CN109471243A - 一种超短ttl红外共焦镜头光学系统 - Google Patents

一种超短ttl红外共焦镜头光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超短TTL红外共焦镜头光学系统，其技术方案的要点是从物侧至像侧依次设置有第一透镜、光阑、第二透镜、第三透镜、第四透镜、滤光片、保护玻璃、感光芯片。第一透镜的焦距为负；第二透镜至第四透镜的焦距均为正；本发明各片透镜采用的凹、凸组合结构，通过选择合适折射率的材料及合理地分配光焦度，可以较好地实现红外共焦，并减小镜头TTL，同时实现温度漂移量小且无紫边。

Description

一种超短TTL红外共焦镜头光学系统
【技术领域】
本发明涉及一种超短TTL红外共焦镜头光学系统。
【背景技术】
红外共焦是目前车载、安防行业提出的光学系统技术规格，是未来市场的发展趋势。然而目前的大部分的用于车载、安防的红外共焦镜头光学系统，普遍存在红外可见离焦量大，很难同时实现白天夜晚成像的高清晰度要求，TTL长度大，不能满足很多车载、安防场合对于光学系统外形的要求，高低温环境下清晰度严重下降，温度漂移大，光学系统在可见光模式下紫边现象严重，外形体积较大。
本发明就是基于这种情况作出的。
【发明内容】
本发明目的是克服了现有技术的不足，提供一种低温漂、无紫边、体积小、红外离焦量小的超短TTL红外共焦镜头光学系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种超短TTL红外共焦镜头光学系统，其特征在于：从物侧至像侧依次设置有第一透镜1、光阑2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、滤光片6、保护玻璃7、感光芯片8；
每个透镜都具有物侧面和像侧面，分别为第一透镜物侧面S1、第一透镜像侧面S2、第二透镜物侧面S3、第二透镜像侧面S4、第三透镜物侧面S5、第三透镜像侧面S6、第四透镜物侧面S7、第四透镜像侧面S8；
第一透镜物侧面S1为凸面，第一透镜像侧面S2为凹面，第一透镜1的焦距为负；
第二透镜物侧面S3为凹面、第二透镜像侧面S4为凸面，第二透镜3的焦距为正；
第三透镜物侧面S5与第三透镜像侧面S6均为凸面，第三透镜4的焦距为正；
第四透镜物侧面S7与第四透镜像侧面S8均为凹面；所述第四透镜5的焦距为正。
如上所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统，其特征在于该光学系统满足以下关系式：
-1.5＜f1/f＜-0.5；
0.5＜f2-4/f＜1.5；
5＜f3-4/f＜15；
2＜TTL/f＜5；
其中，f为该光学系统的焦距，f1为第一透镜1的焦距，f2-4为第二透镜3到第四透镜5的组合焦距，f3-4为第三透镜4和第四透镜5的组合焦距，TTL为该红外共焦镜头的总长。
如上所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统，其特征在于该超短TTL红外共焦镜头满足以下关系式：
Nd1≥1.7；
Nd2≥1.6；
|Nd2－Nd3|≤0.3；
|Nd3－Nd4|≥0.12；
其中，Nd1为第一透镜1的折射率，Nd2为第二透镜3的折射率，Nd3为第三透镜4的折射率，Nd4为第四透镜5的折射率。
如上所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统，其特征在于：所述第一透镜1为非球面透镜，所述的第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5均为球面透镜。
如上所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统，其特征在于：所述球面透镜为玻璃球面透镜，所述非球面透镜为玻璃非球面透镜。
如上所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统，其特征在于该超短TTL红外共焦镜头满足以下关系式：
lens1＜50，lens2＞50；
|lens3－lens4|≥25；
0.5≤lens1/lens2≤1；
其中，lens1为第一透镜1的色散系数，lens2为第二透镜3的色散系数，lens3为第三透镜4的色散系数，lens4为第四透镜5的色散系数。
如上所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统，其特征在于该超短TTL红外共焦镜头满足以下关系式：
(A12+A23)/TTL＜0.2；
0.5＜(T1+T2+T3+T4)/TTL＜0.8；
0.1＜BF/TTL＜0.5；
