CN103703403B

CN103703403B - 广角镜头以及成像装置

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Publication number: CN103703403B
Application number: CN201280036931.6A
Authority: CN
Inventors: 佐藤裕之; 寺尾典之; 入野祥明; 田中智宪; 今江望; 原田亨; 竹中博一; 山本英明; 增田宪介; 泽口聪; 别所大介
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2032-07-23
Also published as: US20150192762A1; US9453991B2; US9019342B2; RU2555203C1; JP2013025255A; EP2983028B1; EP2737354A1; EP2737354A4; BR112014001643A2; CN105319673A; JP5652349B2; EP2737354B1; CN103703403A; EP2983028A1; WO2013015431A1; US20140132709A1

Abstract

一种具有大于180度视场角的广角镜头从物侧到像侧的顺序包括前组、反射面以及后组，其中，具有负折射率的前组包括三个透镜，反射面被配置成将前组的光轴朝向后组弯曲90度，具有正折射率的后组包括四个透镜，前主点被设置在前组中从物侧起的第二透镜和第三透镜之间，并且这个系统的焦距f以及反射面与前组的光轴的交点与前主点之间的距离d满足下面的条件(l)。(l)7.0<d/f<9.0。

Description

广角镜头以及成像装置

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2011年7月25日提交的日本在先专利申请No.2011-162213的优先权，其全部内容通过引用结合在本文中。

技术领域

本发明涉及一种在成像装置中使用的广角镜头以及一种成像装置。

背景技术

已知的有一种组合了两个成像光学系统的成像装置，其中每一个成像光学系统都包括具有大于180度视场角的广角镜头和用于通过广角镜头对图像进行成像的成像传感器，因此各自物侧透镜彼此相对，并且通过各自的成像光学系统的图像被合成以获得具有4π弧度的立体角的图像（参考日本专利公开No.3290993）。

这样的成像装置能够同时获得各个方向的图像信息；因此，举例来说，能够有效的被用于安全监控照相机或者车载照相机。近年来，需要减小这样的成像装置的尺寸以被用作便携式成像装置。

举例来说，非常准确和清楚的图像信息能够通过使用新闻报告中的手持条件下的小型成像装置获得。

最好是在被用在这样的成像装置中的具有180度或以上的视场角的广角镜头中将最大像高的光线反射远离光轴而不使用要被成像在成像表面上的锐角。

但是，如果具有180度及以上的视场角的广角镜头的总长度减少，有必要将周围的光束彻底地反射以远离光轴。由于这个原因，成像表面的周围部分的分辨率由于各种像差而降低。

有必要平缓地反射周围的光束以便维持成像表面的周围的高分辨率。由于这个原因，镜头的总长度增加了，并且这样的成像装置不适合用于手持的条件下。

日本专利公开No.3290993没有明确地描述广角镜头。

传统的已经提出了具有广视场角以及良好性能的各种广角镜头。其中，特别是在日本专利公开No.2007—155977和2010—256627中所描述的广角镜头具有良好的性能。

但是，难以降低在日本专利公开No.2007-155977和2010-256627中所描述的广角镜头的总长度。如果这样的广角镜头被用作成像装置中的两个广角镜头，装置的尺寸会增加。

当使用日本专利公开No.2007-155977和2010-256627中所描述的两个广角镜头时，难以减少两个广角镜头的光轴之间的距离，并且各个广角镜头的周围部分中的图像的重叠部分由于不均衡而彼此不能对准。因此，图像的劣化在合成图像的结合部分中可能显著的提高。

发明内容

本发明是考虑到上述的情况而做出的。本发明的一个目的是提供一种用在成像装置中的广角镜头，能够获得具有很小差别的合成图像并且能够确保光学性能。

本发明的一个目的同样是提供一种使用两个上述的广角镜头的小型成像装置。

为了实现上述目的，本发明的一个实施例提供了一种具有大于180度视场角的广角镜头，从物侧到像侧顺序包括：前组；反射面；以及后组，其中前组包括具有负折射率的三个透镜，反射面被配置成将前组的光轴向后组弯曲90度，后组包括具有正折射率的四个透镜，前主点被设置在前组中从物侧起的第二透镜和第三透镜之间，并且整个系统的焦距f以及反射面和前组的光轴的交点与前主点之间的距离d满足下面的条件（1）

