CN112666692B - 一种大变倍比、超长焦距高清透雾镜头及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大变倍比、超长焦距高清透雾镜头及其成像方法，所述镜头的光学系统沿光线入射方向依次设有光焦度为正的前组、光焦度为负的变倍组、光焦度为正的补偿组、可变光阑、光焦度为负的后组、滤色片，前组依次设置的由第一双凸透镜、第一胶合组、第二胶合组，变倍组依次设置的第三胶合组、第九双凹透镜；补偿组依次设置的第十正弯月透镜、第三胶合组、第十三双凸透镜，所述后组依次设置的第四胶合组、第十六双凹透镜、第五胶合组，本发明最长焦距达到了1500mm，变焦倍数达到了30倍，有效降低了二级光谱像差、高级球差等像差，提高了摄像系统在雨、薄雾等阴霾气候条件下对远距离目标的探测能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种大变倍比、超长焦距高清透雾镜头及其成像方法。
背景技术
在雨、雪、薄雾等阴霾气候条件下，普通摄像镜头探测距离将严重降低，极端情况下，目标信号甚至会淹没于背景信号当中，摄像系统无法正常使用；当工作波段较宽时，如要求可见光波段与近红外波段都能工作时，由于二级光谱等像差的影响，传统光路结构也普遍存在焦距难以做大、变倍倍数小、分辨率不高的特点，特别是系统焦距很长时，以上缺陷会更加明显，因此超长焦距的透射镜头，尤其是焦距值超过1000mm时，一般只工作在比较窄的波段，无法实现透雾功能。如果采用反射式系统，又存在中心孔径遮拦、无法应用于大倍率变焦系统等固有缺陷。
随着图像传感器的像元尺寸不断减小，其特征频率迅速增加，光电视频监控已由以往对外界景物纯粹的“观看”发展到现今的“识别和认知”甚至测量；从以往只能对良好光照条件下的监控到雨、雪、薄雾等恶劣条件下的不间断连续监控；因此，必须尽可能拓宽工作谱段，提高分辨率水平，提高产品竞争力。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种大变倍比、超长焦距高清透雾镜头及其成像方法，采用透射式结构，具有高分辨率的特点，可与2百万像素的高清摄像机适配；焦距超长，达到了1500mm，并具有大通光口径，提高了摄像系统在雨、雪、薄雾等阴霾气候条件下对远距离目标的探测能力；变倍比大，能实现大范围搜索与小视场精准检测识别。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种大变倍比、超长焦距高清透雾镜头：所述镜头的光学系统沿光线入射方向依次设有光焦度为正的前组、光焦度为负的变倍组、光焦度为正的补偿组、可变光阑、光焦度为负的后组、滤色片，所述前组依次设置的由第一双凸透镜、第二负弯月透镜、第三正弯月透镜、第四负弯月透镜、第五正弯月透镜，所述变倍组依次设置的第六负弯月透镜、第七双凸透镜、第八双凹透镜、第九双凹透镜；所述补偿组依次设置的第十正弯月透镜、第十一负弯月透镜、第十二双凸透镜、第十三双凸透镜，所述后组依次设置的第十四正弯月透镜、第十五负弯月透镜、第十六双凹透镜、第十七双凸镜组、第十八双凹透镜。
进一步的，所述第二负弯月透镜和第三正弯月透镜密接胶合成第一胶合组，第四负弯月透镜和第五正弯月透镜密接胶合成第二胶合组，第六负弯月透镜、第七双凸透镜与第八双凹透镜三者密接胶合成第三胶合组，第十一负弯月透镜与第十二双凸透镜密接胶合成第四胶合组，第十四正弯月透镜和第十五负弯月透镜密接胶合成第五胶合组，第十七双凸镜组和第十八双凹透镜密接胶合成第六胶合组。
进一步的，所述前组和变倍组之间的空气间隔是34.41～136.44mm，变倍组与补偿组之间的空气间隔是5.04～232.91mm，补偿组与后组之间的空气间隔是8.39～134.22mm。
