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：
在安防领域，网络摄像机是安防系统中的常用设备，而镜头是网络摄像机的主要构成部分，镜头性能直接影响成像质量及成像视野，随着安防系统的技术指标需求不断提高，摄像机上开始使用大靶面(3/4英寸)的成像元件以增强成像质量，但这就要求镜头成像面积也需要能与大靶面成像元件相适应，当镜头成像面积增大时，对镜头的球差、慧差、主光线出射角(CRA)、色差矫正能力也提出了更高的要求。
目前，现有的广角(即具有大视场角)镜头在满足大靶面(3/4英寸)的条件下，视点距离(视点距离为视点位置距离镜头顶点的距离，视点位置为以最大视场角入射的光线与镜头光轴的交点位置)通常较长，视点距离与透镜系统中最靠近物侧的透镜的镜面的直径与曲率半径的比值成正比，通常该比值大于1，而视点距离过长会造成摄像机中镜头前的保护玻璃或反射装置尺寸过大，导致成本大幅增加，甚至结构无法实现。如图1所示，镜头S1的视点位置A1到该镜头顶点的距离为H1(即镜头S1的视点距离为H1)，镜头S2的视点位置A2到该镜头顶点的距离为H2(即镜头S2的视点距离为H2)，H2>H1，位于镜头S2前的保护玻璃或反射装置1尺寸L2大于位于镜头S1前的保护玻璃或反射装置1尺寸L1。
基于此，研发一款在满足大靶面、大视场角的条件下，视点距离短的镜头就显得很有必要。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种透镜系统和镜头，用以在满足大靶面、大视场角的条件下，实现短视点距离的镜头。
本发明实施例提供的一种透镜系统，沿光轴线从物侧到像侧依次设有光焦度为正的第一透镜组、孔径光阑和光焦度为正的第二透镜组；
所述第一透镜组沿光轴线从物侧到像侧依次包括：光焦度为负的第一透镜、光焦度为负的第二透镜、光焦度为正的第一子透镜组、光焦度为正或负的第二子透镜组、光焦度为正的第三子透镜组；其中，所述第一透镜为凸面朝向物侧的弯月透镜，所述第二透镜为凸面朝向物侧的弯月透镜；
并且，各透镜满足以下条件：
D1/R1≤0.73；
R1/f≥6；
其中，D1表示所述第一透镜靠近物侧的镜面的直径，R1表示所述第一透镜靠近物侧的镜面的曲率半径，f表示所述透镜系统的焦距。
较佳地，所述第一子透镜组包括光焦度为正的第三透镜；其中，所述第三透镜为凸面朝向像侧的弯月透镜。
较佳地，所述第二子透镜组沿光轴线从物侧到像侧依次包括：光焦度为负的第四透镜和光焦度为正的第五透镜；其中，所述第四透镜为双凹透镜，所述第五透镜为双凸透镜。
较佳地，所述第四透镜和所述第五透镜胶合构成胶合镜组。
较佳地，所述第三子透镜组包括光焦度为正的第六透镜；其中，所述第六透镜为朝向像侧的表面为平面的平凸透镜、凸面朝向物侧的弯月透镜或双凸透镜。
较佳地，所述第二透镜组沿光轴线从物侧到像侧依次包括：光焦度为正的第七透镜、光焦度为负的第八透镜、光焦度为正的第九透镜、光焦度为负的第十透镜和光焦度为正的第四子透镜组；其中，所述第七透镜为凸面朝向像侧的弯月透镜、双凸透镜或朝向物侧的表面为平面的平凸透镜，所述第八透镜为凸面朝向像侧的弯月透镜，所述第九透镜为双凸透镜，所述第十透镜为双凹透镜。
较佳地，所述第四子透镜组沿光轴线从物侧到像侧依次包括：光焦度为正的第十一透镜和光焦度为正的第十二透镜；其中，所述第十一透镜为双凸透镜、凸面朝向像侧的弯月透镜或朝向物侧的表面为平面的平凸透镜。
较佳地，所述第十二透镜为双凸透镜或朝向像侧的表面为平面的平凸透镜。
较佳地，所述第七透镜和所述第八透镜胶合构成胶合镜组。
较佳地，所述第九透镜和所述第十透镜胶合构成胶合镜组。
较佳地，所述第七透镜和所述第九透镜满足条件：0.015≤Nd7/Vd7≤Nd9/Vd9≤0.025；其中，Nd7表示所述第七透镜的玻璃材质的折射率，Vd7表示所述第七透镜的玻璃材质的阿贝数，Nd9表示所述第九透镜的玻璃材质的折射率，Vd9表示所述第九透镜的玻璃材质的阿贝数。
较佳地，所述第十透镜的玻璃材质的折射率Nd10满足条件：1.94≤Nd10≤2.05。
较佳地，所述第九透镜的焦距f9与所述第十透镜的焦距f10满足条件：1.55≤|f9/f10|≤1.75。
本发明实施例还提供了一种镜头，沿光轴线从物侧到像侧依次包括：本发明任意实施例提供的透镜系统和成像面。
较佳地，该镜头还包括：设置于所述透镜系统与所述成像面之间的滤光片。
本发明实施例的有益效果如下：
