CN105388591B - 大孔径大靶面昼夜型监控镜头及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大孔径大靶面昼夜型监控镜头，包括从物方沿轴向光线自左向右顺序布置的负光焦度的第一透镜组、负光焦度的第二透镜组、孔径光阑、正光焦度的第三透镜组及负光焦度的第四透镜组；还涉及一种大孔径大靶面昼夜型监控镜头的成像方法。本发明采用六组十三片近对称结构的球面镜，全部采用普通环保的球面玻璃并且采用多组双胶合透镜简化装配和加工工艺，本发明拥有大孔径、大靶面、高分辨率、离焦量小的优点，能够同时在可见光和近红外两个光谱区域成高清的像，能够较好地校正各种像差，具有良好的光学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种大孔径大靶面昼夜型监控镜头及其成像方法。
背景技术
随着智能交通行业的快速发展，交管部门对所抓拍图像信息要求不断提高。因此，为了满足交通监控对图像质量要求的不断提高，摄像机搭载的智能交通监控镜头的性能也不断的提升。特别是要专门为电子警察、治安卡口等交通监控场所优化设计大孔径、大靶面的高清昼夜型镜头。在这特殊的背景下，国内外各大厂家纷纷推出光圈值1.6甚至为1.2的大孔径、CCD靶面为2/3-inch甚至为1-inch的大靶面的高清镜头。受到小象差特性的限制要同时满足大孔径、大靶面、宽光谱共焦是困难的，目前很多国内外厂家能同时满足以上条件的镜头参数普遍集中在F1.6、CCD靶面为2/3-inch这个层次，市面上也有少数的F1.2、CCD靶面为1-inch的监控镜头，但是基本上不能满足宽光谱共焦，并且空间分辨率也普遍不高。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种结构设计合理、光学性能好的大孔径大靶面昼夜型监控镜头及其成像方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种大孔径大靶面昼夜型监控镜头，包括从物方沿轴向光线自左向右顺序布置的负光焦度的第一透镜组、负光焦度的第二透镜组、孔径光阑、正光焦度的第三透镜组及负光焦度的第四透镜组，所述第一透镜组由自左向右顺序布置的正光焦度的双凸透镜L1、负光焦度的弯月型透镜L2及负光焦度的双凹透镜L3组成，第二透镜组由自左向右顺序布置的正光焦度的弯月型透镜L4、负光焦度的弯月型透镜L5、正光焦度的双凸透镜L6以及负光焦度的双凹透镜L7组成，第三透镜组由自左向右顺序布置的正光焦度的弯月型透镜L8、正光焦度的双凸透镜L9、负光焦度的双凹透镜L10及正光焦度的双凸透镜L11组成，第四透镜组由自左向右顺序布置的正光焦度的双凸透镜L12和负光焦度的双凹透镜L13组成，所述孔径光阑设在双凹透镜L7和弯月型透镜L8之间。
优选的，所述双凸透镜L1、弯月型透镜L2及双凹透镜L3为一组三胶合透镜TL1，所述弯月型透镜L4与弯月型透镜L5为一组双胶合透镜DL2，所述双凸透镜L6与双凹透镜L7为一组双胶合透镜DL3，所述弯月型透镜L8为一单透镜，所述双凸透镜L9、双凹透镜L10及双凸透镜L11为一组三胶合透镜TL4，所述双凸透镜L12和与双凹透镜L13为一组双胶合透镜DL5。
优选的，所述三胶合透镜TL4与弯月型透镜L8无限靠近具有阿贝无畸变目镜的性质。
优选的，所述第四透镜组的焦距fTL4与系统焦距f满足条件：0.9<| fTL4 /f|<1.1。
优选的，所述第三透镜组的三胶合透镜TL4可分裂为一个双胶合透镜和一个单透镜。
