CN104407432A - 一种耐高低温、高分辨率、日夜共用的光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高低温、高分辨率、日夜共用的光学系统，其技术方案的要点是从被摄物体到像面依次包括有第一透镜、光阑、第二透镜、第三透镜以及滤光片，所述第一透镜为光焦度为负的非球面透镜，所述第二透镜为光焦度为正的非球面透镜，所述第三透镜为光焦度为负的非球面透镜。本发明只用了三枚塑料镜片，结构简单，从低温到高温都能够拍摄到清晰图像，且考虑了镜头间的通用性，能够和目前市场上常见的一系列镜头通用，可见光和红外光完全共焦，不管在白天、晚上还是可见光和红外光同时使用的环境下都能够成清晰的图像。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种光学系统，尤其是涉及一种应用于车载、安防系统的结构简单、耐高低温、高分辨率、日夜共用的光学系统。
【背景技术】
目前车载、安防用的高分辨率、日夜共用光学系统普遍存在这样的缺点：成本高、不耐高低温、使用寿命短、结构复杂、不能通用等等。目前市场上还没有镜头能够同时克服上述缺点，只有少数镜头，在牺牲其它方面的情况下改善某个方面，比如为了实现成本低，就使系统体积增大或者减小，不能和目前市场上的镜头通用；有的甚至不耐高低温、使用寿命减小，使用过程受环境影响非常大，常温下能拍摄到清晰图片，但高温和低温环境不能够拍摄到清晰的图片，或者在复杂环境下使用很短的时间系统就不能正常工作等等，远远不能满足车载、安防系统要求的在复杂环境下图像清晰度和真实性及长时间正常使用，目前市场上还没有克服以上全部缺点的镜头。
本发明就是基于这种情况作出的。
【发明内容】
本发明目的是克服现有技术成本高、不耐高低温、寿命短、结构复杂、不能和市场上常用镜头通用等不足，提供了一种结构简单、耐高低温、高分辨率、日夜共用的光学系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种耐高低温、高分辨率、日夜共用的光学系统，其特征在于：从被摄物体到像面6依次包括有第一透镜1、光阑2、第二透镜3、第三透镜4以及滤光片5，所述第一透镜1为光焦度为负的非球面透镜，所述第二透镜3为光焦度为正的非球面透镜，所述第三透镜4为光焦度为负的非球面透镜。
如上所述的耐高低温、高分辨率、日夜共用的光学系统，其特征在于：所述的第一透镜1为弯月形非球面透镜，所述的第二透镜3为双凸形非球面透镜，所述的第三透镜4为弯月形非球面透镜。
如上所述的耐高低温、高分辨率、日夜共用的光学系统，其特征在于：所述第一透镜1的A面为椭圆非球面，所述第一透镜1的B面为双曲线非球面；所述第二透镜3的C面为椭圆非球面，所述第二透镜3的D面为双曲线非球面；所述第三透镜4的E面和第三透镜4的F面均为双曲线非球面。
如上所述的耐高低温、高分辨率、日夜共用的光学系统，其特征在于：所述的第一透镜1、第二透镜3、第三透镜4均为塑料材质。
如上所述的耐高低温、高分辨率、日夜共用的光学系统，其特征在于：所述第一透镜1的B面弯向光阑2，所述第三透镜4的E面弯向光阑2。
如上所述的耐高低温、高分辨率、日夜共用的光学系统，其特征在于：所述第一透镜1、第二透镜3、第三透镜4非球面的表面形状满足以下方程式：
与现有技术相比，本发明有如下优点：
1、目前市场上大部分高分辨率、日夜共用光学系统普遍采用特殊材料，成本较高，结构较复杂；本发明只用了三枚塑料镜片，结构简单，成本低。
2、目前市场上高分辨率光学系统为了提高分辨率，降低成本，导致系统不耐高低温，在常温下能成清晰图像，但在高温、低温或者更复杂的环境下均不能获得清晰图像；本发明从低温到高温都能够拍摄到清晰图像，甚至从超低温-50℃到超高温90℃及更复杂恶劣的环境下都能获得清晰图像。
3、目前市场上大部分高分辨率光学系统为了提高分辨率、降低成本，不考虑镜头和控制、输出系统的通用性，导致镜头必须单独搭配控制、输出系统以及整机的外形结构，很不方便；本发明设计中考虑到镜头间的通用性，能够和目前市场上常见的一系列镜头通用，非常方便。
4、目前市场上常见的高分辨率、日夜共用系统只能在白天或者晚上能够成像清晰，但是在类似黄昏、夜晚路灯下这样可见光和红外光同时使用的环境下，不能够成像清晰；本发明可见光和红外光完全共焦，不管在白天、晚上还是可见光和红外光同时使用的环境下都能够成清晰的图像。
