CN105527781A - 免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统及其实现方法，包括镜头、芯片以及设置于镜头内部或设置于镜头前端或设置于镜头与芯片之间的滤光片切换器，所述滤光片切换器上设有分别用于白天和晚上的滤光片一和滤光片二，所述滤光片一和滤光片二与光轴相垂直且能分别切换至光轴的位置用于滤除不同波段的光，所述滤光片一为能滤除红外光的红外光截止滤光片，所述滤光片二为能滤除可见光的可见光截止滤光片。该系统及方法无需考虑镜头复杂的日夜共焦设计，通过简单的结构或方法便可实现日夜共焦效果，且制造成本低，性能优越。

Description

免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，特别涉及一种免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统及其实现方法。

背景技术

目前在日夜两用监控镜头领域，需要解决的难题主要有日夜共焦问题和性价比问题。

监控镜头在白天和夜晚24小时工作的情况下，目前有两种使用方法：1.日夜两种切换状态的使用；2.低照度摄像机和镜头的使用。

其中第一种方案是目前使用最普及的一种方案。但是由于光学材料本身具有色散，即同种光学材料在可见光波段和红外光波段的折射率不一样，这就常常会使镜头存在日夜不共焦的情况，这样就导致了市场上很多在日夜两用的情况下，出现其中一个波段失焦的情况。目前市场主要的应对措施如下：

通过设计，使可见光波段和红外光波段共焦，消除可见光和红外波段的光程差及倍率色差。该方案能解决夜视环境下，镜头失焦的问题，同时在可见光和红外光同时存在的情况下，成像效果也能表现良好。但是该方案，一般需要使用低色散玻璃，或者增加镜片数量等加大光学系统复杂度的方法来实现日夜共焦，这样就大大增加了成本。而且，该方案在实施的过程中也很难完全消除色差，会存在0.01-0.02mm，甚至更大的离焦量，无法真正实现在白天和夜晚模式下都达到高清的效果；同时，该方案在矫正离焦的过程中，很容易产生明显的蓝紫边现象。

鉴于此，如何在低成本的情况下，既能保证白天效果，又能很好的解决夜视问题，目前市场上还没有很好的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于克服以上缺点，提供一种免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统及其实现方法，该系统及方法无需考虑镜头复杂的日夜共焦设计，通过简单的结构或方法便可实现日夜共焦效果，且制造成本低，性能优越。

本发明是这样实现的：

方案(一)：

一种免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统，其特征在于：包括镜头、芯片以及设置于镜头内部或设置于镜头前端或设置于镜头与芯片之间的滤光片切换器，所述滤光片切换器上设有分别用于白天和晚上的滤光片一和滤光片二，所述滤光片一和滤光片二与光轴相垂直且能分别切换至光轴的位置用于滤除不同波段的光，所述滤光片一为能滤除红外光的红外光截止滤光片，所述滤光片二为能滤除可见光的可见光截止滤光片。

本发明提供的免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统，无需考虑镜头复杂的日夜共焦设计，如：使用低色散玻璃，或者增加镜片数量等加大光学系统复杂度的方法，通过简单的结构便可实现日夜共焦效果，且制造成本低，性能优越。本发明白天采用滤光片一滤除红外光，晚上采用滤光片二滤除可见光，使镜头在白天和夜间模式下都能达到严格意义的高清的效果，但没有经过日夜共焦设计，该系统可能会存在光学后焦不一致的情况，当光学后焦不一致时可以采用但不限于以下几种结构使其光学后焦一致：

(一)、所述滤光片一和滤光片二的厚度不同使得镜头在白光环境和在近红外环境的光学后焦一致。

所述滤光片一的厚度为0.35mm，所述滤光片二的厚度为0.2mm。

所述镜头包括沿光线入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜为双凸正透镜，所述第二透镜为凸凹正透镜，所述第三透镜为凹凸正透镜，所述第四透镜为双凹负透镜，所述第五透镜为双凸正透镜，所述第三透镜和第四透镜组成消色差负透镜。

(二)、所述免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统还包括变倍镜组、补偿镜组以及用于调节补偿镜组位置的电动调节装置，所述电动调节装置能根据对应的变焦曲线调节补偿镜组相对变倍镜组的位置以使日夜两个状态下镜头的最佳成像位置一致。

