CN112099209B - 红外成像镜头 - Google Patents
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Abstract
提供了一种红外成像镜头，包括从物方到像方依次设置的光阑、第一、第二、第三和第四透镜。第一、第二和第三透镜为正光焦度的透镜，第四透镜为负光焦度的透镜。第一透镜在靠近物面一侧的近轴区域为凸面，且在靠近像面一侧的近轴区域为凹面；第二透镜在靠近物面一侧的近轴区域为凸面；第三透镜在靠近物面一侧的近轴区域为凸面；第四透镜在靠近物面一侧的近轴区域为凸面，且在靠近像面一侧的近轴区域为凹面。每个透镜的两个面中至少有一个为非球面。该镜头满足：0<|Y’/(f*TTL)|<0.5，0.4<f/TTL<1，f为该镜头的焦距，Y’为该镜头的像面上的最大像高，TTL为该镜头的物面至像面的距离。
Description
技术领域
本申请实施例涉及光学领域，并且更具体地，涉及红外成像镜头。
背景技术
随着人脸识别、体感游戏和模式识别等领域的兴起，三维深度检测已成为热点。三维深度检测中通常采用940nm的光源作为信号光源，一是为避免太阳光中的可见光波段对信号的干扰，二是空气中的水分子对940nm的光线的吸收较小。红外成像镜头作为深度检测中的信号收集装置，对深度检测中的精度和视场至关重要。因此，如何改善红外成像镜头的性能，成为亟待解决的问题。
发明内容
本申请实施例提供了一种红外成像镜头，具有较大的视场和较小的F数。
第一方面，提供了一种红外成像镜头，所述镜头包括从物方到像方依次设置的光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中：
所述第一透镜为正光焦度的透镜，所述第一透镜在靠近物面一侧的近轴区域为凸面，且在靠近像面一侧的近轴区域为凹面，所述第一透镜的两个面中至少有一个面为非球面；
所述第二透镜为正光焦度的透镜，所述第二透镜在靠近物面一侧的近轴区域为凸面，所述第二透镜的两个面中至少有一个面为非球面；
所述第三透镜为正光焦度的透镜，所述第三透镜在靠近物面一侧的近轴区域为凸面，所述第三透镜的两个面中至少有一个面为非球面；
所述第四透镜为负光焦度的透镜，所述第四透镜在靠近物面一侧的近轴区域为凸面，且在靠近像面一侧的近轴区域为凹面，所述第四透镜的两个面中至少有一个面为非球面；
所述镜头的参数满足：0<|Y’/(f*TTL)|<0.5，0.4<f/TTL<1，其中，f为所述镜头的焦距，Y’为所述镜头的像面上的最大像高，TTL为所述镜头的物面至像面之间的距离。
在一种可能的实现方式中，所述镜头的视场角FOV满足：71°＜FOV＜85°。
在一种可能的实现方式中，所述镜头的F数满足：F数＜1.6。
在一种可能的实现方式中，|Y’/(f*TTL)|＝0.171，f/TTL＝0.732，F数＝1.35，FOV＝74°。
在一种可能的实现方式中，|Y’/(f*TTL)|＝0.171，f/TTL＝0.732，F数＝1.34，FOV＝74°。
在一种可能的实现方式中，|Y’/(f*TTL)|＝0.166，f/TTL＝0.751，F数＝1.41，FOV＝72°。
在一种可能的实现方式中，|Y’/(f*TTL)|＝0.174，f/TTL＝0.652，F数＝1.50，FOV＝83°。
在一种可能的实现方式中，所述第一透镜的中心厚度CT1和所述第二透镜的中心厚度CT2之间满足：0<CT1/CT2<2。
在一种可能的实现方式中，所述第二透镜的中心厚度CT2和所述第三透镜的中心厚度CT3之间满足：0<CT2/CT3<5。
在一种可能的实现方式中，所述第三透镜的中心厚度CT3和所述第四透镜的中心厚度CT4之间满足：0<CT3/CT4<2。
在一种可能的实现方式中，所述第一透镜的材料的折射率n1＞1.6，所述第一透镜的材料的色散系数v1＞20.0。
在一种可能的实现方式中，所述第二透镜的材料的折射率n2＞1.6，所述第二透镜的材料的色散系数v2＞20.0。
在一种可能的实现方式中，所述第三透镜的材料的折射率n3＞1.6，所述第三透镜的材料的色散系数v3＞20.0。
在一种可能的实现方式中，所述第四透镜的材料的折射率n4＞1.5，所述第四透镜的材料的色散系数v4＞50.0。
在一种可能的实现方式中，所述第一透镜的焦距f1与所述镜头的焦距f之间满足：10<f1/f<70。
在一种可能的实现方式中，所述第二透镜的焦距f2与所述镜头的焦距f之间满足：1<f2/f<2。
在一种可能的实现方式中，所述第三透镜的焦距f3与所述镜头的焦距f之间满足：1<f3/f<3。
在一种可能的实现方式中，所述第四透镜的焦距f4与所述镜头的焦距f之间满足：-5<f4/f<0。
在一种可能的实现方式中，所述第一透镜的焦距f1与所述第一透镜在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R1之间满足：20<f1/R1<110。
在一种可能的实现方式中，所述第一透镜的焦距f1与所述第一透镜在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R2之间满足：20<f1/R2<120。
在一种可能的实现方式中，所述第二透镜的焦距f2与所述第二透镜在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R3之间满足：0<f2/R3<2。
在一种可能的实现方式中，所述第二透镜的焦距f2与所述第二透镜在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R4之间满足：0<f2/R4<1。
在一种可能的实现方式中，所述第三透镜的焦距f3与所述第三透镜在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R5之间满足：0<f3/R5<3。
在一种可能的实现方式中，所述第三透镜的焦距f3与所述第三透镜在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R6之间满足：-1<f3/R6<1。
在一种可能的实现方式中，所述第四透镜的焦距f4与所述第四透镜在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R7之间满足：-5<f4/R7<0。
