CN104216094B

CN104216094B - 一种光学镜头

Info

Publication number: CN104216094B
Application number: CN201310212990.0A
Authority: CN
Inventors: 邱欣周
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: CN104216094A

Abstract

本发明提供了一种光学镜头，包括第一镜组及第二镜组，所述第一镜组包括同轴且自物方至像方依次排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第二镜组包括排列在第三透镜后的第四透镜和第五透镜，所述第一透镜为具有正屈光度的双凸透镜，所述第二透镜为具有正屈光度且凸面朝向物方的凸凹透镜，所述第三透镜为具有负屈光度且平面朝向物方的平凹透镜，所述第四透镜为具有正屈光度的双凸透镜，所述第五透镜为具有负屈光度且凹面朝向物方的凹凸透镜。本发明提供的光学镜头，在夜晚或光照条件较差的环境下具有良好的成像质量，而且能适应外界环境较大的温度变化，保持稳定的性能。

Description

一种光学镜头

技术领域

本发明涉及一种光学器件，尤其涉及一种近红外光学镜头。

背景技术

目前，在许多办公场地、道路、甚至汽车上都安装了监控摄像头，这些监控摄像头在白天或光照充足的条件下成像质量尚可，但是在夜晚或在光照条件欠佳的情况下，摄像头的成像质量不高，图像不够清晰，不易识别细节特征。

而且，现在市场上的摄像头，特别是车载摄像头，并没有过多的考虑温度变化对摄像头的影响，如若外界环境出现较大的温度变化，会对监控摄像头的成像质量造成较大的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有问题之一，提供一种光学镜头，该成像镜头在夜晚具有良好成像质量，而且在较大的环境温度变化范围内可保持稳定的性能。

本发明提供一种光学镜头，包括第一镜组及第二镜组，所述第一镜组包括同轴且自物方至像方依次排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第二镜组包括排列在第三透镜后的第四透镜和第五透镜，所述第一透镜为具有正屈光度的双凸透镜，所述第二透镜为具有正屈光度且凸面朝向物方的凸凹透镜，所述第三透镜为具有负屈光度且平面朝向物方的平凹透镜，所述第四透镜为具有正屈光度的双凸透镜，所述第五透镜为具有负屈光度且凹面朝向物方的凹凸透镜；

所述光学镜头还满足1.5<|f₁|/f<2.0,0.7<|f₂|/f<0.9,0.3<|f₃|/f<0.5,0.4<|f₄|/f<0.6,0.8<|f₅|/f<0.9，其中第一至第五透镜的焦距分别为f₁、f₂、f₃、f₄、f₅，光学镜头的焦距为f。

本发明提供的光学镜头，通过上述透镜组合及透镜参数的限制，在尽可能的缩短镜组总长，减小镜头体积的基础上，提高了镜头的相对孔径，在夜晚或光照条件较差的环境下也具有良好的成像质量，而且能适应外界环境较大的温度变化，保持稳定的性能。

附图说明

图1是本发明实施例一光学镜头的结构示意图；

图2是本发明实施例一光学镜头的场曲和畸变示意图；

图3是本发明实施例一光学镜头的色差示意图；

图4是本发明实施例一光学镜头温度为-30℃时的MTF（光学传递函数）图；

图5是本发明实施例一光学镜头温度为20℃时的MTF（光学传递函数）图；

图6是本发明实施例一光学镜头温度为85℃时的MTF（光学传递函数）图；

图7是本发明实施例二光学镜头的场曲和畸变示意图；

图8是本发明实施例二光学镜头的色差示意图；

图9是本发明实施例二光学镜头温度为-30℃时的MTF（光学传递函数）图；

图10是本发明实施例二光学镜头温度为20℃时的MTF（光学传递函数）图；

图11是本发明实施例二光学镜头温度为85℃时的MTF（光学传递函数）图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种光学镜头，包括第一镜组100及第二镜组200，所述第一镜组100包括同轴且自物方至像方依次排列的第一透镜110、第二透镜120和第三透镜130，所述第二镜组200包括排列在第三透镜130后的第四透镜210和第五透镜220，所述第一透镜110为具有正屈光度的双凸透镜，所述第二透镜120为具有正屈光度且凸面朝向物方的凸凹透镜，所述第三透镜130为具有负屈光度且平面朝向物方的平凹透镜，所述第四透镜210为具有正屈光度的双凸透镜，所述第五透镜220为具有负屈光度且凹面朝向物方的凹凸透镜；

