定焦光學系統及監控攝像設備的製作方法
2024-04-15 17:36:06
1.本發明涉及光學系統設計技術領域，特別涉及一種定焦光學系統及監控攝像設備。
背景技術：
2.目前監控用的定焦光學系統普遍存在這樣的缺點：焦距短，遠距離無法拍攝清晰，不同物距下不能快速對焦，極端環境中鏡頭不能工作或者解像下降等等。目前市場上沒有完全兼顧上述缺點的鏡頭，只有少數鏡頭，在犧牲其它方面的情況下改善某些方面。也有鏡頭為了實現解像要求和保證極端環境的使用採取多枚玻璃非球面鏡片，致使成本上升，影響了鏡頭的普及和推廣。
技術實現要素：
3.本發明的主要目的是提供一種定焦光學系統和監控攝像設備，旨在改善現有技術中在極端環境中解像性能差的技術問題。
4.為實現上述目的，本發明提供一種定焦光學系統，所述定焦光學系統具有沿光軸方向呈相對設置的物側和像側，所述定焦光學系統包括殼體和設於所述殼體內自所述物側至所述像側依次設置光焦度為正的第一透鏡組、光闌、光焦度為負的第二透鏡組、光焦度為負的第三透鏡組以及感光晶片，其中，所述第一透鏡組和所述第三透鏡組固定安裝於所述殼體，所述第二透鏡組沿所述光軸的延伸方向可移動地設置；
5.其中，所述定焦光學系統的焦距為f，所述第一透鏡組的焦距為f1，所述第二透鏡組的焦距為f2，所述第三透鏡組的焦距為f3，所述定焦光學系統滿足以下條件：
6.2.2《f/f1《3，且-4.4《f/f2《-3.2，且-1.8《f/f3《-1.2。
7.可選地，所述第一透鏡組包括自所述物側至所述像側依次設置的具有正光焦度的第一透鏡、具有負光焦度的第二透鏡、具有正光焦度的第三透鏡、具有負光焦度的第四透鏡；
8.所述第一透鏡的焦距為f11，所述第二透鏡的焦距為f12，所述第三透鏡的焦距為f13，所述第四透鏡的焦距為f14，所述第一透鏡組與所述第一透鏡、所述第二透鏡、所述第三透鏡、所述第四透鏡滿足以下條件：
9.0.15《f1/f11《21，且-0.52《f1/f12《-0.38，且0.68《f1/f13《0.92，且-0.25《f1/f14《-0.18。
10.可選地，所述第一透鏡和所述第二透鏡膠合連接；
11.所述第三透鏡和所述第四透鏡膠合連接。
12.可選地，所述第一透鏡和所述第二透鏡形成的第一膠合鏡組的光焦度為正，所述第三透鏡和所述第四透鏡形成的第二膠合鏡組的光焦度為正，所述第一膠合鏡組的焦距為f1112，所述第二膠合鏡組的焦距為f1314，所述第一透鏡組與所述第一膠合鏡組、所述第二膠合鏡組滿足以下條件：
13.0.24《f1/f1112《0.33，且0.63《f1/f1314《0.86。
14.可選地，所述第二透鏡組包括自所述物側至所述像側依次設置的具有正光焦度的第五透鏡、具有正光焦度的第六透鏡、具有負光焦度的第七透鏡；
15.所述第五透鏡的焦距為f21，所述第六透鏡的焦距為f22，所述第七透鏡的焦距為f23，所述第二透鏡組與所述第五透鏡、所述第六透鏡、所述第七透鏡滿足以下條件：
[0016]-0.38《f2/f21《-0.28，且-1.18《f2/f22《-0.87，且2.2《f2/f23《2.98。
[0017]
可選地，所述第三透鏡組包括自所述物側至所述像側依次設置的具有負光焦度的第八透鏡、具有負光焦度的第九透鏡、具有正光焦度的第十透鏡；
[0018]
所述第八透鏡的焦距為f31，所述第九透鏡的焦距為f32，所述第十透鏡的焦距為f33，所述第三透鏡組與所述第八透鏡、所述第九透鏡、所述第十透鏡滿足以下條件：
[0019]
0.72《f3/f31《0.97，且1.0《f3/f32《1.4，且-3.5《f3/f33《-2.5。
[0020]
可選地，所述第八透鏡和所述第九透鏡膠合連接形成第三膠合鏡組，所述第三膠合鏡組在其所在的平面上，沿垂直於所述光軸的方向可移動地設置。
[0021]
