CN103901582B - 一种360度高清环视全景镜头 - Google Patents
一种360度高清环视全景镜头 Download PDFInfo
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Abstract
一种360度高清环视全景镜头，属于光学镜头领域。本发明的目的是采用较少的镜片，并根据各镜片的排列，达到了360度环视成像全景高清镜头，降低了其生产成本的360度高清环视全景镜头。本发明是由反射镜、正光焦度的透镜组和滤光片组成；反射镜为非球面反射镜，具有正光焦度的透镜组包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜。本发明降低了其生产成本，结构简单，制造便宜。可以满足1080P、720P等高清探测器的分辨率。该摄像镜头具有独特的360度同时观察的特性，所有人员和活动一览无遗，提高了目标确认速度不会漏掉或错过突发事件，真正实现全景监测。
Description
技术领域
本发明属于光学镜头领域。
背景技术
现代影像装置已经被广泛应用在各个领域中，为了满足人们对捕捉视频信息日益提升的需求，当影像装置应用与某些特定领域中时，如网络视频会议、商业监控、林业监控等，会需要360度全景监控专职。全景摄像需要实现全景范围无盲点，无死角，能纵观全局，不必用复杂的“展开软件”或对多个图象进行缝合。同时，成像探测器技术的发展，大大提高了探测器的分辨率和像素数量。如今130万像素（720P）、200万像素（1080P）、300万像素等高像素的摄像机是主流。镜头的成像质量、视场的大小及镜头的畸变决定广角镜头的优劣，因而镜头的性能及视场成为设计广角镜头的重要考虑因素。为了保证300万像素这样高分辨率的摄像机的成像品质、小畸变和高亮度，同时达到足够的视场角，传统全景镜头采用透射式成像的结构，这样往往需要增加透镜的数量，或采用非球面透镜的方法来校正像差，以此提高成像质量。但是，透射式鱼眼镜头的特性决定了随着视场从-55度增加到+20度，镜头会产生严重的负畸变，使得边缘视场的图像信息压缩严重，大大限制了边缘视场的清晰度。同时，传统透射式全景镜头的尺寸达不到轻薄短小的要求，且单个镜头的生产成本较高。
发明内容
本发明的目的是采用较少的镜片，并根据各镜片的排列，达到了360度环视成像全景高清镜头，降低了其生产成本的360度高清环视全景镜头。
本发明是由反射镜、正光焦度的透镜组和滤光片组成；反射镜为非球面反射镜，具有正光焦度的透镜组包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜。
本发明透镜组的第三透镜和第四透镜组合为第一胶合透镜，第七透镜和第八透镜组合为第二胶合透镜；第一胶合透镜靠近物方，第二胶合透镜靠近像方。
本发明滤光片位于所述第二胶合透镜之后，靠近像方。
本发明镜头包括固定光阑，所述固定光阑位于所述第四透镜和所述第五透镜之间。
本发明反射镜具有凸向透镜组的第一表面。
本发明第一透镜具有凸向物方的第二表面和上下端为平面且中央位置凹向像方的第三表面，位于镜头的始端；第二透镜具有上下端为平面且中央位置凹向物方的第四表面和凸向像方的第五表面；第三透镜为双凹透镜，具有凹向物方的第六表面和凸向像方的第七表面；第四透镜为双凸透镜，具有凸向物方的第八表面和凸向像方的第九表面；第五透镜为双凸透镜，具有凸向物方的第十表面和凸向像方的第十一表面；第六透镜为双凸透镜，具有凸向物方的第十二表面和凸向像方的第十三表面；第七透镜为双凸透镜，具有凸向物方的第十四表面和凸向像方的第十五表面；第八透镜为双凹透镜，具有凹向物方的第十六表面和凹向像方的第十七表面；第七表面和第八表面为所述第三透镜和第四透镜的胶合面；第十五表面和第十六表面为所述第七透镜和第八透镜的胶合面。
本发明透镜组的所有表面均为球面。
本发明第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜均为玻璃材质。
