本發(fā)明涉及監(jiān)控、安防技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大倍率、全程紅外共焦的變焦鏡頭。

背景技術(shù)：

監(jiān)控攝像機是用在安防方面的準攝像機，從外型上主要區(qū)分為槍式、半球、高速球型，另外還有模擬監(jiān)控和IP網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的區(qū)分。監(jiān)控攝像機廣泛應(yīng)用于學(xué)校、公司、銀行、交通、平安城市等多個安保領(lǐng)域。在過去監(jiān)控攝像機的像素和分辨率雖然比電腦的視頻頭要高，但是與專業(yè)的數(shù)碼相機或dv相比，其像素還是偏低。隨著成像光學(xué)設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展，監(jiān)控攝像機的已經(jīng)趕超專業(yè)數(shù)碼相機，進入百萬像素的時代。傳統(tǒng)的監(jiān)控攝像機大多只是單一的視頻捕捉設(shè)備，很少具備數(shù)據(jù)保存功能，這已經(jīng)不能滿足人們對于監(jiān)控設(shè)備智能化和自動化的需求。

監(jiān)控攝像機內(nèi)最關(guān)鍵的部分是其中的鏡頭。為了滿足監(jiān)控攝像機能在近距離和遠距離監(jiān)控時均能清晰成像，需搭配變焦鏡頭使用。目前監(jiān)控攝像機用的變焦鏡頭，在外形尺寸、成本、成像質(zhì)量、自動對焦、紅外共焦、變焦倍率、有效焦距等諸多影響鏡頭質(zhì)量的制約因素方面往往不能做到兼顧。比如現(xiàn)有的變焦鏡頭，大多變倍比小于20倍，無法滿足遠至數(shù)公里的遠距離監(jiān)控；而變倍比大于20倍的監(jiān)控攝像機，大多無法紅外共焦，滿足日夜兼用的需求；能夠達到1700mm等效焦距的鏡頭因外形尺寸大無法采用步進馬達自動聚焦；能夠在廣角端紅外共焦的鏡頭在望遠端無法紅外共焦等等。

本發(fā)明所提出的監(jiān)控相機鏡頭設(shè)計方案就是要兼顧外形尺寸、成本、成像質(zhì)量、自動對焦、紅外共焦、變焦倍率、有效焦距等諸多影響鏡頭質(zhì)量的制約因素，在保證百萬像素全高清1080P畫質(zhì)的情況下，實現(xiàn)長有效焦距、大變焦倍率，并且全程紅外共焦、自動對焦，同時縮小鏡頭尺寸，實現(xiàn)鏡頭小型化、降低成本。

1.無法做到小型化、無法實現(xiàn)自動聚焦

由于變焦鏡頭的設(shè)計難度較大，為了獲得較好的解析度，盡可能的提高成像質(zhì)量，往往需要多個群組的鏡頭彼此配合，整個變焦鏡頭可能包含十幾二十片的鏡片，這導(dǎo)致了鏡頭的總長度一般在200mm左右。同時國外廠家同類產(chǎn)品雖然結(jié)構(gòu)可靠，均體積龐大，動輒兩三千克，只能用于大型云臺。由于監(jiān)控相機的鏡頭的長度和體積過大，無法采用步進馬達，只能采用直流馬達進行驅(qū)動。傳統(tǒng)的直流馬達只有兩個引腳，將電池的正負極接在兩個引腳就上，馬達就會轉(zhuǎn)動。但是這種馬達具有有轉(zhuǎn)速過快，扭力過小，無法精確測量轉(zhuǎn)動角度等缺點。將此種直流馬達裝到鏡頭上進行驅(qū)動后，因為馬達無法精確帶動鏡頭群組定位完成聚焦工作，只能通過人工手動將鏡頭群組逐漸調(diào)整，直到焦點與傳感器重合，才完成聚焦的過程。

2.無法全程紅外共焦

目前安防的重點和難點是晚間監(jiān)控，行業(yè)普遍在夜晚采用紅外燈作為輔助光源，要求光學(xué)鏡頭在白天可見光和夜晚紅外光都能看得清楚，為了達到這個要求，就需要克服光學(xué)鏡頭夜晚紅外離焦的問題。由于玻璃存在色散現(xiàn)象，即不同波長的光具有不同的折射率，這導(dǎo)致了鏡頭很難保證從可見光(400～700nm)到紅外光(850nm左右)保持一致的焦平面，這就是紅外離焦。監(jiān)控相機在晚上接收到紅外光源時會產(chǎn)生焦平面偏移，因此傳感器接收到的圖像是模糊的，鏡頭的解析力變差，從而使得監(jiān)控質(zhì)量下降，紅外離焦嚴重時還會導(dǎo)致監(jiān)控無法順利進行。

