CN109581638A - 一种高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统，其特征在于其包括有将光线转变为电信号的感光芯片，在所述的感光芯片的一侧设有能相对感光芯片固定的第一透镜群、第三透镜群和第五透镜群，在第三透镜群与第五透镜群之间设置有能相对感光芯片移动的第四透镜群，在第一透镜群与第三透镜群之间设置有第二透镜群，第一透镜群的焦距为正、第三透镜群的焦距为正、第四透镜群的焦距为正，第二透镜群和第五透镜群的焦距为负，在第二透镜群与第三透镜群之间设有控制进入镜头光束量的光阑。本发明镜头的透过率较高，在多种环境下均可使用，成像效果好，在多种波段存在的条件下使画面整体都清晰。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种变焦光学系统，尤其涉及一种应用于监控系统的高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统。
【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：
1.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，如芯片1.7″左右的镜头，像面大小达到9.5mm的，多是定焦镜头，在监控距离发生变化时难以控制，且长度较长，通常大于70mm；
2.分辨率低，目前主流的市面上的高像质的监控镜头，分辨率多是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；
3.目前市场上的监控镜头，基本在不同焦距下镜头光学畸变变化较大，不利于实现当前逐渐普及的人脸识别，车牌识别等人工智能相关领域；
4.目前市场上的监控镜头，基本是非红外共焦镜头，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。
【发明内容】
本发明目的是克服了现有技术中的不足而提供了一种体积较小，镜头的透过率较高，在多种环境下均可使用，成像效果好，在多种波段存在的条件下使画面整体都清晰，高分辨率、小畸变、小体积、大像面的红外共焦变焦光学系统。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述方案：
一种高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统，其特征在于其包括有将光线转变为电信号的感光芯片6，在所述的感光芯片6的一侧设有能相对感光芯片6固定的第一透镜群1、第三透镜群 3和第五透镜群5，在第三透镜群3与第五透镜群5之间设置有能相对感光芯片6移动的第四透镜群4，在第一透镜群1与第三透镜群3 之间设置有能相对感光芯片6移动、并在光学系统从短焦距向长焦距的变化过程中逐渐向第三透镜群3移动的第二透镜群2，所述的第一透镜群1的焦距为正、第三透镜群3的焦距为正、第四透镜群4的焦距为正，所述的第二透镜群2、第五透镜群5的焦距为负，在第二透镜群2与第三透镜群3之间设有控制进入镜头光束量的光阑7，所述第三透镜群3的设有一枚用于校正像差的第三透镜群非球面镜片301；所述第四透镜群中的第一枚为用于矫正场曲的第四透镜群非球面镜片401，所述第五透镜群5包括第五透镜群第一枚镜片501和第五透镜群非球面镜片502，第五透镜群第一枚镜片501焦距为正，第五透镜群非球面镜片502排第二枚为用于矫正场曲的非球面镜片，第五透镜群非球面镜片502焦距为负。
如上所述的一种高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统，其特征在于所述第三透镜群3上的第三透镜群非球面镜片301 为玻璃非球面镜片。
如上所述的一种高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统，其特征在于所述第三透镜群非球面镜片301、第四透镜群非球面镜片401和第五透镜群非球面镜片502其非球面表面形状满足以下方程：
在此公式中，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，等于0时为圆形，大于0时为扁圆形，α1至α 8分别表示各径向坐标所对应的系数。
如上所述的一种高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统，其特征在于所述第一透镜群1由第一透镜群第一枚镜片101，第一透镜群第二枚镜片102和第一透镜群第三枚镜片103三枚镜片组成，其中第一透镜群第一枚镜片101的焦距为负，第一透镜群第二枚镜片102焦距为正，第一透镜群第三枚镜片103焦距为正。
如上所述的一种高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统，其特征在于所述第二透镜群2包括有焦距为负、高折射率且高色散的材料制成的第一枚镜片201，焦距为负的第二枚非球面镜片镜片202，焦距为正的第三枚镜片203。
如上所述的一种高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统，其特征在于所述第三透镜群3还包括第三透镜群正焦距镜片 302和第三透镜群负焦距透镜303。
