CN107678147A - 一种透镜系统、鱼眼镜头及图像采集装置 - Google Patents

一种透镜系统、鱼眼镜头及图像采集装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种透镜系统、鱼眼镜头及图像采集装置，用以避免透镜系统在温度过低或过高的工作环境下出现虚焦，从而提高透镜系统的工作稳定性。本申请实施例提供的一种透镜系统，透镜系统包括：从物侧到像侧依次排列的光焦度为负的第一透镜组、光焦度为正的第二透镜组、光焦度为正的第三透镜组；第三透镜组包括：从物侧到像侧依次排列的光焦度为正的第七透镜、光焦度为负的第八透镜、光焦度为正的第九透镜、以及光焦度为正的第十透镜；第七透镜、第九透镜以及第十透镜的色散系数Vd和折射率随温度变化系数dn/dt均满足如下条件：Vd>68，dn/dt≤‑5.6；其中，折射率随温度变化系数dn/dt的单位为10‑6/℃。

Description

一种透镜系统、鱼眼镜头及图像采集装置
技术领域
本申请涉及光学仪器领域，尤其涉及一种透镜系统、鱼眼镜头及图像采集装置。
背景技术
鱼眼镜头由于其视场角在180度以上，因此被广泛应用于安防监控领域。但是现有技术中的大部分鱼眼镜头无法满足4K分辨率的要求，少部分可以满足4K分辨率的产品，存在靶面偏小、传感器(sensor)利用率低的问题。并且，现有技术中的鱼眼镜头，系统总长与焦距比值过大，导致镜头的体积难以控制，无法实现镜头小型化。此外，现有技术的鱼眼镜头，在环境温度过低或过高的情况下，例如温度在-30摄氏度或70摄氏度的极限工作环境下，会出现虚焦问题，成像品质差，影响产品使用的可靠性。
发明内容
本申请实施例提供了一种透镜系统、鱼眼镜头及图像采集装置，用以避免透镜系统在温度过低或过高的工作环境下出现虚焦，从而提高透镜系统的工作稳定性，提升成像品质，提升产品使用的可靠性。
本申请实施例提供的一种透镜系统，所述透镜系统包括：从物侧到像侧依次排列的光焦度为负的第一透镜组、光焦度为正的第二透镜组、光焦度为正的第三透镜组；
所述第三透镜组包括：从物侧到像侧依次排列的光焦度为正的第七透镜、光焦度为负的第八透镜、光焦度为正的第九透镜、以及光焦度为正的第十透镜；
所述第七透镜、所述第九透镜以及所述第十透镜的色散系数Vd和折射率随温度变化系数dn/dt均满足如下条件：
Vd>68，dn/dt≤-5.6；
其中，折射率随温度变化系数dn/dt的单位为10-6/℃。
本申请实施例提供的透镜系统，由于其第七透镜、第九透镜以及第十透镜的色散洗漱和折射率随温度变化系数满足上述条件，从而可以改善透镜系统在不同温度下工作的可靠性，无论是低温还是高温极限温度条件下，透镜系统均可以稳定工作，其成像均不会出现虚焦，使得本申请实施例提供的透镜系统可以在-30摄氏度～70摄氏度的温度条件下的成像可靠性均可以达到要求，从而提高透镜系统的工作稳定性，提升成像品质，提升产品使用的可靠性。
可选地，所述透镜系统满足如下条件：
-1.4≤f1/f’≤-1.1，2.6≤f2/f’≤3.0，2.6≤f3/f’≤3.0；
其中，f1为所述第一透镜组的焦距，f2为所述第二透镜组的焦距，f3位所述第三透镜组的焦距，f’为所述透镜系统的系统焦距。
本申请实施例提供的透镜系统，由于其第一透镜组、第二透镜组以及第三透镜组的焦距与所述透镜系统的焦距满足预设条件，从而可以通过约束透镜系统的光焦度的分配来限定透镜系统的结构，从而可以控制透镜系统的光学系统总长，进而可以控制透镜系统的光学系统的体积，可以实现产品小型化，使得产品应用范围更广，并且可以降低产品的生产成本。