本发明实施例提供的透镜系统和镜头中，在各透镜及透镜组的结构、光焦度、焦距、排列顺序的配合下，可以在满足大靶面、大视场角的条件下，实现短视点距离的镜头。
附图说明
图1为视点距离与摄像机尺寸的关系示意图；
图2(a)为本发明实施例提供的第一种透镜系统的结构示意图；
图2(b)为本发明实施例提供的第二种透镜系统的结构示意图；
图2(c)为本发明实施例提供的第三种透镜系统的结构示意图；
图2(d)为本发明实施例提供的第四种透镜系统的结构示意图；
图2(e)为本发明实施例提供的第五种透镜系统的结构示意图；
图2(f)为本发明实施例提供的第六种透镜系统的结构示意图；
图2(g)为本发明实施例提供的第七种透镜系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种镜头的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种镜头的结构示意图；
图5为本发明实施例一提供的镜头常温时可见光部分的光学传递函数(MTF)的一种曲线图；
图6为本发明实施例一提供的镜头常温时可见光部分的光学传递函数(MTF)的另一种曲线图；
图7为本发明实施例一提供的镜头-30℃时可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图；
图8为本发明实施例一提供的镜头80℃时可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图；
图9为本发明实施例一提供的镜头可见光部分的场曲图；
图10为本发明实施例一提供的镜头可见光部分的畸变图；
图11为本发明实施例二提供的镜头常温时可见光部分的光学传递函数(MTF)的一种曲线图；
图12为本发明实施例二提供的镜头常温时可见光部分的光学传递函数(MTF)的另一种曲线图；
图13为本发明实施例二提供的镜头-30℃时可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图；
图14为本发明实施例二提供的镜头80℃时可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图；
图15为本发明实施例二提供的镜头可见光部分的场曲图；
图16为本发明实施例二提供的镜头可见光部分的畸变图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种透镜系统和镜头，用以在满足大靶面、大视场角的条件下，实现短视点距离的镜头。
本发明实施例提供的一种透镜系统，沿光轴线从物侧到像侧依次设有光焦度为正的第一透镜组、孔径光阑和光焦度为正的第二透镜组；
所述第一透镜组沿光轴线从物侧到像侧依次包括：光焦度为负的第一透镜、光焦度为负的第二透镜、光焦度为正的第一子透镜组、光焦度为正或负的第二子透镜组、光焦度为正的第三子透镜组；其中，所述第一透镜为凸面朝向物侧的弯月透镜，所述第二透镜为凸面朝向物侧的弯月透镜；
并且，各透镜满足以下条件：
D1/R1≤0.73；
R1/f≥6；
其中，D1表示所述第一透镜靠近物侧的镜面的直径，R1表示所述第一透镜靠近物侧的镜面的曲率半径，f表示所述透镜系统的焦距。
本发明实施例中，在各透镜及透镜组的结构、光焦度、焦距、排列顺序的配合下，可以在满足大靶面、大视场角的条件下，实现短视点距离的镜头。
在满足以上光学系统的参数要求的基础上，各透镜组的结构可以根据需要进行具体的调整，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2(a)所示，为本发明实施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设有光焦度为正的第一透镜组1、孔径光阑2和光焦度为正的第二透镜组3。
如图2(a)所示，第一透镜组1沿光轴线从物侧到像侧依次包括：光焦度为负的第一透镜11、光焦度为负的第二透镜12、光焦度为正的第一子透镜组、光焦度为负的第二子透镜组、光焦度为正的第三子透镜组；其中，第一透镜11为凸面朝向物侧的弯月透镜，第二透镜12为凸面朝向物侧的弯月透镜。当然，第二子透镜组的光焦度也可以为正，本发明实施例对此并不进行限定。
如图2(a)所示，第一子透镜组包括光焦度为正的第三透镜13；其中，第三透镜13为凸面朝向像侧的弯月透镜。
如图2(a)所示，第二子透镜组沿光轴线从物侧到像侧依次包括：光焦度为负的第四透镜14和光焦度为正的第五透镜15；其中，第四透镜14为双凹透镜，第五透镜15为双凸透镜。
