CN103439785B - 高像素广角镜头的透镜成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高像素广角镜头的透镜成像系统，该系统从物方到像方共由三组透镜组组成，分别为第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和光阑，第一透镜组由第一负透镜、第二负透镜和第一正透镜依次排列组成，第二透镜组由第二正透镜构成，第三透镜组由第三正透镜、第四负透镜、第四正透镜组成，第一透镜组、光阑、第二透镜组和第三透镜组依次排列。本发明改善光阑前后表面产生的鬼像，改善靠近成像面的光学元件表面产生的鬼像，其视场角至少保证在150°以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种透镜成像系统，尤其涉及一种低成本、大视场角、光学畸变小、宽松加工公差要求以及超高成像质量等优点的高像素广角镜头的透镜成像系统，该系统适用于运用于户外运动的广角摄像镜头。
背景技术
目前一些户外极限运动，如滑雪、冲浪、潜水，跳伞，赛车，潜水等，在剧烈震动，高压强等环境下，都无法解决任一地点和任一方向随意拍照，而且要求有良好的摄像效果，畸变足够小，故研发一款一边运动，一边拍照的相机，市场前景非常广阔，此镜头开发就基于此背景立项。
传统的广角摄像镜头主要是由六片或以上球面镜片组成，结构形式比较单一，这种系统缺点是显而易见的：
第一，在图像传感器上像素点尺寸越来越小的情况下，对光学系统的极限分辨率要求不断提高，光学系统的轴外像差很难保证；
第二，系统产生鬼像的相对强度和尺寸大小上都很难改善；
第三，系统光学畸变很难再进一步降低。
当然，现今也有使用六片或以上带有玻璃非球面透镜的高成像质量的光学系统，但它们很难同时消除以上三个主要缺点。
发明内容
为了克服了上述现有技术的缺点，本发明所要解决的技术问题是，提供一种高像素广角摄像镜头的透镜成像系统，保证光学系统的轴外像差，改善系统产生鬼像的相对强度和尺寸大小，降低系统光学畸变。
基于上述目的，本发明采用以下技术方案，高像素广角镜头的透镜成像系统，包括第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和光阑，所述第一透镜组由第一负透镜、第二负透镜和第一正透镜依次排列组成，第一负透镜、第二负透镜和第一正透镜均有凸面和凹面，第一负透镜的凹面对应第二负透镜的凸面，第二负透镜的凹面对应第一正透镜凸面；
所述第二透镜组由第二正透镜构成，第二正透镜的二个面均为凸面；
所述第三透镜组由第三正透镜、第四负透镜、第四正透镜组成，第三正透镜的二面均为凸面，第四负透镜的二面均为凹面，第三正透镜与第四负透镜粘合为一体，第四正透镜的二面均为凸面；
所述第一透镜组、所述光阑、所述第二透镜组和所述第三透镜组依次排列。
所述第二负透镜、所述第四正透镜的二面均为玻璃非球面。
本系统的光焦度关系式为:-0.02<1/f6+1/f7<0.02；
其中：f6和f7分别代表第四负透镜和第四正透镜的焦距。
反映本系统第二负透镜和第四正透镜的光焦度之和。
本系统的像高比关系式为:IH/(f*tanθ)>0.3；
其中：IH表示广角镜头组的半像高，f表示广角镜头组的焦距，θ表示广角镜头组的半视场角。
反映本系统实际像高与理想像高的比值。
所述的非球面均满足下面的等式：
；
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，F分别表示四阶、六阶、八阶、十阶，十二阶曲面系数。
随着加工工艺的不断提高，图像传感器上像素点的尺寸越来越小，这对透镜系统的极限分辨率要求越来越高，这就同时对系统轴外像差有了很高的要求。本发明采用第二负透镜、第四正透镜的二面均为玻璃非球面的两片共四个面均为玻璃非球面，使用这两片为非球面可以最大限度的矫正光学系统的轴外像差。使用玻璃非球面而非塑胶非球面的目的是为了更好的实现无热化，符合本产品所使用的户外环境。
采用非球面还可以进一步降低系统的光学畸变。主要同过对比以下公式体现：
IH/(f*tanθ)>0.3，其中IH表示广角镜头组的半像高，f表示广角镜头组的焦距，θ表示广角镜头组的半视场角。
一般系统运用该公式所得值一般在0.15以下，该公式的物理意义就是在相同焦距的系统中，相同视场角的情况下，本发明可以获得更多的像高。对于广角系统而言，意思就是本发明的光学畸变更小。
