CN106547074B - 一种红外鱼眼镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外鱼眼镜头，涉及光学系统技术领域；包括沿红外鱼眼镜头的光轴由物侧依次排列至像侧的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜；第一透镜的凸面朝向物侧，且第一透镜具有一负光焦度；第二透镜的凹面朝向物侧，且第二透镜具有一正光焦度；第三透镜的凹面朝向物侧，且第三透镜具有一正光焦度；第四透镜的凸面朝向物侧，且第四透镜具有一正光焦度；第五透镜的凹面朝向物侧，且第五透镜具有一正光焦度；红外鱼眼镜头的位置设置符合下述公式：0＜f*(n‑1)(FNO*R1)＜1。上述技术方案的有益效果是：分辨率高、灵敏度高等特点，能够应用于管道检测、防火监视以及温度分布检测等领域。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域，尤其涉及一种红外鱼眼镜头。
背景技术
现有技术中的鱼眼镜头，其视场角(通常以FOV表示)一般大于180°，通常达到220°或230°。一般普通监控镜头视场角在60°左右，如果需要大范围监控就需要安装好几个监控镜头才能实现监控区域的覆盖,导致设备材料需求量大，成本增加。而鱼眼镜头由于其视场角度大，可以轻松实现全景监控，有效避免“漏监”现象，可广泛应用于超市、银行、商场等机构。
另一方面，一般的鱼眼镜头通常采用3片或者3片以上的镜片方案，例如中国专利CN201420435434.X中公开的鱼眼镜头，其中采用了4片镜片的设计方案，F数为2，系统总长超过150mm，因此造成整个鱼眼镜头体积较大、成本过高等问题，并且现有的鱼眼镜头的探测器属于比较老的45微米像元探测器，其分辨率较低、灵敏度较差。
发明内容
根据现有技术中存在的上述问题，现提供一种红外鱼眼镜头的技术方案，旨在使得红外鱼眼镜头具有较高的分辨率和灵敏度，并可应用于管道检测、防火监视以及温度分布检测等领域。
上述技术方案具体包括：
一种红外鱼眼镜头，其中，包括沿所述红外鱼眼镜头的光轴由物侧依次排列至像侧的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜；
所述第一透镜的凸面朝向所述物侧，且所述第一透镜具有一负光焦度；
所述第二透镜的凹面朝向所述物侧，且所述第二透镜具有一正光焦度；
所述第三透镜的凹面朝向所述物侧，且所述第三透镜具有一正光焦度；
所述第四透镜的凸面朝向所述物侧，且所述第四透镜具有一正光焦度；
所述第五透镜的凹面朝向所述物侧，且所述第五透镜具有一正光焦度；
所述红外鱼眼镜头的位置设置符合下述公式：
0＜f*(n-1)(FNO*R1)＜1；
其中，
f用于表示所述红外鱼眼镜头的焦距；
n用于表示所述第一透镜所用材料的中心波长折射率；
FNO用于表示所述红外鱼眼镜头的F数；
R1用于表示所述第一透镜的凹面的近似曲率半径。
优选的，该红外鱼眼镜头，其中，所述第一透镜以及所述第二透镜的位置设置符合下述公式：
2＜|f(12)/f|＜7；
其中，
f(12)用于表示所述第一透镜和所述第二透镜的组合焦距。
优选的，该红外鱼眼镜头，其中，所述第四透镜以及所述第五透镜的位置设置符合下述公式：
2＜|f(45)/f|＜4；
其中，
f(45)用于表示所述第四透镜和所述第五透镜的组合焦距。
优选的，该红外鱼眼镜头，其中，所述第五透镜的位置设置符合下述公式：
2＜BFL/f＜4；
其中，
BFL用于表示所述第五透镜的凸面上最靠近所述像侧的点至所述像侧的成像面的距离。
优选的，该红外鱼眼镜头，其中，所述红外鱼眼镜头的镜头视角大于180度。
优选的，该红外鱼眼镜头，其中，于所述第二透镜和所述第三透镜之间还设置一光阑。
优选的，该红外鱼眼镜头，其中，所述光阑设置在所述第三透镜的凹面的外表面上。
优选的，该红外鱼眼镜头，其中，所述红外鱼眼镜头为工作于8-14μm的长波红外鱼眼镜头。
优选的，该红外鱼眼镜头，其中，所述第一透镜的凹面、所述第二透镜的凸面、所述第四透镜的凹面以及所述第五透镜的凸面均为非球面。
