CN106526814A - 一种成像光学系统 - Google Patents

Abstract

一种成像光学系统，从光线入射景物方向到成像面依次设立有:第一透镜组，沿光线入射方向，包括第一球面透镜，第二球面透镜，第三球面透镜，第四球面透镜，第五球面透镜；第二透镜组，沿光线入射方向，包括第六球面透镜，第七球面透镜，第八球面透镜，第九非球面透镜；滤光片；所述第一球面透镜具有正光焦度，第二球面透镜、第三球面透镜、第四球面透镜都具有负光焦度，第五球面透镜具有正光焦度；第六球面透镜具有正光焦度，第七球面透镜与第八球面透镜组合成为一个胶合件，整体具有负光焦度，第九非球面透镜具有正光焦度。

Description

一种成像光学系统

技术领域

本发明涉及一种光学成像系统。

背景技术

在运动DV及无人机航拍领域，需要运用成像光学系统来摄取图像和拍摄视频。运动DV一般固定于运动者的身体或者设备上，在运动者活动时，用于记录运动者的运动状态或者周围环境。如跳伞运动中，利用运动DV来固定于跳伞员的身体上，用于记录周围跳伞队员的状态和跳伞过程中所能观看的风景。当这一段视频再次播放时，能够让人感受到身临其中。为了尽可能多的记录周围图像，运动DV一般都有很大的视场角。而无人机航拍时，同样需要摄取尽可能大的角度内的物体。于此同时，为了使得观察到的景物都更接近真实，需要画面的畸变程度要尽可能小。在此基础之上，目前此类消费类产品都朝着4K画质过渡发展，对于摄取视频图像的清晰度，要求至少达到4K甚至1600万像素以上。

目前运动DV和无人机用的镜头无法达到最佳使用要求，在实际使用过程中，各类产品总是不尽如人意。经过对于市面上主流产品的分析，可以总结出如下问题。

1.大角度伴随着大畸变

在衡量镜头摄取图像的景物和图像的形变关系时，一般采用光学畸变和TV畸变的概念，其中光学畸变是实际成像图像和理论成像大小的比较。而TV畸变则是在电视时代形成的概念。简而言之一般是测量芯片短边的形变程度。由于人眼对于TV畸变更容易感知，因此TV畸变一般作为实际图像的形变程度的衡量指标。

大角度镜头在光学设计时，由于周边光线都导入到成像面积内，导致周边景物压缩严重，从而挤在一起形成畸变，目前市面上大角度消费类镜头一般其TV畸变都在20％以上。而人眼对于TV畸变较为敏感，一旦TV畸变量大于2％，会使人产生画面失真的感觉。因而众多消费类产品的得到的图像虽然具有较大的视场角，满足了消费者摄取更为全面的图像的需求，但同时伴随着较大TV畸变，使得图像的显示效果失真而降低了观看图像时的代入感和真实感。

2.画面周边像质差

目前市面上很多产品虽然号称达到4K像质，但是也只是中心区域达到，周边区域往往很难满足，或者有一个角落会发糊。这是因为这些镜头在设计时导入了大视场光线挤压在一起所致。如第一点不足所提到的，大视场光线导入易形成大畸变效应，越到画面周边其畸变效果越明显。此时周边景物挤压在一起占用的像素点就越少，从而导致周边视场清晰度不足。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种大视场角低畸变、周边视场成像质量高的成像光学系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种成像光学系统，从光线入射景物方向到成像面依次设立有:

第一透镜组，沿光线入射方向，包括第一球面透镜L1，第二球面透镜L2，第三球面透镜L3，第四球面透镜L4，第五球面透镜L5；

光阑STP；

第二透镜组，沿光线入射方向，包括第六球面透镜L6，第七球面透镜L7，第八球面透镜L8，第九非球面透镜L9；

IR滤光片；

其特征在于：所述第一球面透镜L1具有正光焦度，第二球面透镜L2、第三球面透镜L3、第四球面透镜L4都具有负光焦度，第五球面透镜L5具有正光焦度；第六球面透镜L6具有正光焦度，第七八球面透镜L7、L8组合成为一个胶合件，整体具有负光焦度，第九非球面透镜L9具有正光焦度。搭配合理的透镜折射率和阿贝数，能有效地减小光学系统的各种像差，特别是倍率色差和位置色差。

如附图1为该光学系统的结构示意图，第一球面透镜L1具有正光焦度，使得第一透镜组和第二透镜组的前后结构相呼应，从而使得畸变降到近似为0，同时可以保证畸变曲线图曲线平缓上升，显示TV畸变近似于0。

