CN105445910A - 包含非球面结构透镜的超大视场鱼眼镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包含非球面结构透镜的超大视场鱼眼镜头，由11片透镜和1个滤光片组合而成，具有负光焦度的前组光学系统和具有正光焦度的后组光学系统，沿着光轴方向从物方到像方，前组光学系统由负弯月型的凸面均朝前的第一块透镜、第二块透镜和第三块透镜组成，后组光学系统由其他透镜和滤光片组成，滤光片设置于第十一块透镜和像面之间，在前组光学系统中，第一块透镜的前光学表面采用非球面结构，第二块透镜和第三块透镜的前光学表面均采用球面结构，或者第一块透镜和第二块透镜的前光学表面均采用非球面结构，第三块透镜的前光学表面采用球面结构。本发明光学系统像面均匀性好，具有成像质量好的特点，结构紧凑，易于加工。

Description

包含非球面结构透镜的超大视场鱼眼镜头

技术领域

本发明涉及一种光学系统，特别涉及一种光学成像系统，应用于大视场光学系统的成像技术领域。

背景技术

鱼眼镜头可以获得一般光学系统无法达到的视场范围，视场角能够达到180°甚至更大，在很多领域具有广泛的应用，从特殊摄影逐渐扩展到天文、气象、医疗内窥镜检查、管道内壁检测、球幕电影、建筑测量，乃至公安、边防、海防等领域。随着科技的发展及信息化时代的到来，鱼眼镜头在通信、机器视觉、导航、定位、微小智能系统等方面获得成功应用。在安全监视方面，由于它能够以凝视的方式工作，不需要旋转和扫描，因此可以悄无声息地将来自任意方向的目标尽收眼底，而现在流行的被称为“电子眼”的普通CCD摄像机是无法与它的这种优势相比的。在国防和军事方面，鱼眼镜头有着非常重要的地位。但是目前超大视场鱼眼镜头的设计理论具有很大局限性，而且设计的鱼眼镜头成像质量不是很好。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种包含非球面结构透镜的超大视场鱼眼镜头，在发展的超大视场像差理论和设计方法基础上，通过对其进行软件设计，并结合超大视场光学系统的成像质量评价函数研究，发现了鱼眼镜头在成像过程中，超大视场光线在前面两块负弯月型透镜是光线斜入射程度最严重，像差贡献最大，其余的都较小，开发了新型超大视场鱼眼镜头，该光学系统像面均匀性好，成像质量好，性能可靠，结构紧凑，易于加工。

为达到上述发明创造目的，采用下述技术方案：

一种包含非球面结构透镜的超大视场鱼眼镜头，包括透镜组，由11片透镜和1个滤光片组合而成，具有负光焦度的前组光学系统和具有正光焦度的后组光学系统，沿着光轴方向从物方到像方，前组光学系统由负弯月型的第一块透镜、负弯月型的第二块透镜和负弯月型的第三块透镜一共三块透镜组成，第一块透镜、第二块透镜和第三块透镜的凸面均朝前，后组光学系统由第四块负透镜、第五块正透镜、第六块负透镜、第七块负透镜、第八块正透镜、第九块正透镜、第十块负透镜、第十一块正透镜和滤光片组成，滤光片设置于第十一块透镜和像面之间，起到滤光的作用，在前组光学系统中，采用如下任意一种透镜组合方案：

方案一：第一块透镜的前光学表面采用非球面结构，第二块透镜的前光学表面和第三块透镜的前光学表面均采用球面结构；

方案二：第一块透镜的前光学表面和第二块透镜的前光学表面均采用非球面结构，第三块透镜的前光学表面采用球面结构。

作为本发明优选的技术方案，在方案一或方案二中，透镜的光学表面采用非球面结构，因此透镜的光学表面的非球面面型系数应该满足如下方程式：

在方程式中：，表示透镜的光学表面的非球面面型曲线顶点处的曲率半径；是非球面面型系数，当、、、和时，透镜的光学表面的非球面面型分别为扁椭圆面、球面、长椭圆面、抛物面和双曲面。

作为本发明进一步优选的技术方案，在方案一中，第一块透镜的前光学表面的非球面面型系数为-0.560，前组光学系统的各透镜的后光学表面的面型系数均为-1，后组光学系统的各透镜的面型系数均为-1；

