CN203133374U - 新型光路偏折摄像镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新型光路偏折摄像镜头。本实用新型目的一是提供一种能实现一次成像的新型光路偏折摄像镜头；目的二是提供一种能实现光路偏折的摄像镜头，又满足广角、孔径大和达到高清晰度成像质量的新型光路偏折摄像镜头。本实用新型的目的通过如下技术方案实现：一种新型光路偏折摄像镜头，它包括由物侧至像侧依序包含前组镜头M、反射镜、第四透镜和后组镜头N；所述为第四透镜为带正光焦度的近距离成像的中继透镜R。本实用新型的优点是：采用在广角反远距型镜头的前、后组之间增加一片带正光焦度的近距离成像的中继透镜的新方案，实现了用一次成像的光学结构拉大了透镜间的空气间隔，满足光路偏折所需的空间，缩短了沿轴向的光学长度。

Description

新型光路偏折摄像镜头

技术领域

本实用新型涉及一种新型光路偏折摄像镜头。

背景技术

现有绝大多数视频监控系统可安装的空间较大，因此不需要缩短沿光轴方向的总长度，这样可使配套的大孔径、广角高清和长后工作距的要求比较容易实现，结构也简单。但在一些特殊场合（如受到安装壁厚的限制），只能把摄像头安装成与光轴垂直或其他角度。由于广角视频监控摄像镜头的焦距都比较短，要由它做到后截距很长（如后截距是焦距的4至5倍），以实现光路的偏折是比较难的。通常的解决方案是采用广角前置物镜与场镜和中继透镜相接进行二次成像的方式，使得场镜与中继透镜之间形成够大的空间进行光路的偏折，如图1，这种方案在针孔视频监控镜头和长度较长的投影系统得到较好的应用。但是，由于中继透镜承担的轴上孔径偏角较大和光栏球差校正不良，使得这种方案难于应用在孔径很大和清晰度要求很高的摄像系统。

实用新型内容

本实用新型的目的一是提供一种能实现一次成像的新型光路偏折摄像镜头。

本实用新型的目的二是提供一种能实现光路偏折的摄像镜头，又能满足广角、孔径大和达到高清晰度成像质量的新型光路偏折摄像镜头。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：一种新型光路偏折摄像镜头，其特征在于：摄像镜头包括由物侧至像侧依序包含前组镜头M、反射镜、第四透镜和后组镜头N；所述为第四透镜为带正光焦度的近距离成像的中继透镜R。

采用在广角反远距型镜头的前、后组之间增加一片带正光焦度的近距离成像的中继透镜R，实现了用一次成像的光学结构拉大了透镜间的空气间隔，满足光路偏折所需的空间的新方案。新的“一次成像”光学结构，与通常采用“二次成像”实现光路偏折的光学结构比，它具有镜片数少，结构简单，不存在难以校正的“光栏球差”等问题，在视场大于60°，孔径大于F1.6、后截距大于2f＇、栏光比小的诸多条件下，能够达到视频监控摄像高清晰度成像高质量要求。

进一步地，所述摄像镜头的中继透镜R满足下列关系式（按归一化焦距设置）：

0.8<│M＇R│<4……（1）

其中，M＇R表示中继透镜R的缩小倍率；

进一步地，所述摄像镜头还满足下列关系式（按归一化焦距值设置）：

0.05<hp1/f＇前<0.1……（2）

其中f＇前表示前组镜头M的合焦距；hp1表示光学系统的入瞳半径。

进一步地，所述摄像镜头还满足下列关系式：

3<d6<4………(3)

以di（i=1，2，3……18）表示透镜厚度和透镜（或光栏前后）的空气间隔，d6为第三透镜与反射镜空气间隔的距离。

进一步地，所述摄像镜头还满足下列关系式：

3.2<f＇后<3.6……（4）

f＇后表示后组镜头N的合焦距；

进一步地，所述前组镜头M由物侧至像侧依序包含镜片为凸凹正透镜的第一透镜、镜片为双凹负透镜的第二透镜、镜片为凸凹正透镜的第三透镜；

所述后组镜头N由物侧至像侧依序包含镜片为凸凹负透镜的第五透镜、镜片为双凸正透镜的第六透镜、镜片为凸凹正透镜的第七透镜；

进一步地，所述摄像镜头还满足下列关系式（按归一化焦距值设置）：

1.74<n1<1.82，25<v1<28……（5）

1.63<n4<1.73，45<v4<53……(6)

1.61<n7<1.66，53<v7<61………(7)