可选地，所述透镜系统还包括设置在所述第二透镜组和所述第三透镜组之间的孔径光阑。
可选地，所述第一透镜组包括：从物侧到像侧依次排列的光焦度为负的第一透镜、光焦度为负的第二透镜、以及光焦度为负的第三透镜，所述第一透镜和所述第二透镜均为凸面朝向物侧的弯月透镜，所述第三透镜为平面朝向物侧的平凹透镜或凸面朝向物侧的弯月透镜。
可选地，所述第二透镜组包括：从物侧到像侧依次排列的光焦度为负的第四透镜、光焦度为正的第五透镜、以及光焦度为正的第六透镜，所述第四透镜为凹面朝向物侧的弯月透镜或平凹透镜，所述第五透镜为双凸透镜或平面朝向物侧的平凸透镜，所述第六透镜为凸面朝向物侧的弯月透镜。
可选地，所述第七透镜为平凸透镜，所述第八透镜为弯月透镜，所述第九透镜为双凸透镜，所述第十透镜为弯月透镜，所述第十透镜的凹面朝向像侧。
可选地，所述第四透镜与所述第五透镜胶合。
可选地，所述第七透镜为平凸透镜，所述第八透镜为弯月透镜，所述第九透镜为双凸透镜，所述第十透镜为弯月透镜，所述第十透镜的凹面朝向像侧。
可选地，所述第七透镜与所述第八透镜胶合。
可选地，所述第一透镜与所述第二透镜的边缘紧密相接，所述第二透镜和所述第三透镜的边缘紧密相接，所述第三透镜与所述第四透镜的边缘紧密相接；
本申请实施例提供的一种鱼眼镜头，包括本申请实施例提供的透镜系统以及像面。
可选地，所述鱼眼镜头还包括设置在所述透镜系统和像面之间的滤光片。
本申请实施例提供的一种图像采集装置，包括本申请实施例提供的鱼眼镜头。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种透镜系统结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种鱼眼镜头的结构示意图；
图3本申请实施例提供的鱼眼镜头透镜系统在室温下的MTF曲线图；
图4为本申请实施例提供的鱼眼镜头的透镜系统红外光部分的MTF曲线图；
图5为本申请实施例提供的鱼眼镜头的透镜系统在-30摄氏度下的MTF曲线图；
图6为申请实施例提供的鱼眼镜头的透镜系统在70摄氏度下MTF曲线图；
图7为本申请实施例提供的鱼眼镜头的透镜系统可见光部分对应的场曲图；
图8为本申请实施例提供的鱼眼镜头的透镜系统F-theta畸变曲线图；
图9为本申请实施例提供的鱼眼镜头的透镜系统可见光部分对应的轴向色差图。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种透镜系统、鱼眼镜头及图像采集装置，用以避免透镜系统在温度过低或过高的工作环境下出现虚焦，从而提高透镜系统的工作稳定性，提升成像品质，提升产品使用的可靠性。
本申请实施例提供了一种透镜系统，如图1所示，所述透镜系统14包括：从物侧到像侧依次排列的光焦度为负的第一透镜组1、光焦度为正的第二透镜组2、光焦度为正的第三透镜组3；
第三透镜组包括：从物侧到像侧依次排列的光焦度为正的第七透镜7、光焦度为负的第八透镜8、光焦度为正的第九透镜9、以及光焦度为正的第十透镜10；所述第三透镜组用于汇聚光线，使光线聚焦；
所述第七透镜、所述第九透镜以及所述第十透镜的色散系数Vd和折射率随温度(20℃～40℃)变化系数dn/dt均满足如下条件：
Vd>68，dn/dt≤-5.6；其中，折射率随温度变化系数dn/dt的单位为10-6/℃。