(1)7.0<d/f<9.0。

优选的，前组的最靠近物侧的表面到反射面的距离DA和从反射面到后组的最靠近像侧的表面的距离DB满足下面的条件（2）

(2)DA<DB。

优选的，布置在前组和后组之间的反射面是直角棱镜的倾斜面，并且被配置成从内部将光束从前组朝向后组反射，并且直角棱镜的材料关于d线的折射率nd满足下面的条件（3）

(3)nd≥1.8。

优选的，前组从物侧顺序包括：负弯月透镜，由塑料材料制成的负透镜以及负弯月透镜，后组按照从物侧顺序包括：双凸透镜，由双凸透镜和双凸透镜形成的粘合透镜以及由塑料材料制成的双凸透镜，孔径光阑被布置在直角棱镜和后组之间，前组中由塑料材料制成的负透镜和后组中由塑料材料制成的双凸透镜都具有两个非球面的表面，并且除了由塑料材料制成的透镜之外的其他透镜分别都是球面透镜。

为了达到上述的目的，本发明的一个实施例同样提供了一种成像装置，包括两个成像光学系统和成像传感器，两个成像光学系统包括具有大于180度的视场角的广角镜头，成像传感器通过广角镜头进行成像，两个成像光学系统被结合起来以便物侧的透镜彼此相对，并且有各个成像光学系统所成的图像被合成以获得具有4π弧度的立体角的图像，其中在两个成像光学系统的每一个成像光学系统中使用的广角镜头是根据权利要求1-4中任一项所述的广角镜头，并且反射面和前组光轴的交点和一个成像光学系统的广角镜头中的前主点之间的距离d1，反射面和前组的光轴的交点和另一个成像光学系统的广角镜头的前主点之间的距离d2，以及每个成像光学系统的广角镜头的焦距f满足下面的条件（4）

(4)16≤(dl+d2)/f<21。

最好是，在两个成像光学系统中使用的广角镜头d1=d2。

附图说明

附图被包括以提供对本发明的进一步的理解，并且被合并且构成说明书的一部分。附图图解了本发明的实施例，并且和说明书一起，用作解释本发明的原理。

图1是描述根据实施例的成像装置的光学布置的视图。

图2是图解实例的球差的视图。

图3是图解实例的场曲的视图。

图4是图解实例的慧差的视图。

图5是图解实例的OTF特性的视图。

图6是图解实例的OTF特性的视图。

具体实施方式

在下文中，将描述实施例。

图1是图解成像装置的主要部分的视图。

在图1中，参考数字A、B分别表示成像光学系统。

两个成像光学系统A、B的每一个都包括具有大于180度视场角的广角镜头和通过广角镜头对图像进行成像的成像传感器。

成像光学系统A包括具有透镜LA1-LA3的前组，构成反射面的直角棱镜PA以及具有透镜LA4-LA7的后组。孔径光阑SA被布置在透镜LA4的物侧。

成像光学系统B包括具有透镜LB1-LB3的前组，构成反射面的直角棱镜PB以及具有透镜LB4-LB7的后组。孔径光阑SB被布置在透镜LB4的物侧。

构成成像光学系统A的前组的透镜LA1-LA3从物侧依次是由玻璃材料制成的负弯月透镜（LA1），由塑料材料制成的负透镜（LA2）以及由玻璃材料制成的负弯月透镜（LA3）。

构成后组的透镜LA4-LA7从物侧依次是由玻璃材料制成的双凸透镜（LA4），由玻璃材料制成的双凸透镜（LA5）和双凹透镜（LA6）的粘合透镜，以及由塑料材料制成的双凸透镜（LA7）。