本发明第一透镜的折射率在n1范围为1.55<n1<1.75，色散v1范围为20<v1<40；第二透镜的折射率在n2范围为1.55<n2<1.75，色散v2范围为20<v2<40；第三透镜的折射率在n3范围为1.75<n3<1.95，色散v3范围为20<v3<40；第四透镜的折射率在n4范围为1.75<n4<1.95，色散v4范围为20<v4<40；第五透镜的折射率在n5范围为1.55<n5<1.85，色散v5范围为45<v5<65；第六透镜的折射率在n6范围为1.55<n6<1.85，色散v6范围为45<v6<65；第七透镜的折射率在n7范围为1.55<n7<1.85，色散v7范围为45<v7<65；第八透镜的折射率在n8范围为1.75<n8<1.95，色散v8范围为20<v8<40。
本发明滤光片的至少一个表面镀覆有红外截止滤膜。
本发明第一透镜的折射率为1.648，色散为33.84；第二透镜的折射率为1.648，色散为33.84；第三透镜的折射率为1.923，色散为20.88；第四透镜的折射率为1.806，色散为33.27；第五透镜的折射率为1.569，色散为56.06；第六透镜的折射率为1.569，色散为56.06；第七透镜的折射率为1.670，色散为47.20；第八透镜的折射率为1.923，色散为20.88。
本发明提供的360度高清环视全景镜头采用较少的镜片，并根据各镜片的排列，达到了360度环视成像全景高清镜头，降低了其生产成本。通过第一个非球面反射镜和透镜组，随着视场从-55度增加到20度，镜头会产生与普通镜头相反的正畸变，使得边缘视场的图像信息更加丰富，大大扩大了边缘视场的清晰度。360度高清环视全景镜头使得用户能够直接看到完整的360度视频。其结构简单，制造便宜。该360度高清环视全景镜头，其光学全长小于62.3mm，光学最大口径小于33mm。其高清全景摄像机模块高度可以做到非常短小，使其可作为车载广角镜头、监控镜头、视频会议使用，较好的满足了摄像头的小巧化要求。其水平全视场角达到360度，俯角-55度，仰角20度，可满足较宽的取景范围。镜头的畸变得到了很好控制的同时，整个镜头的可以满足1080P、720P等高清探测器的分辨率。该摄像镜头具有独特的360度同时观察的特性，所有人员和活动一览无遗，提高了目标确认速度不会漏掉或错过突发事件，真正实现全景监测。
附图说明
图1是本发明360度高清环视全景镜头实施例的结构示意图；
图2是本发明360度高清环视全景镜头实施例的MTF（光学传递函数）图；
图3是本发明360度高清环视全景镜头实施例的光学畸变图；
图4是本发明360度高清环视全景镜头实施例的场曲图；
图5是本发明360度高清环视全景镜头实施例的点列图。
具体实施方式
本发明具有反射镜1、正光焦度的透镜组和滤光片11；反射镜1为非球面反射镜，具有正光焦度的透镜组包括第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜7、第六透镜8、第七透镜9、第八透镜10。
本发明透镜组的第三透镜和第四透镜组合为第一胶合透镜，第七透镜和第八透镜组合为第二胶合透镜；第一胶合透镜靠近物方，第二胶合透镜靠近像方。
本发明滤光片位于所述第二胶合透镜之后，靠近像方。
本发明镜头包括固定光阑6，固定光阑位6于第四透镜和第五透镜之间。
本发明反射镜具有凸向透镜组的第一表面。
本发明第一透镜具有凸向物方的第二表面和上下端为平面且中央位置凹向像方的第三表面，位于镜头的始端；第二透镜具有上下端为平面且中央位置凹向物方的第四表面和凸向像方的第五表面；第三透镜为双凹透镜，具有凹向物方的第六表面和凸向像方的第七表面；第四透镜为双凸透镜，具有凸向物方的第八表面和凸向像方的第九表面；第五透镜为双凸透镜，具有凸向物方的第十表面和凸向像方的第十一表面；第六透镜为双凸透镜，具有凸向物方的第十二表面和凸向像方的第十三表面；第七透镜为双凸透镜，具有凸向物方的第十四表面和凸向像方的第十五表面；第八透镜为双凹透镜，具有凹向物方的第十六表面和凹向像方的第十七表面；第七表面和第八表面为所述第三透镜和第四透镜的胶合面；第十五表面和第十六表面为所述第七透镜和第八透镜的胶合面。
