CN115079379A - 一种可见-近红外光学系统及光学镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可见‑近红外光学系统及光学镜头，涉及光学系统技术领域，包括自物侧到像侧依次设置的：第一透镜，具有正光焦度；第二透镜，具有负光焦度；第三透镜，具有正光焦度并与第二透镜组成双胶合透镜；光阑STO，与第三透镜间隔设置并用于限制光束口径；第四透镜，具有负光焦度；第五透镜，具有正光焦度并与第四透镜组成双胶合透镜；第六透镜，具有负光焦度；第七透镜，具有正光焦度并与第六透镜组成双胶合透镜；第八透镜，具有正光焦度；第九透镜，具有负光焦度。本技术方案通过不同色散材料的搭配进行消色差设计，并结合多个双胶合透镜，将色差控制在较小的范围内，同时在可见光至近红外的宽光谱范围内真正实现焦平面的零漂移。
Description
技术领域
本发明涉及光学镜头技术领域，特别涉及一种可见-近红外光学系统及光学镜头。
背景技术
多波段图像融合可以有效综合各个波段图像中包含的特征信息，其中，近红外技术可以用于食品检测、垃圾分类、无人机监测、恶劣环境(雾霾天气)、火灾救援等方面，因此光学系统的光谱范围扩展至可见光到近红外时，更加有利于协同合作。但由于波段范围太宽，色差校正困难，很难同时实现两个波段的零焦移，往往造成成像分辨率的降低。相关技术中，极少有光学系统的设计波长可以覆盖如此宽广的光谱范围。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种可见-近红外光学系统，能够控制色差并在宽光谱范围内实现焦平面的零漂移和高分辨率。
本发明还提出一种光学镜头。
根据本发明第一方面实施例的一种可见-近红外光学系统，包括自物侧到像侧依次设置的：第一透镜，具有正光焦度，所述第一透镜的色散系数Vd1≥70；第二透镜，具有负光焦度并与所述第一透镜间隔设置，所述第二透镜的色散系数Vd2≥50；第三透镜，具有正光焦度并与所述第二透镜组成双胶合透镜，所述第三透镜的色散系数Vd3≥50，且满足Vd2-Vd3|≥15；光阑STO，与第三透镜间隔设置并用于限制光束口径；第四透镜，具有负光焦度并与所述光阑STO间隔设置，所述第四透镜的色散系数Vd4≥50；第五透镜，具有正光焦度并与所述第四透镜组成双胶合透镜，所述第五透镜的色散系数Vd5≥50，且满足|Vd4-Vd5|≥15；第六透镜，具有负光焦度并与所述第五透镜间隔设置，所述第六透镜的色散系数Vd6≥50；第七透镜，具有正光焦度并与所述第六透镜组成双胶合透镜，所述第七透镜的色散系数Vd7≥50，且满足|Vd6-Vd7|≥20；第八透镜，具有正光焦度并与所述第七透镜间隔设置，所述第八透镜的的色散系数Vd6≥50；第九透镜，具有负光焦度并与所述第八透镜间隔设置，所述第九透镜的色散系数Vd9≥20。
根据本发明实施例的一种可见-近红外光学系统，至少具有如下有益效果：
本技术方案通过不同色散材料的搭配进行消色差设计，并结合多个双胶合透镜，将色差控制在较小的范围内，同时在可见光至近红外的宽光谱范围内真正实现焦平面的零漂移，并通过简单的浮动式对焦方式，在近距离和无穷远均实现优异的成像效果。
根据本发明的一些实施例，所述第一透镜为凸凹型透镜，且朝向物面的一面为凸面；第二透镜为双凹型透镜；第三透镜为双凸型透镜；第四透镜为双凹型透镜；第五透镜为双凸型透镜；第六透镜为弯月型透镜，且朝向物面的一面为凸面；第七透镜为双凸型透镜；第八透镜为弯月型透镜，且朝向物面的一面为凸面；第九透镜为弯月型透镜，且朝向物面的一面为凸面。
根据本发明的一些实施例，所述可见-近红外光学系统系统满足以下关系式：
2.5<f1/f<3.2；
15.6<f2-3/f<16.7；
10.2<f4-5/f<11.4；
7.2<f6-7/f<8.1；
1.05<f8/f<1.5；
-1.6<f9/f<-1.38；
