CN107422462A - 一种大光圈超高清日夜共焦光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大光圈超高清日夜共焦光学系统，属于光学系统技术领域，其包括沿光轴从物面到像面依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和感光芯片，所述第三透镜和第四透镜之间设置光阑，所述第一透镜、第三透镜和第六透镜为玻璃球面透镜，所述第二透镜、第四透镜和第五透镜为塑胶非球面透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的焦距依次为负、负、正、正、负、正。本发明光学系统不仅可以克服该种光学系统中镜片数多、大光圈下的分辨率不尽人意等不足，还可以缩小镜头体积，同时又可以降低生产成本。
Description
技术领域
本发明属于光学系统技术领域，尤其涉及一种大光圈超高清日夜共焦光学系统。
背景技术
随着科技的飞速发展和高感光芯片的出现，原有的视频监控已不能满足人们的期望，研制出在弱光条件下获得清晰明亮彩色画面的大光圈镜头成为一种新的追求。在监控中使用的大光圈学镜头中，虽然保证了大光圈的前提，却或多或少的存在着体积大、质量重、红外共焦效果不理想或是分辨率低等一些问题。为了使大光圈光学系统更符合市场需求，通常重点改善光学系统的某些不足，虽然有一些大光圈、红外共焦的光学系统崭露头角，却由于系统中使用的镜片数较多，使得大光圈的分辨率不尽人意。同时，也增加了成本和体积，不能满足市场的期望。
公开号为CN106154500A的专利公开了一种低成本大广角高清光学系统，沿光轴从物面到像面依次至少包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、以及第四透镜；第一透镜的物面侧为平面，像面侧为凹面，其光焦度为负；第二透镜的物面侧为凸面，像面侧为凸面，其光焦度为正；第三透镜的物面侧为平面，像面侧为凸面，其光焦度为正；第四透镜的物面侧为凹面，像面侧为凸面，其光焦度为负。该发明主要由4枚透镜构成，透镜枚数少，结构简单，较同规格产品，大大降低了成本；具有大广角、大光圈、日夜共焦等良好光学性能，且具有良好的高温成像效果，2M像素分辨率的优良性能。但是该光学系统中所用透镜均为玻璃材质，重量大，同时FNo.为2.0，且适应光谱范围很窄，不能很好地满足市场需求，分辨率有待进一步提高。
公开号为CN104849835A的专利公开了一种鱼眼监控光学系统，沿光轴从物面到像面依次至少包括：前透镜组和后透镜组，所述前透镜组包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、以及第四透镜；所述后透镜组包括第五透镜、第六透镜、第七透镜、以及第八透镜。其前透镜组和后透镜组总共8枚透镜，透镜枚数少，结构简单；具有大光圈、高分辨率、日夜共焦等优良性能。但是该光学系统所采用的透镜数量多，且8枚透镜均为玻璃材质，重量大，成本高，分辨率不高，不能很好地满足日夜共焦的需求。
公开号为CN106814442A的专利公开了一种光学镜头，包括第一透镜群及第二透镜群，第一透镜群位于放大侧与缩小侧之间，第一透镜群具有负屈亮度，包括第一透镜，第一透镜为塑料非球面、新月型透镜，具有负屈亮度和朝向放大侧的凸面，第二透镜群位于第一透镜群与缩小侧之间。第二透镜群具有正屈亮度，包括第二透镜、具有负屈亮度的第三透镜以及第四透镜，第二透镜、第三透镜以及第四透镜两两彼此之间具有空气间隔。光学镜头当中至少三个透镜的阿贝数大于20，至少一个透镜的材质为玻璃，至少一个透镜为球面透镜。该发明的光学镜头在成本低廉、小型化、薄型化、高解像力、大光圈、低畸变及日夜共焦的情况下，提供良好光学质量。该发明光学镜头存在分辨率低、色差大等不足，有待进一步提高。
发明内容
为了克服大光圈、日夜共焦光学系统中存在的不足，本发明将提供一种大光圈、日夜共焦光学系统，该光学系统不仅可以克服这种光学系统中镜片数多、大光圈下的分辨率不尽人意等不足，还可以缩小镜头体积，同时又可以降低生产成本。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种大光圈超高清日夜共焦光学系统，包括沿光轴从物面到像面依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和感光芯片，所述第三透镜和第四透镜之间设置光阑，所述第一透镜、第三透镜和第六透镜为玻璃球面透镜，所述第二透镜、第四透镜和第五透镜为塑胶非球面透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的焦距依次为负、负、正、正、负、正。
