一种透镜系统和镜头的制作方法

本发明涉及光学仪器领域，特别涉及一种透镜系统和镜头。

背景技术：

随着高清画面呈现技术的发展，1080P高清画面已经无法满足人们的需求，4K技术应运而生；伴随近年来，数据传输技术、数据存储技术、图像处理技术以及高清电视显示技术的技术创新与突破，使得实现4K分辨率的超高清画面呈现已成为可能，并且必将成为今后的发展趋势；这就要求镜头(透镜系统)要有更高的分辨率，以满足4K摄像机的成像要求。

随着透镜加工工艺的改进和光学材料性能的提高，透镜系统得到了长足发展，但是目前现有的透镜系统和镜头，可见光模式下分辨率水平仅能满足500万像素以下(大多数都在200万像素以下)的摄像机需求；并且夜晚切换到红外模式下，共焦性能很差，实际成像清晰度比可见光效果更差。造成这一现象的主要原因是：现有的透镜系统采用透镜的结构形状比较单一，不同形状的透镜不能很好的结合，光学玻璃材质的性能较为落后，各项参数与成像条件不能很好的匹配，使得透镜系统的球差、慧差、象散、场曲、倍率色差、位置色差并未得到很好的校正，从而无法实现更高的光学性能。

综上所述，现有透镜系统和镜头存在较大的像差、成像分辨率较低，无法满足现在的高清画面显示要求。

技术实现要素：

本发明提供一种透镜系统和镜头，用以解决现有技术无法满足高清画面显示要求的问题。

本发明实施例提供了一种透镜系统，沿光轴线从物侧到像侧依次包括：具有第一透镜组，第二透镜组，孔径光阑和第三透镜组；所述第一透镜组光焦度为负；所述第二透镜组光焦度为正，沿光轴线从物侧到像侧依次包括：光焦度为正的第一子组和光焦度为正的第一双凸透镜；所述第三透镜组光焦度为正，沿光轴线从物侧到像侧依次包括：光焦度为为正的第二双凸透镜、光焦度为负的第一双凹透镜以及光焦度为正的第二子组；所述第二双凸透镜和所述第一双凹透镜胶合在一起。

第一透镜组对进入系统的光线起到发散的作用，可以使大视场的光线进入系统，同时可平衡系统的慧差和场曲；第二透镜组中光焦度为正的第一子组和光焦度为正的第一双凸透镜，可以有效的校正系统的球差、像散，并且快速收敛进入系统的光线，使得更宽的光束可以通过其后的光学系统，增大系统的相对孔径，第三透镜组中的第二双凸透镜和第一双凹透镜胶合在一起，对系统的色差校正起关键作用；光焦度为正的第二子组，主要校正系统的球差、慧差、像散，同时减小系统主光线出射角，增强像面照度均匀性和色彩还原度。

可选的，所述第一透镜组，沿光轴线从物侧到像侧依次包括：光焦度为负的第一弯月透镜和光焦度为负的第二双凹透镜；所述第一弯月透镜凸面朝向物侧。

由于本发明实施例的第一弯月透镜的光焦度为负，对进入系统的光线起到发散的作用，从而使大视场的光线进入系统。

可选的，所述第一子组沿光轴线从物侧到像侧依次包括光焦度为负的第二弯月透镜和光焦度为正的第三双凸透镜；所述第二弯月透镜的凸面朝向物侧；且所述第二弯月透镜和所述第三双凸透镜胶合在一起。

由于本发明实施例的第二透镜组中第一子组包括第二弯月透镜，由于弯月透镜一面为凸面，一面为凹面的特性，可以最大限度地减少透镜系统球差，从而提高成像质量；第三双凸透镜可以有效的校正系统的球差、像散，二者胶合的结构有利于减少系统色差，并且分担光焦度压力，从而使成像系统更稳定。

可选的，所述第二子组沿光轴线从物侧到像侧依次为光焦度为正的第一平凸透镜和光焦度为正的第四双凸透镜；所述第一平凸透镜朝向物侧的表面为平面；或所述第二子组沿光轴线从物侧到像侧依次为光焦度为正的第五双凸透镜和光焦度为正的第四双凸透镜。

由于本发明实施例的第二子组的第一平凸透镜和第四双凸透镜，或者是第五双凸透镜和第四双凸透镜，主要校正系统的球差、慧差、像散，同时减小系统主光线出射角，增强像面照度均匀性和色彩还原度。

可选的，所述第一双凸透镜朝向像侧的表面设置有渐晕光阑。

由于本发明实施例的第一双凸透镜朝向像侧的表面设置有渐晕光阑，改善了大视场的像质水平，使其成像光束有选择性的通过系统以及减小系统的主光线出射角CRA，防止色彩偏移。