本申请实施例提供的透镜系统，由于其第七透镜、第九透镜以及第十透镜的色散洗漱和折射率随温度变化系数满足上述条件，从而可以改善透镜系统在不同温度下工作的可靠性，无论是低温还是高温极限温度条件下，透镜系统均可以稳定工作，其成像均不会出现虚焦，使得本申请实施例提供的透镜系统可以在-30摄氏度～70摄氏度的温度条件下的成像可靠性均可以达到要求，从而提高透镜系统的工作稳定性，提升成像品质，提升产品使用的可靠性。
可选地，所述透镜系统满足如下条件：
-1.4≤f1/f’≤-1.1，2.6≤f2/f’≤3.0，2.6≤f3/f’≤3.0；
其中，f1为所述第一透镜组G1的焦距，f2为所述第二透镜组G2的焦距，f3位所述第三透镜组G3的焦距，f’为所述镜头的系统焦距。
本申请实施例提供的透镜系统，由于其第一透镜组、第二透镜组以及第三透镜组的焦距与所述透镜系统的焦距满足预设条件，从而可以通过约束透镜系统的光焦度的分配来限定透镜系统的结构，从而可以控制透镜系统的光学系统总长，进而可以控制透镜系统的光学系统的体积，可以实现产品小型化，使得产品应用范围更广，并且可以降低产品的生产成本。
可选地，如图1所示，所述透镜系统还包括设置在所述第二透镜组和所述第三透镜组之间的孔径光阑11。所述孔径光阑用于控制系统的光束口径以及进入系统的光通量。
可选地，如图1所示，第一透镜组包括：从物侧到像侧依次排列的光焦度为负的第一透镜1、光焦度为负的第二透镜2、以及光焦度为负的第三透镜3，所述第一透镜和所述第二透镜均为凸面朝向物侧的弯月透镜，所述第三透镜为平面朝向物侧的平凹透镜或凸面朝向物侧的弯月透镜。所述第一透镜组用于收集大角度光线，使其进入透镜系统，实现增加视场角。
可选地，如图1所示，第二透镜组包括：从物侧到像侧依次排列的光焦度为负的第四透镜4、光焦度为正的第五透镜5、以及光焦度为正的第六透镜6，所述第四透镜为凹面朝向物侧的弯月透镜或平凹透镜，所述第五透镜为双凸透镜或平面朝向物侧的平凸透镜，所述第六透镜为凸面朝向物侧的弯月透镜。所述第二透镜组用于改变光线角度，使光线入瞳。
可选地，如图1所示，第七透镜7为平凸透镜，第八透镜8为弯月透镜，第九透镜9为双凸透镜，第十透镜10为弯月透镜，所述第十透镜的凹面朝向像侧。
需要说明的是，本申请实施例提供的如图1所示的透镜系统的第一透镜到第十透镜中，对透镜系统在不同温度环境下的工作可靠性起主要作用的是所述第七透镜、所述第九透镜、所述第十透镜，并且所述第七透镜、所述第九透镜、所述第十透镜对透镜系统在不同温度环境下的工作可靠性的影响是正面的，因此通过设置所述第七透镜、所述第九透镜、所述第十透镜的色散系数以及折射率随温度变化系数，从而可以消除温度对透镜系统工作稳定性的影响，改善整个透镜系统在不同温度环境下的工作稳定性。
为了校正色差，可选地，所述第四透镜与所述第五透镜胶合。
为了校正色差，可选地，所述第七透镜与所述第八透镜胶合。
可选地，所述第一透镜与所述第二透镜的边缘紧密相接，所述第二透镜和所述第三透镜的边缘紧密相接，所述第三透镜与所述第四透镜的边缘紧密相接；
本申请实施例提供的透镜系统中，第一透镜到第十透镜表面的曲率半径R、光学玻璃材质相对于d光的折射率Nd、光学玻璃材质相对于d光的阿贝系数Vd以及中心厚度Tc，从物侧到像侧依次满足表一所列的条件，其中，d光表示波长为589.3nm的钠黄光。
表一
其中，Infinity代表无限大。从物侧到像侧，透镜的镜面依次排列，例如：第一透镜1的镜面为镜面1与镜面2，第二透镜2的镜面为镜面3与镜面4，依次类推。
本申请实施例提供了一种鱼眼镜头，包括本申请实施例提供的上述透镜系统以及像面。
