CN106094171B - 一种超大视场及大相对孔径的鱼眼镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超大视场及大相对孔径的鱼眼镜头，包括一个由七片透镜组成的透镜组，所述透镜组的七片透镜从物方至像方依次排列为：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，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜为具有负光焦度的凸面朝向物方凹面朝向像方的透镜；所述第四透镜为具有正光焦度的凸面朝向物方凹面朝向像方的双胶合透镜；所述第五透镜为光焦度为零的平行平板；所述第六透镜为具有正光焦度的双凸面胶合透镜；所述第七透镜为具有负光焦度的凹面朝向物方凸面朝向像方的双胶合透镜。本镜头结构相对简单、视场范围特别大、成像质量比较好，可用于工程测量、安全监视、高速摄影以及国防军事等领域。

Description

一种超大视场及大相对孔径的鱼眼镜头
技术领域
本发明属于光学技术领域，特别是一种超大视场及大相对孔径的鱼眼镜头，应用于工程测量、安全监视、高速摄影以及国防军事等领域。
背景技术
鱼眼镜头是一种视场角大于140°的一种具有超大视场的特殊镜头，甚至能涵盖超过半球视场，因其能够实现全空域包容和全时域实时信息的获取，是其他光电侦测手段所不能及的。传统的鱼眼镜头往往在结构复杂度和镜头性能要求之间无法兼得，面临着轴外像差难以消除、边缘视场照度太低、优化过程中光线频繁溢出等问题。即使是在计算机自动设计普及的今天，鱼眼镜头都是最复杂、最难设计的系统之一，而采用非球面设计无疑增加了加工成本。
和一般光学系统一样，确定合理的初始结构是光学优化设计的首要和关键环节。目前设计鱼眼镜头大多直接选取国内外专利作为初始结构，进而通过计算机程序或者光学设计软件进行优化。而比较熟知的PWC方法求解初始结构只适用于简单的光学系统。由于鱼眼镜头特殊的光学结构，使得近轴光学系统的理论在研究此类系统的主光线和色差时均无能为力。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术的缺陷，提供一种超大视场及大相对孔径的鱼眼镜头，具有结构相对简单、视场范围特别大、成像质量比较好、加工成本比较低等特点。
为达到上述目的，本发明的构思是：
将具有相对对称“负-正-正-负”的基础结构进行透镜复杂化，借助ZEMAX光学设计软件对将前组进行分裂，对后组基础结构进行胶合，并在孔径光阑附近增加一块平行平板，将所有参数设为变量并进行优化，参数变化范围为原来基础的50%以内。
根据上述发明构思，采用下述技术方案：
一种超大视场及大相对孔径的鱼眼镜头，包括一个由七片透镜组成的透镜组，所述透镜组的七片透镜从物方至像方依次排列为：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，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜为具有负光焦度的凸面朝向物方凹面朝向像方的透镜；所述第四透镜为具有正光焦度的凸面朝向物方凹面朝向像方的双胶合透镜；所述第五透镜为光焦度为零的平行平板；所述第六透镜为具有正光焦度的双凸面胶合透镜；所述第七透镜为具有负光焦度的凹面朝向物方凸面朝向像方的双胶合透镜。
所述透镜组的焦距为10mm，相对孔径F数为3.2。
所述透镜组系统总长为207mm，最大直径为130mm，所述透镜组的全视场为240°。
所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的材料折射率n=1.713，阿贝数ν=53.83；所述第四透镜双胶合的两种材料折射率分别为n=1.755、1.697，阿贝数分别为ν=27.38、55.41；所述第五透镜的材料折射率n=1.548，阿贝数ν=45.75；所述第六透镜双胶合的两种材料折射率分别为n=1.618、1.805，阿贝数分别为ν=49.83、25.36；所述第七透镜双胶合的两种材料折射率分别为n=1.785、1.806，阿贝数分别为ν=26.09、40.90。
整个鱼眼镜头七块玻璃材料从左往右依次为：N-LAK8（n=1.713）；N-LAK8（n=1.713）；N-LAK8（n=1.713）；N-SF4（n=1. 755）、N-LAK14（n=1. 697）；LLF1（n=1. 548）；N-SSK8（n=1.618）、N-SF6（n=1. 805）；SF56A（n=1.785）、P-LASF47（n=1.806）。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出特点和显著地进步：
本发明是基于相对对称的基础结构复杂化得到，比较完美地在实现大视场及大孔径的基础上，兼具结构相对简单、成像质量比较好等特点。此外，本发明多次用到双胶合透镜，选用常见价格低廉的材料，以及未用到非球面设计，使得加工成本相对降低。
附图说明
图1为具有对称结构的“负-正-正-负”基础模块示意图。
图2为鱼眼镜头光学系统结构示意图。
图3为视场角0°、120°、180°和240°时本光学系统的点列图。
图4为本光学系统的MTF曲线示意图。
具体实施方式
本发明的优选实例结合附图详述如下：
参见图1，在“负-正-正-负”的对称结构为基础模型进行透镜分裂复杂化，得到结构相对简单的初始结构。并在此初始结构基础上结合ZEMAX光学设计软件进行透镜复杂化。
为满足超大视场和大相对孔径的要求，并保证整个物镜光学结构紧凑，就要加大前组光焦度的绝对值，从而使其结构复杂起来。在此前提下，后组光学结构也必然相应的复杂化。鱼眼镜头基本光学结构合理复杂化的技术途径如下：1）用两个或多个透镜取代单透镜：这种取代的总趋势是使透镜表面曲率半径绝对值减小，从而在总体上减小光线的入射角以便减小高级像差，另一方面透镜表面数量的增加使可用的自变量增多，有利于全系统的优化；2）引入符号相反的高级像差以部分抵消基本结构的高级像差，最常用的方法是：(1)引入曲率绝对值很大的胶合面，(2)在单透镜中引入曲率相近、空气间隔很小的分离曲面，(3)加入光焦度数值较小但强烈弯曲的单透镜；3）在光阑附近引入一定厚度的平行平板，可部分抵消系统的轴外高级球差和高级像散，并有利于系统色差的校正。
设计步骤具体如下：1）前组在常规鱼眼镜头两块透镜的基础上增加一块负弯月形透镜，以增加前组总的角度压缩比；2）将后组三块单透镜进行分裂并胶合，利用ZEMAX光学设计软件进行局部优化；3）在靠近孔径光阑的的地方加一定厚度的平行平板；4）添加使用玻璃替换模板，并对全部参数进行锤形优化。
参见图2，一种超大视场及大相对孔径的鱼眼镜头，包括一个由七片透镜组成的透镜组，所述透镜组的七片透镜从物方至像方依次排列为：第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7，所述第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3为具有负光焦度的凸面朝向物方凹面朝向像方的透镜；所述第四透镜4为具有正光焦度的凸面朝向物方凹面朝向像方的双胶合透镜；所述第五透镜5为光焦度为零的平行平板；所述第六透镜6为具有正光焦度的双凸面胶合透镜；所述第七透镜7为具有负光焦度的凹面朝向物方凸面朝向像方的双胶合透镜。
透镜组焦距为：EFL=10mm。
透镜组系统总长度：L=207mm，最大直径为130mm。
全视场角：0°≤2ω≤240°。
主波长：0.58756。
相对孔径：F/#=3.2。
所述第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3的材料折射率n=1.713，阿贝数ν=53.83；所述第四透镜4双胶合的两种材料折射率分别为n=1.755、1.697，阿贝数分别为ν=27.38、55.41；所述第五透镜5的材料折射率n=1.548，阿贝数ν=45.75；所述第六透镜6双胶合的两种材料折射率分别为n=1.618、1.805，阿贝数分别为ν=49.83、25.36；所述第七透镜7双胶合的两种材料折射率分别为n=1.785、1.806，阿贝数分别为ν=26.09、40.90。
如图3所示，视场角0°、120°、180°和240°对应的RMS值分别为5.738um、14.462um、18.920um和15.187um。
如图4所示，所述透镜组由MTF曲线分析可知，MTF曲线在30lp/mm位置处，中心视场达到了50%以上，全视场范围内达到了35%以上，MTF曲线相对平滑。
本鱼眼镜头的结构参数见表1。
表1鱼眼镜头结构参数

