一种透镜系统及定焦镜头的制作方法

本发明涉及光学仪器领域，尤其涉及一种透镜系统及定焦镜头。

背景技术：

在安防系统中，对用于监控的镜头的品质的要求越来越高，但是目前很多的镜头产品的光学性能指标较低，很难满足大通光和高分辨率等需求。目前，大多数镜头的分辨率仅能满足300万像素以下摄像机的需求，无法满足400万像素、500万像素等更高像素的超高清摄像机的需求，且在夜间低照度的环境下，需要通过红外补光才能清晰成像。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种透镜系统及定焦镜头，用于实现大通光、高分辨率且低照度环境下无需红外补光的成像。

本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的：

一种透镜系统，包括：沿光轴从物侧到像侧依次设置的光焦度为正的第一透镜组，孔径光阑，光焦度为正的第二透镜组；

其中，所述第一透镜组，包括：沿光轴从物侧到像侧依次设置的光焦度为负的第一透镜，光焦度为负的第二透镜，光焦度为正的第一子透镜组，光焦度为正的第二子透镜组；其中，所述第一透镜为凸面朝向物侧的弯月透镜，所述第二透镜为双凹透镜；

所述第二透镜组，包括：沿光轴从物侧到像侧依次设置的光焦度为负的第三子透镜组，光焦度为正的第四子透镜组；

并且，各透镜及透镜组的焦距满足以下条件：

4.32≤f₁/f’≤5.32；0.22≤f₁/f₂≤0.62；

-2.66≤f₁₁/f’≤-2.12；-2.15≤f₁₂/f’≤-1.64；3.30≤f₁₃/f’≤4.86；1.98≤f₁₄/f’≤2.78；

-7.88≤f₂₁/f’≤-3.55；1.71≤f₂₂/f’≤1.95；

其中，f₁表示所述第一透镜组的焦距；f₂表示所述第二透镜组的焦距；f’表示所述透镜系统的焦距；f₁₁表示所述第一透镜的焦距；f₁₂表示所述第二透镜的焦距；f₁₃表示所述第一子透镜组的焦距；f₁₄表示所述第二子透镜组的焦距；f₂₁表示所述第三子透镜组的焦距；f₂₂表示所述第四子透镜组的焦距。

较佳地，所述第一子透镜组包括光焦度为正的第三透镜；所述第三透镜为双凸透镜、凸面朝向像侧的弯月透镜或者凸面朝向像侧的平凸透镜。

较佳地，所述第二子透镜组包括光焦度为正的第四透镜；所述第四透镜为双凸透镜或者平凸透镜。

较佳地，所述第三子透镜组包括光焦度为负的第五透镜和光焦度为正的第六透镜；

其中，所述第五透镜为双凹透镜，并且所述第六透镜为双凸透镜；或者，所述第五透镜为凹面朝向像侧的平凹透镜，并且所述第六透镜为双凸透镜。

较佳地，所述第五透镜朝向像侧的表面与所述第六透镜朝向物侧的表面的曲率一致。

较佳地，所述第五透镜与所述第六透镜胶合。

较佳地，所述第六透镜的玻璃材质的阿贝数V_d1满足条件：V_d1≥80。

较佳地，所述第五透镜的玻璃材质的折射率N_d满足条件：N_d≥1.73。

较佳地，所述第四子透镜组包括光焦度为正的第七透镜，光焦度为正的第八透镜；其中，所述第七透镜为双凸透镜或者凸面朝向像侧的平凸透镜；所述第八透镜为双凸透镜、凸面朝向物侧的平凸透镜或者凸面朝向物侧的弯月透镜；

或者，所述第四子透镜组包括光焦度为正的第七透镜和光焦度为正的第八透镜和光焦度为正的第九透镜；其中，所述第七透镜、第八透镜均为双凸透镜；所述第九透镜为凸面朝向物侧的弯月透镜。

较佳地，所述第八透镜的玻璃材质的阿贝数V_d2满足条件：V_d2≥80。

一种定焦镜头，包括如以上任一项所述的透镜系统。

本发明实施例的有益效果如下：

本发明实施例提供的透镜系统及定焦镜头中，在各透镜及透镜组的结构、光焦度、焦距、排列顺序的配合下，可以实现超大通光、500万像素以上的高分辨率，并且在低照度环境下，无需红外补光也可以实现全天候彩色视频监控。

