CN112630945B - 一种高像素长焦距红外共焦光学镜头 - Google Patents

一种高像素长焦距红外共焦光学镜头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高像素长焦距红外共焦光学镜头，包括沿光线入射方向依次设置的凸凹负光焦度的第一塑胶非球面透镜L1、凹凸负光焦度的第二塑胶非球面透镜L2、双凸正光焦度的第三玻璃球面透镜L3、双凸正光焦度的第四玻璃球面透镜L4、双凹负光焦度的第五玻璃球面透镜L5、双凸正光焦度的第六塑胶非球面透镜L6和凹凸正光焦度的第七塑胶非球面透镜L7，第四玻璃球面透镜L4和第五玻璃球面透镜L5胶合形成胶合镜片组。该镜头可在可见光及近红外光下清晰成像，在‑40℃～85℃温度变化内不离焦，并提升边缘画质，分辨率高、成像质量好，适用于复杂环境及远距离监控。

Description

一种高像素长焦距红外共焦光学镜头
技术领域
本发明属于光学镜头技术领域，具体涉及一种高像素长焦距红外共焦光学镜头。
背景技术
目前国内的闭路监控行业(CCTV)都在朝小型化、多功能、环境适应能力强的方向发展。且国内竞争日趋激烈，定焦镜头已经不能满足不同地域客户的需求。例如在我国东北在冬天温度经常在零下30℃，而到夏天最高也会达到31℃左右，因此对应市场要求设计出置于室外并一年四季不离焦的监控装置。据公安机关权威统计的数据：接近70％的犯罪都是在夜间或光线较暗地域发生，黑暗成了罪犯的天然保护伞，因此，研发夜间也可成像清晰的红外共焦摄像机十分必要。另外，受综合因素影响，如还需考虑到监控摄像机的电路发热因素等，使得现有技术中的镜头还存在分辨率低、高低温影响大，且在可见光和近红外光波段的焦点漂移量大，难以实现优良的日夜共焦夜视效果等问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提出一种高像素长焦距红外共焦光学镜头，能在可见光及近红外光下清晰成像，在-40℃～85℃温度变化内不离焦，并且合理的采用塑胶非球面可以很好的提升边缘画质，分辨率高、成像质量好，适用于复杂环境及远距离监控，如应用于交通、安防行业等。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
本发明提出的一种高像素长焦距红外共焦光学镜头，由沿光线入射方向依次设置的凸凹负光焦度的第一塑胶非球面透镜L1、凹凸负光焦度的第二塑胶非球面透镜L2、双凸正光焦度的第三玻璃球面透镜L3、双凸正光焦度的第四玻璃球面透镜L4、双凹负光焦度的第五玻璃球面透镜L5、双凸正光焦度的第六塑胶非球面透镜L6和凹凸正光焦度的第七塑胶非球面透镜L7组成，第四玻璃球面透镜L4和第五玻璃球面透镜L5胶合形成胶合镜片组；
第一塑胶非球面透镜L1、第二塑胶非球面透镜L2、第三玻璃球面透镜L3、第四玻璃球面透镜L4、第五玻璃球面透镜L5、第六塑胶非球面透镜L6和第七塑胶非球面透镜L7，依次对应的焦距为-11.3±5％、-12.1±5％、7.2±5％、5.1±5％、-3.9±5％、6±5％和813±5％，依次对应的折射率为1.55±5％、1.65±5％、1.85±5％、1.57±5％、1.85±5％、1.55±5％和1.65±5％，第三玻璃球面透镜L3、第四玻璃球面透镜L4和第五玻璃球面透镜L5的物侧面曲率半径依次对应为9±5％、6.4±5％和-4.9±5％，且像侧面曲率半径依次对应为-19±5％、-4.9±5％和13±5％，“-”表示方向为负方向。
优选地，第一塑胶非球面透镜L1、第二塑胶非球面透镜L2、第六塑胶非球面透镜L6和第七塑胶非球面透镜L7的光焦度之和满足以下条件：
Figure GDA0003579502470000021
其中，f1为第一塑胶非球面透镜L1的焦距，f2为第二塑胶非球面透镜L2的焦距，f6为第六塑胶非球面透镜L6的焦距，f7为第七塑胶非球面透镜L7的焦距。
优选地，第一塑胶非球面透镜L1、第二塑胶非球面透镜L2、第六塑胶非球面透镜L6和第七塑胶非球面透镜L7的非球面方程均满足如下表达式：
Figure GDA0003579502470000022
