CN106125259A - 广角成像透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种小尺寸的广角镜头，能够实现大视场范围内的高质量成像，利用视场边缘图像可以和其它广角镜头的视场边缘图像相匹配，通过图像处理完成全景图像合成，使得本发明的既能能够作为单独的广角镜头使用，也适用于多个广角镜头组成的全景图像形成装置。

Description

广角成像透镜
技术领域
本发明涉及一种小型广角成像透镜，具体地说，尤其涉及一种适用于固态图像传感器的低成本、小型广角镜系统，该广角镜系统适用于诸如电视电话、全景相机、虚拟现实拍摄装置等数字图像摄像设备，具有良好的光学性能。
背景技术
人们已普遍地知道用于固态图像传感器的广角镜系统。例如，第H6-34879号日本专利申请公示和第2001-337268号日本专利申请公示公开了三透镜结构的广角镜系统。但是，这样的广角镜系统仅具有大约120度的总视角，这样的视角范围显然不能胜任相摄广角的范围。
另一方面，第2004-102162号日本专利申请公告公开了一种广角镜系统，它对拍摄区能提供约为170度的总视角，这种广角镜系统是由多达八个透镜元件组成，具有相对复杂的结构和较长的总长度，成本明显增加并且在携带时具有诸多不便。
随着智能便携式通信设备的迅速发展普及，越来越多的用户希望拍摄更广视场角的图像，以通过社交网络来分享，广角成像透镜已经不再仅仅是一部分摄影爱好者们的追求。随虚拟现实VR设备的火爆，一个迫切需要解决的问题是获得适用于VR设备的内容，已将VR头戴设备的应用从游戏和动画拓展到更多的实际生活应用，为适应实际生活应用阶段的拍摄，需要能够小体积携带以随时拍摄的广角成像透镜，或者几个广角成像透镜的组合，以拍摄大广角乃至360度全景的图像，作为实现虚拟现实沉浸感和现实感的基础。
发明内容
本发明旨在提供一种具有优良光学性能的低成本、小型广角成像透镜。
根据本发明的一种广角成像透镜，从物方侧到像方侧，包括：沿光轴依次排列的第一透镜组，光折射元件P，光阑，第二透镜组和成像器件；其中，所述光折射元件P的折射率大于空气，其几何中心点O位于光轴上；
从第一透镜组物方侧顶点至O点的光轴距离为lfront，从所述几何中心点O至成像器件成像面的光轴距离为lrear，f为广角成像透镜的焦距。
进一步优选的，|lfront-lrear|≤2mm。
作为一种具体实施方式，光折射元件P为平面棱镜，两平面平行且垂直光轴，不产生光焦度；或者光折射元件P为球透镜或球透镜的一部分。
本发明还提供一种全景成像装置，包括N个上述的广角成像透镜，每个广角成像透镜的视场角为360/N，其中N为广角成像透镜的个数，且N大于等于3。
优选的，当广角成像透镜中的光折射元件为球透镜或其一部分时，实现全景成像装置时，N个广角成像透镜共用一个所述的球透镜。
根据本发明的广角成像透镜，具有总长短，体积轻的优势，并且由于在前后透镜组中间加入高折射率材料制成的光折射元件，实现了对光路长度的有效压缩，从而进一步为拼接多个这样的广角成像透镜提供了可能，当使用球透镜元件作为光折射元件时，拼接将更加容易实现。
附图说明
图1为根据本发明第一实施例的广角成像镜头的系统结构图
图2为根据本发明第一实施例的广角成像镜头的MTF图
图3为根据本发明第一实施例的广角成像镜头的垂轴像差图
图4为根据本发明第一实施例的广角成像镜头的点列图
图5为根据本发明第一实施例的广角成像镜头的场曲和畸变图
图6为根据本发明第一实施例的变形例的广角成像镜头的MTF图
图7为根据本发明第一实施的变形例的广角成像镜头的垂轴像差图
图8为根据本发明第一实施例的变形例的广角成像镜头的点列图
图9为根据本发明第二实施例的广角成像镜头的系统结构图
图10为根据本发明第二实施例的广角成像镜头的MTF图
图11为根据本发明第二实施例的广角成像镜头的垂轴像差图
图12为根据本发明第二实施例的广角成像镜头的点列图
图13为根据本发明第二实施例的广角成像镜头的场曲和畸变图
图14为根据本发明第二实施例的一种光折射元件变化形式
图15为根据本发明第二实施例的变形例的广角成像镜头的MTF图
图16为根据本发明第二实施的变形例的广角成像镜头的垂轴像差图
图17为根据本发明第二实施例的变形例的广角成像镜头的点列图
图18为根据本发明第二实施例的变形例的广角成像镜头的场曲和畸变图
