一種光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型屬于光學(xué)器件【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，包括從物方到像方依次排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡；第三透鏡和第四透鏡采用塑膠非球面鏡片；第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡的焦距與整個(gè)鏡頭的焦距的比值滿足一定條件；第三透鏡的焦距和第四透鏡的焦距的比值也要滿足一定條件。本實(shí)用新型在采用了塑膠鏡片、大幅度降低鏡頭成本的同時(shí)，也解決了可見(jiàn)光與紅外光共焦、鏡頭成像溫度漂移這兩大難題。本實(shí)用新型做到了對(duì)可見(jiàn)光與紅外光均達(dá)到了全高清1080P以上的分辨率，并且在-40℃～85℃的寬溫度范圍內(nèi)保持該分辨率不變的水平。
【專利說(shuō)明】一種光學(xué)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于光學(xué)器件【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種可見(jiàn)光與紅外光共焦、極低溫度漂 移的包含玻璃鏡片與塑膠鏡片的光學(xué)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，在監(jiān)控鏡頭領(lǐng)域需要解決的難題主要有技術(shù)問(wèn)題和性能價(jià)格比問(wèn)題。
[0003] 其中，技術(shù)難題主要有兩個(gè)：
[0004]第一，可見(jiàn)光與紅外光焦距相同。
[0005]監(jiān)控鏡頭在白天和夜晚均處于工作狀態(tài)，白天的照明采用的主要是自然光，因此 白天被攝物所發(fā)出的光線主要是可見(jiàn)光，而夜晚則需要使用紅外光輔助照明，因此夜晚被 攝物發(fā)出的光線主要是紅外光或者由紅外光和可見(jiàn)光組成的混合光線。
[0006] 而由于可見(jiàn)光（波長(zhǎng)以550nm為例）與紅外光（波長(zhǎng)以850nm為例）在同一種光 學(xué)玻璃、光學(xué)塑膠中的折射率不一樣，這往往會(huì)導(dǎo)致可見(jiàn)光的焦點(diǎn)位置與紅外光的焦點(diǎn)位 置不一樣，也就是說(shuō)通過(guò)鏡頭成像之后可見(jiàn)光成像清晰的位置與紅外光成像清晰的位置不 一樣。這樣就導(dǎo)致了市面上的普通監(jiān)控鏡頭很難兼顧白天和夜晚的成像清晰。
[0007] 目前業(yè)界采用的輔助解決可見(jiàn)光與紅外光共焦的一個(gè)主要辦法是，利用日夜切換 的濾光片的不同厚度，在白天使用較厚的濾光片，在夜晚使用較薄的濾光片。但是這種輔助 辦法在可見(jiàn)光和紅外光同時(shí)存在的時(shí)候成像效果很差，例如黃昏時(shí)候、夜間可見(jiàn)光與紅外 光照明并存的時(shí)候。
[0008] 第二，當(dāng)環(huán)境溫度變化的時(shí)候鏡頭不需要重新調(diào)焦就能保證成像清晰。
[0009] 監(jiān)控鏡頭廣泛用于室內(nèi)、室外，一年365天每天24小時(shí)處于工作狀態(tài)，鏡頭所處的 環(huán)境溫度變化巨大。監(jiān)控鏡頭典型的工作溫度要求是_40°C?85°C，鏡頭必須保證在這溫 差達(dá)到120多攝氏度的范圍內(nèi)、在不進(jìn)行重新調(diào)焦的情況下成像仍然跟20°C(常溫）一樣 清晰。
[0010]由于鏡片材質(zhì)的折射率會(huì)受溫度影響而發(fā)生變化，鏡片尺寸、鏡筒材質(zhì)、鏡座材質(zhì) 會(huì)隨著溫度的變化而熱脹冷縮，這些因素導(dǎo)致普通監(jiān)控鏡頭在高低溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)不同的 成像后焦（后截距），稱作鏡頭成像的溫度漂移。
