CN103336355A - 一种光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学系统，从物方到像方依次包括有整体焦距为负的第一透镜群（1）、光栅（4）、整体焦距为正的第二透镜群（2）、整体焦距为正的第三透镜群（3）、感光芯片（7），所述的第二透镜群（2）与感光芯片（7）之间距离固定，所述的第一透镜群（1）能移动来调节第一透镜群（1）与感光芯片（7）之间的距离，所述的第三透镜群（3）能移动来调节第三透镜群（3）与感光芯片（7）之间的距离。

Description

一种光学系统

【技术领域】

本发明涉及一种光学系统，尤其涉及一种由多片透镜组成的光学系统。

【背景技术】

目前10倍以下的小倍率监控用的摄像头普遍存在这样的缺点：要么外形尺寸较大、要么就不是高清镜头。这类型的镜头，在成本高昂的同时，角度小、只能在白天成高清像质，到晚上画面就会比较模糊不清，这在使用上有很大的局限性。目前在监控镜头里还没有出现一种能改善所有上述提到的各种缺点的镜头。

现有小倍率变焦监控镜头大部分都是体积较大，成本贵，很少有真正的小体积、低成本的光学变焦镜头，即使有，其分辨率也达不到高清，无法日夜都高清成像，而且在变焦过程中清晰度不一致，即在某一段焦距分辨率较好，在下一段焦距分辨率较差，成像不稳定。

【发明内容】

为了解决现有技术中的不足，提供一种体积小、成本低、超广角、日夜两用的高清光学变焦系统，本发明所采用的技术方案为：

一种光学系统，从物方到像方依次包括有整体焦距为负的第一透镜群、光栅、整体焦距为正的第二透镜群、整体焦距为正的第三透镜群、感光芯片，所述的第二透镜群与感光芯片之间距离固定，所述的第一透镜群能移动来调节第一透镜群与感光芯片之间的距离，所述的第三透镜群能移动来调节第三透镜群与感光芯片之间的距离。

采用三组透镜减小了透镜的使用数量，

在所述的第三透镜群和感光芯片之间设有保护感光芯片的保护玻璃。

包括有一块在使用红外线光源时启用使系统达到红外共焦的平板玻璃。

所述的第一透镜群从物方到像方依次包括有凹面与光栅相对为凹凸型的A凸透镜、凹面与光栅相对为凹凸型的B凸透镜、C凸透镜。

所述的C凸透镜为凸面与光栅相对的凹凸型透镜。

所述的第二透镜群从物方到像方依次包括有D凹透镜、E凸透镜。

所述的D凹透镜为双凹型透镜，所述的E凸透镜为双凸型透镜。

所述的第三透镜群从物方到像方依次包括有F凸透镜、H凹透镜、J凸透镜、K凸透镜、L凸透镜、M凸透镜。

所述的F凸透镜为双凸型透镜、所述的H凹透镜为双凹型透镜、所述的J凸透镜为双凸型透镜、K凸透镜为双凸型透镜、L凸透镜为双凸型透镜、所述M凸透镜为凹面与光栅相对的凹凸型透镜。

所述的A凸透镜、B凸透镜、C凸透镜、D凹透镜、E凸透镜、F凸透镜、H凹透镜、J凸透镜、K凸透镜、M凸透镜、L凸透镜均为玻璃材质。

本发明与现有技术相比具有如下的优点：

本发明为了克服以现有技术中的缺点，特发明了一种新型变焦光学系统。此系统体积小、成本低、超广角、日夜两用的高清光学变焦系统，并采用大众化的镜片加工工艺，最终用更低的成本，减小了体积和重量、简化了操作，解决了目前市场上这类镜头需求的空白。具体来说：

现有的监控镜头一般都是体积较大，不能适用于现在某些安装空间较小的发展需要；本发明的监控镜头体积小，成本低，其整体长度在40mm左右，第三透镜群中的6枚透镜，最终使得入射光线正好汇聚到像面，因为6枚透镜之间的空气间隔都很小，所以有效的缩小了光学系统的长度。

本发明的光学镜头能实现真正的三倍光学变焦，它通过第一透镜群(变倍群)和第三透镜群(补偿群)的前后移动，通过采用AF(自动对焦)技术，这样彻底实现了一个光学系统可以同时对不同距离的物体成拍摄清晰的照片。

此外，本系统使用1枚平板玻璃和11枚玻璃球面镜片，通过合理的组合，有效的减小了系统的像差，而且入射光线通过第三透镜群6枚镜片折射，使得CRA(出射光线和成像面之间的夹角)较小，有效的提高了像面的光照度和分辨率，实现了高清的功能，其有效像素能达到3MP，实现1080P的分辨率效果，并在整个变焦过程中能成清晰像，而且成像画面的锐利度高、颜色分明，色彩还原性好。

