红外成像镜头及成像设备

技术领域

本发明涉及成像镜头技术领域，特别是涉及一种红外成像镜头及成像设备。

背景技术

驾驶员监测系统（Driver Monitor System，缩写DMS）能有效地规范驾驶员的驾驶行为、减少人为失误导致的事故，为驾乘安全保驾护航。近年来，随着汽车驾驶安全意识的加强，以及国内外关于DMS相关法令的不断完善，在汽车中配备DMS摄像头的数目急速增长。与此同时，在手机中广泛应用的ToF（Time-of-Flight，飞行时间技术）镜头是利用红外光测量距离深度数据进行成像，在深度测量、人脸识别、运动捕捉等方面具有独特的优势，是一种准确又安全的识别模式，十分适合应用于DMS中。

随着ToF技术与DMS技术的深度融合，利用红外成像的ToF镜头开始在智能驾驶系统中崭露头角。由于汽车的应用环境复杂多变且安全性能要求较高，对搭载在DMS中的镜头提出了更高的要求，不仅需要具有较强的环境适应性，以保证镜头在高低温环境下也能保持较好的解像力，还需要具有较大的光圈以及超广的视角，以更好更全面的捕捉驾驶员的面部信息以及驾驶行为。然而市面上的红外成像镜头，大多存在温漂大、通光孔径小、视场角小等缺点，难以满足DMS的使用需求。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种红外成像镜头及成像设备，至少具有通光孔径大、视场角大、在-40℃~+105℃温度中光学性能稳定的优点。

本发明实施例通过以下技术方案实施上述的目的。

第一方面，本发明提供了一种红外成像镜头，沿光轴从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一群组、光阑、具有正光焦度的第二群组；所述第一群组从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面在近轴处为凹面，所述第一透镜的像侧面为凹面；具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凸面，所述第二透镜的像侧面为凹面；所述第二群组从物侧到成像面依次包括：具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面和像侧面均为凸面；具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面和像侧面均为凸面；具有正光焦度的第五透镜，所述第五透镜的物侧面为凸面；其中，所述第一透镜为玻璃非球面镜片，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜均为玻璃球面镜片。

第二方面，本发明提供一种成像设备，包括成像元件及第一方面提供的红外成像镜头，成像元件用于将红外成像镜头形成的光学图像转换为电信号。

相较现有技术，本发明提供的红外成像镜头及成像设备，采用五片全玻璃透镜结构，并采用红外光谱优化设计，通过一片负光焦度透镜与四片正光焦度透镜的合理搭配，使镜头在900nm~980nm的红外波段内清晰成像，同时具有超过140°的大视场角，能够收集较大范围内的红外光线；由于采用全玻璃镜片，使镜头具有良好的热稳定性能，能够有效补偿温度变化引起的焦点偏移；由于非球面镜片加工技术精度的提升，使得负光焦度集中在第一透镜上不会造成过大的敏感度，通过合理设置第一透镜的光焦度及面型，使得镜头具有不大于1.5的超大光圈，从而在明暗环境下都具有高清的成像性能；由于光阑前后透镜组的光焦度及各镜片面型位置设置合理，使镜头的像差矫正良好，从而具有高清的解像力。

附图说明

图1为本发明第一实施例的红外成像镜头的结构示意图；

图2为本发明第一实施例的红外成像镜头的场曲曲线图；

图3为本发明第一实施例的红外成像镜头的相对照度曲线图；

图4为本发明第一实施例的红外成像镜头在900nm~980nm波段的MTF曲线图；

图5为本发明第二实施例的红外成像镜头的结构示意图；

图6为本发明第二实施例的红外成像镜头的场曲曲线图；

图7为本发明第二实施例的红外成像镜头的相对照度曲线图；

图8为本发明第二实施例的红外成像镜头在900nm~980nm波段的MTF曲线图；

图9为本发明第三实施例的红外成像镜头的结构示意图；

图10为本发明第三实施例的红外成像镜头的场曲曲线图；

图11为本发明第三实施例的红外成像镜头的相对照度曲线图；

图12为本发明第三实施例的红外成像镜头在900nm~980nm波段的MTF曲线图；

图13为本发明第四实施例的红外成像镜头的结构示意图；

图14为本发明第四实施例的红外成像镜头的场曲曲线图；

图15为本发明第四实施例的红外成像镜头的相对照度曲线图；

图16为本发明第四实施例的红外成像镜头在900nm~980nm波段的MTF曲线图；

图17为本发明第五实施例的成像设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明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，不是旨在于限制本发明。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。