可选地，如图2所示，本申请实施例提供的鱼眼镜头还包括设置在所述透镜系统14以及像面13之间的平行平板结构的滤光片12。通过在所述第三透镜组和像面之间设置滤光片，从而可以过滤红外光，在进行可见光观测时，消除红外光的影响。
本申请实施例提供了一种图像采集装置，包括本申请实施例提供的鱼眼镜头。
下面，结合附图和具体实施例对本申请实施例提供的鱼眼镜头进行说明。
实施例一、如图1所示，所示鱼眼镜头包括从物侧到像侧依次排列的光焦度为负的第一透镜1、光焦度为负的第二透镜2、光焦度为负的第三透镜3、光焦度为负的第四透镜4、光焦度为正的第五透镜5、光焦度为正的第六透镜6、孔径光阑11、光焦度为正的第七透镜7、光焦度为负的第八透镜8、光焦度为正的第九透镜9、滤光片12、以及像面13，其中，第一透镜1和第二透镜2均为凸面朝向物侧的弯月透镜，第三透镜3为凸面朝向物侧的弯月透镜，第四透镜4为凹面朝向物侧的弯月透镜，第五透镜5为双凸透镜，第六透镜6为凸面朝向物侧的弯月透镜，第七透镜7为平凸透镜，第八透镜8为弯月透镜，第九透镜9为双凸透镜，第十透镜10为弯月透镜，第十透镜的凹面朝向像侧。第一透镜至第十透镜满足表一所列的条件，并且本申请实施例提供的鱼眼镜头，具有如下光学技术指标：
光学总长(Total Track Length，TTL)≤27.6mm；
镜头焦距f’：2.6mm；
镜头的视场角(Field Of View，FOV)：185°；
镜头系统的光圈F/#：2.2；
镜头像面尺寸：
f1/f’＝-1.257；
f2/f’＝2.780；
f4/f’＝2.748。
具有以上光学技术指标的鱼眼镜头，由于其光学总长小于27.6mm，且焦距等于2.6mm，因此其光学总长与焦距的比值小于11，并且，由于镜头像面尺寸为7.6mm，因此，镜头像面与光学总长的比值大于0.26。
本申请实施例提供的鱼眼镜头，其光学系统总长小于27.6mm，系统总长与镜头焦距的比值小于11，镜头像面与光学总长的比值大于0.26，即镜头的靶面大小与镜头的光学总长的比值大于0.26，与现有技术相比，在光学系统总长相同的情况下，本申请实施例提供的鱼眼镜头的靶面可以设置得更大，在靶面面积相同的情况下，本申请实施例提供的鱼眼镜头的光学总长小，从而可以实现鱼眼镜头的小型化。
下面结合鱼眼镜头的光学传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)曲线图，对本申请实施例一提供的鱼眼镜头进行详细的光学系统分析，其中，光学传递函数是用来评价一个光学系统的成像质量较准确、直观和常见的方式，其曲线越高、越平滑，表明系统的成像质量越好，对各种像差(如：球差、慧差、象散、场曲、轴向色差、垂轴色差等)进行了很好的校正。
如图3、图4、图5、图6所示，其中，图3为室温(20摄氏度)下本申请实施例提供的鱼眼镜头透镜系统的MTF曲线图；图4为本申请实施例提供的鱼眼镜头的透镜系统红外光部分的MTF曲线图；图5为本申请实施例提供的鱼眼镜头的透镜系统在-30摄氏度下的MTF曲线图；图6为本申请实施例提供的鱼眼镜头的透镜系统在70摄氏度下MTF曲线图。
如图3所示，透镜系统可见光部分的MTF曲线图较平滑、集中，而且全视场MTF平均值在100线对/毫米(lp/mm)处达到0.65以上，从而达到很高的分辨率，满足4K分辨率摄像机的成像要求。如图4所示，透镜系统的在红外共焦方面也具有不错的成像质量。如图3、4所示，本申请实施例一提供的鱼眼镜头在可见光部分和红外光部分均可以实现成像品质良好，同时满足0.4微米(μm)～0.85μm宽光谱共焦要求，这样，本申请实施例一提供的鱼眼镜头，不仅能在白天光照环境下清晰成像，在夜间光照环境下，通过红外补光也能清晰成像。
