CN109633866B - 一种红外共焦广角镜头光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外共焦广角镜头光学系统,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、第五透镜、第六透镜、滤光片、保护玻璃、感光芯片。本发明各片透镜采用的凹、凸球面组合结构,通过合理地分配光焦度及选择不同色散系数的玻璃材料,可以实现该广角光学系统高像素的目标,且能较好地实现红外共焦。本发明选择六片玻璃球面镜片的结构形式,通过合理控制各镜片厚度及空气间隔距离,同时选择合适折射率的材料,减小高低温漂移量的同时,获得较高的相对照度。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种红外共焦广角镜头光学系统。
【背景技术】
目前车载及监控行业所用的广角镜头,普遍只能在400~700nm波长范围内获得较好成像效果,不能满足白天夜晚成像的高清晰度要求,且高低温环境下清晰度严重下降,温度漂移大,成像画面周边亮度不够大,相对照度低。
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,提供一种红外共焦广角镜头光学系统。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种红外共焦广角镜头光学系统,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、第五透镜6、第六透镜7、滤光片8、保护玻璃9、感光芯片10;
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、第五透镜物侧面S9、第五透镜像侧面S10、第六透镜物侧面S11、第六透镜像侧面S12;
第一透镜物侧面S1为凸面,第一透镜像侧面S2为凹面,所述第一透镜1的焦距为负;
第二透镜物侧面S3为凸面,第二透镜像侧面S4为凹面,所述第二透镜3的焦距为正;
第三透镜物侧面S5为凹面,第三透镜像侧面S6为凸面,所述第三透镜4的焦距为正;
第四透镜物侧面S7为凹面,第四透镜像侧面S8为凸面,所述第四透镜5的焦距为正;
第五透镜物侧面S9为凹面,第四透镜像侧面S10为凸面,所述
第五透镜6的焦距为负;
第六透镜物侧面S11与第六透镜像侧面S12均为凸面,所述第六透镜7的焦距为正。
如上所述红外共焦广角镜头光学系统,其特征在于所述红外共焦广角镜头满足以下关系式:
-1.5<f1/f3<-0.5;
0.8<f2/TTL<1.4;
-1.5<f4/f5<-0.5;
3<f6/f<5;
3<TTL/f<7;
其中,f为镜头的焦距,f1为第一透镜1的焦距,f2为第二透镜3的焦距,f3为第三透镜4的焦距,f4为第四透镜5的焦距,f5为第五透镜6的焦距,f6为六透镜7的焦距,TTL为红该外共焦广角镜头的总长。
如上所述红外共焦广角镜头光学系统,其特征在于:所述的第一透镜1、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6、六透镜7均为玻璃球面透镜。
如上所述红外共焦广角镜头光学系统,其特征在于:所述红外共焦广角镜头满足以下关系式:
Nd1≤1.7,Nd2≥1.8,Nd3≥1.8;
Nd5-Nd4≥0.25;
Nd6≥1.6;
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,Nd5为第五透镜6的折射率,Nd6为六透镜7的折射率。
如上所述红外共焦广角镜头光学系统,其特征在于:所述的红外共焦广角镜头满足以下关系式:
lens1>50,lens2<50,lens3<50;
lens4-lens5≥25;
40≤lens6≤60;
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,lens5为第五透镜6的色散系数,lens6为六透镜7的色散系数。
如上所述红外共焦广角镜头光学系统,其特征在于:所述红外共焦广角镜头满足以下关系式:
A12+A23+A34+A56/TTL<0.2;
0.3<T1+T2+T3+T4+T5+T6/TTL<0.6;
0.25<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,A34为第三透镜4与第四透镜5之间的空气间隔距离,A56为第五透镜6与六透镜7之间的空气间隔距离,BF为六透镜7与感光芯片10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,T5为第五透镜6的中心厚度,T6为六透镜7的中心厚度,TTL为镜头的总长。
