CN105334598A - 一种光学镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学成像技术领域，公开一种光学镜头，沿光轴方向从物侧到像侧依次包括：光焦度为正的第一透镜组、光焦度为负的第二透镜组、光焦度为正的第三透镜组、光焦度为正的第四透镜组；通过对各光学透镜从物侧至像侧依次排列的顺序以及各个光学透镜的光焦度分配等设计，使得变焦光学镜头的结构形式、光焦度分配、光学玻璃的折射率和色散系数等参数与成像条件进行很好的匹配，进而使光学镜头的球差、慧差、象散、场曲、倍率色差、位置色差得到了很好的校正，从而使光学镜头能够达到更高的分辨率需求和更佳的红外夜视效果，实现全天候的超高清视频监控，满足当前以及未来超高清安防监控系统的发展需求。

Description

一种光学镜头

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种光学镜头。

背景技术

随着安防监控行业的发展，人们对监控信息的质量要求越来越高，尤其是对于监控图像的清晰度的要求。

近年来，随着数据传输技术、数据存储技术、图像处理技术以及高清电视显示技术的技术创新与突破，使得实现4K分辨率的超高清视频监控已成为可能，并且必将成为今后的发展趋势；这就要求镜头(光学镜头)要有更高的分辨率，以满足4K摄像机的成像要求。

目前现有的变焦光学镜头在可见光模式下的分辨率水平仅能满足500万像素以下的摄像机需求；并且夜晚切换到红外模式下进行图像采集时，共焦性能很差，造成光学镜头在夜晚采集的图像的清晰度比在可见光条件下采集的图像的清晰度更差。造成这一现象的主要原因是：现有的变焦光学镜头的结构形式、光焦度分配、光学玻璃的折射率和色散系数等参数与成像条件匹配不好，使得光学镜头的球差、慧差、象散、场曲、倍率色差、位置色差并未得到很好的校正，从而无法实现更高的光学性能。

因此，现有技术中的变焦光学镜头无法满足当前以及未来超高清安防视频监控系统的发展需求。

发明内容

本发明提供了一种光学镜头，可使光学镜头的结构形式、光焦度分配、光学玻璃的折射率和色散系数等参数与成像条件进行很好的匹配，进而使光学镜头的球差、慧差、象散、场曲、倍率色差、位置色差得到校正，实现更高的光学性能。

为实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：

一种光学镜头，沿光轴方向从物侧到像侧依次包括：光焦度为正的第一透镜组、光焦度为负的第二透镜组、光焦度为正的第三透镜组、光焦度为正的第四透镜组；其中，

所述第一透镜组从物侧到像侧依次包括共轴排列的光焦度为负的第一弯月型透镜、光焦度为正的第一双凸型透镜和光焦度为正的第二弯月型透镜；其中，所述第一弯月型透镜和第二弯月型透镜朝向物侧的表面为凸面；

所述第二透镜组从物侧到像侧依次包括共轴排列的光焦度为负的第一透镜、光焦度为负的第二双凹型透镜和光焦度为正的第三弯月型透镜；其中，所述第三弯月型透镜朝向物侧的表面为凸面；

所述第三透镜组从物侧到像侧依次包括共轴排列的光焦度为正的第二双凸型透镜、光焦度为正的第四弯月型透镜、光焦度为正的第三双凸型透镜和光焦度为负第三的双凹型透镜；其中，所述第四弯月型透镜朝向物侧的表面为凸面；

所述第四透镜组从物侧到像侧依次包括共轴排列的光焦度为负的第四双凹型透镜、光焦度为正的第四双凸型透镜、光焦度为负的第五弯月型透镜、光焦度为正的第五双凸型透镜和光焦度为正的第六弯月型透镜；其中，所述第五弯月型透镜朝向物侧的表面为凸面，所述第六弯月型透镜朝向物侧的表面为凸面。