本发明提出一种红外成像镜头，沿光轴从物侧到成像面依次包括具有负光焦度的第一群组、光阑、具有正光焦度的第二群组以及滤光片。

所述第一群组从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面在近轴处为凹面，所述第一透镜的像侧面为凹面；具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凸面，所述第二透镜的像侧面为凹面；

光阑，所述光阑设于第一群组与第二群组之间；

所述第二群组从物侧到成像面依次包括：具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面和像侧面均为凸面；具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面和像侧面均为凸面；具有正光焦度的第五透镜，所述第五透镜的物侧面为凸面，所述第五透镜的像侧面为凸面或凹面；

滤光片，所述滤光片设于第二群组与成像面之间。

其中，所述第一透镜为玻璃非球面镜片，所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜均为玻璃球面镜片。

进一步地，所述红外成像镜头满足条件式：

2.6

1.4 mm/rad

其中，f表示所述红外成像镜头的有效焦距，θ表示所述红外成像镜头的最大半视场角，IH表示所述红外成像镜头的最大真实半像高。条件式（1）和（2）分别为所述红外成像镜头的光学畸变和f-θ畸变，满足上述条件式可以有效改善镜头的畸变。

在一些实施方式中，所述红外成像镜头满足条件式：

0.16

其中，TTL表示所述红外成像镜头的光学总长，BFL表示所述红外成像镜头的光学后焦。满足上述条件式（3），可以使镜头具有较大的光学后焦，降低镜头与成像芯片间的组装难度；同时使该镜头具有较小的光学总长，实现产品的小型化。

在一些实施方式中，所述红外成像镜头满足条件式：

0.05

其中，ENPD表示红外成像镜头的入瞳直径，TTL表示所述红外成像镜头的光学总长。满足上述条件式（4），能够使镜头的入瞳位置更靠近镜头的物侧端，有利于提高镜头的相对照度。

在一些实施方式中，所述红外成像镜头满足条件式：

-1.55＜φ

其中，φ

在一些实施方式中，所述红外成像镜头满足条件式：

-1.3

-40 mm

-12

其中，f1表示第一透镜的有效焦距，f表示所述红外成像镜头的有效焦距，R1表示第一透镜的物侧面的曲率半径，R2表示第一透镜的像侧面的曲率半径。满足上述条件式（6）至（8），通过控制第一透镜的焦距及面型结构，可以增大光线通过第一透镜后的发散角，扩大光束的口径，使得镜头具有不大于1.5的大孔径效果；若R1×R2的值超过上限，则光线发散角过小，无法实现大孔径效果；若R1×R2的值超过下限，则光线发散角过大，不利于减小镜头口径，增大镜头组装难度。

在一些实施方式中，所述红外成像镜头满足条件式：

0<φ2/φ<0.20；（9）

0.3＜φ3/φ＜0.55；（10）

0.24＜φ4/φ＜0.35；（11）

0.15＜φ5/φ＜0.20；（12）

其中，φ2表示第二透镜的光焦度，φ3表示第三透镜的光焦度，φ4表示第四透镜的光焦度，φ5表示第五透镜的光焦度，φ表示所述红外成像镜头的光焦度。满足上述条件式（9），可以有效减小经过第一透镜光线的出射角度，使得通过第二透镜后的出射光线与光轴夹角减小，出射光线平缓向后续透镜过渡，以便于后续光学系统矫正光学像差。满足上述条件式（10）和（11），可以使第三透镜和第四透镜合理分担镜头的正光焦度，减小单个镜片敏感度，提高组装良率。满足上述条件式（12）时，可有效矫正镜头的像散，提升镜头的解析力。条件式（6）、（9）至（12）表明所述红外成像镜头通过第一负光焦度透镜以及后四片正光焦度透镜的合理搭配，不仅可以增大镜头的相对照度，还可以使光线平稳过渡至像面，减少像差，提高成像质量。

在一些实施方式中，所述红外成像镜头满足条件式：

0.2

0.2< (T3+T4+T5)/TTL<0.4；（14）

0.45

其中，TTL表示所述红外成像镜头的光学总长，T2、T3、T4和T5分别表示第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的中心厚度，T12表示第一透镜与第二透镜在光轴上的空气间隔，T45表示第四透镜与第五透镜在光轴上的空气间隔。满足上述条件式（13）至（15），能够合理设置各透镜的厚度及各透镜间的空气间隔，减小各透镜间空气间隔的敏感度，提高组装良率。

