CN106338816B - 一种超高清广角变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高清广角变焦光学系统，包括影像传感器，所述影像传感器的一侧从物方到像方依次放置有第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组和第二透镜组之间放置有固定光阑，其中，第一透镜组具有负光焦度且位置可沿着光轴方向移动，第二透镜组具有正光焦度且位置可沿着光轴方向移动，且第一透镜组的焦距值f1和第二透镜组的焦距值f2满足：0.75<|f1/f2|<1.25。本发明通过第一透镜组和第二透镜组的轴向移动实现水平广角105度到水平长焦37度的变焦，体积小，视场广角大，能满足不同监控场景的使用要求，并能达到1200万像素的分辨率，分辨率高。本发明可广泛应用于光学设备领域。

Description

一种超高清广角变焦光学系统

技术领域

本发明涉及光学设备领域，尤其是一种超高清广角变焦光学系统。

背景技术

随着安防终端朝着超高清(4K)、小型化、变焦距和大广角等方向发展，超高清的广角变焦镜头得到了越来越多的应用。为使安防终端实现以上监控功能，与之匹配的广角变焦镜头要求具有高清晰度，超广角，大口径，可日夜两用，小体积。该变焦光学系统的难点在于控制光学系统体积的前提下实现超广角变焦和全高清像质。目前安防终端的变焦光学系统所能监控的水平广角大多在90度以内，很难达到100度，视场广角较小，难以满足不同监控场景的使用要求；而且其像素大多数在600万像素以下，很难达到1200万像素，较难满足部分需要超高清分辨率监控系统的场合，如广场、车站和港口等人群密集场合等。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种体积小、视场广角大和分辨率高的超高清广角变焦光学系统。

本发明所采取的技术方案是：

一种超高清广角变焦光学系统，包括影像传感器，所述影像传感器的一侧从物方到像方依次放置有第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组和第二透镜组之间放置有固定光阑，其中，第一透镜组具有负光焦度且位置可沿着光轴方向移动，第二透镜组具有正光焦度且位置可沿着光轴方向移动，且第一透镜组的焦距值f1和第二透镜组的焦距值f2满足：0.75<|f1/f2|<1.25。

进一步，所述第一透镜组包括从物方到像方依次放置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜是焦距为负且凹面朝向像方的弯月球面透镜，所述第二透镜是焦距为负的双凹球面透镜，所述第三透镜是焦距为正的双凸球面透镜，所述第二透镜和第三透镜通过光敏胶胶合在一起形成第一接合镜片。

进一步，所述第二透镜组包括从物方到像方依次放置的第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜，所述第四透镜是焦距为正的双凸非球面镜片，所述第六透镜和第八透镜均是焦距为正的双凸球面透镜，所述第五透镜、第七透镜、第九透镜和第十透镜均是焦距为负且凹面朝向像方的弯月形球面透镜，所述第五透镜和第六透镜通过光敏胶胶合在一起形成第二接合镜片，所述第七透镜和第八透镜通过光敏胶胶合在一起形成第三接合镜片。

进一步，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜均为玻璃球面透镜，所述第四透镜为玻璃非球面透镜。

进一步，所述第一透镜的非凹镜面与影像传感器的成像面的最大距离为53mm。

进一步，所述第一透镜组相对影像传感器的移动范围为0～10.47mm，所述第二透镜组相对影像传感器的移动范围为0～6.60mm，所述固定光阑与影像传感器的距离为30.6mm。

进一步，所述超高清广角变焦光学系统的焦距变化范围为4.5mm～11.5mm。

进一步，所述超高清广角变焦光学系统的广角端光圈FNO为F1.65，所述超高清广角变焦光学系统的望远端光圈FNO为F2.8。

本发明的有益效果是：包括第一透镜组和第二透镜组，第一透镜组的焦距值f1和第二透镜组的焦距值f2满足：0.75<|f1/f2|<1.25，通过第一透镜组和第二透镜组的轴向移动实现水平广角105度到水平长焦37度的变焦，体积小，视场广角大，能满足不同监控场景的使用要求，并能达到1200万像素的分辨率，分辨率高。进一步，第一透镜组采用了3枚透镜，且第一透镜和第二透镜是负透镜，第二透镜组采用了7枚透镜，且第四透镜、第六透镜和第八透镜是正透镜，能有效平衡光学系统的色差，干扰较小。进一步，系统的望远端光圈FNO为F2.8，高于传统的F3.0，增大了望远端的有效孔径。