对于广角镜头而言，镜头鬼像是影响成像质量的最重要影响因素之一。本发明采用独创的结构形式实现了尽可能多的降低镜头鬼像的相对强度和尺寸大小。主要体现在以下几点：
1）在第一透镜组中，第一正透镜的第一面采用凸面，第二面采用凹面，但该片透镜为正透镜。
2）在第二透镜组中，第二正透镜采用双凸透镜。
3）在第三透镜组中，同时采用第四负透镜的第二面为凹面和第四正透镜的第一面为凸面。
4）该系统满足关系式:-0.01<1/f6+1/f7<0.01，其中f6和f7分别代表第四负透镜和第四正透镜的焦距。
在光学系统中，鬼像的产生主要是因为光线在镜片有效表面形成二次反射再汇聚到成像焦面上形成的。在广角光学系统中，这种情况的发生主要体现在两个地方，一是光阑前后表面，二是最靠近成像面的光学元件表面。
本发明主要体现在解决这两点上，一是改善光阑前后表面产生的鬼像，二是改善靠近成像面的光学元件表面产生的鬼像。在符合上述所有条件的同时，其视场角至少保证在150°以上。
附图说明
图1为本发明的高像素广角镜头成像系统实施例的截面示意图。
图中：1.第一透镜组，11.第一负透镜，12.第二负透镜，13.第一正透镜，2.第二透镜组，21.第二正透镜.3.第三透镜组，31.第三正透镜，32.第四负透镜，33.第四正透镜，4.光阑。
Ri（i=1，2，3…13）代表该符号线条所指的透镜面的曲率半径。
图2为本发明的高像素广角镜头镜头成像系统实施例1的截面示意图。
图2-1为本发明的高像素广角镜头成像系统实施例1的场曲和畸变曲线示意图。
图中：左边图形为场曲图，x轴坐标单位为毫米，为场曲值，y轴坐标单位为角度，对应于系统的视场角；示意图右边图形为光学畸变图，x轴坐标单位为百分比，为畸变值，y轴坐标单位为角度，对应于系统的视场角。
图2-2为本发明的高像素广角镜头成像系统实施例1的轴上点球差色差曲线示意图。
为球差图，x轴坐标单位为毫米，为球差值，y轴坐标单位为角度，对应于系统的视场角。
图2-3为本发明的高像素广角镜头成像系统实施例1的横向色差曲线示意图。
为色差图，x轴坐标单位为微米，为色差值，y轴坐标单位为角度，对应于系统的视场角。
图3为本发明的高像素广角镜头成像系统实施例2的截面示意图。
本实施例区别于实施例1，系统的厚度，曲率半径等与实施例1有不同，同时第一组第二片镜片使用的材料不同，这些不同在实施例的表2-1中有体现。
图3-1为本发明的高像素广角镜头成像系统实施例2的场曲和畸变曲线示意图。
图3-2为本发明的高像素广角镜头成像系统实施例2的轴上点球差色差曲线示意图。
图3-3为本发明的高像素广角镜头成像系统实施例2的横向色差曲线示意图。
图4为本发明的高像素广角镜头成像系统实施例3的截面示意图。
本实施例区别于实施例1和实施例2，系统的总长为16.0mm，小于前面两个实施例的24mm。系统的厚度，曲率半径等与实施例1和2也各不相同。这些不同在实施例的表3-1中有体现。
图4-1为本发明的高像素广角镜头成像系统实施例3的场曲和畸变曲线示意图。
图4-2为本发明的高像素广角镜头成像系统实施例3的轴上点球差色差曲线示意图。
图4-3为本发明的高像素广角镜头成像系统实施例3的横向色差曲线示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步说明。
参见图1，本发明提供一种高像素广角镜头的透镜成像系统，该系统从物方到像方共由三组透镜组组成，包括第一透镜组1、第二透镜组2、第三透镜组3和光阑4，所述第一透镜组1由第一负透镜11、第二负透镜12和第一正透镜13依次排列组成，第一负透镜11、第二负透镜12和第一正透镜13均有凸面和凹面，第一负透镜11的凹面对应第二负透镜12的凸面，第二负透镜12的凹面对应第一正透镜13凸面；第二透镜组2由第二正透镜21构成，第二正透镜21的二个面均为凸面；第三透镜组3由第三正透镜31、第四负透镜32、第四正透镜33组成，第三正透镜31的二面均为凸面，第四负透镜32的二面均为凹面，第三正透镜31与第四负透镜32粘合为一体，第四正透镜33的二面均为凸面；第一透镜组1、光阑4、第二透镜组2和第三透镜组3依次排列。
本发明中第二负透镜12、第四正透镜33的二面均为玻璃非球面。使用这两片为非球面可以最大限度的矫正光学系统的轴外像差。使用玻璃非球面而非塑胶非球面的目的是为了更好的实现无热化，符合本产品所使用的户外环境。
本系统的光焦度关系式为:-0.02<1/f6+1/f7<0.02；
其中：f6和f7分别代表第四负透镜和第四正透镜的焦距。