进一步的，所述第一双凸透镜与第一胶合组之间的空气间隔是57.7mm，第一胶合组与第二胶合组之间的空气间隔是33.50mm，第三胶合组与第九双凹透镜之间的空气间隔为4.33mm，第十正弯月透镜与第四胶合组之间的空气间隔为0.25mm，第四胶合组与第十三双凸透镜之间的空气间隔为0.1mm，第五胶合组与第十六双凹透镜之间的空气间隔为1.41mm，第十六双凹透镜与第六胶合组之间的空气间隔为30.64mm。
进一步的，所述第一胶合组中间为负折射力的胶合面，胶合面两边的第二负弯月透镜和第三正弯月透镜折射率之差大于0.23；所述第二胶合组中间为负折射力的胶合面，胶合面两边的第四负弯月透镜与第五正弯月透镜折射率之差大于0.23。
进一步的，所述第三正弯月透镜、第五正弯月透镜由超低色散材料CAF2制成，所述第七双凸透镜由高色散材料E-FDS3制成，所述第十二双凸透镜、第十三双凸透镜由超低色散材料CAF2制成。
一种大变倍比、超长焦距高清透雾镜头的成像方法：当光线入射时，光路顺序进入前组、变倍组、补偿组、可变光阑、后组、滤色片，最后在像面进行成像，第一胶合组、第二胶合组校正长焦二级光谱像差、高级球差，七双凸透镜提高校正短焦倍率色差质量，第十二双凸透镜、第十三双凸透镜提高校正短焦、中焦的近红外波段成像质量，提高像面稳定性，提高了变焦镜头的变倍比。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：采用正组补偿结构有利于提高长焦分辨率的特点，提高了轴上光线高度最高的前固定透镜组的光焦度承担能力，并使用多片ED(超低色散)材料，有效地降低了光学镜头二级光谱等像差，使镜头的分辨率显著提高，最长焦距达到了1500mm，成像质量达到2百万像素，可与高清晰度的摄像机适配；由于校正了二级光谱像差，能对近红外波段高清成像，因此提高了摄像系统在雨、雪、薄雾等阴霾气候条件下对远距离目标的探测能力；反常应用玻璃材料，在变倍组正光焦度镜片上使用高色散、高折射率材料，校正短焦倍率色差；在补偿组中使用超低色散材料，校正短焦、中焦的二级光谱像差，提升全焦距段范围内近红外波段的像面稳定性，提高了变焦镜头的变倍比，到达了30倍，并高清成像。。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为本发明实施例的光学系统示意图；
图2为本发明在长焦距端可见光波段的MTF图；
图3为本发明在长焦距端近红外波段的MTF图；
图4为本发明在短焦距端可见光波段的MTF图；
图5为本发明在短焦距端近红外波段的MTF图。
图中：1-第一双凸透镜；2-第二负弯月透镜；3-第三正弯月透镜；4-第四负弯月透镜；5-第五正弯月透镜；6-第六负弯月透镜；7-第七双凸透镜；8-第八双凹透镜；9-第九双凹透镜；10-第十正弯月透镜；11-第十一负弯月透镜；12-第十二双凸透镜；13-第十三双凸透镜；14-第十四正弯月透镜；15-第十五负弯月透镜；16-第十六双凹透镜；17-第十七双凸镜组；18-第十八双凹透镜；19-像面；A-前组；B-变倍组；C-补偿组；D-可变光阑；E-后组；F-滤色片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1-5所示，一种大变倍比、超长焦距高清透雾镜头：所述镜头的光学系统沿光线入射方向依次设有光焦度为正的前组A、光焦度为负的变倍组B、光焦度为正的补偿组C、可变光阑D、光焦度为负的后组E、滤色片F，所述前组依次设置的由第一双凸透镜1、第二负弯月透镜2、第三正弯月透镜3、第四负弯月透镜4、第五正弯月透镜5，所述变倍组依次设置的第六负弯月透镜6、第七双凸透镜7、第八双凹透镜8、第九双凹透镜9；所述补偿组依次设置的第十正弯月透镜10、第十一负弯月透镜11、第十二双凸透镜12、第十三双凸透镜13，所述后组依次设置的第十四正弯月透镜14、第十五负弯月透镜15、第十六双凹透镜16、第十七双凸镜组17、第十八双凹透镜18。
在本实施例中，所述第二负弯月透镜和第三正弯月透镜密接胶合成第一胶合组，第四负弯月透镜和第五正弯月透镜密接胶合成第二胶合组，第六负弯月透镜、第七双凸透镜与第八双凹透镜三者密接胶合成第三胶合组，第十一负弯月透镜与第十二双凸透镜密接胶合成第四胶合组，第十四正弯月透镜和第十五负弯月透镜密接胶合成第五胶合组，第十七双凸镜组和第十八双凹透镜密接胶合成第六胶合组。
