用于辅助视频监控摄像镜头像质检测的近摄镜的制作方法

本实用新型涉及光学领域，特别涉及一种用于辅助视频监控摄像镜头像质检测的近摄镜。

背景技术：

随着视频摄像技术全面进入百万总像素以上高清图像质量时代的到来，作为与之配套的关键部件——摄像镜头的成像质量也要求大幅提高(目前企业要求达到500-1000万左右)。由于它的产量很大，因此如何有效地检测这类镜头的成像质量成为国内外光学界关注的焦点。从目前看,具备行业检测标准、能适应不同焦距需求、直观性和性价比来看，采用分辨率测试卡方法比较适用。特别是在和摄像机直接结合，更能体现镜头在摄像系统的成像效果。通过更换彩色测试卡，它还能做到其他方法难于做到的直观检测镜头色还原的效果。但它的难点是:在检测超广角短焦镜头时，如何真实地反映在实用距离上的成像效果；在检测长焦镜头时，如何解决有效照明、制作大版面分辨率测试卡和设备的小型化等问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服以上缺点，提供一种用于辅助视频监控摄像镜头像质检测的近摄镜，该近摄镜能满足2.5～75mm焦距范围的视频监控摄像镜头像质的检测，该近摄镜的加入不仅不影响视频监控摄像镜头已校好的成像质量，而且该近摄镜能将近的物距拉长，将远的物距变短，实现了检测设备的小型化。

本实用新型是这样实现的：

一种用于辅助视频监控摄像镜头像质检测的近摄镜，其特征在于：包括分别用于检测短焦视频监控摄像镜头、中焦视频监控摄像镜头、长焦视频监控摄像镜头的近摄镜一、近摄镜二和近摄镜三，所述近摄镜一包括第一透镜以及与第一透镜组成密接胶合组的第二透镜，所述近摄镜二包括第三透镜以及与第三透镜组成密接胶合组的第四透镜，所述近摄镜三包括第五透镜以及与第五透镜组成密接胶合组的第六透镜，组成各近摄镜的光学元件必须满足以下条件：

0.01＜Pcd12-Pcd11＜0.02；20＜R12/R11＜26‥‥‥①

0.28≦|Φ1/R11-Φ1/R12|‥‥‥②

1.50＜n11＜1.54；60＜ν11＜65‥‥‥③

1.60＜n12＜1.626；35＜ν12＜38‥‥‥④

0.008＜Pcd22-Pcd21＜0.012；4＜|R22/R21|＜6‥‥‥⑤

0.4≦|Φ2/R21-Φ2/R22|‥‥‥⑥

1.50＜n21＜1.54；60＜ν21＜65‥‥‥⑦

1.60＜n22＜1.63；56＜ν22＜61‥‥‥⑧

0.001＜Pcd32-Pcd31＜0.006；8＜|R32/R31|＜12‥‥‥⑨

0.4≦|Φ3/R31-Φ3/R32|‥‥‥⑩

其中，Pcd11、Pcd12、Pcd21、Pcd22、Pcd31、Pcd32分别为第一透镜～第六透镜的相对色散系数；R11、R12、R13、R21、R22、R23、R31、R32、R33分别为第一透镜～第六透镜各面的半径；Φ1～Φ3分别为近摄镜一～近摄镜三的口径；n11、n12、n21、n22、n31、n32分别为第一透镜～第六透镜的折射率；ν11、ν12、ν21、ν22、ν31、ν32分别为第一透镜～第六透镜的阿贝系数。

优选的，所述第一透镜为凸凹正透镜，所述第二透镜为凸凹负透镜；所述第三透镜为凸凹正透镜，所述第四透镜为凸凹负透镜；所述第五透镜为凹凸正透镜，所述第六透镜为凹凸负透镜。

优选的，所述短焦视频监控摄像镜头的焦距范围为2.5～8mm，所述中焦视频监控摄像镜头的焦距范围为8～20mm，所述长焦视频监控摄像镜头的焦距范围为20～75mm。

