CN108646387A - 日夜两用监控镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学成像技术领域，提供一种日夜两用监控镜头，从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度且凹面朝向成像面的弯月型第一透镜、具有负光焦度且凸面朝向成像面的弯月型第二透镜、一光阑、具有负光焦度且双面均为凸面的第三透镜、具有正光焦度且双面均为凹面的第四透镜、具有正光焦度且双面均为凸面的第五透镜以及一滤光片组。其中，滤光片组包括可见光滤光片和红外光滤光片，第一透镜和第三透镜均为玻璃球面透镜，第二透镜、第四透镜和第五透镜均为塑胶非球面透镜。本发明中的日夜两用监控镜头，采用特殊玻塑混合结构设计，具有大视场角、成像质量好、可见光与近红外光共焦漂移的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其提供一种日夜两用监控镜头。
背景技术
门禁系统是安防监控系统的一个重要组成部分，最近几年随着生物识别技术、摄像技术的发展，门禁系统得到了飞跃式的发展，出现了指纹门禁系统、虹膜门禁系统、面部识别门禁系统等。目前，日夜两用监控镜头因为其视场角大、景深范围长，被广泛应用于门禁监控系统。
目前，市售的日夜两用监控镜头普遍存在体积大、靶面小、成本高、非日夜共用等缺陷。因此，亟需解决现有的日夜两用监控镜头存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种日夜两用监控镜头，旨在解决现有日夜两用监控镜头存在的视场角小、成像质量差以及可见光与近红外光焦面漂移的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：日夜两用监控镜头，从物侧到成像面依次包括：
具有负光焦度且凹面朝向成像面的弯月型第一透镜；
具有负光焦度且凸面朝向成像面的弯月型第二透镜；
一光阑；
具有负光焦度且双面均为凸面的第三透镜；
具有正光焦度且双面均为凹面的第四透镜；
具有正光焦度且双面均为凸面的第五透镜；
以及一滤光片组；
其中，所述滤光片组包括可见光滤光片和红外光滤光片，所述第一透镜和所述第三透镜均为玻璃球面透镜，所述第二透镜、所述第四透镜和所述第五透镜均为塑胶非球面透镜。
与现有技术相比，本发明的日夜两用监控镜头，其第二透镜、第四透镜和第五透镜片均采用塑胶非球面透镜，以及第一透镜和第三透镜均采用玻璃球面透镜，通过五片透镜的合理搭配，在保证高低温解像性能良好的情况下，最大限度的减轻镜头重量与缩短镜头尺寸，同时也降低了镜片加工成本。滤光片组包括可见光滤光片和红外光滤光片，可见光滤光片和红外光滤光片可切换使用，即白天使用可见光滤光片，晚上切换使用红外光滤光片。由于可见光与近红外光分别为昼与夜工作波段，通过不同滤光片可抑制非工作波段光透过，有效减少光学系统的色差和杂光，提升成像效果。光阑设置在第二透镜与第三透镜之间，光阑的作用在于精确调整通光量，为了在光线较暗的场景下拍到清晰的图片，需要较大的光通量镜头。光阑设置在此位置有利于控制到达像面的主光线入射角度，使其有效地控制在20±3度以内，更符合芯片的入射要求。
具体地，所述日夜两用监控镜头满足以下条件式：
1<TL/f/(h/2)<3；
其中，TL为所述日夜两用监控镜头的光学总长，f为所述日夜两用监控镜头的焦距，h/2为所述日夜两用监控镜头的半视场角对应的像高。
具体地，所述日夜两用监控镜头满足以下条件式：
其中，为所述日夜两用监控镜头的光焦度，为所述第一透镜和所述第二透镜的组合光焦度，为所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜的组合光焦度。
具体地，所述日夜两用监控镜头满足以下条件式：
