CN113296236B

CN113296236B - 红外光学系统、红外接收模组及电子设备

Info

Publication number: CN113296236B
Application number: CN202110516910.5A
Authority: CN
Inventors: 邹金华; 杨健; 李明
Original assignee: Jiangxi Jingchao Optical Co Ltd
Current assignee: Jiangxi Jingchao Optical Co Ltd
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2041-05-12
Also published as: CN113296236A

Abstract

本发明涉及一种红外光学系统、红外接收模组及电子设备。一种红外光学系统，沿光轴由物侧至像侧依次包括：具有正屈折力的第一透镜，所其物侧面于近光轴处为凸面，于近最大有效口径处为凹面；具有屈折力的第二透镜，其物侧面于近光轴处为凹面；具有屈折力的第三透镜，其像侧面于近光轴处为凹面，其物侧面和像侧面皆为非球面，且其中至少一个面存在反曲；红外光学系统还满足关系：1.0mm^‑1≤FNO/f≤1.2mm^‑1；FNO为红外光学系统的光圈数，f为红外光学系统的有效焦距。上述红外光学系统不仅能够拥有更大的视场角，同时还能够拥有更大的通光量，从而可获得更大的接收范围以及更佳的成像品质。

Description

红外光学系统、红外接收模组及电子设备

技术领域

本发明涉及摄影成像技术领域，特别是涉及一种红外光学系统、红外接收模组及电子设备。

背景技术

近年来，随着TOF(Time of flight，飞行时间法)、LIDAR(Light Detection andRanging，激光探测和测距)等光学探测技术的飞速发展，光学探测技术在智能手机、智能手表、自动驾驶、工业机器视觉、安防监控等领域得到了广泛的普及。光学探测技术(如上述TOF和LIDAR)一般为主动式探测，通过向被测物体发射红外光并捕获由被测物反射的光线，以获取被测物体的深度信息，例如具体可应用于实现人脸识别、路况识别等。

但在这些技术中，除了用于发射特定光线的发射模组外，用于收集特定光线的接收模组也十分重要。其中，若接收模组对光线的空间接收范围太窄，则会导致空间探测范围过小；若接收模组的通光量不足，则会导致成像亮度过低，难以满足高精度探测需求。而传统的接收模组往往难以兼顾较大的视场范围和足够的通光量，从而导致接收模组的接受范围过窄或者成像不良，使得模组的探测性能难以满足市场需求。

发明内容

基于此，有必要针对如何兼顾接收模组的接收范围和通光量问题，提供一种红外光学系统、红外接收模组及电子设备。

一种红外光学系统，沿光轴由物侧至像侧依次包括：

具有正屈折力的第一透镜，所述第一透镜的物侧面于近光轴处为凸面，于近最大有效口径处为凹面；

具有屈折力的第二透镜，所述第二透镜的物侧面于近光轴处为凹面；

具有屈折力的第三透镜，所述第三透镜的像侧面于近光轴处为凹面，所述第三透镜的物侧面和像侧面皆为非球面，且其中至少一个面存在反曲；

所述红外光学系统还满足关系：

1.0mm^-1≤FNO/f≤1.2mm^-1；

FNO为所述红外光学系统的光圈数，f为所述红外光学系统的有效焦距。

上述红外光学系统，通过使第一透镜具有正屈折力并将物侧面于近光轴处设为凸面，同时将物侧面于近最大有效口径处设为凹面，可有利于相对光轴呈较大夹角的入射光线进入红外光学系统，进而增大红外光学系统的视场角，使其能够接收更大范围的物空间光信息。而通过使第二透镜的物侧面于近光轴处为凹面，从而可合理配合第一透镜的物侧面于近最大有效口径处设为凹面的设计，对大角度入射的光线实现合理调控，防止大角度入射的光线收缩过快而引起较大的轴外像差，从而可利于对系统的场曲、像散等轴外像差实现有效矫正，同时也减少第三透镜在矫正像差方面的设计负担，使红外光学系统能够在仅拥有三片透镜的基础上便拥有较大的取像范围及良好的成像质量。进一步地，在配合第一透镜和第二透镜的前述设计的基础上，通过使第三透镜满足上述面型设计，则能够使第三透镜在拥有正屈折力时压缩系统的总长；使第三透镜在拥有负屈折力时进一步扩大系统的视场角。进一步地，通过使红外光学系统满足上述关系式条件，可增大红外光学系统的通光量，使其在所需接收的特定光线强度较弱的情况下，依然能够使成像画面拥有足够的亮度,从而有助于分析出影像是否模糊，进而能够快速且准确地判断出是否需要进行对焦。

在其中一个实施例中，所述红外光学系统满足关系：

FNO≤1.65。满足该关系时，红外光学系统拥有大光圈特性，从而可拥有充足的通光量。

在其中一个实施例中，所述红外光学系统满足关系：

0.9mm^-1＜tan(HFOV)/(SD32)＜1.2mm^-1；

HFOV为所述红外光学系统的最大视场角的一半，SD32为所述第三透镜的像侧面的最大有效口径的一半。满足该关系时，红外光学系统可在大视角和小型化之间取得平衡，且系统视场角与红外光学系统中最后一个透镜表面的有效口径之间能够获得合理配置，从而能够防止大角度入射的光线在红外光学系统中的偏折过大，进而有助于抑制畸变等轴外像差的产生。当低于关系式下限时，红外光学系统所获取的视野范围过小，无法对大范围内的物体距离以及深度的扫描探测成像。当高于关系式上限时，红外光学系统的横向尺寸虽然能变得更小，但是会导致系统的视场角过大，导致系统对矫正像散、畸变等轴外像差变得困难，从而出现成像不清晰以及画面严重变形的情况。

