CN105572849A

CN105572849A - 一种广角成像镜头系统

Info

Publication number: CN105572849A
Application number: CN201610153623.1A
Authority: CN
Inventors: 孙锋青
Original assignee: VISTA OPTRONICS Inc
Current assignee: VISTA OPTRONICS Inc
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2036-03-17
Also published as: CN105572849B

Abstract

本发明提供一种广角成像镜头系统，沿光轴从物面侧至像面侧依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和成像面。其中第一透镜具有负折光力，第二透镜具有正折光力，且其物面在近轴区域为凸表面、像面为凸表面；第三透镜具有负折光力，且其物面为凹表面。系统中一孔径光阑置于物面侧与第二透镜之间；该结构的广角成像镜头系统满足关系式：DT＜0.02，DT为每片镜片厚度值公差。采用本发明结构的广角镜头其光圈数可以小于3.5，保证了较大的进光量，而且系统高度很短，容易量产，可应用在医疗领域的内脏内窥镜、工业领域的水下内窥镜等等。

Description

一种广角成像镜头系统

技术领域

本发明涉及光学镜头技术领域，尤其涉及一种广角成像镜头系统。

背景技术

随着电子设备行业的发展，越来越多的应用领域需要成像设备辅助，从而完成更复杂的功能以便于服务民生。尤其是特殊医疗、工业探测、车载成像等等领域，亟需分辨率更高，景深和视场角更大的镜头，来提升领域内应用产品的性能和服务品质。但传统的镜头尺寸过大，无法满足市场对这些领域产品微型化的需求，低分辨率产品已渐渐经失去市场热度。医疗和工业探测上还需要摄像模系统能在特殊环境如水下，完成拍摄功能。但实际上为了达到这些参数需求，虽然能设计出镜头模型，在镜头量产阶段产品的良率却很低。

美国专利US8437091B2披露了一种广角镜头组，该镜头组包括了三个透镜，第一透镜具有负折光力，第二透镜具有正折光力，第三透镜具有正折光力，镜头组的视场角可达到120°左右且系统紧凑体积较小，因为没有采用胶和工艺从而降低了成本。但该发明没有通过选择合适折光力的透镜、结合加工的冗余度和非球面系数来提高微型镜头生产的容易性。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种广角成像镜头系统，通过透镜折光力组合、结合加工冗余度和特定非球面系数的关键关系，可以降低微型镜头的生产难度，同时通过该发明实现的镜头系统结构具有较大的光圈，即光圈数F#＜3.5。

本发明提供一种广角成像镜头系统，其特征在于：沿光轴从物面侧至像面侧依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和成像面；所述第一透镜具有负折光力；所述第二透镜具有正折光力，且其物面在近轴区域为凸表面、像面为凸表面；所述第三透镜具有负折光力，且其物面为凹表面；其中一孔径光阑置于物面侧与第二透镜之间；进一步地，广角成像镜头系统满足关系式：

DT＜0.02；其中DT为每片镜片厚度值公差。

进一步地，所述广角成像镜头系统满足关系式：

FOV＞90°；其中FOV为所述广角成像镜头系统的视场角大小。

进一步地，所述广角成像镜头系统满足关系式：

3.67≤AC*1000≤4.45；其中AC为第二透镜像面的非球面系数总和。

进一步地，所述广角成像镜头系统满足关系式：

0.248≤f≤0.261；其中f为所述广角成像镜头系统的有效焦距。

进一步地，所述广角成像镜头系统满足关系式：

0.059≤BFL/TTL≤0.094；其中TTL是器件高度，BEL是镜头系统的后焦距。

进一步地，所述广角成像镜头系统满足关系式：

DR＜0.015；其中DR为每片镜片曲率半径值公差。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为依照本发明第一个实施例的广角成像镜头系统示意图。