其中，A12为第一透镜1与第二透镜3之间的空气间隔距离，A23为第二透镜3与第三透镜4之间的空气间隔距离，BF为第四透镜5与感光芯片8之间的空气间隔距离，T1为第一透镜1的中心厚度，T2为第二透镜3的中心厚度，T3为第三透镜4的中心厚度，T4为第四透镜5的中心厚度，TTL为该镜头的总长。
与现有技术相比，本发明有如下优点：
1、本发明各片透镜采用的凹、凸组合结构，通过选择合适折射率的材料及合理地分配光焦度，可以较好地实现红外共焦，并减小镜头TTL，同时实现温度漂移量小且无紫边。
2、本发明选择三片玻璃球面镜片与一片玻璃非球面镜片的结构，通过合理控制各镜片厚度及空气间隔距离，实现TTL短，体积小。
3、本发明具有红外离焦量小、TTL短、温漂小、无紫边、体积小的特点，适合推广应用。
【附图说明】
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例在常温下可见波段的过焦点曲线图；
图3为本发明实施例在常温下红外波段的过焦点曲线图；
图4为本发明实施例在低温-40℃可见波段的过焦点曲线图；
图5为本发明实施例在高温+100℃可见波段的过焦点曲线图；
图6为本发明实施例可见模式435nm的包围圆能量曲线。
图中：1为第一透镜；2为光阑；3为第二透镜；4为第三透镜；5为第四透镜；6为滤光片；7为保护玻璃；8为感光芯片；S1为第一透镜物侧面；S2为第一透镜像侧面、S3为第二透镜物侧面、S4为第二透镜像侧面、S5为第三透镜物侧面、S6为第三透镜像侧面、S7为第四透镜物侧面、S8为第四透镜像侧面；S9为滤光片物侧面；S10为滤光片像侧面；S11为保护玻璃物侧面；S12为保护玻璃像侧面。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明技术特征作进一步详细说明以便于所述领域技术人员能够理解。
如图1至图6所示，一种超短TTL红外共焦镜头光学系统，从物侧至像侧依次设置有第一透镜1、光阑2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、滤光片6、保护玻璃7、感光芯片8；
每个透镜都具有物侧面和像侧面，分别为第一透镜物侧面S1、第一透镜像侧面S2、第二透镜物侧面S3、第二透镜像侧面S4、第三透镜物侧面S5、第三透镜像侧面S6、第四透镜物侧面S7、第四透镜像侧面S8；滤光片6的两面分别为滤光片物侧面S9和滤光片像侧面S10；保护玻璃的两面分别为保护玻璃物侧面S11和保护玻璃像侧面S12。
第一透镜物侧面S1为凸面，第一透镜像侧面S2为凹面，第一透镜1的焦距为负；
第二透镜物侧面S3为凹面、第二透镜像侧面S4为凸面，第二透镜3的焦距为正；
第三透镜物侧面S5与第三透镜像侧面S6均为凸面，第三透镜4的焦距为正。
第四透镜物侧面S7与第四透镜像侧面S8均为凹面，第四透镜5的焦距为负。
本发明各透镜采用凹、凸组合结构及正、负焦距的组合结构，通过合理地分配光焦度，可以较好地减小红外可见离焦量，从而实现红外共焦，同时实现减小温度漂移量，保证镜头在高低温度环境中成像的清晰度不受影响。
如图1所示，在本实施例中，所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统满足以下关系式：
-1.5＜f1/f＜-0.5；
0.5＜f2-4/f＜1.5；
5＜f3-4/f＜15；
2＜TTL/f＜5；
其中，f为该光学系统的焦距，f1为第一透镜1的焦距，f2-4为第二透镜3到第四透镜5的组合焦距，f3-4为第三透镜4和第四透镜5的组合焦距，TTL为该红外共焦镜头的总长。
本发明满足上述各片透镜焦距关系的透镜组合结构，可合理分配各个透镜的光焦度，提高成像清晰度，实现可见红外共焦的同时，减小温度漂移量，并且能缩短光路长度，减小镜头TTL。
如上所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统，该超短TTL红外共焦镜头满足以下关系式：
Nd1≥1.7；
Nd2≥1.6；
|Nd2－Nd3|≤0.3；
|Nd3－Nd4|≥0.12；
其中，Nd1为第一透镜1的折射率，Nd2为第二透镜3的折射率，Nd3为第三透镜4的折射率，Nd4为第四透镜5的折射率。
本发明满足上述各片透镜折射率关系的透镜组合结构，可以比较容易地实现光焦度合理分配，较好地校正球差、场曲、彗差等像差，从而提高可见与红外波段成像清晰度，满足红外共焦要求，同时各透镜折射率随温度变化关系，可以实现较好的温度补偿功能，从而减小温度漂移量，另外，提高第一透镜的折射率，有利于压缩光束与光轴的夹角，减小镜头口径，实现减小镜头体积。
如上所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统，所述第一透镜1为非球面透镜，所述的第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5均为球面透镜。
