CN105807402A - 一种近红外光学镜头组 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种近红外光学镜头组，其特征在于：沿光轴从物面侧至像面侧依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜；其中一孔径光阑置于物面侧与第二透镜之间；第一透镜具有正折光力，且其物面为凸表面，材料为塑胶或玻璃；第二透镜具有负折光力，且其物面为凹表面，材料为塑胶或玻璃；第三透镜具有正折光力，且其物面为凹表面、像面为凸表面，材料为塑胶；近红外光学镜头组满足成像光学波长范围包括790nm～880nm。该种结构的镜头组具有较好的红外光成像性能。同时通过采用塑胶镜片与玻璃镜片搭配或是全塑胶镜片组成光学镜头组，从而降低近红外光学镜头组的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学镜头组，尤其涉及一种近红外光学镜头组。
背景技术
红外系统比雷达系统的分辨率高，隐蔽性好，且不易受电子干扰，较之可见光系统具有能识别伪装、可昼夜工作、受天气影响较小等优点因而得到广泛应用。红外摄像机是应用在夜间，通过红外光源发出人们肉眼看不到的红外光线去照射被拍摄的物体，然后感光芯片接收被摄物反射的红外光形成图像的设备，所以红外摄像机可拍摄到黑暗环境下、白天明亮处但肉眼看不到的影像。也因此不论军用或民用范围，红外摄像机都广泛应用在了安防、监控等领域中。红外系统分为近红外和远红外系统。除夜视监控应用，近红外摄像机还可用于人眼虹膜识别。人眼虹膜能够反射特定波段的近红外光，通过增透虹膜反射的红外光线成像，结合识别算法，可以使得虹膜摄像设备在白天即使人带着眼镜也能进行识别。
以往的近红外镜头采用玻璃球面镜片组成，但球面镜头的光学畸变改善在一定程度上被限制，因此非球面镜头成为主流。然而新的问题又导致了近红外镜头无法规模量产，那就是玻璃非球面镜头制造成本过于高昂。
发明内容
本发明提出了一种近红外光学镜头组，该种结构的镜头组具有较好的红外光成像性能。同时通过采用塑胶镜片与玻璃镜片搭配或是全塑胶镜片组成光学镜头组，从而降低近红外光学镜头组的生产成本。本发明披露的近红外光学镜头组针对性增强近红外光波段的成像效果，可用于夜视监控、人眼虹膜识别等，降低的成本优势有助于这些应用的发展。
本发明披露的近红外光学镜头组结构，其特征在于：沿光轴从物面侧至像面侧依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜；其中一孔径光阑置于物面侧与第二透镜之间；第一透镜具有正折光力，且其物面为凸表面，材料为塑胶或玻璃；第二透镜具有负折光力，且其物面为凹表面，材料为塑胶或玻璃；第三透镜具有正折光力，且其物面为凹表面、像面为凸表面，材料为塑胶；近红外光学镜头组满足成像光学波长范围包括790nm～880nm。
进一步的，所述近红外光学镜头组满足：TTL≤4.5mm；其中，TTL是所述近红外光学镜头组的总高。
进一步的，所述近红外光学镜头组满足：f＞4.2mm；其中，f是所述近红外光学镜头组的有效焦距。
进一步的，所述近红外光学镜头组满足：RImin＞0.70；其中，RImin是所述近红外光学镜头组的最小归一化相对照度值。
进一步的，所述近红外光学镜头组满足：FOV＜45°；其中，FOV是所述近红外光学镜头组的系统视场角。
进一步的，所述近红外光学镜头组满足：FNO≤3.5；其中，FNO是所述近红外光学镜头组的光圈数值。
进一步的，所述近红外光学镜头组可采用近红外光学增透薄膜。其采用的增透膜增透的光波段包括770nm-900nm波段。
选择不同的参数来优化，如总高、焦距、视场角、光圈等，本发明披露的镜头组可以基于基本结构实现微型化，更大进光量及放大率等特化，从而满足特殊应用的需求。
附图说明
图1为本发明第一个实施例的近红外光学镜头组结构示意图
图2为本发明第一个实施例的近红外光学镜头组场曲和畸变曲线示意图
图3为本发明第一个实施例的近红外光学镜头组MTF(调制传递函数)曲线评价示意图
图4为本发明第一个实施例的近红外光学镜头组结构的归一化相对照度示意图
图5为本发明第二个实施例的近红外光学镜头组结构示意图
图6为本发明第二个实施例的近红外光学镜头组场曲和畸变曲线示意图
图7为本发明第二个实施例的近红外光学镜头组MTF(调制传递函数)曲线评价示意图
图8为本发明第二个实施例的近红外光学镜头组结构的归一化相对照度示意图
图9为本发明第二个实施例的近红外光学镜头组在可见光光源下的MTF(调制传递函数)曲线评价示意图