在方案二中，第一块透镜的前光学表面的非球面面型系数为-0.126，第二块透镜的前光学表面的非球面面型系数为-0.389，前组光学系统的各透镜的后光学表面的面型系数均为-1，后组光学系统的各透镜的面型系数均为-1。

作为上述方案进一步优选的技术方案，在方案一中，鱼眼镜头光学系统的全视场角为180°，总焦距为9.677mm，值为1/5.6，后工作距离为12.584mm；在方案二中，鱼眼镜头光学系统的全视场角为180°，总焦距为8.211mm，值为1/5.6，后工作距离为14.364mm。

作为上述方案进一步优选的技术方案，在后组光学系统中，第四块负透镜、第五块正透镜和第六块负透镜组合形成三胶合透镜，第七块负透镜和第八块正透镜组合形成一组双胶合透镜，第十块负透镜和第十一块正透镜组合形成另一组双胶合透镜。

作为上述方案进一步优选的技术方案，在前组光学系统和后组光学系统之间设有光阑，即光阑设置于第三块透镜和第四块负透镜之间，滤光片能根据需要随时更换，起到滤光的作用。

作为上述方案进一步优选的技术方案，第一块透镜、第二块透镜、第三块透镜、第四块负透镜、第五块正透镜、第六块负透镜、第七块负透镜、第八块正透镜、第九块正透镜、第十块负透镜和第十一块正透镜材料分别为BK7HT(n=1.51633)、SK4(n=1.61272)、SSK3(n=1.61484)、N-FK5(n=1.48749)、SF56A(n=1.78470)、P-LAF37(n=1.75550)、SF56A(n=1.78470)、N-LAF35(n=1.74330)、P-LAF37(n=1.75550)、SF56A(n=1.78470)和N-SK16(n=1.62041)；滤光片的材料为N-BK7(n=1.51680)。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明的光学系统像面均匀性好，具有成像质量好的特点，结构紧凑，易于加工；

2.考虑到非球面透镜加工成本较高，本发明采用了两个技术方案，方案一为第一块透镜的前光学表面采用非球面结构，方案二为第一块透镜和第二块透镜的前光学表面均采用非球面结构，均取得了非常好的成像质量，其中方案二虽然相比方案一的制造成本偏高，但方案二相比方案一成像质量更好，用户可以根据自身需要选择合适的技术方案。

附图说明

图1是本发明实施例一超大视场鱼眼镜头的结构示意图。

图2是本发明实施例一超大视场鱼眼镜头的MTF曲线图。

图3是本发明实施例二超大视场鱼眼镜头的MTF曲线图。

图4是本发明实施例一超大视场鱼眼镜头的点列图。

图5是本发明实施例二超大视场鱼眼镜头的点列图。

图6是本发明实施例一超大视场鱼眼镜头的场曲和畸变曲线。

图7是本发明实施例二超大视场鱼眼镜头的场曲和畸变曲线。

图8是本发明实施例一超大视场鱼眼镜头的光路图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，采用方案一，参见图1、图2、图4、图6和图8，一种包含非球面结构透镜的超大视场鱼眼镜头，包括透镜组，由11片透镜和1个滤光片组合而成，具有负光焦度的前组光学系统和具有正光焦度的后组光学系统，沿着光轴方向从物方到像方，前组光学系统由负弯月型的第一块透镜、负弯月型的第二块透镜和负弯月型的第三块透镜一共三块透镜组成，第一块透镜的凸面1、第二块透镜的凸面3和第三块透镜的凸面5均朝前，后组光学系统由第四块负透镜、第五块正透镜、第六块负透镜、第七块负透镜、第八块正透镜、第九块正透镜、第十块负透镜、第十一块正透镜和滤光片组成，滤光片设置于第十一块透镜和像面之间，起到滤光的作用，在前组光学系统中，采用方案一：第一块透镜的前光学表面采用非球面结构，第一块透镜的前光学表面1的非球面面型系数为-0.560，第二块透镜的前光学表面和第三块透镜的前光学表面均采用球面结构，前组光学系统的各透镜的后光学表面的面型系数均为-1，后组光学系统的各透镜的面型系数均为-1。如图1所示，本实施例非球面结构的超大视场鱼眼镜头，包括前组光学系统和后组光学系统。前组光学系统由三块负弯月型透镜组成；后组是Tessar物镜结构，主要包括第四块负透镜、第五块正透镜、第六块负透镜、第七块负透镜、第八块正透镜、第九块正透镜、第十块负透镜、第十一块正透镜和滤光片；并且第三块和第四块透镜之间设置有光阑、第十一块透镜和像面之间设置有滤光片。本实施例在发展的超大视场像差理论和设计方法基础上，通过对其进行软件设计并结合超大视场光学系统的成像质量评价函数，以及考虑到制造成本问题。