如图2(a)所示，第三子透镜组包括光焦度为正的第六透镜16；其中，第六透镜16为朝向像侧的表面为平面的平凸透镜。
如图2(a)所示，第二透镜组沿光轴线从物侧到像侧依次包括：光焦度为正的第七透镜17、光焦度为负的第八透镜18、光焦度为正的第九透镜19、光焦度为负的第十透镜20和光焦度为正的第四子透镜组；其中，第七透镜17为凸面朝向像侧的弯月透镜，第八透镜18为凸面朝向像侧的弯月透镜，第九透镜19为双凸透镜，第十透镜20为双凹透镜。上述孔径光阑2位于第六透镜16和第七透镜17之间。
如图2(a)所示，第四子透镜组沿光轴线从物侧到像侧依次包括：光焦度为正的第十一透镜21和光焦度为正的第十二透镜22；其中，第十一透镜21为双凸透镜，第十二透镜22为双凸透镜。
并且，各透镜满足以下条件：
D1/R1≤0.73；
R1/f≥6；
其中，D1表示第一透镜11靠近物侧的镜面的直径，R1表示第一透镜11靠近物侧的镜面的曲率半径，f表示上述透镜系统的焦距。
在一较佳实施方式中，上述0.62≤D1/R1≤0.73；6≤R1/f≤8。
在一较佳实施方式中，为了有效地减小系统色差，第七透镜17和第九透镜19满足条件：0.015≤Nd7/Vd7≤Nd9/Vd9≤0.025；其中，Nd7表示第七透镜17的玻璃材质的折射率，Vd7表示第七透镜17的玻璃材质的阿贝数，Nd9表示第九透镜19的玻璃材质的折射率，Vd9表示第九透镜19的玻璃材质的阿贝数。
在一较佳实施方式中，为了减小系统的总体长度，第十透镜20的玻璃材质的折射率Nd10满足条件：1.94≤Nd10≤2.05。
在一较佳实施方式中，为了达到良好的高低温共焦效果，第九透镜19的焦距f9与第十透镜20的焦距f10满足条件：1.55≤|f9/f10|≤1.75。
在一较佳实施方式中，如图2(a)所示，第四透镜14和第五透镜15胶合构成胶合镜组。
在一较佳实施方式中，如图2(a)所示，第七透镜17和第八透镜18胶合构成胶合镜组。
在一较佳实施方式中，如图2(a)所示，第九透镜19和第十透镜20胶合构成胶合镜组。
需要说明的是，上述胶合镜组中的透镜也可以只靠近在一起，而不胶合，上述胶合镜组可以是其中一组或多组胶合，本发明实施例对此均不进行限定。
如图2(b)所示，第三子透镜组中第六透镜16还可以为凸面朝向物侧的弯月透镜，第二透镜组中第七透镜17还可以为双凸透镜。
如图2(c)所示，第三子透镜组中第六透镜16还可以为双凸透镜。
如图2(d)所示，第二透镜组中第七透镜17还可以为朝向物侧的表面为平面的平凸透镜。
如图2(e)所示，第四子透镜组中第十一透镜21还可以为凸面朝向像侧的弯月透镜。
如图2(f)所示，第四子透镜组中第十一透镜21还可以为朝向物侧的表面为平面的平凸透镜。
如图2(g)所示，第四子透镜组中第十二透镜22还可以为朝向像侧的表面为平面的平凸透镜。
可选的，第一子透镜组还可以为一个光焦度为负的双凹透镜和一个光焦度为正的双凸透镜胶合的透镜组。
可选的，第二子透镜组还可以由弯月透镜替代，其中，弯月透镜的凸面朝向像侧。
可选的，第三子透镜组还可以为一个光焦度为负的弯月透镜和一个光焦度为正的平凸透镜胶合的透镜组，其中，弯月透镜的凸面朝向物侧，平凸透镜朝向像侧的表面为平面。
总之，在本发明实施例中，第一子透镜组、第二子透镜组和第三子透镜组既可以是单个透镜，也可以是由透镜胶合的透镜组。
可选的，第四子透镜组还可以由光焦度为正的双凸透镜替代。
需要指出的是，本发明实施例中，若无特别指出，折射率都指光学玻璃材质相对于d光的折射率(即由d光测得的光学玻璃材质的折射率)，阿贝数都指光学玻璃材质相对于d光的阿贝数(即用由d光测得的光学玻璃材质的折射率得到的阿贝数)。其中，d光表示波长为589.3nm的钠黄光。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种镜头，沿光轴线从物侧到像侧依次包括：本发明任意实施例提供的透镜系统和成像面24。其中两种结构示意图分别如图3、图4所示，图3包括图2(a)所示的透镜系统，图4包括图2(b)所示的透镜系统。
在一较佳实施方式中，为了减少偏色，如图3、图4所示，该镜头还可以包括：设置于变焦透镜系统与成像面24之间的滤光片25。
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，像面尺寸大(14.7mm)，成像分辨率高(最高支持1200万像素摄像机)，视场角大，视点距离短(第一透镜靠近物侧的镜面的直径D1与曲率半径R1的比值小于0.73)，成像品质优异。
