专利名称：宽光谱共焦长焦距摄像镜头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光学镜头装置，特别适用于日夜两用电视监控摄像机。
现有技术现有大多数电视摄像机镜头只考虑在可见光光谱区域成像，近红外光区域拍摄效果较差，一些微光电视摄像镜头虽也考虑把光谱区域延伸至近红外光谱区，但共焦性和成像清晰度较差。对焦距长的镜头，观察同一目标时由于白天和晚上的成像面不一致，需反复调整象方截距才能获得可观察的图像，使用很不方便。
近年来国外为适应日夜两用电视监控的要求发展了IR新型镜头。它采用非球面和较贵的镧系光学材料，解决了短焦距和中等焦距镜头色球差问题，其售价比较贵。对焦距较长的大口径摄像镜头，则采用偏离正常色散分布直线较大的特种光学材料，如FK类玻璃、CaF2或融熔石英等，不仅价格昂贵，其加工工艺性能很差，做出的镜头性价比差，难于在安防电视监控领域普及。
我们计算和参阅了美国专利US2989895、US3320016和日本公开特许昭54-164129、昭55-22762及国内一些微光镜头资料，均不能用较适用的光学玻璃同时满足宽光谱(0.486～0.9μm)共焦且成像性能优良的要求。以美国专利US2989895提供的光学物镜实例的资料为例，它的性能指标是E.F.L＝1，FNo.＝1.4，B.F.L＝0.282，镜头材料依次为ZK4、ZF1、LaKN22、ZF10、ZF9、ZF2。将其缩放至f′＝240mm时，其光路总长(第一面至靶面距离)为415.9mm，当FNo.＝1.8时，选取像方截距ld′＝67.67mm时，它在可见光光谱区域成像质量最佳。在特征频率为30lp/mm时，轴上点的MTF值为0.43；轴外点(像高为8mm)的子午方向MTFr值为0.35，弧矢方向MTFs值为0.4。可见光光谱区的成像质量还是比较好的。但在近红外光谱区域，只有当选取像方截距为l0.72′＝68.05mm时，MTF值稍高一点。在特征频率为30lp/mm时，其轴上点的MTF值只有0.081，轴外子午和弧矢方向MTF值仅为0.202和0.182，说明该结构明显不共焦(差0.38mm)，在近红外光区域像质较差。远不能满足日夜电视监控的要求。其他参考专利也有类似的问题。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述缺陷，提供一种在可见光和近红外光光谱区域能实现共焦并且成像性能优良的长焦距大口径宽光谱共焦长焦距摄像镜头。
本实用新型的方案是发明的实用新型光学装置是由六个分离的球面透镜和一组双片平行平板型变光密度盘构成。六片球面透镜的光学材料顺序为ZBaF3、ZF4、ZBaF3、ZF6、TF3、ZF4，六片球面透镜的外形依次为双凸正透镜，凹平负透镜，双凸正透镜，双凹负透镜、凹凸正透镜、凸凹弯月型负透镜。变光密度盘位于第六片透镜与靶面之间。由第一片和第二片构成镜头的前组，它的合焦距以f前′表示；第三片至第六片构成镜头的后组，f后′表示后组的合焦距。固定光栏设在第二片和第三片透镜间。
光学装置必须满足的条件如下1.4＜f前′/f′＜2，2.5＜f后′/f′＜3.2...........(1)-0.02＜|h2/R2|-|h3/R3|＜0.02，-0.06＜|h8/R8|-|h7/R7|＜0.06 ................(2)
当150mm＜f′＜300mm时|1′e-d|≤0.03mm，|Δ1′0.72-d|≤0.05mm ......................(3)1.63＜n1＜1.7，50＜V1＜53....................................(4)1.58＜n5＜1.63，43＜V5＜48...................................(5)-0.5＜f6/f后′＜-0.3.........................................(6)本实用新型的优点在于将较宽的光谱区域(0.486-0.9μm)分成可见光光谱区域(0.486-0.6568μm)和近红外光谱区域(0.630-0.90μm)，使设计大口径长焦距宽光谱物镜较难解决的二级光谱问题简化，即使采用普通的光学材料也能在同一焦面上，在两个谱段上都能获得全视场特征频率30lp/mm时MTF值均超过0.5；特征频率为50lp/mm时均达0.35的MTF值其成像质量较佳的结果。