目前市場上提供的監(jiān)控鏡頭都號稱帶有IR矯正功能滿足日夜兩用的要求，但這些鏡頭往往存在到晚上就變模糊或者清晰度下降現(xiàn)象和虛標鏡頭參數(shù)的行為。另外，現(xiàn)有的所有變焦鏡頭，均無法做到在廣角端至望遠端變倍時各個倍率均保證紅外共焦。因為隨著焦距的增大，可見光和紅外光的成像面差異會越來越大。因此在望遠端，特別是焦距達到200mm以上的長焦距時，做到紅外共焦的難度是極大的，這將使得監(jiān)控相機無法在夜間清晰監(jiān)測遠處物體。

3.等效焦距短、變焦倍率低

一個完整的監(jiān)控相機不僅包含了光學(xué)鏡片，也包含了接收光線的傳感器(CCD或CMOS)，不同的鏡頭傳感器的尺寸是不同的，即使是同樣焦距的鏡頭，在不同尺寸傳感器上，其成像的視場角也不同。所以僅僅以鏡頭的真實焦距，是無法比較不同鏡頭的實際拍攝范圍即視場角的，需要有一個參照標準，對鏡頭的焦距有一個統(tǒng)一的標注，這樣不同鏡頭之間才有可比性。目前廣泛采用35mm相機作為參照標準，因為35mm相機過去是用的最多的，它使用135膠卷，尺寸為36mmx24mm，對角線長度為43.27mm。將不同鏡頭傳感器上形成的成像視場角，轉(zhuǎn)化為35mm相機上同樣成像視角所對應(yīng)的鏡頭焦距，這個轉(zhuǎn)化后的焦距就是35mm相機等效焦距，簡稱為等效焦距。等效焦距的計算公式為f等效＝(SA/SB)f實際。其中SA和SB分別是35mm相機和需要計算鏡頭的傳感器對角線長度。

同時為了滿足監(jiān)控像機能在近距離和遠距離監(jiān)控時均能清晰成像，需搭配變焦鏡頭使用。變焦鏡頭是在一定范圍內(nèi)可以變換焦距、從而得到不同寬窄的視場角，不同大小的影象和不同景物范圍的照相機鏡頭。變焦鏡頭在不改變拍攝距離的情況下，可以通過變動焦距來改變拍攝范圍。由于一個變焦鏡頭可以兼擔當起若干個定焦鏡頭的作用，因此可減少監(jiān)控攝像機的數(shù)量，節(jié)約安裝成本。

傳統(tǒng)的變焦鏡頭受限于傳感器尺寸以及設(shè)計時的實際焦距等因素，往往不能做到很大的有效焦距，這使得鏡頭在監(jiān)控時，無法看清較遠處的物體。同時現(xiàn)有的變焦鏡頭，大多變倍比小于20倍，無法滿足遠至數(shù)公里的遠距離監(jiān)控；而變倍比大于20倍的監(jiān)控攝像機，大多無法滿足日夜兼用的需求，且成像質(zhì)量差，無法在各個變倍位置均維持極高的光學(xué)性能。

專利文獻1(103336355A)所述的變焦鏡頭，雖然能滿足日夜兼用的需求，但是變倍比只有3倍左右，因此成像范圍有限，無法滿足遠至數(shù)公里的遠距離監(jiān)控。

專利文獻2(公開號103293646A)所述的變焦鏡頭，雖然變倍比為30倍，但是望遠端焦距只有129mm，因此亦不能滿足遠距離的監(jiān)控需求。另外，該專利無法做到紅外共焦，在室外光線暗的情況下無法清晰成像，因此不能滿足日夜兼用的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決上述的現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種滿足在廣角端至望遠端變倍時各個倍率均保證紅外共焦，且在各個變倍位置均維持極高的光學(xué)性能的變焦鏡頭。

有鑒于上述現(xiàn)有的變焦鏡頭存在的缺陷，本發(fā)明基于此類產(chǎn)品設(shè)計制造多年豐富的實務(wù)經(jīng)驗及專業(yè)知識，并配合學(xué)理的運用，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種新型結(jié)構(gòu)的變焦鏡頭，能夠改進一般現(xiàn)有的變焦鏡頭，使其更具有實用性。經(jīng)過不斷的研究、設(shè)計，并經(jīng)過反復(fù)試作樣品及改進后，終于創(chuàng)設(shè)出確具實用價值的新技術(shù)方案.