优选地，所述第一透镜的物面侧为凸面，像面侧为凹面；所述第二透镜的物面侧为凹面，像面侧为凸面；所述第三透镜的物面侧为凸面，像面侧为凹面；所述第四透镜为双凸透镜；所述第五透镜为双凹透镜；所述第六透镜为双凸透镜。
优选地，所述第一透镜为低色散透镜；所述第二透镜为低色散透镜；所述第三透镜为低色散透镜；所述第四透镜为低色散透镜；所述第五透镜为高色散透镜；第六透镜为低色散透镜。
优选地，所述第二透镜、第四透镜和第五透镜的非球面面型满足方程式：
，
其中：c为半径所对应的曲率，y为径向坐标，径向坐标的单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；
当k＜-1时，透镜的面形曲线为双曲线；
当k=-1时，透镜的面形曲线为抛物线；
当-1＜k＜0时，透镜的面形曲线为椭圆；
当k=0时，透镜的面形曲线为圆形；
当k＞0时，透镜的面形曲线为扁圆；
~分别表示各径向坐标所对应的系数。
优选地，所述第六透镜与感光芯片之间依次设置滤光片和感光芯片保护玻璃。
优选地，所述感光芯片的尺寸为1/2.7"，分辨率为400万~600万像素。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明通过上述技术方案，提供了一种大光圈、超高清的日夜共焦光学系统，该光学系统不仅克服了现有光学系统中镜片数多、大光圈下的分辨率不尽人意等不足，还可以缩小镜头体积，同时又可以降低生产成本。本发明光学系统中，第一透镜的物面侧为凸面，像面侧为凹面，且为球面透镜，第二透镜的物面侧为凹面，像面侧为凸面，且为非球面透镜，两者配合使用，不但有效解决了系统的色差等各种像差均衡问题，还可以减小后元件的外形尺寸；第三透镜是具有正光焦度的低色散玻璃透镜，第三透镜的像面侧为凹面，不仅能够增大系统的视场角，还能很好地控制系统中光线的走势，同时能够加大第三透镜与光阑之间的距离；第四透镜4是具有正光焦度的低色散塑料非球面透镜，利用光阑后且靠近光阑的透镜对温度敏感的特性、以及各透镜光焦度的合理分配，使整个系统在温度变化的情况下，光焦度有很小的变化量，从而有效地改善由温度变化引起的系统分辨率下降的问题；第五透镜为高色散塑料非球面，且与第四透镜之间的间隔较小，紧密配合，起到了胶合镜片矫正色差的效果，而且能够有效地解决光阑附近透镜偏心敏感的问题；第六透镜是具有正光焦度的低色散玻璃透镜，很好地控制了周边主光线入射到感光芯片的角度，提高周边照度，同时能均衡像差，为达到最佳像面提供可能；第一透镜、第三透镜和第六镜采用玻璃球面透镜，利用玻璃的稳定性，降低系统对温度的敏感度；第二透镜、第四透镜和第五透镜采用塑料非球面透镜，正负光焦度搭配使用，使透镜的各参数相互补偿，有效地改善了由温度变化引起的系统分辨率下降。
本发明大光圈超高清日夜共焦光学系统采用大光圈，FNO.为1.4，视场角可达到110°以上，同时还可保证超高分辨率。本发明大光圈超高清日夜共焦光学系统的可实现日夜共焦，可实现24小时监控。本发明大光圈超高清日夜共焦光学系统的采用温度补偿设计，能够在-40℃~+80℃的环境下工作，不离焦。本发明大光圈超高清日夜共焦光学系统采用玻塑组合的形式，不但保证了光学系统的性能，并且可以降低成本，简化结构，减轻重量，还有利于大批量生产，符合市场需求。本发明大光圈超高清日夜共焦光学系统在使用低色散材料的同时，还对光阑的位置进行了优化，将光阑设置在第三透镜和第四透镜之间，提高画面像质。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
图1：本发明大光圈超高清日夜共焦光学系统的结构示意图；
图2：本发明大光圈超高清日夜共焦光学系统的球差曲线图；
图3：本发明大光圈超高清日夜共焦光学系统的场曲及畸变曲线图；
图4：本发明大光圈超高清日夜共焦光学系统的色差曲线图；
图5：本发明大光圈超高清日夜共焦光学系统的MTF曲线图；
