CN204439916U - 后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头，包括沿光线入射方向依次设置的前镜组A、中继场镜B、后镜组C和孔径光栏；前镜组A为短焦距负光焦度镜组；后镜组C为正光焦度镜组；光学系统满足以下条件：0≤l_p’-l_f’<0.15；17<f_中’<18,3<M_中<8.1；0.13<|hp₁/f_A’|<0.17；1.70<n₁<1.75,52<v₁<57；1.70<n₈<1.74,28<v₈<35；1.52<n₉<1.57,58<v₉<65。该镜头视场角达180度、相对孔径D/f’优于1:1.8、全视场MTF值在200lp/mm情况下超过0.3，能满足各种特殊环境要求。

Description

后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头

所属技术领域

本实用新型涉及光学镜头装置，它是一种后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头，适用于广场、大型仓库、商场、大型公共交通工具、电梯等安防视频监控领域，特别适用于汽车后置倒车视频显示观察场合。

背景技术

随着高速汽车行业迅速发展，交通发生的事故日愈严重。因此，交通比较发达的国家，除了开发偏轴附加后视镜外，增设了具有智能功能的防撞前视镜和倒车用的后视视频监视系统，以避免人为的追尾、倾覆等安全事故。这些视频监视系统的配置的摄像镜头，要求视场角达180°，相对孔径大于1:2，清晰度由以往的标清向高清提高，镜头的光学长度不能超过30mm等小型化要求。这种摄像镜头的特点是允许相对畸变特别大，甚至达到100％。汽车行业对环境的要求特别严格，要求能适应高温酷热(80℃以上)、低温酷冷(-40℃以下)，能承受高温潮湿的环境并具有防水浸功能，能耐高强度的冲击、振动等。这类摄像机镜头还应考虑应用在安防的其他领域，因此要求的加工工艺好，性价比高的经济要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于通过新型的光学镜头装置，提供视场角达180度、相对孔径D/f’优于1:1.8、全视场MTF值在200lp/mm情况下超过0.3，并具备满足各种特殊环境要求的小型化性价比高的后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头。

本实用新型技术方案是这样构成的：

一种后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头，其特征在于：它包括沿光线入射方向依次设置的前镜组A、中继场镜B、后镜组C和孔径光栏；

所述前镜组A由第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜构成短焦距负光焦度的镜组，这四个透镜分别是凸凹负透镜、双凹负透镜、双凸正透镜和凹凸负透镜，其组合焦距以fA′表示，其中第三透镜及第四透镜组成双胶合透镜组；

所述中继场镜B由第五透镜构成，该透镜为单片双凸正透镜，以f中′表示它的焦距值；

所述后镜组C由第六透镜、第七透镜、第八透镜及第九透镜构成正光焦度的镜组，这四个透镜分别是双凸正透镜、双凸正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜；其中第七透镜、第八透镜及至第九透镜组成三胶合透镜组；

所述孔径光栏置于第九透镜后面，以lp′表示它与镜头像面间的距离；以Lf′表示光学系统的后焦点距离；以2hp1表示光学系统的入瞳大小；

上述光学系统须满足以下条件：

0≤l_p’-l_f’<0.15……(1)

17<f_中’<18,3<M_中<8.1……(2)

0.13<|hp₁/f_A’|<0.17……(3)

1.70<n₁<1.75,52<v₁<57……(4)

其中，M_中表示中继场镜B的承担的“中继”物与像的放大倍率，n₁和v₁分别表示第一透镜的折射率和阿贝系数，n₈和v₈分别表示第八透镜的折射率和阿贝系数，n₉和v₉分别表示第九透镜的折射率和阿贝系数。

此外，本实用新型上述技术方案还进一步改进如下：所述后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头还包括设置在中继场镜B和后镜组C之间的视场光栏，所述视场光栏的位置选在光轴上孔径光束和被前镜组A切割过的边缘光线下光束的高度小于要切割的其他中间视场下光束的位置。

所述后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头还包括设置于孔径光栏和镜头像面之间的保护玻璃，所述保护玻璃为平行平板镜片。