30<|V4-V5|<60；
其中，V4为所述第四透镜的阿贝数，V5为所述第五透镜的阿贝数。
具体地，所述日夜两用监控镜头满足以下条件式：
(R10-R11)/|(R10+R11)|>3；
其中，R10为所述第五透镜物侧面顶点的曲率半径，R11为所述第五透镜像侧面顶点的曲率半径。
具体地，所述日夜两用监控镜头满足以下条件式：
|(dn/dt)4-(dn/dt)5|<30×10-6/℃；
其中，(dn/dt)4为所述第四透镜的温度折射率系数，(dn/dt)5为所述第五透镜材料的温度折射率系数。
具体地，所述日夜两用监控镜头满足以下条件式：
1<IH/θ<3；
其中，θ为所述日夜两用监控镜头的半视场角的弧度值，IH为所述日夜两用监控镜头的半视场角对应的像高。
具体地，所述日夜两用监控镜头满足以下条件式：
0.1<(CT3+CT5)/TL<0.3；
其中，CT3为所述第三透镜的中心厚度值，CT5为所述第五透镜的中心厚度值，TL为所述日夜两用监控镜头的光学总长。
具体地，所述日夜两用监控镜头满足以下条件式：
-5<f3/r7<0；
其中，f3为所述第三透镜的焦距，r7为所述第三透镜靠近像侧表面的曲率半径。
具体地，所述第一透镜的物侧表面镀有防水膜。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的日夜两用监控镜头的结构示意图；
图2a是本发明实施例一提供的日夜两用监控镜头的场曲曲线图；
图2b是本发明实施例一提供的日夜两用监控镜头的畸变曲线图；
图3是本发明实施例一提供的日夜两用监控镜头的轴上点球差示意图；
图4是本发明实施例一提供的日夜两用监控镜头在可见光谱的MTF曲线；
图5a是本发明实施例二提供的日夜两用监控镜头的场曲曲线图；
图5b是本发明实施例二提供的日夜两用监控镜头的畸变曲线图；
图6是本发明实施例二提供的日夜两用监控镜头的轴上点球差示意图；
图7是本发明实施例二提供的日夜两用监控镜头在可见光谱的MTF曲线；
图8a是本发明实施例三提供的日夜两用监控镜头的场曲曲线图；
图8b是本发明实施例三提供的日夜两用监控镜头的畸变曲线图；
图9是本发明实施例三提供的日夜两用监控镜头的轴上点球差示意图；
图10是本发明实施例三提供的日夜两用监控镜头在可见光谱的MTF曲线。
其中，图中各附图标记：
| 第一透镜 | L1 | 第二透镜 | L2 |
| 光阑 | ST | 第三透镜 | L3 |
| 第四透镜 | L4 | 第五透镜 | L5 |
| 滤光片组 | G1 | 盖玻璃 | G2 |
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，本发明实施例提供的日夜两用监控镜头的截面结构示意图，从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度且凹面朝向成像面的弯月型第一透镜L1；具有负光焦度且凸面朝向成像面的弯月型第二透镜L2；一光阑ST；具有负光焦度且双面均为凸面的第三透镜L3；具有正光焦度且双面均为凹面的第四透镜L4；具有正光焦度且双面均为凸面的第五透镜L5；以及一滤光片组G1；其中，滤光片组G1包括可见光滤光片和红外光滤光片，第一透镜L1和第三透镜L3均为玻璃球面透镜，第二透镜L2、第四透镜L4和第五透镜L5均为塑胶非球面透镜。其中，各个透镜的光学中心位于同一直线上，并且该日夜两用监控镜头的各个透镜表面均镀高透过率多层膜。
光阑ST设置于第二透镜L2与第三透镜L3之间，采用遮光纸做为光阑，其好处在于：一方面光阑ST置于第二透镜L2后，可以提高视场角并能更好的配合芯片的入射角度；另一方面采用遮光纸做为光阑，对镜筒通光孔要求降低，使成型难度下降，提高了生产率，降低了生产成本。