优选的，所述双凹透镜L3在像面侧的曲率半径R4与系统焦距f满足条件：0.4＜|R4/f|＜0.56；所述弯月型透镜L8在像面侧的曲率半径R12与系统焦距f满足条件：1＜|R12/f|＜1.6。
优选的，其中至少一透镜的折射率n满足条件：1.65<n<1.73，同时其阿贝系数v满足条件：44<v<54。
优选的，所述第一透镜组、第二透镜组、孔径光阑、第三透镜组及第四透镜组成的光学系统的光圈值FNO≤1.3、CCD靶面为1-inch，并且改变所述双凸透镜L1、弯月型透镜L2、双凹透镜L3、弯月型透镜L4的球面曲率半径R、镜片厚度T、镜片间距T以及光学材料可以实现系统视场角U满足条件：34°<2U<45°。
优选的，所述孔径光阑的各个视场的主光线角USTO与之一一对应的系统视场角U满足条件:|USTO-U|<3°。
一种大孔径大靶面昼夜型监控镜头的成像方法，包括如上述所述的任一种大孔径大靶面昼夜型监控镜头，包含以下步骤：
（1）光束经过所述第一透镜组后，由于弯曲控制所述双凹透镜L3在像面侧的曲率半径R4，光束以大的出射角度入射到所述第二透镜组；
（2）大的出射角度不仅保证了轴上光束在所述第二透镜组的通光孔径不至于过小，而且光束的下光线密集在所述第二透镜组的弯月型透镜L5、双凸透镜L6的透镜边缘上，光束经过所述第二透镜组的会聚作用后，入射到所述第三透镜组；
（3）由于所述弯月型透镜L8减小系统的球差和所述双凹透镜L3在像面侧的曲率半径R4处大的出射角引入的高级量，所述弯月型透镜L8出射的光束经过所述三胶合透镜TL4的会聚入射到第四透镜组；
（4）由于所述第四透镜组的双凹透镜L13选择高折射率高色散的玻璃材料可以补偿系统的残留色差以及所述双胶合透镜DL5补偿残留像差的作用，光束最终会聚在像面上。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明采用六组十三片近对称结构的球面镜，全部采用普通环保的球面玻璃并且采用多组双胶合透镜简化装配和加工工艺，并且着重优化第一透镜组和第三透镜组，提供了一种便于加工和装配靶面为1-inch 、相对孔径为1/1.2、全视场的空间分辨率为130lp/mm、离焦量小于0.005mm的昼夜型监控镜头，光谱区域为可见光光谱和近红外光谱，全视场角为35.48°；具有大孔径、大靶面、高分辨率、离焦量小的优点，能够同时在可见光和近红外两个光谱区域成高清的像，能够较好地校正各种像差，具有良好的光学性能。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明第一实施例的大孔径大靶面监控镜头的结构示意图。
图2 为本发明第一实施例提供的大孔径大靶面监控镜头可见光波段球面象差特性曲线图。
图3为本发明第一实施例提供的大孔径大靶面监控镜头近红外波段球面象差特性曲线图。
图4为本发明第一实施例提供的大孔径大靶面监控镜头可见光波段MTF示意图。
图5为本发明第一实施例提供的大孔径大靶面监控镜头近红外波段MTF示意图。
图6为本发明第二实施例的大孔径大靶面监控镜头的结构示意图。
图7 为本发明第二实施例提供的大孔径大靶面监控镜头可见光波段球面象差特性曲线图。
图8为本发明第二实施例提供的大孔径大靶面监控镜头近红外波段球面象差特性曲线图。
图9为本发明第二实施例提供的大孔径大靶面监控镜头可见光波段MTF示意图。
图10为本发明第二实施例提供的大孔径大靶面监控镜头近红外波段MTF示意图。
图11为本发明第三实施例的大孔径大靶面监控镜头的结构示意图。
图12 为本发明第三实施例提供的大孔径大靶面监控镜头可见光波段球面象差特性曲线图。