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、凸球面组合结构,通过合理地分配光焦度及选择不同色散系数的玻璃材料,可以实现该广角光学系统高像素的目标,且能较好地实现红外共焦,本发明实施例的所用的可见光波段是435~656nm,红外光波段是900~980nm。
2、本发明选择六片玻璃球面镜片的结构形式,通过合理控制各镜片厚度及空气间隔距离,同时选择合适折射率的材料,减小高低温漂移量的同时,获得较高的相对照度。
3、本发明的广角镜头具有像素高、红外共焦、温漂小、照度高的特点,适合推广应用。
【附图说明】
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明实施例中在常温下可见波段的MTF曲线图;
图3为本发明实施例中在常温下红外波段的MTF曲线图;
图4为本发明实施例中在常温下可见波段的过焦点曲线图;
图5为本发明实施例中在常温下红外波段的过焦点曲线图;
图6为本发明实施例中在低温-40℃可见波段的过焦点曲线图;
图7为本发明实施例中在高温+85℃可见波段的过焦点曲线图;
图8为本发明实施例中的相对照度曲线。
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为第五透镜;7为第六透镜;8为滤光片;9为保护玻璃;10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为第五透镜物侧面、S10为第五透镜像侧面、S11为第六透镜物侧面、S12为第六透镜像侧面;S13为滤光片物侧面;S14为滤光片像侧面;S15为保护玻璃物侧面;S16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。
一种红外共焦广角镜头光学系统,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、第五透镜6、第六透镜7、滤光片8、保护玻璃9、感光芯片10;
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、第五透镜物侧面S9、第五透镜像侧面S10、第六透镜物侧面S11、第六透镜像侧面S12;
第一透镜物侧面S1为凸面,第一透镜像侧面S2为凹面,所述第一透镜1的焦距为负;
第二透镜物侧面S3为凸面,第二透镜像侧面S4为凹面,所述第二透镜3的焦距为正;
第三透镜物侧面S5为凹面,第三透镜像侧面S6为凸面,所述第三透镜4的焦距为正;
第四透镜物侧面S7为凹面,第四透镜像侧面S8为凸面,所述第四透镜5的焦距为正;
第五透镜物侧面S9为凹面,第四透镜像侧面S10为凸面,所述第五透镜6的焦距为负;
第六透镜物侧面S11与第六透镜像侧面S12均为凸面,所述第六透镜7的焦距为正。
本发明中第一透镜1的焦距为负,有利于减小通过第一透镜1后的光束与光轴的夹角,以增大视场角,实现广角成像,第二透镜3位于光阑2后,其物侧面为凸面,像侧面为凹面,能较好地校正像散,提高整个像面的成像清晰度,各透镜正、负焦距的组合结构,合理地分配光焦度,可以较好地提高镜头的分辨率,使得镜头在可见和红外模式下均能清晰成像,实现可见红外共焦,另外,第六透镜像侧面S12为凸面,有利于减小轴外视场光线在像面上的入射角,提高相对照度。
如上所述红外共焦广角镜头光学系统,所述红外共焦广角镜头满足以下关系式:
-1.5<f1/f3<-0.5;
0.8<f2/TTL<1.4;
-1.5<f4/f5<-0.5;
3<f6/f<5;
3<TTL/f<7;
其中,f为镜头的焦距,f1为第一透镜1的焦距,f2为第二透镜3的焦距,f3为第三透镜4的焦距,f4为第四透镜5的焦距,f5为第五透镜6的焦距,f6为第六透镜7的焦距,TTL为该红该外共焦广角镜头的总长。
在本实施例中,第三透镜4承担了较大光焦度,既有利于校正像散和场曲,提高成像清晰度,又能与第二透镜3、第四透镜5和第五透镜6构成的粘合组件一起协同工作,提前增加轴外视场光线高度,减小轴外视场光线与像面的夹角,提高相对照度,满足上述各片透镜焦距关系的透镜组合结构,能较好地校正球差、彗差、像散等各种像差,使得整个像面能均匀清晰成像。
如上所述红外共焦广角镜头光学系统,所述的第一透镜1、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6、第六透镜7均为玻璃球面透镜。
