变焦距针孔镜头光学系统及其成像方法

技术领域

本发明涉及一种变焦距针孔镜头光学系统及其成像方法，属于光学技术领域。

背景技术

目前市场上应用的基本上都是固定焦距针孔镜头，但由于其焦距不可变，监控的画面大小以及视场角都是固定不变的，无法对捕捉到有价值的信息实时进行放大分析。本发明为变焦距针孔镜头，可以在不增加镜头数量的前提下，用一个镜头实现4倍连续变焦，成像质量优良。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种变焦距针孔镜头光学系统及其成像方法，通过一个变倍组和二个补偿组的移动实现4～16mm的连续变焦。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种变焦距针孔镜头光学系统，所述光学系统为四组元变焦透射式结构，工作在可见光波段，从物方到像方沿轴向光线自左向右入射依次同轴设置光阑、前固定组A、变倍组B、补偿组C、补偿组D；所述前固定组A依次设有正光焦度的月牙透镜A1、正光焦度的月牙透镜A2和负光焦度的月牙透镜A3组成的双胶合正透镜组；所述变倍组B依次设有正光焦度的双凸透镜B1和正光焦度的月牙透镜B2组成的双胶合正透镜组、正光焦度的双凸透镜B3和负光焦度的月牙透镜B4组成的双胶合正透镜组；所述补偿组C依次设有负光焦度的双凹透镜C1、正光焦度的月牙透镜C2、正光焦度的月牙透镜C3、负光焦度的月牙透镜C4、负光焦度的月牙透镜C5、正光焦度的月牙透镜C6；所述补偿组D依次设有正光焦度的双凸透镜D1、负光焦度的月牙透镜D2和正光焦度的月牙透镜D3组成的双胶合正透镜组。

优选的，所述光学系统的焦距为4～16mm连续可变。

优选的，所述前固定组A焦距为

优选的，所述光阑到CCD像面之间的距离固定不变；所述光阑与前固定组A之间的空气间隔固定不变；所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔为0.3～18.9mm可变；所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为4.05～28.96mm可变，所述补偿组C与补偿组D之间的空气间隔为0.3～2mm可变，所述补偿组D与CCD像面之间的空气间隔为17.19～21.82mm可变；通过上述间隔的变化可得到4～16mm连续可变的焦距。

优选的，光束经过光阑、前固定组A、变倍组B后第一次成像，一次像面位于变倍组B和补偿组C之间，一次像面经过补偿组C、补偿组D后第二次成像，二次像面位于CCD上。

优选的，光阑设置在镜头的最前端，变焦过程光阑孔的大小不变。

优选的，变焦过程光阑到CCD像面之间的距离保持不变。

优选的，所有透镜均采用标准球面。

一种变焦距针孔镜头光学系统的成像方法，按以下步骤进行：光线自左向右依次经光阑、月牙透镜A1、月牙透镜A2、月牙透镜A3、双凸透镜B1、月牙透镜B2、双凸透镜B3、月牙透镜B4、双凹透镜C1、月牙透镜C2、月牙透镜C3、月牙透镜C4、月牙透镜C5、月牙透镜C6、双凸透镜D1、月牙透镜D2、月牙透镜D3后成像在CCD上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明所有透镜均采用标准球面，在保证成像质量优良的情况下，通过改变前固定组A和变倍组B之间的空气间隔、变倍组B和补偿组C之间的空气间隔、补偿组C和补偿组D之间的空气间隔、补偿组D和CCD像面之间的空气间隔实现焦距4mm到16mm之间的连续变换。与三分之一英寸CCD匹配。成像质量优良。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明4mm焦距的光学系统图。