图2从左至右依次为依照本发明第一个实施例的广角成像镜头系统的垂轴像差、场曲及畸变曲线。

图3为依照本发明第二个实施例的广角成像镜头系统示意图。

图4从左至右依次为依照本发明第二个实施例的广角成像镜头系统的垂轴像差、场曲及畸变曲线。

图5为依照本发明第三个实施例的广角成像镜头系统示意图。

图6从左至右依次为依照本发明第三个实施例的广角成像镜头系统的垂轴像差、场曲及畸变曲线。

图7为依照本发明第四个实施例的广角成像镜头系统示意图。

图8从左至右依次为依照本发明第四个实施例的广角成像镜头系统的垂轴像差、场曲及畸变曲线。

具体实施方式

本发明披露的一结构如下：

一种广角成像镜头系统，沿光轴方向从物面侧到像面侧依次包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜，所述孔径光阑位于所述第二透镜的物面与所述物面侧之间，这样的设计可以增大光圈，从而增大系统进光量。

所述第一透镜具有负折光力，其物面可以是平面或球面，该结构在这里可以让更大角度的光线入射到系统中；

所述第二透镜具有正折光力，可以平衡系统的折光力，减小场曲；且其物面在近轴区域为凸表面、像面为凸表面，这样的结构能够减小轴外像差。

所述第三透镜具有负折光力，能够减小场曲；且其物面为凹表面，该设计可以矫正畸变。

DT为每片镜片厚度值公差，所述的广角镜头系统还满足关系式：DT＜0.02；此时系统的垂轴像差、畸变、色差等像差表现最佳，而且镜头更容易生产。

FOV为所述广角成像镜头系统的视场角大小，所述广角成像镜头系统满足关系式：FOV＞90°；此时成像镜头系统可拍摄范围更大。

具体地，所述广角成像镜头系统满足关系式：

3.67≤AC*1000≤4.45；此时，系统的像散可以得到很好矫正，其中AC为第二透镜像面的非球面系数总和。

具体地，所述广角成像镜头系统满足关系式：

0.248≤f≤0.261；此时，系统的放大率适中，可满足医疗等特殊领域的应用要求，其中f为所述广角成像镜头系统的有效焦距。

具体地，当所述广角成像镜头系统满足关系式：0.059≤BFL/TTL≤0.094时；系统的高度和封装高度更适宜应用，其中TTL是器件高度，BEL是镜头系统的后焦距。

具体地，当所述广角成像镜头系统满足关系式：DR＜0.015时；系统中透镜的面型更容易加工，光学性质质量也能得到保证，其中DR为每片镜片曲率半径值公差。

本发明中包含了非球面镜片，非球面镜片的非球面系数可由但不仅限于下列非球面特性方程定义：

X (Y) = \frac{(Y^{2} / R)}{(1 + \sqrt{1 - (1 + k) \frac{Y^{2}}{R^{2}}})} + \underset{i}{Σ} A i * Y^{i}

其中，X是在非球面上距离光轴距离为Y的点到子午面在非球面上的顶点之间的相对距离，Y是非球面曲点到光轴的距离，R代表了表面的曲率半径，k代表了圆锥系数，Ai代表了每个透镜面第i阶非球面系数。在实施例中，i可以是2,4,6,8,10,12但不局限于该范围。

根据上述实施方式，以下给出具体的实施例，配合附图作进一步的详细说明，但是本发明的结构不仅限于以下实施例。

图1给出了本发明第一个实施例的广角成像镜头系统结构示意图，沿光轴从物面侧到像面侧依次包括：第一透镜110、孔径光阑100、第二透镜120、第三透镜130以及成像面140。其中，第一透镜110为玻璃材质，第二透镜120和第三透镜130皆为塑料材质。“CR”在所有实施例中有相同的意义，其代表了主光线。

