CN103257431B - 一种红外识别镜头光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外识别镜头光学成像系统，在像平面前从物侧开始同一光轴上顺序包括，具有负折射光焦度以及弯月形状的第一透镜，第一透镜面向物侧的第一曲面为凸面，背向物侧的第二曲面为凹面；具有正折射光焦度以及半圆形状的第二透镜，第二透镜面向物侧的第一曲面为凹面，背向物侧的第二曲面为凸面；以及滤光片。本发明一种红外识别镜头光学成像系统，能实现大孔径、大视场、高相对照度和小型化，具有优良的光学性能，适用于光学成像系统领域。

Description

一种红外识别镜头光学成像系统

技术领域

本发明涉及成像系统，尤其是一种红外识别镜头光学成像系统。

背景技术

近年来，随着计算机视觉技术的发展，通过对三维空间内的动态目标进行光学探测、跟踪，并对所探测到的动态影像进行实时处理后，进行人机交互应用成为可能。在该方面，典型的创新型产品如体感运动机、体感游戏机、智能电视空间操控器等正逐渐人们的视野。在技术实现上，它们无一例外地都需要通过红外识别镜头来实现红外光学探测，而由于是应用在消费电子产品上，出于对产品性能和价格的要求，该红外识别镜头就需要同时具有小尺寸，大孔径、大视场、高相对照度、低成本的特性。

目前，在光学镜头的设计方面，传统的用于监控安防器材的镜头或者仅只能在可见光照明条件下实现成像，或者兼顾可见、红外光谱波段，但均是由光学玻璃镜片组成的镜头，镜头结构复杂，最低端的小视场镜头需由3-4片光学玻璃镜片组成，高端的大视场镜头光学玻璃镜片更是多达12片以上，导致体积大、重量大、成本高，而且通光孔径不够大，不适应低照度环境。因此这类镜头无论从外型尺寸、性能，还是性能方面均不符合要求。

而目前的便携移动设备，如手机、笔记本电脑、平板电脑上的拍照镜头，虽然结合了非球面塑胶光学技术，实现了镜头的小型化和低成本的需求，但因为追求小尺寸及高像素成像质量的原因，而导致存在视场小、通光孔径小的缺陷，因而也不符合要求。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种红外识别镜头光学成像系统，能实现大孔径、大视场、高相对照度和超小型化，具有优良的光学性能。

为实现上述目的，本发明一种红外识别镜头光学成像系统，从在像平面前从物侧开始同一光轴上顺序包括：具有负折射光焦度以及弯月形状的第一透镜，所述第一透镜面向物侧的第一曲面为凸面，背向物侧的第二曲面为凹面；具有正折射光焦度以及半圆形状的第二透镜，所述第二透镜面向物侧的第一曲面为凹面，背向物侧的第二曲面为凸面；以及滤光片。

进一步，第一透镜的焦距满足：

1.7＜|f1/f|＜5

其中，f1是所述第一透镜的焦距，并且f为红外识别镜头光学成像系统的总焦距。

进一步，第二透镜的焦距满足：

0.7＜f2/f＜1.7

其中，f2是所述第二透镜的焦距，并且f为红外识别镜头光学成像系统的总焦距。

进一步，第一透镜和第二透镜的焦距之间满足：

|f1|＞f2

其中，f1是所述第一透镜的焦距，f2是所述第二透镜的焦距。

进一步，滤光片为近红外波段的窄带、带通或可见光截止滤光片。

进一步，第一透镜和/或第二透镜是塑胶镜片。

进一步，第一透镜和第二透镜为非球面透镜。

进一步，第一透镜和第二透镜的全部曲面的非球面均满足下面的等式：

$Z=\frac{{\mathrm{Ch}}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)C^2{h}^2}}+{\mathrm{Ah}}^2+B{h}^4+C{h}^6+D{h}^8+E{h}^{10}+F{h}^{12}+G{h}^{14}+{\mathrm{Hh}}^{16}$

