CN108594409A - 高分辨率、大像面、低成本、无杂光的变焦光学系统 - Google Patents

高分辨率、大像面、低成本、无杂光的变焦光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高分辨率、大像面、低成本、无杂光的变焦光学系统，从物侧至像侧依次设有：焦距为正的第一透镜群、焦距为负第二透镜群、可变光阑、焦距为正的第三透镜群、焦距为正的第四透镜群和感光芯片；第一透镜群、可变光阑和第三透镜群相对感光芯片固定，第二透镜群和第四透镜群可相对感光芯片前后移动；光学系统从短焦距向长焦距变化过程中，第二透镜群逐渐向第三透镜群移动，第四透镜群相对感光芯片移动时实现对焦的效果；第三透镜群的前端和后端的透镜，以及第四透镜群后端的透镜均为非球面透镜；在本方案中，其非球面透镜的设置能够矫正像差与场曲，从而使得变焦光学系统获得较高的成像质量。

Description

高分辨率、大像面、低成本、无杂光的变焦光学系统
技术领域
本发明涉及光学镜头技术领域，特别是涉及一种高分辨率、大像面、低成本、无杂光的变焦光学系统。
背景技术
目前变焦镜头广泛应用到人们的日常生活中，当前市场往高分辨率和高像质的方向发展，为了获得更好的成像品质，使用像素点更大，像素点更多的芯片是解决问题的根本途径之一，但是目前的安防监控、路况监控装置存在如下缺点：
普通的变焦镜头往往无法做到大像面与体积兼容，像面增大同时会引起镜头体积的急剧变化，目前市场上的大画面的监控镜头，如1″左右的镜头，像面大小达到16.0mm的，其体积比较大，而且多是定焦镜头，在监控距离发生变化时难以控制；
目前主流的市面上的高像质的监控镜头分辨率较低，多为1080p，像素点数200万的，然而随着数据传输速度的提升，更高像质的画面传输成为可能，200万像素已经不能满足需求；目前主流的1080P的镜头像面主要是1/2.8″的，使用有效成像面对角线6.2mm的1/2.8″的CMOS的芯片，其像素点大小仅有2.8μm，分辨率不是很高；而且由于像素点很小，其感光性及色彩还原等性能都不是很理想，急需性能改进；
目前市场上的监控镜头，多为非红外共焦镜头，因此在光学波长段较多的场合如傍晚，或晚上有部分灯光照明时，拍摄的画面无法整体清晰，总会有部分模糊；
目前市场上的监控镜头，很少通过光学结构去消除镜头的杂散光，在强光源或晴天时候，镜头杂光现象严重，使镜头实际成像效果较差；
目前市场上的监控镜头，使用非球面玻璃镜片较少注意成本问题，通常口径都大于20mm，由于加工精度问题，口径大于20mm的玻璃非球面成本通常较高。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种变焦光学系统，以达到高分辨率、小体积、大像面、低成本、无杂光且红外共焦的效果。
一种高分辨率、大像面、低成本、无杂光的变焦光学系统，从物侧至像侧依次设有：
焦距为正的第一透镜群、焦距为负第二透镜群、可变光阑、焦距为正的第三透镜群、焦距为正的第四透镜群和感光芯片；
第一透镜群、可变光阑和第三透镜群相对感光芯片固定，第二透镜群和第四透镜群可相对感光芯片前后移动；光学系统从短焦距向长焦距变化过程中，第二透镜群逐渐向第三透镜群移动，第四透镜群相对感光芯片移动时实现对焦的效果；
第三透镜群的前端和后端的透镜，以及第四透镜群后端的透镜均为非球面透镜。
在其中一个实施例中，第三透镜群从物侧至像侧依次设有焦距为负的第七透镜、焦距为正的第八透镜、焦距为正的第九透镜和焦距为负的第十透镜；所述第八透镜和第九透镜的阿贝数大于或等于50，第七透镜和第十透镜均为非球面透镜。
在其中一个实施例中，第四透镜群从物侧至像侧依次设有焦距为正的第十一透镜、焦距为负的第十二透镜和焦距为正的第十三透镜；第十一透镜和第十二透镜为胶合透镜，第十三透镜为非球面透镜。
在其中一个实施例中，所述第十三透镜的像侧面的半径绝对值大于或等于90mm。
在其中一个实施例中，所述非球面透镜的口径小于或等于19mm。
在其中一个实施例中，所述非球面透镜为玻璃非球面透镜。