特别的，第一球面透镜(L1)与第二球面透镜L2满足以下的条件式：

(1)Vd1>39

(2)Vd2<25

其中Vd1表示第一球面透镜L1的阿贝数，Vd2表示第二球面透镜L2的阿贝数。

如此组合的意义在于通过第一球面透镜L1和第二球面透镜L2的正负光焦度互补，使得整体色差降低。从光学系统的色差图可以看到红绿蓝等不同色光得到了良好的校正。

优选地，在第一透镜组合与第二透镜组之间设置有光阑STP，光阑STP设置位置在整个结构的偏中心位置，使得前后两个透镜组的结构大致相似，此种对称式的设计方法可以实现畸变减小，角度增大的效果，使得该光学系统视场角达到100°左右，同时TV畸变近似为0。

优选地，第七球面透镜L7光焦度为正，第八球面透镜L8光焦度为负，第七球面透镜L7和第八球面透镜L8胶合成为胶合透镜。第九球面透镜L9光焦度为正，且为非球面。其意义在于：为了提升周边视场性能，需要引入非球面来提升像质。非球面放置位置和与其他球面镜片的配合使用极为重要，其对于周边视场性能的影响极为显著。为了使非球面的效应最大化，本发明采用了一种先扩散后汇聚的设计理念。具体而言，通过第八球面透镜L8的负光焦度球面透镜，使得通过第八球面透镜L8的光束成为发散状，使得周边光束和中心光束产生位移。在第八球面透镜L8之后设置第九球面透镜L9非球面，使得周边光束和中心光束得以通过非球面透镜的不同口径，从而使得周边像质得到优化，从中心到周边MTF下降平缓，保证了周边像质同中心接近。

第九球面透镜L9非球面透镜的非球面为旋转对称多项式形式，并用关于球面的偏移量多项式来表示。

所述非球面面型满足以下方程：

其中，c为各点半径所对应的曲率，r是以透镜长度单位为单位的径向坐标，k是圆锥系数，也叫二次曲面常数(k＝0时即为球面)，α₁，α₂，α₃…为非球面高次项系数，当α₁，α₂，α₃…都为0时方程即为二次曲面。对于非球面来说，此方程在欧美国家成为标准的加工方程，国内大多数光学厂商和研究所也都以此方程为加工标准方程。因此，本发明的光学系统也采用了此类非球面，实现了较好的可加工性和量产性。

本发明的优点如下：

1.大视场角低畸变

本发明创造性的在第一枚凹透镜前引入了一枚凸透镜，在导入大视场光线的同时，该凸透镜使得光学结构前后呼应，光阑前镜组和光阑后镜组的光焦度得到有效平衡，从而减少畸变。本发明的TV畸变近似于0，画面效果接近人眼观察所得。从而真正意义上实现了所看即所得，有效增加了画面的代入感和真实体验。

2.周边视场成像质量高

长期以来，周边视场的成像质量一直是困扰大视场角镜头设计的一大难题。通过减小畸变来改善周边视场的成像质量是一种行之有效的办法。本发明将周边畸变降低为近似于0，使得周边视场景物能够占用更多的像素点，获得更为优质的成像效果。但是周边视场的成像效果的提升还有赖于独特的光学设计和组装工艺。这是因为虽然从设计上可以尽量提升周边视场的清晰度，但是周边视场由于敏感度较高，在组装完成后，其像质依然会降低，一般会损失30％以上。为了弥补在加工过程中的损失，使得全视场记录的细节能够较好保留，本发明引入了一种光线先散射后汇集的设计理念。该设计理念以及实现途径将在说明书中详细叙述。实现的效果显而易见，周边的清晰度得以大幅提升。

综上，本发明所设计的一种成像光学系统，使其在拥有4K超高清画质的同时，具有低畸变、大视场角等特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是实施例镜头相对于d线的各个像差图

图3是实施例镜头的MTF曲线图

具体实施方式

下面结合附图，进一步说明本发明的技术方案。

一种成像光学系统，从光线入射景物方向到成像面依次设立有:

第一透镜组，从光线入射景物方向到成像面，包括第一球面透镜L1，第二球面透镜L2，第三球面透镜L3，第四球面透镜L4，第五球面透镜L5；光阑STP；第二透镜组，沿光线入射方向，包括第六球面透镜L6，第七球面透镜L7，第八球面透镜L8，第九非球面透镜L9；IR滤光片。

所述第一球面透镜L1具有正光焦度，第二、三、四球面透镜都具有负光焦度，第五球面透镜L5具有正光焦度。第六球面透镜L6具有正光焦度，第七、八球面透镜L7、L8组合成为一个胶合件，整体具有负光焦度。第九非球面透L9镜具有正光焦度。