其中Z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，C表示曲面顶点的曲率，K表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，A、B、C、D、E、F、G、H分别表示二阶、四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶、十六阶曲面系数。

进一步，还包括位于第一透镜和第二透镜之间且处于同一光轴上的孔径光阑。

进一步，孔径光阑到第二透镜的距离小于所述孔径光阑到第一透镜的距离。

本发明一种红外识别镜头光学成像系统，在像平面前从物侧开始同一光轴上顺序包括：具有负折射光焦度以及弯月形状的第一透镜、具有正折射光焦度以及半圆形状的第二透镜和滤光片。其中，第一透镜面向物侧的第一曲面为凸面，背向物侧的第二曲面为凹面，第二透镜面向物侧的第一曲面为凹面，背向物侧的第二曲面为凸面，使得该红外识别镜头光学成像系统能实现大孔径、大视场、高相对照度和小型化，具有优良的光学性能。

附图说明

图1是本发明第一实施例的光学结构示意图；

图2是图1中所示的第一实施例的点列图；

图3是图1中所示的第一实施例的场曲和畸变曲线图；

图4是图1中所示的第一实施例的MTF曲线图；

图5是图1中所示的第一实施例的相对照明曲线图；

图6是本发明第二实施例的光学结构示意图；

图7是图6中所示的第二实施例的点列图；

图8是图6中所示的第二实施例的场曲和畸变曲线图；

图9是图6中所示的第二实施例的MTF曲线图；

图10是图6中所示的第二实施例的相对照明曲线图。

具体实施方式

图1是本发明第一实施例提供的光学结构示意图。在下述的结构示意图中，为清楚起见，可以放大透镜的厚度、大小和形状，特别地，透镜结构示意图中所示的球面和非球面的形状将仅是示例的，并且不应当解释为被限制于此。

如图1所示，根据本实施例的红外识别镜头光学成像系统，在像平面5前从物侧开始同一光轴上顺序包括：第一透镜1和第二透镜3，第一透镜具有负折射光焦度，呈弯月形状，其面向物侧的第一曲面S2为凸折射面，背向物侧的第二曲面S3为凹折射面，即沿着物侧到像平面的方向，第一透镜1的第一曲面S2和第二曲面S3相比，第一透镜1的第一曲面S2靠近物侧，第一透镜1的第二曲面S3远离物侧。第二透镜3具有正折射光焦度，呈半圆形状，其面向物侧的第一曲面S5为凹折射面，背向物侧的第二曲面S6为凸折射面，即沿着物侧到像平面的方向，第二透镜2的第一曲面S5和第二曲面S6相比，第二透镜3的第一曲面S5靠近物侧，第二透镜3的第二曲面S6远离物侧。第一透镜1和第二透镜3均采用非球面透镜，不仅优化了成像分辨率，减小了成像畸变，提高了成像边缘明亮度，且减小了系统总体尺寸，实现了高探测能力。

根据该实施例，第一透镜1和第二透镜3采用塑料形成。由于用塑料制成的透镜通过注塑制造，所以，即使透镜具有小的曲率半径或外径，也能易于以低成本大规模生产。与需要研磨过程的玻璃制成的透镜相比，促进了成本的降低。

同时，在第二透镜3和成像面5之间提供滤光片4，根据不同领域的应用需求，滤光片4可以选用近红外波段的窄带、带通或可见光截止滤光片。

此外，成像面5是诸如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)的图像传感器图像形成面。

另外，在第一透镜1和第二透镜3之间提供孔径光阑2，通过微调孔径光阑2在第一透镜1和第二透镜3之间的位置，可以保证满足第一透镜1第二透镜3折射光焦度要求的不同焦距组合的系统，均能实现优异的成像质量。

根据该实施例，孔径光阑2在第一透镜1和第二透镜3之间，且孔径光阑2光阑孔面S4相对于第一透镜1，更靠近第二透镜3，从而使得第二透镜3的尺寸更小，同时有更多冗余的设计空间。

