CN116880040A - 一种红外共焦光学镜头及成像设备 - Google Patents

一种红外共焦光学镜头及成像设备 Download PDF

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刘凯
邢圆圆
丁翊轩
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Abstract

本发明属于光学成像和安防、智能交通成像设备领域，具体公开了一种红外共焦光学镜头，从物侧到像侧依次包括：负光焦度的第一透镜L1、负光焦度的第二透镜L2、负光焦度的第三透镜L3、正光焦度的第四透镜L4、正光焦度的第五透镜L5、正光焦度的第六透镜L6、负光焦度的第七透镜L7、正光焦度的第八透镜L8；所述第四透镜L4和第五透镜L5之间设有孔径光阑STOP；第八透镜L8的像侧还设有滤色片和成像面。本发明的红外共焦光学镜头，镜头成像靶面可以最高支持1/1.8英寸，在有效实现镜头结构小型化同时确保高分辨率成像。

Description

一种红外共焦光学镜头及成像设备
技术领域
本发明属于光学成像和安防、智能交通成像设备领域，具体是一种红外共焦光学镜头及成像设备。
背景技术
近年来安防监控领域高速发展，光学镜头在安防领域得到越来越多的应用，尤其是在智能楼宇，智能交通等领域，光学镜头对像素和高清夜视的性能要求越来越高。更多技术研发投入到大光圈、红外共焦镜头的研发，期望研发出像素更高，夜视性能更优的产品。对于光学镜头，塑胶镜片的使用会极大的减小镜头的体积，降低产品的价格，越来越多的大批量镜头向着玻璃和塑胶镜片混合的方向发展，但现在市面上的光学成像镜头中仍然存在如下问题：
1、红外共焦性能差，导致红外成像模糊，甚至可见光和红外均成像模糊。
2、现有的镜头，成像靶面尺寸小，采集的图像分辨率低。
3、镜头光圈较小，在低照度的情况下，摄像机图像很暗，使得产品适应性降低。
4、镜片数量使用较多，镜头尺寸较大，使得整个摄像机无法实现小型化的设计。
5、镜头解像力不高，成像质量一般。
6、高低温情况下性能的稳定性不佳。
中国专利申请CN103941395A公开了一种低温漂低成本高像素红外共焦光学系统，从物侧起依次包括有第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜、滤光片以及像面，所述第一透镜为弯月形球面透镜、第二透镜为双凹形非球面透镜、第三透镜为弯月形非球面透镜、第四透镜为双凸形球面透镜、第五透镜为弯月形非球面透镜、第六透镜为双凸形非球面透镜。所述第二透镜的物侧一面为椭圆非球面，像侧一面为双曲线非球面；所述第三透镜的两面均为双曲线非球面；所述第五透镜的两面均为双曲线非球面；所述第六透镜的物侧一面为双曲线非球面，像侧一面为扁圆非球面；所述第二透镜、第三透镜、第五透镜、第六透镜为塑料镜片。该专利申请提供了一种红外共焦镜头，但整个镜头靶面小，光圈值较小。而且早期镜头设计，成像质量、镜头尺寸和综合性能已经逐渐不能满足如今高分辨率应用上的发展需求。
现有技术中还存在如下技术问题：
1.成像特性较差，不能支持如今监控上高分辨率的要求；
2.红外共焦性能差，不能满足对高清红外成像的需求；
3.镜头结构尺寸较大，镜片数量多，加工特性差，成本高。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种红外共焦光学镜头，从物侧到像侧依次包括：负光焦度的第一透镜L1、负光焦度的第二透镜L2、负光焦度的第三透镜L3、正光焦度的第四透镜L4、正光焦度的第五透镜L5、正光焦度的第六透镜L6、负光焦度的第七透镜L7、正光焦度的第八透镜L8；所述第四透镜L4和第五透镜L5之间设有孔径光阑STOP；第八透镜L8的像侧还设有滤色片和成像面。
进一步的，所述第一透镜L1采用弯月透镜；所述第二透镜L2采用双凹透镜；所述第三透镜L3采用弯月透镜；所述第四透镜L4采用双凸透镜；所述第五透镜L5采用双凸透镜；所述第六透镜L6采用双凸透镜，第七透镜L7采用双凹透镜，第八透镜L8采用弯月透镜。
进一步的，所述第五透镜L5为单透镜或胶合镜组G1，胶合镜组G1由透镜L5-1和透镜L5-2组成。
进一步的，所述第三透镜L3的焦距为f3，镜头的系统焦距为f，视场角为FOV，满足下面关系式：
进一步的，所述第六透镜L6靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凸面。
进一步的，所述第八透镜L8靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面。
进一步的，所述第四透镜L4像侧面的中心曲率半径R8与所述第五透镜L5的物侧面的中心曲率半径R9之间满足：
进一步的，所述红外共焦光学镜头的系统焦距为f与所述光学镜头的光学总长TTL之间满足：
6.1≤TTL/f≤6.5 (3)。
进一步的，所述红外共焦光学镜头的第一透镜L1的焦距f1，第二透镜L2的焦距f2，第四透镜L4的焦距f4，满足以下公式：
f1≤-12 (4)
