CN109507788B - 一种大光圈近红外镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大光圈近红外镜头。包括：镜筒、透镜、光阑和带通滤光片，所述镜筒内从物方到像方依次排列的光学透镜包括：第一透镜、所述光阑、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和所述带通滤光片；所述第一透镜、所述第三透镜和所述第五透镜采用非球面透镜；所述第二透镜采用双凸形透镜；所述第四透镜采用平凸形透镜。本发明通过采用3片塑料非球面镜片加2片玻璃球面镜片组成2G3P玻塑混合光学结构，解决了视场角偏小、非球面镜片数偏多、光学总长TTL偏大等技术难题。

Description

一种大光圈近红外镜头
技术领域
本发明涉及红外镜头领域，特别是涉及一种大光圈近红外镜头。
背景技术
近年来，机器人、智能安防、AR/VR、无人机等行业对深度摄像头的需求越来越突出。这类成像镜头工作在近红外波段，中心波长850nm，或者940nm，要求光圈大(F/#通常在1.0左右)、视场角大且畸变小、尺寸小。目前与这类成像镜头搭配的飞行时间(ToF，Time OfFlight)传感器其像素数不高，像素间距较大，比如TI的OPT8241其像素数为320×240，不超过30万像素，像素间距15μm，因此分辨率要求不高，像方50lp/mm清晰可辨即可满足需求。专利号CN101950066A所公开的镜头，采用1G5P架构，非球面镜片数偏多，成本偏高；专利号CN105093487A所公开的镜头，采用8枚玻璃球面镜片，光学总长TTL大于15mm；专利号CN105911677A所公开的镜头，采用7枚玻璃球面镜片，对角线方向视场角DFOV难以达到90°。
发明内容
本发明的目的是提供一种大光圈近红外镜头，解决了视场角偏小、非球面镜片数偏多、光学总长TTL偏大等技术难题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种大光圈近红外镜头，包括：镜筒、透镜、光阑和带通滤光片，所述镜筒内从物方到像方依次排列的光学透镜包括：第一透镜、所述光阑、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和所述带通滤光片；所述第一透镜、所述第三透镜和所述第五透镜采用非球面透镜；所述第二透镜采用双凸形透镜；所述第四透镜采用平凸形透镜。
可选的，所述第一透镜采用负光焦度的弯月形塑料非球面透镜；所述第一透镜朝向物方的一面为凸面，所述第一透镜朝向像方的一面为凹面。
可选的，所述第二透镜采用具有正光焦度的双凸形玻璃透镜；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也为凸面，所述第二透镜的折射率nd2≥1.80，阿贝数Vd2≤50。
可选的，所述第三透镜采用具有负光焦度的弯月形塑料非球面透镜；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为凸面。
可选的，所述第四透镜采用具有正光焦度的平凸形玻璃透镜；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为平面，所述第四透镜的折射率nd4≥1.85，阿贝数Vd4≤40。
可选的，所述第五透镜采用具有正光焦度的塑料非球面透镜。
可选的，所述非球面透镜满足：
其中，z表示沿着光轴方向的矢高，r表示光学表面上一点到光轴的距离，c表示该表面的曲率，k表示该表面的二次曲面常数，α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7、α8分别为2阶、4阶、6阶、8阶、10阶、12阶、14阶、16阶的非球面系数。
可选的，所述镜头以所述光阑为界把镜头划分成前后两组，其中所述第一透镜组成前组，所述前组的组合焦距记为ff，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜组成后组，所述后组的组合焦距记为fb，两者的比值-2<fb/ff<0。
可选的，所述滤光片为近红外带通滤光片，所述滤光片对近红外波段830-870nm或者920-960nm的光谱透过率高，其余波段截止。
可选的，所述镜头导入830nm-870nm或920nm-960nm近红外波段。
