CN110753168B

CN110753168B - 光学系统及监控设备

Info

Publication number: CN110753168B
Application number: CN201810811798.6A
Authority: CN
Inventors: 张振洲; 李良辉; 蒋贤满; 郭海训
Original assignee: Hangzhou Hikmicro Sensing Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Hikmicro Sensing Technology Co Ltd
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2038-07-23
Also published as: CN110753168A

Abstract

本发明公开了一种光学系统及监控设备，属于安防监控领域。该光学系统包括：第一反射组件、第二反射组件和变焦镜片组；所述第一反射组件具有反射面，所述第二反射组件具有折射面和反射面，所述第二反射组件的反射面与所述第一反射组件的反射面相对设置。该光学系统中主要承担光焦度的部件是第一反射组件和第二反射组件，该第一反射组件和第二反射组件中的反射面在温度变化后会等比例的膨胀或等比例的收缩，不会影响成像质量，因此，该光学系统的成像质量较好。

Description

光学系统及监控设备

技术领域

本发明涉及安防监控领域，特别涉及一种光学系统及监控设备。

背景技术

随着科技的发展，在安防监控领域可以采用诸如安防摄像机或抓拍摄装置等设备来获取图像，这些安防摄像机或抓拍摄装置等设备都无一例外的需要装配监控设备。

通常监控设备可以包括：光学系统和图像传感器，该光学系统可以接收从物面发出的光线，并将该光线传输到图像传感器上，该图像传感器可以将该光线转换为电学信号，使得该监控设备能够基于电学信号获取到的图像。当该监控设备将电学信号传输到显示设备上时，该显示设备可以显示对应的图像。该监控设备中的光学系统的焦距通常是可以变化的，使得监控设备可以清晰的获取到位于该监控设备不同距离位置处的物体的图像。

目前光学系统中的镜片对温度较为敏感，在高温环境或低温环境使用监控设备时，光学系统中的镜片的焦点会发生变化，导致该光学系统的成像质量较差。同时由于色差的存在，导致光圈较小，成像清晰度较低。

发明内容

本申请提供了一种光学系统及监控设备，可以解决现有的光学系统的成像质量较差的问题。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种光学系统，包括：

第一反射组件、第二反射组件和变焦镜片组；

所述第一反射组件具有反射面，所述第二反射组件具有折射面和反射面，所述第二反射组件的反射面与所述第一反射组件的反射面相对设置；

其中，所述第一反射组件的反射面用于对物面发出的光线进行反射，所述第二反射组件的折射面用于对所述第一反射组件的反射面所反射的光线进行折射，所述第二反射组件的反射面用于对所述第二反射组件的折射面所折射的光线进行反射，所述变焦镜片组用于对所述第二反射组件的反射面所反射的光线进行聚焦后在像面成像。

可选的，所述光学系统还包括：校正镜片组，所述校正镜片组位于所述第二反射组件与所述第一反射组件之间所述校正镜片组用于对所述第二反射组件的反射面所反射的光线进行校正后，将校正后的光线传输到所述变焦镜片组中。

可选的，所述第一反射组件的光轴、所述校正镜片组的光轴、所述第二反射组件的光轴和所述变焦镜片组的光轴重合。

可选的，所述第一反射组件上设置有通孔，所述第二反射组件与所述校正镜片组均位于靠近所述第一反射组件的反射面的一侧，所述变焦镜片组位于远离所述第一反射组件的反射面的一侧。

可选的，所述第一反射组件的反射面，以及所述第二反射组件的折射面和反射面均为球面。

可选的，所述第一反射组件的反射面，以及所述第二反射组件的折射面和反射面均为凹球面。

可选的，所述第一反射组件的反射面，以及所述第二反射组件的折射面均为凹球面，所述第二反射组件的反射面为平面。

可选的，所述通孔的孔径与所述第二反射组件的通光孔径相同。

可选的，所述通孔的孔径与所述第一反射组件的通光孔径的比值小于或等于0.4。

可选的，所述光学系统的最大焦距与所述光学系统的最小焦距的比值为3。

第二方面，提供了一种监控设备，所述监控设备包括：基座、光学系统以及位于所述光学系统像面上的图像传感器，所述光学系统设置在所述基座上，所述光学系统为权利要求1至10任一所述的光学系统。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明实施例中的光学系统，包括：第一反射组件、第二反射组件和变焦镜片组，该第一反射组件具有反射面，第二反射组件具有反射面和折射面，该第二反射组件的反射面与第一反射组件的反射面相对设置。该光学系统中主要承担光焦度的部件是第一反射组件和第二反射组件中的反射面，该第一反射组件和第二反射组件中的反射面在温度变化后会等比例的膨胀或等比例的收缩，不会影响成像质量，因此，该光学系统的成像质量较好。

