全文摘要
本实用新型公开了一种摄像镜头及驾驶员监控系统，所述摄像镜头利用一片红外滤光片和三片透镜的结构满足了驾驶员监控系统的成像要求，降低了摄像镜头的物料成本和装配成本。此外，发明人通过仿真分析和实际样品研制发现，本实用新型提供的摄像镜头在满足驾驶员监控系统的成像要求的基础上，可以降低第一透镜、第二透镜和第三透镜的加工精度要求，从而降低所述摄像镜头的制备难度，进一步降低了所述摄像镜头的成本。
主设计要求
1.一种摄像镜头，其特征在于，包括：沿第一方向依次排列的红外滤光片、第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，所述第一方向为所述摄像镜头的光线入射方向；所述第一透镜包括沿所述第一方向依次排列的第一弧面和第二弧面，所述第一弧面和所述第二弧面均凸向所述红外滤光片；所述第二透镜包括沿所述第一方向依次排列的第三弧面和第四弧面，所述第三弧面凸向所述红外滤光片，所述第四弧面凸向所述第三透镜；所述第三透镜包括沿所述第一方向依次排列的第五弧面和第六弧面，所述第五弧面凸向所述第一方向，所述第六弧面凸向所述第一方向或所述红外滤光片。
设计方案
1.一种摄像镜头，其特征在于，包括：
沿第一方向依次排列的红外滤光片、第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，
所述第一方向为所述摄像镜头的光线入射方向；
所述第一透镜包括沿所述第一方向依次排列的第一弧面和第二弧面，所述第一弧面和所述第二弧面均凸向所述红外滤光片；
所述第二透镜包括沿所述第一方向依次排列的第三弧面和第四弧面，所述第三弧面凸向所述红外滤光片，所述第四弧面凸向所述第三透镜；
所述第三透镜包括沿所述第一方向依次排列的第五弧面和第六弧面，所述第五弧面凸向所述第一方向，所述第六弧面凸向所述第一方向或所述红外滤光片。
2.根据权利要求1所述的摄像镜头，其特征在于，还包括：
位于所述第三透镜远离所述第二透镜一侧的感光芯片。
3.根据权利要求1所述的摄像镜头，其特征在于，还包括：
设置于所述第四弧面上的光阑。
4.根据权利要求1所述的摄像镜头，其特征在于，当所述第六弧面凸向所述第一方向时；
所述第一弧面的曲率半径的取值范围为10.5mm±0.005mm，所述第一弧面的直径的取值范围为6.715152mm±0.02mm；
所述第二弧面的曲率半径的取值范围为1.75mm±0.005mm，所述第二弧面的直径的取值范围为4.065351mm±0.02mm；
所述第三弧面的曲率半径的取值范围为3.16mm±0.005mm，所述第三弧面的直径的取值范围为3.193499mm±0.02mm；
所述第四弧面的曲率半径的取值范围为-3.82mm±0.005mm，所述第四弧面的直径的取值范围为2.751662mm±0.02mm；
所述第五弧面的曲率半径的取值范围为-6.06mm±0.005mm，所述第五弧面的直径的取值范围为2.871084mm±0.02mm；
所述第六弧面的曲率半径的取值范围为-6.89mm±0.005mm，所述第六弧面的直径的取值范围为3.16616mm±0.02mm；
弧面的曲率半径为负值表示凸向所述第一方向。
5.根据权利要求1所述的摄像镜头，其特征在于，当所述第六弧面凸向所述红外滤光片时；
所述第一弧面的曲率半径的取值范围为6.62mm±0.005mm，所述第一弧面的直径的取值范围为5.2mm±0.02mm；
所述第二弧面的曲率半径的取值范围为1.864mm±0.005mm，所述第二弧面的直径的取值范围为3.8mm±0.02mm；
所述第三弧面的曲率半径的取值范围为3.256mm±0.005mm，所述第三弧面的直径的取值范围为4.2mm±0.02mm；
所述第四弧面的曲率半径的取值范围为-3.6mm±0.005mm，所述第四弧面的直径的取值范围为4mm±0.02mm；
所述第五弧面的曲率半径的取值范围为-253mm±0.005mm，所述第五弧面的直径的取值范围为3.6mm±0.02mm；
所述第六弧面的曲率半径的取值范围为6.56mm±0.005mm，所述第六弧面的直径的取值范围为3.6mm±0.02mm；
弧面的曲率半径为负值表示凸向所述第一方向。
6.根据权利要求1所述的摄像镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜中的至少一个为塑料透镜。
7.根据权利要求1所述的摄像镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的非球面系数的取值范围均为10-8<\/sup>-10-16<\/sup>。
