一种高分辨率视频摄远物镜的制作方法
【专利摘要】一种高分辨率视频摄远物镜，是由分离较远的四组同轴的透镜组顺次放置组成的小视场、高分辨率成像系统；从左至右，第一个透镜组为厚弯月双胶合透镜组，第二个透镜组为两个距离较近的透镜构成的双分离透镜组，第三个透镜组为双胶合透镜组，第四个透镜组为单个薄正透镜；第二个透镜组与第三个透镜组之间设置有孔径光阑；该高分辨率视频摄远物镜的工作距离W.D.=∞，焦距f'=320mm，相对孔径D/f'=1/5.7，物方视场角ω=0.689°；像方分辨率σ=1.6μm，该高分辨率视频摄远物镜与靶面为1/2.3"、1400万像素的高分辨率CMOS摄像机配套使用，通过电脑屏幕视频能显示出300m外被监测目标表面状态大小。
【专利说明】一种高分辨率视频摄远物镜
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及光学测量仪器领域，尤其是一种用于观察和测量远距离细微目标大小的一种视频摄远物镜。
【背景技术】
[0002]传统的望远镜是物镜+目镜的结构形式，主要用于远距离观察、军事侦察、天文观测等领域；望远镜的作用是将远处物体对人眼的分辨角扩大，使人眼能够看清远距离的原本看不清的物体细节；一般正常人眼的极限分辨角为60"，所以望远镜出射的光束对人眼的视角必须大于60"。随着光电成像技术的进步，越来越多的目视光学系统都转变为视频光学系统，即用光电成像代替人眼工作，以减轻疲劳，提高自动化程度，降低人工成本；而且由于成像C⑶或CMOS的像元可以做到1.4//?，甚至更小，因此视频成像的分辨率要远高于人眼的分辨率；在需要远距离观察物体细节的情况下，高分辨率视频望远光学系统可以比人眼看到更细微的高清图像。
[0003]对于斜拉桥、摩天大楼、电视塔等超高建筑，由于长期暴露在自然环境下，建筑物表面会产生锈斑、裂纹、剥落等影响建筑物安全的问题；传统的办法是定期派人上去检测、发现问题并修补；由于建筑物超高，上去的危险性大，不能经常派人上去检查，因而不能及时发现建筑物表面的锈斑、裂纹等缺陷、从而可能存在发生安全事故的隐患的问题；因此，特别需要一种小视场、小相对孔径、高分辨率的摄远物镜，用于对远距离细小的物体或特征进行观测，以便及时发现建筑物表面的锈斑、裂纹等缺陷，解决上述超高建筑的表面安全问题的监测和检测问题。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的在于提供一种闻分辨率视频摄远物镜，以解决上述超闻建筑的表面安全问题的监测和检测问题。
[0005]为解决上述问题，本实用新型的一种高分辨率视频摄远物镜是通过如下技术方案实现的:为了使无限远入射光线减小像差，尤其是二级光谱，需要使光线在每个面上的偏角尽量小，优化像差设计，因此设计了 4组透镜组:第一个透镜组为厚弯月双胶合透镜组，包括两个胶合在一起的弯月负透镜，其中的第2个弯月负透镜为厚弯月负透镜，该透镜组将无穷远入射平行光偏转较小角度传递到下一个透镜组；第二个透镜组包括1个厚正透镜和1个薄负透镜，这两片透镜相距一个很小的空气间隔，前两个透镜组使用了多个大曲率半径的透镜面，以有效减小彗差、像散、畸变、倍率色差等轴外像差的大小，其中的厚弯月双胶合透镜组用来减小二级光谱和畸变；中间由1个薄弯月负透镜和1个薄正透镜组成的双胶合透镜组为第三组中继，继续传递轴上点光线和主光线的小偏转角；最后一个单片薄正透镜完成最终的偏角传递，使最终达到像面上的光线以很小的像差成像；上述四组透镜在选择好初始结构后，经过光学优化设计来构建高分辨率摄远物镜。
[0006]其具体结构是:一种高分辨率视频摄远物镜，是由分离较远的四组同轴的透镜组顺次放置组成的小视场、高分辨率成像系统；