并且，第一反射组件和第二反射组件中的反射面都遵循反射定律，与折射率无关，因此不同波长的光线经过反射面反射后，可以汇聚在一点上，相对于相关技术中的都是折射式镜片的光学系统，有效的降低了光学系统的色差，进一步的提高了光学系统的成像质量。

同时，由于该光学系统中的第一反射组件不会受到色差和温度的影响，因此该第一反射组件的通光孔径容易做大，有效的增大了该光学系统的光圈，进一步的提高了光学系统的成像质量。

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一种光学系统的结构示意图；

图2是图1示出的光学系统中的光路图；

图3是本发明实施例提供的另一种光学系统的结构示意图；

图4是图3示出的光学系统的光路图；

图5是本发明实施例提供的一种变焦镜片组在变焦过程中三个镜片组的移动轨迹的效果图；

图6是本发明实施例提供的一种光学系统的焦距为250mm时，通过软件模拟得到的对应的MTF曲线图；

图7是本发明实施例提供的一种光学系统的焦距为450mm时，通过软件模拟得到的对应的MTF曲线图；

图8是本发明实施例提供的一种光学系统的焦距为750mm时，通过软件模拟得到的对应的MTF曲线图；

图9是本发明实施例提供的一种光学系统的焦距为250mm时，通通过软件模拟得到的对应的像散与畸变相差曲线图；

图10是本发明实施例提供的一种光学系统的焦距为450mm时，通过软件模拟得到的对应的像散与畸变相差曲线图；

图11是本发明实施例提供的一种光学系统的焦距为750mm时，通过软件模拟得到的对应的像散与畸变相差曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在相关技术中，监控设备中的光学系统中的镜片均是折射式的镜片，该光学系统中，主要承担光焦度(该光焦度用于表征对光线的汇聚的能力)的部件是折射式的镜片，该折射式的镜片的焦点会受到温度的影响，在高温环境或低温环境使用时，该镜片的焦点会发生变化，导致光学系统的成像质量较差。

由于该光学系统中的镜片都是折射式的镜片，不同波长的光线进入光学系统后，折射式的镜片很难将不同波长的光线汇聚到一个焦点上，因此目前的光学系统的色差较大，进一步的降低了该光学系统的成像质量。

光学系统的光圈的大小与光学系统的通光孔径呈正相关，但是目前折射式的镜片受到色差和温度的限制，目前的光学系统的通光孔径不易做大，导致该光学系统的光圈较小，成像清晰度较低，进一步的降低了该光学系统的成像质量。

请参考图1，图1是本发明实施例提供的一种光学系统的结构示意图，该光学系统可以包括：

第一反射组件10、第二反射组件20和变焦镜片组30。

该第一反射组件10具有反射面11，第二反射组件20具有反射面22和折射面21，该第二反射组件20的反射面22与第一反射组件10的反射面11相对设置。

示例的，如图1和图2，图2是图1示出的光学系统中的光路图，该第一反射组件10的反射面11用于对物面发出的光线进行反射，该第二反射组件20的折射面21用于对第一反射组件10的反射面11所反射的光线进行折射，该第二反射组件20的反射面22用于对第二反射组件20的折射面21所折射的光线进行反射，该变焦镜片组30用于对第二反射组件20的反射面22所反射的光线进行聚焦在像面成像。

综上所述，本发明实施例提供的光学系统，包括：第一反射组件、第二反射组件和变焦镜片组，该第一反射组件具有反射面，第二反射组件具有反射面和折射面，该第二反射组件的反射面与第一反射组件的反射面相对设置。该光学系统中主要承担光焦度的部件是第一反射组件和第二反射组件中的反射面，该第一反射组件和第二反射组件中的反射面在温度变化后会等比例的膨胀或等比例的收缩，不会影响成像质量，因此，该光学系统的成像质量较好。

可选的，如图3所示，图3是本发明实施例提供的另一种光学系统的结构示意图，该光学系统还可以包括：校正镜片组40，该校正镜片组40位于第二反射组件20与第一反射组件10之间。

示例的，如图3和图4所示，图4是图3示出的光学系统的光路图，该校正镜片组40用于对第二反射组件20的反射面22所反射的光线进行校正后，将校正后的光线传输到变焦镜片组30中。在本发明实施例中，在光线进入变焦镜片组30之前经过校正镜片组40进行校正，可以减少变焦镜片组30中的镜片个数，使得该变焦镜片组30中的驱动结构更容易驱动变焦镜片组30中的镜片移动，有效的提高了变焦镜片组30的变焦效率。