优选的，该红外鱼眼镜头，其中，所述第一透镜和所述第四透镜分别采用单晶锗制成。
优选的，该红外鱼眼镜头，其中，所述第二透镜、所述第三透镜和所述第五透镜分别采用硫系玻璃制成。
上述技术方案的有益效果是：提供一种红外鱼眼镜头，具有分辨率高、灵敏度高等特点，能够应用于管道检测、防火监视以及温度分布检测等领域。
附图说明
图1是本发明的较佳的实施例中，一种红外鱼眼镜头的结构示意图；
图2是本发明的较佳的实施例中，应用上述红外鱼眼镜头的色差曲线示意图；
图3是本发明的较佳的实施例中，应用上述红外鱼眼镜头的像散曲线示意图；
图4是本发明的较佳的实施例中，应用上述红外鱼眼镜头的畸变曲线示意图；
图5是本发明的较佳的实施例中，应用上述红外鱼眼镜头的调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种红外鱼眼镜头，该红外鱼眼镜头的具体结构如图1所示，包括沿红外鱼眼镜头的光轴Z由物侧依次排列至像侧B的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜4、第四透镜5以及第五透镜6；
上述第一透镜1的凸面11朝向物侧，且第一透镜1具有一负光焦度，即该第一透镜1为如图1所示的负弯月透镜；
上述第二透镜2的凹面21朝向物侧，且第二透镜2具有一正光焦度，即该第二透镜2为如图1所示的正弯月透镜；
上述第三透镜4的凹面41朝向物侧，且第三透镜4具有一正光焦度，即该第三透镜4为如图1所示的正弯月透镜；
上述第四透镜5的凸面51朝向物侧，且第四透镜5具有一正光焦度，即该第四透镜5为如图1所示的正弯月透镜；
上述第五透镜6的凹面61朝向物侧，且第五透镜6具有一正光焦度，即该第五透镜6为如图1所示的正弯月透镜。
具体地，上述红外鱼眼镜头的位置设置符合下述公式：
0＜f*(n-1)(FNO*R1)＜1； (1)
其中，
f用于表示红外鱼眼镜头的焦距；
n用于表示第一透镜所用材料的中心波长折射率；
FNO用于表示红外鱼眼镜头的F数；
R1用于表示第一透镜的凹面的近似曲率半径。
具体地，本发明的较佳的实施例中，上述红外鱼眼镜头采用5片镜片构成，入射光通过第一透镜1和第二透镜2，经由光阑3、第三透镜4、第四透镜5和第五透镜6最后到达像侧B的成像面B1上。
本发明的较佳的实施例中，上述第一透镜1以及第二透镜2的位置设置符合下述公式：
2＜|f(12)/f|＜7； (2)
其中，
f(12)用于表示第一透镜1和第二透镜2的组合焦距。
本发明的较佳的实施例中，上述第四透镜5以及第五透镜6的位置设置符合下述公式：
2＜|f(45)/f|＜4； (3)
其中，
f(45)用于表示第四透镜5和第五透镜6的组合焦距。
本发明的较佳的实施例中，上述第五透镜6的位置设置符合下述公式：
2＜BFL/f＜4； (4)
其中，
BFL用于表示第五透镜6的凸面62上最靠近像侧的点至像侧B的成像面的距离。
本发明的较佳的实施例中，上述红外鱼眼镜头的视场角大于180度，即FOV＞180°。
本发明的较佳的实施例中，仍然如图1中所示，上述红外鱼眼镜头中还包括一光阑3，该光阑3设置在第二透镜2和第三透镜4之间。
具体地，本实施例中，上述光阑3可以被设置在第三透镜4的凹面41的外表面上，因此可以达到最新的17μm的探测器的高分辨率像质要求，从而使得本发明的红外鱼眼镜头能够应用最新的17μm的探测器，提升分辨率以及灵敏度。
则本实施例中，如图1中所示：
D1用于表示第一透镜1的中心厚度；
D2用于表示第一透镜1和第二透镜2之间的距离；
D3用于表示第二透镜2的中心厚度；
D4用于表示第二透镜2和第三透镜4之间的距离；
D5用于表示第三透镜4的中心厚度；
D6用于表示第三透镜4和第四透镜5之间的距离；
D7用于表示第四透镜5的中心厚度；
D8用于表示第四透镜5和第五透镜6之间的距离；
D9用于表示第五透镜6的中心厚度；
D10用于表示第五透镜6和探测器窗口A之间的距离；
D11是探测器窗口A的中心厚度；
D12是探测器窗口A和像侧B的成像面之间的距离。
本发明的较佳的实施例中，上述红外鱼眼镜头为长波红外鱼眼镜头。