在其中一个实施例中，所述红外光学系统满足关系：

12deg/mm＜CRAmax/TT＜20deg/mm；

CRAmax为所述红外光学系统的最大视场所对应的主光线于成像面上的入射角，TT为所述第一透镜的物侧面至所述第三透镜的像侧面于光轴上的距离。满足该关系时，可合理约束最大视场所对应的主光线于成像面上的入射角以及系统中透镜组的轴向尺寸，不仅有利于实现红外光学系统的小型化设计，同时也能兼顾边缘视场的光线于成像面上的入射角不会过大，从而使红外光学系统能够更好地与红外图像传感器配合，避免成像面的边缘区域出现感光不良的现象，从而可提高对边缘视场下的景物的探测精度。

在其中一个实施例中，所述红外光学系统满足关系：

-100mm^-1＜R1/(R2*f1)＜0；

R1为所述第一透镜的物侧面于光轴处的曲率半径，R2为所述第一透镜的像侧面于光轴处的曲率半径，f1为所述第一透镜的有效焦距。满足该关系时，合理控制第一透镜的物侧面和像侧面于近光轴处的曲率半径，同时搭配该面于近最大有效口径处为凹面的设计，可使与光轴呈更大夹角的光线进入红外光学系统，从而有助于进一步增大红外光学系统的视场角。同时控制第一透镜像侧面于光轴处为凸面以及焦距，有利于镜头的小型化且能够矫正系统球差。

在其中一个实施例中，所述红外光学系统满足关系：

1.5＜CT2/ET2＜2.5；

CT2为所述第二透镜于光轴上的厚度，ET2为所述第二透镜于物侧面最大有效口径处至像侧面最大有效口径处于光轴方向上的距离。满足该关系时，可使红外光学系统在保持良好成像质量的同时，合理约束第二透镜的中心厚度与边缘厚度，使第二透镜拥有适合的厚薄比例，从而降低第二透镜的加工难度，有利于批量生产。

在其中一个实施例中，所述红外光学系统满足关系：

0.2＜SAG31/CT3＜1.2；

SAG31为所述第三透镜的物侧面于最大有效口径处的矢高，CT3为所述第三透镜于光轴上的厚度。满足该关系时，可合理约束第三透镜的物侧面于近最大有效口径处的弯曲程度，同时配合上述各透镜屈折力及透镜面型搭配，从而有利于矫正红外光学系统的边缘视场像差；且在满足良好成像质量的同时也可使第三透镜形状适当，以有利于制造及成型，减少成型不良的缺陷。当低于关系式下限时，第三透镜的物侧面于近最大有效口径处的面型过于平滑，从而导致该透镜对轴外视场的折光能力不足，不利于矫正畸变和场曲像差。而当高于关系式的上限时，又会造成第三透镜的物侧面于边缘处的面型过度弯曲，从而会导致透镜成型不良，影响制造良率。

在其中一个实施例中，所述红外光学系统满足关系：

0.4＜BFL/TTL＜0.5；

BFL为所述第三透镜的像侧面至所述红外光学系统的成像面于光轴上的距离，TTL为所述第一透镜的物侧面至所述红外光学系统的成像面于光轴上的距离。满足该关系时，红外光学系统的后焦与光学总长之间能够得到合适配比，从而可以保证整个红外光学系统的结构紧凑性，提高红外光学系统的集成度，同时也可确保红外光学系统在模组的装配过程中有足够的对焦空间，从而提升模组的组装良率。

在其中一个实施例中，所述红外光学系统满足关系：

-25＜CT1/SAG11＜-10；

CT1为所述第一透镜于光轴上的厚度，SAG11为所述第一透镜的物侧面于最大有效口径处的矢高。满足该关系时，第一透镜的物侧面形状及透镜厚度能够得到合理配置，不仅有利于获得由更大角度入射的光线；同时也有利于降低加工难度，有利于制造及成型，减少透镜成型不良的缺陷。

一种红外接收模组，包括图像传感器及上述任意一项所述红外光学系统，所述图像传感器设于所述红外光学系统的像侧。通过采用上述红外光学系统，红外接收模组不仅能够拥有更大的视场角，同时还能够拥有更大的通光量，从而可获得更大的接收范围以及更佳的成像品质，即提高红外接收模组的探测范围以及探测精度。

一种电子设备，包括固定件、红外发射模组及上述的红外接收模组，所述红外发射模组和所述红外接收模组设于所述固定件，所述红外接收模组用于接收由所述红外发射模组发出的预期波长的光线。通过采用上述红外接收模组，电子设备能够拥有更大的探测范围以及更佳的探测精度，可满足高端消费市场的需求。

附图说明

图1为本申请第一实施例提供的红外光学系统的结构示意图；

图2包括第一实施例中红外光学系统的纵向球差图、像散图和畸变图；

图3为本申请第二实施例提供的红外光学系统的结构示意图；

图4包括第二实施例中红外光学系统的纵向球差图、像散图和畸变图；

图5为本申请第三实施例提供的红外光学系统的结构示意图；

图6包括第三实施例中红外光学系统的纵向球差图、像散图和畸变图；

图7为本申请第四实施例提供的红外光学系统的结构示意图；

图8包括第四实施例中红外光学系统的纵向球差图、像散图和畸变图；

图9为本申请第五实施例提供的红外光学系统的结构示意图；

图10包括第五实施例中红外光学系统的纵向球差图、像散图和畸变图；

图11为本申请一实施例提供的红外接收模组的示意图；

图12为本申请一实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“厚度”、“上”、“前”、“后”、“轴向”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