构成成像光学系统B的前组的透镜LB1-LB3从物侧依次是由玻璃材料制成的负弯月透镜（LB1），由塑料材料制成的负透镜（LB2）以及由玻璃材料制成的负弯月透镜（LB3）。

构成后组的透镜LB4-LB7从物侧依次是由玻璃材料制成的双凸透镜（LB4），由玻璃材料制成的双凸透镜（LB5）和双凹透镜（LB6）的粘合透镜，以及由塑料材料制成的双凸透镜（LB7）。

在这些成像光学系统A、B中，由塑料材料制成的前组的负透镜LA2、LB2和由塑料材料制成的后组的双凸透镜LA7、LB7在它们的两个面上具有非球面。其他由玻璃材料制成的透镜分别是球面透镜。

每个广角镜头的前主点被设置在第二透镜LA2、LB2和第三透镜LA3、LB3之间。

在图1中，成像光学系统A中的反射面和前组的光轴的交点与前主点之间的距离是d1，并且成像光学系统B的广角镜头中反射面和前组的光轴的交点与前主点之间的距离是d2。

这些距离d1、d2是广角镜头中的距离d，并且满足条件（1）7.0<d/f<9.0。

条件（1）的参数d/f的降低意味着整个系统的焦距f的增加或者反射面和前组的光轴的交点与前主点间的距离d的降低。

如果焦距f增加，光轴上的广角镜头的整个长度增加。因此，考虑到减小尺寸，如果焦距被设置为适当值，在那种情况下，距离d减少。

一旦d减少，透镜LA3（LB3）和棱镜PA（PB）之间的间隔变窄，因此相对于用于确保需要的折射率的透镜LA3的厚度的限制变得很严格。如果条件（1）的下限值被降低，不能获得期望厚度和形状的透镜LA3（LB3），并且难以处理透镜LA3（LB3）。

图1中的成像光学系统A、B最好是在图1的左右方向上尽可能的彼此靠近，以减小成像装置的尺寸。因为反射面是直角棱镜PA、PB的倾斜面，对于倾斜面彼此尽可能的靠近以减小尺寸是很有效的。

条件（1）的参数d/f的增加意味着反射面和前组的光轴的交点与前主点之间的距离d增加。这意味着前组的尺寸的增加。

如此的前组的尺寸的增加使得难以减小成像装置的尺寸。在这种情况下，作为防止由于前组的增加导致的成像装置的尺寸的增加的方法，成像光学系统A、B被布置成棱镜PA、PB的倾斜面被布置成彼此靠近的状态下在图1的上下方向上错位。

但是，利用这种构造，成像光学系统的广角镜头的前组的光轴在图1的上下方向上不对齐，因此，如果这种不对齐超过了某种程度，上述的不均衡的效果会增加。

如果参数d/f小于条件（1）的上限，前组的尺寸的增加能够被保持在允许的范围内同时有效地控制不均衡的效果。

条件（4）16≤(d1+d2)/f<21是控制相对于关于成像装置的距离d和焦距f的比率的d/f的条件。如果参数超过了条件（4）的下限同时控制不均衡的效果，棱镜PA、PB的反射面彼此干涉。如果参数超过了上限，不均衡的效果不能够被忽略。

条件（3）nd≥1.8限定了相对于d线的折射率大于1.8的材料被用作棱镜PA、PB的材料。

棱镜PA、PB在内部将光线从前组朝向后组反射，以便成像光束的光路从棱镜中通过。如果棱镜的材料具有满足条件（3）的高折射率，棱镜中的光程长度变得比实际的光程长度更长，并且弯曲光束的距离能够被增加。