图13为本发明第三实施例提供的大孔径大靶面监控镜头近红外波段球面象差特性曲线图。
图14为本发明第三实施例提供的大孔径大靶面监控镜头可见光波段MTF示意图。
图15为本发明第三实施例提供的大孔径大靶面监控镜头近红外波段MTF示意图。
图中：L1-双凸透镜L1，L2-弯月型透镜L2，L3-双凹透镜L3，L4-弯月型透镜L4，L5-弯月型透镜L5，L6-双凸透镜L6，L7-双凹透镜L7，L8-弯月型透镜L8，L9-双凸透镜L9，10-双凹透镜L10，L11-双凸透镜L11，L12-双凸透镜L12，L13-双凹透镜L13。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1~15所示，一种大孔径大靶面昼夜型监控镜头，包括从物方沿轴向光线自左向右顺序布置的负光焦度的第一透镜组、负光焦度的第二透镜组、孔径光阑、正光焦度的第三透镜组及负光焦度的第四透镜组，所述第一透镜组由自左向右顺序布置的正光焦度的双凸透镜L1、负光焦度的弯月型透镜L2及负光焦度的双凹透镜L3组成，第二透镜组由自左向右顺序布置的正光焦度的弯月型透镜L4、负光焦度的弯月型透镜L5、正光焦度的双凸透镜L6以及负光焦度的双凹透镜L7组成，第三透镜组由自左向右顺序布置的正光焦度的弯月型透镜L8、正光焦度的双凸透镜L9、负光焦度的双凹透镜L10及正光焦度的双凸透镜L11组成，第四透镜组由自左向右顺序布置的正光焦度的双凸透镜L12和负光焦度的双凹透镜L13组成，所述孔径光阑设在双凹透镜L7和弯月型透镜L8之间；所述孔径光阑设置在第二光焦度的双凹透镜L7和第三光焦度的弯月型透镜L8之间，并且四组透镜组的光焦度以负光焦度、正光焦度、正光焦度、负光焦度空间型式分配，具有对称性质，有利于各种像差的校正与补偿。
在本发明实施例中，所述双凸透镜L1、弯月型透镜L2及双凹透镜L3为一组三胶合透镜TL1，所述弯月型透镜L4与弯月型透镜L5为一组双胶合透镜DL2，所述双凸透镜L6与双凹透镜L7为一组双胶合透镜DL3，所述弯月型透镜L8为一单透镜，所述双凸透镜L9、双凹透镜L10及双凸透镜L11为一组三胶合透镜TL4，所述双凸透镜L12和与双凹透镜L13为一组双胶合透镜DL5；采用多个胶合透镜组有以下几个好处：首先，双胶合透镜通过正负透镜的胶合可以消除球差、色差；其次，通过在每一个胶合透镜反复的作消色差和球差校正不足或者过头，进一步减小系统的残留色差和高级色差；最后，双胶合透镜不仅可以保护光学零件的表面、简化光学零件的加工和装配，而且可以减少系统光能的损失；所述双胶合透镜DL5进行色差残留量补偿，使得不同色光在最后一面有同样的出射角度和高度，即能够在可见光和近红外两个不同的光谱区域之间成高清像，使得离焦量小于0.005mm；轴外光束的下光线和上光线分别密集在透镜L5、L6和透镜L9的边缘上，通过调整透镜L5、L6、L9的有效通光孔径可以有效的改善轴外像差，并且对轴外光束的相对照度的影响是缓慢的。
在本发明实施例中，所述三胶合透镜TL4与弯月型透镜L8无限靠近具有阿贝无畸变目镜的性质，所述三胶合透镜TL4能够同时校正倍率色差、慧差、象散等像差，而且第三透镜组可以承担整个光学系统的相对孔径和视场角。
在本发明实施例中，所述第四透镜组的焦距fTL4与系统焦距f满足条件：0.9<|fTL4 /f|<1.1。
在本发明实施例中，所述第三透镜组的三胶合透镜TL4可分裂为一个双胶合透镜和一个单透镜。
在本发明实施例中，所述双凹透镜L3在像面侧的曲率半径R4与系统焦距f满足条件：0.4＜|R4/f|＜0.56；所述弯月型透镜L8在像面侧的曲率半径R12与系统焦距f满足条件：1＜|R12/f|＜1.6。
