專利名稱：新型光路偏折攝像鏡頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種新型光路偏折攝像鏡頭。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有絕大多數(shù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可安裝的空間較大，因此不需要縮短沿光軸方向的總長度，這樣可使配套的大孔徑、廣角高清和長后工作距的要求比較容易實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)也簡單。但在一些特殊場合(如受到安裝壁厚的限制)，只能把攝像頭安裝成與光軸垂直或其他角度。由于廣角視頻監(jiān)控攝像鏡頭的焦距都比較短，要由它做到后截距很長(如后截距是焦距的4至5倍)，以實現(xiàn)光路的偏折是比較難的。通常的解決方案是采用廣角前置物鏡與場鏡和中繼透鏡相接進行二次成像的方式，使得場鏡與中繼透鏡之間形成夠大的空間進行光路的偏折，如圖1，這種方案在針孔視頻監(jiān)控鏡頭和長度較長的投影系統(tǒng)得到較好的應(yīng)用。但是，由于中繼透鏡承擔的軸上孔徑偏角較大和光欄球差校正不良，使得這種方案難于應(yīng)用在孔徑很大和清晰度要求很高的攝像系統(tǒng)。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的一是提供一種能實現(xiàn)一次成像的新型光路偏折攝像鏡頭。本實用新型的目的二是提供一種能實現(xiàn)光路偏折的攝像鏡頭，又能滿足廣角、孔徑大和達到高清晰度成像質(zhì)量的新型光路偏折攝像鏡頭。
本實用新型的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn):一種新型光路偏折攝像鏡頭，其特征在于:攝像鏡頭包括由物側(cè)至像側(cè)依序包含前組鏡頭M、反射鏡、第四透鏡和后組鏡頭N ;所述為第四透鏡為帶正光焦度的近距離成像的中繼透鏡R。采用在廣角反遠距型鏡頭的前、后組之間增加一片帶正光焦度的近距離成像的中繼透鏡R，實現(xiàn)了用一次成像的光學結(jié)構(gòu)拉大了透鏡間的空氣間隔，滿足光路偏折所需的空間的新方案。新的“一次成像”光學結(jié)構(gòu)，與通常采用“二次成像”實現(xiàn)光路偏折的光學結(jié)構(gòu)比，它具有鏡片數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡單，不存在難以校正的“光欄球差”等問題，在視場大于60°，孔徑大于Fl.6、后截距大于2f ’、欄光比小的諸多條件下，能夠達到視頻監(jiān)控攝像高清晰度成像高質(zhì)量要求。進一步地，所述攝像鏡頭的中繼透鏡R滿足下列關(guān)系式(按歸一化焦距設(shè)置):0.8< I M ; R I <4......(I)其中，Mr R表示中繼透鏡R的縮小倍率；進一步地，所述攝像鏡頭還滿足下列關(guān)系式(按歸一化焦距值設(shè)置):0.05<hpl/f ;前〈0.1......(2)其中f丨前表示前組鏡頭M的合焦距；hpl表示光學系統(tǒng)的入瞳半徑。進一步地，所述攝像鏡頭還滿足下列關(guān)系式:3〈d6〈4.........(3)以di (1=1,2,3......18)表示透鏡厚度和透鏡(或光欄前后)的空氣間隔，d6為第三透鏡與反射鏡空氣間隔的距離。進一步地，所述攝像鏡頭還滿足下列關(guān)系式:3.2<f ;后〈3.6......