如图5、6所示，透镜系统在-30摄氏度和70摄氏度下也具有不错的成像质量。本申请实施例提供的鱼眼镜头，通过设置其透镜系统的第七透镜、第九透镜、第十透镜的色散系数以及折射率随温度变化系数，改善了整个透镜系统在不同温度环境下的工作稳定性，从而使得本申请实施例一提供的鱼眼镜头在极限温度环境下也能够稳定工作，不会出现虚焦，本申请实施例一提供的鱼眼镜头在-30摄氏度～70摄氏度的温度环境下，成像品质都可以得到保障。
透镜系统可见光部分对应的场曲图由三条曲线T和三条曲线S构成；其中，三条曲线T分别表示三种波长(486nm、587nm和656nm)对应的子午光束(Tangential Rays)的像差，三条曲线S分别表示三种波长(486nm、587nm和656nm)对应的弧矢光束(Sagittial Rays)的像差，子午场曲值和弧矢场曲值越小，说明成像品质越好。如图7所示，子午场曲值控制在35um范围内，弧矢场曲值控制在35um范围以内。
对于鱼眼镜头，通常查看其透镜系统的线性畸变，即F-theta畸变。如图8所示，F-theta畸变率控制在-11％以内。
本申请实施例提供的鱼眼镜头的透镜系统可见光部分对应的轴向色差图，如图9所示，图中曲线在y轴附近变化，越靠近y轴，说明透镜系统成像品质越好。其轴向色差控制在-0.01～+0.035mm之间。
本发明实施例提供的鱼眼镜头，采用十个特定结构形状的光学透镜，并按照特定顺序从物侧至像侧依次排列，以及通过各个光学透镜的光焦度的分配，同时采用相适应光学玻璃材质，使得透镜系统的结构形式，透镜的折射率、阿贝系数等参数与成像条件匹配，进而使透镜系统的球差、慧差、象散、场曲、倍率色差、位置色差得到很好的校正，从而达到大视场角、更大的光圈、更高的分辨率(最高支持4K摄像机)、更佳的红外共焦以及更好的消热差性能；并且结构紧凑，外形尺寸小，所有的光学透镜均采用球面设计，冷加工工艺性能良好，生产成本低；可广泛应用到安防监控领域，实现全天候的超高清画面显示。
综上所述，本申请实施例提供的透镜系统、鱼眼镜头及图像采集装置，由于其第七透镜、第九透镜以及第十透镜的色散洗漱和折射率随温度变化系数满足上述条件，从而可以改善透镜系统在不同温度下工作的可靠性，无论是低温还是高温极限温度条件下，透镜系统均可以稳定工作，其成像均不会出现虚焦，使得本申请实施例提供的透镜系统可以在-30摄氏度～70摄氏度的温度条件下的成像可靠性均可以达到要求，从而提高透镜系统的工作稳定性，提升成像品质，提升产品使用的可靠性。本申请实施例提供的透镜系统，由于其第一透镜组、第二透镜组以及第三透镜组的焦距与所述透镜系统的焦距满足预设条件，从而可以通过约束透镜系统的光焦度的分配来限定透镜系统的结构，从而可以控制透镜系统的光学系统总长，进而可以控制透镜系统的光学系统的体积，可以实现产品小型化，使得产品应用范围更广，并且可以降低产品的生产成本。本申请实施例一提供的鱼眼镜头在可见光部分和红外光部分均可以实现成像品质良好，同时满足0.4微米(μm)～0.85μm宽光谱共焦要求，这样，鱼眼镜头不仅能在白天光照环境下清晰成像，在夜间光照环境下，通过红外补光也能清晰成像。本发明实施例提供的鱼眼镜头，采用十个特定结构形状的光学透镜，并按照特定顺序从物侧至像侧依次排列，以及通过各个光学透镜的光焦度的分配，同时采用相适应光学玻璃材质，使得透镜系统的结构形式，透镜的折射率、阿贝系数等参数与成像条件匹配，进而使透镜系统的球差、慧差、象散、场曲、倍率色差、位置色差得到很好的校正，从而达到大视场角、更大的光圈、更高的分辨率、更佳的红外共焦以及更好的消热差性能；并且结构紧凑，外形尺寸小，所有的光学透镜均采用球面设计，冷加工工艺性能良好，生产成本低；可广泛应用到安防监控领域，实现全天候的超高清画面显示。