所有透镜采用全球面透镜，并且多片透镜的前后两面半径相同。其中6片透镜的前后两面半径相同。

本实用新型工作原理说明如下：

第一：本实用新型所述的后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头包括前镜组A、中继场镜B和后镜组C等几个部分。前镜组A是一个短焦距负光焦度镜组，它的作用是把超广角的轴外视场角逐步降为后组能承担的广角视场角。由于前组承担很大的视场角，因此在结构上选取了轴上光束经过各面的偏角小一点的方案(Δu_i′＝u_i′-u_i<0.15)--(其中，u_i是各个透镜表面的出射角，u_i′是各个透镜表面的出射角，Δu_i′是各个透镜相应表面的入射角和出射角的偏差)，以降低轴上像差的高级量。这样，用初级像差就能将前镜组A的剩余轴上像差平衡。与此同时，还使进入每面的轴外光束折射后能尽量靠近各面的球心或使它的入射角控制在40°以下，以降低其可能产生的轴外高级像差。中继场镜B的作用，一方面起着使前镜组A的出瞳和后组的入瞳实现“瞳瞳”相接作用，使系统的光栏球差减小，并压缩了进入后镜组C的光束角度，另一方面让它产生一定量的正初级球差和色球差去平衡前镜组A产生剩余的负初级球差和色球差。由于前镜组A成的“虚像”(中继场镜B的“物”)处在中继场镜B的前焦点内(附近)，使中继场镜B成的“虚像”的像距拉长，减小后镜组C承担的轴上光束的孔径角。后镜组C起着把经前镜组A和中继场镜B成的近距离的“虚像”会聚在摄像器件的成像面上。后镜组C是一个相对孔径接近1:1.3和广角视场的短焦物镜组，由于前镜组A和中继场镜B单独校正了色球差，但产生较大的负倍率色差和负方向的像场弯曲及像散，因此需要后镜组C单独校正色球差的同时产生一定量的正倍率色球差和正方向的像场弯曲及像散，达到整个光学系统的像差平衡。我们选用了一个单片加一组三片式胶合的结构，比较好的解决了这个问题。由于近距离成像，后镜组C起到拉长光学系统的后截距作用。

第二：本实用新型所述的后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头，选用了超广角镜头很少采用的后置固定孔径光栏方案。采用这个方案的原因是在这一位置上，后置固定孔径光栏可起着控制光学系统孔径角的同时把各视场特别是边缘光束偏离其会聚像点较大的上光束拦掉。如何做到既能有效拦光以提高整个成像面的像质又能把孔径角做大是结构选择的关键。此外，设置后置孔径光栏可更有效地减少杂散光的影响。

第三：本实用新型所述的后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头还在中继场镜B和后镜组C之间设置了视场光栏，视场光栏的位置是设置在光轴上孔径光束和被前镜组A拦光后的轴外边缘光束的高度小于要拦掉的中间视场光束的位置。这样可以进一步提高不同视场上、下光束的对称性，缩小各视场在像面的弥散度，提高整个像面成像质量的均匀性。

较之现有技术而言，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型的优点在于采用较合理的前镜组、中继场镜和后镜组的光学组合，特别是选用后置孔径光栏和在后镜组和中继场镜之间的特定位置增设了视场光栏，有效地拦掉了偏离会聚像点的相关视场的上、下光线，使轴上和轴外各个视场光束的弥散程度大大降低，提高了整个像面的成像质量。本实用新型的光学镜头在满足视场角达186°、相对孔径达1:1.7、清晰度达250lp/mm的条件下，整个视场的MTF值超过0.3，边缘视场的相对照度超过0.5，光学总长不超过30mm，实现了高清小型化的要求。

(2)本实用新型的优点还在于采用全球面结构和较廉价加工性能好的光学材料，并使多片透镜两面半径相同(九片中有六片)，特别是后镜组C中的三胶合片前三个面的半径一样，使加工的工艺性和加工效率得到改善，提高了镜头的性价比。本实用新型光学镜头还考虑了满足特殊环境要求的可能，使它在更多领域能广泛应用。

附图说明

图1是本实用新型后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头的轴上光束成像原理示意图。其中，2hp₁是光学镜头的入瞳大小，u_A’是前镜组A的像方孔径角，u_B和u_B’是中继场镜B的物方和像方孔径角，放大倍率M_中＝u_B/u_B’＝u_A’/u_B’。u_C和u_C’是后镜组C的物方和像方孔径角。u_C’实际上是光学镜头的像方孔径角u’＝u_C’，镜头的组合焦距f’＝hp₁/u’。

图2是本实用新型后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头的不同视场实际光束成像追迹示意图。其中左侧的弧线是特定半径的的空间空气球壳截面。

图3是本实用新型后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头的实施实例的光学结构示意图。其中R表示各透镜球面的半径，d为各透镜的厚度或透镜间的空气间隔，l_f’为镜头的像方后截距，l_P’是后置视场光栏离像面的距离。

图4是本实用新型后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头的实施实例中计算出的几何像差曲线图。其中，色球差和像散曲线的横坐标单位均为mm；倍率色差曲线的横坐标单位为微米(μm)；相对畸变曲线的横坐标的单位是％。色球差的纵坐标是不同孔径的“归一化”比值。像散曲线、相对畸变曲线和倍率色差曲线的纵坐标是“归一化”的不同视场的比值。