(4)f丨后表示后組鏡頭N的合焦距；進一步地，所述前組鏡頭M由物側(cè)至像側(cè)依序包含鏡片為凸凹正透鏡的第一透鏡、鏡片為雙凹負透鏡的第二透鏡、鏡片為凸凹正透鏡的第三透鏡；所述后組鏡頭N由物側(cè)至像側(cè)依序包含鏡片為凸凹負透鏡的第五透鏡、鏡片為雙凸正透鏡的第六透鏡、鏡片為凸凹正透鏡的第七透鏡；進一步地，所述攝像鏡頭還滿足下列關(guān)系式(按歸一化焦距值設(shè)置):1.74<nl<l.82,25<vl<28......(5)1.63〈η4〈1.73，45〈ν4〈53......(6)1.61〈η7〈1.66，53<v7<61.........(7)以n1、vi (i=l,2,3……7)表示鏡頭中各透鏡所采用的玻璃的折射率和相應(yīng)的阿貝系數(shù)，nl、Vl表示第一透鏡采 用的玻璃的折射率和相應(yīng)的阿貝系數(shù)，n4、v4表示第四透鏡采用的玻璃的折射率和相應(yīng)的阿貝系數(shù)，η7、ν7表示第七透鏡采用的玻璃的折射率和相應(yīng)的阿貝系數(shù)。進一步地，所述第一透鏡至第七透鏡的光學材料依序為:H_ZF6、H-ZK9A、H-LAK7、H-ZbaF5、H-ZF7LA、H-LaKl2,H_ZbaF5。進一步地，所述第一透鏡與物像之間還設(shè)置有一片耐輻照含鉛玻璃ZF6和一片能大幅度衰減中子輻射的硼系玻璃，所述第一透鏡至第七透鏡的光學材料依序為:含鉛玻璃的 ZF6、H-ZK9A、H-LAK7、H_ZbaF5、含鉛玻璃的 ZF7、H-LaKl2、H_ZbaF5。再進一步地，所述第五透鏡與第六透鏡組成膠合組；所述第七透鏡接近齊明條件。較之現(xiàn)有技術(shù)而言，本實用新型的優(yōu)點在于:采用在廣角反遠距型鏡頭的前、后組之間增加一片帶正光焦度的近距離成像的中繼透鏡的新方案，實現(xiàn)了用一次成像的光學結(jié)構(gòu)拉大了透鏡間的空氣間隔，滿足光路偏折所需的空間，縮短了沿軸向的光學長度。與通常采用“二次成像”實現(xiàn)光路偏折的光學結(jié)構(gòu)比，它具有鏡片數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡單，不存在難以校正的“光欄球差”，同時，實現(xiàn)了孔徑大(F數(shù)彡1.6)、后截距長(>2€丨)和達到高清晰度成像質(zhì)量(1801p/mm，全口徑、全視場、MTF>0.3)要求的廣角(視場角大于60° )視頻監(jiān)控攝像鏡頭，克服了通常采用二次成像方案的不足。采用環(huán)保光學玻璃材料時，可用于配套高清晰度安防視頻監(jiān)控攝像；當采用抗耐輻照特殊光學玻璃時，它可用于高清抗輻照視頻監(jiān)控攝像，提高了攝像系統(tǒng)在強輻射條件下的使用壽命。

圖1是通常采用的廣角短焦距實現(xiàn)光路偏折的二次成像方案的光學原理示意圖。其中，Al是前置廣角短焦物鏡，BI為廣角短焦物鏡的實際光欄，Cl是成的中間倒像，Dl為場鏡，El為光路偏折的反射鏡，F(xiàn)l是中繼透鏡組，Gl是中繼透鏡組的實際光欄(BI和Gl互成共軛成像關(guān)系)，Hl是系統(tǒng)所成的正像。Fl^ ,Gl / ,Hl /分別是透鏡組F1，光欄Gl和成像面Hl沿偏折前軸向的對應(yīng)設(shè)置和成的像。圖2是本實用新型裝置實現(xiàn)廣角短焦鏡頭光路偏折采用的一次成像方案的光學原理示意圖。其中a是負透鏡前組鏡頭M成的正虛像，12是光路偏折反射鏡，D2是中繼透鏡R，b是實際光欄，N是正透鏡后組，c是系統(tǒng)所成的倒像。D2'、b'、N'分別是中繼透鏡R、光欄b和后組鏡頭N偏折前沿軸向相對應(yīng)的設(shè)置。c ’是c偏折前沿軸向成的像。d ’是D2丨對前組鏡頭M成的像a的共軛中間像。圖3是本實用新型光學裝置的光學鏡頭結(jié)構(gòu)示意圖。