[0007]从左至右，第一个透镜组为厚弯月双胶合透镜组，包括两个胶合在一起的弯月负透镜1、弯月负透镜II，其中的第2个弯月负透镜II为厚弯月负透镜；
[0008]第二个透镜组为两个距离较近的透镜构成的双分离透镜组，包括I个正透镜I和I个弯月负透镜III;其中，正透镜I为厚正透镜，弯月负透镜III为薄弯月负透镜；
[0009]第三个透镜组为双胶合透镜组，包括I个弯月负透镜IV和I个正透镜II ;其中，弯月负透镜IV为薄弯月负透镜；正透镜II为薄正透镜；
[0010]第四个透镜组为单个正透镜III ;该正透镜III亦为薄正透镜；第二个透镜组与第三个透镜组之间设置有孔径光阑。
[0011]其进一步技术方案是:该高分辨率视频摄远物镜的像方线视场为7.7.，像方分辨率为σ =1.6//?。
[0012]其更进一步技术方案是:该高分辨率视频摄远物镜的工作距离W.D.= C?，焦距广=320遞?，相对孔径j/T=l/5.7，物方视场角ω=0.689°。
[0013]其更进一步技术方案是:构成该高分辨率视频摄远物镜的四组透镜都是由不含CaF2的材料制成的透镜。
[0014]其又更进一步技术方案是:该高分辨率视频摄远物镜的像方分辨率为σ =1.&um,与该高分辨率视频摄远物镜配套使用的摄像机是祀面为1/2.3〃、1400万像素的高分辨率CMOS摄像机。
[0015]由于采取以上技术方案，本实用新型之高分辨率视频摄远物镜具有以下有益效果:`[0016]1.与现有具有相同性能的两种复消色差摄远物镜相比，结构更合理、性能好、成本低；
[0017]不含价格昂贵的S-FPL53和CaF2等光学材料，消色差效果比复消色差摄远物镜好很多:
[0018]美国的MiltonLaikin所著的《Lens Design (Third Edition)》中提到了 7款摄远物镜，其中分辨率最高的是焦距为1000遞?的SLR复消色差摄远物镜，MTF达到lOOJp/膽’而图3中本实用新型之高分辨率视频摄远物镜的MTF达到2007/7/遞?，而图5中焦距为1000irn的SLR复消色差摄远物镜的MTF仅有imip/mm ;而且用了 9片镜片，比本实用新型之高分辨率视频摄远物镜多I片，其中2片是价格很贵的特种玻璃S-FPL53，成本比本实用新型之高分辨率视频摄远物镜高很多(参见图4、图5)。
[0019]王之江主编的《实用光学技术手册》中382-389页给出了 9种摄远物镜结构，其中例5组复杂化的复消色差远距物镜与本实用新型之高分辨率视频摄远物镜光学性能相近，但是在同样视场情况下像方分辨率也远小于本实用新型之高分辨率视频摄远物镜；图3中本实用新型之高分辨率视频摄远物镜的MTF达到2007/7/〃?，本实用新型之高分辨率视频摄远物镜比图6结构的焦距为300〃--的复消色差远距物镜仅多了 I片镜片,但是没有使用CaF2材料(参见图6、图7)。
[0020]将图2本实用新型之高分辨率视频摄远物镜的像差曲线与图7《实用光学技术手册》中给出的焦距为300.的复消色差摄远物镜的像差曲线对比可以看出，本实用新型之高分辨率视频摄远物镜的各种单色像差和色差都比图6结构的焦距为300.的复消色差摄远物镜的对应像差小很多，如本实用新型之高分辨率视频摄远物镜的球差在Iuai以内，而图7中焦距为300.的复消色差摄远物镜的球差在2QQum以内，比本实用新型之高分辨率视频摄远物镜多2个数量级；本实用新型之高分辨率视频摄远物镜的像散为-0.02--以内，而图7中焦距为300.的复消色差摄远物镜的像散为0.k?以内；本实用新型之高分辨率视频摄远物镜的畸变为0.02%，而图7中焦距为300遞?的复消色差摄远物镜的的畸变为0.5%左右。
