CN102087395A - 使镜头实现宽光谱共焦面的方法及宽光谱共焦面镜头装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使镜头实现宽光谱共焦面的方法及宽光谱共焦面镜头装置，它是在已在可见光谱区校正好像差的镜头合适部位插入由镀有近红外光截止膜的平行平板玻璃滤色片和能校正近红外光谱区焦面偏离的校正透镜组成且能交替切换至镜头光轴上的活动光学元件；校正透镜是以插入平行平板玻璃滤色片后镜头在可见光谱区能获得最佳成像质量的像方截距作为其像方截距，在镜头所有几何参量和材料不变的条件下，把波长范围由可见光谱区改为近红外特定光谱区，用优化程序计算获得的能实现在可见光谱区和近红外光谱区无焦面偏离成像的曲率半径作为校正透镜的曲率半径。本发明能使镜头在可见光谱区和近红外光谱区都能在同一共焦面上获得高成像质量，且简单易行。

Description

使镜头实现宽光谱共焦面的方法及宽光谱共焦面镜头装置

技术领域

本发明涉及光学镜头装置，特别是一种使镜头实现宽光谱共焦面的方法及宽光谱共焦面镜头装置，它可适用于配套共焦性能良好的百万像素以上的高清晰度日夜型视频监控摄像机和IP网络摄像机。

背景技术

在安防、交通、科研等领域的视频监控系统普遍要求：不仅在环境照度好的场合（如白天）能获得被监控景物的高清图像，而且也要求在环境照度低的场合（如夜间）也能清晰地获得景物的细节。目前解决的方法是：通过在摄像器件（CCD或CMOS器件）附近插入附有镀制截止近红外光滤色片和高透近红外光的玻璃片的切换装置，白天时滤掉近红外杂光，可大大提高可见光谱区域的成像质量；在夜间，装置切换到高透近红外光玻璃片的一档， 并通过内置的辅助近红外光（常用近红外LED阵列或近红外半导体激光器等）进行照明，获得清晰的景物黑白电视图像。也相应地开发了配套的宽光谱区域（波长0.486μm-0.9μm）共焦面的日夜型摄像镜头。国外近年来研制的此类镜头普遍采用低色散（LD）光学玻璃材料和非球面技术，较好地解决了宽光谱共焦成像的难题。国内采用的办法是把较宽的光谱区域分解成可见光光谱区域（波长0.486μm-0.656μm）和根据照明光源确定的特定近红外光谱区域（如用近红外LED照明时为0.84μm-0.86μm，用半导体激光器照明时用0.795μm-0.815μm），这样就降低了解决宽光谱共焦的难度，也研制出价格比国外产品低得多的高性能宽光谱共焦面的视频监控镜头。但以上装置一是制作或使用不方便，二是无法真正实现宽光谱共焦面。

光学玻璃材料的折射率是与波长λ有关的。由简化的经验公式可知：n=n₀+                                                

+

（A、B为玻璃材料的特征系数）。从中可以看出折射率n随波长增加而减少。对一个单透镜，其焦距可由

=(n-1)(+

)-

求得，当r_1、r₂>>d时，

=(n-1)(

+

)，说明n越大透镜的焦距越短，也就是说波长越短，焦距就越短。如果将透镜放在λ₁和λ₂主谱线工作时，可得：

-

=

-

。一般

与

相差不大，可用它们的平均值

近似取代，得：

-

≈(

-

)

。可见同一单透镜在不同光谱区工作时，它们的焦面偏离取决于两光谱区域的折射率差（或色散差）和透镜的焦距长短。显然，选用色散差小的玻璃材料可减小两焦面偏离。一个镜头是由多个单透镜或胶合透镜组成的，情况比单透镜复杂。除选用低色散玻璃外，还可以通过选用相对部分色散（ΔPλ_min，λ_max）偏离阿贝色散基准线较大且各自偏离方向相异的关键透镜进行组合，也可降低较宽光谱区的焦面偏离。由于现有光学玻璃材料不可能完全消除色散差，因此在较宽光谱区域工作的同一镜头，始终存在焦面的偏离。像差平衡较好的镜头，大致在0.02mm以内，一般在0.03-0.06mm，较差的在0.07mm以上，而且焦距越长，焦面偏离量越大。因此如何使镜头真正校正在共同焦面并获得较佳的成像质量始终是日夜型镜头设计的难点。