在前组、棱镜和后组中前组和后组之间的光程长度能够被增加比机械光程长度更长，因此，广角镜头能够被减小尺寸。

通过将棱镜PA、PB布置靠近孔径光阑SA、SB，能够使用小的棱镜，并且广角镜头间的距离能够被减小。

棱镜PA、PB被布置在前组和后组之间。广角镜头的前组具有获得具有大于180度视场角的光束的作用，并且后组有效地实现对像差校正的成像。

棱镜的制造公差和布置误差的效果能够利用如上所述的棱镜的布置被避免。

如上所述，广角镜头包括前组和后组之间的反射面，并且前组和后组被配置成形成直角。利用这个构造，可以确保需要被用于维持高性能广角镜头的总长度。

当对于成像装置使用两个广角镜头时，反射面的部分被布置成在与前组的光轴正交的方向上彼此靠近，并且不均衡的效果能够被有效地减少。

此外，因为前主点被设置在前组中的第二透镜和第三透镜之间，反射面的尺寸能够被有效地减少。

因此，通过对于成像装置使用两个广角镜头，能够获得具有不均衡被有效地减少的优选的成像装置。

【实例】

下文中将描述广角镜头的一个具体的实例。

这个实例图解了被用在图1中所示的成像装置的成像光学系统A、B中的广角镜头。也就是，被用在成像光学系统A、B中的两个广角镜头是相同的，d1=d2。

在下面的实例中，f表示整个系统的焦距，No表示F数并且ω表示半视场角。

表面编号从物侧依次是1-23。这些编号表示透镜表面、入射和出射表面以及棱镜的反射面、孔径光阑表面、滤光片表面和成像传感器的光接收表面。

R表示每个表面的曲率半径，并且表示非球面的近轴曲率半径。

D表示表面间隔，nd表示d线的折射率，并且vd表示阿贝数。物距是无穷大。长度单位是毫米。

[实例]

F=0.75、No=2.14、ω=190度

上述数据中具有*的表面（前组中第二透镜的两个表面和后组中最后一个透镜的两个表面）是非球面。

非球面的形状通过使用近轴曲率半径（近轴曲率）C的倒数、距离光轴的高度H、锥形常数K以及利用X作为光轴方向上的非球面量的每个顺序的非球面系数由下面已知的等式来限定。

\begin{matrix} X = C H^{2} / [1 + \sqrt{} {1 - (1 + K) C^{2} H^{2}}] \\ + A 4 \cdot H^{4} + A 6 \cdot H^{6} + A 8 \cdot H^{8} + A 10 \cdot H^{10} + A 12 \cdot H^{12} + A 14 \cdot H^{14} \end{matrix}

形状通过应用近轴曲率半径、锥形常数和非球面系数来指定。

上述实例的非球面数据如下。

第三表面

4th:0.001612

6th:-5.66534e-6

8th:-1.99066e-7

10th:3.69959e-10

12th:6.47915e-12

第四表面

4th:-0.00211

6th:1.66793e-4

8th:9.34249e-6

10th:-4.44101e-7

12th:-2.96463e-10

第十六表面

4th:-0.006934

6th:-1.10559e-3

8th:5.33603e-4

10th:-1.09372e-4

12th:1.80753-5

14th:-1.52252e-7

第十七表面

4th:0.041954

6th:-2.99841e-3

8th:-4.27219e-4

10th:3.426519e-4

12th:-7.19338e-6

14th:-1.69417e-7

在上述非球面中，举例来说，-1.69417e-7意味着-1.69417×10^-7。此外，4th-14th分别是A4-A14。

各个条件的参数值如下。条件（1）的参数值

d=d1=d2=6

f=0.75

d/f=8

条件（2）的参数值

DA=8.87

DB=14.76

条件（3）的参数值

nd=1.834000

条件（4）的参数值

(d1+d2)/f=16

因此，这个实例的广角镜头和成像装置满足条件(1)-(4)。

相比于使用没有被弯曲的平行光通道的广角镜头，光轴之间的间隔(图1中的上下方向上前主点之间的间隔)能够被减少14毫米。

如上所述，通过具有180度及以上的视场角的广角镜头的外围和中心的光束的光程长度根据透镜的厚度差而改变，造成了性能的劣化。在这个实例的广角镜头中的前组的三个透镜中，第二透镜通常在靠近光轴和透镜的外围部分之间具有厚度差。由于这个原因，非球面被应用于第二透镜的两个表面作为塑料透镜以便校正第二透镜。