在本实施例中，第一块透镜、第二块透镜、第三块透镜、第四块负透镜、第五块正透镜、第六块负透镜、第七块负透镜、第八块正透镜、第九块正透镜、第十块负透镜和第十一块正透镜材料分别为BK7HT(n=1.51633)、SK4(n=1.61272)、SSK3(n=1.61484)、N-FK5(n=1.48749)、SF56A(n=1.78470)、P-LAF37(n=1.75550)、SF56A(n=1.78470)、N-LAF35(n=1.74330)、P-LAF37(n=1.75550)、SF56A(n=1.78470)和N-SK16(n=1.62041)；滤光片的材料为N-BK7(n=1.51680)。

在本实施例中，鱼眼镜头光学系统的全视场角为180°，总焦距为9.677mm，值为1/5.6，后工作距离为12.584mm。本实施例非球面结构的超大视场鱼眼镜头结构参数见表1。

图2为本实施例非球面结构的超大视场鱼眼镜头的方案一的MTF曲线，图中横轴表示为半视场角，单位为°；纵轴表示为MTF值，范围为0到1；根据光学系统的MTF值来对成像质量进行评价，图中上方的虚实线和下方的虚实线分别表示为空间频率10lp/mm和30lp/mm；实线和虚线分别表示为子午方向和弧失方向，从图中可以看出镜头成像质量非常好。

图4为本实施例非球面结构的超大视场鱼眼镜头的方案一点列图，图中分别给出了0°、30°、60°和90°的点列图。在图4中，横轴和纵轴的尺寸均为100。从图中可以看出在不同视场角的情况下，光学系统的光斑半径非常小，说明镜头的几何像差得到了大大减小。

图6为本实施例非球面结构的超大视场鱼眼镜头的方案一的场曲和F-Theta畸变曲线，场曲和畸变是衡量鱼眼镜头质量的重要指标之一。在图6中，左边为场曲曲线，右边为F-Theta畸变曲线。场曲曲线的横轴表示为场曲大小，单位为mm；纵轴表示为半视场角，单位为°。F-Theta畸变曲线的横轴表示为设计镜头与使用模型之间畸变的偏差，单位为%；纵轴表示为半视场角，单位为°。从图6中可以看出本发明设计的镜头场曲很小，畸变符合镜头成像要求。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，采用方案二，参见图3、图5和图7，第一块透镜的前光学表面1和第二块透镜的前光学表面3均采用非球面结构，第一块透镜的前光学表面1的非球面面型系数为-0.126，第二块透镜的前光学表面3的非球面面型系数为-0.389，第三块透镜的前光学表面5采用球面结构，前组光学系统的各透镜的后光学表面的面型系数均为-1，后组光学系统的各透镜的面型系数均为-1。方案二和方案一采用的透镜材料相同，在本实施例中，鱼眼镜头光学系统的全视场角为180°，总焦距为8.211mm，值为1/5.6，后工作距离为14.364mm。本实施例非球面结构的超大视场鱼眼镜头结构参数见表1。