其中，f为所述可见-近红外光学系统的焦距，f1为第一透镜的焦距，f2-3为第二透镜2和第三透镜3的组合焦距，f4-5为第四透镜4和第五透镜5的组合焦距，f6-7为第六透镜6和第七透镜7的组合焦距，f8为第八透镜8的焦距，f9为第九透镜9的焦距。
根据本发明的一些实施例，还包括感光芯片，所述感光芯片位于像侧并与所述第九透镜间隔设置。
根据本发明的一些实施例，所述感光芯与所述第九透镜之间保护玻璃。
根据本发明的一些实施例，所述可见-近红外光学系统的焦距F＝25mm，FNO＝1.8。
根据本发明的一些实施例，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜皆采用玻璃材料透镜。
根据本发明第二方面实施例的一种光学镜头，包括镜筒、以及设置在所述镜筒内的所述的一种可见-近红外光学系统。
根据本发明实施例的光学镜头，至少具有如下有益效果：
本技术方案通过不同色散材料的搭配进行消色差设计，并结合多个双胶合透镜，将色差控制在较小的范围内，同时在可见光至近红外的宽光谱范围内真正实现焦平面的零漂移，并通过简单的浮动式对焦方式，在近距离和无穷远均实现优异的成像效果。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明一种实施例的一种可见-近红外光学系统的结构示意图；
图2为本发明一种实施例在物距为400mm时的MTF曲线图；
图3为本发明一种实施例在在物距为400mm时的rayfan曲线图；
图4为本发明一种实施例在物距为400mm时的轴上色差曲线图；
图5为本发明一种实施例在物距为400mm时的垂轴色差图；
图6为本发明一种实施例的在400mm时的相对照度曲线图；
图7为本发明一种实施例物距为400mm且在红外波段内成像时的MTF曲线图；
图8为本发明一种实施例在同一焦面处且在可见光成像时的MTF曲线图；
图9为本发明一种实施例在物距为无穷远时的MTF曲线图。
附图标号：
第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、光阑STO、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下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。
在本发明的描述中，多个指的是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1所示，本发明所涉及的光学系统光圈比较大，设计波长范围比较宽，因此轴上色差的消除是设计重点。
本发明第一方面实施例的一种可见-近红外光学系统，包括自物侧到像侧依次设置的：第一透镜1，具有正光焦度，第一透镜1的色散系数Vd1≥70；第二透镜2，具有负光焦度并与第一透镜1间隔设置，第二透镜2的色散系数Vd2≥50；第三透镜3，具有正光焦度并与第二透镜2组成双胶合透镜，第三透镜3的色散系数Vd3≥50，且满足Vd2-Vd3|≥15；光阑STO，与第三透镜3间隔设置并用于限制光束口径；第四透镜4，具有负光焦度并与光阑STO间隔设置，第四透镜4的色散系数Vd4≥50；第五透镜5，具有正光焦度并与第四透镜4组成双胶合透镜，第五透镜5的色散系数Vd5≥50，且满足|Vd4-Vd5|≥15；第六透镜6，具有负光焦度并与第五透镜5间隔设置，第六透镜6的色散系数Vd6≥50；第七透镜7，具有正光焦度并与第六透镜6组成双胶合透镜，第七透镜7的色散系数Vd7≥50，且满足|Vd6-Vd7|≥20；第八透镜8，具有正光焦度并与第七透镜7间隔设置，第八透镜8的的色散系数Vd6≥50；第九透镜9，具有负光焦度并与第八透镜8间隔设置，第九透镜9的色散系数Vd9≥20。
本技术方案通过不同色散材料的搭配进行消色差设计，九枚镜片中八枚全部为阿贝数大于50的低色散材料，尤其是所述第一正透镜，阿贝数大于80，直接减小光学系统的光线色差。再结合多个双胶合透镜，利用胶合面前后的阿贝数之差起到减小色差的作用，尤其是所述第六透镜6和第七透镜7组成的胶合镜片，阿贝数差值大于25，对于色差的减小有重要贡献，从而将色差控制在较小的范围内，同时在可见光至近红外的宽光谱范围内真正实现焦平面的零漂移，并通过简单的浮动式对焦方式，在近距离和无穷远均实现优异的成像效果。