式中，Z为矢高，c为曲率，y为径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，α4、α6、α8、α10、α12、α14、α16为非球面高阶系数。
优选地，第一塑胶非球面透镜L1、第二塑胶非球面透镜L2、第六塑胶非球面透镜L6和第七塑胶非球面透镜L7沿光线入射方向依次分布的各镜面，对应的k值依次为-1.0、-0.9、-1.2、0.8、-5.8、-15.7、-1.3、-5.1，对应的α4值依次为-1.4e-03、-2.7e-03、4e-03、6.5e-03、3.9e-03、5.7e-04、1.5e-03、-3.7e-03，对应的α6值依次为1.3e-04、-1.9e-04、-1.3e-06、4.3e-04、3.2e-04、1.7e-03、-1.5e-03、1.2e-03，对应的α8值依次为6.1e-06、-1.8e-04、-9.7e-05、-1.2e-04、-7.6e-05、-3.0e-04、9.4e-05、-1.8e-04，对应的α10值依次为-2.6e-08、5.7e-05、4.7e-06、1.7e-05、1.6e-05、2.8e-05、-2.4e-05、7.1e-06，对应的α12值依次为0、-7.5e-06、5.3e-06、6.9e-07、-5.7e-06、-1.8e-06、1.4e-06、1.9e-07，对应的α14值依次为0、1.6e-07、-1.2e-06、-3.5e-07、-3.5e-07、-2.0e-07、-1.6e-07、-3.1e-08，对应的α16值依次为0、-6.3e-09、7.6e-08、2.3e-08、4.2e-08、3.6e-08、2.2e-08、2.3e-09。
优选地，高像素长焦距红外共焦光学镜头在光源850±20nm时或可见光时焦点偏移量均小于8um。
优选地，高像素长焦距红外共焦光学镜头的光学总长TTL满足：TTL≤23.5mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)该镜头能在可见光及近红外光下清晰成像，在光源850±20nm时或可见光时的焦点偏移小于8um，并且合理的采用塑胶非球面提升边缘画质，修正各种像差，提升成像质量，满足1.45um*1.45um像素成像清晰的要求，保证成像分辨率达到345lp/mm，分辨率高、成像质量好，相较于同系列产品具有更长的焦距，适用于复杂环境及远距离监控，如应用于交通、安防行业等；
2)通过合理分配光焦度，镜头结构紧凑，大幅降低公差敏感度，在-40℃～85℃温度变化内不离焦；
3)该镜头采用3G4P玻塑混合结构，成本低，适合大批量生产。
附图说明
图1为本发明的光学结构示意图；
图2为本发明在常温20℃环境下的MTF图；
图3为本发明在低温-40℃环境下的MTF图；
图4为本发明在高温85℃环境下的MTF图；
图5为本发明在可见光环境下的离焦曲线图；
图6为本发明在850nm环境下的离焦曲线图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。
如图1-6所示，一种高像素长焦距红外共焦光学镜头，由沿光线入射方向依次设置的凸凹负光焦度的第一塑胶非球面透镜L1、凹凸负光焦度的第二塑胶非球面透镜L2、双凸正光焦度的第三玻璃球面透镜L3、双凸正光焦度的第四玻璃球面透镜L4、双凹负光焦度的第五玻璃球面透镜L5、双凸正光焦度的第六塑胶非球面透镜L6和凹凸正光焦度的第七塑胶非球面透镜L7组成，第四玻璃球面透镜L4和第五玻璃球面透镜L5胶合形成胶合镜片组；
第一塑胶非球面透镜L1、第二塑胶非球面透镜L2、第三玻璃球面透镜L3、第四玻璃球面透镜L4、第五玻璃球面透镜L5、第六塑胶非球面透镜L6和第七塑胶非球面透镜L7，依次对应的焦距为-11.3±5％、-12.1±5％、7.2±5％、5.1±5％、-3.9±5％、6±5％和813±5％，依次对应的折射率为1.55±5％、1.65±5％、1.85±5％、1.57±5％、1.85±5％、1.55±5％和1.65±5％，第三玻璃球面透镜L3、第四玻璃球面透镜L4和第五玻璃球面透镜L5的物侧面曲率半径依次对应为9±5％、6.4±5％和-4.9±5％，且像侧面曲率半径依次对应为-19±5％、-4.9±5％和13±5％，“-”表示方向为负方向。
