TWM586359U - 大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭 - Google Patents

Abstract

本創作包括沿光軸依序排列的第一透鏡、第二透鏡、光圈、第三透鏡、第四透鏡及第五透鏡，本創作的透鏡以紅外線玻璃材料製成，第一透鏡具有正光學屈光率，以及具有非球面繞射結構且呈凸狀的第一物側表面；光圈設於第二透鏡邊緣，第二透鏡具有負光學屈光率，以及具有非球面繞射結構且呈凹狀的第二像側表面；第三透鏡具有正光學屈光率；第四透鏡具有正光學屈光率，以及具有非球面結構且呈凸狀的第四物側表面；第五透鏡具有負光學屈光率，以及具有非球面繞射結構且呈凹狀的第五像側表面；本創作透過紅外線玻璃材料製成之多個透鏡之光學屈光率的安排，突破一般可見光成像的限制，提供一種能於極低光度、雨天及煙霧瀰漫等惡劣環境下使用之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭。

Description

大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭

本創作係涉及一種鏡頭，尤指一種能於極低光度、雨天及煙霧瀰漫等惡劣環境下使用之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭。

由於科技之進步，工商發達，人類活動之時間已不再侷限在白天，而人眼視網膜受限於先天性的限制，只能感測到可見光波長，因此大部分的光學鏡頭被設計用於白天的環境，對於夜間觀測需使用外部燈光的照明。在極低光度或不能有光的環境下一般的可見光光學鏡頭則無用武之地，因此需藉助紅外線熱成像鏡頭取像。

然而一般可見光光學鏡頭的設計常使用高低折射率及色散率不等的玻璃材料來搭配設計，材料選擇具多樣性；而紅外線熱成像鏡頭的材料選擇稀少，受到非常大的局限性，其消色差設計使用材料搭配變得非常不容易，尤其是在大光圈的條件下更是如此，因此需使用繞射元件的結構來完成。

鏡頭的光圈越大，焦距越大，相對像差也越大，鏡片尺寸也越大，單純使用球面將使鏡頭的結構變的龐大複雜，成本升高，因此適度引進非球面將有助於減少鏡片數目，降低製造成本，減輕鏡頭重量。

綜上所述，如何減輕重量，縮小尺寸，降低成本，將是大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭設計所追求的目標。

為了改良極低光度或不能有光的環境下可見光光學鏡頭無法成像的缺點，本創作提供一種光學成像鏡頭，其多個透鏡之光學屈光率的安排，使用非球面及繞射面，克服材料選擇稀少困難，能縮短鏡頭間距及平衡各種像差，達到大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭之成像品質需求，使消費者能在極低光度、雨天、煙霧瀰漫等惡劣環境下使用。

本創作解決技術問題所提出的大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其包括：
以紅外線玻璃材料製成的一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡、一第五透鏡，以及一光圈；該第二透鏡靠近光圈，該第一透鏡、該第二透鏡、該光圈、該第三透鏡、該第四透鏡及該第五透鏡沿著一光軸而依序地由物側朝向像側排列；
該第一透鏡具有正光學屈光率，凸狀的一第一物側表面及凹狀的一第一像側表面，該第一物側表面具有非球面繞射結構；
該光圈設於第二透鏡邊緣，該第二透鏡具有負光學屈光率，凸狀的一第二物側表面及凹狀的一第二像側表面，該第二像側表面具有非球面繞射結構；
該第三透鏡具有正光學屈光率，凸狀的一第三物側表面及凹狀的一第三像側表面；
該第四透鏡具有正光學屈光率，凸狀的一第四物側表面及凹狀的一第四像側表面，該第四物側表面具有非球面結構；以及
該第五透鏡具有負光學屈光率，凸狀的一第五物側表面及凹狀的一第五像側表面，該第五像側表面具有非球面繞射結構。

本創作的技術手段可獲得的功效增進在於：本創作透過以紅外線玻璃材料製成的多個透鏡之光學屈光率的安排，使用非球面及繞射面，克服材料選擇稀少困難，能縮短鏡頭間距及平衡各種像差，達到大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭之成像品質需求，使消費者能在極低光度、雨天、煙霧瀰漫等惡劣環境下使用。

為能詳細瞭解本創作的技術特徵及實用功效，並可依照創作內容來實現，玆進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：

