CN216356975U - 一种宽光谱微光成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种宽光谱微光成像装置，属于光学成像领域，解决了夜间低照度环境成像不清晰容易产生杂散光的问题。一种宽光谱微光成像装置，包括镜头罩、主镜筒、微光光学镜头和图像传感器；所述微光光学镜头沿光线入射方向自前端向后端依次包括第一镜片、第二镜片组、第三镜片和第四镜片；所述第一镜片为弯月形凸透镜，所述第二镜片组为三胶合透镜，所述第三镜片为双凸透镜，所述第四镜片为弯月形凸透镜。本实用新型实现了夜间低照度环境也能实现清晰成像、不易产生杂散光的问题。

Description

一种宽光谱微光成像装置

技术领域

本实用新型涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种宽光谱微光成像装置。

背景技术

可见光光学系统装置受环境照度的影响很大，尤其当环境照度不足时会降低图像对比度进而影响成像分辨率。

虽然在夜间等低照度条件下，使用可见光镜头可采用辅助光源照明，但是辅助光源的使用不仅增加了用电量增加功耗，同时装置结构复杂，使用起来极为不便。

实用新型内容

鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种宽光谱微光成像装置，用以解决了现有技术中夜间低照度环境成像不清晰、易产生杂散光的问题。

本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种宽光谱微光成像装置，包括镜头罩、主镜筒、微光光学镜头和图像传感器；所述微光光学镜头沿光线入射方向自前端向后端依次包括第一镜片、第二镜片组、第三镜片和第四镜片；所述第一镜片为弯月形凸透镜，所述第二镜片组为三胶合透镜，所述第三镜片为双凸透镜，所述第四镜片为弯月形凸透镜。

进一步地，所述第二镜片组包括第二镜片组头片、第二镜片组中片和第二镜片组末片；所述第二镜片组头片的阿贝数a21≥63，第二镜片组中片的阿贝数a22≤18，所述第二镜片组末片的阿贝数a23≥44。

进一步地，所述第一镜片的中心厚度为6.5mm；所述第三镜片的中心厚度为6.4mm；所述第四镜片的中心厚度为8.0mm。

进一步地，所述第一镜片的焦距f1的范围满足95mm≤f1≤110mm；第二镜片组的焦距f2的范围满足-80mm≤f2≤-55mm；第三镜片的焦距 f3范围满足30mm≤f3≤50mm；第四镜片的焦距f4的范围满足：-220mm ≤f4≤-200mm。

进一步地，所述第一镜片与所述第二镜片组之间的空气间隔为 33.5mm，所述第二镜片组与所述第三镜片之间的空气间隔为29.5mm，所述第三镜片与所述第四镜片之间的空气间隔为4.7mm，所述第四镜片与图像传感器之间的空气间隔为9.3mm。

进一步地，所述第一镜片的折射率n1≥1.9，第三镜片的折射率n3 ≥1.95，第四镜片的折射率n4≥1.9。

进一步地，所述主镜筒包括第一压圈、光阑压圈、第一隔圈、第二隔圈和第二压圈。

进一步地，所述第一压圈设置于所述第一镜片的前端，并与所述主镜筒螺接；所述光阑压圈设置于所述第二镜片组中片的前端；所述第一隔圈设置于所述第二镜片组与所述第三镜片之间；所述第二隔圈设置于所述第三镜片后端；所述第二压圈设置于所述第四镜片的前端。

进一步地，所述第一镜片与所述第二镜片组之间的所述主镜筒的内壁设置有消光螺纹。

进一步地，所述第一镜片的前端表面镀由防盐雾膜。

本实用新型至少可实现如下有益效果之一：

(1)本实用新型的微光光学镜头，即第一片镜片采用弯月形透镜，第二镜片采用三胶合透镜，第三镜片采用双凸透镜，第四镜片采用弯月形透镜；以及不同折射率、阿贝数以及空气间隙的镜片的配合设计，使本发明的宽光谱微光成像装置即使使用普通图像传感器，也能实现 400nm～900nm波段范围内均可成像，拓展了人眼可见波段，更容易观察到不易被人眼察觉的细节；且本装置可以在夜间无月星空或其他微光低照度环境下拍摄出清晰可见的图像，满足用户在低照度场景中的拍摄需求。

(2)本实用新型的第二镜片组由阿贝系数相差较大的三种玻璃材料胶合而成，能够实现对宽光谱微光光学镜头色差良好的校正。

(3)本实用新型在主镜筒的第一镜片与第二镜片之间的内壁上加工有消光螺纹。使得主镜筒内壁表面凹凸不平，能够增大对光的散射，可以将进入镜筒内的非成像光线散射掉以无法最终到达图像传感器，保证成像清晰，在太阳直射或者夜间车灯等强光照明情况下不易产生杂散光和鬼像。

