CN104267483A - 一种光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学器件技术领域，尤其涉及一种光学系统，包括从物方到像方依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第三透镜和第四透镜采用塑胶非球面镜片；第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的焦距与整个镜头的焦距的比值满足一定条件；第三透镜的焦距和第四透镜的焦距的比值也要满足一定条件。本发明在采用了塑胶镜片、大幅度降低镜头成本的同时，也解决了可见光与红外光共焦、镜头成像温度漂移这两大难题。本发明做到了对可见光与红外光均达到了全高清1080P以上的分辨率，并且在-40℃～85℃的宽温度范围内保持该分辨率不变的水平。

Description

一种光学系统

技术领域

本发明属于光学器件技术领域，涉及一种可见光与红外光共焦、极低温度漂移的包含玻璃镜片与塑胶镜片的光学系统。

背景技术

目前，在监控镜头领域需要解决的难题主要有技术问题和性能价格比问题。

其中，技术难题主要有两个：

第一，可见光与红外光焦距相同。

监控镜头在白天和夜晚均处于工作状态，白天的照明采用的主要是自然光，因此白天被摄物所发出的光线主要是可见光，而夜晚则需要使用红外光辅助照明，因此夜晚被摄物发出的光线主要是红外光或者由红外光和可见光组成的混合光线。

而由于可见光(波长以550nm为例)与红外光(波长以850nm为例)在同一种光学玻璃、光学塑胶中的折射率不一样，这往往会导致可见光的焦点位置与红外光的焦点位置不一样，也就是说通过镜头成像之后可见光成像清晰的位置与红外光成像清晰的位置不一样。这样就导致了市面上的普通监控镜头很难兼顾白天和夜晚的成像清晰。

目前业界采用的辅助解决可见光与红外光共焦的一个主要办法是，利用日夜切换的滤光片的不同厚度，在白天使用较厚的滤光片，在夜晚使用较薄的滤光片。但是这种辅助办法在可见光和红外光同时存在的时候成像效果很差，例如黄昏时候、夜间可见光与红外光照明并存的时候。

第二，当环境温度变化的时候镜头不需要重新调焦就能保证成像清晰。

监控镜头广泛用于室内、室外，一年365天每天24小时处于工作状态，镜头所处的环境温度变化巨大。监控镜头典型的工作温度要求是-40℃～85℃，镜头必须保证在这温差达到120多摄氏度的范围内、在不进行重新调焦的情况下成像仍然跟20℃(常温)一样清晰。

由于镜片材质的折射率会受温度影响而发生变化，镜片尺寸、镜筒材质、镜座材质会随着温度的变化而热胀冷缩，这些因素导致普通监控镜头在高低温环境下会出现不同的成像后焦(后截距)，称作镜头成像的温度漂移。

业界解决这种问题的常规办法是，尽可能地使用金属来作为镜筒和镜座的材料，通常使用铝、铜。但是使用金属材料来作为镜筒和镜座有几个缺点：金属材料制作的镜筒、镜座的尺寸一致性比较差，对镜头的成像性能有影响；金属材料比塑胶材料贵；当镜头的后焦距(后截距)比较长的时候，使用金属镜座的热胀冷缩变化量也很大，不太容易通过光学设计来补偿；金属材料比较重。

而目前需要解决的性能价格比问题是：在市场对镜头性能要求越来越高的同时，市场又要求镜头的成本越来越低。

如何在提高性能的同时又降低成本，是业界永恒的目标。

目前市面上为了提高包括分辨率、可见光红外光共焦、高低温成像漂移在内的镜头性能而采取的措施有：a.增加镜片数量；b.使用非球面镜片，包括玻璃非球面镜片和塑胶非球面镜片。

增加镜片数量必然会增加镜头的成本；使用玻璃非球面镜片也会增加成本，因为玻璃非球面镜片的成本是玻璃球面镜片的3～10倍；使用塑胶非球面镜片的话，市面现有产品还没有能够解决塑胶镜片产生的镜头成像温度漂移问题的可行方案。

综上，在目前业界的产品中，能够实现可见光与红外光共焦、极低温度漂移而同时又相比现有产品做到成本更低的方案，还没有出现。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种能够实现可见光与红外光共焦、温度漂移极低、在降低成本的同时又能提高性能的光学系统。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

光学系统，包括从物方到像方依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第三透镜和所述第四透镜采用塑胶非球面镜片；