目前常用的摄像机大多数都没有设置日夜切换装置，即使有也是用两片平行平板玻璃插入到光路上，这种不正确的设置，不仅改变了原有像面的位置，而且也降低了镜头的成像质量。

发明内容

为了解决现有技术所存在的上述问题，本发明提供了一种使镜头实现宽光谱共焦面的方法及宽光谱共焦面镜头装置，它不仅可真正实现使镜头在可见光谱区和近红外光谱区都能在同一共焦面上获得高成像质量的要求，而且简单易行。

本发明技术方案由以下几部分构成：

方案一：

一种使镜头实现宽光谱共焦面的方法，其特征在于：将由镜头前组、光栏、镜头后组及摄像器件组成的基本光学组件在可见光谱区校正好像差；在已校正好像差的镜头前组之间、镜头前组与镜头后组之间、镜头后组之间或者镜头后组与摄像器件之间有适当空间距离的部位插入由镀有近红外光截止膜的平行平板玻璃滤色片和能校正近红外光谱区焦面偏离的校正透镜组成且能交替切换至镜头光轴上的活动光学元件，当被摄物周围环境的照度低于某一设定值时，将校正透镜推进到镜头光轴上，当被摄物周围环境的照度大于某一设定值时，将平行平板玻璃滤色片推进到镜头光轴上，从而使镜头在可见光谱区和近红外光谱区都能在同一焦面上获得好的成像质量；所述校正透镜是以插入平行平板玻璃滤色片后镜头在可见光谱区能获得最佳成像质量的像方截距作为校正透镜的像方截距，在镜头所有几何参量和材料不变的条件下，把波长范围由可见光谱区改为近红外特定光谱区，用优化程序计算获得的能实现在可见光谱区和近红外光谱区无焦面偏离成像的曲率半径作为校正透镜的曲率半径。

本发明上述技术方案中，所述平行平板玻璃滤色片应满足以下条件：

T_0.45μm>0.5, T_0.48-0.63μm≥0.98, T_0.68μm≤0.2；

其中，T_0.45μm表示平行平板玻璃滤色片对0.45μm波长的光谱透过率，T_0.48-0.63μm表示平行平板玻璃滤色片对0.45μm-0.63μm波长的光谱透过率，T_0.68μm表示平行平板玻璃滤色片对0.68μm波长的光谱透过率。

所述平行平板玻璃滤色片和校正透镜应满足以下条件：

υ_滤色片≥60，υ_滤色片-υ_校正透镜≤±2；

其中，υ_滤色片表示平行平板玻璃滤色片的阿贝系数，υ_校正透镜表示校正透镜的阿贝系数。

通过镜片切换装置将校正透镜和平行平板玻璃滤色片固定连接于与镜头光轴垂直的某一径向方向的不同径向位置上，通过与镜片切换装置连接的驱动装置带动活动光学元件沿垂直镜头光轴的方向移动，从而使平行平板玻璃滤色片和校正透镜交替切换至镜头光轴上。

方案二：

由方案一所述的方法获得的宽光谱共焦面镜头装置，它包括依次排列的镜头前组、光栏、镜头后组及摄像器件，其特征在于：它还包括设置于镜头前组之间、镜头前组与镜头后组之间、镜头后组之间或者镜头后组与摄像器件之间有适当空间距离部位的活动光学元件；所述活动光学元件由能交替切换至镜头光轴上的平行平板玻璃滤色片和校正透镜组成；所述平行平板玻璃滤色片镀有近红外光截止膜；所述校正透镜能校正近红外光谱区焦面偏离，所述校正透镜是以插入平行平板玻璃滤色片后镜头在可见光谱区能获得最佳成像质量的像方截距作为校正透镜的像方截距，在镜头所有几何参量和材料不变的条件下，把波长范围由可见光谱区改为近红外特定光谱区，用优化程序计算获得的能实现在可见光谱区和近红外光谱区无焦面偏离成像的曲率半径作为校正透镜的曲率半径。

本发明上述技术方案中，所述平行平板玻璃滤色片应满足以下条件：

T_0.45μm>0.5, T_0.48-0.63μm≥0.98, T_0.68μm≤0.2；

其中，T_0.45μm表示平行平板玻璃滤色片对0.45μm波长的光谱透过率，T_0.48-0.63μm表示平行平板玻璃滤色片对0.45μm-0.63μm波长的光谱透过率，T_0.68μm表示平行平板玻璃滤色片对0.68μm波长的光谱透过率。