本发明实施例提供的日夜两用监控镜头，其第二透镜L2、第四透镜L4和第五透镜L5片均采用塑胶非球面透镜，以及第一透镜L1和第三透镜L3均采用玻璃球面透镜，通过五片透镜的合理搭配，在保证高低温解像性能良好的情况下，最大限度的减轻镜头重量与缩短镜头尺寸，同时也降低了镜片加工成本。滤光片组G1包括可见光滤光片和红外光滤光片，可见光滤光片和红外光滤光片可切换使用，即白天使用可见光滤光片，晚上切换使用红外光滤光片。由于可见光与近红外光分别为昼与夜工作波段，通过滤光片组G1可抑制非工作波段光透过，有效减少光学系统的色差和杂光，提升成像效果。光阑ST设置在第二透镜L2与第三透镜L3之间，光阑ST的作用在于精确调整通光量，为了在光线较暗的场景下拍到清晰的图片，需要较大的光通量镜头。光阑ST设置在第二透镜L2与第三透镜L3之间有利于控制到达像面的主光线入射角度，使其有效地控制在20±3度以内，更符合芯片的入射要求。
本发明实施例提供的日夜两用监控镜头具有以下的优点：
(1)本发明的日夜两用监控镜头通过玻璃透镜与塑胶材质非球面透镜合理搭配使用，使日夜两用监控镜头的高阶像差得到有效校正，且具有高低温度产生焦面漂移量小等优点；
(2)本发明的日夜两用监控镜头采用了两片玻璃透镜，第一透镜L1为折射率较高的玻璃透镜，能够达到快速收光、减小第一透镜L1后表面的面倾角度；第三透镜L3为玻璃透镜，能够有效减小色差，最大程度地减少紫边现象。
(3)本发明的日夜两用监控镜头为具有可见光与近红外光共焦的优点；
(4)本发明的日夜两用监控镜头视场角大，可达到185°以上；
(5)本发明的日夜两用监控镜头具有畸变小，靶面大等优点。
为限制镜头系统的总长，并确保系统具有足够好的成像品质，该日夜两用监控镜头满足以下条件式：
1<TL/f/(h/2)<3；
其中，TL为日夜两用监控镜头的光学总长，f为日夜两用监控镜头的焦距，h/2为日夜两用监控镜头的半视场角对应的像高。当TL/f/(h/2)的值超过上限时，镜头的整体总长过长，或者说如果整体缩短总长的情况下，像高会不足；当TL/f/(h/2)的值超过下限时，由于各透镜的光焦度过大，镜头像差矫正困难，解像能力显著下降。
为在良好的矫正像差的同时提供合适的镜头尺寸，该日夜两用监控镜头满足以下条件式：
其中，为日夜两用监控镜头的光焦度，为第一透镜L1和第二透镜L2的组合光焦度，光阑ST前的第一透镜L1和第二透镜L2组成前透镜群，前透镜群有效的将宽视场角物面光汇聚进入镜头内，且未产生较大像差。当的值超过上限时，前透镜群的光焦度过强，虽然能够使整个镜头总长变小，但其产生的球差过大，很难矫正；当的值超过下限时，前透镜群的光焦度减弱，球差相对减小，但其屈光能力下降导致系统总长加长。
为在良好的矫正像差的同时提供合适的镜头尺寸，该日夜两用监控镜头满足以下条件式：
其中，为日夜两用监控镜头的光焦度，表示第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5的组合光焦度。该组合光焦度与上述的前群形成呼应，有效的配合前透镜群，并合理去除像差。
为校正色差，该日夜两用监控镜头满足以下条件式：
30<|V4-V5|<60；
其中，V4为第四透镜L4的阿贝数，V5为第五透镜L5的阿贝数。当|V4-V5|的值超过下限时，色差的矫正不足；当|V4-V5|的值超过上限时，则材料选择困难。
为有效的矫正场曲和畸变，该日夜两用监控镜头满足以下条件式：
(R10-R11)/|(R10+R11)|>3；
其中，R10为第五透镜L5物侧面顶点的曲率半径，R11为第五透镜L5像侧面顶点的曲率半径。上述关系式定义了具有正光焦度的第五透镜L5的表面形状，当(R10-R11)/|(R10+R11)|的值超过上限时，其畸变会减小，但场曲矫正困难；当(R10-R11)/|(R10+R11)|的值超过下限时，其场曲会减小，但畸变矫正困难。
为了降低温度对镜头成像面离焦的影响，该日夜两用监控镜头满足以下条件式：