参考图1，本申请的实施例提供一种具有三片透镜设计的红外光学系统10，红外光学系统10沿光轴101由物侧至像侧依次包括第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3，其中第一透镜L1具有正屈折力。

其中，第一透镜L1具有物侧面S1和像侧面S2，第二透镜L2具有物侧面S3和像侧面S4，第三透镜L3具有物侧面S5和像侧面S6。另外，红外光学系统10还存在成像面S7，成像面S7位于第三透镜L3的像侧，轴上物点发出的光线经红外光学系统10各透镜调节后能够会聚于成像面S7。一般地，红外光学系统10的成像面S7与图像传感器的感光面重合。

在本申请的实施例中，第一透镜L1的物侧面S1于近光轴处为凸面，且物侧面S1于近最大有效口径处为凹面；第二透镜L2的物侧面S3于近光轴处为凹面；第三透镜L3的像侧面S6于近光轴处为凹面，同时第三透镜L3的物侧面S5和像侧面S6皆为非球面，且物侧面S5和像侧面S6中至少一个面存在反曲。

当描述透镜表面于近光轴处具有某种面型时，即表示该透镜表面于光轴101附近具有该种面型；当描述透镜表面于近最大有效口径处具有某种面型时，即表示该透镜表面由中心出发并沿径向的方向上，在靠近最大有效口径处具有该种面型。当一个透镜表面在最大有效口径内的不同区域分别具有不同面型时，如同时存在凹面和凸面，即认为该透镜表面存在反曲。

上述红外光学系统10，通过使第一透镜L1具有正屈折力并将物侧面于近光轴处设为凸面，同时将物侧面于近最大有效口径处设为凹面，可有利于相对光轴呈较大夹角的入射光线进入红外光学系统10，进而增大红外光学系统10的视场角，使其能够接收更大范围的物空间光信息。而通过使第二透镜L2的物侧面S3于近光轴处为凹面，从而可合理配合第一透镜L1的物侧面S1于近最大有效口径处设为凹面的设计，对大角度入射的光线实现合理调控，防止大角度入射的光线收缩过快而引起较大的轴外像差，从而可利于对系统的场曲、像散等轴外像差实现有效矫正，同时也减少第三透镜L3在矫正像差方面的设计负担，使红外光学系统10能够在仅拥有三片透镜的基础上便拥有较大的取像范围及良好的成像质量。进一步地，在配合第一透镜L1和第二透镜L2的前述设计的基础上，通过使第三透镜L3满足上述面型设计，则能够使第三透镜L3在拥有正屈折力时压缩系统的总长；使第三透镜L3在拥有负屈折力时进一步扩大系统的视场角。

在本申请的实施例中，红外光学系统10还满足关系式条件：

1.0mm^-1≤FNO/f≤1.2mm^-1；FNO为红外光学系统10的光圈数，f为红外光学系统10的有效焦距。当拥有上述屈折力及面型设计的红外光学系统10进一步满足该关系时，可增大红外光学系统10的通光量，使其在所需接收的特定光线强度较弱的情况下依然能够使成像画面拥有足够的亮度,从而有助于分析出影像是否模糊，进而能够快速且准确地判断出是否需要进行对焦。在一些实施例中，红外光学系统10所满足的该关系可以为1.06、1.07、1.08、1.09或1.10，数值单位为mm^-1。

此外，在一些实施例中，红外光学系统10还满足以下至少一条关系，且当满足任一关系时均可拥有相应的技术效果：

FNO≤1.65。满足该关系时，红外光学系统10拥有大光圈特性，从而可拥有充足的通光量。在一些实施例中，红外光学系统10所满足的该关系具体可以为1.60、1.61、1.62、1.63、1.64或1.65。

0.9mm^-1＜tan(HFOV)/(SD32)＜1.2mm^-1；HFOV为红外光学系统10的最大视场角的一半，SD32为第三透镜L3的像侧面S6的最大有效口径的一半。在一些实施例中，当红外光学系统10与图像传感器装配后，HFOV也可视为图像传感器有效像素区域的对角线方向所对应的最大视场角的一半。满足该关系时，红外光学系统10可在大视角和小型化之间取得平衡，且系统视场角与红外光学系统10中最后一个透镜表面的有效口径之间能够获得合理配置，从而能够防止大角度入射的光线在红外光学系统10中的偏折过大，进而有助于抑制畸变等轴外像差的产生。当低于关系式下限时，红外光学系统10所获取的视野范围过小，无法对大范围内的物体距离以及深度的扫描探测成像。当高于关系式上限时，红外光学系统10的横向尺寸虽然能变得更小，但是会导致系统的视场角过大，导致系统对矫正像散、畸变等轴外像差变得困难，从而出现成像不清晰以及画面严重变形的情况。在一些实施例中，红外光学系统10所满足的该关系具体可以为0.99、1.02、1.04、1.06或1.08。在一些实施例中，红外光学系统10进一步满足48.8deg≤HFOV≤50deg，此时红外光学系统10所拥有的上述效果更为显著，同时还将拥有广角特性。

12deg/mm＜CRAmax/TT＜20deg/mm；CRAmax为红外光学系统10的最大视场所对应的主光线于成像面S7上的入射角，TT为第一透镜L1的物侧面S1至第三透镜L3的像侧面S6于光轴101上的距离。满足该关系时，可合理约束最大视场所对应的主光线于成像面S7上的入射角以及系统中透镜组的轴向尺寸，不仅有利于实现红外光学系统10的小型化设计，同时也能兼顾边缘视场的光线于成像面S7上的入射角不会过大，从而使红外光学系统10能够更好地与红外图像传感器配合，避免成像面S7的边缘区域出现感光不良的现象，从而可提高对边缘视场下的景物的探测精度。在一些实施例中，红外光学系统10所满足的该关系具体可以为12.5、12.8、13.3、14.4、15.8、16.7、17.5或18.0，数值单位为deg/mm。进一步地，一些实施例中的红外光学系统10还满足1.513mm≤TT≤1.748mm，例如红外光学系统10所满足TT关系具体可以为1.52、1.55、1.59、1.63、1.67或1.71，数值单位为mm，此时可确保红外光学系统10中的透镜组的长度得到有效压缩。

