CN109471251A - 一种内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头 - Google Patents

一种内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头。包括：镜筒、透镜、光阑、液体透镜组件和滤光片，透镜包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，镜筒内从物方到像方依次排列第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、液体透镜组件、第四透镜和滤光片；第一透镜采用具有正光焦度的双凸形玻璃球面透镜，第二透镜采用具有正光焦度的弯月形玻璃球面透镜，第三透镜采用具有负光焦度的双凹形玻璃球面透镜，第四透镜采用具有正光焦度的双凸形玻璃球面透镜。本发明通过4枚玻璃球面透镜加1个液体透镜组件，解决了传统定焦镜头工作距离范围窄、内嵌液体透镜组件的变焦镜头镜片数偏多和清晰度不够的问题。

Description

一种内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头
技术领域
本发明涉及近红外镜头领域，特别是涉及一种内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头。
背景技术
能在像平面(通常是图像传感器)上获得清晰的像的物方空间深度称为景深。景深的大小与镜头的入瞳直径、焦距及对准平面的距离有关。入瞳直径越小，焦距越小，对准平面的距离越大，景深就越大。而传统的定焦镜头，尤其是有限物距成像的镜头，其景深比较短。若应用到识别设备中，比如虹膜识别，只能固定在某个位置才能清晰成像，使用起来不仅耗时，而且很不方便。
为增大景深或者说成像物体的距离范围，或采用变焦镜头，或采用波前编码，或采用液体透镜组件。采用液体透镜组件，可以通过调节控制液体透镜组件的电压来改变两个不同光学特性的液体之间的“膜”的曲率来实现镜头的自动对焦功能，使用起来非常方便。
专利CN201527509U所公开的镜头，采用5个镜片加一个液体透镜组件，液体透镜组件置于光阑前，镜片数偏多；专利CN10539665A所公开的镜头，采用6个镜片加一个液体透镜组件，光阑可变大小，液体透镜组件置于光阑后，镜片数也偏多；专利CN207718066U所公开的镜头，采用4个镜片加一个液体透镜组件，液体透镜组件置于光阑前，结构紧凑，视场角比较大，像平面主光线入射角CRA也比较大，然而清晰度不够高。
发明内容
本发明的目的是提供一种内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头，解决了传统定焦镜头工作距离范围窄、内嵌液体透镜组件的变焦镜头镜片数偏多和清晰度不够的问题，实现了大范围工作距离、低畸变和高清晰度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头，包括：镜筒、透镜、光阑、液体透镜组件和滤光片，所述透镜包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述镜筒内从物方到像方依次排列所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述光阑、所述液体透镜组件、所述第四透镜和所述滤光片；所述第一透镜采用具有正光焦度的双凸形玻璃球面透镜，所述第二透镜采用具有正光焦度的弯月形玻璃球面透镜，所述第三透镜采用具有负光焦度的双凹形玻璃球面透镜，所述第四透镜采用具有正光焦度的双凸形玻璃球面透镜。
可选的，所述第一透镜1朝向物方的一面为凸面，所述第一透镜朝向像方的一面也为凸面，所述第一透镜的折射率nd1≤1.70，阿贝数Vd1≥50。
可选的，所述第二透镜朝向物方的一面为凸面，所述第二透镜朝向像方的一面为凹面，所述第二透镜的折射率nd2≤1.65，阿贝数Vd2≥55。
可选的，所述第三透镜朝向物方的一面为凹面，所述第三透镜朝向像方的一面也为凹面，所述第三透镜的折射率nd3≥1.75，阿贝数Vd3≤35。
可选的，所述液体透镜组件用于调焦，且位于所述光阑后。
可选的，所述第四透镜朝向物方的一面为凸面，所述第四透镜朝向像方的一面也为凸面，所述第四透镜的折射率nd4≥1.65，阿贝数Vd4≤35。
可选的，所述滤光片为近红外带通滤光片。
可选的，所述近红外带通滤光片能够透过近红外波段830-870nm的光谱，其余波段截止。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头，其特征在于，包括：镜筒、透镜、光阑、液体透镜组件和滤光片，所述透镜包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述镜筒内从物方到像方依次排列所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述光阑、所述液体透镜组件、所述第四透镜和所述滤光片；所述第一透镜采用具有正光焦度的双凸形玻璃球面透镜，所述第二透镜采用具有正光焦度的弯月形玻璃球面透镜，所述第三透镜采用具有负光焦度的双凹形玻璃球面透镜，所述第四透镜采用具有正光焦度的双凸形玻璃球面透镜。本发明通过4枚玻璃球面透镜加1个液体透镜组件，解决了传统定焦镜头工作距离范围窄、内嵌液体透镜组件的变焦镜头镜片数偏多和清晰度不够等技术难题，实现了大范围工作距离、低畸变、高清晰度等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头组成图；