在一些实施方式中，所述红外成像镜头的适用光谱范围为900nm~980nm，能够满足ToF镜头的成像特性，实现在特定的红外波段的动态识别及画面捕捉。

在一些实施方式中，所述红外成像镜头满足条件式：

5×10

其中，(dn/dt)3表示所述第三透镜的材料折射率温度系数，(dn/dt)4表示所述第四透镜的材料折射率温度系数。满足上述条件式（16），通过合理分配各个透镜的热膨胀系数，可以保证所述镜头在-40℃~+125℃环境中焦点偏移小，具有稳定的成像性能。

下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在各个实施例中，红外成像镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径、材料选择部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。下述实施例仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不仅仅受下述实施例的限制，其他的任何未背离本发明创新点所作的改变、替代、组合或简化，都应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

本发明中各个实施例中红外成像镜头的非球面的表面形状均满足下列方程：

其中，z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c表示曲面顶点的曲率，K表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，B、C、D、E和F分别表示四阶、六阶、八阶、十阶和十二阶曲面系数。

第一实施例

请参阅图1，所示为本发明第一实施例中提供的红外成像镜头100的结构示意图，该红外成像镜头100沿光轴从物侧到成像面依次包括具有负光焦度的第一群组I、光阑ST、具有正光焦度的第二群组II以及滤光片G1。

第一群组I从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜L1，第一透镜的物侧面S1在近轴处为凹面，第一透镜的像侧面S2为凹面；具有正光焦度的第二透镜L2，第二透镜的物侧面S3为凸面，第二透镜的像侧面S4为凹面；

光阑ST设于第二透镜L2与第三透镜L3之间；

第二群组II从物侧到成像面依次包括：具有正光焦度的第三透镜L3，第三透镜的物侧面S5和像侧面S6均为凸面；具有正光焦度的第四透镜L4，第四透镜的物侧面S7和像侧面S8均为凸面；具有正光焦度的第五透镜L5，第五透镜的物侧面S9和像侧面S10均为凸面。

其中，第一透镜L1为玻璃非球面镜片，第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5均为玻璃球面镜片。

具体地，本实施例中红外成像镜头100中各个镜片的相关参数如表1所示。

表1

本实施例中红外成像镜头100的非球面参数如表2所示。

表2

在本实施例中，红外成像镜头100的场曲曲线、相对照度曲线及在工作波段内的MTF曲线图分别如图2、图3和图4所示。

由图2可以看出，所述红外成像镜头100在工作波段内的场曲在±0.05mm以内，且同一波长的子午方向和弧矢方向的场曲差值均不超过0.05mm，说明该镜头的场曲得到了良好的矫正。

由图3可以看出，所述红外成像镜头100的相对照度在80%以上，说明该镜头的中心照度与边缘照度相近，表明镜头在整个视场内都具有较高的分辨率。

由图4可以看出，所述红外成像镜头100在900nn~980nm的工作波段内，中心视场的MTF在50lp/mm时达到88%，边缘视场MTF在50lp/mm达到63%。说明该镜头在工作波段内具有高清的解像力。

第二实施例

请参阅图5，所示为本发明第二实施例中提供的红外成像镜头200的结构图，本实施例中红外成像镜头200的结构与第一实施例中的红外成像镜头100大抵相同，不同之处在于，本实施例中的光学成像镜头的各透镜的曲率半径、厚度、材料选择不同，具体各个透镜的相关参数如表3所示。

表3

本实施例中红外成像镜头200的非球面参数如表4所示。

表4

在本实施例中，红外成像镜头200的场曲曲线、相对照度曲线及在工作波段内的MTF曲线图分别如图6、图7和图8所示。

由图6可以看出，所述红外成像镜头200在工作波段内的场曲在±0.05mm以内，且同一波长的子午方向和弧矢方向的场曲差值均不超过0.05mm，说明该镜头的场曲得到了良好的矫正。

由图7可以看出，所述红外成像镜头200的相对照度在80%以上，说明该镜头的中心照度与边缘照度相近，表明镜头在整个视场内都具有较高的分辨率。

由图8可以看出，所述红外成像镜头200在900nn~980nm的工作波段内，中心视场的MTF在50lp/mm时达到90%，边缘视场MTF在50lp/mm达到63%。说明该镜头在工作波段内具有高清的解像力。