|(dn/dt)4-(dn/dt)5|<30×10-6/℃；
其中，(dn/dt)4为第四透镜L4材料的温度折射率系数，(dn/dt)5为第五透镜L5材料的温度折射率系数。当|(dn/dt)4-(dn/dt)5|的值超过限定范围时，镜头在高低温变化时最佳焦面变化较大，无法满足实际使用要求。
为了限定拍摄物体的视场角与成像面大小的关系，并确保镜头加工成本与成像质量的合理性，该日夜两用监控镜头满足以下条件式：
1<IH/θ<3；
其中，θ为日夜两用监控镜头的半视场角的弧度值，IH为日夜两用监控镜头的半视场角对应的像高。当IH/θ的值低于下限时，像差校正过于困难，需要适当的增加镜片个数；当IH/θ的值超过上限时，像差校正良好，但考虑到降低镜头的成本及尺寸，可以适当的减少镜片数以降低生产成本。
为了使本发明镜头小型化、轻量化，该日夜两用监控镜头满足以下条件式：
0.1<(CT3+CT5)/TL<0.3；
其中，CT3为第三透镜L3的中心厚度值，CT5为第五透镜L5的中心厚度值，TL为日夜两用监控镜头的光学总长。当(CT3+CT5)/TL的值低于下限时，镜片的中心厚度以及边缘厚度过薄，会增加镜头加工与装配时的难度，以及无法保证镜头在实际跌落实验的可靠性；当(CT3+CT5)/TL的值超过上限时，镜片中心厚度以及边缘厚度过厚，难以保证小体积镜头的良好解像能力。
为了限定第三透镜L3的形状，以及保证镜头良好的解像能力、鬼影，该日夜两用监控镜头满足以下条件式：
-5<f3/r7<0；
其中，f3为第三透镜L3的焦距，r7为第三透镜L3靠近像侧表面的曲率半径，当f3/r7的值低于下限时，难以保证镜头的解像能力；当f3/r7的值超过上限时，镜头会有较为严重的鬼影现象。
进一步地，第一透镜L1的物侧表面镀有防水膜。在第一透镜L1的物侧表面镀有防水膜，可以保护光学镜头在使用过程中防刮擦以及降低恶劣环境变化的影响。
进一步地，该日夜两用监控镜头中的非球面透镜的表面形状均满足下列方程：
其中，z为曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c为曲面顶点的曲率，K为二次曲面系数，h为光轴到曲面的距离，B、C、D、E和F分别为四阶、六阶、八阶、十阶和十二阶曲面系数。
滤光片组G1包括可见光滤光片和红外光滤光片，可见光滤光片和红外光滤光片可切换使用，即白天使用可见光滤光片，晚上切换使用红外光滤光片。当选用红外光滤光片时，具体可选用红外光850nm滤光片。可以理解的，在本实施例当中，以厚度为0.3mm的滤光片为例，但可以理解的，滤光片组G1的厚度不仅于此，同时，可见光滤光片与红外光滤光片的厚度可以相同，也可不同。
在本发明的所有实施例中，日夜两用监控镜头的截面结构如图1所示，在以下各个实施例中，日夜两用监控镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径、材料选择部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。
实施例一
请参阅表1，所示为本发明实施例一提供的日夜两用监控镜头的各个透镜的相关参数，其中可见光与红外光850nm滤光片组G1选用厚度为0.3mm，盖玻璃G2厚度为0.4mm。
表1
请参阅表2，所示为本发明实施例一提供的日夜两用监控镜头的各非球面透镜的球面参数。
表2
| 表面序号 | K | B | C | D | E | F |
| S3 | -1.70E+01 | -3.05E-02 | 1.50E-03 | -1.09E-03 | 5.11E-04 | -3.11E-05 |
| S4 | -1.69E-01 | -4.33E-03 | 2.43E-04 | 5.32E-04 | 1.08E-04 | -2.01E-05 |
