CN113960750A - 一种大光圈红外广角ToF镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大光圈红外广角ToF镜头，包括由物方至像方依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和滤光片，其中：第一透镜为凸凹负光焦度透镜；第二透镜为凸凹负光焦度透镜；第三透镜为凹凸正光焦度透镜；第四透镜为双凸正光焦度透镜；第五透镜为凹凸正光焦度透镜；并限定第一透镜和镜头的焦距比值范围、第一透镜和第三透镜的焦距比值范围、以及镜头的焦距和光学总长的比值范围。该镜头仅采用五枚透镜，结构简单，体型小，视场角可达140°，光圈数#F≤1.2，在拥有大视场角的情况下压低了光学畸变，相对照度大，成像质量高，镜头分辨率达250万像素以上，光学稳定性好。

Description

一种大光圈红外广角ToF镜头

技术领域

本发明属于光学镜头技术领域，具体涉及一种大光圈红外广角ToF镜头。

背景技术

在智能探测技术和人脸识别技术的推动下，3D深度传感技术正在蓬勃发展。作为3D深度传感领域的三大主流方案之一，ToF深度传感技术依靠测量精度高、帧数(fps)高、抗干扰性强、覆盖范围远等优点，在无人驾驶汽车、智能安防设备、VR/AR产品、机器视觉等领域开始大显身手。运用在ToF深度传感技术中的ToF镜头，需要为后续的空间建模提供较为精准的初始三维数据，通常工作在近红外波段，要求具有光圈大、照度高、视场角大、尺寸小等特点。而现有技术中ToF镜头通常视场角低于100°，镜头拍摄范围小，且一般在获取更大的视场角时难以保证镜头小型化，相对照度较低，畸变大，成像质量差。因此，研发一种大光圈、高照度、大视场角、高分辨率ToF镜头就更为迫切。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种大光圈红外广角ToF镜头，该镜头仅采用五枚透镜，结构简单，体型小，视场角可达140°，光圈数#F≤1.2，在拥有大视场角的情况下压低了光学畸变，相对照度大，成像质量高，镜头分辨率达250万像素以上，光学稳定性好。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

本发明提出的一种大光圈红外广角ToF镜头，包括由物方至像方依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和滤光片，其中：

第一透镜L1为凸凹负光焦度透镜；

第二透镜L2为凸凹负光焦度透镜；

第三透镜L3为凹凸正光焦度透镜；

第四透镜L4为双凸正光焦度透镜；

第五透镜L5为凹凸正光焦度透镜；

且满足如下条件：

f1/f0<0，0.55<|f1/f3|<0.7，0.06<f0/TTL<0.18

其中，f0为镜头的有效焦距，f1为第一透镜L1的有效焦距，f3为第三透镜L3的有效焦距，TTL为镜头的光学总长。

优选地，第一透镜L1、第三透镜L3和第四透镜L4为球面透镜，第二透镜L2和第五透镜L5为非球面透镜。

优选地，非球面透镜满足如下非球面公式：

其中，z为矢高，c＝1/r，r为表面曲率半径，h为径向坐标，k为圆锥系数，A为第四阶系数，B为第六阶系数，C为第八阶系数，D为第十阶系数，E为第十二阶系数，F为第十四阶系数。

优选地，大光圈红外广角ToF镜头还满足如下条件：

1.7<n1<1.9，1.7<n2<1.85，1.55<n3<1.7，1.5<n4<1.85，1.6<n5<1.8

其中，n1为第一透镜L1的d光折射率，n2为第二透镜L2的d光折射率，n3为第三透镜L3的d光折射率，n4为第四透镜L4的d光折射率，n5为第五透镜L5的d光折射率。

优选地，第三透镜L3和第四透镜L4之间设有光阑STOP。

优选地，大光圈红外广角ToF镜头的光圈数#F≤1.2。

优选地，大光圈红外广角ToF镜头的最大视场角为140°。

优选地，大光圈红外广角ToF镜头的工作波段为930nm～950nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)该镜头仅采用五枚透镜，结构简单，体型小，通过设置第一透镜和镜头、第一透镜和第三透镜的焦距比值范围，可以校正镜头的像差，压低畸变，提高像质，且镜头组装公差不敏感，光学性能良好，并通过设置镜头的焦距和光学总长的比值范围，可以使该镜头拥有较大的视场角，从而具有更大的拍摄范围，视场角可达140°；