图2为本发明光路示意图；
图3为本发明近红外光830-870nm、物距500mm下的点列图；
图4为本发明近红外光830-870nm、物距500mm下的MTF曲线图；
图5为本发明近红外光830-870nm、物距500mm下的场曲和畸变图；
图6为本发明近红外光830-870nm、物距500mm下的相对照度曲线图；
图7为本发明近红外光830-870nm、物距500mm下的离焦MTF曲线图；
图8为本发明近红外光830-870nm、物距500mm下的倍率色差曲线图；
图9为本发明近红外光830-870nm、物距400mm下的MTF曲线图；
图10为本发明近红外光830-870nm、物距600mm下的MTF曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头，解决了传统定焦镜头工作距离范围窄、内嵌液体透镜组件的变焦镜头镜片数偏多和清晰度不够的问题，实现了大范围工作距离、低畸变和高清晰度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头组成图。图2为本发明光路示意图。如图1和图2所示，一种内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头，包括：镜筒、透镜、光阑、液体透镜组件和滤光片，所述透镜包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述镜筒内从物方到像方依次排列所述第一透镜1、所述第二透镜2、所述第三透镜3、所述光阑4、所述液体透镜组件5、所述第四透镜6和所述滤光片7；所述第一透镜1采用具有正光焦度的双凸形玻璃球面透镜，所述第二透镜2采用具有正光焦度的弯月形玻璃球面透镜，所述第三透镜3采用具有负光焦度的双凹形玻璃球面透镜，所述第四透镜6采用具有正光焦度的双凸形玻璃球面透镜。
所述内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头的整体焦距值为EFL，光圈值为FNO，对角线方向视场角DFOV，镜头光学总长TTL，像面主光线入射角CRA，并由物方侧开始，将各个镜面依次编号，第一透镜1的镜面为R3、R4，第二透镜2的镜面为R5、R6，第三透镜3的镜面为R7、R8，光阑4，液体透镜组件5的镜面为R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16，第四透镜6的镜面为R17、R18，滤光片7，感光成像芯片表面的密封玻璃8。
所述镜头导入830nm-870nm近红外光波段，应用于虹膜识别，在对应芯片尺寸为1/2.5英寸时，当物距变化(400mm-600mm)时，通过电压调控液体透镜组件5进行变焦，实现低畸变(＜0.6％)、高清晰度(5MP)。
所述第一透镜1为低折射率、低色散的双凸形玻璃球面透镜，所述第一透镜1朝向物方的一面R3为凸面，所述第一透镜1朝向像方的一面R4也为凸面，所述第一透镜1的折射率nd1≤1.70，阿贝数Vd1≥50。
所述第二透镜2为低折射率、低色散的弯月形玻璃球面透镜，所述第二透镜2朝向物方的一面R5为凸面，所述第二透镜2朝向像方的一面R6为凹面，所述第二透镜2的折射率nd2≤1.65，阿贝数Vd2≥55。
所述第三透镜3为高折射率、高色散的双凹形玻璃球面透镜，所述第三透镜3朝向物方的一面R7为凹面，所述第三透镜3朝向像方的一面R8也为凹面，所述第三透镜3的折射率nd3≥1.75，阿贝数Vd3≤35。
所述液体透镜组件5内部前后各有一个密封玻璃，中间类似有一层“膜”隔开前后不同光学特性的液体，“膜”前后液体的中心厚度之和保持不变，“膜”的曲率半径可通过电压调控。“膜”的曲率变化范围为-0.23295～0.1367mm-1，电压有效调节范围为23V-70V。
所述第四透镜6为高折射率、高色散的双凸形玻璃球面透镜，所述第四透镜6朝向物方的一面为凸面，所述第四透镜6朝向像方的一面也为凸面，所述第四透镜6的折射率nd4≥1.65，阿贝数Vd4≤35。
所述滤光片7为近红外带通滤光片，近红外波段830-870nm的光谱透过率高，其余波段截止。
本发明通过4枚玻璃球面透镜加1个液体透镜组件，解决了传统定焦镜头工作距离范围窄、内嵌液体透镜组件的变焦镜头镜片数偏多和清晰度不够等技术难题，实现了大范围工作距离、低畸变、高清晰度等优点。
图3至图10为本发明应用于实施案例的光学性能曲线图，其中：
图3为830nm-870nm近红外波段下的点列图，其中波长取830nm、850nm、870nm三个波长，权重比为1:1:1。由图3可知，各个视场下的弥散斑比较集中，接近衍射极限，分布也比较均匀。