8.一种驾驶员监控系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的摄像镜头。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及光学技术领域，更具体地说，涉及一种摄像镜头及驾驶员监控系统。
背景技术
驾驶员监控系统(Driver Monitoring Systems，DMS)是指通过摄像镜头采集驾驶员的实时图像，并对采集的图像进行分析实现对驾驶员状态监控的系统。
例如，驾驶员监控系统可以采用摄像镜头和感光芯片采集驾驶员的实时图像，然后对采集的实时图像进行图像处理，检测驾驶员的实时注意力。当检测到驾驶员的注意力分散时，可以通过闪光、震动或蜂鸣的方式提醒警示驾驶员提高注意力。在检测到可能与其他交通参与者或路面其他物体发生碰撞等危险情况，或检测到驾驶员注意力分散时，可以启动车辆的主动安全系统进行自动刹车，以避免事故出现。
在现有技术中，驾驶员监控系统中的摄像镜头由一个玻璃透镜、三个塑料透镜和一个红外滤光片构成；其中，玻璃透镜设置在入光侧，其后依次设置着三个塑料透镜和一个红外滤光片，玻璃透镜和三个塑料透镜用于成像，此外玻璃透镜还对三个塑料透镜起到保护作用，提高摄像镜头的防腐蚀和耐热特性。红外滤光片用于透过入射光线中的红外线且滤除掉其他波段的光线，以使感光芯片可以对四个透镜成像的光线进行感应，进行红外成像。
但由于驾驶员监控系统中的摄像镜头主要用于拍摄空间较为狭小的车厢内的图像，因此，该摄像镜头的焦距非常短(通常在1mm-3mm的范围内)，这就对构成该摄像镜头的各个透镜的制备精度提出了很高的要求。
具体地，对于现有技术中的摄像镜头中的玻璃透镜而言，由于玻璃透镜表面加工成非球面非常困难，因此，玻璃透镜通常都是做成球面，即玻璃透镜的两个表面都是回转对称的球面。但由于摄像镜头的焦距要求，使得现有技术中的摄像镜头的玻璃透镜的曲率半径必须非常小，通常在几个毫米量级，这样小的曲率半径的玻璃透镜制备工艺难度较高，无法大批量加工生产。
其余的三片塑料透镜的表面都需要加工成非球面，但是现有技术中的摄像镜头对塑料透镜的非球面系数要求很高，通常高达10-10<\/sup>-10-20<\/sup>，这使得这些塑料透镜的加工难度也很高。这是因为非球面的形成通常是在一个最接近球面的基础上切削掉表面的一部分而形成的。切削掉的那部分就称为非球面度(或称为非球面量)，非球面的加工难度随着非球面度的增大而增大。在设计非球面时，也是在一个球面的基础上，不断地增加一部分微小的增量来满足使光线出射后，会聚在设计者所希望的位置，来减小像差，满足成像质量的要求。原则上，非球面度随着非球面系数的减小，在逐渐变小。也就是说，非球面系数为10-20<\/sup>时对应的非球面度比非球面系数为10-14<\/sup>时对应的非球面度小，这就意味着制备非球面系数为10-20<\/sup>的非球面时，相较于制备非球面系数为10-14<\/sup>的非球面时，需要切削掉更加微小的量，加工精度急剧增大。并且现有技术中采用4片透镜和1片红外滤光片的结构来形成驾驶员监控系统中的摄像镜头，光学元件数量较多，造成摄像镜头的成本很高。并且较多的光学元件也使得装配过程的装配要求较高，进一步增加了摄像镜头的成本。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种摄像镜头及驾驶员监控系统，以实现降低驾驶员监控系统中的摄像镜头的成本的目的。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种摄像镜头，包括：
沿第一方向依次排列的红外滤光片、第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，
所述第一方向为所述摄像镜头的光线入射方向；
所述第一透镜包括沿第一方向依次排列的第一弧面和第二弧面，所述第一弧面和第二弧面均凸向所述红外滤光片；
所述第二透镜包括沿第一方向依次排列的第三弧面和第四弧面，所述第三弧面凸向所述红外滤光片，所述第四弧面凸向所述第三透镜；
所述第三透镜包括沿第一方向依次排列的第五弧面和第六弧面，所述第五弧面凸向所述第一方向，所述第六弧面凸向所述第一方向或所述红外滤光片。
可选的，还包括：
位于所述第三透镜远离所述第二透镜一侧的感光芯片。
可选的，还包括：
设置于所述第四弧面上的光阑。
