光学系统的制作方法

1.本实用新型涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种光学系统。


背景技术：

2.变焦镜头由于其焦距可变，可以满足多样的监控场景需求，尤其在安防监控市场上受到关注。伴随着ai人脸识别技术的发展,对应用于安防监控领域的变焦镜头的分辨率、光圈、红外性能及高低温性能提出了更高的要求。然而，目前市面上的变焦镜头往往由于性能缺陷的而不能兼顾上述特性，进而导致其使用场景受到限制。例如，一些变焦镜头的分辨率较低，无法满足人脸识别对高像素的需求。或者光圈较小，不能保证低照度环境下图像的亮度。另外，现有镜头在高低温状态下性能不稳定，使其无法在室外大温差环境下始终保证清晰成像。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种性能足以满足安防监控领域使用的可变焦的光学系统。
4.为实现上述实用新型目的，本实用新型提供一种光学系统，包括沿光轴从物侧至像侧依次排列的第一固定群、变倍群、光阑、第二固定群和对焦群，所述第二固定群至少包含一枚胶合镜组。
5.根据本实用新型的一个方面，所述第一固定群的光焦度为正，所述变倍群的光焦度为负，所述第二固定群的光焦度为正，所述对焦群的光焦度为正。
6.根据本实用新型的一个方面，所述第一固定群包含从物侧至像侧依次排列的光焦度为负的第一透镜、光焦度为正的第二透镜和光焦度为正的第三透镜；
7.所述变倍群包含从物侧至像侧依次排列的光焦度为负的第四透镜、光焦度为负的第五透镜、光焦度为正的第六透镜和光焦度为负的第七透镜，所述第五透镜为双凹透镜；
8.所述第二固定群包含从物侧至像侧依次排列的光焦度为正的第八透镜、光焦度为负的第九透镜、光焦度为正的第十透镜、光焦度为负的第十一透镜、光焦度为正的第十二透镜、光焦度为负的第十三透镜和光焦度为正的第十四透镜，所述第十透镜为双凸透镜，所述第十一透镜为双凹透镜，第十二透镜为双凸透镜；
9.所述对焦群包含从物侧至像侧依次排列的光焦度为正的第十五透镜、光焦度为负的第十六透镜、光焦度为正的第十七透镜和光焦度为负的第十八透镜，所述第十六透镜为双凹透镜。
10.根据本实用新型的一个方面，所述第一固定群的焦距fⅰ、所述变倍群的焦距fⅱ、所述第二固定群的焦距fⅲ和所述对焦群的焦距fⅳ分别与所述光学系统的广角端的焦距fw满足以下关系式：
11.4.0≤fⅰ:fw≤6.5，
‑
2.4≤fⅱ:fw≤
‑
1.0，1.5≤fⅲ:fw≤3.0，2.2≤fⅳ:fw≤5.8。
12.根据本实用新型的一个方面，所述变倍群从所述光学系统的广角端移动至望远端
的距离δd与所述光学系统的总长ttl满足以下关系式：
13.0.1＜δd/ttl＜0.3。
14.根据本实用新型的一个方面，所述第七透镜焦距f7与所述变倍群焦距fⅱ比值满足以下关系式：
15.1.5＜f7/fⅱ＜3.6；
16.所述第十五透镜焦距f15与所述对焦群焦距fⅳ比值满足以下关系式：
17.0.4＜f15/fⅳ＜1.0；
18.所述第九透镜与所述第十透镜焦距f9和f10满足以下关系式：
19.‑
2.0＜f9/f10＜
‑
0.9。
20.根据本实用新型的一个方面，所述第五透镜与所述第六透镜的阿贝数差值vd5
‑
vd6满足以下关系：
21.30＜vd5
‑
vd6＜65。
22.根据本实用新型的一个方面，所述第八透镜与所述第十透镜折射率nd8和nd10满足以下关系式：
23.0.4＜(nd10
‑
1)/(nd8
‑
1)＜1.2。
24.根据本实用新型的一个方面，所述第三透镜的像侧面的曲率半径r3b与所述第四透镜的物侧面的曲率半径r4a满足以下关系式：
25.1.5＜r3b/r4a＜12。
26.根据本实用新型的一个方面，所述第二固定群包含一枚非球面透镜；
27.所述第二固定群中的胶合镜组至少由两枚相邻透镜胶合组成，所述对焦群中至少有两枚相邻透镜胶合组成胶合镜组。
28.根据本实用新型的方案，提供一种光学系统，其光圈恒定，且最大可达fno1.0，从而具备超低照度条件下仍能清晰成像的能力。并通过合理地配置光学系统中各个透镜的光焦度，使得一定总长条件下至少可实现3倍变焦，同时兼具高分辨率和超大光圈。另外，各个透镜的材质通过特定选取，使得光学系统可在高温80℃和低温