(4)本实用新型中第一镜片表面镀有防盐雾膜，使得直接裸露在外的镜头避免空气中的氧气、水分子、盐雾液体等腐蚀成分会对其产生一定腐蚀作用，可以有效防止裸露的第一镜片在盐雾环境下被腐蚀。

(5)本实用新型中第一镜片外边缘与主镜筒接触的地方涂防水胶，可以有效防止水、灰尘、盐雾等的沉积，使得本实用新型宽光谱微光成像装置能够适应恶劣的使用环境。

本实用新型中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本实用新型宽光谱微光成像装置的剖面图；

图2为本实用新型宽光谱微光成像装置的主视图；

图3为本实用新型宽光谱微光成像装置的微光光学镜头示意图；

图4为本实用新型宽光谱微光成像装置的光学系统调制传递函数曲线图。

附图标记：

1：镜头罩；2：主镜筒，21：第一压圈，22：光阑压圈，23：第一隔圈，24：第二隔圈，25：第二压圈；

3：微光光学镜头，31：第一镜片，32：第二镜片，321：第二镜片头片，322：第二镜片中片，323：第二镜片末片，33：第三镜片，34：第四镜片；

4：图像传感器，41：螺钉；

S1：第一镜片31朝向前端的面，S2：第一镜片31朝向后端的面， S3：第二镜片32头片朝向前端的面，S4：第二镜片32头片和第二镜片 32中片胶合面，S5：第三镜片33中片和第二镜片32末片胶合面，S6：第二镜片32末片朝向后端的面，S7：第三镜片33朝向前端的面，S8：第三镜片33朝向后端的面，S9：第四镜片34朝向前端的面，S10：第四镜片34朝向后端的面，S11：图像传感器光线接收面。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，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。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实用新型中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

本实用新型通常的工作面可以为平面或曲面，可以倾斜，也可以水平。为了方便说明，本实用新型实施例放置在水平面上，并在水平面上使用，并以此限定“高低”和“上下”。

本实用新型的一个具体实施例，如图1-图2所示，公开了一种宽光谱微光成像装置，包括镜头罩1、主镜筒2、微光光学镜头3和图像传感器4；所述镜头套1与所述主镜筒2的一端活动连接，所述图像传感器4 与所述主镜筒2的另一端通过螺钉41可拆卸连接，所述微光光学镜头3 设置于所述主镜筒2内。

优选地，为了进一步提高成像效果，图像传感器4为低照度图像传感器。

进一步地，所述图像传感器4置于主镜筒2后端，并通过螺钉41与主镜筒2连接，镜头罩1、微光光学镜头3、图像传感器4和主镜筒2的轴线对齐。

具体地，所述镜头罩1在装置使用时取下，不使用时盖上，对整个装置起到防尘以及保护镜头片的作用。

进一步地，图像传感器4连接显示器，将图像实时显示以供观察；或者连接到计算机或其他存储介质将拍摄的图像保存下来做进一步处理。

进一步地，所述镜头罩1上设置有橡胶圈，当镜头罩1套上主镜筒2 时，橡胶圈可以增加镜头罩1套与主镜筒2之间的摩擦力，防止镜头罩1 从主镜筒2上脱落。

进一步地，所述微光光学镜头3沿光线入射方向自前端向后端(即沿光轴从前端到后端)依次包括第一镜片31、第二镜片组32、第三镜片 33和第四镜片34。

具体地，第一镜片31采用弯月形凸透镜，其中心厚度为6.5mm；第二镜片组32为三胶合透镜；第三镜片33采用双凸透镜，其中心厚度为 6.4mm；第四镜片34采用弯月形凸透镜，其中心厚度为8.0mm。

进一步地，所述第一镜片31的折射率n1≥1.9，第三镜片33的折射率n3≥1.95，第四镜片34的折射率n4≥1.9。使得微光光学镜头3对光线的汇聚效果更好且公差敏感度小，同时通过镜头镜片的光线平缓能够过渡。

进一步地，所述第一镜片31的焦距f1的范围满足95mm≤f1≤ 110mm；第二镜片组32的焦距f2的范围满足-80mm≤f2≤-55mm；第三镜片33的焦距f3范围满足30mm≤f3≤50mm；第四镜片34的焦距f4 的范围满足：-220mm≤f4≤-200mm；这四者组合，使得光线在微光光学镜头3中平缓过度，同时起到校正像差的效果。