[0011] 業(yè)界解決這種問(wèn)題的常規(guī)辦法是，盡可能地使用金屬來(lái)作為鏡筒和鏡座的材料， 通常使用鋁、銅。但是使用金屬材料來(lái)作為鏡筒和鏡座有幾個(gè)缺點(diǎn)：金屬材料制作的鏡筒、 鏡座的尺寸一致性比較差，對(duì)鏡頭的成像性能有影響；金屬材料比塑膠材料貴；當(dāng)鏡頭的 后焦距（后截距）比較長(zhǎng)的時(shí)候，使用金屬鏡座的熱脹冷縮變化量也很大，不太容易通過(guò)光 學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)補(bǔ)償；金屬材料比較重。
[0012] 而目前需要解決的性能價(jià)格比問(wèn)題是：在市場(chǎng)對(duì)鏡頭性能要求越來(lái)越高的同時(shí)， 市場(chǎng)又要求鏡頭的成本越來(lái)越低。
[0013] 如何在提高性能的同時(shí)又降低成本，是業(yè)界永恒的目標(biāo)。
[0014]目前市面上為了提高包括分辨率、可見(jiàn)光紅外光共焦、高低溫成像漂移在內(nèi)的鏡 頭性能而采取的措施有：a.增加鏡片數(shù)量；b.使用非球面鏡片，包括玻璃非球面鏡片和塑 膠非球面鏡片。
[0015] 增加鏡片數(shù)量必然會(huì)增加鏡頭的成本；使用玻璃非球面鏡片也會(huì)增加成本，因?yàn)?玻璃非球面鏡片的成本是玻璃球面鏡片的3?10倍；使用塑膠非球面鏡片的話，市面現(xiàn)有 產(chǎn)品還沒(méi)有能夠解決塑膠鏡片產(chǎn)生的鏡頭成像溫度漂移問(wèn)題的可行方案。
[0016] 綜上，在目前業(yè)界的產(chǎn)品中，能夠?qū)崿F(xiàn)可見(jiàn)光與紅外光共焦、極低溫度漂移而同時(shí) 又相比現(xiàn)有產(chǎn)品做到成本更低的方案，還沒(méi)有出現(xiàn)。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0017] 本實(shí)用新型的目的在于：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)可見(jiàn)光與紅 外光共焦、溫度漂移極低、在降低成本的同時(shí)又能提高性能的光學(xué)系統(tǒng)。
[0018] 為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：
[0019] 光學(xué)系統(tǒng)，包括從物方到像方依次排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透 鏡，所述第三透鏡和所述第四透鏡采用塑膠非球面鏡片；
[0020] 第一透鏡的焦距為負(fù)值，第二透鏡的焦距為正值，第三透鏡的焦距為正值，第四透 鏡的焦距為負(fù)值；
[0021] 在第二透鏡和第三透鏡之間設(shè)有光闌。
[0022] 塑膠鏡片的成本遠(yuǎn)低于玻璃球面鏡片，故而降低了成本；又由于本實(shí)用新型的第 三透鏡和第四透鏡均采用了非球面鏡片，相比傳統(tǒng)的球面鏡片提高了性能；更重要的是，本 實(shí)用新型在采用了塑膠非球面鏡片的情況下，確保了鏡頭最佳分辨率成像位置的極低溫度 漂移。
[0023] 我們知道，鏡片分為球面鏡片和非球面鏡片，非球面鏡片在校正鏡頭像差方面的 能力強(qiáng)于球面鏡片。而非球面鏡片又分為玻璃非球面鏡片和塑膠非球面鏡片。玻璃非球面 鏡片耐環(huán)境性能好，其折射率和尺寸受環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生的變化量比較小；玻璃非球面 鏡片材質(zhì)的種類較多，適合通過(guò)材料組合來(lái)解決可見(jiàn)光紅外光共焦問(wèn)題。塑膠非球面鏡片 熱膨脹系數(shù)是玻璃的5?20倍左右，折射率Nd隨溫度變化的程度是玻璃的50?100倍左 右，當(dāng)環(huán)境溫度變化的時(shí)候，塑料鏡片由于這兩個(gè)因素會(huì)導(dǎo)致單個(gè)鏡片焦距隨溫度變化而 變化，并最終影響到整個(gè)鏡頭焦距的變化。