可选的，所述第一弯月透镜中透镜的光学玻璃材质相对于d光的折射率和阿贝系数满足下列条件式：

Nd≥1.58，Vd≥50 (1)。

由于本发明实施例的第一弯月透镜的光学玻璃材质Nd≥1.58，Vd≥50，使得第一弯月透镜的外径尺寸不可过大，材料相对价格要低，另外对系统的慧差、像散、场曲起到补偿作用，还可以有效地减小系统色差。

可选的，所述第四双凸透镜中透镜的光学玻璃材质相对于d光的折射率和阿贝系数满足下列条件式：

Nd≥1.8，Vd≤32 (2)。

由于本发明实施例的第四双凸透镜9的光学玻璃材质Nd≥1.8，Vd≤32，可以高效的汇聚由前面负透镜过来的光线，另一方面校正系统场曲以及调整系统像面上的的主光线入射角。

可选的，所述第一弯月透镜的焦距和第二双凹透镜的焦距满足下列条件式：

0.6≤f₁₁/f₁₂≤1 (3)。

由于本发明实施例的第一弯月透镜和第二双凹透镜的焦距满足0.6≤f₁₁/f₁₂≤1，合理分配二者的光焦度比例，可以在保证视场角不变的情况下，更有效的控制镜头的尺寸，同时也可提升产品性能稳定性；例如，若f₁₁/f₁₂<0.6，则第一弯月透镜承担的光焦度过大，曲率半径越小，加工难度增高，系统高级像差增加；若f₁₁/f₁₂>1，第一弯月透镜承担压力很小，进光量不变的情况下，第一弯月透镜体积增大，不利于产品小型化。而本发明限定0.6≤f₁₁/f₁₂≤1，使第一弯月透镜和第二双凹透镜的光焦度比例合理分配，从而在提升产品性能稳定性的同时，使得透镜系统和镜头的结构小型化。

可选的，所述第二透镜组的焦距和第三透镜组的焦距满足下列条件式：

0.55≤f₂/f₃≤0.8 (4)。

由于本发明实施例的第二透镜组的焦距f₂和第三透镜组的焦距满足0.55≤f₂/f₃≤0.8，若f2/f3<0.55，则第二透镜组光焦度过大，系统主光线出射角增大，影响相对照度和色彩还原性；若f2/f3>0.8，则第二透镜组光焦度偏小，系统的TTL光学总长难以做小；同时，第三透镜组承担的光焦度过大，也会产生高级像差。

可选的，所述第二透镜组的焦距和透镜系统的焦距满足下列条件式：

0.7≤f/f₂≤0.9 (5)。

由于本发明实施例的第二透镜组的焦距f₂和透镜系统的焦距f满足0.7≤f/f₂≤0.9，主要影响透镜系统光学总长，将透镜系统光学总长控制在24.2mm以内，同时也利于产品的小型化。

