CN104360462B - 广角镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种广角镜头，从物方至像方依次包括前透镜群组、光阑和后透镜群组，前透镜群组包括具有负光焦度的第一透镜和第二透镜，以及具有正光焦度的第三透镜；后透镜群组包括具有负光焦度的第四透镜和具有正光焦度的第五透镜，第四透镜和第五透镜之间胶合；第三透镜的材质为玻璃；第二、第四和第五透镜的材质均为塑料；广角镜头的光学后焦随温度在‑40℃‑85℃内的偏移量在±0.02mm内。本方案通过透镜的玻塑组合，能够降低成本，通过设置各透镜的光焦度配比，能够将广角镜头的光学后焦随温度在‑40℃‑85℃内的偏移量控制在±0.02mm内，从而实现了在‑40℃‑85℃的较宽的温度范围内成像清晰。

Description

广角镜头
技术领域
本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种广角镜头。
背景技术
随着科技进步，近年来数字相机或数字摄影机逐渐取代传统机械相机而成为主流。除了摄影机及相机，一些监控设备、行车记录器、手机或游戏机等电子装置也会搭配镜头来提供摄像功能。
现有的行车记录器、手机或游戏机等电子装置的体积逐渐微型化，相应地，对装载于这些电子装置上的镜头的要求越来越高，不仅需要符合小型化和低成本的限制，而且需要在较宽的温度范围内保持良好的成像清晰度。
现有的广角镜头，一般包括：前透镜群组、光阑和后透镜群组，在前透镜群组和后透镜群组中采用多片塑料透镜，虽然能够降低成本，但是广角镜头的光学后焦随温度变化的偏移量通常会超过±0.05mm，有的甚至达到±0.1mm，导致广角镜头在温度变化时成像模糊，更严重的，还导致无法成像。
因此，如何设计一种能提供低成本及在较宽的温度范围内保持良好的成像清晰度的广角镜头，为目前业界亟待解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种广角镜头，以在降低成本的同时，在较宽的温度范围内保持良好的成像清晰度。
本发明实施例提供了一种广角镜头，沿光轴从物方至像方依次包括：前透镜群组、光阑和后透镜群组；
所述前透镜群组从物方至像方依次包括：具有负光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜和具有正光焦度的第三透镜；
所述后透镜群组从物方至像方依次包括：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后透镜群组；
所述第三透镜的材质为玻璃；
所述第二透镜、第四透镜和第五透镜的材质均为塑料；
所述广角镜头的光学后焦随温度在-40℃-85℃内的偏移量在±0.02mm内。
本发明实施例提供的广角镜头，沿光轴从物方至像方的第三透镜采用玻璃镜片、以及第二透镜、第四透镜和第五透镜采用塑料镜片，通过透镜的玻塑组合，将第四透镜和第五透镜胶合成后透镜群组，能够降低广角镜头的成本；并通过合理设置各透镜的光焦度，能够将广角镜头的光学后焦随温度在-40℃-85℃内的偏移量控制在±0.02mm内，从而补偿了广角镜头中机械结构的热胀冷缩所导致的机械后焦的偏移量，实现了在-40℃-85℃的较宽的温度范围内成像清晰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明，下面将对本发明中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为本发明实施例三提供的一种广角镜头的结构示意图；
图1b为实施例三提供的广角镜头的MTF解像曲线图；
图1c为实施例三提供的广角镜头的像散曲线图；
图1d为实施例三提供的广角镜头的畸变曲线图；
图1e为实施例三提供的广角镜头在-40℃时中心视场60lp/mm的离焦曲线；
图1f为实施例三提供的广角镜头在20℃时中心视场60lp/mm的离焦曲线；
图1g为实施例三提供的广角镜头在85℃时中心视场60lp/mm的离焦曲线；
图2a为本发明实施例四提供的一种广角镜头的结构示意图；
图2b为实施例四提供的广角镜头的MTF解像曲线图；
图2c为实施例四提供的广角镜头的像散曲线图；
图2d为实施例四提供的广角镜头的畸变曲线图；