本发明的较佳的实施例中，如图1中所示，上述红外鱼眼镜头中，上述第一透镜1的凹面12、第二透镜2的凸面22、第四透镜5的凹面52以及第五透镜6的凸面62均为非球面。该红外鱼眼镜头中的其他面(第一透镜1的凸面11、第二透镜2的凹面21、第三透镜4的凹面41和凸面42、第四透镜5的凸面51以及第五透镜6的凹面61)均可以为非球面也可以为球面。
进一步地，本发明的较佳的实施例中，上述非球面的设置需要满足下述公式：
其中，
Z(Y)用于表示非球面沿红外鱼眼镜头的光轴Z在高度为Y的位置时，距离非球面顶点的距离矢高Sag；
R用于表示镜面的近轴曲率半径；
k用于表示圆锥系数conic；
A、B、C和D均为高次非球面系数。
本发明的一个较佳的实施例中：
上述红外鱼眼镜头的光学元件参数可见下表1：
| 面序号 | 面型 | 半径(mm) | 间距(mm) | 材料 | 口径(mm) |
| 11 | 球面 | 24.68 | 3.5 | 单晶锗 | 38 |
| 12 | 非球面 | 10.49 | 12.45 | 23.6 | |
| 21 | 球面 | -102.234 | 2.5 | 硫系玻璃 | 15.2 |
| 22 | 非球面 | -42.706 | 4.16 | 17 | |
| 41 | 球面 | -23.263 | 2 | 硫系玻璃 | 6 |
| 42 | 球面 | -21.559 | 1.93 | 9 | |
| 51 | 球面 | 30.755 | 2 | 单晶锗 | 14 |
| 52 | 非球面 | 47.855 | 2.94 | 12 | |
| 61 | 球面 | -53.65 | 4.5 | 硫系玻璃 | 15 |
| 62 | 非球面 | -13.327 | 8.17 | 18 | |
| IMA | 平面 | infinity |
表1
由上表1中可以得知，上述第一透镜1和第四透镜5均可以采用单晶锗制成，上述第二透镜2、第三透镜4以及第五透镜6均可以采用硫系玻璃制成。上述硫系玻璃在3-14μm的厚度时具有较为良好的透过率，其透明区域能够覆盖三个大气窗口，并且在加工方式上可以选择抛光以及车削等方式，因此制成硫系玻璃时能够实现高精度模压，在批量生产时具有极大的成本优势。
同样根据上表1中红外镜头的光学结构数据，下表2中的非球面数据以及上述公式(5)可以得到本实施例中红外鱼眼镜头中各个镜片的非球面的Z(Y)。
| 非球面 | K | A | B | C | D |
| 12 | -0.433650 | -5.857797E-005 | 5.495127E-007 | -3.925817E-009 | 1.501587E-011 |
| 22 | 0 | 1.271116E-004 | -2.143895E-006 | 2.801973E-008 | -1.288883E-010 |
| 52 | 0 | 1.151140E-004 | -3.389978E-006 | 1.029790E-007 | -9.895261E-010 |
| 62 | 0 | 1.095541E-004 | -3.540637E-008 | -7.644398E-010 | -2.869647E-011 |
表2
则本实施例中，上述红外鱼眼镜头的衍射面62(第五透镜6的凸面62)满足下述公式：
其中，
φ用于表示衍射面对入射波不同位置的相位延迟；
ρ＝r/ri，ri用于表示上述衍射面的规划半径，Ai用于表示上述衍射面的相位系数。
则本实施例中，根据下表3的衍射面数据对上述公式(6)进行计算。
| 衍射面 | 规划半径 | 相位系数A1 | 相位系数A2 | 相位系数A3 | 相位系数A4 |
| 62 | 10 | -67.024218 | 61.436218 | -134.912496 | 97.707620 |
表3
附图2-5分别示出了本实施例中红外鱼眼镜头的光学特性曲线，其中：
图2为本实施例中红外鱼眼镜头的色差曲线示意图，由8μm、10μm以及12μm三个波长来表示，该示意图的单位为mm。
图3为本实施例中红外鱼眼镜头的像散曲线示意图，同样由8μm、10μm以及12μm三个波长来表示，该示意图的单位为mm。
