CN111061044B

CN111061044B - 一种红外广角镜头及摄像设备

Info

Publication number: CN111061044B
Application number: CN202010018551.6A
Authority: CN
Inventors: 叶龙; 黄晟; 王鹏; 周汉林
Original assignee: Wuhan Guide Sensmart Tech Co ltd
Current assignee: Wuhan Guide Sensmart Tech Co ltd
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2022-09-20
Anticipated expiration: 2040-01-08
Also published as: CN111061044A

Abstract

本发明公开了一种红外广角镜头及摄像设备，且所述红外广角镜头沿光轴由物侧至像侧依序包括：第一透镜、光阑、第二透镜、第三透镜、第四透镜；第一透镜具有负屈光度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；第二透镜具有正屈光度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；第三透镜具有正屈光度，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；第四透镜具有正屈光度，其物侧面为凹面，像侧面为凸面。本发明结构简单、镜头体积小、重量轻，且可在保证成像质量的前提下降低加工成本。

Description

一种红外广角镜头及摄像设备

技术领域

本发明涉及光学成像领域，具体为一种红外广角镜头及摄像设备。

背景技术

随着红外成像技术的快速发展以及非制冷探测器技术的日益成熟，长波非制冷光学系统得到了越来越广泛的应用。为符合消费者的需求，目前要求长波非制冷光学系统中的镜头视场角越来越大，但为了降低成本，探测器的画幅不得不同步减小，以此可能影响成像质量。

并且现有的红外系统一般都为长焦距小视场，在短焦距大视场方面的改进较少，通常做法是增加大视场系统第一个透镜的口径，但由此导致产品头部的体积较大及生产成本增加。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种红外广角镜头及摄像设备，其结构简单、镜头体积小、重量轻，且可在保证成像质量的前提下降低加工成本。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一方面，提供了一种红外广角镜头，沿光轴由物侧至像侧依序包括：第一透镜、光阑、第二透镜、第三透镜、第四透镜；

所述第一透镜具有负屈光度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；

所述第二透镜具有正屈光度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；

所述第三透镜具有正屈光度，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；

所述第四透镜具有正屈光度，其物侧面为凹面，像侧面为凸面。

优选的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜中的一个或多个为非球面镜片。

优选的，所述第一透镜的物侧面、像侧面为非球面。

优选的，所述第二透镜的像侧面为非球面。

优选的，所述第三透镜的物侧面为非球面。

优选的，所述第四透镜的像侧面为非球面。

优选的，所述第一透镜的焦距f1与所述红外广角镜头的整组焦距f之间满足：-2.60≤f1/f≤-1.65。

优选的，所述第一透镜的有效口径D1与所述红外广角镜头的整组焦距f之间满足：3.15≤D1/f≤4.05。

优选的，所述第一透镜物侧面的矢高Sag11与所述红外广角镜头的整组焦距f之间满足：0.30≤Sag11/f≤0.80。

优选的，所述第一透镜的有效口径D1与所述第四透镜像侧面在光轴上的顶点到像面的距离BFL之间满足：1.40≤D1/BFL≤2.60。

优选的，所述红外广角镜头还包括：设置于所述第二透镜前的光阑。

优选的，所述红外广角镜头的总长TTL与所述第一透镜像侧面在光轴上的顶点到光阑的距离AC1之间满足：2.20≤TTL/AC1≤3.20。

另一方面，还提供一种摄像装置，其包括上述红外广角镜头。

与现有技术相比，本发明中的红外广角镜头及摄像设备结构简单，其通过合理分配光焦度及设置光阑面，以实现缩小镜头口径尺寸，保证成像质量的同时降低成本，可充分满足小型化的非制冷红外光学系统使用需求，适用于执行实况记录和安防监控等任务，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为本发明红外广角镜头的结构示意图；

