专利名称：一种小型化大变焦比双波段光学镜头的制作方法
技术领域：
本专利技术属于光机一体化领域，涉及一种昼夜两用安防监控镜头，特别是关于 一种10倍大光学变焦距范围，适用于板机接口的小型化昼夜两用光学变焦镜头。
背景技术：
目前，已经有了许多适用于板机接口的变焦镜头，板机镜头在结构上要求其尽量 的小型化。在其中，变焦系统的变焦比约为二至四倍的变焦系统比较多，而大变焦比的板机 接口镜头却很少见。板机镜头一般应用于监控场合比较固定的场所，镜头安装调整好后焦 距就不再改变，比如银行、工厂、学校等。大变焦比的板机接口镜头相对于普通的二至四倍 的小变焦比镜头有更大的调整范围，能更方便的安装应用于不同场合。而且近年来，随着安 全防范意识和自动化程度不断提高，具备红外功能的日夜两用镜头已经具有相当广泛的用 途，可以完成全天24小时、昼夜不间断的监控任务，这就要求镜头在设计上就要考虑红外 光和可见光波段的成像质量都能达到清晰成像的要求。本专利技术通过机械补偿的方法实 现光学系统焦距的变化从而在像面上获得不同放大率的像，并且具有10倍大变焦比的变 焦能力，而且在红外和可见光双波段的成像质量同时得到了优化，产品顺应了监控行业的 发展趋势，市场潜力巨大，具有广泛的应用前景。
发明内容
本专利技术的目的是设计一种具有小型化大变焦比，同时具有双波段共焦能力的 光学变焦镜头。该镜头匹配相应的板机接口的摄像机，可以通过改变光学变焦镜头的焦距 从而方便的适用于不同监控距离和范围的场合，再匹配上红外灯，更能实现昼夜不间断的 监控。该镜头具有10倍大变焦比能力，像质也达到了定焦镜头的成像质量，且结构紧凑小 巧，操作便捷，运用前景广。参见附图1是本专利技术光学镜头结构图、附图2是光学系统示意图，包括四个透 镜组，自物面至像面I依次包括一个正光焦度的前固定透镜组G1，和配置于前固定透镜组 Gl的像侧的具有负光焦度的变焦透镜组G2，光阑S，配置于光阑S像侧的具有正光焦度的后 固定透镜组G3，以及配置于像侧的最后一组具有正光焦度的补偿透镜组G4。利用负光焦度 的变焦透镜组G2和正光焦度的补偿透镜组G4之间的相对位置变化来实现焦距5-50mm的 10倍光学变焦。参见图2、3、4光学系统示意图，本专利技术中的前固定透镜组Gl具有按物体一侧 顺序排列的第一透镜为凸凹负镜片Li、第二透镜为凸凹正镜片L2和凸凹的第三正透镜L3。 本专利技术中的变焦透镜组G2具有按物体一侧顺序排列的第四透镜为凸凹负镜片L4，第 五透镜为双凹负镜片L5，第六透镜为凸凹正镜片L6。本专利技术中的后固定透镜组G3具有 按物体一侧顺序排列的第七透镜为双凸正镜片L7，第八透镜为双凸正镜片L8，第九透镜为 双凹负镜片L9。本专利技术中的补偿透镜组G4具有按物体一侧顺序排列的第十透镜为凸 凹正镜片L10，第十一透镜为双凸正镜片L11。本专利技术中的四个透镜组满足以下条件
0. 55 < 0. 12 < 0. 29 < 0. 31 <
fGl/fl fG2/fl fG3/fl fG4/fl
<0. 69
<0. 23
<0. 41
<0. 43
其中，fG1是前固定透镜组Gl的焦距； fe2是变焦透镜组G2的焦距； fG3是后固定透镜组G3的焦距； fe4是补偿透镜组G4的焦距；
f 1是整个光学镜头长焦焦距； fl，fG1 fG2，fG3， fG4的单位是:mm。
参见附图5是本专利技术光学系统玻璃镜片的曲率半径和折射率的示意图，包括 十一个光学透镜的焦距Π Π1 (单位mm)和折射率nl nil及其十九个面的曲率半径 Rl R19(单位mm)分别满足以下条件90 < f 1 < 1101..72 < nl < 1 9235 < Rl < 5516 < R2 < 28
