CN101943789B - 一种大光圈监控镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大光圈监控镜头，沿光轴从物方起包括具有负焦距的第一透镜组、自动光圈和具有正焦距的第二透镜组；第二透镜组包括至少三块透镜片，其中第一片透镜片和最后一片透镜片均为塑料非球面透镜，第一片透镜片具有正焦距，最后一片透镜片具有负焦距；第一片透镜片和最后一片透镜片的焦距之间满足以下条件：2.0＜|fa/fb|＜4.0，其中fa为第一片透镜片的焦距，fb为最后一片透镜片的焦距。本发明采用了两片互补型的非球面镜片，保证在大通光量的情况下，成像像质不受到影响，像差得到很好的校正效果。同时采用塑料代替玻璃，能减少整个***的重量和机构总长，有效降低了成本。

Description

一种大光圈监控镜头

(一)技术领域：

本发明涉及一种应用于监控影像摄取装置的变倍镜头。 

(二)背景技术：

经济的突飞猛进使监控***广泛应用在多个行业。而随着“国家应急体系”、“平安城市”、“平安建设”、“科技强警”等重大项目工程在全国范围内的展开，监控***的夜间应用也越来越频繁。如何根据被监视现场的环境正确选用镜头非常重要，因为镜头决定了摄像质量，从而也直接影响到监控的效果。目前国内应用于监控***的镜头大多采用全玻璃球面透镜组成，光圈值FNo.为1.4或1.2，这种镜头在日间光线较好时能得到较好的摄像效果；但在夜间或暗场辨别时由于外界亮度低，识别存在一定的局限性。如果采用大光圈值，这种镜头的像差明显、清晰度不足，而且体积很大。一些国外厂家曾尝试加入玻璃非球面镜片，但玻璃非球面镜片的生产精度高，生产成本高，使得整个镜头的价格昂贵，这种昂贵的高端监控镜头让国内的很多用户望而却步。而且由于技术等原因，国内的镜片生产厂家很难生产出精度高的玻璃非球面镜片，这类玻璃非球面透镜多依靠进口，于是高端监控镜头的市场决大部分份额被国外镜头厂家所占据。因此，设计并生产一款大光圈、白天与夜晚的成像效果差异小，同时价格较低的监控镜头，弥补国内此类产品的空缺成了当务之急。 

(三)发明内容：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种通光量大，成像效果好，价格低的监控镜头。 

本发明是通过以下的技术方案实现的：一种大光圈监控镜头，沿光轴从物方起包括具有负焦距的第一透镜组、自动光圈和具有正焦距的第二透镜组；第二透镜组包括至少三块透镜片，其中第一片透镜片和最后一片透镜片均为塑料非球面透镜，第一片透镜片具有正焦距，最后一片透镜片具有负焦距；第一片透镜片和最后一片透镜片的焦距之间满足以下条件： 

2.0＜|fa/fb|＜4.0； 

其中fa为第二透镜组的第一片透镜片的焦距，fb为第二透镜组的最后一片透镜片的焦距。 

本发明与现有技术相比，有以下的优点：镜头采用了两片互补型的非球面镜片，正负镜片间进行环境问题变化补偿作用，防止外界环境引起***内部的不稳定性，保证在大通光量的情况下，成像像质不受到影响，像差得到很好的校正效果。同时采用塑料代替玻璃，能减少整个***的重量和机构总长，有效降低了成本。因塑料镜片本身的物理及化学特性，折射率随环境温度变化而有较明显变化，经设计验证两互补型塑料镜片间的焦距比至少大于2，才能有效防止温差引起的变化，小于4才能有效校正像差，达到原始设计要求。 