在本发明实施例中，其中至少一透镜的折射率n满足条件：1.65<n<1.73，同时其阿贝系数v满足条件：44<v<54。
在本发明实施例中，所述第一透镜组、第二透镜组、孔径光阑、第三透镜组及第四透镜组成的光学系统的光圈值FNO≤1.3、CCD靶面为1-inch，并且改变所述双凸透镜L1、弯月型透镜L2、双凹透镜L3、弯月型透镜L4的球面曲率半径R、镜片厚度T、镜片间距T以及光学材料可以实现系统视场角U满足条件：34°<2U<45°。
在本发明实施例中，所述孔径光阑的各个视场的主光线角USTO与之一一对应的系统视场角U满足条件:|USTO-U|<3°。
在本发明实施例中，一种大孔径大靶面昼夜型监控镜头的成像方法，包括如上述所述的任一种大孔径大靶面昼夜型监控镜头，包含以下步骤：
（1）光束经过所述第一透镜组后，由于弯曲控制所述双凹透镜L3在像面侧的曲率半径R4，光束以大的出射角度入射到所述第二透镜组；
（2）大的出射角度不仅保证了轴上光束在所述第二透镜组的通光孔径不至于过小，而且光束的下光线密集在所述第二透镜组的弯月型透镜L5、双凸透镜L6的透镜边缘上，有利于轴外宽光束像差的校正并且不会对相对照度有大的影响，光束经过所述第二透镜组的会聚作用后，入射到所述第三透镜组；
（3）由于所述弯月型透镜L8减小系统的球差和所述双凹透镜L3在像面侧的曲率半径R4处大的出射角引入的高级量，所述弯月型透镜L8出射的光束经过所述三胶合透镜TL4的会聚入射到第四透镜组，其中三胶合透镜TL4将光束的上光线密集在透镜的边缘上有利于轴外宽光束像差的校正并且不会对相对照度有大的影响；
（4）由于所述第四透镜组的双凹透镜L13选择高折射率高色散的玻璃材料可以补偿系统的残留色差以及所述双胶合透镜DL5补偿残留像差的作用，光束最终会聚在像面上。
在本发明实施例一中，所述双凸透镜L1、弯月型透镜L2、双凹透镜L3、弯月型透镜L4、弯月型透镜L5、双凸透镜L6、双凹透镜L7、弯月型透镜L8、双凸透镜L9、双凹透镜L10、双凸透镜L11、双凸透镜L12以及双凹透镜L13的球面曲率半径R、镜片厚度或镜片间距T、镜片折射率n及部分透镜阿贝系数v满足表一条件时，
表一：
在本发明实施例一中，由表一可计算出，由面12至面17组成的第三透镜组的焦距fTL4=23.96mm；由面1至面22组成的光学系统的焦距f=25.04mm。
在本发明实施例一中，0.9<|fTL4/f|=0.957<1.1
在本发明实施例一中，由表一可计算出，在孔径光阑处最大视场的主光线角为20.283°；系统的最大视场为17.9°。
在本发明实施例一中，|USTO-U|=2.383°<3°。
在本发明实施例一中，图2和图3分别为可见光波段和近红外波段的球面象差特性曲线图，从图2和图3中可以看出，球面象差控制在正负0.05mm以内；图4和图5分别为可见光波段和近红外波段的MTF曲线图，代表光学系统的综合解析能力，图中横轴表示空间频率，单位：圈数每毫米（cycles/mm）；纵轴表示调制传递函数（MTF）的数值，所述MTF 的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0-1，MTF 曲线越高越直表示镜头的成像质量越好，对真实图像的还原能力越强；从图4和图5中可以看出，可见光波段和近红外波段在空间频率为130lp/mm时，全视场的MTF＞0.3。