[0021 ] 2.分辨率高，适用于对远距离细小的物体或特征进行观测，较好地解决了上述超高建筑的表面老化和安全隐患的监测和检测问题:
[0022]本实用新型之高分辨率视频摄远物镜的像方分辨率σ =1.6//?，焦距/’=320--，相对孔径iV/’ =5.7，视场角2ω =1.378°，对应像方视场为2/ =7.1mm,与靶面为1/2.3"的1400万像素高分辨率CMOS摄像机配合使用，在CMOS摄像机的靶面上成像，通过电脑屏幕视频可分辨出300?外1.&画的线宽；广泛应用于各类远程视频监控设备中；适用于对远距离细小的物体的大小或表面特征进行观测，例如:对斜拉桥、摩天大楼、电视塔等超高建筑表面老化和安全隐患问题进行观察和监测；及早发现问题，以便及时检修，较好地解决了上述超高建筑的表面安全的监测和检测问题。
[0023]下面，结合附图和实施例对本实用新型之高分辨率视频摄远物镜的技术特征作进一步的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1:本实用新型之高分辨率视频摄远物镜的结构示意图；
[0025]图2:本实用新型 之高分辨率视频摄远物镜的像差曲线图；
[0026]图3:本实用新型之高分辨率视频摄远物镜的MTF曲线图；
[0027]图4:《Lens Design (Third Edition)》中给出的焦距VdQQmm的复消色差摄远物镜结构示意图；
[0028]图5:《Lens Design (Third Edition)》中给出的焦距100Q膽的复消色差摄远物镜的MTF曲线图；
[0029]图6:《实用光学技术手册》中给出的焦距为300〃?的复消色差摄远物镜结构示意图；
[0030]图7:《实用光学技术手册》中给出的焦距为300.的复消色差摄远物镜的像差曲线。
[0031]图中:
[0032]1-弯月负透镜I，2-弯月负透镜II，3-正透镜I，4-弯月负透镜III，5-孔径光阑，6-弯月负透镜IV，7-正透镜II，8-正透镜III，9-像面。
【具体实施方式】
[0033]一种高分辨率视频摄远物镜，如图1所示，该高分辨率视频摄远物镜是由分离较远的四组同轴的透镜组顺次放置组成的小视场、高分辨率成像系统；
[0034]从左至右，第一个透镜组为厚弯月双胶合透镜组，包括两个胶合在一起的弯月负透镜I 1、弯月负透镜II 2，其中的第2个弯月负透镜II为厚弯月负透镜；[0035]第二个透镜组为两个距离较近的透镜构成的双分离透镜组，包括I个正透镜I 3和I个弯月负透镜III 4;所述正透镜I 3为厚正透镜，所述弯月负透镜III 4为薄弯月负透镜；
[0036]第三个透镜组为双胶合透镜组，包括I个弯月负透镜IV 6和I个正透镜II 7 ;其中，弯月负透镜IV 6为薄弯月负透镜；正透镜II 7为薄正透镜；
[0037]第四个透镜组为单个正透镜III8 ;该正透镜III8亦为薄正透镜；第二个透镜组与第三个透镜组之间设置有孔径光阑5。
[0038]本实用新型之高分辨率视频摄远物镜是在上述基本结构基础上，使用OSLO光学设计CAD软件，优化“r, d, η ”结构要素，设计出的高分辨率摄远物镜。
[0039]本实用新型之高分辨率视频摄远物镜的工作距离W.D.= ，焦距f =320〃?，相对孔径iV/’=1/5.7，孔径角ω=0.689°，像方分辨率为σ=\.&μηι。
[0040]本实用新型之高分辨率视频摄远物镜的像差分析见图2，像差数据和点扩散函数数据参见附表一、附表二 ；MTF曲线见图3 ;由附表一中像差数据可以看出初级球差仅为-0.651//?,总球差仅为0.422//? ;其余单色像差只有场曲为-1.388//?,其它都小于