2)该镜头具有大光圈短焦距，光圈数#F≤1.2，使得镜头具有较大的光通量，并且通过运用两枚非球面透镜，使得光学系统在拥有大视场角的情况下压低了光学畸变，且在工作波长930～950nm范围内的相对照度大于60％，成像质量高；

3)通过合理配置透镜光焦度、光阑位置以及材料折射率，有助于进一步降低光学畸变，镜头分辨率达250万像素以上，光学稳定性好，可用于无人驾驶汽车、智能安防设备、VR/AR产品、机器视觉等领域。

附图说明

图1是本发明大光圈红外广角ToF镜头的结构示意图；

图2是本发明实施例一的MTF曲线图；

图3是本发明实施例一的离焦曲线图；

图4是本发明实施例一的点列图；

图5是本发明实施例一的相对照度曲线图；

图6是本发明实施例二的MTF曲线图；

图7是本发明实施例二的离焦曲线图；

图8是本发明实施例二的点列图；

图9是本发明实施例二的相对照度曲线图。

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所示，一种大光圈红外广角ToF镜头，包括由物方至像方依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和滤光片，其中：

第一透镜L1为凸凹负光焦度透镜；

第二透镜L2为凸凹负光焦度透镜；

第三透镜L3为凹凸正光焦度透镜；

第四透镜L4为双凸正光焦度透镜；

第五透镜L5为凹凸正光焦度透镜；

且满足如下条件：

f1/f0<0，0.55<|f1/f3|<0.7，0.06<f0/TTL<0.18

其中，f0为镜头的有效焦距，f1为第一透镜L1的有效焦距，f3为第三透镜L3的有效焦距，TTL为镜头的光学总长。

其中，光线依次经过第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和滤光片在像面进行成像，第一透镜L1具有很好的收光作用，第二透镜L2可以校正轴外像差，第三透镜L3可以减小光线进入的偏转角，第四透镜L4可以很好的校正轴上像差，并且有助于保证高低温不离焦，第五透镜L5可以很好的补偿畸变，并减小主光线角(CRA)，以匹配感光芯片来提高感光芯片的光能接收效率。滤光片的设置可以很好的滤去非工作波段的其他杂光，提高镜头成像分辨率。

该镜头仅采用五枚透镜，结构简单，体型小，通过限定第一透镜L1和镜头的焦距比值范围、第一透镜L1和第三透镜L3的焦距比值范围，可以校正镜头的像差，压低畸变，提高像质，且镜头组装公差不敏感，光学性能良好，并通过设置镜头的焦距和光学总长的比值范围，可以使该镜头拥有较大的视场角，从而具有更大的拍摄范围；且该镜头具有大光圈短焦距，使得镜头具有较大的光通量，相对照度大，成像质量高；并通过合理配置透镜光焦度，有助于进一步降低光学畸变，镜头分辨率达250万像素以上，光学稳定性好，可用于无人驾驶汽车、智能安防设备、VR/AR产品、机器视觉等领域。

在一实施例中，第一透镜L1、第三透镜L3和第四透镜L4为球面透镜，第二透镜L2和第五透镜L5为非球面透镜。通过运用两枚非球面透镜，使得光学系统在拥有大视场角的情况下压低了光学畸变，提高成像质量。

在一实施例中，非球面透镜满足如下非球面公式：

其中，z为矢高，c＝1/r，r为表面曲率半径，h为径向坐标，k为圆锥系数，A为第四阶系数，B为第六阶系数，C为第八阶系数，D为第十阶系数，E为第十二阶系数，F为第十四阶系数。

在一实施例中，大光圈红外广角ToF镜头还满足如下条件：

1.7<n1<1.9，1.7<n2<1.85，1.55<n3<1.7，1.5<n4<1.85，1.6<n5<1.8

其中，n1为第一透镜L1的d光折射率，n2为第二透镜L2的d光折射率，n3为第三透镜L3的d光折射率，n4为第四透镜L4的d光折射率，n5为第五透镜L5的d光折射率。