优选的，所述第一透镜和第三透镜采用H-K9L制成，所述第二透镜和第四透镜采用H-F4制成，所述第五透镜采用H-ZK3制成，所述第六透镜采用H-ZK10制成。

较之现有技术而言，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型提供的用于辅助视频监控摄像镜头像质检测的近摄镜，能满足2.5～75mm焦距范围的视频监控摄像镜头像质的检测，该近摄镜的加入不仅不影响视频监控摄像镜头已校好的成像质量，而且该近摄镜能将近的物距拉长，将远的物距变短，实现了检测设备的小型化；

(2)本实用新型提供的用于辅助视频监控摄像镜头像质检测的近摄镜，在相应的摄像机器件能实现满屏的测试标准条件和少用不同规格及面积过大的电视测试卡的前提下，长焦待测待测镜头检测时，能做到常用电视测试卡离近摄镜的最长距离不超2米；在检测超广角较短焦距待测镜头时，能做到用2#版以下测试卡离近摄镜的最短距离不小于0.15米，能使检测设备小型化的同时做到检测操作方便；

(3)本实用新型提供的用于辅助视频监控摄像镜头像质检测的近摄镜，通过控制玻璃对的相对色散差在适当范围内,使近摄镜的二级光谱不太大的情况下,增大第2面的半径并使它朝向待测镜头入瞳的方向,起到降低轴外像差对待测镜头的影响，同时，有利于对轴上球差和色球差的校正；

(4)本实用新型提供的用于辅助视频监控摄像镜头像质检测的近摄镜，通过选择一定范围玻璃对的折射率差异，有利于控制二级光谱、色球差和组合焦距值；

(5)本实用新型提供的用于辅助视频监控摄像镜头像质检测的近摄镜，采用了“中心焦距”的概念，用一个近摄镜去适应一定焦距范围的视频监控摄像镜头，既能保证像质，又避免了频繁更换近摄镜的麻烦，仅用三个近摄镜就能满足2.5～75mm焦距范围的视频监控摄像镜头像质的检测。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步说明：