具体实施方式
本发明披露的一种近红外光学镜头组结构如下：沿光轴从物面侧至像面侧依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜；其中一孔径光阑置于物面侧与第二透镜之间。这里孔径光阑的位置决定镜头组的进光量和景深，应用中可以通过调整其位置来达到客户需求。
所述第一透镜具有正折光力，且其物面为凸表面，此设计可保证足够的进光量。
所述第二透镜具有负折光力，可以起到平衡镜头组的折光力的作用，从而减小场曲。第二透镜物面为凹表面，能够控制镜头组内光线的发散性。第一透镜和第二透镜材料可以为塑胶或玻璃，采用塑胶材料时可以降低镜头组成本。非球面的设计可以矫正像散和球差。
所述第三透镜具有正折光力，且其物面为凹表面、像面为凸表面，这样的结构设计可以矫正高级像差，延长焦距。材料使用塑胶，使得非球面成型更容易。所述近红外光学镜头组的成像光学波长控制在一定范围内，如790nm～880nm，才能配合光源实现夜视监控等功能。
具体的，当所述近红外光学镜头组满足关系式TTL≤4.5mm时，镜头组体积越小，自由度更高，可以应用于便携设备中。
近红外光学镜头组满足以下关系式：f＞4.2mm。此时，镜头组的放大率更能符合虹膜识别应用需求。
当满足关系式RImin＞0.70时，所述近红外光学镜头组相对照度表现能够充分利用到光源的能量，保证边缘成像区域的像质。
所述近红外光学镜头组满足关系式：FOV＜45°，此时，镜头组成像像素利用率提高，可协助降低后端算法应用的调整难度，提高运算速率，体验感提升。
近红外光学镜头组满足关系式：FNO≤3.5；此时，镜头组的进光量和景深更平衡，适合于夜视监控和虹膜识别应用需求。
所述近红外光学镜头组还可采用近红外光学增透薄膜，增透膜增透光波段为770nm-900nm，此时镜头组可省去滤光片，作为一个“双通道”器件使用。
本发明披露的近红外光学镜头组结构中，透镜的透镜面可采用球面设计和非球面设计。采用非球面设计时，非球面系数可由但不仅限于下列非球面特性方程定义：
其中，X是在非球面上距离光轴距离为Y的点到子午面在非球面上的顶点之间的相对距离，Y是非球面曲点到光轴的距离，R代表了透镜表面的曲率半径，k代表了圆锥系数，Ai代表了每个透镜面第i阶非球面系数。在实施例中，i可以是2,4,6,8,10,12,14但不局限于该范围。
根据上述实施方式，以下给出具体的实施例，配合附图作进一步的详细说明，但是本发明的结构不仅限于以下实施例。
图1给出了本发明第一个实施例的红外光学镜头组光学结构示意图，沿光轴从物面侧到像面侧依次为第一透镜11、孔径光阑10、第二透镜12、第三透镜13、红外滤光片G以及成像面14，其中，第二透镜12为玻璃材质，第一透镜11、第三透镜13为塑胶材质。
其中第一透镜11具有正折光力，且其物面101为凸表面，像面102为平面。
第二透镜12具有负折光力，且其物面103在为凹表面，像面104在近轴区域为平面。
第三透镜13具有负折光力，且其物面105为凹表面，像面106为凸表面。
C为镜头组光学性能主光线。红外滤光片G为红外带通滤光片，可降低或滤除可见光和远红外光等其他光波，增透近红外光波，使成像面能够接收到更强的光信号。
图2为第一个实施例的红外光学镜头组的场曲和畸变图。场曲图中的纵坐标为像高Y，横坐标偏移量越小说明镜头组光学性能之一的场曲表现越好。畸变图中的纵坐标为像高Y，横坐标为畸变值，合格的光学系统其畸变应小于2％。本实施例畸变最大值为1.1％，符合需求。
图3为第一个实施例的红外光学镜头组的MTF(调制传递函数)曲线，该图反映了镜头组在特定光波长范围内解析力的优劣。MTF曲线越平滑、数值越高，镜头组的解析力越好。本实施例的镜头组在790nm-880nm光波长范围内解析力表现优秀，可以用于以810nm为主波长的光源系统中。
图4为第一个实施例的红外光学镜头组的相对照度曲线，RImin为最小照度值。在本实施例中，RImin为0.718，出现于最大视场即最大像高处。最大像高为1.75mm。RImin达到0.58以上可确认为优秀的光学系统，所以本实施例镜头组可判定为优秀。
表1-1和表1-2是第一个实施例的红外光学镜头组参数和非球面系数的详细信息，结合表格可说明实施例。表1-1中f是所述近红外光学镜头组的有效焦距，TTL是所述近红外光学镜头组的总高，RImin是所述近红外光学镜头组的最小归一化相对照度值，FOV是所述近红外光学镜头组的系统视场角，FNO是所述近红外光学镜头组的光圈数值。满足非球面特性方程的非球面系数信息详细的列入了表1-2中，其中A4到A14分别为第4阶到第14阶非球面系数，k代表了圆锥系数。本发明中所有实施例的表格都采用了相同的参数定义，往后不再重申。
