CN108051978A - 全景摄像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种全景摄像系统，包括传感器芯片，还包括一等腰直角棱镜及光轴处于同一直线上的两组广角镜头，所述广角镜头的视场角大于等于200°，所述等腰直角棱镜布置在两组所述广角镜头间隔的中点处，并经过所述广角镜头的光轴，所述等腰直角棱镜的两个直角面分别面向一组所述广角镜头，且每个所述直角面用于将对应的所述广角镜头的入射光线偏折90°，所述传感器芯片设于所述等腰直角棱镜的一侧，用于接收两组所述广角镜头偏折后的入射光线，并处理成全景成像。本发明中的全景摄像系统，通过设置一个等腰直角棱镜，来将两个广角镜头的入射光线偏折至一个传感器芯片上，可实现单芯片双镜头的360°全景高清成像效果，降低了系统的成本。
Description
技术领域
本发明涉及光学镜头技术领域，特别涉及一种全景摄像系统。
背景技术
近年来，随着VR虚拟现实、安防监控等行业的迅猛发展，全视场角、高分辨率、日夜两用的全景摄像系统呈现出旺盛的需求。
现有技术当中，目前使用的全景摄像系统通常由两个以上的镜头配置两个以上的芯片构成，每个镜头及其配置的芯片都是独立成像，而后再将多个芯片的图像经过处理拼接成全景图像。
上述这种实现全局摄像的方案，由于需要多个芯片成像及图像拼接处理，系统的集成及设置过于复杂，成本比较高，而且两个镜头需要同步成像，对镜头的整体装配难度加大，批量产品的品质不易保证等。与此同时，目前市面上全景摄像系统采用的镜头普遍存在解像品质低、日夜两用但非共焦、温度影响大、成本高等缺陷。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种单芯片双镜头360°的全景摄像系统，以降低系统的成本。
一种全景摄像系统，包括传感器芯片，还包括一等腰直角棱镜及光轴处于同一直线上的两组广角镜头，所述广角镜头的视场角大于等于200°，所述等腰直角棱镜布置在两组所述广角镜头间隔的中点处，并经过所述广角镜头的光轴，所述等腰直角棱镜的两个直角面分别面向一组所述广角镜头，且每个所述直角面用于将对应的所述广角镜头的入射光线偏折90°，所述传感器芯片设于所述等腰直角棱镜的一侧，用于接收两组所述广角镜头偏折后的入射光线，并处理成全景成像。
上述全景摄像系统，通过设置一个等腰直角棱镜，来将两个广角镜头的入射光线偏折至一个传感器芯片上，可实现单芯片双镜头的360°全景高清成像效果，降低了系统的边缘畸变，同时降低了系统的成本。
进一步地，所述广角镜头从物侧到成像面依次包括具有负光焦度的第一透镜组、光阑以及具有正光焦度的第二透镜组，所述广角镜头满足以下关系：
其中：表示整个所述广角镜头的光焦度，表示所述第一透镜组的组合光焦度，表示所述第二透镜组的组合光焦度。
进一步地，所述第一透镜组从物侧到成像面依次包括：
具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜为凹面朝向成像面的弯月型玻璃球面镜片；
具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜为双凹型的塑胶非球面镜片；
具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜为凸面朝向成像面的玻璃球面镜片或塑胶非球面镜片；以及
具有负光焦度的第四透镜，所述第四透镜为双凹型的塑胶非球面镜片。
进一步地，所述第二透镜组从物侧到成像面依次包括：
具有正光焦度的第五透镜，所述第五透镜为双凸型的玻璃球面镜片；
具有负光焦度的第六透镜，所述第六透镜为凸面朝向成像面的弯月型玻璃球面镜片，且所述第五透镜和所述第六透镜组成胶合镜片；以及
具有正光焦度的第七透镜，所述第七透镜为凸面朝向成像面的弯月型塑胶非球面镜片。
本全景摄像系统中的广角镜头采用三片玻璃球面镜片和三片以上的塑胶非球面镜片搭配，通过玻塑混合材料匹配可适应不同的温度场合，温度控制较好，日夜共焦，且具有较高的使用寿命和稳定性，同时也降低了镜片成本，并且视场角能够达到200°以上，此外所述广角镜头还能够达到总长为27mm、后焦距大于5mm、靶面的对角线长度为2.55mm的高成像质量镜头。
进一步地，所述广角镜头还包括一滤光片，所述滤光片位于所述第七透镜靠近成像面的一侧，所述滤光片为可见光波段滤光片和红外滤光片当中的任意一种。