其中，光线入射时沿七个镜片依次调整光线入射角度达到成像质量要求。通过非球面透镜设计提升了边缘画质，同时使像差得到优化平衡，成像更加清晰且成像质量更好，且不同温度下正负透镜的焦点漂移量不同，通过合理分配正负光焦度将温度漂移补偿实现无热化设计，镜头结构紧凑，并大幅降低公差敏感度，在-40℃～85℃温度变化内不离焦，使镜头工作性能更加稳定。在第二塑胶非球面透镜L2和第三玻璃球面透镜L3之间设有光阑STOP，用以根据实际情况调节光通量，并在第七塑胶非球面透镜L7和感光芯片IMAGE之间设有保护玻璃CG，为感光芯片IMAGE提供有效保护。该镜头能在可见光及近红外光下清晰成像，相较于同系列产品具有更长的焦距，适用于复杂环境及远距离监控，如应用于交通、安防行业等。并且采用3G4P玻塑混合结构，成本低，适合大批量生产。
具体地，本实施例中镜头的各参数取值如下表1：
表1
透镜 焦距 折射率 物侧面曲率半径 像侧面曲率半径
L1 f<sub>1</sub>＝-11.3 n<sub>1</sub>＝1.55
L2 f<sub>2</sub>＝-12.1 n<sub>2</sub>＝1.65
L3 f<sub>3</sub>＝7.2 n<sub>3</sub>＝1.85 R<sub>31</sub>＝9 R<sub>32</sub>＝-19
L4 f<sub>4</sub>＝5.1 n<sub>4</sub>＝1.57 R<sub>41</sub>＝6.4 R<sub>42</sub>＝-4.9
L5 f<sub>5</sub>＝-3.9 n<sub>5</sub>＝1.85 R<sub>51</sub>＝-4.9 R<sub>52</sub>＝13
L6 f<sub>6</sub>＝6 n<sub>6</sub>＝1.55
L7 f<sub>7</sub>＝813 n<sub>7</sub>＝1.65
表1中，f1～f7依次对应第一塑胶非球面透镜L1至第七塑胶非球面透镜L7的焦距，n1～n7依次对应第一塑胶非球面透镜L1至第七塑胶非球面透镜L7的折射率，R31、R41、R51依次对应第三玻璃球面透镜L3、第四玻璃球面透镜L4和第五玻璃球面透镜L5的物侧面曲率半径，R32、R42、R52依次对应第三玻璃球面透镜L3、第四玻璃球面透镜L4和第五玻璃球面透镜L5的像侧面曲率半径，“-”表示方向为负方向，即弯向物侧的方向。图1中，R31和R32分别为第三玻璃球面透镜L3的物侧面和像侧面，R41和R42分别为第四玻璃球面透镜L4的物侧面和像侧面，R51和R52分别为第五玻璃球面透镜L5的物侧面和像侧面。
在一实施例中，第一塑胶非球面透镜L1、第二塑胶非球面透镜L2、第六塑胶非球面透镜L6和第七塑胶非球面透镜L7的光焦度之和满足以下条件：
Figure GDA0003579502470000061
其中，f1为第一塑胶非球面透镜L1的焦距，f2为第二塑胶非球面透镜L2的焦距，f6为第六塑胶非球面透镜L6的焦距，f7为第七塑胶非球面透镜L7的焦距。
其中，第一塑胶非球面透镜L1的焦距f1，第二塑胶非球面透镜L2的焦距f2，第六塑胶非球面透镜L6的焦距f6和第七塑胶非球面透镜L7的焦距f7的取值范围可参照表1，并可根据实际需求进行设定，在第一塑胶非球面透镜L1、第二塑胶非球面透镜L2、第六塑胶非球面透镜L6和第七塑胶非球面透镜L7的光焦度之和满足上述条件时，在满足上述条件时有利于保证温度在-40℃～+85℃时不虚焦，可获得更稳定的成像效果、成像质量好。
在一实施例中，第一塑胶非球面透镜L1、第二塑胶非球面透镜L2、第六塑胶非球面透镜L6和第七塑胶非球面透镜L7的非球面方程均满足如下表达式：
Figure GDA0003579502470000062
式中，Z为矢高，c为曲率，y为径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，α4、α6、α8、α10、α12、α14、α16为非球面高阶系数。