如圖1及圖2所示，本創作的大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭係包括有一第一透鏡10、一第二透鏡20、一光圈A、一第三透鏡30、一第四透鏡40、一第五透鏡50及一成像面I；其中，該第一至第五透鏡10~50以紅外線玻璃材料製成，該第二透鏡20靠近該光圈A，該第一透鏡10、該第二透鏡20、該光圈A、該第三透鏡30、該第四透鏡40及該第五透鏡50沿著一光軸X而依序地由物側朝向像側排列。

如圖1及圖2所示，該第一透鏡10具有正光學屈光率，凸狀的一第一物側表面11及凹狀的一第一像側表面12，該第一物側表面11具有非球面繞射結構；

如圖1及圖2所示，該光圈A設於第二透鏡20邊緣，該第二透鏡20具有負光學屈光率，凸狀的一第二物側表面21及凹狀的一第二像側表面22，該第二像側表面22具有非球面繞射結構；

如圖1及圖2所示，該第三透鏡30具有正光學屈光率，凸狀的一第三物側表面31及凹狀的一第三像側表面32；

如圖1及圖2所示，該第四透鏡40具有正光學屈光率，凸狀的一第四物側表面41及凹狀的一第四像側表面42，該第四物側表面41具有非球面結構；以及

如圖1及圖2所示，該第五透鏡50具有負光學屈光率，凸狀的一第五物側表面51及凹狀的一第五像側表面52，該第五像側表面52具有非球面繞射結構。

如圖1及圖2所示，本創作之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其中所述之第一透鏡10具有一第一折射率及一第一像側表面半徑值，該第一折射率除以所述之第一像側表面半徑值所得到的比值小於等於0.05。

如圖1及圖2所示，本創作之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其中所述之第一透鏡10具有一第一折射率，該第一折射率小於等於5大於等於2，所述之第二透鏡20至所述之第五透鏡50，分別具有一折射率，各透鏡20~50的折射率小於等於5，且各透鏡20~50的折射率大於等於2。

如圖1及圖2所示，本創作之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其中所述之第一透鏡10具有一色散係數，該第一色散係數小於等於520且大於等於12，所述之第二透鏡20至所述之第五透鏡50，分別具有一色散係數，各透鏡20~50的色散係數大於等於12，且各透鏡20~50的色散係數小於等於520。

此外，本創作之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其具有一整體的有效焦距F，所述之第一透鏡10具有一第一透鏡焦距f1，本創作之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭滿足0.66>|F/f1|>1.2的條件。

如圖1及圖2所示，本創作之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其中所述之第一透鏡10與所述之第二透鏡20具有一綜合焦距f12，所述之第三透鏡30、所述之第四透鏡40與所述之第五透鏡50具有一綜合焦距f345，本創作之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭滿足以下條件：0.49>|F/f12|>0.59；0.55>|F/f345|>1.1。

如圖1及圖2所示，本創作之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其中所述之第一透鏡10具有一像側曲率半鏡R12與所述之第二透鏡20具有一物側曲率半鏡R21，本創作之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭滿足以下條件：0.85>|R12/R21|>1.1。

如圖1及圖2所示，本創作之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其中所述之第二透鏡20與所述之第三透鏡30，於所述之光軸X處相隔一距離T23，所述之第三透鏡30與所述之第四透鏡40，於所述之光軸X處相隔一距離T34，所述之第四透鏡40與所述之第五透鏡50，於所述之光軸處相隔一距離T45，所述之第一物側表面11與該第五像側表面52間相隔一段距離T15，本創作之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭滿足以下條件：0.61>(T23+T34+T45)/T15>0.72。

本創作之非球面計算公式如下：
(1)
其中：
為非球面之弦距；
為非球面曲率；
為非球面任一點與光軸之距離；
為非球面圓錐係數；
為高偶次項r值之相對應係數。

本創作之繞射面計算公式如下：
(2)
為光線對於該鏡面之相位附加量；
為繞射級數；
為多項式之項次數；
為規一化孔徑座標值；
為偶次項 之相對應係數。

該第一透鏡10之第一物側表面11具有非球面繞射結構，其中該第一物側表面11的弦距與光線對於該第一物側表面11之相位附加量之計算公式分別如所述之公式(1)及所述之公式(2)；本創作之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭滿足以下條件：
0>|k|>2，
0>|α ₁+α ₂+α ₃+α ₄+α ₅+α ₆+α ₇+α ₈|>1及
1>|A ₁+A ₂+A ₃+A ₄+A ₅+A ₆+A ₇+A ₈|/10 ⁶>3。