由于可见光和近红外光分别为昼与夜的工作波段，通过设置滤光片来抑制非工作波段光透过，可以有效减少光学系统的色差和杂光，提升成像效果。
进一步地，所述光阑为中心设有通光孔的滤光纸。
可以理解的，光阑的作用在于精确调整通光量，利用遮光纸做光阑，最大程度的保证了加工的精确性，减少加工误差，便于调整。本全景摄像系统中的光阑，设置在第四透镜与第五透镜之间，此位置设置光阑，有利于控制到达像面的主光线入射角度，可以有效的将主光线入射角度控制在7±3度以内，更符合芯片的入射要求。
进一步地，所述广角镜头满足关系式：15<TL/(h/2)<25，其中，TL表示整个所述广角镜头的光学总长，h表示像面高度。
进一步地，所述广角镜头满足关系式：其中，表示所述第一透镜的光焦度，表示整个所述广角镜头的光焦度。
进一步地，所述广角镜头满足关系式：35＜|V5-V6|＜70，其中，V5表示所述第五透镜的阿贝数，V6表示所述第六透镜的阿贝数。
进一步地，所述广角镜头满足关系式：5mm＜BFL＜8mm，其中，BFL表示所述第七透镜的像侧表面顶点到成像面的距离。
附图说明
图1为本发明第一实施例当中的全景摄像系统的结构图；
图2为本发明第一实施例当中的广角镜头的结构图；
图3为本发明第一实施例当中的广角镜头的场曲曲线图；
图4为本发明第一实施例当中的广角镜头的F-Theta畸变曲线图；
图5为本发明第一实施例当中的广角镜头的MTF曲线；
图6为本发明第二实施例当中的广角镜头的结构图；
图7为本发明第二实施例当中的广角镜头的场曲曲线图；
图8为本发明第二实施例当中的广角镜头的F-Theta畸变曲线图；
图9为本发明第二实施例当中的广角镜头的MTF曲线；
图10为本发明第三实施例当中的广角镜头的结构图；
图11为本发明第三实施例当中的广角镜头的场曲曲线图；
图12为本发明第三实施例当中的广角镜头的F-Theta畸变曲线图；
图13为本发明第三实施例当中的广角镜头的MTF曲线。
| 广角镜头 | 10 | 等腰直角棱镜 | 20 |
| 传感器芯片 | 30 | 直角面 | 21 |
| 第一透镜组 | 11 | 光阑 | 12 |
| 第二透镜组 | 13 | 滤光片 | 14 |
| 盖玻璃 | 15 | 第一透镜 | 111 |
| 第二透镜 | 112 | 第三透镜 | 113 |
| 第四透镜 | 114 | 第五透镜 | 131 |
| 第六透镜 | 132 | 第七透镜 | 133 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一
请参阅图1，所示为本发明第一实施例中的全景摄像系统，包括两组广角镜头10、一等腰直角棱镜20及一传感器芯片30。
其中，所述广角镜头10的视场角大于等于200°，两组所述广角镜头10的光轴处于同一直线上，所述等腰直角棱镜20布置在两组所述广角镜头10间隔的中点处，并经过所述广角镜头10的光轴。所述等腰直角棱镜20的两个直角面21分别面向一组所述广角镜头10，且每个所述直角面21用于将对应的所述广角镜头10的入射光线偏折90°。所述传感器芯片30设于所述等腰直角棱镜20的一侧，用于接收两组所述广角镜头10偏折后的入射光线，以同时获得两组所述广角镜头10拍摄的图像，并将图像进行拼接，以处理得到全景成像。
请参阅图2，所示为本发明第一实施例中的广角镜头10，其从物侧到成像面依次包括具有负光焦度的第一透镜组11、光阑12、具有正光焦度的第二透镜组13、滤光片14及盖玻璃15。
其中，所述第一透镜组11从物侧到成像面依次包括具有负光焦度的第一透镜111、具有负光焦度的第二透镜112、具有正光焦度的第三透镜113及具有负光焦度的第四透镜114。所述第一透镜111为凹面朝向成像面的弯月型玻璃球面镜片，所述第二透镜为双凹型的塑胶非球面镜片，所述第三透镜为凸面朝向成像面的玻璃球面镜片，所述第四透镜为双凹型的塑胶非球面镜片。
其中，所述光阑12为中心设有通光孔的滤光纸。
其中，所述第二透镜组13从物侧到成像面依次包括具有正光焦度的第五透镜131、具有负光焦度的第六透镜132及具有正光焦度的第七透镜133。所述第五透镜131为双凸型的玻璃球面镜片，所述第六透镜132为凸面朝向成像面的弯月型玻璃球面镜片，所述第七透镜133为凸面朝向成像面的弯月型塑胶非球面镜片，所述第五透镜131和所述第六透镜132组成胶合镜片。