图19为根据本发明多个广角成像镜头实现的全景成像装置中图像拼接方式示意图
具体实施方式
以下内容将参考附图和透镜的结构数据等来详细讨论具体实施本发明的广角成像镜头的实际示例。本发明可以以许多不同的形式实现且不应解释为限于这里所阐述的各实施例。而是，提供这些实施例使得本公开充分和完整，且向那些本领域的技术人员全面地传达本发明的构思。另外，各个实施例中的特征也可以按照下述实施例之外的方式组合，组合后的技术方案仍落在本申请的范围之内。
以下描述和权利要求中使用的术语和词语不限于其书面含义，仅是用于帮助本领域技术人员清楚理解本发明。因此，对于本领域的技术人员来说容易理解的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代，除非上下文另外清楚地说明。因此，例如，″一个组件表面″的指代包括对一个或多个这样的表面的指代；第一、第二等表述仅用于区分不同的组件，不作为顺序限定，且在不同实施例中，第一、第二等表述指代的组件可以具有不同特性。
【第一实施例】
如图1所示，根据本发明的第一实施例的一种广角成像镜头，沿光入射方向自物侧(object side)至像侧(image forming side)依次排列有，第一透镜组，位于第一透镜组光路后方的光折射元件P、光阑S，以及在光阑后的第二透镜组和光成像器件；其中构成光折射元件P的材料的折射率大于周边介质(诸如空气)的折射率；
作为本发明的一个特点，在第一和第二透镜组之间设置的光折射元件P，其几何中心点O位于光轴上，从第一透镜组物方侧顶点至O点的光轴距离为lfront，从几何中心点O至成像器件成像面的光轴距离为lrear，lfront与lrear的和满足
优选的，根据本发明上述实施例的广角成像镜头，还满足|lfront-lrear|≤2mm。
当光折射元件P是呈如图1所示的平面棱镜形态时，其两平面平行且垂直光轴，不产生光焦度，此时，第一透镜组包括依次排列的透镜L11和透镜L12，其中透镜L11和透镜L12均为弯月形的负光焦度透镜，且凸面朝物方，凹面朝向像方；而第二透镜组包括了依次排列的透镜L21，透镜L22和透镜L23，其中，透镜L21和透镜L22均为双凸透镜，具有正光焦度；透镜L23为凹凸透镜，且凹面朝向物方，凸面朝向像方，具有负光焦度；
表1列出根据本发明上述较佳的第一实施例中广角成像镜头的详细数据，包含各透镜表面序号的曲率半径、厚度、折射率、阿贝数等。其中镜片的表面序号是从物侧至像侧依序编排，例如表面序号1代表透镜L11面向物侧的表面，表面序号2代表透镜L11面向像侧的表面，表面序号3代表透镜L12面向物侧的表面，之后以此类推，且光折射元件P的物侧及像侧表面分别是表面序号5及6，光阑位置7……直至成像器件IM的成像面Image。成像面上可采用具有诸如CCD或者CMOS的光电转换功能的光成像器件，且在成像面I和光成像器件IM之间增加平板玻璃C，以作为保护玻璃(Cover Glass)，表面序号13。
表面序号 曲率半径 厚度 折射率 阿贝数
1 15.63 1.00 1.57 62.95
2 3.68 2.37
3 27.54 1.10 1.50 71.59
4 1.83 2.16
5 ∞ 4.85 1.76 26.61
6 ∞ 0.11
7(Stop) ∞ 0.20
8 6.19 1.20 1.62 60.37
9 -6.21 1.05
10 3.51 1.50 1.62 60.37
11 -2.00 0.50 1.78 25.72
12 -9.99 2.39
13 ∞ 0.55 1.51 64.21
Image
表1
进一步的，为了确保轻薄和良好的成像质量，光折射元件P还满足其中t3为光折射元件P沿光轴方向的长度，ap3光折射元件P在垂直于光轴方向上的有效通光孔径。
而实施例中的透镜也以进一步满足以下关系式为佳：
|ap1/R1|≤0.9，
|ap2/R2|≤0.9，
|ap51/R51-ap52/R52|/2≥0.12
其中，ap1为所述第一透镜L11在像方侧表面的有效通光孔径，R1为所述第一透镜L11像方侧表面的曲率半径；ap2为所述第二透镜L12在像方侧表面的有效通光孔径，R2为所述第二透镜L12像方侧表面的曲率半径；ap51为第二透镜组的第三透镜L23物方表面的有效通光孔径，R51为第二透镜组的第三透镜L23物方表面的曲率半径；ap52为第二透镜组的第三透镜L23像方表面的有效通光孔径，R52为第二透镜组的第三透镜L23像方表面的曲率半径。
