CN113341538B - 一种适用于不同物距的高分辨率光学系统及fa镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于不同物距的高分辨率光学系统及FA镜头，光学系统包括自物侧至相侧依次设置的：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜；第五透镜，其具有正光焦度且与第四透镜间隔设置；第六透镜，其具有正光焦度且与第五透镜间隔设置；光阑，其与第六透镜间隔设置并用于限制光束口径；第七透镜，其具有负光焦度且与光阑间隔设置；第八透镜，其具有正光焦度且与第七透镜组成粘合透镜；第九透镜，其具有正光焦度且与第八透镜间隔设置；感光芯片，其与所第九透镜间隔设置，用于捕捉成像信号并形成图像。通过设置不同结构的镜片组合，并合理分配各个镜片的光焦度，获得高清分辨率的同时，实现了光学系统的低畸变和高相对照度。

Description

一种适用于不同物距的高分辨率光学系统及FA镜头

技术领域

本发明涉及光学镜头技术领域，特别涉及一种适用于不同物距的高分辨率光学系统及FA镜头。

背景技术

FA镜头在机器视觉、工业探测和科研应用中的作用越来越广泛，市场潜力巨大。为了得到良好的图像效果，这类镜头往往需要较高的分辨率，较小的画面失真，和均匀的像面照度，但市场上的FA镜头多数像素较低，越来越无法满足实际需要。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种适用于不同物距的高分辨率光学系统及FA镜头，可解决现有镜头的分辨率低、画面失真大的问题。

根据本发明第一方面实施例的一种适用于不同物距的高分辨率光学系统，包括自物侧至相侧依次设置的：第一透镜，其具有正光焦度；第二透镜，其具有负光焦度且与所述第一透镜间隔设置；第三透镜，其具有负光焦度且一侧边缘与所述第二透镜边缘承靠；第四透镜，其具有正光焦度且与所述第三透镜组成粘合透镜；第五透镜，其具有正光焦度且与所述第四透镜间隔设置；第六透镜，其具有正光焦度且与所述第五透镜间隔设置；光阑，其与所述第六透镜间隔设置并用于限制光束口径；第七透镜，其具有负光焦度且与所述光阑间隔设置；第八透镜，其具有正光焦度且与所述第七透镜组成粘合透镜；第九透镜，其具有正光焦度且与所述第八透镜间隔设置；感光芯片，其与所第九透镜间隔设置，用于捕捉成像信号并形成图像。

根据本发明第一方面实施例的适用于不同物距的高分辨率光学系统，至少具有如下有益效果：通过设置不同结构的镜片组合，并合理分配各个镜片的光焦度，获得高清分辨率的同时，实现了光学系统的低畸变和高相对照度。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述第一透镜为双凸透镜；第二透镜为弯月形透镜，朝向物侧的一面为凸面，朝向像侧的一面为凹面；第三透镜为双凹型透镜；第四透镜为双凸型透镜；第五透镜、第六透镜均为双凸型透镜；第七透镜为双凹型透镜，第八透镜为双凸型透镜，第九透镜为双凸型透镜。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述高分辨率光学系统满足以下关系式

3<f₁/f<5；

-3<f₂/f<-1；

-5<f_3-4/f<-2；

1<f₅/f<3；

2<f₆/f<5；

-3<f_7-8/f<-1；

1<f₉/f<3；

其中，f为高分辨率光学系统的焦距，f₁为第一透镜的焦距，f₂为第二透镜的焦距，f_3-4为第三透镜和第四透镜的组合焦距，f₅为第五透镜的焦距，f₆为第六透镜的焦距，f_7-8为第七透镜和第八透镜的组合焦距，f₉为第九透镜的焦距。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述高分辨率光学系统满足以下关系式

Nd₁≤1.7；

Nd₂≤1.7；

|Nd₃-Nd₄|≥0.1；

Nd₅≥1.8；

Nd₆≥1.8；

|Nd₇-Nd₈|≥0.2；

Nd₉≥1.6；

其中，Nd₁为第一透镜的折射率，Nd₂为第二透镜的折射率，Nd₃为第三透镜的折射率，Nd₄为第四透镜的折射率，Nd₅为第五透镜的折射率，Nd₆为第六透镜的折射率，Nd₇为第七透镜的折射率，Nd₈为第八透镜的折射率，Nd₉为第九透镜的折射率。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述高分辨率光学系统满足以下关系式