在本实施例中，图3为本实施例非球面结构的超大视场鱼眼镜头的方案二的MTF曲线，从图中可以看出镜头成像质量非常好。图5的横轴和纵轴的尺寸均为100，从图中可以看出在不同视场角的情况下，光学系统的光斑半径非常小，说明镜头的几何像差得到了大大减小。图7为本实施例非球面结构的超大视场鱼眼镜头方案二的场曲和F-Theta畸变曲线，左边为场曲曲线，右边为F-Theta畸变曲线。从图7中可以看出本发明设计的镜头场曲很小，畸变符合镜头成像要求。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明包含非球面结构透镜的超大视场鱼眼镜头的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种包含非球面结构透镜的超大视场鱼眼镜头，包括透镜组，其特征在于：由11片透镜和1个滤光片组合而成，具有负光焦度的前组光学系统和具有正光焦度的后组光学系统，沿着光轴方向从物方到像方，所述前组光学系统由负弯月型的第一块透镜、负弯月型的第二块透镜和负弯月型的第三块透镜一共三块透镜组成，所述第一块透镜、所述第二块透镜和所述第三块透镜的凸面均朝前，所述后组光学系统由第四块负透镜、第五块正透镜、第六块负透镜、第七块负透镜、第八块正透镜、第九块正透镜、第十块负透镜、第十一块正透镜和滤光片组成，所述滤光片设置于所述第十一块透镜和像面之间，在所述前组光学系统中，采用如下任意一种透镜组合方案：

方案一：所述第一块透镜的前光学表面（1）采用非球面结构，所述第二块透镜的前光学表面（3）和所述第三块透镜的前光学表面（5）均采用球面结构；

方案二：所述第一块透镜的前光学表面（1）和所述第二块透镜的前光学表面（3）均采用非球面结构，所述第三块透镜的前光学表面（5）采用球面结构。

2.根据权利要求1所述包含非球面结构透镜的超大视场鱼眼镜头，其特征在于：在方案一或方案二中，透镜的光学表面的非球面面，在方程式中，，表示透镜的光学表面的非球面面型曲线顶点处的曲率半径，是非球面面型系数，当时，透镜的光学表面的非球面面型为球面，当时，透镜的光学表面的非球面面型为抛物面。

3.根据权利要求2所述包含非球面结构透镜的超大视场鱼眼镜头，其特征在于：在方案一中，所述第一块透镜的前光学表面（1）的非球面面型系数为-0.560，所述前组光学系统的各透镜的后光学表面的面型系数均为-1，所述后组光学系统的各透镜的面型系数均为-1；

在方案二中，所述第一块透镜的前光学表面（1）的非球面面型系数为-0.126，所述第二块透镜的前光学表面（3）的非球面面型系数为-0.389，所述前组光学系统的各透镜的后光学表面的面型系数均为-1，所述后组光学系统的各透镜的面型系数均为-1。

4.根据权利要求1所述包含非球面结构透镜的超大视场鱼眼镜头，其特征在于：在方案一中，鱼眼镜头光学系统的全视场角为180°，总焦距为9.677mm，值为1/5.6，后工作距离为12.584mm；在方案二中，鱼眼镜头光学系统的全视场角为180°，总焦距为8.211mm，值为1/5.6，后工作距离为14.364mm。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述包含非球面结构透镜的超大视场鱼眼镜头，其特征在于：在所述后组光学系统中，所述第四块负透镜、第五块正透镜和第六块负透镜组合形成三胶合透镜，所述第七块负透镜和第八块正透镜组合形成一组双胶合透镜，所述第十块负透镜和第十一块正透镜组合形成另一组双胶合透镜。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述包含非球面结构透镜的超大视场鱼眼镜头，其特征在于：在所述前组光学系统和所述后组光学系统之间设有光阑，即所述光阑设置于所述第三块透镜和所述第四块负透镜之间，所述滤光片能根据需要随时更换。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述包含非球面结构透镜的超大视场鱼眼镜头，其特征在于：所述第一块透镜、第二块透镜、第三块透镜、第四块负透镜、第五块正透镜、第六块负透镜、第七块负透镜、第八块正透镜、第九块正透镜、第十块负透镜和第十一块正透镜材料分别为BK7HT(n=1.51633)、SK4(n=1.61272)、SSK3(n=1.61484)、N-FK5(n=1.48749)、SF56A(n=1.78470)、P-LAF37(n=1.75550)、SF56A(n=1.78470)、N-LAF35(n=1.74330)、P-LAF37(n=1.75550)、SF56A(n=1.78470)和N-SK16(n=1.62041)；所述滤光片的材料为N-BK7(n=1.51680)。