CN101887164B - 一种小型化大变焦比双波段光学镜头 - Google Patents

Abstract

一种小型化大变焦比双波段光学镜头，属于光机一体化领域，特别是关于一种10倍大光学变焦距范围，适用于板机接口的日夜两用光学变焦镜头。该镜头具有个正光焦度的前固定透镜组G1，和配置于前固定透镜绀G1的像侧的具有负光焦度的变焦透镜组G2，光阑S，配置于光阑像侧的具有正光焦度的后固定透镜组G3，以及配置于像侧的最后一组补偿透镜组G4。利用变焦透镜组G2和补偿透镜组G4之间的相对位置变化来实现焦距5-50mm的10倍光学变焦，同时兼顾优化可见光和红外光成像，且结构紧凑小巧。产品的主要光学指标：焦距f＝5-50mm，视场角2ω＝60.0°-7.2°，相对孔径D：f＝1：：1.95，适用于1/3”CCD。

Description

一种小型化大变焦比双波段光学镜头

技术领域

本专利技术属于光机一体化领域，涉及一种昼夜两用安防监控镜头，特别是关于一种10倍大光学变焦距范围，适用于板机接口的小型化昼夜两用光学变焦镜头。

技术背景

目前，已经有了许多适用于板机接口的变焦镜头，板机镜头在结构上要求其尽量的小型化。在其中，变焦系统的变焦比约为二至四倍的变焦系统比较多，而大变焦比的板机接口镜头却很少见。板机镜头一般应用于监控场合比较固定的场所，镜头安装调整好后焦距就不再改变，比如银行、工厂、学校等。大变焦比的板机接口镜头相对于普通的二至四倍的小变焦比镜头有更大的调整范围，能更方便的安装应用于不同场合。而且近年来，随着安全防范意识和自动化程度不断提高，具备红外功能的日夜两用镜头已经具有相当广泛的用途，可以完成全天24小时、昼夜不间断的监控任务，这就要求镜头在设计上就要考虑红外光和可见光波段的成像质量都能达到清晰成像的要求。本专利技术通过机械补偿的方法实现光学系统焦距的变化从而在像面上获得不同放大率的像，并且具有10倍大变焦比的变焦能力，而且在红外和可见光双波段的成像质量同时得到了优化，产品顺应了监控行业的发展趋势，市场潜力巨大，具有广泛的应用前景。

发明内容

本专利技术的目的是设计一种具有小型化大变焦比，同时具有双波段共焦能力的光学变焦镜头。该镜头匹配相应的板机接口的摄像机，可以通过改变光学变焦镜头的焦距从而方便的适用于不同监控距离和范围的场合，再匹配上红外灯，更能实现昼夜不间断的监控。该镜头具有10倍大变焦比能力，像质也达到了定焦镜头的成像质量，且结构紧凑小巧，操作便捷，运用前景广。

参见附图1是本专利技术光学镜头结构图、附图2是光学系统示意图，包括四个透镜组，自物面至像面I依次包括一个正光焦度的前固定透镜组G1，和配置于前固定透镜组G1的像侧的具有负光焦度的变焦透镜组G2，光阑S，配置于光阑S像侧的具有正光焦度的后固定透镜组G3，以及配置于像侧的最后一组具有正光焦度的补偿透镜组G4。利用负光焦度的变焦透镜组G2和正光焦度的补偿透镜组G4之间的相对位置变化来实现焦距5-50mm的10倍光学变焦。

参见图2、3、4光学系统示意图，本专利技术中的前固定透镜组G1具有按物体一侧顺序排列的第一透镜为凸凹负镜片L1、第二透镜为凸凹正镜片L2和凸凹的第三正透镜L3。本专利技术中的变焦透镜组G2具有按物体一侧顺序排列的第四透镜为凸凹负镜片L4，第五透镜为双凹负镜片L5，第六透镜为凸凹正镜片L6。本专利技术中的后固定透镜组G3具有按物体一侧顺序排列的第七透镜为双凸正镜片L7，第八透镜为双凸正镜片L8，第九透镜为双凹负镜片L9。本专利技术中的补偿透镜组G4具有按物体一侧顺序排列的第十透镜为凸凹正镜片L10，第十一透镜为双凸正镜片L11。本专利技术中的四个透镜组满足以下条件：

