CN101359087A - 广角镜头及使用该广角镜头的车辆装置 - Google Patents

广角镜头及使用该广角镜头的车辆装置 Download PDF

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Abstract

一种广角镜头，所述广角镜头从物方一侧到像方一侧依次包括具有负光焦度的第一透镜群组，具有正光焦度的第二透镜群组，所述第一透镜群组包括一个具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的折射率系数大于1.85。所述广角镜头满足条件－0.15＜f10/f12＜－0.05、0.3＜f10/f14＜0.8，其中，f10表示所述广角镜头的系统焦距，f12表示第一透镜群组的有效焦距，f14表示第二透镜群组的有效焦距。另外，本发明还提供一种使用上述广角镜头的车辆装置。

Description

广角镜头及使用该广角镜头的车辆装置
技术领域
本发明涉及广角镜头，特别涉及一种车用广角镜头以及使用该广角镜头的车辆装置。
背景技术
各种车辆装置，例如汽车，货车，客车，摩托车等，通常于其前方外侧设置一对反光镜。车辆装置操纵者，例如驾驶员，在车辆运行过程中，通过该反光镜观察其他车辆装置在反光镜中所成的虚拟物像，以判断本身的车辆装置相对其他车辆装置的相对状态，确保汽车安全运行。然而，在驾驶员进行倒车动作时，因为反光镜无法摄取车辆后部相对其他物体之间的画面，所以可能碰撞其他物体，例如车，人等，或者汽车遭受其他物体的碰撞发生物理损害，所以存在一定的安全性问题。
基于上述安全性问题，提出一种解决方案为在车辆装置的后部安装超声波检测装置，所述超声波检测装置包括超声波发射接收模块，内部电路处理模块以及报警装置。通过超声波发射接收模块发射接收超声波，计算超声波渡越的时间，以获得车辆装置相对其他物体的距离。然后，内部处理模块比较预先设定的安全距离和检测到的距离，获得一控制信号。当所实际检测到的距离小于预先设定的安全距离时，所述控制信号即触发该报警装置，例如喇叭发出音频报警信号，提醒驾驶员或者其他车辆驾驶员可能存在的碰撞隐患，以确保车辆装置与其他物体之间的安全。
然而，使用超声波检测手段进行安全性控制存在如下缺点：其一，超声波具有一定的方向性，其只能限于超声波传播方向范围内物体的检测，因而存在检测角度不大的问题；其二，超声波发射接收装置容易受其他声波源的干扰，当其他声波源发出位于超声波波段的声波信号时，超声波检测装置可能受到干扰，而产生错误的报警信号，也即可靠性不好。
为解决上述问题，提出一种解决方案为将传统上在照相机上使用的广角镜头应用到车辆装置上。通过广角镜头摄取外界物体的画面，提供给驾驶员作参考，以确保车辆装置与其他物体之间的安全。这种照相机用广角镜头的视场角度大于超声波的检测角度，且不易受其他物体的干扰，可靠性较好。然而该广角镜头一般摄取物体画面的视场角度在60°~70°之间，不满足车辆装置较大视场角度的需求。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种较大视场角度的车用广角镜头和使用该广角镜头的车辆装置。
一种车用广角镜头，所述广角镜头从物方一侧到像方一侧依次包括具有负光焦度的第一透镜群组，具有正光焦度的第二透镜群组，所述第一透镜群组包括一个具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的折射率系数大于1.85，所述广角镜头满足条件公式-0.15＜f10/f12＜-0.05、0.3＜f10/f14＜0.8，其中，f10表示所述广角镜头的系统焦距，f12表示第一透镜群组的有效焦距，f14表示第二透镜群组的有效焦距。