上述所述的自动光圈的光圈值FNo.满足条件：FNo.≤1.2。 

在保证成像质量的前提下为控制成本，上述第二透镜组L2的第一片透镜片Qa和最后一片透镜片Qb的折射率N均满足条件：1.52＜N＜1.6。 

为了保证广阔的视角及准确的变倍比以及超高的明亮度，两个透镜组必须保证合理的光焦度分配。上述所述的第一透镜组L1的焦距f_L1与第二透镜组L2的焦距f_L2之间满足以下条件：0.7＜|f_L1/f_L2|＜0.9。 

上述所述的镜头还满足条件： 其中，f_w为镜头在广角位置时焦距，f_t为镜头在摄远位置时焦距。上述条件限定了镜头的变倍比。 

上述所述的第一透镜组包括第一负透镜、第二负透镜、第三正透镜和第四负透镜，其中第三正透镜和第四负透镜粘合。所述的第一负透镜朝向物面为凸面、朝向像面为凹面，第二负透镜是双凹透镜，第三正透镜朝向物面为凸面、朝向像面为凹面，第四负透镜朝向物面为凸面、朝向像面为凹面。 

上述所述的第二透镜组包括第五正透镜、第六正透镜、第七负透镜、第八正透镜和第九负透镜；第五正透镜与第九负透镜为塑料非球面透镜，第七负透镜与第八正透镜粘合后具有正焦距。所述的第五正透镜朝向物面为凸面、朝向像面为凹面，第六正透镜是双凸透镜，第七负透镜朝向物面为凸面、朝向像面为凹面，第八正透镜是双凸透镜，第九负透镜是双凹透镜。 

上述所述的自动光圈(ST)的光圈值FNo.＝1.0。 

(四)附图说明：

下面结合附图对本发明作详细的说明： 

图1A为本发明在广角位置时的结构示意图； 

图1B为本发明在摄远位置时的结构示意图； 

图2A为本发明在广角位置时的球差图； 

图2B为本发明在摄远位置时的球差图； 

图3A为本发明在广角位置时的场曲图； 

图3B为本发明在摄远位置时的场曲图； 

图4A为本发明在广角位置时的畸变图； 

图4B为本发明在摄远位置时的畸变图。 

(五)具体实施方式：

本发明主要应用于监控影像摄取装置，监控镜头将目标物成像于影像感测组件上，所述的影像感测组件可以是电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称CCD)。 

本发明沿光轴从物方起包括具有负焦距的第一透镜组L1、自动光圈ST和具有正焦距的第二透镜组L2，自动光圈ST位置固定不变，镜头通过改变第一透镜组L1和第二透镜组L2之间距离来调节变倍比；第二透镜组L2包括至少三块透镜片，其中第一片透镜片Qa和最后一片透镜片Qb均为塑料非球面透镜，第一片透镜片Qa具有正焦距，最后一片透镜片Qb具有负焦距；第一片透镜片Qa和最后一片透镜片Qb的焦距之间满足以下条件： 

2.0＜|fa/fb|＜4.0； 

其中：fa为第二透镜组L2的第一片透镜片Qa的焦距， 

fb为第二透镜组L2的最后一片透镜片Qb的焦距。 

上述所述的自动光圈ST的光圈值FNo.满足条件：FNo.≤1.2。 

本发明采用了两片互补型的非球面镜片Qa和Qb，正负镜片间进行环境问题变化补偿作用，防止外界环境引起***内部的不稳定性，保证在大通光量的情况下，镜头成像的像质不受到影响，像差得到很好的校正效果。同时采用塑料代替玻璃，能减少整个***的重量和机构总长，有效降低了成本。因塑料镜片本身的物理及化学特性，折射率随环境温度变化而有较明显变化。经设计验证两互补型塑料镜片间的焦距比至少大于2，才能有效防止温差引起的变化，小于4才能有效校正像差，达到原始设计要求。 