其中，1-第一透镜，2-第二透镜，3-第三透镜，4-第四透镜，5-第五透镜，6-第六透镜，7-感光芯片，8-光阑，9-滤光片，10-感光芯片保护玻璃。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。
参阅图1，一种大光圈超高清日夜共焦光学系统，由6枚玻璃和塑胶镜片混合构成，包括有沿光轴从物面到像面依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6和感光芯片7，第三透镜和第四透镜之间设置光阑8。
第一透镜1、第三透镜3和第六透镜6为球面透镜，材质为玻璃，第二透镜2、第四透镜4和第五透镜5为非球面透镜，材质为塑胶。
所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5和第六透镜6的焦距依次为负、负、正、正、负、正。
所述第一透镜1的物面侧为凸面，像面侧为凹面，为弯月透镜；所述第二透镜2的物面侧为凹面，像面侧为凸面，为弯月透镜；所述第三透镜3的物面侧为凸面，像面侧为凹面，为弯月透镜；所述第四透镜4为双凸透镜；所述第五透镜5为双凹透镜；所述第六透镜6为双凸透镜。
本发明光学系统中第一透镜1为低色散透镜；第二透镜2为低色散透镜；第三透镜3为低色散透镜；第四透镜4为低色散透镜；第五透镜5为高色散透镜；第六透镜为低色散透镜。
本发明光学系统中第二透镜2、第四透镜4和第五透镜5的非球面面型满足方程式：
，
其中：c为半径所对应的曲率，y为径向坐标，径向坐标的单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；
当k＜-1时，透镜的面形曲线为双曲线；
当k=-1时，透镜的面形曲线为抛物线；
当-1＜k＜0时，透镜的面形曲线为椭圆；
当k=0时，透镜的面形曲线为圆形；
当k＞0时，透镜的面形曲线为扁圆；
~分别表示各径向坐标所对应的系数。通过以上参数可以精确设定透镜前后两个非球面的形状尺寸。
在本发明光学系统中，第一透镜1是具有负光焦度的低色散、玻璃透镜，且其物面侧为凸面，从而不但可以为镜头导入大视场角的光线，还可以有效地控制轴向色差；同时，由于玻璃镜片相比塑料镜片而言，具有耐高温、耐腐蚀、耐划伤等特点，从而可以很好地保护镜头，是镜头在装配、运输、高温、低温、强光、风沙等因素下，不易损坏，从而达到延长使用寿命的作用。
第二透镜2和第五透镜5均采用两面为双曲线的非球面透镜，其圆锥二次曲线系数均满足k＜-1。其中，第二透镜2的的第一面即物面侧为凹面，不但可以使边缘光线和主光线具有较好的平行性，同时又确保了主光线对光轴的倾角，同时其第二面即像面侧为凸面，这样同样可以提高光学系统的视场角，还能够很好地矫正系统的场曲，同时可以提高像面中心和边缘的分辨率。
第一透镜1采用负弯月透镜，且为球面透镜，第二透镜2采用正弯月透镜，且为非球面透镜，两者配合使用，不但有效解决了系统的色差等各种像差均衡问题，还可以减小后元件的外形尺寸。
第三透镜3是具有正光焦度的低色散玻璃透镜，第三透镜3的像面侧为凹面，不仅能够增大系统的视场角，还能很好地控制系统中光线的走势，同时能够加大第三透镜3与光阑8之间的距离。
为了减小光线在各透镜之间折射时的角度变化，减小成像畸变，因此本发明在结构上尽可能地减小第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3之间的距离，同时尽可能地增大第三透镜3和第四透镜4之间的距离。
第四透镜4是具有正光焦度的低色散塑料非球面透镜，两面的面型均为扁圆形，其圆锥二次曲线系数均满足k＞0。利用光阑8后且靠近光阑8的透镜对温度敏感的特性、以及各透镜光焦度的合理分配，使整个系统在温度变化的情况下，光焦度有很小的变化量，从而有效地改善由温度变化引起的系统分辨率下降的问题。同时还能有效地控制镜头前端的有效口径和光学后焦，消除系统的高级像差和畸变像差。
另外，选择合适的镜片材质，同时科学的搭配透镜形状，以此来使镜头在高温或低温环境下，焦点的漂移距离极小，从而能够更加有效地解决由于温度变化引起的分辨率下降或者焦点漂移问题；同时这不但可以进一步减小光学系统在红外条件下与可见光条件下存在的焦点偏移量，提升红外解像力，还可以通过第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4三者面型的搭配，很好地校正系统的像散，提高系统的分辨率。