‑
40℃状态下仍能保证良好的分辨率。从而形成了一种超大恒定光圈、大靶面、超高分辨率的变焦光学系统。
29.根据本实用新型的一个方案，通过合理分配各个群组与光学镜头广角端的焦距，有利于提高光线的传递性，更好地实现对焦与变焦。
30.根据本实用新型的一个方案，通过合理设置变倍群变倍时的移动距离与光学系统总长的关系，能够尽可能实现大的变倍比，从而更好地限制镜头的总长。
31.根据本实用进行的一个方案，第七透镜焦距f7与变倍群焦距fⅱ比值满足以下关系式：1.5＜f7/fⅱ＜3.6。第十五透镜焦距f15与对焦群焦距fⅳ比值满足以下关系式：0.4＜f15/fⅳ＜1.0。上述光焦度的分配有利于矫正广角端的场曲和像散，从而提升像质。
32.根据本实用新型的一个方案，第九透镜与第十透镜焦距满足以下关系式：
‑
2.0＜f9/f10＜
‑
0.9。这种镜片组合方式与光焦度分配，可以减小光线传递时的偏折程度，从而最大程度上降低了系统的公差敏感度。
33.根据本实用新型的一个方案，第五透镜与第六透镜的阿贝数差值满足以下关系：30＜vd5
‑
vd6＜65。这种材料搭配可以使得相邻镜片之间材料存在较大阿贝数差值，从而可有效改善系统色差。
34.根据本实用新型的一个方案，第八透镜与第十透镜折射率满足以下关系式：0.4＜(nd10
‑
1)/(nd8
‑
1)＜1.2。这种材料搭配可有效提高变倍群光线的传递性，并有利于提升像质。
35.根据本实用新型的一个方案，第三透镜的像侧面的曲率半径与第四透镜的物侧面的曲率半径满足以下关系式：1.5＜r3b/r4a＜12。这种镜片之间的曲率半径搭配关系能够提高第一固定群与变倍群之间汇聚光线的效率，有利于更好地实现变焦过程且保证像质。
36.根据本实用新型的一个方案，第二固定群包含一枚非球面透镜。从而能够减小球差，并在实现超大光圈的同时，极大地减小光学系统的总长。对焦群中至少有两枚相邻透镜胶合组成胶合镜组。这种使透镜组成胶合镜组的方式也能够有效地减小系统的高阶色差，达到超大光圈的同时确保超高解像力。
附图说明
37.图1示意性表示根据本实用新型的第一种实施方式的光学系统的广角端的结构图；
38.图2示意性表示根据本实用新型的第一种实施方式的光学系统的望远端的结构图；
39.图3示意性表示根据本实用新型的第一种实施方式的光学系统的广角端的可见光mtf图；
40.图4示意性表示根据本实用新型的第一种实施方式的光学系统的望远端的可见光mtf图；
41.图5示意性表示根据本实用新型的第二种实施方式的光学系统的广角端的结构图；
42.图6示意性表示根据本实用新型的第二种实施方式的光学系统的望远端的结构图；
43.图7示意性表示根据本实用新型的第二种实施方式的光学系统的广角端的可见光mtf图；
44.图8示意性表示根据本实用新型的第二种实施方式的光学系统的望远端的可见光mtf图；
45.图9示意性表示根据本实用新型的第三种实施方式的光学系统的广角端的结构图；
46.图10示意性表示根据本实用新型的第三种实施方式的光学系统的望远端的结构图；
47.图11示意性表示根据本实用新型的第三种实施方式的光学系统的广角端的可见光mtf图；
48.图12示意性表示根据本实用新型的第三种实施方式的光学系统的望远端的可见光mtf图；
49.图13示意性表示根据本实用新型的第四种实施方式的光学系统的广角端的结构图；
50.图14示意性表示根据本实用新型的第四种实施方式的光学系统的望远端的结构
图；
51.图15示意性表示根据本实用新型的第四种实施方式的光学系统的广角端的可见光mtf图；
52.图16示意性表示根据本实用新型的第四种实施方式的光学系统的望远端的可见光mtf图。
具体实施方式
53.为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施方式，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。
54.在针对本实用新型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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