Vd₁≥50；

Vd₂≥50；

|Vd₃-Vd₄|≥30；

Vd₅≥30；

Vd₆≥30；

|Vd₇-Vd₈|≥30；

Vd₉≥30；

其中，Vd₁为第一透镜的色散系数，Vd₂为第二透镜的色散系数，Vd₃为第三透镜的色散系数，Vd₄为第四透镜的色散系数，Vd₅为第五透镜的色散系数，Vd₆为第六透镜的色散系数，Vd₇为第七透镜的色散系数，Vd₈为第八透镜的色散系数，Vd₉为第九透镜的色散系数。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜均采用玻璃材质透镜。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述第九透镜和所述感光芯片之间依次设置有滤光片。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述滤光片和所述感光芯片之间依次设置有保护玻璃。

根据本发明第二方面实施例的一种适用于不同物距的高分辨率FA镜头，包括镜筒，以及设置在镜筒内的所述适用于不同物距的高分辨率光学系统。

根据本发明第二方面实施例的适用于不同物距的高分辨率光学系统，至少具有如下有益效果：通过设置不同结构的镜片组合，并合理分配各个镜片的光焦度，获得高清分辨率的同时，实现了视讯镜头的低畸变和高相对照度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明第一方面实施例的高分辨率光学系统示意图；

图2为本发明第一方面实施例的高分辨率光学系统MTF曲线图；

图3为本发明第一方面实施例的高分辨率光学系统在物距为300mm时的rayfan曲线图；

图4为本发明第一方面实施例的高分辨率光学系统在物距为300mm时的畸变曲线图；

图5为本发明第一方面实施例的高分辨率光学系统在物距为300mm时的相对照度曲线图；

图6为本发明第一方面实施例的高分辨率光学系统在物距为800mm时的MTF曲线；

图7为本发明第一方面实施例的高分辨率光学系统在物距为800mm时的rayfan曲线；

图8为本发明第一方面实施例的高分辨率光学系统在物距为800mm时的畸变曲线；

图9为本发明第一方面实施例的高分辨率光学系统在物距为800mm时的相对照度曲线。

附图标记：

第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、光阑STO、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8,、第九透镜9、感光芯片10。

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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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发明和简化描述，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发明的限制。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参考图1所示，为本技术方案第一方面实施例的一种适用于不同物距的高分辨率光学系统，包括自物侧至相侧依次设置的：第一透镜1，其具有正光焦度；第二透镜2，其具有负光焦度且与所述第一透镜1间隔设置；第三透镜3，其具有负光焦度且一侧边缘与所述第二透镜2边缘承靠；第四透镜4，其具有正光焦度且与所述第三透镜3组成粘合透镜；第五透镜5，其具有正光焦度且与所述第四透镜4间隔设置；第六透镜6，其具有正光焦度且与所述第五透镜5间隔设置；光阑STO，其与所述第六透镜6间隔设置并用于限制光束口径；第七透镜7，其具有负光焦度且与所述光阑STO间隔设置；第八透镜8，其具有正光焦度且与所述第七透镜7组成粘合透镜；第九透镜9，其具有正光焦度且与所述第八透镜8间隔设置；感光芯片10，其与所第九透镜9间隔设置，用于捕捉成像信号并形成图像。

基于上述方案，本实施例通过设置不同结构的镜片组合，并合理分配各个镜片的光焦度，适用于1/1.7英寸的大靶面芯片，且适用于不同物距，工作距离为0.1m～∞，获得高清分辨率的同时，实现了光学系统的低畸变和高达80％以上的相对照度。

