CN1158428A - 用于头可分离型电荷耦合器件摄像机的透镜系统 - Google Patents

Abstract

一种头可分离式电荷耦合器件(CCD)摄像机的远摄型透镜系统，包括一个具有正焦距的第一透镜组，一个具有负焦距的第二透镜组，和一个第三透镜组。第一透镜组有一个面向目标的第一凸透镜表面和一个背凸面。第三透镜组包括一个具有负焦距的第二透镜，其与具有正焦距的第一透镜相连接。通过本发明可获得大于29°的图像角和高分辨率。

Description

用于头可分离型电荷耦合器 件摄像机的透镜系统

本发明是关于一种用于普通监视的头分离式电荷耦合器件(CCD)摄像机的远摄型透镜系统和标准型透镜系统。

CCD摄像机透镜系统一般采用任选透镜，如望远透镜，广角透镜等，用CCD技术，能够获得高分辨率。为固定透镜，CCD摄像机有一个透镜支架，典型的支架是C形支架和CS形支架，任选透镜一般是负焦距型透镜。

负焦距型透镜的光学性能如下：第一，如果畸变像差是负值，其对于图像角大于60°的广角透镜是增大。第二，后焦距增大，从而难以通过像差平衡的改善而得到高分辨率。第三，负焦距型透镜系统需要在前面位置安排一个高折射的凹透镜。这增大了球面像差系数的绝对值，球面像差系数表示在透镜中心的中心焦点和透镜周边面的焦点之间的差。因此必须用一种方法来校正后面部位的像差。

由于这些性能致使很难获得一种用在工厂自动化(FA)中的高分辨率的CCD摄像机，而且一个能满足高分辨率要求的透镜系统，其结构不紧凑和笨重。致力于这些问题，FA CCD摄像机使用一种被设计成尺寸非常小并且很轻的透镜系统。此外，CCD摄像机的使用在FA和用于监测各种机器的正常运行的监测系统装置迅速增加。这些装置包括一个头可分离的透镜系统，该系统使用一根连接导线使得透镜支架和透镜系统可以分离。

本发明的一个目的是提供一种FA CCD摄像机的远摄型透镜系统，其图像角大于29°并有高分辨率。

本发明的另一个目的是提供一种头可分离的CCD摄像机的标准型透镜系统，其图像角大于63°并有高分辨率。

本发明的其它目的和优点将在后面的说明中陈述，部分将通过说明变得很明显，也可以通过本发明的实施了解到。本发明的目的和优点可借助于权利要求中所指出的部件和组合来实现和获得。

为实现本发明的目的，按照实施例和广意的描述，本发明由一种头可分离式电荷耦合器件(CCD)摄像机的远摄型透镜系统构成。该系统包括一个具有正焦距的第一透镜组，一个具有负焦距的第二透镜组，和一个第三透镜组。第一透镜组有一个面向目标的第一凸透镜表面和一个背(upper)凸面。第三透镜组有一个正焦距的第一透镜和一个与第一透镜相连接的具有负焦距的第二透镜。

按照本发明的另一个实施例，本发明由一种头可分离的CCD摄像机的标准型透镜系统组成。该系统包括由具有负焦距的第一透镜和第二透镜组成的第一透镜组，两面凸出具有正焦距的第二透镜组，由第一透镜、第二透镜、和第三透镜组成的第三透镜组。第一透镜组的第一个透镜有一个面向目标的第一凸透镜表面和一个负焦距的背凹面。第一透镜组的第二个透镜有一个负焦距的背凹面。第三透镜组的第一个透镜两侧面凹入有一个负焦距。第三透镜组的第二个透镜有一个背凸面其具有正焦距，第三透镜组的第三个透镜两侧面凸起具有正焦距。