在本发明中，通过上述透镜组合及透镜参数的限制，在尽可能的缩短镜组总长，减小镜头体积的基础上，提高了镜头的相对孔径，在夜晚或光照条件较差的环境下具有良好的成像质量，而且能适应外界环境较大的温度变化，保持稳定的性能。

具体的，本发明通过对第一至第五透镜焦距的限制，使镜头的光焦度分配匀称，各透镜的光入射角较小，减小了高级像差的产生，有助于提升镜头的成像质量。

为了使光学系统在一定温度范围内具有良好的成像质量，设计时必须考虑光学系统消热差情况，即考虑条件式：

式中，h₁为第一近轴光线在第一透镜的高度，h_i为第一近轴光线在第i个透镜的高度，为镜头系统的光焦度，为第i个透镜的光焦度，a_h为外部机械结构的线膨胀系数，L为调节部位的机械结构长度。

上述条件式的意义在于：镜头总焦距相对于温度的变化量与系统调节机构的伸缩变化量大小大致相等，符号相反时，镜头具有被动补偿消热差的效果。

对式（1）进一步简化，得到：

根据透镜的焦距理论，有

所以，当时，可认为镜头具有较好的消热差性能，一般地，金属调节机构其热膨胀系数a_h为2.36x10^-5/℃，L可视为系统后焦长，r₁，r₂为透镜的曲率半径。本发明提供的光学镜头各透镜的焦距在符合前述限制条件下，满足式（2），在较大温度变化范围内可保持良好稳定成像质量。

所述第一透镜110为具有正屈光度的球面透镜，包括第一表面和第二表面，其中第一表面为凸面，朝向于物方，第二表面为凸面，朝向于像方。

第二透镜120为具有正屈光度的球面透镜，包括第三表面和第四表面，其中第三表面为凸面，朝向于物方，第四表面为凹面，朝向于像方。

第三透镜130为具有负屈光度的球面透镜，包括第五表面和第六表面，其中第五表面为平面,朝向于物方，第六表面为凹面，朝向于像方。

第四透镜210为具有正屈光度的球面透镜，包括第七表面和第八表面，其中第七表面为凸面，朝向于物方，第八表面为凸面，朝向于像方。

第五透镜220为具有负屈光度的球面透镜，包括第九表面和第十表面，其中第九表面为凹面，朝向于物方，第十表面为凸面，朝向于像方。

进一步，所述光学镜头满足1.4<F₁/F₂<3.8，其中，所述第一镜组100的焦距为F₁，所述第二镜组200的焦距为F₂。如此可减小整个镜片系统的高级球差，同时保证具有较长的镜头后焦，为后续镜头模组装配留下足够的空间，方便组装。

进一步，所述光学镜头满足1.5<n₁<1.6,1.6<n₂<1.7,1.75<n₃<1.95,1.6<n₄<1.7,1.5<n₅<1.6，其中第一至第五透镜的折射率分别为n₁、n₂、n₃、n₄、n₅。

所述光学镜头满足50<v₁<60,50<v₂<60，20<v₃<30,50<v₄<60,50<v₅<60，其中第一至第五透镜的阿贝系数分别为v₁、v₂、v₃、v₄、v₅。

本发明通过合理分配镜组内各个镜片折射率以及阿贝系数，可有效校正镜头的色差，令镜头在近红外波段具有较宽的工作光谱宽度，提高镜头在夜间环境下的成像质量。

所述成像镜头还包括光阑300，所述光阑300位于第二透镜120与第三透镜130之间，用于控制通过镜片的光通量。

所述成像镜头还设有滤光片400，所述滤光片400位于第五透镜220和成像面500之间。滤光片400是具有滤光作用平板玻璃，平板玻璃至少一透光表面镀覆近红外增透膜，有助于近红外光线通过，提高该镜头在近红外光波段的成像质量。

本发明提供的成像镜头，第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130、第四透镜210及第五透镜220均为玻璃镜片，玻璃镜片在较大温度变化的环境下不易发生形变，有利于保持镜头稳定的性能。