在其中一个实施例中，第二透镜群从物侧至像侧依次设有焦距为负的第四透镜、焦距为负的第五透镜和焦距为正的第六透镜；第四透镜的折射率大于或等于1.6，阿贝数小于或等于50。
在其中一个实施例中，第一透镜群从物侧面至像侧面依次设有焦距为负的第一透镜、焦距为正的第二透镜和焦距为正的第三透镜；第一透镜和第二透镜为胶合透镜。
在其中一个实施例中，第一透镜群与第三透镜群之间的间隔距离为37.36mm，第二透镜群与第三透镜群之间的间隔距离为2.0mm～23.5mm，第三透镜群与第四透镜群之间的间隔距离为0.9mm～7.5mm，第四透镜群与感光芯片之间的距离为16.7mm～23mm。
本发明与现有技术相比，至少具有以下优点：
1、本发明的变焦光学系统使用了含3枚非球面玻璃透镜在内的13枚透镜，在较少数量的情况下获得较高的品质，而且体积较小，镜头的透过率也较高；
2、镜头FNO＝EFL/D，EFL为焦距，D为光圈直径；对于成像镜头，光圈直径越大,通光量就越大；在一般环境下由于传感器会自动调整曝光值,此时就比较不出FNO数值不同镜头的好坏，但在低照度的环境条件下，传感器曝光已经到极限，因此FNO数值小的镜头比较佳的表现；本发明的变焦光学系统使用可变光阑，而且在近焦端FNO.达到1.6，在长焦端FNO达到2.4，有极高的感光性能，在调节光圈变化的情况下，适合多种照明状况下使用，还可以调节清晰度，提高镜头效果；
3、本发明的变焦光学系统使用玻璃非球面透镜，未使用塑料非球面透镜，因此温度变化对镜头的性能影响很小，在多种环境下均可使用；
4、本发明的变焦光学系统使用了4个透镜群，且4个透镜群之间的间隔是变化的，前3个透镜群之间的间隔的变化使镜头的焦距发生变化，第4个透镜群用于实现对焦功能，镜头在短焦焦距达到12mm，长焦焦距大于40mm；
5、本发明的整个镜头以第一透镜群为最高点，且第一透镜群与感光芯片之间的距离是不发生变化的，其长度小于110mm，在使用1″CCD的镜头中，体积较小；
6、本发明能够实现高于1200万像素的分辨率，以16.05mm的1″的CCD为例，本发明可以达到中心分辨率高于180lp/mm、周边0.7H(70％对角线位置)分辨率高于1800tvline的效果；
7、本发明的变焦光学系统利用第四透镜群实现AF自动对焦功能，从最远的无穷远到最近的1500mm微距都能够成清晰的影像，成像效果好；
8、本发明的镜头实现了全程红外共焦，在可见光波长段430nm-650nm和红外灯波长段830nm-870nm可以同时达到清晰，因此在多种波段存在的条件下使画面整体都清晰；
9、本发明中玻璃非球面镜片口径都小于19mm，成本低，易于向市场推广。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下结合图1进行进一步说明：
一种高分辨率、大像面、低成本、无杂光的变焦光学系统，从物侧至像侧依次设有：
焦距为正的第一透镜群1、焦距为负第二透镜群2、可变光阑6、焦距为正的第三透镜群3、焦距为正的第四透镜群4和感光芯片5；
第一透镜群1、可变光阑6和第三透镜群3相对感光芯片5固定，第二透镜群2和第四透镜群4可相对感光芯片5前后移动，光学系统从短焦距向长焦距变化过程中，第二透镜群2逐渐向第三透镜群3移动，第四透镜群4相对感光芯片5移动时实现对焦的效果；
第三透镜群3的前端和后端的透镜均为非球面透镜，可以校正像差，使光学系统获得高的成像质量；
第四透镜群后端的透镜为非球面透镜，可以校正场曲；
其中，上述的非球面透镜的表面形状满足以下关系式：
式中，参数c为半径所对应的曲率，r为径向坐标，其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数，当k系数小于-1时面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时为抛物线，当k系数介于-1到0之间时为椭圆，当k系数等于0时为圆形，当k系数大于0时为扁圆形，α1至α8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非球面透镜的形状尺寸。