Claims (4)

1.一种超大视场及大相对孔径的鱼眼镜头，包括一个由七片透镜组成的透镜组，所述透镜组的七片透镜从物方至像方依次排列为：第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)、第六透镜(6)、第七透镜(7)，所述第一透镜(1)、第二透镜(2)和第三透镜(3)为具有负光焦度的凸面朝向物方凹面朝向像方的透镜；其特征在于，所述第四透镜(4)为具有正光焦度的凸面朝向物方凹面朝向像方的双胶合透镜；所述第五透镜(5)为光焦度为零的平行平板；所述第六透镜(6)为具有正光焦度的双凸面胶合透镜；所述第七透镜(7)为具有负光焦度的凹面朝向物方凸面朝向像方的双胶合透镜。
2.如权利要求1所述的一种超大视场及大相对孔径的鱼眼镜头，其特征在于：所述透镜组的焦距为10mm，相对孔径F数为3.2。
3.如权利要求1所述的一种超大视场及大相对孔径的鱼眼镜头，其特征在于：所述透镜组系统总长为207mm，最大直径为130mm，所述透镜组的全视场为240°。
4.如权利要求1所述的一种超大视场及大相对孔径的鱼眼镜头，其特征在于：所述第一透镜(1)、第二透镜(2)和第三透镜(3)的材料折射率n＝1.713，阿贝数ν＝53.83；所述第四透镜(4)双胶合的两种材料折射率分别为n＝1.755、1.697，阿贝数分别为ν＝27.38、55.41；所述第五透镜(5)的材料折射率n＝1.548，阿贝数ν＝45.75；所述第六透镜(6)双胶合的两种材料折射率分别为n＝1.618、1.805，阿贝数分别为ν＝49.83、25.36；所述第七透镜(7)双胶合的两种材料折射率分别为n＝1.785、1.806，阿贝数分别为ν＝26.09、40.90。
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