在本发明第一方面的一些实施例中，所述第一透镜1为双凸透镜；第二透镜2为弯月形透镜，朝向物侧的一面为凸面，朝向像侧的一面为凹面；第三透镜3为双凹型透镜；第四透镜4为双凸型透镜；第五透镜5、第六透镜6均为双凸型透镜；第七透镜7为双凹型透镜，第八透镜8为双凸型透镜，第九透镜9为双凸型透镜。

在本发明第一方面的一些实施例中，所述高分辨率光学系统满足以下关系式

3<f₁/f<5；

-3<f₂/f<-1；

-5<f_3-4/f<-2；

1<f₅/f<3；

2<f₆/f<5；

-3<f_7-8/f<-1；

1<f₉/f<3；

其中，f为高分辨率光学系统的焦距，f₁为第一透镜1的焦距，f₂为第二透镜2的焦距，f_3-4为第三透镜3和第四透镜4的组合焦距，f₅为第五透镜5的焦距，f₆为第六透镜6的焦距，f_7-8为第七透镜7和第八透镜8的组合焦距，f₉为第九透镜9的焦距。

本实施例中各镜片光焦度具有合理的分配比例，前组的第一透镜具有正的光焦度，可以将轴外光束向光轴聚焦，从而降低轴外光束到达第二透镜2(负光焦度)的高度，加上第一透镜1和第二透镜2之间较长的空气间隔，形成良好的校正场曲的型式；第二透镜2和第三透镜3都是负光焦度透镜，光束经过它们的发散之后，在第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6处口径变得比较大，因此连续采用两片正光焦度的第五透镜5、第六透镜6来校正降低相对口径，从而减小球差的影响。第九透镜9具有正的光焦度，可以减小最终光线在像面上的入射角，有利于提高相对照度；光学系统前组和后组在光阑前后拉开一定距离，有利于光线达到需要的像面高度。在本发明第一方面的一些实施例中，所述高分辨率光学系统满足以下关系式

Nd₁≤1.7；

Nd₂≤1.7；

|Nd₃-Nd₄|≥0.1；

Nd₅≥1.8；

Nd₆≥1.8；

|Nd₇-Nd₈|≥0.2；

Nd₉≥1.6；

其中，Nd₁为第一透镜1的折射率，Nd₂为第二透镜2的折射率，Nd₃为第三透镜3的折射率，Nd₄为第四透镜4的折射率，Nd₅为第五透镜5的折射率，Nd₆为第六透镜6的折射率，Nd₇为第七透镜7的折射率，Nd₈为第八透镜8的折射率，Nd₉为第九透镜9的折射率。

本实施例中，满足上述折射率关系的透镜组合结构，有利于实现光焦度合理分配，能较好的平衡球差、彗差、场曲、色差，从而产生高解像力、色彩不失真的高质量成像画面。

在本发明第一方面的一些实施例中，所述高分辨率光学系统满足以下关系式

Vd₁≥50；

Vd₂≥50；

|Vd₃-Vd₄|≥30；

Vd₅≥30；

Vd₆≥30；

|Vd₇-Vd₈|≥30；

Vd₉≥30；

其中，Vd₁为第一透镜1的色散系数，Vd₂为第二透镜2的色散系数，Vd₃为第三透镜3的色散系数，Vd₄为第四透镜4的色散系数，Vd₅为第五透镜5的色散系数，Vd₆为第六透镜6的色散系数，Vd₇为第七透镜7的色散系数，Vd₈为第八透镜8的色散系数，Vd₉为第九透镜9的色散系数。

由于轴外光束在第一片上的入射高度较大，容易产生较大的垂轴色差，因此第一透镜1选用色散系数较低的材料有利于减小轴外色差；中心视场的边缘光线经过第二透镜2和第三透镜3的发散后在第五透镜5和第六透镜6上孔径增大，因此第五透镜5和第六透镜6选用高折射率的材料有利于减小球差和彗差造成的影响，同时有利于减小自身的场曲；光线在经过光阑前后一段较长距离的传播后，色散变得严重，因此第七透镜7和第八透镜8组成一个粘合透镜，尤其是第八透镜8采用超低色散材料，通过较高的色散系数差值来降低色差带来的影响。