所述平行平板玻璃滤色片和校正透镜应满足以下条件：

υ_滤色片≥60，υ_滤色片-υ_校正透镜≤±2；

其中，υ_滤色片表示平行平板玻璃滤色片的阿贝系数，υ_校正透镜表示校正透镜的阿贝系数。

所述宽光谱共焦面镜头装置主要指视频监控镜头装置，当然也可以是其它有类似需求的镜头装置。

为了便于根据需要准确快速的切换调整平行平板玻璃滤色片或校正透镜至镜头光轴上，本发明上述技术方案所述的宽光谱共焦面镜头装置，它还包括用来带动活动光学元件沿垂直镜头光轴的方向移动的控制组件，所述控制组件包括用来将平行平板玻璃滤色片和校正透镜固定连接在与镜头光轴垂直的某一径向方向的不同径向位置上的镜片切换装置以及用来控制镜片切换装置的切换动作的驱动装置。所述驱动装置可以是手动调整的，也可以是电动调整的，还可以将驱动装置与用来检测环境照度的检测装置连接，当检测装置检测到被摄物周围环境的照度低于某一设定值时，驱动装置根据检测装置送来的检测信号将校正透镜推进到镜头光轴上；当检测装置检测到被摄物周围环境的照度大于某一设定值时，驱动装置根据检测装置送来的检测信号将平行平板玻璃滤色片推进到镜头光轴上，从而达到自动调节功能。

本发明上述技术方案的设计和工作原理说明如下：在像差平衡过的可见光光谱区镜头上合适的部位分别插入一片镀有近红外光截止膜的平行平板滤色片和一片为校正近红外光焦面偏离的特制透镜。 由于焦面偏离量很小，一般特制透镜的光焦度也很小。鉴于滤色片和校正焦面偏离透镜都要参与镜头的成像，因此它们的中心厚度不宜太薄（一般在0.6mm-1mm之间）。在可见光谱区域时插入平行平板滤色片会使这一部分的空间增加

d的位移，这样原光学系统的成像后截距将发生变化，会使已校正好的成像质量受到影响。为此必须对镜头的像差重新进行平衡，以确保可见光谱区域有最佳的成像质量。得到的最佳成像面可作为日夜型镜头的共焦面，其像方后截距可作为近红外光谱区插入校正小透镜后的镜头后截距。一般在近红外光谱区工作的同一个镜头，其后截距要比在可见光光谱区域长（因折射率n变小），因此插入的校正小透镜一般是正光焦度透镜。为了使加工工艺简单易行，我们选择其厚度和材料与可见光谱区域工作的滤色片相同，并选择其中一面为平面（两面也可以是球面），另一面的半径可采用ZEMAX或codeV光学程序的最优化平衡求出。所述驱动装置可为直流电机驱动装置或电磁驱动装置，它可由内置或外置的环境照度光控电路控制，当被摄物周围环境的照度低于或大于设定值时，驱动装置会通过镜片切换装置相应地把滤色片或校正透镜推进到光路上，实现在白天时通过滤色片把近红外光截止掉，而在晚间通过校正透镜对红外光焦面偏移进行准确补偿，使光学镜头在两个光谱区域的同一焦面上获得比其他方法更好的成像质量。

上面提及的镜头合适部位可以是光栏附近，也可以是镜头前组或镜头后组有合适空间距离的部位，或者设在镜头后组的后面。选择部位的原则是能使镜头外观合理和切换装置的小型化，同时要能兼顾达到最佳成像质量的要求。一般后截距长的中长焦镜头可以把切换装置设置在镜头后组的后部，对后截距较短的中短焦距镜头大多数设置在镜头前组和镜头后组之间的光栏附近。由于受空间和外观的影响，一般很少放在镜头前组之间或镜头后组之间。

较之现有技术而言，本发明具有以下优点：本发明通过在镜头的合适部位插入带有一片截止近红外光的滤色片和一片能校正近红外光谱区焦面偏移的校正透镜的简单可切换光学结构，就可以满足镜头在白天和夜晚在同一焦面上获得较佳成像质量的目的。在设计方面把以往要在较宽的光谱范围内的设计，缩小到只要对可见光光谱区域进行设计，然后把波长范围推广到近红外光区就可以了，简化了设计，而且还提升了可见光光谱区的成像质量。与此同时还解决了常用摄像机无日夜切换装置的状况，扩大了它们的应用范围。上述这些优点使各种视频监控光学镜头要满足在白天和晚间都超过百万像素的高清晰度要求变得比较容易，从而能满足日益增长的市场需求。