在本实施例中，所述前组和变倍组之间的空气间隔是34.41～136.44mm，变倍组与补偿组之间的空气间隔是5.04～232.91mm，补偿组与后组之间的空气间隔是8.39～134.22mm,。
在本实施例中，所述第一双凸透镜与第一胶合组之间的空气间隔是57.7mm，第一胶合组与第二胶合组之间的空气间隔是33.50mm，第三胶合组与第九双凹透镜之间的空气间隔为4.33mm，第十正弯月透镜与第四胶合组之间的空气间隔为0.25mm，第四胶合组与第十三双凸透镜之间的空气间隔为0.1mm，第五胶合组与第十六双凹透镜之间的空气间隔为1.41mm，第十六双凹透镜与第六胶合组之间的空气间隔为30.64mm。
在本实施例中，所述第一胶合组中间为负折射力的胶合面，胶合面弯向像面19侧，胶合面两边的第二负弯月透镜和第三正弯月透镜折射率之差大于0.23，玻璃材料依次为H-ZF2、CAF2；所述第二胶合组中间为负折射力的胶合面，胶合面弯向像面侧，胶合面两边的第四负弯月透镜与第五正弯月透镜折射率之差大于0.23，玻璃材料依次为H-ZF2、CAF2，第一胶合组、第二胶合组的材料组合有利于校正长焦二级光谱像差、高级球差等主要像差，对提高长焦分辨率、拓宽工作波段、提高通光量起到决定性作用。
在本实施例中，所述第三正弯月透镜、第五正弯月透镜由超低色散材料CAF2制成，；所述第七双凸透镜由高色散材料E-FDS3制成，为高色散玻璃，对矫正短焦倍率色差起决定性作用，所述第十二双凸透镜、第十三双凸透镜由超低色散材料CAF2制成，对校正短焦、中焦的近红外波段成像质量起决定性作用，提高像面稳定性。
在本实施例中，所述滤色片包括可见光滤色镜片与近红外滤色镜片，近红外滤色镜片的工作波长为750～950nm，通过滤色片切换，实现工作波段的切换。
一种大变倍比、超长焦距高清透雾镜头，其各个镜片的物理参数符合表1所示数据要求，镜面的编号按光线入射的顺序进行编号。
表1镜片物理参数要求
由上述镜片组构成的光学系统达到了如下的光学指标：
焦距：f′min＝50mm，f′max＝1500mm；
相对孔径D/f′＝1/6.7(短焦)～1/10(长焦)；
适配探测器：分辨率1920x1080,像元尺寸5.5umx5.5um；
光学结构长度∑L≤618.15mm；
镜头分辨率：与2百万像素CCD摄像机或CMOS摄像机适配，参考图2～5；
透雾滤色片的透过光谱：750～950nm。
在光学设计时，对前固定组进行复杂化，增加正透镜，且选用ED(超低色散)光学材料，这样提高了轴上光线高度最高的前固定组的光焦度承担能力，有效地降低了光学镜头二级光谱等像差，最长焦距达到了1500mm，并使镜头能在宽光谱范围内成像，拓宽了镜头工作谱段且分辨率得到显著提高，达到2百万像素水平，可与高清晰度的摄像机适配；在变倍组反常应用高色散、高折射率材料，校正短焦倍率色差；在补偿组选用ED(超低色散)光学材料，校正短焦、中焦的二级光谱像差，提高近红外波段提高像面稳定性及分辨率水平，提高了变焦镜头的变倍比，到达了30倍。
针对正组补偿结构光学总长较长的缺点，将后固定组复杂化，并使其光焦度为负值，使整个系统具有摄远结构的特点，有效减小了系统体积。在最长焦距达到1500mm、变倍比达到30倍的前提下，系统光学总长仅618.15mm，系统光学总长与最长焦距值之比仅为0.41，结构非常紧凑。
利用近红外谱段光线的穿透能力，在光学设计时，加大了近红外谱线(波长λ在750nm以上的谱线)的权重，使镜头在近红外波段也有较高的分辨率；并进行膜系优化设计，使光学镜头在450nm～950nm波段范围有高于80％的透过率。