上述光学镜头中，第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组以及第四透镜组共采用十五个特定结构形状的光学透镜组成，并且，通过对上述各光学透镜从物侧至像侧依次排列的顺序，各个光学透镜的光焦度的分配，以及光学玻璃材质的选用等设计，使得变焦光学镜头的结构形式、光焦度分配、光学玻璃的折射率和色散系数等参数与成像条件匹配，进而使光学镜头的球差、慧差、象散、场曲、倍率色差、位置色差得到了很好的校正，进而使光学镜头能够达到更高的分辨率需求和更佳的红外夜视效果，实现全天候的超高清视频监控，满足当前以及未来超高清安防监控系统的发展需求。

优选地，所述光焦度为负的第一透镜的朝向物侧的表面可以为凹面、平面或者凸面；和/或，

所述光焦度为正的第三弯月型透镜的朝向像侧的表面还可以为平面或者凸面。

优选地，所述第一透镜组为前固定组，所述第二透镜组为变倍组，所述第三透镜组为后固定组，所述第四透镜组为补偿组。

优选地，所述第三透镜组还包括在第二双凸型透镜和所述第四弯月型透镜之间共轴设置的孔径光阑。

优选地，所述第二双凹型透镜和第三弯月型透镜胶合，所述第三双凸型透镜和第三双凹型透镜胶合，所述第四双凹型透镜和第四双凸型透镜胶合，所述第五弯月型透镜和第五双凸型透镜胶合。

优选地，所述光学镜头满足下列条件式：

5.04≤L/(f_t/f_w)²≤10；

其中：L表示光学镜头的光学总长，f_w表示光学镜头在最短焦状态时的焦距，f_t表示光学镜头在最长焦状态时的焦距。

优选地，所述光学镜头满足下列条件式：

0.35<f₄/f_t<0.67；

其中：f₄表示第四透镜组的焦距。

优选地，所述光学镜头满足下列条件式：

4.71<N_n/(f_t/f_w)<7.85；

其中：N_n表示第三透镜组中具有正光焦度的第二双凸型透镜、第四弯月型透镜和第三双凸型透镜的玻璃材质的平均折射率。

优选地，所述第五双凸型透镜的阿贝系数大于80，折射率小于1.5。

优选地，每个光学透镜的各项参数依次满足：

表一

其中，R1为各个透镜朝向物侧的表面的曲率半径，R2为各个透镜朝向像侧的面的曲率半径，Tc为各个透镜的中心厚度，Nd为各个透镜的光学玻璃材质的折射率，Vd为各个透镜的光学玻璃材质的阿贝系数。

附图说明

图1a为本发明具体实施方式提供的光学镜头在短焦状态的结构示意图；

图1b为图1a中所示的光学镜头在长焦状态的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式的变焦光学镜头在短焦状态时对应的光学传递函数的曲线图；

图3为本发明具体实施方式的变焦光学镜头在长焦状态时对应的光学传递函数的曲线图；

图4a-图4f为本发明具体实施方式的变焦光学镜头在短焦状态时对应的光线扇形图；

图5a-图5f为本发明具体实施方式的变焦光学镜头在长焦状态时对应的光线扇形图；

图6a-图6f为本发明具体实施方式的变焦光学镜头在短焦状态时对应的点列图；

图7a-图7f为本发明具体实施方式的变焦光学镜头在长焦状态时对应的点列图；

图8a为本发明具体实施方式的变焦光学镜头在短焦状态时对应的场曲图；

图8b为本发明具体实施方式的变焦光学镜头在短焦状态时对应的畸变图；

图9a为本发明具体实施方式的变焦光学镜头在长焦状态时对应的场曲图；

图9b为本发明具体实施方式的变焦光学镜头在长焦状态时对应的畸变图；

图10为本发明具体实施方式的变焦光学镜头在短焦状态时对应的色差图；

图11为本发明具体实施方式的变焦光学镜头在长焦状态时对应的色差图。

附图标记：

10，第一透镜组；11，第一弯月型透镜；12，第一双凸型透镜；

13，第二弯月型透镜；20，第二透镜组；21，第一透镜；

22，第二双凹型透镜；23，第三弯月型透镜；30，第三透镜组；

31，第二双凸型透镜；32，第四弯月型透镜；33，第三双凸型透镜；

34，第三双凹型透镜；40，第四透镜组；41，第四双凹型透镜；

42，第四双凸型透镜；43，第五弯月型透镜，44，第五双凸型透镜；

45，第六弯月型透镜；50，孔径光阑。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1a和图1b所示，本发明具体实施方式提供了一种光学镜头，沿光轴方向从物侧到像侧依次包括：光焦度为正的第一透镜组10、光焦度为负的第二透镜组20、光焦度为正的第三透镜组30、光焦度为正的第四透镜组40，其中，