附图说明

图1为本发明提供的宽光谱共焦面镜头装置的结构原理示意图，图中标号说明如下：1-镜头前组，2-镜片切换装置，3-驱动装置，4-平行平板玻璃滤色片，5-校正透镜，6-光栏，7-镜头后组，8-摄像器件。

图2为本发明提供的宽光谱共焦面镜头装置中的平行平板玻璃滤色片、校正透镜、镜片切换装置及驱动装置的连接示意图。

图3为图2的E-E剖视图。

图4为现有的采用常用宽光谱共焦方法设计的一种日夜型镜头的光学结构图。

图5为图4的日夜型镜头在可见光光谱区d(F，c)的主要几何像差图和不同视场的MTF曲线图，A为中心视场，B为0.7视场，C为全视场。

图6为图4的日夜型镜头在近红外光特定光谱区0.84μm –0.86μm（采用近红外LED照明）的主要几何像差图和不同视场的MTF曲线图，A为中心视场，B为0.7视场，C为全视场。

在上述图5和图6中，球差和像散图的横坐标单位为mm， 倍率色差图横坐标的单位为μm，MTF曲线图的横坐标的单位为：线对/mm。Δ是可见光光谱区主谱线与近红外光谱区主谱线的焦面偏离量。

图7为在图4的日夜型镜头的基础上，根据本发明技术方案设计的新型日夜型镜头光学结构图，图中（a）表示插入滤色片，（b）表示插入校正透镜。

图8为图7所示的新型日夜型镜头在可见光光谱区d(F，c)的主要几何像差图和不同视场的MTF曲线图，A为中心视场，B为0.7视场，C为全视场.

图9为图7所示的新型日夜型镜头在近红外光特定光谱区（0.84μm –0.86μm）的主要几何像差图和不同视场的MTF曲线图，A为中心视场，B为0.7视场，C为全视场。

在上述图8和图9中，球差和像散图的横坐标单位为mm，倍率色差图横坐标的单位为μm，MTF曲线图的横坐标的单位为：线对/mm。Δ是可见光光谱区主谱线与近红外光谱区主谱线的焦面偏离量。

图10为在大孔径可见光视频监控镜头基础上，根据本发明技术方案设计的大孔径日夜型视频监控镜头的光学结构图。

图11为图10所示的大孔径日夜型视频监控镜头在可见光光谱区d(F，c)的主要几何像差图和不同视场的MTF曲线图，A为中心视场，B为0.7视场，C为全视场。

图12为图10所示的大孔径日夜型视频监控镜头（插入校正透镜）在近红外光特定光谱区（0.84μm –0.86μm）的主要几何像差图和不同视场的MTF曲线图，A为中心视场，B为0.7视场，C为全视场；

图13为大孔径可见光原视频监控镜头在近红外光特定光谱区（0.84μm –0.86μm）的不同视场的MTF曲线图，A为中心视场，B为0.7视场，C为全视场。

在上述图11-图13中，球差和像散图的横坐标单位为mm，倍率色差图横坐标的单位为μm，MTF曲线图的横坐标的单位为：线对/mm。Δ是可见光光谱区主谱线与近红外光谱区主谱线的焦面偏离量。

在上述图5-图6，图8-图9，图11-图13中，a1代表波长=0.486μm的各种几何像差曲线；b1代表波长=0.588μm的各种几何像差曲线；c1代表波长=0.656μm的各种几何像差曲线；a2代表波长=0.84μm的各种几何像差曲线；b2代表波长=0.85μm的各种几何像差曲线；c2代表波长=0.86μm的各种几何像差曲线。