在一种可能的实现方式中，所述第四透镜的焦距f4与所述第四透镜在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R8之间满足：-10<f4/R8<0。
在一种可能的实现方式中，所述第一透镜在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R1与所述第一透镜在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R2之间满足：0<R1/R2<2。
在一种可能的实现方式中，所述第二透镜在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R3与所述第二透镜在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R4之间满足：0<R3/R4<1。
在一种可能的实现方式中，所述第三透镜在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R5与所述第三透镜在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R6之间满足：-1<R5/R6<1。
在一种可能的实现方式中，所述第四透镜在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R7与所述第四透镜在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R8之间满足：1<R7/R8<3。
在一种可能的实现方式中，所述红外成像镜头应用于深度检测中。
基于上述技术方案，红外成像镜头中包括四个透镜。通过对四个透镜的光焦度和形状进行设计，使得镜头的焦距f、镜头的成像面上的最大像高Y’、以及镜头沿光轴的纵向距离TTL满足0<|Y’/(f*TTL)|<0.5，0.4<f/TTL<1，从而具有较大的视场角FOV和较小的F数，进而改善该红外成像镜头的视场和成像精度。
附图说明
图1是本申请实施例的红外成像镜头模组的一种示意性结构图。
图2是图1所示红外成像镜头模组中的成像光路的示意图。
图3是本申请实施例的红外成像镜头的示意图。
图4是本申请实施例的镜头的一种布局的示意图。
图5是图4所示的镜头的像散的收差曲线的示意图。
图6是图4所示的镜头的畸变的收差曲线的示意图。
图7是图4所示的镜头的成像质量的收差曲线的示意图。
图8是图4所示的镜头的相对照度的曲线的示意图。
图9是本申请实施例的镜头的另一种布局的示意图。
图10是图9所示的镜头的像散的收差曲线的示意图。
图11是图9所示的镜头的畸变的收差曲线的示意图。
图12是图9所示的镜头的成像质量的收差曲线的示意图。
图13是图10所示的镜头的相对照度的曲线的示意图。
图14是本申请实施例的镜头的另一种布局的示意图。
图15是图14所示的镜头的像散的收差曲线的示意图。
图16是图14所示的镜头的畸变的收差曲线的示意图。
图17是图14所示的镜头的成像质量的收差曲线的示意图。
图18是图14所示的镜头的相对照度的曲线的示意图。
图19是本申请实施例的镜头的另一种布局的示意图。
图20是图19所示的镜头的像散的收差曲线的示意图。
图21是图19所示的镜头的畸变的收差曲线的示意图。
图22是图19所示的镜头的成像质量的收差曲线的示意图。
图23是图19所示的镜头的相对照度的曲线的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。
图1是本申请实施例的红外成像镜头模组的一种示意性结构图。如图1所示，红外成像镜头模组100包括红外成像镜头(以下简称镜头)110、镜筒120、支架130、滤光片140、感光芯片150、电路板160和补强钢板170。
其中，镜头110为信号收集部分，是红外成像镜头模组100的核心部件，其可以是球面或者非球面构成的光学结构，用于聚焦入射光线至感光芯片上，通过感光芯片将镜头收集到的光信号转换为电信号。镜头110可由一个或多个透镜组合构成，每个透镜例如可以采用树脂等材料注塑而成。
镜筒120(Barrel)为不吸光的支撑件，用于固定镜头110。
支架130(Holder)为带螺纹的桶状结构，主要用于控制镜头110的离焦和偏心，本申请实施例对结构件130的制作方式不做限定，例如可以由金属冲压制成。
滤光片140(Filter)为红外带通滤光片，用于滤除可见光和远红外等非目标波段的光线。滤光片140例如可以在蓝水晶基底上蒸镀红外辐射(Infrared Radiation，IR)材料涂层而形成。
感光芯片150是由光电传感器构成的集成电路，可以将光能量转换成电信号并输出，其与镜头110搭配使用。
电路板160为连接感光芯片150的电路和电子设备的电路的装置，例如可以是柔性线路板(Flexible Printed Circuit，FPC)。
补强钢板170用于增加芯片模组的机械强度和可靠性，本申请实施例对补强钢板的组成不做限定，例如可以由钢片或者印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)板组成。
应理解，图1所示的红外成像镜头模组100的结构仅仅为示例，本申请实施例主要对其中的镜头110进行改进，而对其他结构和器件的位置和参数不做任何限定。
如图2所示，以中心视场的光线为例，物方的物点发出的光线经过镜头110的会聚，会聚的光线经过滤光片140的过滤，滤除了非目标波段的信号干扰，最终在感光芯片150上会聚为一个像点。通过对物方不同的物点逐一成像，最后可以在感光芯片150上得到成像图片。
本申请实施例设计了一种红外成像镜头，该红外成像镜头具有较大的视场角和较小的F数，因此使得该红外成像镜头具有更优的成像性能。
为便于更好的理解，首先简单介绍本申请实施例中设计的可用于评价该红外成像镜头的性能的参数指标。
视场角(Field of View，FOV)：用来表征镜头的视野范围，在镜头尺寸相等的情况下，镜头的FOV越大，表示该镜头能获得更大区域的信息，即采用该镜头能够获得的信息量更大。
工作F数，或者F数(F-number，Fno)：即镜头相对口径的倒数，用于表征透过镜头进入感光芯片的光线量。F数越小，表示进入镜头的光线量越多。