其中，所述滤光片14位于所述第七透镜133靠近成像面的一侧，所述滤光片14为可见光波段滤光片。在其它实施例当中，所述滤光片14还可以为红外滤光片当中的任意一种。
此外，所述广角镜头10满足以下关系：
其中，表示整个所述广角镜头10的光焦度，表示所述第一透镜组11的组合光焦度，表示所述第二透镜组13的组合光焦度。当满足条件式(1)，第一透镜组11有效的将宽视场角物面光汇聚进入广角镜头内，像面产生较大像差，当的值超过上限时，第一透镜组11的光焦度过强，虽然能够使系统总长变小，但其产生的球差过大，很难矫正，当的值超过下限时，第四透镜114的光焦度减弱，球差相对减小，但其屈光能力下降导致系统总长加长；当满足条件式(2)，第二透镜组13的组合光焦度与第一透镜组11形成呼应，有效的配合第一透镜组11，并合理去除像差，当的值超过上限时，第二透镜13的光焦度过强，能够使系统总长变小，但其球差、象散、场曲过大，很难矫正；当的值超过下限时，透镜的光焦度减弱，上述像差相对减小，但其屈光能力下降导致系统加长。
进一步地，所述广角镜头10还满足关系式：15<TL/(h/2)<25，其中，TL表示整个所述广角镜头10的光学总长，h表示像面高度。当TL/(h/2)的值超过上限时，整体镜头的总长过长，或者说如果整体缩短总长的情况下，像高会不足；当TL/(h/2)的值超过下限时，由于各透镜的光焦度过大，镜头像差矫正困难，解像能力显著下降。
为在良好的矫正像差的同时提供合适的镜头尺寸，所述广角镜头10还满足关系式：其中，表示所述第一透镜111的光焦度，表示整个所述广角镜头的光焦度。当的值超过上限时，第一透镜111光焦度过强，虽然能够达到快速收光的目的，使系统总长变小，但其产生的象散、场曲、畸变过大，很难矫正，同时其镜片的曲率半径会缩小，提高加工难度，并增大系统误差；当的值超过下限时，第一透镜111光焦度减弱，上述各种像差相对减小，但其屈光能力下降导致系统加长。
为矫正色差，所述广角镜头还满足关系式：35＜|V5-V6|＜70，其中，V5表示所述第五透镜的阿贝数，V6表示所述第六透镜的阿贝数。当|V5-V6|的值超过下限时，色差的矫正不足；当|V5-V6|的值超过上限时，材料选择困难。
为了保证实现360°全景图像拼接，所述广角镜头还满足关系式：5mm＜BFL＜8mm，其中，BFL表示所述第七透镜的像侧表面顶点到成像面的距离。BFL的值过小不便于全景拼接，过大不利于提高解像。
进一步地，所述第二透镜112、第四透镜114及第七透镜133的非球面表面形状均满足下列方程：
其中，z为曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，h为光轴到曲面的距离，c为曲面顶点的曲率，k为圆锥系数conic，a4、a6、a8、a10分别表示四阶、六阶、八阶、十阶径向坐标所对应的曲面系数。当k小于-1时，面形曲线为双曲线，当k等于-1时，面形曲线为抛物线，当k介于-1到0之间时，面形曲线为椭圆，当k等于0时，面形曲线为圆形，当k大于0时，面形曲线为扁圆形。通过上述非球面方程可以精确设定所述各透镜的非球面面型，实现对所述广角镜头10的像差校正功能，从而大大提高镜头成像的清晰度及锐利度。
请参阅表1，所示为本实施例当中的一种广角镜头的各个镜片相关参数。
表1：
请参阅表2，所示为本实施例当中的广角镜头的各透镜的非球面相关参数。
表2：
| 表面序号 | k | a4 | a6 | a8 | a10 |
| S3 | 5.04E+00 | -6.03E-05 | -3.15E-06 | -4.59E-08 | 4.66E-09 |
| S4 | -9.73E-01 | -3.35E-03 | 1.07E-03 | -8.65E-05 | 2.08E-06 |
| S7 | -1.09E+01 | 1.92E-02 | -4.04E-03 | 3.48E-04 | -1.26E-05 |
| S8 | -2.85E-01 | 3.04E-02 | -3.15E-03 | -2.22E-04 | 3.96E-05 |
| S13 | 1.40E+00 | -1.15E-02 | -3.34E-04 | 1.17E-05 | 9.14E-05 |
