CN102213821B

CN102213821B - 一种近红外镜头

Info

Publication number: CN102213821B
Application number: CN 201110173404
Authority: CN
Inventors: 黄林; 戴付建
Original assignee: Zhejiang Sunny Optics Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Sunny Optics Co Ltd
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2031-06-24
Also published as: CN102213821A

Abstract

本发明公开了一种近红外镜头，该镜头沿光轴从物方到像方依次由四组镜片组成，第一镜片为负光焦度的弯月形镜片，凸面朝向物方，采用非球面；第二镜片为正或负光焦度的弯月形镜片，凸面朝向像方；第三镜片为正光焦度的双凸形、平凸形或弯月形镜片，平凸或弯月形时，凸面朝向物方；第四镜片为正光焦度的镜片，采用非球面。通过上述设计，能够保证在大孔径、大视场角度下满足成像品质，并且具有畸变小的技术效果。

Description

一种近红外镜头

技术领域

本发明涉及一种近红外镜头，具体的说是涉及一种由四组镜片组成的大孔径、广角、小畸变的近红外镜头。

背景技术

现有的数码产品用的光学镜头一般都是采用普通的光学镜头，视角小，成像质量不高。采用广角镜头可以克服这种缺点，但普通的广角镜头存在的最大问题是物体的成像在经镜头的光学作用后，会有影像歪曲的现象，由于过去仅有球面玻璃，为了补正成像的歪曲收差（或称为桶装变形，即是成像中越接近边缘，影像越会有扩张及直线弯曲成弧线的现象），需要加装多片新月形负镜片或新月形正镜片在镜头的前端才能消除这种收差。普通的广角镜头在镜头视角80度时，需要8至10片镜片，在镜头视角100度以上，需要10至12片以上，造成镜头太长且重量增加。可见普通的广角镜头，尤其是近红外广角镜头，结构复杂，另外还存在着相对孔径一般都比较小的现象。

随着光学塑胶材料的进步及非球面镜片的制造技术普及化，便有许多小型且轻量化的镜头出现。尤其是使用非球面镜片之后，镜头视角80度时，只需要3至4片镜片，镜头视角100度时，仅需要4至5片镜片，镜头视角120度以上时，仅需要5至6片镜片，可见光学镜头正在向小型且轻量化发展。

如果镜头的镜片数太少，恐无法提供较佳成像质量。为了保证成像质量，很多专利都提供了4片镜片组成的镜头，比如在专利号CN200610138436.2、CN200710111925.3、CN200710201438.6、CN200810305113.7、CN200910302836.6等中。这些镜头都采用了第一镜片为正光焦度的镜片的结构，其他镜片在设计上各有不同。

但是可以发现，这些镜头在广角方面效果还相对较差，并且图像失真的问题也无法克服。并且，这些专利并没有考虑到温度变化对镜头的影响。因为现代光学仪器通常要求能在一个较宽的环境温度范围内具有稳定的性能,需要对系统进行消热差设计。光学系统的消热差设计是通过一定的补偿技术,使光学系统在一个较宽的温度范围内保持成像质量不变,通常有三种方法:机械主动式、机械被动式和光学被动式。作为光学仪器中最常见的镜头，为了实现消热差，一般也是从以上三种方法入手，但这些方法使得镜头结构更加复杂，造成成本升高、镜头体积变大等问题，对便携式的镜头的要求是不符合的。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的技术目的在于克服现有技术中近红外镜头的缺点，提供一种具有简单的镜片结构，能实现大孔径、广角、小畸变的近红外镜头。

为了实现上述技术目的，本发明通过下面的技术方案实现：

一种近红外镜头，该镜头沿光轴从物方到像方依次由四组镜片组成，第一镜片为负光焦度的弯月形镜片，凸面朝向物方，采用非球面；第二镜片为正或负光焦度的弯月形镜片，凸面朝向像方；第三镜片为正光焦度的双凸形、平凸形或弯月形镜片，平凸或弯月形时，凸面朝向物方；第四镜片为正光焦度的镜片，采用非球面。

优选，所述近红外镜头满足下述的关系式：

①-0.5<f/f1<-0.2

其中f1为第一镜片的焦距，f为整个系统的焦距；

②|f2|>|f1|

其中|f1|为第一镜片的焦距的绝对值，|f2|为第二镜片的焦距的绝对值；

③f4>f3

其中f3为第三镜片的焦距，f4为第四镜片的焦距;