TV畸变(TV Distortion)：用于度量图像的视觉畸变程度。可以理解，TV畸变越小，成像效果越好。
相对照度(Relative Illumination，RI)：指成像面上的不同坐标点的照度和中心点的照度之比，相对照度越小，成像面的照度越不均匀，容易产生某些位置曝光不足或中心过曝光的问题，影响成像质量；相对照度越大，成像质量越高。
图1所示的红外成像镜头模组100中的镜头110如图3所示，镜头110包括从物方到像方依次设置的第一透镜111、第二透镜112、第三透镜113和第四透镜114。
第一透镜111为正光焦度的透镜，第一透镜111在靠近物面一侧的近轴区域为凸面，且在靠近像面一侧的近轴区域为凹面，第一透镜111的两个面中至少有一个面为非球面。
第二透镜112为正光焦度的透镜，第二透镜112在靠近物面一侧的近轴区域为凸面，第二透镜112的两个面中至少有一个面为非球面。
第三透镜113为正光焦度的透镜，第三透镜113在靠近物面一侧的近轴区域为凸面，第三透镜113的两个面中至少有一个面为非球面。
第四透镜114为负光焦度的透镜，第四透镜114在靠近物面一侧的近轴区域为凸面，且在靠近像面一侧的近轴区域为凹面，第四透镜114的两个面中至少有一个面为非球面。
应理解，本申请实施例中所述的“透镜在靠近物面一侧的近轴区域”，也可以表述为“透镜在近轴区域的物面一侧”；“透镜在靠近像面一侧的近轴区域”，也可以表述为“透镜在近轴区域的像面一侧”。例如，第一透镜111在靠近物面一侧的近轴区域为凸面，也即，第一透镜111在近轴区域的物面一侧为凸面。
还应理解，透镜的“近轴”或者“近轴区域”可以是指，与光轴之间夹角为θ的近轴光线的区域，其中θ满足：θ≈sinθ。例如，θ可以小于5°。
第一透镜111、第二透镜112、第三透镜113和第四透镜114例如可以采用树脂材料或者其他塑胶材料注塑成型，这里不作限定。
其中，镜头110的焦距f、镜头110的像面上的最大像高Y’、以及镜头110的物面至像面之间的距离即镜头110的总纵向长度(Total Trace Length，TTL)满足预定条件，使得镜头110具有较大的视场角FOV、较小的F数、以及较大的相对照度等。
该预设条件例如为：0<|Y’/(f*TTL)|<0.5和/或0.4<f/TTL<1。
本申请实施例中，采用4片式镜头作为信号收集装置，该镜头包括四个透镜。通过对四个透镜的光焦度和形状进行设计，使镜头的f、Y’和TTL满足预设条件，从而具有较大的视场角FOV和较小的F数，且不会增加该红外成像镜头装配于电子设备时所占用的纵向空间，在满足电子设备日益紧张的尺寸限制的情况下，改善了该红外成像镜头的视场和成像精度。
该红外成像镜头例如可以应用于深度检测中，以利用红外光线实现对目标的深度检测。
进一步地，该红外成像镜头可以应用于发射端为点光源的场景中，即该红外成像镜头作为接收端(RX端)时，其对应的发射端(TX端)为点光源红外光模组；该红外成像镜头也可以应用于发射端为面光源的场景中，即该红外成像镜头作为接收端(RX端)时，其对应的发射端(TX端)可以是面光源红外光模组，比如由垂直共振腔面发射型激光(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)发光芯片、准直镜(Collimator)和扩散片(Diffuser)组成的红外光模组或近红外光模组。
镜头的f、Y’和TTL影响镜头的FOV和F数，并且f、Y’和TTL之间也相互影响，因此通过控制f、Y’和TTL三者之间满足预设关系，能够使得镜头110具有较大的FOV和较小的F数以满足镜头的成像需求，进一步能够使感光芯片150获得更多的携带目标信息的光线，最大限度地利用感光芯片150的有效感光面积，从而提升成像分辨率，提高成像精度。
当镜头110的f、Y’和TTL满足该预设条件时，可以使镜头110的FOV和F数等满足需求。例如，使镜头110的FOV满足例如65°≤FOV＜85°，进一步地还可以71°＜FOV＜85°或72°≤FOV＜85°，以实现深度检测的精度需求和视场需求的平衡；又例如，使镜头110的F数满足例如F数＜1.6，以实现微弱信号的探测并缩短曝光时间；又例如，使镜头110的相对照度满足例如RI＞60％，进一步地还可以RI＞62％、RI＞65％或RI≥70％，以提升全视场内的深度误差的均匀性。
应理解，上述的预设条件为设计镜头110时f、Y’和TTL应满足的条件，从而在保证所需的FOV和F数的情况下，提升镜头110的成像分辨率和成像精度，并减小镜头110的尺寸。在一些情况下，为了获得更好的镜头性能，该预设条件也可以进行适当调整，例如，该预设条件还可以包括0<|Y’/(f*TTL)|<0.49、0<|Y’/(f*TTL)|<0.44、0<|Y’/(f*TTL)|<0.39或者0<|Y’/(f*TTL)|<0.19；或者，该预设条件还可以包括0.4<f/TTL<0.68。
上面从整体上描述了镜头110的各个参数应满足的条件，下面针对镜头110中的第一透镜111、第二透镜112、第三透镜113和第四透镜114各自的参数设计分别进行描述。当各个透镜的各个参数之间满足以下条件中的部分或者全部时，可以使镜头110的FOV和F数分别满足65°≤FOV＜85°和F数＜1.6。
对于第一透镜111，可选地，第一透镜111的焦距f1与第一透镜111的曲率半径之间满足一定关系。例如，焦距f1与第一透镜111在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R1之间满足20<f1/R1<110；又例如，焦距f1与第一透镜111在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R2之间满足20<f1/R2<120。
对于第二透镜112，可选地，第二透镜112的焦距f2与第二透镜112的曲率半径之间满足一定关系。例如，焦距f2与第二透镜112在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R3之间满足0<f2/R3<2；又例如，焦距f2与第二透镜112在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R4之间满足0<f2/R4<1。