第五透镜5为高色散塑料非球面，且与第四透镜4之间的间隔较小，紧密配合，起到了胶合镜片矫正色差的效果，而且能够有效地解决光阑附近透镜偏心敏感的问题。
另外，高色散材料与低色散材料的配合使用，也能很好地矫正由红外光引起的二级光谱，优化轴向色差，使得镜头在白光和红外光条件下，均可以在像面上得到清晰的像，从而满足红外共焦的要求。
第六透镜6是具有正光焦度的低色散玻璃透镜，很好地控制了周边主光线入射到感光芯片的角度，提高周边照度，同时能均衡像差，为达到最佳像面提供可能。
本发明光学系统采用光阑8前后各设置三片透镜的对称形式，更好地保证了系统公差宽松，为生产提供优势。
为了使镜头在高温或低温时，达到低温漂移的要求，在设计时，第一透镜1、第三透镜3和第六镜6采用玻璃球面透镜，利用玻璃的稳定性，降低系统对温度的敏感度；第二透镜2、第四透镜4和第五透镜5采用塑料非球面透镜，正负光焦度搭配使用，使透镜的各参数相互补偿，有效地改善了由温度变化引起的系统分辨率下降。
其中：第一透镜1的焦距为-8~-6mm；第二透镜2的焦距为-40~-38mm；第三透镜3的焦距为10~12mm；第四透镜4的焦距为5~7mm；第五透镜5的焦距为-6~-4mm；第六透镜6的焦距为6~8mm。同时，第四透镜4和第五透镜5的组合焦距为256~258mm。
另外，本光学系统采用宽光谱设计，在400nm~700nm光谱范围内进行色差校正，不但使图像色彩亮丽和锐利，还具有很好的色彩还原性，使成像的效果更接近人眼直接观察的效果。同时，还校正了800nm~940nm的近红外光谱像差，实现红外共焦的效果。
由物面到像面，第六透镜6之后设有感光芯片7，该感光芯片的尺寸为1/2.7"，分辨率可以满足200~600万像素的不同要求。同时，在第六透镜6和感光芯片7之间，还装有滤光片9，不但可对感光芯片起到保护作用，同时可以滤掉所需波段外的杂光，从而提高像质。
此外，在设计时，已充分考虑了感光芯片7的感光芯片保护玻璃10所引入的像差，并在设计过程中加以矫正，从而提高镜头的品质。
下面，列举一个视场角为110°，分辨率为600万像素，机械总长为23.5mm以内，可在-40℃~+80℃的环境下正常工作的实际设计实施例：
表1系统数据
| 面编号 | 面类型 | 半径 | 半径 | 厚度 | 材料 | k |
| OBJ | 物面 | Infinity | Infinity | 4000 | 0 | |
| 1 | 球面 | 21.587 | 22.281 | 0.616 | H-ZK9B | 0 |
| 2 | 球面 | 4.245 | 3.586 | 3.495 | 0 | |
| 3 | 非球面 | -4.596 | -3.586 | 2.651 | K26R | -1.399 |
| 4 | 非球面 | -6.823 | -5.415 | 0.100 | -4.732 | |
| 5 | 球面 | 6.267 | 7.878 | 2.445 | H-ZLAF56B | 0 |
| 6 | 球面 | 78.935 | 77.303 | 2.400 | 0 | |
| STO | 光阑 | Infinity | Infinity | 0.154 | 0 | |
| 8 | 非球面 | 11.582 | 12.673 | 1.939 | K26R | 1.787 |
| 9 | 非球面 | -4.685 | -3.561 | 0.221 | 0.382 | |
| 10 | 非球面 | -3.368 | -2.485 | 0.839 | EP5000 | -5.046 |
| 11 | 非球面 | -10.498 | -11.389 | 0.100 | -113.309 | |
| 12 | 球面 | 11.164 | 10.055 | 2.950 | FCD515 | 0 |
| 13 | 球面 | -5.962 | -6.925 | 4.000 | 0 | |
| 14 | 球面 | Infinity | Infinity | 0.800 | H-K9L | 0 |
| 15 | 球面 | Infinity | Infinity | 0.677 | 0 | |
| IMA | 像面 | Infinity | Infinity | 0 |
表2非球面系数~
| 面编号 | |||||||
| 3 | 0 | 2.244e-03 | -9.593e-05 | 4.649e-06 | -2.531e-07 | 0.000 | 0 |
