CN103513398B - 一种光学成像镜头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学成像镜头，包括透镜组，所述透镜组包括同轴且自物方至像方依次排列的：具有负屈光度的第一镜片，具有负屈光度的第二镜片，具有正屈光度的第三镜片以及具有正屈光度的第四镜片；且所述透镜组满足以下条件：L/F>13，-15<f₁/F<-12，L_h/F>1.5；其中第一镜片的焦距为f₁，透镜组的焦距为F，光学成像镜头的光学总长为L，光学后焦为L_h。本发明提供的光学成像镜头与成像芯片匹配更加容易，具有水平方向全视场不小于180°，对角线全视场不小于219°的超大视场；本发明采用较少的镜片，镜头结构简单，可有效缩减镜头体积且具有良好的成像质量。

Description

一种光学成像镜头

技术领域

本发明涉及一种光学器件，尤其涉及一种超大广角的光学成像镜头。

背景技术

在监控以及车载相机设备中，光学成像镜头是极其重要的组件。光学镜头的视场角大小、成像质量好坏直接决定了成像设备拍摄的范围、成像的清晰度，因此对配备的光学镜头具有很高的要求。由于配备的光学镜头结构较复杂，成本较高，不利于监控以及车载相机设备的推广。为了利于成像设备的推广使用，降低其成本成了必然的趋势，因而很多厂商采取了简化光学镜头的镜片数量来达到此目的。但是，简化后的光学镜头与常用的成像芯片匹配时存在以下两方面问题：一是视场角不够大，水平全视场角只有120-130°左右、对角线全视场只有140-150°左右；二是成像质量较差，清晰度不够。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有问题之一，提供一种具有大视场角、较好的光学性能，结构简单的光学成像镜头。

本发明提供一种光学成像镜头，包括透镜组，所述透镜组包括同轴且自物方至像方依次排列的：具有负屈光度的第一镜片，具有负屈光度的第二镜片，具有正屈光度的第三镜片以及具有正屈光度的第四镜片；

所述第一镜片包括凸向物方的第一表面及向物方凹陷的第二表面；

所述第二镜片包括第三表面和第四表面，所述第三表面为凸向物方的非球面，所述第四表面为向物方凹陷的非球面；

所述第三镜片包括凸向物方的第五表面及向物方凹陷的第六表面；

所述第四镜片包括第七表面和第八表面，所述第七表面为中心凸向物方，边缘向像方凹陷的非球面，所述第八表面为凸向像方的非球面；

且所述透镜组满足以下条件：

L/F>13，

-15<f₁/F<-12，

L_h/F>1.5；

其中第一镜片的焦距为f₁，透镜组的焦距为F，光学成像镜头的光学总长为L，光学后焦为L_h。

与现有技术相比，本发明提供的光学成像镜头与成像芯片匹配更加容易，具有水平方向全视场不小于180°，对角线全视场不小于219°的超大视场；本发明采用较少的镜片，镜头结构简单，可有效缩减镜头体积且具有良好的成像质量。

附图说明

图1是本发明光学成像镜头的结构示意图；

图2是本发明实施例一光学成像镜头的MTF（光学传递函数）图；

图3是本发明实施例一光学成像镜头的色差示意图；

图4是本发明实施例一光学成像镜头的场曲示意图；

图5是本发明实施例一光学成像镜头的畸变示意图；

图6是本发明实施例一光学成像镜头的点列图；

图7是本发明实施例二光学成像镜头的MTF（光学传递函数）图；

图8是本发明实施例二光学成像镜头的色差示意图；

图9是本发明实施例二光学成像镜头的场曲示意图；

图10是本发明实施例二光学成像镜头的畸变示意图；

图11是本发明实施例二光学成像镜头的点列图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种光学成像镜头，该光学成像镜头包括透镜组1，所述透镜组1包括同轴且自物方至像方依次排列的：具有负屈光度的第一镜片11，具有负屈光度的第二镜片12，具有正屈光度的第三镜片13以及具有正屈光度的第四镜片14；