现有变焦的监控镜头一般角度较小，大多数都在80°以下，只有极少数能达到100°，这样在监控上存在很大的死角；本发明的光学系统把光阑设在第一透镜群和第二透镜群之间，第一透镜群的前两片玻璃都弯向光阑，这样就使得大角度的光线得以汇聚，最大角度可达到了150°，可以清晰监控所需画面，真正实现大范围监控，不留死角。

现有变焦镜头，绝大部分都只能在白天光线充足的条件下使用，还没有能在晚上光线很暗的情况下也可以清晰成像的；本发明的变焦镜头不仅可以再白天实现高清分辨，而且在晚上在红外光源下，也能清晰分辨所监控的场景，真正实现了白天和夜晚都能清晰成像的功能。

【附图说明】

图1为光学系统结构视图。

【具体实施方式】

如图1所示的光学系统一种光学系统，从物方到像方依次包括有整体焦距为负的第一透镜群1、光栅4、整体焦距为正的第二透镜群2、整体焦距为正的第三透镜群3、感光芯片7，所述的第二透镜群2与感光芯片7之间距离固定，所述的第一透镜群1能移动来调节第一透镜群1与感光芯片7之间的距离，所述的第三透镜群3能移动来调节第三透镜群3与感光芯片7之间的距离，光阑设在第二透镜群2和第一透镜群1之间，并处在靠近第二透镜群2的位置，既利于缩小第一透镜群1的口径，又利于控制第二透镜群2的口径。

第二透镜群2是固定的其与芯片7之间距离不变（均为固定的不可移动），第一透镜群1是可以移动的：即第一透镜群1和第二透镜群2之间的间隔是可以调整的（第一透镜群作为变倍透镜群），同样的第三透镜群3也是可以移动的：第三透镜群3和第二透镜群2之间的间隔是可变的(第三透镜群作为补偿群)，通过移动第一透镜群1和第三透镜群3，可达到使镜头的焦距改变的目的。感光芯片7可以用高像素的CMOS（互补金属氧化物半导体）感光片或CCD（电荷耦合元件）芯片，增加成像效果。

在所述的第三透镜群3和感光芯片7之间设有保护感光芯片7的保护玻璃6。

在光学系统中还设有有一块在使用红外线光源时启用使系统达到红外共焦的平板玻璃5，平板玻璃5的存在主要是为了达到日夜共焦的目的。众所周知，同一光学系统在不同波长下最佳成像面位置是不一样的，为了使此系统在晚上也能高清成像，即达到和白天一样的成像效果，本光学系统中中加入一块平板玻璃5来弥补两者的差异。当镜头在白天使用时，系统将此平板玻璃5移开，即不使用此平板玻璃5；当到晚上使用近红外光源时，再将此平板玻璃5切换到系统中，这样就使得该光学系统在同一变焦位置不同波段有相同焦距，从而达到日夜共焦的目的。

所述的第一透镜群1从物方到像方依次包括有凹面与光栅4相对为凹凸型的A凸透镜1-1、凹面与光栅4相对为凹凸型的B凸透镜1-2、C凸透镜1-3。所述的C凸透镜1-3为凸面与光栅4相对的凹凸型透镜，所述的第一透镜群1整体焦距为负，达到汇聚光线的目的，其中A凸透镜1-1和B凸透镜1-2的凹面均与光阑4相对，这样就很好的把超广角的光线汇聚并顺利进入第二透镜群2。第一透镜群1在移动过程中使整个系统的焦距改变，达到变倍的目的，该群又称为变倍群。

所述的第二透镜群2从物方到像方依次包括有D凹透镜2-1、E凸透镜2-2，所述的D凹透镜2-1为双凹型透镜，所述的E凸透镜2-2为双凸型透镜。第二透镜群2的整体焦距为正，D凹透镜2-1焦距为负，E凸透镜成像2-2焦距为正。

所述的第三透镜群3从物方到像方依次包括有F凸透镜3-1、H凹透镜3-2、J凸透镜3-3、K凸透镜3-4、L凸透镜3-5、M凸透镜3-6，所述的F凸透镜3-1为双凸型透镜、所述的H凹透镜3-2为双凹型透镜、所述的J凸透镜3-3为双凸型透镜、K凸透镜3-4为双凸型透镜、L凸透镜3-5为双凸型透镜、所述M凸透镜3-6为凹面与光栅4相对的凹凸型透镜。第三透镜群3的整体焦距为正，重新汇聚被第二透镜群发散的光线。所述第三透镜群3由6枚球面透镜组成。这6枚镜片之间的空气间隔都很小，所以第三透镜群的总体积也就很小，从而有效的减小系统的体积，同时因为经过6枚镜片的折射，超广角入射的光线在最后出射的CRA(出射光线和成像面之间的夹角)已经很小的，在保证像面的光照度时，同时还实现了镜头高清成像功能。在变倍过程中，通过移动第三透镜群3为变倍群(第一透镜群1)的移动起到补偿作用，达到调清画面的目的，该群又称为补偿群。这样前后群配合调节最终使得此系统拥有3倍光学变焦的能力，而且通过各镜片之间巧妙的设计和配合，使得此系统的有效像素达到3MP，实现1080P的高清分辨功能。