图4为本实施例中红外鱼眼镜头的畸变曲线示意图，其中标示了不同视场角下的畸变大小值，单位为％。
图5为本实施例中红外鱼眼镜头的MTF曲线示意图，该示意图表示该红外鱼眼镜头光学系统的综合解像水平，从该示意图中可以看到本发明的红外鱼眼镜头满足最新的17μm的探测器所要求达到的30线对分辨率。
从上述图2-5中可以看到，本发明的红外鱼眼镜头可以补足各种像差，从而使得该红外鱼眼镜头满足各类实用要求，例如管道检测、防火监视以及温度分布检测等应用的要求。、
本发明的其他实施例中的红外鱼眼镜头同样能够满足17μm探测器所要求达到的30线对分辨率，并且能够满足各类实用要求，其光学特性曲线示意图不再一一于附图中展示。
本发明的另一个较佳的实施例中：
上述红外鱼眼镜头的光学元件参数可见下表4：
表4
根据上述表4中的数据、下表5中本实施例的非球面数据以及上述公式(5)可以处理得到本实施例中红外鱼眼镜头中各个镜片的非球面的Z(Y)。
| 非球面 | K | A | B | C | D |
| 12 | -0.433650 | -6.805028E-006 | 2.105283E-007 | -1.091938E-009 | 9.540092E-012 |
| 22 | 0 | 1.005532E-004 | -1.130805E-006 | 1.262004E-008 | 1.366356E-011 |
| 52 | 0 | 7.774784E-005 | -1.674459E-006 | 3.278077E-008 | -2.734834E-010 |
| 62 | 0 | 7.413678E-005 | -2.038164E-008 | -1.713102E-010 | 5.037903E-012 |
表5
最后，根据下表6中本实施例中的衍射面数据对上述公式(6)进行计算。
| 衍射面 | 规划半径 | 相位系数A1 | 相位系数A2 | 相位系数A3 | 相位系数A4 |
| 62 | 11.55 | -71.215024 | 48.509774 | -181.109866 | 183.367916 |
表6
本发明的另一个较佳的实施例中：
上述红外鱼眼镜头的光学元件参数可见下表7：
表7
根据上述表7中的数据、下表8中本实施例的非球面数据以及上述公式(5)可以处理得到本实施例中红外鱼眼镜头中各个镜片的非球面的Z(Y)。
| 非球面 | K | A | B | C | D |
| 12 | -3.521941E-001 | 4.617937E-006 | 1.041804E-007 | -8.972523E-010 | 6.852117E-012 |
| 22 | 0 | 1.037385E-004 | -4.743014E-007 | 2.377704E-008 | -1.441702E-010 |
| 52 | 0 | 3.414451E-005 | -1.289256E-006 | 2.033581E-008 | -1.635463E-010 |
| 62 | 0 | 6.358492E-005 | 8.043142E-008 | 5.741124E-009 | -1.661262E-011 |
表8
最后，根据下表9中本实施例中的衍射面数据对上述公式(6)进行计算。
| 衍射面 | 规划半径 | 相位系数A1 | 相位系数A2 | 相位系数A3 | 相位系数A4 |
| 62 | 10 | -50.616197 | 32.878119 | -87.797974 | 91.939940 |
表9
本发明的另一个较佳的实施例中：
上述红外鱼眼镜头的光学元件参数可见下表10：
表10
根据上述表10中的数据、下表11中本实施例的非球面数据以及上述公式(5)可以处理得到本实施例中红外鱼眼镜头中各个镜片的非球面的Z(Y)。
| 非球面 | K | A | B | C | D |
| 12 | -2.620346E-001 | 3.419192E-005 | 7.108815E-008 | 1.511207E-009 | 9.021295E-012 |