图1是本实用新型近摄镜一的结构示意图；

图2是本实用新型近摄镜二的结构示意图；

图3是本实用新型近摄镜三的结构示意图；

图4是本实用新型利用近摄镜辅助视频监控摄像镜头像质检测的方法的光学原理示意图；

图5是视频监控摄像镜头焦距ft′＝4mm加入近摄镜一后的MTF曲线图和几何像差图，其中图5a为MTF曲线图，图5b～图5e为几何像差图；

图6是视频监控摄像镜头焦距ft′＝4mm去掉近摄镜一后的MTF曲线图(l＝2300mm)；

图7是视频监控摄像镜头焦距ft′＝6mm加入和去掉近摄镜一后的MTF曲线图，其中图7a为加入近摄镜一的MTF曲线图，图7b为去掉近摄镜一的MTF曲线图；

图8是视频监控摄像镜头焦距ft′＝2.8mm加入和去掉近摄镜一后的MTF曲线图，其中图8a为加入近摄镜一的MTF曲线图，图8b为去掉近摄镜一的MTF曲线图；

图9是视频监控摄像镜头焦距ft′＝12mm加入近摄镜二后的MTF曲线图和几何像差图，其中图9a为MTF曲线图，图9b～图9e为几何像差图；

图10是视频监控摄像镜头焦距ft′＝12mm去掉近摄镜二后的MTF曲线图(l＝8430mm)；

图11是视频监控摄像镜头焦距ft′＝16mm加入和去掉近摄镜二后的MTF曲线图，其中图11a为加入近摄镜二的MTF曲线图，图11b为去掉近摄镜二的MTF曲线图；

图12是视频监控摄像镜头焦距ft′＝8mm加入和去掉近摄镜二后的MTF曲线图，其中图12a为加入近摄镜二的MTF曲线图，图12b为去掉近摄镜二的MTF曲线图；

图13是视频监控摄像镜头焦距ft′＝35mm加入近摄镜三后的MTF曲线图和几何像差图，其中图13a为MTF曲线图，图13b～图13e为几何像差图；

图14是视频监控摄像镜头焦距ft′＝35mm去掉近摄镜三后的MTF曲线图(l＝1980mm)；

图15是视频监控摄像镜头焦距ft′＝25mm加入和去掉近摄镜三后的MTF曲线图，其中图15a为加入近摄镜三的MTF曲线图，图15b为去掉近摄镜三的MTF曲线图；

图16是视频监控摄像镜头焦距ft′＝70mm加入和去掉近摄镜三后的MTF曲线图，其中图16a为加入近摄镜三的MTF曲线图，图16b为去掉近摄镜三的MTF曲线图。

上述图中：涉及MTF曲线图的横坐标为特征频率,其坐标单位为：线对/mm；其纵坐标曲线为视场(0ω、0.7ω、1ω)在全口径、不同特征频率的MTF值。涉及几何像差图的球差曲线和像散曲线，其横坐标的单位为：mm；倍率色差曲线的横坐标单位是：μm；子午和弧矢特性曲线的横坐标是的孔径角的正切值最大为1；纵坐标为弥散值在图5中最大值为±20μm、在图9中最大值为±100μm、在图13中最大值为±10μm。

图中符号说明：1、近摄镜一，11、第一透镜，12、第二透镜，2、近摄镜二，21、第三透镜，22、第四透镜，3、近摄镜三，31、第五透镜，32、第六透镜，A、分辨率测试卡，B、虚像，R、近摄镜，T、视频监控摄像镜头，P、摄像机靶面。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型内容进行详细说明：

如图1－图3所示，为本实用新型提供的一种用于辅助视频监控摄像镜头像质检测的近摄镜，其特征在于：包括分别用于检测短焦视频监控摄像镜头、中焦视频监控摄像镜头、长焦视频监控摄像镜头的近摄镜一1、近摄镜二2和近摄镜三3，所述近摄镜一1包括第一透镜11以及与第一透镜11组成密接胶合组的第二透镜12，所述近摄镜二2包括第三透镜21以及与第三透镜21组成密接胶合组的第四透镜22，所述近摄镜三3包括第五透镜31以及与第五透镜31组成密接胶合组的第六透镜32，组成各近摄镜的光学元件必须满足以下条件：

0.01＜Pcd12-Pcd11＜0.02；20＜R12/R11＜26‥‥‥①

0.28≦|Φ1/R11-Φ1/R12|‥‥‥②

1.50＜n11＜1.54；60＜ν11＜65‥‥‥③

1.60＜n12＜1.626；35＜ν12＜38‥‥‥④

0.008＜Pcd22-Pcd21＜0.012；4＜|R22/R21|＜6‥‥‥⑤

0.4≦|Φ2/R21-Φ2/R22|‥‥‥⑥

1.50＜n21＜1.54；60＜ν21＜65‥‥‥⑦

1.60＜n22＜1.63；56＜ν22＜61‥‥‥⑧

0.001＜Pcd32-Pcd31＜0.006；8＜|R32/R31|＜12‥‥‥⑨

0.4≦|Φ3/R31-Φ3/R32|‥‥‥⑩

其中，Pcd11、Pcd12、Pcd21、Pcd22、Pcd31、Pcd32分别为第一透镜11～第六透镜32的相对色散系数；R11、R12、R13、R21、R22、R23、R31、R32、R33分别为第一透镜11～第六透镜32各面的半径；Φ1～Φ3分别为近摄镜一1～近摄镜三3的口径；n11、n12、n21、n22、n31、n32分别为第一透镜11～第六透镜32的折射率；ν11、ν12、ν21、ν22、ν31、ν32分别为第一透镜11～第六透镜32的阿贝系数。

条件①设定的目的是控制玻璃对的相对色散差在适当范围内，使短焦段的近摄镜的二级光谱不太大的情况下，增大第2面的半径并使它朝向待测镜头入瞳的方向,起到降低轴外像差对待测镜头(特别是超广角短焦)影响。同时，有利于轴上球差和色球差的校正。

条件②设定的目的是保证一定的磨边系数，利于短焦段的近摄镜第1片镜片的加工。

条件③、④设定的目的是通过选择一定范围玻璃对的折射率差异，用于控制二级光谱、色球差和组合焦距值。

条件⑤设定的目的是控制玻璃对的相对色散差在适当范围内,使中焦段的近摄镜的二级光谱不太大的情况下,增大第2面的半径并使它朝向待测镜头入瞳的方向,起到降低轴外像差对待测镜头影响。同时，有利于轴上球差和色球差的校正。