通过合理分配材料折射率，使镜头中的各透镜均具有易于加工的形状，可提高镜头的稳定性。

在一实施例中，第三透镜L3和第四透镜L4之间设有光阑STOP。光阑STOP用来限制轴上光束通光口径并有助于减小畸变，提高像质。

在一实施例中，大光圈红外广角ToF镜头的光圈数#F≤1.2。该镜头具有大光圈短焦距，使得镜头具有较大的光通量。

在一实施例中，大光圈红外广角ToF镜头的最大视场角为140°。具有更大的拍摄范围。

在一实施例中，大光圈红外广角ToF镜头的工作波段为930nm～950nm。镜头在工作波段930nm～950nm范围内的相对照度大于60％，对捕获的亮度信息有更高的还原度。

在下述实施例中，进一步公开了本申请大光圈红外广角ToF镜头的具体参数。

实施例1：

本实施例中大光圈红外广角ToF镜头包括由物方至像方依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、光阑STOP、第四透镜L4、第五透镜L5和滤光片，第一透镜L1为具有负光焦度的凸凹球面透镜，第二透镜L2为具有负光焦度的凸凹非球面透镜，第三透镜L3为具有正光焦度的凹凸球面透镜，第四透镜L4为具有正光焦度的双凸球面透镜，第五透镜L5为具有正光焦度的凹凸非球面透镜，均为玻璃材质，且满足f1＝-8.2mm，f3＝13.5mm。

各透镜的相关参数如表1所示：

表1

表面序号	表面类型	曲率半径	厚度	折射率	阿贝数
						物面	球面	无穷远
S1	球面	48.3	1.8	1.72	54.3
						S2	球面	5.1	2.45
S3	非球面	72.2	2.02	1.76	49.2
						S4	非球面	5	3.16
S5	球面	-12.5	2.81	1.68	55.4
						S6	球面	-5.8	1.73
Stop	球面	无穷远	0.7
						S8	球面	5.2	2.3	1.53	80.3
S9	球面	-28	2.47
						S10	非球面	-108.5	2.59	1.7	25.2
S11	非球面	-5.1	1
						S12	球面	无穷远	0.55	1.52	64.2
S13	球面	无穷远	2.82
						像面(IMA)	球面	无穷远

表1中，S1和S2分别对应为第一透镜L1的物侧面和像侧面，S3和S4分别对应为第二透镜L2的物侧面和像侧面，S5和S6分别对应为第三透镜L3的物侧面和像侧面，S8和S9分别对应为第四透镜L4的物侧面和像侧面，S10和S11分别对应为第五透镜L5的物侧面和像侧面，S12和S13分别对应为滤光片的物侧面和像侧面。

非球面系数如表2所示：

表2

本实施例ToF镜头实现的技术指标如下：

1.焦距：f0＝1.8mm；

2.光圈数#F＝1.2；

3.工作波长：940nm±10nm；

4.视场角2ω：140°；

5.相对照度：全视场相对照度大于60％；

6.光学后焦：>2.5mm

7.光学总长：<25mm。

根据上述数据，本实施例最终的成像效果通过图2的MTF曲线来评价，各视场下的MTF曲线都平缓下降，表示该ToF镜头在全视场内都具有较好的成像效果与分辨率。图3在常温环境下的离焦曲线表明该ToF镜头全视场像差控制的较好，不离焦。图4的点列图可以看出镜头各视场像点大小控制的较好，使得该镜头分辨率在250万像素以上，实现高分辨率以便与ToF深度传感器配合更加精准的探测物体。图5的照度曲线可以看出边缘视场的相对照度达到60％，全画幅照度均匀。

实施例2：

本实施例中大光圈红外广角ToF镜头包括由物方至像方依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、光阑STOP、第四透镜L4、第五透镜L5和滤光片，第一透镜L1为具有负光焦度的凸凹球面透镜，第二透镜L2为具有负光焦度的凸凹非球面透镜，第三透镜L3为具有正光焦度的凹凸球面透镜，第四透镜L4为具有正光焦度的双凸球面透镜，第五透镜L5为具有正光焦度的凹凸非球面透镜，均为玻璃材质，且满足f1＝-8.6mm，f3＝14.2mm。