第三实施例

请参阅图9，所示为本发明第三实施例中提供的红外成像镜头300的结构图，本实施例中红外成像镜头300的结构与第一实施例中的红外成像镜头100大抵相同，不同之处在于，本实施例中红外成像镜头300的第五透镜的像侧面S10为凹面，以及各透镜的曲率半径、厚度，材料选择也不同，具体各个透镜的相关参数如表5所示。

表5

本实施例中红外成像镜头300的非球面参数如表6所示。

表6

在本实施例中，红外成像镜头300的场曲曲线、相对照度曲线及在工作波段内的MTF曲线图分别如图10、图11和图12所示。

由图10可以看出，所述红外成像镜头300在工作波段内的场曲在±0.05mm以内，且同一波长的子午方向和弧矢方向的场曲差值均不超过0.05mm，说明该镜头的场曲得到了良好的矫正。

由图11可以看出，所述红外成像镜头300的相对照度变在85%以上，说明该镜头的中心照度与边缘照度相近，表明镜头在整个视场内都具有较高的分辨率。

由图12可以看出，所述红外成像镜头300在900nn~980nm的工作波段内，中心视场的MTF在50lp/mm时达到80%，边缘视场MTF在50lp/mm达到58%。说明该镜头在工作波段内具有高清的解像力。

第四实施例

请参阅图13，所示为本发明第四实施例中提供的红外成像镜头400的结构图，本实施例中红外成像镜头400与第一实施例中的红外成像镜头100大抵相同，不同之处在于，本实施例中红外成像镜头400的第五透镜的像侧面S10为凹面，以及各透镜的曲率半径、厚度，材料选择也不同，具体各个透镜的相关参数如表7所示。

表7

本实施例中红外成像镜头400的非球面参数如表8所示。

表8

在本实施例中，红外成像镜头400的场曲曲线、相对照度曲线及在工作波段内的MTF曲线图分别如图14、图15和图16所示。

由图14可以看出，所述红外成像镜头400在工作波段内的场曲在±0.05mm以内，且同一波长的子午方向和弧矢方向的场曲差值均不超过0.05mm，说明该镜头的场曲得到了良好的矫正。

由图15可以看出，所述红外成像镜头400的相对照度变在85%以上，说明该镜头的中心照度与边缘照度相近，表明镜头在整个视场内都具有较高的分辨率。

由图16可以看出，所述红外成像镜头400在900nn~980nm的工作波段内，中心视场的MTF在50lp/mm时达到78%，边缘视场MTF在50lp/mm达到60%。说明该镜头在工作波段内具有高清的解像力。

表9是上述四个实施例及其对应的光学特性，包括系统的有限焦距f、光圈数F#、视场角2θ、光学总长TTL，以及与前面每个条件式对应的数值。

表9

综上，本发明提供的红外成像镜头，均达到了以下的光学指标：(1)视场角2θ≥140°；（2）光学总长TTL<14mm； (3)光圈数F#<1.5；

综合上述实施例，本发明所提供的红外成像镜头具有以下的优点：

（1）本发明提供的红外成像镜头采用五片玻璃透镜设计，可以有效减小温漂，使镜头在-40℃~+105℃的环境下都具有优良的光学性能。

（2）本发明提供的红外成像镜头通过合理分配光阑前、后透镜组的光焦度占比，使系统的场曲得到良好的矫正，具有清晰的解像力；光阑之前的透镜组主要负责对光线的收集，将大角度的光线转为平缓的光线入射至光学系统，便于对场曲的校正；当光阑前、后透镜组的光焦度比例在特定范围时，可有效矫正镜头的场曲，提高解像力。

（3）本发明提供的红外成像镜头通过合理控制第一透镜的光焦度及面型，使镜头具有较大的通光孔径，在明暗环境下都具备出色的光学性能；同时由于第一透镜采用非球面设计，大大减少了镜片的使用数目，实现了镜头的小型化。

第五实施例

请参阅图17，所示为本发明第五实施例提供的成像设备500，该成像设备500可以包括成像元件510和上述任一实施例中的红外成像镜头（例如红外成像镜头100）。成像元件510可以是CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补性金属氧化物半导体）图像传感器，还可以是CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）图像传感器。

该成像设备500可以是车载摄像头、监控设备以及其它任意一种形态的装载了上述红外成像镜头的电子设备。

本申请实施例提供的成像设备500包括红外成像镜头100，由于红外成像镜头100具有通光孔径大、视场角大、在-40℃~+105℃温度中光学性能稳定的优点，具有该红外成像镜头100的成像设备500也具有通光孔径大、视场角大、在-40℃~+105℃温度中光学性能稳定的优点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。