图2e为实施例四提供的广角镜头在-40℃时中心视场60lp/mm的离焦曲线；
图2f为实施例四提供的广角镜头在20℃时中心视场60lp/mm的离焦曲线；
图2g为实施例四提供的广角镜头在85℃时中心视场60lp/mm的离焦曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案作进一步详细描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
实施例一
本实施例提供一种广角镜头。所述广角镜头沿光轴从物方至像方依次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜和第五透镜，所述广角镜头还可以包括：滤色片和成像面。
其中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜组成广角镜头的前透镜群组，所述第四透镜和第五透镜为胶合透镜，该胶合透镜作为广角镜头的后透镜群组。
入射光通过所述前透镜群组，再经过光阑进入所述后透镜群组，最后进入成像面。
其中，所述第一透镜具有负光焦度；所述第二透镜具有负光焦度，材质为塑料；所述第三透镜具有正光焦度，材质为玻璃；所述第四透镜具有负光焦度，材质为塑料；所述第五透镜具有正光焦度，材质为塑料。
需要说明的是，所述第三透镜是前透镜群组中唯一的光焦度为正的透镜，所述第三透镜的光焦度随温度变化对前透镜群组的光焦度的影响非常大，因此，所述第三透镜采用玻璃镜片，由于玻璃镜片的折射率较为稳定，从而可以减小第三透镜的光焦度随温度的变化，进而减小对前透镜群组的光焦度的影响。
其中，所述第四透镜和所述第五透镜胶合而形成的所述后透镜群组具有正光焦度，所述广角镜头的光学后焦随温度在-40℃-85℃内的偏移量在±0.02mm内。
本实施例的技术方案，第三透镜采用玻璃镜片、以及第二透镜、第四透镜和第五透镜采用塑料镜片，将第四透镜和第五透镜胶合成后透镜群组，通过透镜的玻塑组合，能够降低广角镜头的成本；并通过合理设置各透镜的光焦度，能够将广角镜头的光学后焦随温度在-40℃-85℃内的偏移量控制在±0.02mm内，从而补偿了广角镜头中机械结构的热胀冷缩所导致的机械后焦的偏移量，实现了在-40℃-85℃的较宽的温度范围内成像清晰。
需要说明的是，在本实施例的广角镜头中，所述第一透镜为外露，例如所述广角镜头应用在车载侧视或者后视镜头中，第一透镜通常外露在环境中，因此，第一透镜优选采用玻璃镜片，从而有效避免广角镜头在使用过程中的刮擦，并抵抗恶劣的环境变化影响。
实施例二
本实施例提供一种广角镜头，本实施例在上述实施例的基础上，提供了实现广角镜头的光学后焦随温度在-40℃-85℃内的偏移量在±0.02mm内的优选方案。
具体地，第二透镜的焦距F2与后透镜群组的组合焦距F后满足1.5≥|F2/F后|≥0.9，以使广角镜头的光学后焦随温度在-40℃-85℃内的偏移量在±0.02mm内。
需要说明的是，由于广角镜头中第一透镜和第三透镜均为玻璃透镜，第二透镜、第四透镜和第五透镜均为塑料透镜，由于相对于塑料镜片，玻璃透镜的折射率较为稳定，因此广角镜头的光焦度随温度的变化主要受制于所述第二透镜、第四透镜和第五透镜的影响。
本实施例的技术方案，第三透镜采用玻璃镜片、以及第二透镜、第四透镜和第五透镜采用塑料镜片，将第四透镜和第五透镜胶合成后透镜群组，通过透镜的玻塑组合，能够降低广角镜头的成本；通过合理设置各透镜的光焦度，以及合理控制第二透镜的焦距与后透镜群组的组合焦距的比值，能够将广角镜头的光学后焦随温度在-40℃-85℃内的偏移量控制在±0.02mm内，从而补偿了广角镜头中机械结构的热胀冷缩所导致的机械后焦的偏移量，实现了在-40℃-85℃的较宽的温度范围内成像清晰。
进一步优选地，第四透镜的焦距F4、所述第四透镜的折射率N4随温度t的变化率dN4/dt、所述第五透镜的焦距F5，以及所述第五透镜的折射率N5随温度t的变化率dN5/dt满足下式：
-1.0≥(F4/F5)/((dN4/dt)/(dN5/dt))≥-1.2。
需要说明的是，如果(F4/F5)/((dN4/dt)/(dN5/dt))＞-1.0，即具有负光焦度的第四透镜的焦距F4的变化比具有正光焦度的第五透镜的焦距F5的变化大，当温度升高时，导致后透镜群组的组合正焦距变小，不能补偿前透镜群组的组合负焦距的变大，从而使得广角镜头的光焦度往负光焦度变化，会造成广角镜头的光学后焦随温度升高而“热缩”的效果；反之，当温度降低时，会造成广角镜头的光学后焦随温度升高而“冷涨”的效果。
