一种小体积长焦距红外共焦光学镜头的制作方法

1.本发明属于光学镜头技术领域，具体涉及一种小体积长焦距红外共焦光学镜头。


背景技术：

2.目前市场竞争日益激烈，镜头的小型化，多功能，环境适应性强是发展的主要趋势，在安防领域中全天候工作是镜头的基本要求。目前安防系统使用的多数镜头存在如下缺陷：1)焦距短，难以实现远距离监控；2)f数大于2.0，孔径较小，分辨率低，受温度影响大，无法适用于复杂环境；3)存在紫边严重、边缘视场成像差、日夜共焦效果较差的问题，且为提高性能通常采用更多数量的镜片来提高像质，受限于加工工艺的复杂性，难以保证加工精度，从而影响使用性能，且体型更大、成本更高，易受安装空间限制。因此，研发一种昼夜正常工作，小型化且能适应极端环境的镜头十分必要。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对上述问题，提出一种小体积长焦距红外共焦光学镜头，能在可见光及近红外光下清晰成像，在
‑
30℃～70℃温度变化内不离焦，并通过提升边缘画质获得高分辨率，成像质量好，体型小，成本低，适用于复杂环境及远距离监控。
4.为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
5.本发明提出的一种小体积长焦距红外共焦光学镜头，包括沿光线入射方向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和第五透镜l5，其中：
6.第一透镜l1为具有负光焦度的凸凹塑胶非球面透镜；
7.第二透镜l2为具有正光焦度的凹凸塑胶非球面透镜；
8.第三透镜l3为具有正光焦度的双凸玻璃球面透镜；
9.第四透镜l4为具有正光焦度的双凸塑胶非球面透镜；
10.第五透镜l5为具有负光焦度的双凹塑胶非球面透镜；
11.第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3、第四透镜l4和第五透镜l5的焦距依次对应为
‑
11.2
±
5％、205
±
5％、11
±
5％、5
±
5％、
‑
6.5
±
5％，折射率依次对应为1.5
±
5％、1.5
±
5％、1.4
±
5％、1.5
±
5％、1.6
±
5％，第三透镜l3的物侧面曲率半径为42
±
5％，像侧面曲率半径为
‑
5.3
±
5％，
“‑”
表示方向为负方向，且小体积长焦距红外共焦光学镜头满足5.8mm≤f≤6.2mm，f为镜头焦距。
12.优选地，小体积长焦距红外共焦光学镜头还满足如下条件：
[0013][0014]
其中，f1为第一透镜l1的焦距，f2为第二透镜l2的焦距，f4为第四透镜l4的焦距，f5为第五透镜l5的焦距。
[0015]
优选地，第一透镜l1、第二透镜l2、第四透镜l4和第五透镜l5满足非球面方程：
[0016][0017]
其中，z为矢高，c为曲率，h为径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，α4、α6、α8、α
10
、α
12
、α
14
、α
16
为非球面高阶系数。
[0018]
优选地，第一透镜l1、第二透镜l2、第四透镜l4和第五透镜l5上沿光线入射方向依次分布的各镜面，对应的k值依次为
‑
0.5、
‑
0.9、28.8、
‑
3.615、
‑
12、
‑
1、
‑
1.5、
‑
0.3，对应的α4值依次为
‑
4.6e
‑
03、
‑
5.8e
‑
03、
‑
2e
‑
03、
‑
3e
‑
03、9.9e
‑
03、2.7e
‑
03、0.018、0.015，对应的α6值依次为
‑
2.8e
‑
4、
‑
3.8e
‑
04、
‑
8.6e
‑
06、1.2e
‑
04、
‑
1.9e
‑
03、2.9e
‑
04、
‑
1.9e
‑
3、
‑
1.0e
‑
03，对应的α8值依次为9.5e
‑
06、
‑
1.6e
‑
04、5.5e
‑
05、5.7e
‑
06、2.9e
‑
4、
‑
1.6e
‑
04、8.3e
‑
05、6.8e
‑
05，对应的α
10
值依次为6.1e
‑
07、4.4e
‑
05、1.2e
‑
06、2.3e
‑
07、
‑
3.4e
‑
05、1.8e
‑
05、3.9e
‑
06、
‑
2.4e
‑
06，对应的α
12
值依次为
‑
1.3e
‑
09、1.8e
‑
07、2.0e
‑
07、
‑
1.5e
‑
07、2.5e
‑
06、
‑