該第二透鏡20之第二像側表面22具有非球面繞射結構，其中該第二像側表面22的弦距與光線對於該第二像側表面22之相位附加量之計算公式分別如所述之公式(1)及所述之公式(2)；本創作之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭滿足以下條件：
0>|k|>2，
0>|α ₁+α ₂+α ₃+α ₄+α ₅+α ₆+α ₇+α ₈|>1及
1>|A ₁+A ₂+A ₃+A ₄+A ₅+A ₆+A ₇+A ₈|/10 ⁷>5。

該第四透鏡40之該第四物側表面41具有非球面結構，其中該第四物側表面41的弦距之計算公式如所述之公式(1)；本創作之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭滿足以下條件：
0>|k|>2及0>|α ₁+α ₂+α ₃+α ₄+α ₅+α ₆+α ₇+α ₈|>1。

該第五透鏡50之該第五像側表面52具有非球面繞射結構，其中該第五像側表面52的弦距與光線對於該第五像側表面52之相位附加量之計算公式分別如所述之公式(1)及所述之公式(2)；本創作之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭滿足以下條件：
0>|k|>2，
0>|α ₁+α ₂+α ₃+α ₄+α ₅+α ₆+α ₇+α ₈|>1及
1>|A ₁+A ₂+A ₃+A ₄+A ₅+A ₆+A ₇+A ₈|/10 ⁹>10。

圖3係為與該光軸X相距不同距離之光線進入本創作之球面色像差曲線圖，如圖3所示，本創作的聚焦範圍落在與焦點相距±0.2mm的範圍內，由此可知本創作具有良好的球面色像差平衡表現；圖4為光線入射角度為5.42度時之子午光線與弧矢光線像散曲線圖，如圖4所示，本創作將像散抑制在0至0.2mm之間，因此能得到較佳的成像品質；圖5為光線入射角度為5.42度時，光線進入本創作之光學畸變圖，如圖5所示，本創作將畸變抑制在±0.5%，因此能有效控制成像變形的情況；圖6A至圖6C為光學調制函數圖，如圖6A至圖6C所示，本創作在空間頻率每毫米30線對時，其各視場角度之對比度均大於0.5以上，顯示本創作具有良好之成像品質。

本創作的技述手段可獲得的功效增進在於：本創作提供一種光學成像鏡頭，其多個以紅外線玻璃材料製成透鏡之光學屈光率的安排，使用非球面及繞射面，克服材料選擇稀少困難，能縮短鏡頭間距及平衡各種像差，達到大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭之成像品質需求，使消費者能在極低光度、雨天、煙霧瀰漫等惡劣環境下使用。

10‧‧‧第一透鏡

11‧‧‧第一物側表面
12‧‧‧第一像側表面
20‧‧‧第二透鏡

21‧‧‧第二物側表面
22‧‧‧第二像側表面
30‧‧‧第三透鏡

31‧‧‧第三物側表面
32‧‧‧第三像側表面
40‧‧‧第四透鏡

41‧‧‧第四物側表面
42‧‧‧第四像側表面
50‧‧‧第五透鏡

51‧‧‧第五物側表面
52‧‧‧第五像側表面
A‧‧‧光圈
I‧‧‧成像面
X‧‧‧光軸

圖1係本創作較佳實施例之側視的鏡片配置示意圖。
圖2係本創作較佳實施例之側視的光路徑示意圖。
圖3係本創作較佳實施例之球面色像差示意圖。
圖4係本創作較佳實施例之像散曲線圖。
圖5係本創作較佳實施例之光學畸變曲線圖。
圖6A至6C係本創作較佳實施例之光學調制函數圖。

Claims (12)