附图说明

图1为本发明超高清广角变焦光学系统短焦状态的结构示意图；

图2为本发明超高清广角变焦光学系统中焦状态的结构示意图；

图3为本发明超高清广角变焦光学系统长焦状态的结构示意图；

图4为本发明实施例一的光学系统短焦状态的球差场曲畸变图；

图5为本发明实施例一的光学系统中焦状态的球差场曲畸变图；

图6为本发明实施例一的光学系统长焦状态的球差场曲畸变图；

图7为本发明实施例一的光学系统短焦状态的光线像差图；

图8为本发明实施例一的光学系统中焦状态的光线像差图；

图9为本发明实施例一的光学系统长焦状态的光线像差图；

图10为本发明实施例一的光学系统短焦状态的横向色差图；

图11为本发明实施例一的光学系统中焦状态的横向色差图；

图12为本发明实施例一的光学系统长焦状态的横向色差图。

具体实施方式

参照图1、2或3，一种超高清广角变焦光学系统，包括影像传感器3，所述影像传感器3的一侧从物方到像方依次放置有第一透镜组1和第二透镜组2，所述第一透镜组1和第二透镜组2之间放置有固定光阑4，其中，第一透镜组1具有负光焦度且位置可沿着光轴方向移动，第二透镜组2具有正光焦度且位置可沿着光轴方向移动，且第一透镜组1的焦距值f1和第二透镜组2的焦距值f2满足：0.75<|f1/f2|<1.25。

其中，第一透镜组1，用于通过轴向移动实现对焦。

第二透镜组2，用于通过轴向移动使系统的焦距产生变化。

本发明使用了2个透镜组，随着第二透镜组2的前后移动，系统的焦距产生变化，而透镜组1的前后移动实现对焦，第一透镜组1的焦距值f1和第二透镜组2的焦距值f2满足：0.75<|f1/f2|<1.25。本发明的系统通过第一透镜组和第二透镜组的轴向移动保证了拍摄水平角度能实现从水平105度到37度之间的变化，且拍摄距离最近可以到0.5m，适合在不同监控场景使用。本发明设计的结构能够达到1200万像素的分辨率，以1/1.7"的CMOS为例，本发明可以实现中心分辨率高于250lp/mm(线对/毫米)，周边0.7视场的分辨率高于200lp/mm。

参照图1、2或3，进一步作为优选的实施方式，所述第一透镜组包括从物方到像方依次放置的第一透镜101、第二透镜102和第三透镜103，所述第一透镜101是焦距为负且凹面101b朝向像方的弯月球面透镜，所述第二透镜102是焦距为负的双凹球面透镜，所述第三透镜103是焦距为正的双凸球面透镜，所述第二透镜102和第三透镜103通过光敏胶胶合在一起形成第一接合镜片。

参照图1、2或3，进一步作为优选的实施方式，所述第二透镜组2包括从物方到像方依次放置的第四透镜201、第五透镜202、第六透镜203、第七透镜204、第八透镜205、第九透镜206和第十透镜207，所述第四透镜201是焦距为正的双凸非球面镜片，所述第六透镜203和第八透镜205均是焦距为正的双凸球面透镜，所述第五透镜202、第七透镜204、第九透镜206和第十透镜207均是焦距为负且凹面202b、204b、206b或207b朝向像方的弯月形球面透镜，所述第五透镜202和第六透镜203通过光敏胶胶合在一起形成第二接合镜片，所述第七透镜204和第八透镜205通过光敏胶胶合在一起形成第三接合镜片。

安防终端在监控广角端时，极易因色差而在明暗交界的地方(如灯管或窗户边缘等)产生紫边现象，会给监控图像的对象识别带来较大的干扰，需要镜头在设计时间尽量控制。本发明的第一透镜组采用了3枚透镜，且第一透镜和第二透镜是负透镜，第二透镜组采用了7枚透镜，且第四透镜、第六透镜和第八透镜是正透镜，能有效平衡光学系统的色差，降低了色差带来的干扰。

参照图1、2或3，进一步作为优选的实施方式，所述第一透镜101、第二透镜102、第三透镜103、第五透镜202、第六透镜203、第七透镜204、第八透镜205、第九透镜206和第十透镜207均为玻璃球面透镜，所述第四透镜201为玻璃非球面透镜。

参照图1、2或3，进一步作为优选的实施方式，所述第一透镜101的非凹镜面101a与影像传感器3的成像面的最大距离为53mm。

安防视频监控终端向着紧凑和小型化的方向发展，其光学系统需要将光学总长控制在53mm以内。因此，本发明整个光学系统将第一透镜组1移动到远离影像传感器3的最外端的位置后，第一透镜组1的第一个镜面101a到影像传感器3的成像面的最大距离为53mm。

参照图1、2或3，进一步作为优选的实施方式，所述第一透镜组1相对影像传感器3的移动范围为0～10.47mm，所述第二透镜组2相对影像传感器3的移动范围为0～6.60mm，所述固定光阑4与影像传感器3的距离为30.6mm。