图5是本实用新型后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头的实施实例中各个视场(0,0.25ω,0.5ω,0.75ω,0.85ω,1ω)的弥散特性曲线分布图，它的最大纵坐标的单位是±10微米，它的横坐标为不同孔径“归一化”的比值。

图6是本实用新型后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头的实施实例中的相对照度透过率分布图。其中横坐标的单位是“度”。

图7是本实用新型“后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头的实施实例中的各个视场的光学传递函数曲线图。其中横坐标的单位是：线对/mm。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型内容进行详细说明：

实施例：

本实用新型所述的后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头的一种后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头，其特征在于：它包括沿光线入射方向依次设置的前镜组A、中继场镜B、后镜组C和孔径光栏11；

所述前镜组A由第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3及第四透镜4构成短焦距负光焦度的镜组，这四个透镜分别是凸凹负透镜、双凹负透镜、双凸正透镜和凹凸负透镜，其组合焦距以fA′表示，其中第三透镜3及第四透镜4组成双胶合透镜组；

所述中继场镜B由第五透镜5构成，该透镜为单片双凸正透镜，以f中′表示它的焦距值；

所述后镜组C由第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8及第九透镜9构成正光焦度的镜组，这四个透镜分别是双凸正透镜、双凸正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜；其中第七透镜7、第八透镜8及至第九透镜9组成三胶合透镜组；

所述孔径光栏11置于第九透镜9后面，起到把边缘视场上光束拦掉作用。以lp′表示它与镜头像面间的距离；以Lf′表示光学系统的后焦点距离；以2hp1表示光学系统的入瞳大小；

上述光学系统须满足以下条件：

0≤l_p’-l_f’<0.15……(1)

17<f_中’<18,3<M_中<8.1……(2)

0.13<|hp₁/f_A’|<0.17……(3)

1.70<n₁<1.75,52<v₁<57……(4)

其中，M_中表示中继场镜B的承担的“中继”物与像的放大倍率，n₁和v₁分别表示第一透镜1的折射率和阿贝系数，n₈和v₈分别表示第八透镜8的折射率和阿贝系数，n₉和v₉分别表示第九透镜9的折射率和阿贝系数。

设定上述必须满足的目的是：

条件(1)设定的目的：保证倒描的系统的入瞳位置尽量靠近镜头的第一面，可缩小轴外边缘光束在第一面的高度，利于镜头的小型化。另外本实用新型的“鱼眼”镜头的后截距比较短(l_f’≈2.1f’)，为适应更多应用领域的工作距离要求，应尽量缩小这一差值。

条件(2)设定的目的：控制f_B’和放大倍率M_中的范围，一方面是保证镜头的入瞳位置尽量靠近第一面，又使后置孔径光栏达到条件(1)的要求。此外设定中继场镜B的轴上放大率范围的目的是控制进入后镜组C的孔径角范围。

条件(3)设定的目的：主要是控制前镜组A的轴上孔径角的偏角。使前镜组A不产生自身难于平衡的轴上像差的高级像差。

条件(4)设定的目的：用高折射率的光学材料，可以使轴外边缘光束经第一面的折射角度变得更小，利于前镜组A降低轴外视场过大的高级量。根据v₁的范围，选取的玻璃肯定是相对比较硬的冕牌玻璃，这利于玻璃的防划、防冲击。

条件(5)设定的目的：是让第14面产生一定大小的负的初级球差系数值(-S₁)和正的初级位置色差系数值(+C₁)及负的初级倍率色差系数值(-C₂)，以平衡后组本身所产生的色球差和前组产生的剩余倍率。

本实用新型所述的后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头还包括设置在孔径光栏11和镜头像面之间的保护玻璃10，所述保护玻璃10为平行平板镜片。该保护玻璃10是摄像器件内置的靶面保护玻璃。

本实用新型所述的后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头还包括设置在中继场镜B和后镜组C之间的视场光栏11，所述视场光栏11的位置选在轴上孔径光束和被前镜组A切割过的边缘光线下光束的高度小于要切割的其他中间视场下光束的位置。

上述实施例中，第一透镜1至第九透镜9以及保护玻璃10所用的光学材料顺序为H-LaK8A、H-ZBaF50、H-ZBaF50、H-ZF52A、H-BaK3、H-K9L、H-K7、H-ZF11、H-BaK6和H-K9L。

各个镜片采用的光学玻璃材料的折射率和阿贝系数分别以n₁,n₂,……n₁₀和v₁,v₂……v₁₀表示。各镜片的半径和厚度(空气间隔)分别以R₁,R₂……R₁₉和d₁,d₂……d₁₉表示。以f_C’表示后镜组C的组合焦距。在前镜组A和后镜组C之间设置了第五透镜5(下称中继场镜B)，以f_B’表示其焦距值，以M_中表示它承担的“中继”物与像的放大倍率。