上面的一般描述和下面的详细描述仅仅是示范的例子，并不是对本发明的限定。

作为说明书一部分的附图描述了本发明的一个最佳实施例，附图与说明书一起用来解释本发明的目的、优点和原理。

图1是按照本发明的一个实施例的说明一种CCD摄像机的远摄形透镜系统结构的示意图；

图2是说明图1所示透镜系统的球面像差的曲线图；

图3是说明图1所示透镜系统的像散像差的曲线图；

图4是说明图1所示透镜系统的畸变像差的曲线图；

图5是说明图1所示透镜系统的色差的曲线图；

图6是按照本发明的第二个实施例说明一种CCD摄像机的标准型透镜系统结构的示意图；

图7是说明图6所示透镜系统的球面像差的曲线图；

图8是说明图6所示透镜系统的像散像差的曲线图；

图9是说明图6所示透镜系统的畸变像差的曲线图；

图10是说明图6所示透镜系统的色差的曲线图。

现在结合图1-5对按照本发明第一个实施例的一种CCD摄像机的远摄型透镜系统作详细说明。

图1表示本发明的一种远摄型透镜系统的实施例，通常用20表示该系统。

如附图1所示，实施例的远摄型透镜系统包括第一透镜组I1，它具有朝向目标的第一凸透镜面r1、一个背凸面r2和一个正焦距。第二透镜组II1朝向目标有一负焦距，第三透镜组III1有一个正焦距的第一透镜1和一个负焦距的第二透镜2。在第二透镜组II1和第三透镜组III1之间有一个可变光阑3。在第三透镜组III1的后面装有滤光镜4。由此，本实施提供了一种具有固定焦点的远摄型透镜系统20，其包括由四个透镜构成的三个透镜组。

第一透镜组I1包括一个有正焦距的凸透镜。第二透镜组II1包括一个有负焦距的凹透镜。第三透镜组III1包括二个分别具有正焦距和负焦距的第一透镜1和第二透镜2。从而得到一个其长度足适合于头可分离型CCD摄像机的后焦距。本实施例的远摄型透镜系统满足下列关系： $0.3<\frac{\mathrm{Fb}}{F}<0.6----\left(1\right)$ $0.2<\frac{d5}{d4}<0.5----\left(2\right)$

F表示透镜系统20的合成焦距，Fb是后焦距，d4是第二透镜组II1和可变光阑3之间的距离，d5是在可变光阑3和第三透镜组III1的第一透镜1之间的中心距离。

式(1)用于确定第一透镜组I1和第二透镜组II1的合成焦距和后焦距，以使远摄型透镜系统20紧凑。例如，如果值超过上限，则畸变像差率增大。要校正该像差很困难。因此，透镜系统的性能常常被降低。如果值低于下限，像差校正能很容易地完成，然而就难以得到彩色、黑/白二用的透镜系统所需的适当的后焦距。

式(2)确定了在第二透镜组II1和可变光阑3之间及可变光阑3和第三透镜组III1的第一透镜1之间操作可允许的距离。在这种情况下，如果值超过上限，保证了可变光阑3有足够的操作可允许的距离，但使矫正像差变得困难。如果值低于下限，像差校正变得容易，从而改进了透镜系统20的性能，但是使可变光阑3的安装变得十分困难。

此外，本实施例的远摄型透镜系统满足下关系式： $3.0<\&lsqb;\underset{I=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{F_G{3}_I}\&times;\frac{1}{{\mathrm{vd}}_{\mathrm{GI}}}\&times;{10}^2\&rsqb;<7.0----\left(2\right)$

F_G3_I表示当从目标一侧数起时第三透镜组III1的第“i”个透镜的焦距，vd_GI是上面第“i”个透镜的色散系数I

公式(3)用于校正色差，色差是光学透镜的引起彩色条纹的缺陷，原因是透镜材料导致不同颜色的光线聚焦在不同的点上，如果值偏离公式的范围，导致在透镜的离开光轴的上面部分色差增大。要校正带有蓝色波长的g-线的色差尤其困难。