图2为本发明红外广角镜头的光路图；

图3A-3E为本发明实施例1红外广角镜头的象散曲线、畸变曲线、相对照度曲线、调制传递函数曲线以及光斑图；

图4A-4E为本发明实施例2红外广角镜头的象散曲线、畸变曲线、相对照度曲线、调制传递函数曲线以及光斑图；

图5A-5E为本发明实施例3红外广角镜头的象散曲线、畸变曲线、相对照度曲线、调制传递函数曲线以及光斑图；

图6A-6E为本发明实施例4红外广角镜头的象散曲线、畸变曲线、相对照度曲线、调制传递函数曲线以及光斑图；

图7A-7E为本发明实施例5红外广角镜头的象散曲线、畸变曲线、相对照度曲线、调制传递函数曲线以及光斑图。

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。

在本文中，近轴区域是指光轴附近的区域。若透镜表面为凸面且未界定该凸面位置时，则表示该透镜表面至少在近轴区域为凸面；若透镜表面为凹面且未界定该凹面位置时，则表示该透镜表面至少在近轴区域为凹面。每个透镜中最靠近物体的表面称为物侧面，每个透镜中最靠近成像面的表面称为像侧面。

如图1所示，本发明中的红外广角镜头沿光轴由物侧至像侧依序包括：第一透镜1、孔径光阑STO2、第二透镜3、第三透镜4以及第四透镜5。

其中，所述第一透镜1为具有负屈光度的弯月透镜，其物侧面11为凸面，像侧面为12凹面；第一透镜1设置为弯月透镜能够尽可能得收集大视场光线，使光线进入后方光学系统，增加通光量，并且凸面朝向物侧的设计有利于雨水的滑落，以此减小对成像的影响；

所述光阑STO2设置于所述第二透镜3前，且位于第一透镜1与第二透镜3之间，以此可在保证较大光通量以及高质量成像效果的同时能有效缩小第一镜片1的口径，进一步减小镜头体积，降低成本；

所述第二透镜3为具有正屈光度的弯月透镜，其物侧面31为凸面，像侧面32为凹面；起作用仍然是将经第一透镜1的光线进一步收敛进入到后方光学系统，增加系统通光量；

所述第三透镜4为具有正屈光度的弯月透镜，其物侧面41为凹面，像侧面42为凸面；第三透镜4能够会聚光线，将光线平缓过渡至后方光学系统；

所述第四透镜5为具有正屈光度的弯月透镜，其物侧面51为凹面，像侧面52为凸面；第四透镜5可进一步矫正前方镜片组产生的像差，同时使光束再次汇聚，由此可缩短镜头总长，使所述红外广角镜头整体结构更紧凑。

进一步的，由于非球面镜片从镜片中心到周边曲率是连续变化的，因此，其与从镜片中心到周边有恒定曲率的球面镜片不同，非球面镜片具有更佳的曲率半径特性，有助于改善歪曲像差及改善像散像差的优点。因此，本实施例中，所述第一透镜1、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5中的一个或多个为非球面镜片，且所述第一透镜1、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5中的一个或多个可以由半导体材质或金属材质制成。

具体的，所述第一透镜1的物侧面11、像侧面12为非球面；所述第二透镜3的像侧面32为非球面；所述第三透镜4的物侧面41为非球面；所述第四透镜5的像侧面52为非球面，由此可通过非球面镜片充分校正成像时出现的像差，从而提升镜头的成像质量。

进一步的，所述第一透镜1的焦距f1与所述红外广角镜头的整组焦距f之间满足：-2.60≤f1/f≤-1.65(优选-2.50≤f1/f≤-1.80)，所述第一透镜1的有效口径D1与所述红外广角镜头的整组焦距f之间满足：3.15≤D1/f≤4.05(优选3.20≤D1/f≤4.00)，且所述第一透镜1物侧面的矢高Sag11与所述红外广角镜头的整组焦距f之间满足：0.30≤Sag11/f≤0.80(优选为0.35≤Sag11/f≤0.75)；所述第一透镜1的有效口径D1与所述第四透镜5像侧面51在光轴上的顶点到像面7的距离BFL之间满足：1.40≤D1/BFL≤2.60(优选1.60≤D1/BFL≤2.50)；以及所述红外广角镜头的总长TTL与所述第一透镜1像侧面12在光轴上的顶点到光阑STO2的距离AC1之间满足：2.20≤TTL/AC1≤3.20(优选2.65≤TTL/AC1≤3.10)，其中，所述红外广角镜头的总长TTL是指在光轴I上、从第一透镜1物侧面11的中心至像面7中心的距离。