对于第三透镜113，可选地，第三透镜113的焦距f3与第三透镜113的曲率半径之间满足一定关系。例如，焦距f3与第三透镜113在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R5之间满足-0<f3/R5<3；又例如，焦距f3与第三透镜113在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R6之间满足-1<f3/R6<1。
对于第四透镜114，可选地，第四透镜114的焦距f4与第四透镜114的曲率半径之间满足一定关系。例如，焦距f4与第四透镜114在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R7之间满足-5<f4/R7<0；又例如，焦距f4与第四透镜114在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R8之间满足-10<f4/R8<0。
对于每个透镜而言，具有分别靠近物面一侧和像面一侧的两个表面，可选地，这两个表面的曲率半径之间满足一定关系。例如，第一透镜111在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R1与第一透镜111在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R2之间满足0<R1/R2<2；又例如，第二透镜112在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R3与第二透镜112在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R4之间满足0<R3/R4<1；又例如，第三透镜113在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R5与第三透镜113在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R6之间满足-1<R5/R6<1；又例如，第四透镜114在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R7与第四透镜114在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R8之间满足1<R7/R8<3。
可见，通过对四个透镜各自的焦距和曲率半径进行设计，可以使镜头110的FOV满足成像需求，并有效降低镜头110的长度，同时降低像差以及增加最大成像面Y’，从而有效提高镜头110的成像质量。并且还可以降低镜头110的敏感度，提升产品良品率。
本申请实施例中，第二透镜112和第三透镜113为正光焦度的镜片，第四透镜114为负光焦度的镜片。具体地，对于透镜之间的光焦度分配，第一透镜111、第二透镜112、第三透镜113和第四透镜114各自的焦距与镜头110的焦距f之间存在以下关系，借此降低镜头110的景深，提升特定面即物面的成像质量。
例如，第一透镜111的焦距f1与镜头110的焦距f之间满足10<f1/f<70；又例如，第二透镜112的焦距f2与镜头110的焦距f之间满足1<f2/f<2；又例如，第三透镜113的焦距f3与镜头110的焦距f之间满足1<f3/f<3；又例如，第四透镜114的焦距f4与镜头110的焦距f之间满足-5<f4/f<0。
为了使镜头110的结构更加坚固，提升镜头110的使用寿命，还可以对第一透镜111、第二透镜112、第三透镜113和第四透镜114的中心厚度，即透镜沿光轴方向的厚度进行设计。
例如，第一透镜111的中心厚度CT1和第二透镜112的中心厚度CT2之间满足0<CT1/CT2<2；又例如，第二透镜112的中心厚度CT2和第三透镜113的中心厚度CT3之间满足0<CT2/CT3<5；又例如，第三透镜113的中心厚度CT3和第四透镜114的中心厚度CT4之间满足0<CT3/CT4<2。
此外，出于满足色散要求以及降低生产成本的考虑，以及提供合适的相差平衡，还可以对第一透镜111、第二透镜112、第三透镜113和第四透镜114的材料的折射率和色散系数进行设计。
例如，第一透镜111的材料的折射率n1＞1.6，第一透镜111的材料的色散系数v1＞20.0；又例如，第二透镜112的材料的折射率n2＞1.6，第二透镜112的材料的色散系数v2＞20.0；又例如，第三透镜113的材料的折射率n3＞1.6，第三透镜113的材料的色散系数v3＞20.0；又例如，第四透镜114的材料的折射率n4＞1.5，第四透镜114的材料的色散系数v4＞50.0。
可选地，在一些实现方式中，镜头110还包括光阑115，也可以称光圈。光阑115例如可以设置于该第一透镜111的靠近物方的一侧。
光阑115可以用于调节光线或成像范围的大小，通过设置光阑115对光线或成像范围进行调整，使携带目标信息的光线能够最大程度地成像于感光芯片，使得该感光芯片能够获得更多的目标信息，进一步提升对目标的深度检测的解析力。
本申请实施例中，可以通过控制镜头110中的各个部件，例如第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光阑等的曲率半径、厚度、材料和圆锥系数等物理参数，和/或，该镜头110中的非球面透镜的非球面高次项系数中的偶次项等，使镜头110的参数满足上述的预设关系，进而使得镜头110的FOV大于或等于65°，F数小于1.6。以下，以实施例1、实施例2、实施例3和实施例4作为示例，具体描述本申请实施例的镜头110的一些可能的具体形态。
实施例1
镜头110包括四个透镜，如图4所示的各个透镜的布局(layout)，其中，从物方到像方依次为：光阑115、第一透镜111、第二透镜112、第三透镜113、第四透镜114、滤光片140和成像面116。
为便于区分和描述，按照从物方到像方的顺序，将物面记为S0，将光阑115记为S1，第一透镜111的两个表面分别记为S2和S3，第二镜头112的两个表面分别记为S4和S5，第三透镜113的两个表面分别记为S6和S7，第四透镜114的两个表面分别记为S8和S9，滤光片140的两个表面分别记为S10和S11，成像面116记为S12。