所述第一透镜110具有负折光力，且其物面111为平面，像面112为凹表面且为球面；

所述第二透镜120具有正折光力，且其物面121在近轴区域为凸表面，像面122为凸表面，且其物面121和像面122皆为非球面；

所述第三透镜130具有负折光力，且其物面131在近轴区域为凹表面，其像面132在近轴区域为凸表面、在边缘区域为凹表面；且其物面131和像面132皆为非球面。

图2为第一个实施例的垂轴像差、场曲、畸变曲线图，反映了实施例中镜头系统的像质情况，T代表子午方向，S代表弧矢方向。镜头系统的像质评估包括垂轴像差、场曲和畸变，高像质是要求垂轴像差、场曲和畸变均保持在符合一定标准的范围内，如：广角镜头的畸变在5％以内。各像差的纵坐标均为像高值，单位mm(毫米)，文中所给出的实施例包括了每个透镜的详细位置和基本特性数据。其中使用这些数据加工得到的镜头系统，其像质情况如像差图示。其中从0视场到1视场，垂轴像差曲线越贴近纵轴，镜头系统的像差性能越好；畸变越小镜头越优秀；场曲图中，S(弧矢)曲线和T(子午)曲线之间间距越小越好。第一个实施例的镜头系统的像差表现较好：畸变最大值小于5％，垂轴像差与场曲除1视场外的值均较好。

表1-1和表1-2是第一个实施例的镜头系统参数和非球面系数的详细信息，结合表格可说明实施例。

表1-1中，f表示了有效焦距的值，F^#表示光圈数，FOV表示最大视场角。满足非球面特性方程的非球面系数信息详细的列入了表1-2中，其中A4到A10分别为第4阶到第10阶非球面系数，k表示非球面特性方程中的圆锥系数。每个透镜物面对应的厚度值为该透镜的中心厚度值，像面对应的厚度值为当前透镜到下一物体第一面的空气间隙中心厚度值。孔径光阑对应的厚度值为孔径光阑到第一透镜的空气间隙中心厚度值。本发明中所有实施例的表格及图例都采用了相同的参数定义，往后不再重申。

表1-1：

表1-2：

图3给出了本发明第二个实施例的广角成像镜头系统结构示意图，沿光轴从物面侧到像面侧依次包括：第一透镜210、孔径光阑200、第二透镜220、第三透镜230以及成像面240。其中，第一透镜210、第二透镜220和第三透镜230皆为塑料材质；

所述第一透镜210具有负折光力，且其物面211为平面，像面212为凹表面且为球面；

所述第二透镜220具有正折光力，且其物面221在近轴区域为凸表面，像面222为凸表面，且其物面221和像面222皆为非球面；

所述第三透镜230具有负折光力，且其物面231在近轴区域为凹表面，其像面232在近轴区域为凸表面、在边缘区域为凹表面；且其物面231和像面232皆为非球面。

图4为第二个实施例的垂轴像差、场曲、畸变曲线图，反映了实施例中镜头系统的像质情况。第二个实施例的镜头系统的像差表现较好：畸变最大值小于5％，垂轴像差与场曲除1视场外的值均较好。

表2-1和表2-2是第一个实施例的镜头系统参数和非球面系数的详细信息，结合表格可说明实施例。

表2-1：

表2-2：

图5给出了本发明第三个实施例的广角成像镜头系统结构示意图，沿光轴从物面侧到像面侧依次包括：第一透镜310、孔径光阑300、第二透镜320、第三透镜330以及成像面340。其中，第一透镜310为玻璃材质，第二透镜320和第三透镜330皆为塑料材质；

所述第一透镜310具有负折光力，且其物面311为平面，像面312为凹表面且为球面；

所述第二透镜320具有正折光力，且其物面321在近轴区域为凸表面，像面322为凸表面，且其物面321和像面322皆为非球面；

所述第三透镜330具有负折光力，且其物面331在近轴区域为凹表面，其像面332在近轴区域为凸表面、在边缘区域为凹表面；且其物面331和像面332皆为非球面。

图6为第三个实施例的垂轴像差、场曲、畸变曲线图，反映了实施例中镜头系统的像质情况。第三个实施例的镜头系统的像差表现较好：畸变最大值小于5％，垂轴像差与场曲除1视场外的值均较好。