在本实施例中,采用全玻璃材质镜片,折射率温度系数小,且高低温下热膨胀系数小,能在-40℃~+85℃温度变化条件下清晰成像,此外,采用玻璃材质的球面透镜,光学透过率高,物理和化学性能稳定,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。
如上所述红外共焦广角镜头光学系统,所述红外共焦广角镜头满足以下关系式:
Nd1≤1.7;Nd2≥1.8;Nd3≥1.8;
Nd5-Nd4≥0.25;
Nd6≥1.6;
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,Nd5为第五透镜6的折射率,Nd6为第六透镜7的折射率。
在本实施例中,满足上述折射率关系的透镜组合结构,有利于实现光焦度合理分配,能较好的校正球差、彗差等像差,从而提高镜头成像的清晰度,且能实现在可见和红外模式下清晰成像,同时选择合适折射率温度系数的材料,可以获得较好的温度补偿功能,从而减小温度漂移量,实现温度变化时稳定成像。
如上所述红外共焦广角镜头光学系统,所述的红外共焦广角镜头满足以下关系式:
lens1>50,lens2<50,lens3<50;
lens4-lens5≥25;
40≤lens6≤60;
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,lens5为第五透镜6的色散系数,lens6为第六透镜7的色散系数。
在本实施例中,满足上述各片透镜色散系数关系的透镜组合结构,可以减小二级光谱,实现较好的色差校正能力,从而实现红外共焦功能,此外,高色散与低色散材料互相搭配,有利于减小短波长的色差及弥散斑,进一步提高镜头成像的清晰度。
如上所述红外共焦广角镜头光学系统,所述红外共焦广角镜头满足以下关系式:
A12+A23+A34+A56/TTL<0.2;
0.3<T1+T2+T3+T4+T5+T6/TTL<0.6;
0.25<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,A34为第三透镜4与第四透镜5之间的空气间隔距离,A56为第五透镜6与第六透镜7之间的空气间隔距离,BF为第六透镜7与感光芯片10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,T5为第五透镜6的中心厚度,T6为第六透镜7的中心厚度,TTL为镜头的总长。
在本实施例中,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,通过设计合理的镜片间隔结构,可以实现镜头在温度变化时的补偿功能,能进一步减小温度漂移量。
本实施例中,红外共焦广角镜头的焦距f=3.156mm,相对孔径FNO=2.5,视场角FOV=130°,镜头总长TTL=15mm,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 |
物侧 | Infinity | Infinity | - | - |
S1 | 22.051 | 0.599 | 1.508 | 61.061 |
S2 | 1.654 | 1.823 | - | - |
光阑 | Infinity | 0.1 | - | - |
S3 | 7.837 | 1.351 | 2.001 | 25.435 |
S4 | 13.023 | 0.258 | - | - |
S5 | -18.872 | 1.466 | 1.883 | 40.807 |
S6 | -3.562 | 0.098 | - | - |
S7 | -25.880 | 2.112 | 1.593 | 68.525 |
S8、S9 | -2.631 | 0.6 | 1.923 | 18.896 |
S10 | -6.366 | 0.344 | - | - |
S11 | 21.322 | 1.481 | 1.774 | 49.604 |
S12 | -12.886 | 1.528 | - | - |
S13 | Infinity | 0.3 | 1.517 | 64.212 |
S14 | Infinity | 2.448 | - | - |
S15 | Infinity | 0.40 | 1.517 | 64.212 |
S16 | Infinity | 0.1 | - | - |
像侧 | Infinity | - | - | - |
在上表中,半径R与厚度的单位均为毫米。
