CN110568590A - 一种星光级光学镜头及其成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种星光级光学镜头及其成像方法，包括沿光线入射光路自前向后依次间隔设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜及第六透镜，第一透镜和第二透镜均为弯月负透镜，第三透镜为双凸正透镜，第一透镜、第二透镜以及第三透镜构成光焦度为负的前组镜头；第四透镜为双凸正透镜，第五透镜为双凹负透镜，第六透镜为双凸正透镜，第四透镜、第五透镜以及第六透镜构成光焦度为正的后组镜头。本发明设计合理，具有超大光圈，整体通光量大；成像质量高、靶面大，能达到四百万像素摄像水准；具有日夜共焦功能，在白光环境与红外环境下最佳分辨率成像位置不变；具有温度补偿功能，在‑40℃~85℃的温度范围内保持成像清晰。

Description

一种星光级光学镜头及其成像方法
技术领域：
本发明属于光学系统领域，尤其涉及一种星光级光学镜头及其成像方法。
背景技术：
星光级光学镜头摄像机是近年来随着半导体技术发展而推出的监控行业的热点产品。从摄像机功能分类上来说，星光级摄像机属于低照度摄像机，是一种在较低光线照度的条件下仍然可以摄取清晰图像的摄像机。目前安防行业通常将前端摄像机分为四个等级：普通级摄像机，一般照度值均大于0.1lux；照度值范围在0.1lux至0.01lux之间的摄像机，一般被称为低照度摄像机；照度值范围在0.01lux至0.001lux之间的摄像机，被称为月光级摄像机；当最低照度值达到甚至低于0.001lux的时候，便达到了“星光级”。
传统的红外补光技术虽然能在低照度下获得清晰的成像，但会失去色彩，只能形成黑白图像，而且通过红外补光，车牌这类高反光的物体很容易过曝，导致无法识别，所以低照度下的清晰彩色成像需求越来越多。在星光环境下无任何辅助光源，星光级光学镜头可以显示清晰的彩色图像，区别于普通摄像机只能显示黑白图像。因此在诸多对日夜监控要求比较高的领域如平安城市、军队、边防、银行、医院、高速公路等等，星光级光学镜头具有非常良好的应用前景。
鉴于现有的应用范围，本发明旨在提供一种星光级光学镜头，以满足更高的道路监控需求。
发明内容：
本发明的目的在于针对以上不足之处，提供一种星光级光学镜头及其成像方法，结构设计合理，具有高清的成像画质。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种星光级光学镜头，包括沿光线入射光路自前向后依次间隔设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜以及第六透镜，所述第一透镜和第二透镜均为弯月负透镜，所述第三透镜为双凸正透镜，第一透镜、第二透镜以及第三透镜构成光焦度为负的前组镜头；所述第四透镜为双凸正透镜，所述第五透镜为双凹负透镜，所述第六透镜为双凸正透镜，第四透镜、第五透镜以及第六透镜构成光焦度为正的后组镜头。
进一步的，所述前组镜头与后组镜头之间的空气间隔为1.5mm。
进一步的，所述第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为2.2mm，所述第二透镜与第三透镜之间的空气间隔为0.1mm，所述第三透镜与光阑之间的空气间隔为1.1mm，所述光阑与第四透镜之间的空气间隔为0.5mm，所述第四透镜与第五透镜之间的空气间隔为0.1mm，所述第五透镜与第六透镜之间的空气间隔为0.1mm。
进一步的，所述第一透镜的凹面朝向光阑，第二透镜的凹面背向光阑。
进一步的，所述前组镜头与后组镜头组成的光学系统的焦距为f，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜焦距分别为f1、f2、f3，前组镜头焦距满足f1、f2、f3与f满足以下比例：-2＜f1/f＜-1，-3.5＜f2/f＜-2.5，3＜f3/f＜4。
进一步的，所述第四透镜、第五透镜、第六透镜的焦距分别为f4、f5、f6，后组镜头焦距满足f4、f5、f6与f满足以下比例：
1＜f4/f＜2，-1＜f5/f＜-2，1.5＜f6/f＜2.5。
进一步的，所述的第一透镜满足关系式：Nd≥1.5，Vd≥50；所述的第二透镜满足关系式：Nd≥1.5，Vd≥50；所述的第三透镜满足关系式：Nd≥1.6，Vd≤35；所述的第四透镜满足关系式：Nd≥1.5，Vd≥50；所述的第五透镜满足关系式：Nd≥1.6，Vd≤35；所述的第六透镜满足关系式：Nd≤1.5，Vd≥65；其中Nd为折射率，Vd为阿贝常数。
进一步的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜均为非球面透镜且材质为塑胶；第六透镜为球面透镜，其材质为玻璃。
本发明采用的另一种技术方案是：一种星光级光学镜头的成像方法，成像时，光路顺序进入第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及第六透镜后进行成像。
与现有技术相比，本发明具有以下效果：