通过该整体结构，在下文中，将检查第一透镜1和第二透镜3满足下面关系的操作效果。

第一透镜1的焦距满足：

1.7＜|f1/f|＜5

其中，f1是所述第一透镜的焦距，并且f为红外识别镜头光学成像系统的总焦距。

该条件决定第一透镜1的焦距f1和光学系统的总焦距f之间的比率，即规定第一透镜1的折射光焦度。

第二透镜3的焦距满足：

0.7＜f2/f＜1.7

其中，f2是第二透镜的焦距，并且f为红外识别镜头光学成像系统的总焦距。

该条件决定第二透镜3的焦距f2和光学系统的总焦距f之间的比率，即规定第二透镜3的折射光焦度。

并且，第一透镜1和第二透镜3的焦距之间还满足：

|f1|＞f2

其中，f1是第一透镜1的焦距，f2是第二透镜3的焦距。

接着，将通过具体的数值，更详细地检验本发明。

如上所述，在下述第一和第二实施例中，红外识别镜头光学成像系统在像平面5前从物侧开始同一光轴上顺序包括：第一透镜1和第二透镜3，第一透镜1具有负折射光焦度，其面向物侧的第一曲面S2为凸折射面，背向物侧的第二曲面S3为凹折射面。第二透镜3具有正折射光焦度，其面向物侧的第一曲面S5为凹折射面，背向物侧的第二曲面S6为凸折射面。此外，在第一透镜1和第二透镜3之间设置孔径光阑S4，在第二透镜3和成像面5之间设置滤光片4，诸如选用近红外波段的窄带、带通或可见光截止滤光片。其中，成像面5是诸如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)的图像传感器图像形成面。

同时，从下述等式1获得用在第一、第二实施例中的非球面系数。

等式1

$Z=\frac{{\mathrm{Ch}}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)C^2{h}^2}}+{\mathrm{Ah}}^2+B{h}^4+C{h}^6+D{h}^8+E{h}^{10}+F{h}^{12}+G{h}^{14}+{\mathrm{Hh}}^{16}$

其中Z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，C表示曲面顶点的曲率，K表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，A、B、C、D、E、F、G、H分别表示二阶、四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶、十六阶曲面系数。

此外，在第一、第二实施例的MTF(调制传递函数)由单位为“周期每毫米”的空间频率而定，以及通过光的最大强度(Max)和最小强度(Min)之间的下述等式2定义。

等式2

$\mathrm{MTF}=\frac{\mathrm{Max}-\mathrm{Min}}{\mathrm{Max}+\mathrm{Min}}$

即，MTF越大越理想，而更小的MTF恶化分辨率。

第一实施例

下表1表示根据本发明的第一实施例的红外识别镜头光学成像光学系统的数值。图1是本发明第一实施例的光学结构示意图，以及图2是表1和图1中所示的红外识别镜头光学成像系统的点列图，图3是表1和图1中所示的红外识别镜头光学成像系统的场曲和畸变曲线图，图4是表1和图1中所示的红外识别镜头光学成像系统的MTF曲线图，图5是表1和图1中所示的红外识别镜头光学成像系统的相对照明曲线图。

表1

其中，D表示在光轴方向上，不同表面之间的距离，如表1中的0.98，表示在光轴方向上，第一透镜1的第一曲面S2到第一透镜1的第二曲面S3的距离为0.98mm，如此类推。

根据等式1，在下表2中示出了第一实施例中的非球面系数的值。

表2

表2-A

表2-B

通过实施本实施例，得到的红外识别镜头光学成像系统的焦距f＝1.5mm，光圈数值FNo.＝2.2，视场角FOV＝75°，系统光学总长TOTR＝7.13mm。

下表3中，列出了第一实施例中第一、第二透镜焦距的关系式情况。

表3

关系式	结果
		1.7＜|f1/f|＜5	-5＜f1/f＝-2.76＜-1.7
0.7＜f2/f＜1.7	0.7＜f2/f＝1.153＜1.7
		|f1|＞f2	4.14＞1.73