其中，A2、B2、C2三片透鏡組成新鏡頭的前組鏡頭M ；D2片是中繼透鏡R ;E2、F2、G2構(gòu)成新鏡頭的后組鏡頭N ；H2是攝像器件的保護玻璃；12為偏折光路用的反射鏡。圖中的Rl、R2……R16分別表示各透鏡的球面(或平面)半徑。dl、d2……dl6表示透鏡的厚度或透鏡間的空氣間隔。實際光欄J2置于中繼透鏡R和新鏡頭后組鏡頭N之間。圖4是本實用新型光學裝置用于抗耐強輻照時的光學鏡頭結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是在圖3光學結(jié)構(gòu)前增設(shè)了光學材料為含鉛ZF6的平行平板玻璃K2和含硼系光學材料的平行平板玻璃L2。新鏡頭內(nèi)的H-ZF6和H-ZF7LA環(huán)保型玻璃改為含鉛的ZF6和ZF7光學材料。圖5是本實用新型光學鏡頭裝置實例的幾何光學像差曲線圖。其中a是軸向球差曲線圖、b是像散曲線圖、c是相對畸變曲線圖、d是倍率色差曲線圖。a的縱坐標是各孔徑高與全孔徑高的比值；橫坐標的單位是mm。b、c、d縱坐標是各視場與全視場角的比值；橫坐標的單位分別為_、%和微米。圖6是本實用新型光學鏡頭裝置實施例在物距為400f ’、全口徑、全光譜(d、f、c)條件下的全視場(圖中的a)、0.7視場(圖中的b)、軸上(圖中的c)表示它們的子午和弧矢方向的光學傳遞函數(shù)(MTF)曲線圖。橫坐標的單位為線對/_。圖7是本實用新型光學鏡頭裝置實施例在物距為160f丨、全口徑、全光譜(d、F、C)條件下的全視場(圖中的a)、0.7視場(圖中的b)、軸上(圖中的c)表示它們的子午和弧矢方向的光學傳遞函數(shù)(MTF)曲線圖。橫坐標的單位為線對/_。圖8是本實用新·型光學鏡頭裝置實施例的光學機械外形的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合說明書附圖和實施例對本實用新型內(nèi)容進行詳細說明:圖1是通常采用的廣角短焦距實現(xiàn)光路偏折的二次成像方案的光學原理示意圖，其采用前置廣角短焦物鏡Al與場鏡Dl和中繼透鏡Fl相接進行二次成像的方式，使得場鏡Dl與中繼透鏡Fl之間形成夠大的空間進行光路的偏折，這種方案在針孔視頻監(jiān)控鏡頭和長度較長的投影系統(tǒng)得到較好的應(yīng)用。但是，由于中繼透鏡Fl承擔的軸上孔徑偏角較大和光欄球差校正不良，使得這種方案難于應(yīng)用在孔徑很大和清晰度要求很高的攝像系統(tǒng)。本實用新型采用了與之不同的一次成像光學結(jié)構(gòu)方案，即在廣角反遠距結(jié)構(gòu)型鏡頭的基礎(chǔ)上，在其光欄前、后組之間插入一片中繼正透鏡。它把成像在負光膠度前組前焦面上的“物”縮小或放大成像在正光焦度后組后焦面之后，新的“像”點作為后組的“物”，經(jīng)后組再成像在攝像器件面上。它成的像是倒像，與通常的視頻監(jiān)控攝像鏡頭一樣。圖2是本實用新型裝置實現(xiàn)廣角短焦鏡頭光路偏折采用的一次成像方案的光學原理示意圖，其采用在廣角反遠距型鏡頭的前、后組之間增加一片帶正光焦度的近距離成像的中繼透鏡的新方案，實現(xiàn)了用一次成像的光學結(jié)構(gòu)拉大了透鏡間的空氣間隔，滿足光路偏折所需的空間，縮短了沿軸向的光學長度。同時，實現(xiàn)了孔徑大(F數(shù)> 1.6)、后截距長(>2f丨)和達到高清晰度成像質(zhì)量(1801p/mm，全口徑、全視場、MTF>0.3)要求的廣角(視場角大于60° )視頻監(jiān)控攝像鏡頭，克服了通常采用二次成像方案的不足。圖3是本實用新型光學裝置的一種實施例光學結(jié)構(gòu)示意圖。