进一步地，通过设置镜头110中各个透镜的焦距、曲率半径、中心厚度、材料和圆锥系数中的至少一项，以及镜头110中的非球面透镜的非球面高次项系数，以使镜头110的FOV、F数、相对照度、尺寸等满足要求。
在实施例1中，各个透镜的焦距、曲率半径、中心厚度之间关系的设置如表1所示。S0～S12中的每个面的曲率半径、厚度、材料(n、v)和圆锥系数的设置如表2所示。S2～S9中的非球面的非球面高次项系数A2、A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16、A18、A20的设置如表3所示，其中A2的系数均为0。在表2中，为了区分球面和非球面，也将平面例如S10和S11的表面类型记作球面，其曲率半径为无限大。Y为最大物高。
表1
表2
| 表面 | 表面类型 | 曲率半径 | 厚度 | 材料 | 圆锥系数 |
| S0 | 物面 | 无限 | 596.872 | 0.000 | |
| S1 | 光阑 | 无限 | -0.154 | 0.000 | |
| S2 | 非球面 | 1.651 | 0.430 | 1.64，22.5 | -0.053 |
| S3 | 非球面 | 1.524 | 0.205 | 0.005 | |
| S4 | 非球面 | 2.184 | 0.660 | 1.64，22.5 | -5.119 |
| S5 | 非球面 | 22.330 | 0.529 | 83.983 | |
| S6 | 非球面 | 3.090 | 0.399 | 1.64，22.5 | -22.914 |
| S7 | 非球面 | 18.192 | 0.385 | 167.792 | |
| S8 | 非球面 | 1.765 | 0.434 | 1.54，56 | 0.118 |
| S9 | 非球面 | 1.079 | 0.539 | -1.015 | |
| S10 | 球面 | 无限 | 0.210 | 1.51，64.2 | 0.000 |
| S11 | 球面 | 无限 | 0.210 | 0.000 | |
| S12 | 像面 | 无限 | 0.000 | 0.000 |
表3
基于表1、表2和表3所示的参数，可以确定实施例1所示的镜头110的参数如下：TTL＝4.0mm，f＝2.929mm，F数＝1.35，FOV＝74°。
图5示出了镜头110的像散的收差曲线；图6示出了镜头110的畸变的收差曲线；图7示出了镜头110的成像质量的收差曲线，即调制传递函数(Modulation TransferFunction，MTF)曲线；图8示出了镜头110的相对照度。从图5至图8所示的仿真图可以得出，在镜头110的参数TTL、f、Y’满足上述预设条件的情况下，镜头110具有较大的FOV、较小的工作F数、较小的镜头尺寸(TTL)、以及较大的相对照度，并且镜头110的性能较好。
实施例2
镜头110包括四个透镜，如图9所示的各个透镜的布局，其中，从物方到像方依次为：光阑115、第一透镜111、第二透镜112、第三透镜113、第四透镜114、滤光片140和成像面116。
为便于区分和描述，按照从物方到像方的顺序，将物面记为S0，将光阑115记为S1，第一透镜111的两个表面分别记为S2和S3，第二镜头112的两个表面分别记为S4和S5，第三透镜113的两个表面分别记为S6和S7，第四透镜114的两个表面分别记为S8和S9，滤光片140的两个表面分别记为S10和S11，成像面116记为S12。
进一步地，通过设置镜头110中各个透镜的焦距、曲率半径、厚度、材料和圆锥系数中的至少一项，以及镜头110中的非球面透镜的非球面高次项系数，以使镜头110的FOV、F数、相对照度、尺寸等满足要求。
在实施例2中，各个透镜的焦距、曲率半径、中心厚度之间关系的设置如表4所示。S0～S12中的每个面的曲率半径、厚度、材料(n、v)和圆锥系数的设置如表5所示。S2～S9中的非球面的非球面高次项系数A2、A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16、A20的设置如表6所示，其中A2的系数均为0。在表5中，为了区分球面和非球面，也将平面例如S10和S11的表面类型记作球面，其曲率半径为无限大。Y为最大物高。
表4
表5
| 表面 | 表面类型 | 曲率半径 | 厚度 | 材料 | 圆锥系数 |
| S0 | 物面 | 无限 | 596.872 | 0.000 | |
| S1 | 光阑 | 无限 | -0.154 | 0.000 | |
| S2 | 非球面 | 1.651 | 0.430 | 1.64，22.5 | -0.053 |
| S3 | 非球面 | 1.524 | 0.205 | 0.005 | |
| S4 | 非球面 | 2.184 | 0.660 | 1.64，22.5 | -5.119 |
| S5 | 非球面 | 22.330 | 0.529 | 83.983 | |
| S6 | 非球面 | 3.090 | 0.399 | 1.64，22.5 | -22.914 |
| S7 | 非球面 | 18.192 | 0.385 | 167.792 | |
| S8 | 非球面 | 1.765 | 0.434 | 1.54，56 | 0.118 |
| S9 | 非球面 | 1.079 | 0.539 | -1.015 | |
| S10 | 球面 | 无限 | 0.210 | 1.51，64.2 | 0.000 |
| S11 | 球面 | 无限 | 0.210 | 0.000 | |
| S12 | 像面 | 无限 | 0.000 | 0.000 |
表6
基于表4、表5和表6所示的参数，可以确定实施例2所示的镜头110的参数如下：TTL＝4.0mm，f＝2.927mm，F数＝1.34，FOV＝74°。
图10示出了镜头110的像散的收差曲线；图11示出了镜头110的畸变的收差曲线；图12示出了镜头110的成像质量的收差曲线，即MTF曲线；图13示出了镜头110的相对照度。从图10至图13所示的仿真图可以得出，在镜头110的参数f、Y’和TTL满足上述预设条件的情况下，镜头110具有较大的FOV、较小的工作F数、较小的镜头尺寸、以及较大的相对照度，并且镜头110的性能较好。
实施例3