进一步地，所述第一镜片31与所述第二镜片组32之间的空气间隔为33.5mm，所述第二镜片组32与所述第三镜片33之间的空气间隔为 29.5mm，所述第三镜片33与所述第四镜片34之间的空气间隔为4.7mm。

进一步地，如图3所示，所述第二镜片组32沿光线入射方向自前端向后端(即图3中从左端到右端)依次包括第二镜片组头片321、第二镜片组中片322和第二镜片组末片323，三者之间由阿贝数相差较大的三种玻璃材料胶合而成，减小了微光光学镜头3的色差。

进一步地，所述第二镜片组头片321的阿贝数a21≥63，第二镜片组中片322的阿贝数a22≤18，所述第二镜片组末片323的阿贝数a23≥44。因此，相对于正光焦度透镜来说，以上阿贝数相差较大的透镜胶合，有效的减小了微光光学镜头3的色差。

进一步地，第二镜片组头片321、第二镜片组中片322和第二镜片组末片323的光焦度依次为：正、负、正或负、正、负。

进一步地，第二镜片组32中第二镜片组头片321的折射率n21≤1.6，第二镜片组中片322的折射率n22≥1.95，所述第二镜片组末片323的折射率n23≤1.8。正光焦度透镜具有较低折射率，负光焦度透镜具有较高折射率(相对于正光焦度透镜来说)，使得前方光线能够快速过渡，同时增大光阑口径，使得光学系统能收集更多光线。

进一步地，第二镜片组头片321的光焦度值P21＝0.0236，第二镜片组中片322的光焦度值P22＝-0.0622，所述第二镜片组末片323的光焦度值P23＝0.0254。

进一步地，所述第一镜片31采用弯月形凸透镜，且凸面朝向物方，使得光学系统能够接收更多光线，凹面朝向像方，增加了微光光学镜头3 对光线汇聚效果，减小了压缩光学系统尺寸。进一步地，来自第一镜片 31的光线经过第二镜片组头片321被进一步压缩，第二镜片组头片321 采用双凸透镜使得射入到第二镜片组头片321的光线入射角不会太大，从而降低胶合镜片的公差敏感度。第二镜片组中片322采用双凹透镜，使得光线平缓的通过第二镜片组中片322并入射到第二镜片组末片323。第二镜片组末片323采用弯月形凸透镜使得光线出射角不会太大，能够降低胶合镜片的公差敏感度。

进一步地，所述第三镜片33采用双凸透镜，有利于将来自第二镜片组的边缘光线高度进一步压缩，有利于减小镜头的外形尺寸。

与现有技术相比，整个微光光学镜头3结构紧凑、体积小重量轻，实现了镜头结构的简化。

进一步地，所述第四镜片34采用弯月形的外形且凹面弯向像面，有利于将来自第三镜片发出的光线进一步汇聚以减小镜头后部的口径，且有利于校正场曲。

进一步地，本实用新型的微光光学镜头3的每个镜片材料的折射率n 如下表1所示。

表1

镜片号	镜片折射率n
		第一镜片31	≥1.9
第二镜片组头片321	≤1.6
		第二镜片组中片322	≥1.95
第二镜片组末片323	≤1.8
		第三镜片33	≥1.95
第四镜片34	≥1.9

进一步地，所述第一镜片31朝向前端的镜面为S1，朝向后端的面为 S2。所述第二镜片组头片321朝向前端的面为S3，第二镜片组头片321 与第二镜片组中片322胶合的面为S4，第二镜片组中片322与第二镜片组末片323胶合的面为S5，第二镜片组末片323朝向后端的面为S6。第三镜片33朝向前端的面为S7，第三镜片33朝向后端的面为S8；第四镜片34朝向前端的面为S9，第四镜片34朝向后端的面为S10；图像传感器4光线接收面为S11。

进一步地，所述主镜筒2内包括第一压圈21、光阑压圈22、第一隔圈23、第二隔圈24和第二压圈25。

具体地，所述第一压圈21与主镜筒2螺旋连接，且其压置于第一镜片31的前端，并与所述第一镜片31朝向前端的镜面S1相接触连接。所述光阑压圈22与所述主镜筒2螺旋连接，且其设置于所述第二镜片组中片322的前端，与第二镜片组头片321的外周不接触。所述第一隔圈23 设置于所述第二镜片组32与所述第三镜片33之间，且其与第二镜片组中片322朝向后端的面S5和第三镜片33朝向前端的面S7相接触。所述第二隔圈24设置于所述第三镜片33后端，与第三镜片33朝向后端的面 S8相接触。所述第二压圈25与所述主镜筒2螺纹连接，且压置于所述第四镜片34的前端，与第四镜片34朝向前端的面S9接触连接。