9.2e
‑
07、
‑
1e
‑
06、
‑
5.8e
‑
7，对应的α
14
值依次为1.4e
‑
10、
‑
5.1e
‑
07、1.4e
‑
07、3.6e
‑
08、
‑
1e
‑
07、2.7e
‑
08、9.5e
‑
08、7.6e
‑
08，对应的α
16
值依次为
‑
1.8e
‑
10、1.9e
‑
08、1.0e
‑
07、
‑
1.5e
‑
09、1.7e
‑
09、
‑
8.6e
‑
10、
‑
3.5e
‑
09、
‑
2..3e
‑
09。
[0019]
优选地，小体积长焦距红外共焦光学镜头满足：
[0020]
ttl≤20.5mm
[0021]
其中，ttl为光学总长。
[0022]
优选地，第五透镜l5的像侧设有滤光片ir。
[0023]
优选地，小体积长焦距红外共焦光学镜头还包括光阑stop，光阑stop位于第一透镜l1和第二透镜l2之间。
[0024]
优选地，小体积长焦距红外共焦光学镜头的工作波段为可见光或850
±
20nm近红外光。
[0025]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0026]
(1)该镜头能在可见光及近红外光下清晰成像，如在近红外光850
±
20nm或可见光环境下焦点偏移量均小于6μm，并且通过合理分配塑胶非球面透镜提升边缘画质，避免出现紫边，分辨率高、成像质量好，满足2μm*2μm的像素成像清晰要求，保证成像分辨率达到200lp/mm，f数1.6，焦距5.8mm～6.2mm，适用于远距离监控及批量化生产；
[0027]
(2)采用1g4p架构，结构简单、成本低，并通过合理分配光焦度使镜头结构紧凑，大幅降低敏感性，在
‑
30℃～70℃范围内不离焦，适用于复杂环境。
附图说明
[0028]
图1为本发明的光学结构示意图；
[0029]
图2为本发明实施例一在常温20℃环境下的mtf图；
[0030]
图3为本发明实施例一在低温
‑
30℃环境下的离焦曲线图；
[0031]
图4为本发明实施例一在高温70℃环境下的离焦曲线图；
[0032]
图5为本发明实施例一在可见光环境下的离焦曲线图；
[0033]
图6为本发明实施例一在850nm近红外光环境下的离焦曲线图；
[0034]
图7为本发明实施例二在常温20℃环境下的mtf图；
[0035]
图8为本发明实施例二在低温
‑
30℃环境下的离焦曲线图；
[0036]
图9为本发明实施例二在高温70℃环境下的离焦曲线图；
[0037]
图10为本发明实施例二在可见光环境下的离焦曲线图；
[0038]
图11为本发明实施例二在850nm近红外光环境下的离焦曲线图。
具体实施方式
[0039]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
[0040]
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技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术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，不是在于限制本技术。
[0041]
本技术说明书中所用符号定义如下：r为曲率半径，单位mm，d为厚度，单位mm，d为有效口径，单位mm，nd为折射率，vd为阿贝数；r11为第一透镜l1的物侧面，r12为第一透镜l1的像侧面，r21为第二透镜l2的物侧面，r22为第二透镜l2的像侧面，r31为第三透镜l3的物侧面，r32为第三透镜l3的像侧面，r41为第四透镜l4的物侧面，r42为第四透镜l4的像侧面，r51为第五透镜l5的物侧面，r52为第五透镜l5的像侧面；stop为光阑；ir为滤光片；image为像面，
“‑”
表示方向为负方向。
[0042]
如图1所示，一种小体积长焦距红外共焦光学镜头，包括沿光线入射方向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和第五透镜l5，其中：
[0043]
第一透镜l1为具有负光焦度的凸凹塑胶非球面透镜；
[0044]
第二透镜l2为具有正光焦度的凹凸塑胶非球面透镜；
[0045]
第三透镜l3为具有正光焦度的双凸玻璃球面透镜；
[0046]
第四透镜l4为具有正光焦度的双凸塑胶非球面透镜；
[0047]
第五透镜l5为具有负光焦度的双凹塑胶非球面透镜；
