一种变焦镜头的制作方法

本发明涉及监控、安防技术领域，具体涉及一种大倍率、全程红外共焦的变焦镜头。

背景技术：

监控摄像机是用在安防方面的准摄像机，从外型上主要区分为枪式、半球、高速球型，另外还有模拟监控和IP网络监控的区分。监控摄像机广泛应用于学校、公司、银行、交通、平安城市等多个安保领域。在过去监控摄像机的像素和分辨率虽然比电脑的视频头要高，但是与专业的数码相机或dv相比，其像素还是偏低。随着成像光学设计技术的不断发展，监控摄像机的已经赶超专业数码相机，进入百万像素的时代。传统的监控摄像机大多只是单一的视频捕捉设备，很少具备数据保存功能，这已经不能满足人们对于监控设备智能化和自动化的需求。

监控摄像机内最关键的部分是其中的镜头。为了满足监控摄像机能在近距离和远距离监控时均能清晰成像，需搭配变焦镜头使用。目前监控摄像机用的变焦镜头，在外形尺寸、成本、成像质量、自动对焦、红外共焦、变焦倍率、有效焦距等诸多影响镜头质量的制约因素方面往往不能做到兼顾。比如现有的变焦镜头，大多变倍比小于20倍，无法满足远至数公里的远距离监控；而变倍比大于20倍的监控摄像机，大多无法红外共焦，满足日夜兼用的需求；能够达到1700mm等效焦距的镜头因外形尺寸大无法采用步进马达自动聚焦；能够在广角端红外共焦的镜头在望远端无法红外共焦等等。

本发明所提出的监控相机镜头设计方案就是要兼顾外形尺寸、成本、成像质量、自动对焦、红外共焦、变焦倍率、有效焦距等诸多影响镜头质量的制约因素，在保证百万像素全高清1080P画质的情况下，实现长有效焦距、大变焦倍率，并且全程红外共焦、自动对焦，同时缩小镜头尺寸，实现镜头小型化、降低成本。

1.无法做到小型化、无法实现自动聚焦

由于变焦镜头的设计难度较大，为了获得较好的解析度，尽可能的提高成像质量，往往需要多个群组的镜头彼此配合，整个变焦镜头可能包含十几二十片的镜片，这导致了镜头的总长度一般在200mm左右。同时国外厂家同类产品虽然结构可靠，均体积庞大，动辄两三千克，只能用于大型云台。由于监控相机的镜头的长度和体积过大，无法采用步进马达，只能采用直流马达进行驱动。传统的直流马达只有两个引脚，将电池的正负极接在两个引脚就上，马达就会转动。但是这种马达具有有转速过快，扭力过小，无法精确测量转动角度等缺点。将此种直流马达装到镜头上进行驱动后，因为马达无法精确带动镜头群组定位完成聚焦工作，只能通过人工手动将镜头群组逐渐调整，直到焦点与传感器重合，才完成聚焦的过程。

2.无法全程红外共焦

目前安防的重点和难点是晚间监控，行业普遍在夜晚采用红外灯作为辅助光源，要求光学镜头在白天可见光和夜晚红外光都能看得清楚，为了达到这个要求，就需要克服光学镜头夜晚红外离焦的问题。由于玻璃存在色散现象，即不同波长的光具有不同的折射率，这导致了镜头很难保证从可见光(400～700nm)到红外光(850nm左右)保持一致的焦平面，这就是红外离焦。监控相机在晚上接收到红外光源时会产生焦平面偏移，因此传感器接收到的图像是模糊的，镜头的解析力变差，从而使得监控质量下降，红外离焦严重时还会导致监控无法顺利进行。

目前市场上提供的监控镜头都号称带有IR矫正功能满足日夜两用的要求，但这些镜头往往存在到晚上就变模糊或者清晰度下降现象和虚标镜头参数的行为。另外，现有的所有变焦镜头，均无法做到在广角端至望远端变倍时各个倍率均保证红外共焦。因为随着焦距的增大，可见光和红外光的成像面差异会越来越大。因此在望远端，特别是焦距达到200mm以上的长焦距时，做到红外共焦的难度是极大的，这将使得监控相机无法在夜间清晰监测远处物体。