5、本发明还解决了以前玻璃及玻璃塑料混合结构中玻璃镜片加工困难、装配精度要求高等导致的良品率低的问题。
【附图说明】
图1是本发明的光学系统图。
图中；1为第一透镜；2为光阑；3为第二透镜；4为第三透镜；5为滤光片；6为像面。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明技术特征作进一步详细说明以便于所述领域技术人员能够理解。
如图1所示，一种结构简单、耐高低温、高分辨率、日夜共用的光学系统，从被摄物体到像面6依次包括有第一透镜1、光阑2、第二透镜3、第三透镜4以及滤光片5。所述第一透镜1为弯月形非球面透镜，其光焦度为负，材质为塑料，第一透镜的A面为椭圆非球面，第一透镜的B面为双曲线非球面，第一透镜1的B面弯向光阑；第二透镜3为双凸形非球面透镜，其光焦度为正，材质为塑料，第二透镜3的C面为椭圆非球面，第二透镜3的D面为双曲线非球面；第三透镜4为弯月形非球面透镜，其光焦度为负，材质为塑料，第三透镜4的E面和第三透镜4的F面均为双曲线非球面，第三透镜4的E面弯向光阑2。
为了实现结构简单、成本低，设计时系统采用全塑料，且采用目前最简单的三片式结构，不仅使结构达到最简化，物料成本降到最低，同时考虑到非球面加工成本，设计时非球面尽量采用最常用的加工工艺，使加工成本降到最低；另外，设计过程充分优化公差，尽量降低装配精度达到降低装配成本，使系统整个过程的成本控制到最低。
为了实现耐高低温，设计时第一透镜1、第三透镜4采用负光焦度非球面，第二透镜3采用正光焦度非球面，利用光阑2后且靠近光阑2的镜片对温度更敏感这一特性，温度变化时，两个负光焦度镜片光焦度的变化来补偿一个正光焦度镜片光焦度的变化，使得随温度变化时，整个系统的光焦度有很小的变化量，有效的改善了由温度变化引起的系统分辨率下降；另外，系统中第三透镜4的两面均为双曲线非球面，能够很好的矫正系统的场曲，使得系统不管是高温还是低温，像面中心和边缘都有相当高的分辨率。
为了实现和市场上镜头通用，设计时第一透镜1采用负光焦度镜片，光阑2放在第一透镜1之后，且第一透镜1的B面弯向光阑2，不仅能够增大系统的视场角，也能很好的控制系统光线的走势，同时能够加大第一透镜1与光阑2及光阑2与第二透镜3之间的距离；另外，第二透镜3采用折射率较低的材料，有效的加大了系统的后焦，保证了整个系统的体积与市场上常用镜头的体积相当。
为了实现红外完全共焦，第二透镜3采用低色散，第三透镜4采用较高色散塑料非球面，且两镜片间隔较小，紧密配合，起到了粘合镜片矫正色差的效果；另外，高色散材料与低色散材料配合使用，也能很好的矫正由红外光引起的二级光谱，使得白光和红外光都能在像面上成清晰的像。
本发明设计时采用宽光谱，且设计的理论分辨率远高于实际需要值，保证了图像锐度和色彩还原性。
下面举一实际设计案例：
| 面编号 | 面型 | 半径 | 厚度 | 材料 | 有效直径 |
| OBJ | 物面 | infinity | infinity | —— | infinity |
| A | 非球面 | 80.3860 | 0.8546 | APL5014CL | 9.1 |
| B | 非球面 | 4.0275 | 8.6782 | —— | 6.8 |
| STO | 光阑面 | infinity | 3.8237 | —— | 2.8 |
| C | 非球面 | 3.2571 | 2.4675 | F4520 | 6.9 |
| D | 非球面 | -2.2653 | 0.3358 | SP-1516 | 4.7 |
| E | 非球面 | -1.2719 | 0.4227 | —— | 4.7 |
| F | 非球面 | -6.1752 | 0.1000 | —— | 3.6 |
| 标准 | infinity | 0.8000 | H-K9L | 3.7 | |
| 标准 | infinity | 5.2171 | —— | 3.7 | |
| IMA | 像面 | infinity | —— | —— | 4.9 |
系统中第一透镜1、第二透镜3、第三透镜4非球面的表面形状满足常用非球面的方程式：