第一透镜的焦距为负值，第二透镜的焦距为正值，第三透镜的焦距为正值，第四透镜的焦距为负值；

在第二透镜和第三透镜之间设有光阑。

塑胶镜片的成本远低于玻璃球面镜片，故而降低了成本；又由于本发明的第三透镜和第四透镜均采用了非球面镜片，相比传统的球面镜片提高了性能；更重要的是，本发明在采用了塑胶非球面镜片的情况下，确保了镜头最佳分辨率成像位置的极低温度漂移。

我们知道，镜片分为球面镜片和非球面镜片，非球面镜片在校正镜头像差方面的能力强于球面镜片。而非球面镜片又分为玻璃非球面镜片和塑胶非球面镜片。玻璃非球面镜片耐环境性能好，其折射率和尺寸受环境温度变化而产生的变化量比较小；玻璃非球面镜片材质的种类较多，适合通过材料组合来解决可见光红外光共焦问题。塑胶非球面镜片热膨胀系数是玻璃的5～20倍左右，折射率Nd随温度变化的程度是玻璃的50～100倍左右，当环境温度变化的时候，塑料镜片由于这两个因素会导致单个镜片焦距随温度变化而变化，并最终影响到整个镜头焦距的变化。

在常用的镜片口径范围内，同样体积、形状的3种镜片的成本对比如下：玻璃球面镜片的成本是塑胶非球面镜片的3～10倍；玻璃非球面镜片的成本是玻璃球面镜片的3～10倍，是塑胶非球面镜片的10～100倍。

采用非球面镜片相比球面镜片能够有效提高性能，这是从光学原理可以推理得到的。采用玻璃非球面镜片的方案在技术上比较容易，但是玻璃非球面镜片的价格太过昂贵，在固定焦点的监控镜头上使用会导致性价比下降。采用塑胶非球面镜片可以提升常温下的光学性能，也能降低成本，最大的难题是要确保在大范围的温度波动下镜头不发生成像的温度漂移。

关于镜头使用塑料镜片之后产生的“温度漂移”和其它性能下降以及相关技术背景说明如下：

当温度发生变化的时候，光学材料的折射率n也会发生变化，以下公式定义了折射率变化量Δn和温度变化量ΔT的关系：

$\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{abs}}=\frac{n^2-1}{2n}[D_0\mathrm{\ΔT}+D_1\mathrm{\Δ}{T}^2+D_2\mathrm{\Δ}{T}^3+\frac{E_0\mathrm{\ΔT}+E_1\mathrm{\Δ}{T}^2}{{\mathrm{\λ}}^2-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{tk}}^2}]$

在常用的-40～85摄氏度范围，在相同的温度变化量内，光学塑料的折射率变化量平均是光学玻璃的50～100倍。

按照光的折射定律：

n′sinI′＝nsinI

其中n’是折射界面后的介质折射率，I’是折射界面后的出射角，n是折射界面前的介质折射率，I是折射界面前的入射角。

从折射定律可以看到，当温度发生变化导致n和/或n’发生变化的时候会导致|I’-I|发生变化，由于|I’-I|代表了光线的偏转角，所以当温度发生变化的时候首先导致了光学材质的折射率发生了变化，而折射率的变化又引起了光线偏转角的变化。

另外，当温度发生变化的时候，镜片的形状会发生热胀冷缩，热胀冷缩导致折射定律中的入射角I发生变化，也会导致偏转角|I’-I|发生一定的变化。

光学镜头利用各个镜片分界面的n、I、n’、I’的不同，由设计者控制不同的偏转角，以达到使光线汇聚、校正像差并最终成完善影像。

当镜头中存在塑料镜片的时候，由于光学塑料的折射率受温度变化影响的平均变化量是光学玻璃的50～100倍，同时也由于光学塑料的热膨胀系数是光学玻璃的5～20倍，塑料镜片成为整个镜头中最容易受温度影响而改变光学性能的部件。

镜头成像的温度漂移，不仅仅是指一个镜头当环境温度偏离其标准工作温度之后该镜头的成像焦点沿着光轴方向的位移量。

如果一个镜头中包含有塑胶镜片，当环境温度发生变化的时候该镜头会发生的性能变化不仅仅是成像焦点的“温度漂移”，还会发生因为塑料镜片分界面的光线偏转角发生变化导致的像差变化并最终导致整个像方从中心到周边的成像质量劣化。

从折射定律n’sinI’＝nsinI可以推算出偏转角函数：

|I’-I|＝I’-arcsin((n’sinI’)/n)

(由于|I’-I|＝|I-I’|，可以设n’<n以避免((n’sinI’)/n)>1的情况)