(三)、所述免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统还包括镜头移动装置，所述镜头移动装置能移动镜头和芯片的相对位置以使日夜两个状态下芯片均在镜头的最佳成像位置上。

方案(二)：

一种所述日夜两用镜头系统的实现方法，其特征在于：在镜头内部或镜头前端或镜头与芯片之间设置一个滤光片切换器，在所述滤光片切换器上设有分别用于白天和晚上的滤光片一和滤光片二，所述滤光片一和滤光片二与光轴相垂直且能分别切换至光轴的位置用于滤除不同波段的光，所述滤光片一为能滤除红外光的红外光截止滤光片，所述滤光片二为能滤除可见光的可见光截止滤光片；当白天使用所述日夜两用镜头系统时，将滤光片一切换到光轴上，滤除红外光；当晚上使用所述日夜两用镜头系统时，将滤光片二切换到光轴上，滤除可见光。

本发明提供的免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统的实现方法，无需考虑镜头复杂的日夜共焦设计，如：使用低色散玻璃，或者增加镜片数量等加大光学系统复杂度的方法，通过简单的方法便可实现日夜共焦效果，且制造成本低，性能优越。本发明白天采用滤光片一滤除红外光，晚上采用滤光片二滤除可见光，使镜头在白天和夜间模式下都能达到严格意义的高清的效果，但没有经过日夜共焦设计，该系统可能会存在光学后焦不一致的情况，当光学后焦不一致时可以采用但不限于以下几种方法使其光学后焦一致：

(一)、所述滤光片一和滤光片二采用不同的厚度，使得镜头在白光和在近红外环境的光学后焦一致。

(二)、在所述镜头中设置变倍镜组、补偿镜组以及用于调节补偿镜组位置的电动调节装置，然后根据对应的变焦曲线利用电动调节装置调节补偿镜组相对变倍镜组的位置以使日夜两个状态下镜头的最佳成像位置一致。

(三)、在所述免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统中设置镜头移动装置，然后利用镜头移动装置移动镜头和芯片的相对位置以使日夜两个状态下芯片均在镜头的最佳成像位置上。

较之现有技术而言，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统及其实现方法，该系统及方法无需考虑镜头复杂的日夜共焦设计，如：使用低色散玻璃，或者增加镜片数量等加大光学系统复杂度的方法，通过简单的结构或方法便可实现日夜共焦效果，且制造成本低，性能优越；

(2)本发明提供的免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统，通过有厚度差的滤光片或日夜切换的两条变焦曲线或者变化镜头与芯片相对位置的方法，解决离焦问题；同时采用可见光截止滤光片滤除夜间模式下可见光对像质的干扰，取代采用设计矫正可见光与近红外光的轴向色差和倍率色差的方法，真正实现日夜完全共焦的效果；

(3)本发明提供的免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统，具有光学设计简单、对材料要求低等优点，没有难矫正的近红外光和可见光的共焦性、轴向色差和倍率色差等问题，容易得到真正意义的日夜共焦，使镜头在白天和夜间模式下都能达到严格意义的高清的效果。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步说明：

图1是现有技术通过光学设计实现日夜共焦的一种光学结构示意图；

图2是本发明光学系统的光学结构示意图；

图3是本发明使用的滤光片切换器结构示意图；

图4是实施例一中在可见光模式下，物距无穷远、全口径、可见光光谱(g、f、e、d、c)条件下各个视场的子午和弧矢方向的光学传递函数(MTF)曲线图，横坐标的单位为线对/毫米(lp/mm)；

图5是实施例一中在可见光模式下，物距无穷远、全口径、可见光光谱(g、f、e、d、c)条件下各个视场的点列图。其坐标比例尺为20μm；

图6是实施例一中在夜间模式下，没有日夜补偿情况下，在物距无穷远、全口径、近红外光谱(850nm)条件下各个视场的子午和弧矢方向的光学传递函数(MTF)曲线图，横坐标的单位为线对/毫米(lp/mm)；