镜头110包括四个透镜，如图14所示的各个透镜的布局，其中，从物方到像方依次为：光阑115、第一透镜111、第二透镜112、第三透镜113、第四透镜114、滤光片140和成像面116。
为便于区分和描述，按照从物方到像方的顺序，将物面记为S0，将光阑115记为S1，第一透镜111的两个表面分别记为S2和S3，第二镜头112的两个表面分别记为S4和S5，第三透镜113的两个表面分别记为S6和S7，第四透镜114的两个表面分别记为S8和S9，滤光片140的两个表面分别记为S10和S11，成像面116记为S12。
进一步地，通过设置镜头110中各个透镜的焦距、曲率半径、厚度、材料和圆锥系数中的至少一项，以及镜头110中的非球面透镜的非球面高次项系数，以使镜头110的FOV、F数、相对照度、尺寸等满足要求。
在实施例3中，各个透镜的焦距、曲率半径、中心厚度之间关系的设置如表7所示。S0～S12中的每个面的曲率半径、厚度、材料(n、v)和圆锥系数的设置如表8所示。S2～S9中的非球面的非球面高次项系数A2、A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16、A20的设置如表9所示，其中A2的系数均为0。在表8中，为了区分球面和非球面，也将平面例如S10和S11的表面类型记作球面，其曲率半径为无限大。Y为最大物高。
表7
表8
| 表面 | 表面类型 | 曲率半径 | 厚度 | 材料 | 圆锥系数 |
| S0 | 物面 | 无限 | 600.000 | 0.000 | |
| S1 | 光阑 | 无限 | -0.198 | 0.000 | |
| S2 | 非球面 | 1.744 | 0.475 | 1.642，22.5 | 0.000 |
| S3 | 非球面 | 1.673 | 0.192 | 0.000 | |
| S4 | 非球面 | 2.106 | 0.504 | 1.642，22.5 | -6.406 |
| S5 | 非球面 | 10.161 | 0.637 | 0.000 | |
| S6 | 非球面 | 4.029 | 0.404 | 1.642，22.5 | -15.112 |
| S7 | 非球面 | -18.669 | 0.381 | -48.922 | |
| S8 | 非球面 | 1.746 | 0.400 | 1.545，56.0 | 0.000 |
| S9 | 非球面 | 1.058 | 0.550 | -1.000 | |
| S10 | 球面 | 无限 | 0.210 | 1.51，64.2 | 0.000 |
| S11 | 球面 | 无限 | 0.250 | 0.000 | |
| S12 | 像面 | 无限 | 0.000 | 0.000 |
表9
基于表7、表8和表9所示的参数，可以确定实施例3所示的镜头110的参数如下：TTL＝4.0mm，f＝3.006mm，F数＝1.41，FOV＝72°。
图15示出了镜头110的像散的收差曲线；图16示出了镜头110的畸变的收差曲线；图17示出了镜头110的成像质量的收差曲线，即MTF曲线；图18示出了镜头110的相对照度。从图15至图18所示的仿真图可以得出，在镜头110的参数f、Y’和TTL满足上述预设条件的情况下，镜头110具有较大的FOV、较小的工作F数、较小的镜头尺寸、以及较大的相对照度，并且镜头110的性能较好。
实施例4
镜头110包括四个透镜，如图19所示的各个透镜的布局，其中，从物方到像方依次为：光阑115、第一透镜111、第二透镜112、第三透镜113、第四透镜114、滤光片140和成像面116。
为便于区分和描述，按照从物方到像方的顺序，将物面记为S0，将光阑115记为S1，第一透镜111的两个表面分别记为S2和S3，第二镜头112的两个表面分别记为S4和S5，第三透镜113的两个表面分别记为S6和S7，第四透镜114的两个表面分别记为S8和S9，滤光片140的两个表面分别记为S10和S11，成像面116记为S12。
进一步地，通过设置镜头110中各个透镜的焦距、曲率半径、厚度、材料和圆锥系数中的至少一项，以及镜头110中的非球面透镜的非球面高次项系数，以使镜头110的FOV、F数、相对照度、尺寸等满足要求。
在实施例4中，各个透镜的焦距、曲率半径、中心厚度之间关系的设置如表10所示。S0～S12中的每个面的曲率半径、厚度、材料(n、v)和圆锥系数的设置如表11所示。S2～S9中的非球面的非球面高次项系数A2、A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16、A20的设置如表12所示，其中A2的系数为0。在表11中，为了区分球面和非球面，也将平面例如S10和S11的表面类型记作球面，其曲率半径为无限大。Y为最大物高。
表10
| 项目 | 参数值 |
| f<sub>1</sub>/f | 68.135 |
| f<sub>2</sub>/f | 1.487 |
| f<sub>3</sub>/f | 1.791 |
| f<sub>4</sub>/f | -2.605 |
| f<sub>1</sub>/R1 | 105.041 |
| f<sub>1</sub>/R2 | 113.901 |
| f<sub>2</sub>/R3 | 1.626 |
| f<sub>2</sub>/R4 | 0.018 |
| f<sub>3</sub>/R5 | 1.618 |
| f<sub>3</sub>/R6 | 0.008 |
| f<sub>4</sub>/R7 | -4.070 |
| f<sub>4</sub>/R8 | -6.569 |
| CT1/CT2 | 0.947 |
| CT2/CT3 | 1.830 |
| CT3/CT4 | 0.547 |
| R1/R2 | 1.084 |
| R3/R4 | 0.011 |
| R5/R6 | 0.005 |
| R7/R8 | 1.614 |
| Y/f | 0.800 |
| Y/TTL | 0.522 |
| Y’/(f*TTL) | 0.174 |
| f/TTL | 0.652 |
表11
| 表面 | 表面类型 | 曲率半径 | 厚度 | 材料 | 圆锥系数 |
| S0 | 物面 | 无限 | 690.179 | 0.000 | |