f2≤-13 (5)
f4≤31 (6)。
一种成像设备，所述成像设备包括所述的红外共焦光学镜头。
有益效果
本发明的红外共焦光学镜头，镜头成像靶面可以最高支持1/1.8英寸，在有效实现镜头结构小型化同时确保高分辨率成像。还具有如下特点：
1.优秀的共焦特性；
2.镜头机械总长不超过31.3mm；
3.全视场MTF值在100lp/mm情况下，达到0.6以上；
4.镜头的镜片数量较少，并且加工性好，成本控制较低；
5.光圈较大，F数为1.0，特别适用低照度条件下的安防需求；
6.光学性能稳定，满足-30～+70℃的高低温工作状态下的需求。
附图说明
图1是现有技术的光学镜头的结构示意图；
图2是本申请的光学镜头的结构示意图；
图3是本申请提供的光学镜头的实施例1在可见光波段常温状态的光学传递函数(MTF)曲线图；
图4是本申请提供的光学镜头的实施例1在红外光波段常温状态的光学传递函数(MTF)曲线图；
图5a和图5b是本申请提供的光学镜头的实施例1在可见光波段的场曲和畸变图；
图6是本申请提供的光学镜头的实施例1在可见光波段的横向光扇图；
图7是本申请提供的光学镜头的的实施例1在可见光波段的点列图；
图8是本申请提供的光学镜头的实施例2在可见光波段常温状态的光学传递函数(MTF)曲线图；
图9是本申请提供的光学镜头的实施例1在红外光波段常温状态的光学传递函数(MTF)曲线图；
图10a和图10b是本申请提供的光学镜头的实施例2在可见光波段的场曲和畸变图；
图11是本申请提供的光学镜头的实施例2在可见光波段的横向光扇图；
图12是本申请提供的光学镜头的的实施例2在可见光波段的点列图；
图13是本申请提供的成像设备的具体实施例示意图。
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的一部分实施例，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。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图2所示，本发明的红外共焦光学镜头，从物侧到像侧依次包括：负光焦度的第一透镜L1、负光焦度的第二透镜L2、负光焦度的第三透镜L3、正光焦度的第四透镜L4、正光焦度的第五透镜L5、正光焦度的第六透镜L6、负光焦度的第七透镜L7、正光焦度的第八透镜L8；
所述第四透镜L4和第五透镜L5之间设有孔径光阑STOP；第八透镜L8的像侧还设有滤色片和成像面。
可选的，所述第一透镜L1采用弯月透镜；所述第二透镜L2采用双凹透镜；所述第三透镜L3采用弯月透镜；所述第四透镜L4采用双凸透镜；所述第五透镜L5采用双凸透镜；所述第六透镜L6采用双凸透镜，第七透镜L7采用双凹透镜，第八透镜L8采用弯月透镜。
所述第五透镜L5为单透镜，也可以为胶合镜组G1，胶合镜组G1由透镜L5-1和透镜L5-2组成。
所述第三透镜L3的焦距为f3，镜头的系统焦距为f，视场角为FOV，满足下面关系式：
所述第六透镜L6靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凸面。
所述第八透镜L8靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面。
所述第四透镜L4像侧面的中心曲率半径R8与所述第五透镜L5的物侧面的中心曲率半径R9之间满足：
所述红外共焦光学镜头的系统焦距为f与所述光学镜头的光学总长TTL之间满足：
6.1≤TTL/f≤6.5 (3)。
所述红外共焦光学镜头的第一透镜L1的焦距f1，第二透镜L2的焦距f2，第四透镜L4的焦距f4，满足以下公式：
f1≤-12 (4)
f2≤-13 (5)
f4≤31 (6)。
实施例1
本实施例1的红外共焦光学镜头的各个透镜的曲率半径R、中心厚度Tc、折射率Nd、阿贝常数Vd和圆锥系数k满足表1所列的条件：
表1透镜参数表
需要说明的是，表1中的镜面序号为图2所示的红外共焦光学镜头结构示意图中，由左到右的透镜的面号。
第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第六透镜L6、第七透镜L7和第八透镜L8为非球面透镜，非球面方程满足以下公式：
非球面系数如下：
表2非球面系数表
本实施例1所提供的红外共焦光学镜头具有如下光学技术指标：
光学总长TTL≤31.3mm；
镜头焦距f：4.7mm；
镜头的视场角：120.8°；
镜头的光学畸变：-47.1％；
镜头系统的光圈FNO.：1.0；
镜头像面尺寸：1/1.8〞。
在本实施例1中，该红外共焦光学镜头的第三透镜L3的焦距f3，镜头的系统焦距f，视场角FOV之间满足：光学镜头的第四透镜L4像侧面的中心曲率半径R8与第五透镜L5的物侧面的中心曲率半径R9之间满足：/>光学镜头的系统焦距f与所述光学镜头的光学总长TTL之间满足：/>光学镜头的第一透镜L1的焦距f1＝-14.91，第二透镜L2的焦距f2＝-13.36，第四透镜L4的焦距f4＝30.08。
实施例2