所述第一镜片11包括凸向物方的第一表面110及向物方凹陷的第二表面111；

所述第二镜片12包括第三表面120和第四表面121，所述第三表面120为凸向物方的非球面，所述第四表面121为向物方凹陷的非球面；

所述第三镜片13包括凸向物方的第五表面130及向物方凹陷的第六表面131；

所述第四镜片14包括第七表面140和第八表面141，所述第七表面140为中心凸向物方，边缘向像方凹陷的非球面，所述第八表面141为凸向像方的非球面；

且所述透镜组1满足以下条件：

L/F>13，

-15<f₁/F<-12，

L_h/F>1.5；

其中第一镜片11的焦距为f₁，透镜组的焦距为F，光学成像镜头的光学总长为L，光学后焦为L_h。

本发明中L/F数值较大，光学镜头成为反远距结构。如此，一方面可使镜头的角放大率减小，成像面最大主光线角减小，从而使镜头与成像芯片的匹配更加容易；另一方面，L_h/F相应增大，从而使镜头后焦变大，便于后期光学成像镜头调焦装配。

进一步，所述透镜组1满足以下条件：C₂/C₁<1，1.5<C₃/C₁<2.5，1<C₄/C₁<2，其中第一镜片11、第二镜片12、第三镜片13、第四镜片14的中心厚度分别为C₁、C₂、C₃、C₄。

透镜组1各镜片的中心厚度具有合理的配比关系能保障良好的成像质量，而且使得各镜片厚度尽可能小，有助于缩短镜头总长；同时本发明合理的设置镜片的最大外径，能够确保透镜组1整体外径较小。通过镜片的中心厚度和最大外径的合理配置，有效的缩减了镜头的体积。

更优选地，第一镜片11的中心厚度C₁<2mm，第一镜片11的最大外径小于17mm；

第二镜片12的中心厚度C₂<2mm，第二镜片12的最大外径小于10mm；

第三镜片13的中心厚度C₃<3mm，第三镜片13的最大外径小于9mm；

第四镜片14的中心厚度C₄<2mm，第四镜片14的最大外径小于9mm。

所述光学成像镜头还包括孔径光阑2，位于第六表面131和第七表面140之间。

所述孔径光阑2用于控制通过镜片的光通量，孔径光阑满足以下条件：D₁>D₂，其中孔径光阑2与第六表面131的距离为D₁，孔径光阑2与第七表面140的距离为D₂，本发明中孔径光阑与镜片表面的距离为沿水平光轴的距离。

所述光学成像镜头还包括滤光片3，所述滤光片3位于第四镜片14朝向像方的一侧。滤光片3是具有滤光作用平板玻璃，平板玻璃至少一透光表面镀覆红外截止滤光膜，以滤除来自于被摄物反射光线中的红外光线，提高该镜头的成像质量。

进一步，所述透镜组1的折射率满足以下条件：n₁>n₂，n₁>n₄；n₃>n₂，n₃>n₄；其中所述第一镜片11、第二镜片12、第三镜片13、第四镜片14的折射率分别为n₁、n₂、n₃、n₄。

进一步，所述透镜组1的阿贝系数满足以下条件：v₁<v₂，v₁<v₄，v₃<v₁；

其中所述第一镜片11、第二镜片12、第三镜片13、第四镜片14的阿贝系数为分别为v₁、v₂、v₃、v₄。

进一步，所述透镜组1满足以下条件：

2<R₁/R₂<3；

3<R₃/R₄<5；

0.1<R₅/R₆<0.3；

-5<R₇/R₈<-4；

其中所述第一表面110至第八表面141的曲率半径分别为R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈。

本发明实施例中，所述第一表面110、第二表面111、第五表面130和第六表面131为球面。所述第三表面120、第四表面121、第七表面140和第八表面141为非球面并满足以下的非球面公式：

其中：z为以各非球面与光轴的交点为起点、垂直光轴方向的轴向值，k为二次曲面系数；c为镜片表面的中心曲率；r为镜片表面的中心高度，a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆，a₇……为非球面系数。

本发明提供的光学成像镜头，第一镜片11和第三镜片13为玻璃镜片，第二镜片12和第四镜片14为塑胶镜片，通过两片玻璃镜片、两片塑胶镜片的混合搭配，大幅降低了成本，减轻镜头重量。

