CN111061046B - 红外光学成像镜头及成像设备 - Google Patents

红外光学成像镜头及成像设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种红外光学成像镜头及成像设备，红外光学成像镜头沿光轴从物侧到成像面依次包括：光阑；具有正光焦度的第一透镜，第一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；具有正光焦度的第二透镜，第二透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面；具有负光焦度的第三透镜，第三透镜的物侧面在近光轴处为凸面，像侧面在近光轴处为凹面；以及滤光片；其中，第一透镜为玻璃镜片，第二透镜和第三透镜均为塑胶非球面镜片。本发明提供的红外光学成像镜头采用三片玻塑混合镜片搭配以及光焦度的合理组合，实现镜头的小型化，有效地降低了制造成本，同时能满足光学红外成像特性以及高成像品质的摄像需求。

Description

红外光学成像镜头及成像设备
技术领域
本发明涉及透镜成像技术领域，特别涉及一种红外光学成像镜头及成像设备。
背景技术
根据行业相关数据表明，80％的道路安全事故直接或间接由驾驶员的危险驾驶导致，因此，如果可以对驾驶员的驾驶行为进行实时检测和提醒，那么就可以有效降低交通事故的发生概率。
DMS(Driver Monitor System，驾驶员监控系统)是利用DMS摄像头获取的图像，通过视觉跟踪、目标检测、动作识别等技术对驾驶员的驾驶行为及生理状态进行检测，当驾驶员发生疲劳、分心、打电话、抽烟、未系安全带等危险情况时在系统设定时间内报警以避免事故发生。DMS系统能有效地规范驾驶员的驾驶行为、减少人为失误导致的事故，为驾乘安全保驾护航。
在利用DMS摄像头对驾驶员的的驾驶行为及面部信息进行检测时，需要选择合适的光源。为了减弱环境光对成像的影响，主动光源的强度需要高于环境光，但是强光会对人眼产生干扰，降低用户的舒适度，因此，主动光源最好位于不可见波段，如红外光、紫外光等。长期照射紫外光容易对人的皮肤和眼睛造成永久性伤害，中远红外波段光成像会损失物体表面的大多数信息，一般不用于物体成像，因此近红外波段光成为DMS系统最好的选择，也即应用在DMS系统中的摄像头需要在近红外波段光具有良好的成像能力，以保证系统在夜间、逆光、树荫阳光等复杂光照环境等场景下同样适用。
随着光电元器件日趋小型化，DMS系统需要搭配一款体积小，成本低的红外光学成像镜头，才能满足使用需求。然而，在现有技术中，多采用球面玻璃镜片但体积大且成本高，而采用全塑胶镜片虽能减小体积，但塑胶材料热膨胀系数较大，容易使镜头出现因温度变化带来的焦点偏移问题。
发明内容
基于此，本发明的目的在于提供一种小型化、低成本以及成像质量高的红外光学成像镜头。
本发明实施例通过以下技术方案来实现上述目的。
第一方面，本发明提供了一种红外光学成像镜头，沿光轴从物侧到成像面依次包括：光阑；具有正光焦度的第一透镜，第一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；具有正光焦度的第二透镜，第二透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面；具有负光焦度的第三透镜，第三透镜的物侧面在近光轴处为凸面，像侧面在近光轴处为凹面；以及滤光片；其中，第一透镜为玻璃镜片，第二透镜和第三透镜均为塑胶非球面镜片；红外光学成像镜头满足条件式：TL/(IH/tanθ)<1.5，TL表示红外光学成像镜头的光学总长，θ表示红外光学成像镜头的半视场角，IH表示红外光学成像镜头的半像高。
第二方面，本发明提供了一种成像设备，包括第一方面提供的红外光学成像镜头及成像元件，成像元件用于将红外光学成像镜头形成的光学图像转换为电信号。
相较于现有技术，本发明提供的红外光学成像镜头采用一片玻璃镜片和两片塑胶镜片搭配设计，通过光焦度的合理组合，实现镜头的小型化，并有效地降低制造成本。而且，本发明提供的红外光学成像镜头可在800nm～1100nm(近红外区)波段清晰成像，在近红外光条件下成像质量良好，即能够满足DMS系统的红外成像特性以及高成像品质的摄像需求。