具体实施方式

下面结合说明书附图、具体实施方式和具体实施例对本发明内容进行详细说明：

一、具体实施方式如下：

具体实施方式一：一种使镜头实现宽光谱共焦面的方法，其特征在于：将由镜头前组1、光栏6、镜头后组7及摄像器件8组成的基本光学组件在可见光谱区校正好像差；在已校正好像差的镜头前组1之间、镜头前组1与镜头后组7之间、镜头后组7之间或者镜头后组7与摄像器件8之间有适当空间距离的部位插入由镀有近红外光截止膜的平行平板玻璃滤色片4和能校正近红外光谱区焦面偏离的校正透镜5组成且能交替切换至镜头光轴上的活动光学元件，当被摄物周围环境的照度低于某一设定值时，将校正透镜5推进到镜头光轴上，当被摄物周围环境的照度大于某一设定值时，将平行平板玻璃滤色片4推进到镜头光轴上，从而使镜头在可见光谱区和近红外光谱区都能在同一焦面上获得好的成像质量；所述校正透镜5是以插入平行平板玻璃滤色片4后镜头在可见光谱区能获得最佳成像质量的像方截距作为校正透镜5的像方截距，在镜头所有几何参量和材料不变的条件下，把波长范围由可见光谱区改为近红外特定光谱区，用优化程序计算获得的能实现在可见光谱区和近红外光谱区无焦面偏离成像的曲率半径作为校正透镜5的曲率半径。

本发明上述技术方案中，所述平行平板玻璃滤色片4应满足以下条件：

T_0.45μm>0.5, T_0.48-0.63μm≥0.98, T_0.68μm≤0.2；

其中，T_0.45μm表示平行平板玻璃滤色片4对0.45μm波长的光谱透过率，T_0.48-0.63μm表示平行平板玻璃滤色片4对0.45μm-0.63μm波长的光谱透过率，T_0.68μm表示平行平板玻璃滤色片4对0.68μm波长的光谱透过率。

所述平行平板玻璃滤色片4和校正透镜5应满足以下条件：

υ_滤色片≥60，υ_滤色片-υ_校正透镜≤±2；

其中，υ_滤色片表示平行平板玻璃滤色片4的阿贝系数，υ_校正透镜表示校正透镜5的阿贝系数。

通过镜片切换装置2将校正透镜5和平行平板玻璃滤色片4固定连接于与镜头光轴垂直的某一径向方向的不同径向位置上，通过与镜片切换装置2连接的驱动装置3带动活动光学元件沿垂直镜头光轴的方向移动，从而使平行平板玻璃滤色片4和校正透镜5交替切换至镜头光轴上。

具体实施方式二：一种由上述方法获得的宽光谱共焦面镜头装置，它包括依次排列的镜头前组1、光栏6、镜头后组7及摄像器件8，其特征在于：它还包括设置于镜头前组1之间、镜头前组1与镜头后组7之间、镜头后组7之间或者镜头后组7与摄像器件8之间有适当空间距离部位的活动光学元件；所述活动光学元件由能交替切换至镜头光轴上的平行平板玻璃滤色片4和校正透镜5组成；所述平行平板玻璃滤色片4镀有近红外光截止膜；所述校正透镜5能校正近红外光谱区焦面偏离，所述校正透镜5是以插入平行平板玻璃滤色片4后镜头在可见光谱区能获得最佳成像质量的像方截距作为校正透镜5的像方截距，在镜头所有几何参量和材料不变的条件下，把波长范围由可见光谱区改为近红外特定光谱区，用优化程序计算获得的能实现在可见光谱区和近红外光谱区无焦面偏离成像的曲率半径作为校正透镜5的曲率半径。

本发明上述技术方案中，所述平行平板玻璃滤色片4应满足以下条件：

T_0.45μm>0.5, T_0.48-0.63μm≥0.98, T_0.68μm≤0.2；

其中，T_0.45μm表示平行平板玻璃滤色片4对0.45μm波长的光谱透过率，T_0.48-0.63μm表示平行平板玻璃滤色片4对0.45μm-0.63μm波长的光谱透过率，T_0.68μm表示平行平板玻璃滤色片4对0.68μm波长的光谱透过率。

所述平行平板玻璃滤色片4和校正透镜5应满足以下条件：

υ_滤色片≥60，υ_滤色片-υ_校正透镜≤±2；

其中，υ_滤色片表示平行平板玻璃滤色片4的阿贝系数，υ_校正透镜表示校正透镜5的阿贝系数。

所述宽光谱共焦面镜头装置主要指视频监控镜头装置，当然也可以是其它有类似需求的镜头装置。

上述宽光谱共焦面镜头装置，它还包括用来带动活动光学元件沿垂直镜头光轴的方向移动的控制组件，所述控制组件包括用来将平行平板玻璃滤色片4和校正透镜5固定连接在与镜头光轴垂直的某一径向方向的不同径向位置上的镜片切换装置2以及用来控制镜片切换装置2的切换动作的驱动装置3。