此外，通过在后组的最后一个透镜的两个表面上使用非球面作为塑料透镜，在这个透镜的物侧所产生的像差被良好地校正。

在后组的四个透镜中，通过粘合第二双凸透镜和第三双凹透镜，像差被良好地校正。

图2图解了这个实例的广角镜头的球差。图3图解了这个实例的广角镜头的场曲。

图4图解了这个实例的广角镜头的慧差。

图5、6每个都是图解OTF特性的视图。横轴在图5中代表空间频率，在图6中代表以度数表示的半视场角。

从这些图形中很明显，这个实例的广角镜头的性能相当高。

根据本发明的成像装置被应用的成像装置包括拍摄全景图像的成像装置。特别是，这个全景的图像适合于水平360度的图像、附着于球体的360度的图像，即全方位的摄影图像等等。

这样的拍摄全景图像的成像装置可以被称为全方位成像装置或者整个天体型成像装置。通过根据本发明的成像装置拍摄的图像可以是静止图像或者活动图像。

尽管以上已经描述了包括本发明的实例的实施例，本发明不局限于此。可以理解，在不超出本发明的范围之内，本领域的技术人员可以对所述的实施例进行改变。

Claims

1.一种具有大于180度视场角的广角镜头，其特征在于，从物侧到像侧顺序包括：

前组；

反射面；以及

后组，其中

所述前组具有负光焦度并包括三个透镜，

所述反射面被配置成将所述前组的光轴朝向所述后组弯曲90度，

所述后组具有正光焦度并包括四个透镜，

前主点被设置在所述前组中从所述物侧起的第二透镜和第三透镜之间，并且

整个系统的焦距f以及所述反射面和所述前组的所述光轴的交点与所述前主点之间的距离d满足下面的条件(1)

(1)7.0<d/f<9.0。

2.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，

从所述前组的最靠近物侧的表面到所述反射面的距离DA和从所述反射面到所述后组的最靠近像侧的表面的距离DB满足下面的条件(2)

(2)DA<DB。

3.根据权利要求1或2所述的广角镜头，其特征在于，

布置在所述前组和所述后组之间的所述反射面是直角棱镜的倾斜面，并且被配置成在内部将光束从所述前组朝向所述后组反射，并且

所述直角棱镜的材料的关于d线的反射率nd满足下面的条件(3)

(3)nd≥1.8。

4.根据权利要求3所述的广角镜头，其特征在于，

所述前组从所述物侧顺序包括，负弯月透镜、由塑料材料制成的负透镜以及负弯月透镜，

所述后组从所述物侧顺序包括，双凸透镜、双凸透镜和双凹透镜的粘合透镜以及由塑料材料制成的双凸透镜，

孔径光阑被布置在所述直角棱镜和所述后组之间，

所述前组中所述由塑料材料制成的负透镜和所述后组中所述由塑料材料制成的双凸透镜都具有两个非球面的表面，并且除了由塑料材料制成的透镜之外的其他透镜分别是球面透镜。

5.一种成像装置，包括两个成像光学系统和成像传感器，所述两个成像光学系统包括具有大于180度的视场角的广角镜头，所述成像传感器通过所述广角镜头进行成像，所述两个成像光学系统被结合起来以便物侧的透镜彼此相对，并且由各个成像光学系统所成的图像被合成以获得具有4π弧度的立体角的图像，其特征在于，

被用在所述两个成像光学系统中的每一个成像光学系统中的所述广角镜头是根据权利要求1-4中任一项所述的广角镜头，并且

一个成像光学系统的所述广角镜头中的反射面和前组的光轴的交点与前主点之间的距离d1，另一个成像光学系统的广角镜头中的反射面和前组的光轴的交点与前主点之间的距离d2以及每一个成像光学系统的广角镜头的焦距f满足下面的条件(4)

(4)16≤(d1+d2)/f<21。

6.根据权利要求5所述的成像装置，其特征在于，

在所述两个成像光学系统中使用的广角镜头d1＝d2。