类似地，如果(F4/F5)/((dN4/dt)/(dN5/dt))＜-1.2，即具有负光焦度的第四透镜的焦距F4的变化比具有正光焦度的第五透镜的焦距F5的变化小，当温度变化时，后透镜群组的组合正焦距变化量大，大大超过前透镜群组的组合负焦距的变化，使得广角透镜的光焦度往正光焦度变化过大，也即广角镜头的光学后焦随温度升高而“热胀冷缩”的效果过于明显。
本优选的实施方式，通过将第四透镜和第五透镜胶合成后透镜群组，并通过合理设置各透镜的光焦度，并合理控制第二透镜的焦距与后透镜群组的组合焦距的比值，以及通过合理分配第四透镜的折射率随温度的变化率，以及第五透镜的折射率随温度的变化率，能够将广角镜头的光学后焦随温度在-40℃-85℃内的偏移量更好地控制在±0.02mm内，从而补偿了广角镜头中机械结构的热胀冷缩所导致的机械后焦的偏移量，进一步提高在-40℃-85℃的较宽的温度范围内的成像清晰度。
进一步地，所述第一透镜沿光轴方向所包含的两个镜面可以均为球面镜面；所述第二透镜沿光轴方向所包含的两个镜面均优选为非球面镜面；所述第三透镜沿光轴方向所包含的两个镜面可以均为球面镜面；所述第四透镜沿光轴方向所包含的两个镜面均优选为非球面镜面；所述第五透镜沿光轴方向所包含的两个镜面均优选为非球面镜面。
通过在各透镜中合理设置非球面镜面，相对于球面镜面，非球面镜面能够更好地校正光学像差，因此能够进一步提高在-40℃-85℃的较宽的温度范围内的成像清晰度。
进一步优选地，第三透镜的d光折射率Nd3满足Nd3≥1.7，d光阿贝常数Vd3满足Vd3≤30。
通过采用高折射率和高色散的第三透镜，能快速会聚经过第三透镜前的均具有负光焦度的第一透镜和第二透镜的光线，并有效补偿广角镜头的色差值。
进一步优选地，第一透镜的d光折射率Nd1满足Nd1≥1.65，d光阿贝常数Vd1满足Vd1≥45。
通过采用高折射率和低色散的第一透镜，能有效导入大视场角的光线，并减小第一透镜的口径，以在保证广角镜头小型化的同时，有效改善广角镜头的色差。
进一步优选地，所述第一透镜物方侧的最外点至成像面的距离TTL和所述广角镜头的焦距EFL满足：14≥TTL/EFL≥6.5，能够有效控制第一透镜物方侧的最外点至成像面的距离。
进一步优选地，所述第五透镜像方侧的最外点至成像面的距离BFL和所述广角镜头的焦距EFL满足：BFL/EFL≥1.7，能够达到长BFL的效果，有利于广角镜头的装配。
进一步优选地，所述广角镜头的水平视场角HFOV满足HFOV≥80°。
由于车载侧视镜头和后视镜头的水平视场角通常介于80°到160°之间，因此更适于应用在车载侧视镜头和后视镜头中。
进一步优选地，所述广角镜头的光圈数FNO满足FNO≤2.2。
通常，光学系统的通光量与光圈数反相关，因此，通过减小广角镜头的光圈数，有利于提高广角镜头的通光量。
实施例三
请参阅图1a，为本发明实施例三提供的一种广角镜头的结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上，提供了实现第二透镜的焦距F2与后透镜群组的组合焦距F后满足1.5≥|F2/F后|≥0.9，以及实现第四透镜的焦距F4、所述第四透镜的折射率N4随温度t的变化率dN4/dt、所述第五透镜的焦距F5，以及所述第五透镜的折射率N5随温度t的变化率dN5/dt满足-1.0≥(F4/F5)/((dN4/dt)/(dN5/dt))≥-1.2的优选方案。
如图1a所示，所述广角镜头沿光轴从物方至像方依次包括：第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、光阑L6、第四透镜L4和第五透镜L5，所述广角镜头还可以包括：滤色片L7和成像面L8。
其中，所述第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3组成广角镜头的前透镜群组，所述第四透镜L4和第五透镜L5为胶合透镜，该胶合透镜作为广角镜头的后透镜群组。入射光通过所述前透镜群组，再经过光阑L6进入所述后透镜群组，最后进入成像面L8。