-100mm^-1＜R1/(R2*f1)＜0；R1为第一透镜L1的物侧面S1于光轴101处的曲率半径，R2为第一透镜L1的像侧面S2于光轴101处的曲率半径，f1为第一透镜L1的有效焦距。满足该关系时，合理控制第一透镜L1的物侧面S1和像侧面S2于近光轴处的曲率半径，同时搭配该面于近最大有效口径处为凹面的设计，可使与光轴呈更大夹角的光线进入红外光学系统10，从而有助于进一步增大红外光学系统10的视场角。同时控制第一透镜L1像侧面于光轴101处为凸面以及焦距，有利于镜头的小型化且能够矫正系统球差。在一些实施例中，红外光学系统10所满足的该关系具体可以为-85、-80、-67、-38、-20、-15、-10、-8、-5或-2，数值单位为mm^-1。

1.5＜CT2/ET2＜2.5；CT2为第二透镜L2于光轴101上的厚度，ET2为第二透镜L2于物侧面S3最大有效口径处至像侧面S4最大有效口径处于光轴方向上的距离。满足该关系时，可使红外光学系统10在保持良好成像质量的同时，合理约束第二透镜L2的中心厚度与边缘厚度，使第二透镜L2拥有适合的厚薄比例，从而降低第二透镜L2的加工难度，有利于批量生产。在一些实施例中，红外光学系统10所满足的该关系具体可以为1.55、1.57、1.6、1.63、1.65、1.68、1.70或1.72。

0.2＜SAG31/CT3＜1.2；SAG31为第三透镜L3的物侧面S5于最大有效口径处的矢高，CT3为第三透镜L3于光轴101上的厚度。满足该关系时，可合理约束第三透镜L3的物侧面S5于近最大有效口径处的弯曲程度，同时配合上述各透镜屈折力及透镜面型搭配，从而有利于矫正红外光学系统10的边缘视场像差；且在满足良好成像质量的同时也可使第三透镜L3形状适当，以有利于制造及成型，减少成型不良的缺陷。当低于关系式下限时，第三透镜L3的物侧面S5于近最大有效口径处的面型过于平滑，从而导致该透镜对轴外视场的折光能力不足，不利于矫正畸变和场曲像差。而当高于关系式的上限时，又会造成第三透镜L3的物侧面S5于边缘处的面型过度弯曲，从而会导致透镜成型不良，影响制造良率。在一些实施例中，红外光学系统10所满足的该关系具体可以为0.3、0.35、0.42、0.56、0.63、0.70、0.77、0.83、0.89或0.95。

0.4＜BFL/TTL＜0.5；BFL为第三透镜L3的像侧面S6至红外光学系统10的成像面S7于光轴101上的距离，TTL为第一透镜L1的物侧面S1至红外光学系统10的成像面S7于光轴101上的距离。满足该关系时，红外光学系统10的后焦与光学总长之间能够得到合适配比，从而可以保证整个红外光学系统10的结构紧凑性，提高红外光学系统10的集成度，同时也可确保红外光学系统10在模组的装配过程中有足够的对焦空间，从而提升模组的组装良率。在一些实施例中，红外光学系统10所满足的该关系具体可以为0.41、0.42、0.43、0.44、0.45或0.46。在一些实施例中，红外光学系统10进一步满足2.786mm≤TTL≤2.980mm，此时红外光学系统10的轴向尺寸能够得到有效压缩。

-25＜CT1/SAG11＜-10；CT1为第一透镜L1于光轴101上的厚度，SAG11为第一透镜L1的物侧面S1于最大有效口径处的矢高。满足该关系时，第一透镜L1的物侧面S1形状及透镜厚度能够得到合理配置，不仅有利于获得由更大角度入射的光线；同时也有利于降低加工难度，有利于制造及成型，减少透镜成型不良的缺陷。在一些实施例中，红外光学系统10所满足的该关系具体可以为-23、-22、-20、-19、-17、-16或-15。

Nd1＞1.6；Nd2＞1.6；Nd3＞1.6；Nd1为第一透镜L1于940nm下的折射率，Nd2为第二透镜L2于940nm下的折射率，Nd3为第三透镜L3于940nm下的折射率。当各透镜满足上述折射率关系时，可使红外光学系统10中的各透镜能够对近红外光实现有效偏折，一方面可以有效控制各透镜的厚度，降低透镜的加工难度，提高产品良率；另一方面也可抑制色差的产生；同时，也有利于约束红外光学系统10的有效焦距，控制红外光学系统10的视场角与总长之间的平衡。在一些实施例中，第一透镜L1于940nm下的折射率可以为1.64、1.65、1.66或1.67。第二透镜L2于940nm下的折射率可以为1.64、1.65、1.66或1.67。第三透镜L3于940nm下的折射率可以为1.64、1.65、1.66或1.67。

对于上述设计矢高的参数(如SAG11、SAG31)，应注意的是，当描述某一透镜表面于最大有效口径处的矢高时，也可理解为该面与光轴101的交点处至该面最大有效口径处在平行于光轴101方向上的距离。且当矢高参数为正数时，则表示该面的最大有效口径位置相较于中心位置而言更靠近像侧；当矢高参数为负数时，则表示相反的情况。