进一步作为优选的实施方式，所述超高清广角变焦光学系统的焦距变化范围为4.5mm～11.5mm。

本发明的系统的焦距变化范围为4.5mm～11.5mm，变焦比大于2.4倍，能适合不同监控场景的使用要求。

进一步作为优选的实施方式，所述超高清广角变焦光学系统的广角端光圈FNO为F1.65，所述超高清广角变焦光学系统的望远端光圈FNO为F2.8。

安防监控终端对于低照度的夜晚监控有比较高的需求，然而目前大部分变焦镜头的FNO有效孔径只注重设计广角端，望远端的有效孔径往往较小。为此，本发明将广角端光圈FNO设计为F1.65，将望远端光圈FNO设计为F2.8，望远端光圈FNO高于市场上常见的F3.0，有效提升了望远端的有效孔径。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一

参照图1-12，本发明的第一实施例：

针对现有技术视场广角小和分辨率低的问题，本发明提出了一种超高清广角变焦光学系统。如图1、2或3所示，该系统包括影像传感器3，影像传感器3一侧放置有可沿着轴向移动的第一透镜组1和第二透镜组2，通过第一透镜组1和第二透镜组2的轴向移动实现水平广角105度到水平长焦37度的变焦。第一透镜组1和第二透镜组2之间设有固定光阑4，且第一透镜组的焦距值f1和第二透镜组的焦距值f2满足：0.75<|f1/f2|<1.25。该系统采用了两组变焦的方式实现了小体积、超高清和大口径的变焦光学系统。

应用本发明而实际设计的一款小体积超高清大口径广角变焦光学系统的具体参数如下表1所示：

表1一款小体积超高清大口径广角变焦光学系统的实际设计参数

面序号	表面面形	曲率半径	厚度	折射率	口径	K值
							101a	球面	130.2238	0.85	1.80	20.76196	0
101b	球面	8.88566	6.552545	/	14.6872	0
							102a	球面	-18.2729	0.65	1.55	13.91172	0
102b/103a	球面	19.3555	2.27	2.00	13.71699	0
							103b	球面	-211.754	空气间隔可变	/	13.52805	0
	固定光阑	Infinity	空气间隔可变	/	7.643979	0
							201a	非球面	9.602565	2.57	1.50	9.805732	-1.02032
201b	非球面	-29.0177	2.083677		9.489317	-7.50656
							202a	球面	340.0296	0.45	1.79	8.871738	0
202b/203a	球面	9.419346	3.15	1.59	8.834344	0
							203b	球面	-15.2844	0.1	/	9.059688	0
204a	球面	26.63323	0.45	1.74	9.069953	0
							204b/205a	球面	6.822081	3.45	1.59	8.83733	0
205b	球面	-24.9807	0.1	/	8.846946	0
							206a	球面	14.67096	2.13	1.90	8.669225	0
206b	球面	7.037635	1.934215	/	7.717803	0
							207a	球面	7.361538	1.44	1.57	8.844974	0
207b	球面	9.36681	2	/	8.592174	0

表1中，Infinity为无穷大，k是指非球面系数。

其中，面201a和面201b这两个非球面表面形状可用下式表示：

式中，z为光轴方向上到镜片顶点的距离，r为垂直于光轴方向上偏离中心的距离，c为曲率，α₁-α₈均为给定的非球面参数。表2给出了面201a和面201b的部分非球面参数。

表2面201a和201b的非球面参数

	面序号201a	面序号201b
			a2参数	5.89E-05	3.11E-04
a3参数	5.17E-06	3.71E-06
			a4参数	1.68E-07	2.34E-07
a5参数	-1.32E-08	-1.56E-08
			a6参数	4.38E-10	5.26E-10

本发明第一透镜到第十透镜的镜面101a到207b优选玻璃面。

图4、5和6分别为本实施例的变焦光学系统(即表1的变焦光学系统)分别处于短焦状态、中焦状态和长焦状态时的球差场曲畸变图，其中，图4(a)、5(a)和6(a)均为场曲曲线图，其横轴为像面弯曲程度(单位为毫米)，纵轴为视场；图4(b)、5(b)和6(b)均为畸变曲线图，其横轴为光学畸变值(单位为％)，纵轴为视场。

