CN108459403A - 高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学*** - Google Patents

高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，从物面至像面依次设置有：第一透镜组，第一透镜组的焦距为正，第一透镜组包括有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；第二透镜组，第二透镜组的焦距为负，第二透镜组包括有第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜；光阑；第三透镜组，第三透镜组的焦距为正，第三透镜组包括有第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜和第十五透镜；第四透镜组，第四透镜组的焦距为正，第四透镜组包括有第十六透镜、第十七透镜和第十八透镜；感光芯片。本发明的光学***分辨率高、像面大、倍率大，结构简单。

Description

高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***
【技术领域】
本发明涉及光学***，尤其涉及高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***。
【背景技术】
变焦镜头广泛应用到人们的日常生活中，特别是安防监控等领域，对广角及长焦综合应用的镜头需求越来越大。
当前市场往高分辨率和超大倍率的方向发展，为了获得更好的成像品质，使用像素点更大，像素点更多的芯片是解决问题的根本途径之一，但是目前的安防监控、路况监控装置存在如下缺点：
1.短焦端红外不共焦，在晚上有部分灯光照明时，拍摄的画面无法整体清晰，总会有部分角落模糊；市场上大倍率镜头普遍像素低，分辨率主要是720P和1080P；
2.目前市场上的主流监控镜头使用的芯片相对较小，芯片的像素点较小，1080P的镜头像面主要是1/2.8″的，使用有效成像面对角线6.2mm的1/2.8″的CMOS的芯片，其像素点大小仅有2.8μm，分辨率不是很高；在黑暗的环境下，拍摄画质不好；
3.普通的变焦镜头往往无法做到大倍率与体积兼容，倍率增大同时会引起镜头体积的急剧变化，目前市场上的大于变倍达到50倍的监控镜头，最大口径基本大于100mm；
4.目前直流的较高倍率的镜头在长焦端使用时很容易出现镜头抖动而难以拍摄到稳定的画面，因此迫切需要镜头有防抖功能；
5.目前监控镜头需要在广角端需求红外和可见光共焦，场上的监控镜头，多非红外共焦镜头，在晚上有部分灯光照明时，拍摄的画面无法整体清晰，总会有部分模糊，有的镜头即使做到红外共焦但会使紫边增大。
因此，本发明正是基于以上的不足而产生的。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦且带有光学防抖的大于75倍连续变焦光学***；该***分辨率高、像面大、倍率大，结构简单。
为解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，其特征在于，从物面至像面依次设置有：
能相对像面固定的第一透镜组，第一透镜组的焦距为正，第一透镜组包括有从物面至像面依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；
能相对像面前后移动的第二透镜组，第二透镜组的焦距为负，第二透镜组包括有从物面至像面依次设置的第七透镜、第八透镜、第九透镜和第十透镜；
光阑；
能相对像面固定的第三透镜组，第三透镜组的焦距为正，第三透镜组包括有从物面至像面依次设置的第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜和第十五透镜；
能相对像面前后移动的第四透镜组，第四透镜组的焦距为正，第四透镜组包括有从物面至像面依次设置的第十六透镜、第十七透镜和第十八透镜；
感光芯片。
如上所述的高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，其特征在于，所述第一透镜焦距为负，第一透镜为弯月形结构，且凹面朝向感光芯片方向；第二透镜的焦距为正，第二透镜的两个面均为凸面，第三透镜的焦距为正，第三透镜为弯月形结构，第四透镜的焦距为正，第四透镜为弯月形结构，第五透镜的焦距为负，第五透镜为弯月形结构，且凹面朝向感光芯片方向，第六透镜的焦距为正，第六透镜为弯月型结构；所述第一透镜与所述第二透镜通过光学胶水粘合，所述第五透镜与所述第六透镜通过光学胶水粘合。
如上所述的高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，其特征在于，第七透镜的焦距为负，且为弯月型结构，第八透镜的焦距为负，且为弯月型结构，第九透镜的焦距为负，且第九透镜的两个面均为凹面，第十透镜的焦距为正，且第十透镜的两个面均为凸面；所述第九透镜与所述第十透镜通过光学胶水粘合。
如上所述的高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，其特征在于，第十一透镜的焦距为正，且第十一透镜的两个面均为凸面；第十二透镜的焦距为正，且第十二透镜的两个面均为凸面，第十三透镜的焦距为负，第十四透镜的焦距为正，第十五透镜的焦距为负；所述第十二透镜与所述第十三透镜通过光学胶水粘合，所述第十四透镜与第十五透镜通过光学胶水粘合。