55.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本实用新型的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
56.参见图1，本实用新型的(变焦)光学系统，包括沿光轴从物侧至像侧依次排列的第一固定群g1、变倍群g2、光阑stop(位置固定)、第二固定群g3和对焦群g4。其中变倍群g2可沿光轴移动从而实现广角端和望远端的切换。当然，在像面ima前还可设置滤光/滤色片c。第一固定群g1的光焦度为正，变倍群g2的光焦度为负，第二固定群g3的光焦度为正，对焦群g4的光焦度为正。根据本实用新型的构思，第二固定群g3至少包含一枚胶合镜组。优选地，第二固定群g3中的胶合镜组至少由两枚透镜胶合而成，即至少包含一枚双胶合或三胶合镜组。从而通过在第二固定群g3中设置胶合镜组来有效地减小系统的高阶色差，达到超大光圈的同时确保超高解像力，使得光学系统能够更好的适应于安防监控领域的应用。
57.本实用新型中，第一固定群g1包含从物侧至像侧依次排列的光焦度为负的第一透镜l1、光焦度为正的第二透镜l2和光焦度为正的第三透镜l3。变倍群g2包含从物侧至像侧依次排列的光焦度为负的第四透镜l4、光焦度为负的第五透镜l5、光焦度为正的第六透镜l6和光焦度为负的第七透镜l7。其中，第五透镜l5为双凹透镜。第二固定群g3包含从物侧至像侧依次排列的光焦度为正的第八透镜l8、光焦度为负的第九透镜l9、光焦度为正的第十透镜l10、光焦度为负的第十一透镜l11、光焦度为正的第十二透镜l12、光焦度为负的第十三透镜l13和光焦度为正的第十四透镜l14。其中，第十透镜l10为双凸透镜，第十一透镜l11为双凹透镜，第十二透镜l12为双凸透镜。对焦群g4包含从物侧至像侧依次排列的光焦度为正的第十五透镜l15、光焦度为负的第十六透镜l16、光焦度为正的第十七透镜l17和光焦度为负的第十八透镜l18。其中，第十六透镜l16为双凹透镜。
58.本实用新型中，第一固定群g1的焦距fⅰ、变倍群g2的焦距fⅱ、第二固定群g3的焦距fⅲ和对焦群g4的焦距fⅳ分别与光学系统的广角端的焦距fw满足以下关系式：4.0≤fⅰ:fw≤6.5，
‑
2.4≤fⅱ:fw≤
‑
1.0，1.5≤fⅲ:fw≤3.0，2.2≤fⅳ:fw≤5.8。这种群组间光焦度
的分配方式有益于提高光线的传递性，更好地实现对焦与变焦。
59.本实用新型中，变倍群g2从光学系统的广角端移动至望远端的距离δd与光学系统的总长ttl满足以下关系式：0.1＜δd/ttl＜0.3。在这种条件下，能够尽可能实现大的变倍比，从而更好地限制镜头的总长。
60.本实用新型中，第七透镜l7的焦距f7与变倍群g2的焦距fⅱ比值满足以下关系式：1.5＜f7/fⅱ＜3.6。第十五透镜l15的焦距f15与对焦群g4的焦距fⅳ比值满足以下关系式：0.4＜f15/fⅳ＜1.0。上述光焦度的分配有利于矫正广角端的场曲和像散，从而提升像质。第九透镜l9与第十透镜l10的焦距f9和f10满足以下关系式：
‑
2.0＜f9/f10＜
‑
0.9。这种镜片组合方式与光焦度分配，可以减小光线传递时的偏折程度，从而最大程度上降低了系统的公差敏感度。
61.本实用新型中，第五透镜l5与第六透镜l6的阿贝数差值vd5
‑
vd6满足以下关系：30＜vd5
‑
vd6＜65。这种材料搭配可以使得相邻镜片之间材料存在较大阿贝数差值，从而可有效改善系统色差。第八透镜l8与第十透镜l10折射率nd8和nd10满足以下关系式：0.4＜(nd10
‑
1)/(nd8
‑
1)＜1.2。这种材料搭配可有效提高变倍群g2光线的传递性，并有利于提升像质。
62.本实用新型中，第三透镜l3的像侧面(或称后表面)的曲率半径r3b与第四透镜l4的物侧面(或称前表面)的曲率半径r4a满足以下关系式：1.5＜r3b/r4a＜12。这种镜片之间的曲率半径搭配关系能够提高第一固定群g1与变倍群g2之间汇聚光线的效率，有利于更好地实现变焦过程且保证像质。
63.本实用新型中，第二固定群g3包含一枚非球面透镜。从而能够减小球差，并在实现超大光圈的同时，极大地减小光学系统的总长。对焦群g4中至少有两枚相邻透镜胶合组成胶合镜组，即可以包含一枚双胶合或三胶合镜组。这种使透镜组成胶合镜组的方式也能够有效地减小系统的高阶色差，达到超大光圈的同时确保超高解像力。
