專利名稱：超遠攝變焦距光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學系統(tǒng)，特別提供一種超遠攝變焦距光學系統(tǒng)。
背景技術：
電視攝像技術和設備的應用在當今社會已經(jīng)相當普遍，它可以供眾多的人同時觀看某一場景，并且可以方便地將場景的情形記錄下來。在電視攝像技術中經(jīng)常會涉及到需要觀察和監(jiān)測距離較遠目標的問題，例如環(huán)境保護部門需要知道方圓幾公里內是否有部位排放煙塵，油氣田開采企業(yè)需要知道幾公里內的產品輸送管線是否安全等。凡是類似這種遠距離的電視觀測都需要使用長焦距的電視鏡頭。
一般而言，長焦距鏡頭的焦距數(shù)值和鏡頭的長度是差不多的，光學設計者為了盡可能減小鏡頭的體積發(fā)明了遠攝鏡頭。長焦距鏡頭的遠攝比te定義為 所謂的遠攝鏡頭就是鏡頭的軸向長度尺寸比鏡頭的焦距數(shù)值小，既te＜1，te值越小遠攝比越大。一般認為折射式光學系統(tǒng)的te值能到達0.85就是不錯的了。但是最近的5年技術又有了很大進步使這個記錄不斷的刷新，為了有別于前人的成就，業(yè)內普遍把遠攝比達到0.7的鏡頭稱之為超遠攝鏡頭。對于折反式光學系統(tǒng)做到te≤0.7并不是件難事，但折反式光學鏡頭的徑向尺寸很大，這樣的短而粗鏡頭顯得很笨重。在遠距離監(jiān)測活動中人們普遍要求的是小巧、靈活、便攜的產品，以滿足實際使用過程中方便移動、系統(tǒng)組裝和輕便使用的需要。
對于定焦距光學系統(tǒng)即使有大的遠攝比在當今社會也很難再引起人們的注意，現(xiàn)今人們對有活力的器物才有興趣，設計出具有大的遠攝比和高倍率的變焦距光學系統(tǒng)一直是精密器材的研究者和制造者追求的目標。
變焦距光學系統(tǒng)在設計和制造上都比定焦距系統(tǒng)要難，一般變焦距系統(tǒng)的軸向尺寸比系統(tǒng)焦距的最大值要略大一些。例如鏡頭的焦距為100-1000mm有10倍的變焦距范圍，這樣的光學系統(tǒng)總長就要超過1000mm。如果光學系統(tǒng)的總長度小于700mm就稱得上是超遠攝變焦距光學系統(tǒng)了。如果系統(tǒng)的長度更小而只有不到500mm，這樣的系統(tǒng)則是非常受人們歡迎的。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于通過一種超遠攝變焦距光學系統(tǒng)來克服現(xiàn)有技術中的問題和不足，在具有優(yōu)良的光學性能同時保持良好的像差特性。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為一種超遠攝變焦距光學系統(tǒng)，該超遠攝變焦距光學系統(tǒng)由前固定組、場鏡、變倍組和補償組構成，在變焦過程中，各鏡組之間的沿軸距離是可變的，其中該前固定組包含具有正光焦度的第一透鏡、具有正光焦度的第二透鏡和具有負光焦度的第三透鏡，該第一透鏡為低色散雙凸透鏡，該第二透鏡為低色散正彎月透鏡，該第二透鏡凸面靠近第一透鏡，該第三透鏡為高色散平凹形透鏡，其平面靠近第二透鏡；在前固定組焦點前面設置有透鏡，光學設計者把設置在某一鏡組焦點附近的透鏡稱作場鏡，該場鏡是平凸型的，它的凸面朝向后面的變倍組。
該變倍組包含具有正光焦度的第五透鏡、具有負光焦度的第六透鏡、具有正光焦度的第七透鏡，該第五透鏡為低色散的雙凸透鏡，該第六透鏡為高色散的雙凹透鏡，該第七透鏡為低色散的平凸透鏡，其平面靠近第六透鏡；
該補償組包含具有正光焦度的第八透鏡、具有負光焦度的第九透鏡、具有正光焦度的第十透鏡，該第八透鏡為低色散的平凸透鏡，其凸面靠近第七透鏡，該第九透鏡為高色散的雙凹透鏡，該第十透鏡為低色散的雙凸透鏡。
一般在光學系統(tǒng)設計時都將前固定組的焦距取的大一些和系統(tǒng)的最長焦距值fmax接近，既fa≈fmax。幾乎所有的變焦距光學系統(tǒng)中變倍組b都是負光焦度組。補償組c可以設計成負光焦度組稱為負組補償，也有將補償組設計成正光焦度的稱為正組補償，正組補償?shù)慕Y構形式復雜一些但鏡頭的外型可以做的細一些，不論是正組補償還是負組補償，在系統(tǒng)焦距由短焦距向長焦距變化的過程中，變倍組是背向前固定組移動的，習慣上稱作向后移動。