在本发明实施例中，如图3所示，第一反射组件10的光轴、校正镜片组40的光轴、第二反射组件20的光轴和变焦镜片组30的光轴重合。

可选的，如图3所示，该第一反射组件10上设置有通孔12，第二反射组件20与校正镜片组40均位于靠近第一反射组件10的反射面11的一侧，变焦镜片组30位于远离第一反射组件10的反射面11的一侧。在本发明实施例中，该通孔12的轴心线与校正镜片组40的轴心线(也即校正镜片组40的光轴)重合，使得从该校正镜片组40出射的光线可以穿过通孔12输入变焦镜片组30中。

在一种可选的实现方式中，第一反射组件10中的通孔12的孔径可以与第二反射组件20的通光孔径相同，使得从校正镜片组40出射的光线可以全部穿过通孔12。在该光学系统中，第一反射组件10的通孔12的孔径与该第一反射组件10的通光孔径的的比值称为光学系统的遮拦比，通常情况下，该光学系统的遮拦比越小，该光学系统的成像的能量与清晰度越高，也即是，该光学系统的成像质量越好。在本发明实施例中，该第一反射组件10的通孔12的孔径与该第一反射组件10的通光孔径的比值小于或等于0.4，可选的，该第一反射组件10的通孔12的孔径与该第一反射组件10的通光孔径的比值为0.3。

在本发明实施例中，光学系统中的第一反射组件与第二反射组件均为球面镜，该第一反射组件的反射面，以及第二反射组件中的折射面和反射面均为球面，由于球面镜中任一球面仅具有一个圆心和一个半径，因此球面镜的加工难度较低，有效的降低了该光学系统的加工难度。在一种可选的实现方式中，该第一反射组件的反射面，以及第二反射组件的折射面和反射面均为凹球面。在另一种可选的实现方式中，该第一反射组件的反射面，以及第二反射组件的折射面均为凹球面，第二反射组件的反射面为平面，由于平面属于特殊的球面，该球面的球面半径为无穷大，因此该第二反射组件仍然属于球面镜。在本发明是实施例中，由于该光学系统中，光线需要先从该折射面21入射，再从该折射面21出射，该折射面21对光线起到了两次汇聚作用，因此该折射面21的弯曲曲率可以减小。

在本发明实施例中，如图3所示，变焦镜片组30可以包括：三个镜片组31，以及用于驱动该三个镜片组31移动的驱动结构。示例的，请参考图5，图5是本发明实施例提供的一种变焦镜片组在变焦过程中三个镜片组的移动轨迹的效果图，当需要增大该光学系统的焦距时，可以通过驱动结构带动该三个镜片组向靠近第一反射组件的方向移动；当需要减小光学系统的焦距时，可以通过驱动结构带动该三个镜片组向远离反射镜的方向移动。在本发明实施例中，该光学系统的最大焦距与该光学系统的最小焦距的比值(也即光学系统的变焦比)为3。需要说明的是，变焦镜片组中的驱动结构驱动三个镜片组移动的方式可以参考相关技术，本发明实施例在此不再赘述。

可选的，校正镜片组以及变焦镜片组中每个镜片组均可以包括至少一个镜片，示例的，如图3和图4所示，校正镜片组40可以包括两个镜片，变焦镜片组30中靠近第一反射组件10的镜片组31可以包括两个镜片，而其他两个镜片组31均可以包括三个镜片。假设环境光线依次经过该光学系统中的各个镜片的表面采用Sn来表示，环境光线可以从物面出发经过光学系统后，在像面处聚焦，请参考表1，表1是基于环境光线的传播路径，对该光学系统中的镜片的属性进行说明的。

表1

其中，物面发出的光线，依次经过光学系统中的S1、S2、S3、S2、S4、...、S21后，汇聚在像面上，并在像面上成像。

在本发明实施例中，光学系统中的镜片可以均为球面镜片，该镜片的表面均为球面，镜片表面的曲率半径是指镜片表面的球面半径，为了更清楚的表示出镜片表面的弯曲方向，假设规定从物面到像面的方向为正，则光学系统中的镜片的表面到该镜片的圆心的方向与从物面到像面的方向相同时，该镜片的曲率半径为正；光学系统中的镜片的表面到该镜片的圆心的方向与从物面到像面的方向相反时，该镜片的曲率半径为负。