所述驱动装置3还可与用来检测环境照度的检测装置连接。

二．具体实施例如下：

实施例1：根据本发明提供的技术方案应用在百万像素级高清晰度日夜型视频监控镜头的设计。

    图4是现有的采用常用宽光谱共焦方法设计的日夜型镜头光学结构图。镜头是由5片透镜构成，其中第2片和第3片组成胶合组。它的主要技术指标是：f′=26.08mm，F_NO=1.9，像方线视场为Φ8mm（适用于1/2”摄像器件）,消色谱线d(F，c)即可见光光谱区消色差。表1是该镜头的光学结构数据：

表1  f′=26.08mm  F_NO=1.9  像方线视场Φ=8mm 

 

图5和图6分别是该镜头在可见光光谱区d(F，c)和近红外特定光谱区（0.84μm –0.86μm）的主要几何像差图和不同视场的MTF曲线图。

图7是在图4的日夜型高清晰视频监控镜头的基础上，采用本发明提供的方案设计的新型高清晰日夜型视频监控镜头。

首先是把一个厚度为0.7mm的平行平板玻璃滤色片插入在光栏和后组之间。平行平板玻璃上镀制了近红外光截止膜，保证镜头是在d(F，c)可见光光谱区工作。在大多数参量不变情况下，对表1的部分参量进行像差最优化自动平衡，得到了如表2所列的插入双平面滤色片的光学结构数据和图8所示的新镜头的几何像差图和不同视场的MTF曲线图。其像方后截距为l′=11.304mm。显然新的高清晰日夜型视频监控镜头比原设计的镜头在可见光谱区要好得多。

然后把平行平板玻璃滤色片4移开，插入同样厚度和折射率的全透平行平板玻璃，会发现在近红外光特定光谱区（0.84μm –0.86μm），其最佳像面的后截距与可见光谱区有一定的偏离。从理论上，可以用改变平行平板厚度和折射率来校正焦面偏离。但由于增加的玻璃厚度dx与要校正的偏离量dx′的关系为dx=

dx′, β_后>1（β_后是镜头后组对中间像的放大倍率），要增加的厚度过大，会严重影响已平衡好的像差。而折射率的改变也因该片的阿贝数υ要和可见光谱区的滤色片的υ不能相差太大，n的范围只能在1.48-1.6之间，用来校正焦面偏离起的效果很小。这些方法显然不行。因此选择了用透镜来校正焦面偏离的设想。步骤是：把可见光谱区的l′=11.304mm作为近红外光特定光谱区主谱线（0.85μm）的设计的后截距，把平板玻璃的一面或二面的半径作为变量，在其他几何参量和材料不变的情况下，很容易通过最优化程序得到校正透镜的半径。考虑到加工工艺和切换装置移动的可行性，我们选取其中一面为平面，另一方面为球面。得到如表2所列的插入近红外特定光谱校正透镜的结构数据和图9所示的新镜头在近红外光谱区的几何像差图和不同视场的MTF曲线图。

把图5、图6和图8、图9进行比较，可以看出用本发明提供的方法设计的同类镜头的成像质量明显比常用方法设计的镜头要好得多，而且前者的像面偏离Δ为0，而后者只有当Δ=0.039mm才能有好的像质。说明本发明提供的方法的优越性。 

表2  f′=26.14mm（可见光） f′=26.11mm（近红外0.85μm） F_NO=1.9  

表2：像方线视场Φ=8mm 

实施例2：采用本发明提供的方案把可见光光谱区大孔径视频监控镜头改进为日夜型大孔径视频监控镜头的实例。

图10是日夜型大孔径视频监控镜头的光学结构图。它的原始结构是由7片透镜构成，其中第2片和第3片、第5片和第6片透镜构成双胶合组。它的技术指标是：f′=15.8mm，F_NO=1.02，像面线视场φ6.2mm（适用于1/3”摄像机）。表3是只改变光栏前后间隔用于补偿因插入平行平板玻璃滤色片引起的最佳像面偏离外，其他参数都保持原值，在这基础上采用本发明提供的方法和类似实施例1的设计步骤，设计出新的日夜型镜头的光学结构数据：

表3： f′=15.807mm（可见光） f′=15.84mm（近红外） F_NO=1.02  

像方线视场Φ=6.2mm 

 