由于采用的光学材料便宜，且通过焦距的合理配置实现了装置的小型化，使本实用新型性价比较高，非常有利于在安防领域等日夜型电视监控推广应用。
图1为本实用新型光学镜头的光学结构示意图。
图2是本实例取f′＝240mm、l共′＝28.135mm时，不同视场(1ω、0.707ω、0.5ω、轴上)，可见光光谱区域的MIF曲线图。横坐标单位是线对/mm。
图3是本实例取f′＝240mm、l共′＝28.135mm时，不同视场(1ω、0.707ω、0.5ω、轴上)，近红外光谱区域的MTF曲线图。横坐标单位是线对/mm。
图4是本实例取f′＝240mm时，主谱线取C谱线，l共′＝28.135mm时，不同视场(1ω、0.707ω、0.5ω、轴上)，全光谱区域(0.486-0.95μm)的MTF曲线图。横坐标单位是线对/mm。
图5是现有技术可见光光谱区光线A和近红外光光谱区域光线B的成像状况示意。
图6是本光学装置可见光光谱区光线A和近红外光光谱区域光线B的成像状况示意。
实施例发明的实用新型光学装置是由六个分离的球面透镜和一组双片平行平板型变光密度盘(9)构成。六片球面透镜的光学材料顺序为ZBaF3、ZF4、ZBaF3、ZF6、TF3、ZF4，六片球面透镜的外形依次为第一片(1)双凸正透镜，第二片(2)凹平负透镜，第三片(3)双凸正透镜，第四片(4)双凹负透镜、第五片(5)凹凸正透镜、第六片(6)凸凹弯月型负透镜。变光密度盘(9)位于第六片(6)透镜与靶面(7)之间。由第一片(1)和第二片(2)构成镜头的前组，它的合焦距以f前′表示；第三片(3)至第六片(6)构成镜头的后组，f后′表示后组的合焦距。固定光栏(8)设在第二片(2)和第三片(3)透镜间。
光学装置必须满足的条件如下1.4＜f前′/f′＜2，2.5＜f后′/f′＜3.2...........(1)-0.02＜|h2/R2|-|h3/R3|＜0.02，-0.06＜|h8/R8|-|h7/R7|＜0.06 ................(2)当150mm＜f′＜300mm时|1′c～d|≤0.03mm，|Δ1′0.72～d|≤0.05mm...........(3)1.63＜n1＜1.7，50＜V1＜53........................(4)1.58＜n5＜1.63，43＜V5＜48.......................(5)-0.5＜f6′/f后′＜-0.3...........................(6)设定上述必须满足条件的目的是
由条件(1)可以看出f′＜f前′＜f后′，说明光学系统是正正光焦度组合，设定的f前′和f后′可以比较长(比镜头焦距f大)，设定条件(1)的目的是可以保证前组承担的孔径角不太大(一般控制在u′＝0.2～0.25较好)，这样前组产生的高级轴上球差、彗差、色球差都不会太大。f前′＜2可起到缩短光路总长作用，实现系统小型化。
条件(2)设定的目的是使相关面产生的像差高级量能相抵，同时使第2面和第3面产生的+S1与第7面及第8面产生的-S1相差不大，便于用其他组元参量去平衡剩余量。
条件(3)设定的目的是保证实现两光谱段实现共焦所必须的。
条件(4)设定是降低前组高级轴上球差和改善倍率色差所需，并限制采用价格高的镧系材料设定的。
条件(5)设定是可以选择偏离正常色散系数分布直线的TF类光学材料，起着减少二级光谱量的目的。
条件(6)是让第六片(6)处在产生较大-S1和-S2而其本身又只承担轴上偏角很小的反常区域。该透镜呈两面近乎同心的弯月型。