第二实施例

下表4表示根据本发明的第一实施例的成像光学系统的数值。图6是本发明第二实施例的光学结构示意图，以及图7是表4和图6中所示的红外识别镜头光学成像系统的点列图，图8是表4和图6中所示的红外识别镜头光学成像系统的场曲和畸变曲线图，图9是表4和图6中所示的红外识别镜头光学成像系统的MTF曲线图，图10是表4和图6中所示的红外识别镜头光学成像系统的相对照明曲线图。

表4

其中，D表示在光轴方向上，不同表面之间的距离，如表4中的1.27，表示第一透镜1的第一曲面S2到第一透镜1的第二曲面S3的距离为1.27mm，如此类推。

根据等式1，在下表5中示出了第二实施例中的非球面系数的值。

表5

表5-A

表5-B

通过实施本实施例，得到的红外识别镜头红外识别镜头光学成像系统的焦距f＝2mm，光圈数值FNo.＝2.4，视场角FOV＝75°，系统光学总长TOTR＝9.62mm。

下表6中，列出了第二实施例中第一、第二透镜焦距的关系式情况。

表6

关系式	结果
		1.7＜|f1/f|＜5	-5＜f1/f＝-2.6505＜-1.7
0.7＜f2/f＜1.7	0.7＜f2/f＝1.1855＜1.7
		|f1|＞f2	5.301＞2.371

如上所述，根据本发明的示例性实施例，该红外识别镜头光学成像系统能实现大孔径、大视场、高相对照度和小型化，具有优良的光学性能。

另外，通过采用塑料制作透镜，容易大规模生产更轻和更低成本的红外识别镜头光学成像系统。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种红外识别镜头光学成像系统，在像平面前从物侧开始同一光轴上顺序包括：

具有负折射光焦度以及弯月形状的第一透镜，所述第一透镜面向物侧的第一曲面为凸面，背向物侧的第二曲面为凹面；

具有正折射光焦度以及半圆形状的第二透镜，所述第二透镜面向物侧的第一曲面为凹面，背向物侧的第二曲面为凸面；以及滤光片 ；

所述第一透镜的焦距满足：2.6505≤∣f1/f∣＜5；其中，f1是所述第一透镜的焦距，并且f为红外识别镜头光学成像系统的总焦距；

所述第二透镜的焦距满足：1.153≤f2/f＜1.7；其中，f2是所述第二透镜的焦距，并且f为红外识别镜头光学成像系统的总焦距。

2.根据权利要求1所述的红外识别镜头光学成像系统，其特征在于：所述第一透镜和第二透镜的焦距之间满足：

∣f1∣＞f2

其中，f1是所述第一透镜的焦距，f2是所述第二透镜的焦距。

3.根据权利要求1所述的红外识别镜头光学成像系统，其特征在于：所述滤光片为近红外波段的窄带、带通或可见光截止滤光片。

4.根据权利要求1所述的红外识别镜头光学成像系统，其特征在于：所述第一透镜和/或第二透镜是塑胶镜片。

5.根据权利要求1所述的红外识别镜头光学成像系统，其特征在于：所述第一透镜和第二透镜为非球面透镜。

6.根据权利要求5所述的红外识别镜头光学成像系统，其特征在于：所述第一透镜和第二透镜的全部曲面的非球面均满足下面的等式：

其中Z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，C表示曲面顶点的曲率，K表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，A、B、C、D、E、F、G、H分别表示二阶、四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶、十六阶曲面系数。

7.根据权利要求1所述的红外识别镜头光学成像系统，其特征在于：还包括位于第一透镜和第二透镜之间且处于同一光轴上的孔径光阑。

8.根据权利要求7所述的红外识别镜头光学成像系统，其特征在于：所述孔径光阑到第二透镜的距离小于所述孔径光阑到第一透镜的距离。