第一球面透镜与L1第二球面透镜L2满足以下的条件式：

(1)Vd1>39

(2)Vd2<25

其中Vd1表示第一球面透镜L1的阿贝数，Vd2表示第二球面透镜L2的阿贝数。

在第一球面透镜组合第二球面透镜组之间设置有光阑STP。

第七球面透镜L7光焦度为正，第八球面透镜L8光焦度为负，第七球面透镜L7和第八球面透镜L8胶合成为光焦度为负的胶合透镜。第九非球面透镜L9光焦度为正，第九非球面透镜L9的非球面为旋转对称多项式形式，并用关于球面的偏移量多项式来表示。

所述非球面面型满足以下方程：

其中，c为各点半径所对应的曲率，r是以透镜长度单位为单位的径向坐标，k是圆锥系数，也叫二次曲面常数(k＝0时即为球面)，α1，α2，α3…为非球面高次项系数，当α1，α2，α3…都为0时方程即为二次曲面。

以下，示出关于实施例镜头的各种数值数据。

有效焦距EFL＝3.6mm；

FNO＝2.8；

视场角FOV＝95°；

表1是实施例镜头的结构参数、表2是实施例镜头的非球面系数。

表1实施例镜头结构参数

表面序号	表面类型	曲率半径	厚度	玻璃材料
					光阑		INF
1	球面	13.154	2.90	HZLAF50D_CDGM
					2	球面	27.442	0.10
3	球面	9.055	0.93	FDS18_HOYA
					4	球面	3.638	0.90
5	球面	4.782	0.60	TAF1_HOYA
					6	球面	2.768	1.72
7	球面	-27.000	0.73	FCD1_HOYA
					8	球面	3.936	0.32
9	球面	6.155	3.24	FDS18_HOYA
					10	球面	26.100	0.73
Stop		inf	0.00
					12	球面	7.807	1.80	TAF1_HOYA
13	球面	-5.650	0.38
					14	球面	49.151	2.01	FCD1_HOYA
15	球面	-2.789	0.60	FDS90_HOYA
					16	球面	12.320	0.28
17	非球面	8.165	2.81	’MBACD5N’
					18	非球面	-5.980	3.64
19		INF	0.71
					20		INF	0.50
IMG		INF	-0.02

表2实施例镜头非球面系数

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种成像光学系统，从光线入射景物方向到成像面依次设立有:

第一透镜组，沿光线入射方向，包括第一球面透镜(L1)，第二球面透镜(L2)，第三球面透镜(L3)，第四球面透镜(L4)，第五球面透镜(L5)；

第二透镜组，沿光线入射方向，包括第六球面透镜(L6)，第七球面透镜(L7)，第八球面透镜(L8)，第九非球面透镜(L9)；

IR滤光片；

其特征在于：所述第一球面透镜(L1)具有正光焦度，第二球面透镜(L2)、第三球面透镜(L3)、第四球面透镜(L4)都具有负光焦度，第五球面透镜(L5)具有正光焦度；第六球面透镜(L6)具有正光焦度，第七球面透镜(L7)与第八球面透镜(L8)组合成为一个胶合件，整体具有负光焦度，第九非球面透镜(L9)具有正光焦度；

第一球面透镜(L1)与第二球面透镜(L2)满足以下的条件式：

(1)Vd1>39

(2)Vd2<25

其中Vd1表示第一球面透镜(L1)的阿贝数，Vd2表示第二球面透镜(L2)的阿贝数。

第七球面透镜(L7)光焦度为正，第八球面透镜(L8)光焦度为负，第七球面透镜(L7)和第八球面透镜(L8)胶合成为胶合透镜；第九非球面透镜(L9)光焦度为正，且为非球面；第九非球面透镜(L9)非球面透镜的非球面为旋转对称多项式形式，并用关于球面的偏移量多项式来表示；

所述非球面面型满足以下方程：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\&alpha;}}_1{r}^2+{\mathrm{\&alpha;}}_2{r}^4+{\mathrm{\&alpha;}}_3{r}^6+{\mathrm{\&alpha;}}_4{r}^8+{\mathrm{\&alpha;}}_5{r}^{10}+{\mathrm{\&alpha;}}_6{r}^{12}+{\mathrm{\&alpha;}}_7{r}^{14}$

其中，c为各点半径所对应的曲率，r是以透镜长度单位为单位的径向坐标，k是圆锥系数，α₁，α₂，α₃…为非球面高次项系数。

2.如权利要求1所述的一种成像光学系统，其特征在于：在第一透镜组合与第二透镜组之间设置有光阑STP。