| 22 | 0 | 6.528748E-005 | 5.995693E-007 | -7.455320E-009 | 4.169224E-010 |
| 52 | 0 | -1.306839E-005 | -3.187299E-007 | 3.512843E-010 | 2.075828E-012 |
| 62 | 0 | 7.642633E-005 | 5.512957E-007 | -4.216000E-009 | 1.641566E-010 |
表11
最后，根据下表12中本实施例中的衍射面数据对上述公式(6)进行计算。
| 衍射面 | 规划半径 | 相位系数A1 | 相位系数A2 | 相位系数A3 | 相位系数A4 |
| 62 | 10 | -34.144670 | -47.160431 | 162.539035 | -151.122080 |
表12
应当注意的是，上文中虽然给出了四个具体实施例以及其中包括的红外鱼眼镜头的光学结构参数，但是上述具体实施例中的参数仅仅是示例性的，作用在于方便对本发明中的红外鱼眼镜头的光学结构进行理解，并非由上述四个具体实施例及其中包括的具体参数来限定本发明的保护范围，任何能够达到本发明中红外鱼眼镜头的类似技术效果的参数取值均应当被纳入本发明的保护范围中。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (11)
1.一种红外鱼眼镜头，其特征在于，包括沿所述红外鱼眼镜头的光轴由物侧依次排列至像侧的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜；
所述第一透镜的凸面朝向所述物侧，所述第一透镜的凹面朝向所述像侧，且所述第一透镜具有一负光焦度；
所述第二透镜的凹面朝向所述物侧，所述第二透镜的凸面朝向所述像侧，且所述第二透镜具有一正光焦度；
所述第三透镜的凹面朝向所述物侧，所述第三透镜的凸面朝向所述像侧，且所述第三透镜具有一正光焦度；
所述第四透镜的凸面朝向所述物侧，所述第四透镜的凹面朝向所述像侧，且所述第四透镜具有一正光焦度；
所述第五透镜的凹面朝向所述物侧，所述第五透镜的凸面朝向所述像侧，且所述第五透镜具有一正光焦度；
所述红外鱼眼镜头设置符合下述公式：
0＜f*(n-1)(FNO*R1)＜1；
其中，
f用于表示所述红外鱼眼镜头的焦距；
n用于表示所述第一透镜所用材料的中心波长折射率；
FNO用于表示所述红外鱼眼镜头的F数；
R1用于表示所述第一透镜的凹面的曲率半径。
2.如权利要求1所述的红外鱼眼镜头，其特征在于，所述第一透镜以及所述第二透镜设置符合下述公式：
2＜|f(12)/f|＜7；
其中，
f(12)用于表示所述第一透镜和所述第二透镜的组合焦距。
3.如权利要求1所述的红外鱼眼镜头，其特征在于，所述第四透镜以及所述第五透镜设置符合下述公式：
2＜|f(45)/f|＜4；
其中，
f(45)用于表示所述第四透镜和所述第五透镜的组合焦距。
4.如权利要求1所述的红外鱼眼镜头，其特征在于，所述第五透镜设置符合下述公式：
2＜BFL/f＜4；
其中，
BFL用于表示所述第五透镜的凸面上最靠近所述像侧的点至所述像侧的成像面的距离。
5.如权利要求1所述的红外鱼眼镜头，其特征在于，所述红外鱼眼镜头的镜头视角大于180度。
6.如权利要求1所述的红外鱼眼镜头，其特征在于，于所述第二透镜和所述第三透镜之间还设置一光阑。
7.如权利要求6所述的红外鱼眼镜头，其特征在于，所述光阑设置在所述第三透镜的凹面的外表面上。
8.如权利要求1所述的红外鱼眼镜头，其特征在于，所述红外鱼眼镜头为工作于8-14μm的长波红外鱼眼镜头。
9.如权利要求1所述的红外鱼眼镜头，其特征在于，所述第一透镜的凹面、所述第二透镜的凸面、所述第四透镜的凹面以及所述第五透镜的凸面均为非球面。
10.如权利要求1所述的红外鱼眼镜头，其特征在于，所述第一透镜和所述第四透镜分别采用单晶锗制成。
11.如权利要求1所述的红外鱼眼镜头，其特征在于，所述第二透镜、所述第三透镜和所述第五透镜分别采用硫系玻璃制成。
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