如上所述的一种高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统，其特征在于第四透镜群4还包括第四透镜群第二枚镜片402和第四透镜群第三枚镜片403，第四透镜群非球面镜片401焦距为正，是非球面玻璃镜片，第四透镜群第二枚镜片402焦距为正，第四透镜群第三枚镜片403镜片焦距为负，且第四透镜群第二枚镜片402和第四透镜群第三枚镜片403组成为胶合镜片。
本发明的有益效果是：
1、本发明的变焦镜头使用了含3枚非球面玻璃镜片在内14枚镜片，在较少镜片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、本发明的变焦镜头使用可变光阑，而且在近焦端FNO.达到 1.6，在长焦端FNO达到1.8，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、本发明的变焦镜头使用玻璃非球面镜片，未使用塑料非球面镜片，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、本发明的变焦镜头使用了5个镜片群组，前4个群组间隔是变化的，前3个镜片群组间间隔的变化使镜头的焦距发生变化，第4 个镜片群组用于对焦功能，镜头在短焦焦距达到10mm，长焦焦距大于30mm；
5、本发明的整个镜头以一群为最高点，且一群与像面的距离位置是不发生变化的，其长度小于50mm；
6、本发明能够达到高于8M(像素800万像素)的分辨率，以9.5mm 的1.8”的CCD为例，本发明可以达到中心分辨率高于200lp/mm、周边0.7H(70％对角线位置)分辨率高于180lp/mm，分辨率高；
7、本发明的变焦镜头利用群组4实现AF自动对焦功能，从最远的无穷远到最近的1000mm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；
【附图说明】
图1是本发明的系统光学图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明进行详细描述：如图1所示，一种高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统，包括有第一透镜群 1、第二透镜群2、第三透镜群3、第四透镜群4、第五透镜群5以及感光芯片6。在所述第二透镜群2和第三透镜群3之间设有光阑7，光阑可调节进入镜头的光束数量。所述的第二透镜群2、第四透镜群 4在变倍过程中相对于感光芯片的位置是变动的，且第一透镜群1、第三透镜群3之间的相对位置是固定的，第二透镜群2、第四透镜群 4之间的相对位置是变动的。所述第一透镜群1、第三透镜群3之间的距离固定，第二透镜群在第一透镜群1和第三透镜群3之间移动。所述第二透镜群2在从短焦距向长焦距的变化过程中的逐渐向第三透镜群3靠拢。本光学系统由14枚镜片组成。所述的第一透镜群1 整体的焦距为正，该第一透镜群1由第一透镜群第一枚镜片101，第一透镜群第二枚镜片102和第一透镜群第三枚镜片103三枚镜片组成，其中第一透镜群第一枚镜片101的焦距为负、第一透镜群第二枚镜片102、第一透镜群第三枚镜片103焦距为正。所述第二透镜群2整体的焦距为负，该第二透镜群2由第二透镜群第一枚镜片201，第二透镜群第二枚镜片202和第二透镜群第三枚镜片203三枚镜片组成，其中第二透镜群第一枚镜片201的焦距为负、第二透镜群第二枚镜片202的焦距为负、第二透镜群第三枚镜片203的焦距为正。其中第二透镜群第一枚透镜201为使用了高折射率且高色散的材料，此处可以有效的矫正镜头在短焦时的畸变；同时能够大幅度提高短焦状态下的分辨率。所述第三透镜群3整体焦距为正，该第三透镜群3由第三透镜群第一枚镜片301，第三透镜群第二枚镜片302和第三透镜群第三枚镜片303三枚镜片组成，其中第三透镜群第一枚镜片301的焦距为正，第三透镜群第二枚镜片302焦距为正，第三透镜群第三枚镜片303为负。其中第一枚镜片301为玻璃非球面镜片，第三透镜群前端使用玻璃非球面镜片301用来校正大部分的像差，使镜头获得较高的成像质量，同时减小第三透镜群与第一透镜群和感光芯片的距离，缩短镜头体积，且第三群镜头口径最小，使用非球面镜片可降低镜头成本。中间2枚球面镜片302和303组成胶合镜片，可以有效的校正色差，使得到红外光与可见光线共焦效果，且拍摄的画面色彩还原更好。第四透镜群4整体的焦距为正，该第四透镜群4可由第四透镜群第一镜片401，第四透镜群第二枚镜片402和第四透镜群第三枚镜片 403三枚镜片组成，在本实施例子中第四透镜群第一镜片401的焦距为正，第四透镜群第二枚镜片402为正，第四透镜群第三枚镜片403 是焦距为正，第四透镜群第二枚镜片402和第四透镜群第三枚镜片 403胶合在一起主要起到对焦功能，其正负的组合可以有效的减少变焦过程中镜头的像差变化，且第四透镜群第一镜片401是非球面镜片，可大大减小镜头场曲。第五透镜群5还包括第五透镜群第二枚镜片502，第五透镜群第一枚镜片501焦距为正，第五透镜群第二枚镜片502镜片焦距为负，且为非球面玻璃镜片，贴近像面，可有效减小镜头象散和场曲。第三透镜群非球面镜片301、第四透镜群非球面镜片401和第五透镜群非球面镜片502其非球面表面形状满足以下方程：
在公式中，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，等于-1时为抛物线，介于-1到0之间时为椭圆，等于0时为圆形，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透镜前后两面非球面的形状尺寸。