图7是实施例一中在夜间模式下，补偿了离焦量，但是没有滤除可见光对成像效果的影响，在物距无穷远、全口径、可见光和近红外光谱比率为1:1条件下各个视场的子午和弧矢方向的光学传递函数(MTF)曲线图，横坐标的单位为线对/毫米(lp/mm)；

图8是实施例一中在夜间模式下，补偿了离焦量，但是没有滤除可见光对成像效果的影响，在物距无穷远、全口径、可见光和近红外光谱比率为1:1条件下各个视场的点列图。其坐标比例尺为100μm；

图9是实施例一中在夜间模式下，补偿了离焦量，同时滤除可见光对成像效果的影响，在物距无穷远、全口径、近红外光谱条件下各个视场的子午和弧矢方向的光学传递函数(MTF)曲线图，横坐标的单位为线对/毫米(lp/mm)；

图10是实施例二的变焦镜头的变倍补偿曲线图，D1为白天模式下的变倍补偿曲线，D2为夜视模式下的变倍补偿曲线。其中横纵坐标单位均为mm。

图中符号说明：B1、第一透镜，B2、第二透镜，B3、第三透镜，B4、第四透镜，B5、第五透镜，B6、滤光片，B7、芯片保护窗片，C1、滤光片一，C2、滤光片二。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明内容进行详细说明：

具体实施方式(一)：

一种免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统，其特征在于：包括镜头、芯片以及设置于镜头内部或设置于镜头前端或设置于镜头与芯片之间的滤光片切换器，所述滤光片切换器上设有分别用于白天和晚上的滤光片一C1和滤光片二C2，所述滤光片一C1和滤光片二C2与光轴相垂直且能分别切换至光轴的位置用于滤除不同波段的光，所述滤光片一C1为能滤除红外光的红外光截止滤光片，所述滤光片二为C2能滤除可见光的可见光截止滤光片。

本发明提供的免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统，无需考虑镜头复杂的日夜共焦设计，如：使用低色散玻璃，或者增加镜片数量等加大光学系统复杂度的方法，通过简单的结构便可实现日夜共焦效果，且制造成本低，性能优越。但该系统可能会存在光学后焦不一致的情况，当光学后焦不一致时可以采用但不限于以下几种结构使其光学后焦一致：

(一)、所述滤光片一C1和滤光片二C2的厚度不同使得镜头在白光环境和在近红外环境的光学后焦一致。

所述滤光片一C1的厚度为0.35mm，所述滤光片二C2的厚度为0.2mm。

如图2所示，所述镜头包括沿光线入射方向依次设置的第一透镜B1、第二透镜B2、第三透镜B3、第四透镜B4和第五透镜B5，所述第一透镜B1为双凸正透镜，所述第二透镜B2为凸凹正透镜，所述第三透镜B3为凹凸正透镜，所述第四透镜B4为双凹负透镜，所述第五透镜B5为双凸正透镜，所述第三透镜B3和第四透镜B4组成消色差负透镜。

如图1所示为现有技术通过光学设计实现日夜共焦的一种光学结构示意图，对比图1和图2，两个镜头的光学结构相似，采用的都是双高斯结构；但是由于现有技术需要矫正近红外光谱，所以采用的A2和A3组成的消色差胶合正透镜，而本发明不需要考虑日夜共焦矫正，在该位置只用了正透镜B2；同时现有技术由于需要矫正较大色差，所以A4和A5镜片的胶合面的弯曲度也较大，这不仅使加工难度加大，同时引入高级像差。

(二)、所述免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统还包括变倍镜组、补偿镜组以及用于调节补偿镜组位置的电动调节装置，所述电动调节装置能根据对应的变焦曲线调节补偿镜组相对变倍镜组的位置以使日夜两个状态下镜头的最佳成像位置一致。

(三)、所述免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统还包括镜头移动装置，所述镜头移动装置能移动镜头和芯片的相对位置以使日夜两个状态下芯片均在镜头的最佳成像位置上。