可选的，当所述第六弧面凸向所述第一方向时；
所述第一弧面的曲率半径的取值范围为10.5mm±0.005mm，所述第一弧面的直径的取值范围为6.715152mm±0.02mm；
所述第二弧面的曲率半径的取值范围为1.75mm±0.005mm，所述第二弧面的直径的取值范围为4.065351mm±0.02mm；
所述第三弧面的曲率半径的取值范围为3.16mm±0.005mm，所述第三弧面的直径的取值范围为3.193499mm±0.02mm；
所述第四弧面的曲率半径的取值范围为-3.82mm±0.005mm，所述第四弧面的直径的取值范围为2.751662mm±0.02mm；
所述第五弧面的曲率半径的取值范围为-6.06mm±0.005mm，所述第五弧面的直径的取值范围为2.871084mm±0.02mm；
所述第六弧面的曲率半径的取值范围为-6.89mm±0.005mm，所述第六弧面的直径的取值范围为3.16616mm±0.02mm；
弧面的曲率半径为负值表示凸向所述第一方向。
可选的，当所述第六弧面凸向所述红外滤光片时；
所述第一弧面的曲率半径的取值范围为6.62mm±0.005mm，所述第一弧面的直径的取值范围为5.2mm±0.02mm；
所述第二弧面的曲率半径的取值范围为1.864mm±0.005mm，所述第二弧面的直径的取值范围为3.8mm±0.02mm；
所述第三弧面的曲率半径的取值范围为3.256mm±0.005mm，所述第三弧面的直径的取值范围为4.2mm±0.02mm；
所述第四弧面的曲率半径的取值范围为-3.6mm±0.005mm，所述第四弧面的直径的取值范围为4mm±0.02mm；
所述第五弧面的曲率半径的取值范围为-253mm±0.005mm，所述第五弧面的直径的取值范围为3.6mm±0.02mm；
所述第六弧面的曲率半径的取值范围为6.56mm±0.005mm，所述第六弧面的直径的取值范围为3.6mm±0.02mm；
弧面的曲率半径为负值表示凸向所述第一方向。
可选的，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜均为塑料透镜。
可选的，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的非球面系数的取值范围均为10-8<\/sup>-10-16<\/sup>。
一种驾驶员监控系统，包括如上述任一项所述的摄像镜头。
从上述技术方案可以看出，本实用新型提供了一种摄像镜头及驾驶员监控系统，所述摄像镜头包括红外滤光片、第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中，红外滤光片设置于所述第一透镜、第二透镜和第三透镜之前，不仅起到透过红外光并滤除其他波段光线的作用，而且可以起到对第一透镜、第二透镜和第三透镜的保护作用，使得第一透镜、第二透镜和第三透镜可以采用成本较低的塑料透镜；此外，通过仿真分析和实际样品研制发现，所述摄像镜头采用所述第一透镜、第二透镜和第三透镜即可满足驾驶员监控系统对摄像镜头的成像要求，相较于现有技术中的驾驶员监控系统中的摄像镜头，减少了一片玻璃透镜，从而实现了降低驾驶员监控系统中的摄像镜头的成本的目的。
此外，发明人通过仿真分析和实际样品研制发现，本实用新型提供的摄像镜头在满足驾驶员监控系统的成像要求的基础上，可以降低第一透镜、第二透镜和第三透镜的加工精度要求，从而降低所述摄像镜头的制备难度，进一步降低了所述摄像镜头的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本实用新型的一个实施例提供的摄像镜头的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的一种感光芯片在各视场下对CRA角度的要求；
图3为本实用新型的一个实施例提供的一种摄像镜头的成像光路示意图；
图4为对图1所示的摄像镜头仿真分析获得的点列图；
图5为对图1所示的摄像镜头仿真分析获得的扇形像差曲线图；
图6为对图1所示的摄像镜头仿真分析获得的波象差均方根曲线图；
图7为对图1所示的摄像镜头仿真分析获得的畸变曲线图；
图8为对图1所示的摄像镜头仿真分析获得的MTF曲线图；
图9为本实用新型的另一个实施例提供的一种摄像镜头的结构示意图；
图10为对图9所示的摄像镜头仿真分析获得的点列图；
图11为对图9所示的摄像镜头仿真分析获得的扇形像差曲线图；
图12为对图9所示的摄像镜头仿真分析获得的波象差均方根曲线图；