该偏转角函数当I’＝90的时候达到最大值，当I’＝0的时候达到最小值0。

该函数是单调连续函数。可以推算出当I’＝0，也就是当入射角I＝0的时候偏转角|I’-I|受折射率温度变化、热膨胀系数变化的影响最小。

本发明人在经过探索和优化设计之后，按照以下配置的光学结构来解决镜头成像的温度漂移问题：

所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的焦距与整个镜头的焦距的比值分别满足以下条件：

-1.0>(f1’/f’)>-2.3；

2.7>(f2’/f’)>1.2；

1.7>(f3’/f’)>0.7；

-0.9>(f4’/f’)>-2.1；

所述第三透镜的焦距和所述第四透镜的焦距的比值满足以下条件：

-0.5>(f3’/f4’)>-1.1；

其中，f’是整个镜头的焦距；f1’是所述第一透镜的焦距；f2’是所述第二透镜的焦距；f3’是所述第三透镜的焦距；f4’是所述第四透镜的焦距。

所述第三透镜的后表面为凸面且中心凸向像方，所述第四透镜的前表面为凹面且中心凹向物方，这样有利于降低镜头由于温度变化引起塑胶镜片材料折射率变化、形状变化从而引起的像差发生劣化的幅度。

本发明人经过研究发现，具有以上结构且满足以上条件的光学系统可以极大地降低镜头成像的温度漂移问题。

本发明的创新之处在于使用了塑胶非球面镜片的同时解决了高低温下镜头成像的温度漂移的难题。

本发明人在经过探索和优化设计之后，按照以下配置的光学结构来解决镜头可见光和红外光的共焦问题：

所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的焦距与整个镜头的焦距的比值分别满足以下条件：

-1.0>(f1’/f’)>-2.3；

2.7>(f2’/f’)>1.2；

1.7>(f3’/f’)>0.7；

-0.9>(f4’/f’)>-2.1；

其中，f’是整个镜头的焦距；f1’是所述第一透镜的焦距；f2’是所述第二透镜的焦距；f3’是所述第三透镜的焦距；f4’是所述第四透镜的焦距。

所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜所使用的光学材料的色散系数(阿贝系数/abbe系数)满足以下条件：

VD1>55；

VD2>45；

VD3>48；

VD4<35；

其中，VD1是所述第一透镜的色散系数；VD2是所述第二透镜的色散系数；VD3是所述第三透镜的色散系数；VD4是所述第四透镜的色散系数。

本发明人经过长期的研究发现：满足该条件的光学系统可以很好的解决镜头可见光和红外光的共焦问题。

本发明的第二大创新之处在于解决了镜头可见光和红外光的共焦问题。

所以，本发明在采用了塑胶镜片、大幅度降低镜头成本的同时，也解决了可见光与红外光共焦、镜头成像温度漂移这两大难题。本发明做到了对可见光与红外光均达到了全高清(Full HD)1080P以上的分辨率，并且在-40℃～85℃的宽温度范围内保持该分辨率不变的水平。

总之，本发明与现有技术相比具有如下的优点：

第一，本发明做到了可见光与红外光共焦，在按照本发明所提出的透镜组合、材料组合的前提下，本发明的镜头对可见光(400nm～650nm)成像的位置与红外光(850nm)的成像的位置达到重合。

第二，本发明做到了镜头最佳分辨率成像位置的极低温度漂移，在按照本发明所提出的透镜组合、材料组合的前提下，本发明的镜头保证了-40℃～85℃温度范围内镜头的最佳分辨率成像位置不变。

第三，本发明采用了塑胶镜片，做到了低成本和高性能，本发明的第三透镜、第四透镜采用了塑胶非球面镜片，塑胶镜片的成本远低于玻璃球面镜片，故而降低了成本；又由于本发明的第三透镜、第四透镜均采用了非球面镜片，相比传统的球面镜片提高了性能；更重要的是，本发明在采用了塑胶非球面镜片的情况下，确保了镜头最佳分辨率成像位置的极低温度漂移。

附图说明

图1为本发明的光路示意图。

图2为本发明的光学结构示意图。

具体实施方式

以下将结合一个具体实施例对本发明及其有益效果作进一步详细的说明，但是，本发明的具体实施方式并不局限于此。

如图1所示，本发明提供的一种光学系统，包括从物方10代表到像方5依次设有第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4；

第一透镜1焦距为负、第二透镜2焦距为正、第三透镜3焦距为正、第四透镜4焦距为负；

在第二透镜2、第三透镜3之间设有光阑6。

第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4每个镜片的焦距与整个镜头焦距之比分别满足以下条件：

-1.0>(f1’/f’)>-2.3

2.7>(f2’/f’)>1.2

1.7>(f3’/f’)>0.7

-0.9>(f4’/f’)>-2.1；

第三透镜3、第四透镜4的焦距之比例满足以下条件：

-0.5>(f3’/f4’)>-1.1；

其中：f’是整个镜头的焦距；f1’是第一透镜1的焦距；f2’是第二透镜2的焦距；f3’是第三透镜3的焦距；f4’是第四透镜4的焦距。

第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4的光学材料的色散系数(阿贝系数/abbe系数)分别满足以下条件：