本发明透镜组的所有表面均为球面。
本发明第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜均为玻璃材质。
本发明第一透镜的折射率在n1范围为1.55<n1<1.75，色散v1范围为20<v1<40；第二透镜的折射率在n2范围为1.55<n2<1.75，色散v2范围为20<v2<40；第三透镜的折射率在n3范围为1.75<n3<1.95，色散v3范围为20<v3<40；第四透镜的折射率在n4范围为1.75<n4<1.95，色散v4范围为20<v4<40；第五透镜的折射率在n5范围为1.55<n5<1.85，色散v5范围为45<v5<65；第六透镜的折射率在n6范围为1.55<n6<1.85，色散v6范围为45<v6<65；第七透镜的折射率在n7范围为1.55<n7<1.85，色散v7范围为45<v7<65；第八透镜的折射率在n8范围为1.75<n8<1.95，色散v8范围为20<v8<40。
本发明滤光片的至少一个表面镀覆有红外截止滤膜。
本发明第一透镜的折射率为1.648，色散为33.84；第二透镜的折射率为1.648，色散为33.84；第三透镜的折射率为1.923，色散为20.88；第四透镜的折射率为1.806，色散为33.27；第五透镜的折射率为1.569，色散为56.06；第六透镜的折射率为1.569，色散为56.06；第七透镜的折射率为1.670，色散为47.20；第八透镜的折射率为1.923，色散为20.88。
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。
图1示出了本发明提供的360度高清环视全景镜头的结构示意图。
该360度高清环视全景镜头，其包括具有反射镜和具有正光焦度的透镜组和滤光片。反射镜为非球面反射镜1，具有正光焦度的透镜组包括第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜7、第六透镜8、第七透镜9、第八透镜10和滤光片11。
其中，透镜组的第三透镜4和第四透镜5组合为第一胶合透镜，第七透镜9和第八透镜10组合为第二胶合透镜。所述滤光片11位于所述第二胶合透镜之后。
该360度高清环视全景镜头还包括固定光阑6，其中固定光阑6位于所述第四透镜5和所述第五透镜7之间。
其中所述反射镜1凸向透镜组，所述透镜组第一透镜2具有凸向物方的第二表面和上下端为平面且中央位置凹向像方的第三表面，位于镜头的始端，所述第二透镜3具有上下端为平面且中央位置凹向物方的第四表面和凸向像方的第五表面，所述第三透镜4为双凹透镜，具有凹向物方的第六表面和凸向像方的第七表面，第四透镜5为双凸透镜，具有凸向物方的第八表面和凸向像方的第九表面，所述第五透镜7为双凸透镜，具有凸向物方的第十表面和凸向像方的第十一表面，所述第六透镜8为双凸透镜，具有凸向物方的第十二表面和凸向像方的第十三表面，所述第七透镜9为双凸透镜，具有凸向物方的第十四表面和凸向像方的第十五表面，所述第八透镜10为双凹透镜，具有凹向物方的第十六表面和凹向像方的第十七表面，第七表面和第八表面为所述第三透镜4和第四透镜5的胶合面，第十五表面和第十六表面为所述第七透镜9和第八透镜10的胶合面。
其中所述的所有表面均为球面。
其中所述第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜7、第六透镜8、第七透镜9和第八透镜10均为玻璃材质。
其中第一透镜2的折射率n1范围为1.55<n1<1.75，色散v1范围为20<v1<40，本优选实施例中，采用H-ZF1型号的玻璃材质，其折射率为1.648，色散为33.84。
第二透镜3的折射率n2范围为1.55<n1<1.75，色散v2范围为20<v2<40，本优选实施例中，采用H-ZF1型号的玻璃材质，其折射率为1.648，色散为33.84。