附图说明

图1a为本发明实施例提供的第一种透镜系统的结构示意图；

图1b为本发明实施例提供的第二种透镜系统的结构示意图；

图1c为本发明实施例提供的第三种透镜系统的结构示意图；

图1d为本发明实施例提供的第四种透镜系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的可见光波段的MTF曲线图；

图3为本发明实施例可见光波段的场曲图；

图4为本发明实施例可见光波段的轴向色差曲线图；

图5为本发明实施例可见光波段的垂轴色差曲线图。

具体实施方式

为了实现大通光、高分辨率且低照度环境下无需红外补光的成像，本发明实施例提供一种透镜系统，包括：沿光轴从物侧到像侧依次设置的光焦度为正的第一透镜组，孔径光阑，光焦度为正的第二透镜组；

其中，第一透镜组，包括：沿光轴从物侧到像侧依次设置的光焦度为负的第一透镜，光焦度为负的第二透镜，光焦度为正的第一子透镜组，光焦度为正的第二子透镜组；其中，第一透镜为凸面朝向物侧的弯月透镜，第二透镜为双凹透镜；

第二透镜组，包括：沿光轴从物侧到像侧依次设置的光焦度为负的第三子透镜组，光焦度为正的第四子透镜组；并且，各透镜及透镜组的焦距满足以下条件：

4.32≤f₁/f’≤5.32；

0.22≤f₁/f₂≤0.62；

-2.66≤f₁₁/f’≤-2.12；

-2.15≤f₁₂/f’≤-1.64；

3.30≤f₁₃/f’≤4.86；

1.98≤f₁₄/f’≤2.78；

-7.88≤f₂₁/f’≤-3.55；

1.71≤f₂₂/f’≤1.95；

其中，f₁表示第一透镜组的焦距；f₂表示第二透镜组的焦距；f’表示透镜系统的焦距；f₁₁表示第一透镜的焦距；f₁₂表示第二透镜的焦距；f₁₃表示第一子透镜组的焦距；f₁₄表示第二子透镜组的焦距；f₂₁表示第三子透镜组的焦距；f₂₂表示第四子透镜组的焦距。

本发明实施例中，在各透镜及透镜组的结构、光焦度、焦距、排列顺序的配合下，可以实现超大通光、500万像素以上的高分辨率，并且在低照度环境下，无需红外补光也可以实现全天候彩色视频监控。

在满足以上光学系统的参数要求的基础上，各透镜组的结构可以根据需要进行具体的调整。下面对其中的一些透镜组的具体结构进行举例说明。

以上实施例中，第一子透镜组的具体结构有多种，较佳地，第一子透镜组包括光焦度为正的第三透镜；第三透镜为双凸透镜、凸面朝向像侧的弯月透镜或者凸面朝向像侧的平凸透镜。

以上相关实施例中，第二子透镜组的具体结构有多种，较佳地，第二子透镜组包括光焦度为正的第四透镜；第四透镜为双凸透镜或者平凸透镜。其中，平凸透镜的凸面朝向像侧或者朝向物侧均可。

以上相关实施例中，第三子透镜组的具体结构有多种，较佳地，第三子透镜组包括光焦度为负的第五透镜和光焦度为正的第六透镜；在一种可能的第三子透镜组的结构中，第五透镜为双凹透镜，并且第六透镜为双凸透镜；在另一种可能的第三子透镜的结构中，第五透镜为凹面朝向像侧的平凹透镜，并且第六透镜为双凸透镜。

其中，第五透镜朝向像侧的表面与第六透镜朝向物侧的表面的曲率一致。基于此，较佳地，第五透镜与第六透镜胶合。两个透镜胶合在一起，有利于消除色差。

其中，第六透镜的玻璃材质的阿贝数V_d1满足条件：V_d1≥80。本实施例中，第六透镜的材质的阿贝数较大，属于低折射率低色散材料，产生的色差值小，并且一般为正的色差，同时可以灵活的补偿其它色差大的镜片所产生的负的色差，因此，利于进一步减少色差对成像的影响。