(1)采用1G5P的设计结构，相比于全玻璃设计，不仅成像质量更好，而且具有更小的体型与质量；系统整体可靠性高，装配敏感度降低，使得良率提高，成本降低，有利于大规模生产；
(2)通过合理设计非球面透镜面型，合理分配各个镜片的光焦度，不仅有效校正整个光学系统的高级像差、色差，而且每个镜面的光线入射角小。成像质量高、靶面大，能达到四百万像素摄像水准；
(3)具有日夜共焦功能，能保证在白光环境与红外环境的最佳成像面位置不变；镜头后焦较长，便于加入IR-CUT滤光片，提高了日夜共焦成像质量；
(4)具有温度补偿功能，保证了-40℃～+85℃温度范围内镜头的高清像质不变。
附图说明：
图1是本发明实施例的光学结构示意图；
图2是本发明实施例的可见光MTF曲线图；
图3是本发明实施例的850nm波段MTF曲线图；
图4本发明实施例的在低温-40℃下离焦曲线图；
图5本发明实施例的在高温+85℃下离焦曲线图。
图中：
A1-第一透镜；A2-第二透镜；A1-第三透镜；B1-第四透镜；B2-第五透镜；B3-第六透镜；C-光阑；D-滤光片。
具体实施方式:
为了更清楚地说明本发明实施方式，下面将对本发明中所需要使用的附图做一简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
如图1所示，本发明一种星光级光学镜头，包括沿光线入射光路自前向后依次间隔设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜以及第六透镜，所述第一透镜和第二透镜均为弯月负透镜，所述第三透镜为双凸正透镜，第一透镜、第二透镜以及第三透镜构成光焦度为负的前组镜头；所述第四透镜为双凸正透镜，所述第五透镜为双凹负透镜，所述第六透镜为双凸正透镜，第四透镜、第五透镜以及第六透镜构成光焦度为正的后组镜头。
本实施例中，所述前组镜头与后组镜头之间的空气间隔为1.5mm；所述第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为2.2mm，所述第二透镜与第三透镜之间的空气间隔为0.1mm，所述第三透镜与光阑之间的空气间隔为1.1mm，所述光阑与第四透镜之间的空气间隔为0.5mm，所述第四透镜与第五透镜之间的空气间隔为0.1mm，所述第五透镜与第六透镜之间的空气间隔为0.1mm。
本实施例中，所述第一透镜的凹面朝向光阑，第二透镜的凹面背向光阑。
本实施例中，所述第六透镜的后侧设置有滤光片D。
本实施例中，所述前组镜头与后组镜头组成的光学系统的焦距为f，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜焦距分别为f1、f2、f3，前组镜头焦距满足f1、f2、f3与f满足以下比例：-2＜f1/f＜-1，-3.5＜f2/f＜-2.5，3＜f3/f＜4。
本实施例中，所述第四透镜、第五透镜、第六透镜的焦距分别为f4、f5、f6，后组镜头焦距满足f4、f5、f6与f满足以下比例：
1＜f4/f＜2，-1＜f5/f＜-2，1.5＜f6/f＜2.5。
通过对本发明形成的光学系统的光焦度按照以上比例进行合理分配，各镜片相对于系统焦距成一定比例，使本发明形成的光学系统在420～850nm的波长范围的像差得到合理的校正和平衡。
本实施例中，所述的第一透镜满足关系式：Nd≥1.5，Vd≥50；所述的第二透镜满足关系式：Nd≥1.5，Vd≥50；所述的第三透镜满足关系式：Nd≥1.6，Vd≤35；所述的第四透镜满足关系式：Nd≥1.5，Vd≥50；所述的第五透镜满足关系式：Nd≥1.6，Vd≤35；所述的第六透镜满足关系式：Nd≤1.5，Vd≥65；其中Nd为折射率，Vd为阿贝常数。
本实施例中，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜均为非球面透镜且材质为塑胶；第六透镜为球面透镜，其材质为玻璃。
本实施例中，光学镜头各透镜的曲率半径R、厚度d、折射率Nd以及阿贝数Vd如表1所示。
表1，具体镜片参数表
本实施例采用了六片透镜作为示例，通过合理分配各透镜的光焦度、面型、各透镜的中心厚度以及各透镜之间的轴上间距等，保证镜头的小畸变与高照度；同时校正各类像差，提高镜头的解析度与成像品质。各非球面面型Z由以下公式限定：
其中，Z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的离矢高；c为非球面的近轴曲率，c＝1/R(即，近轴曲率c为上表1中曲率半径R的倒数)；k为圆锥常数；A、B、C、D、E均为高次项系数。表2示出了可用于本实施例中各非球面透镜表面的圆锥常数k以及高次项系数A、B、C、D、E。
表2，各非球面透镜参数
本实施例中，此光学系统实现的技术指标如下：
(1)焦距：EFFL＝3.6mm；(2)光圈F＝1.6；(3)视场角：2w≥120°；(4)光学畸变：＜-41％；(5)成像圆直径大于φ8；(6)工作波段：420～650nm&850nm；(7)光学总长TTL≤22.5mm，光学后截距BFL≥7.3mm；(8)该镜头适用于四百万像素CCD或CMOS摄像机。
本实施例中，采用了典型的前负后正的结构，前组镜头的负光焦度矫正后组镜头的正光焦度像差。五片非球面透镜矫正所有高级像差及球差，通过合理的折射率和光焦度比例分配，限制了前组镜头的镜片与后组镜头的镜片的光线入射角大小，较小的光线入射角能有效减小光学系统的像面弯曲。