本实施例2的红外共焦光学镜头的各个透镜的曲率半径R、中心厚度Tc、折射率Nd、阿贝常数Vd和圆锥系数k满足表2所列的条件：
表3透镜参数表
需要说明的是，表3中的镜面序号为图2所示的光学镜头结构示意图中，由左到右的透镜的面号，该实施例包含一组胶合镜组。
第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第六透镜L6、第七透镜L7和第八透镜L8为非球面透镜，非球面方程满足以下公式：
非球面系数如下：
表4非球面系数表
本实施例2所提供的红外共焦光学镜头具有如下光学技术指标：
光学总长TTL≤30.3mm；
镜头焦距f：4.7mm；
镜头的视场角：115.8°；
镜头的光学畸变：-41.2％；
镜头系统的光圈FNO.：1.0；
镜头像面尺寸：1/1.8〞。
在本实施例2中，该红外共焦光学镜头的第三透镜L3的焦距f3，镜头的系统焦距f，视场角FOV之间满足：光学镜头的第四透镜L4像侧面的中心曲率半径R8与第五透镜L5的物侧面的中心曲率半径R9之间满足：/>光学镜头的系统焦距f与所述光学镜头的光学总长TTL之间满足：/>光学镜头的第一透镜L1的焦距f1＝-12.61，第二透镜L2的焦距f2＝-17.76，第四透镜L4的焦距f4＝16.04。
综上，实施例1至实施例2分别满足以下表5所示的关系。
表5参数关系综合表
光学传递函数是用来评价一个该成像系统的成像质量较准确、直观和常见的方式，其曲线越高、越平滑，表明系统的成像质量越好，对各种像差(如：球差、慧差、象散、场曲、轴向色差、垂轴色差等)进行了较好的校正。
如图3所示，该红外共焦光学镜头在可见光部分常温状态的光学传递函数(MTF)曲线图较平滑、较为集中，而且全视场(半像高Y’＝4.4mm)MTF平均值达到0.60以上；可见本实施例提供的该红外共焦光学镜头，能够达到较高的成像要求。
如图4所示，该红外共焦光学镜头在红外部分常温状态的光学传递函数(MTF)曲线图同样较平滑、较为集中，全视场(半像高Y’＝4.4mm)MTF平均值达到0.25以上；可见本实施例提供的该成像系统，能够达到较高的成像要求，满足红外共焦的设计。
如图8所示，该红外共焦光学镜头下在可见光部分常温状态的光学传递函数(MTF)曲线图较平滑、较为集中，而且全视场(半像高Y’＝4.4mm)MTF平均值达到0.60以上；可见本实施例提供的该红外共焦光学镜头，能够达到较高的成像要求。
如图9所示，该红外共焦光学镜头在红外部分常温状态的光学传递函数(MTF)曲线图同样较平滑、较为集中，全视场(半像高Y’＝4.4mm)MTF平均值达到0.25以上；可见本实施例提供的该成像系统，能够达到较高的成像要求，满足红外共焦的设计。
如图5a和图10a所示，该红外共焦光学镜头的场曲控制在场曲控制在±0.1mm以内。场曲又称“像场弯曲”。当透镜存在场曲时，整个光束的交点不与理想像点重合，虽然在每个特定点都能得到清晰的像点，但整个像平面则是一个曲面。T代表子午场曲，S代表弧矢场曲。场曲曲线显示作为视场坐标函数的当前的焦平面或像平面到近轴焦面的距离，子午场曲数据是沿着Z轴测量的从当前所确定的聚焦面到近轴焦面的距离，并且是在子午(YZ面)上测量的。弧矢场曲数据测量的是在与子午面垂直的平面上测量的距离，示意图中的基线是在光轴上，曲线顶部代表最大视场(角度或高度)，在纵轴上不设置单位，这是因为曲线总是用最大的径向视场来归一化的。
如图5b和图10b所示，该红外共焦光学镜头畸变控制较好，在-50％以内。图5b参考多个波长(0.436um、0.486um、0.546um、0.587um和0.656um)的曲线在图5b中发生了重合。一般来说，镜头畸变实际上是光学透镜固有的透视失真的总称，也就是因为透视原因造成的失真，这种失真对于照片的成像质量是非常不利的，毕竟摄影的目的是为了再现，而非夸张，但因为这是透镜的固有特性(凸透镜汇聚光线、凹透镜发散光线)，所以无法消除，只能改善。由图5b和图10b可见，本发明实施例1提供的镜头的畸变为-47.1％；本发明实施例2提供的镜头的畸变为-41.2％；这样设置畸变是为了平衡焦距，视场角及对应相机靶面的大小，畸变造成的形变可以通过后期图像处理对其进行校正。
如图6和图11所示，光扇图中曲线较为集中，该成像系统的球差及色散也控制较好。
如图7和图12所示，该成像系统光斑半径较小，也比较集中，对应的像差和慧差也较好。
综上所述，本发明实施例1、2提供了一种大靶面、大光圈、低成本的高分辨率的红外共焦光学镜头。采用8个特定结构形状的光学透镜，并按照特定顺序从物侧至像侧依次排列，以及通过各个光学透镜的特定的光焦度的分配及组合，使得该成像系统的能够实现出色的成像特性。
如图13所示，本申请实施例的成像设备10至少包括一种红外共焦光学镜头11。具体地，该红外共焦光学镜头11具体可以为上述实施例1、2的光学镜头，其具体结构在此不再赘述。
其中，本申请实施例的成像设备10可以应用于安防领域，例如可以安装智能楼宇上，为楼宇安防系统提供高清晰图的环境信息等。在其他实施例中，成像设备10也可以应用于其他设备上，例如安防设备、无人机、扫地机器人等。