图13为对图9所示的摄像镜头仿真分析获得的畸变曲线图；
图14为对图9所示的摄像镜头仿真分析获得的MTF曲线图。
具体实施方式
现有技术中的驾驶员监控系统中的摄像镜头由一个玻璃透镜、三个塑料透镜和一个红外滤光片构成；其中，玻璃透镜设置在入光侧，其后依次设置着三个塑料透镜和一个红外滤光片，玻璃透镜和三个塑料透镜用于成像，此外玻璃透镜还用于对三个塑料透镜起到保护作用，提高摄像镜头的防腐蚀和耐热特性。红外滤光片用于透过入射光线中的红外线且滤除掉其他波段的光线，以使感光芯片可以对四个透镜成像的光线进行感应，以进行红外成像。
但正如背景技术所述，由于驾驶员监控系统中的摄像镜头主要用于拍摄空间较为狭小的车厢内的图像，因此，该摄像镜头的焦距非常短(通常在1mm-3mm的范围内)，这就对构成该摄像镜头的各个透镜的制备精度提出了很高的要求。
有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种摄像镜头及驾驶员监控系统，所述摄像镜头包括红外滤光片、第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中，红外滤光片设置于所述第一透镜、第二透镜和第三透镜之前，不仅起到透过红外光并滤除其他波段光线的作用，而且可以起到对第一透镜、第二透镜和第三透镜防腐蚀和耐热特性的保护作用，使得第一透镜、第二透镜和第三透镜可以采用成本较低的塑料透镜；此外，通过仿真分析和实际样品研制发现，所述摄像镜头采用三片塑料透镜即可满足驾驶员监控系统对摄像镜头的成像要求，相较于现有技术中的驾驶员监控系统中的摄像镜头，减少了一片玻璃透镜，降低了驾驶员监控系统中摄像镜头的物料成本和装配成本，实现了降低驾驶员监控系统中的摄像镜头的成本的目的。
此外，发明人通过仿真分析和实际样品研制发现，本实用新型提供的摄像镜头在满足驾驶员监控系统的成像要求的基础上，可以降低第一透镜、第二透镜和第三透镜的加工精度要求，从而降低所述摄像镜头的制备难度，进一步降低了所述摄像镜头的成本。
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型实施例提供了一种摄像镜头，如图1所示，包括：
沿第一方向依次排列的红外滤光片1、第一透镜2、第二透镜3和第三透镜5；其中，
所述第一方向为所述摄像镜头的光线入射方向；
所述第一透镜2包括沿第一方向依次排列的第一弧面和第二弧面，所述第一弧面和第二弧面均凸向所述红外滤光片1；
所述第二透镜3包括沿第一方向依次排列的第三弧面和第四弧面，所述第三弧面凸向所述红外滤光片1，所述第四弧面凸向所述第三透镜5；
所述第三透镜5包括沿第一方向依次排列的第五弧面和第六弧面，所述第五弧面凸向所述第一方向，所述第六弧面凸向所述第一方向或所述第二透镜3。
在本实施例中，由于玻璃材质的红外滤光片1位于三片透镜的前方，不仅起到了滤光的作用，而且可以起到对后面的三片透镜的保护作用，保护后面的三片透镜不受外界杂质的腐蚀或高温的影响。因此所述第一透镜2、第二透镜3和第三透镜5均可以为非球面加工难度较低的塑料透镜，以降低摄像镜头的成本。
在图1中，箭头指向方向为所述第一方向，此外还示出了位于所述第三透镜5远离所述第二透镜3一侧的感光芯片6，以及设置于所述第四弧面上的光阑4。
所述感光芯片6用于感应所述第一透镜2、第二透镜3和第三透镜5成像的光线，以形成图像进行后续的监控分析。可选的，所述感光芯片6为互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)感光芯片。
需要说明的是，在本实用新型中，还考虑到感光芯片6的CRA角度(摄像镜头的光轴和入射到感光芯片6的主光线之间的夹角)的要求，通过设计如图1所示的摄像镜头结构，使第一透镜2、第二透镜3和第三透镜5的成像光线满足不同的感光芯片6的CRA角度的要求。
如图2所示，图2为一种感光芯片6(OV9382感光芯片)所要求不同视场下的CRA角度。在图2中，横坐标image height表示像高，也对应着视场。纵坐标CRA表示感光芯片6在不同视场下的CRA角度的要求。
也就是说，要满足此种芯片的CRA角度，各视场下主光线和摄像镜头之间的夹角不能大于表1中的数值。
表1 OV9282感光芯片6各视场下的CRA角度要求。
因此，在本实用新型实施例提供的摄像镜头中，为了满足在各视场下感光芯片6的CRA角度的要求，所述第一透镜2、第二透镜3和第三透镜5构成了一个反摄远型的镜头结构，同时将光阑4设置在第二透镜3处，并控制出瞳距离大于所述摄像镜头的2倍焦距值，这样有利于减小各视场下CRA角度，使得所述摄像镜头能够满足在不同视场下感光芯片6的CRA角度的要求。