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：本发明提供一种大光圈近红外镜头，包括：镜筒、透镜、光阑和带通滤光片，所述镜筒内从物方到像方依次排列的光学透镜包括：第一透镜、所述光阑、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和所述带通滤光片；所述第一透镜、所述第三透镜和所述第五透镜采用非球面透镜；所述第二透镜采用双凸形透镜；所述第四透镜采用平凸形透镜。本发明通过采用3片塑料非球面镜片加2片玻璃球面镜片组成2G3P玻塑混合光学结构，解决了视场角偏小、非球面镜片数偏多、光学总长TTL偏大等技术难题，实现了大光圈(F/#＝1.1)、大视场角(对角线方向视场角DFOV≥90°)、结构紧凑(TTL≤15mm)、像平面主光线入射角CRA小(＜15°)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为本发明大光圈近红外镜头组成图；
图2为本发明光路示意图；
图3为本发明近红外光830-870nm下的点列图；
图4为本发明近红外光830-870nm下的MTF曲线图；
图5为本发明近红外光830-870nm下的场曲和畸变图；
图6为本发明近红外光830-870nm下的相对照度曲线图；
图7为本发明近红外光830-870nm下的离焦MTF曲线图；
图8为本发明近红外光830-870nm下的倍率色差曲线图；
图9为本发明近红外光920-960nm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大光圈近红外镜头，解决了视场角偏小、非球面镜片数偏多、光学总长TTL偏大等技术难题。
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为本发明大光圈近红外镜头组成图。图2为本发明光路示意图。如图1和图2所示，一种大光圈近红外镜头，包括：镜筒、透镜、光阑和带通滤光片，所述镜筒内从物方到像方依次排列的光学透镜包括：第一透镜1、所述光阑2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6和所述带通滤光片7；所述第一透镜1、所述第三透镜4和所述第五透镜6采用非球面透镜；所述第二透镜3采用双凸形透镜；所述第四透镜5采用平凸形透镜。
所述镜头导入830nm～870nm或920nm～960nm近红外波段，应用于基于飞行时间(ToF，Time Of Flight)传感器的深度成像，在对应芯片尺寸为1/3”时，具有大光圈(F/#＝1.1)、大视场角(对角线方向视场角DFOV≥90°)、结构紧凑(TTL≤15mm)、像平面主光线入射角CRA小(＜15°)等特点。
所述第一透镜1采用负光焦度的弯月形塑料非球面透镜；所述第一透镜1朝向物方的一面为凸面，所述第一透镜1朝向像方的一面为凹面。
所述第二透镜3采用具有正光焦度的双凸形玻璃透镜；所述第二透镜3朝向物方的一面为凸面，所述第二透镜3朝向像方的一面也为凸面，所述第二透镜3的折射率nd2≥1.80，阿贝数Vd2≤50。
所述第三透镜4采用具有负光焦度的弯月形塑料非球面透镜；所述第三透镜4朝向物方的一面为凹面，所述第三透镜4朝向像方的一面为凸面。
所述第四透镜5采用具有正光焦度的平凸形玻璃透镜；所述第四透镜5朝向物方的一面为凸面，所述第四透镜5朝向像方的一面为平面，所述第四透镜5的折射率nd4≥1.85，阿贝数Vd4≤40。
所述第五透镜6采用具有正光焦度的塑料非球面透镜。
所述滤光片7为近红外带通滤光片，近红外波段830-870nm或者920-960nm的光谱透过率高，其余波段截止。
所述非球面透镜满足：
其中，z表示沿着光轴方向的矢高，r表示光学表面上一点到光轴的距离，c表示该表面的曲率，k表示该表面的二次曲面常数，α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7、α8分别为2阶、4阶、6阶、8阶、10阶、12阶、14阶、16阶的非球面系数。
所述镜头以所述光阑为界把镜头划分成前后两组，其中所述第一透镜组成前组，所述前组的组合焦距记为ff，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜组成后组，所述后组的组合焦距记为fb，两者的比值-2<fb/ff<0。
图3至图9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，分布也比较均匀。同时，没有出现某个视场下的弥散斑随波长而上下分离得很开的现象。
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，50lp/mm处全视场MTF值≥0.45，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≤11.54％。