| S14 | -3.90E-01 | -5.87E-03 | -5.86E-04 | 1.96E-04 | -2.22E-06 |
本实施例提供的广角镜头10的场曲与F-Theta畸变曲线分别如图3和图4所示，根据图中可以看出，所述全景摄像镜头的场曲和畸变都被良好矫正。图5为红外光850nm的MTF曲线，体现出广角镜头在日夜共焦下良好分辨率及解像能力。
综上，本发明上述实施例当中的全景摄像系统100具有以下有益效果：
1.通过设置一个等腰直角棱镜20，来将两个广角镜头10的入射光线偏折至一个传感器芯片30上，可实现单芯片双镜头的360°全景高清成像效果，降低了系统的边缘畸变，同时降低了系统的成本。
2.本全景摄像系统中的广角镜头10采用三片玻璃球面镜片和三片以上的塑胶非球面镜片搭配，通过玻塑混合材料匹配可适应不同的温度场合，温度控制较好，日夜共焦，且具有较高的使用寿命和稳定性，同时也降低了镜片成本，并且视场角能够达到200°以上，此外所述广角镜头还能够达到总长为27mm、后焦距大于5mm、靶面的对角线长度为2.55mm的高成像质量镜头。
3.由于可见光和近红外光分别为昼与夜的工作波段，通过设置滤光片14来抑制非工作波段光透过，可以有效减少光学系统的色差和杂光，提升成像效果。
4.光阑的作用在于精确调整通光量，为了在光线较暗的场景下拍到清晰的图片，需要较大的光通量镜头，本实施例在第四透镜114与第五透镜131之间设置所述光阑12，有利于控制到达像面的主光线入射角度，可以有效的将主光线入射角控制在7±3度以内，更符合芯片的入射要求。
实施例二
请参阅图6，所示为本发明第二实施例中的广角镜头10，本实施例当中的广角镜头10与第一实施例当中的广角镜头10的结构大抵相同，不同之处在于，本实施当中的第三透镜113采用塑胶非球面镜片，且部分透镜的参数存在差异，本实施当中的各个透镜的镜片相关参数如表3所示。其中，第三透镜113的非球面表面形状也满足上述方程(3)。
表3：
请参阅表4，所示为本实施例当中的各透镜的非球面相关参数。
表4：
| 表面序号 | k | a4 | a6 | a8 | a10 |
| S3 | 1.64E+02 | -7.01E-04 | 1.07E-05 | 3.64E-06 | -7.00E-08 |
| S4 | -3.83E-01 | -2.17E-02 | 2.90E-03 | -3.96E-04 | 2.05E-05 |
| S5 | -1.48E+02 | -9.53E-03 | -9.40E-04 | 9.57E-05 | -2.55E-06 |
| S6 | -3.99E-01 | 4.27E-03 | -1.25E-04 | 2.37E-06 | 4.02E-07 |
| S7 | -1.14E+01 | 9.50E-03 | -1.28E-03 | 1.15E-04 | -3.62E-06 |
| S8 | 3.38E+00 | 2.35E-02 | -5.76E-03 | 3.93E-04 | -7.96E-06 |
| S13 | 4.60E-01 | -4.62E-03 | -1.74E-03 | 1.96E-03 | -2.16E-04 |
| S14 | -2.66E-01 | 1.55E-03 | -9.94E-04 | 1.17E-03 | -6.02E-05 |
本实施例提供的广角镜头10的场曲与F-Theta畸变曲线分别如图7和图8所示，根据图中可以看出，所述全景摄像镜头的场曲和畸变都被良好矫正。图9为红外光850nm的MTF曲线，体现出广角镜头在日夜共焦下良好分辨率及解像能力。
实施例三
请参阅图10，所示为本发明第三实施例中的广角镜头10，本实施例当中的广角镜头10与第一实施例当中的广角镜头10的结构大抵相同，不同之处在于，部分透镜的参数存在差异，本实施当中的各个透镜的镜片相关参数如表5所示。
表5：
请参阅表6，所示为本实施例当中的各透镜的非球面相关参数。
表6：
| 表面序号 | k | a4 | a6 | a8 | a10 |
| S3 | 5.04E+00 | -6.03E-05 | -3.15E-06 | -4.59E-08 | 4.66E-09 |
| S4 | -9.73E-01 | -3.35E-03 | 1.07E-03 | -8.65E-05 | 2.08E-06 |