条件⑥设定的目的是保证一定的磨边系数，利于中焦段的近摄镜第1片镜片的加工。

条件⑦、⑧设定的目的是通过选择一定范围玻璃对折射率的差异，用于控制二级光谱、色球差和组合焦距值。

条件⑨设定的目的是由于长焦段的近摄镜焦距很长，通过控制玻璃对的相对色散差使二级光谱变得很小。由于长焦段的视场角很小，不需要各面的半径朝向待测镜头入瞳的方向,这样可缩小第二面的半径，利于加工的同时，对轴上球差和色球差的校正有利。

条件⑩设定的目的是保证一定的磨边系数，利于长焦段的近摄镜第1片镜片的加工。

条件设定的目的是通过选择一定范围玻璃对折射率的差异，用于控制二级光谱、色球差和组合焦距值。

优选的，所述第一透镜11为凸凹正透镜，所述第二透镜12为凸凹负透镜；所述第三透镜21为凸凹正透镜，所述第四透镜22为凸凹负透镜；所述第五透镜31为凹凸正透镜，所述第六透镜32为凹凸负透镜。

优选的，所述短焦视频监控摄像镜头的焦距范围为2.5～8mm，所述中焦视频监控摄像镜头的焦距范围为8～20mm，所述长焦视频监控摄像镜头的焦距范围为20～75mm。

优选的，所述第一透镜11和第三透镜21采用H-K9L制成，所述第二透镜12和第四透镜22采用H-F4制成，所述第五透镜31采用H-ZK3制成，所述第六透镜32采用H-ZK10制成。

如图4所示为利用近摄镜辅助视频监控摄像镜头像质检测的方法，该方法包括以下步骤：

a.将分辨率测试卡A、近摄镜R、视频监控摄像镜头T、摄像机靶面P沿光线入射方向依次排列设置，所述分辨率测试卡A位于近摄镜R的前焦点内，所述分辨率测试卡A通过近摄镜R在物方较远距离处形成一个虚像B，所述虚像B通过视频监控摄像镜头T成像在摄像机靶面P上；所述近摄镜(R)根据视频监控摄像镜头(T)的焦距范围不同分别如下所述选用不同的近摄镜(R):

①当视频监控摄像镜头T的焦距范围在2.5～8mm时，近摄镜R使用近摄镜一1，近摄镜R和视频监控摄像镜头T的位置关系应满足7＜Δ＜10；

②当视频监控摄像镜头T的焦距范围在8～20mm时，近摄镜R使用近摄镜二2，近摄镜R和视频监控摄像镜头T的位置关系应满足15＜Δ＜30；

③当视频监控摄像镜头T的焦距范围在20～75mm时，近摄镜R使用近摄镜三3，近摄镜R和视频监控摄像镜头T的位置关系应满足15＜Δ＜30；

其中，Δ为视频监控摄像镜头T第一面到近摄镜R的间隔；

b.检测人员根据摄像机靶面P上呈现的测试卡图案情况来评判视频监控摄像镜头T的成像质量或用图像智能软件判读出视频监控摄像镜头T的成像质量。

如图4所示，其中，A是近摄镜的景物(在本实用新型中是分辨率测试卡)，它置于近摄镜R的前焦点内，B是景物A经近摄镜R成的“虚物面”。T是待检测的镜头，通过它把“虚物面”B成像在离其后焦点为Xt′距离的摄像机靶面P上。设近摄镜的焦距为f′近，待检测的镜头T的焦距ft′；景物A到近摄镜的距离为|L近|；待检测的镜头D第一面到虚像B的距离、到近摄镜的间隔和到其前主面的距离分别为|Lt|、△、OHt。因|Lt|>>OHt，可以认为|Lt|+OHt近似等于|Lt|。设物面的大小为ΦA，近摄镜“虚物面”大小为ΦB，摄像机靶面大小为ΦC。它们之间的放大倍率之间关系设为|M|＝|ΦA|/|ΦB|、|MR|＝|ΦA|/|ΦP|、|MT|＝|ΦB|/|ΦP|

根据光学成像关系可以导出下列公式：

⑴近摄镜物像面间的放大率:|M|＝|1-(|Lt|-△)/f′近|

⑵放大倍率关系为：|MR|＝|M|*|MT|

⑶近摄镜的焦距：f′近＝|MR|*(|Lt|-△)*ft′/[(|Lt|-ft′)-|MR|*ft′]