在图1所示的摄像镜头中，第一透镜2构成一个负光焦度的前透镜组，第二透镜3和第三透镜5构成了一个正光焦度的后透镜组，如图3所示，负光焦度的前透镜组将大入射角的光线向远离光轴的方向偏转，也就是将入射光线的入射角大大减小，这样通过前透镜组后的入射光线的CRA角会迅速减小，配合光阑4和后透镜组可以使入射光线最后以一个比较小的角度入射到感光芯片6的感光面上，使所述摄像镜头可以满足感光芯片6在不同视场下的CRA角度的要求。
本实用新型实施例提供的摄像镜头在各视场下的CRA角度如表2所示：
表2本实用新型实施例提供的摄像镜头在各视场下的CRA角度
从表2中可知，本实用新型实施例提供的摄像镜头在各视场下的CRA角度均小于现有的感光芯片6所要求的CRA角度数值，均可以满足要求，不会造成渐晕现象，有利于提升摄像镜头的成像质量。
还需要说明的是，通过仿真分析和实际样品研制发现，在本实施例中，本实用新型提供的摄像镜头在满足驾驶员监控系统的成像要求的基础上，可以降低第一透镜2、第二透镜3和第三透镜5的加工精度要求，甚至在第一透镜2、第二透镜3和第三透镜5的非球面系数为10-8<\/sup>时，即可满足成像要求，从而降低所述摄像镜头的制备难度，进一步降低了所述摄像镜头的成本。在本实用新型的一些实施例中，可选的，所述第一透镜2、第二透镜3和第三透镜5的非球面系数的取值范围均为10-8<\/sup>-10-16<\/sup>。所述第一透镜2、第二透镜3和第三透镜5的非球面系数的取值例如可以是10-8<\/sup>、10-9<\/sup>、10-10<\/sup>、10-15<\/sup>、10-16<\/sup>等，本实用新型对此并不做限定。
下面本实用新型实施例提供了几种可行的摄像镜头的构成，以对本实用新型实施例提供的摄像镜头的成像效果进行说明。
在本实用新型的一个实施例中，如图1所示，当所述第六弧面凸向所述第一方向时(即凸向感光芯片6)；
所述第一弧面的曲率半径的取值范围为10.5mm±0.005mm，所述第一弧面的直径的取值范围为6.715152mm±0.02mm；
所述第二弧面的曲率半径的取值范围为1.75mm±0.005mm，所述第二弧面的直径的取值范围为4.065351mm±0.02mm；
所述第三弧面的曲率半径的取值范围为3.16mm±0.005mm，所述第三弧面的直径的取值范围为3.193499mm±0.02mm；
所述第四弧面的曲率半径的取值范围为-3.82mm±0.005mm，所述第四弧面的直径的取值范围为2.751662mm±0.02mm；
所述第五弧面的曲率半径的取值范围为-6.06mm±0.005mm，所述第五弧面的直径的取值范围为2.871084mm±0.02mm；
所述第六弧面的曲率半径的取值范围为-6.89mm±0.005mm，所述第六弧面的直径的取值范围为3.16616mm±0.02mm；
弧面的曲率半径为负值表示凸向所述第一方向(即凸向所述感光芯片6)。
更具体地，在本实施例中，所述红外滤光片1采用H-K9L玻璃，第一透镜2、第二透镜3和第三透镜5均为采用E48R塑料制成的非球面透镜，光阑4设置于第二透镜3朝向感光芯片6一侧的表面，感光芯片6为型号为OV9282的感光芯片，该感光芯片6的感光像素数为1280×800，像素尺寸为3μm。各个光学器件(红外滤光片1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜5和感光芯片6)的面型由偶次非球面表示。其表示的旋转对称多项式非球面是在一个球面的基础上加上一个多项式的增量来描述的。偶数次非球面用径向坐标值的偶数次幂来描述，标准基面用曲率半径和二次曲面系数确定。面型坐标由公式(1)确定：
其中，设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920073920.4
申请日:2019-01-16
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:11(北京)
授权编号:CN209215724U
授权时间:20190806
主分类号:G02B 13/00
专利分类号:G02B13/00;G03B17/12
范畴分类:30A;
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