1. 一種大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其包括：
   以紅外線玻璃材料製成的一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡、一第五透鏡，以及一光圈；該第二透鏡靠近光圈，該第一透鏡、該第二透鏡、該光圈、該第三透鏡、該第四透鏡及該第五透鏡沿著一光軸而依序地由物側朝向像側排列；
   該第一透鏡具有正光學屈光率，凸狀的一第一物側表面及凹狀的一第一像側表面，該第一物側表面具有非球面繞射結構；
   該光圈設於該第二透鏡邊緣，該第二透鏡具有負光學屈光率，凸狀的一第二物側表面及凹狀的一第二像側表面，該第二像側表面具有非球面繞射結構；
   該第三透鏡具有正光學屈光率，凸狀的一第三物側表面及凹狀的一第三像側表面；
   該第四透鏡具有正光學屈光率，凸狀的一第四物側表面及凹狀的一第四像側表面，該第四物側表面具有非球面結構；以及
   該第五透鏡具有負光學屈光率，凸狀的一第五物側表面及凹狀的一第五像側表面，該第五像側表面具有非球面繞射結構。
2. 如請求項1所述之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其中所述的第一透鏡具有一第一折射率及一第一像側表面半徑值，該第一折射率除以所述之第一像側表面半徑值所得到的比值小於等於0.05。
3. 如請求項1所述之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其中所述的第一透鏡具有一第一折射率，該第一折射率小於等於5大於等於2，所述之第二透鏡至所述之第五透鏡，分別具有一折射率，各透鏡的折射率小於等於5，且各透鏡的折射率大於等於2。
4. 如請求項1所述之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其中所述的第一透鏡具有一色散係數，該第一色散係數小於等於520且大於等於12，所述之第二透鏡至所述之第五透鏡，分別具有一色散係數，各透鏡的色散係數大於等於12，且各透鏡的色散係數小於等於520。
5. 如請求項1所述之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其具有一整體的有效焦距F，所述之第一透鏡具有一第一透鏡焦距f1，該大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭滿足以下條件：0.66>|F/f1|>1.2。
6. 如請求項1所述之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其中所述的第一透鏡與所述的第二透鏡具有一綜合焦距f12，所述的第三透鏡、所述的第四透鏡與所述的第五透鏡具有一綜合焦距f345，該大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭滿足以下條件：0.49>|F/f12|>0.59；0.55>|F/f345|>1.1。
7. 如請求項1所述之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其中所述的第一透鏡具有一像側曲率半鏡R12與所述之第二透鏡具有一物側曲率半鏡R21，該大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭滿足以下條件：0.85>|R12/R21|>1.1。
8. 如請求項1所述之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其中所述的第二透鏡與所述之第三透鏡，與所述之光軸處相隔一距離T23，所述之第三透鏡與所述之第四透鏡，與所述之光軸處相隔一距離T34，所述之第四透鏡與所述之第5透鏡，與所述之光軸處相隔一距離T45，所述之第一物側表面與第五像側表面間相隔一段距離T15，該大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭滿足以下條件：0.61>(T23+T34+T45)/T15>0.72。
9. 如請求項1所述之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其中所述的第一物側表面的弦距與光線對於該第一物側表面之相位附加量之計算公式分別如公式 (1)及公式 (2)，該大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭滿足以下條件：0>|k|>2，0>|α ₁+α ₂+α ₃+α ₄+α ₅+α ₆+α ₇+α ₈|>1及1>|A ₁+A ₂+A ₃+A ₄+A ₅+A ₆+A ₇+A ₈|/10 ⁶>3。
10. 如請求項1所述之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其中所述的第二像側表面的弦距與光線對於該第二像側表面之相位附加量之計算公式分別如公式 (1)及公式 (2)，該大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭滿足以下條件：0>|k|>2，0>|α ₁+α ₂+α ₃+α ₄+α ₅+α ₆+α ₇+α ₈|>1及1>|A ₁+A ₂+A ₃+A ₄+A ₅+A ₆+A ₇+A ₈|/10 ⁷>5。
11. 如請求項1所述之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其中所述的第四物側表面的弦距之計算公式如公式 (1)，該大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭滿足以下條件：0>|k|>2及0>|α ₁+α ₂+α ₃+α ₄+α ₅+α ₆+α ₇+α ₈|>1。
12. 如請求項1所述之大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭，其中所述的第五像側表面的弦距與光線對於該第五像側表面之相位附加量之計算公式分別如公式 (1)及公式 (2)，該大光圈長波長紅外線熱成像鏡頭滿足以下條件：0>|k|>2，0>|α ₁+α ₂+α ₃+α ₄+α ₅+α ₆+α ₇+α ₈|>1及1>|A ₁+A ₂+A ₃+A ₄+A ₅+A ₆+A ₇+A ₈|/10 ⁹>10。