CN104797968B - 一种变焦监控镜头及监控设备 - Google Patents

一种变焦监控镜头及监控设备 Download PDF

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Abstract

一种变焦监控镜头及监控设备，该镜头包括沿入射光束的传输方向依次共轴设置的第一至十三透镜(L1‑L13)；第一、八、十、十二透镜(L1、L8、L10、L12)为双凸正透镜，第二、九、十一透镜(L2、L9、L11)为弯月形负透镜，第三、四、六、十三透镜(L3、L4、L6、L13)为弯月形正透镜，第五透镜(L5)为双凹负透镜，第七透镜(L7)为平凹负透镜；第二、三透镜(L2、L3)之间相互贴合，第六、第七透镜(L6、L7)之间相互贴合；第二、三、四、十三透镜(L2、L3、L4、L13)的中间部分均逆向入射光束的传输方向凸出；第六、九、十一透镜(L6、L9、L11)的中间部分均朝向入射光束的传输方向凸出；第五、六和七透镜(L5、L6、L7)可沿光轴方向同步移动。该镜头可实现全天候、大范围、变焦距监控。其成像清晰度较高，并且具有简单的结构，材料成本低，进而有效控制了制造成本。

Description

一种变焦监控镜头及监控设备
技术领域
本发明属于光学技术领域，特别涉及一种变焦监控镜头及监控设备。
背景技术
随着监控电视的广泛应用，人们对监控时间、监控范围的要求越来越高，例如要求能够日夜监控，不受天气影响，且要有更大的监控范围，减小监控空间的局限性，而目前常用监控电视的功能已不能满足要求，急需改进升级，而监控设备的功能升级主要取决于其采用的监控镜头的改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变焦监控镜头，使之可以进行全天候、大范围、变焦距监控。
本发明是这样实现的，一种变焦监控镜头，包括沿入射光束的传输方向依次共轴设置的第一透镜、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、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜及第十三透镜；
所述第一、第八、第十、第十二透镜为双凸正透镜，所述第二、第九、第十一透镜为弯月形负透镜，所述第三、第四、第六、第十三透镜为弯月形正透镜，所述第五透镜为双凹负透镜，所述第七透镜为平凹负透镜；
所述第二透镜与第三透镜之间相互贴合，所述第六透镜与第七透镜之间相互贴合；
所述第二、第三、第四、第十三透镜的中间部分均逆向所述入射光束的传输方向凸出；
所述第六、第九、第十一透镜的中间部分均朝向所述入射光束的传输方向凸出；
所述第五、第六和第七透镜可沿光轴方向同步移动。
本发明的另一目的在于提供一种监控设备，包括监控镜头及位于所述监控镜头的像方空间的成像装置，所述监控镜头采用所述的变焦监控镜头。
本发明通过对上述各透镜的形状和相对位置进行上述设计后，可进行宽光谱成清晰像，除了能透过常用可见光成像外，还可以透过红外光成清晰的像，因此采用该镜头的监控设备不仅可在白天监控得到彩色图像，还可以在夜晚全黑的环境下执行监控任务，实现全天候监控。并且，该镜头的焦距可调，视场角可变范围大，有效监控距离可达到0～500m，实现了大范围、变焦距监控。另外，该镜头成像清晰度较高，并且各透镜均可使用相对较低成本的光学玻璃制作，从而大大地降低了制造成本。
附图说明
图1是本发明提供的变焦监控镜头的结构示意图；
图1-1是本发明实施例中短焦距变焦监控镜头的结构示意图；
图1-2是本发明实施例中短焦距变焦监控镜头的几何像差示意图；
图1-3是本发明实施例中短焦距变焦监控镜头的畸变示意图；
图1-4是本发明实施例中短焦距变焦监控镜头的光学传递函数O.T.F曲线图；
图1-5是本发明实施例中短焦距变焦监控镜头的传递函数M.T.F曲线图；
图2-1是本发明实施例中中焦距变焦监控镜头的结构示意图；
图2-2是本发明实施例中中焦距变焦监控镜头的几何像差示意图；
图2-3是本发明实施例中中焦距变焦监控镜头的畸变示意图；
图2-4是本发明实施例中中焦距变焦监控镜头的光学传递函数O.T.F曲线图；
图2-5是本发明实施例中中焦距变焦监控镜头的传递函数M.T.F曲线图；
图3-1是本发明实施例中长焦距变焦监控镜头的结构示意图；
图3-2是本发明实施例中长焦距变焦监控镜头的几何像差示意图；
图3-3是本发明实施例中长焦距变焦监控镜头的畸变示意图；
图3-4是本发明实施例中长焦距变焦监控镜头的光学传递函数O.T.F曲线图；
