本發明涉及光學鏡頭設計，尤其涉及一種寬波段三組元連續變焦光學系統。
背景技術：
連續變焦鏡頭是指焦距范圍在一定范圍內可以連續變化的光學鏡頭。隨著焦距的長短變化，可以得到不同寬窄的視場角。在使用所述連續變焦鏡頭的過程中，可以根據實際需要進行長短焦距的選擇。
通常，使用者對于遠距離目標，會選擇利用短焦距大視場進行搜索，當搜索到目標后，再利用長焦距模式進行跟蹤。但是，目前的光學設計中難以實現長焦距變焦和寬光譜范圍。
技術實現要素：
有鑒于此，確有必要提供一種能夠同時實現長焦距和寬光譜的一種寬波段三組元連續變焦光學系統。
本發明的目的采用以下技術方案來實現：
一種寬波段三組元連續變焦光學系統，其特征在于，該光學系統適用于波段范圍為450nm～950nm；該光學系統包括16個鏡片和1個棱鏡，并從物側到像側依次設置形成前固定組，變倍組，補償組，像差補償組及后固定組五個透鏡組結構；根據所述變倍組、補償組和像差補償組之間的光學間隔和焦距變化的值對所述光學系統中的變焦凸輪曲線進行優化，所述變倍組和像差補償組對應的凸輪曲線均為非線性，所述補償組對應的凸輪曲線為線性，所述補償組對應的凸輪曲線最大壓力角為53°，所述像差補償組對應的凸輪曲線最大壓力角為55°。
與現有技術相比，本發明提供的寬波段三組元連續變焦光學系統利用三組聯動的模式，解決長焦距和寬光譜難以同時實現的難題，完成高質量的鏡頭設計；同時將凸輪曲線壓力角優化到最小，保證工程設計的可靠性。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施方式的技術方案，下面將對實施方式中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。
圖1是本發明實施例提供的寬波段三組元連續變焦光學系統的結構示意圖。
圖2是圖1所示的寬波段三組元連續變焦光學系統焦距f＝100mm時的系統光路圖。
圖3是圖1所示的寬波段三組元連續變焦光學系統焦距f＝385mm時的系統光路圖。
圖4是圖1所示的寬波段三組元連續變焦光學系統焦距f＝550mm時的系統光路圖。
圖5是圖1所示的寬波段三組元連續變焦光學系統在焦距f＝100mm位置成像的調制傳遞函數曲線圖。
圖6是圖1所示的寬波段三組元連續變焦光學系統在焦距f＝385mm位置成像的調制傳遞函數曲線圖。
圖7是圖1所示的寬波段三組元連續變焦光學系統在焦距f＝550mm位置成像的調制傳遞函數曲線圖。
圖8是圖1所示的寬波段三組元連續變焦光學系統中凸輪筒的結構示意圖。
圖9是圖8所示的凸輪筒表面導向槽的結構形式曲線第一版設計圖。
圖10是圖8所示的凸輪筒表面導向槽的結構形式曲線第二版設計圖。
圖11是圖8所示的凸輪筒表面導向槽的結構形式曲線第三版設計圖。
圖12是對圖11所示的導向槽的結構形式曲線第三版設計圖的改進版設計圖。
圖13是圖8所示的凸輪筒表面導向槽的結構形式曲線最終版設計圖。
圖標：100-光學系統；110-前固定組；120-變倍組；130-補償組；140-像差補償組；150-后固定組；160-凸輪；1-第一雙膠合透鏡；2-第一彎月透鏡、3-第一平凸透鏡、4-第一平凹透鏡；5-第一雙凹透鏡；6-第一雙凸透鏡；7-第二雙膠合透鏡；8-第三雙膠合透鏡；9-第二平凹透鏡；10-第四雙膠合透鏡；11-第二彎月透鏡；12-第二平凸透鏡。
具體實施方式
為使本發明實施方式的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施方式中的附圖，對本發明實施方式中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施方式是本發明一部分實施方式，而不是全部的實施方式。基于本發明中的實施方式，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬于本發明保護的范圍。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施方式的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施方式。基于本發明中的實施方式，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬于本發明保護的范圍。