此外，本发明的头可分离型CCD摄像机的远摄型透镜系统满足下面关系式： $80<\&lsqb;\underset{I=1}{\overset{9}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{d_I}\&times;F\&rsqb;<92----\left(4\right)$ $10<\&lsqb;\underset{I=1}{\overset{9}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{d_I}\&times;\mathrm{Fb}\&rsqb;<15----\left(5\right)$

d_I代表第“i”个透镜的中心距离，F是透镜系统20的合成焦距，Fb是透镜系统20的后焦距。

公式(4)和(5)用于限定整个透镜系统的长度以及第二透镜组II1的长度。当这些关系不能满足时，不能得到一个紧凑的结构和容易的进行校正像差。并且，在这种情况下，不能保证后焦距，因此难于得到一个彩色、黑/白图像两用的透镜系统的结构。

表1显示了本实施例的一种特征值，此时，透镜号F_NO是2.0，合成焦距F是12.244，后焦距Fb是5.8938，像角W是28.83°。在表1中，标号r_i(i＝1，2，…)表示每个透镜表面的曲率半径，d_i(i＝1，2，…)代表二个相邻透镜表面之间的距离或宽度，nd_i是每个透镜对波长“d”的折射率，vd_i是每个透镜对波长“d”的色散系数。

                             表1

透镜表面号        r           d          nd          vd

  1              6.515       2.11      1.80420      46.50

  2              85.420      1.09

  3             -11.5041     0.70      1.64769      33.84

  4              4.259       2.14

  5              ∞          0.60      1.77250      49.62

  6              17.147      2.55

  7             -4.988       0.7       1.80518      25.46

  8              8.2180      0.0

  9              ∞          3.46      1.51680      64.20

  10             ∞

现在结合图6-10对按照本发明第二个实施例的一种CCD摄像机的标准型透镜系统作详细说明。

如图6所示，标准型透镜系统22包括第一透镜组I2、第二透镜组II2和第三透镜组III2。在第二透镜组II2和第三透镜组III2之间有可变光阑24，在第三透镜组III2的后面装有滤光镜26。第一透镜组I2包括有一个负焦距的第一个透镜Ia，它的朝向目标的表面是第一凸透镜面r1，背表面r2是凹面。第一透镜组I2的第二透镜Ib背表面r4是凹面，有一个负焦距，这样所产生的合成焦距为负值。第二透镜组II2由于两侧表面r5，r6是凸面，有一个正焦距。第三透镜组III2包括第一透镜IIIa、第二透镜IIIb和第三透镜IIIc，第一透镜IIIa两侧表面r8、r9是凹面，有一个负焦距；第二透镜IIIb背表面r11是凸面，有一个正焦距；第三透镜IIIc两侧表面r12、r13是凸面，有一个正焦距。

如实施例本发明的标准型透镜系统的由六个透镜组成的三个透镜组，有一个固定的焦距。透镜组I2，II2，III2分别有负焦距，正焦距和正焦距。第一透镜组I2的第一透镜Ia是一个具有负焦距的凹透镜(相对于目标)，第二个透镜有正焦距。第三透镜组III2包括一个其边缘与一凸透镜边缘相接的凹透镜和位于它们后面的另一个凸透镜。这样，保证了后焦距足以满足一种用于工厂自动化(FA)的头可分离型CCD摄像机的标准型透镜系统。

标准型透镜系统应满足下列关系： $0.9<\frac{\mathrm{Fb}}{F}<1.3---\left(6\right)$ $0.8<\frac{d7}{d6}<1.2---\left(7\right)$

F表示透镜系统的合成焦距，Fb是后焦距，d6是第二透镜组II2和可变光阑24之间的距离，d7是在可变光阑24和第三透镜组III2的第一透镜IIIa之间的中心距离。