| S8 | 3.16E+01 | -9.47E-02 | 5.06E-02 | -1.89E-02 | 4.25E-03 | -3.28E-04 |
| S9 | -7.92E+00 | -1.63E-02 | 1.14E-02 | -3.66E-03 | 6.55E-04 | -4.88E-05 |
| S10 | -5.21E-01 | -1.66E-02 | 3.77E-03 | -5.19E-04 | 3.31E-05 | -3.86E-07 |
| S11 | -8.46E-01 | -1.31E-04 | 3.25E-04 | 9.98E-05 | 1.91E-05 | -3.56E-06 |
请参阅图2a、图2b及图3，所示为本发明实施例一提供的日夜两用监控镜头的场曲、畸变和轴上点球差色差曲线，从图中可以看出，其场曲、畸变和轴上点球差色差都被良好矫正。如图4所示为本发明实施例一提供的日夜两用监控镜头在可见光波段的MTF曲线，体现出该镜头良好的分辨率及解像能力。
实施例二
请参阅表3，所示为本发明实施例二提供的日夜两用监控镜头的各个透镜的相关参数。
表3
请参阅表4，所示为本发明实施例二提供的日夜两用监控镜头的各非球面透镜的球面参数。
表4
| 表面序号 | K | B | C | D | E | F |
| S3 | -5.77E+01 | -3.39E-02 | 8.31E-03 | -3.12E-03 | 7.03E-04 | -3.30E-05 |
| S4 | -1.99E+00 | -1.73E-03 | -1.07E-04 | 1.33E-03 | 7.71E-05 | -2.50E-06 |
| S8 | 2.64E+00 | -5.68E-02 | 3.23E-02 | -1.47E-02 | 3.58E-03 | -3.08E-04 |
| S9 | -8.06E+00 | -6.09E-03 | 8.73E-03 | -4.20E-03 | 8.18E-04 | -5.53E-05 |
| S10 | -7.78E+00 | -5.66E-03 | 6.68E-03 | -1.92E-03 | 3.09E-04 | -3.08E-05 |
| S11 | -1.50E+00 | 3.17E-03 | -1.26E-04 | 5.56E-04 | 3.56E-05 | -1.79E-05 |
请参阅图5a、图5b及图6，所示为本发明实施例二提供的日夜两用监控镜头的场曲、畸变和轴上点球差色差曲线，从图中可以看出，其场曲、畸变和轴上点球差色差都被良好矫正。如图7所示为本发明实施例二提供的日夜两用监控镜头在可见光波段的MTF曲线，体现出镜头良好的分辨率及解像能力。
实施例三
请参阅表5，所示为本发明实施例三提供的日夜两用监控镜头的各个透镜的相关参数。
表5
请参阅表6，所示为本发明实施例三提供的日夜两用监控镜头的各非球面透镜的球面参数。
表6
| 表面序号 | K | B | C | D | E | F |
| S3 | -4.68E+01 | -3.45E-02 | 7.94E-03 | -3.03E-03 | 7.20E-04 | -2.96E-05 |
| S4 | -2.07E+00 | -2.43E-03 | 2.58E-04 | 1.18E-03 | 1.86E-04 | -2.26E-05 |
| S8 | -3.79E+00 | -6.81E-02 | 3.59E-02 | -1.62E-02 | 3.88E-03 | -3.19E-04 |
| S9 | -7.99E+00 | -7.42E-03 | 9.39E-03 | -4.44E-03 | 8.41E-04 | -5.39E-05 |
| S10 | -8.15E+00 | -6.05E-03 | 7.45E-03 | -2.32E-03 | 4.13E-04 | -4.30E-05 |