下面再通过两个实施例，提供两份参数，以使技术人员能更加清楚地知晓本发明的优点。

实施例一

本实施例提出了光学镜头的相关参数，具体如下：

表1镜面参数

如图1所示，在本实施例中，光学镜头的参数如下：

其中，f₁=30.69mm，f₂=14.40mm，f₃=-7.81mm，f₄=9.73mm，f₅=-14.82mm，镜头的焦距f=18.00mm。f₁|/f=1.71；|f₂|/f=0.8；|f₃|/f=0.43；|f₄|/f=0.54；|f₅|/f=0.82。满足1.5<|f₁|/f<2.0,0.7<|f₂|/f<0.9,0.3<|f₃|/f<0.5,0.4<|f₄|/f<0.6,0.8<|f₅|/f<0.9。

第一镜组100的焦距为F₁=28.61，第二镜组200的焦距为F₂=19.23，F₁/F₂=1.49，满足关系式1.4<F₁/F₂<3.8。

所得到的镜头总长TTL为22.75mm，镜片系统光圈F_NO=1.43，具有较大的相对孔径，保证足够多的光线进入，提高成像质量。

a_hL=4.72×10^-5/℃

当温度变化范围85-（-30）=115℃时，镜头系统的焦面总变动量为1.26133×10^-6×115=0.145um，而根据光学系统成像焦深理论，本实施例系统镜头焦深为2×λ×F_NO ²=2*0.85um*1.43*1.43=3.4733um,其中λ为光的波长，镜头系统的焦面总变动量远小于镜头焦深，在可接受范围内，故可认为系统具有良好的消热差。

图2是实施例一成像镜头的场曲和光学畸变图，场曲越小越直就越好，反应在成像上，成像面上成像质量都一致，不会出现某一点或某一处模糊现象；畸变越小越好，反应在成像上，一条直线不会出现弯曲现象；场曲和畸变在实际生产制作过程中不可能为零，只能越小越好。

从图2可看出，本实施例的光学镜头，场曲小于0.10mm，光学畸变小于2%，反映了该镜头整体像面各处放大率均匀，画面比例匹配实景，具有较好的光学性能。

从表1中可看出，本实施例的光学镜头各透镜的折射率和阿贝系数在本发明限制范围内，可有效校正镜头的色差，令镜头在近红外波段具有较宽的工作光谱宽度，提高镜头在夜间环境下的成像质量。

图3为本发明实施例一光学镜头的光学色差图，镜头的艾利斑直径为3um，从图中可知本实施例光学镜头的色差小于艾利斑直径，可见镜头的色差得到良好校正。

图4、5、6是本发明实施例一成像镜头分别在-30℃、20℃、85℃下的调制传递函数（Modulation Transfer Function，简称MTF）曲线图，图中横轴表示空间频率，单位：线对每毫米（lp/mm）；纵轴表示调制传递函数（MTF）的数值，所述MTF的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0-1，MTF曲线越高越直表示镜头的成像质量越好，对真实图像的还原能力越强。

从图中可得知，满足本发明限制条件得到的光学镜头在-30℃、20℃、85℃的温度条件下，其光学传递函数MTF在130lp/mm处均在0.25以上，说明在较大温度变化情况下，本实施例的光学镜头依然具有较佳对比度和良好的成像质量，能适应外界环境较大的温度变化，保持稳定的性能。

实施例二

本实施例提出了光学镜头的相关参数，具体如下：

表2镜面参数

如图1所示，在本实施例中，光学镜头的参数如下：

其中，f₁=31.22mm，f₂=15.41mm，f₃=-7.06mm，f₄=8.70mm，f₅=-15.47mm，镜头的焦距f=18.10mm。|f₁|/f=1.73；|f₂|/f=0.85；|f₃|/f=0.39；|f₄|/f=0.48；|f₅|/f=0.85。满足1.5<|f₁|/f<2.0,0.7<|f₂|/f<0.9,0.3<|f₃|/f<0.5,0.4<|f₄|/f<0.6,0.8<|f₅|/f<0.9。