(4)近摄镜与景物之间距离(景物实际上是电视分辩力测示卡)：

|L近|＝|(-|Lt|+△)*f′近/(-|Lt|+△+f′近)|

上式中的|Lt|、△、ft′均为可设已知量。根据实际检测要求，当待检测的镜头T的焦距ft′在2至6mm时，|Lt|可取2至3.5m；当ft′在8至16mm时，|Lt|可取2.5至4.5m；当ft′在25mm以上时，|Lt|可取3.5m以上。△在较短焦距待检测镜头时，因视场角很大，会使近摄镜的口径很大，不利于加工,但取的太小又不利于待检测镜头的装卸，一般取7至10mm左右；对ft′在8mm以上待检测镜头，可取15mm以上。在用电视分辩力测试卡测试方法的一个必要的条件是电视分辩力测试卡经待测镜头成在摄像机器件靶面的像必须满靶，因此|MR|可以从选定的测试卡和摄像器件的尺寸由它们的关系式中算出。这样可按上述公式得出所需的f′近和|L近|。一般可以通过列表的方法，示出不同焦距待测镜头ft′、不同大小摄像器件|￠P|、不同规格电视分辩力测试卡大小|ΦA|和待检测镜头T第一面到虚像面不同的距离|Lt|，找出合适的f′近和|L近|的初始值。例表以常用的4:3规格1#电视分辩力测试卡为例，其尺寸是280mm*220mm，对角线长度是356mm。CMOS尺寸：1/3″(Φ6mm),1/2.7″(Φ6.6mm),1/2.5″(Φ7.2mm),1/2″(Φ8mm),1/1.8″(Φ8.9mm),2/3″(Φ11mm)。计算的部分结果如表1所示：

表1 单位：mm

从上表计算结果分析可得出:

1、随着摄像器件的增大，需选用的近摄镜焦距f′近和|L近|要减小；但随着待测镜头焦距的增大，需选用的近摄镜焦距f′近和|L近|也随着增大，甚会变负。对视场大和靶面大的待测镜头，相应地选大的测试卡有利；而对长焦待测镜头，选小尺寸的测试卡比较有利，但要注意防止|L近|过长(它会影响设备的小型化)。

2、从表上看，在要求景物A和“虚物面”B互成正像关系条件下，计算出的f′近远大于ft′，可见近摄镜承担的轴上和轴外的偏角都不大，因此它对待测镜头已校正好的像质影响不会太大。由于f近值较大，色球差(特别是二级光谱)肯定很大，在校正近摄镜像差时值得注意。

由于单独优化的近摄镜难于反映它和后置的待测镜头合起来的成像效果，本实用新型采用的办法是把初始设计的近摄镜结构与相同焦距、不同视场、不同口径、不同镜头结构的待测镜头连起来进行优化计算，即在待测镜头参数不变的情况下，通过改变组合镜头的后截距和近摄镜参数进行像差平衡，获得优化后近摄镜的新结构；然后在不变新后截距的条件下，把近摄镜取掉，重新调整物距，计算此时的待测镜头成像质量，如其成像质量较好，物距也符合设计要求，可以认为从中择优选出了能适合相同焦距各种类型待测镜头检测用的近摄镜。方法简单明瞭、实践证明可行，既解决了单独优化的近摄镜难于反应和后置的待测镜头合起来的成像效果，也避开了不同待测镜头结构因其前主面不同引起像差和其他参量变化的问题。

从理论上讲，一个近摄镜对应同一焦距值、同一相对孔径、同一“虚物面”B距离的待测镜头其成像效果最好，但从加工成本上看是不合理的。从近摄镜计算焦距的公式：

f′近＝|MR|*(|Lt|-△)*ft′/[(|Lt|-ft′)-|MR|*ft′]