它是由7片透鏡和一個反射鏡和光欄組成，其所采用的光學材料依次為:H-ZF6、H-ZK9A、H_LaK7、H_ZBaF5、H-ZF7LA、H-LaK12、H-ZK11，其外形依次為:A2是凸凹正透鏡、B2是雙凹負透鏡、C2是凸凹負透鏡、D2是雙凸正透鏡、E2是凸凹正透鏡、F2是雙凸正透鏡、G2是凸凹正透鏡、H2是成像傳感器上的保護玻璃。其中A2、B2、C2三片構(gòu)成光學系統(tǒng)的前組鏡頭M，f前表示它的合焦距；D2片是中繼透鏡，它的焦距以f R表示，它在系統(tǒng)中的倍率以iT R表示；E2、F2、G2三片構(gòu)成光學系統(tǒng)的后組鏡頭IWf'后表示他的合焦距，其中E2、F2兩片組成膠合組。在本實施例中，f丨前=-2.06,f ; R=4.4,M ; R=+2.31386,f ;后=3.349。它實現(xiàn)偏折光路的空間間隔設(shè)置在C2片和D2片之間，本實施例中該偏折光路的空間間隔達到3.3f丨(歸一化焦距)。構(gòu)成本實用新型裝置的透鏡數(shù)、材料和形狀可根據(jù)應(yīng)用的具體場合進行設(shè)置。但在設(shè)置時，最好滿足如下條件:0.8< I M ; R I <4......(I)0.05<hpl/f ;前〈0.1......(2)1.74<nl<l.82,25<vl<28......(3)1.63〈η4〈1.73，45〈ν4〈53......(4)1.61〈η7〈1.66，53<v7<61.........(5)3〈d6〈4.........(6)3.2<f ;后〈3.6......(7)設(shè)置上述必須滿足條件的目的:條件(I)設(shè)定的目的是:使中繼透鏡R能滿足近距離成像，以實現(xiàn)拉大前組鏡頭M與中繼透鏡R間的空氣間隔，達到光束偏折的要求。適當控制中繼透鏡的倍率，可使孔徑角總偏角小，一方面利于它本身不產(chǎn)生難以校正的高級軸上像差，另一方面還有利于降低后組鏡頭N的總偏角，使后組鏡頭N的結(jié)構(gòu)簡化。此外，當系統(tǒng)要求較長時，取倍率放大比較有利。條件(2)設(shè)定的目的是:通過控制前組鏡頭M孔徑角不太大，以保證進入中繼透鏡R的入射角不過大，以利于中繼透鏡R的總偏角能保證它不產(chǎn)生難于校正的軸上高級像差。由于前組鏡頭M的孔徑偏角不大，可以使前組鏡頭M對軸外像差的校正容易。條件(3)設(shè)定的目的是:通過控制d6的大小，使實際光欄對前組鏡頭M與中繼透鏡R成的入瞳位置盡量靠近前組鏡頭M第一面，利于縮小前組鏡頭M的最大口徑，實現(xiàn)光學裝置的小型化。條件(4)設(shè)定的目的是:在滿足光學系統(tǒng)有較大的相對孔徑時，能保證實際光欄的口徑不過大的同時，能使光學系統(tǒng)有較長的后截距。條件(5)設(shè)定的目的是:讓第一鏡片A2產(chǎn)生更大的+SI (球差系數(shù))、+Cl (軸向色差系數(shù))，去平衡前組鏡頭M后兩鏡片產(chǎn)生較大的-SI和-Cl之和，使前組鏡頭M形成的剩余軸上球差和色球差不太大。此外，設(shè)置條件(5)的目的還在于考慮用在抗耐輻照條件時，能采用抗耐輻照性能較好的含鉛ZF6或ZF7，以降低強輻照對攝像器件的破壞影響。[0057]條件(6)設(shè)定的目的是:由于中繼透鏡承擔的孔徑總偏角較大，選取較高的折射率，有利于降低它產(chǎn)生的高級像差特別是軸上高級球差。通過選取設(shè)定范圍的阿貝系數(shù)，可使它產(chǎn)生的+Cl和+C2平衡前組鏡頭M剩余的-Cl、-C2值。條件(7)設(shè)定的目的是:后組鏡頭N的最后一片G2是接近滿足齊明條件正透鏡，提高其折射率可以增大后組鏡頭N的孔徑角，又不影響已校正的像差，特別是軸上球差。采用阿貝系數(shù)較高的光學材料的目的是降低增大孔徑后對色球差的影響?！