Claims (10)

1.一种红外共焦光学镜头，从物侧到像侧依次包括：负光焦度的第一透镜L1、负光焦度的第二透镜L2、负光焦度的第三透镜L3、正光焦度的第四透镜L4、正光焦度的第五透镜L5、正光焦度的第六透镜L6、负光焦度的第七透镜L7、正光焦度的第八透镜L8；其特征在于：所述第四透镜L4和第五透镜L5之间设有孔径光阑STOP；第八透镜L8的像侧还设有滤色片和成像面。
2.根据权利要求1所述的红外共焦光学镜头，其特征在于：所述第一透镜L1采用弯月透镜；所述第二透镜L2采用双凹透镜；所述第三透镜L3采用弯月透镜；所述第四透镜L4采用双凸透镜；所述第五透镜L5采用双凸透镜；所述第六透镜L6采用双凸透镜，第七透镜L7采用双凹透镜，第八透镜L8采用弯月透镜。
3.根据权利要求1所述的红外共焦光学镜头，其特征在于：所述第五透镜L5为单透镜或胶合镜组G1，胶合镜组G1由透镜L5-1和透镜L5-2组成。
4.根据权利要求1所述的红外共焦光学镜头，其特征在于：所述第三透镜L3的焦距为f3，镜头的系统焦距为f，视场角为FOV，满足下面关系式：
5.根据权利要求1所述的红外共焦光学镜头，其特征在于：所述第六透镜L6靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凸面。
6.根据权利要求1所述的红外共焦光学镜头，其特征在于：所述第八透镜L8靠近物侧的一面为凸面，靠近像侧的一面为凹面。
7.根据权利要求1所述的红外共焦光学镜头，其特征在于：所述第四透镜L4像侧面的中心曲率半径R8与所述第五透镜L5的物侧面的中心曲率半径R9之间满足：
8.根据权利要求1所述的红外共焦光学镜头，其特征在于：所述红外共焦光学镜头的系统焦距为f与所述光学镜头的光学总长TTL之间满足：
6.1≤TTL/f≤6.5 (3)。
9.根据权利要求1所述的红外共焦光学镜头，其特征在于：所述红外共焦光学镜头的第一透镜L1的焦距f1，第二透镜L2的焦距f2，第四透镜L4的焦距f4，满足以下公式：
f1≤-12 (4)
f2≤-13 (5)
f4≤31 (6)。
10.一种成像设备，其特征在于，所述成像设备包括权利要求1至9任一项所述的红外共焦光学镜头。
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