第一透镜组10从物侧到像侧依次包括共轴排列的光焦度为负的第一弯月型透镜11、光焦度为正的第一双凸型透镜12和光焦度为正的第二弯月型透镜13；其中，第一弯月型透镜11和第二弯月型透镜13朝向物侧的表面为凸面；

第二透镜组20从物侧到像侧依次包括共轴排列的光焦度为负的第一透镜21、光焦度为负的第二双凹型透镜22和光焦度为正的第三弯月型透镜23；其中，第三弯月型透镜23朝向物侧的表面为凸面；

第三透镜组30从物侧到像侧依次包括共轴排列的光焦度为正的第二双凸型透镜31、光焦度为正的第四弯月型透镜32、光焦度为正的第三双凸型透镜33和光焦度为负的第三双凹型透镜34；其中，第四弯月型透镜32朝向物侧的表面为凸面；

第四透镜组40从物侧到像侧依次包括共轴排列的光焦度为负的第四双凹型透镜41、光焦度为正的第四双凸型透镜42、光焦度为负的第五弯月型透镜43、光焦度为正的第五双凸型透镜44和光焦度为正的第六弯月型透镜45；其中，第五弯月型透镜43朝向物侧的表面为凸面，第六弯月型透镜45朝向物侧的表面为凸面。

上述光学镜头中，第一透镜组10、第二透镜组20、第三透镜组30以及第四透镜组40共采用十五个特定结构形状的光学透镜组成，并且，通过对上述各光学透镜从物侧至像侧依次排列的顺序、各个光学透镜的光焦度的分配等设计，使得变焦光学镜头的结构形式、光焦度分配、光学玻璃的折射率和色散系数等参数与成像条件匹配，进而使光学镜头的球差、慧差、象散、场曲、倍率色差、位置色差得到了很好的校正，进而使光学镜头能够达到更高的分辨率需求和更佳的红外夜视效果，实现全天候的超高清视频监控，满足当前以及未来超高清安防监控系统的发展需求。

一种优选方式中，光焦度为负的第一透镜21的朝向物侧的表面为平面或者凸面，当然第一透镜21的朝向物侧的表面还可以为凹面，即第一透镜21为双凹型透镜；光焦度为正的第三弯月型透镜23的朝向像侧的表面还可以为平面或者凸面。

一种优选方式中，为了使上述光学镜头实现恒定光圈，特采用四组元结构，第一透镜组10为前固定组，第二透镜组20为变倍组，第三透镜组30为后固定组，第四透镜组40为补偿组。

如图1a和图1b所示的一种优选方式中，为了限制进入光学镜头中的光通量及在全焦段的变化过程中合理选择对成像有利的光线进入系统，第三透镜组30还包括在第二双凸型透镜31和第四弯月型透镜32之间共轴设置的孔径光阑50。

一种优选方式中，为了进一步校正光学透镜系统(光学镜头)的色差值，第一弯月型透镜11和第一双凸型透镜12胶合，第二双凹型透镜22和第三弯月型透镜23胶合，第三双凸型透镜33和第三双凹型透镜34胶合，第四双凹型透镜41和第四双凸型透镜42胶合，第五弯月型透镜43和第五双凸型透镜44胶合。