這種鏡組分配形式經(jīng)過了眾多科學工作者的研究被認為是目前很成熟的設計方法。通過本發(fā)明人的研究發(fā)現(xiàn)對于遠攝變焦距光學系統(tǒng)，變倍組和補償組均采用正光焦度組系統(tǒng)可以設計的更緊湊些。當前固定組a的焦距fa的取值在0.17-0.35倍的fmax時，系統(tǒng)可以有比較小的長度并且在結構形式不十分復雜的情況下就可以把像差校正好。變倍組和補償組的光焦度都取正值，它們的焦距取0.2-0.42倍的fmin，這樣即可以獲得大的變焦倍率又對校正像差有利。本發(fā)明的各光組要滿足的條件是其中|0.17·fmax|≤fa≤|0.35·fmax||0.2·fmin|≤fb≤|0.42·fmin||0.2·fmin|≤fc≤|0.42·fmin|這里，fa前固定組的焦距；fb變倍組的焦距；fc補償組的焦距。
在求解和布置光路中會發(fā)現(xiàn)最好的結果之一系統(tǒng)的光學像是正立的，這是因為變倍組和補償組對前固定組起實像縮放作用的結果。這時系統(tǒng)雖然是實像但由于是正立的，按光學設計習慣定義系統(tǒng)的焦距是負的，這里的系統(tǒng)負光焦度與人們通常所說的透鏡負光焦度并不是一回事，在表達式中對系統(tǒng)焦距用了絕對值符號。同時也表明了本發(fā)明的3個鏡組的焦距fa、fb、fc都是正的。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步描述。
圖1為本發(fā)明的光學系統(tǒng)實例示意圖；圖2為一般變焦距鏡組移動的示意圖；圖3為本發(fā)明變焦距系統(tǒng)鏡組移動示意圖；圖4為連續(xù)變倍望遠鏡的光學系統(tǒng)圖。
具體實施例方式
按照本發(fā)明所研究的設計規(guī)律，可以設計出一系列的超遠攝變焦距光學系統(tǒng)。下面的數(shù)據(jù)是一個應用于電視攝像機的10倍超遠攝變焦距光學系統(tǒng)，根據(jù)攝像機像接收器件的不同格式可以將系統(tǒng)進行適當?shù)目s放。下面表1給出的焦距是100-1000mm，適用于1/3″電視攝像機。圖1是表1數(shù)據(jù)的光學系統(tǒng)圖。
可變間隔Dab、Dbc、Dcd可由下式求得Δ=-7.350348-1.905279·f-541.206928+77309.07898/f;]]>Dab＝(1-278.0451/f)·1009.328/Δ+21.00137；Dbc＝Δ+53.85269；Dcd＝85.91-Dab-Dbc。
按照光學系統(tǒng)專利習慣需要給出一些主要可變間隔的數(shù)例，表2是5個焦距值所對應的數(shù)例。
前固定組由序號為1、2、3的3個單透鏡組成，第一透鏡1是雙凸透鏡；第二透鏡2是凸凹透鏡通常被稱作正彎月透鏡，凹面朝向孔徑光闌；第三透鏡3是平凹型的負透鏡，它的凹面也是朝向孔徑光闌；第一透鏡1和第二透鏡2的材料為低色散，第三透鏡3為高色散材料。這樣的結構形式既簡單又有校正像差的能力，前固定組a的焦距為248.73mm。在前固定組的后面設置了孔徑光闌，在圖1和表1中它的序號是4，它是用來控制進入系統(tǒng)而到達像面光能量的機構。
前固定組a的像方焦點前邊設置了一個平凸形透鏡，在圖1和表1中它的序號是5，這個透鏡被稱作場鏡，它的作用是將光束進行會聚，這樣可以使變倍組透鏡的輪廓尺寸比較小，同時也就更容易校正像差。
本發(fā)明所設計實例的變倍組和補償組是相同數(shù)據(jù)的鏡像結構，圖1和表1中的序號11是序號6的鏡像，序號10是序號7的鏡像，序號9是序號8的鏡像，這種鏡像結構在光學上叫作全對稱結組設計。序號6、7、8組成變倍組，9、10、11組成補償組，它們的組焦距是31.77mm，它們分別是由3個單透鏡構成的，中間是高色散的雙凹透鏡，它的兩邊分別是低色散的雙凸透鏡和平凸透鏡，雙凸透鏡的大曲率半徑面和平凸透鏡的平面分別靠近雙凹透鏡的兩個面。本發(fā)明人的研究表明這種結構形式在超遠攝變焦距系統(tǒng)中是最簡潔的，同時也是制造成本最低的選擇。
這種超遠攝變焦距光學系統(tǒng)的變倍組以及補償組的運動規(guī)則與一般變焦距系統(tǒng)鏡組是不同的，圖2是一般變焦距鏡組移動的示意圖，圖3是本發(fā)明鏡組移動示意圖。一般變焦距系統(tǒng)在焦距由短變長過程中變倍組是向后，既背離前固定組方向移動；而本發(fā)明是朝向前固定組方向向前移動。本發(fā)明所設計的透鏡運動曲線是兩條非線性曲線，其中各自都有線性段，這種設計可以使透鏡的運動達到最佳的平穩(wěn)度和最佳的扭矩。