本实用新型上述实施例的主要特征在于：采用把孔径光栏置于光学系统后的光学结构。本实用新型由光焦度分配(负、正、正)和结构合理的前镜组A、中继场镜B与后镜组C的组成。根据其承担的孔径角和视场角的大小，让前镜组A承担较小的孔径偏角，重点起着把视场角由超广角分布逐步降为广角又不让它产生后镜组C难于平衡的剩余的轴外高级像差；因前镜组A已将视场角降为广角，可让后镜组C承担较大的孔径偏角，本实用新型采用三胶合组的结构，让它校正自身的轴上色球差的同时，产生一定量的轴外初级像差平衡前镜组A的轴外剩余像差；中继场镜B起着把前镜组A的入瞳与后镜组C出瞳“瞳瞳”相接的作用，压缩了进入后镜组C的光束高度，减小了光栏球差，并产生轴上色球差平衡前镜组A的轴上剩余色球差。使整个光学系统(除畸变外)超过视场角180°、D/f＝1:1.7、清晰度在250lp/mm的MTF值超过0.30。后置孔径光栏起着控制孔径角和各视场上光束栏光的作用，它还可起消除杂散光的作用。通过前镜组A对边缘光束下光线的拦光后，边缘视场的照度超过50％。光学总长不超30mm，实现了高清小型化的要求。

本实用新型上述实施例的特征还在于：在中继场镜B和后镜组C之间设置了一个视场光栏，它起着拦掉中间视场偏离其会聚像点较大的实际光线的下光束，但又不影响轴上和已被前组拦过的实际光线的下光束通过。降低了中间各视场实际光线的弥散程度，提高了整个像面的成像质量。

本实用新型光学镜头装置的特征还在于：使九片透镜中有六片透镜的两面半径是相同的，采用了全球面透镜和加工性能好的价廉的光学材料，使加工工艺和装配效率大为改善，提高了产品的性价比。

表1是本实用新型光学装置的实例数据

E.F.L＝1mm，FNO＝1.70,2ω＝187.4°

表1

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头，其特征在于：它包括沿光线入射方向依次设置的前镜组A、中继场镜B、后镜组C和孔径光栏(11)；

所述前镜组A由第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)及第四透镜(4)构成短焦距负光焦度的镜组，这四个透镜分别是凸凹负透镜、双凹负透镜、双凸正透镜和凹凸负透镜，其组合焦距以fA′表示，其中第三透镜(3)及第四透镜(4)组成双胶合透镜组；

所述中继场镜B由第五透镜(5)构成，该透镜为单片双凸正透镜，以f中′表示它的焦距值；

所述后镜组C由第六透镜(6)、第七透镜(7)、第八透镜(8)及第九透镜(9)构成正光焦度的镜组，这四个透镜分别是双凸正透镜、双凸正透镜、双凹负透镜、双凸正透镜；其中第七透镜(7)、第八透镜(8)及第九透镜(9)组成三胶合透镜组；

所述孔径光栏(11)置于第九透镜(9)后面，以lp′表示它与镜头像面间的距离；以Lf′表示光学系统的后焦点距离；以2hp1表示光学系统的入瞳大小；

上述光学系统须满足以下条件：

0≤l_p’-l_f’<0.15  ……(1)

17<f_中’<18,3<M_中<8.1  ……(2)

0.13<|hp₁/f_A’|<0.17  ……(3)

1.70<n₁<1.75,52<v₁<57  ……(4)

$\left.\begin{array}{cc}1.70<n_8<1.74,& 28<v_8<35\\ 1.52<n_9<1.57,& 58<v_9<65\end{array}\right\}---\left(5\right),$

其中，M_中表示中继场镜B的承担的“中继”物与像的放大倍率，n₁和v₁分别表示第一透镜(1)的折射率和阿贝系数，n₈和v₈分别表示第八透镜(8)的折射率和阿贝系数，n₉和v₉分别表示第九透镜(9)的折射率和阿贝系数。

2.根据权利要求1所述的后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头，其特征在于：它还包括设置在中继场镜B和后镜组C之间的视场光栏(11)，所述视场光栏(11)的位置选在轴上孔径光束和被前镜组A切割过的边缘光线下光束的高度小于要切割的其他中间视场下光束的位置。

3.根据权利要求2所述的后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头，其特征在于：它还包括设置于孔径光栏(11)和镜头像面之间的保护玻璃(10)，所述保护玻璃(10)为平行平板镜片。

4.根据权利要求1或2或3所述的后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头，其特征还在于：所有透镜采用全球面透镜，并且多片透镜的前后两面半径相同。

5.根据权利要求4所述的后置孔径光栏高清鱼眼视频摄像镜头，其特征在于：其中6片透镜的前后两面半径相同。