0.55＜|f_G1/fl|＜0.69

0.12＜|f_G2/fl|＜0.23

0.29＜|f_G3/fl|＜0.41

0.31＜|f_G4/fl|＜0.43

其中，f_G1是前固定透镜组G1的焦距；

f_G2是变焦透镜组G2的焦距；

f_G3是后固定透镜组G3的焦距；

f_G4是补偿透镜组G4的焦距；

fl是整个光学镜头长焦焦距；

f1，f_G1，f_G2，f_G3，f_G4的单位是：mm。

参见附图5是本专利技术光学系统玻璃镜片的曲率半径和折射率的示意图，包括十一个光学透镜的焦距f1～f11(单位：mm)和折射率n1～n11及其十九个面的曲率半径R1～R19(单位：mm)分别满足以下条件：

90＜f1＜110     1.72＜n1＜1.92     35＜R1＜55     16＜R2＜28

-99＜f2＜-79    1.51＜n2＜1.71     16＜R2＜28     150＜R3＜500

36＜f3＜56      1.51＜n3＜1.71     12＜R4＜29     40＜R5＜65

-9.5＜f4＜-8    1.65＜n4＜1.85     61＜R6＜100    5＜R7＜9

26.3＜f5＜46.3  1.42＜n5＜1.62     -40＜R8＜-22   5.5＜R9＜12.5

58＜f6＜78      1.73＜n6＜1.93     5.5＜R9＜12.5  18＜R10＜35

光阑

12＜f7＜22      1.55＜n7＜1.75     12＜R11＜30    -30＜R12＜-12

10＜f8＜20      1.54＜n8＜1.74     7＜R13＜15     -200＜R14＜-80

-15＜f9＜-7     1.65＜n9＜1.85     -35＜R15＜-15  7＜R16＜15

21＜f10＜41     1.76＜n10＜1.90    10＜R17＜22    5＜R18＜12.5

560＜f11＜580   1.55＜n11＜1.75    5＜R18＜12.5   -35＜R19＜-18

本专利技术的光学变焦原理参见附图2、3、4，分别是焦距在5mm、20mm、50mm时的光学系统示意图，前固定透镜组G1是固定不动的，对无穷远聚焦成像，提供一个初始像和焦距f_G1，0.55＜|f_G1/fl|＜0.69；变焦透镜组G2从靠近G1移动到靠近像面I的位置，改变了其物距，从而改变了G2的成像放大倍率，G2放大倍率m2变化范围为：-0.4～-1～-4.16；固定透镜组G3靠近光阑S固定不动，对经过G2所成的像进一步的变倍，G3放大倍率m3变化范围为：-0.96～-1.72～-0.7，G2，G3总放大倍率m2*m3变化范围为：0.38～1～2.91；补偿透镜组G4根据变焦透镜组G3变焦所产生的像面漂移进行补偿，使像面I保持稳定，G4的放大率变化范围为：0.45～0.32～0.58，补偿后G2，G3，G4总的倍率m₀＝m2*m3*m4变化范围为：0.17～1～1.69，镜头的总焦距变化范围为f_G1*m₀，变焦比1.69/0.17为10倍。

在变焦结构型式上，变焦核采用两移动组分G2和G4被后固定组G3隔开的型式，根据变焦系统的像面稳定原理，变焦透镜组G2的放大倍率从小于-1到大于-1的变化必然导致补偿透镜组G4的迂回补偿，即短焦时，补偿透镜组G4向物面方向移动；达到某一个焦距——即变焦透镜组G2的放大倍率为-1对应的焦距时，G2往长焦端变焦，G4开始迂回向像面I方向移动，这样缩短了补偿透镜组G4的相对移动量，缩小了整个镜头的结构，而且镜头接口采用M14×0.5型式的板机小接口，配合镜头本身的紧凑结构，在一定程度上实现了其小型化。

本专利技术在设计上还具有三组高反差色散系数的胶合透镜组件校正色差，实现了可见光波段和红外光波段共焦成像，在可见光和红外光环境下都能清晰成像，白天和黑夜摄像不用进行重复调焦，三组胶合组件色散系数满足以下条件：