在其中一个实施例中，第三透镜群3从物侧至像侧依次设有焦距为负的第七透镜301、焦距为正的第八透镜302、焦距为正的第九透镜303和焦距为负的第十透镜304；所述第八透镜302和第九透镜303的阿贝数较高，均大于或等于50，第七透镜301和第十透镜304均为非球面透镜，在四枚透镜的共同作用下，可以有效减少畸变，同时也能校正色差，达到红外光与可见光具有共焦的效果。
在其中一个实施例中，第四透镜群4从物侧至像侧依次设有焦距为正的第十一透镜401、焦距为负的第十二透镜402和焦距为正的第十三透镜403；第十一透镜401和第十二透镜402为胶合透镜，可起到对焦的效果，且第十三透镜为非球面透镜，第四透镜群各枚透镜焦距的正负组合结构，可以有效减少变焦过程中光学系统的像差变化。
在其中一个实施例中，所述第十三透镜403的像侧面接近平面，其半径绝对值大于或等于90mm，消除了镜头出现杂光的可能性，极大提升了成像效果。
在其中一个实施例中，所述非球面透镜的口径小于或等于19mm，成本低，易于向市场推广。
在其中一个实施例中，所述非球面透镜为玻璃非球面透镜，未使用塑料非球面透镜，因此温度变化对镜头的性能影响很小，在多种环境下均可使用。
在其中一个实施例中，第二透镜群2从物侧至像侧依次设有焦距为负的第四透镜201、焦距为负的第五透镜202和焦距为正的第六透镜203；第四透镜201为高折射率、高色散材料制成的透镜，其折射率大于或等于1.6，阿贝数小于或等于50了，可以有效矫正光学系统在短焦端的畸变，同时能够大幅提高短焦状态下的分辨率。
在其中一个实施例中，第一透镜101的焦距为负，第二透镜102的焦距为正，第三透镜103的焦距为正；第一透镜101和第二透镜102为胶合透镜。
在其中一个实施例中，第一透镜群1与第三透镜群3之间的间隔距离为37.36mm，第二透镜群2与第三透镜群3之间的间隔距离为2.0mm～23.5mm，第三透镜群3与第四透镜群4之间的间隔距离为0.9mm～7.5mm，第四透镜群4与感光芯片5之间的距离为16.7mm～23mm。
如表1所示，为本发明的一个实际设计案例：
面 类型 半径 厚度 材料 K值
101a 球面 82.217 1.200 ZF7L 0.000
101b/102a 球面 42.143 8.496 HZPK5 0.000
102b 球面 431.601 0.080 0.000
103a 球面 40.313 6.157 HLAK53A 0.000
103b 球面 140.859 0.900 0.000
201a 球面 207.486 0.700 HLAF50 0.000
201b 球面 12.350 7.029 0.000
202a 球面 -45.163 1.200 HZPK3 0.000
202b 球面 22.146 0.001 0.000
203a 球面 19.711 3.171 HZLAF90 0.000
203b 球面 65.661 23.700 0.000
6 球面 infinity 1.000 0.000
301a 非球面 -56.340 1.540 M-BACD15 -1.053
301b 非球面 34.124 0.694 -8.809
302a 球面 75.975 5.439 H-QK3L 0.000
302b 球面 -11.422 2.248 0.000
303a 球面 -510.926 4.831 H-QK3L 0.000
303b 球面 -14.946 0.020 0.000
304a 非球面 -78.265 1.200 M-BACD15 28.707
304b 非球面 51.653 7.048 -11.531
401a 球面 16.877 8.711 FCD505 0.000
401b/402a 球面 -33.032 1.573 BAF7 0.000
402b 球面 14.562 2.857 0.000
403a 非球面 20.399 3.022 MFCD500 -5.333
403b 非球面 -196.836 2.700 -0.809