64.按照上述设置的光学系统的光圈恒定，最大可达fno1.0，具备超低照度条件下仍能清晰成像的效果。并且，通过合理地配置各个透镜的光焦度，使得一定总长条件下至少可实现3倍变焦，同时兼具高分辨率和超大光圈。光学系统中各个透镜的材料选择也是特定的，可以使系统在高温80℃和低温
‑
40℃状态下仍能保证良好的分辨率。
65.以下根据本实用新型的上述设置给出四组实施方式来具体说明本实用新型的光学系统。以下各实施方式中，利用1、2、
…
、n来表示各个透镜的面，其中胶合镜组的胶合面记为一面，光阑stop也可记为sto，像面为ima。在各个实施方式中，非球面透镜面型满足以下公式：
66.z＝cy2/{1 [1
‑
(1 k)c2y2]
1/2
} a4y4 a6y6 a8y8 a
10
y
10
a
12
y
12
[0067]
其中，z为沿光轴方向，垂直于光轴的高度为h的位置处曲面到顶点的轴向距离；c表示非球面曲面顶点处的曲率；y为非球面透镜的径向坐标；k为圆锥系数；a4、a6、a8、a
10
、a
12
、a
14
、a
16
分别表示四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶、十六阶非球面系数。
[0068]
各个实施方式的参数设定满足下表1：
[0069][0070]
表1
[0071]
第一种实施方式：
[0072]
如图1和图2所示，本实施方式的光学系统的变倍群g2中的第五透镜l5和第六透镜l6胶合组成胶合镜组，第二固定群g3中第十透镜l10和第十一透镜l11胶合组成双胶合镜组，第十二透镜l12、第十三透镜l13和第十四透镜l14胶合组成三胶合镜组，对焦群g4中的第十七透镜l17和第十八透镜l18胶合组成双胶合镜组。
[0073]
其中，光学系统的各参数为，焦距：12.5
‑
38mm；f number＝1.0；ttl＝122mm。各透镜的相关参数，其中包括表面类型、曲率半径、厚度、折射率如下表2所示：
[0074]
[0075][0076]
表2
[0077]
表3示出了本实施方式中各非球面透镜的非球面系数：
[0078]
表面序号1415k0.090022.5000a44.4117e
‑
0061.4433e
‑
05a63.3482e
‑
0082.7046e
‑
08a8
‑
2.5983e
‑
010
‑
3.2200e
‑
10a109.6065e
‑
0121.6154e
‑
12a12
‑
1.6401e
‑
013
‑
9.5920e
‑
15a141.3526e
‑
0151.5390e
‑
16a16
‑
4.8425e
‑
018
‑
1.8327e
‑
18
[0079]
表3
[0080]
当按照图1至图2所示，变倍群g2由广角端变化至望远端时，可变间隔数值如下表4所示：
[0081]
表面序号厚度广角端望远端5d10.5022.3212d222.320.5024d32.061.8431d46.036.25
[0082]
表4
[0083]
结合图3和图4所示，本实施方式的光学系统可以在实现超大光圈的同时，极大地减小光学系统的总长,有效地减小系统的高阶色差，达到超大光圈的同时确保超高解像力。
[0084]
第二种实施方式：
[0085]
如图5和图6所示，本实施方式的光学系统的变倍群g2中的第五透镜l5和第六透镜l6胶合组成双胶合镜组，第二固定群g3中第十透镜l10、第十一透镜l11和第十二透镜l12胶合组成三胶合镜组，第十三透镜l13和第十四透镜l14胶合组成双胶合镜组，对焦群g4中的第十七透镜l17和第十八透镜l18胶合组成双胶合镜组。
[0086]
其中，光学系统的各参数为，焦距：14
‑
42mm；f number＝1.1；ttl＝130mm。各透镜的相关参数，其中包括表面类型、曲率半径、厚度、折射率如下表5所示：
[0087]
[0088]
[0089][0090]
表5
[0091]
表6示出了本实施方式中各非球面透镜的非球面系数：
[0092]
表面序号1415k
‑
7.8422e
‑
02
‑
8.566e 01a44.9381e
‑