一种车辆装置，所述车辆装置包括广角镜头，影像感测器，控制器以及显示单元，所述广角镜头用于摄取车辆外部物体的画面，所述影像感测器电性连接所述控制器和显示单元，所述控制器电性连接所述显示单元，所述影像感测器将广角镜头摄取的画面转换成数字图像，所述控制器控制所述影像感测器将数字图像传送给所述显示单元，所述广角镜头从物方一侧到像方一侧依次包括具有负光焦度的第一透镜群组，具有正光焦度的第二透镜群组，所述第一透镜群组包括一个具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的折射率系数大于1.85，所述广角镜头满足条件公式-0.15＜f10/f12＜-0.05、0.3＜f10/f14＜0.8，其中，f10表示所述广角镜头的系统焦距，f12表示第一透镜群组的有效焦距，f14表示第二透镜群组的有效焦距。
上述车用广角镜头以及使用该广角镜头的车辆装置，通过符合上述条件公式的第一透镜群组和第二透镜群组摄取外界物体画面，其视场角度至少在135°以上。
附图说明
图1为广角镜头应用于车辆装置的立体图。
图2为广角镜头应用于车辆装置的电路模块图。
图3为图2所示之广角镜头的构成示意图。
图4A为图3所示之第一实施方式的广角镜头的像散场曲图。
图4B为图3所示之第一实施方式的广角镜头的畸变图。
图4C为图3所示之第一实施方式的广角镜头的纵向球差图。
图5A为图3所示之第二实施方式的广角镜头的像散场曲图。
图5B为图3所示之第二实施方式的广角镜头的畸变图。
图5C为图3所示之第二实施方式的广角镜头的纵向球差图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施方式进行说明：
请一并参阅图1和图2，一种广角镜头10，安装于车辆装置100，例如汽车，货车，客车，赛车，摩托车等的后部，用于拍摄与车辆装置相隔一定距离，全视场角度为2ω范围内的物体，例如其他车辆，人等，以实时监控车辆装置100与其他物体之间的相对运动状态，例如距离等。车辆装置100包括影像感测器20，控制器30，显示单元40以及存储单元50。广角镜头10摄取外界物体发出的光线，并将所述光线聚焦到影像感测器20，例如CCD或者CMOS影像感测装置，影像感测器20将光信号转换成电信号，经内部电路处理成数字形式的图像。控制器30一方面根据影像感测器20获取的图像，控制显示单元40实时显示所述图像，另一方面可以将所述图像存储到存储单元50。其中，显示单元40可以为CRT显示设备或者LCD显示设备等；存储单元可以为硬盘存储器，光盘存储器或者闪存盘等。显示单元40安装于车辆装置内的前部空间，靠近车辆操纵者，例如驾驶员的方向盘附近。因而驾驶员可以通过观察显示单元40上所显示的画面，实时监控车辆装置100的后部相对其他物体的状态。
请参阅图3，以物方平面16和像方平面18为参考，广角镜头10于该物方平面16和像方平面18之间依次包括第一透镜群组12、第二透镜群组14。其中，第一透镜群组12具有负光焦度(对光束发散)，主要用于接收较大角度范围入射的光线，并修正部分球面像差。第二透镜群组14具有正光焦度(对光束汇聚)，主要用于接收经第一透镜群组的光线，并将该光线汇聚到像平面18上。
第一透镜群组12从物方平面16一侧开始，依次包括第一透镜122、第二透镜124，以及第三透镜126。其中，第一透镜122与第二透镜124为弯月形凹透镜，具有负光焦度，以最大限度的接收从外界入射的光线。第三透镜126为双凸透镜，具有正光焦度，其可以补偿入射光线经过第一透镜122与第二透镜124所产生的球面相差。第二透镜群组14从物方平面16一侧开始，依次包括第四透镜142、第五透镜144以及第六透镜146。第四透镜142为双凹透镜(其一侧曲率半径较大，图3显示不明显，可参阅表1-1和表1-2的参数值)，具有负光焦度。第五透镜144为双凸透镜，具有正光焦度。第四透镜142和第五透镜144使用点胶手段粘合在一起，构成一胶合透镜，以改善光线经过广角透镜10产生的色像差。第六透镜146为弯凸透镜，具有正光焦度，其可以改善光线经过广角透镜10产生的畸变像差。第一透镜群组12的第一透镜122、第二透镜124、第三透镜126以及第二透镜群组14的第四透镜142、第五透镜144、第六透镜146均使用玻璃材料加工而成，且均为球面透镜，球面透镜便于加工，可以降低成本。