第一镜组100的焦距为F₁=36.90，第二镜组200的焦距为F₂=13.70，F₁/F₂=2.69，满足关系式1.4<F₁/F₂<3.8。

所得到的镜头总长TTL为23.61mm，镜片系统光圈F_NO=1.43，具有较大的相对孔径，保证足够多的光线进入，提高成像质量。

a_hL=3.73×10^-5/℃

当温度变化范围85-（-30）=115℃时，镜头系统的焦面总变动量3.13832×10^-6×115=0.36um，而根据光学系统成像焦深理论，本实施例系统焦深为2×λ×F_NO ²=2*0.85*1.43*1.43=3.4733um,其中λ为光的波长，镜头系统的焦面总变动量远小于镜头焦深，在可接受范围内，故可认为系统具有良好的消热差。

图7是本发明实施例二成像镜头的场曲和光学畸变图，场曲越小越直就越好，反应在成像上，成像面上成像质量都一致，不会出现某一点或某一处模糊现象；畸变越小越好，反应在成像上，一条直线不会出现弯曲现象；场曲和畸变在实际生产制作过程中不可能为零，只能越小越好。

从图7可看出，本实施例的光学镜头，场曲小于0.10mm，光学畸变小于2%，反映了该镜头整体像面各处放大率均匀，画面比例匹配实景，具有较好的光学性能。

从表2中可看出，本实施例的光学镜头各透镜的折射率和阿贝系数在本发明限制范围内，可有效校正镜头的色差，令镜头在近红外波段具有较宽的工作光谱宽度，提高镜头在夜间环境下的成像质量。

图8为本发明实施例二光学镜头的光学色差图，镜头的艾利斑直径为3um，从图中可知本实施例光学镜头的色差小于艾利斑直径，可见镜头的色差得到良好校正。

图9、10、11是本发明实施例二成像镜头分别在-30℃、20℃、85℃下的调制传递函数（Modulation Transfer Function，简称MTF）曲线图，图中横轴表示空间频率，单位：线对每毫米（lp/mm）；纵轴表示调制传递函数（MTF）的数值，所述MTF的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0-1，MTF曲线越高越直表示镜头的成像质量越好，对真实图像的还原能力越强。

从上述的实施例可看出，本发明提供的光学镜头，通过透镜组合及透镜参数的限制，在尽可能的缩短镜组总长，减小镜头体积的基础上，提高了镜头的相对孔径，在夜晚或光照条件较差的环境下具有良好的成像质量，而且能适应外界环境较大的温度变化，保持稳定的性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光学镜头，包括第一镜组及第二镜组，所述第一镜组包括同轴且自物方至像方依次排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第二镜组包括排列在第三透镜后的第四透镜和第五透镜，所述第一透镜为具有正屈光度的双凸透镜，所述第二透镜为具有正屈光度且凸面朝向物方的凸凹透镜，所述第三透镜为负屈光度透镜，所述第四透镜为具有正屈光度的双凸透镜，所述第五透镜为具有负屈光度且凹面朝向物方的凹凸透镜，其特征在于，所述第三透镜为平面朝向物方的平凹透镜，所述光学镜头还满足1.5<|f₁|/f<2.0, 0.7<|f₂|/f<0.9, 0.3<|f₃|/f<0.5, 0.4<|f₄|/f<0.6, 0.8<|f₅|/f<0.9，其中第一至第五透镜的焦距分别为f₁、f₂、f₃、f₄、f₅，光学镜头的焦距为f 。

2.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足1.4<F₁/F₂<3.8，其中，所述第一镜组的焦距为F₁，所述第二镜组的焦距为F₂。

3.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足1.5<n₁<1.6, 1.6<n₂<1.7, 1.75<n₃<1.95, 1.6<n₄<1.7, 1.5<n₅<1.6，其中第一至第五透镜的折射率分别为n₁、n₂、n₃、n₄、n₅。

4.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足50 <v₁<60, 50<v₂<60，20<v₃<30, 50<v₄<60, 50<v₅<60，其中第一至第五透镜的阿贝系数分别为v₁、v₂、v₃、v₄、v₅。

5.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，还包括光阑，所述光阑位于第二透镜与第三透镜之间。

6.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，还包括滤光片，所述滤光片位于第五透镜之后。

7.如权利要求6所述的光学镜头，其特征在于，所述滤光片上镀有近红外增透膜。

8.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜为玻璃镜片。