| S11 | -1.33E+00 | 2.78E-03 | 1.73E-04 | 3.53E-04 | 1.07E-04 | -2.56E-05 |
请参阅图8a、图8b及图9，所示为本发明实施例三提供的日夜两用监控镜头的场曲、畸变和轴上点球差色差曲线，从图中可以看出，其场曲、畸变和轴上点球差色差都被良好矫正。如图10所示为本发明实施例三提供的日夜两用监控镜头在可见光波段的MTF曲线，体现出镜头良好的分辨率及解像能力。
请参阅表7，所述为上述3个实施例当中各实施例对应的光学特性，包括该日夜两用监控镜头的系统焦距f、光圈数F#、系统总长TL和视场角2θ，同时还包括上述条件式中对应的相关数值。
表7
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种日夜两用监控镜头，其特征在于，所述日夜两用监控镜头从物侧到成像面依次包括：
具有负光焦度且凹面朝向成像面的弯月型第一透镜；
具有负光焦度且凸面朝向成像面的弯月型第二透镜；
一光阑；
具有负光焦度且双面均为凸面的第三透镜；
具有正光焦度且双面均为凹面的第四透镜；
具有正光焦度且双面均为凸面的第五透镜；
以及一滤光片组；
其中，所述滤光片组包括可见光滤光片和红外光滤光片，所述第一透镜和所述第三透镜均为玻璃球面透镜，所述第二透镜、所述第四透镜和所述第五透镜均为塑胶非球面透镜。
2.根据权利要求1所述的日夜两用监控镜头，其特征在于，所述日夜两用监控镜头满足以下条件式：
1<TL/f/(h/2)<3；
其中，TL为所述日夜两用监控镜头的光学总长，f为所述日夜两用监控镜头的焦距，h/2为所述日夜两用监控镜头的半视场角对应的像高。
3.根据权利要求1所述的日夜两用监控镜头，其特征在于，所述日夜两用监控镜头满足以下条件式：
其中，为所述日夜两用监控镜头的光焦度，为所述第一透镜和所述第二透镜的组合光焦度，为所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜的组合光焦度。
4.根据权利要求1所述的日夜两用监控镜头，其特征在于，所述日夜两用监控镜头满足以下条件式：
30<|V4-V5|<60；
其中，V4为所述第四透镜的阿贝数，V5为所述第五透镜的阿贝数。
5.根据权利要求1所述的日夜两用监控镜头，其特征在于，所述日夜两用监控镜头满足以下条件式：
(R10-R11)/|(R10+R11)|>3；
其中，R10为所述第五透镜物侧面顶点的曲率半径，R11为所述第五透镜像侧面顶点的曲率半径。
6.根据权利要求1所述的日夜两用监控镜头，其特征在于，所述日夜两用监控镜头满足以下条件式：
|(dn/dt)4-(dn/dt)5|<30×10-6/℃；
其中，(dn/dt)4为所述第四透镜的温度折射率系数，(dn/dt)5为所述第五透镜材料的温度折射率系数。
7.根据权利要求1所述的日夜两用监控镜头，其特征在于，所述日夜两用监控镜头满足以下条件式：
1<IH/θ<3；
其中，θ为所述日夜两用监控镜头的半视场角的弧度值，IH为所述日夜两用监控镜头的半视场角对应的像高。
8.根据权利要求1所述的日夜两用监控镜头，其特征在于，所述日夜两用监控镜头满足以下条件式：
0.1<(CT3+CT5)/TL<0.3；
其中，CT3为所述第三透镜的中心厚度值，CT5为所述第五透镜的中心厚度值，TL为所述日夜两用监控镜头的光学总长。
9.根据权利要求1所述的日夜两用监控镜头，其特征在于，所述日夜两用监控镜头满足以下条件式：
-5<f3/r7<0；
其中，f3为所述第三透镜的焦距，r7为所述第三透镜靠近像侧表面的曲率半径。
10.根据权利要求1所述的日夜两用监控镜头，其特征在于，所述第一透镜的物侧表面镀有防水膜。
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