表1-1：
表1-2：
图5给出了本发明第二个实施例的红外光学镜头组光学结构示意图，沿光轴从物面侧到像面侧依次为第一透镜21、孔径光阑20、第二透镜22、第三透镜23以及成像面24，其中，第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23均为塑胶材质。
其中第一透镜21具有正折光力，且其物面201为凸表面，像面202为凹表面。
第二透镜22具有负折光力，且其物面203在为凹表面，像面204在近轴区域为凸表面。
第三透镜23具有负折光力，且其物面205为凹表面，像面206为凸表面。
C为镜头组光学性能主光线。本实施例中没有红外滤光片G，可通过镜片光学镀膜，采用近红外光增透膜增透近红外光，同时也通过可见光，使成像面能够接收到更强的光信号。增透膜有效波段可设计为750nm-900nm,大于镜头的有效光谱范围。
图6为第二个实施例的红外光学镜头组的场曲和畸变图。场曲图中的纵坐标为像高Y，横坐标偏移量越小说明镜头组光学性能之一的场曲表现越好。畸变图中的纵坐标为像高Y，横坐标为畸变值，合格的光学系统其畸变应小于2％。本实施例畸变最大值为1.57％，符合需求。
图7为第二个实施例的红外光学镜头组的MTF(调制传递函数)曲线，该图反映了镜头组在特定光波长范围内解析力的优劣。MTF曲线越平滑、数值越高，镜头组的解析力越好。本实施例的镜头组在790nm-880nm光波长范围内解析力表现优秀，可以用于以850nm为主波长的光源系统中。
图8为第二个实施例的红外光学镜头组的相对照度曲线，RImin为最小照度值。在本实施例中，RImin为0.77，出现于最大视场即最大像高处。最大像高为1.75mm。RImin达到0.58以上可确认为优秀的光学系统，所以本实施例镜头组可判定为优秀。
表2-1和表2-2是第一个实施例的红外光学镜头组参数和非球面系数的详细信息，结合表格可说明实施例。
表2-1：
表2-2：
图9为本发明第二个实施例的近红外光学镜头组在可见光光源下的MTF(调制传递函数)曲线评价示意图。可见光波段为380nm-780nm,光源主波长为550nm,对比图7可知，本发明披露的近红外镜头组可作为“双通道”镜头使用，尤其在近红外波段的成像质量最佳，可见光波段的曲线有震荡，且下滑较快，成像质量已经大幅下降，但在特定应用中仍可以作为普通可见光成像系统。一般情况下本发明披露的近红外镜头组主要工作于近红外波段。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (8)
1.一种近红外光学镜头组，其特征在于：沿光轴从物面侧至像面侧依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜；其中一孔径光阑置于物面侧与第二透镜之间；
所述第一透镜具有正折光力，且其物面为凸表面，材料为塑胶或玻璃；
所述第二透镜具有负折光力，且其物面为凹表面，材料为塑胶或玻璃；
所述第三透镜具有正折光力，且其物面为凹表面、像面为凸表面，材料为塑胶；所述近红外光学镜头组满足成像光学波长范围包括790nm~880nm。
2.根据权利要求1所述的近红外光学镜头组，其特征在于所述近红外光学镜头组还满足以下关系式：TTL≤4.5mm；
其中，TTL是所述近红外光学镜头组的总高。
3.根据权利要求1所述的近红外光学镜头组，其特征在于：所述近红外光学镜头组还满足以下关系式：f＞4.2mm；
其中，f是所述近红外光学镜头组的有效焦距。
4.根据权利要求1所述的近红外光学镜头组，其特征在于：所述近红外光学镜头组还满足以下关系式：
RImin＞0.70；
其中，RImin是所述近红外光学镜头组的最小归一化相对照度值。
5.根据权利要求1所述的近红外光学镜头组，其特征在于：所述近红外光学镜头组还满足以下关系式：
FOV＜45°；
其中，FOV是所述近红外光学镜头组的系统视场角。
6.根据权利要求1所述的近红外光学镜头组，其特征在于所述近红外光学镜头组还满足以下关系式：
FNO≤3.5；
其中，FNO是所述近红外光学镜头组的光圈数值。
7.根据权利要求1所述的近红外光学镜头组，其特征在于：所述近红外光学镜头组采用近红外光学增透薄膜。
8.根据权利要求6所述的近红外光学镜头组，其特征在于：所述近红外光学镜头组增透膜增透的光波段包括770nm-900nm波段。
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