图2显示了本发明一实施例的广角成像镜头的光学传递函数(ModulationTransfer Function，MTF)特性曲线图。
图3为根据本发明第一实施例的广角成像镜头的垂轴像差图，显示该广角成像镜头分别在长波长与短波长相对于参考波长的横向色差特性曲线图。
图4为根据本发明第一实施例的广角成像镜头的点列图；图5示出了根据本发明第一实施例的广角成像镜头的蓝光、绿光及红光的场曲和畸变(distortion)的特性曲线图。
【变形例】
根据本发明第一实施例的一个变形例，具有与第一实施例类似的结构，因此其各透镜编号、面型特点、表面标号等描述参照第一实施例使用，在此不再详述。
表2列出根据本发明上述第一实施例的变形例的广角成像镜头的详细数据，包含各透镜表面序号的曲率半径、厚度、折射率、阿贝数等。图6-8依次示出了该变形例的广角成像镜头的光学传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)特性曲线图、垂轴像差图、点列图。
表2
【第二实施例】
作为本发明的另外一种实施方式，与第一实施例及其变形例的方式在光折射元件P的类型上有所不同。如图9所示，根据本发明第二实施方式的广角成像镜头，其光折射元件P为球透镜，球心点O位于光轴上，且与第一实施例一致的，从第一透镜组物方侧顶点至O点的光轴距离为lfront，从几何中心点O至成像器件成像面的光轴距离为lrear：lfront与lrear的和满足并进一步优选满足：|lfront-lrear|≤2mm。
当光折射元件P是呈如图9所示的球透镜形态时，其两平面构成球面，具有固定的光焦度，此时，第一透镜组不仅包括透镜L11，透镜L12，还包括了透镜L13，其中，透镜L11和透镜L12均为弯月形的负光焦度透镜，且凸面朝物方，凹面朝向像方；透镜L13则为双凹的负光焦度透镜；第二透镜组包括透镜L21，透镜L22和透镜L23，其中，透镜L21和透镜L23均为双凸透镜，具有正光焦度；透镜L22为双凹透镜，具有负光焦度。
与表1类似的方式，表3列出根据本发明第二实施例的广角成像镜头的详细数据。
表3
图10显示了本发明第二实施例的广角成像镜头的光学传递函数(ModulationTransfer Function，MTF)特性曲线图。
图11为根据本发明第二实施例的广角成像镜头的垂轴像差图，图12为根据本发明第二实施例的广角成像镜头的点列图；图13示出了根据本发明第二实施例的广角成像镜头的蓝光、绿光及红光的场曲和畸变的特性曲线图。
光折射元件P为球透镜时会相对的具有较大的体积，作为一种控制体积的方式，实际使用过程中，可以省略球透镜在有效通光孔径外的体积，诸如使用截断最外侧部分的上下半球，使光折射元件P呈现为曲面棱镜的形式，两曲面的顶点位于光轴上，如图14所示，更便于安装和定位。
【变形例】
根据本发明第二实施例的一个变形例，具有与第二实施例类似的结构，因此其各透镜编号、面型特点、表面标号等描述将参照第二实施例使用，在此不再详述。
表4列出根据本发明上述第二实施例的变形例的广角成像镜头的详细数据，包含各透镜表面序号的曲率半径、厚度、折射率、阿贝数等。图15-18依次示出了该变形例的广角成像镜头的光学传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)特性曲线图、垂轴像差图、点列图、场曲和畸变(distortion)的特性曲线图。
表4
进一步的，本发明上述各实施例及变形例的广角成像镜头可以组成全景成像装置。具体的，每个镜头面向不同方向的成像区域，并以预定的位置间隔形成盘状或者球状的全景成像装置外形，由于光路中采用了高折射率的光折射元件，有效缩小了全景成像装置的外形尺寸，使全景成像装置更加便于携带。在一种优选的方式中，例如，当全景成像装置具有类似球状的外形时，可以使用如本发明第二实施例所述的广角成像镜头，各镜头中的光折射元件可以共用一个球透镜元件，且置于全景成像装置的中心位置，相应的各广角成像镜头的成像元件可以分布于球状内表面附近的区域，接收通过中心的球透镜传来的、来自各成像镜头中物侧光学元件所收集的图像，并且，进一步的，借由具有互相重叠的成像区域的边缘图像实现合像。如图19所示，左图为通常4:3型成像器件成像时的示意图，其短边成为最大有效通光孔径的限制条件，限制了成像器件实现全景成像装置是能够提供的有效面积；右图以三个广角成像镜头完成图像拼接为例说明本发明的图像拼接实现方式，每个常用的4:3型探测器上的长边被作为最大通光孔径对应的边，不用于图像拼接，有效利用了探测器的成像面积，确保在非拼接方向上获取尽量大成像范围内的图像，而对于探测器的短边附近的图像则作为图像拼接位置的图像成像，利用现有的各种图像合成算法来实现拼接后的图像修正，使得在拼接方向上和非拼接方向上均具有较宽的视角，从而提供更为符合人眼实际视觉效果的360度全景成像的需要，为VR类内容的拍摄提供良好的原始素材。