0.5//? ;近轴初级轴向色差为-3.306//?,高级轴向色差为2.607//?,所以总的轴向色差仅为-0.699mm。
[0041]由于本实用新型之高分辨率视频摄远物镜的像方分辨率可以达到σ=1.6//?，焦距/’ =320〃?，相对孔径iV/’ =5.7，视场角2ω =1.378°，像方分辨率可达1.6pm ;对应像方视场为 2y =7.1mm ；
[0042]将本实用新型之高分辨率视频摄远物镜与靶面为1/2.3M400万像素高分辨率CMOS摄像机配合使用，在CMOS摄像机的靶面上成像，通过电脑屏幕视频可分辨出SOOni外
1.5.的线宽；因此，本实用新型之高分辨率视频摄远物镜广泛应用于各类远程视频监控设备中；适用于对远距离细小的物体或特征进行观测，例如:对斜拉桥、摩天大楼、电视塔等超高建筑表面老化和安全隐患进行观察和监测；较好地解决了上述超高建筑的表面安全的监测和检测问题。
[0043]本实用新型实施例中，构成该高分辨率视频摄远物镜的四组透镜都是由不含CaF2的材料制成的透镜。
[0044]本实用新型实施例中，所述的厚弯月负透镜或厚正透镜是指透镜厚度为透镜直径一半或一半以上的弯月负透镜或正透镜；所述的薄弯月负透镜或薄正透镜是指透镜厚度为透镜直径一半以下的弯月负透镜或正透镜；这些都是本领域的公知技术，其具体厚度也是根据高分辨率视频摄远物镜的具体参数可以设计的，此处不再赘述。
[0045]附表一:本实用新型之高分辨率视频摄远物镜的像差数据一览表
【权利要求】
1.一种高分辨率视频摄远物镜，其特征在于:该高分辨率视频摄远物镜是由分离较远的四组同轴的透镜组顺次放置组成的小视场、高分辨率成像系统； 从左至右，第一个透镜组为厚弯月双胶合透镜组，包括两个胶合在一起的弯月负透镜I (I)、弯月负透镜II (2)，其中的第2个弯月负透镜II (2)为厚弯月负透镜； 第二个透镜组为两个距离较近的透镜构成的双分离透镜组，包括I个正透镜I (3)和I个弯月负透镜111(4);其中，正透镜I (3)为厚正透镜，弯月负透镜111(4)为薄弯月负透镜； 第三个透镜组为双胶合透镜组，包括I个弯月负透镜IV(6)和I个正透镜II (7);其中，弯月负透镜IV(6)为薄弯月负透镜；正透镜II (7)为薄正透镜； 第四个透镜组为单个正透镜III8 ;该正透镜III8亦为薄正透镜；第二个透镜组与第三个透镜组之间设置有孔径光阑(5 )。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率视频摄远物镜，其特征在于:该高分辨率视频摄远物镜的像方线视场为7.7皿?，像方分辨率σ为1.6//?。
3.根据权利要求1所述的一种高分辨率视频摄远物镜，其特征在于:该高分辨率视频摄远物镜的工作距离W.D.= c?，焦距广=320〃?，相对孔径=1/5.7，物方视场角ω =0.689°。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种高分辨率视频摄远物镜，其特征在于:构成该高分辨率视频摄远物镜的四组透镜都是由不含CaF2的材料制成的透镜。
5.根据权利要求1所述的一种高分辨率视频摄远物镜，其特征在于:该高分辨率视频摄远物镜的像方分辨率σ为1.6//?，与该高分辨率视频摄远物镜配套使用的摄像机是靶面为1/2.3Μ400万像素的高分辨 率CMOS摄像机。
【文档编号】G02B13/02GK203587872SQ201320654286
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】高兴宇, 郁道银, 龙跃, 萧泽新 申请人:柳州欧维姆机械股份有限公司, 柳州欧维姆结构检测技术有限公司