该广角镜头10还包括一光阑(Aperture stop)13以及一滤光片19。该光阑13位于第一透镜群组12和第二透镜群组14之间，以限制经过第一透镜群组12的光线进入第二透镜群组14的光通量。滤光片19位于第二透镜群组14和像方平面18之间，其主要用于滤除进入镜头10光线中的位于红外波段的光线。
在组装时，可从像方平面18开始，先装第二透镜群组14的第六透镜146，然后依次组装到物方平面16之间的其他透镜元件，从而形成广角镜头10。
广角镜头10的第一透镜群组12的有效焦距为f12，第一透镜群组12的第三透镜126的折射率为n3，第二透镜群组14的有效焦距为f14，系统焦距为f10，镜头总长度为TTL，第一透镜群组12的长度为∑df12。为拍摄全视场角度2ω至少在135°以上范围内的物体，广角透镜10至少需满足如下条件：
-0.15＜f10/f12＜-0.05  (1)
0.3＜f10/f14＜0.8  (2)
n3＞1.85(3)(相对λ值为540nm的光线)
因为，系统焦距f10始终为正值，故条件(1)限制第一透镜群组12必须为负光焦度，以利于接收大角度入射的光线。条件(2)限制第二透镜群组14必须为正光焦度，以平衡第一透镜群组12所产生的像差。在系统焦距f10固定时，第一透镜群组12的有效焦距f12以及第二透镜群组14的有效焦距f14必须在一定的范围内取值。因为，若f10/f12大于上限-0.05，系统后焦将会减小，不利于模组的组装，若f10/f12小于下限-0.15，则镜头长度将会变长，而且容易引进高阶像差，影响成像品质。同样，若f10/f14大于上限0.8时，则容易引起高阶像差，若f10/f14小于下限0.3时，则较难修正畸变像差以及入射CCD主光线角度变得较为困难。条件(3)限定第一透镜群组12的第三片透镜的折射率必须大于1.85，以确保以135°全视场角度入射的光线能有效汇聚，进入第二透镜群组14，从而在像方平面18上成像。
为兼顾广角镜头10的长度，在满足上述三个条件之下，可使广角镜头10进一步满足如下条件：
2＜∑df12/f10＜5  (4)
条件(4)用于控制广角镜头10系统的长度，若∑df12/f10大于上限5时，则系统的长度将会增加，若∑df12/f10小于下限2时，则会缩小可摄影的角度。
广角镜头10各光学元件第一实施方式的光学参数如表1-1所示：
表1-1广角镜头10各光学元件第一实施方式的光学参数
表1-1所示第一透镜群组12及第二透镜群组14各透镜均使用玻璃材料加工而成。由表1-1所列广角镜头10各光学元件第一实施方式的数据，如曲率半径、厚度、折射率等，利用焦距计算公式可计算求得第一透镜群组12的有效焦距f12为-24.42mm，第二透镜群组14的有效焦距f14为4.04mm。广角镜头10的系统焦距f10为2.22mm，镜头总长度TTL为18.57mm。∑df12为8.69mm。容易计算得到f10/f12＝-0.09，f10/f14＝0.55，∑df12/f10＝4，分别满足该广角透镜10的成像条件公式(1)-0.15＜f10/f12＜-0.05、公式(2)0.3＜f10/f14＜0.8和公式(4)2＜∑df12/f10＜5。
请参阅图4A和图4B，图4A和图4B分别为第一实施方式的广角透镜10的像散场曲(fieldcurvature)图和畸变(distortion)图，纵轴Y表示像点距离广角镜头10中心光轴的高度。其中，入射光波长λ为546.7nm，全视场角度2ω为135.018°。该波长的入射光产生的子午场曲值和弧矢场曲值均在(-0.1mm，0.1mm)范围内，最大畸变率小于-50％，满足车辆装置大角度成像条件。
请参阅图4C，图4C为第一实施方式的广角透镜10的纵向球差图，纵轴表示通光孔径(pupil radius)。在各纵向球差图中，分别为针对g线(λ值435.8nm)，d线(λ值587.6nm)，c线(λ值656.3nm)而观察到的纵向球差值。其中，g线产生的纵向球差值在(-0.06mm，0.04mm)范围内，d线产生的纵向球差值在(-0.02mm，0.12mm)范围内，c线产生的纵向球差值在(-0.00mm，0.14mm)范围内。总体而言，第一实施方式的广角透镜10对可见光产生的纵向球差值在(-0.06mm，0.14mm)范围内。也满足车辆装置大角度成像条件。
广角镜头10各光学元件第二实施方式的光学参数如表1-2所示：
表1-2广角镜头10各光学元件第二实施方式的光学参数
Figure A20071020126100091
表1-2所示第一透镜群组12及第二透镜群组14各透镜均使用玻璃材料加工而成。由表1-2所列广角镜头10各光学元件第二实施方式的数据，如曲率半径、厚度、折射率等，利用焦距计算公式可计算求得第一透镜群组12的有效焦距f12为-28.99mm，第二透镜群组14的有效焦距f14为4.79mm。广角镜头10的系统焦距f10为2.64mm，镜头总长度TTL为22.05mm。∑df12为10.31mm。容易计算得到f10/f12＝-0.09，f10/f14＝0.55，∑df12/f10＝4，分别满足该广角透镜10的成像条件公式(1)-0.15＜f10/f12＜-0.05、公式(2)0.3＜f10/f14＜0.8和公式(4)2＜∑df12/f10＜5。
请参阅图5A和图5B，图5A和图5B分别为第二实施方式的广角透镜10的像散场曲(fieldcurvature)图和畸变(distortion)图，纵轴Y表示像点距离广角镜头10中心光轴的高度。其中，入射光波长λ仍为546.7nm，全视场角度2ω为136.654°。该波长的入射光产生的子午场曲值和弧矢场曲值均在(-0.1mm，0.1mm)范围内，最大畸变率小于-50％，满足车辆装置大视场角度成像条件。
请参阅图5C，图5C为第二实施方式的广角透镜10的纵向球差图，纵轴表示通光孔径(pupil radius)。在各纵向球差图中，分别为针对g线(λ值435.8nm)，d线(λ值587.6nm)，c线(λ值656.3nm)而观察到的纵向球差值。其中，g线产生的纵向球差值在(-0.03mm，0.01mm)范围内，d线产生的纵向球差值在(-0.02mm，0.05mm)范围内，c线产生的纵向球差值在(-0.01mm，0.07mm)范围内。总体而言，第一实施方式的广角透镜10对可见光产生的纵向球差值在(-0.03mm，0.07mm)范围内，也满足车辆装置大视场角度成像条件。
上述广角镜头10以及使用该广角镜头的车辆装置，通过符合条件公式-0.15＜f10/f12＜-0.05，0.3＜f10/f14＜0.8的第一透镜群组和第二透镜群组以及折射率系数大于1.85的第三透镜126摄取外界物体画面，其视场角度至少在135°以上。
上述广角镜头10仅为较佳实施方式，本领域具有普通知识的技术人员在此基础上可以作变更。例如，广角透镜10没有滤色片19以及光阑13，也可以大角度成像。滤色片19可以位于第一透镜群组12在物方一侧，也可以位于第一透镜群组12第二透镜群组14之间，甚至位于第一透镜群组12内部的光学透镜单元之间或者第二透镜群组14内的光学透镜单元之间。光阑13位于第一透镜群组12内的光学透镜单元之间或者第二透镜群组14内的光学透镜单元之间也可以大角度成像。
广角镜头10也可以安装于车辆装置100的两侧或者车辆装置100的底部或者车辆装置100的前部甚至车辆装置100的顶部。广角镜头10安装于车辆装置100的尾部时，可以是位于尾部的中间或者边缘，其数量可以是一个、两个或者多个。广角镜头10可以固定安装于车辆装置100上，当然也可以枢转机构安装于该车辆装置100，例如可以使用供驾驶员操作的电机旋转机构，改变广角镜头10摄取物体画面的范围。特别地，广角镜头10和影像感测器20构成一体转动之模组，以更好地摄取画面。

Claims (17)

1.一种广角镜头，所述广角镜头从物方一侧到像方一侧依次包括具有负光焦度的第一透镜群组，具有正光焦度的第二透镜群组，其特征在于：所述广角镜头满足条件公式-0.15＜f10/f12＜-0.05、0.3＜f10/f14＜0.8，其中，f10表示所述广角镜头的系统焦距，f12表示第一透镜群组的有效焦距，f14表示第二透镜群组的有效焦距，所述第一透镜群组包括一个具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的折射率系数大于1.85。
2.如权利要求1所述的广角镜头，其特征在于：所述第一透镜群组从物方一侧到第三透镜之间依次包括具有负光焦度的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和第二透镜为向物方一侧凸起的弯月形凹透镜，所述第三透镜为双凸透镜。
3.如权利要求2所述的广角镜头，其特征在于：所述广角镜头满足条件公式2＜∑df12/f10＜5，其中∑df12表示第一透镜群组的长度。
4.如权利要求1所述的广角镜头，其特征在于：所述第二透镜群组从物方一侧到像方一侧依次包括具有负光焦度的第四透镜，具有正光焦度的第五透镜和第六透镜，所述第四透镜为双凹透镜，所述第五透镜为双凸透镜，所述第六透镜为向像方一侧凸起的弯凸透镜。
5.如权利要求4所述的广角镜头，其特征在于：所述第四透镜和第五透镜粘合成一胶合透镜。
6.如权利要求1所述的广角镜头，其特征在于：所述广角镜头满足条件公式2ω＞135o，其中ω表示所述广角透镜的半视场角。
7.如权利要求1所述的广角镜头，其特征在于：所述广角镜头还包括一滤光片，所述滤光片位于所述第二透镜群组和像方一侧之间。
8.如权利要求1所述的广角镜头，其特征在于：所述广角镜头还包括一光阑，所述光阑位于所述第一透镜群组和第二透镜群组之间。
9.一种车辆装置，所述车辆装置包括广角镜头，影像感测器，控制器以及显示单元，所述广角镜头用于摄取车辆外部物体的画面，所述影像感测器电性连接所述控制器和显示单元，所述控制器电性连接所述显示单元，所述影像感测器将广角镜头摄取的画面转换成数字图像，所述控制器控制所述影像感测器将数字图像传送给所述显示单元，其特征在于：所述广角镜头从物方一侧到像方一侧依次包括第一透镜群组，第二透镜群组，所述广角镜头满足条件公式-0.15＜f10/f12＜-0.05、0.3＜f10/f14＜0.8，其中，f10表示所述广角镜头的系统焦距，f12表示第一透镜群组的有效焦距，f14表示第二透镜群组的有效焦距，所述第一透镜群组包括一个具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的折射率系数大于1.85。
10.如权利要求9所述的车辆装置，其特征在于：所述广角镜头固定安装于所述车辆装置的尾部。
11.如权利要求9所述的车辆装置，其特征在于：所述车辆装置包括存储单元，所述存储单元电性连接所述影像感测器和控制器，所述控制器控制所述影像感测器将数字图像存储到所述存储单元。
12.如权利要求9所述的车辆装置，其特征在于：所述第一透镜群组从物方一侧到第三透镜之间依次包括具有负光焦度的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和第二透镜为向物方一侧凸起的弯月形凸透镜，所述第三透镜为双凸透镜。
13.如权利要求12所述的车辆装置，其特征在于：所述第一透镜群组满足条件公式2＜∑df12/f10＜5，其中∑df12表示第一透镜群组的长度。
14.如权利要求9所述的车辆装置，其特征在于：所述第二透镜群组从物方一侧到像方一侧依次包括具有负光焦度的第四透镜，具有正光焦度的第五透镜和第六透镜，所述第四透镜为双凹透镜，所述第五透镜为双凸透镜，所述第六透镜为向像方一侧凸起的弯凸透镜。
15.如权利要求9所述的车辆装置，其特征在于：所述广角镜头满足条件公式2ω＞135o，其中ω表示所述广角透镜的半视场角。
16.如权利要求9所述的车辆装置，其特征在于：所述广角镜头还包括一滤光片，所述滤光片位于所述第二透镜群组和像方一侧之间。
17.如权利要求9所述的车辆装置，其特征在于：所述广角镜头还包括一光阑，所述光阑位于所述第一透镜群组和第二透镜群组之间。
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