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＞0.55，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30lp/mm，离焦范围为-0.05mm至0.05mm。图7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920nm-940nm近红外波段的MTF曲线图。由图9可知，50lp/mm处全视场MTF值≥0.35，成像清晰。
在本发明实施案例中，该光学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R1、R2，光阑2，第二透镜3的镜面为R4、R5，第三透镜4的镜面为R6、R7，第四透镜5的镜面为R8、R9，第五透镜6的镜面为R10、R11，滤光片7的面为R12、R13。
本发明优选参数值(参考表1及表2)：EFL＝3.35mm@850nm，FNO＝1.1，DFOV＝90.8°，TTL＝15.00mm，CRA≤15°，感光成像芯片为TI的飞行时间(ToF，Time of Flight)传感器OPT8241，单位：mm。
表1大光圈近红外镜头详细参数表
相应非球面面形的参数见表2：
表2非球面系数表
面序号 k α1 α2 α3 α4 α5
1 0 0 -3.355E-3 -7.674E-5 3.9670E-6 -2.055E-7
2 -0.890408 0 3.7514E-3 -3.761E-4 1.4152E-4 -1.024E-5
6 -0.946369 0 6.5580E-3 -7.720E-4 1.7257E-5 -4.122E-7
7 0 0 7.4813E-3 -4.783E-4 2.9741E-5 -8.365E-7
10 0 0 -4.200E-3 -1.596E-3 -7.174E-5 1.0190E-5
11 0 0 8.7261E-3 -3.000E-3 1.8459E-4 -4.041E-6
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)

1.一种大光圈近红外镜头，其特征在于，包括：镜筒、透镜、光阑和带通滤光片，所述镜筒内从物方到像方依次排列的光学透镜包括：第一透镜、所述光阑、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和所述带通滤光片；所述第一透镜、所述第三透镜和所述第五透镜采用非球面透镜；所述第二透镜采用双凸形透镜；所述第四透镜采用平凸形透镜；
所述非球面透镜满足：
其中，z表示沿着光轴方向的矢高，r表示光学表面上一点到光轴的距离，c表示该表面的曲率，k表示该表面的二次曲面常数，α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7、α8分别为2阶、4阶、6阶、8阶、10阶、12阶、14阶、16阶的非球面系数；
所述镜头以所述光阑为界把镜头划分成前后两组，其中所述第一透镜组成前组，所述前组的组合焦距记为ff，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜组成后组，所述后组的组合焦距记为fb，两者的比值-2<fb/ff<0。
2.根据权利要求1所述的大光圈近红外镜头，其特征在于，所述第一透镜采用负光焦度的弯月形塑料非球面透镜；所述第一透镜朝向物方的一面为凸面，所述第一透镜朝向像方的一面为凹面。
3.根据权利要求1所述的大光圈近红外镜头，其特征在于，所述第二透镜采用具有正光焦度的双凸形玻璃透镜；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也为凸面，所述第二透镜的折射率nd2≥1.80，阿贝数Vd2≤50。
4.根据权利要求1所述的大光圈近红外镜头，其特征在于，所述第三透镜采用具有负光焦度的弯月形塑料非球面透镜；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为凸面。
5.根据权利要求1所述的大光圈近红外镜头，其特征在于，所述第四透镜采用具有正光焦度的平凸形玻璃透镜；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为平面，所述第四透镜的折射率nd4≥1.85，阿贝数Vd4≤40。
6.根据权利要求1所述的大光圈近红外镜头，其特征在于，所述第五透镜采用具有正光焦度的塑料非球面透镜。
7.根据权利要求1所述的大光圈近红外镜头，其特征在于，所述滤光片为近红外带通滤光片，所述滤光片对近红外波段830-870nm或者920-960nm的光谱透过率高，其余波段截止。
8.根据权利要求1所述的大光圈近红外镜头，其特征在于，所述镜头导入830nm-870nm或920nm-960nm近红外波段。
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