本实用新型的主要特征是根据新近发展的主动式近红外照明日夜型电视监控摄像机使用的实际情况，本案提出可将白天可见光至晚上近红外光的宽光谱区域(0.486～0.9μm)分成可见光光谱区域(0.486～0.6568μm)和近红外光谱区域(0.63～0.9μm)两个谱段。通过选择同一合适的焦面反复对同一结构的光学系统在各自的谱段进行自动优化像差校正。减少由二级光谱带来的像差校正的难度，即使采用普通光学材料，也能实现共焦和各光谱区域成像优良的效果。
附图1中R为球面的曲率半径，d为透镜的厚度或透镜间空气间隔，l′为镜头象方截距。当镜头的焦距f′＝240mm时，各片透镜的厚度不超过30mm，象方后截距在28.1mm左右。光路总长仅为300mm。透镜组后面的变光密度盘(9)是起着调节镜头进到靶面(7)的光照强度(理论上最低可衰减到300倍左右)。
表1是本实用新型的实例E.F.L＝1，Fno.＝1.63，2ω＝2°，光路总长TL＝1.25，共焦象方截距l共′＝0.11723表1各镜片数据
本实例取f′＝240mm时，d谱线的前组焦距值为f前′＝345.6mm，后组焦距值为f后′＝691.1mm，f6′＝-272.4mm。共焦后截距l共′＝28.135mm。
在可见光光谱区域(d谱线为主设计谱线)，初级像差系数为ΣS1＝0.01777，ΣS2＝0.00426，ΣS3＝0.00043，ΣS4＝0.00046，ΣS5＝-0.0055，ΣC1＝0.0387，ΣC2＝0.00043，fd＝240mm，ld′＝28.15mm，lc′＝28.135mm，lF′＝28.535mm。
在近红外光光谱区域(0.72μm谱线为主设计谱线)，后截距取l共′＝28.135mm时，初级像差系数为ΣS1＝0.04264，ΣS2＝0.0038，ΣS3＝0.00029，ΣS4＝0.00051，ΣS6＝-0.0055，ΣC1＝-0.04298，ΣC2＝0.00014，f0.72′＝240pzmm，l0.72′＝28.187mm，l0.63′＝28.129mm，l0.95′＝28.585mm。
从计算结果看，ld′、lc′、l0.72′相差不大，lF′和l0.95′相差也不大，达到共焦目的。
权利要求1.宽光谱共焦长焦距摄像镜头，包括六片依次为第一片(1)双凸正透镜，第二片(2)凹平负透镜，第三片(3)双凸正透镜，第四片(4)双凹负透镜、第五片(5)凹凸正透镜、第六片(6)凸凹弯月型负透镜，光栏(8)设在第二片(2)和第三片(3)透镜间，其特征在于变光密度盘(9)位于第六片(6)至靶面(7)之间，由第一片(1)和第二片(2)构成镜头的前组，它的合焦距以f前′表示；第三片(3)至第六片(6)构成镜头的后组，f后′表示后组的合焦距，光学装置必须满足的条件如下1.4＜f前′/f′＜2，2.5＜f后′/f′＜3.2...........(1)-0.02＜|h2/R2|-|h3/R3|＜0.02，-0.06＜|h8/R8|-|h7/R7|＜0.06................(2)当150mm＜f′＜300mm时|l′c～d|≤0.03mm，|Δl′0.72～d|≤0.05mm............(3)1.63＜n1＜1.7，50＜V1＜53........................(4)1.58＜n5＜1.63，43＜V5＜48......................(5)-0.5＜f6′/f后′＜-0.3...........................(6)
2.根据权利要求1所述的宽光谱共焦长焦距摄像镜头，其特征在于光栏(8)是固定光栏。
专利摘要宽光谱共焦长焦距摄像镜头，涉及光学镜头装置，特别适用于日夜两用电视监控摄像机，其特征在于，它是由六片依次为双凸正透镜、凹平负透镜、双凸正透镜，双凹负透镜、凹凸正透镜、凸凹弯月型负透镜组成，变光密度镜位于每六片与靶面之间。第一、二片构成镜头的前组，合焦距为f
文档编号G02B9/62GK2710009SQ20042004861
公开日2005年7月13日 申请日期2004年4月1日 优先权日2004年4月1日
发明者赖爱光, 黄丽惠, 梁秀玲 申请人:福建省光学技术研究所