以上各关系式条件中的有效焦距的数值参考波长均为940nm，有效焦距及组合焦距至少是指相应透镜或透镜组于近光轴处的数值，透镜的屈折力至少是指于近光轴处的情况。且以上各关系式条件及其所带来的技术效果针对的是具有上述透镜设计的红外光学系统10。在无法确保拥有前述红外光学系统10的透镜设计(透镜数量、屈折力配置、面型配置等)时，将难以确保红外光学系统10在满足这些关系式时依然能够拥有相应的技术效果，甚至可能会导致摄像性能发生显著下降。

红外光学系统10还包括孔径光阑STO。在一些实施例中，孔径光阑STO设于第一透镜L1的物侧，例如可搭载于第一透镜L1的物侧面S1上。孔径光阑STO可用于限制到达成像面S7的入光量，同时也能用于阻挡非有效光线以改善像差，控制景深。

在一些实施例中，红外光学系统10的至少一个透镜具有非球面面型，当透镜的至少一侧表面(物侧面或像侧面)为非球面时，即可称该透镜具有非球面面型。在一个实施例中，可以将各透镜的物侧面及像侧面均设计为非球面。非球面设计能够帮助红外光学系统10更为有效地消除像差，改善成像品质。在一些实施例中，红外光学系统10的至少一个透镜可具有球面面型，球面面型的设计可降低透镜的制备难度，降低制备成本。在一些实施例中，为了兼顾制备成本、制备难度、成像品质、组装难度等，红外光学系统10中的各透镜表面的设计可由非球面及球面面型搭配而成。应注意的是，当某个透镜的物侧面或像侧面为非球面时，该面可以存在反曲结构，此时该面由中心至边缘的面型种类将发生改变，例如一个透镜表面在近光轴处为凸面，而在靠近最大有效孔径处则为凹面。

非球面的面型计算可参考非球面公式：

其中，Z为非球面上相应点到该面于光轴处的切平面的距离，r为非球面上相应点到光轴的距离，c为非球面于光轴处的曲率，k为圆锥系数，Ai为非球面面型公式中与第i阶高次项相对应的高次项系数。

另一方面，在一些实施例中，红外光学系统10中至少一个透镜的材质为塑料(Plastic)，塑料材质可以为聚碳酸酯、树胶等。在一些实施例中，红外光学系统10中至少一个透镜的材质为玻璃(Glass)。具有塑料材质的透镜能够降低红外光学系统10的生产成本，而具有玻璃材质的透镜能够耐受较高或较低的温度且具有优良的光学效果及较佳的稳定性。在一些实施例中，红外光学系统10中可设置不同材质的透镜，即可采用玻璃透镜及塑料透镜相结合的设计，但具体配置关系可根据实际需求而确定，此处不加以穷举。

另外，由于本申请实施例中的红外光学系统10用于接收特定的红外光以获得被测物体的深度信息，因此在一些实施例中，红外光学系统10还包括红外带通滤光片110，红外带通滤光片110设于第三透镜L3的像侧，其用于滤除非预期波段范围内的光线。具体地，红外光学系统10可用于接收近红外光线，如波长为900nm、920nm、930nm、940nm、950nm、960nm、980nm中的一种，但不仅限于这些示例，此时所设置的红外带通滤光片110应滤除预期波长范围外的光线。另外，在一些实施例中也可通过在透镜表面上进行镀膜以使透镜拥有滤除非预期光线的能力。

以下通过更具体的实施例以对本申请的红外光学系统10进行说明：

第一实施例

参考图1，在第一实施例中，红外光学系统10沿光轴101由物侧至像侧依次包括孔径光阑STO、具有正屈折力的第一透镜L1、具有正屈折力的第二透镜L2、具有负屈折力的第三透镜L3。光学系统10的各透镜面型如下：

第一透镜L1的物侧面S1于近光轴处为凸面，像侧面S2于近光轴处为凸面；物侧面S1于近最大有效口径处为凹面，像侧面S2于近最大有效口径处为凸面。

第二透镜L2的物侧面S3于近光轴处为凹面，像侧面S4于近光轴处为凸面；物侧面S3于近最大有效口径处为凹面，像侧面S4于近最大有效口径处为凸面。

第三透镜L3的物侧面S5于近光轴处为凸面，像侧面S6于近光轴处为凹面；物侧面S5于近最大有效口径处为凹面，像侧面S6于近最大有效口径处为凸面。

第一实施例中，红外光学系统10的各透镜的材质均为塑料，且各透镜的物侧面及像侧面均为非球面，且特别地，第三透镜L3的物侧面S5和像侧面S6均存在反曲。

该实施例中光学系统10的各透镜参数由以下表1所展现。由光学系统10的物侧至像侧的各元件依次按照表1从上至下的顺序排列，其中光阑表征孔径光阑STO。红外带通滤光片110可以为光学系统10的一部分，也可从光学系统10中去除，但当去除红外带通滤光片110后，红外光学系统10的光学总长TTL保持不变。表1中Y半径为透镜相应表面于光轴101处的曲率半径。透镜于“厚度”参数列中的第一个数值的绝对值为该透镜于光轴101上的厚度，第二个数值的绝对值为该透镜的像侧面至后一表面(透镜物侧面或光阑表面)于光轴101上的距离，其中光阑的厚度参数表示光阑面至像方相邻透镜的物侧面于光轴101上的距离。表格中各透镜的折射率、阿贝数及焦距(有效焦距)的参考波长均为940nm，且Y半径、厚度、焦距(有效焦距)的数值单位均为毫米(mm)。另外，以下各实施例中用于关系式计算的参数数据和透镜面型结构以相应实施例中的透镜参数表格中的数据为准。