同时，所述红外广角镜头还包括：保护窗口6，且所述保护窗口6为锗窗口片，由此可通过保护窗口6保护探测器芯片。

如图2所示，来自物体的光L依序穿过第一透镜1、光阑2、第二透镜3、第三透镜4以及第四透镜5，并最终在像面7上成像。

实施例1：

表1示出了本实施例中所述红外广角镜头的光学系统参数。

表1红外广角镜头的光学系统参数

表2示出了本实施例中第一透镜1、第二透镜2以及第三透镜4、第四透镜5为非球面镜片时各透镜的圆锥系数以及高次项系数。

表2圆锥系数以及高次项系数

图3A示出了8μm、10μm、12μm的三个波长的光线经过本实施例红外广角镜头时的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲；图3B示出了本实施例红外广角镜头的畸变曲线，其表示不同像高所对应的畸变大小值；图3C示出了本实施例红外广角镜头的相对照度变化；图3D示出了本实施例红外广角镜头在20℃时的调制传递函数曲线，其表示光学系统的综合解像水平；图3E示出了本实施例红外广角镜头的光斑图，其表示光学系统的光斑收敛状况。根据图3A-3E可知，本实施例中的红外广角镜头可补正各种像差，且具有良好的成像品质，足以满足红外非制冷成像的使用需求。

实施例2：

表3示出了本实施例中所述红外广角镜头的光学系统参数。

表3红外广角镜头的光学系统参数

表4示出了本实施例中第一透镜1、第二透镜2以及第三透镜4、第四透镜5为非球面镜片时各透镜的圆锥系数以及高次项系数。

表4圆锥系数以及高次项系数

图4A示出了8μm、10μm、12μm的三个波长的光线经过本实施例红外广角镜头时的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲；图4B示出了本实施例红外广角镜头的畸变曲线，其表示不同像高所对应的畸变大小值；图4C示出了本实施例红外广角镜头的相对照度变化；图4D示出了本实施例红外广角镜头在20℃时的调制传递函数曲线，其表示光学系统的综合解像水平；图4E示出了本实施例红外广角镜头的光斑图，其表示光学系统的光斑收敛状况。根据图4A-4E可知，本实施例中的红外广角镜头可补正各种像差，且具有良好的成像品质，足以满足红外非制冷成像的使用需求。

实施例3：

表5示出了本实施例中所述红外广角镜头的光学系统参数。

表5红外广角镜头的光学系统参数

表6示出了本实施例中第一透镜1、第二透镜2以及第三透镜4、第四透镜5为非球面镜片时各透镜的圆锥系数以及高次项系数。

表6圆锥系数以及高次项系数

图5A示出了8μm、10μm、12μm的三个波长的光线经过本实施例红外广角镜头时的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲；图5B示出了本实施例红外广角镜头的畸变曲线，其表示不同像高所对应的畸变大小值；图5C示出了本实施例红外广角镜头的相对照度变化；图5D示出了本实施例红外广角镜头在20℃时的调制传递函数曲线，其表示光学系统的综合解像水平；图5E示出了本实施例红外广角镜头的光斑图，其表示光学系统的光斑收敛状况。根据图5A-5E可知，本实施例中的红外广角镜头可补正各种像差，且具有良好的成像品质，足以满足红外非制冷成像的使用需求。

实施例4：

表7示出了本实施例中所述红外广角镜头的光学系统参数。

表7红外广角镜头的光学系统参数

表8示出了本实施例中第一透镜1、第二透镜2以及第三透镜4、第四透镜5为非球面镜片时各透镜的圆锥系数以及高次项系数。

表8圆锥系数以及高次项系数

图6A示出了8μm、10μm、12μm的三个波长的光线经过本实施例红外广角镜头时的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲；图6B示出了本实施例红外广角镜头的畸变曲线，其表示不同像高所对应的畸变大小值；图6C示出了本实施例红外广角镜头的相对照度变化；图6D示出了本实施例红外广角镜头在20℃时的调制传递函数曲线，其表示光学系统的综合解像水平；图6E示出了本实施例红外广角镜头的光斑图，其表示光学系统的光斑收敛状况。根据图6A-6E可知，本实施例中的红外广角镜头可补正各种像差，且具有良好的成像品质，足以满足红外非制冷成像的使用需求。