如上所述的高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，其特征在于，第十六透镜的焦距为正，第十七透镜的焦距为负，所述第十八透镜的焦距为正；所述第十六透镜与第十七透镜通过光学胶水粘合。
如上所述的高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，其特征在于，所述的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第九透镜、第十透镜、第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜、第十六透镜和第十七透镜均为玻璃球面透镜，所述的第七透镜、第八透镜、第十一透镜和第十八透镜均为玻璃非球面透镜。
如上所述的高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，其特征在于，所述的第七透镜、第八透镜、第十一透镜和第十八透镜的非球面表面形状满足方程式：
上述方程式中参数c为半径所对应的曲率，r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，α1至α8分别表示各径向坐标所对应的系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线；当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形。
如上所述的高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，其特征在于，所述的第二透镜组相对感光芯片的移动范围为0～145mm,所述的第四透镜组相对感光芯片的移动范围为0～66mm，所述的光阑与感光芯片的距离为50mm，所述的第一透镜组与第三透镜组的距离是143mm。
与现有技术相比，本发明的高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，达到了如下效果：
1、本发明使用了4个透镜组，随着第二透镜组在第一透镜组、三透镜组之间前后移动，焦距发生变化，第四透镜组用于对焦，焦距可在13.5mm-1020mm之间变化，变焦倍率达到75倍以上，拍摄角度水平28°到0.4°之间变化，拍摄距离最近至1m，适合在多种环境下使用；
2、本发明能够达到高于5M(像素500万像素)的分辨率，以8.9mm的1/1.8”的CCD为例，本发明可以达到中心分辨率高于250lp/mm、周边0.8H(80％对角线位置)位置分辨率高于160lp/mm。
3、本发明光学***的第十一透镜可以在竖直平面移动，镜头在长焦端出现抖动时，可对像面进行补偿，在焦距600mm处，第十一透镜0.25mm的移动量，画面所偏移量为0.255mm，基本达到1:1的补偿比例，且第十一透镜后有大于7mm的空气间隔，给防抖部件的安装留出极大空间，最大限度发挥出防抖的效用；
4、本发明***实现了短焦端红外共焦，在可见波长段430nm-650nm和红外波长段830nm-870nm可以同时达到成像清晰，在视场范围大且多种波长光源存在的环境下整个成像画面清晰；
5、本发明整个***多处采用单透镜和胶合透镜配合使用以及非球面，不仅消除了整个***的色差，也很好的平衡了整个***的像差；
6、本发明设置一定的渐晕，在不影响照度的情况下，还能拦掉周边杂散光线，使像面中心分辨率高的同时，边缘也有很高的分辨率。
7、本发明的第三透镜组连续使用两枚胶合镜片，极大消除了镜头色差，使得镜头在红外共焦的情况下，消除紫边等短波像差。
【附图说明】
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：
图1为本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。
如图1所示，高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，从物面至像面依次设置有：
能相对像面固定的第一透镜组1，第一透镜组1的焦距为正，第一透镜组1包括有从物面至像面依次设置的第一透镜101、第二透镜102、第三透镜103、第四透镜104、第五透镜105和第六透镜106；
能相对像面前后移动的第二透镜组2，第二透镜组2的焦距为负，第二透镜组2包括有从物面至像面依次设置的第七透镜201、第八透镜202、第九透镜203和第十透镜204；
光阑6；光阑6固定在第三透镜组3前，根据在不同的焦距及环境下口径大小进行变化；
能相对像面固定的第三透镜组3，第三透镜组3的焦距为正，第三透镜组3包括有从物面至像面依次设置的第十一透镜301、第十二透镜302、第十三透镜303、第十四透镜304和第十五透镜305；
能相对像面前后移动的第四透镜组4，第四透镜组4的焦距为正，第四透镜组4包括有从物面至像面依次设置的第十六透镜401、第十七透镜402和第十八透镜403；
感光芯片5。
本光学***由18枚镜片组成，其中14枚玻璃球面镜片和4枚玻璃非球面镜片。