在本发明实施例二中，所述双凸透镜L1、弯月型透镜L2、双凹透镜L3、弯月型透镜L4、弯月型透镜L5、双凸透镜L6、双凹透镜L7、弯月型透镜L8、双凸透镜L9、双凹透镜L10、双凸透镜L11、双凸透镜L12以及双凹透镜L13的球面曲率半径R、镜片厚度或镜片间距T、镜片折射率n及部分透镜阿贝系数v均满足表二条件时，
表二：
在本发明实施例二中，由表二可计算出，由面12至面17组成的第三透镜组的焦距fTL4=23.97mm；由面1至面22组成的光学系统的焦距f=25.14mm。
在本发明实施例二中， 0.9<|fTL4/f|=0.953<1.1
在本发明实施例二中，由表二可计算出，在孔径光阑处最大视场的主光线角为18.028°；系统的最大视场17.8°。
在本发明实施例二中，|USTO-U|=0.228°<3°
在本发明实施例二中，第三透镜组的三胶合透镜TL3分裂为一组双胶合透镜和一个单透镜组成。
在本发明实施例二中，图7和图8分别为可见光波段和近红外波段的球面象差特性曲线图，从图7和图8中可以看出，球面象差控制在正负0.06mm以内；图9和图10分别为可见光波段和近红外波段的MTF曲线图，代表光学系统的综合解析能力，图中横轴表示空间频率，单位：圈数每毫米（cycles/mm）；纵轴表示调制传递函数（MTF）的数值，所述MTF 的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0-1，MTF 曲线越高越直表示镜头的成像质量越好，对真实图像的还原能力越强，从图9和图10中可以看出，可见光波段和近红外波段在空间频率为130lp/mm时，全视场的MTF特性曲线相对比较集中。
在本发明实施例三中，所述双凸透镜L1、弯月型透镜L2、双凹透镜L3、弯月型透镜L4、弯月型透镜L5、双凸透镜L6、双凹透镜L7、弯月型透镜L8、双凸透镜L9、双凹透镜L10、双凸透镜L11、双凸透镜L12以及双凹透镜L13的球面曲率半径R、镜片厚度或镜片间距T、镜片折射率n及部分透镜阿贝系数v均满足表三条件时，
表三：
在本发明实施例三中，由表三可计算出，由面12至面17组成的第三透镜组的焦距fTL4=20.147mm；由面1至面22组成的光学系统的焦距f=20mm。
在本发明实施例三中，0.9<|fTL4/f|=1.007<1.1
在本发明实施例三中，由表三可计算出，在孔径光阑处最大视场的主光线角为22.15°；系统的最大视场22.4°。
在本发明实施例三中，|USTO-U|=0.25°<3°
在本发明实施例三中， 图12和图13分别为可见光波段和近红外波段的球面象差特性曲线图，从图12和图13中可以看出，球面象差控制在正负0.05mm以内；图14和图15分别为可见光波段和近红外波段的MTF曲线图，代表光学系统的综合解析能力，图中横轴表示空间频率，单位：圈数每毫米（cycles/mm）；纵轴表示调制传递函数（MTF）的数值，所述MTF 的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0-1，MTF 曲线越高越直表示镜头的成像质量越好，对真实图像的还原能力越强，从图14和图15中可以看出，可见光波段和近红外波段在空间频率为130lp/mm时，全视场的MTF＞0.3。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的大孔径大靶面昼夜型监控镜头。