实施例5：

表9示出了本实施例中所述红外广角镜头的光学系统参数。

表9红外广角镜头的光学系统参数

表10示出了本实施例中第一透镜1、第二透镜2以及第三透镜4、第四透镜5为非球面镜片时各透镜的圆锥系数以及高次项系数。

表10圆锥系数以及高次项系数

图7A示出了8μm、10μm、12μm的三个波长的光线经过本实施例红外广角镜头时的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲；图7B示出了本实施例红外广角镜头的畸变曲线，其表示不同像高所对应的畸变大小值；图7C示出了本实施例红外广角镜头的相对照度变化；图7D示出了本实施例红外广角镜头在20℃时的调制传递函数曲线，其表示光学系统的综合解像水平；图7E示出了本实施例红外广角镜头的光斑图，其表示光学系统的光斑收敛状况。根据图7A-7E可知，本实施例中的红外广角镜头可补正各种像差，且具有良好的成像品质，足以满足红外非制冷成像的使用需求。

上述表1-10中，所述面号均是从物侧到像侧依次排序。进一步的，表11示出了实施例1-5中f、f1、D1、Sag11、TTL、AC1、BFL的具体数值(单位均为mm)。

表11f、f1、D1、Sag11、TTL、AC1、BFL的具体数值

表12示出了实施例1-5中f1/f、D1/f、Sag11/f、D1/BFL、TTL/AC1的数值范围。

由此，通过对本发明红外广角镜头各光学系统参数的设置方式可以看出，通过合理的参数设置，其既可以有利于减小镜头口径尺寸，进而减小光学系统的整体尺寸，降低加工难度和加工成本，同时又能保证具有良好的成像性能。

实施例6：

本实施例提供了一种摄像装置，其包括上述红外广角镜头。

综上所述，本发明中的红外广角镜头及摄像设备结构简单，成像性能良好，其通过合理分配光焦度及设置光阑面来实现缩小镜头口径尺寸，保证成像质量的同时降低成本，可充分满足小型化的非制冷红外光学系统使用需求，适用于执行实况记录和安防监控等任务，具有广阔的市场前景。

需要说明的是，上述实施例1至6中的技术特征可进行任意组合，且组合而成的技术方案均属于本发明的保护范围。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种红外广角镜头，其特征在于，沿光轴由物侧至像侧依序设置第一透镜、光阑、第二透镜、第三透镜、第四透镜；其中，透镜的数量为4个；

所述第四透镜具有正屈光度，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；

所述光阑设置于所述第二透镜前，且位于第一透镜与第二透镜之间；

所述第一透镜的焦距f1与所述红外广角镜头的整组焦距f之间满足：-2.60≤f1/f≤

-1.65；

所述第一透镜的有效口径D1与所述红外广角镜头的整组焦距f之间满足：3.15≤D1/f≤4.05。

2.如权利要求1所述的红外广角镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜中的一个或多个为非球面镜片。

3.如权利要求2所述的红外广角镜头，其特征在于，所述第一透镜的物侧面、像侧面为非球面。

4.如权利要求2所述的红外广角镜头，其特征在于，所述第二透镜的像侧面为非球面。

5.如权利要求2所述的红外广角镜头，其特征在于，所述第三透镜的物侧面为非球面。

6.如权利要求2所述的红外广角镜头，其特征在于，所述第四透镜的像侧面为非球面。

7.如权利要求1-6任一项所述的红外广角镜头，其特征在于，所述第一透镜物侧面的矢高Sag11与所述红外广角镜头的整组焦距f之间满足：0.30≤Sag11/f≤0.80 。

8.如权利要求1-6任一项所述的红外广角镜头，其特征在于，所述第一透镜的有效口径D1与所述第四透镜像侧面在光轴上的顶点到像面的距离BFL之间满足：1.40≤D1/BFL≤2.60 。

9.如权利要求8所述的红外广角镜头，其特征在于，所述红外广角镜头的总长TTL与所述第一透镜像侧面在光轴上的顶点到光阑的距离AC1之间满足：2.20≤TTL/AC1≤3.20 。

10.一种摄像装置，其特征在于，所述摄像装置包括如权利要求1-9任一项所述的红外广角镜头。