附图说明
图1为本发明第一实施例中红外光学成像镜头的结构示意图；
图2为本发明第一实施例中红外光学成像镜头的场曲曲线图；
图3为本发明第一实施例中红外光学成像镜头的f-θ畸变曲线图；
图4为本发明第一实施例中红外光学成像镜头的轴上点球差曲线图；
图5为本发明第一实施例中红外光学成像镜头的垂轴色差曲线图；
图6为本发明第二实施例中红外光学成像镜头的场曲示意图；
图7为本发明第二实施例中红外光学成像镜头的f-θ畸变曲线图；
图8为本发明第二实施例中红外光学成像镜头的轴上点球差曲线图；
图9为本发明第二实施例中红外光学成像镜头的垂轴色差曲线图；
图10为本发明第三实施例中红外光学成像镜头的结构示意图；
图11为本发明第三实施例中红外光学成像镜头的场曲曲线图；
图12为本发明第三实施例中红外光学成像镜头的f-θ畸变曲线图；
图13为本发明第三实施例中红外光学成像镜头的轴上点球差曲线图；
图14为本发明第三实施例中红外光学成像镜头的垂轴色差曲线图；
图15为本发明第四实施例中红外光学成像镜头的场曲曲线图；
图16为本发明第四实施例中红外光学成像镜头的f-θ畸变曲线图；
图17为本发明第四实施例中红外光学成像镜头的轴上点球差曲线图；
图18为本发明第四实施例中红外光学成像镜头的的垂轴色差曲线图；
图19为本发明第五实施例中成像设备的结构示意图。
主要元素符号说明
Figure GDA0003029616230000031
Figure GDA0003029616230000041
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于更好地理解本发明，下面将结合相关实施例附图对本发明进行进一步地解释。附图中给出了本发明的实施例，但本发明并不仅限于上述的优选实施例。相反，提供这些实施例的目的是为了使本发明的公开面更加得充分。
本发明实施例提供了一种红外光学成像镜头，包括沿光轴从物侧到成像面依次设置的光阑、第一透镜、第二透镜以及第三透镜；第一透镜为具有正光焦度的玻璃透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；第二透镜为具有正光焦度的塑胶非球面透镜，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；第三透镜为具有负光焦度的塑胶非球面透镜，其物侧面在近光轴处为凸面，像侧面在近光轴处为凹面。红外光学成像镜头满足条件式：TL/(IH/tanθ)<1.5，TL表示红外光学成像镜头的光学总长，θ表示红外光学成像镜头的半视场角，IH表示红外光学成像镜头的半像高。此条件式反映了在确定半视场角和半像高关系的条件下，该红外光学成像镜头拥有更小的光学总长，有效地减小了镜头的体积。
其中，光阑的作用为限制通光口径，而本发明中将光阑设置于第一透镜之前，可使入瞳位置前移，使光阑对畸变的影响为零；第一透镜主要用于光线的收集，第二透镜主要用于场曲以及像散的矫正，第三透镜主要用于像散和畸变等像差的矫正，同时用于实现对光线出射角的控制；塑胶非球面镜片的使用可以有效地矫正球差，同时可减小光学总长，减小镜头体积，实现镜头的小型化。
在一些实施方式中，红外光学成像镜头满足条件式：
1＜|R11-R12|/CT1＜5； (1)
其中，R11表示第一透镜物侧面的曲率半径，R12表示第一透镜像侧面的曲率半径，CT1表示第一透镜的中心厚度。满足条件式(1)，可以有效地提升第一透镜的可加工性，同时易于组装。
在一些实施方式中，红外光学成像镜头满足条件式：
Figure GDA0003029616230000051
其中，
Figure GDA0003029616230000052
表示第二透镜的光焦度，
Figure GDA0003029616230000053
表示第三透镜的光焦度，
Figure GDA0003029616230000054
表示红外光学成像镜头的光焦度。满足条件式(3)，可有效地矫正镜头的场曲，提升镜头的解析力。
在一些实施方式中，红外光学成像镜头满足条件式：
Figure GDA0003029616230000055
其中，