在保证成像质量的前提下为控制成本，所述的第二透镜组L2的第一片透镜片Qa和最后一片透镜片Qb的折射率N均满足条件：1.52＜N＜1.6。

所述的第一透镜组L1的焦距f_L1与第二透镜组L2的焦距f_L2之间满足以下条件：0.7＜|f_L1/f_L2|＜0.9。 

上述所述的镜头还满足条件： 

其中，f_w为镜头在广角位置时焦距，f_t为镜头在摄远位置时焦距。上述条件限定了镜头的变倍比。 

具体地，本发明所述的第一透镜组L1包括第一负透镜Q1、第二负透镜Q2、第三正透镜Q3和第四负透镜Q4。所述的第一负透镜Q1朝向物面为凸面、朝向像面为凹面，第二负透镜Q2是双凹透镜，第三正透镜Q3朝向物面为凸面、朝向像面为凹面，第四负透镜Q4朝向物面为凸面、朝向像面为凹面；第三正透镜Q3和第四负透镜Q4粘合。 

上述所述的第二透镜组L2包括第五正透镜Q5、第六正透镜Q6、第七负透镜Q7、第八正透镜Q8和第九负透镜Q9；第五正透镜Q5与第九负透镜Q9为塑料非球面透镜，第七负透镜Q7与第八正透镜Q8粘合后具有正焦距。第五正透镜Q5朝向物面为凸面、朝向像面为凹面，第六正透镜Q6是双凸透镜，第七负透镜Q7朝向物面为凸面、朝向像面为凹面，第八正透镜Q8是双凸透镜，第九负透镜Q9是双凹透镜。 

如图1A、图1B所示，以下为本发明的优选参数值。 

表一 

第五正透镜Q5与第九负透镜Q9的非球面形状满足以下方程： 

$Z={\mathrm{cy}}^2/\{1+\sqrt{[1-(1+k)c^2{y}^2]}\}+{\mathrm{\α}}_1{y}^2+{\mathrm{\α}}_2{y}^4+{\mathrm{\α}}_3{y}^6+{\mathrm{\α}}_4{y}^8+{\mathrm{\α}}_5{y}^{10}+{\mathrm{\α}}_6{y}^{12}+{\mathrm{\α}}_7{y}^{14}+{\mathrm{\α}}_8{y}^{16};$

在公式中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标(其单位和透镜长度单位相同)，k为圆锥二次曲线系数。当k系数小于-1时面形曲线为双曲线，等于-1时为抛物线，介于-1到0之间时为椭圆，等于0时为圆形，大于0时为扁圆形。α1至α8分别表示各径向坐标所对应的系数，通过以上参数可以精确设定透镜前后两面非球面的面型尺寸。 

在本发明实施例中，自动光圈ST的光圈值FNo.为1.0。 

本实施例中，第五正透镜Q5的表面S9、S10和第九负透镜Q9的表面S16、S17的非球面相关数值依次列于下表： 

表2 

	S9	S10	S16	S17
					K	0.352408466	56.506125639	-30.750474620	53.226615077
E4	0.000082210	0.000286622	0.000656948	0.002516238
					E6	0.352408466	0.000002668	-0.000017756	-0.000094763
E8	-0.000000029	-0.000000014	0.000000022	-0.000094763
					E10	-0.000000001	-0.000000002	0.000000010	-0.000000065

由表1可计算出，在本发明实施例中，第二透镜组L2的第一片透镜片Qa的焦距fa即第五正透镜Q5的焦距f₅＝40.64mm；第二透镜组L2的最后一片透镜片Qb的焦距fb即第九负透镜Q9的焦距f₉＝-19.42mm； 

|f₅/f₉|＝2.09。 

第一透镜组L1的焦距f_L1＝-8.87mm、第二透镜组L2的焦距f_L2＝10.58mm，；|f_L1/f_L2|＝0.84。 

本实施例的水平视场角2ω＝95°。此种光焦度配合可以扩大变倍效果，得到出色的光学收差。 

第二透镜组L2的第一片透镜片Qa即第五正透镜Q5的折射率N＝1.524702；第二透镜组L2的最后一片透镜片Qb即第九负透镜Q9，其折射率N＝1.58547，均满足条件：1.52＜N＜1.6。 