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種變焦鏡頭，從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有正光焦度的第一鏡片群G1、具有負光焦度的第二鏡片群G2、具有正光焦度的第三鏡片群G3、具有正光焦度的第四鏡片群G4、具有正光焦度的第五鏡片群G5。所述第一正鏡片群、所述第三鏡片群和所述第五正鏡片群為固定群。在所述第二負鏡片群為變焦群。所述第四正鏡片群為聚焦群。在第二透鏡群G2和第三透鏡群G3之間，配置有規(guī)定著既定的口徑的孔徑光闌STP。另外，在第五透鏡群G5和成像面IMG之間，配置有一片保護玻璃CG和第一濾光片ICF、第二濾光片LPF。保護玻璃CG可根據(jù)需要配置、而在不需要時可以省略。濾光片ICF、LPF的作用是濾除雜散光。在成像面IMG，配置有CCD和CMOS等的固體攝像元件的光接收面。

在使所述第一鏡片群、所述第三鏡片群和所述第五鏡片群固定的狀態(tài)下，通過使所述第二鏡片群沿著光軸從物體側(cè)向像側(cè)移動而進行從廣角端向望遠端的變倍，通過使所述第四鏡片群沿著光軸移動，進行伴隨變倍的像面變動的校正和調(diào)焦。

上述變焦鏡頭，其特征在于：所述鏡頭的第一鏡片群G1包括自物體按順序側(cè)按配置的，具有正光焦度的膠合鏡片L1、具有正光焦度的鏡片L2、具有負光焦度的膠合鏡片L3組成。這樣的第一鏡片群結(jié)構(gòu)，因為有兩個正負光焦度膠合的鏡片,搭配合理的鏡片折射率和阿貝數(shù)，相比于傳統(tǒng)變焦鏡頭在第一鏡片群只有一個膠合透鏡的設(shè)計,能夠更加有效地減小光學(xué)系統(tǒng)的色差，為鏡頭的紅外共焦的實現(xiàn)提供技術(shù)支持。

特別的，第一鏡片群滿足以下的條件式：

(1)Vd11>75

(2)Vd2>70

(3)Vd32>65

其中Vd11表示膠合鏡片L1前鏡片的阿貝數(shù)，Vd2表示鏡片L2的阿貝數(shù)，Vd32表示膠合鏡片L3后鏡片的阿貝數(shù)。

優(yōu)選地，上述變焦鏡頭，其特征在于：所述鏡頭的第二鏡片群G2包括自物體按順序側(cè)按配置的，具有負光焦度的鏡片L4、具有負光焦度的膠合鏡片L5、具有負光焦度的鏡片L6組成。這樣的第二鏡片群G2結(jié)構(gòu)，搭配合理的鏡片折射率和阿貝數(shù)，能夠能有效地減小光學(xué)系統(tǒng)望遠端和廣角端的各種像差。第二鏡片群G2的作用是縮小或放大倍率：當?shù)诙R片群G2沿著光軸從物體側(cè)向像側(cè)移動時，鏡頭實現(xiàn)從廣角端向望遠端的變倍過程；反之，第二鏡片群G2沿著光軸從像側(cè)向物體側(cè)移動時，鏡頭實現(xiàn)從望遠端向廣角端的變倍過程。

特別的，第二鏡片群G2滿足以下的條件式：

(4)Vd910>45

(5)Nd1112>1.9

(6)Vd1213>50

其中Vd910表示鏡片L4的阿貝數(shù)，Nd1112表示膠合鏡片L5前鏡片的折射率，Vd1213表示膠合鏡片L5后鏡片的阿貝數(shù)。

優(yōu)選地，上述變焦鏡頭，其特征在于：所述鏡頭的第三鏡片群G3包括自物體按順序側(cè)按配置的，具有正光焦度并且兩面均為非球面的鏡片L7、具有負光焦度的鏡片L8組成。這樣的第三鏡片群G3結(jié)構(gòu)，搭配合理的鏡片折射率和阿貝數(shù)以及非球面系數(shù)，能夠能有效地減小光學(xué)系統(tǒng)的各種像差，尤其是球差、像散和場曲。