-99 < f2 < -791.51 < n2 < 1.7116 < R2 < 28150 < R3 < 500
36 < f3 < 561..51 < n3 < 1 7112 < R4 < 2940 < R5 < 65
-9. 5 < f4 < -81..65 < n4 < 1 8561 < R6 < 1005 < R7 < 9
26. 3 < f5 < 46. 31.42 < n5 < 1.62-40 < R8 < -225. 5 < R9 < 12. 5
58 < f6 < 781..73 < n6 < 1 935. 5 < R9 < 12. 518 < RlO < 35
光阑
12 < f7 < 221.55 < n7 < 1.7512 < Rll < 30-30 < R12 < -12
10 < f8 < 201.54 <n8 < 1. 747 < R13 < 15 ■-200 < R14 < -80
-15 < f9 < -71..65 < n9 < 1 85-35 < R15 < -157 < R16 < 15
21 < flO < 41 560 < fll < 580
1. 76 < nlO < 1. 90 1. 55 < nil < 1. 75
10 < R17 < 22 5 < R18 < 12. 5
5 < R18 < 12. 5 -35 < R19 < -18
本专利技术的光学变焦原理参见附图2、3、4，分别是焦距在5mm、20mm、50mm
水
时的光学系统示意图，前固定透镜组Gl是固定不动的，对无穷远聚焦成像，提供-初始像和焦距fei，0.55 < fG1/fl <0.69;变焦透镜组G2从靠近Gl移动到靠近像 面I的位置，改变了其物距，从而改变了 G2的成像放大倍率，G2放大倍率m2变化范围 为-O. 4 -1 -4. 16 ；固定透镜组G3靠近光阑S固定不动，对经过G2所成的像进一步的 变倍，G3放大倍率m3变化范围为-O. 96 -1. 72 -0. 7，G2，G3总放大倍率m2*m3变化 范围为0. 38 1 2. 91 ；补偿透镜组G4根据变焦透镜组G3变焦所产生的像面漂移进行 补偿，使像面I保持稳定，G4的放大率变化范围为0. 45 0. 32 0. 58，补偿后G2，G3，G4 总的倍率Hitl = m2*m3*m4变化范围为0. 17 1 1. 69，镜头的总焦距变化范围为fG1*m0， 变焦比1.69/0. 17为10倍。在变焦结构型式上，变焦核采用两移动组分G2和G4被后固定组G3隔开的型式， 根据变焦系统的像面稳定原理，变焦透镜组G2的放大倍率从小于-1到大于-1的变化必然 导致补偿透镜组G4的迂回补偿，即短焦时，补偿透镜组G4向物面方向移动；达到某一个焦 距——即变焦透镜组G2的放大倍率为-1对应的焦距时，G2往长焦端变焦，G4开始迂回向
5像面I方向移动，这样缩短了补偿透镜组G4的相对移动量，缩小了整个镜头的结构，而且镜 头接口采用M14X 0. 5型式的板机小接口，配合镜头本身的紧凑结构，在一定程度上实现了 其小型化。本专利技术在设计上还具有三组高反差色散系数的胶合透镜组件校正色差，实现 了可见光波段和红外光波段共焦成像，在可见光和红外光环境下都能清晰成像，白天和黑 夜摄像不用进行重复调焦，三组胶合组件色散系数满足以下条件20 < vl < 30,45 < v2 < 6020 < v5 < 30,55 < v6 < 7520 < vlO < 30,45 < vll < 60其中vl是第一透镜Ll的色散系数，v2是第二透镜L2的色散系数，Ll和L2为胶 合组件；v5是第五透镜L5的色散系数，v6是第六透镜L6的色散系数，L5和L6为 胶合组件；VlO是第十透镜LlO的色散系数，vll是第十一透镜Lll的色散系数，LlO 和Lll为胶合组件；