图3-5是本发明实施例中长焦距变焦监控镜头的传递函数M.T.F曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行更加详细的描述：
图1示出了本发明实施例提供的变焦监控镜头的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。
该变焦监控镜头包括至少十三枚透镜，即第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10、第十一透镜L11、第十二透镜L12及第十三透镜L13，这十三枚透镜沿入射激光的传输方向依次共轴设置。其中，第一至第四透镜组成补偿镜组；第五、第六、第七透镜组成变焦镜组，第五、第六和第七透镜可沿光轴方向同步移动以改变焦距，其变焦倍率与其浮动距离成线性比例，而补偿镜组可在变焦镜组进行初步大范围调焦后进行焦距微调。如图1-1、2-1、3-1，分别为短焦距、中焦距及长焦距变焦监控镜头的结构示意图，通过改变变焦镜组在光轴方向的位置并通过补偿镜组进行焦距微调，可对焦距进行精确调节，获得短、中、长焦距的镜头。第八至第十三透镜组成固定镜组，其中后工作距离在f＝10～240mm时为17.5mm，相当于长工作距离物镜。另外，第一透镜L1、第八透镜L8、第十透镜L10、第十二透镜L12为双凸正透镜，第二透镜L2、第九透镜L9、第十一透镜L11为弯月形负透镜，第三透镜L3、第四透镜L4、第六透镜L6、第十三透镜L13为弯月形正透镜，第五透镜L5为双凹负透镜，第七透镜L7为平凹负透镜。另外，第二透镜L2与第三透镜L3之间相互贴合，第六透镜L6与第七透镜L7之间相互贴合，具体可采用高透光的胶体胶合。并且，第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第十三透镜L13的中间部分均逆向入射光束的传输方向凸出，即向物方突出。第六透镜L6、第九透镜L9、第十一透镜L11的中间部分均朝向入射光束的传输方向凸出，即向像方突出。
进一步的，本实施例对各透镜的表面曲率及透镜厚度等参数进行了优化设计。具体的，第一透镜L1包括第一曲面S1和第二曲面S2，曲率半径分别为600mm，-400mm；第二透镜L2包括第三曲面S3和第四曲面S4，曲率半径分别为100mm，60mm；第三透镜L3包括第五曲面S5和第六曲面S6，曲率半径分别为60mm，180mm；第四透镜L4包括第七曲面S7和第八曲面S8，曲率半径分别为70mm，100mm；第五透镜L5包括第九曲面S9和第十曲面S10，曲率半径分别为-100mm，20mm；第六透镜L6包括第十一曲面S11和第十二曲面S12，曲率半径分别为-30mm，-12mm；第七透镜L7包括第十三曲面S13和第十四曲面S14，曲率半径分别为-12mm，∞；第八透镜L8包括第十五曲面S15和第十六曲面S16，曲率半径分别为40mm，-200mm；第九透镜L9包括第十七曲面S17和第十八曲面S18，曲率半径分别为-32mm，-100mm；第十透镜L10包括第十九曲面S19和第二十曲面S20，曲率半径分别为50mm，-70mm；第十一透镜L11包括第二十一曲面S21和第二十二曲面S22，曲率半径分别为-15mm，-28mm；第十二透镜L12包括第二十三曲面S23和第二十四曲面S24，曲率半径分别为150mm，-65mm；第十三透镜L13包括第二十五曲面S25和第二十六曲面S26，曲率半径分别为20mm，144mm。上述参数中的负号代表曲面的球心位于物方空间，未带有正、负号的视为正号，代表曲面的球心位于像方空间，上述第一至第二十六曲面沿激光传输方向依次排布，且上述各曲面的曲率半径并不是唯一的选择，均存在5％的公差范围。
进一步的，本实施例还对第一至第十三透镜的中心厚度D及各曲面间距d进行了设计，具体的，第一至第十三透镜的中心厚度D1、D2、D3、D4……D13分别为6mm，2mm，12mm，5mm，2mm，5mm，1mm，4mm，1mm，5mm，1mm，2mm，4mm，公差均为5％。并且，第二曲面S2与第三曲面S3在光轴上的间距d1为0.5mm；第六曲面S6与第七曲面S7在光轴上的间距d3为0.5mm；第十曲面S10与第十一曲面S11在光轴上的间距d5为5mm；第十六曲面S16与第十七曲面S17在光轴上的间距d8为3mm；第十八曲面S18与第十九曲面S19在光轴上的间距d9为0.5mm；第二十曲面S20与第二十一曲面S21在光轴上的间距d10为30mm；第二十二曲面S22与第二十三曲面S23在光轴上的间距d11为0.5mm；第二十四曲面S24与第二十五曲面S25在光轴上的间距d12为0.5mm；各间距的公差均为5％。由于第二透镜L2与第三透镜L3之间相互贴合，第六透镜L6与第七透镜L7之间相互贴合，所以第四曲面S4与第五曲面S5在光轴上的间距d2为0，第十二曲面S12与第十三曲面S13在光轴上的间距d6为0。另外，第五透镜、第六透镜和第七透镜沿光轴方向同步移动，使第八曲面S8与第九曲面S9在光轴上的间距d4及第十四曲面S14与第十五曲面S15在光轴上的间距d7可调，以使变焦监控镜头的焦距在一定范围内可调。