从物方开始，依次对各个元件的面进行编号，第一透镜L1包括镜面S1和镜面S2，第二透镜L2包括镜面S3和镜面S4，第三透镜L3包括镜面S5和镜面S6，光阑L6的光阑面为S7，第四透镜L4包括靠近光阑L6的镜面S8和远离光阑L6的镜面S9，第五透镜L5包括镜面S9和镜面S10，其中，镜面S9为第四透镜L4和第五透镜L5胶合的接合面，滤色片L7包括镜面S11和镜面S12。
本实施例中，各个元件的参数分别如下表所示。
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 8.315 0.8 1.7292 54.68 7.14
2 2.505 0.9867 4.62
*3 13.04 0.8 1.5346 56.07 4.56
*4 2.0732 0.9041 3.61
5 5.1 1.63 1.8467 23.83 3.56
6 -20.56 1 2.94
7 Infinity 0.11 1.68
*8 3.9986 0.7 1.5855 29.93 1.94
*9 0.9387 2.17 1.5346 56.07 2.57
*10 -2.124 0.2 3.06
11 Infinity 0.55 1.5168 64.17 3.28
12 Infinity 2.53968 3.38
成像面 Infinity 4.18
其中，“*”代表非球面。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；c＝1/r，r表示镜面的曲率半径；k为圆锥系数conic；A、B、C、D和E分别为高次非球面系数，而系数中的e代表科学记号，如e-05表示10-5。
下表列出了各非球面的系数k、A、B、C、D和E：
根据上述两表中各元件的参数，可以得到所述广角镜头的参数如下表所示。
其中，TTL为第一透镜L1物方侧的最外点至成像面L8的距离；EFL为广角镜头的焦距；dN4/dt为第四透镜L4的折射率N4随温度t的变化率；dN5/dt为第五透镜L5的折射率N5随温度t的变化率；F4为第四透镜L4的焦距；F5为第五透镜L5的焦距；BFL为第五透镜L5像方侧的最外点至成像面L8的距离；F2为第二透镜L2的焦距；F后为后透镜群组的组合焦距。
所述广角镜头的光圈数FNO为2.0，水平视场角HFOV为90°。
根据上述具体数据，可以计算得到如下表所示的结果：
本实施例提供的广角镜头尤其适用于水平视场角在90°左右的车载侧视镜头。
图1b-图1g为相应于本实施例提供的广角镜头的光学性能曲线图。
其中，图1b为MTF解像曲线图，代表了一个广角镜头的综合解像水平。图1c为像散曲线图，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mm。图1d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1e为在-40℃时中心视场60lp/mm的离焦曲线。图1f为在20℃时中心视场60lp/mm的离焦曲线。图1g为在85℃时中心视场60lp/mm的离焦曲线。由图可知，该广角镜头已将各种像差校正到一个较好的水平，同时所述广角镜头的光学后焦随温度在-40℃-85℃内的偏移量控制在±0.02mm内。
本实施例提供的广角镜头，符合实施例二中的各参数要求，具备相应的有益效果。
实施例四
请参阅图2a，为本发明实施例四提供的一种广角镜头的结构示意图。本实施例在实施例二的基础上，提供了实现第二透镜的焦距F2与后透镜群组的组合焦距F后满足1.5≥|F2/F后|≥0.9，以及实现第四透镜的焦距F4、所述第四透镜的折射率N4随温度t的变化率dN4/dt、所述第五透镜的焦距F5，以及所述第五透镜的折射率N5随温度t的变化率dN5/dt满足-1.0≥(F4/F5)/((dN4/dt)/(dN5/dt))≥-1.2的优选方案。
本实施例中，各个元件的参数分别如下表所示。
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 15.9407 0.8 1.6968 55.52 12.74
2 3.5631 2.7345 6.81
*3 -6.2548 0.8445 1.5119 56.29 6.82
*4 2.4 1.4801 4.88
5 10 2.04 1.8467 23.79 4.84
6 -10 1.7504 4.36