附图1是本专利技术光学镜头结构图。附图2是本专利技术焦距在5mm时的光学系统示意图，变焦透镜组G2在靠近物面 位置，补偿透镜组G4在靠近像面位置，附图中S为光阑，I为像面，以下附图相同。附图3是本专利技术焦距在20mm时的光学系统示意图，变焦透镜组G2往像面方 向移动，补偿透镜组G4往物面方向移动，并达到极限位置。附图4是本专利技术焦距在50mm时的光学系统示意图，变焦透镜组G2继续往像 面方向移动，补偿透镜组G4迂回往像面方向移动的结果。附图5是本专利技术光学系统玻璃镜片的曲率半径和折射率的示意图。
具体实施例方式参见附图1是本专利光学镜头结构图，包括四个透镜组，自物面至像面依次包括 一个正光焦度的前固定透镜组G1，和配置于前固定透镜组Gl的像侧的具有负光焦度的变 焦透镜组G2，光阑S，配置于光阑像侧的具有正光焦度的后固定透镜组G3，以及配置于像侧 的最后一组具有正光焦度的补偿透镜组G4。所述前固定透镜组Gl装在主筒(2)前部，用一 个前压圈(1)于主筒(2)固定；所述变焦透镜组G2装在径向设有三个导钉的前组镜筒(3) 内；所述的后固定组装在主筒(2)的后部，用一个后压圈(4)固定；所述的补偿透镜组G4装 在径向设有三个导钉的后组镜筒(5)内，前组镜筒(3)和后组镜筒(5)装在有螺旋形通槽 的主筒(2)内，前、后组镜筒通过导钉与主筒连接，使前、后组镜筒能在主筒内螺旋上下滑 动，通过分别调整前后组的各具有三个直槽的前调整凸轮(6)和后调整凸轮(7)，实现改变 变焦透镜组G2和补偿透镜组G4之间的相对位置，从而达到变焦的目的。本专利技术的镜 头接口采用M14X0. 5型式的板机小接口，配合镜头本身的紧凑结构，在一定程度上实现了 其小型化。
参见图2、3、4是本专利技术光学系统示意图，本专利技术中的前固定透镜组Gl具 有按物体一侧顺序排列的第一透镜为凸凹负镜片Li、第二透镜为凸凹正镜片L2和凸凹的 第三正透镜L3，所述的第一透镜Ll和第二透镜L2为胶合组件。本专利技术中的变焦透镜 组G2具有按物体一侧顺序排列的第四透镜为凸凹负镜片L4，第五透镜为双凹负镜片L5，第 六透镜为凸凹正镜片L6，所述的第五透镜L5和第六透镜L6为胶合组件。本专利技术中的 后固定透镜组G3具有按物体一侧顺序排列的第七透镜为双凸正镜片L7，第八透镜为双凸 正镜片L8，第九透镜为双凹负镜片L9。本专利技术中的补偿透镜组G4具有按物体一侧顺 序排列的第十透镜为凸凹正镜片L10，第十一透镜为双凸负镜片L11，所述的第十透镜LlO 和第十一透镜Lll为胶合组件。参见附图5是本专利技术光学系统玻璃镜片的曲率半径和折射率的示意图，本专 利技术光学系统中的十一个光学透镜的焦距Π Π1 (单位mm)和折射率nl nil及其 十九个面的曲率半径Rl R19(单位mm)分别所满足的条件如发明内容中最后一段所述。 本专利技术产品的主要光学指标焦距f = 5-50mm，视场角2W = 60.0° -7.2°，相对孔径 D :f = 1 :1. 95，其中D为光学镜头的入瞳直径，后截距大于6. 5mm，像高对应1/3”(XD。按 照上述方案制成的高分辨率镜头光学传递函数MTF值在701p/mm时，中心达到0. 55，边缘达 到 0. 45。