[0024] 在常用的鏡片口徑范圍內(nèi)，同樣體積、形狀的3種鏡片的成本對(duì)比如下：玻璃球面 鏡片的成本是塑膠非球面鏡片的3?10倍；玻璃非球面鏡片的成本是玻璃球面鏡片的3? 10倍，是塑膠非球面鏡片的10?100倍。
[0025] 采用非球面鏡片相比球面鏡片能夠有效提高性能，這是從光學(xué)原理可以推理得到 的。采用玻璃非球面鏡片的方案在技術(shù)上比較容易，但是玻璃非球面鏡片的價(jià)格太過(guò)昂貴， 在固定焦點(diǎn)的監(jiān)控鏡頭上使用會(huì)導(dǎo)致性價(jià)比下降。采用塑膠非球面鏡片可以提升常溫下的 光學(xué)性能，也能降低成本，最大的難題是要確保在大范圍的溫度波動(dòng)下鏡頭不發(fā)生成像的 溫度漂移。
[0026] 關(guān)于鏡頭使用塑料鏡片之后產(chǎn)生的"溫度漂移"和其它性能下降以及相關(guān)技術(shù)背 景說(shuō)明如下：
[0027] 當(dāng)溫度發(fā)生變化的時(shí)候，光學(xué)材料的折射率η也會(huì)發(fā)生變化，以下公式定義了折 射率變化量Λη和溫度變化量ΛT的關(guān)系：

【權(quán)利要求】
1. 一種光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于： 從物方（10 )到像方（5 )依次設(shè)有第一透鏡（1)、第二透鏡（2 )、第三透鏡（3 )和第四透 鏡⑷； 第一透鏡（1)的焦距為負(fù)值，第二透鏡（2)的焦距為正值，第三透鏡（3)的焦距為正值， 第四透鏡（4)的焦距為負(fù)值； 在第二透鏡（2 )和第三透鏡（3 )之間設(shè)有光闌（6 ); 所述第三透鏡（3)和所述第四透鏡（4)采用塑膠非球面鏡片； 第一透鏡（1)、第二透鏡（2)、第三透鏡（3)和第四透鏡（4)的焦距與整個(gè)鏡頭的焦距之 比分別滿足以下條件： -1.〇> (fr/r) > -2.3 2. 7 > (f2, /f'）> 1. 2 1. 7 > (f3, /f'）> 0? 7 -0? 9 > (f4, /f'）> -2. 1 ; 其中：f'是整個(gè)鏡頭的焦距；fl'是第一透鏡（1)的焦距；f2'是第二透鏡（2)的焦距；f3'是第三透鏡（3)的焦距；f4'是第四透鏡（4)的焦距。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：第三透鏡（3)和第四透鏡（4)的 焦距之比例滿足以下條件： -0? 5> (f3' /f4'）> -1. 1。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：第一透鏡（1)、第二透鏡（2)、第 三透鏡（3)和第四透鏡（4)的光學(xué)材料的色散系數(shù)分別滿足以下條件： VD1 > 55 VD2 > 45 VD3 > 48 VD4 < 35 ； 其中：VD1是第一透鏡（1)的色散系數(shù)；VD2是第二透鏡（2)的色散系數(shù)；VD3是第三透 鏡（3)的色散系數(shù)；VD4是第四透鏡（4)的色散系數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：所述第三透鏡（3)的后表面 (32)為凸面且中心凸向像方，所述第四透鏡（4)的前表面（41)為凹面且中心凹向物方。
【文檔編號(hào)】G02B13/18GK204178034SQ201420594832
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】張品光, 鄒文鑌 申請(qǐng)人:東莞市宇瞳光學(xué)科技有限公司