本发明可获得一种具有良好的光学性能和广阔的总视角的低成本的小型广角成像透镜，把这种广角成像透镜应用到诸如电视电话、监控相机、虚拟现实设备等数字摄像装置的摄像透镜系统，可对这种数字摄像装置的角度展宽、功能增强、成本节省和尺寸减小做出贡献。虽然本发明的上述实施例给出了多个可满足条件式以取得更好的成像效果和体积优势，但本领域人员可以充分理解，本发明的各广角成像镜头并不必须同时满足各公式的描述。
以上所述仅是本发明的实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (14)

1.一种广角成像透镜，从物方侧到像方侧，包括：
沿光轴依次排列的第一透镜组，光折射元件P，光阑，第二透镜组和成像器件；其中，
所述光折射元件P的折射率大于空气，其几何中心点O位于光轴上；
从第一透镜组物方侧顶点至O点的光轴距离为lfront，从所述几何中心点O至成像器件成像面的光轴距离为lrear，f为广角成像透镜的焦距。
2.如权利要求1所述的广角成像透镜，其特征在于：|lfront-lrear|≤2mm。
3.如权利要求1所述的广角成像透镜，所述光折射元件P为平面棱镜，两平面平行且垂直光轴，不产生光焦度。
4.如权利要求1所述的广角成像透镜，所述光折射元件P为球透镜，或球透镜的一部分。
5.如权利要求3所述的广角成像透镜，所述第一透镜组包括第一透镜L11和第二透镜L12，第一透镜L11和第二透镜L12均为弯月形的负光焦度透镜，且凸面朝物方，凹面朝向像方。
6.如权利要求4所述的广角成像透镜，所述第一透镜组包括第一透镜L11，第二透镜L12和第三透镜L13，其中，第一透镜L11和第二透镜L12均为弯月形的负光焦度透镜，且凸面朝物方，凹面朝向像方，第三透镜L13为双凹的负光焦度透镜。
7.如权利要求5所述的广角成像透镜，所述第二透镜组包括第一透镜L21，第二透镜L22和第三透镜L23，其中，第一透镜L21和第二透镜L22均为双凸透镜，具有正光焦度；第三透镜L23为凹凸透镜，且凹面朝向物方，凸面朝向像方，具有负光焦度。
8.如权利要求6所述的广角成像透镜，所述第二透镜组包括第一透镜L21，第二透镜L22和第三透镜L23，其中，第一透镜L21和第三透镜L23均为双凸透镜，具有正光焦度；第二透镜L22为双凹透镜，具有负光焦度。
9.如权利要求3所述的广角成像透镜，所述光折射元件P满足其中t3为光折射元件P沿光轴方向的长度，ap3光折射元件在垂直于光轴方向上的有效通光孔径。
10.如权利要求5所述的广角成像透镜，其特征在于，|ap1/R1|≤0.9，其中ap1为所述第一透镜L11在像方侧表面的有效通光孔径，R1为所述第一透镜L11像方侧表面的曲率半径。
11.如权利要求5所述的广角成像透镜，其特征在于，|ap2/R2|≤0.9，其中ap2为所述第二透镜L12在像方侧表面的有效通光孔径，R2为所述第二透镜L12像方侧表面的曲率半径。
12.如权利要求7所述的广角成像透镜，其特征在于：|ap51/R51-ap52/R52|/2≥0.12，其中，ap51为第二透镜组的第三透镜L23物方表面的有效通光孔径，R51为第二透镜组的第三透镜L23物方表面的曲率半径；ap52为第二透镜组的第三透镜L23像方表面的有效通光孔径，R52为第二透镜组的第三透镜L23像方表面的曲率半径。
13.一种全景成像装置，包括N个如权利要求1所述的广角成像透镜，每个广角成像透镜的视场角为360/N，其中N为广角成像透镜的个数，且N大于等于3。
14.一种全景成像装置，包括N个如权利要求4所述的广角成像透镜，其中，N个广角成像透镜共用一个所述的球透镜，N大于等于3。
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