权利要求
一种小型化大变焦比双波段光学镜头，其包括四个透镜组，自物面至像面依次为一个正光焦度的前固定透镜组G1，和配置于前固定透镜组G1的像侧的具有负光焦度的变焦透镜组G2，光阑S，配置于光阑S像侧的具有正光焦度的后固定透镜组G3，以及配置于像侧的补偿透镜组G4，其特征在于前固定透镜组G1和后固定透镜组G3是固定不动的，利用负光焦度的变焦透镜组G2和正光焦度的补偿透镜组G4之间的相对位置变化来实现焦距5-50mm的10倍光学变焦，同时整个镜头具有三组高反差色散系数的胶合透镜组件校正色差，实现可见光波段和红外光波段共焦成像，光学系统的焦距范围f＝5-50mm，视场角2ω＝60.0°-7.2°，相对孔径Df＝11.95，其中D为光学镜头的入瞳直径，后截距人于6.5mm，像高对应1/3”CCD，光学传递函数MTF值在701p/mm时，中心达到0.55，边缘达到0.45。
2.根据权利要求书1所述的一种小型化大变焦比双波段光学镜头，其特征在于在变焦 结构型式上，变焦核采用两移动组分G2和G4被后固定组G3隔开的型式，补偿透镜组G4采 用迂回补偿，短焦时，补偿透镜组G4向物面方向移动，当变焦透镜组G2的放大倍率达到-1 时，G2往长焦端变焦，G4开始迂回向像面I方向移动，缩短了补偿透镜组G4的相对移动量， 缩小了整个镜头的结构，配合M14X0. 5型式的板机镜头接口，实现了其小型化。
3.根据权利要求书1所述的一种小型化大变焦比双波段光学镜头，其特征在于所述 的前固定透镜组Gl具有按物体一侧顺序排列的第一透镜为凸凹负镜片Li、第二透镜为凸 凹正镜片L2和凸凹的第三正透镜L3，对无穷远聚焦成像，提供一个初始像和焦距fei，0. 55<fG1/fl <0.69，所述的第一透镜Ll和第二透镜L2为胶合组件，Ll的色散系数20 < vl<30，L2的色散系数45 < v2 < 60。
4.根据权利要求书1所述的一种小型化大变焦比双波段光学镜头，其特征在于所述的 变焦透镜组G2具有按物体一侧顺序排列的第四透镜为凸凹负镜片L4，第五透镜为双凹负 镜片L5，第六透镜为凸凹正镜片L6，从靠近Gl移动到靠近像面I的位置，改变了 G2物距，从 而改变了 G2的成像放大倍率，其放大倍率m2变化范围为-0.4 -1 -4. 16，所述的第五 透镜L5和第六透镜L6为胶合组件，L5的色散系数20 < v5 < 30，L6的色散系数55 < v6<75。
5.根据权利要求书1所述的一种小型化大变焦比双波段光学镜头，其特征在于所述的 后固定透镜组G3具有按物体一侧顺序排列的第七透镜为双凸正镜片L7，第八透镜为双凸 正镜片L8，第九透镜为双凹负镜片L9，靠近光阑S固定不动，对经过G2所成的像进一步的 变倍，其放大倍率m3变化范围为-0. 96 -1. 72 -0. 7，G2，G3总放大倍率m2*m3变化范 围为0. 38 1 2. 91。
6.根据权利要求书1所述的一种小型化大变焦比双波段光学镜头，其特征在于所述的 补偿透镜组G4具有按物体一侧顺序排列的第十透镜为凹凸正镜片L10，第十一透镜为双凸 正镜片L11，根据变焦透镜组G3变焦所产生的像面漂移进行补偿，使像面I保持稳定，其放 大率m4变化范围为0. 45 0. 32 0. 58，补偿后G2，G3，G4总的倍率m0 = m2*m3*m4变化 范围为0. 17 1 1. 69，镜头的总焦距变化范围为fcl*mQ，变焦比1. 69/0. 17为10倍，所 述的第十透镜LlO和第十一透镜Lll为胶合组件，LlO的色散系数20 < vlO < 30，Lll的 色散系数45 < vll < 60。