本发明采用一片非球面镜以及三片球面镜的配合方式，减小了镜片使用数量，通过优化镜片曲率和面型，能较好的校正球差、场曲、像散等像差，从而减小镜头的TTL及体积。
如上所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统，所述球面透镜为玻璃球面透镜，所述非球面透镜为玻璃非球面透镜。
本发明采用玻璃材质的非球面透镜及球面镜，折射率温度系数小，且高低温下热膨胀系数小，可以轻松实现温漂量小的要求，此外，采用玻璃材质的球面透镜，光学透过率高，且硬度高于普通塑胶镜片，更适合镜片需要裸露在外的环境，能满足车载行业对镜头性耐性的高要求。
如上所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统，该超短TTL红外共焦镜头满足以下关系式：
lens1＜50，lens2＞50；
|lens3－lens4|≥25；
0.5≤lens1/lens2≤1；
其中，lens1为第一透镜1的色散系数，lens2为第二透镜3的色散系数，lens3为第三透镜4的色散系数，lens4为第四透镜5的色散系数。
本发明满足上述各片透镜色散系数关系的透镜组合结构，可以实现较好的色差校正能力，从而提高可见与红外波段成像清晰度，实现红外共焦要求，此外，通过选择合适色散系数的玻璃材料，重点优化短波长的色差及弥散斑，实现镜头无紫边。
如上所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统，该超短TTL红外共焦镜头满足以下关系式：
(A12+A23)/TTL＜0.2；
0.5＜(T1+T2+T3+T4)/TTL＜0.8；
0.1＜BF/TTL＜0.5；
其中，A12为第一透镜1与第二透镜3之间的空气间隔距离，A23为第二透镜3与第三透镜4之间的空气间隔距离，BF为第四透镜5与感光芯片8之间的空气间隔距离，T1为第一透镜1的中心厚度，T2为第二透镜3的中心厚度，T3为第三透镜4的中心厚度，T4为第四透镜5的中心厚度，TTL为该镜头的总长。
本发明满足上述尺寸关系的透镜组合结构，在保证镜头光学性能的前提下，能缩短镜头的TTL，减小镜头的外形体积。
在其中一个实施例中，超短TTL红外共焦镜头的焦距f＝3.93mm，相对孔径FNO＝2.4，视场角FOV＝76°，镜头总长仅为TTL＝10.78mm，光学系统中各镜片最大有效口径为3.58mm，整个成品镜头体积较小，所用可见波段为435～656nm，红外波段为900～980nm，各透镜各项具体参数如下表所示：
面编号 半径R 厚度 折射率Nd 阿贝数Vd 口径
物侧 Infinity 500 782.69
*S1 2.696 0.519 1.834 37.285 2.48
*S2 1.483 0.551 1.87
光阑 Infinity 0.072 1.67
S3 -29.041 3.042 1.729 54.669 1.72
S4 -2.494 0.085 3.11
S5 5.201 1.801 1.593 |68.525 3.38
S6、S7 -3.097 1.214 1.755 27.547 3.38
S8 13.174 1 3.58
S9 Infinity 0.3 1.517 64.212 3.94
S10 Infinity 1.694 4.02
S11 Infinity 0.40 1.517 64.212 4.73
S12 Infinity 0.1 4.84
像侧 Infinity - 4.89
在上表中，半径R与厚度的单位均为毫米；标记“*”的面表示非球面，非球面的透镜的面型满足以下关系式：
式中，参数c为透镜半径所对应的曲率，y为径向坐标，径向坐标的单位与透镜长度单位相同，k为圆锥二次曲线系数；当k系数小于-1时，透镜的面形曲线为双曲线，当k系数等于-1时，透镜的面形曲线为抛物线；当k系数介于-1到0之间时，透镜的面形曲线为椭圆，当k系数等于0时，透镜的面形曲线为圆形，当k系数大于0时，透镜的面形曲线为扁圆形；a1至a8分别表示各径向坐标所对应的系数。详细的非球面相关参数如下表所示：
k a<sub>1</sub> a<sub>2</sub> a<sub>3</sub> a<sub>4</sub> a<sub>5</sub> a<sub>6</sub> a<sub>7</sub> a<sub>8</sub>
*S1 0 0 -0.02052125 -0.0063673363 0.00065892072 0 0 0 0
*S2 0 0 -0.019709338 -0.016820616 0.0016206433 0 0 0 0
本发明镜头的光学性能如图2至图6所示，其中图2至图5为本方案中的超短TTL红外共焦镜头的过焦点曲线图，用于评价光学系统在最佳像面位置前后不同位置的解像能力变化情况。