其中，上述第五透镜的玻璃材质的折射率N_d满足条件：N_d≥1.73。本实施例中，第五透镜的玻璃材质为高折射高色散材料，对光线的转折能力强，有利于增加系统的光圈，提高亮度，并且上述实施例中第六透镜的玻璃材质为低色散低折射率材料，二者配合，有助于进一步消除系统色差。

其中，折射率N_d是由d光测得的材质的折射率，阿贝数V_d是根据d光测得的材质的折射率得到的阿贝数。

以上相关实施例中，第四子透镜组的具体结构有多种，较佳地，在一种可能的结构中，第四子透镜组包括光焦度为正的第七透镜和光焦度为正的第八透镜；其中，第七透镜为双凸透镜或者凸面朝向像侧的平凸透镜；第八透镜为双凸透镜、凸面朝向物侧的平凸透镜或者凸面朝向物侧的弯月透镜。在另一种可能的结构中，第四子透镜组包括光焦度为正的第七透镜，光焦度为正的第八透镜和光焦度为正的第九透镜；其中，第七透镜、第八透镜均为双凸透镜；第九透镜为凸面朝向物侧的弯月透镜。在列举的前一种结构中，由两个透镜构成第四子透镜组，所需透镜数量相对较少，结构简单。

其中，第八透镜的玻璃材质的阿贝数V_d2满足条件：V_d2≥80。本实施例中，第八透镜的玻璃材质的阿贝数较大，也利于进一步减少色差对成像的影响。

基于以上任意实施例，较佳地，上述透镜系统沿光轴方向从物侧到像侧除依次设置的第一透镜组、孔径光阑、第二透镜组外，还设置有滤光片、成像面(the Image surface，IMA)。其中，滤光片的设置，可以防止太阳光中的红外光进入透镜系统造成偏色，尤其是对于电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)或者互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)这样的图像传感器来说，是会感受到红外光的，本实施例中，可以避免这一问题的发生。

下面结合附图对本发明提供的方案进行更详细地说明。

如图1a所示，本实施例提供的透镜系统，包括沿光轴(图中虚线所示)从物侧到像侧依次设置的光焦度为正的第一透镜组1，孔径光阑(Stop，STO)3，光焦度为正的第二透镜组2；

其中，第一透镜组1，包括：沿光轴从物侧到像侧依次设置的光焦度为负的第一透镜11，光焦度为负的第二透镜12，光焦度为正的第三透镜13，光焦度为正的第四透镜14；第二透镜组2，包括：沿光轴从物侧到像侧依次设置的光焦度为负的第五透镜21，光焦度为正的第六透镜22，光焦度为正的第七透镜23，光焦度为正的第八透镜24和光焦度为正的第九透镜25。

其中，第一透镜11为凸面朝向物侧的弯月透镜；第二透镜12为双凹透镜；第三透镜13为凸面朝向像侧的弯月透镜；第四透镜14为双凸透镜；第五透镜21为双凹透镜；第六透镜22为双凸透镜；第七透镜23为双凸透镜；第八透镜24为双凸透镜；第九透镜25为凸面朝向物侧的弯月透镜。

其中，第三透镜13即为上述第一子透镜组。

其中，第四透镜14即为上述第二子透镜组。

其中，第五透镜21和第六透镜22组成上述第三子透镜组，第五透镜21和第六透镜22胶合。第六透镜的玻璃材质的阿贝数V_d1满足条件：V_d1≥80；第五透镜的玻璃材质的折射率N_d满足条件：N_d≥1.73。

其中，第七透镜23，第八透镜24和第九透镜25组成上述第四子透镜组。第八透镜的玻璃材质的阿贝数V_d2满足条件：V_d2≥80。

其中，各透镜及透镜组的焦距满足以上相关实施例所列的焦距条件。

另外，如图1a所示，沿光轴像侧还设置有滤光片4和IMA5。

如图1b所示，基于图1a所示的结构，第三透镜13还可以是凸面朝向像侧的平凸透镜。

如图1c所示，第四透镜14还可以是凸面朝向像侧的平凸透镜。

如图1d所示，第五透镜21还可以是双凹透镜。

以上仅仅是结合附图列举了其中几种透镜系统的结构，实施中，还可以对各透镜及透镜组合进行灵活调整设置，只要满足以上透镜系统对光焦度、焦距等光学参数的需求即可。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供一种定焦镜头，包括如以上任意实施例所述的透镜系统。