具体实施方式(二)：

一种所述日夜两用镜头系统的实现方法，其特征在于：在镜头内部或镜头前端或镜头与芯片之间设置一个滤光片切换器，在所述滤光片切换器上设有分别用于白天和晚上的滤光片一C1和滤光片二C2，所述滤光片一C1和滤光片二C2与光轴相垂直且能分别切换至光轴的位置用于滤除不同波段的光，所述滤光片一C1为能滤除红外光的红外光截止滤光片，所述滤光片二C2为能滤除可见光的可见光截止滤光片；当白天使用所述日夜两用镜头系统时，将滤光片一C1切换到光轴上，滤除红外光；当晚上使用所述日夜两用镜头系统时，将滤光片二C2切换到光轴上，滤除可见光。

本发明提供的免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统的实现方法，无需考虑镜头复杂的日夜共焦设计，如：使用低色散玻璃，或者增加镜片数量等加大光学系统复杂度的方法，通过简单的方法便可实现日夜共焦效果，且制造成本低，性能优越。但该系统可能会存在光学后焦不一致的情况，当光学后焦不一致时可以采用但不限于以下几种方法使其光学后焦一致：

(一)、所述滤光片一C1和滤光片二C2采用不同的厚度，使得镜头在白光和在近红外环境的光学后焦一致。

(二)、在所述镜头中设置变倍镜组、补偿镜组以及用于调节补偿镜组位置的电动调节装置，然后根据对应的变焦曲线利用电动调节装置调节补偿镜组相对变倍镜组的位置以使日夜两个状态下镜头的最佳成像位置一致。

(三)、在所述免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统中设置镜头移动装置，然后利用镜头移动装置移动镜头和芯片的相对位置以使日夜两个状态下芯片均在镜头的最佳成像位置上。

下面通过实施例进一步说明本发明：

实施例1：

表1——本实施例中各部件的物理参数和所用材料：

如图2所示，所述镜头包括沿光线入射方向依次设置的第一透镜B1、第二透镜B2、第三透镜B3、第四透镜B4和第五透镜B5，所述第一透镜B1为双凸正透镜，所述第二透镜B2为凸凹正透镜，所述第三透镜B3为凹凸正透镜，所述第四透镜B4为双凹负透镜，所述第五透镜B5为双凸正透镜，所述第三透镜B3和第四透镜B4组成消色差负透镜。由于光学设计的时候没有考虑日夜共焦设计，所以该光学系统在白天和夜晚模式的时候光学后焦不一致。为了解决该问题，我们采用了数据表中第10面的滤光片切换器，如图3，它在白天模式的时候为红外截止滤光片，厚度为0.2mm；在夜间模式的时候为可见光滤光片，厚度为0.35mm。采用该滤光片切换器，可以补偿两个模式下光学后焦不一致的问题，同滤除其他光源的干扰，保证镜头成像清晰。

当摄像机在白天模式的时候，滤光片切换器切换成有一个厚度为0.2mm的IR-CUT滤光片，图4为对应的MTF图，从图中数据我们可以看出该镜头各个视场在200lp/mm内的各个频段均有良好的表现；图5为对应的像点图，从图中数据我们可以看出该镜头各个颜色的光的光斑均有良好收敛，且不存在明显的倍率色差。

图5为该镜头在夜间模式下，滤光片厚度保持0.2mm的时候，对应的MTF图，从图中数据我们看出该镜头在夜间状态下效果很差；

图6和图7为该镜头在夜间模式下，滤光片厚度为0.35mm，即补偿了离焦量，但是没有镀可见光截止滤光膜的MTF图和像点图。从图中数据可以看出，由于受到可见光的影响，该镜头在该状态下的表现仍然很差。

图7是该镜头夜间模式下，采用了0.35mm厚的可见光截止滤光片后的MTF图。从图中数据我们可以看出，由于补偿了离焦量，同时又采用了可见光截止滤光片，滤除可见光对成像效果的影响，此时该镜头各个视场在200lp/mm内的各个频段均有良好的表现；

从本实施例我们可以看出，采用有厚度差的红外截止同时容易得到可见光和近红外环境下都是高清的效果。

实施例2：

图10为实施例二的变焦镜头的变倍补偿曲线图。

由于该变焦镜头没有考虑日夜共焦设计，所以白天模式下和夜晚模式下的变焦曲线是不重合的，对于镜头带有可电动变倍补偿的结构，我们可以分别采用图中的两条变焦曲线分别控制日夜两个状态，使镜头的白天和夜晚的最佳成像面位置一致。