在一实施例中，第一塑胶非球面透镜L1、第二塑胶非球面透镜L2、第六塑胶非球面透镜L6和第七塑胶非球面透镜L7沿光线入射方向依次分布的各镜面，对应的k值依次为-1.0、-0.9、-1.2、0.8、-5.8、-15.7、-1.3、-5.1，对应的α4值依次为-1.4e-03、-2.7e-03、4e-03、6.5e-03、3.9e-03、5.7e-04、1.5e-03、-3.7e-03，对应的α6值依次为1.3e-04、-1.9e-04、-1.3e-06、4.3e-04、3.2e-04、1.7e-03、-1.5e-03、1.2e-03，对应的α8值依次为6.1e-06、-1.8e-04、-9.7e-05、-1.2e-04、-7.6e-05、-3.0e-04、9.4e-05、-1.8e-04，对应的α10值依次为-2.6e-08、5.7e-05、4.7e-06、1.7e-05、1.6e-05、2.8e-05、-2.4e-05、7.1e-06，对应的α12值依次为0、-7.5e-06、5.3e-06、6.9e-07、-5.7e-06、-1.8e-06、1.4e-06、1.9e-07，对应的α14值依次为0、1.6e-07、-1.2e-06、-3.5e-07、-3.5e-07、-2.0e-07、-1.6e-07、-3.1e-08，对应的α16值依次为0、-6.3e-09、7.6e-08、2.3e-08、4.2e-08、3.6e-08、2.2e-08、2.3e-09。
其中，本实施例中各非球面透镜的圆锥二次曲线系数k、非球面高阶系数α4、α6、α8、α10、α12、α14、α16如下表2所示：
表2
R11 R12 R21 R22 R61 R62 R71 R72
k -1.0 -0.9 -1.2 0.8 -5.8 -15.7 -1.3 -5.1
α<sub>4</sub> -1.4e-03 -2.7e-03 4e-03 6.5e-03 3.9e-03 5.7e-04 1.5e-03 -3.7e-03
α<sub>6</sub> 1.3e-04 -1.9e-04 -1.3e-06 4.3e-04 3.2e-04 1.7e-03 -1.5e-03 1.2e-03
α<sub>8</sub> 6.1e-06 -1.8e-04 -9.7e-05 -1.2e-04 -7.6e-05 -3.0e-04 9.4e-05 -1.8e-04
α<sub>10</sub> -2.6e-08 5.7e-05 4.7e-06 1.7e-05 1.6e-05 2.8e-05 -2.4e-05 7.1e-06
α<sub>12</sub> 0 -7.5e-06 5.3e-06 6.9e-07 -5.7e-06 -1.8e-06 1.4e-06 1.9e-07
α<sub>14</sub> 0 1.6e-07 -1.2e-06 -3.5e-07 -3.5e-07 -2.0e-07 -1.6e-07 -3.1e-08
α<sub>16</sub> 0 -6.3e-09 7.6e-08 2.3e-08 4.2e-08 3.6e-08 2.2e-08 2.3e-09
表2中，R11和R12分别为第一塑胶非球面透镜L1的物侧面和像侧面，R21和R22分别为第二塑胶非球面透镜L2的物侧面和像侧面，R61和R62分别为第六塑胶非球面透镜L6的物侧面和像侧面，R71和R72分别为第七塑胶非球面透镜L7的物侧面和像侧面。
在一实施例中，高像素长焦距红外共焦光学镜头在光源850±20nm时或可见光时焦点偏移量均小于8um。
在一实施例中，高像素长焦距红外共焦光学镜头的光学总长TTL满足：TTL≤23.5mm。
根据上述数据，由图2所示该镜头在345lp/mm的极限分辨率下，满足1.45um*1.45um像素成像清晰的要求，可以满足像素为4K的芯片成像需求；由图2、3和4所示该镜头在常温20℃、低温-40℃、高温85℃等极限条件下MTF曲线均未出现严重的离焦现象，温度适应性强，在不同温度下均可正常工作，性能稳定；由图5、图6所示，光源波长在850±20nm和可见光范围时，跑焦量小于8um，成像质量优良，镜头在可视与夜间或光线较暗地域均可成像清晰，且该镜头的光学总长TTL为23.5mm，结构紧凑，相较于同系列产品具有更长的焦距，焦距可达6mm。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种高像素长焦距红外共焦光学镜头，其特征在于：所述高像素长焦距红外共焦光学镜头由沿光线入射方向依次设置的凸凹负光焦度的第一塑胶非球面透镜L1、凹凸负光焦度的第二塑胶非球面透镜L2、双凸正光焦度的第三玻璃球面透镜L3、双凸正光焦度的第四玻璃球面透镜L4、双凹负光焦度的第五玻璃球面透镜L5、双凸正光焦度的第六塑胶非球面透镜L6和凹凸正光焦度的第七塑胶非球面透镜L7组成，所述第四玻璃球面透镜L4和第五玻璃球面透镜L5胶合形成胶合镜片组；