反映本系统第二负透镜和第四正透镜的光焦度之和。
本系统的像高比关系式为:IH/(f*tanθ)>0.3；
其中：IH表示广角镜头组的半像高，f表示广角镜头组的焦距，θ表示广角镜头组的半视场角。
反映本系统实际像高与理想像高的比值。
所述的非球面均满足下面的等式：
；
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，F分别表示四阶、六阶、八阶、十阶，十二阶曲面系数。
采用非球面还可以进一步降低系统的光学畸变。主要同过对比以下公式体现：
IH/(f*tanθ)>0.3，其中IH表示广角镜头组的半像高，f表示广角镜头组的焦距，θ表示广角镜头组的半视场角。
对于广角镜头而言，镜头鬼像是影响成像质量的最重要影响因素之一。本发明采用独创的结构形式实现了尽可能多的降低镜头鬼像的相对强度和尺寸大小。主要体现在以下几点：
1)在第一透镜组1中，第一正透镜13的第一面采用凸面，第二面采用凹面，但该片透镜为正透镜。
2)在第二透镜组2中，第二正透镜21的透镜采用双凸透镜。
3)在第三透镜组3中，同时采用第四负透镜32的第二面为凹面和第三正透镜33的第一面为凸面。
4)该系统满足关系式:-0.02<1/f6+1/f7<0.02，其中f6和f7分别代表第四负透镜32和第四正透镜33的焦距。
在以下的实施例中，f表示系统的焦距，f6和f7分别代表第四负透镜32和第三正透镜33的焦距，θ表示广角镜头组的半视场角，IH表示广角镜头组的半像高，FNO表示光圈数，r表示曲面顶点的曲率半径，d表示当前面到下一面的距离，nd表示材料的d线的折射率，Vi（i=1，2，3…）表示阿贝数，TOTR表示系统的总长。
实施例1：本实施例中，该镜头系统满足本发明的权利要求。
表1-1
| 表面序号 | r | d | nd | V | |
| 1 | 物 | — | 5 | ||
| 2 | 透镜11 | 12.047 | 0.738 | 1.804 | 46.6 |
| 3 | 3.525 | 1.82 | |||
| 4 | 透镜12 | 6.27 | 0.67 | 1.59 | 61.3 |
| 5 | 2.235 | 1.325 | |||
| 6 | 透镜13 | 7.93 | 4.68 | 1.77 | 49.6 |
| 7 | 5.487 | 0.35 | |||
| 8 | 光阑 | — | 0.05 | ||
| 9 | 透镜21 | 7.12 | 2.46 | 1.72 | 38.0 |
| 10 | -4.80 | 0.132 | |||
| 11 | 透镜31 | 9.32 | 3.22 | 1.6 | 65.5 |
| 12 | 透镜32 | -2.811 | 0.732 | 1.73 | 28.3 |
| 13 | -7.14 | 0.145 | |||
| 14 | 透镜33 | 6.54 | 3.05 | 1.50 | 81.6 |
| 15 | -4.83 | 1.0 | |||
| 16 | 平板玻璃 | — | 0.55 | 1.52 | 64.2 |
| 17 | — | 3.054 | |||
| 18 | 像面 | — | — |
表1-2
| 表面序号 | K | B | C | D | E | F |
| 4 | 0.788230 | -0.000302553 | -0.000188198 | 9.821482e-006 | -5.469360e-007 | 0 |
| 5 | -0.697148 | 0.003672189 | -0.000432816 | 7.686936e-005 | -1.006058e-005 | 0 |
| 14 | -0.319117 | -0.001881644 | 0.000186472 | -6.100592e-006 | -4.309741e-007 | 3.592824e-008 |
| 15 | 0.167888 | 0.001096474 | 4.716792e-005 | 4.478551e-006 | -3.674274e-007 | 2.752373e-008 |
在本实施例中，系统焦距f=2.7mm，FNO=2.8，半视场角为76.7度，系统总长TOTR=24.0mm。表2为条件计算结果。
表1-3
| 条件式 | 结果 |
| IH/(f*tanθ) > 0.3 | 0.35 |
| R5>0,R6>0 | 符合 |