可选的，所述透镜系统中光学系统的总长满足下列条件式：

TTL≤24.2mm (6)。

由于本发明实施例的透镜系统的光学系统总长不大于24.2mm，从而突出镜头结构的小型化特征，小型化的结构使得镜头在使用时通用性和适应性更强。

可选的，所述透镜系统中透镜系统的光学后焦和光学系统的总长满足下列 条件式：

0.25≤BFL/TTL≤0.35 (7)。

由于本发明实施例的透镜系统的光学后焦和光学系统的总长满足该条件，从而使得镜头在保证较短的系统总长的同时，也具备足够的后工作距以及较合理的主光线出射角。

本发明实施例提供了一种镜头，包括上述的透镜系统。

由于本发明实施例的镜头，采用上述的透镜系统，像差得到很好地校正，成像分辨率高，成像品质优异，并且实现了镜头结构的小型化。

附图说明

图1(a)为本发明实施例透镜系统的结构示意图(物方处于最左侧位置，像方处于最右侧位置)；

图1(b)为本发明实施例透镜系统中第三透镜组可变型的结构示意图一；

图1(c)为本发明实施例透镜系统中第三透镜组可变型的结构示意图二；

图1(d)为本发明实施例透镜系统中第三透镜组可变型的结构示意图三；

图1(e)为本发明实施例透镜系统中第三透镜组可变型的结构示意图四；

图1(f)为本发明实施例透镜系统中第二透镜组可变型的结构示意图；

图2为本发明实施例镜头的结构示意图；

图3为本发明实施例可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图；

图4为本发明实施例红外光部分的光学传递函数(MTF)曲线图；

图5为本发明实施例可见光部分的场曲图；

图6为本发明实施例可见光部分的畸变图；

图7为本发明实施例可见光部分的轴向像差曲线图；

图8为本发明实施例可见光部分的垂轴色差曲线图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种透镜系统，沿光轴线从物侧到像侧依次包括：第一透镜组，第二透镜组，孔径光阑和第三透镜组；第一透镜组光焦度为负；第二透镜组光焦度为正，沿光轴线从物侧到像侧依次包括：光焦度为正的第一子组和光焦度为正的第一双凸透镜；第三透镜组光焦度为正，沿光轴线从物侧到像侧依次包括：光焦度为为正的第二双凸透镜、光焦度为负的第一双凹透镜以及光焦度为正的第二子组；第二双凸透镜和所述第一双凹透镜胶合在一起。

这种透镜系统，第一透镜组可以使大视场的光线进入系统，同时可平衡系统的慧差和场曲；第二透镜组中第一子组和第一双凸透镜，可以有效的校正系统的球差、像散，并且快速收敛进入系统的光线，使得更宽的光束可以通过其后的光学系统，增大系统的相对孔径；第三透镜组中的第二双凸透镜和第一双凹透镜胶合在一起，对系统的色差校正起关键作用；第三透镜组中的第二子组主要校正系统的球差、慧差、像散，同时减小系统主光线出射角，增强像面照度均匀性和色彩还原度。

本发明提供的一种透镜系统，可应用于安防监控系统，电视、电影摄像，望远、显微摄影等科技领域，也可应用在宇宙空间探索，导弹试验，追击观测火箭记录等军事领域；该透镜系统以其高分辨率水平和更佳的红外夜视效果可以广泛应用于成像系统。

下面结合说明书附图对本发明实施例作进一步详细描述。

如图1(a)所示，为本发明实施案例提供的一种透镜系统的结构示意图。该透镜系统，沿光轴线从物侧到像侧依次包括：第一透镜组G1，第二透镜组G2，孔径光阑10和第三透镜组G3；

第一透镜组G1包括第一弯月透镜1和第二双凹透镜2；

第二透镜组G2包括第二弯月透镜3、第三双凸透镜4和第一双凸透镜5，并且第二弯月透镜3和第三双凸透镜4胶合在一起；

第三透镜组G3包括第二双凸透镜6，第一双凹透镜7，第一平凸透镜8和第四双凸透镜9，并且第二双凸透镜6和第一双凹透镜7胶合在一起，其中 第一平凸透镜8朝向物侧的表面为平面。

第一透镜组G1中的第一弯月透镜1和第二双凹透镜2的光焦度均为负，对进入系统的光线起到发散的作用，可以使大视场的光线进入系统，同时可平衡系统的慧差和场曲；第二透镜组中的第三双凸透镜4和第一双凸透镜5，可以有效的校正系统的球差、像散，并且快速收敛进入系统的光线，使得更宽的光束可以通过其后的光学系统，增大系统的相对孔径；第三透镜组中的第二双凸透镜6和第一双凹透镜7组成胶合镜片，对系统的色差校正起关键作用；第三透镜组靠近像侧第一平凸透镜8和第四双凸透镜9，主要校正系统的球差、慧差、像散，同时减小系统主光线出射角，增强像面照度均匀性和色彩还原度。

如图1(b)所示，第三透镜组中第一平凸透镜8朝向物侧的表面还可以为凸面，第三透镜组沿光轴线从物侧到像侧依次包括：第二双凸透镜6，第一双凹透镜7，第五双凸透镜11和第四双凸透镜9。

如图1(c)所示，第三透镜组第二子组还可以只包括一个具有正光焦度的第六双凸透镜12。如图1(d)所示，第三透镜组第二子组还可以只包括一个具有正光焦度的第二平凸透镜13。如图1(e)所示，第三透镜组第二子组还可以只包括一个具有正光焦度的第三弯月透镜14。

第三透镜组中第二子组采用一个具有正光焦度的透镜，在保证系统的球差、慧差、像散较小的同时，还能减小光学系统总长，从而使透镜系统结构更加小型化。

可选的，第一透镜组G1，沿光轴线从物侧到像侧依次包括：光焦度为负的第一弯月透镜1和光焦度为负的第二双凹透镜2；第一弯月透镜1凸面朝向物侧。

本发明实施例中，第一弯月透镜1的光焦度均为负，对进入系统的光线起到发散的作用，可以使大视场的光线进入系统。

可选的，第一子组沿光轴线从物侧到像侧依次包括光焦度为负的第二弯月透镜3和光焦度为正的第三双凸透镜4；第二弯月透镜3凸面朝向物侧；且第 二弯月透镜3和第三双凸透镜4胶合在一起。