表1

由表1可知，第一实施例中的红外光学系统10的有效焦距f为1.515mm，光圈数FNO为1.60，最大视场角的一半HFOV为48.8°，光学总长TTL为2.872mm。

以下表2展现了表1中相应透镜表面的非球面系数，其中K为圆锥系数，Ai为非球面面型公式中与第i阶高次项相对应的系数。

表2

在第一实施例中，光学系统10满足以下各关系：

FNO/f＝1.06mm^-1；FNO为红外光学系统10的光圈数，f为红外光学系统10的有效焦距。当拥有上述屈折力及面型设计的红外光学系统10进一步满足该关系时，可增大红外光学系统10的通光量，使其在所需接收的特定光线强度较弱的情况下依然能够使成像画面拥有足够的亮度,从而有助于分析出影像是否模糊，进而能够快速且准确地判断出是否需要进行对焦。

tan(HFOV)/(SD32)＝1.03mm^-1；HFOV为红外光学系统10的最大视场角的一半，SD32为第三透镜L3的像侧面S6的最大有效口径的一半。满足该关系时，红外光学系统10可在大视角和小型化之间取得平衡，且系统视场角与红外光学系统10中最后一个透镜表面的有效口径之间能够获得合理配置，从而能够防止大角度入射的光线在红外光学系统10中的偏折过大，进而有助于抑制畸变等轴外像差的产生。

CRAmax/TT＝15.4deg/mm；CRAmax为红外光学系统10的最大视场所对应的主光线于成像面S7上的入射角，TT为第一透镜L1的物侧面S1至第三透镜L3的像侧面S6于光轴101上的距离。满足该关系时，可合理约束最大视场所对应的主光线于成像面S7上的入射角以及系统中透镜组的轴向尺寸，不仅有利于实现红外光学系统10的小型化设计，同时也能兼顾边缘视场的光线于成像面S7上的入射角不会过大，从而使红外光学系统10能够更好地与红外图像传感器配合，避免成像面S7的边缘区域出现感光不良的现象，从而可提高对边缘视场下的景物的探测精度。TT＝1.688mm，此时可确保红外光学系统10中的透镜组的长度得到有效压缩。

R1/(R2*f1)＝-0.55mm^-1；R1为第一透镜L1的物侧面S1于光轴101处的曲率半径，R2为第一透镜L1的像侧面S2于光轴101处的曲率半径，f1为第一透镜L1的有效焦距。满足该关系时，合理控制第一透镜L1的物侧面S1和像侧面S2于近光轴处的曲率半径，同时搭配该面于近最大有效口径处为凹面的设计，可使与光轴呈更大夹角的光线进入红外光学系统10，从而有助于进一步增大红外光学系统10的视场角。同时控制第一透镜L1像侧面于光轴101处为凸面以及焦距，有利于镜头的小型化且能够矫正系统球差。

CT2/ET2＝1.7；CT2为第二透镜L2于光轴101上的厚度，ET2为第二透镜L2于物侧面S3最大有效口径处至像侧面S4最大有效口径处于光轴方向上的距离。满足该关系时，可使红外光学系统10在保持良好成像质量的同时，合理约束第二透镜L2的中心厚度与边缘厚度，使第二透镜L2拥有适合的厚薄比例，从而降低第二透镜L2的加工难度，有利于批量生产。

SAG31/CT3＝0.275；SAG31为第三透镜L3的物侧面S5于最大有效口径处的矢高，CT3为第三透镜L3于光轴101上的厚度。满足该关系时，可合理约束第三透镜L3的物侧面S5于近最大有效口径处的弯曲程度，同时配合上述各透镜屈折力及透镜面型搭配，从而有利于矫正红外光学系统10的边缘视场像差；且在满足良好成像质量的同时也可使第三透镜L3形状适当，以有利于制造及成型，减少成型不良的缺陷。

BFL/TTL＝0.41；BFL为第三透镜L3的像侧面S6至红外光学系统10的成像面S7于光轴101上的距离，TTL为第一透镜L1的物侧面S1至红外光学系统10的成像面S7于光轴101上的距离。满足该关系时，红外光学系统10的后焦与光学总长之间能够得到合适配比，从而可以保证整个红外光学系统10的结构紧凑性，提高红外光学系统10的集成度，同时也可确保红外光学系统10在模组的装配过程中有足够的对焦空间，从而提升模组的组装良率。

CT1/SAG11＝-23.38；CT1为第一透镜L1于光轴101上的厚度，SAG11为第一透镜L1的物侧面S1于最大有效口径处的矢高。满足该关系时，第一透镜L1的物侧面S1形状及透镜厚度能够得到合理配置，不仅有利于获得由更大角度入射的光线；同时也有利于降低加工难度，有利于制造及成型，减少透镜成型不良的缺陷。

图2包括第一实施例中红外光学系统10的纵向球差图、像散图和畸变图，其中像散图和畸变图的参考波长均为940nm，像散图和畸变图的纵坐标表征像高IMG HT，单位为mm。纵向球面像差图(Longitudinal Spherical Aberration)展现了不同波长的光线经由光学系统10后的汇聚焦点偏离。纵向球面像差图的纵坐标表示归一化的由光瞳中心至光瞳边缘的光瞳坐标(Normalized Pupil Coordinator)，横坐标表示成像面到光线与光轴交点的距离(单位为mm)。由纵向球面像差图可知，第一实施例中的各波长光线的汇聚焦点偏离程度趋于一致，且各预期波长所对应的最大焦点偏移在±0.05mm以内，说明成像画面中的弥散斑和色晕得到有效抑制。图2还包括光学系统10的像散场曲图(Astigmatic FieldCurves)，其中S曲线代表940nm下的弧矢场曲，T曲线代表940nm下的子午场曲。由图中可知，最大场曲被控制在±0.1mm以内，像面弯曲程度得到较好抑制，且各视场下的弧矢场曲及子午场曲趋于一致，各视场的像散得到十分有效的控制。图2还包括光学系统10的畸变图(Distortion)，由图中可知，该实施例中的红外光学系统10的边缘视场主光束引起的图像变形对于深度探测系统而言较小。由以上可知，红外光学系统10对于近红外光的成像质量优良，可确保良好的红外探测性能。