如图1所示，在本实施例中，所述第一透镜101焦距为负，第一透镜101为弯月形结构，且凹面朝向感光芯片5方向；第二透镜102的焦距为正，第二透镜102的两个面均为凸面，第三透镜103的焦距为正，第三透镜103为弯月形结构，第四透镜104的焦距为正，第四透镜104为弯月形结构，第五透镜105的焦距为负，第五透镜105为弯月形结构，且凹面朝向感光芯片5方向，第六透镜106的焦距为正，第六透镜106为弯月型结构；所述第一透镜101与所述第二透镜102通过光学胶水粘合，所述第五透镜105与所述第六透镜106通过光学胶水粘合，粘合面弯向光阑，能够矫正高倍位置的球差和正弦差。
如图1所示，在本实施例中，第七透镜201的焦距为负，且为弯月型结构，第八透镜202的焦距为负，且为弯月型结构，第九透镜203的焦距为负，且第九透镜203的两个面均为凹面，第十透镜204的焦距为正，且第十透镜的两个面均为凸面；所述第九透镜203与所述第十透镜204通过光学胶水粘合。
如图1所示，在本实施例中，第十一透镜301的焦距为正，且第十一透镜301的两个面均为凸面；第十二透镜302的焦距为正，且第十二透镜302的两个面均为凸面，第十三透镜303的焦距为负，第十四透镜304的焦距为正，第十五透镜305的焦距为负；所述第十二透镜302与所述第十三透镜303通过光学胶水粘合，所述第十四透镜304与第十五透镜305通过光学胶水粘合。
如图1所示，在本实施例中，第十六透镜401的焦距为正，第十七透镜402的焦距为负，所述第十八透镜403的焦距为正；所述第十六透镜401与第十七透镜402通过光学胶水粘合。
如图1所示，在本实施例中，所述的第一透镜101、第二透镜102、第三透镜103、第四透镜104、第五透镜105、第六透镜106、第九透镜203、第十透镜204、第十二透镜302、第十三透镜303、第十四透镜304、第十五透镜305、第十六透镜401和第十七透镜402均为玻璃球面透镜，所述的第七透镜201、第八透镜202、第十一透镜301和第十八透镜403均为玻璃非球面透镜。
如图1所示，在本实施例中，所述的第七透镜201、第八透镜202、第十一透镜301和第十八透镜403的非球面表面形状满足方程式：
上述方程式中参数c为半径所对应的曲率，r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，α1至α8分别表示各径向坐标所对应的系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线；当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形。
如图1所示，在本实施例中，所述的第二透镜组2相对感光芯片5的移动范围为0～145mm,所述的第四透镜组4相对感光芯片5的移动范围为0～66mm，所述的光阑6与感光芯片5的距离为50mm，所述的第一透镜组1与第三透镜组3的距离是143mm。
下面列举该变焦的实际设计案例：
面序 α2 α3 α4 α5 α6 α7 α8
11 -1.062E+01 -4.912E-06 7.288E-09 0 0 0 0
12 -7.791E-01 -7.501E-06 8.977E-09 0 0 0 0
13 -1.222E+00 2.671E-05 -2.017E-07 0 0 0 0
14 -2.562E+00 6.470E-05 -1.201E-07 0 0 0 0
18 1.614E+00 -4.326E-05 3.137E-07 0 0 0 0
19 -4.147E-01 -2.826E-05 2.421E-07 0 0 0 0
29 -3.025E+00 2.338E-06 4.191E-09 0 0 0 0
30 -2.870E+00 -2.834E-07 4.995E-09 0 0 0 0
透镜组之间变焦移动范围：
第二透镜组的移动范围是145mm；
第四透镜组的移动范围是64.0mm；
光阑与感光芯片之间的距离是145.6mm；
第一透镜组和第三透镜组的距离是173.5mm。
本发明的变焦镜头使用了4个透镜组，随着第二透镜组在第一透镜组、第三透镜组之间前后移动，焦距发生变化，第四透镜组用于对焦，焦距可在13.5mm-1020mm之间变化，变焦倍率达到75倍以上，拍摄角度水平28°到0.4°之间变化，拍摄距离最近至1m，适合在多种环境下使用；
本发明能够达到高于5M(像素500万像素)的分辨率，以8.9mm的1/1.8”的CCD为例，本发明可以达到中心分辨率高于250lp/mm、周边0.8H(80％对角线位置)位置分辨率高于160lp/mm。
本发明光学***的第十一透镜可以在竖直平面移动，镜头在长焦端出现抖动时，可对像面进行补偿，在焦距600mm处，第十一透镜0.25mm的移动量，画面所偏移量为0.255mm，基本达到1:1的补偿比例，且第十一透镜后的空气间隔可以最大留出7mm，给防抖部件的安装留出极大空间，最大限度发挥出防抖的效用；
本发明的整个镜头以第一透镜组为最高点，第一透镜组与像面的距离是固定的，其最大高度小于360mm；
本发明***实现了短焦端红外共焦，在可见波长段430nm-650nm和红外波长段830nm-870nm可以同时达到成像清晰，在视场范围大且多种波长光源存在的环境下整个成像画面清晰；
本发明整个***多处采用单透镜和胶合透镜配合使用以及非球面，不仅消除了整个***的色差，也很好的平衡了整个***的像差；
本发明设置一定的渐晕，在不影响照度的情况下，还能拦掉周边杂散光线，使像面中心分辨率高的同时，边缘也有很高的分辨率。