請參閱圖1，本發明實施例提供一種寬波段三組元連續變焦光學系統100，該光學系統100適用于波段范圍為450nm～950nm；該光學系統100包括16個鏡片和1個棱鏡，其中包括4個膠合鏡，并從物側到像側依次設置形成前固定組110，變倍組120，補償組130，像差補償組140及后固定組150五個透鏡組結構；根據所述變倍組120、補償組130和像差補償組140之間的光學間隔和焦距變化的值對所述光學系統100中的變焦凸輪曲線進行優化，所述補償組130對應的凸輪曲線最大壓力角為53°，所述像差補償140組對應的凸輪曲線最大壓力角為55°。凸輪曲線壓力角主要取決于光學系統設計，在結構設計中，可以通過優化凸輪筒轉角以及凸輪筒的直徑在一定程度上優化壓力角。
所述前固定組110包括一第一雙膠合透鏡1。
所述變倍組120包括光焦度為正的第一彎月透鏡2、光焦度為正的第一平凸透鏡3、光焦度為負的第一平凹透鏡4及光焦度為負的第一雙凹透鏡5。本實施例中，為了減小色差，所述第一彎月透鏡2、第一平凸透鏡3、第一平凹透鏡4及第一雙凹透鏡5膠合。其中，膠合技術采用現有技術，在此不再一一贅述。
所述補償組130包括一光焦度為正的第一雙凸透鏡6、第二雙膠合透鏡7及第三雙膠合透鏡8。本實施例中，所述第一彎月透鏡2、第一平凸透鏡3、第一平凹透鏡4及第一雙凹透鏡5膠合。
所述像差補償組140包括一光焦度為負的第二平凹透鏡9及第四雙膠合透鏡10。本實施例中，所述第二平凹透鏡9及第四雙膠合透鏡10膠合。
所述后固定組150包括一光焦度為負的第二彎月透鏡11及一光焦度為正的第二平凸透鏡12。本實施例中，所述第二彎月透鏡11及第二平凸透鏡12膠合。
如圖2至圖4所示，分別給出了上述寬波段三組元連續變焦光學系統100在短焦(f＝100mm)、中焦(f＝385mm)以及長焦(f＝550mm)位置的光路圖。圖5至圖7分別給出了上述寬波段三組元連續變焦光學系統100在短焦、中焦、長焦位置的mtf，從圖中可以看出，在截止頻率80lp/mm處，光學系統100的mtf保持了較高的水平，具有清晰的成像質量。
在上述寬波段三組元連續變焦光學系統100中，所述變倍組120、補償組130及像差補償組140這三個透鏡組均需要通過一變焦凸輪160來實現相對運動，如圖8所示的凸輪筒160，鏡頭中的導向螺釘沿凸輪筒160上的曲線運動，帶動所述變倍組120、補償組130及像差補償組140移動，從而使鏡頭焦距發生變化，因此變焦凸輪160是實現鏡頭連續變焦的關鍵。以下對所述凸輪筒160上的曲線結構進行優化設計，并作詳細的介紹。
為了保證導向螺釘在凸輪筒160導向槽內平滑移動，無卡滯，且具有足夠的強度；根據結構尺寸要求、工藝性以及材料的選用原則，將齒輪圈和凸輪筒進行分離設計。在所述凸輪筒160的圓周方向加工六條凸輪曲線，該凸輪曲線是根據上述寬波段三組元連續變焦光學系統100中的變倍組120、補償組130和像差補償組140之間的光學間隔和焦距變化的值優化而成。
根據光學系統100所得的參數對所述凸輪曲線進行設計，設計過程中分別對不同曲線情況設計分析，分析不同情況壓力角，確保壓力角盡量小，同時曲線平滑，從而得到不同凸輪曲線的仿真結果，如圖9至圖13，其中第一條曲線均對應所述變倍組120，第二條曲線均對應所述補償組130，第三條曲線均對應所述像差補償組140。
圖9中，凸輪筒160上導向槽的三條曲線均為非線性，設計后第二條曲線的最大壓力角為72°，第三條曲線的最大壓力角為73°，該壓力角設計過大，凸輪在旋轉過程容易卡死。
圖10中，凸輪筒160上導向槽的三條曲線中第一條曲線為線性，后兩條曲線為非線性，其中第二條曲線的最大壓力角為68°，該壓力角設計同樣過大，且在滿足成像質量的情況下，曲線不平滑，凸輪旋轉過程容易卡死。
圖11中，凸輪筒160上導向槽的三條曲線中第一條曲線為線性，后兩條為非線性，其中第二條的最大壓力角為54°，該壓力角設計比較合適，但是第二條曲線和第三條曲線中存在局部拐點較大的地方，會導致凸輪在此位置運轉不流暢。對第二條曲線和第三條曲線中的局部拐點進行平滑處理，如圖12所示，經過光學分析，在此處的成像不滿足要求。
圖13中，凸輪筒160上導向槽的三條曲線中第二條曲線為線性，其余兩條為非線性，第二條的最大壓力角為53°，第三條的最大壓力角為55°，三組曲線壓力角設計合適，并且曲線無明顯拐點，運動流暢，可以滿足要求。根據曲線以及仿真的數據，結合光學系統100的設計要求，因此，選取第四版的設計曲線作為最終的設計。
優選地，本發明實施例提供的所述寬波段三組元連續變焦光學系統100具有如下光學技術指標：
波段范圍為450nm～950nm；
光學系統的焦距范圍為100mm～550mm；
相對孔徑范圍為1/3.5～1/6.8；
靶面尺寸為1英寸。
本發明提供的寬波段三組元連續變焦光學系統100利用三組聯動的模式，解決長焦距和寬光譜難以同時實現的難題，完成高質量的鏡頭設計；同時將凸輪曲線壓力角優化到最小，保證工程設計的可靠性。
以上所述僅為本發明的優選實施方式而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。