所述的A凸透镜1-1、B凸透镜1-2、C凸透镜1-3、D凹透镜2-1、E凸透镜2-2、F凸透镜3-1、H凹透镜3-2、J凸透镜3-3、K凸透镜3-4、M凸透镜3-6、L凸透镜3-5均为玻璃材质。相比塑料透镜而言，玻璃透镜可选择的范围广，而且在高低温的使用环境中比较稳定，而且硬度较好，不易变形等。

本发明中考虑到了光阑4(快门的开孔)位置所产生的像差,从而既合理分配了像差又使该快门设计实现了量产化。由于设计中还需要考虑到在结构设计中实现ZOOM(变焦)和AF（自动对焦）功能,则光学设计中必须考虑到马达的力量和步进的精度,故第一透镜群1的变化曲线也需要很好的考虑以便在加工CAM（计算机辅助制造）时生产可行,第三透镜群3的变化也要尽可能小,三个透镜群的光焦度同样需要很好的匹配.

为实现最佳的色彩还原性,光学系统的后部还考虑到芯片上覆盖的保护玻璃，光线是从保护玻璃进入芯片的，保护玻璃在保护芯片的同时，还能有选择的过滤一部分光线，使图像色彩亮丽和锐利的同时具有良好的色彩还原性。

上面所述的第一透镜群1、第二透镜群2和第三透镜群3中所涉及的各镜片的形状不是一定的，只要满足焦距和配合后的总焦距以及广角度的要求均可一作变动。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于：从物方到像方依次包括有整体焦距为负的第一透镜群（1）、光栅（4）、整体焦距为正的第二透镜群（2）、整体焦距为正的第三透镜群（3）、感光芯片（7），所述的第二透镜群（2）与感光芯片（7）之间距离固定，所述的第一透镜群（1）能移动来调节第一透镜群（1）与感光芯片（7）之间的距离，所述的第三透镜群（3）能移动来调节第三透镜群（3）与感光芯片（7）之间的距离。

2.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：在所述的第三透镜群（3）和感光芯片（7）之间设有保护感光芯片（7）的保护玻璃（6）。

3.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：包括有一块在使用红外线光源时启用使系统达到红外共焦的平板玻璃（5）。

4.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：所述的第一透镜群（1）从物方到像方依次包括有凹面与光栅（4）相对为凹凸型的A凸透镜（1-1）、凹面与光栅（4）相对为凹凸型的B凸透镜（1-2）、C凸透镜（1-3）。

5.根据权利要求4所述的一种光学系统，其特征在于：所述的C凸透镜（1-3）为凸面与光栅（4）相对的凹凸型透镜。

6.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：所述的第二透镜群（2）从物方到像方依次包括有D凹透镜（2-1）、E凸透镜（2-2）。

7.根据权利要求5所述的一种光学系统，其特征在于：所述的D凹透镜（2-1）为双凹型透镜，所述的E凸透镜（2-2）为双凸型透镜。

8.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：所述的第三透镜群（3）从物方到像方依次包括有F凸透镜（3-1）、H凹透镜（3-2）、J凸透镜（3-3）、K凸透镜（3-4）、L凸透镜（3-5）、M凸透镜（3-6）。

9.根据权利要求7所述的一种光学系统，其特征在于：所述的F凸透镜（3-1）为双凸型透镜、所述的H凹透镜（3-2）为双凹型透镜、所述的J凸透镜（3-3）为双凸型透镜、K凸透镜（3-4）为双凸型透镜、L凸透镜（3-5）为双凸型透镜、所述M凸透镜（3-6）为凹面与光栅（4）相对的凹凸型透镜。

10.根据权利要求4至6所述的一种光学系统，其特征在于：所述的A凸透镜（1-1）、B凸透镜（1-2）、C凸透镜（1-3）、D凹透镜（2-1）、E凸透镜（2-2）、F凸透镜（3-1）、H凹透镜（3-2）、J凸透镜（3-3）、K凸透镜（3-4）、M凸透镜（3-6）、L凸透镜（3-5）均为玻璃材质。

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