图7为本实施例的变焦光学系统(即表1的变焦光学系统)处于短焦状态时的光线像差图，其中图7(a)-(f)分别对应系统在0DEG、18DEG、30DEG、44DEG、55DEG和70DEG下的光线像差图，DEG是“degree”的英文缩写，表示成像视场角的角度。图8为本实施例的变焦光学系统(即表1的变焦光学系统)处于中焦状态时的光线像差图，其中图8(a)-(f)分别对应系统在0DEG、10DEG、17DEG、24DEG、29DEG和34DEG下的光线像差图。图9为本实施例的变焦光学系统(即表1的变焦光学系统)处于长焦状态时的光线像差图，其中图9(a)-(f)分别对应系统在0DEG、7DEG、11.6DEG、16.2DEG、19.1DEG和23.1DEG下的光线像差图。在图7、8和9中，横轴坐标PX和PY均为光瞳坐标，纵轴EY和EX分别代表子午光线像差和弧矢光线像差。从图7、8和9可判定本发明的变焦镜头像差校正良好，在全视场都可以达到较好的成像效果。

图10、11和12分别为分别处于短焦状态、中焦状态和长焦状态时的横向色差图，其横轴代表横向色差(单位为微米)，纵轴为视场。其中，图10、11和12的最大视场分别为70DEG、34DEG和23.1DEG，AIRY为艾里斑的大小，AIRY的物理意义为理论极限分辨率的大小。

从图4-12可以看出，本实施例的光学系统，视场角超过100度，变焦比大于2.4倍，具有1200万像素，具有日夜共焦性能，望远端和广角端的口径大，并在整个变焦范围内像质良好。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明使用了2个透镜组，随着第二透镜组2的轴向移动，系统的焦距会随之改变，并配合第一透镜组1的轴向移动进行对焦，使得系统的焦距可以从4.5mm变化到11.5mm，拍摄的水平角度从水平105度变化到37度，拍摄距离最近可以到0.5m，适合在不同监控场景使用。

2)本发明能够达到1200万像素的分辨率，分辨率高，满足了高像质的要求。

3)本发明的广角端光圈FNO为F1.65，望远端光圈FNO为F2.8，增大了望远端的有效孔径。

4)本发明的整个光学系统将透镜组1移动到远离影像传感器的最外端的位置后，第一透镜组1的第一透镜镜面101a到影像传感器3的成像面的最大距离为53mm，满足了小体积的要求。

5)本发明通过加入特殊的低色散玻璃材质方式进行系统优化，实现了日夜共焦的光学设计，在可见光波段430nm-650nm和红外光波段830nm-870nm都能成像清晰，满足了日夜监控清晰度不发生变化的要求。

6)本发明第一透镜组1采用了3枚透镜，且第一透镜和第二透镜是负透镜，第二透镜组2采用了7枚透镜，第四透镜、第六透镜和第八透镜是正透镜，可以有效平衡光学系统的色差，减少了对识别结果的干扰。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种超高清广角变焦光学系统，其特征在于：包括影像传感器，所述影像传感器的一侧从物方到像方依次放置有第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组和第二透镜组之间放置有固定光阑，其中，第一透镜组具有负光焦度且位置可沿着光轴方向移动，第二透镜组具有正光焦度且位置可沿着光轴方向移动，且第一透镜组的焦距值f1和第二透镜组的焦距值f2满足：0.75<|f1/f2|<1.25；

所述第一透镜组包括从物方到像方依次放置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜是焦距为负且凹面朝向像方的弯月球面透镜，所述第二透镜是焦距为负的双凹球面透镜，所述第三透镜是焦距为正的双凸球面透镜，所述第二透镜和第三透镜通过光敏胶胶合在一起形成第一接合镜片；

所述第二透镜组包括从物方到像方依次放置的第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜，所述第四透镜是焦距为正的双凸非球面镜片，所述第六透镜和第八透镜均是焦距为正的双凸球面透镜，所述第五透镜、第七透镜、第九透镜和第十透镜均是焦距为负且凹面朝向像方的弯月形球面透镜，所述第五透镜和第六透镜通过光敏胶胶合在一起形成第二接合镜片，所述第七透镜和第八透镜通过光敏胶胶合在一起形成第三接合镜片。

2.根据权利要求1所述的一种超高清广角变焦光学系统，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜均为玻璃球面透镜，所述第四透镜为玻璃非球面透镜。

3.根据权利要求1或2所述的一种超高清广角变焦光学系统，其特征在于：所述第一透镜的非凹镜面与影像传感器的成像面的最大距离为53mm。

4.根据权利要求1或2所述的一种超高清广角变焦光学系统，其特征在于：所述第一透镜组相对影像传感器的移动范围为0～10.47mm，所述第二透镜组相对影像传感器的移动范围为0～6.60mm，所述固定光阑与影像传感器的距离为30.6mm。

5.根据权利要求1或2所述的一种超高清广角变焦光学系统，其特征在于：所述超高清广角变焦光学系统的焦距变化范围为4.5mm～11.5mm。

6.根据权利要求1或2所述的一种超高清广角变焦光学系统，其特征在于：所述超高清广角变焦光学系统的广角端光圈FNO为F1.65，所述超高清广角变焦光学系统的望远端光圈FNO为F2.8。