④0.2<f/f3<0.6

其中f3为第三镜片的焦距，f为整个系统的焦距。

通过确定上述焦距关系，可以明显改善镜头的光学性能，诸如大孔径、广角、小畸变等。

优选，所述近红外镜头还包括光阑，所述光阑位于所述第二镜片和第三镜片之间。

进一步，所述近红外镜头满足下述的关系式：

0<dn3/dt<10^-5,-10^-3<dn1/dt<-5×10^-5,-10^-3<dn2/dt<-5×10^-5

其中dn1/dt为第一个镜片的折射率相对的温度变化量；

其中dn2/dt为第二个镜片的折射率相对的温度变化量；

其中dn3/dt为第三个镜片的折射率相对的温度变化量。

优选，所述第三镜片为玻璃镜片，所述第一、二和四镜片为塑料镜片。

优选，所述近红外镜头还包括滤光片，所述滤光片设置在第二镜片和第三镜片之间。

此外，各镜片的位置固定。

本发明采用不同外形的镜片组合以及利用光焦度分配实现了大孔径、广角、小畸变的功能，可以达到FNO<1，视场角>90度，畸变<5%。进而，通过对各镜片的焦距关系限制在特定范围，可以使光学性能更加优异。进一步地，通过限制dn/dt的关系，可以有效地实现消热差效果。

附图说明

通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是本发明所涉及的近红外镜头的实施例1具体结构示意图；

图2是本发明实施例1中近红外镜头25℃时的轴上色差图；

图3是本发明实施例1中近红外镜头25℃时的像散图；

图4是本发明实施例1中近红外镜头25℃时的畸变图；

图5是本发明实施例1中近红外镜头25℃时的倍率色差图；

图6是本发明实施例1中近红外镜头25℃时的FFT MTF图；

图7是本发明实施例1中近红外镜头5℃时的FFT MTF图；

图8是本发明实施例1中近红外镜头50℃时的FFT MTF图；

图9是本发明实施例2中近红外镜头25℃时的轴上色差图；

图10是本发明实施例2中近红外镜头25℃时的像散图；

图11是本发明实施例2中近红外镜头25℃时的畸变图；

图12是本发明实施例2中近红外镜头25℃时的倍率色差图；

图13是本发明实施例2中近红外镜头25℃时的FFT MTF图；

图14是本发明实施例2中近红外镜头5℃时的FFT MTF图；

图15是本发明实施例2中近红外镜头50℃时的FFT MTF图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

图1是本发明所涉及的近红外镜头的实施例1的具体结构示意图。

如图所示，本发明的近红外镜头主要由四组镜片组成，沿光轴从物方到像方依次包括四组镜片，第一镜片E1为负光焦度的弯月形镜片，凸面朝向物方，采用非球面；第二镜片E2为正光焦度的弯月形镜片，凸面朝向像方；第三镜片E3为正光焦度的平凸形镜片，凸面朝向物方；第四镜片E4为正光焦度的镜片，采用非球面。

此外，在第二镜片E2和第三镜片E3之间，还设置有滤光片E5和光阑E6。依靠滤光片E5以及光阑E6的设计，能够降低整体镜片的主光线的入射角度，从而比较容易地消除了因为光线的波长偏移而造成的各种亮度问题，提高整体成像的光学品质。并且，所述以上各镜片的位置是固定的，各镜片不可移动。

进一步地，所述第三镜片E3为玻璃镜片，所述第一镜片E1、第二镜片E2和第四镜片E4均为塑料镜片。通过采用玻塑混合的结构，可以克服消热差。并且所述镜片需要满足下列的表达式：

dn1/dt=dn2/dt=-1.022×10^-4，dn3/dt=4.65×10^-6

其中dn1/dt为第一镜片E1的折射率相对的温度变化量；

其中dn2/dt为第二镜片E2的折射率相对的温度变化量；

其中dn3/dt为第三镜片E3的折射率相对的温度变化量。下面参照图表对上述发明的技术效果进行描述，以使得本发明的上述特征和优点更加清楚和容易理解。

在具体实施例1中，各个镜片的焦距如下：

f1=-9.06；f2=31.46；f3=8.69；f4=11.21；f=3.03。

沿光轴平行从物方将各个部件依次编号，第一镜片E1的镜面为S1、S2，第二镜片E2的镜面为S3、S4,滤光片E5的镜面为S5、S6，光阑的面是S7，第三镜片E3的镜面是S8、S9,第四镜片E4的镜面是S10、S11,芯片保护玻璃E7的镜面是S12、S13,像面的面为S14。