第三透镜4的折射率在n3范围为1.75<n3<1.95，色散v3范围为20<v3<40，本优选实施例中，采用H-ZF62型号的玻璃材质，其折射率为1.923，色散为20.88。
第四透镜5的折射率n4范围为1.75<n4<1.95，色散v4范围为20<v4<40，本优选实施例中，采用H-ZLAF56A型号的玻璃材质，其折射率为1.806，色散为33.27。
第五透镜7的折射率n5范围为1.55<n5<1.75，色散v5范围为45<v5<65，本优选实施例中，采用H-BAK7型号的玻璃材质，其折射率为1.569，色散为56.06。
第六透镜8的折射率n6范围为1.55<n6<1.75，色散v6范围为45<v6<65，本优选实施例中，采用H-BAK7型号的玻璃材质，其折射率为1.569，色散为56.06。
第七透镜9的折射率n7范围为1.55<n6<1.85，色散v7范围为45<v7<65，本优选实施例中，采用H-ZBAF52型号的玻璃材质，其折射率为1.670，色散为47.20。
第八透镜10的折射率n8范围为1.75<n8<1.95，色散v8范围为20<v8<40，本优选实施例中，采用H-ZF62型号的玻璃材质，其折射率为1.923，色散为20.88。
本实施例中，滤光片11为BK7，折射率和色散分别为n=1.52，v=64.17。此外，滤光片7至少一表面镀覆一层公知的红外截止滤光膜（IR-CutCoating），以滤除来自被摄物体反射光线中的红外光线，从而提高成像质量。
其反射镜为非球面反射镜，透镜组完全采用球面设计，从而可以通过优化非球面系数和球面系数，来校正各种像差，减小畸变；通过玻璃材料的选择来减小色差；非球面采用注塑成型的方式，降低了批量生产的成本；除了非球面以外其它透镜组采用玻璃镜片设计，可以提高亮度，增强透过率，同时获得良好的成像质量；同时因为设计中除了非球面以外的透镜全部采用玻璃材质，使其可耐高温，耐潮湿，性能稳定，适合工业使用。该种360高清环视全景镜头整体成像像质较高，视场角更大，畸变更小。采用该种结构的360高清环视全景镜头可以有效缩短镜头的总长、减小镜头体积。该发明仅一支摄像头即可取代传统的多支摄像机，节省摄像机硬件投资，节省安装时间、人工费用以及后续维护费用，非常适合于监控和视频会议。
本发明实施例的镜面参数如下表1和表2：
表1：360度高清环视全景镜头各透镜的曲率半径、厚度、空气间隔
表2：第一表面的非球面系数：
| 非球面系数 | -1.8129 | -1.3777×10-5 | 1.19592×10-8 | 1.89177×10-11 |
由于第一个表面为反射镜，所以表1中的厚度（间隔）都为负号，并且指的是此面到下一个面的距离，如第一表面行中厚度-16.95，指的是此面到下一面（即到第一透镜的第一面）的距离，此时指的是镜片间的间隔为16.95mm。而上表中第二表面行中厚度为-0.8，即指的是第一透镜中前一面与后一面的距离，即第一透镜的厚度为0.8mm。
表2中的非球面方程为：
本发明的镜头有效焦距为f=0.379mm，F/#=2.5，其光学全长小于62.3mm，其全视场达到水平360度，俯角-55度，仰角20度。其模块高度可以做到非常短小，使其可较小的作为车载广角镜头、监控镜头、视频会议使用。
图2是360度高清环视全景镜头的调整传递函数（ModulationTransferFunction）曲线，图中横轴表示空间频率，单位：线对每毫米（lp/mm）；纵轴表面调制传递函数（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到1.0，MTF曲线越高越直表示镜头成像质量越好，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：该镜头组件在各个视场，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。