式(6)用于确定合成焦距和后焦距，以便能得到一种紧凑透镜系统。在这种情况下，如果值超过上限，则畸变像差增大。要校正这种像差很困难。因此，透镜系统的性能被降低。如果值低于下限，像差校正能很容易地完成。然而就难以保证彩色、黑/白二用的透镜系统所需的后焦距。

式(7)确定了安装可变光阑24的操作范围间距，在第一透镜组(即第一透镜组I2和第二透镜组II2)和后透镜组(即第三透镜组III2)之间。在这种情况下，如果值超过上限，保证了可变光阑24的足够的操作间距，但使像差的校正变得困难。如果值低于下限，像差校正变得容易，从而改进了透镜系统的性能，但是难以获得安装可变光阑24的间距。

此外，本实施例的标准型透镜系统满足下关系式： $0.1<\&lsqb;\underset{I=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{F_{\mathrm{GI}}}\&times;\frac{1}{{\mathrm{vd}}_{\mathrm{GI}}}\&times;{10}^2\&rsqb;<-0.3----\left(8\right)$

F_GI表示当从目标一侧数起时第一透镜组I2的第“i”个透镜的焦距，vd_GI是从目标数起时第三透镜组III2的第“i”个透镜的色散系数。

公式(8)用于校正色差，这是光学透镜引起彩色条纹的缺陷，原因是透镜材料导致不同颜色的光线聚焦在不同的点上，如果值偏离公式的范围，导致在透镜的离开光轴的上面部分色差增大。要校正带有蓝色波长的g-线的色差尤其困难。

此外，本发明的头可分离型CCD摄像机的标准型透镜系统满足下面关系式： $10<\&lsqb;\underset{I=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{d_I}\&times;F\&rsqb;<20----\left(9\right)$ $80<\&lsqb;\underset{I=8}{\overset{13}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{d_I}\&times;\mathrm{Fb}\&rsqb;<100----\left(10\right)$

d_I代表第“i”个透镜的中心距离，F是透镜系统22的合成焦距，Fb是透镜系统22的后焦距。

公式(9)和(10)用于限定整个透镜系统22的长度以及第二透镜组II2的长度。当这些关系不能满足时，不能得到一个紧凑的结构和容易的进行像差校正，并且，在这种情况下，不能保证后焦距，因此难于形成一个彩色、黑/白图像二用的透镜系统。

表2显示了本实施例的一种特征值，此时，透镜号F_NO是1.6，合成焦距F是5.5237，后焦距Fb是5.7602，图像角W是63.31°。在表2中，标号r_i(i＝1，2，……)表示每个透镜表面的曲率半径，d_i(i＝1，2，…)代表二个相邻透镜表面之间的距离或宽度，nd_i是每个透镜对波长“d”的折射率，vd_i是每个透镜对波长“d”的色散系数。

                             表2透镜表面号         r           d             nd           vdI.             11.410       1.30         1.48749       70.44II.            4.635        1.26         1.51680       64.20III.           27.311       0.80         1.84300       37.34IV.            5.257        3.25         1.84666       23.78V              12.625       2.19         1.62041       60.34VI.           -16.994       2.01         1.58913       61.25VII.           ∞           1.91VIII.         -16.7220      0.70IX.            10.376       0.24X.             32.133       1.94XI.           -6.825        0.10XII.           9.282        2.30XIII.         -15.452       0.00XIV            ∞           3.46XV.            ∞

这里提供了用于头可分离型CCD摄像机的标准型透镜系统，它的图像角大于69°，并得到高分辨率图像。还提供了具有tessa型透镜组的远摄型透镜系统，它的图像角大于29°，并能得到高分辨率图像。

本发明的其它实施对本领域的技术人员来说根据说明书和这里所公开的发明的实施例将是很显然的。说明书所说的仅仅是示范性的，权利要求书指出了本发明的确实的范围和精神。

Claims (8)