| R7>0,R8<0 | 符合 |
| R11>0,R12>0 | 符合 |
| -0.02 < 1/f6 + 1/f7 < 0.02 | 0.0057 |
实施例2：本实施例中，该镜头系统满足本发明的权利要求。
表2-1
| 表面序号 | r | d | nd | V | |
| 1 | 物 | — | 5 | ||
| 2 | 透镜11 | 12.0 | 0.76 | 1.804 | 46.6 |
| 3 | 3.524 | 1.80 | |||
| 4 | 透镜12 | 6.25 | 0.68 | 1.618 | 63.8 |
| 5 | 2.237 | 1.30 | |||
| 6 | 透镜13 | 7.72 | 4.59 | 1.77 | 49.6 |
| 7 | 5.5 | 0.36 | |||
| 8 | 光阑 | — | 0.05 | ||
| 9 | 透镜21 | 7.09 | 2.40 | 1.72 | 38.0 |
| 10 | -4.76 | 0.11 | |||
| 11 | 透镜31 | 9.34 | 3.19 | 1.6 | 65.5 |
| 12 | 透镜32 | -2.78 | 0.71 | 1.73 | 28.3 |
| 13 | -7.0 | 0.16 | |||
| 14 | 透镜33 | 6.50 | 3.01 | 1.50 | 81.6 |
| 15 | -4.79 | 1.0 | |||
| 16 | 平板玻璃 | — | 0.55 | 1.52 | 64.2 |
| 17 | — | 2.84 | |||
| 18 | 像面 | — | — |
表2-2
| 表面序号 | K | B | C | D | E | F |
| 4 | 0.785598 | -0.000263063 | -0.000189957 | 9.758254e-006 | -5.426885e-007 | 0 |
| 5 | -0.695835 | 0.003753145 | -0.000419759 | 7.855937e-005 | -1.028250e-005 | 0 |
| 14 | -0.333791 | -0.001893764 | 0.000188498 | -6.137979e-006 | -4.492340e-007 | 3.627188e-008 |
| 15 | 0.173354 | 0.001108179 | 5.015968e-005 | 4.410220e-006 | -3.861900e-007 | 2.958864e-008 |
在本实施例中，系统焦距f=2.7mm，FNO=2.9，半视场角为76.7度，系统总长TOTR=24.0mm。表2为条件计算结果。
表2-3
| 条件式 | 结果 |
| IH/(f*tanθ) > 0.3 | 0.348 |
| R5>0,R6>0 | 符合 |
| R7>0,R8<0 | 符合 |
| R11>0,R12>0 | 符合 |
| -0.02 < 1/f6 + 1/f7 < 0.02 | 0.012 |
实施例3：本实施例中，该镜头系统满足本发明的权利要求。
表3-1
| 表面序号 | r | d | nd | V | |
| 1 | 物 | — | 5 | ||
| 2 | 透镜11 | 8.03 | 0.5 | 1.804 | 46.6 |
| 3 | 2.36 | 1.22 | |||
| 4 | 透镜12 | 4.18 | 0.45 | 1.618 | 63.8 |
| 5 | 1.5 | 0.88 | |||
| 6 | 透镜13 | 5.2 | 3.13 | 1.77 | 49.6 |
| 7 | 3.675 | 0.24 | |||
| 8 | 光阑 | — | 0.04 | ||
| 9 | 透镜21 | 4.745 | 1.63 | 1.72 | 38.0 |
| 10 | -3.20 | 0.08 | |||
| 11 | 透镜31 | 6.26 | 2.14 | 1.6 | 65.5 |
| 12 | 透镜32 | -1.88 | 0.48 | 1.73 | 28.3 |
| 13 | 4.77 | 0.11 | |||
| 14 | 透镜33 | 4.37 | 2.02 | 1.50 | 81.6 |
| 15 | -3.23 | 0.67 | |||
| 16 | 平板玻璃 | — | 0.35 | 1.52 | 64.2 |