保护玻璃 球面 infinity 0.450 H-K9L 0.000
保护玻璃 球面 infinity 0.900 H-K9L 0.000
5 球面 infinity 1.300 0.000
5 球面 infinity 0.000 0.000
表1
如表2所示，为本发明一个实际设计案例中各个非球面透镜的非球面系数：
表2

Claims (9)

1.一种高分辨率、大像面、低成本、无杂光的变焦光学系统，其特征在于：从物侧至像侧依次设有：
焦距为正的第一透镜群(1)、焦距为负第二透镜群(2)、可变光阑(6)、焦距为正的第三透镜群(3)、焦距为正的第四透镜群(4)和感光芯片(5)；
第一透镜群(1)、可变光阑(6)和第三透镜群(3)相对感光芯片(5)固定，第二透镜群(2)和第四透镜群(4)可相对感光芯片(5)前后移动；光学系统从短焦距向长焦距变化过程中，第二透镜群(2)逐渐向第三透镜群(3)移动，第四透镜群(4)相对感光芯片(5)移动时实现对焦的效果；
第三透镜群(3)的前端和后端的透镜，以及第四透镜群后端的透镜均为非球面透镜。
2.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、低成本、无杂光的变焦光学系统，其特征在于：第三透镜群(3)从物侧至像侧依次设有焦距为负的第七透镜(301)、焦距为正的第八透镜(302)、焦距为正的第九透镜(303)和焦距为负的第十透镜(304)；所述第八透镜(302)和第九透镜(303)的阿贝数大于或等于50，第七透镜(301)和第十透镜(304)均为非球面透镜。
3.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、低成本、无杂光的变焦光学系统，其特征在于：第四透镜群(4)从物侧至像侧依次设有焦距为正的第十一透镜(401)、焦距为负的第十二透镜(402)和焦距为正的第十三透镜(403)；第十一透镜(401)和第十二透镜(402)为胶合透镜，第十三透镜(403)为非球面透镜。
4.根据权利要求3所述的高分辨率、大像面、低成本、无杂光的变焦光学系统，其特征在于：所述第十三透镜(403)的像侧面的半径绝对值大于或等于90mm。
5.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、低成本、无杂光的变焦光学系统，其特征在于：所述非球面透镜的口径小于或等于19mm。
6.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、低成本、无杂光的变焦光学系统，其特征在于：所述非球面透镜为玻璃非球面透镜。
7.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、低成本、无杂光的变焦光学系统，其特征在于：第二透镜群(2)从物侧至像侧依次设有焦距为负的第四透镜(201)、焦距为负的第五透镜(202)和焦距为正的第六透镜(203)；第四透镜(201)的折射率大于或等于1.6，阿贝数小于或等于50。
8.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、低成本、无杂光的变焦光学系统，其特征在于：第一透镜群(1)从物侧面至像侧面依次设有焦距为负的第一透镜(101)、焦距为正的第二透镜(102)和焦距为正的第三透镜(103)；第一透镜(101)和第二透镜(102)为胶合透镜。
9.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、低成本、无杂光的变焦光学系统，其特征在于：第一透镜群(1)与第三透镜群(3)之间的间隔距离为37.36mm，第二透镜群(2)与第三透镜群(3)之间的间隔距离为2.0mm～23.5mm，第三透镜群(3)与第四透镜群(4)之间的间隔距离为0.9mm～7.5mm，第四透镜群(4)与感光芯片(5)之间的距离为16.7mm～23mm。
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