本发明实施例中，第一子组包括第二弯月透镜3，弯月透镜一面为凸面，一面为凹面的特性，可以最大限度地减少透镜系统球差，提高成像质量；第三双凸透镜4可以有效的校正系统的球差、像散，二者胶合的结构有利于减少系统色差，并且分担光焦度压力，从而使成像系统更稳定。

第一子组还可以只包括一个光焦度为正的透镜，如图1(f)所示，第一子组还可以只包括第七双凸透镜15，将胶合的第二弯月透镜3和第三双凸透镜4替换为第七双凸透镜15，既能保证有效校正系统的球差、像散，并且收敛进入系统的光线，而且减小光学系统总长，从而有利于透镜系统结构小型化。

可选的，第二子组沿光轴线从物侧到像侧依次为光焦度为正的第一平凸透镜8和光焦度为正的第四双凸透镜9；第一平凸透镜8朝向物侧的表面为平面；或者，第二子组沿光轴线从物侧到像侧依次为第五双凸透镜11和第四双凸透镜9。

本发明实施例中，第二子组的第一平凸透镜8和第四双凸透镜9，或者是第五双凸透镜11和第四双凸透镜9，主要校正系统的球差、慧差、像散，同时减小系统主光线出射角，增强像面照度均匀性和色彩还原度。

可选的，第一双凸透镜5朝向像侧的表面设置有渐晕光阑。

本发明实施例中，第一双凸透镜5朝向像侧的表面设置有渐晕光阑，为了改善大视场的像质水平，使其成像光束有选择性的通过系统以及减小系统的主光线出射角CRA，防止色彩偏移。

可选的，第一弯月透镜1的光学玻璃材质相对于d光的折射率Nd和阿贝系数Vd满足下列条件式：Nd≥1.58，Vd≥50。

本发明实施例中，限定第一弯月透镜1的光学玻璃材质Nd≥1.58，Vd≥50，可以限定第一弯月透镜1的外径尺寸不可过大，材料相对价格要低，另外对系统的慧差、像散、场曲起到补偿作用，还可有效减少系统色差。

可选的，第四双凸透镜9的光学玻璃材质相对于d光的折射率Nd和阿贝 系数Vd满足下列条件式：Nd≥1.8，Vd≤32。

本发明实施例中，第四双凸透镜9的光学玻璃材质Nd≥1.8，Vd≤32，可以高效的汇聚由前面负透镜过来的光线，另一方面校正系统场曲以及调整系统像面上的的主光线入射角。

可选的，第一弯月透镜1的焦距f₁₁和第二双凹透镜2的焦距f₁₂满足下列条件式：0.6≤f₁₁/f₁₂≤1。

本发明实施例中，合理分配二者的光焦度比例，可以在保证视场角不变的情况下，更有效的控制镜头的尺寸，同时也可提升产品性能稳定性。例如，若f₁₁/f₁₂<0.6，则第一弯月透镜1承担的光焦度过大，曲率半径越小，加工难度增高，系统高级像差增加；若f₁₁/f₁₂>1，第一弯月透镜1承担压力很小，进光量不变的情况下，第一弯月透镜1体积增大，不利于产品小型化。而本发明限定0.6≤f₁₁/f₁₂≤1，使第一弯月透镜1和第二双凹透镜2的光焦度比例合理分配，在提升产品性能稳定性的同时，使得透镜系统和镜头的结构小型化。

可选的，第二透镜组G2的焦距f₂和第三透镜组G3的焦距f₃满足下列条件式：0.55≤f₂/f₃≤0.8。

本发明实施例中，限定第二透镜组G2的焦距f₂和第三透镜组G3的焦距满足0.55≤f₂/f₃≤0.8，若f2/f3<0.55，则第二透镜组G2光焦度过大，系统主光线出射角增大，影响相对照度和色彩还原性；若f2/f3>0.8，则第二透镜组G2光焦度偏小，系统的TTL光学总长难以做小；同时，第三透镜组G3承担的光焦度过大，也会产生高级像差。

可选的，第二透镜组G2的焦距f₂和透镜系统的焦距f满足下列条件式：0.7≤f/f₂≤0.9。

本发明实施例中，限定第二透镜组G2的焦距f₂和透镜系统的焦距f满足0.7≤f/f₂≤0.9，主要影响透镜系统光学总长，将透镜系统光学总长控制在24.2mm以内，同时也利于产品的小型化。