图4为830nm-870nm近红外波段的MTF曲线图。MTF曲线图代表了一个光学系统的综合解像水平，由图4可知，200lp/mm处全视场MTF值≥0.20，成像清晰。
图5为830nm-870nm近红外波段下的场曲/畸变曲线图。畸变曲线图表示不同视场角情况下的F-Tan(theta)畸变大小值，单位为％。由图5可见，光学畸变为桶形畸变，其绝对值≤0.6％。
图6为830nm-870nm近红外波段下的相对照度曲线图。由图6可知，曲线下降平滑，最大视场下的相对照度值＞0.9，成像画面比较明亮。
图7为830nm-870nm近红外波段下的离焦MTF曲线图，空间频率取的是100lp/mm，离焦范围为-0.05mm至0.05mm。该图可以反映场曲校正的程度。当一个系统存在场曲，其结果是中心和周边不能够同步清晰，即视场中心调至最清晰时，边缘却不够清晰；需要通过回调降低视场中心的清晰度来让视场边缘清晰一些。由图7可见，场曲校正得较好。
图8为倍率色差曲线图，通过该图结合像素颗粒的大小可以知道倍率色差校正的程度。由图8可知，倍率色差校正得较好。
图9为物距400mm下的MTF曲线图，图10为物距600mm下的MTF曲线图。由图9、图10可知，200lp/mm处全视场MTF值≥0.2，成像比较清晰。
本发明优选参数值(参考表1及表2)：EFL＝25.00mm@850nm&物距＝500mm，其含义是在850nm波长、物距500mm下的焦距值是25.00mm。FNO＝3.40，DFOV＝16°，TTL＝28.00mm，CRA≤10.61°，液体透镜组件为Varioptic的A-39N0，感光成像芯片为AR0521，单位：mm。
表1内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头详细参数表(物距＝500mm)
表2变焦参数表(单位：mm)
表2中d0表示物距；d1表示调控电压，单位为伏特(V)；d12表示对应表1中面12至面13的中心厚度；R13表示对应表1中面13的曲率半径；d13表示对应表1中面13至面14的中心厚度；D13表示对应表1中面13的有效口径。
d12、R13、D13随调控电压d1而变化。d12与d13的和保持不变，等于2.25mm。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头，其特征在于，包括：镜筒、透镜、光阑、液体透镜组件和滤光片，所述透镜包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述镜筒内从物方到像方依次排列所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述光阑、所述液体透镜组件、所述第四透镜和所述滤光片；所述第一透镜采用具有正光焦度的双凸形玻璃球面透镜，所述第二透镜采用具有正光焦度的弯月形玻璃球面透镜，所述第三透镜采用具有负光焦度的双凹形玻璃球面透镜，所述第四透镜采用具有正光焦度的双凸形玻璃球面透镜。
2.根据权利要求1所述的内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头，其特征在于，所述第一透镜1朝向物方的一面为凸面，所述第一透镜朝向像方的一面也为凸面，所述第一透镜的折射率nd1≤1.70，阿贝数Vd1≥50。
3.根据权利要求1所述的内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头，其特征在于，所述第二透镜朝向物方的一面为凸面，所述第二透镜朝向像方的一面为凹面，所述第二透镜的折射率nd2≤1.65，阿贝数Vd2≥55。
4.根据权利要求1所述的内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头，其特征在于，所述第三透镜朝向物方的一面为凹面，所述第三透镜朝向像方的一面也为凹面，所述第三透镜的折射率nd3≥1.75，阿贝数Vd3≤35。
5.根据权利要求1所述的内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头，其特征在于，所述液体透镜组件用于调焦，且位于所述光阑后。
6.根据权利要求1所述的内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头，其特征在于，所述第四透镜朝向物方的一面为凸面，所述第四透镜朝向像方的一面也为凸面，所述第四透镜的折射率nd4≥1.65，阿贝数Vd4≤35。
7.根据权利要求1所述的内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头，其特征在于，所述滤光片为近红外带通滤光片。
8.根据权利要求7所述的内嵌液体透镜组件的近红外变焦镜头，其特征在于，所述近红外带通滤光片能够透过近红外波段830-870nm的光谱，其余波段截止。
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