將表1中的R和d以及表2中的Dab、Dbc、Dcd數(shù)值分別各乘以一個定數(shù)M就可以產生一個與實例數(shù)據(jù)近似的光學系統(tǒng)，如取M＝0.5就是一個適用于1/6″攝像機的光學系統(tǒng)，焦距f＝50-500，系統(tǒng)總長為181.9視場角和相對孔徑不變。同理若M＝1.3則系統(tǒng)的焦距為130-1300，光學系統(tǒng)適用于1/2″格式的攝像機，視場角仍然是4°-0.4°，相對孔徑還是1∶2.8-1∶20不變。
這個例子所設計的超遠攝變焦距光學系統(tǒng)是個正像系統(tǒng)，在這個光學系統(tǒng)的后面接一個目鏡就可以成為連續(xù)變倍望遠鏡，這樣的望遠鏡不需要加轉向棱鏡，結構形式要簡潔的多。例如在本實例的超遠攝變焦距光學系統(tǒng)后面連接10倍目鏡，就成了4-40倍的連續(xù)變倍望遠鏡了。圖4是連續(xù)變倍望遠鏡的光學系統(tǒng)圖，出瞳A是望遠鏡使用者眼瞳的位置。
綜上所述，本發(fā)明從使用目的上、效能上、進步性及新穎性等觀點進行闡述，其具有的實用進步性，已符新型專利法所強調的功能增進及實用要件，本發(fā)明以上的實施說明及附圖所示，為本發(fā)明較佳實施例之一，并非以此局限本發(fā)明，是以，舉凡與本發(fā)明的構造、裝置、特征等近似、雷同者，均應屬本發(fā)明的創(chuàng)設目的及申請專利范圍之內。
權利要求
1.一種超遠攝變焦距光學系統(tǒng)，該超遠攝變焦距光學系統(tǒng)由前固定組、場鏡、變倍組和補償組構成，在變焦過程中，該固定組、變倍組和補償組之間的距離是可變的，其特征在于該固定組、變倍組和補償組均為正光焦度；其中，該前固定組包含具有正光焦度的第一透鏡、具有正光焦度的第二透鏡和具有負光焦度的第三透鏡，該第一透鏡為低色散雙凸透鏡，該第二透鏡為低色散正彎月透鏡，該第二透鏡凸面靠近第一透鏡，該第三透鏡為高色散平凹形透鏡，其平面靠近第二透鏡；該變倍組包含具有正光焦度的第五透鏡、具有負光焦度的第六透鏡、具有正光焦度的第七透鏡，該第五透鏡為低色散的雙凸透鏡，該第六透鏡為高色散的雙凹透鏡，該第七透鏡為低色散的平凸透鏡，其平面靠近第六透鏡；該補償組包含具有正光焦度的第八透鏡、具有負光焦度的第九透鏡、具有正光焦度的第十透鏡，該第八透鏡為低色散的平凸透鏡，其凸面靠近第七透鏡，該第九透鏡為高色散的雙凹透鏡，該第十透鏡為低色散的雙凸透鏡。
2.如權利要求1所述的超遠攝變焦距光學系統(tǒng)，其特征在于其中該前固定組、變倍組以及補償組滿足下列條件|0.17·fmax|≤fa≤|0.35·fmax||0.2·fmin|≤fb≤|0.42·fmin||0.2·fmin|≤fc≤|0.42·fmin|這里，fa前固定組的焦距值；fb變倍組的焦距值；fc補償組的焦距值；fmin變焦距系統(tǒng)的最小焦距值；fmax變焦距系統(tǒng)的最大焦距值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超遠攝變焦距光學系統(tǒng)，該超遠攝光學系統(tǒng)具有很長的焦距而系統(tǒng)的總長卻很小；該超遠攝變焦距光學系統(tǒng)由前固定組、場鏡、變倍組和補償組構成，其中，各透鏡組均為正光焦度，該前固定組包含具有正光焦度的第一透鏡、具有正光焦度的第二透鏡和具有負光焦度的第三透鏡；該變倍組包含具有正光焦度的第五透鏡、具有負光焦度的第六透鏡、具有正光焦度的第七透鏡；該補償組包含具有正光焦度的第八透鏡、具有負光焦度的第九透鏡、具有正光焦度的第十透鏡。變倍組和補償組有規(guī)則的移動可以使系統(tǒng)的焦距產生連續(xù)變化，超遠攝連續(xù)變焦距光學系統(tǒng)是遠距離監(jiān)視用電視攝像機鏡頭的核心部分也可以作為連續(xù)變倍望遠鏡的物鏡。
文檔編號G02B15/14GK1601318SQ0316005
公開日2005年3月30日 申請日期2003年9月26日 優(yōu)先權日2003年9月26日
發(fā)明者梁來順 申請人:公安部第一研究所