本实施例中，在前组镜头中，第一透镜A1具有较大的折射率与光焦度，保证系统能收集较大视场范围内的光线；第二透镜A2采用非球面透镜，通过选择合适的面型，有效地校正了光学系统的像散。在后组镜头中，具有中等折射率和超高色散的第五透镜B2与具有中等折射率和超低色散的第六透镜B3互补，有效矫正成像系统的色差和像散，同时第六透镜B3具有负折射率温度系数，提供了补偿系统高低温特性的功能。
通过以上镜片组成的光学系统，光路总长较短，则镜头的体积小，后焦大，可以增加波长截止滤光片，增强日夜共焦功能；同时系统光圈较大，符合星光级镜头的应用场景；其中第一透镜A1、第二透镜A2、第三透镜A3、第四透镜B1、第五透镜B2为塑胶非球面透镜，像质好，成本低，镜组整体可靠性高，性价比优良。
由图2可以看出，该光学系统在可见光波段的MTF表现良好，在空间频率120pl/mm处，其MTF值大于0.6，在空间频率60pl/mm处，其MTF值大于0.8，可以达到四百万高清的解像力需求。而由图3可以看出，该光学系统在850nm波段也表现出良好的解像力，在空间频率120pl/mm处，其MTF值大于0.35，在空间频率60pl/mm处，其MTF值大于0.7，因此该光学系统具有良好的日夜共焦特性。
图3和图4为该光学系统的分别在-40℃和+85℃下MTF离焦曲线图。由图中可以看出，该光学系统在-40℃时，中心视场的离焦量为-4μm，在85℃时，中心视场的离焦量为2μm，具有非常优良的高低温特性，像质表现完全满足车载镜头在高低温环境下的使用要求。
本发明采用的另一种技术方案是：一种星光级光学镜头的成像方法，成像时，光路顺序进入第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及第六透镜后进行成像。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种星光级光学镜头，其特征在于：包括沿光线入射光路自前向后依次间隔设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜以及第六透镜，所述第一透镜和第二透镜均为弯月负透镜，所述第三透镜为双凸正透镜，第一透镜、第二透镜以及第三透镜构成光焦度为负的前组镜头；所述第四透镜为双凸正透镜，所述第五透镜为双凹负透镜，所述第六透镜为双凸正透镜，第四透镜、第五透镜以及第六透镜构成光焦度为正的后组镜头。
2.根据权利要求1所述的一种星光级光学镜头，其特征在于：所述前组镜头与后组镜头之间的空气间隔为1.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种星光级光学镜头，其特征在于：所述第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为2.2mm，所述第二透镜与第三透镜之间的空气间隔为0.1mm，所述第三透镜与光阑之间的空气间隔为1.1mm，所述光阑与第四透镜之间的空气间隔为0.5mm，所述第四透镜与第五透镜之间的空气间隔为0.1mm，所述第五透镜与第六透镜之间的空气间隔为0.1mm。
4.根据权利要求1所述的一种星光级光学镜头，其特征在于：所述第一透镜的凹面朝向光阑，第二透镜的凹面背向光阑。
5.根据权利要求1所述的一种星光级光学镜头，其特征在于：所述前组镜头与后组镜头组成的光学系统的焦距为f，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜焦距分别为f1、f2、f3，前组镜头焦距满足f1、f2、f3与f满足以下比例：-2＜f1/f＜-1，-3.5＜f2/f＜-2.5，3＜f3/f＜4。
6.根据权利要求5所述的一种星光级光学镜头，其特征在于：所述第四透镜、第五透镜、第六透镜的焦距分别为f4、f5、f6，后组镜头焦距满足f4、f5、f6与f满足以下比例：1＜f4/f＜2，-1＜f5/f＜-2，1.5＜f6/f＜2.5。
7.根据权利要求1所述的一种星光级光学镜头，其特征在于：所述的第一透镜满足关系式：Nd≥1.5，Vd≥50；所述的第二透镜满足关系式：Nd≥1.5，Vd≥50；所述的第三透镜满足关系式：Nd≥1.6，Vd≤35；所述的第四透镜满足关系式：Nd≥1.5，Vd≥50；所述的第五透镜满足关系式：Nd≥1.6，Vd≤35；所述的第六透镜满足关系式：Nd≤1.5，Vd≥65；其中Nd为折射率，Vd为阿贝常数。
8.根据权利要求1所述的一种星光级光学镜头，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜均为非球面透镜且材质为塑胶；第六透镜为球面透镜，其材质为玻璃。
9.一种星光级光学镜头的成像方法，其特征在于：包括采用如权利要求1～8任意一项所述的星光级光学镜头，成像时，光路顺序进入第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及第六透镜后进行成像。
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