图11和图12为新设计的日夜型视频监控镜头在可见光光谱区和近红外光谱区工作时的主要几何像差图及MTF曲线图。其中： 

图11为新设计镜头在可见光光谱区d(F，c)的主要几何像差图和不同视场的MTF曲线图，A为中心视场，B为0.7视场，C为全视场。

图12为新设计镜头在近红外光特定光谱区（0.84μm –0.86μm）的主要几何像差图和不同视场的MTF曲线图，A为中心视场，B为0.7视场，C为全视场。

图13为大孔径可见光原视频监控镜头在近红外光特定光谱区（0.84μm –0.86μm）在其最佳像面时的主要几何像差图和不同视场的MTF曲线图，其中A为中心视场，B为0.7视场，C为全视场。

把图12和图13进行比较，可以看出用本发明提供的方案设计的近红外光谱区域镜头的成像质量明显优于原设计镜头，而且新镜头的焦面偏离为0，而原设计的可见光用镜头在近红外特定光谱区使用时，只有当Δ=0.042  mm时，才能得到好的成像质量.

从两实施例说明，只要把插入镀有近红外截止膜的滤色片后的可见光光谱区域镜头的成像质量校正好，通过插入一片焦面偏离校正透镜，也可以获得在近红外特定光谱区较好的成像质量。这样大大简化了宽光谱共焦面镜头的光学设计，并能同时获得两光谱区较佳的成像效果。

我们把本发明提供的方法应用到多种日夜型视频监控镜头也获得较满意的设计效果，说明这种方法具有广泛的适用性。

根据本发明提供的方法设计的日夜型光学镜头装置，必须满足的条件是：

  T_0.45μm>0.5,T_{0.48μm-0.63μm}≥0.98,T_0.68μm<0.2………（1）

（T是滤色片的光谱透过率，T下标表示波长值）

υ_滤色片≥60，υ_滤色片-υ_校正透镜≤±2………（2）

（υ是玻璃材料的阿贝系数）

设定条件（1）的目的是把滤色片光谱透过率较严格控制在可见光光谱区内，它截止了对成像清晰度起干扰作用的近红外光同时保证能起到丰富色度层次的紫外光有一定的透过率。

设定条件（2）的目的是避免因滤色片或校正透镜的插入对校正好的色球差和倍率色差有影响。

本发明的主要特征：

    在镜头合适的部位插入相互可切换的一片镀有近红外光截止膜的平行平板滤色片和一片用于校正近红外光谱区引起镜头焦面偏离的校正透镜的简单光学结构，就可以比较好地解决日夜型视频监控镜头（特别是百万像素级的高清晰镜头）在白天和夜晚同一个焦面上获得较佳的成像质量。从实例上说明，只要把镜头在可见光光谱区的成像质量校正好，就可利用插入校正透镜使得镜头在同一像面获得近红外特定光谱区较佳的成像质量。这一方法有效地简化了宽光谱共焦面镜头的设计，把原来设计好的可见光谱区工作的视频监控镜头延伸至近红外光谱区使用。由于可在镜头上设置日夜切换装置，解决了常规摄像机无日夜切换装置的状况，扩大其使用范围。

Claims (10)

1.一种使镜头实现宽光谱共焦面的方法，其特征在于：将由镜头前组（1）、光栏（6）、镜头后组（7）及摄像器件（8）组成的基本光学组件在可见光谱区校正好像差；在已校正好像差的镜头前组（1）之间、镜头前组（1）与镜头后组（7）之间、镜头后组（7）之间或者镜头后组（7）与摄像器件（8）之间有适当空间距离的部位插入由镀有近红外光截止膜的平行平板玻璃滤色片（4）和能校正近红外光谱区焦面偏离的校正透镜（5）组成且能交替切换至镜头光轴上的活动光学元件，当被摄物周围环境的照度低于某一设定值时，将校正透镜（5）推进到镜头光轴上，当被摄物周围环境的照度大于某一设定值时，将平行平板玻璃滤色片（4）推进到镜头光轴上，从而使镜头在可见光谱区和近红外光谱区都能在同一焦面上获得好的成像质量；所述校正透镜（5）是以插入平行平板玻璃滤色片（4）后镜头在可见光谱区能获得最佳成像质量的像方截距作为校正透镜（5）的像方截距，在镜头所有几何参量和材料不变的条件下，把波长范围由可见光谱区改为近红外特定光谱区，用优化程序计算获得的能实现在可见光谱区和近红外光谱区无焦面偏离成像的曲率半径作为校正透镜（5）的曲率半径。