071.3869e
‑
05a63.1376e
‑
08
‑
3.9436e
‑
09a8
‑
5.3329e
‑
10
‑
6.3746e
‑
11a101.1809e
‑
113.0348e
‑
12a12
‑
1.1586e
‑
13
‑
4.4923e
‑
14a146.2888e
‑
163.3931e
‑
16a16
‑
1.4651e
‑
18
‑
9.6554e
‑
19
[0093]
表6
[0094]
当按照图5至图6所示，变倍群g2由广角端变化至望远端时，可变间隔数值如下表7所示：
[0095][0096][0097]
表7
[0098]
结合图7和图8所示，本实施方式的光学系统可以在实现超大光圈的同时，极大地减小光学系统的总长,有效地减小系统的高阶色差，达到超大光圈的同时确保超高解像力。
[0099]
第三种实施方式：
[0100]
如图9和图10所示，本实施方式的光学系统的变倍群g2中的第五透镜l5和第六透镜l6胶合组成双胶合镜组，第二固定群g3中第十透镜l10、第十一透镜l11和第十二透镜l12胶合组成三胶合镜组，第十三透镜l13和第十四透镜l14胶合组成双胶合镜组，对焦群g4中的第十六透镜l16、第十七透镜l17和第十八透镜l18胶合组成三胶合镜组。
[0101]
其中，光学系统的各参数为，焦距：17
‑
51mm；f number＝1.1；ttl＝135mm。各透镜的相关参数，其中包括表面类型、曲率半径、厚度、折射率如下表8所示：
[0102]
[0103][0104]
表8
[0105]
表9示出了本实施方式中各非球面透镜的非球面系数：
[0106]
表面序号1415k
‑
1.0030e
‑
01
‑
2.5233e 01a4
‑
1.0967e
‑
087.7111e
‑
06
a62.9871e
‑
089.0459e
‑
10a8
‑
7.1583e
‑
10
‑
3.9358e
‑
11a101.3116e
‑
113.42634e
‑
12a12
‑
1.1627e
‑
13
‑
4.4524e
‑
14a145.2869e
‑
162.5034e
‑
16a16
‑
9.7501e
‑
19
‑
5.5209e
‑
19
[0107]
表9
[0108]
当按照图9至图10所示，变倍群g2由广角端变化至望远端时，可变间隔数值如下表10所示：
[0109]
表面序号厚度广角端望远端5d10.8033.4312d233.030.4024d32.342.7630d48.948.52
[0110]
表10
[0111]
结合图11和图12所示，本实施方式的光学系统可以实现在实现超大光圈的同时，极大地减小光学系统的总长,有效地减小系统的高阶色差，达到超大光圈的同时确保超高解像力。
[0112]
第四种实施方式：
[0113]
如图13和图14所示，本实施方式的光学系统的第二固定群g3中第十透镜l10、第十一透镜l11和第十二透镜l12胶合组成三胶合镜组，第十三透镜l13和第十四透镜l14胶合组成双胶合镜组，对焦群g4中的第十六透镜l16、第十七透镜l17和第十八透镜l18胶合组成三胶合镜组。
[0114]
其中，光学系统的各参数为，焦距：20
‑
60mm；f number＝1.2；ttl＝135mm。各透镜的相关参数，其中包括表面类型、曲率半径、厚度、折射率如下表11所示：
[0115]
[0116][0117]
表11
[0118]
表12示出了本实施方式中各非球面透镜的非球面系数：
[0119][0120][0121]
表12
[0122]
当按照图13至图14所示，变倍群g2由广角端变化至望远端时，可变间隔数值如下表13所示：
[0123]
表面序号厚度广角端望远端5d10.8031.5613d231.560.8025d31.684.9731d410.447.15
[0124]
表13
[0125]
结合图15和图16所示，本实施方式的光学系统可以实现在实现超大光圈的同时，极大地减小光学系统的总长,有效地减小系统的高阶色差，达到超大光圈的同时确保超高解像力。
[0126]
以上所述仅为本实用新型的一个方案而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。