本实施例的光学性能如图2至图8所示,其中图2和图3为本方案中的红外共焦广角镜头的MTF曲线图,用于评价光学系统成像的分辨能力,图2曲线为常温下可见波段的设计结果,图3曲线为常温下红外波段的设计结果,从曲线可以看出,本方案的实施例能实现500万像素成像;图4至图7为本方案中的红外共焦广角镜头的过焦点曲线,用于评价光学系统的在最佳像面位置前后不同位置的解像能力变化情况,图4曲线为常温下可见波段的设计结果,图5曲线为常温下红外波段的设计结果,对比图4与图5曲线,两种模式下最佳像面位置相差8um,说明红外可见共焦程度较好,从可见光模式切换到红外光模式,无需重新进行对焦,即可获得高清晰度的图片;图6为低温-40℃可见波段的过焦点曲线图,图7为高温+85℃可见波段的过焦点曲线图,对比图4、图6和图7,可以看出,高低温条件下,后焦偏移量非常小,与常温相比,低温漂移量为-4um、高温漂移量为+4um,在高低温环境下,依然能保持非常好的成像效果;图8为相对照度曲线,计算成像面周边与中心光亮度的比值,本实施例中相对照度达到82%,整个像面能均匀成像,无暗角现象。
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 (4)
1.一种红外共焦广角镜头光学系统,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)、第五透镜(6)、第六透镜(7)、滤光片(8)、保护玻璃(9)、感光芯片(10);该红外共焦广角镜头光学系统中具有屈光力的透镜数量为六个;
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)、第五透镜物侧面(S9)、第五透镜像侧面(S10)、第六透镜物侧面(S11)、第六透镜像侧面(S12);
第一透镜物侧面(S1)为凸面,第一透镜像侧面(S2)为凹面,所述第一透镜(1)的焦距为负;
第二透镜物侧面(S3)为凸面,第二透镜像侧面(S4)为凹面,所述第二透镜(3)的焦距为正;
第三透镜物侧面(S5)为凹面,第三透镜像侧面(S6)为凸面,所述第三透镜(4)的焦距为正;
第四透镜物侧面(S7)为凹面,第四透镜像侧面(S8)为凸面,所述第四透镜(5)的焦距为正;
第五透镜物侧面(S9)为凹面,第五透镜像侧面(S10)为凸面,所述第五透镜(6)的焦距为负;
第六透镜物侧面(S11)与第六透镜像侧面(S12)均为凸面,所述第六透镜(7)的焦距为正;
所述红外共焦广角镜头光学系统满足以下关系式:
f1/f3=-0.747;
f2/TTL=1.160;
f4/f5=-0.908;
f6/f=3.351;
TTL/f=4.753;
其中,f为该红外共焦广角镜头光学系统的焦距,f1为第一透镜(1)的焦距,f2为第二透镜(3)的焦距,f3为第三透镜(4)的焦距,f4为第四透镜(5)的焦距,f5为第五透镜(6)的焦距,f6为第六透镜(7)的焦距,TTL为该红外共焦广角镜头光学系统的总长;
所述的红外共焦广角镜头光学系统满足以下关系式:
lens1=61.061,lens2=25.435,lens3=40.807;
lens4-lens5=49.629;
lens6=49.604;
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,lens5为第五透镜(6)的色散系数,lens6为第六透镜(7)的色散系数。
2.根据权利要求1所述红外共焦广角镜头光学系统,其特征在于:所述的第一透镜(1)、第二透镜(3)、第三透镜(4)、第四透镜(5)、第五透镜(6)、第六透镜(7)均为玻璃球面透镜。
3.根据权利要求1所述红外共焦广角镜头光学系统,其特征在于:所述红外共焦广角镜头光学系统满足以下关系式:
Nd1=1.508,Nd2=2.001,Nd3=1.883;
Nd5-Nd4=0.33;
Nd6=1.774;
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,Nd5为第五透镜(6)的折射率,Nd6为第六透镜(7)的折射率。
4.根据权利要求1所述红外共焦广角镜头光学系统,其特征在于:所述红外共焦广角镜头光学系统满足以下关系式:
(A12+A23+A34+A56)/TTL=0.175;
(T1+T2+T3+T4+T5+T6)/TTL=0.507;
BF/TTL=0.318;
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,A34为第三透镜(4)与第四透镜(5)之间的空气间隔距离,A56为第五透镜(6)与第六透镜(7)之间的空气间隔距离,BF为第六透镜(7)与感光芯片(10)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,T5为第五透镜(6)的中心厚度,T6为第六透镜(7)的中心厚度。
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