第二实施例

参考图3，在第二实施例中，红外光学系统10沿光轴101由物侧至像侧依次包括孔径光阑STO、具有正屈折力的第一透镜L1、具有正屈折力的第二透镜L2、具有负屈折力的第三透镜L3。红外光学系统10的各透镜面型如下：

另外，第二实施例中红外光学系统10的各透镜参数由表3和表4给出，其中各元件名称和参数的定义可由第一实施例中得出，此处不加以赘述。

表3

表4

该实施例中的红外光学系统10满足以下关系：

由图4中的各像差图可知，红外光学系统10的纵向球差、场曲、像散均得到良好的控制，其中各波长下的纵向球差所对应的焦点偏移较小，且各视场下的子午场曲和弧矢场曲几乎均被控制在±0.1mm以内，像面弯曲程度受到较好的抑制，同时像散也得到合理调节，另外大部分视场下的畸变均得到有效抑制。因此，对于传统的红外深度探测系统而言，该实施例的红外光学系统10能够实现更佳的红外探测性能。

第三实施例

参考图5，在第三实施例中，红外光学系统10沿光轴101由物侧至像侧依次包括孔径光阑STO、具有正屈折力的第一透镜L1、具有正屈折力的第二透镜L2、具有正屈折力的第三透镜L3。红外光学系统10的各透镜面型如下：

另外，第三实施例中红外光学系统10的各透镜参数由表5和表6给出，其中各元件名称和参数的定义可由第一实施例中得出，此处不加以赘述。

表5

表6

该实施例中的红外光学系统10满足以下关系：

FNO/f(mm<sup>-1</sup>)	1.07	R1/(R2*f1)(mm<sup>-1</sup>)	-16.53
				FNO	1.65	CT2/ET2	1.61
tan(HFOV)/(SD32)(mm<sup>-1</sup>)	0.96	SAG31/CT3	0.847
				CRAmax/TT(deg/mm)	12.2	BFL/TTL	0.42
TT(mm)	1.728	CT1/SAG11	-17.42

由图6中的各像差图可知，红外光学系统10的纵向球差、场曲、像散均得到良好的控制，其中各波长下的纵向球差所对应的焦点偏移较小，且各视场下的子午场曲和弧矢场曲几乎均被控制在±0.05mm以内，像面弯曲程度受到极好的抑制，同时像散也得到合理调节，另外大部分视场下的畸变均得到有效抑制。因此，对于传统的红外深度探测系统而言，该实施例的红外光学系统10能够实现更佳的红外探测性能。

第四实施例

参考图7，在第四实施例中，红外光学系统10沿光轴101由物侧至像侧依次包括孔径光阑STO、具有正屈折力的第一透镜L1、具有正屈折力的第二透镜L2、具有负屈折力的第三透镜L3。红外光学系统10的各透镜面型如下：

另外，第四实施例中红外光学系统10的各透镜参数由表7和表8给出，其中各元件名称和参数的定义可由第一实施例中得出，此处不加以赘述。

表7

表8

该实施例中的红外光学系统10满足以下关系：

FNO/f(mm<sup>-1</sup>)	1.08	R1/(R2*f1)(mm<sup>-1</sup>)	-3.07
				FNO	1.65	CT2/ET2	1.66
tan(HFOV)/(SD32)(mm<sup>-1</sup>)	1.07	SAG31/CT3	0.996
				CRAmax/TT(deg/mm)	18.5	BFL/TTL	0.46
TT(mm)	1.513	CT1/SAG11	-14.89

由图8中的各像差图可知，红外光学系统10的纵向球差、场曲、像散均得到良好的控制，其中各波长下的纵向球差所对应的焦点偏移较小，且各视场下的子午场曲和弧矢场曲几乎均被控制在±0.05mm以内，像面弯曲程度受到极好的抑制，同时像散也得到合理调节，另外大部分视场下的畸变均得到有效抑制。因此，对于传统的红外深度探测系统而言，该实施例的红外光学系统10能够实现更佳的红外探测性能。

第五实施例

参考图9，在第五实施例中，红外光学系统10沿光轴101由物侧至像侧依次包括孔径光阑STO、具有正屈折力的第一透镜L1、具有正屈折力的第二透镜L2、具有负屈折力的第三透镜L3。红外光学系统10的各透镜面型如下：

另外，第五实施例中红外光学系统10的各透镜参数由表9和表10给出，其中各元件名称和参数的定义可由第一实施例中得出，此处不加以赘述。

表9

表10

该实施例中的红外光学系统10满足以下关系：

FNO/f(mm<sup>-1</sup>)	1.1	R1/(R2*f1)(mm<sup>-1</sup>)	-89.83
				FNO	1.65	CT2/ET2	1.74
tan(HFOV)/(SD32)(mm<sup>-1</sup>)	1.08	SAG31/CT3	1
				CRAmax/TT(deg/mm)	17.42	BFL/TTL	0.45
TT(mm)	1.521	CT1/SAG11	-15.44