1、一种头可分离型电荷耦合器件(CCD)摄像机的远摄型透镜系统，包括：

一个具有正焦距的第一透镜组，所述第一透镜组有一个面向目标的第一凸透镜表面和一个背凸面；

一个第三透镜组，所述第三透镜组包括一个具有正焦距的第一透镜和一个与第一透镜相连接的具有负焦距的第二透镜，第一透镜的位置比第二透镜更接近第一透镜组；和

一个具有负焦距的第二透镜组，其位于第一透镜组和第三透镜组之间。

2、按照权利要求1所说的系统，满足下列关系： $0.3<\frac{\mathrm{Fb}}{F}<0.6$ $0.2<\frac{d5}{d4}<0.5$

其中，F表示透镜系统的合成焦距，Fb是后焦距，d4是第二透镜组和位于第二透镜组与第三透镜组之间的可变光阑之间的距离，d5是在可变光阑和第三透镜组的第一透镜之间的中心距离。

3、按照权利要求1所说的系统，满足下列关系： $3.0<\&lsqb;\underset{I=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{F_G{3}_I}\&times;\frac{1}{{\mathrm{vd}}_{\mathrm{GI}}}\&times;{10}^2\&rsqb;<7.0$

其中，F_G3_I表示当从目标一侧数起时第三透镜组的第“i”个透镜的焦距，vd_GI是上述第“i”个透镜的色散系数。

4、按照权利要求1所说的系统，满足下列关系： $80<\&lsqb;\underset{I=1}{\overset{9}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{d_I}\&times;F\&rsqb;<92$ $10<\&lsqb;\underset{I=1}{\overset{9}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{d_I}\&times;\mathrm{Fb}\&rsqb;<15$

其中，d_I代表第“i”个透镜的中心距离，F是透镜系统的合成焦距，Fb是透镜系统的后焦距。

5、一种头可分离的CCD摄像机的标准型透镜系统，包括：

第一透镜组，包括具有负焦距的第一透镜和第二透镜，第一透镜组的第一个透镜有一个面向目标的第一凸透镜表面和一个背凹面，具有负焦距，第一透镜组的第二个透镜离开目标的距离比第一透镜远，所述第二透镜有一个背凹面，具有负焦距；

第三透镜组，包括第一透镜、第二透镜、和第三透镜，第三透镜组的第一个透镜两侧面凹入有一个负焦距。第三透镜组的第二个透镜有一个背凸面具有正焦距，第三透镜组的第三个透镜两侧面凸起具有正焦距，第二透镜位于第一透镜和第三透镜之间，第一透镜的位置比第二透镜更接近第一透镜组；和

第二透镜组，其两侧面凸出具有正焦距，第二透镜组位于第一透镜组和第三透镜组之间。

6、按照权利要求5所说的系统，满足下列关系： $0.9<\frac{\mathrm{Fb}}{F}<1.3$ $0.8<\frac{d7}{d6}<1.2$

其中，F表示透镜系统的合成焦距，Fb是后焦距，d6是在第二透镜组和位于第二透镜组与第三透镜组之间的可变光阑之间的距离，d7是在可变光阑和第三透镜组的第一透镜之间的中心距离。

7、按照权利要求5所说的系统，满足下列关系： $0.1<\&lsqb;\underset{I=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{F_{\mathrm{GI}}}\&times;\frac{1}{{\mathrm{vd}}_{\mathrm{GI}}}\&times;{10}^2\&rsqb;<-0.3$

其中，F_GI表示当从目标一侧数起时第一透镜组的第“i”个透镜的焦距，vd_GI是从目标数起时第三透镜组的第“i”个透镜的色散系数。

8、按照权利要求5所说的系统，满足下列关系： $10<\&lsqb;\underset{I=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{d_I}\&times;F\&rsqb;<20$ $80<\&lsqb;\underset{I=8}{\overset{13}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{d_I}\&times;\mathrm{Fb}\&rsqb;<100$

d_I代表第“i”个透镜的中心距离，F是透镜系统的合成焦距，Fb是透镜系统的后焦距。

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