表3-1和表3-2是第一个实施例的镜头系统参数和非球面系数的详细信息，结合表格可说明实施例。

表3-1：

表3-2：

图7给出了本发明第四个实施例的广角成像镜头系统结构示意图，沿光轴从物面侧到像面侧依次包括：第一透镜410、孔径光阑400、第二透镜420、第三透镜430以及成像面440。其中，第一透镜410为玻璃材质，第二透镜420和第三透镜430皆为塑料材质；

所述第一透镜410具有负折光力，且其物面411和像面412均为凹表面且为球面；

所述第二透镜420具有正折光力，且其物面421在近轴区域为凸表面，像面422为凸表面，且其物面421和像面422皆为非球面；

所述第三透镜430具有负折光力，且其物面431在近轴区域为凹表面，其像面432在近轴区域为凸表面、在边缘区域为凹表面；且其物面431和像面432皆为非球面。

图8为第四个实施例的垂轴像差、场曲、畸变曲线图，反映了实施例中镜头系统的像质情况。第四个实施例的镜头系统的像差表现较好：畸变最大值小于5％，垂轴像差与场曲表现较好。

表4-1和表4-2是第一个实施例的镜头系统参数和非球面系数的详细信息，结合表格可说明实施例。

表4-1：

表4-2：

以上披露的实施例的关键详细信息如表格5所示：

表5中，F#是光圈数，BEL是镜头系统的后焦距，TTL是镜头系统高度，AC是第二透镜的像面的非球面系数之和，FOV是镜头系统的视场角。

采用本发明结构的广角镜头其光圈数可以小于3.5，保证了较大的进光量，而且系统高度很短，可以应用在需要较小镜头尺寸、且要求一定相对照度的应用场合上，如在医疗领域的内脏内窥镜、工业领域的水下内窥镜等等。

表5：

实施例	1	2	3	4
					F#	3.3	3.1	3.1	2.8
BFL	0.158	0.158	0.154	0.146
					TTL	1.667	1.667	1.652	2.457
BFL/TTL	0.094	0.094	0.093	0.059
					AC*1000	3.67	4.34	4.34	4.45
FOV	90.17°	90.17°	90.20°	91.35°

虽然以上描述了本发明实施例的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims

1.一种广角成像镜头系统，其特征在于：沿光轴从物面侧至像面侧依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和成像面；

所述第一透镜具有负折光力；

所述第二透镜具有正折光力，且其物面在近轴区域为凸表面、像面为凸表面；

所述第三透镜具有负折光力，且其物面为凹表面；

其中一孔径光阑置于物面侧与第二透镜之间；所述广角成像镜头系统满足关系式：

DT＜0.02；

其中DT为每片镜片厚度值公差。

2.根据权利要求1所述的镜筒，其特征在于：所述广角成像镜头系统满足关系式：

FOV＞90°；

其中FOV为所述广角成像镜头系统的视场角大小。

3.根据权利要求1所述的镜筒，其特征在于：所述广角成像镜头系统满足关系式：

3.67≤AC*1000≤4.45；

其中AC为第二透镜像面的非球面系数总和。

4.根据权利要求1所述的镜筒，其特征在于：所述广角成像镜头系统满足关系式：

0.248≤f≤0.261；

其中f为所述广角成像镜头系统的有效焦距。

5.根据权利要求1所述的镜筒，其特征在于：所述广角成像镜头系统满足关系式：

0.059≤BFL/TTL≤0.094；

其中TTL是器件高度，BEL是镜头系统的后焦距。

6.根据权利要求1所述的镜筒，其特征在于：所述广角成像镜头系统满足关系式：

DR＜0.015；

其中DR为每片镜片曲率半径值公差。