在本发明第一方面的一些实施例中，所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9均采用玻璃材质透镜，相比塑胶材质，对可见光的透过率更高，最终光能损失较少，成像的通透性更好，同时玻璃材质不容易老化变形，使用寿命更长。

在本发明的一些实施例中，通过尽量少设置渐晕或不设置渐晕，使周边视场光线尽量多的通过镜头到达芯片表面，从而使得镜头获得较高的相对照度，保证像面亮度的整体均匀性和通透性。

在本发明第一方面的一些实施例中，所述第九透镜9和所述感光芯片10之间依次设置有滤光片。在本发明第一方面的一些实施例中，所述滤光片和所述感光芯片10之间依次设置有保护玻璃。滤光片能衰减一部分长波和杂散光，防止感光芯片受到红外线的干扰，从而使图像像质清晰，色彩亮丽；保护玻璃可以保护芯片免受外力的直接破坏。

在本发明的一些实施例中，可适用于不同物距的高分辨FA镜头的焦距f＝12mm，FNO＝2.4，可搭配用于1/1.7”的感光芯片。

本实施例镜头具体参数如下表1所示：

面编号	半径R	厚度	折射率Nd	阿贝数Vd
					物面	Infinity	Infinity	-	-
S1	112.67	3	≤1.7	≥50
					S2	-50.0873	2.6762	-	-
S3	35.6890	2	≤1.7	≥50
					S4	7.35	3.3	-	-
S5	-7.17	1.9	≥1.5	≤50
					S6	22.612	4	≤1.5	≥30
S7	-9.111	0.6427	-	-
					S8	17.4	2.5	≥1.8	≥30
S9	-195	0.06	-	-
					S10	26.5117	1.8	≥1.8	≥30
S11	58.852	6.8572	-	-
					光阑	Infinity	1.8	-	-
S13	-11.29	0.8	≥1.8	≤50
					S14	11.29	2.4	≥1.5	≥60
S15	-9.195	0.1	-	-
					S16	23.844	2	≥1.6	≥50
S17	-23.844	1.5	-	-
					S18	像面	-	-	-

表1

在上表1中，半径R、厚度的单位均为毫米。

对于此固定焦距的镜头，采用浮动调焦的方式来满足针对不同物距都能良好成像的要求。本发明的一个实施例是从光阑将系统分为前后两组，通过调整两组之间的距离(即S11的厚度)和后焦达到此目的。具体的调整量如下表2所示：

表2

图2至图5为本发明实施例在物距为300mm时的光学性能图，其中图2为光学系统在物距为300mm时的MTF曲线，用来评价光学系统的分辨能力，从图中曲线可以看出整个视场MTF在200lp/mm处均大于0.3，具有极好的分辨能力，能用于高像素芯片，且0.7视场以内轴上和轴外MTF曲线趋势基本一致；图3为光学系统在物距为300mm时的rayfan曲线，用来分析光线经过系统成像后存在的像差类型和大小，从图中可以看出，中心视场的球差和色差已经校正的很好，轴外视场的表现基本一致，残余少量的彗差对成像质量的影响不大；图4为光学系统在物距为300mm时的畸变曲线，全视场时畸变仅为-0.4％，畸变量很小，保证成像画面出现尽量小的形变量；图5为光学系统在物距为300mm时的相对照度曲线，全视场相对照度为80％，较高的相对照度能保证整体画面亮度的均匀性，即使在画面边角也不会存在暗角。此外，作为对比，本方案还提供了如图6至图9在物距为300mm时的光学性能图。

根据本发明第二方面实施例的一种适用于不同物距的高分辨率FA镜头，包括镜筒，以及设置在镜筒内的所述适用于不同物距的高分辨率光学系统，通过设置不同结构的镜片组合，并合理分配各个镜片的光焦度，获得高清分辨率的同时，实现了视讯镜头的低畸变和高相对照度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种适用于不同物距的高分辨率光学系统，其特征在于：包括自物侧至相侧依次设置的