以ni、vi（i=1，2，3……7）表示镜头中各透镜所采用的玻璃的折射率和相应的阿贝系数，n1、v1表示第一透镜采用的玻璃的折射率和相应的阿贝系数，n4、v4表示第四透镜采用的玻璃的折射率和相应的阿贝系数，n7、v7表示第七透镜采用的玻璃的折射率和相应的阿贝系数。

进一步地，所述第一透镜至第七透镜的光学材料依序为：H-ZF6、H-ZK9A、H-LAK7、H-ZbaF5、H-ZF7LA、H-LaK12、H-ZbaF5。

进一步地，所述第一透镜与物像之间还设置有一片耐辐照含铅玻璃ZF6和一片能大幅度衰减中子辐射的硼系玻璃，所述第一透镜至第七透镜的光学材料依序为：含铅玻璃的ZF6、H-ZK9A、H-LAK7、H-ZbaF5、含铅玻璃的ZF7、H-LaK12、H-ZbaF5。

再进一步地，所述第五透镜与第六透镜组成胶合组；所述第七透镜接近齐明条件。

较之现有技术而言，本实用新型的优点在于：采用在广角反远距型镜头的前、后组之间增加一片带正光焦度的近距离成像的中继透镜的新方案，实现了用一次成像的光学结构拉大了透镜间的空气间隔，满足光路偏折所需的空间，缩短了沿轴向的光学长度。与通常采用“二次成像”实现光路偏折的光学结构比，它具有镜片数少，结构简单，不存在难以校正的“光栏球差”，同时，实现了孔径大（F数≥1.6）、后截距长（>2f＇）和达到高清晰度成像质量（180lp/mm，全口径、全视场、MTF>0.3）要求的广角（视场角大于60°）视频监控摄像镜头，克服了通常采用二次成像方案的不足。采用环保光学玻璃材料时，可用于配套高清晰度安防视频监控摄像；当采用抗耐辐照特殊光学玻璃时，它可用于高清抗辐照视频监控摄像，提高了摄像系统在强辐射条件下的使用寿命。

附图说明

图1是通常采用的广角短焦距实现光路偏折的二次成像方案的光学原理示意图。其中，A1是前置广角短焦物镜，B1为广角短焦物镜的实际光栏，C1是成的中间倒像，D1为场镜，E1为光路偏折的反射镜，F1是中继透镜组，G1是中继透镜组的实际光栏(B1和G1互成共轭成像关系)，H1是系统所成的正像。F1＇、G1＇、H1＇分别是透镜组F1，光栏G1和成像面H1沿偏折前轴向的对应设置和成的像。

图2是本实用新型装置实现广角短焦镜头光路偏折采用的一次成像方案的光学原理示意图。其中a是负透镜前组镜头M成的正虚像，I2是光路偏折反射镜，D2是中继透镜R，b是实际光栏，N是正透镜后组，c是系统所成的倒像。D2＇、b＇、N＇分别是中继透镜R、光栏b和后组镜头N偏折前沿轴向相对应的设置。c＇是c偏折前沿轴向成的像。d＇是D2＇对前组镜头M成的像a的共轭中间像。

图3是本实用新型光学装置的光学镜头结构示意图。其中，A2、B2、C2三片透镜组成新镜头的前组镜头M；D2片是中继透镜R；E2、F2、G2构成新镜头的后组镜头N；H2是摄像器件的保护玻璃；I2为偏折光路用的反射镜。图中的R1、R2……R16分别表示各透镜的球面（或平面）半径。d1、d2……d16表示透镜的厚度或透镜间的空气间隔。实际光栏J2置于中继透镜R和新镜头后组镜头N之间。

图4是本实用新型光学装置用于抗耐强辐照时的光学镜头结构示意图。图4是在图3光学结构前增设了光学材料为含铅ZF6的平行平板玻璃K2和含硼系光学材料的平行平板玻璃L2。新镜头内的H-ZF6和H-ZF7LA环保型玻璃改为含铅的ZF6和ZF7光学材料。

图5是本实用新型光学镜头装置实例的几何光学像差曲线图。其中a是轴向球差曲线图、b是像散曲线图、c是相对畸变曲线图、d是倍率色差曲线图。a的纵坐标是各孔径高与全孔径高的比值；横坐标的单位是mm。b、c、d纵坐标是各视场与全视场角的比值；横坐标的单位分别为mm、%和微米。

图6是本实用新型光学镜头装置实施例在物距为400f＇、全口径、全光谱（d、f、c）条件下的全视场（图中的a）、0.7视场（图中的b）、轴上（图中的c）表示它们的子午和弧矢方向的光学传递函数（MTF）曲线图。横坐标的单位为线对/mm。