可以导出：ft′＝f′近*|Lt|/[(|Lt|-△+f′近)*|MR|+f′近](其中，|MR|＝|ΦA|/|ΦP|)。上式中，如采用同一个近摄镜，只要改变|MR|和|Lt|值，也可以检测不同焦距的待测镜头，即在摄像机的靶面尺寸已确定的情况下，可以用改变测试卡的尺寸和|Lt|值，达到检测不同焦距待测镜头的目的。但是，根据我们大量的计算，想要把设计好的一个近摄镜去适应较大范围焦距的待测镜头像差时，像质会有较大的变化。因此，用一个近摄镜去检测较大范围焦距的待测镜头像差是不合适的。但想要用一个近摄镜去适应一定焦距范围的待测镜头的检测是可行的，这样可做到一个镜头多用。在选择近摄镜的合适的焦距范围时，采用了“中心焦距”的概念，如，短焦选取的中心焦距ft′＝4mm，它能满足焦距2.5-8mm的待测镜头检测；中焦选取的中心焦距ft′＝12mm，它能满足焦距8-20mm的待测镜头检测；长焦选取的中心焦距ft′＝35mm,它能满足焦距20-75mm的待测镜头检测。像差平衡时，要以选取的中心焦距为准进行校正。这样我们只采用三组双胶合镜头组合满足了待测镜头焦距从2.5mm至75mm成像质量的检测。

实施例1：

本实用新型的近摄镜包括近摄镜一1、近摄镜二2和近摄镜三3，它们分别安置在短、中、长焦距的待测视频监控摄像镜头前端，用于辅助视频监控摄像镜头像质检测。

短焦距范围适用的近摄镜一1是由焦距为f′近＝337.8mm、两片均为凸凹的透镜胶合而成，前后透镜的焦距分别为103和-140.1mm。透镜的半径分别为R11、R12、R13；厚度分别为d11和d12；光学材料分别为H－K9L和H－F4。其中，选取的R12大约是R11的20-26倍左右，所有的半径的朝向待测镜头的入瞳，以有利于减小轴外像差的影响。这样的方案，能在校正好成像质量的同时，还解决了磨边系数过小的问题。如图1所示。本实用新型选取ft′＝4mm作为短焦待测镜头的中心焦距，它的D/f＝1:2；像面大小Φ6.6mm，图6是它在物距为2300mm时的MTF曲线。

表2列出短焦范围的几个待检测镜头加入和卸去近摄镜的几何参量变化情况。

表2：

f′＝337.8mm 单位：mm

中焦距范围适用的近摄镜二2是由焦距为f′近＝1033mm、形状均为凸凹的两个透镜胶合而成，前后透镜的焦距分别为297.5和-408.7mm。透镜的半径分别为R21、R22、R23；厚度分别为d21和d22；光学材料分别为H－K9L和H－F4。其中，选取的R22大约是R21的4-6倍左右。这样的方案，在校正好成像质量的同时，解决了磨边系数过小的问题。(如图2所示)。本实用新型选取ft′＝12mm作为中焦待测镜头的中心焦距，它的D/f＝1:2；像面大小Φ6.6mm，图6是它在物距为8430mm时的MTF曲线。表3列出中焦范围的几个待检测镜头加入和卸去近摄镜的变化情况:

表3：

f′近＝1033mm 单位：mm

长焦距范围适用的近摄镜三3是由焦距为f′近＝2085mm、形状为凹凸的两个透镜胶合而成。前后透镜的焦距分别为111.9和-119.03mm。透镜的半径分别为R31、R32、R33；厚度分别为d31和d32；光学材料分别为H－ZK3和H－ZK 10。其中，选取的R31大约是R32的8-12倍左右。由于焦距长，其前后两面的半径都很大，如果采用短、中焦的设计办法，胶合面的半径会很大，使磨边系数变的很小。本实用新型的长焦距范围适用的近摄镜采用前后面均不朝向待测镜头入瞳的方案，这样可使胶合面的半径变得很小，在校正好成像质量的同时，解决了磨边系数过小的问题。(如图3所示)。本实用新型选取ft′＝35mm作为长焦待测镜头的中心焦距，它的D/f＝1:2；像面大小Φ6.6mm，图6是它在物距为1980mm时的MTF曲线。表4列出短焦范围的几个待检测镜头加入和卸去近摄镜的变化情况:

表4：

f′近＝2084.8mm 单位：mm

上述具体实施方式只是对本实用新型的技术方案进行详细解释，本实用新型并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本实用新型原理的任何改进或替换，均应在本实用新型的保护范围之内。