特別的，第三鏡片群G3滿足以下的條件式：

(7)Vd1718>55

(8)Nd1920>1.9

其中Vd1718表示鏡片L7的阿貝數(shù)，Nd1920表示鏡片L8的折射率。

優(yōu)選地，上述變焦鏡頭，其特征在于：所述鏡頭的第四正鏡片群G4包括自物體按順序側(cè)按配置的，具有正光焦度且第一面為非球面的膠合鏡片L9組成。這樣的第四鏡片群G4結(jié)構(gòu)，搭配合理的鏡片折射率和阿貝數(shù)以及非球面系數(shù)，能夠能有效地減小光學(xué)系統(tǒng)的各種像差，尤其是球差、慧差。第四鏡片群G4的作用是聚焦：當物距改變時，沿光軸方向調(diào)整第四鏡片群G4的位置，可以實現(xiàn)鏡頭在不同放大或縮小倍率下的聚焦。

特別的，第四鏡片群G4滿足以下的條件式：

(9)Vd2223>70

其中Vd2223表示膠合鏡片L9后鏡片的阿貝數(shù)。

上述變焦鏡頭，其特征在于：所述鏡頭的第五正鏡片群G5包括自物體按順序側(cè)按配置的，具有負光焦度的鏡片L10和具有正光焦度的鏡片L11組成。這樣的第五鏡片群G5結(jié)構(gòu)，搭配合理的鏡片折射率和阿貝數(shù)以及非球面系數(shù)，能夠能有效地減小光學(xué)系統(tǒng)廣角端的各種像差，尤其是畸變。

如以上說明，本發(fā)明的變焦透鏡，通過具備上述構(gòu)成，可達成小型化、廣角化、長有效焦距、高變焦倍率、紅外共焦諸多特點，并且跨越整個變倍域均能良好地校正諸像差，能夠?qū)?yīng)可以進行全高清方式的攝影的固體攝像元件。特別是通過滿足上述各條件式，可以使小型化、廣角化、長有效焦距、高變焦倍率、紅外共焦和高光學(xué)性能的維持并立。

本發(fā)明創(chuàng)造的優(yōu)點如下：

1.實現(xiàn)小型化、實現(xiàn)自動聚焦。

與富士能等公司設(shè)計的變焦鏡頭相比，本鏡頭因其小型化的結(jié)構(gòu)特點，可以采用步進馬達作為驅(qū)動裝置。在非超載的情況下，馬達的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制馬達轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。利用步進馬達高轉(zhuǎn)矩、高響應(yīng)性、高分解能、高精度定位等諸多優(yōu)點，我們可以精確控制鏡頭群組的位置，從而通過相應(yīng)的程序算法實現(xiàn)鏡頭的自動聚焦。自動聚焦功能是實現(xiàn)智能化，精準化監(jiān)控必不可少的技術(shù)要求。自動聚焦功能的實現(xiàn)，使得在無人操作鏡頭時，鏡頭依舊可以對突發(fā)事件重點監(jiān)控，從而提高了監(jiān)視效率。

通過改進監(jiān)控相機內(nèi)鏡頭群組的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得鏡頭整體結(jié)構(gòu)緊湊，總長度僅為138mm，同時采取獨創(chuàng)的機械設(shè)計，完美地處理各種傳動細節(jié)，使得鏡頭整體重量控制在500克以內(nèi)，有效得解決溫度漂移和高溫灼傷的問題。在監(jiān)控相機頭未來的發(fā)展趨勢中，鏡頭的小型化也是極為重要的一個要素，小型化的監(jiān)控相機不僅僅實現(xiàn)了自動聚焦，同時還可以減小產(chǎn)品的體積以適用于不同環(huán)境的產(chǎn)品安裝。

2.實現(xiàn)全程紅外對焦。紅外共焦的設(shè)計難度和焦距大小是成反比的，當焦距越大，可見光色散就極難補正，在可見光完善補正的同時，對于紅外光也進行補正，其難度可想而知。

本鏡頭分為五個群組，采用了非球面面型設(shè)計減小色散，同時鏡頭的玻璃材料選取也采用了幾種特殊的玻璃，這些玻璃均具有大阿貝數(shù)、低色散系數(shù)的特點。依靠這些設(shè)計，本鏡頭實現(xiàn)了廣角端至望遠端變倍時各個倍率均保證紅外共焦，這使得監(jiān)控相機在夜晚紅外光源的輔助照明下依舊能夠獲取和白天同樣的解析力，并且在變焦的情況下也能始終保持畫面清晰，大大提高了夜間監(jiān)控的質(zhì)量。即使在霧霾、灰塵等惡劣條件下，通過其優(yōu)秀的紅外共焦性能，亦可拍攝到清晰、高對比度的圖像。