可選地，所述第三膠合鏡組的光焦度為負，所述第三膠合鏡組的焦距為f3132，所述第三透鏡組與所述第三膠合鏡組滿足以下條件：
[0022]
3.5《f3/f3132《4.9。
[0023]
可選地，所述第一透鏡、所述第二透鏡、所述第三透鏡、所述第四透鏡、所述第五透鏡、所述第六透鏡、所述第七透鏡、所述第八透鏡、所述第九透鏡、所述第十透鏡均為玻璃球面透鏡。
[0024]
本發明還提供一種監控攝像設備，所述監控攝像設備包括定焦光學系統，所述定焦光學系統具有沿光軸方向呈相對設置的物側和像側，所述定焦光學系統包括殼體和設於所述殼體內自所述物側至所述像側依次設置光焦度為正的第一透鏡組、光闌、光焦度為負的第二透鏡組、光焦度為負的第三透鏡組以及感光晶片，其中，所述第一透鏡組和所述第三透鏡組固定安裝於所述殼體，所述第二透鏡組沿所述光軸的延伸方向可移動地設置；
[0025]
其中，所述定焦光學系統的焦距為f，所述第一透鏡組的焦距為f1，所述第二透鏡組的焦距為f2，所述第三透鏡組的焦距為f3，所述定焦光學系統滿足以下條件：
[0026]
2.2《f/f1《3，且-4.4《f/f2《-3.2，且-1.8《f/f3《-1.2。
[0027]
在本發明提供的技術方案中，所述第一透鏡組和所述第三透鏡組固定安裝於所述殼體，所述第二透鏡組沿光軸方向可活動地安裝於所述殼體，其中，所述第二透鏡組受到外力驅動沿著所述光軸做與所述第一透鏡組和所述第三透鏡組的位置、成像波長、成像物距對應的移動對焦，使所述定焦光學系統在對焦後保持所述成像面成像清晰，並且所述第一透鏡組具有正光焦度、所述第二透鏡組具有負光焦度、所述第三透鏡組具有負光焦度，通過三個透鏡組的合理設置以及所述定焦光學系統的焦距和各透鏡組焦距比值的有條件的限制，使得所述定焦光學系統實現超長焦距，達到f500mm，在不穩定的環境中工作並保證鏡頭的解像，可以通過調整鏡片的xy方向的偏心來矯正鏡頭因為受外力導致的畫面抖動，以改善現有技術中在極端環境中解像性能差的技術問題,。
附圖說明
[0028]
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現
有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖示出的結構獲得其他的附圖。
[0029]
圖1為本發明提供的定焦光學系統的結構示意圖；
[0030]
圖2為圖1中的定焦光學系統的像差圖；
[0031]
圖3為圖1中的定焦光學系統的場曲圖；
[0032]
圖4為圖1中的定焦光學系統的畸變圖。
[0033]
附圖標號說明：
[0034]
標號名稱標號名稱1第一透鏡組23第七透鏡11第一透鏡3第三透鏡組12第二透鏡31第八透鏡13第三透鏡32第九透鏡14第四透鏡33第十透鏡2第二透鏡組4光闌21第五透鏡5感光晶片22第六透鏡6濾光鏡
[0035]
本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。
具體實施方式
[0036]
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0037]
需要說明，若本發明實施例中有涉及方向性指示，則該方向性指示僅用於解釋在某一特定姿態下各部件之間的相對位置關係、運動情況等，如果該特定姿態發生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。
[0038]
另外，若本發明實施例中有涉及「第一」、「第二」等的描述，則該「第一」、「第二」等的描述僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。另外，全文中出現的「和/或」的含義，包括三個並列的方案，以「a和/或b」為例，包括a方案、或b方案、或a和b同時滿足的方案。還有就是，各個實施例之間的技術方案可以相互結合，但是必須是以本領域普通技術人員能夠實現為基礎，當技術方案的結合出現相互矛盾或無法實現時應當認為這種技術方案的結合不存在，也不在本發明要求的保護範圍之內。