在本发明的一些实施例中，第一透镜1为凸凹型透镜，且朝向物面的一面为凸面；第二透镜2为双凹型透镜；第三透镜3为双凸型透镜；第四透镜4为双凹型透镜；第五透镜5为双凸型透镜；第六透镜6为弯月型透镜，且朝向物面的一面为凸面；第七透镜7为双凸型透镜；第八透镜8为弯月型透镜，且朝向物面的一面为凸面；第九透镜9为弯月型透镜，且朝向物面的一面为凸面。以上透镜形状仅为本技术方案的其中一种实施例，不做唯一限定，可以由其他形状能够实现相同参数性能的透镜替代。
在本发明的一些实施例中，可见-近红外光学系统系统满足以下关系式：
2.5<f1/f<3.2；
15.6<f2-3/f<16.7；
10.2<f4-5/f<11.4；
7.2<f6-7/f<8.1；
1.05<f8/f<1.5；
-1.6<f9/f<-1.38；
其中，f为可见-近红外光学系统的焦距，f1为第一透镜1的焦距，f2-3为第二透镜22和第三透镜33的组合焦距，f4-5为第四透镜44和第五透镜55的组合焦距，f6-7为第六透镜66和第七透镜77的组合焦距，f8为第八透镜88的焦距，f9为第九透镜99的焦距。
在本实施例中，最困难的在于色差的消除。采用阿贝数偏高的玻璃材料，有助于降低每一片的透镜的色差，最终达到累积色差偏小的效果。
在本发明的一些实施例中，还包括感光芯片10，感光芯片10位于像侧并与第九透镜9间隔设置，用于捕捉成像信号并形成图像。
进一步，在本发明的一些实施例中，感光芯与第九透镜9之间保护玻璃，可以保护芯片免受外力的直接破坏。
在本发明的一些实施例中，可见-近红外光学系统的焦距F＝25mm，FNO＝1.8，适用于不同物距的高分辨FA镜头，可搭配用于1/2”的感光芯片10。
特别的，在本发明的一些实施例中，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9皆采用玻璃材料透镜，温度适用范围广，不易老化使用寿命长。
在本发明的一些实施例中，通过尽量少设置渐晕或不设置渐晕，使周边视场光线尽量多的通过镜头到达芯片表面，从而使得镜头获得较高的相对照度，保证像面亮度的整体均匀性和通透性。
本实施例镜头具体参数如下表1所示：
表1
在上表1中，半径R、厚度的单位均为毫米。
对于此固定焦距的镜头，采用浮动调焦的方式来满足针对不同物距都能良好成像的要求。本发明的一个实施例是从光阑将系统分为前后两组，通过调整两组之间的距离(即S6的厚度)和后焦达到此目的。具体的调整量如下表2所示：
| 物距(mm) | 100 | 500 | 1500 | 5000 |
| S6厚度(mm) | 3.93 | 9.0 | 9.77 | 10.04 |
| 后焦(mm) | 16.3 | 10.71 | 9.76 | 9.42 |
表2
下面结合附图对本发明做详细的描述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
图2为光学系统在物距为400mm时的MTF曲线，用来评价光学系统的分辨能力，从图中曲线可以看出整个视场MTF在100lp/mm处均大于0.5，且轴上和轴外MTF曲线趋势基本一致；图3为光学系统在物距为400mm时的rayfan曲线，用来分析光线经过系统成像后存在的像差类型和大小，从图中可以看出，中心视场的球差和色差已经校正的很好，轴外视场的表现基本一致，残余少量的彗差对成像质量的影响不大；图4为光学系统在物距为400mm时的轴上色差曲线，长波和短波在0.7孔径处相交，实现消色差的目的；图5为光学系统在物距为400mm时的垂轴色差，可以看到长波和短波的色差已经校正在衍射极限范围内。图6为光学系统在400mm时的相对照度曲线，全视场相对照度为80％，较高的相对照度能保证整体画面亮度的均匀性，即使在画面边角也不会存在暗角。图7为物距为400mm，波长范围在900nm-1700nm波段内成像时的MTF曲线，图8为在同一焦面处，仅可见光(435nm-700nm)成像时的MTF曲线，在可见-近红外的光谱范围内实现焦平面的零漂移由此可见，本发明在可见-近红外的光谱范围内实现了焦平面的零漂移。图9为物距为无穷远时的MTF曲线，从图中曲线可以看到，0.7视场以内的MTF值都在0.4以上@100lp/mm。