一种大变倍比、超长焦距高清透雾镜头的成像方法：当光线入射时，光路顺序进入前组、变倍组、补偿组、可变光阑、后组、滤色片，最后在像面进行成像，第一胶合组、第二胶合组校正长焦二级光谱像差、高级球差，七双凸透镜提高校正短焦倍率色差质量，第十二双凸透镜、第十三双凸透镜提高校正短焦、中焦的近红外波段成像质量，提高像面稳定性，提高了变焦镜头的变倍比。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。
本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系例如“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制，且上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (6)
1.一种大变倍比、超长焦距高清透雾镜头，其特征在于：所述镜头的光学系统沿光线入射方向由依次设置的光焦度为正的前组、光焦度为负的变倍组、光焦度为正的补偿组、可变光阑、光焦度为负的后组、滤色片组成，所述前组由依次设置的第一双凸透镜、第二负弯月透镜、第三正弯月透镜、第四负弯月透镜、第五正弯月透镜组成，所述变倍组由依次设置的第六负弯月透镜、第七双凸透镜、第八双凹透镜、第九双凹透镜组成；所述补偿组由依次设置的第十正弯月透镜、第十一负弯月透镜、第十二双凸透镜、第十三双凸透镜组成，所述后组由依次设置的第十四正弯月透镜、第十五负弯月透镜、第十六双凹透镜、第十七双凸镜组、第十八双凹透镜组成；
所述第二负弯月透镜和第三正弯月透镜密接胶合成第一胶合组，第四负弯月透镜和第五正弯月透镜密接胶合成第二胶合组，第六负弯月透镜、第七双凸透镜与第八双凹透镜三者密接胶合成第三胶合组，第十一负弯月透镜与第十二双凸透镜密接胶合成第四胶合组，第十四正弯月透镜和第十五负弯月透镜密接胶合成第五胶合组，第十七双凸镜组和第十八双凹透镜密接胶合成第六胶合组；
所述滤色片为透雾滤色片，最长焦距为1500mm、镜头分辨率达到2百万像素水平、变倍比达到30倍。
2.根据权利要求1所述的大变倍比、超长焦距高清透雾镜头,其特征在于：所述前组和变倍组之间的空气间隔是34.41～136.44 mm，变倍组与补偿组之间的空气间隔是5.04～232.91 mm，补偿组与后组之间的空气间隔是8.39～134.22mm 。
3.根据权利要求2所述的大变倍比、超长焦距高清透雾镜头,其特征在于：所述第一双凸透镜与第一胶合组之间的空气间隔是57.7mm，第一胶合组与第二胶合组之间的空气间隔是33.50mm，第三胶合组与第九双凹透镜之间的空气间隔为4.33mm，第十正弯月透镜与第四胶合组之间的空气间隔为0.25mm，第四胶合组与第十三双凸透镜之间的空气间隔为0.1mm，第五胶合组与第十六双凹透镜之间的空气间隔为1.41mm，第十六双凹透镜与第六胶合组之间的空气间隔为30.64mm。
4.根据权利要求3所述的大变倍比、超长焦距高清透雾镜头,其特征在于：所述第一胶合组中间为负折射力的胶合面，胶合面两边的第二负弯月透镜和第三正弯月透镜折射率之差大于0.23；所述第二胶合组中间为负折射力的胶合面，胶合面两边的第四负弯月透镜与第五正弯月透镜折射率之差大于0.23。
5.根据权利要求4所述的大变倍比、超长焦距高清透雾镜头,其特征在于： 所述第三正弯月透镜、第五正弯月透镜由超低色散材料CAF2制成；所述第七双凸透镜由高色散材料E-FDS3制成，所述第十二双凸透镜、第十三双凸透镜由超低色散材料CAF2制成。
6.一种大变倍比、超长焦距高清透雾镜头的成像方法，采用如权利要求1-5任一所述的大变倍比、超长焦距高清透雾镜头,其特征在于：当光线入射时，光路顺序进入前组、变倍组、补偿组、可变光阑、后组、滤色片，最后在像面进行成像，第一胶合组、第二胶合组校正长焦二级光谱像差、高级球差，第七双凸透镜提高校正短焦倍率色差质量，第十二双凸透镜、第十三双凸透镜提高校正短焦、中焦的近红外波段成像质量，提高像面稳定性，提高了变焦镜头的变倍比。
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