图3是本实施例的360高清环视全景镜头的畸变示意图，其中横轴为百分比，纵轴为视场，图3（a）是0度到+20度视场的畸变，图3（b）是0度到-55度的视场的畸变。畸变是实际镜头对物体成像时的一种歪曲，它会使直线成像为曲线，在实际成像中是不可避免的。本实施例360高清环视全景镜头0度到+20度视场为正畸变，20度视场的畸变值小于小于+56%，0度到-55度的视场为负畸变，-55度视场的畸变大于-59%。通过第一个非球面反射镜和透镜组，随着视场从-55度增加到+20度，镜头会产生与普通镜头相反的正畸变，使得边缘视场的图像信息更加丰富，大大扩大了边缘视场的清晰度。
图4是本发明实施例360高清环视全景镜头的场曲图。图4（a）是0度到+20度视场的场曲，图4（b）是0度到-55度的视场的场曲。从图４中可以看出，该360高清环视全景镜头的场曲绝对值均小于0.032mm。
图5是本发明实施例360高清环视全景镜头的点列图。从图5中可以看出该360高清环视全景镜头各视场弥散斑的RMS半径在3微米以内，能够配合市场上主流的200万像素及以上的互补金属氧化物半导体（CMOS）/电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，简称CCD）影像传感器接收的要求。
Claims (4)
1.一种360度高清环视全景镜头，其特征在于：是由反射镜、正光焦度的透镜组和滤光片组成；反射镜为非球面反射镜；具有正光焦度的透镜组包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及第八透镜；
其中第一透镜具有凸向物方的第二表面和上下端为平面且中央位置凹向像方的第三表面，位于镜头的始端；第二透镜具有上下端为平面且中央位置凹向物方的第四表面和凸向像方的第五表面；第三透镜为双凹透镜，具有凹向物方的第六表面和凹向像方的第七表面；第四透镜为双凸透镜，具有凸向物方的第八表面和凸向像方的第九表面；第五透镜为双凸透镜，具有凸向物方的第十表面和凸向像方的第十一表面；第六透镜为双凸透镜，具有凸向物方的第十二表面和凸向像方的第十三表面；第七透镜为双凸透镜，具有凸向物方的第十四表面和凸向像方的第十五表面；第八透镜为双凹透镜，具有凹向物方的第十六表面和凹向像方的第十七表面；第七表面和第八表面为所述第三透镜和第四透镜的胶合面；第十五表面和第十六表面为所述第七透镜和第八透镜的胶合面。
2.根据权利要求1所述的360度高清环视全景镜头，其特征在于：透镜组的所有表面均为球面。
3.根据权利要求1所述的360度高清环视全景镜头，其特征在于：第一透镜的折射率在n1范围为1.55<n1<1.75，色散v1范围为20<v1<40；第二透镜的折射率在n2范围为1.55<n2<1.75，色散v2范围为20<v2<40；第三透镜的折射率在n3范围为1.75<n3<1.95，色散v3范围为20<v3<40；第四透镜的折射率在n4范围为1.75<n4<1.95，色散v4范围为20<v4<40；第五透镜的折射率在n5范围为1.55<n5<1.85，色散v5范围为45<v5<65；第六透镜的折射率在n6范围为1.55<n6<1.85，色散v6范围为45<v6<65；第七透镜的折射率在n7范围为1.55<n7<1.85，色散v7范围为45<v7<65；第八透镜的折射率在n8范围为1.75<n8<1.95，色散v8范围为20<v8<40。
4.根据权利要求1所述的360度高清环视全景镜头，其特征在于：第一透镜的折射率为1.648，色散为33.84；第二透镜的折射率为1.648，色散为33.84；第三透镜的折射率为1.923，色散为20.88；第四透镜的折射率为1.806，色散为33.27；第五透镜的折射率为1.569，色散为56.06；第六透镜的折射率为1.569，色散为56.06；第七透镜的折射率为1.670，色散为47.20；第八透镜的折射率为1.923，色散为20.88。
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