| 17 | — | 2.1 | |||
| 18 | 像面 | — | — |
表3-2
| 表面序号 | K | B | C | D | E | F |
| 4 | 0.793990 | -0.000966660 | -0.001410414 | 0.000165044 | -2.049894e-005 | 0 |
| 5 | -0.696683 | 0.012284553 | -0.003186298 | 0.001308203 | -0.000374446 | 0 |
| 14 | -0.328090 | -0.006321814 | 0.001395270 | -0.000103122 | -1.632624e-005 | 3.013083e-006 |
| 15 | 0.167906 | 0.003696043 | 0.000351084 | 7.480341e-005 | -1.382684e-005 | 2.324180e-006 |
在本实施例中，系统焦距f=1.8mm，FNO=2.8，半视场角为76.7度，系统总长TOTR=16.0mm。表2为条件计算结果。
表3-3
| 条件式 | 结果 |
| IH/(f*tanθ) > 0.3 | 0.351 |
| R5>0,R6>0 | 符合 |
| R7>0,R8<0 | 符合 |
| R11>0,R12>0 | 符合 |
| -0.02 < 1/f6 + 1/f7 < 0.02 | 0.019 |
本发明提供一种高像素广角镜头的透镜成像系统。该系统从物方到像方共由三组透镜组组成，分别为第一透镜组1，第二透镜组2和第三透镜组3。第一透镜组1是由第一负透镜11、第二负透镜12及第一正透镜13组成，第一负透镜11的第一面和第二面依次为凸面和凹面，第二负透镜12的第一面和第二面依次为凸面和凹面，第一正透镜13的第一面和第二面依次为凸面和凹面。第二透镜组2是由第二正透镜21组成，第二正透镜21的二个面都为凸面。第三透镜组3是由第三正透镜31及第四负透镜32，以及第四正透镜33组成，第三正透镜31的第一面和第二面都为凸面，第四负透镜32的第一面和第二面都为凹面，第三正透镜31与第四负透镜32为粘合体，第四正透镜33两个面都为凸面。光阑位于前两组透镜组之间。此系统采用独特的结构形式，很好的控制光学系统的鬼像，在第二负透镜12和第四正透镜33采用非球面，最大限度的提高轴外像差，并能很好的校正系统光学畸变。本发明整个系统结构紧凑，制造公差宽松，能很好的批量生产。
本发明在镜头市场前景极为广阔，可广泛应用在一些户外极限运动，如滑雪、冲浪、潜水，跳伞，赛车，潜水等，一边运动，一边拍照，另可广泛应用在监控系统，车载系统等。
Claims (3)
1.高像素广角镜头的透镜成像系统，包括第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和光阑，所述第一透镜组由第一负透镜、第二负透镜和第一正透镜依次排列组成，第一负透镜、第二负透镜和第一正透镜均有凸面和凹面，第一负透镜的凹面对应第二负透镜的凸面，第二负透镜的凹面对应第一正透镜凸面；所述第二透镜组由第二正透镜构成，第二正透镜的二个面均为凸面；所述第三透镜组由第三正透镜、第四负透镜、第四正透镜组成，第三正透镜的二面均为凸面，第四负透镜的二面均为凹面，第三正透镜与第四负透镜粘合为一体，第四正透镜的二面均为凸面；所述第一透镜组、所述光阑、所述第二透镜组和所述第三透镜组依次排列；
所述第二负透镜、所述第四正透镜的二面均为玻璃非球面；其特征在于，光焦度关系式为:-0.02<1/f6+1/f7<0.02；
其中：f6和f7分别代表第四负透镜和第四正透镜的焦距。
2.根据权利要求1所述的高像素广角镜头的透镜成像系统，其特征在于，像高比关系式为:IH/(f*tanθ)>0.3；
其中：IH表示广角镜头组的半像高，f表示广角镜头组的焦距，θ表示广角镜头组的半视场角。
3.根据权利要求1所述的高像素广角镜头的透镜成像系统，其特征在于，所述的非球面均满足下面的等式：
，
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、F分别表示四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶曲面系数。
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