具体地，在第一镜片31与第二镜片组32之间设置用于限制光束的光阑压圈22，光阑设置在光学系统前部，使的光学系统通光口径越大，有利于微光光学系统实现更小的光圈指数(f/D)，同时可减小镜头前端镜片口径。值得注意的是，此处公开的光阑的位置仅是示例而非限制。

进一步地，所述镜面S1的曲率半径满足54mm≤R1≤60mm；所述镜面S2的曲率半径满足130mm≤R2≤136mm；所述镜面S3的曲率半径满足36mm≤R3≤40mm；所述镜面S4的曲率半径满足-80mm≤R4≤ -75mm；所述镜面S5的曲率半径满足18mm≤R5≤22mm；所述镜面S6的曲率半径满足40mm≤R6≤43mm；所述镜面S7的曲率半径满足52mm ≤R7≤58mm；所述镜面S8的曲率半径满足-112mm≤R8≤-108mm；所述镜面S9的曲率半径满足16mm≤R9≤20mm；所述镜面S10的曲率半径满足10mm≤R10≤13mm。

进一步地，所述第一镜片31朝向前端的镜面S1的曲率半径为 55.5mm，第一镜片31朝向后端的镜面S2的曲率半径为130.2mm。第二镜片组头片321朝向前端的面S3的曲率半径为38.5mm，第二镜片组头片321与第二镜片组中片322胶合的面S4的曲率半径为-77.1mm，第二镜片组中片322与第二镜片组末片323胶合的面S5的曲率半径为 19.5mm，第二镜片组末片323朝向后端的面S6的曲率半径为41.4mm。

进一步地，第三镜片33朝向前端的面S7的曲率半径为56.8mm，第三镜片33朝向后端的面S8的曲率半径为-110.1mm；第四镜片34朝向前端的面S9的曲率半径为18.2mm，第四镜片34朝向后端的面S10的曲率半径为11.5mm；图像传感器4光线接收面S11为平面，其曲率半径为无穷大(Infinity)。

进一步地，所述微光光学镜头3的总焦距f与微光光学镜头通光口径 D比值满足下式：f/D≤1.4，使得光学系统进光量越大，能够吸收更多的光线，满足低照度微光成像的需求。

进一步地，所述第一镜片31和第二镜片32之间的主镜筒22内壁加工有消光螺纹，由于第一镜片31和第二镜片32间隔相对较大，在两者之间的主镜筒2内壁设计加工消光螺纹可以散射掉部分由于光滑的镜筒内壁反射产生的杂散光，可以在太阳直射或者夜间车灯等强光照明情况下不易产生杂散光和鬼像。

进一步地，所述第一镜片31前表面镀有防盐雾膜，可以防止裸露的第一镜片31前表面腐蚀而影响成像，以适应恶劣的使用环境，避免或者减缓镜片腐蚀的发生。

进一步地，所述第一镜片31与主镜筒22接触的外圆还涂有防水胶，密封达到IP67等级，可以在很大程度上在雨雾天气中，避免水雾进入到成像装置中，对装置造成损坏。

进一步地，本实用新型中宽光谱微光成像装置的所能达到性能指标如下：焦距：70mm；相对孔径：1.4；工作波长：400nm～900nm；全视场畸变：≤5％；视场：≥15°。

进一步地，如图3所示，宽光谱微光成像装置的微光光学镜头3图中光学系统光焦度分配合理，光线折转平缓，镜片面型好，易与加工。

优选实施例：根据本实用新型的微光光学镜头3的各个数据的设置，实施了一组最优选组合，具体如下表2所示。表2中，面S序号指的是沿光轴从物面到像面的每个表面依次标号。表1中还包括：每个表面曲率半径R(mm)、每个镜面S与下一面的厚度t(mm)和每个镜面S与下一面的间距d(mm)。

表2

进一步地，如图4所示，为上述优选实施例中宽光谱微光成像装置的微光光学镜头3调制传递函数曲线图，曲线图中每条曲线指的是不同视场(以像高区分，如中心视场就是0mm，还有1mm、2mm、3mm、3.9mm、 5.2mm以及边缘视场6.5mm等)的调制传递函数曲线，每个视场又有子午和弧矢两个方向，在如图4所示中实线为不同视场的子午方向仿真结果，虚线为不同视场的弧矢方向仿真结果。通过该曲线图可知，本实用新型的微光光学镜头3的调制传递函数曲线接近光学系统的衍射极限，曲线整体比较平缓且变化不大，综合像质良好，足以满足图像传感器的系统的分辨率要求。