Figure GDA0003029616230000056
表示第一透镜的光焦度，
Figure GDA0003029616230000057
表示红外光学成像镜头的光焦度。第一透镜的光焦度与红外光学成像镜头光焦度的比值满足上述条件式(3)，可有效地矫正镜头的像散，提升镜头的解析力。
在一些实施方式中，红外光学成像镜头满足条件式：
-1.0×10-6/℃<(dn/dt)1<3.0×10-6/℃； (4)
其中，(dn/dt)1表示第一透镜的材料折射率温度系数，上述条件式(4)，可有效地降低镜头对温度的敏感程度，提升镜头解析力在不同温度下的稳定性。
在一些实施方式中，红外光学成像镜头满足条件式：
-0.3＜(R11/R12)-(R22/R21)＜0； (5)
其中，R11表示第一透镜物侧面的曲率半径，R12表示第一透镜像侧面的曲率半径，R21表示第二透镜物侧面的曲率半径，R22表示第二透镜像侧面的曲率半径，满足此条件式(5)，第一透镜和第二透镜在成像系统中所起作用类似于对称结构，这能够很好的改善系统像差。
在一些实施方式中，红外光学成像镜头满足条件式：
(SD11/f)/tanθ＜0.67； (6)
其中，SD11表示第一透镜物侧面的最大有效半径，f表示红外光学成像镜头的有效焦距，θ表示红外光学成像镜头的半视场角，满足此条件式(6)，在满足系统有效焦距的同时，也能够保证前端小口径。
在一些实施方式中，红外光学成像镜头满足条件式：
n2-n3＝0，v2-v3＝0； (7)
其中，n2表示第二透镜的折射率，n3表示第三透镜的折射率，v2表示第二透镜的色散系数，v3表示第三透镜的色散系数。满足此条件式(7)，可使第二透镜和第三透镜材质相同，避免因材料种类多而出现一些加工及检测数据方面的问题，有效地降低了实际生产中的技术投入成本，符合量产化标准。
在一些实施方式中，红外光学成像镜头满足条件式：
0.16＜(SD11/IH)/SD32＜0.19； (8)
其中，SD11表示第一透镜物侧面的最大有效半径，IH表示红外光学成像镜头的半像高，SD32表示第三透镜像侧面的最大有效半径，满足此条件式(8)，有利于实现对光线入射角度及出射角的控制，同时保证像高要求。
在一些实施方式中，红外光学成像镜头的适用光谱范围为800nm～1100nm。一般镜头设计波长为435nm～656nm(可见光)波段，由于没有红外光要求，所以红外解像力会很差，而本发明提供的红外光学成像镜头可在800nm～1100nm(近红外区)波段清晰成像，在近红外光条件下成像质量良好，能够满足DMS系统中的红外成像的摄像需求。
在一些实施方式中，第一透镜为球面镜片。第一透镜采用玻璃球面镜片，第二透镜和第三透镜采用塑胶非球面镜片，通过玻塑镜片混合设计，可以有效地降低镜头的生产成本。
在一些实施方式中，第一透镜还可以为非球面镜片。第一透镜采用非球面镜片，可以提高镜头的成像品质。
在一些实施方式中，本发明还提供一种成像设备，包括上述任意一种实施方式的红外光学成像镜头及成像元件，该成像元件用于将红外光学成像镜头形成的光学图像转换为电信号。
本发明各个实施例中非球面镜头的表面形状均满足下列方程：
Figure GDA0003029616230000061
其中，z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c表示曲面顶点的曲率，K表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，B、C、D、E和F分别表示四阶、六阶、八阶、十阶和十二阶曲面系数。
在以下各个实施例中，红外光学成像镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径、材料选择部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。
第一实施例
请参阅图1，为本发明第一实施例提供的红外光学成像镜头100，由三个透镜组成，从物侧到成像面依次包括：光阑ST、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、滤光片G1及平板玻璃G2。
第一透镜L1为具有正光焦度的玻璃球面透镜，第一透镜L1的物侧面S1为凸面，像侧面S2为凹面；