同时我们在白天和夜晚的时候，分别使用红外截止滤光片和可见光截止滤光片，即可得到白天和夜晚均为高清的成像效果。

实施例3：

对于使用过程中，可以电动移动镜头和芯片相对位置的摄像机结构，实施例一中的方案，就可以不用严格要求滤光片切换器的两个滤光片的厚度差为0.15mm，而用摄像机变化其白天和夜晚两个状态下镜头和芯片的相对位置，来补偿剩余的离焦量，同时我们在白天和夜晚的时候，分别使用红外截止滤光片和可见光截止滤光片，即可得到白天和夜晚均为高清的成像效果。

上述具体实施方式只是对本发明的技术方案进行详细解释，本发明并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本发明原理的任何改进或替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统，其特征在于：包括镜头、芯片以及设置于镜头内部或设置于镜头前端或设置于镜头与芯片之间的滤光片切换器，所述滤光片切换器上设有分别用于白天和晚上的滤光片一(C1)和滤光片二(C2)，所述滤光片一(C1)和滤光片二(C2)与光轴相垂直且能分别切换至光轴的位置用于滤除不同波段的光，所述滤光片一(C1)为能滤除红外光的红外光截止滤光片，所述滤光片二(C2)为能滤除可见光的可见光截止滤光片。

2.根据权利要求1所述的免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统，其特征在于：所述滤光片一(C1)和滤光片二(C2)的厚度不同使得镜头在白光环境和在近红外环境的光学后焦一致。

3.根据权利要求2所述的免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统，其特征在于：所述滤光片一(C1)的厚度为0.35mm，所述滤光片二(C2)的厚度为0.2mm。

4.根据权利要求1所述的免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统，其特征在于：所述镜头包括沿光线入射方向依次设置的第一透镜(B1)、第二透镜(B2)、第三透镜(B3)、第四透镜(B4)和第五透镜(B5)，所述第一透镜(B1)为双凸正透镜，所述第二透镜(B2)为凸凹正透镜，所述第三透镜(B3)为凹凸正透镜，所述第四透镜(B4)为双凹负透镜，所述第五透镜(B5)为双凸正透镜，所述第三透镜(B3)和第四透镜(B4)组成消色差负透镜。

5.根据权利要求1所述的免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统，其特征在于：所述免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统还包括变倍镜组、补偿镜组以及用于调节补偿镜组位置的电动调节装置，所述电动调节装置能根据对应的变焦曲线调节补偿镜组相对变倍镜组的位置以使日夜两个状态下镜头的最佳成像位置一致。

6.根据权利要求1所述的免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统，其特征在于：所述免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统还包括镜头移动装置，所述镜头移动装置能移动镜头和芯片的相对位置以使日夜两个状态下芯片均在镜头的最佳成像位置上。

7.一种权利要求1所述日夜两用镜头系统的实现方法，其特征在于：在镜头内部或镜头前端或镜头与芯片之间设置一个滤光片切换器，在所述滤光片切换器上设有分别用于白天和晚上的滤光片一(C1)和滤光片二(C2)，所述滤光片一(C1)和滤光片二(C2)与光轴相垂直且能分别切换至光轴的位置用于滤除不同波段的光，所述滤光片一(C1)为能滤除红外光的红外光截止滤光片，所述滤光片二(C2)为能滤除可见光的可见光截止滤光片；当白天使用所述日夜两用镜头系统时，将滤光片一(C1)切换到光轴上，滤除红外光；当晚上使用所述日夜两用镜头系统时，将滤光片二(C2)切换到光轴上，滤除可见光。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述滤光片一(C1)和滤光片二(C2)采用不同的厚度，使得镜头在白光和在近红外环境的光学后焦一致。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在所述镜头中设置变倍镜组、补偿镜组以及用于调节补偿镜组位置的电动调节装置，然后根据对应的变焦曲线利用电动调节装置调节补偿镜组相对变倍镜组的位置以使日夜两个状态下镜头的最佳成像位置一致。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在所述免日夜共焦设计的日夜两用镜头系统中设置镜头移动装置，然后利用镜头移动装置移动镜头和芯片的相对位置以使日夜两个状态下芯片均在镜头的最佳成像位置上。