CN108037577B - 一种取像镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种取像镜头，解决了现有技术中三片式镜头视场角度较小的问题，其技术方案要点是，包括沿光轴从物方到像方依次设置的三组透镜：第一透镜为负光焦度透镜，其像侧面为凹面；第二透镜为正光焦度透镜，其物侧面为凸面；第三透镜为正光焦度透镜，其像侧面为凸面；所述镜头满足下述的关系式：‑0.9<f1/f<‑0.5；其中，f1为第一透镜焦距，f为整个取像镜头的有效焦距，本发明公开的一种取像镜头，采用精简的三片式镜头设计，利用透镜的光焦度、凹面与凸面的组合，有效缩减光学总长度外，满足广角视场角度，更进一步提高了成像质量。

Description

一种取像镜头

技术领域

本发明涉及一种透镜组成的光学系统，特别涉及一种取像镜头。

背景技术

近年来随着科技产业的进步，影像系统不断朝向多功能方向发展，如手机影像通信、智能居家监视系统、车用影像系统等，但传统的取像用镜头，其长度较长，尺寸较大，不利于应用设备的小型化，为了节省空间，大多的取像镜头采用三片式镜头设计，但现有三片式镜头视场角度大多在80度以下，且第一片多为正光焦度透镜设计。由于影像系统的应用要求，视场角度需要达到80度以上甚至到达160度，而现有的三片式镜头设计，很难达到广角、大光圈以及短的系统长度要求，因此，还具有一定的改进空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种取像镜头，精简的三片式镜头设计，利用透镜的光焦度、凹面与凸面的组合，有效缩减光学总长度外，满足广角视场角度，更进一步提高了成像质量。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种取像镜头，包括沿光轴从物方到像方依次设置的三组透镜：第一透镜为负光焦度透镜，其像侧面为凹面；第二透镜为正光焦度透镜，其物侧面为凸面；第三透镜为正光焦度透镜，其像侧面为凸面；所述镜头满足下述的关系式：

-0.9<f1/f<-0.5；

其中，f1为第一透镜焦距，f为整个取像镜头的有效焦距。

采用上述方案，通过将第一透镜设置为负光焦度透镜，实现了使用三片透镜的精简组合达到广角市场角度的作用，并通过依次排列于第一透镜后面的第二透镜和第三透镜进行相差和色差的矫正，使得取像镜头在满足广角的同时，失真较小，成像更真实。

作为优选，所述取像镜头满足以下关系式：

0.3<f2/f<0.7；

其中，f2为第二透镜焦距。

作为优选，所述取像镜头满足以下关系式：

0.60<f3/f<0.9；

其中，f3为第三透镜焦距。

采用上述方案，通过设置第二透镜和第三透镜对取像镜头各个折射面产生的球差传递到像空间后的球差之和进行矫正，同时矫正了取像镜头的场曲等其他像差，使经取像镜头后的像更加的真实。

作为优选，所述取像镜头的像侧面间隔距离设置有接收影像的光电传感器，所述镜头满足以下关系式：

1.5<TTL/IMH<4.0；

70<FOV<160；

其中，TTL为整个透镜系统总长度，IMH为传感器影像高度，FOV为镜头总视角。

采用上述方案，可以缩短镜头的总长，保证了镜头微型化，进一步实现用精简的三片式镜头做到广视角，同时体积较小。

作为优选，所述取像镜头满足以下条件式：

50<Vd1<82；

17<Vd2<50；

50<Vd3<82；

其中，Vd1为第一透镜的阿贝数，Vd2为第二透镜的阿贝数，Vd3为第三透镜的阿贝数。

采用上述方案，进一步限定了透镜对某物点发出光线的偏折能力，进一步矫正取像镜头的色差，使经取像镜头后的像更加真实。

作为优选，所述取像镜头还包含一光阑，所述光阑设置于第二透镜与第三透镜之间以控制第三透镜的光通量，且所述第二透镜与第三透镜之间设置有光圈。

采用上述方案，由于第一透镜为负光焦度透镜，第二透镜为正光焦度透镜，光束汇聚在第二透镜与第三透镜之间，在第二透镜与第三透镜之间设置光阑，控制成像光束的光能量，效果最好；通过光圈的设置来进一步控制镜头的孔径大小，进而控制镜头的进光量，从而影响成像质量，将光圈设置在第二透镜和第三透镜之间，可以采用较大的光圈，使得较暗的环境下成像更佳，使得应用领域更佳广泛。