[0039]
目前市面上主流的高像質變焦的監控鏡頭，需要鏡頭有足夠大視場角以獲得更為廣闊的視野範圍，常常會將鏡頭設計為具有廣角的效果，而具有廣角效果的鏡頭的設計理念是以犧牲鏡頭的畸變為代價，以極大的畸變以儘可能多的收入光線，因而在畫面的邊緣區域因為巨大的形變被嚴重壓縮，無法分辨出畫面周邊的影像信息，造成成像的觀感質量不佳。在室外監控中，為了保證能夠清晰地監控到大範圍的被攝區域，對畫面的畸變有著較
高的要求。現有的監控鏡頭一般是通過很多枚玻璃非球面透鏡來減弱畸變帶來的影響，但是製造成本較高無法滿足市場需求。
[0040]
本發明提供一種定焦光學系統，旨在改善現有技術中在極端環境中解像性能差的技術問題，請參照圖1，附圖所示為所述定焦光學系統的具體實施例。
[0041]
圖1至圖4為本發明提供的定焦光學系統的第一實施例。
[0042]
請參照圖1，所述定焦光學系統具有沿光軸方向呈相對設置的物側和像側，所述定焦光學系統包括殼體(圖中未示出)以及多個透鏡組，所述殼體沿所述光軸方向延伸設置，所述透鏡組包括自所述物側至所述像側依次設置的具有正光焦度的第一透鏡組1、具有負光焦度的第二透鏡組2、光闌4、具有負光焦度的第三透鏡組3以及感光晶片5，並且，所述第五透鏡21組的光焦度可以是正也可以是負，其中，所述第一透鏡組1和所述第三透鏡組3固定安裝於所述殼體，所述第二透鏡組2沿所述光軸的延伸方向可移動地設置；其中，所述定焦光學系統的焦距為f，所述第一透鏡組1的焦距為f1，所述第二透鏡組2的焦距為f2，所述第三透鏡組3的焦距為f3，所述定焦光學系統滿足以下條件：2.2《f/f1《3，且-4.4《f/f2《-3.2，且-1.8《f/f3《-1.2。
[0043]
在本發明提供的技術方案中，所述第一透鏡組1和所述第三透鏡組3固定安裝於所述殼體，所述第二透鏡組2沿光軸方向可活動地安裝於所述殼體，其中，所述第二透鏡組2受到外力驅動沿著所述光軸做與所述第一透鏡組1和所述第三透鏡組3的位置、成像波長、成像物距對應的移動對焦，使所述定焦光學系統在對焦後保持所述成像面成像清晰，並且所述第一透鏡組1具有正光焦度、所述第二透鏡組2具有負光焦度、所述第三透鏡組3具有負光焦度，通過三個透鏡組的合理設置以及所述定焦光學系統的焦距和各透鏡組焦距比值的有條件的限制，使得所述定焦光學系統實現超長焦距，達到f500mm，可以通過調整鏡片的xy方向的偏心來矯正鏡頭因為受外力導致的畫面抖動，以改善現有技術中在極端環境中解像性能差的技術問題。
[0044]
需要說明的是所述第二透鏡組2能夠受到外力驅動而沿所述光軸方向移動，其中，外力驅動可以是驅動電機驅動，也可以是人工手動調節在此不做限制。
[0045]
具體地，在本實施例中，所述第一透鏡組1包括自所述物側至所述像側依次設置的具有正光焦度的第一透鏡11、具有負光焦度的第二透鏡12、具有正光焦度的第三透鏡13、具有負光焦度的第四透鏡14；所述第一透鏡11的焦距為f11，所述第二透鏡12的焦距為f12，所述第三透鏡13的焦距為f13，所述第四透鏡14的焦距為f14，所述第一透鏡組1與所述第一透鏡11、所述第二透鏡12、所述第三透鏡13、所述第四透鏡14滿足以下條件：0.15《f1/f11《21，且-0.52《f1/f12《-0.38，且0.68《f1/f13《0.92，且-0.25《f1/f14《-0.18。
[0046]
更為具體地，在本實施例中，所述第一透鏡11為具有正光焦度的凸凹球面透鏡，即所述第一透鏡11的物側面為凸面，像側面為凹面，所述第二透鏡12為具有負光焦度的球面透鏡，所述第三透鏡13為具有正光焦度的球面透鏡，所述第四透鏡1413為具有負光焦度的凸凹球面透鏡，並且所述第一透鏡11的光焦度為1104.21，所述第二透鏡12的光焦度為-445.23，所述第三透鏡13的光焦度為251.43，所述第四透鏡14的光焦度為-933.61。