下面以图1a所示的透镜系统为例，对实际应用场景中的定焦镜头进行说明。该透镜系统中各个透镜的镜面的参数包括曲率半径R、光学玻璃材质相对于d光的折射率N_d、光学玻璃材质相对于d光的阿贝数V_d，以及中心厚度T_c(即相邻镜面中心点的距离)，沿光轴从物侧到像侧的各个镜面满足表1所列的范围：

表1

其中，镜面1和镜面2为第一透镜11的两个镜面，镜面3和镜面4为第二透镜12的两个镜面，镜面5和镜面6为第三透镜13的两个镜面，镜面7和镜面8为第四透镜14的两个镜面，镜面10和镜面11为第五透镜21的两个镜面，镜面12和镜面13为第六透镜22的两个镜面，镜面14和镜面15为第七透镜23的两个镜面，镜面16和镜面17为第八透镜24的两个镜面，镜面19和镜面20为第九透镜25的两个镜面。下面结合以上表2所示的参数范围，以一组具体的参数为例，参见表2，对本实施例提供的透镜系统进行说明。

表2

本实施例所提供的镜头具有如下光学技术指标：

光学总长TLT：32mm；

镜头焦距f’：4mm；

镜头的视场角：105°；

镜头的畸变：-21％；

镜头系统的光圈(F/#)：0.95；

镜头像面尺寸：1/2.7〞。

下面通过光学分析，对以上透镜系统和镜头所达到的效果进行说明。

光学传递函数是用来评价一个光学系统的成像质量较准确、直观和常见的方式，其曲线越高、越平滑，表明系统的成像质量越好，对各种像差(如：球差、慧差、象散、场曲、轴向色差、垂轴色差等)进行了很好的校正。如图2所示，为定焦镜头在可见光波段的光学传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)曲线图，从图2中可知，该定焦镜头可见光波段的MTF曲线图较平滑、集中，而且全视场MTF平均值达到0.7以上，可见本实施例提供的定焦镜头和镜头，可以达到很高的分辨率，满足400万及500万像素摄像机的成像要求。

图3为定焦镜头可见光波段对应的场曲图，由三条曲线T和三条曲线S构成；其中，三条曲线T分别表示三种波长(486nm、587nm和656nm)对应的子午光束(Tangential Rays)的像差，三条曲线S分别表示三种波长(486nm、587nm和656nm)对应的弧矢光束(Sagittial Rays)的像差，子午场曲值和弧矢场曲值越小，说明成像品质越好；图3中，子午场曲值控制在-0.005～0.025mm范围内，弧矢场曲值控制在-0.015～0.025mm范围以内，成像品质较好。

图4为定焦镜头可见光波段对应的轴向色差曲线图，图中曲线在y轴附近变化，越靠近y轴，说明定焦镜头成像品质越好，图4中，其轴向色差控制在-0.01～+0.025mm之间。

图5为定焦镜头可见光波段对应的垂轴色差曲线图，图中曲线越接近y轴，说明定焦镜头成像品质越好，图5中，其垂轴色差控制在-0.0005～+0.0015mm之间。

本实施例中，采用九个特定结构形状的透镜，并按照特定顺序从物侧至像侧依次排列，以及通过各个透镜或透镜组的光焦度、焦距的分配，同时采用相适应光学玻璃材质，使得定焦镜头的结构形式，透镜的折射率、阿贝数等参数与成像条件匹配，进而使定焦镜头的球差、慧差、象散、场曲、垂轴色差、轴向色差得到很好的校正，从而达到更大的光圈、更高的分辨率(最高支持500万像素摄像机)，进而实现更佳的低照环境下的成像性能，无需进行红外补光，也能进行清晰成像；所有的透镜均采用玻璃球面设计，冷加工工艺性能良好，生产成本低；可广泛应用到安防监控领域，实现超高清的全天候的彩画面显示。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。