一种优选方式中，光学镜头满足下列条件式：

5.04≤L/(f_t/f_w)²≤10；

其中：L表示光学镜头的光学总长，f_w表示光学镜头在最短焦状态时的焦距，f_t表示光学镜头在最长焦状态时的焦距。

进一步地，光学镜头满足下列条件式：

0.35<f₄/f_t<0.67；

其中：f₄表示第四透镜组的焦距。

更进一步地，光学镜头满足下列条件式：

4.71<N_n/(f_t/f_w)<7.85；

其中：N_n表示第三透镜组30中具有正光焦度的第二双凸型透镜31、第四弯月型透镜32和第三双凸型透镜33的玻璃材质的平均折射率。

更进一步地，第五双凸型透镜44的阿贝系数大于80，折射率小于1.5。

具体地，每个光学透镜的各项参数依次满足：

表二

其中，R1为各个透镜朝向物侧的表面的曲率半径，R2为各个透镜朝向像侧的面的曲率半径，Tc为各个透镜的中心厚度，Nd为各个透镜的光学玻璃材质的折射率，Vd为各个透镜的光学玻璃材质的阿贝系数。

在满足以上条件时，可使光学镜头的像差得到较好的校正，同时使其变焦倍率达到使用要求。

下面结合上述光学镜头的一种具体实现方式和该具体实现方式的实验分析数据对上述光学镜头进行分析说明。

在一种具体实现方式中，光学镜头的各个透镜的参数满足下表所列的条件：

表三

其中，R1为透镜朝向物侧的面的曲率半径，R2为透镜朝向像侧的面的曲率半径，Tc为透镜中心厚度，Nd为透镜光学玻璃材质的折射率，Vd为透镜光学玻璃材质的阿贝系数。

且在该具体实现方式中，光学镜头中的各透镜之间的空气间隔距离还满足：

在第一透镜组10中，第一双凸型透镜12与第二弯月型透镜13的空气间隔为0.2mm；

在第二透镜组20中，第一透镜21与第二双凹型透镜22的空气间隔为3.76mm；

在第三透镜组30中，第二双凸型透镜31与第四弯月型透镜32的空气间隔为3.79，第四弯月型透镜32与第三双凸型透镜33的空气间隔为0.1mm；

在第四透镜组40中，第四双凸型透镜42与第五弯月型透镜43的空气间隔为0.1mm，第五双凸型透镜44与第六弯月型透镜45的空气间隔为0.1mm。

上述光学镜头在在短焦状态时的结构示意图如图1a所示、在长焦状态时的结构示意图如图1b所示。在该变焦光学镜头变焦过程中，第二弯月型透镜13与第一透镜21的空气间隔范围为从2.19mm至25.96mm，第三弯月型透镜23与第二双凸型透镜31的空气间隔范围为从26.25mm至2.48mm，第四双凹型透镜41与第三双凹型透镜34的空气间隔范围为从6.3mm至3.37mm，第六弯月型透镜45到像面的空气间隔范围为从10.56mm至13.48mm。

上述光学镜头具有如下光学技术指标：

光学总长TTL≤102.6mm；

光学镜头的系统焦距f为10.5-42mm；

光学镜头的系统像面：1/1.7〞；

光圈范围F恒定为1.5。

图2为变焦光学镜头在短焦状态时对应的光学传递函数的曲线图；图3为变焦光学镜头在长焦状态时对应的光学传递函数的曲线图；其中，光学传递函数用来评价一个光学系统的成像质量，其曲线越高、越平滑，表明系统的成像质量越好。

由图2和图3可知，该光学镜头在短焦状态和长焦状态时对应的MTF的曲线图较一致，两种状态下MTF曲线都较为平滑且集中，而且全视场MTF平均值达到0.64以上，表明该光学镜头可在整个可变焦距范围内保证良好的成像品质；由此结果可知，本具体实现方式提供的光学镜头对各种像差，如球差、慧差、象散、场曲、倍率色差、位置色差等进行了校正，从而提高了分辨率，满足1200万像素及4K等超高像素摄像机的成像要求。

图4a-图4f为变焦光学镜头在短焦状态时对应的光线扇形图；图5a-图5f为变焦光学镜头在长焦状态时对应的光线扇形图；从图4a-图4f、图5a-图5f可知，本具体实现方式提供的光学镜头，在整个可变焦距范围内均可实现良好的成像品质。