20＜v1＜30，45＜v2＜60

20＜v5＜30，55＜v6＜75

20＜v10＜30，45＜v11＜60

其中：v1是第一透镜L1的色散系数，v2是第二透镜L2的色散系数，L1和L2为胶合组件；

      v5是第五透镜L5的色散系数，v6是第六透镜L6的色散系数，L5和L6为胶合组件；

      v10是第十透镜L10的色散系数，v11是第十一透镜L11的色散系数，L10和L11为胶合组件；

附图说明

附图1是本专利技术光学镜头结构图。

附图2是本专利技术焦距在5mm时的光学系统示意图，变焦透镜组G2在靠近物面位置，补偿透镜组G4在靠近像面位置，附图中S为光阑，I为像面，以下附图相同。

附图3是本专利技术焦距在20mm时的光学系统示意图，变焦透镜组G2往像面方向移动，补偿透镜组G4往物面方向移动，并达到极限位置。

附图4是本专利技术焦距在50mm时的光学系统示意图，变焦透镜组G2继续往像面方向移动，补偿透镜组G4迂回往像面方向移动的结果。

附图5是本专利技术光学系统玻璃镜片的曲率半径和折射率的示意图。

具体实施方式

参见附图1是本专利光学镜头结构图，包括四个透镜组，自物面至像面依次包括一个正光焦度的前固定透镜组G1，和配置于前固定透镜组G1的像侧的具有负光焦度的变焦透镜组G2，光阑S，配置于光阑像侧的具有正光焦度的后固定透镜组G3，以及配置于像侧的最后一组具有正光焦度的补偿透镜组G4。所述前固定透镜组G1装在主筒(2)前部，用一个前压圈(1)于主筒(2)固定；所述变焦透镜组G2装在径向设有三个导钉的前组镜筒(3)内；所述的后固定组装在主筒(2)的后部，用一个后压圈(4)固定；所述的补偿透镜组G4装在径向设有三个导钉的后组镜筒(5)内，前组镜筒(3)和后组镜筒(5)装在有螺旋形通槽的主筒(2)内，前、后组镜筒通过导钉与主筒连接，使前、后组镜筒能在主筒内螺旋上下滑动，通过分别调整前后组的各具有三个直槽的前调整凸轮(6)和后调整凸轮(7)，实现改变变焦透镜组G2和补偿透镜组G4之间的相对位置，从而达到变焦的目的。本专利技术的镜头接口采用M14×0.5型式的板机小接口，配合镜头本身的紧凑结构，在一定程度上实现了其小型化。

参见图2、3、4是本专利技术光学系统示意图，本专利技术中的前固定透镜组G1具有按物体一侧顺序排列的第一透镜为凸凹负镜片L1、第二透镜为凸凹正镜片L2和凸凹的第三正透镜L3，所述的第一透镜L1和第二透镜L2为胶合组件。本专利技术中的变焦透镜组G2具有按物体一侧顺序排列的第四透镜为凸凹负镜片L4，第五透镜为双凹负镜片L5，第六透镜为凸凹正镜片L6，所述的第五透镜L5和第六透镜L6为胶合组件。本专利技术中的后固定透镜组G3具有按物体一侧顺序排列的第七透镜为双凸正镜片L7，第八透镜为双凸正镜片L8，第九透镜为双凹负镜片L9。本专利技术中的补偿透镜组G4具有按物体一侧顺序排列的第十透镜为凸凹正镜片L10，第十一透镜为双凸负镜片L11，所述的第十透镜L10和第十一透镜L11为胶合组件。

参见附图5是本专利技术光学系统玻璃镜片的曲率半径和折射率的示意图，本专利技术光学系统中的十一个光学透镜的焦距f1～f11(单位：mm)和折射率n1～n11及其十九个面的曲率半径R1～R19(单位：mm)分别所满足的条件如发明内容中最后一段所述。本专利技术产品的主要光学指标：焦距f＝5-50mm，视场角2W＝60.0°-7.2°，相对孔径D：f＝1：1.95，其中D为光学镜头的入瞳直径，后截距大于6.5mm，像高对应1/3”CCD。按照上述方案制成的高分辨率镜头光学传递函数MTF值在701p/mm时，中心达到0.55，边缘达到0.45。

Claims (8)