7 Infinity 0.3702 1.76
*8 3.8611 0.8 1.5825 30.15 2.44
*9 0.9524 2.2207 1.5346 56.07 3.06
*10 -2.2437 0.1 3.39
11 Infinity 0.55 1.5168 64.17 3.57
12 Infinity 2.6371 3.68
成像面 Infinity 4.8
其中，“*”代表非球面。且非球面镜面的公式为：
式中，各符号的物理意义与实施例三相同，此处不再赘述。
下表列出了各非球面的系数k、A、B、C、D和E：
根据上述两表中各元件的参数，可以得到所述广角镜头的参数如下表所示：
其中，上表中各参数符号与实施例三相同，此处不再赘述。
所述广角镜头的光圈数FNO为2.0，水平视场角HFOV为150°。
根据上述具体数据，可以计算得到如下表所示的结果：
本实施例提供的广角镜头尤其适用于水平视场角在150°左右的车载后视镜头。
图2b-图2g为相应于本实施例提供的广角镜头的光学性能曲线图。
由图可知，该广角镜头已将各种像差校正到一个较好的水平，同时所述后广角镜头的光学后焦随温度在-40℃-85℃内的偏移量控制在±0.02mm内。
本实施例提供的广角镜头，符合实施例二中的各参数要求，具备相应的有益效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；实施例中优选的实施方式，并非对其进行限制，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种广角镜头，沿光轴从物方至像方依次包括：前透镜群组、光阑和后透镜群组，其特征在于：
所述前透镜群组从物方至像方依次包括：具有负光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜和具有正光焦度的第三透镜；
所述后透镜群组从物方至像方依次包括：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后透镜群组；
所述第三透镜的材质为玻璃；
所述第二透镜、第四透镜和第五透镜的材质均为塑料；
所述广角镜头的光学后焦随温度在-40℃-85℃内的偏移量在±0.02mm内；
所述第一透镜物方侧的最外点至成像面的距离TTL和所述广角镜头的焦距EFL满足：14≥TTL/EFL≥6.5。
2.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述第二透镜的焦距F2与所述后透镜群组的组合焦距F后满足1.5≥|F2/F后|≥0.9，以使所述广角镜头的光学后焦随温度在-40℃-85℃内的偏移量在±0.02mm内。
3.根据权利要求2所述的广角镜头，其特征在于，所述第四透镜的焦距F4、所述第四透镜的折射率N4随温度t的变化率dN4/dt、所述第五透镜的焦距F5，以及所述第五透镜的折射率N5随温度t的变化率dN5/dt满足下式：
-1.0≥(F4/F5)/((dN4/dt)/(dN5/dt))≥-1.2。
4.根据权利要求1-3任一所述的广角镜头，其特征在于，所述第二透镜沿光轴方向所包含的两个镜面均为非球面镜面，所述第四透镜沿光轴方向所包含的两个镜面均为非球面镜面，所述第五透镜沿光轴方向所包含的两个镜面均为非球面镜面。
5.根据权利要求4所述的广角镜头，其特征在于，所述第三透镜的d光折射率Nd3满足Nd3≥1.7，d光阿贝常数Vd3满足Vd3≤30。
6.根据权利要求4所述的广角镜头，其特征在于，所述第一透镜的d光折射率Nd1满足Nd1≥1.65，d光阿贝常数Vd1满足Vd1≥45。
7.根据权利要求4所述的广角镜头，其特征在于，所述第五透镜像方侧的最外点至成像面的距离BFL和所述广角镜头的焦距EFL满足：BFL/EFL≥1.7。
8.根据权利要求4所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头的水平视场角HFOV满足HFOV≥80°。
9.根据权利要求4所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头的光圈数FNO满足FNO≤2.2。
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