3.等效焦距短、变焦倍率低

一个完整的监控相机不仅包含了光学镜片，也包含了接收光线的传感器(CCD或CMOS)，不同的镜头传感器的尺寸是不同的，即使是同样焦距的镜头，在不同尺寸传感器上，其成像的视场角也不同。所以仅仅以镜头的真实焦距，是无法比较不同镜头的实际拍摄范围即视场角的，需要有一个参照标准，对镜头的焦距有一个统一的标注，这样不同镜头之间才有可比性。目前广泛采用35mm相机作为参照标准，因为35mm相机过去是用的最多的，它使用135胶卷，尺寸为36mmx24mm，对角线长度为43.27mm。将不同镜头传感器上形成的成像视场角，转化为35mm相机上同样成像视角所对应的镜头焦距，这个转化后的焦距就是35mm相机等效焦距，简称为等效焦距。等效焦距的计算公式为f等效＝(SA/SB)f实际。其中SA和SB分别是35mm相机和需要计算镜头的传感器对角线长度。

同时为了满足监控像机能在近距离和远距离监控时均能清晰成像，需搭配变焦镜头使用。变焦镜头是在一定范围内可以变换焦距、从而得到不同宽窄的视场角，不同大小的影象和不同景物范围的照相机镜头。变焦镜头在不改变拍摄距离的情况下，可以通过变动焦距来改变拍摄范围。由于一个变焦镜头可以兼担当起若干个定焦镜头的作用，因此可减少监控摄像机的数量，节约安装成本。

传统的变焦镜头受限于传感器尺寸以及设计时的实际焦距等因素，往往不能做到很大的有效焦距，这使得镜头在监控时，无法看清较远处的物体。同时现有的变焦镜头，大多变倍比小于20倍，无法满足远至数公里的远距离监控；而变倍比大于20倍的监控摄像机，大多无法满足日夜兼用的需求，且成像质量差，无法在各个变倍位置均维持极高的光学性能。

专利文献1(103336355A)所述的变焦镜头，虽然能满足日夜兼用的需求，但是变倍比只有3倍左右，因此成像范围有限，无法满足远至数公里的远距离监控。

专利文献2(公开号103293646A)所述的变焦镜头，虽然变倍比为30倍，但是望远端焦距只有129mm，因此亦不能满足远距离的监控需求。另外，该专利无法做到红外共焦，在室外光线暗的情况下无法清晰成像，因此不能满足日夜兼用的需求。

技术实现要素：

本发明要解决上述的现有技术的不足，提供一种满足在广角端至望远端变倍时各个倍率均保证红外共焦，且在各个变倍位置均维持极高的光学性能的变焦镜头。

有鉴于上述现有的变焦镜头存在的缺陷，本发明基于此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的变焦镜头，能够改进一般现有的变焦镜头，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的新技术方案.

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种变焦镜头，从物侧到像侧依次包括具有正光焦度的第一镜片群G1、具有负光焦度的第二镜片群G2、具有正光焦度的第三镜片群G3、具有正光焦度的第四镜片群G4、具有正光焦度的第五镜片群G5。所述第一正镜片群、所述第三镜片群和所述第五正镜片群为固定群。在所述第二负镜片群为变焦群。所述第四正镜片群为聚焦群。在第二透镜群G2和第三透镜群G3之间，配置有规定着既定的口径的孔径光阑STP。另外，在第五透镜群G5和成像面IMG之间，配置有一片保护玻璃CG和第一滤光片ICF、第二滤光片LPF。保护玻璃CG可根据需要配置、而在不需要时可以省略。滤光片ICF、LPF的作用是滤除杂散光。在成像面IMG，配置有CCD和CMOS等的固体摄像元件的光接收面。

在使所述第一镜片群、所述第三镜片群和所述第五镜片群固定的状态下，通过使所述第二镜片群沿着光轴从物体侧向像侧移动而进行从广角端向望远端的变倍，通过使所述第四镜片群沿着光轴移动，进行伴随变倍的像面变动的校正和调焦。

上述变焦镜头，其特征在于：所述镜头的第一镜片群G1包括自物体按顺序侧按配置的，具有正光焦度的胶合镜片L1、具有正光焦度的镜片L2、具有负光焦度的胶合镜片L3组成。这样的第一镜片群结构，因为有两个正负光焦度胶合的镜片,搭配合理的镜片折射率和阿贝数，相比于传统变焦镜头在第一镜片群只有一个胶合透镜的设计,能够更加有效地减小光学系统的色差，为镜头的红外共焦的实现提供技术支持。