图7是本实用新型光学镜头装置实施例在物距为160f＇、全口径、全光谱（d、F、C）条件下的全视场（图中的a）、0.7视场（图中的b）、轴上（图中的c）表示它们的子午和弧矢方向的光学传递函数（MTF）曲线图。横坐标的单位为线对/mm。

图8是本实用新型光学镜头装置实施例的光学机械外形的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本实用新型内容进行详细说明：

图1是通常采用的广角短焦距实现光路偏折的二次成像方案的光学原理示意图，其采用前置广角短焦物镜A1与场镜D1和中继透镜F1相接进行二次成像的方式，使得场镜D1与中继透镜F1之间形成够大的空间进行光路的偏折，这种方案在针孔视频监控镜头和长度较长的投影系统得到较好的应用。但是，由于中继透镜F1承担的轴上孔径偏角较大和光栏球差校正不良，使得这种方案难于应用在孔径很大和清晰度要求很高的摄像系统。

本实用新型采用了与之不同的一次成像光学结构方案，即在广角反远距结构型镜头的基础上，在其光栏前、后组之间插入一片中继正透镜。它把成像在负光胶度前组前焦面上的“物”缩小或放大成像在正光焦度后组后焦面之后，新的“像”点作为后组的“物”，经后组再成像在摄像器件面上。它成的像是倒像，与通常的视频监控摄像镜头一样。

图2是本实用新型装置实现广角短焦镜头光路偏折采用的一次成像方案的光学原理示意图，其采用在广角反远距型镜头的前、后组之间增加一片带正光焦度的近距离成像的中继透镜的新方案，实现了用一次成像的光学结构拉大了透镜间的空气间隔，满足光路偏折所需的空间，缩短了沿轴向的光学长度。同时，实现了孔径大（F数≥1.6）、后截距长（>2f＇）和达到高清晰度成像质量（180lp/mm，全口径、全视场、MTF>0.3）要求的广角（视场角大于60°）视频监控摄像镜头，克服了通常采用二次成像方案的不足。

图3是本实用新型光学装置的一种实施例光学结构示意图。它是由7片透镜和一个反射镜和光栏组成，其所采用的光学材料依次为：H-ZF6、H-ZK9A、H-LaK7、H-ZBaF5、H-ZF7LA、H-LaK12、H-ZK11，其外形依次为：A2是凸凹正透镜、B2是双凹负透镜、C2是凸凹负透镜、D2是双凸正透镜、E2是凸凹正透镜、F2是双凸正透镜、G2是凸凹正透镜、H2是成像传感器上的保护玻璃。其中A2、B2、C2三片构成光学系统的前组镜头M，f＇前表示它的合焦距；D2片是中继透镜，它的焦距以f＇R表示，它在系统中的倍率以M＇R表示；E2、F2、G2三片构成光学系统的后组镜头N，以f＇后表示他的合焦距，其中E2、F2两片组成胶合组。在本实施例中，f＇前=-2.06、f＇R=4.4、M＇R=+2.31386、f＇后=3.349。它实现偏折光路的空间间隔设置在C2片和D2片之间，本实施例中该偏折光路的空间间隔达到3.3f＇（归一化焦距）。

构成本实用新型装置的透镜数、材料和形状可根据应用的具体场合进行设置。但在设置时，最好满足如下条件：

0.8<│M＇R│<4……(1)

0.05<hp1/f＇前<0.1……（2）

1.74<n1<1.82，25<v1<28……（3）

1.63<n4<1.73，45<v4<53……(4)

1.61<n7<1.66，53<v7<61………(5)

3<d6<4………(6)

3.2<f＇后<3.6……（7）

设置上述必须满足条件的目的：

条件（1）设定的目的是：使中继透镜R能满足近距离成像，以实现拉大前组镜头M与中继透镜R间的空气间隔，达到光束偏折的要求。适当控制中继透镜的倍率，可使孔径角总偏角小，一方面利于它本身不产生难以校正的高级轴上像差，另一方面还有利于降低后组镜头N的总偏角，使后组镜头N的结构简化。此外，当系统要求较长时，取倍率放大比较有利。

条件（2）设定的目的是：通过控制前组镜头M孔径角不太大，以保证进入中继透镜R的入射角不过大，以利于中继透镜R的总偏角能保证它不产生难于校正的轴上高级像差。由于前组镜头M的孔径偏角不大，可以使前组镜头M对轴外像差的校正容易。