由图10中的各像差图可知，红外光学系统10的纵向球差、场曲、像散均得到良好的控制，其中各波长下的纵向球差所对应的焦点偏移较小，且各视场下的子午场曲和弧矢场曲几乎均被控制在±0.05mm以内，像面弯曲程度受到极好的抑制，同时像散也得到合理调节，另外大部分视场下的畸变均得到有效抑制。因此，对于传统的红外深度探测系统而言，该实施例的红外光学系统10能够实现更佳的红外探测性能。

参考图11，在一些实施例中，本申请还提供了一种红外接收模组20，红外接收模组20包括上述任意一个实施例中的光学系统10及图像传感器210，图像传感器210设置于红外光学系统10的像侧。图像传感器210可以为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)等光电转换器件。图像传感器210也可以为常见的3D图像传感器。一般地，在装配时，红外光学系统10的成像面S7与图像传感器210的感光面重合。且在用于红外探测时，例如用于人脸识别、路况识别等，一些实施例的红外接收模组20中设有红外带通滤光片110以滤除非预期红线，红外带通滤光片110可以设于但不限于第三透镜L3与成像面S7之间。通过采用上述红外光学系统10，红外接收模组20不仅能够拥有更大的视场角，同时还能够拥有更大的通光量，从而可获得更大的接收范围以及更佳的成像品质，即能够提高红外接收模组20的探测范围以及探测精度。

参考图12，在一些实施例中，本申请还提供了一种电子设备30，电子设备30包括固定件310、红外发射模组320及上述红外接收模组20，红外接收模组20和红外发射模组320安装于固定件310，固定件310可以为电路板、保护壳、中框等部件。红外发射模组320用于发射具有预期波长的光线(如近红外光)，且所发射的光线可以为编码光线，例如具有预设光斑结构或者预设脉冲周期，以分别对应结构光探测方法、飞行时间方法等。而红外接收模组20用于接收由红外发射模组320发出的预期波长的光线。红外发射模组320所发射的光线经被测物反射后将被红外接收模组20接收。

电子设备30包括但不限于智能手机(如图12所示的结构)、智能手表、智能眼镜、人机交互设备、工业检测设备、车载电子设备、飞行器电子设备、监控设备等。通过应用红外发射模组320以及红外接收模组20，电子设备30能够通过红外深度探测以实现如人脸识别、动作识别、路况识别等功能。通过采用上述红外接收模组20，电子设备30能够拥有更大的探测范围以及更佳的探测精度，可满足高端消费市场的需求。

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个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

1.一种红外光学系统，其特征在于，所述红外光学系统中具有屈折力的透镜的数量为三片，且所述红外光学系统沿光轴由物侧至像侧依次包括：

所述红外光学系统还满足关系：

1.0mm^-1≤FNO/f≤1.2mm^-1；

-25＜CT1/SAG11＜-10；

FNO为所述红外光学系统的光圈数，f为所述红外光学系统的有效焦距，CT1为所述第一透镜于光轴上的厚度，SAG11为所述第一透镜的物侧面于最大有效口径处的矢高。

2.根据权利要求1所述的红外光学系统，其特征在于，所述红外光学系统满足关系：

FNO≤1.65。

3.根据权利要求1所述的红外光学系统，其特征在于，所述红外光学系统满足关系：

0.9mm^-1＜tan(HFOV)/(SD32)＜1.2mm^-1；

HFOV为所述红外光学系统的最大视场角的一半，SD32为所述第三透镜的像侧面的最大有效口径的一半。

4.根据权利要求3所述的红外光学系统，其特征在于，所述红外光学系统满足关系：

48.8deg≤HFOV≤50deg。

5.根据权利要求1所述的红外光学系统，其特征在于，所述红外光学系统满足关系：

12deg/mm＜CRAmax/TT＜20deg/mm；

CRAmax为所述红外光学系统的最大视场所对应的主光线于成像面上的入射角，TT为所述第一透镜的物侧面至所述第三透镜的像侧面于光轴上的距离。

6.根据权利要求1所述的红外光学系统，其特征在于，所述红外光学系统满足关系：

-100mm^-1＜R1/(R2*f1)＜0；

R1为所述第一透镜的物侧面于光轴处的曲率半径，R2为所述第一透镜的像侧面于光轴处的曲率半径，f1为所述第一透镜的有效焦距。

7.根据权利要求1所述的红外光学系统，其特征在于，所述红外光学系统满足关系：

1.5＜CT2/ET2＜2.5；

CT2为所述第二透镜于光轴上的厚度，ET2为所述第二透镜于物侧面最大有效口径处至像侧面最大有效口径处于光轴方向上的距离。

8.根据权利要求1所述的红外光学系统，其特征在于，所述红外光学系统满足关系：

0.2＜SAG31/CT3＜1.2；

SAG31为所述第三透镜的物侧面于最大有效口径处的矢高，CT3为所述第三透镜于光轴上的厚度。

9.根据权利要求1所述的红外光学系统，其特征在于，所述红外光学系统满足关系：

0.4＜BFL/TTL＜0.5；

BFL为所述第三透镜的像侧面至所述红外光学系统的成像面于光轴上的距离，TTL为所述第一透镜的物侧面至所述红外光学系统的成像面于光轴上的距离。

10.一种红外接收模组，其特征在于，包括图像传感器及权利要求1至9任意一项所述红外光学系统，所述图像传感器设于所述红外光学系统的像侧。

11.一种电子设备，其特征在于，包括固定件、红外发射模组及权利要求10所述的红外接收模组，所述红外发射模组和所述红外接收模组设于所述固定件，所述红外接收模组用于接收由所述红外发射模组发出的预期波长的光线。