[0048]
第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3、第四透镜l4和第五透镜l5的焦距依次对应为
‑
11.2
±
5％、205
±
5％、11
±
5％、5
±
5％、
‑
6.5
±
5％，折射率依次对应为1.5
±
5％、1.5
±
5％、1.4
±
5％、1.5
±
5％、1.6
±
5％，第三透镜l3的物侧面曲率半径为42
±
5％，像侧面曲率半径为
‑
5.3
±
5％，
“‑”
表示方向为负方向，且小体积长焦距红外共焦光学镜头满足5.8mm≤f≤6.2mm，f为镜头焦距。
[0049]
其中，光线入射时经过第一透镜l1的物侧面r11进入像侧面r12后沿第二透镜l2的物侧面r21进入像侧面r22，第二透镜l2平衡掉第一透镜l1产生的球差之后光线通过第三透镜l3的物侧面r31进入像侧面r32，第三透镜l3为该镜头唯一一片玻璃球面透镜，可平衡色差并对系统进行热补偿来达到控制温漂的目的，之后光线经过第四透镜l4的物侧面r41进入像侧面r42，通过该正透镜可以很好地校正第一透镜l1、第二透镜l2和第三透镜l3产生的轴外像差，最后光线经第五透镜l5的物侧面r51进入像侧面r52，校正整个系统的畸变提升边缘画质，避免出现紫边，同时使像差得到优化平衡，成像更加清晰且成像质量更好，满足2μm*2μm的像素成像清晰要求，保证成像分辨率达到200lp/mm。且不同温度下正负透镜的焦
点漂移量不同，通过合理分配正负光焦度将温度漂移补偿实现无热化设计，镜头结构紧凑，并大幅降低公差敏感度，在
‑
30℃～70℃温度变化内不离焦，使镜头工作性能更加稳定。该镜头能在可见光及近红外光下清晰成像，如在近红外光850
±
20nm或可见光环境下焦点偏移量均小于6μm，f数1.6，焦距5.8mm～6.2mm，采用1g4p架构，结构简单、成本低，适用于复杂环境、远距离监控及批量化生产。
[0050]
在一实施例中，小体积长焦距红外共焦光学镜头还满足如下条件：
[0051][0052]
其中，f1为第一透镜l1的焦距，f2为第二透镜l2的焦距，f4为第四透镜l4的焦距，f5为第五透镜l5的焦距。
[0053]
其中，第一透镜l1、第二透镜l2、第四透镜l4和第五透镜l5的光焦度之和在满足上述条件时有利于保证温度在
‑
30℃～ 70℃时不虚焦，可获得更稳定的成像效果，保证成像质量。
[0054]
在一实施例中，第一透镜l1、第二透镜l2、第四透镜l4和第五透镜l5满足非球面方程：
[0055][0056]
其中，z为矢高，c为曲率，h为径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，α4、α6、α8、α
10
、α
12
、α
14
、α
16
为非球面高阶系数。
[0057]
在一实施例中，小体积长焦距红外共焦光学镜头满足：
[0058]
ttl≤20.5mm
[0059]
其中，ttl为光学总长。
[0060]
在一实施例中，第五透镜l5的像侧设有滤光片ir。
[0061]
其中，滤光片ir位于第五透镜l5和像面image之间，当白天时参与光路成像，将近红外光滤除，用于减少光电噪点，夜间时使近红外光参与成像，增强感光亮度，提高成像质量，实现日夜共焦。
[0062]
在一实施例中，小体积长焦距红外共焦光学镜头还包括光阑stop，光阑stop位于第一透镜l1和第二透镜l2之间。
[0063]
其中，光线入射时经过第一透镜l1的物侧面r11进入像侧面r12将光线汇聚经光阑stop限制通光孔径后沿第二透镜l2的物侧面r21进入像侧面r22，用以根据实际情况调节光通量，满足不同需求。
[0064]
在一实施例中，小体积长焦距红外共焦光学镜头的工作波段为可见光或850
±
20nm近红外光。
[0065]
实施例1：
[0066]
本实施例中镜头参数如表1所示：
[0067]
表1
[0068][0069][0070]
第一透镜l1、第二透镜l2、第四透镜l4和第五透镜l5为非球面透镜，各非球面镜面参数满足表2：
[0071]
表2
[0072]
面序号kα4α6α8α
10
α
12
α
14
α
16
r11
‑
0.5
‑
4.6e
‑
03
‑
2.8e
‑
49.5e
‑
066.1e
‑
07
‑
1.3e
‑
091.4e
‑
10
‑
1.8e
‑
10r12
‑
0.9
‑
5.8e
‑
03
‑
3.8e
‑
04
‑
1.6e
‑
044.4e