作为优选，所述第一透镜、第三透镜采用塑胶材料或PMMA材料加工的非球面透镜，第二透镜采用塑胶材料、PMMA材料或玻璃材料加工的非球面透镜。

采用上述方案，三个透镜采用塑胶材料或PMMA材料设计，其成本低，其中PMMA的透光率较好，塑胶材料的耐温性较好，可根据实际实用环境选择使用塑胶材料或PMMA材料的透镜，适用范围更广，可灵活应用；玻璃材料的透镜成像效果较好，第二透镜采用玻璃材料，使得取像镜头的成像效果更好，且与塑胶材质或者PMMA材质的第一透镜和第三透镜组合，其成本较低，更加的适于使用。

作为优选，所述取像镜头更进一步满足以下条件式：

-120<dndt1<-80；

-10<dndt2<10；

-120<dndt3<-80；

其中，dndt1为第一透镜的相对折射率温度系数，dndt2为第二透镜的相对折射率温度系数，dndt3为第三透镜的相对折射率温度系数，单位为(10-6/℃)。

作为优选，所述取像镜头还包含一滤光片，所述滤光片位于第三透镜的像侧，所述滤光片用于过滤第三透镜的光线中的红外光线或者可见光线。

采用上述方案，通过在取像镜头中设置滤光片，在白天时可以让可见光进入取像镜头，而夜间可以让红外光进入镜头，且两者却又互不影响，进一步提高白天以及夜间的成像质量。

作为优选，所述取像镜头的第一透镜、第二透镜、第三透镜的所有折射面均为非球面，且满足以下公式:

其中，z表示透镜表面各点的Z轴坐标值；y表示透镜表面上各点的Y轴坐标值；c为透镜表面的曲率半径R的倒数；k为圆锥系数；A、B、C、D、E、F、G、H、J为非球面系数。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

通过精简的三片式镜头设计，通过将第一透镜设置为负光焦度透镜，实现了使用三片透镜的精简组合达到广角市场角度的作用，并通过依次排列于第一透镜后面的第二透镜和第三透镜进行相差和色差的矫正，利用透镜的光焦度、凹面与凸面的组合，有效缩减光学总长度外，满足广角视场角度，更进一步提高了成像质量。

附图说明

图1为本发明中实施例1的镜头结构示意图；

图2为实施例1中镜头数据的球面像差；

图3为实施例1中镜头数据的像散图；

图4为实施例1中镜头数据的畸变图；

图5为本发明中实施例2的镜头结构示意图；

图6为实施例2中镜头数据的球面像差；

图7为实施例2中镜头数据的像散图；

图8为实施例2中镜头数据的畸变图；

图9为实施例2中镜头数据的常温20度传递函数对焦点深度曲线图；

图10为实施例2中镜头数据的低温-20度传递函数对焦点深度曲线图；

图11为实施例2中镜头数据的高温70度传递函数对焦点深度曲线图；

图12为实施例2中镜头数据的倍率色差图；

图13为本发明中实施例3的镜头结构示意图；

图14为实施例3中取像镜头的轴向像差图；

图15为实施例3中取像镜头的场曲图；

图16为实施例3中取像镜头的畸变图；

图17为实施例3中取像镜头的光学系统调制传递函数示意图；

图18为实施例3中取像镜头的多色光波的衍射MTF示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明公开了一种取像镜头，包括三片塑胶材料或者PMMA材料制成的非球面透镜；为了使成像效果更好也可以采用三片玻璃材料制成的非球面透镜；为了节省成本、但又要成像效果较好，也可以塑胶材料、PMMA材料制成的非球面透镜与玻璃材料制成的非球面透镜组合。