| S1 | 光阑 | 无限 | -0.179 | 0.000 | |
| S2 | 非球面 | 1.946 | 0.467 | 1.642，26.3 | -0.157 |
| S3 | 非球面 | 1.795 | 0.263 | -0.011 | |
| S4 | 非球面 | 2.743 | 0.826 | 1.642，26.3 | -5.522 |
| S5 | 非球面 | 247.228 | 0.504 | 800.000 | |
| S6 | 非球面 | 3.320 | 0.482 | 1.642，26.3 | -63.644 |
| S7 | 非球面 | 673.049 | 0.448 | 800.000 | |
| S8 | 非球面 | 1.921 | 0.530 | 1.545，56.0 | -0.124 |
| S9 | 非球面 | 1.190 | 0.340 | -0.839 | |
| S10 | 球面 | 无限 | 0.242 | 1.51，64.2 | 0.000 |
| S11 | 球面 | 无限 | 0.500 | 0.000 | |
| S12 | 像面 | 无限 | 0.000 | 0.000 |
表12
基于表10、表11和表12所示的参数，可以确定实施例4所示的镜头110的参数如下：TTL＝4.6mm，f＝3.000mm，F数＝1.50，FOV＝83°。
图20示出了镜头110的像散的收差曲线；图21示出了镜头110的畸变的收差曲线；图22示出了镜头110的成像质量的收差曲线，即MTF曲线；图23示出了镜头110的相对照度。从图20至图23所示的仿真图可以得出，在镜头110的参数f、Y’和TTL满足上述预设条件的情况下，镜头110具有较大的FOV、较小的工作F数、较小的镜头尺寸、以及较大的相对照度，并且镜头110的性能较好。
其中，表1至表12中的参数所对应的位置为空白，则表示无此参数或该参数的值为0。
镜头110的Y’、f和TTL影响镜头的尺寸、FOV、F数、相对照度等。镜头110的空间尺寸即TTL直接影响镜头110的设计难度，在本申请实施例中，通过设计Y’/(f*TTL)和f/TTL，可以使镜头110的具有较小的TTL，例如TTL＜4.6。在保证镜头110具有较好的成像解析力的情况下，还能够实现在较小的空间尺寸内对较大区域的深度信息进行成像。并且通过优化相对照度，提升了镜头110在全视场内的深度误差的均匀性。
在实际应用中，可以根据实际情况，在满足本申请的镜头参数的情况下，选择合适的镜头。例如，在上述实施例1至实施例4的镜头中，实施例4中的镜头的FOV＝83°，具有较大的视场角，但是镜头尺寸相较于其他实施例中而言会较大，即TTL＝4.6mm；而实施例1至实施例3中的镜头的尺寸可以很小，即TTL＝4.0mm，但是FOV会比实施例4中的镜头的FOV小一些；另外，实施例1的F数相较于其他实施例中而言会较小，F数＝1.35，镜头分别率较高。
从图5-6、图10-11、图15-16、以及图20-21可以看出，本申请的镜头具有较大的TV畸变，TV畸变都在5％以上。因此，在牺牲TV畸变的情况下，实现了较大的FOV、较小的F数、较小的TTL、或者较大的RI。
需要说明的是，在不冲突的前提下，本申请描述的各个实施例和/或各个实施例中的技术特征可以任意的相互组合，组合之后得到的技术方案也应落入本申请的保护范围。
应理解，本申请实施例中的具体的例子只是为了帮助本领域技术人员更好地理解本申请实施例，而非限制本申请实施例的范围，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本申请的保护范围内。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (29)
1.一种红外成像镜头，其特征在于，所述镜头由从物方到像方依次设置的光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜组成，其中：
所述第一透镜为正光焦度的透镜，所述第一透镜在靠近物面一侧的近轴区域为凸面，且在靠近像面一侧的近轴区域为凹面，所述第一透镜的两个面中至少有一个面为非球面；
所述第二透镜为正光焦度的透镜，所述第二透镜在靠近物面一侧的近轴区域为凸面，所述第二透镜的两个面中至少有一个面为非球面；
所述第三透镜为正光焦度的透镜，所述第三透镜在靠近物面一侧的近轴区域为凸面，所述第三透镜的两个面中至少有一个面为非球面；
所述第四透镜为负光焦度的透镜，所述第四透镜在靠近物面一侧的近轴区域为凸面，且在靠近像面一侧的近轴区域为凹面，所述第四透镜的两个面中至少有一个面为非球面；
其中，所述镜头的参数满足：0<|Y’/(f*TTL)|<0.19，0.4<f/TTL<1，其中，f为所述镜头的焦距，Y’为所述镜头的像面上的最大像高，TTL为所述镜头的物面至像面之间的距离；
所述镜头的视场角FOV满足：71°＜FOV＜85°；所述镜头的F数满足：F数＜1.6。
2.根据权利要求1所述的红外成像镜头，其特征在于，|Y’/(f*TTL)|＝0.171，f/TTL＝0.732，F数＝1.35，FOV＝74°。
3.根据权利要求1所述的红外成像镜头，其特征在于，|Y’/(f*TTL)|＝0.171，f/TTL＝0.732，F数＝1.34，FOV＝74°。
4.根据权利要求1所述的红外成像镜头，其特征在于，|Y’/(f*TTL)|＝0.166，f/TTL＝0.751，F数＝1.41，FOV＝72°。