在对各透镜进行上述结构设计的基础上，透镜的材料(折射率与阿贝数之比)可以分为几种类型，具体的，第一、第三、第四、第五、第十、第十二及第十三透镜的折射率与阿贝数之比为1.7/54；第二、第九、第十一透镜的折射率与阿贝数之比为1.8/25；第六透镜的折射率与阿贝数之比为1.7/30；第七、八透镜的折射率与阿贝数之比为1.6/60；并且，各透镜的折射率与阿贝数之比均存在5％的公差范围。上述材料结合以上结构设计，可实现大范围、全天候的高清晰监控。
以下提供一种具体结构的变焦监控镜头，具体参考表1。
表1.变焦监控镜头的结构参数
该变焦监控镜头共包括13枚透镜，分为补偿镜组(第一至第四透镜)、变焦镜组(第五至第七透镜)和固定镜组(第八至第十三透镜)，而透镜材料只有四种，不仅通过简洁的结构实现了大范围、全天候的变焦监控，还大大的简化了光学材料的品种，降低了成本。该镜头具有下述光学特性：
通光波长λ＝450～820nm；
焦距f＝10～240mm；
放大率Γ＝24x；
相对孔径(通光孔径与焦距之比)D′/f＝1：1.8～1:2.8；
最大通光孔径D′max＝82mm；
视场角2ω＝35°～1.7°；
监控距离L′＝0～500m；
***总长度L总＝186～240mm。
该镜头可进行宽光谱(λ＝450～820nm)清晰成像，除了能透过常用可见光(λ＝550nm绿光，λ＝486nm蓝光，λ＝656nm红光)成像外，还可以透过红外光成清晰的像，因此该镜头不仅可在白天监控得到彩色图像，还可以在夜晚全黑的环境下执行监控任务，实现全天候监控。并且，该镜头的焦距f可实现10～240mm可调，视场角2ω可变范围较大，有效监控距离可达到0～500m，实现大范围、变焦距监控。另外，该镜头成像清晰度较高，用1/2″感光面积的CCD成像时可达到300～500万像素。并且，具有简单的结构，全镜头***共13片透镜，可使用相对较低成本的光学玻璃制作，从而大大地降低了制造成本。
以下结合附图对短焦距、中焦距和长焦距的监控镜头的成像质量进行说明。
图1-2和图1-3分别表示图1-1所示短焦距变焦监控镜头的几何像差和畸变，该镜头的几何像差和畸变达到了理想的校正状态，其中畸变最短时仅为5％，而国内外现有的视场比同类镜头还小的畸变都已经达到6％。
图1-4表示该短焦距变焦监控镜头的光学传递函数O.T.F，曲线从上到下分别代表分辨率为10lp/mm(10个线对)、20lp/mm(20个线对)、30lp/mm(30个线对)及40lp/mm(40个线对)的O.T.F。其纵轴代表百分比，横轴代表视场，单位为mm。图1-4表示全视场为4mm时，40线对最差的O.T.F还有20％，而一般监控镜头的标准为20线对的O.T.F为20％，可见该镜头的O.T.F远远优于传统镜头。
图1-5表示该短焦距变焦监控镜头的传递函数M.T.F，当分辨率为20lp/mm时，已经到达了0.7，远远超过摄影需要的M.T.F＝0.2的要求。
同样的，图2-2、2-3、2-4、2-5分别表示图2-1所示中焦距变焦监控镜头的几何像差、畸变、光学传递函数O.T.F及传递函数M.T.F，图3-2、3-3、3-4、3-5分别表示图3-1所示长焦距变焦监控镜头的几何像差、畸变、光学传递函数O.T.F及传递函数M.T.F，根据图中数据可见该中焦距镜头和长焦距镜头的像差和畸变均达到较佳的校正状态，成像质量达到了理想水平，完全是平像场，在Φ4mm(CCD对角线尺寸)成像范围内像差均小于或等于入射波长的0.1倍，O.T.F及M.T.F也优于同类镜头的要求标准，完全可以实现高清晰、大范围、全天候的监控。
另外，根据图2-3及图3-3可见，中焦距***和长焦距***的畸变全是正值且很小，其畸变差值只有2％。这与其他传统的镜头(较短焦距为正值畸变而较长焦距为负值畸变，且畸变差值达到了8％～10％，画面有很明显的变形)相比，具有明显改善画面质量的优点，其成像与目标像较为一致。该优点对监控及捕捉对象至关重要。该镜头十分适合广泛应用于各种监控设备中，特别适用于全天候的监控设备中。