第二透镜L2为具有正光焦度的塑胶非球面透镜，第二透镜L2的物侧面S3为凹面，像侧面S4为凸面；
第三透镜L3为具有负光焦度的塑胶非球面透镜，第三透镜L3的物侧面S5在近光轴处为凸面，像侧面S6在近光轴处为凹面。
本实施例的红外光学成像镜头100中各个镜片的相关参数如表1所示。
表1
Figure GDA0003029616230000071
Figure GDA0003029616230000081
本实施例的各透镜非球面的参数如表2所示。
表2
表面序号 K B C D E F
S3 -7.705 -0.139 -0.096 0.093 0.043 -0.031
S4 -4.581 -0.257 0.245 -0.206 0.107 -0.018
S5 -1.164 -0.184 0.104 -0.030 3.798e-3 -1.328e-4
S6 -6.765 -0.096 0.039 -9.721e-3 1.103e-3 -5.513e-5
在本实施例中，其场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差图分别如图2、图3、图4和图5所示。由图2、图3、图4和图5可以看出，本实施例中场曲、畸变、色差都能被很好地校正。
由图2可以看出，本实施例提供的红外光学成像镜头100的场曲均不超过0.05mm，且同一波长的子午方向和弧矢方向的场曲差值均不超过0.08mm，说明场曲得到了很好地矫正。
由图3可以看出，本实施例提供的红外光学成像镜头100的光学畸变的绝对值在全视场小于2％，说明畸变得到了很好地矫正，使拍摄的图像变形很小，无需进行数码畸变矫正。
由图4可以看出，本实施例提供的红外光学成像镜头100的轴向色差在全视场范围内均在±0.05mm以内，图4从负轴至正轴方向中的三条曲线依次对应于红外光学成像镜头100在波长为920nm、940nm、960nm的轴向色差。
由图5可以看出，本实施例提供的红外光学成像镜头100在波长范围920～960nm的垂轴色差全视场范围内均小于1.0um，波长之间的差值很小，说明该镜头近红外波段的色差得到了很好地矫正。
第二实施例
本实施例中的红外光学成像镜头的结构与第一实施例中的红外光学成像镜头100的结构大抵相同。不同之处在于：本实施例中的红外光学成像镜头的各透镜的曲率半径、材料选择不同。
本实施例中红外光学成像镜头中各个镜片的相关参数如表3所示。
表3
Figure GDA0003029616230000091
本实施例的各透镜非球面的参数如表4所示。
表4
表面序号 K B C D E F
S3 -4.813 -0.119 -0.078 0.089 0.037 -0.028
S4 -4.472 -0.27 0.244 -0.197 0.109 -0.020
S5 -2.290 -0.193 0.102 -0.030 3.958e-3 -1.674e-4
S6 -4.316 -0.100 0.039 -0.010 1.152e-3 -4.917e-5
在本实施例中，其场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差图分别如图6、图7、图8和图9所示，其中，图8从负轴至正轴方向中的三条曲线依次对应于红外光学成像镜头在波长为920nm、940nm、960nm的轴向色差。由图6、图7、图8和图9可以看出，本实施例中场曲、畸变和色差都能被很好地校正。
第三实施例
本实施例提供的红外光学镜头200的结构示意图请参阅图10，本实施例中的红外光学成像镜头200的结构与第一实施例中的红外光学成像镜头100的结构大抵相同，不同之处在于：本实施例中的光学成像镜头300的第一透镜L1是玻璃非球面镜片，第三透镜L3的形状不同，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同。
本实施例提供的红外光学成像镜头200中各个镜片的相关参数如表5所示。
表5
Figure GDA0003029616230000101
本实施例的各透镜非球面的参数如表6所示。
表6
Figure GDA0003029616230000102