本实用新型的图像传感器4能以25帧/秒的频率在光照度为1× 10e^-4lx清晰连续成像。

具体地，图像传感器是用来成像的，光线通过微光光学镜头3最终成像在图像传感器4上。一般情况下，镜头可以在光线充足情况下实现清晰成像，但当环境光线变少，照度低的情况下成像质量明显下降。通过本申请的微光光学镜头3在即使在环境很暗的条件下使用普通图像传感器也能成清晰像。若采用的是低照度图像传感器，则可以吸收更多的环境光线，使得微光光学镜头3在逆光模式和夜间模式下可以呈现更好的成像效果。

需要说明的是，本实用新型提供的一种宽光谱微光成像装置中，所涉及的传感器控制方法等均为现有技术常见的方法，仅需要将各个具有相应功能的装置通过本实用新型实施例所给出的或者现有技术的连接关系进行连接，即可得到本实用新型的技术方案，其中并不涉及任何控制方法和软件方面的改进。而至于各个相应功能的装置之间的连接方式，均是本领域技术人员可以采用现有技术实现的，在此不做详细说明。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽光谱微光成像装置，其特征在于，包括镜头罩(1)、主镜筒(2)、微光光学镜头(3)和图像传感器(4)；所述微光光学镜头(3)沿光线入射方向自前端向后端依次包括第一镜片(31)、第二镜片组(32)、第三镜片(33)和第四镜片(34)；所述第一镜片(31)为弯月形凸透镜，所述第二镜片组(32)为三胶合透镜，所述第三镜片(33)为双凸透镜，所述第四镜片(34)为弯月形凸透镜。

2.根据权利要求1所述的一种宽光谱微光成像装置，其特征在于，所述第二镜片组(32)包括第二镜片组头片(321)、第二镜片组中片(322)和第二镜片组末片(323)；所述第二镜片组头片(321)的阿贝数a21≥63，第二镜片组中片(322)的阿贝数a22≤18，所述第二镜片组末片(323)的阿贝数a23≥44。

3.根据权利要求1或2所述的一种宽光谱微光成像装置，其特征在于，所述第一镜片(31)的中心厚度为6.5mm；所述第三镜片(33)的中心厚度为6.4mm；所述第四镜片(34)的中心厚度为8.0mm。

4.根据权利要求1或2所述的一种宽光谱微光成像装置，其特征在于，所述第一镜片(31)的焦距f1的范围满足95mm≤f1≤110mm；第二镜片组(32)的焦距f2的范围满足-80mm≤f2≤-55mm；第三镜片(33)的焦距f3范围满足30mm≤f3≤50mm；第四镜片(34)的焦距f4的范围满足：-220mm≤f4≤-200mm。

5.根据权利要求1所述的一种宽光谱微光成像装置，其特征在于，所述第一镜片(31)与所述第二镜片组(32)之间的空气间隔为33.5mm，所述第二镜片组(32)与所述第三镜片(33)之间的空气间隔为29.5mm，所述第三镜片(33)与所述第四镜片(34)之间的空气间隔为4.7mm，所述第四镜片(34)与图像传感器(4)之间的空气间隔为9.3mm。

6.根据权利要求1所述的一种宽光谱微光成像装置，其特征在于，所述第一镜片(31)的折射率n1≥1.9，第三镜片(33)的折射率n3≥1.95，第四镜片(34)的折射率n4≥1.9。

7.根据权利要求1所述的一种宽光谱微光成像装置，其特征在于，所述主镜筒(2)包括第一压圈(21)、光阑压圈(22)、第一隔圈(23)、第二隔圈(24)和第二压圈(25)。

8.根据权利要求7所述的一种宽光谱微光成像装置，其特征在于，所述第一压圈(21)设置于所述第一镜片(31)的前端，并与所述主镜筒(2)螺接；所述光阑压圈(22)设置于所述第二镜片组中片(322)的前端；所述第一隔圈(23)设置于所述第二镜片组(32)与所述第三镜片(33)之间；所述第二隔圈(24)设置于所述第三镜片(33)后端；所述第二压圈(25)设置于所述第四镜片(34)的前端。

9.根据权利要求1或2所述的一种宽光谱微光成像装置，其特征在于，所述第一镜片(31)与所述第二镜片组(32)之间的所述主镜筒(2)的内壁设置有消光螺纹。

10.根据权利要求1或2所述的一种宽光谱微光成像装置，其特征在于，所述第一镜片(31)的前端表面镀有防盐雾膜。

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