け緦嵱眯滦偷墓鈱W鏡頭裝置的主要特征是:采用在反遠距廣角鏡頭前組和后組之間增設(shè)一片近距離成像的正光焦度透鏡作為前、后組的“中繼”，實現(xiàn)在鏡頭內(nèi)部拉開較大的空間間隔，以滿足光路偏折的要求，新的“一次成像”光學結(jié)構(gòu)，與通常采用“二次成像”實現(xiàn)光路偏折的光學結(jié)構(gòu)比，它具有鏡片數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡單，不存在難以校正的“光欄球差”，在視場大于60°，孔徑大于Fl.6、后截距大于2f丨、欄光比小的諸多條件下，達到視頻監(jiān)控攝像高清晰度成像高質(zhì)量要求:全視場、全孔徑、全光譜、1801p/mm的情況下，MTF彡0.3。由于光路偏折，使得新鏡頭可適用于要求沿軸方向短的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特殊要求。由于光路偏折、使得具有很強穿透能力和破壞攝像器件上元器件的強輻射線不能直入攝像器件靶面上；同時在本實用新型鏡頭前，增添一定厚度的含鉛玻璃和硼系玻璃，可使進入光學系統(tǒng)的強輻射線衰減，起到抗耐輻射作用，可大大延緩鏡頭和攝像器件在核輻射場合的使用壽命。實施例表I是本實用新型光學鏡頭裝置的一種實施例數(shù)據(jù)(按焦距f丨=1歸一化)初始條件:物距11=_400，像方后截距1’=2.0108，光學總長T0TR=12.574物方孔徑角:ul=-0.000775，像方孔徑角:u ' =0.298068，最大 F 數(shù)=Fl.6，最大視場角:2ω=66.8°(物高2y=531.9);最大近軸像高:2y ’ =1.3198 ;設(shè)計主譜線:d,消色譜線范圍:F, C表I中:nl，n2，n3……n8依次為個透鏡玻璃材料的折射率vl, v2，v3......v8依次為各透鏡玻璃材料的阿貝系數(shù)Rl, R2, R3......R19依次為透鏡各面的曲率半徑dl，d2，d3......dl9依次為各透鏡的厚度或透鏡間的空氣間隔I丨為光學系統(tǒng)的像方后截距表I
序號 R(mm) d (mm) ndvd 備注說明
0__ο __400____物面
15.491392 0.64366 1.755199 27.531__nl
213.25448 0.17701____
3-25.41519 0.20919 1.620409 60.344n權(quán)利要求1.一種新型光路偏折攝像鏡頭，其特征在于:攝像鏡頭由物側(cè)至像側(cè)依序包括前組鏡頭M、反射鏡、弟四透鏡和后組鏡頭N ； 所述的第四透鏡為帶正光焦度的近距離成像的中繼透鏡R。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型光路偏折攝像鏡頭，其特征在于:所述攝像鏡頭的中繼透鏡R滿足下列關(guān)系式，按歸一化焦距設(shè)置: 0.8< I M ; R I <4......(I) 其中，IT R表示中繼透鏡R的縮小倍率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型光路偏折攝像鏡頭，其特征在于:所述攝像鏡頭還滿足下列關(guān)系式，按歸一化焦距值設(shè)置: 0.05<hpl/f ;前〈0.1......(2) 其中f '前表不前組鏡頭M的合焦距；hpl表不光學系統(tǒng)的入瞳半徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型光路偏折攝像鏡頭，其特征在于:所述攝像鏡頭還滿足下列關(guān)系式: 3〈d6〈4.........