镜头FNO＝EFL(焦距)/D(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，本发明的变焦镜头使用可变光阑，而且在近焦端FNO.达到1.6，在长焦端达到1.8，全焦距段都有极高的感光性能，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。下面举一高倍变焦镜头的实际设计案例：
群组变焦、调焦移动范围：
1～3群组之间的间隔39.6mm
2～3群组之间的间隔29.5mm～1.0mm
3～4群组之间的距离0.95mm～3.0mm
4～像面距离10.5mm-12.2mm。
Claims (7)
1.一种高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统，其特征在于其包括有将光线转变为电信号的感光芯片(6)，在所述的感光芯片(6)的一侧设有能相对感光芯片(6)固定的第一透镜群(1)、第三透镜群(3)和第五透镜群(5)，在第三透镜群(3)与第五透镜群(5)之间设置有能相对感光芯片(6)移动的第四透镜群(4)，在第一透镜群(1)与第三透镜群(3)之间设置有能相对感光芯片(6)移动、并在光学系统从短焦距向长焦距的变化过程中逐渐向第三透镜群(3)移动的第二透镜群(2)，所述的第一透镜群(1)的焦距为正，第三透镜群(3)的焦距为正，第四透镜群(4)的焦距为正，所述的第二透镜群(2)和第五透镜群(5)的焦距为负，在第二透镜群(2)与第三透镜群(3)之间设有控制进入镜头光束量的光阑(7)，所述第三透镜群(3)的设有一枚用于校正像差的第三透镜群非球面镜片(301)；所述第四透镜群中的第一枚为用于矫正场曲的第四透镜群非球面镜片(401)，所述第五透镜群(5)包括第五透镜群第一枚镜片(501)和第五透镜群非球面镜片(502)，第五透镜群第一枚镜片(501)焦距为正，第五透镜群非球面镜片(502)排第二枚为用于矫正场曲的非球面镜片，第五透镜群非球面镜片(502)焦距为负。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统，其特征在于所述第三透镜群(3)上的第三透镜群非球面镜片(301)为玻璃非球面镜片。
3.根据权利要求1所述的一种高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统，其特征在于所述第三透镜群非球面镜片(301)、第四透镜群非球面镜片(401)和第五透镜群非球面镜片(502)其非球面表面形状满足以下方程：
在此公式中，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，等于0时为圆形，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。
4.根据权利要求1所述的一种高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统，其特征在于所述第一透镜群(1)由第一透镜群第一枚镜片(101)，第一透镜群第二枚镜片(102)和第一透镜群第三枚镜片(103)三枚镜片组成，其中第一透镜群第一枚镜片(101)的焦距为负，第一透镜群第二枚镜片(102)焦距为正，第一透镜群第三枚镜片(103)焦距为正。
5.根据权利要求1所述的一种高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统，其特征在于所述第二透镜群(2)包括有焦距为负、高折射率且高色散的材料制成的第一枚镜片(201)，焦距为负的第二枚非球面镜片镜片(202)，焦距为正的第三枚镜片(203)。
6.根据权利要求1所述的一种高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统，其特征在于所述第三透镜群(3)还包括第三透镜群正焦距镜片(302)和第三透镜群负焦距透镜(303)。
7.根据权利要求1所述的一种高分辨率、小畸变、小体积、大像面的变焦光学系统，其特征在于第四透镜群(4)还包括第四透镜群第二枚镜片(402)和第四透镜群第三枚镜片(403)，第四透镜群非球面镜片(401)焦距为正，是非球面玻璃镜片，第四透镜群第二枚镜片(402)焦距为正，第四透镜群第三枚镜片(403)镜片焦距为负，且第四透镜群第二枚镜片(402)和第四透镜群第三枚镜片(403)组成为胶合镜片。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN113204106A (zh) * | 2021-05-19 | 2021-08-03 | 郑州阿特尔光电技术有限公司 | 一种宽幅高分辨率可见光镜头光学系统 |
| CN113985589A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-01-28 | 中山联合光电科技股份有限公司 | 一种变焦镜头及光学系统 |
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2019
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190405 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |