CN102289052B - 一种超广角镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超广角镜头，从物方至像方依次包括有具有负光焦度的第一透镜和第二透镜，具有正光焦度的第三透镜，具有负光焦度的第四透镜和具有正光焦度的第五透镜，所述第四透镜和第五透镜胶合而形成具有正光焦度的胶合透镜，并且还满足BFL/EFL≥2.4，其中BFL为所述超广角镜头的第五透镜元件像方侧最外点至成像面的距离，EFL为所述超广角镜头的焦距值。本发明的超广角镜头具有较长的镜头后焦BFL，以满足相机设计时图像传感器周边电子元器件较大的尺寸要求，且BFL较长使得透镜元件和滤光片离开图像传感器的距离更远，可有效降低对各透镜元件和滤光片的表面洁净度要求，更容易相机的组装生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的超广角镜头，尤其适合应用于对镜头工作距离要求较高且有较宽的使用温度条件的监控相机及车载影像系统。
背景技术
目前超广角镜头一般采用5片至8片镜片组成，如中国专利号为200910099703的超广角镜头，就采用4片玻璃和2片塑料镜片组成，但是这种超广角镜头尺寸较大，价格较高，不能满足客户要求小尺寸、低价和高性能的要求。为此，也有日本企业开发的超广角镜头采用非球面技术，以减轻重量、成本和减小变形量，如中国专利号为200880106079的超广角镜头，就采用1片玻璃镜片和4片塑料镜片组成，但其通光性能较弱，工作距离BFL也较短，且温度补偿特性不佳，无法满足在-40℃至+85℃的温度范围内保持较完美的成像清晰度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述的技术缺陷，提供一种成本低、重量轻、尺寸小、高解像及长的工作距离和宽的工作温度范围的超广角镜头。
所述超广角镜头从物方至像方依次包括有：具有负光焦度的第一透镜和第二透镜，具有正光焦度的第三透镜，具有负光焦度的第四透镜和具有正光焦度的第五透镜，所述第四透镜和第五透镜胶合而形成具有正光焦度的胶合透镜，并且还满足BFL/EFL≥2.4，其中BFL为所述超广角镜头的第五透镜元件像方侧最外点至成像面的距离，此处所指的BFL为空气中的距离，EFL为所述超超广角镜头的焦距值。
第三透镜元件和胶合透镜之间还设置有光阑，胶合透镜后设置有滤色片。且除第一透镜元件外，其余4枚透镜元件中至少有3枚为塑料非球面镜片。通过如此配置，便能够用最小的镜片数量达到令人满意的光学特性和较宽的总视场角。
所述第一透镜为弯月型镜片，且凸面朝向物方，第二透镜为非球面镜片，第三透镜为双凸镜片，所述第四透镜和第五透镜为非球面镜片。
进一步的，所述第一透镜满足：Nd≥1.65，Vd≥45，其中Nd表示透镜材料的d光折射率，Vd表示透镜材料的d光阿贝常数。第一透镜通过采用折射率Nd≥1.65，阿贝常数Vd≥45的高折射率低色散材料，能有效导入150°视场角以上的光线并减小第一个镜片的口径，以避免体积过大，并满足条件公式D*H/FOV≤0.205的要求。
进一步的，所述的第三透镜和第四透镜满足：Nd≥1.55，Vd≤30。
第三透镜通过采用折射率Nd≥1.55，阿贝常数Vd≤30的高折射率高色散材料，能快速会聚前两个负光焦度透镜过来的光线，且高色散材料能有效补偿光学系统中的色差值。
此外，所述镜头还满足：TTL/EFL≤16，其中TTL为所述镜头第一透镜物方侧最外点至成像面的距离，EFL为所述镜头的焦距值。
进一步的，所述的第二透镜和第五透镜满足：-0.95≥F2/F5≥-1.5，其中F2表示第二透镜元件的焦距值，F5表示第五透镜元件的焦距值。因当F2/F5＞-0.95时，第二透镜的负光焦度过大，第五透镜的正光焦度过小，从而使整个光学系统会体现负光焦度，会造成光学系统的后焦BFL“热缩冷胀”的效果(即在高温条件下，镜头的后焦BFL会变短，在低温条件下，镜头的后焦BFL会变长，不符合相机使用的条件)；当F2/F5＜-1.5时，第二透镜的负光焦度过小，第五透镜的正光焦度过大，从而使整个光学系统会体现过量的正光焦度，会造成光学系统的后焦BFL“热胀冷缩”的效果过于明显，从而影响相机在-40℃至+85℃的温度范围内成像清晰度。
进一步的，所述的第三透镜和第四透镜满足：-0.95≥F3/F4≥-2.0，其中F3表示第三透镜元件的焦距值，F4表示第四透镜元件的焦距值。同样道理，当F3/F4＞-0.95时，第三透镜的正光焦度过大，第四透镜的负光焦度过小，从而使整个光学系统会体现过量的正光焦度，会造成光学系统的后焦BFL“热胀冷缩”的效果过于明显(即在高温条件下，镜头的后焦BFL会变的过长，在低温条件下，镜头的后焦BFL会变的过短，不符合相机使用的条件)；当F 3/F4＜-2.0时，第三透镜的正光焦度过小，第四透镜的负光焦度过大，从而使整个光学系统会体现负光焦度，会造成光学系统的后焦BFL“热缩冷胀”的效果，从而影响相机在-40℃至+85℃的温度范围内成像清晰度。
总之，第二透镜单元至第五透镜单元四个镜片，需要合理的分配光焦度并同时控制在上述条件公式范围内，以达到较好的温度特性要求。同时，为了进一步改善温度特性效果，也可以将第三透镜元件的材料由塑料树脂改为玻璃材质(因玻璃材料的温度特性好于塑料树脂材料)。
此外，所述镜头的光阑满足：FNO≤2.2。
进一步的，所述第一透镜的最大通光口径和对应的成像像高、视场角满足公式：D*H/FOV≤0.205，其中FOV表示超广角镜头的最大视场角，D表示最大FOV所对应的第一透镜元件朝向物方凸面的最大通光口径，H表示最大FOV所对应的成像像高。
另外，所述胶合透镜的接合面满足：θ≤44°，其中θ为接合面上的任一点的切线与光轴的夹角。
进一步的，第四透镜单元与第五透镜单元接合面满足：|R |＞Φ/2，其中R为接合面的中心曲率半径，Φ为接合面的光线有效口径。
所述光学镜头的第一透镜元件采用玻璃镜片，能有效保护光学镜头在使用过程中防刮擦及抵抗恶劣的环境变化影响，第四透镜元件和第五透镜元件采用接合设计，以有效改善光学系统的色差。同时控制接合透镜组件的接合面满足θ≤44°的条件公式，以有效控制高级像差的产生，从而利于提高整个光学系统的通光能力(光阑FNO≤2.2)和解像能力，并有效降低接合面的加工和胶合工艺要求。
本发明保持了镜头总长TTL较短的条件下仍具有较长的镜头后焦BFL，以满足相机设计时图像传感器周边电子元器件较大的尺寸要求，同时，因为BFL较长使得透镜元件和滤光片离开图像传感器的距离更远，可有效降低对各透镜元件和滤光片的表面洁净度要求，更容易相机的组装生产。
附图说明
通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1为本发明涉及的超广角镜头具体实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的轴向色差曲线图；
图3为本发明实施例的垂轴色差曲线图；
图4为本发明实施例的像散曲线图；
图5为本发明实施例的畸变曲线图；
图6为本发明实施例的MTF曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
本发明涉及的超广角镜头的实施案例如图1所示，所述镜头特别应用于视角约≥190°的车载相机系统。该超广角镜头由物侧至像侧依次为第一透镜元件L1、第二透镜元件L2、第三透镜元件L 3、光阑r 7、第四透镜元件L4和第五透镜元件L5组成的接合透镜组、滤色片GF、成像面IMA。
第一透镜L1，具有负的光焦度，是两面都是球面的玻璃透镜元件；第二透镜元件L2，具有负的光焦度，是两面都是非球面的塑料透镜元件；第三透镜元件L 3，具有正的光焦度，是两面都是凸面的非球面塑料透镜元件；第四透镜元件L4，具有负的光焦度，是两面都是非球面的塑料透镜元件；第五透镜元件L5，具有正的光焦度，是两面都是凸面的非球面塑料透镜元件。并且第四透镜元件和第五透元件通过凸面朝向物方侧的接面合进行粘接而形成胶合透镜组。
图2至图6为相应于实施案例的光学性能曲线图，其中图2为轴向色差曲线图(也可叫球差曲线图)，由常用的F、d、C(F＝0.486um，d＝0.588um，C＝0.656um)三色光的波长来表示，单位为毫米mm。图3为垂轴色差曲线，由常用的F、d、C三色光的波长来表示，单位为微米um。图4为像散曲线图，由常用的F、d、C三色光的波长来表示，单位为mm。图5为畸变曲线图，表示不同视场角情况下的畸变大小值，单位为％。图6为MTF曲线图，代表了一个光学系统的综合解像水平。由图可知，该光学镜头已将各种像差校正到一个较好的水平。
在本实施案例中，该光学镜头的整体焦距值为EFL，光阑值为FNO，视场角为FOV，镜头总长TTL，并由物方侧开始，将各个镜面依次编号，第一镜片L1的镜面为r1、r2，第二镜片L2的镜面为r3、r4，第三镜片L3的镜面为r5、r6，光阑面为r7，第四镜片L4的镜面为r8、r9，滤色片GF的镜面为r10、r11，且非球面镜面的公式为：
式中：Z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的距离矢高sag。
c＝1/r，r表示镜面的曲率半径，k为圆锥系数conic，A，B，C，D，E为高次非球面系数，而系数中的e代表科学记号，中e-05表示10-5。
EFL＝0.844mm，FNO＝2.0，FOV＝190°，TTL＝12.76mm
| 面序号 | 曲率半径r | 中心厚度d | 折射率Nd | 阿贝常数Vd | 有效口径D |
| 1 | 11.95 | 0.7 | 1.729 | 54.7 | 10.42 |
| 2 | 2.765 | 2.19 | 5.34 | ||
| *3 | 8.189 | 0.9 | 1.512 | 56.3 | 5.34 |
| *4 | 0.933 | 0.954 | 4.0 | ||
| *5 | 3.652 | 2.2 | 1.585 | 29.9 | 4.0 |
| *6 | -2.893 | 1.076 | 3.7 | ||
| 7 | infinity | 0.014 | 1.26 | ||
| *8 | 6.072 | 0.7 | 1.585 | 29.9 | 1.32 |
| *9 | 1.268 | 1.74 | 1.512 | 56.3 | 1.94 |
| *10 | -1.363 | 0.1 | 2.5 | ||
| 11 | infinity | 0.3 | 1.5168 | 64.16 | 2.8 |
| IMA | infinity | 1.89 | 3.6 |
上表中打“*”号的镜面为非球面，其相关参数如下：
下表列出的是非球面系数K、A、B、C、D、E：
| 面序号 | k | A | B | C | D | E |
| 3 | -18.49611 | -0.0096357715 | -0.00033303945 | 9.6685811e-006 | 4.841145e-006 | 3.2386081e-008 |
| 4 | -1.576424 | 0.0072494689 | -0.0017340698 | -0.00045317386 | -1.6616007e-005 | -1.021014e-006 |
| 5 | -16.07551 | 0.017655672 | 00023182228 | -000024144254 | -0.00023162164 | 2.8526841e-007 |
| 6 | -3.813011 | 0.0029564247 | -0.00019058289 | -0.00066472842 | 7.9139172e-005 | 1.6394898e-006 |
| 8 | -168.1374 | 0.096487473 | -0.093630036 | -0.085993001 | 0.17514807 | -0.0024354399 |
| 9 | -4.411174 | 0.52700866 | -0.61722387 | 0.34831489 | -0.087779889 | -0.0047905016 |
| 10 | -1.008281 | 0.023156556 | -0.0082477298 | -8.5945757e-005 | 0.0025430394 | 5.5428398e-005 |
根据上述实施案例数据，计算权利要求书中所涉及到的条件公式的数值如下：
虽然上面针对超广角镜头描述了本发明的原理以及具体实施方式，但是在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，而并非用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种超广角镜头，其特征在于，从物方至像方依次包括有：具有负光焦度的第一透镜和第二透镜，具有正光焦度的第三透镜，具有负光焦度的第四透镜和具有正光焦度的第五透镜，所述第四透镜和第五透镜胶合而形成具有正光焦度的胶合透镜；
所述超广角镜头满足：
TTL/EFL≤16
其中TTL为所述镜头第一透镜物方侧最外点至成像面的距离，EFL为所述镜头的焦距值；
并且，还满足：
BFL/EFL≥2.4
其中BFL为所述超广角镜头的第五透镜元件像方侧最外点至成像面的距离，此处所指的BFL为空气中的距离，EFL为所述超超广角镜头的焦距值。
2.根据权利要求1所述的超广角镜头，其特征在于：所述第一透镜为弯月型镜片，且凸面朝向物方，第二透镜为非球面镜片，第三透镜为双凸镜片，所述第四透镜和第五透镜为非球面镜片。
3.根据权利要求1所述的超广角镜头，其特征在于：所述第一透镜满足：
Nd≥1.65，Vd≥45
其中Nd表示透镜材料的d光折射率，Vd表示透镜材料的d光阿贝常数。
4.根据权利要求1所述的超广角镜头，其特征在于：所述第三透镜和第四透镜满足：
Nd≥1.55，Vd≤30。
5.根据权利要求1所述的超广角镜头，其特征在于：所述第二透镜和第五透镜满足：
-0.95≥F2/F5≥-1.5
其中F2表示第二透镜的焦距值，F5表示第五透镜的焦距值。
6.根据权利要求1所述的超广角镜头，其特征在于：所述的第三透镜和第四透镜满足：
-0.95≥F3/F4≥-2.0
其中F3表示第三透镜的焦距值，F4表示第四透镜的焦距值。
7.根据权利要求1所述的超广角镜头，其特征在于：所述镜头的光阑满足FNO≤2.2。
8.根据权利要求1所述的超广角镜头，其特征在于：所述第一透镜的最大通光口径和对应的成像像高、视场角满足如下公式：
D*H/FOV≤0.205
其中FOV表示超广角镜头的最大视场角，D表示最大FOV所对应的第一透镜元件朝向物方凸面的最大通光口径，H表示最大FOV所对应的成像像高。
9.根据权利要求1所述的超广角镜头，其特征在于：所述胶合透镜的接合面满足：
θ≤44°
其中θ为接合面上的任一点的切线与光轴的夹角。
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