‑
051.8e
‑
07
‑
5.1e
‑
071.9e
‑
08r2128.8
‑
2e
‑
03
‑
8.6e
‑
065.5e
‑
051.2e
‑
062.0e
‑
071.4e
‑
071.0e
‑
07r22
‑
3.615
‑
3e
‑
031.2e
‑
045.7e
‑
062.3e
‑
07
‑
1.5e
‑
073.6e
‑
08
‑
1.5e
‑
09r41
‑
129.9e
‑
03
‑
1.9e
‑
032.9e
‑4‑
3.4e
‑
052.5e
‑
06
‑
1e
‑
071.7e
‑
09r42
‑
12.7e
‑
032.9e
‑
04
‑
1.6e
‑
041.8e
‑
05
‑
9.2e
‑
072.7e
‑
08
‑
8.6e
‑
10r51
‑
1.50.018
‑
1.9e
‑
38.3e
‑
053.9e
‑
06
‑
1e
‑
069.5e
‑
08
‑
3.5e
‑
09r52
‑
0.30.015
‑
1.0e
‑
036.8e
‑
05
‑
2.4e
‑
06
‑
5.8e
‑
77.6e
‑
08
‑
2.3e
‑
09
[0073]
根据上述数据，由图2所示，该镜头在200lp/mm的极限分辨率下，满足2um*2um像素成像清晰的要求。由图2、3和4所示该镜头在常温20℃、低温
‑
30℃、高温70℃极限条件下mtf离焦3μm，对像质基本无影响，温度适应性强，在不同温度下均可正常工作，性能稳定。由图5、图6所示，在可见光或850nm近红外光环境下，跑焦量小于6μm，成像质量优良。该镜头在可视与夜间或光线较暗地域均可成像清晰，镜头光学总长ttl＝20.5mm，结构紧凑，具有更大的口径，f数1.6，更长的焦距，焦距可达6mm。
[0074]
实施例2：
[0075]
[0076][0077]
第一透镜l1、第二透镜l2、第四透镜l4和第五透镜l5为非球面透镜，各非球面镜面参数满足表2：
[0078]
表2
[0079]
面序号kα4α6α8α
10
α
12
α
14
α
16
r11
‑
0.5
‑
4.6e
‑
03
‑
2.8e
‑
49.5e
‑
066e
‑
07
‑
1.3e
‑
091.4e
‑
10
‑
1.8e
‑
10r12
‑
0.9
‑
5.8e
‑
03
‑
3.8e
‑
04
‑
1.6e
‑
044.4e
‑
051.8e
‑
07
‑
5.1e
‑
071.9e
‑
08r2128.8
‑
2e
‑
03
‑
8.4e
‑
065.5e
‑
051.2e
‑
062.0e
‑
071.4e
‑
071.0e
‑
07r22
‑
3.615
‑
3e
‑
031.1e
‑
045.7e
‑
062.3e
‑
07
‑
1.5e
‑
073.6e
‑
08
‑
1.5e
‑
09r41
‑
129.9e
‑
03
‑
1.9e
‑
032.9e
‑4‑
3.4e
‑
052.5e
‑
06
‑
1e
‑
071.71e
‑
09r42
‑
12.7e
‑
032.9e
‑
04
‑
1.6e
‑
041.8e
‑
05
‑
9.2e
‑
072.7e
‑
08
‑
8.59e
‑
10r51
‑
1.50.018
‑
1.9e
‑
38.2e
‑
053.9e
‑
06
‑
1e
‑
069.5e
‑
08
‑
3.48e
‑
09r52
‑
0.30.015
‑
1.0e
‑
036.9e
‑
05
‑
2.4e
‑
06
‑
5.8e
‑
77.6e
‑
08
‑
2e
‑
09
[0080]
根据上述数据，由图7所示，该镜头在200lp/mm的极限分辨率下，满足2um*2um像素成像清晰的要求。由图7、8和9所示该镜头在常温20℃、低温
‑
30℃、高温70℃极限条件下mtf离焦3μm，对像质基本无影响，温度适应性强，在不同温度下均可正常工作，性能稳定。由图10、图11所示，在可见光或850nm近红外光环境下，跑焦量小于6μm，成像质量优良。该镜头在可视与夜间或光线较暗地域均可成像清晰，镜头光学总长ttl＝20.48mm，结构紧凑，具有更大的口径，f数1.6，更长的焦距，焦距可达6mm。
[0081]
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。
[0082]
以上所述实施例仅表达了本技术描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。