(3) d6為第三透鏡與反射鏡空氣間隔的距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型光路偏折攝像鏡頭，其特征在于:所述攝像鏡頭還滿足下列關(guān)系式:3.2〈f ’ 后〈3.6......(4) f’后表示后組鏡頭N的合焦距。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項所述的新型光路偏折攝像鏡頭，其特征在于:所述前組鏡頭M由物側(cè)至像側(cè)依序包含鏡片為凸凹正透鏡的第一透鏡、鏡片為雙凹負透鏡的第二透鏡、鏡片為凸凹正透鏡的第三透鏡； 所述后組鏡頭N由物側(cè)至像側(cè)依序包含鏡片為凸凹負透鏡的第五透鏡、鏡片為雙凸正透鏡的第六透鏡、鏡片為凸凹且正透鏡的第七透鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的新型光路偏折攝像鏡頭，其特征在于:所述攝像鏡頭滿足下列關(guān)系式，按歸一化焦距值設(shè)置: 1.74〈nl〈l.82,25<vl<28......(5) 1.63〈η4〈1.73，45〈ν4〈53......(6) 1.61〈η7〈1.66,53〈v7〈61.........(7) nUvl表示第一透鏡采用的玻璃的折射率和相應(yīng)的阿貝系數(shù)，n4、v4表示第四透鏡中繼透鏡R采用的玻璃的折射率和相應(yīng)的阿貝系數(shù)，n7、v7表示第七透鏡采用的玻璃的折射率和相應(yīng)的阿貝系數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的新型光路偏折攝像鏡頭，其特征在于:所述第一透鏡至第七透鏡的光學材料依序為:H-ZF6、H-ZK9A、H-LAK7、H_ZbaF5、H-ZF7LA、H-LaKl2, H_ZbaF5。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的新型光路偏折攝像鏡頭，其特征在于:所述第一透鏡與物像之間還設(shè)置有一片耐輻照含鉛玻璃ZF6和一片能大幅度衰減中子輻射的硼系玻璃，所述第一透鏡至第七透鏡的光學材料依序為:含鉛玻璃的ZF6、H-ZK9A、H-LAK7、H_ZbaF5、含鉛玻璃的 ZF7、H-LaKl2、H_ZbaF5。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的新型光路偏折攝像鏡頭，其特征在于:所述第五透鏡與第六透鏡組 成膠合組；所述第七透鏡接近齊明條件。
專利摘要本實用新型涉及一種新型光路偏折攝像鏡頭。本實用新型目的一是提供一種能實現(xiàn)一次成像的新型光路偏折攝像鏡頭；目的二是提供一種能實現(xiàn)光路偏折的攝像鏡頭，又滿足廣角、孔徑大和達到高清晰度成像質(zhì)量的新型光路偏折攝像鏡頭。本實用新型的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)一種新型光路偏折攝像鏡頭，它包括由物側(cè)至像側(cè)依序包含前組鏡頭M、反射鏡、第四透鏡和后組鏡頭N；所述為第四透鏡為帶正光焦度的近距離成像的中繼透鏡R。本實用新型的優(yōu)點是采用在廣角反遠距型鏡頭的前、后組之間增加一片帶正光焦度的近距離成像的中繼透鏡的新方案，實現(xiàn)了用一次成像的光學結(jié)構(gòu)拉大了透鏡間的空氣間隔，滿足光路偏折所需的空間，縮短了沿軸向的光學長度。
文檔編號G02B13/06GK203133374SQ201320101039
公開日2013年8月14日 申請日期2013年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月5日
發(fā)明者林勇杰, 賴愛光, 郭少琴, 張劍表, 齊海, 賴英輝 申請人:福建福特科光電股份有限公司