特别的，第一镜片群满足以下的条件式：

(1)Vd11>75

(2)Vd2>70

(3)Vd32>65

其中Vd11表示胶合镜片L1前镜片的阿贝数，Vd2表示镜片L2的阿贝数，Vd32表示胶合镜片L3后镜片的阿贝数。

优选地，上述变焦镜头，其特征在于：所述镜头的第二镜片群G2包括自物体按顺序侧按配置的，具有负光焦度的镜片L4、具有负光焦度的胶合镜片L5、具有负光焦度的镜片L6组成。这样的第二镜片群G2结构，搭配合理的镜片折射率和阿贝数，能够能有效地减小光学系统望远端和广角端的各种像差。第二镜片群G2的作用是缩小或放大倍率：当第二镜片群G2沿着光轴从物体侧向像侧移动时，镜头实现从广角端向望远端的变倍过程；反之，第二镜片群G2沿着光轴从像侧向物体侧移动时，镜头实现从望远端向广角端的变倍过程。

特别的，第二镜片群G2满足以下的条件式：

(4)Vd910>45

(5)Nd1112>1.9

(6)Vd1213>50

其中Vd910表示镜片L4的阿贝数，Nd1112表示胶合镜片L5前镜片的折射率，Vd1213表示胶合镜片L5后镜片的阿贝数。

优选地，上述变焦镜头，其特征在于：所述镜头的第三镜片群G3包括自物体按顺序侧按配置的，具有正光焦度并且两面均为非球面的镜片L7、具有负光焦度的镜片L8组成。这样的第三镜片群G3结构，搭配合理的镜片折射率和阿贝数以及非球面系数，能够能有效地减小光学系统的各种像差，尤其是球差、像散和场曲。

特别的，第三镜片群G3满足以下的条件式：

(7)Vd1718>55

(8)Nd1920>1.9

其中Vd1718表示镜片L7的阿贝数，Nd1920表示镜片L8的折射率。

优选地，上述变焦镜头，其特征在于：所述镜头的第四正镜片群G4包括自物体按顺序侧按配置的，具有正光焦度且第一面为非球面的胶合镜片L9组成。这样的第四镜片群G4结构，搭配合理的镜片折射率和阿贝数以及非球面系数，能够能有效地减小光学系统的各种像差，尤其是球差、慧差。第四镜片群G4的作用是聚焦：当物距改变时，沿光轴方向调整第四镜片群G4的位置，可以实现镜头在不同放大或缩小倍率下的聚焦。

特别的，第四镜片群G4满足以下的条件式：

(9)Vd2223>70

其中Vd2223表示胶合镜片L9后镜片的阿贝数。

上述变焦镜头，其特征在于：所述镜头的第五正镜片群G5包括自物体按顺序侧按配置的，具有负光焦度的镜片L10和具有正光焦度的镜片L11组成。这样的第五镜片群G5结构，搭配合理的镜片折射率和阿贝数以及非球面系数，能够能有效地减小光学系统广角端的各种像差，尤其是畸变。

如以上说明，本发明的变焦透镜，通过具备上述构成，可达成小型化、广角化、长有效焦距、高变焦倍率、红外共焦诸多特点，并且跨越整个变倍域均能良好地校正诸像差，能够对应可以进行全高清方式的摄影的固体摄像元件。特别是通过满足上述各条件式，可以使小型化、广角化、长有效焦距、高变焦倍率、红外共焦和高光学性能的维持并立。

本发明创造的优点如下：

1.实现小型化、实现自动聚焦。

与富士能等公司设计的变焦镜头相比，本镜头因其小型化的结构特点，可以采用步进马达作为驱动装置。在非超载的情况下，马达的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制马达转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。利用步进马达高转矩、高响应性、高分解能、高精度定位等诸多优点，我们可以精确控制镜头群组的位置，从而通过相应的程序算法实现镜头的自动聚焦。自动聚焦功能是实现智能化，精准化监控必不可少的技术要求。自动聚焦功能的实现，使得在无人操作镜头时，镜头依旧可以对突发事件重点监控，从而提高了监视效率。

通过改进监控相机内镜头群组的光学结构设计，使得镜头整体结构紧凑，总长度仅为138mm，同时采取独创的机械设计，完美地处理各种传动细节，使得镜头整体重量控制在500克以内，有效得解决温度漂移和高温灼伤的问题。在监控相机头未来的发展趋势中，镜头的小型化也是极为重要的一个要素，小型化的监控相机不仅仅实现了自动聚焦，同时还可以减小产品的体积以适用于不同环境的产品安装。