[0047]
進一步地，所述第一透鏡11與所述第二透鏡12通過膠合形成具有正光焦度的第一膠合鏡組，並且，所述第一膠合鏡組的光焦度為706.4。
[0048]
所述第三透鏡13與所述第四透鏡14通過膠合形成具有正光焦度的第二膠合鏡組，
並且，所述第二膠合鏡組的光焦度為270.38。
[0049]
所述第一透鏡組1與所述第一膠合鏡組、所述第二膠合鏡組滿足以下條件：0.24《f1/f1112《0.33，0.63《f1/f1314《0.86；其中，f1為所述第一透鏡組1的焦距，f1112為所述第一膠合鏡組的焦距，f1314為所述第二膠合鏡組的焦距。如此，合理使用膠合件，讓光學元器件改善光學系統像質，減少光能損失，增加成像清晰度，保護刻度面，進一步優化加工流程達到設計要求。
[0050]
具體地，所述第二透鏡組2包括自所述物側至所述像側依次設置的具有負光焦度的第五透鏡21、具有正光焦度的第六透鏡22、具有負光焦度的第七透鏡23；並且，所述第五透鏡21的焦距為f21，所述第六透鏡22的焦距為f22，所述第七透鏡23的焦距為f23，所述第二透鏡組2與所述第五透鏡21、所述第六透鏡22、所述第七透鏡23滿足以下條件：-0.38《f2/f21《-0.28，且-1.18《f2/f22《-0.87，且2.2《f2/f23《2.98。
[0051]
更為具體地，在本實施例中，所述第五透鏡21為具有正光焦度的球面透鏡，所述第六透鏡22為具有正光焦度的球面透鏡，所述第七透鏡23為具有負光焦度的球面透鏡。優選地，所述第五透鏡21的光焦度為416.43，所述第六透鏡22的光焦度為132.78，所述第七透鏡23的光焦度為-52.56。
[0052]
具體地，所述第三透鏡組3包括自所述物側至所述像側依次設置的具有正光焦度的第八透鏡31、具有正光焦度的第九透鏡32、具有負光焦度的第十透鏡33；所述第八透鏡31的焦距為f31，所述第九透鏡32的焦距為f32，所述第十透鏡33的焦距為f33，所述第三透鏡組3與所述第八透鏡31、所述第九透鏡32、所述第十透鏡33滿足以下條件：0.72《f3/f31《0.97，且1.0《f3/f32《1.4，且-3.5《f3/f33《-2.5。
[0053]
更為具體地，在本實施例中，所述第八透鏡31為具有負光焦度的球面透鏡，所述第九透鏡32為具有負光焦度的球面透鏡，所述第十透鏡33為具有正光焦度的球面透鏡，優選地，所述第八透鏡31的光焦度為-413.27、所述第九透鏡32的光焦度為-286.87、所述第十透鏡33的光焦度為114.92。
[0054]
進一步地，所述第八透鏡31與所述第九透鏡32通過膠合形成具有負光焦度的第三膠合鏡組，並且，所述第一膠合鏡組的光焦度為-82.81。所述第三膠合鏡組在其所在的平面上，沿垂直於所述光軸的方向可移動地設置，使得在所述定焦光學系統發生抖動時，所述第三膠合鏡組可以通過偏心來矯正畫面中心的抖動，可以通過調整鏡片的xy方向的偏心來矯正鏡頭因為受外力導致的畫面抖動，在不穩定的環境中工作保證鏡頭的解像。
[0055]
所述第三透鏡組3與所述第三膠合鏡組滿足以下條件：3.5《f3/f3132《4.9；其中，f3為所述第三透鏡組3的焦距，f3132為所述第一膠合鏡組的焦距。合理使用膠合件，讓光學元器件改善光學系統像質，減少光能損失，增加成像清晰度，保護刻度面，進一步優化加工流程達到設計要求。
[0056]
如此設置，通過合理分配鏡片光焦度，調整玻璃形狀及材料搭配，有效消色差及二級光譜，使各個鏡片上的球差，慧差，像散等相互補償抵消，以達到清晰成像的效果，以實現高階像差和色差的最優矯正。