| S7 | -1.09E+01 | 1.92E-02 | -4.04E-03 | 3.48E-04 | -1.26E-05 |
| S8 | -2.85E-01 | 3.04E-02 | -3.15E-03 | -2.22E-04 | 3.96E-05 |
| S13 | 1.40E+00 | -1.15E-02 | -3.34E-04 | 1.17E-05 | 9.14E-05 |
| S14 | -3.90E-01 | -5.87E-03 | -5.86E-04 | 1.96E-04 | -2.22E-06 |
本实施例提供的广角镜头的场曲与F-Theta畸变曲线分别如图11和图12所示，根据图中可以看出，所述全景摄像镜头的场曲和畸变都被良好矫正。图13为红外光850nm的MTF曲线，体现出广角镜头在日夜共焦下良好分辨率及解像能力。
请参阅图表7，所述为上述各实施例提供的广角镜头对应的光学特性，包括所述广角镜头10的系统焦距f、光圈数F#、系统总长TL和视场角2θ，同时还包括上述各关系式对应的相关数值。
表7：
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种全景摄像系统，包括传感器芯片，其特征在于，还包括一等腰直角棱镜及光轴处于同一直线上的两组广角镜头，所述广角镜头的视场角大于等于200°，所述等腰直角棱镜布置在两组所述广角镜头间隔的中点处，并经过所述广角镜头的光轴，所述等腰直角棱镜的两个直角面分别面向一组所述广角镜头，且每个所述直角面用于将对应的所述广角镜头的入射光线偏折90°，所述传感器芯片设于所述等腰直角棱镜的一侧，用于接收两组所述广角镜头偏折后的入射光线，并处理成全景成像。
2.根据权利要求1所述的全景摄像系统，其特征在于，所述广角镜头从物侧到成像面依次包括具有负光焦度的第一透镜组、光阑以及具有正光焦度的第二透镜组，所述广角镜头满足以下关系：
其中，表示整个所述广角镜头的光焦度，表示所述第一透镜组的组合光焦度，表示所述第二透镜组的组合光焦度。
3.根据权利要求2所述的全景摄像系统，其特征在于，所述第一透镜组从物侧到成像面依次包括：
具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜为凹面朝向成像面的弯月型玻璃球面镜片；
具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜为双凹型的塑胶非球面镜片；
具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜为凸面朝向成像面的玻璃球面镜片或塑胶非球面镜片；以及
具有负光焦度的第四透镜，所述第四透镜为双凹型的塑胶非球面镜片。
4.根据权利要求2所述的全景摄像系统，其特征在于，所述第二透镜组从物侧到成像面依次包括：
具有正光焦度的第五透镜，所述第五透镜为双凸型的玻璃球面镜片；
具有负光焦度的第六透镜，所述第六透镜为凸面朝向成像面的弯月型玻璃球面镜片，且所述第五透镜和所述第六透镜组成胶合镜片；以及
具有正光焦度的第七透镜，所述第七透镜为凸面朝向成像面的弯月型塑胶非球面镜片。
5.根据权利要求4所述的全景摄像系统，其特征在于，所述广角镜头还包括一滤光片，所述滤光片位于所述第七透镜靠近成像面的一侧，所述滤光片为可见光波段滤光片和红外滤光片当中的任意一种。
6.根据权利要求2所述的全景摄像系统，其特征在于，所述光阑为中心设有通光孔的滤光纸。
7.根据权利要求1所述的全景摄像系统，其特征在于，所述广角镜头满足关系式：15<TL/(h/2)<25，其中，TL表示整个所述广角镜头的光学总长，h表示像面高度。
8.根据权利要求3所述的一种全景摄像系统，其特征在于，所述广角镜头满足关系式：其中，表示所述第一透镜的光焦度，表示整个所述广角镜头的光焦度。
9.根据权利要求4所述的一种全景摄像系统，其特征在于，所述广角镜头满足关系式：35＜|V5-V6|＜70，其中，V5表示所述第五透镜的阿贝数，V6表示所述第六透镜的阿贝数。
10.根据权利要求4所述的一种全景摄像系统，其特征在于，所述广角镜头满足关系式：5mm＜BFL＜8mm，其中，BFL表示所述第七透镜的像侧表面顶点到成像面的距离。
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