Figure GDA0003029616230000111
在本实施例中，其场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差图分别如图11、图12、图13和图14所示，其中，图13从负轴至正轴方向中的三条曲线依次对应于红外光学成像镜头200在波长为920nm、940nm、960nm的轴向色差。由图11、图12、图13和图14可以看出，本实施例中场曲、畸变和色差都能被很好地校正。
第四实施例
本发明第四实施例中提供的红外光学成像镜头的结构与第一实施例中的红外光学成像镜头100的结构大抵相同，不同之处在于：本实施例中的红外光学成像镜头的第一透镜L1是玻璃非球面镜片，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同。
本实施例中提供的红外光学成像镜头中各个镜片的相关参数如表7所示。
表7
Figure GDA0003029616230000112
Figure GDA0003029616230000121
本实施例的各透镜非球面的参数如表8所示。
表8
表面序号 K B C D E F
S1 0 3.270e-3 -2.642e-3 6.870e-3 -3.473e-3 0
S2 0 0.034 0.041 -0.017 0.021 0
S3 -9.552 -0.514 0.465 -0.600 0.611 -0.216
S4 -4.030 -0.443 0.530 -0.603 0.389 -0.091
S5 -30.717 -0.017 0.023 -9.437e-3 1.609e-3 -9.656e-5
S6 -8.459 -0.047 0.018 -4.348e-3 3.030e-4 8.145e-6
在本实施例中，其场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差图分别如图15、图16、图17和图18所示，其中，图17从负轴至正轴方向中的三条曲线依次对应于红外光学成像镜头200在波长为920nm、940nm、960nm的轴向色差。由图15、图16、图17和图18可以看出，本实施例中场曲、畸变和色差都能被很好地校正。
表9是上述4个实施例及其对应的光学特性，包括系统焦距f、光圈数Fno、视场角2θ和光学总长TL，以及与前面每个条件式对应的数值。
表9
Figure GDA0003029616230000122
Figure GDA0003029616230000131
综合上述各实施例，本发明提供的红外光学成像镜头，均达到了以下的光学指标：(1)光学总长：TL＜5.1mm；(2)适用光谱范围为：800nm～1100nm。
综合上述实施例，本发明所提供的红外光学成像镜头至少具有以下的优点：
(1)本发明提供的红外光学成像镜头采用三片玻塑混合镜片设计，通过光焦度的合理组合，实现镜头的小型化，并降低了制造成本。
(2)一般镜头设计波长为435nm～656nm(可见光)波段，没有红外光要求，所以红外解像力会很差，而本发明提供的红外光学成像镜头可在800nm～1100nm(近红外区)波段清晰成像，在近红外光条件下成像质量良好，能够满足DMS系统中的红外成像特性以及高成像品质的摄像需求。
第五实施例
本实施例提供的一种成像设备300的结构示意图请参阅图19，包括上述任一实施例中的红外光学成像镜头(例如红外光学成像镜头100)及成像元件310。成像元件310可以是CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补性金属氧化物半导体)图像传感器，还可以是CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)图像传感器。
成像设备310可以是运动相机、全景相机、行车记录仪、监控摄像头、DMS摄像头以及其他任意一种形态的装载了红外光学成像镜头的电子设备。