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种大孔径大靶面昼夜型监控镜头，其特征在于：包括从物方沿轴向光线自左向右顺序布置的负光焦度的第一透镜组、负光焦度的第二透镜组、孔径光阑、正光焦度的第三透镜组及负光焦度的第四透镜组，所述第一透镜组由自左向右顺序布置的正光焦度的双凸透镜L1、负光焦度的弯月型透镜L2及负光焦度的双凹透镜L3组成，第二透镜组由自左向右顺序布置的正光焦度的弯月型透镜L4、负光焦度的弯月型透镜L5、正光焦度的双凸透镜L6以及负光焦度的双凹透镜L7组成，第三透镜组由自左向右顺序布置的正光焦度的弯月型透镜L8、正光焦度的双凸透镜L9、负光焦度的双凹透镜L10及正光焦度的双凸透镜L11组成，第四透镜组由自左向右顺序布置的正光焦度的双凸透镜L12和负光焦度的双凹透镜L13组成，所述孔径光阑设在双凹透镜L7和弯月型透镜L8之间。
2.根据权利要求1所述的大孔径大靶面昼夜型监控镜头，其特征在于：所述双凸透镜L1、弯月型透镜L2及双凹透镜L3为一组三胶合透镜TL1，所述弯月型透镜L4与弯月型透镜L5为一组双胶合透镜DL2，所述双凸透镜L6与双凹透镜L7为一组双胶合透镜DL3，所述弯月型透镜L8为一单透镜，所述双凸透镜L9、双凹透镜L10及双凸透镜L11为一组三胶合透镜TL4，所述双凸透镜L12和与双凹透镜L13为一组双胶合透镜DL5。
3.根据权利要求2所述的大孔径大靶面昼夜型监控镜头，其特征在于：所述第三透镜组的三胶合透镜TL4可分裂为一组双胶合透镜和一个单透镜。
4.根据权利要求2所述的大孔径大靶面昼夜型监控镜头，其特征在于：所述三胶合透镜TL4与弯月型透镜L8无限靠近具有阿贝无畸变目镜的性质。
5.根据权利要求1所述的大孔径大靶面昼夜型监控镜头，其特征在于：所述双凹透镜L3在像面侧的曲率半径R4与系统焦距f满足条件：0.4＜|R4/f|＜0.56；所述弯月型透镜L8在像面侧的曲率半径R12与系统焦距f满足条件：1＜|R12/f|＜1.6。
6.根据权利要求1所述的大孔径大靶面昼夜型监控镜头，其特征在于：其中至少一透镜的折射率n满足条件：1.65<n<1.73，同时其阿贝系数v满足条件：44<v<54。
7.根据权利要求1所述的大孔径大靶面昼夜型监控镜头，其特征在于：所述第一透镜组、第二透镜组、孔径光阑、第三透镜组及第四透镜组成的光学系统的光圈值FNO≤1.3、CCD靶面为1-inch，并且通过改变所述双凸透镜L1、弯月型透镜L2、双凹透镜L3、弯月型透镜L4的光学材料可以实现系统视场角U满足条件：34°<2U<45°。
8.根据权利要求1所述的大孔径大靶面昼夜型监控镜头，其特征在于：所述孔径光阑的各个视场的主光线角USTO与之一一对应的系统视场角U满足条件:|USTO-U|<3°。
9.一种大孔径大靶面昼夜型监控镜头的成像方法，包括如权利要求2~4所述的任一种大孔径大靶面昼夜型监控镜头，其特征在于，包含以下步骤：
(1)光束经过所述第一透镜组后，由于弯曲控制所述双凹透镜L3在像面侧的曲率半径R4，光束以大的出射角度入射到所述第二透镜组；
(2)大的出射角度不仅保证了轴上光束在所述第二透镜组的通光孔径不至于过小，而且光束的下光线密集在所述第二透镜组的弯月型透镜L5、双凸透镜L6的透镜边缘上，光束经过所述第二透镜组的会聚作用后入射到所述第三透镜组；
(3)由于所述弯月型透镜L8减小系统的球差和所述双凹透镜L3在像面侧的曲率半径R4处大的出射角引入的高级量，所述弯月型透镜L8出射的光束经过三胶合透镜TL4的会聚后入射到第四透镜组；
(4)由于所述第四透镜组的双凹透镜L13选择高折射率高色散的玻璃材料可以补偿系统的残留色差以及双胶合透镜DL5补偿系统残留像差的作用，光束最终会聚在像面上。
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