式中，参数c为半径所对应的曲率，y为径向坐标其单位和透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数。当k系数小于-1时，面型曲线为双曲线，等于-1时为抛物线，介于-1到0之间时为椭圆，等于0时为圆形。a1至a8分别表示各径向坐标所对应的系数，通过以上参数可以精确设定透镜前后两面非球面的形状尺寸,上述非球面的加工都是正常的加工工艺。
透镜的非球面系数如下表：
| 第一透镜的A面 | 第一透镜的B面 | |
| k | 29.867202 | -1.225538 |
| a2 | 0.000615324 | 0.00295244 |
| a3 | -5.897639E-005 | 3.872235E-005 |
| a4 | 1.85244E-006 | -2.12379E-005 |
| a5 | -1.76112E-007 | 1.21562E-006 |
| a6 | -1.29718E-009 | -1.22074E-007 |
| a7 | -5.38176E-011 | 6.00381E-009 |
| 第二透镜的C面 | 第二透镜的D面 | |
| k | -1.127823 | -0.370315 |
| a2 | 0.000583719 | 0.00602746 |
| a3 | -0.000332958 | 0.00187733 |
| a4 | -0.000235141 | -0.00044368 |
| a5 | 3.77215E-005 | -8.56223E-005 |
| a6 | -4.2231E-006 | 4.666321E-006 |
| a7 | 2.37996E-007 | -4.32115E-007 |
| 第三透镜的E面 | 第三透镜的F面 | |
| k | -2.3358291 | -15.526134 |
| a2 | 0.01335824 | 0.014665731 |
| a3 | 0.00435892 | 0.001236721 |
| a4 | 0.00088347 | -0.00036571 |
| a5 | -0.0005829 | 0.000168532 |
| a6 | -0.0001188 | 3.152648E-005 |
| a7 | 7.33687E-005 | -5.81726E-005 |
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种耐高低温、高分辨率、日夜共用的光学系统，其特征在于：从被摄物体到像面(6)依次包括有第一透镜(1)、光阑(2)、第二透镜(3)、第三透镜(4)以及滤光片(5)，所述第一透镜(1)为光焦度为负的非球面透镜，所述第二透镜(3)为光焦度为正的非球面透镜，所述第三透镜(4)为光焦度为负的非球面透镜。
2.根据权利要求1所述的耐高低温、高分辨率、日夜共用的光学系统，其特征在于：所述的第一透镜(1)为弯月形非球面透镜，所述的第二透镜(3)为双凸形非球面透镜，所述的第三透镜(4)为弯月形非球面透镜。
3.根据权利要求1或2所述的耐高低温、高分辨率、日夜共用的光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1)的A面为椭圆非球面，所述第一透镜(1)的B面为双曲线非球面；所述第二透镜(3)的C面为椭圆非球面，所述第二透镜(3)的D面为双曲线非球面；所述第三透镜(4)的E面和第三透镜(4)的F面均为双曲线非球面。
4.根据权利要求1所述的耐高低温、高分辨率、日夜共用的光学系统，其特征在于：所述的第一透镜(1)、第二透镜(3)、第三透镜(4)均为塑料材质。
5.根据权利要求3所述的耐高低温、高分辨率、日夜共用的光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1)的B面弯向光阑(2)，所述第三透镜(4)的E面弯向光阑(2)。
6.根据权利要求2所述的耐高低温、高分辨率、日夜共用的光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1)、第二透镜(3)、第三透镜(4)非球面的表面形状满足以下方程式：
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