本实施例提供的成像设备300包括红外光学成像镜头100，由于红外光学成像镜头不仅具有体积小和低成本等优点，而且在近红外光条件下成像质量好，能够提供更高质量的成像效果，因此，该成像设备300具有体积小、低成本、在近红外光条件下成像质量好等优点。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种红外光学成像镜头，沿光轴从物侧到成像面依次由光阑、具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜以及具有负光焦度的第三透镜组成，其特征在于：
所述第一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；
所述第二透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面；
所述第三透镜的物侧面在近光轴处为凸面，像侧面在近光轴处为凹面；
其中，所述第一透镜为玻璃透镜，所述第二透镜以及所述第三透镜均为塑胶非球面镜片；
所述红外光学成像镜头满足条件式：TL/(IH/tanθ)<1.5，TL表示所述红外光学成像镜头的光学总长，θ表示所述红外光学成像镜头的半视场角，IH表示所述红外光学成像镜头的半像高；
所述红外光学成像镜头满足条件式：
Figure FDA0003029616220000011
其中，
Figure FDA0003029616220000012
表示所述第二透镜的光焦度，
Figure FDA0003029616220000013
表示所述第三透镜的光焦度，
Figure FDA0003029616220000014
表示所述红外光学成像镜头的光焦度。
2.根据权利要求1所述的红外光学成像镜头，其特征在于，所述红外光学成像镜头满足条件式：
1＜|R11-R12|/CT1＜5；
其中，R11表示所述第一透镜物侧面的曲率半径，R12表示所述第一透镜像侧面的曲率半径，CT1表示所述第一透镜的中心厚度。
3.根据权利要求1所述的红外光学成像镜头，其特征在于，所述红外光学成像镜头满足条件式：
Figure FDA0003029616220000021
其中，
Figure FDA0003029616220000022
表示所述第一透镜的光焦度，
Figure FDA0003029616220000023
表示所述红外光学成像镜头的光焦度。
4.根据权利要求1所述的红外光学成像镜头，其特征在于，所述红外光学成像镜头满足条件式：
-1.0×10-6/℃<(dn/dt)1<3.0×10-6/℃；
其中，(dn/dt)1表示所述第一透镜的材料折射率温度系数。
5.根据权利要求1所述的红外光学成像镜头，其特征在于，所述红外光学成像镜头满足条件式：
-0.3＜(R11/R12)-(R22/R21)＜0；
其中，R11表示所述第一透镜物侧面的曲率半径，R12表示所述第一透镜像侧面的曲率半径，R21表示所述第二透镜物侧面的曲率半径，R22表示所述第二透镜像侧面的曲率半径。
6.根据权利要求1所述的红外光学成像镜头，其特征在于，所述红外光学成像镜头满足条件式：
(SD11/f)/tanθ＜0.67；
其中，SD11表示所述第一透镜物侧面的最大有效半径，f表示所述红外光学成像镜头的有效焦距，θ表示所述红外光学成像镜头的半视场角。
7.根据权利要求1所述的红外光学成像镜头，其特征在于，所述红外光学成像镜头满足条件式：
n2-n3＝0，v2-v3＝0；
其中，n2表示所述第二透镜的折射率，n3表示所述第三透镜的折射率，v2表示所述第二透镜的色散系数，v3表示所述第三透镜的色散系数。
8.根据权利要求1所述的红外光学成像镜头，其特征在于，所述红外光学成像镜头满足条件式：
0.16＜(SD11/IH)/SD32＜0.19；
其中，SD11表示所述第一透镜物侧面的最大有效半径，IH表示所述红外光学成像镜头的半像高，SD32表示所述第三透镜像侧面的最大有效半径。
9.根据权利要求1所述的红外光学成像镜头，其特征在于，所述红外光学成像镜头的适用光谱范围为800nm～1100nm。
10.一种成像设备，其特征在于，包括如权利要求1-9 任一项所述红外光学成像镜头以及成像元件，所述成像元件用于将所述红外光学成像镜头形成的光学图案转换为电信号。
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