1.一种小型化大变焦比双波段光学镜头，其包括四个透镜组，自物面至像面依.次为一个正光焦度的前固定透镜组G1，和配置于前固定透镜组G1的像侧的具有负光焦度的变焦透镜组G2，光阑S，配置于光阑S像侧的具有正光焦度的后固定透镜组G3，以及配置于像侧的补偿透镜组G4；所述的前固定透镜组G1具有按物体一侧顺序排列的第一透镜为凸凹负镜片L1、第二透镜为凸凹正镜片L2和凸凹的第三正透镜L3；所述的变焦透镜组G2具有按物体一侧顺序排列的第四透镜为凸凹负镜片L4，第五透镜为双凹负镜片L5，第六透镜为凸凹正镜片L6；所述的后固定透镜组G3具有按物体一侧顺序排列的第七透镜为双凸正镜片L7，第八透镜为双凸正镜片L8，第九透镜为双凹负镜片L9；所述的补偿透镜组G4具有按物体一侧顺序排列的第十透镜为凹凸正镜片L10，第十一透镜为双凸正镜片L11；其特征在于前固定透镜组G1和后固定透镜组G3是固定不动的，利用负光焦度的变焦透镜组G2和正光焦度的补偿透镜组G4之间的相对位置变化来实现焦距5-50mm的10倍光学变焦，同时整个镜头具有三组高反差色散系数的胶合透镜组件校正色差，实现可见光波段和红外光波段共焦成像，光学系统的焦距范围f＝5-50mm，视场角2ω＝60.0°-7.2°，相对孔径D∶f＝1∶1.95，其中D为光学镜头的入瞳直径，后截距大于6.5mm，像高对应1/3”CCD，光学传递函数MTF值在70lp/mm时，中心达到0.55，边缘达到0.45。

2.根据权利要求书1所述的一种小型化大变焦比双波段光学镜头，其特征在于在变焦结构型式上，变焦核采用两移动组分G2和G4被后固定组G3隔开的型式，补偿透镜组G4采用迂回补偿，短焦时，补偿透镜组G4向物面方向移动，当变焦透镜组G2的放大倍率达到-1时，G2往长焦端变焦，G4开始迂回向像面I方向移动，缩短了补偿透镜组G4的相对移动量，缩小了整个镜头的结构，配合M14×0.5型式的板机镜头接口，实现了其小型化。

3.根据权利要求书1所述的一种小型化大变焦比双波段光学镜头，其特征在于所述的前固定透镜组G1对无穷远聚焦成像，提供一个初始像和焦距f_G1，0.55＜|f_G1/f1|＜0.69，所述的第一透镜L1和第二透镜L2为胶合组件，L1的色散系数20＜v1＜30，L2的色散系数45＜v2＜60，其中f1是整个光学镜头长焦焦距。

4.根据权利要求书1所述的一种小型化大变焦比双波段光学镜头，其特征在于所述的变焦透镜组G2从靠近G1移动到靠近像面I的位置，改变了G2物距，从而改变了G2的成像放大倍率，其放大倍率m2变化范围为：-0.4～-1～-4.16，所述的第五透镜L5和第六透镜L6为胶合组件，L5的色散系数20＜v5＜30，L6的色散系数55＜v6＜75。

5.根据权利要求书1所述的一种小型化大变焦比双波段光学镜头，其特征在于所述的后固定透镜组G3靠近光阑S固定不动，对经过G2所成的像进一步的变倍，其放大倍率m3变化范围为：-0.96～-1.72～-0.7，G2，G3总放大倍率m2*m3变化范围为：0.38～1～2.91。

6.根据权利要求书1所述的一种小型化大变焦比双波段光学镜头，其特征在于所述的补偿透镜组G4根据变焦透镜组G3变焦所产生的像面漂移进行补偿，使像面I保持稳定，其放大率m4变化范围为：0.45～0.32～0.58，补偿后G2，G3，G4总的倍率m₀＝m2*m3*m4变化范围为：0.17～1～1.69，镜头的总焦距变化范围为f_G1*m₀，变焦比1.69/0.17为10倍，所述的第十透镜L10和第十一透镜L11为胶合组件，L10的色散系数20＜v10＜30，L11的色散系数45＜v11＜60。

7.根据权利要求书1所述的一种小型化大变焦比双波段光学镜头，其特征在于所述四个透镜组满足以下条件：

0.55＜|f_G1/f1|＜0.69

0.12＜|f_G2/f1|＜0.23

0.29＜|f_G3/f1|＜0.41

0.31＜|f_G4/f1|＜0.43

其中，f_G1是前固定透镜组G1的焦距，f_G2是变焦透镜组G2的焦距，f_G3是后固定透镜组G3的焦距，

f_G4是补偿透镜组G4的焦距，f1是整个光学镜头长焦焦距，f1，f_G1，f_G2，f_G3，f_G4的单位为毫米。

8.根据权利要求书1所述的一种小型化大变焦比双波段光学镜头，其特征在于前固定透镜组G1、变焦透镜组G2、后固定透镜组G3及补偿透镜组G4包括的十一个光学透镜L1～L11的焦距f1～f11和折射率 n1～n11及其十九个面的曲率半径R1～R19分别满足以下条件，其中透镜的焦距f1～f11和曲率半径R1～R19的单位为毫米：

光阑

。

Images