gòu)形式一般不會(huì)改變。
[0040]而且，設(shè)置三個(gè)多重結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建長(zhǎng)焦、中焦、短焦三重結(jié)構(gòu)，構(gòu)建成一個(gè)初始結(jié)構(gòu)。
[0041]具體而言，基于牛頓公式推導(dǎo)，確定變焦系統(tǒng)在不同焦距下，對(duì)應(yīng)的多組L1、L2，以及L3,可以包括:
【權(quán)利要求】
1.一種變焦系統(tǒng)的凸輪曲線實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括: 根據(jù)變焦系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，確定前固定鏡組的焦距、變倍鏡組的焦距、補(bǔ)償鏡組的焦距以及后固定鏡組的焦距，以及確定所述前固定鏡組的結(jié)構(gòu)、所述變倍鏡組的結(jié)構(gòu)、所述補(bǔ)償鏡組的結(jié)構(gòu)以及所述后固定鏡組的結(jié)構(gòu)； 確定變焦系統(tǒng)在不同焦距下，對(duì)應(yīng)的多組所述前固定鏡組焦點(diǎn)與所述變倍鏡組焦點(diǎn)之間的距離L1、所述變倍鏡組焦點(diǎn)與所述補(bǔ)償鏡組焦點(diǎn)之間的距離L2，以及所述補(bǔ)償鏡組焦點(diǎn)與所述后固定鏡組焦點(diǎn)之間的距離L3 ； 根據(jù)多組所述L1、L2以及L3得到凸輪曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦系統(tǒng)的凸輪曲線實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述根據(jù)變焦系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，確定前固定鏡組的焦距、變倍鏡組的焦距、補(bǔ)償鏡組的焦距以及后固定鏡組的焦距，包括: 所述變焦系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求包括:變倍比為20，變焦范圍為30~600mm，視場(chǎng)角為16度，相對(duì)孔徑為4，光譜范圍為0.45~0.65 μ m，所述變焦系統(tǒng)總長(zhǎng)< 420mm ； 根據(jù)變焦系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，確定所述前固定鏡組的焦距為303mm、所述變倍鏡組的焦距為-53mm、所述補(bǔ)償鏡組的焦距為115mm，所述后固定鏡組的焦距為54mm ； 確定所述前固定鏡組的結(jié)構(gòu)、所述變倍鏡組的結(jié)構(gòu)、所述補(bǔ)償鏡組的結(jié)構(gòu)以及所述后固定鏡組的結(jié)構(gòu)，包括: 確定所述前固定鏡組包括依次設(shè)置的四個(gè)單透鏡，所述變倍鏡組包括依次設(shè)置的一個(gè)單透鏡和一個(gè)雙膠合透鏡，所述補(bǔ)償鏡組包括一個(gè)雙膠合透鏡，所述后固定鏡組24包括依次設(shè)置的兩個(gè)單透鏡和兩個(gè)雙膠合透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的變焦系統(tǒng)的凸輪曲線實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述確定變焦系統(tǒng)在不同焦距下，對(duì)應(yīng)的多組L1、L2，以及L3，包括:
根據(jù)
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變焦系統(tǒng)的凸輪曲線實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述根據(jù)多組所述L1、L2以及L3優(yōu)化凸輪的轉(zhuǎn)角和凸輪的半徑，得到凸輪曲線，包括: 將凸輪的轉(zhuǎn)角和凸輪的半徑值作為優(yōu)化變量，根據(jù)多組所述L1、L2以及L3，采用最小二乘法擬合得到變焦系統(tǒng)從短焦到長(zhǎng)焦最快速的變焦曲線。
5.一種變焦系統(tǒng)，其特征在于，包括依次設(shè)置的前固定鏡組、變倍鏡組、補(bǔ)償鏡組和后固定鏡組，所述前固定鏡組包括依次設(shè)置的四個(gè)單透鏡，所述變倍鏡組包括依次設(shè)置的一個(gè)單透鏡和一個(gè)雙膠合透鏡，所述補(bǔ)償鏡組包括一個(gè)雙膠合透鏡，所述后固定鏡組包括依次設(shè)置的兩個(gè)單透鏡和兩個(gè)雙膠合透鏡，所述前固定鏡組的焦距為303mm、所述變倍鏡組的焦距為-53mm、所述補(bǔ)償鏡組的焦距為115mm，所述后固定鏡組的焦距為54mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變焦系統(tǒng)，其特征在于，所述變焦系統(tǒng)的變倍比為20，變焦范圍為30~600mm，視場(chǎng)角為16度，相對(duì)孔徑為4，光譜范圍為0.45~0.65 μ m，所述變焦系統(tǒng)總長(zhǎng)< 420mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的變焦系統(tǒng)，其特征在于，所述變焦系統(tǒng)的焦距f與所述前固定鏡組與所述變倍鏡組焦點(diǎn)之間的距離L1、所述變倍鏡組與所述補(bǔ)償鏡組焦點(diǎn)之間的距離L2，以及所述補(bǔ)償鏡組與所述后固定鏡組焦點(diǎn)之間的距離L3之間滿足:
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的變焦系統(tǒng)，其特征在于，所述單透鏡為球面鏡單透鏡，或者，所述雙膠合透鏡為球面鏡雙膠合透鏡。
【文檔編號(hào)】G02B27/00GK103955059SQ201410199383
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】馮蕾, 周錦松, 付錫祿, 何曉英, 劉盺悅, 張雪靜, 李亞燦 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電研究院