图6a-图6f为变焦光学镜头在短焦状态时对应的点列图，各参数如下表：

表四

视场	1	2	3	4	5	6
							质心半径(mm)	2.053	3.009	2.079	2.006	2.686	4.117
几何半径(mm)	4.058	8.486	8.598	6.602	7.299	10.244

图7a-图7f为变焦光学镜头在长焦状态时对应的点列图，各参数如下表：

表五

视场	1	2	3	4	5	6
							质心半径(mm)	2.161	3.313	2.862	2.396	2.698	3.190
几何半径(mm)	5.176	12.619	13.709	10.038	9.421	8.656

从图6a-图6f、图7a-图7f可知，本具体实现方式提供的光学镜头，在整个可变焦距范围内均可实现良好的成像品质。

该光学镜头在短焦状态时对应的场曲图如图8a所示，光学镜头在短焦状态时对应的畸变图如图8b所示，其中，三条曲线T分别表示三种波长(486nm、587nm和656nm)对应的子午光束(TangentialRays)的像差，三条曲线S分别表示三种波长(486nm、587nm和656nm)对应的弧矢光束(SagittialRays)的像差；

光学镜头在长焦状态时对应的场曲图如图9a所示，光学镜头在长焦状态时对应的畸变图如图9b所示，其中，三条曲线T分别表示三种波长(486nm、587nm和656nm)对应的子午光束(TangentialRays)的像差，三条曲线S分别表示三种波长(486nm、587nm和656nm)对应的弧矢光束(SagittialRays)的像差。

由图8a、图8b、图9a、图9b可知，本实施例提供的光学镜头在短焦状态和长焦状态时的场曲、畸变被控制在合理的数值范围内。

图10为变焦光学镜头在长焦状态时对应的色差图，图中曲线代表初级色差特性曲线；图11为变焦光学镜头在长焦状态时对应的色差图，图中曲线代表初级色差特性曲线。

由图10和图11可知，本实施例提供的变焦镜头的色差被控制在较小的范围内。

因此，由上述分析结果可知，本具体实现方式提供的光学镜头的球差、慧差、象散、场曲、倍率色差、位置色差得到了很好的校正，进而使光学镜头能够达到更高的分辨率需求和更佳的红外夜视效果，实现全天候的超高清视频监控，满足当前以及未来超高清安防监控系统的发展需求。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种光学镜头，其特征在于，沿光轴方向从物侧到像侧依次包括：光焦度为正的第一透镜组、光焦度为负的第二透镜组、光焦度为正的第三透镜组、光焦度为正的第四透镜组；其中，

所述第一透镜组从物侧到像侧依次包括共轴排列的光焦度为负的第一弯月型透镜、光焦度为正的第一双凸型透镜和光焦度为正的第二弯月型透镜；其中，所述第一弯月型透镜和第二弯月型透镜朝向物侧的表面为凸面；

所述第二透镜组从物侧到像侧依次包括共轴排列的光焦度为负的第一透镜、光焦度为负的第二双凹型透镜和光焦度为正的第三弯月型透镜；其中，所述第三弯月型透镜朝向物侧的表面为凸面；

所述第三透镜组从物侧到像侧依次包括共轴排列的光焦度为正的第二双凸型透镜、光焦度为正的第四弯月型透镜、光焦度为正的第三双凸型透镜和光焦度为负第三的双凹型透镜；其中，所述第四弯月型透镜朝向物侧的表面为凸面；

所述第四透镜组从物侧到像侧依次包括共轴排列的光焦度为负的第四双凹型透镜、光焦度为正的第四双凸型透镜、光焦度为负的第五弯月型透镜、光焦度为正的第五双凸型透镜和光焦度为正的第六弯月型透镜；其中，所述第五弯月型透镜朝向物侧的表面为凸面，所述第六弯月型透镜朝向物侧的表面为凸面。

2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光焦度为负的第一透镜朝向物侧的表面可以为凹面、平面或者凸面；和/或，