在本发明实施例中，广角位置时焦距f_t＝3.0mm，摄远位置时焦距f_w＝8.0mm， $\frac{f_t}{f_w}=2.66.$

图2A为本发明在广角位置时的球差图；图2B为本发明在摄远位置时的 球差图。该图选取光波长在480nm至850nm之间。 

从图2A、图2B、图3A、图3B、图4A和图4B可知，本发明无论在摄远位置还是广角位置，都可有效对球差及场曲进行补偿，保证镜头的成像质量。 

Claims (10)

1.一种大光圈监控镜头，其特征在于：沿光轴从物方起包括具有负焦距的第一透镜组(L1)、自动光圈(ST)和具有正焦距的第二透镜组(L2)；

第二透镜组(L2)包括至少三块透镜片，其中第一片透镜片(Qa)和最后一片透镜片(Qb)均为塑料非球面透镜，第一片透镜片(Qa)具有正焦距，最后一片透镜片(Qb)具有负焦距；

第一片透镜片(Qa)和最后一片透镜片(Qb)的焦距之间满足以下条件：2.0＜|fa/fb|＜4.0；

其中，fa为第二透镜组(L2)的第一片透镜片(Qa)的焦距，fb为第二透镜组(L2)的最后一片透镜片(Qb)的焦距。

2.根据权利要求1所述的一种大光圈监控镜头，其特征在于：所述的自动光圈(ST)的光圈值FNo.满足条件：FNo.≤1.2。

3.根据权利要求2所述的一种大光圈监控镜头，其特征在于：所述的第二透镜组(L2)的第一片透镜片(Qa)和最后一片透镜片(Qb)的折射率N均满足条件：1.52＜N＜1.6。

4.根据权利要求2所述的一种大光圈监控镜头，其特征在于：所述的第一透镜组(L1)的焦距f_L1与第二透镜组(L2)的焦距f_L2之间满足以下条件：

0.7＜|f_L1/f_L2|＜0.9。

5.根据权利要求2所述的一种大光圈监控镜头，其特征在于：镜头还满足条件：

其中，f_w为镜头在广角位置时焦距，f_t为镜头在摄远位置时焦距。 

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种大光圈监控镜头，其特征在于：所述的第一透镜组(L1)包括第一负透镜(Q1)、第二负透镜(Q2)、第三正透镜(Q3)和第四负透镜(Q4)；其中第三正透镜(Q3)和第四负透镜(Q4)粘合。

7.根据权利要求6所述的一种大光圈监控镜头，其特征在于：所述的第一负透镜(Q1)朝向物面为凸面、朝向像面为凹面，第二负透镜(Q2)是双凹透镜，第三正透镜(Q3)朝向物面为凸面、朝向像面为凹面，第四负透镜(Q4)朝向物面为凸面、朝向像面为凹面。

8.根据权利要求7所述的一种大光圈监控镜头，其特征在于：所述的第二透镜组(L2)包括第五正透镜(Q5)、第六正透镜(Q6)、第七负透镜(Q7)、第八正透镜(Q8)和第九负透镜(Q9)；第五正透镜(Q5)与第九负透镜(Q9)为塑料非球面透镜，第七负透镜(Q7)与第八正透镜(Q8)粘合后具有正焦距。

9.根据权利要求8所述的一种大光圈监控镜头，其特征在于：第五正透镜(Q5)朝向物面为凸面、朝向像面为凹面，第六正透镜(Q6)是双凸透镜，第七负透镜(Q7)朝向物面为凸面、朝向像面为凹面，第八正透镜(Q8)是双凸透镜，第九负透镜(Q9)是双凹透镜。

10.根据权利要求9所述的一种大光圈监控镜头，其特征在于：所述的自动光圈(ST)的光圈值FNo.＝1.0。 

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