条件（3）设定的目的是：通过控制d6的大小，使实际光栏对前组镜头M与中继透镜R成的入瞳位置尽量靠近前组镜头M第一面，利于缩小前组镜头M的最大口径，实现光学装置的小型化。

条件（4）设定的目的是：在满足光学系统有较大的相对孔径时，能保证实际光栏的口径不过大的同时，能使光学系统有较长的后截距。

条件（5）设定的目的是：让第一镜片A2产生更大的+S1（球差系数）、+C1（轴向色差系数），去平衡前组镜头M后两镜片产生较大的-S1和-CI之和，使前组镜头M形成的剩余轴上球差和色球差不太大。此外，设置条件（5）的目的还在于考虑用在抗耐辐照条件时，能采用抗耐辐照性能较好的含铅ZF6或ZF7，以降低强辐照对摄像器件的破坏影响。

条件（6）设定的目的是：由于中继透镜承担的孔径总偏角较大，选取较高的折射率，有利于降低它产生的高级像差特别是轴上高级球差。通过选取设定范围的阿贝系数，可使它产生的+C1和+C2平衡前组镜头M剩余的-C1、-C2值。

条件（7）设定的目的是：后组镜头N的最后一片G2是接近满足齐明条件正透镜，提高其折射率可以增大后组镜头N的孔径角，又不影响已校正的像差，特别是轴上球差。采用阿贝系数较高的光学材料的目的是降低增大孔径后对色球差的影响。

本实用新型的光学镜头装置的主要特征是：

采用在反远距广角镜头前组和后组之间增设一片近距离成像的正光焦度透镜作为前、后组的“中继”，实现在镜头内部拉开较大的空间间隔，以满足光路偏折的要求，新的“一次成像”光学结构，与通常采用“二次成像”实现光路偏折的光学结构比，它具有镜片数少，结构简单，不存在难以校正的“光栏球差”，在视场大于60°，孔径大于F1.6、后截距大于2f＇、栏光比小的诸多条件下，达到视频监控摄像高清晰度成像高质量要求：全视场、全孔径、全光谱、180lp/mm的情况下，MTF≥0.3。由于光路偏折，使得新镜头可适用于要求沿轴方向短的视频监控系统的特殊要求。由于光路偏折、使得具有很强穿透能力和破坏摄像器件上元器件的强辐射线不能直入摄像器件靶面上；同时在本实用新型镜头前，增添一定厚度的含铅玻璃和硼系玻璃，可使进入光学系统的强辐射线衰减，起到抗耐辐射作用，可大大延缓镜头和摄像器件在核辐射场合的使用寿命。

实施例

表1是本实用新型光学镜头装置的一种实施例数据（按焦距f＇=1归一化）

初始条件：物距l1=-400，像方后截距l’=2.0108，光学总长TOTR=12.574物方孔径角：u1=-0.000775，像方孔径角：u＇=0.298068，最大F数=F1.6，最大视场角：2ω=66.8°（物高2y=531.9）；最大近轴像高：2y＇=1.3198；设计主谱线：d，消色谱线范围：F，C

表1中：n1，n2，n3……n8依次为个透镜玻璃材料的折射率

v1，v2，v3……v8依次为各透镜玻璃材料的阿贝系数

R1，R2，R3……R19依次为透镜各面的曲率半径

d1，d2，d3……d19依次为各透镜的厚度或透镜间的空气间隔

l＇为光学系统的像方后截距

表1

初级像差系数：ΣS1=0.00144,ΣS2=-0.00064,ΣS3=0.00012,ΣS4=0.00212,ΣS5=0.10896,ΣC1=-0.00013,ΣC2=-0.00016

图4是本实用新型光学装置用于抗耐强辐照时的光学镜头结构示意图。在图3光学结构前增设了光学材料为含铅ZF6的平行平板玻璃K2和含硼系光学材料的平行平板玻璃L2。新镜头内的H-ZF6和H-ZF7LA环保型玻璃改为含铅的ZF6和ZF7光学材料。采用环保光学玻璃材料时，可用于配套高清晰度安防视频监控摄像；当采用抗耐辐照特殊光学玻璃时，它可用于高清抗辐照视频监控摄像，提高了摄像系统在强辐射条件下的使用寿命。

图5是本实用新型光学镜头装置实例的几何光学像差曲线图。其中a是轴向球差曲线图、b是像散曲线图、c是相对畸变曲线图、d是倍率色差曲线图。a的纵坐标是各孔径高与全孔径高的比值；横坐标的单位是mm。b、c、d纵坐标是各视场与全视场角的比值；横坐标的单位分别为mm、%和微米。图中的数据我们可以看出该镜头具有较低的球差、像散、倍率色差及较低的畸变，从而能很好的满足监控所需图像清晰度和形变要求。