下面再通过两个实施例，提供两份参数，以使技术人员能更加清楚地知晓本发明的优点。

实施例一

本实施例提出了光学成像镜头的相关参数，具体如下：

表1镜面参数

表2非球面系数参数

k，a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆，a₇为非球面系数。

表1中的厚度为该面到下一个面的距离，如表1中，第一表面110的厚度为0.93，即指第一镜片11的中心厚度为0.93mm；第二表面111的厚度为2.42，即指第二表面111与第三表面120的距离为2.42mm，依次类推。

在本实施例中，F=0.83，f₁=-11.27，f₂=-1.89，f₃=2.91，f₄=1.82，L=11.54，L_h=1.89。L/F>13，从而最大主光线角较小，因此与成像芯片的匹配更加容易。L_h/F>1.5，镜头后焦距较大，便于后期调焦装配。

光学器件中成像芯片一般是4：3的长宽比例，那么水平方向的半高是对角线半高的0.8倍，设芯片对角线半高为D，则水平方向的半高为0.8D。设镜头在180°全视场（半视场90°）时成像点距离光轴高度为H₁，在219°全视场（半视场109.5°）时成像点距离光轴高度为H₂。如光学成像镜头具有水平方向全视场不小于180°、对角线全视场不小于219°的超大视场，则要求满足条件：H₁≤0.8D≤H₂≤D。

本实施例中，采用市场上主流的1/4英寸成像芯片，成像芯片的对角线半高D=2.24mm，0.8D=1.792mm，此时根据图6可知，像点高度H₁=1.786mm，H₂=2.228mm，则满足1.786≤1.792≤2.228≤2.24，即H₁≤0.8D≤H₂≤D。因此，本发明提供的光学成像镜头具有水平方向全视场不小于180°、对角线全视场不小于219°的超大视场。

图2是本发明实施例一的光学成像镜头的调制传递函数（ModulationTransferFunction，简称MTF）曲线图，图中横轴表示空间频率，单位：线对每毫米（lp/mm）；纵轴表示调制传递函数（MTF）的数值，所述MTF的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0-1，MTF曲线越高越直表示镜头的成像质量越好，对真实图像的还原能力越强。从图2可以看出，各视场子午方向(T)和弧矢方向(S)方向的MTF曲线很靠近，其表明：该镜头在各个视场，子午方向(T)和弧矢方向(S)这两个方向的成像性能具有良好的一致性，能保证镜头组件在整个成像面上都能清晰成像，而不会出现中间清晰、边缘模糊的情况。全视场内MTF较为集中，并且MTF曲线下降趋势平直，可以确保较佳的成像质量。

图3是本发明实施例一光学成像镜头的色差示意图，从图3可以看出，色差值都很小，小于5um，基本都在艾利斑范围内，可以确保镜头拍摄彩色图像时具有很好的效果。

图4和图5分别是本发明实施例一光学成像镜头的场曲和畸变图，从图4和图5可以看出，场曲小于0.2mm，畸变在-200%范围内，具有良好的光学性能。

实施例二

表3镜面参数

表4非球面系数参数

k，a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆，a₇为非球面系数。

上述参数中F=0.83，f₁=-11.33，f₂=-1.89，f₃=2.91，f₄=1.80，L=11.53，L_h=1.88。L/F>13，从而最大主光线角较小，因此与成像芯片的匹配更加容易。L_h/F>1.5，镜头后焦较大，便于后期调焦装配。

如图11所示，像点高度H₁=1.788mm，H₂=2.232mm，满足1.788≤1.792≤2.232≤2.24，即H₁≤0.8D≤H₂≤D。因此，本发明提供的光学成像镜头具有水平方向全视场不小于180°、对角线全视场不小于219°的超大视场。