表1、表2列出的是具体实施例1的镜片的相关参数，包含镜片面的表面类型、曲率半径，还有各镜片的厚度、材料、有效径以及圆锥系数。

系统参数：1/3＂感光器件光圈值1.0

表1

面序号S	表面类型	曲率半径R	厚度D	材料	有效径D	圆锥系数K
							物面	球面	无穷	1500		3212.67
S1	非球面	11.3542	1.5	1.531/56.0	12.70	0.0811
							S2	非球面	3.1964	6.3628		8.49	-0.6338
S3	非球面	-5.7885	4.575	1.531/56.0	6.92	-0.3649
							S4	非球面	-5.4490	0.0919		8.78	-0.4237
S5	球面	无穷	0.0832		7.73
							S6	球面	无穷	0.7	1.517/64.2	7.87
S7	球面	无穷	0.1264		8.15
							S8	球面	7.1267	3.6	1.804/46.6	9.30
S9	球面	-145.1524	3.1342		9.30
							S10	非球面	-49.7950	1.85	1.585/29.9	6.97	164.1206
S11	非球面	-5.7482	0.9399		7.31	-5.7634
							S12	球面	无穷	0.75	1.517/64.2	6.91
S13	球面	无穷	1.19		6.75
							S14	球面	无穷			6.16

表2是实施例1的非球面镜片的非球面高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16。

表2

面序号

A4

A6

A8

A10

A12

A14

A16

S1

2.3362E-03

-1.2134E-04

2.5030E-06

-2.4976E-08

7.9173E-11

-5.4554E-13

1.6517E-14

S2

4.3314E-03

1.7707E-04

-4.2477E-05

2.1039E-06

-4.3143E-08

-7.1926E-11

-1.9559E-11

S3

-1.7167E-03

-4.8984E-05

-5.4706E-06

2.5763E-08

-6.0404E-09

-6.6963E-11

4.2800E-11

S4

-1.7078E-04

-7.2242E-06

-3.5677E-07

3.4687E-08

-6.5824E-10

-8.8487E-12

2.0660E-13

S10

-4.4378E-03

-2.3426E-05

-2.2179E-05

1.7702E-06

4.3139E-09

3.0210E-10

-8.5061E-11

S11

-1.5712E-03

-1.5702E-04

1.1127E-05

-2.2575E-07

1.8733E-08

-4.5588E-10

3.6891E-12

图2至图8为具体实施例1相对应的光学性能曲线图。图2至图5分别表征了本发明的近红外镜头的色差、像散、畸变和倍率色差等特征，从图中可以清楚地看出本发明的实施例1的近红外镜头在色差、像散和畸变等方面得到明显改善，成像品质大大提高。图6至图8为具体实施例1相对应的FFT MTF图，用以反映消热差特征。从图6至图8中可以清楚看出，本实施例1的近红外镜头具有良好的消热差性能。

下面进一步地介绍实施例2的近红外镜头。实施例2的近红外镜头同样采用了四组镜片，各镜片的屈光度、构型、布局与实施例1的近红外镜头相同，但各镜片的具体参数是完全不同的。

实施例2的近红外镜头的各镜片的焦距如下：

f1=-6.80；f2=23.53；f3=6.53；f4=8.47；f=2.27。

实施例2的近红外镜头同样采用玻塑混合的结构，实现克服消热差。并且所述镜片满足下列的表达式：

dn1/dt=dn2/dt=-1.022×10^-4，dn3/dt=4.65×10^-6

表3、表4列出的是具体实施例2的镜片的相关参数，包含镜片面的表面类型、曲率半径，还有各镜片的厚度、材料、有效径以及圆锥系数。

系统参数：1/4＂感光器件光圈值1.0

表3

面序号S	表面类型	曲率半径R	厚度D	材料	有效径D	圆锥系数K
							物面	球面	无穷	1500		3115.62
S1	非球面	8.5032	1.1252	1.531/56.0	9.84	0.0828
							S2	非球面	2.3964	4.7657		6.32	-0.6341
S3	非球面	-4.3405	3.4350	1.531/56.0	5.20	-0.3716
							S4	非球面	-4.0844	0.0687		6.61	-0.4228
S5	球面	无穷	0.0638		5.79
							S6	球面	无穷	0.7	1.517/64.2	5.90
S7	球面	无穷	0.0993		6.13
							S8	球面	5.3498	2.7057	1.804/46.6	7.00
S9	球面	-108.9019	2.3504		7.00