所述第一塑胶非球面透镜L1、第二塑胶非球面透镜L2、第三玻璃球面透镜L3、第四玻璃球面透镜L4、第五玻璃球面透镜L5、第六塑胶非球面透镜L6和第七塑胶非球面透镜L7，依次对应的焦距为-11.3±5％、-12.1±5％、7.2±5％、5.1±5％、-3.9±5％、6±5％和813±5％，依次对应的折射率为1.55±5％、1.65±5％、1.85±5％、1.57±5％、1.85±5％、1.55±5％和1.65±5％，所述第三玻璃球面透镜L3、第四玻璃球面透镜L4和第五玻璃球面透镜L5的物侧面曲率半径依次对应为9±5％、6.4±5％和-4.9±5％，且像侧面曲率半径依次对应为-19±5％、-4.9±5％和13±5％，“-”表示方向为负方向。
2.如权利要求1所述的高像素长焦距红外共焦光学镜头，其特征在于：所述第一塑胶非球面透镜L1、第二塑胶非球面透镜L2、第六塑胶非球面透镜L6和第七塑胶非球面透镜L7的光焦度之和满足以下条件：
Figure FDA0003641878270000011
其中，f1为所述第一塑胶非球面透镜L1的焦距，f2为所述第二塑胶非球面透镜L2的焦距，f6为所述第六塑胶非球面透镜L6的焦距，f7为所述第七塑胶非球面透镜L7的焦距。
3.如权利要求1所述的高像素长焦距红外共焦光学镜头，其特征在于：所述第一塑胶非球面透镜L1、第二塑胶非球面透镜L2、第六塑胶非球面透镜L6和第七塑胶非球面透镜L7的非球面方程均满足如下表达式：
Figure FDA0003641878270000021
式中，Z为矢高，c为曲率，y为径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，α4、α6、α8、α10、α12、α14、α16为非球面高阶系数。
4.如权利要求3所述的高像素长焦距红外共焦光学镜头，其特征在于：所述第一塑胶非球面透镜L1、第二塑胶非球面透镜L2、第六塑胶非球面透镜L6和第七塑胶非球面透镜L7沿光线入射方向依次分布的各镜面，对应的k值依次为-1.0、-0.9、-1.2、0.8、-5.8、-15.7、-1.3、-5.1，对应的α4值依次为-1.4e-03、-2.7e-03、4e-03、6.5e-03、3.9e-03、5.7e-04、1.5e-03、-3.7e-03，对应的α6值依次为1.3e-04、-1.9e-04、-1.3e-06、4.3e-04、3.2e-04、1.7e-03、-1.5e-03、1.2e-03，对应的α8值依次为6.1e-06、-1.8e-04、-9.7e-05、-1.2e-04、-7.6e-05、-3.0e-04、9.4e-05、-1.8e-04，对应的α10值依次为-2.6e-08、5.7e-05、4.7e-06、1.7e-05、1.6e-05、2.8e-05、-2.4e-05、7.1e-06，对应的α12值依次为0、-7.5e-06、5.3e-06、6.9e-07、-5.7e-06、-1.8e-06、1.4e-06、1.9e-07，对应的α14值依次为0、1.6e-07、-1.2e-06、-3.5e-07、-3.5e-07、-2.0e-07、-1.6e-07、-3.1e-08，对应的α16值依次为0、-6.3e-09、7.6e-08、2.3e-08、4.2e-08、3.6e-08、2.2e-08、2.3e-09。
5.如权利要求1所述的高像素长焦距红外共焦光学镜头，其特征在于：所述高像素长焦距红外共焦光学镜头在光源850±20nm时或可见光时焦点偏移量均小于8um。
6.如权利要求1所述的高像素长焦距红外共焦光学镜头，其特征在于：所述高像素长焦距红外共焦光学镜头的光学总长TTL满足：TTL≤23.5mm。
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