下面例举两个较佳实施例以方便对本发明实施例提供的镜头进行理解。
实施例一：
在具体实施过程中，图3所示的镜头中沿光轴线从物侧到像侧的各个透镜的镜面的曲率半径R、中心厚度Tc(即相邻镜面中心点的距离)、折射率Nd、阿贝数Vd、镜面的直径D和焦距f满足表1所列的条件：
表1
其中，STO表示孔径光阑，Infinity表示无限大；沿光轴线从物侧到像侧，透镜的镜面依次排列，例如：透镜11的镜面为镜面1与镜面2，透镜12的镜面为镜面3与镜面4，透镜13的镜面为镜面5与镜面6，依次类推，由于透镜14与透镜15胶合在一起，因此透镜14与透镜15的胶合面为同一镜面(即镜面8)，其它的胶合面也类似，表一中R1表示镜面1的曲率半径，T1表示镜面1和镜面2中心点的距离，n1表示镜面1的光学玻璃材质相对于d光的折射率，V1表示镜面1的光学玻璃材质相对于d光的阿贝数，D1表示镜面1的直径，f1表示透镜11的焦距，表一中的其它参数可依次类推其含义，在此不再赘述。
由表1的数据可以得到：
透镜系统的焦距f为：4.81mm；
D1/R1＝23.233/33.3＝0.698；
R1/f＝33.3/4.81＝6.923；
Nd7/Vd7＝1.497/81.608＝0.018；
Nd9/Vd9＝1.593/67.002＝0.024；
第十透镜的玻璃材质的折射率Nd10为：2.003；
第九透镜的焦距f9为：14.056，第十透镜的焦距f10为：-8.608，因此，|f9/f10|＝|14.056/(-8.608)|＝1.633。
第四透镜和第五透镜构成的胶合透镜组的光焦度为负。
值得一提的是，本发明实施例一的镜头具有如下光学技术指标：
镜头焦距f：4.81mm；
镜头的视场角：190°；
镜头的F Theta畸变：-8％；
镜头系统的光圈(F/#)：2.0；
镜头像面尺寸：14.7mm。
下面通过对本发明实施例一进行详细的光学系统分析，进一步介绍本发明实施例一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5、图6所示，图5为镜头常温(20℃)时可见光部分的光学传递函数(MTF)的一种曲线图，图6为镜头常温(20℃)时可见光部分的光学传递函数(MTF)的另一种曲线图。从图5中可知，该镜头可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图较平滑、集中，而且在100lp/mm时仍能保证全视场MTF平均值达到0.4以上，图6中横坐标为视场角，纵坐标为MTF，曲线从左至右代表从中心到边缘成像质量的变化趋势，其中，S3、T3为60lp/mm时产生的MTF曲线，S4、T4为100lp/mm时产生的MTF曲线，S5、T5为160lp/mm时产生的MTF曲线，从图6中可知，该镜头可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图较平滑、集中；可见本实施例一提供的镜头，可以达到很高的分辨率，满足1200万像素摄像机的成像要求。
如图7、图8所示，图7为镜头-30摄氏度(℃)时可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图，图8为镜头+80摄氏度(℃)时可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图。从图7中可知，在-30℃时，该镜头可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图较平滑、集中，而且在100lp/mm时仍能保证全视场MTF平均值达到0.3以上，从图8中可知，在80℃时，该镜头可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图较平滑、集中，而且在100lp/mm时仍能保证全视场MTF平均值达到0.4以上，由图5、图7、图8可看出，工作温度在-30℃～80℃，本实施例一提供的镜头仍能保证在不进行重新调焦的情况下成像仍然跟常温时一样清晰。
镜头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9所示，镜头的子午场曲值控制在-0.018～0.067mm范围内，弧矢场曲值控制在-0.016～0.067mm范围以内。
镜头可见光部分对应的F Theta畸变图，图中曲线越接近y轴，畸变率越小。如图10所示，其中光学畸变率控制在-8％～0范围以内。