表4是实施例2的非球面镜片的非球面高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16。

表4

面序号

A4

A6

A8

A10

A12

A14

A16

S1

5.5384E-03

-5.1121E-04

1.8756E-05

-3.3284E-07

1.8796E-09

-2.2949E-11

1.2341E-12

S2

1.0293E-02

7.4501E-04

-3.1815E-04

2.8033E-05

-1.0201E-06

-3.0668E-09

-1.4562E-09

S3

-4.0494E-03

-2.0569E-04

-4.0892E-05

3.3903E-07

-1.4268E-07

-3.0926E-09

3.2054E-09

S4

-4.0971E-04

-3.1534E-05

-2.7005E-06

4.6058E-07

-1.5426E-08

-3.8711E-10

1.5480E-11

S10

-1.0552E-02

-1.0399E-04

-1.6711E-04

2.3516E-05

1.0864E-07

1.4125E-08

-6.4622E-09

S11

-3.7581E-03

-6.7061E-04

8.2684E-05

-3.0586E-06

4.4467E-07

-1.9207E-08

2.0274E-10

S10	非球面	-37.1690	1.3898	1.585/29.9	5.24	166.7381
							S11	非球面	-4.3382	0.0750	5.51	-5.7898
S12	球面	无穷	0.75	1.517/64.2	5.21
							S13	球面	无穷	1.4021	5.05
S14	球面	无穷			4.54

图9至图15为具体实施例2相对应的光学性能曲线图。图9至图12分别表征了实施例2的近红外镜头的色差、像散、畸变和倍率色差等特征，从图中可以清楚地看出本发明的实施例2的近红外镜头在色差、像散和畸变等方面得到明显改善，成像品质大大提高。图13至图15为具体实施例2相对应的FFT MTF图，用以反映消热差特征。从图13至图15中可以清楚看出，本实施例2的近红外镜头具有良好的消热差性能。

以上各光学性能的曲线图中的数据表示，本发明近红外镜头具有较好的光学效果，实现了实现大孔径、广角、小畸变、消热差。

上述表格中的具体参数仅仅是例示性的，各镜片成分曲率半径、面间隔、以及折射率的值等，不限于由上述实施例各数值所示出的值，可以采用其他的值，都可以达到类似的技术效果。

虽然上面针对近红外镜头描述了本发明的原理以及具体实施方式，但是在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，而并非用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种近红外镜头，该镜头沿光轴从物方到像方依次由四组镜片组成，第一镜片为负光焦度的弯月形镜片，凸面朝向物方，采用非球面；第二镜片为正或负光焦度的弯月形镜片，凸面朝向像方；第三镜片为正光焦度的双凸形、平凸形或弯月形镜片，平凸或弯月形时，凸面朝向物方；第四镜片为正光焦度的镜片，采用非球面；所述近红外镜头满足下述的关系式：

0.2<f/f3<0.6

其中f3为第三镜片的焦距，f为整个系统的焦距。

2.根据权利要求1所述的近红外镜头，其特征在于，所述近红外镜头满足下述的关系式：

①-0.5<f/f1<-0.2

其中f1为第一镜片的焦距，f为整个系统的焦距；

②|f2|>|f1|

③f4>f3

其中f3为第三镜片的焦距，f4为第四镜片的焦距。

3.根据权利要求1或2所述的近红外镜头，其特征在于，所述近红外镜头还包括光阑，所述光阑位于所述第二镜片和第三镜片之间。

4.根据权利要求1或2所述的近红外镜头，其特征在于，所述近红外镜头满足下述的关系式：

0<dn3/dt<10^-5,-10^-3<dn1/dt<-5×10^-5,-10^-3<dn2/dt<-5×10^-5

其中dn1/dt为第一个镜片的折射率相对的温度变化量；

其中dn2/dt为第二个镜片的折射率相对的温度变化量；

其中dn3/dt为第三个镜片的折射率相对的温度变化量。

5.根据权利要求1所述的近红外镜头，其特征在于，所述第三镜片为玻璃镜片，所述第一、二和四镜片为塑料镜片。

6.根据权利要求1所述的近红外镜头，其特征在于，所述近红外镜头还包括滤光片，所述滤光片设置在第二镜片和第三镜片之间。

7.根据权利要求1所述的近红外镜头，其特征在于，各镜片的位置固定。