本发明的第三透镜组连续使用两枚胶合镜片，极大消除了镜头色差，使得镜头在红外共焦的情况下，消除紫边等短波像差。

Claims (8)

1.高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，其特征在于，从物面至像面依次设置有：
能相对像面固定的第一透镜组(1)，第一透镜组(1)的焦距为正，第一透镜组(1)包括有从物面至像面依次设置的第一透镜(101)、第二透镜(102)、第三透镜(103)、第四透镜(104)、第五透镜(105)和第六透镜(106)；
能相对像面前后移动的第二透镜组(2)，第二透镜组(2)的焦距为负，第二透镜组(2)包括有从物面至像面依次设置的第七透镜(201)、第八透镜(202)、第九透镜(203)和第十透镜(204)；
光阑(6)；
能相对像面固定的第三透镜组(3)，第三透镜组(3)的焦距为正，第三透镜组(3)包括有从物面至像面依次设置的第十一透镜(301)、第十二透镜(302)、第十三透镜(303)、第十四透镜(304)和第十五透镜(305)；
能相对像面前后移动的第四透镜组(4)，第四透镜组(4)的焦距为正，第四透镜组(4)包括有从物面至像面依次设置的第十六透镜(401)、第十七透镜(402)和第十八透镜(403)；
感光芯片(5)。
2.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，其特征在于，所述第一透镜(101)焦距为负，第一透镜(101)为弯月形结构，且凹面朝向感光芯片(5)方向；第二透镜(102)的焦距为正，第二透镜(102)的两个面均为凸面，第三透镜(103)的焦距为正，第三透镜(103)为弯月形结构，第四透镜(104)的焦距为正，第四透镜(104)为弯月形结构，第五透镜(105)的焦距为负，第五透镜(105)为弯月形结构，且凹面朝向感光芯片(5)方向，第六透镜(106)的焦距为正，第六透镜(106)为弯月型结构；所述第一透镜(101)与所述第二透镜(102)通过光学胶水粘合，所述第五透镜(105)与所述第六透镜(106)通过光学胶水粘合。
3.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，其特征在于，第七透镜(201)的焦距为负，且为弯月型结构，第八透镜(202)的焦距为负，且为弯月型结构，第九透镜(203)的焦距为负，且第九透镜(203)的两个面均为凹面，第十透镜(204)的焦距为正，且第十透镜的两个面均为凸面；所述第九透镜(203)与所述第十透镜(204)通过光学胶水粘合。
4.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，其特征在于，第十一透镜(301)的焦距为正，且第十一透镜(301)的两个面均为凸面；第十二透镜(302)的焦距为正，且第十二透镜(302)的两个面均为凸面，第十三透镜(303)的焦距为负，第十四透镜(304)的焦距为正，第十五透镜(305)的焦距为负；所述第十二透镜(302)与所述第十三透镜(303)通过光学胶水粘合，所述第十四透镜(304)与第十五透镜(305)通过光学胶水粘合。
5.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，其特征在于，第十六透镜(401)的焦距为正，第十七透镜(402)的焦距为负，所述第十八透镜(403)的焦距为正；所述第十六透镜(401)与第十七透镜(402)通过光学胶水粘合。
6.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，其特征在于，所述的第一透镜(101)、第二透镜(102)、第三透镜(103)、第四透镜(104)、第五透镜(105)、第六透镜(106)、第九透镜(203)、第十透镜(204)、第十二透镜(302)、第十三透镜(303)、第十四透镜(304)、第十五透镜(305)、第十六透镜(401)和第十七透镜(402)均为玻璃球面透镜，所述的第七透镜(201)、第八透镜(202)、第十一透镜(301)和第十八透镜(403)均为玻璃非球面透镜。
7.根据权利要求6所述的高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，其特征在于，所述的第七透镜(201)、第八透镜(202)、第十一透镜(301)和第十八透镜(403)的非球面表面形状满足方程式：
上述方程式中参数c为半径所对应的曲率，r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，α1至α8分别表示各径向坐标所对应的系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线；当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形。
8.根据权利要求1所述的高分辨率、大像面、大倍率、短焦端红外共焦光学***，其特征在于，所述的第二透镜组(2)相对感光芯片(5)的移动范围为0～145mm,所述的第四透镜组(4)相对感光芯片(5)的移动范围为0～66mm，所述的光阑(6)与感光芯片(5)的距离为50mm，所述的第一透镜组(1)与第三透镜组(3)的距离是143mm。
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