VD1>55

VD2>45

VD3>48

VD4<35；

其中：VD1是第一透镜1的色散系数；VD2是第二透镜2的色散系数；VD3

是第三透镜3的色散系数；VD4是第四透镜4的色散系数。

第三透镜3的后表面32为凸面且中心凸向像方，第四透镜4的前表面41为凹面且中心凹向物方。

本实施例中，第一透镜1和第二透镜2采用了玻璃镜片，但是本发明并不限定第一透镜1和第二透镜2必须采用玻璃镜片。

本实施例中，第一透镜1的前表面即靠近物方10的一面记为11，第一透镜1的后表面即远离物方10的一面记为12，同理，第二透镜2的前表面记为21，第二透镜2的后表面记为22，第三透镜3的前表面记为31，第三透镜3的后表面记为32，第四透镜4的前表面记为41，第四透镜4的后表面记为42。

此外，第四透镜4的后表面42与像面之间是滤光片7和芯片保护玻璃8；第四透镜4与滤光片7之间有空气间隔9，滤光片7与芯片保护玻璃8之间也有空气间隔9。滤光片7和芯片保护玻璃8是在典型的光学系中常用的物体，本发明对这两者的存在与否不作限定。

本实施例中各部件的物理参数和所用材料参见表1。

表1：本实施例中各部件的物理参数和所用材料。

其中，具有非球面结构的前表面31、41，后表面32、42的表面形状用以下公式描述：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}{\mathrm{\&alpha;}}_1{r}^2+{\mathrm{\&alpha;}}_2{r}^4+{\mathrm{\&alpha;}}_3{r}^6+{\mathrm{\&alpha;}}_4{r}^8+{\mathrm{\&alpha;}}_5{r}^{10}+{\mathrm{\&alpha;}}_6{r}^{12}+{\mathrm{\&alpha;}}_7{r}^{14}+{\mathrm{\&alpha;}}_8{r}^{16}.$

其中C＝1/R

本实施中各非球面参数详见表2。

表2：前表面31、41和后表面32、42的非球面参数。

面编号：31

面编号：32

面编号：41

面编号：42

α1参数	0	0	0	0
					α2参数	4.717800E-003	0.0151812	0.0353866	2.903007E-003
α3参数	-2.74884E-003	-7.28305E-003	-9.19338E-003	6.168042E-004
					α4参数	4.954280E-004	1.219257E-003	1.407308E-003	-1.15811E-004
α5参数	-6.39051E-005	-7.86978E-005	-8.56064E-005	6.124599E-006
					α6参数	0	0	0	0
α7参数	0	0	0	0
					α8参数	0	0	0	0

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (6)

1.一种光学系统，其特征在于：

从物方(10)到像方(5)依次设有第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)和第四透镜(4)；

第一透镜(1)的焦距为负值，第二透镜(2)的焦距为正值，第三透镜(3)的焦距为正值，第四透镜(4)的焦距为负值；

在第二透镜(2)和第三透镜(3)之间设有光阑(6)。

2.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：第三透镜(3)与第四透镜(4)采用塑胶镜片。

3.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)和第四透镜(4)的焦距与整个镜头的焦距之比分别满足以下条件：

-1.0>(f1’/f’)>-2.3

2.7>(f2’/f’)>1.2

1.7>(f3’/f’)>0.7

-0.9>(f4’/f’)>-2.1；

其中：f’是整个镜头的焦距；f1’是第一透镜(1)的焦距；f2’是第二透镜(2)的焦距；f3’是第三透镜(3)的焦距；f4’是第四透镜(4)的焦距。

4.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：第三透镜(3)和第四透镜(4)的焦距之比例满足以下条件：

-0.5>(f3’/f4’)>-1.1。

5.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)和第四透镜(4)的光学材料的色散系数分别满足以下条件：

VD1>55

VD2>45

VD3>48

VD4<35；

其中：VD1是第一透镜(1)的色散系数；VD2是第二透镜(2)的色散系数；VD3是第三透镜(3)的色散系数；VD4是第四透镜(4)的色散系数。

6.根据权利要求1所述的一种光学系统，其特征在于：所述第三透镜(3)的后表面(32)为凸面且中心凸向像方，所述第四透镜(4)的前表面(41)为凹面且中心凹向物方。