取像镜头包含沿光轴由物侧至成像侧依次排列为第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、光阑S5、滤光片L4；其中，光阑S5设置于第二透镜L2与第三透镜L3之间，用于控制第三透镜的光通量；第一透镜L1为具有负光焦度透镜，其像侧面为凹面S2，物侧面用S1表示；第二透镜L2为具有正光焦度透镜，其物侧面为凸面S3，像侧面用S4表示；第三透镜L3为具有正光焦度透镜，其像侧面为凸面S7，物侧面用S6表示；第二透镜L2与第三透镜L3之间还设置有光圈用来控制镜头的孔径大小，进而控制镜头的进光量，提高成像质量。

滤光片L4用于过滤第三透镜L3的光线中的红外光线或者可见光线，滤光片是在塑料或玻璃基材中加入特种染料或在其表面蒸镀光学膜制成，用以衰减(吸收)光波中的某些光波段或以精确选择小范围波段光波通过，而反射(或吸收)掉其他不希望通过的波段，通过改变滤光片的结构和膜层的光学参数，可以获得各种光谱特性，使滤光片可以控制、调整和改变光波的透射、反射、偏振或相位状态，在白天时可以让可见光进入取像镜头，而夜间可以让红外光进入镜头，且两者却又互不影响，进一步提高白天以及夜间的成像质量。

上述取像镜头满足下列关系式以实现用精简的三片式镜头组合形成广角总视角：其中f1/f可以为-0.88、-0.85、-0.8、-0.75、-0.7、-0.65、-0.6、-0.55等等，依据实际情况，f1/f可以取自-0.9至-0.5之间的任意数值，即取像镜头满足下列关系式：

-0.9<f1/f<-0.5；

满足70<FOV<160；

其中，f为整个取像镜头的有效焦距,f1为第一透镜焦距，FOV为镜头总视角。

为了进一步的矫正像差，包括球差、场曲、畸变等影响成像质量的像差，其中f2/f可以为0.33、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.68等等，f3/f可以为0.62、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.88等等，依据实际情况，f2/f可以取自0.3至0.7之间的任意数值，f3/f为0.6至0.9之间的任意数值，即取像镜头满足下列关系式：

0.3<f2/f<0.7；

0.60<f3/f<0.9；

其中，f2为第二透镜焦距，f3为第三透镜焦距。

为了进一步限定了透镜对某物点发出光线的偏折能力，以矫正取像镜头的色差，使经取像镜头后的像更加真实，取像镜头满足下列关系式：

50<Vd1<82；

17<Vd2<50；

50<Vd3<82；

其中，Vd1为第一透镜的阿贝数，Vd2为第二透镜的阿贝数，Vd3为第三透镜的阿贝数。

取像镜头的像侧面间隔距离设置有接收影像的光电传感器，光电传感器设置于如图1、图5或图13中位于镜头的成像位置，为了缩短镜头总长，保证镜头微型化，取像镜头满足下列关系式：

1.5<TTL/IMH<4.0；

其中，TTL为整个透镜系统总长度，IMH为传感器影像高度。

上述光电传感器可以为CCD图像传感器，它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点，可使镜头的成像效果更佳。

取像镜头的第一透镜、第二透镜、第三透镜的所有折射面均为非球面，且满足以下公式:

其中，z表示透镜表面各点的Z轴坐标值；y表示透镜表面上各点的Y轴坐标值；c为透镜表面的曲率半径R的倒数；k为圆锥系数；A、B、C、D、E、F、G、H、J为非球面系数。