某个表面的表面间隔是指沿光线的传递方向，该表面的端点位置处与下一个表面的端点位置处的水平距离，为了更清楚的表示各个镜片的位置，假设规定从物面到像面的方向为正，则当光线的传播方向与从物面到像面的方向相同时，表面间隔为正，例如，对于S3，光线从该S3传递到下一个表面为S4的方向与从物面到像面的方向相同，因此，该S3的表面间隔为正；当光线的传播方向与从物面到像面的方向相反时，表面间隔为负，例如，对于S1，光线从该S1传递到下一个表面为S2的方向与从物面到像面的方向相反，因此，该S3的表面间隔为负。

在光学系统中，对于不同的焦距，光学系统中的S7、S10、S11和S21所对应的表面间隔也有所不同，并且，光学系统的光圈的大小还与光学系统的焦距相关，不同的焦距对应的光学系统的光圈大小也不同。示例的，请参考表2，表2列举了光学系统的三种焦距下的光圈的F值，以及光学系统中的S7、S10、S11和S21所对应的表面间隔的数值。

表2

焦距/mm	光圈	d1/mm	d2/mm	d3/mm	d4/mm
						f250mm	F/2	105.14	34.20	5.09	9.08
f450mm	F/3.6	67.19	41.46	18.4	26.45
						f750mm	F/6	43.32	44.03	2.0	64.16

其中，光圈的F值是通过光学系统的焦距与该光学系统的通光孔径的比值计算得到的。在光学系统的焦距相同的情况下，光圈的F值越大，该光学系统的光圈越小，该光学系统的成像质量越差；光圈的F值越效，该光学系统的光圈越大，该光学系统的成像质量越好。

根据表2可知，当光学系统的焦距为750mm时，该光学系统的光圈为F/6；而在相关技术中，由于折射式的镜片的通光孔径受到的色差和温度的影响，相关技术中的光学系统的通光孔径不易做大，当相关技术中的光学系统的焦距为750mm时，该光学系统的光圈为仅为F/10。因此，本发明实施例中的光学系统的光圈大于相关技术中的光学系统的光圈，本发明实施例中的光学系统相对于相关技术中的光学系统的成像质量更好。

请参考图6至图8，分别示出了当本发明实施例中的光学系统的焦距为250mm、450mm和750mm时，通过软件模拟得到的对应的调制传递函数(英文：Modulation TransferFunction；简称：MTF)曲线图。请参考图9至图11，分别示出了当本发明实施例中的光学系统的焦距为250mm、450mm和750mm时，通过软件模拟得到的对应的像散与畸变相差曲线图。

本发明实施例还提供了一种监控设备，该监控设备可以包括：基座、光学系统和位于该光学系统的像面上的图像传感器，该基座用于承载光学系统，该光学系统可以为图1或图3示出的光学系统。该监控设备可以安装在安防摄像机或抓拍装置等任何具有摄像功能的设备上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光学系统，其特征在于，包括：

第一反射组件、第二反射组件和变焦镜片组；

所述第一反射组件具有反射面，所述第二反射组件具有折射面和反射面，所述第二反射组件的反射面与所述第一反射组件的反射面相对设置，所述第一反射组件的反射面为凹球面，所述第二反射组件的反射面为凹球面或平面；

其中，所述第一反射组件上与物面发出的光线相对的面为反射面，所述第一反射组件的反射面用于对所述物面发出的光线进行反射，所述第二反射组件的折射面用于对所述第一反射组件的反射面所反射的光线进行折射，所述第二反射组件的反射面用于对所述第二反射组件的折射面所折射的光线进行反射，所述变焦镜片组用于对所述第二反射组件的反射面所反射的光线进行聚焦后在像面成像。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括：校正镜片组，所述校正镜片组位于所述第二反射组件与所述第一反射组件之间，所述校正镜片组用于对所述第二反射组件的反射面所反射的光线进行校正后，将校正后的光线传输到所述变焦镜片组中。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，

所述第一反射组件的光轴、所述校正镜片组的光轴、所述第二反射组件的光轴和所述变焦镜片组的光轴重合。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，

所述第一反射组件上设置有通孔，所述第二反射组件与所述校正镜片组均位于靠近所述第一反射组件的反射面的一侧，所述变焦镜片组位于远离所述第一反射组件的反射面的一侧。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，

所述第二反射组件的折射面和反射面均为球面。

6.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，

所述第二反射组件的折射面为凹球面。

7.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，

所述通孔的孔径与所述第二反射组件的通光孔径相同。

8.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，

所述通孔的孔径与所述第一反射组件的通光孔径的比值小于或等于0.4。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，

所述光学系统的最大焦距与所述光学系统的最小焦距的比值为3。

10.一种监控设备，其特征在于，所述监控设备包括：基座、光学系统以及位于所述光学系统像面上的图像传感器，所述基座用于承载所述光学系统，所述光学系统为权利要求1至9任一所述的光学系统。