2.根据权利要求1所述的使镜头实现宽光谱共焦面的方法，其特征在于：所述平行平板玻璃滤色片（4）应满足以下条件：

T_0.45μm>0.5, T_0.48-0.63μm≥0.98, T_0.68μm≤0.2；

其中，T_0.45μm表示平行平板玻璃滤色片（4）对0.45μm波长的光谱透过率，T_0.48-0.63μm表示平行平板玻璃滤色片（4）对0.45μm-0.63μm波长的光谱透过率，T_0.68μm表示平行平板玻璃滤色片（4）对0.68μm波长的光谱透过率。

3. 根据权利要求1或2所述的使镜头实现宽光谱共焦面的方法，其特征在于：所述平行平板玻璃滤色片（4）和校正透镜（5）应满足以下条件：

υ_滤色片≥60，υ_滤色片-υ_校正透镜≤±2；

其中，υ_滤色片表示平行平板玻璃滤色片（4）的阿贝系数，υ_校正透镜表示校正透镜（5）的阿贝系数。

4. 根据权利要求3所述的使镜头实现宽光谱共焦面的方法，其特征在于：通过镜片切换装置（2）将校正透镜（5）和平行平板玻璃滤色片（4）固定连接于与镜头光轴垂直的某一径向方向的不同径向位置上，通过与镜片切换装置（2）连接的驱动装置（3）带动活动光学元件沿垂直镜头光轴的方向移动，从而使平行平板玻璃滤色片（4）和校正透镜（5）交替切换至镜头光轴上。

5. 一种由权利要求1所述的方法获得的宽光谱共焦面镜头装置，它包括依次排列的镜头前组（1）、光栏（6）、镜头后组（7）及摄像器件（8），其特征在于：它还包括设置于镜头前组（1）之间、镜头前组（1）与镜头后组（7）之间、镜头后组（7）之间或者镜头后组（7）与摄像器件（8）之间有适当空间距离部位的活动光学元件；所述活动光学元件由能交替切换至镜头光轴上的平行平板玻璃滤色片（4）和校正透镜（5）组成；所述平行平板玻璃滤色片（4）镀有近红外光截止膜；所述校正透镜（5）能校正近红外光谱区焦面偏离，所述校正透镜（5）是以插入平行平板玻璃滤色片（4）后镜头在可见光谱区能获得最佳成像质量的像方截距作为校正透镜（5）的像方截距，在镜头所有几何参量和材料不变的条件下，把波长范围由可见光谱区改为近红外特定光谱区，用优化程序计算获得的能实现在可见光谱区和近红外光谱区无焦面偏离成像的曲率半径作为校正透镜（5）的曲率半径。

6. 根据权利要求5所述的宽光谱共焦面镜头装置，其特征在于：所述平行平板玻璃滤色片（4）应满足以下条件：

T_0.45μm>0.5, T_0.48-0.63μm≥0.98, T_0.68μm≤0.2；

其中，T_0.45μm表示平行平板玻璃滤色片（4）对0.45μm波长的光谱透过率，T_0.48-0.63μm表示平行平板玻璃滤色片（4）对0.45μm-0.63μm波长的光谱透过率，T_0.68μm表示平行平板玻璃滤色片（4）对0.68μm波长的光谱透过率。

7. 根据权利要求5或6所述的宽光谱共焦面镜头装置，其特征在于：所述平行平板玻璃滤色片（4）和校正透镜（5）应满足以下条件：

υ_滤色片≥60，υ_滤色片-υ_校正透镜≤±2；

其中，υ_滤色片表示平行平板玻璃滤色片（4）的阿贝系数，υ_校正透镜表示校正透镜（5）的阿贝系数。

8. 根据权利要求7所述的宽光谱共焦面镜头装置，其特征在于：所述宽光谱共焦面镜头装置指视频监控镜头装置。

9. 根据权利要求7所述的宽光谱共焦面镜头装置，其特征在于：它还包括用来带动活动光学元件沿垂直镜头光轴的方向移动的控制组件，所述控制组件包括用来将平行平板玻璃滤色片（4）和校正透镜（5）固定连接在与镜头光轴垂直的某一径向方向的不同径向位置上的镜片切换装置（2）以及用来控制镜片切换装置（2）的切换动作的驱动装置（3）。

10. 根据权利要求9所述的宽光谱共焦面镜头装置，其特征在于：所述驱动装置（3）与用来检测环境照度的检测装置连接。

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