实施例二：
在具体实施过程中，图4所示的镜头中沿光轴线从物侧到像侧的各个透镜的镜面的曲率半径R、中心厚度Tc、折射率Nd、阿贝数Vd、镜面的直径D和焦距f满足表2所列的条件：
表2
由表2的数据可以得到：
透镜系统的焦距f为：4.85mm；
D1/R1＝21.303/29.723＝0.717；
R1/f＝29.723/4.85＝6.128；
Nd7/Vd7＝1.437/95.1＝0.015；
Nd9/Vd9＝1.593/68.624＝0.023；
第十透镜的玻璃材质的折射率Nd10为：1.946；
第九透镜的焦距f9为：13.576，第十透镜的焦距f10为：-8.131，因此，|f9/f10|＝|13.576/(-8.131)|＝1.67。
第四透镜和第五透镜构成的胶合透镜组的光焦度为正。
值得一提的是，本发明实施例二的镜头具有如下光学技术指标：
镜头焦距f：4.85mm；
镜头的视场角：190°；
镜头的F Theta畸变：-7％；
镜头系统的光圈(F/#)：2.0；
镜头像面尺寸：14.7mm。
下面通过对本发明实施例二进行详细的光学系统分析，进一步介绍本发明实施例二所提供的透镜系统和镜头。
如图11、图12所示，图11为镜头常温(20℃)时可见光部分的光学传递函数(MTF)的一种曲线图，图12为镜头常温(20℃)时可见光部分的光学传递函数(MTF)的另一种曲线图。从图11中可知，该镜头可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图较平滑、集中，而且在100lp/mm时仍能保证全视场MTF平均值达到0.3以上，图12中横坐标为视场角，纵坐标为MTF，曲线从左至右代表从中心到边缘成像质量的变化趋势，其中，S3、T3为60lp/mm时产生的MTF曲线，S4、T4为100lp/mm时产生的MTF曲线，S5、T5为160lp/mm时产生的MTF曲线，从图12中可知，该镜头可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图较平滑、集中；可见本实施例二提供的镜头，可以达到很高的分辨率，满足1200万像素摄像机的成像要求。
如图13、图14所示，图13为镜头-30摄氏度(℃)时可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图，图14为镜头+80摄氏度(℃)时可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图。从图13中可知，在-30℃时，该镜头可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图较平滑、集中，而且在100lp/mm时仍能保证全视场MTF平均值达到0.3以上，从图14中可知，在80℃时，该镜头可见光部分的光学传递函数(MTF)曲线图较平滑、集中，而且在100lp/mm时仍能保证全视场MTF平均值达到0.3以上，由图11、图13、图14可看出，工作温度在-30℃～80℃，本实施例二提供的镜头仍能保证在不进行重新调焦的情况下成像仍然跟常温时一样清晰。
镜头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15所示，镜头的子午场曲值控制在-0.018～0.08mm范围内，弧矢场曲值控制在-0.016～0.08mm范围以内。
镜头可见光部分对应的F Theta畸变图，图中曲线越接近y轴，畸变率越小。如图16所示，其中光学畸变率控制在-7％～0范围以内。
综上所述，本发明实施例提供了一种透镜系统和镜头，采用十二个特定结构形状的光学透镜，并按照顺序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，使得镜头的结构形状，透镜的光焦度分配，透镜的折射率、阿贝数等参数与成像条件匹配，进而使镜头的球差、慧差、象散、场曲、垂轴色差、轴向色差得到很好的校正，从而实现了大靶面、短视点距离、高分辨率的超广角镜头，且边缘图像压缩轻微，能够很好的还原现实景象的特点；同时实现镜头消热差，在-30℃～80℃的环境下使用也不会跑焦，当环境温度变化的时候镜头不需要重新调焦就能保证成像清晰；所有的光学透镜均采用玻璃球面设计，冷加工工艺性能良好，生产成本低。
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。