可选的，透镜系统的光学系统总长满足下列条件式：TTL≤24.2mm。

本发明实施例中，限定光学系统的总长不大于24.2mm，从而突出镜头结构的小型化特征，小型化的结构使得镜头在使用时更加方便。

可选的，透镜系统的光学后焦和光学系统的总长满足下列条件式：0.25≤BFL/TTL≤0.35。

本发明实施例中，对透镜系统的光学后焦和光学系统的总长的限定，从而使镜头在保证较短的系统总长的同时，也具备足够的后工作距以及较合理的主光线出射角。

本发明实施例提供了一种镜头，包括上述透镜系统。

由于本发明实施例的镜头，采用上述的透镜系统，像差得到很好地校正，成像分辨率高，成像品质优异，并且实现了镜头结构的小型化。

本发明实施例中各个透镜朝向物侧的表面的曲率半径R₁和朝向像侧的表面的曲率半径R₂、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光的阿贝系数V_d以及中心厚度T_c，沿光线入射方向依次满足表1所列的条件：

表1

本发明实施例中，限定所采用的九个透镜朝向物侧表面的曲率半径R₁和朝向像侧表面的曲率半径R₂、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光的阿贝系数V_d以及中心厚度T_c，使得透镜系统的结构形状，阿贝系数等参数与成像条件匹配，进而使透镜系统的球差、慧差、象散、场曲、倍率色差、位置色差得到很好的校正，达到更高的分辨率。

在满足以上条件时，保证了整个透镜系统的像差得到很好的校正，各项性能满足使用要求。

在具体实施过程中，所述透镜系统的各个透镜的曲率半径R、中心厚度T_c、折射率N_d、和阿贝常数V_d满足表2所列的条件：

表2

下面结合附图和具体的实施例对本发明进行说明。

在实施例中，各项参数满足表2。

实施例所提供的镜头具有如下光学技术指标：

光学总长TTL≤24.1mm；

镜头的系统焦距f为4.5mm；

镜头的系统像面：1/2.3〞；

光圈范围F为2.0。

本发明实施例提供的一种透镜系统的结构还可以包括滤色片GF和成像面IMA，沿光轴线从物侧到像侧依次包括：第一透镜组G1，孔径光阑10，第二透镜组G2，第三透镜组G3，滤色片GF和成像面IMA，如图2所示，该透镜系统的结构示意图仅为本发明优选实施例的结构示意图，而对于包含有如图1(f)所示的第二透镜组的透镜系统，以及包含有如图1(b)，如图1(c)，如图1(d)和如图1(e)所示的第三透镜组的透镜系统，其结构也还可以包括滤色片GF和成像面IMA。

下面通过对实施例进行详细的光学系统分析，进一步介绍本实施例所提供的透镜系统和镜头。

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3、图4所示，其中，图3为可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图；图4为红外光部分的光学传递函数(MTF)曲线图。从图3中可知，该透镜系统可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图较平滑、集中，而且全视场MTF平均值达到0.69以上，可见本实施例提供的透镜系统和镜头，从而达到很高的分辨率，满足1200万像素及4K摄像机的成像要求。从图4中可知，该透镜系统和镜头在红外共焦方面也具有不错的成像质量，远优于市面上现有 的透镜系统和镜头。

透镜系统可见光部分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。如图5所示，子午场曲值控制在0～0.04mm范围内，弧矢场曲值控制在0～0.04mm范围以内。

透镜系统可见光部分对应的畸变图，图中曲线越接近y轴，畸变率越小。如图6所示，其中畸变率控制在-19.5％～0范围以内。

透镜系统可见光部分对应的轴向色差图，图中曲线在y轴附近变化，越靠近y轴，说明透镜系统成像品质越好。如图7所示，其轴向色差控制在

-0.02～+0.04mm之间。

透镜系统可见光部分对应的垂轴色差图，图中曲线越接近y轴，说明透镜系统成像品质越好。如图8所示，其垂轴色差控制在-0.002～+0.002mm之间。

综上所述，本发明实施例提供了一种透镜系统和镜头，采用九个特定结构形状的光学透镜，并按照从物侧至像侧依次排列，以及通过各个光学透镜的光焦度的分配，同时采用相适应光学玻璃材质，使得透镜系统的结构形状，阿贝系数等参数与成像条件匹配，进而使透镜系统的球差、慧差、象散、场曲、倍率色差、位置色差得到很好的校正，从而达到更高的分辨率(最高支持1200万像素摄像机)和更佳的红外共焦性能；并且结构紧凑，外形尺寸小，所有的光学透镜均采用球面设计，冷加工工艺性能良好，生产成本低；可广泛应用到成像装置，实现全天候的超高清画面显示。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

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。