各透镜的相关参数如表3所示：

表3

表面序号	表面类型	曲率半径	厚度	折射率	阿贝数
						物面	球面	无穷远
S1	球面	33.3	1.3	1.74	50.3
						S2	球面	4.9	2.33
S3	非球面	25.5	2.15	1.76	46.2
						S4	非球面	3.9	3.06
S5	球面	-13.5	2.51	1.66	57.4
						S6	球面	-5.6	2.11
Stop	球面	无穷远	0.01
						S8	球面	5.2	2.53	1.58	68.6
S9	球面	-34	2.55
						S10	非球面	-80.8	2.49	1.67	32.3
S11	非球面	-3.9	1
						S12	球面	无穷远	0.55	1.52	64.2
S13	球面	无穷远	1.48
						像面(IMA)	球面	无穷远

表3中，S1和S2分别对应为第一透镜L1的物侧面和像侧面，S3和S4分别对应为第二透镜L2的物侧面和像侧面，S5和S6分别对应为第三透镜L3的物侧面和像侧面，S8和S9分别对应为第四透镜L4的物侧面和像侧面，S10和S11分别对应为第五透镜L5的物侧面和像侧面，S12和S13分别对应为滤光片的物侧面和像侧面。

非球面系数如表4所示：

表4

本实施例ToF镜头实现的技术指标如下：

1.焦距：f0＝1.75mm；

2.光圈数#F＝1.2；

3.工作波长：940nm±10nm；

4.视场角2ω：140°；

5.相对照度：全视场相对照度大于60％；

6.光学后焦：>2.7mm

7.光学总长：<25mm。

根据上述数据，本实施例最终的成像效果通过图6的MTF曲线来评价，各视场下的MTF曲线都平缓下降，表示该ToF镜头在全视场内都具有较好的成像效果与分辨率。图7在常温环境下的离焦曲线表明该ToF镜头全视场像差控制的较好，不离焦。图8的点列图可以看出镜头各视场像点大小控制的较好，使得该镜头分辨率在280万像素以上，实现高分辨率以便与ToF深度传感器配合更加精准的探测物体。图9的照度曲线可以看出边缘视场的相对照度达到60％，全画幅照度均匀。

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 (8)

1.一种大光圈红外广角ToF镜头，其特征在于：所述大光圈红外广角ToF镜头包括由物方至像方依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和滤光片，其中：

所述第一透镜L1为凸凹负光焦度透镜；

所述第二透镜L2为凸凹负光焦度透镜；

所述第三透镜L3为凹凸正光焦度透镜；

所述第四透镜L4为双凸正光焦度透镜；

所述第五透镜L5为凹凸正光焦度透镜；

且满足如下条件：

f1/f0<0，0.55<|f1/f3|<0.7，0.06<f0/TTL<0.18

其中，f0为镜头的有效焦距，f1为所述第一透镜L1的有效焦距，f3为所述第三透镜L3的有效焦距，TTL为镜头的光学总长。

2.如权利要求1所述的大光圈红外广角ToF镜头，其特征在于：所述第一透镜L1、第三透镜L3和第四透镜L4为球面透镜，所述第二透镜L2和第五透镜L5为非球面透镜。

3.如权利要求2所述的大光圈红外广角ToF镜头，其特征在于：所述非球面透镜满足如下非球面公式：

其中，z为矢高，c＝1/r，r为表面曲率半径，h为径向坐标，k为圆锥系数，A为第四阶系数，B为第六阶系数，C为第八阶系数，D为第十阶系数，E为第十二阶系数，F为第十四阶系数。

4.如权利要求1所述的大光圈红外广角ToF镜头，其特征在于：所述大光圈红外广角ToF镜头还满足如下条件：

1.7<n1<1.9，1.7<n2<1.85，1.55<n3<1.7，1.5<n4<1.85，1.6<n5<1.8

其中，n1为所述第一透镜L1的d光折射率，n2为所述第二透镜L2的d光折射率，n3为所述第三透镜L3的d光折射率，n4为所述第四透镜L4的d光折射率，n5为所述第五透镜L5的d光折射率。

5.如权利要求1所述的大光圈红外广角ToF镜头，其特征在于：所述第三透镜L3和第四透镜L4之间设有光阑STOP。

6.如权利要求1所述的大光圈红外广角ToF镜头，其特征在于：所述大光圈红外广角ToF镜头的光圈数#F≤1.2。

7.如权利要求1所述的大光圈红外广角ToF镜头，其特征在于：所述大光圈红外广角ToF镜头的最大视场角为140°。

8.如权利要求1所述的大光圈红外广角ToF镜头，其特征在于：所述大光圈红外广角ToF镜头的工作波段为930nm～950nm。

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