第一透镜(1)，其具有正光焦度；

第二透镜(2)，其具有负光焦度且与所述第一透镜(1)间隔设置；

第三透镜(3)，其具有负光焦度且一侧边缘与所述第二透镜(2)边缘承靠；

第四透镜(4)，其具有正光焦度且与所述第三透镜(3)组成粘合透镜；

第五透镜(5)，其具有正光焦度且与所述第四透镜(4)间隔设置；

第六透镜(6)，其具有正光焦度且与所述第五透镜(5)间隔设置；

光阑(STO)，其与所述第六透镜(6)间隔设置并用于限制光束口径；

第七透镜(7)，其具有负光焦度且与所述光阑(STO)间隔设置；

第八透镜(8)，其具有正光焦度且与所述第七透镜(7)组成粘合透镜；

第九透镜(9)，其具有正光焦度且与所述第八透镜(8)间隔设置；

感光芯片(10)，其与所第九透镜(9)间隔设置，用于捕捉成像信号并形成图像；

所述第一透镜(1)为双凸透镜；第二透镜(2)为弯月形透镜，朝向物侧的一面为凸面，朝向像侧的一面为凹面；第三透镜(3)为双凹型透镜；第四透镜(4)为双凸型透镜；第五透镜(5)、第六透镜(6)均为双凸型透镜；第七透镜(7)为双凹型透镜，第八透镜(8)为双凸型透镜，第九透镜(9)为双凸型透镜；

所述高分辨率光学系统满足以下关系式：Nd₁≤1.7；Nd₂≤1.7；|Nd₃-Nd₄|≥0.1；Nd₅≥1.8；Nd₆≥1.8；|Nd₇-Nd₈|≥0.2；Nd₉≥1.6；其中，Nd₁为第一透镜(1)的折射率，Nd₂为第二透镜(2)的折射率，Nd₃为第三透镜(3)的折射率，Nd₄为第四透镜(4)的折射率，Nd₅为第五透镜(5)的折射率，Nd₆为第六透镜(6)的折射率，Nd₇为第七透镜(7)的折射率，Nd₈为第八透镜(8)的折射率，Nd₉为第九透镜(9)的折射率；

所述高分辨率光学系统满足以下关系式：Vd₁≥50；Vd₂≥50；|Vd₃-Vd₄|≥30；Vd₅≥30；Vd₆≥30；|Vd₇-Vd₈|≥30；Vd₉≥30；其中，Vd₁为第一透镜(1)的色散系数，Vd₂为第二透镜(2)的色散系数，Vd₃为第三透镜(3)的色散系数，Vd₄为第四透镜(4)的色散系数，Vd₅为第五透镜(5)的色散系数，Vd₆为第六透镜(6)的色散系数，Vd₇为第七透镜(7)的色散系数，Vd₈为第八透镜(8)的色散系数，Vd₉为第九透镜(9)的色散系数；

所述高分辨率光学系统满足以下关系式：3<f₁/f<5；-3<f₂/f<-1；-5<f_3-4/f<-2；1<f₅/f<3；2<f₆/f<5；-3<f_7-8/f<-1；1<f₉/f<3；其中，f为高分辨率光学系统的焦距，f₁为第一透镜(1)的焦距，f₂为第二透镜(2)的焦距，f_3-4为第三透镜(3)和第四透镜(4)的组合焦距，f₅为第五透镜(5)的焦距，f₆为第六透镜(6)的焦距，f_7-8为第七透镜(7)和第八透镜(8)的组合焦距，f₉为第九透镜(9)的焦距。

2.根据权利要求1所述的适用于不同物距的高分辨率光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)、第六透镜(6)、第七透镜(7)、第八透镜(8)、第九透镜(9)均采用玻璃材质透镜。

3.根据权利要求1所述的适用于不同物距的高分辨率光学系统，其特征在于：所述第九透镜(9)和所述感光芯片(10)之间依次设置有滤光片。

4.根据权利要求3所述的适用于不同物距的高分辨率光学系统，其特征在于：所述滤光片和所述感光芯片(10)之间依次设置有保护玻璃。

5.一种适用于不同物距的高分辨率FA镜头，其特征在于：包括镜筒，以及设置在镜筒内的如权利要求1至4任一所述的高分辨率光学系统。

Images