图2曲线表示常温下可见波段的设计结果，图3曲线表示常温下红外波段的设计结果，对比图2与图3曲线，两者峰值对应的横坐标偏移量仅为13um，最佳像面处MTF值均很高，说明红外可见共焦程度较好，离焦量小，从可见光模式切换到红外光模式，无需重新进行对焦，即可获得非常好的成像质量。
图4为低温-40℃可见波段的过焦点曲线图，图5为高温+100℃可见波段的过焦点曲线图，对比图2、图4和图5，可以看出，高低温条件下，后焦偏移量非常小，与常温相比，低温漂移量仅为-4um、高温漂移量仅为+5um，此时，MTF值依然很高，几乎不会对成像效果造成影响，因此在高低温环境下，依然能保持非常好的成像效果。
图6为可见模式435nm的包围圆能量曲线，用于评价指定直径的圆内包围能量的比例，从图中可以看出，本方案中的超短TTL红外共焦镜头的435nm光线集中性非常好，0.76视场内光线70％的能量集中在3um以内，对常用3um像元的感光芯片而言，已经能较好地保证成像效果，不会出现紫边现象。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超短TTL红外共焦镜头光学系统，其特征在于：从物侧至像侧依次设置有第一透镜(1)、光阑(2)、第二透镜(3)、第三透镜(4)、第四透镜(5)、滤光片(6)、保护玻璃(7)、感光芯片(8)；
每个透镜都具有物侧面和像侧面，分别为第一透镜物侧面(S1)、第一透镜像侧面(S2)、第二透镜物侧面(S3)、第二透镜像侧面(S4)、第三透镜物侧面(S5)、第三透镜像侧面(S6)、第四透镜物侧面(S7)、第四透镜像侧面(S8)；
第一透镜物侧面(S1)为凸面，第一透镜像侧面(S2)为凹面，第一透镜(1)的焦距为负；
第二透镜物侧面(S3)为凹面、第二透镜像侧面(S4)为凸面，第二透镜(3)的焦距为正；
第三透镜物侧面(S5)与第三透镜像侧面(S6)均为凸面，第三透镜(4)的焦距为正；
第四透镜物侧面(S7)与第四透镜像侧面(S8)均为凹面；所述第四透镜5的焦距为正。
2.根据权利要求1所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统，其特征在于该光学系统满足以下关系式：
-1.5＜f1/f＜-0.5；
0.5＜f2-4/f＜1.5；
5＜f3-4/f＜15；
2＜TTL/f＜5；
其中，f为该光学系统的焦距，f1为第一透镜(1)的焦距，f2-4为第二透镜(3)到第四透镜(5)的组合焦距，f3-4为第三透镜(4)和第四透镜(5)的组合焦距，TTL为该红外共焦镜头的总长。
3.根据权利要求1所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统，其特征在于该超短TTL红外共焦镜头满足以下关系式：
Nd1≥1.7；
Nd2≥1.6；
|Nd2－Nd3|≤0.3；
|Nd3－Nd4|≥0.12；
其中，Nd1为第一透镜(1)的折射率，Nd2为第二透镜(3)的折射率，Nd3为第三透镜(4)的折射率，Nd4为第四透镜(5)的折射率。
4.根据权利要求1所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统，其特征在于：所述第一透镜(1)为非球面透镜，所述的第二透镜(3)、第三透镜(4)、第四透镜(5)均为球面透镜。
5.根据权利要求4所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统，其特征在于：所述球面透镜为玻璃球面透镜，所述非球面透镜为玻璃非球面透镜。
6.根据权利要求1所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统，其特征在于该超短TTL红外共焦镜头满足以下关系式：
lens1＜50，lens2＞50；
|lens3－lens4|≥25；
0.5≤lens1/lens2≤1；
其中，lens1为第一透镜(1)的色散系数，lens2为第二透镜(3)的色散系数，lens3为第三透镜(4)的色散系数，lens4为第四透镜(5)的色散系数。
7.根据权利要求1所述的超短TTL红外共焦镜头光学系统，其特征在于该超短TTL红外共焦镜头满足以下关系式：
(A12+A23)/TTL＜0.2；
0.5＜(T1+T2+T3+T4)/TTL＜0.8；
0.1＜BF/TTL＜0.5；
其中，A12为第一透镜(1)与第二透镜(3)之间的空气间隔距离，A23为第二透镜(3)与第三透镜(4)之间的空气间隔距离，BF为第四透镜(5)与感光芯片(8)之间的空气间隔距离，T1为第一透镜(1)的中心厚度，T2为第二透镜(3)的中心厚度，T3为第三透镜(4)的中心厚度，T4为第四透镜(5)的中心厚度，TTL为该镜头的总长。
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