5.根据权利要求1所述的红外成像镜头，其特征在于，|Y’/(f*TTL)|＝0.174，f/TTL＝0.652，F数＝1.50，FOV＝83°。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第一透镜的中心厚度CT1和所述第二透镜的中心厚度CT2之间满足：0<CT1/CT2<2。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第二透镜的中心厚度CT2和所述第三透镜的中心厚度CT3之间满足：0<CT2/CT3<5。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第三透镜的中心厚度CT3和所述第四透镜的中心厚度CT4之间满足：0<CT3/CT4<2。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第一透镜的材料的折射率n1＞1.6，所述第一透镜的材料的色散系数v1＞20.0。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第二透镜的材料的折射率n2＞1.6，所述第二透镜的材料的色散系数v2＞20.0。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第三透镜的材料的折射率n3＞1.6，所述第三透镜的材料的色散系数v3＞20.0。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第四透镜的材料的折射率n4＞1.5，所述第四透镜的材料的色散系数v4＞50.0。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第一透镜的焦距f1与所述镜头的焦距f之间满足：10<f1/f<70。
14.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第二透镜的焦距f2与所述镜头的焦距f之间满足：1<f2/f<2。
15.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第三透镜的焦距f3与所述镜头的焦距f之间满足：1<f3/f<3。
16.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第四透镜的焦距f4与所述镜头的焦距f之间满足：-5<f4/f<0。
17.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第一透镜的焦距f1与所述第一透镜在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R1之间满足：20<f1/R1<110。
18.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第一透镜的焦距f1与所述第一透镜在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R2之间满足：20<f1/R2<120。
19.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第二透镜的焦距f2与所述第二透镜在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R3之间满足：0<f2/R3<2。
20.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第二透镜的焦距f2与所述第二透镜在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R4之间满足：0<f2/R4<1。
21.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第三透镜的焦距f3与所述第三透镜在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R5之间满足：0<f3/R5<3。
22.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第三透镜的焦距f3与所述第三透镜在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R6之间满足：-1<f3/R6<1。
23.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第四透镜的焦距f4与所述第四透镜在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R7之间满足：-5<f4/R7<0。
24.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第四透镜的焦距f4与所述第四透镜在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R8之间满足：-10<f4/R8<0。
25.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第一透镜在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R1与所述第一透镜在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R2之间满足：0<R1/R2<2。
26.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第二透镜在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R3与所述第二透镜在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R4之间满足：0<R3/R4<1。
27.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第三透镜在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R5与所述第三透镜在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R6之间满足：-1<R5/R6<1。
28.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述第四透镜在靠近物面一侧的近轴区域的曲率半径R7与所述第四透镜在靠近像面一侧的近轴区域的曲率半径R8之间满足：1<R7/R8<3。
29.根据权利要求1至5中任一项所述的红外成像镜头，其特征在于，所述红外成像镜头应用于深度检测中。
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