| 4 | 0 | -9.562e-04 | 1.027e-04 | -4.666e-06 | 3.907e-09 | 0.000 | 0 |
| 8 | 0 | 2.061e-03 | -1.942e-04 | -5.923e-05 | 8.728e-06 | -1.377e-06 | 0 |
| 9 | 0 | 1.400e-02 | -2.479e-03 | 3.533e-04 | -2.549e-05 | 1.046e-06 | 0 |
| 10 | 0 | -3.771e-03 | 8.201e-04 | -2.428e-04 | 4.088e-05 | -2.126e-06 | 0 |
| 11 | 0 | 9.284e-03 | -6.551e-04 | 6.108e-05 | -3.031e-06 | 1.451e-08 | 0 |
上述表1和表2中：
面编号1和2分别表示的是第一透镜1的第一面和第二面，第一透镜1的材质为H-ZK9B；
面编号3和4分别表示的是第二透镜2的第一面和第二面，第二透镜2的材质为K26R；
面编号5和6分别表示的是第三透镜3的第一面和第二面，第三透镜3的材质为H-ZLAF56B；
面编号8和9分别表示的是第四透镜4的第一面和第二面，第四透镜4的材质为K26R；
面编号10和11分别表示的是第五透镜5的第一面和第二面，第五透镜5的材质为EP5000；
面编号12和13分别表示的是第六透镜6的第一面和第二面，第六透镜6的材质为FCD515；
面编号14和15分别表示的是滤光片9的第一面和第二面，滤光片9的基底材质为H-K9L。
其中，所述第一面指朝向物面侧的一面，第二面指朝向像面的一面。
通过采用以上技术方案，图2给出了光学系统的球差曲线，可见在可见光宽光谱范围内球差小于0.05mm；图3给出了光学系统的场曲及畸变曲线，场曲极小，体现了像面平整；图4给出色差曲线，可见色差小于4um，有效克服了紫边现象；图5给出了MTF曲线，分辨率水平达到了600万像素，因此本光学系统的综合光学性能优异。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种大光圈超高清日夜共焦光学系统，其特征在于：包括沿光轴从物面到像面依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和感光芯片，所述第三透镜和第四透镜之间设置光阑，所述第一透镜、第三透镜和第六透镜为玻璃球面透镜，所述第二透镜、第四透镜和第五透镜为塑胶非球面透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的焦距依次为负、负、正、正、负、正。
2.根据权利要求1所述的大光圈超高清日夜共焦光学系统，其特征在于：所述第一透镜的物面侧为凸面，像面侧为凹面；所述第二透镜的物面侧为凹面，像面侧为凸面；所述第三透镜的物面侧为凸面，像面侧为凹面；所述第四透镜为双凸透镜；所述第五透镜为双凹透镜；所述第六透镜为双凸透镜。
3.根据权利要求2所述的大光圈超高清日夜共焦光学系统，其特征在于：所述第一透镜为低色散透镜；所述第二透镜为低色散透镜；所述第三透镜为低色散透镜；所述第四透镜为低色散透镜；所述第五透镜为高色散透镜；第六透镜为低色散透镜。
4.根据权利要求1~3任一项所述的大光圈超高清日夜共焦光学系统，其特征在于：所述第二透镜、第四透镜和第五透镜的非球面面型满足方程式：
，
其中：c为半径所对应的曲率，y为径向坐标，径向坐标的单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；
当k＜-1时，透镜的面形曲线为双曲线；
当k=-1时，透镜的面形曲线为抛物线；
当-1＜k＜0时，透镜的面形曲线为椭圆；
当k=0时，透镜的面形曲线为圆形；
当k＞0时，透镜的面形曲线为扁圆；
~分别表示各径向坐标所对应的系数。
5.根据权利要求1所述的大光圈超高清日夜共焦光学系统，其特征在于：所述第六透镜与感光芯片之间依次设置滤光片和感光芯片保护玻璃。
6.根据权利要求1所述的大光圈超高清日夜共焦光学系统，其特征在于：所述感光芯片的尺寸为1/2.7"，分辨率为400万~600万像素。
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