[0057]
可以理解的是，所述感光晶片5朝向所述物側的表面為成像面。
[0058]
具體地，所述定焦光學系統還包括光闌4，所述光闌4位於所述第一透鏡組1與所述第二透鏡組2之間；即所述光闌4位於所述第四透鏡14和所述第五透鏡21之間，在本實施例
中，所述光闌4為可調光闌，所述可調光闌能夠隨著環境光照強度的變化而進行相應的縮放光圈措施。
[0059]
具體地，在本實施例中，所述定焦光學系統還包括濾光鏡6，所述濾光鏡6位於所述第三透鏡組3與所述成像面之間，所述濾光鏡6用於濾除不必要波段的光線和雜散光，以減小光噪聲，為後續的光電模塊處理部分減小困難，所述濾光鏡6也可用以調節最後成像時物象的色彩度，從而提高成像質量。
[0060]
具體地，所述成像面可以理解為所述感光晶片朝向所述物側的表面，即可以為ccd或者cmos等攝像元件的表面，可以理解的是，攜帶被攝物體信息的光線能夠依次經過所述第一透鏡組1、所述光闌4、所述第二透鏡組2、所述第三透鏡組3、所述濾光鏡6並最終成像於所述成像面上。
[0061]
具體地，本實施例中，鏡片的材質折射率，曲率半徑，厚度間隔如下表所示，其中半徑、厚度單位均為毫米(mm)。
[0062]
表1鏡片的參數
[0063][0064][0065]
具體地，考慮到溫度變化的影響，因玻璃材質的透鏡具有硬度高、耐磨性強、使用壽命長的特點。並且全玻璃鏡頭化學性質穩定，不容易受熱脹冷縮的影響出現跑焦現象，也
不容易被腐蝕。全玻璃鏡頭可以很好的抵抗鏡頭受熱變形的問題，長時間保持鏡頭的高精度。在本實施例中，所述第一透鏡11、所述第二透鏡12、所述第三透鏡13、所述第四透鏡14、所述第五透鏡21、所述第六透鏡22、所述第七透鏡23、所述第八透鏡31、所述第九透鏡32、所述第十透鏡33均為玻璃球面透鏡，可減小溫度對鏡頭光學性能的影響。因球面透鏡的反射服從光的反射定律，對光線進行匯聚或是發散，在保證像質和可靠性的前提下，減少成本，組裝敏感度較低，提升了成品良率。
[0066]
進一步地，在本實施例中，透鏡的表面形狀滿足以下條件：
[0067][0068]
其中，c為半徑所對應的曲率，y為徑向坐標(其單位和透鏡長度單位相同)，k為圓錐二次曲線係數，(當k係數小於-1時面形曲線為雙曲線，當k係數等於-1時為拋物線，當k係數介於-1到0之間時為橢圓，當k係數等於0時為圓形，當k係數大於0時為扁圓形)。
[0069]
圖2至圖4分別顯示所述定焦光學系統的像差圖(longitudinal aberration)、場曲圖(field curvature)以及畸變圖(distortion)，圖中的s、t，分別為弧矢像面、子午像面所對應的像差。
[0070]
由上述圖可知，本實施例中的所述定焦光學系統的球面像差、場曲以及畸變均能夠獲得良好的校正。
[0071]
綜上所述，本發明所述的定焦光學系統採用了「正負負」的三群結構，其中通過所述第二透鏡組2能夠活動設置，可防抖，在不穩定的環境中工作並保證鏡頭的解像；並且所述定焦光學系統中各透鏡為玻璃球面鏡，充分保證良好的光學性能。
[0072]
此外，本發明還提供一種監控攝像設備，所述監控攝像設備包括上述技術方案所述的定焦光學系統，因所述監控攝像設備包括所述定焦光學系統，該定焦光學系統的具體結構參照上述實施例，由於本監控攝像設備的定焦光學系統採用了上述所有實施例的全部技術方案，因此至少具有上述實施例的技術方案所帶來的所有有益效果，在此不再一一贅述。
[0073]
以上所述僅為本發明的可選地實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是在本發明的發明構思下，利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接/間接運用在其他相關的技術領域均包括在本發明的專利保護範圍內。