图6是本实用新型光学镜头装置实施例在物距为400f＇、全口径、全光谱（d、f、c）条件下的全视场（图中的a）、0.7视场（图中的b）、轴上（图中的c）表示它们的子午和弧矢方向的光学传递函数（MTF）曲线图。横坐标的单位为线对/mm。从图中我们可以看出在物距为400f＇的时候，MTF值在180线对/mm的时候仍处于较高水平，因此具有较高的分辨率，能很好的满足监控所需的要求。

图7是本实用新型光学镜头装置实施例在物距为160f＇、全口径、全光谱（d、F、C）条件下的全视场（图中的a）、0.7视场（图中的b）、轴上（图中的c）表示它们的子午和弧矢方向的光学传递函数（MTF）曲线图。横坐标的单位为线对/mm。从图中我们可以看出在物距为160f＇的时候，MTF值在180线对/mm的时候仍处于较高水平，因此具有较高的分辨率，能很好的满足监控所需的要求。

Claims (10)

1.一种新型光路偏折摄像镜头，其特征在于：摄像镜头由物侧至像侧依序包括前组镜头M、反射镜、第四透镜和后组镜头N； 

所述的第四透镜为带正光焦度的近距离成像的中继透镜R。 

2.根据权利要求1所述的新型光路偏折摄像镜头，其特征在于：所述摄像镜头的中继透镜R满足下列关系式，按归一化焦距设置： 

0.8<│M＇R│<4    ……（1） 

其中，M＇R表示中继透镜R的缩小倍率。 

3.根据权利要求1所述的新型光路偏折摄像镜头，其特征在于：所述摄像镜头还满足下列关系式，按归一化焦距值设置： 

0.05<hp1/f＇前<0.1    ……（2） 

其中f＇前表示前组镜头M的合焦距；hp1表示光学系统的入瞳半径。 

4.根据权利要求1所述的新型光路偏折摄像镜头，其特征在于：所述摄像镜头还满足下列关系式： 

3<d6<4    ………(3) 

d6为第三透镜与反射镜空气间隔的距离。 

5.根据权利要求1所述的新型光路偏折摄像镜头，其特征在于：所述摄像镜头还满足下列关系式： 

3.2<f＇后<3.6    ……（4） 

f＇后表示后组镜头N的合焦距。 

6.根据权利要求1至5任意一项所述的新型光路偏折摄像镜头，其特征在于：所述前组镜头M由物侧至像侧依序包含镜片为凸凹正透镜的第一透镜、镜片为双凹负透镜的第二透镜、镜片为凸凹正透镜的第三透镜； 

所述后组镜头N由物侧至像侧依序包含镜片为凸凹负透镜的第五透镜、镜片为双凸正透镜的第六透镜、镜片为凸凹且正透镜的第七透镜。 

7.根据权利要求6所述的新型光路偏折摄像镜头，其特征在于：所述摄像镜头满足下列关系式，按归一化焦距值设置： 

1.74<n1<1.82，25<v1<28    ……（5） 

1.63<n4<1.73，45<v4<53    ……(6) 

1.61<n7<1.66，53<v7<61    ………(7) 

n1、v1表示第一透镜采用的玻璃的折射率和相应的阿贝系数，n4、v4表示第 四透镜中继透镜R采用的玻璃的折射率和相应的阿贝系数，n7、v7表示第七透镜采用的玻璃的折射率和相应的阿贝系数。 

8.根据权利要求6所述的新型光路偏折摄像镜头，其特征在于：所述第一透镜至第七透镜的光学材料依序为：H-ZF6、H-ZK9A、H-LAK7、H-ZbaF5、H-ZF7LA、H-LaK12、H-ZbaF5。 

9.根据权利要求6所述的新型光路偏折摄像镜头，其特征在于：所述第一透镜与物像之间还设置有一片耐辐照含铅玻璃ZF6和一片能大幅度衰减中子辐射的硼系玻璃，所述第一透镜至第七透镜的光学材料依序为：含铅玻璃的ZF6、H-ZK9A、H-LAK7、H-ZbaF5、含铅玻璃的ZF7、H-LaK12、H-ZbaF5。 

10.根据权利要求6所述的新型光路偏折摄像镜头，其特征在于：所述第五透镜与第六透镜组成胶合组；所述第七透镜接近齐明条件。 

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