实施例1、

根据上述公式中各参数的具体数据进一步设置取像镜头的各透镜，数据举例如表一，其中f＝0.79，Fno＝2.4，FOV＝100度，Fno表示光圈数。

表一、镜头组件各透镜数据表

将上述的数据经ZEMAX软件模拟，以分析镜头的成像能力，如图2至图4所示。

实施例2、

根据上述公式中各参数的具体数据进一步设置取像镜头的各透镜，数据举例如表二，其中f＝1.02，Fno＝2.8，FOV＝120度，Fno表示光圈数。

表二、镜头组件各透镜数据表

将上述的数据经ZEMAX软件模拟，以分析镜头所成像是否满足需求，如图6至图12所示。

实施例3、

根据上述公式中各参数的具体数据进一步设置取像镜头的各透镜，数据举例如下表。

将上述的数据经ZEMAX软件模拟，以分析镜头的成像能力，如图13至图18所示。

通过上述简单的三片式镜头设计，使得取像镜头的精度更佳、清晰度更好、色彩还原更为准确、镜头内的光线反射得以降低，镜头体积也相应缩小，满足广角视场角度，且非球面镜头具有光圈大的特点，可以适应光线较暗的场所，因此应用领域更广。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种取像镜头，其特征是：包括沿光轴从物方到像方依次设置的三组透镜：

第一透镜为负光焦度透镜，其像侧面为凹面；第二透镜为正光焦度透镜，其物侧面为凸面；第三透镜为正光焦度透镜，其像侧面为凸面；所述镜头满足下述的关系式：

-0.9<f1/f<-0.5；

其中，f1为第一透镜焦距，f为整个取像镜头的有效焦距；

所述取像镜头满足以下关系式：

0.60<f3/f<0.9；

其中，f3为第三透镜焦距。

2.根据权利要求1所述的一种取像镜头，其特征是：所述取像镜头满足以下关系式：

0.3<f2/f<0.7；

其中，f2为第二透镜焦距。

3.根据权利要求1至2任一项所述的一种取像镜头，其特征是：所述取像镜头的像侧面间隔距离设置有接收影像的光电传感器，所述镜头满足以下关系式：

1.5<TTL/IMH<4.0；

70<FOV<160；

其中，TTL为整个透镜系统总长度，IMH为传感器影像高度；FOV为镜头总视角。

4.根据权利要求1至2任一项所述的一种取像镜头，其特征是：所述取像镜头满足以下条件式：

50<Vd1<82；

17<Vd2<50；

50<Vd3<82；

其中，Vd1为第一透镜的阿贝数，Vd2为第二透镜的阿贝数，Vd3为第三透镜的阿贝数。

5.根据权利要求1至2任一项所述的一种取像镜头，其特征是：所述取像镜头还包含一光阑，所述光阑设置于第二透镜与第三透镜之间以控制第三透镜的光通量，且所述第二透镜与第三透镜之间设置有光圈。

6.根据权利要求1至2任一项所述的一种取像镜头，其特征是：所述第一透镜、第三透镜采用塑胶材料或PMMA材料加工的非球面透镜，第二透镜采用塑胶材料、PMMA材料或玻璃材料加工的非球面透镜。

7.根据权利要求1至2任一项所述的一种取像镜头，其特征是：所述取像镜头满足以下条件式：

-120<dndt1<-80；

-10<dndt2<10；

-120<dndt3<-80；

其中，dndt1为第一透镜的相对折射率温度系数，dndt2为第二透镜的相对折射率温度系数，dndt3为第三透镜的相对折射率温度系数，单位为(10-6/℃)。

8.根据权利要求1至2任一项所述的一种取像镜头，其特征是：所述取像镜头还包含一滤光片，所述滤光片位于第三透镜的像侧，所述滤光片用于过滤第三透镜的光线中的红外光线或者可见光线。

9.根据权利要求1至2任一项所述的一种取像镜头，其特征是：所述取像镜头的第一透镜、第二透镜、第三透镜的所有折射面均为非球面，且满足以下公式:

其中，z表示透镜表面各点的Z轴坐标值；y表示透镜表面上各点的Y轴坐标值；c为透镜表面的曲率半径R的倒数；k为圆锥系数；A、B、C、D、E、F、G、H、J为非球面系数。

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