图2为本发明10mm焦距的光学系统图。

图3为本发明16mm焦距的光学系统图。

图4为本发明实施中4mm焦距的CCD像面位置的传递函数评价图。

图5为本发明实施中10mm焦距的CCD像面位置的传递函数评价图。

图6为本发明实施中16mm焦距的CCD像面位置的传递函数评价图。

图中：A1月牙透镜A1、A2月牙透镜A2、A3月牙透镜A3、B1双凸透镜B1、B2月牙透镜B2、B3双凸透镜B3、B4月牙透镜B4、C1双凹透镜C1、C2月牙透镜C2、C3月牙透镜C3、C4月牙透镜C4、C5月牙透镜C5、C6月牙透镜C6、D1双凸透镜D1、D2月牙透镜D2、D3月牙透镜D3、A前固定组A、B变倍组B、C补偿组C、D补偿组D。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1~6所示，本实施例提供了一种变焦距针孔镜头光学系统，所述光学系统为四组元变焦透射式结构，工作在可见光波段，从物方到像方沿轴向光线自左向右入射依次同轴设置光阑、前固定组A、变倍组B、补偿组C、补偿组D；所述前固定组A依次设有正光焦度的月牙透镜A1、正光焦度的月牙透镜A2和负光焦度的月牙透镜A3组成的双胶合正透镜组；所述变倍组B依次设有正光焦度的双凸透镜B1和正光焦度的月牙透镜B2组成的双胶合正透镜组、正光焦度的双凸透镜B3和负光焦度的月牙透镜B4组成的双胶合正透镜组；所述补偿组C依次设有负光焦度的双凹透镜C1、正光焦度的月牙透镜C2、正光焦度的月牙透镜C3、负光焦度的月牙透镜C4、负光焦度的月牙透镜C5、正光焦度的月牙透镜C6；所述补偿组D依次设有正光焦度的双凸透镜D1、负光焦度的月牙透镜D2和正光焦度的月牙透镜D3组成的双胶合正透镜组。

在本发明实施例中，所述光学系统的焦距为4～16mm连续可变。

在本发明实施例中，所述前固定组A焦距为

在本发明实施例中，所述光阑到CCD像面之间的距离固定不变；所述光阑与前固定组A之间的空气间隔固定不变，为5.74mm；所述前固定组A与变倍组B之间的空气间隔为0.3～18.9mm可变；所述变倍组B与补偿组C之间的空气间隔为4.05～28.96mm可变，所述补偿组C与补偿组D之间的空气间隔为0.3～2mm可变，所述补偿组D与CCD像面之间的空气间隔为17.19～21.82mm可变；通过上述间隔的变化可得到4～16mm连续可变的焦距。

在本发明实施例中，光束经过光阑、前固定组A、变倍组B后第一次成像，一次像面位于变倍组B和补偿组C之间，一次像面经过补偿组C、补偿组D后第二次成像，二次像面位于CCD上。

在本发明实施例中，光阑设置在镜头的最前端，便于隐蔽拍摄，变焦过程光阑孔的大小不变，为直径2mm的针孔。

在本发明实施例中，变焦过程光阑到CCD像面之间的距离保持不变，通过变倍组B、补偿组C、补偿组D的移动实现连续光学变焦。

在本发明实施例中，所有透镜均采用标准球面。

在本发明实施例中，所述变焦距针孔镜头光学系统技术指标如下：

光谱范围：400nm～700nm；

有效相对孔径：1:2～1:8；

焦距：4～16mm；

视场角：21.2°～73.7°；

光学总长：131.5mm。

在本发明实施例中，变焦距针孔镜头光学系统参数如下表：

在本发明实施例中，图4为本发明焦距4mm时，在100lp/mm（线对/毫米），全视场MTF（调制传递函数）＞0.4；图5为本发明焦距10mm时，在100lp/mm（线对/毫米），全视场MTF（调制传递函数）＞0.4，图6为本发明焦距16mm时，在100lp/mm（线对/毫米），全视场MTF（调制传递函数）＞0.3，与三分之一英寸像元尺寸5×5微米的CCD匹配。

一种变焦距针孔镜头光学系统的成像方法，按以下步骤进行：光线自左向右依次经光阑、月牙透镜A1、月牙透镜A2、月牙透镜A3、双凸透镜B1、月牙透镜B2、双凸透镜B3、月牙透镜B4、双凹透镜C1、月牙透镜C2、月牙透镜C3、月牙透镜C4、月牙透镜C5、月牙透镜C6、双凸透镜D1、月牙透镜D2、月牙透镜D3后成像在CCD上。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。