3.等效焦距長、變焦倍率高。通過對傳統(tǒng)變焦鏡頭的結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新和改進，最終設(shè)計的鏡頭等效焦距為56mm-1750mm，變焦倍率為32倍，可以說本鏡頭是首款國產(chǎn)超遠焦變焦鏡頭，打破了以日本為首的海外廠家的壟斷。而且本鏡頭因具備1750mm的等效焦距，可實現(xiàn)5km范圍的監(jiān)控，極大地拓展了產(chǎn)品的使用范圍，廣泛運用于高速公路、高鐵沿線等遠距離監(jiān)測的場合。

附圖說明：

圖1是實施例1鏡頭的廣角端相對于d線的各像差圖

圖2是實施例1鏡頭的望遠端相對于d線的各像差圖

圖3是實施例2鏡頭的廣角端相對于d線的各像差圖

圖4是實施例2鏡頭的望遠端相對于d線的各像差圖

圖5是本發(fā)明的光學(xué)原理圖

圖中符號含義：

G1第一鏡片群

G2第二鏡片群

G3第三鏡片群

G4第四鏡片群

G5第五鏡片群

L1、L2、L3第一透鏡

L4、L5、L6第二透鏡

L7、L8第三透鏡

L9第四透鏡

L10、L11第五透鏡

STP孔徑光闌

IMG成像面

CG保護玻璃

ICF第一濾光片

LPF第二濾光片

具體實施方式

下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明：

實施例1

參照附圖1、2、5：

實施例1滿足以下條件：

EFL＝7.5(W)～126.8(M)～242(T)

FNO＝1.65(W)～3.45(M)～5.1(T)

一種變焦透鏡，從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有正光焦度的第一鏡片群G1、具有負光焦度的第二鏡片群G2、具有正光焦度的第三鏡片群G3、具有正光焦度的第四鏡片群G4、具有正光焦度的第五鏡片群G5。

在第二透鏡群G2和第三透鏡群G3之間，配置有規(guī)定著既定的口徑的孔徑光闌STP。另外，在第五透鏡群G5和成像面IMG之間，配置有一片保護玻璃CG和第一濾光片ICF、第二濾光片LPF。保護玻璃CG可根據(jù)需要配置、而在不需要時可以省略。第一濾光片ICF、第二濾光片LPF的作用是濾除雜散光。在成像面IMG，配置有CCD和CMOS等的固體攝像元件的光接收面。

就第一鏡片群G1而言，從物體側(cè)按順序配置具有正光焦度的膠合鏡片L1、具有正光焦度的鏡片L2、具有負光焦度的膠合鏡片L3而組成。就第二鏡片群G2而言，從物體側(cè)按順序配置具有負光焦度的鏡片L4、具有負光焦度的膠合鏡片L5、具有負光焦度的鏡片L6組成。

就第三鏡片群G3而言，從物體側(cè)按順序配置具有雙非球面正光焦度的鏡片L7、具有負光焦度的鏡片L8組成。

就第四鏡片群G4而言，從物體側(cè)按順序配置具有正光焦度且第一面為非球面的膠合鏡片L9組成。

就第五鏡片群G5而言，從物體側(cè)按順序配置具有負光焦度的鏡片L10和具有正光焦度的鏡片L11組成。

在使所述第一鏡片群、所述第三鏡片群和所述第五鏡片群固定的狀態(tài)下，通過使所述第二鏡片群沿著光軸從物體側(cè)向像側(cè)移動而進行從廣角端向望遠端的變倍，通過使所述第四鏡片群沿著光軸移動，進行伴隨變倍的像面變動的校正和調(diào)焦。

以下，示出關(guān)于實施例1的變焦透鏡的各種數(shù)值數(shù)據(jù)。

EFL＝7.5(廣角端)～126.8(中間焦點位置)～242(望遠端)

F數(shù)＝1.65(廣角端)～3.45(中間焦點位置)～5.1(望遠端)

表1顯示了實施例1鏡頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)；表2顯示了實施例1鏡頭的變焦參數(shù)；表3顯示了實施例1的鏡頭非球面系數(shù)。

表1

實施例1鏡頭結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2

實施例1鏡頭變焦參數(shù)

表3

實施例1鏡頭非球面系數(shù)

實施例2

參照附圖3、4、5：

實施例2滿足以下條件：

EFL＝8.1(廣角端)～127.2(中間焦點位置)～259.3(望遠端)

F數(shù)＝1.71(廣角端)～3.55(中間焦點位置)～6.1(望遠端)

表4

實施例2鏡頭結(jié)構(gòu)參數(shù)

表5

實施例2鏡頭變焦參數(shù)

表6

實施例2鏡頭非球面系數(shù)

實施例2的其余部分與實施例1相同。

本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍不應(yīng)當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。