所述光焦度为正的第三弯月型透镜朝向像侧的表面还可以为平面或者凸面。

3.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜组为前固定组，所述第二透镜组为变倍组，所述第三透镜组为后固定组，所述第四透镜组为补偿组。

4.根据权利要求3所述的光学镜头，其特征在于，所述第三透镜组还包括在第二双凸型透镜和所述第四弯月型透镜之间共轴设置的孔径光阑。

5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一弯月型透镜和第一双凸型透镜胶合，所述第二双凹型透镜和第三弯月型透镜胶合，所述第三双凸型透镜和第三双凹型透镜胶合，所述第四双凹型透镜和第四双凸型透镜胶合，所述第五弯月型透镜和第五双凸型透镜胶合。

6.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足下列条件式：

5.04≤L/(f_t/f_w)²≤10；

其中：

L表示光学镜头的光学总长；

f_w表示光学镜头在最短焦状态时的焦距；

f_t表示光学镜头在最长焦状态时的焦距。

7.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足下列条件式：

0.35<f₄/f_t<0.67；

其中：

f₄表示第四透镜组的焦距。

8.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足下列条件式：

4.71<N_n/(f_t/f_w)<7.85；

其中：

N_n表示第三透镜组中具有正光焦度的第二双凸型透镜、第四弯月型透镜和第三双凸型透镜的玻璃材质的平均折射率。

9.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第五双凸型透镜的阿贝系数大于80，折射率小于1.5。

10.根据权利要求9所述的光学镜头，其特征在于，每个光学透镜的各项参数依次满足：

透镜名称 R1(mm) R2(mm) Tc(mm) Nd Vd 第一弯月型透镜 50<R1<150 40<R2<100 0.8<Tc<2 1.75<Nd<1.9 20<Vd<30 第一双凸型透镜 40<R1<100 150≤|R2| 5<Tc<7 1.48<Nd<1.7 50<Vd<70 第二弯月型透镜 20<R1<50 50<R2<100 3.5<Tc<6 1.5<Nd<1.7 60<Vd<70 第一透镜 150≤|R1| 10<R2<30 0.7<Tc<2 1.6<Nd<1.8 40<Vd<60 第二双凹型透镜 -40<R1<-20 10<R2<30 3<Tc<5 1.48<Nd<1.68 65<Vd<85 第三弯月型透镜 10<R1<30 150≤|R2| 2<Tc<4 1.75<Nd<1.95 20<Vd<40 第二双凸型透镜 80<R1<200 -40<R2<-100 2<Tc<4 1.6<Nd<1.8 35<Vd<55 第四弯月型透镜 15<R1<50 150≤|R2| 1.5<Tc<3.5 1.48<Nd<1.68 65<Vd<85 第三双凸型透镜 10<R1<30 -30<R2<-10 6.5<Tc<9 1.48<Nd<1.68 65<Vd<85 第三双凹型透镜 -30<R1<-10 10<R2<30 1<Tc<3 1.5<Nd<1.7 25<Vd<45 第四双凹型透镜 -40<R1<-15 10<R2<30 0.8<Tc<2.2 1.55<Nd<1.75 25<Vd<45 第四双凸型透镜 10<R1<30 -50<R2<-20 2<Tc<4.5 1.75<Nd<1.95 20<Vd<40 第五弯月型透镜 130≤|R1| 8<R2<30 1<Tc<3 1.75<Nd<1.95 20<Vd<40 第五双凸型透镜 8<R1<30 -50<R2<-15 2.5<Tc<5 1.43<Nd<1.5 80<Vd<96 第六弯月型透镜 8<R1<30 10<R2<50 5<Tc<7.5 1.7<Nd<1.9 35<Vd<55

其中，R1为各个透镜朝向物侧的表面的曲率半径，R2为各个透镜朝向像侧的面的曲率半径，Tc为各个透镜的中心厚度，Nd为各个透镜的光学玻璃材质的折射率，Vd为各个透镜的光学玻璃材质的阿贝系数。