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种透镜系统，其特征在于，所述透镜系统包括：从物侧到像侧依次排列的光焦度为负的第一透镜组、光焦度为正的第二透镜组、光焦度为正的第三透镜组；
所述第三透镜组包括：从物侧到像侧依次排列的光焦度为正的第七透镜、光焦度为负的第八透镜、光焦度为正的第九透镜、以及光焦度为正的第十透镜；
所述第七透镜、所述第九透镜以及所述第十透镜的色散系数Vd和折射率随温度变化系数dn/dt均满足如下条件：
Vd>68，dn/dt≤-5.6；
其中，折射率随温度变化系数dn/dt的单位为10-6/℃。
2.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统满足如下条件：
-1.4≤f1/f’≤-1.1，2.6≤f2/f’≤3.0，2.6≤f3/f’≤3.0；
其中，f1为所述第一透镜组的焦距，f2为所述第二透镜组的焦距，f3位所述第三透镜组的焦距，f’为所述透镜系统的系统焦距。
3.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统还包括设置在所述第二透镜组和所述第三透镜组之间的孔径光阑。
4.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述第一透镜组包括：从物侧到像侧依次排列的光焦度为负的第一透镜、光焦度为负的第二透镜、以及光焦度为负的第三透镜，所述第一透镜和所述第二透镜均为凸面朝向物侧的弯月透镜，所述第三透镜为平面朝向物侧的平凹透镜或凸面朝向物侧的弯月透镜。
5.根据权利要求4所述的透镜系统，其特征在于，所述第二透镜组包括：从物侧到像侧依次排列的光焦度为负的第四透镜、光焦度为正的第五透镜、以及光焦度为正的第六透镜，所述第四透镜为凹面朝向物侧的弯月透镜或平凹透镜，所述第五透镜为双凸透镜或平面朝向物侧的平凸透镜，所述第六透镜为凸面朝向物侧的弯月透镜。
6.根据权利要求5所述的透镜系统，其特征在于，所述第四透镜与所述第五透镜胶合。
7.根据权利要求6所述的透镜系统，其特征在于，所述第七透镜为平凸透镜，所述第八透镜为弯月透镜，所述第九透镜为双凸透镜，所述第十透镜为弯月透镜，所述第十透镜的凹面朝向像侧。
8.根据权利要求7所述的透镜系统，其特征在于，所述第七透镜与所述第八透镜胶合。
9.根据权利要求8所述的透镜系统，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜的边缘紧密相接，所述第二透镜和所述第三透镜的边缘紧密相接，所述第三透镜与所述第四透镜的边缘紧密相接。
10.一种鱼眼镜头，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的透镜系统以及像面。
11.根据权利要求10所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述鱼眼镜头还包括设置在所述透镜系统和像面之间的滤光片。
12.一种图像采集装置，其特征在于，包括权利要求11所述的鱼眼镜头。
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