图7是本发明实施例二的光学成像镜头的调制传递函数（ModulationTransferFunction，简称MTF）曲线图，图中横轴表示空间频率，单位：线对每毫米（lp/mm）；纵轴表示调制传递函数（MTF）的数值，所述MTF的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0-1，MTF曲线越高越直表示镜头的成像质量越好，对真实图像的还原能力越强。从图7可以看出，各视场子午方向(T)和弧矢方向(S)方向的MTF曲线很靠近，其表明：该镜头在各个视场，子午方向(T)和弧矢方向(S)这两个方向的成像性能具有良好的一致性，能保证镜头组件在整个成像面上都能清晰成像，而不会出现中间清晰、边缘模糊的情况。全视场内MTF较为集中，并且MTF曲线下降趋势平直，可以确保较佳的成像质量。

图8是本发明实施例二光学成像镜头的色差示意图，从图8可以看出，色差值都很小，小于5um，基本都在艾利斑范围内，可以确保镜头拍摄彩色图像时具有很好的效果。

图9和图10分别是本发明实施例二光学成像镜头的场曲和畸变图，从图3和图4可以看出，场曲小于0.2mm，畸变在-200%范围内，具有良好的光学性能。

综上所述，本发明提供的光学成像镜头包括由第一镜片、第二镜片、第三镜片以及第四镜片组成的镜片组，与成像芯片匹配更加容易，并具有水平方向全视场不小于180°，对角线全视场不小于219°的超大视场，适用于超大视场监控和车载全景影像系统。。

本发明采用较少的镜片，镜头结构简单，镜片排列和配置合理，可以有效缩减镜头体积且具有良好的成像质量。

本发明通过两片玻璃镜片、两片塑胶镜片的混合搭配，大幅降低了成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学成像镜头，包括透镜组，其特征在于，所述透镜组包括同轴且自物方至像方依次排列的：具有负屈光度的第一镜片，具有负屈光度的第二镜片，具有正屈光度的第三镜片以及具有正屈光度的第四镜片；

所述第一镜片包括凸向物方的第一表面及向物方凹陷的第二表面；

所述第二镜片包括第三表面和第四表面，所述第三表面为凸向物方的非球面，所述第四表面为向物方凹陷的非球面；

所述第三镜片包括凸向物方的第五表面及向物方凹陷的第六表面；

所述第四镜片包括第七表面和第八表面，所述第七表面为中心凸向物方，边缘向像方凹陷的非球面，所述第八表面为凸向像方的非球面；

且所述透镜组满足以下条件：

L/F>13，

-15<f₁/F<-12，

L_h/F>1.5；

其中第一镜片的焦距为f₁，透镜组的焦距为F，光学成像镜头的光学总长为L，光学后焦为L_h。

2.如权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述透镜组满足以下条件：

C₂/C₁<1，1.5<C₃/C₁<2.5，1<C₄/C₁<2

其中第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片的中心厚度分别为C₁、C₂、C₃、C₄。

3.如权利要求2所述的光学成像镜头，其特征在于，C₁<2mm，C₂<2mm，C₃<3mm，C₄<2mm。

4.如权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，还包括孔径光阑，所述孔径光阑位于第六表面和第七表面之间。

5.如权利要求4所述的光学成像镜头，其特征在于，所述孔径光阑满足以下条件：

D₁>D₂

其中孔径光阑与第六表面的距离为D₁，孔径光阑与第七表面的距离为D₂。

6.如权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述透镜组的折射率满足以下条件：

n₁>n₂，n₁>n₄；n₃>n₂，n₃>n₄

其中所述第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片的折射率分别为n₁、n₂、n₃、n₄。

7.如权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述透镜组的阿贝系数满足以下条件：

v₁<v₂，v₁<v₄，v₃<v₁

其中所述第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片的阿贝系数为分别为v₁、v₂、v₃、v₄。

8.如权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述透镜组满足以下条件：

2<R₁/R₂<3；

3<R₃/R₄<5；

0.1<R₅/R₆<0.3；

-5<R₇/R₈<-4；

其中所述第一表面至第八表面的曲率半径分别为R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈。

9.如权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述第三表面、第四表面、第七表面和第八表面满足以下的非球面公式：

其中：z为以各非球面与光轴的交点为起点、垂直光轴方向的轴向值，k为二次曲面系数，c为镜片表面的中心曲率；r为镜片表面的中心高度，a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆，a₇……为非球面系数。

10.如权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述第一镜片和第三镜片为玻璃镜片，所述第二镜片和第四镜片为塑胶镜片。