7.根据权利要求书1所述的一种小型化大变焦比双波段光学镜头，其特征在于所述四 个透镜组满足以下条件[0. 55 <I fG1/fl[0. 12 <|fG2/fl[0. 29 <I fG2/fl[0. 31 <fG2/f 1<0. 69<0. 23<0. 41<0. 43其中，fei是前固定透镜组Gl的焦距，fG2是变焦透镜组G2的焦距，fG3是后固定透镜组 G3的焦距，fG4是补偿透镜组G4的焦距，fl是整个光学镜头长焦焦距，fl,fG1, fG2, fG3, fG4的 单位是mm。
8.根据权利要求书3、4、5、6所述的前固定透镜组G1、变焦透镜组G2、后固定透镜组G3 及补偿透镜组G4，其特征在于，光学系统中的十一个光学透镜的焦距Π Π1 (单位mm) 和折射率nl nil及其十九个面的曲率半径Rl R19(单位mm)分别满足以下条件[90 < f 1 < 110 -99 < f2 < -79 36 < f3 < 56 -9. 5 < f4 < -8 26. 3 < f5 < 46. 3 58 < f6 < 78 光阑[12 < f7 < 22[10 < f8 < 20< -80-15 < f9 < -7 21 < flO < 41 560 < fll < 580[1. 72 < nl < 1. 92 1. 51 < n2 < 1. 71 1. 51 < n3 < 1. 71 1. 65 < n4 < 1. 85 1. 42<n5< 1. 62 1. 73 < n6 < 1. 93[1. 55<n7< 1. 75 1. 54 < n8 < 1. 74[1. 65 < n9 < 1. 85 1. 76 < nlO < 1. 90 1. 55 < nil < 1. 75[35 < Rl < 55 16 < R2 < 28 12 < R4 < 29 61 < R6 < 100 -40 < R8 < -22[16 < R2 < 28 150 < R3 < 500 40 < R5 < 65 5 < R7 < 9 5. 5 < R9 < 12. 5[5. 5 < R9 < 12. 5 18 < RlO < 35[12 < Rll < 30 7 < R13 < 15-30 <R12 <-12 -200 < R14-35 < R15 < -15 7 < R16 < 15[10 < R17 < 22 5 < R18 < 12. 5[5 < R18 < 12. 5 -35 <R19 <-18
全文摘要
一种小型化大变焦比双波段光学镜头，属于光机一体化领域，特别是关于一种10倍大光学变焦距范围，适用于板机接口的日夜两用光学变焦镜头。该镜头具有个正光焦度的前固定透镜组G1，和配置于前固定透镜绀G1的像侧的具有负光焦度的变焦透镜组G2，光阑S，配置于光阑像侧的具有正光焦度的后固定透镜组G3，以及配置于像侧的最后一组补偿透镜组G4。利用变焦透镜组G2和补偿透镜组G4之间的相对位置变化来实现焦距5-50mm的10倍光学变焦，同时兼顾优化可见光和红外光成像，且结构紧凑小巧。产品的主要光学指标焦距f＝5-50mm，视场角2ω＝60.0°-7.2°，相对孔径Df＝11.95，适用于1/3”CCD。
文档编号G02B15/20GK101887164SQ201010220620
公开日2010年11月17日 申请日期2010年7月7日 优先权日2010年7月7日
发明者郑志明, 陈俊杰, 陈金发 申请人:福州开发区鸿发光电子技术有限公司