根据本发明第二方面实施例的一种光学镜头，包括镜筒、以及设置在镜筒内的的一种可见-近红外光学系统。
本技术方案通过不同色散材料的搭配进行消色差设计，并结合多个双胶合透镜，将色差控制在较小的范围内，同时在可见光至近红外的宽光谱范围内真正实现焦平面的零漂移，并通过简单的浮动式对焦方式，在近距离和无穷远均实现优异的成像效果。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种可见-近红外光学系统，其特征在于，包括自物侧到像侧依次设置的：
第一透镜，具有正光焦度，所述第一透镜的色散系数Vd1≥70；
第二透镜，具有负光焦度并与所述第一透镜间隔设置，所述第二透镜的色散系数Vd2≥50；
第三透镜，具有正光焦度并与所述第二透镜组成双胶合透镜，所述第三透镜的色散系数Vd3≥50，且满足Vd2-Vd3|≥15；
光阑STO，与第三透镜间隔设置并用于限制光束口径；
第四透镜，具有负光焦度并与所述光阑STO间隔设置，所述第四透镜的色散系数Vd4≥50；
第五透镜，具有正光焦度并与所述第四透镜组成双胶合透镜，所述第五透镜的色散系数Vd5≥50，且满足|Vd4-Vd5|≥15；
第六透镜，具有负光焦度并与所述第五透镜间隔设置，所述第六透镜的色散系数Vd6≥50；
第七透镜，具有正光焦度并与所述第六透镜组成双胶合透镜，所述第七透镜的色散系数Vd7≥50，且满足|Vd6-Vd7|≥20；
第八透镜，具有正光焦度并与所述第七透镜间隔设置，所述第八透镜的的色散系数Vd6≥50；
第九透镜，具有负光焦度并与所述第八透镜间隔设置，所述第九透镜的色散系数Vd9≥20。
2.根据权利要求1所述的可见-近红外光学系统，其特征在于：所述第一透镜为凸凹型透镜，且朝向物面的一面为凸面；第二透镜为双凹型透镜；第三透镜为双凸型透镜；第四透镜为双凹型透镜；第五透镜为双凸型透镜；第六透镜为弯月型透镜，且朝向物面的一面为凸面；第七透镜为双凸型透镜；第八透镜为弯月型透镜，且朝向物面的一面为凸面；第九透镜为弯月型透镜，且朝向物面的一面为凸面。
3.根据权利要求1或2所述的可见-近红外光学系统，其特征在于：所述可见-近红外光学系统系统满足以下关系式：
2.5<f1/f<3.2；
15.6<f2-3/f<16.7；
10.2<f4-5/f<11.4；
7.2<f6-7/f<8.1；
1.05<f8/f<1.5；
-1.6<f9/f<-1.38；
其中，f为所述可见-近红外光学系统的焦距，f1为第一透镜的焦距，f2-3为第二透镜2和第三透镜3的组合焦距，f4-5为第四透镜4和第五透镜5的组合焦距，f6-7为第六透镜6和第七透镜7的组合焦距，f8为第八透镜8的焦距，f9为第九透镜9的焦距。
4.根据权利要求1所述的可见-近红外光学系统，其特征在于：还包括感光芯片，所述感光芯片位于像侧并与所述第九透镜间隔设置。
5.根据权利要求4所述的可见-近红外光学系统，其特征在于：所述感光芯与所述第九透镜之间保护玻璃。
6.根据权利要求1所述的可见-近红外光学系统，其特征在于：所述可见-近红外光学系统的焦距F＝25mm，FNO＝1.8。
7.根据权利要求1所述的可见-近红外光学系统，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜皆采用玻璃材料透镜。
8.一种光学镜头，其特征在于：包括镜筒、以及设置在所述镜筒内的如权利要求1至7任一所述的一种可见-近红外光学系统。
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