2.实现全程红外对焦。红外共焦的设计难度和焦距大小是成反比的，当焦距越大，可见光色散就极难补正，在可见光完善补正的同时，对于红外光也进行补正，其难度可想而知。

本镜头分为五个群组，采用了非球面面型设计减小色散，同时镜头的玻璃材料选取也采用了几种特殊的玻璃，这些玻璃均具有大阿贝数、低色散系数的特点。依靠这些设计，本镜头实现了广角端至望远端变倍时各个倍率均保证红外共焦，这使得监控相机在夜晚红外光源的辅助照明下依旧能够获取和白天同样的解析力，并且在变焦的情况下也能始终保持画面清晰，大大提高了夜间监控的质量。即使在雾霾、灰尘等恶劣条件下，通过其优秀的红外共焦性能，亦可拍摄到清晰、高对比度的图像。

3.等效焦距长、变焦倍率高。通过对传统变焦镜头的结构进行创新和改进，最终设计的镜头等效焦距为56mm-1750mm，变焦倍率为32倍，可以说本镜头是首款国产超远焦变焦镜头，打破了以日本为首的海外厂家的垄断。而且本镜头因具备1750mm的等效焦距，可实现5km范围的监控，极大地拓展了产品的使用范围，广泛运用于高速公路、高铁沿线等远距离监测的场合。

附图说明：

图1是实施例1镜头的广角端相对于d线的各像差图

图2是实施例1镜头的望远端相对于d线的各像差图

图3是实施例2镜头的广角端相对于d线的各像差图

图4是实施例2镜头的望远端相对于d线的各像差图

图5是本发明的光学原理图

图中符号含义：

G1第一镜片群

G2第二镜片群

G3第三镜片群

G4第四镜片群

G5第五镜片群

L1、L2、L3第一透镜

L4、L5、L6第二透镜

L7、L8第三透镜

L9第四透镜

L10、L11第五透镜

STP孔径光阑

IMG成像面

CG保护玻璃

ICF第一滤光片

LPF第二滤光片

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明：

实施例1

参照附图1、2、5：

实施例1满足以下条件：

EFL＝7.5(W)～126.8(M)～242(T)

FNO＝1.65(W)～3.45(M)～5.1(T)

一种变焦透镜，从物侧到像侧依次包括具有正光焦度的第一镜片群G1、具有负光焦度的第二镜片群G2、具有正光焦度的第三镜片群G3、具有正光焦度的第四镜片群G4、具有正光焦度的第五镜片群G5。

在第二透镜群G2和第三透镜群G3之间，配置有规定着既定的口径的孔径光阑STP。另外，在第五透镜群G5和成像面IMG之间，配置有一片保护玻璃CG和第一滤光片ICF、第二滤光片LPF。保护玻璃CG可根据需要配置、而在不需要时可以省略。第一滤光片ICF、第二滤光片LPF的作用是滤除杂散光。在成像面IMG，配置有CCD和CMOS等的固体摄像元件的光接收面。

就第一镜片群G1而言，从物体侧按顺序配置具有正光焦度的胶合镜片L1、具有正光焦度的镜片L2、具有负光焦度的胶合镜片L3而组成。就第二镜片群G2而言，从物体侧按顺序配置具有负光焦度的镜片L4、具有负光焦度的胶合镜片L5、具有负光焦度的镜片L6组成。

就第三镜片群G3而言，从物体侧按顺序配置具有双非球面正光焦度的镜片L7、具有负光焦度的镜片L8组成。

就第四镜片群G4而言，从物体侧按顺序配置具有正光焦度且第一面为非球面的胶合镜片L9组成。

就第五镜片群G5而言，从物体侧按顺序配置具有负光焦度的镜片L10和具有正光焦度的镜片L11组成。

在使所述第一镜片群、所述第三镜片群和所述第五镜片群固定的状态下，通过使所述第二镜片群沿着光轴从物体侧向像侧移动而进行从广角端向望远端的变倍，通过使所述第四镜片群沿着光轴移动，进行伴随变倍的像面变动的校正和调焦。

以下，示出关于实施例1的变焦透镜的各种数值数据。

EFL＝7.5(广角端)～126.8(中间焦点位置)～242(望远端)

F数＝1.65(广角端)～3.45(中间焦点位置)～5.1(望远端)

表1显示了实施例1镜头的结构参数；表2显示了实施例1镜头的变焦参数；表3显示了实施例1的镜头非球面系数。

表1

实施例1镜头结构参数

表2

实施例1镜头变焦参数

表3

实施例1镜头非球面系数

实施例2

参照附图3、4、5：

实施例2满足以下条件：

EFL＝8.1(广角端)～127.2(中间焦点位置)～259.3(望远端)

F数＝1.71(广角端)～3.55(中间焦点位置)～6.1(望远端)

表4

实施例2镜头结构参数

表5

实施例2镜头变焦参数

表6

实施例2镜头非球面系数

实施例2的其余部分与实施例1相同。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。