进一步，本发明提供一种监控设备，包括监控镜头及位于监控镜头的像方空间的成像装置，该监控镜头即可采用本发明提供的变焦监控镜头，成像波长为450～820nm，该装置可实现全天候、大范围、高清晰的变焦监控。进一步的，该成像装置优选CCD摄像机。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种变焦监控镜头，其特征在于，包括沿入射光束的传输方向依次共轴设置的第一透镜、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、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜及第十三透镜；
所述第一、第八、第十、第十二透镜为双凸正透镜，所述第二、第九、第十一透镜为弯月形负透镜，所述第三、第四、第六、第十三透镜为弯月形正透镜，所述第五透镜为双凹负透镜，所述第七透镜为平凹负透镜；
所述第二透镜与第三透镜之间相互贴合，所述第六透镜与第七透镜之间相互贴合；
所述第二、第三、第四、第十三透镜的中间部分均逆向所述入射光束的传输方向凸出；
所述第六、第九、第十一透镜的中间部分均朝向所述入射光束的传输方向凸出；
所述第五、第六和第七透镜可沿光轴方向同步移动。
2.如权利要求1所述的变焦监控镜头，其特征在于，所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面，所述第二透镜包括第三曲面和第四曲面，所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面，所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面，所述第五透镜包括第九曲面和第十曲面，所述第六透镜包括第十一曲面和第十二曲面，所述第七透镜包括第十三曲面和第十四曲面，所述第八透镜包括第十五曲面和第十六曲面，所述第九透镜包括第十七曲面和第十八曲面，所述第十透镜包括第十九曲面和第二十曲面，所述第十一透镜包括第二十一曲面和第二十二曲面，所述第十二透镜包括第二十三曲面和第二十四曲面，所述第十三透镜包括第二十五曲面和第二十六曲面，所述第一至第二十六曲面沿所述入射光束的传输方向依次排布；
所述第一至第二十六曲面的曲率半径依次为：600mm，-400mm，100mm，60mm，60mm，180mm，70mm，100mm，-100mm，20mm，-30mm，-12mm，-12mm，∞，40mm，-200mm，-32mm，-100mm，50mm，-70mm，-15mm，-28mm，150mm，-65mm，20mm，144mm，公差均为5％。
3.如权利要求2所述的变焦监控镜头，其特征在于，
所述第一至第十三透镜的中心厚度依次为：6mm，2mm，12mm，5mm，2mm，5mm，1mm，4mm，1mm，5mm，1mm，2mm，4mm，公差均为5％。
4.如权利要求3所述的变焦监控镜头，其特征在于，
所述第二曲面与第三曲面在光轴上的间距为0.5mm；
所述第六曲面与第七曲面在光轴上的间距为0.5mm；
所述第十曲面与第十一曲面在光轴上的间距为5mm；
所述第十六曲面与第十七曲面在光轴上的间距为3mm；
所述第十八曲面与第十九曲面在光轴上的间距为0.5mm；
所述第二十曲面与第二十一曲面在光轴上的间距为30mm；
所述第二十二曲面与第二十三曲面在光轴上的间距为0.5mm；
所述第二十四曲面与第二十五曲面在光轴上的间距为0.5mm；
各所述间距的公差均为5％。
5.如权利要求1至4任一项所述的变焦监控镜头，其特征在于，所述第一、第三、第四、第五、第十、第十二、第十三透镜的折射率与阿贝数之比均为1.7/54；
所述第二、第九、第十一透镜的折射率与阿贝数之比均为1.8/25；
所述第六透镜的折射率与阿贝数之比均为1.7/30；
所述第七、第八透镜的折射率与阿贝数之比均为1.6/60；
各所述折射率与阿贝数之比的公差均为5％。
6.一种监控设备，包括监控镜头及位于所述监控镜头的像方空间的成像装置，其特征在于，所述监控镜头采用权利要求1至5任一项所述的变焦监控镜头。
7.如权利要求6所述的监控设备，其特征在于，所述变焦监控镜头的成像波长为450～820nm。
8.如权利要求6或7所述的监控设备，其特征在于，所述成像装置为CCD摄像机。
9.如权利要求8所述的监控设备，其特征在于，所述CCD摄像机的感光面积为1/2″。
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