CN108732720B - 一种可应用于摄影的大相对孔径鱼眼镜头 - Google Patents

一种可应用于摄影的大相对孔径鱼眼镜头 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种可应用于摄影的大相对孔径鱼眼镜头，它由六块透镜组成，从物方到像方依次排列为：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜。所述第一、第二透镜的所有光学面凸面均朝向物方，皆具有负光焦度；所述第三、四透镜前、后光学面凸面皆朝向物方，第三透镜具有负光焦度，第四透镜具有正光焦度；所述第五透镜为平行平板；所述第六透镜的前光学面凸面朝向物方、后光学面凸面朝向像方，具有正光焦度；所述第七透镜的前、后光学面凸面皆朝向像方具有负光焦度；所述第八透镜的前、后光学面凸面皆朝向像方，具有负光焦度。该镜头具有大孔径、有良好的成像质量等特点，能够应用在全景摄影等领域。

Description

一种可应用于摄影的大相对孔径鱼眼镜头
技术领域
本发明为光学系统设计领域，特别是涉及一种可应用于摄影的大相对孔径鱼眼镜头。
背景技术
鱼眼镜头是一种具有大视场角、大孔径的光学系统，其全视场角往往能达到140°以上。鱼眼镜头可以无需扫描就能获得大视场范围内的全部光学信息，适宜在隐蔽的条件下对整个大视场范围内光学信息完成采集，在安全安保、医疗卫生、全景摄影、军事国防、管道监视等领域获得了广泛的应用。
大孔径光学系统成像过程中高阶像差的贡献明显，为了平衡大孔径光学系统的高阶像差，得到更好的成像质量，大孔径光学系统结构往往十分复杂。鱼眼镜头由于其视场角大、轴外像差大、边缘视场照度低等原因，进一步增加了鱼眼镜头结构设计和制造的难度。采用非球面透镜固然可以在一定程度上提高鱼眼镜头的成像质量，但是会进一步提高设计的复杂程度和制造成本。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种应用于摄影的大相对孔径鱼眼镜头，具有大相对孔径、结构简单及成像质量较好的特性。
为达到上述目的，本发明的构思是：
应用两块具有负光焦度的弯月形透镜作为前光组来压缩视场角；后光组为成像系统，初始结构采用简单的三透镜组合来成像，设计其结构参数满足前后光组系统的场曲、两种色差及球差和彗差的平衡条件。然后，借助Zemax光学设计软件在保证透镜光焦度不变的条件下，利用透镜分裂法，使前两块透镜分别变成双胶合透镜进一步抑制高阶像差。最后利用Zemax优化光学系统参数设计，得到最终设计。
本发明采用下述技术方案：
一种可应用于摄影的大相对孔径鱼眼镜头，它由六块透镜组成，从物方到像方依次排列为：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜。所述透镜组的第一、第二透镜的所有光学面的凸面均朝向物方，并皆具有负光焦度；所述透镜组的第三、四透镜组成双胶合透镜，第三透镜前、后光学面凸面皆朝向物方，并具有负光焦度，第四透镜前、后光学面凸面皆朝向物方，并具有正光焦度；所述透镜组的第五透镜为平行平板；所述透镜组的第六、七透镜组成双胶合透镜，第六透镜的前光学面凸面朝向物方、后光学面凸面朝向像方，并具有正光焦度，第七透镜的前、后光学面凸面皆朝向像方并具有负光焦度；所述透镜组的第八透镜的前、后光学面凸面皆朝向像方，并具有负光焦度。
所述透镜组的焦距为9.34±0.1mm，F数为3.0。
所述透镜组总长为109.273±1.0mm，最大直径为57.786±0.5mm，最大全视场角为178°～180°。
所述透镜组的第一透镜材料的折射率为1.788，阿贝数为47.489；第二透镜材料的折射率为1.511，阿贝数为60.406；第三透镜透镜材料的折射率为1.785，阿贝数为26.078，第四透镜材料的折射率为1.720，阿贝数为34.700；第五透镜材料的折射率为1.755，阿贝数为27.377；第六透镜的材料折射率为1.456，阿贝数为90.900，第七透镜的材料折射率为1.620，阿贝数为36.366；第八透镜材料的折射率为1.847，阿贝数为23.779。
整个鱼眼镜头材料为第一透镜材料为N-LAF21；第二透镜材料为K7；第三透镜材料为SF56A；第四透镜透镜材料为N-KZFS8；第五透镜材料为N-SF4；第六透镜透镜材料为N-FK58；第七透镜材料为F2；第八透镜材料为N-SF57。
本发明与现有的级数相比较，具有以下显而易见的实质性特点和显著优点，本发明后光组由于是基于简单的三透镜组合复杂化而来，所以在结构上较为简单且具有成像质量良好，相对孔径大等特点。
附图说明
图1为鱼眼镜头初始结构薄透镜模型示意图。
图2为鱼眼镜头光学系统结构图。
图3为本光学系统的MTF曲线示意图。曲线上的圆形、方形标记分别表示子午、弧矢方向上的MTF曲线；实心、空心标记分别表示光线的空间频率为10lp/mm、30lp/mm。
图4为本光学系统半视场角为0°，30°，60°，90°的光线在像面上的标准点列图。
图5为本光学系统的F-Theta畸变曲线。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
参见图2，本可应用于摄影的大相对孔径鱼眼镜头，它由六块透镜组成，从物方到像方依次排列为：第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)、第六透镜(6)、第八透镜(8)。所述透镜组的第一、第二透镜(1、2)的所有光学面的凸面均朝向物方，并皆具有负光焦度；所述透镜组的第三、四透镜(3、4)组成双胶合透镜，第三透镜(3)前、后光学面凸面皆朝向物方，并具有负光焦度，第四透镜(4)前、后光学面凸面皆朝向物方，并具有正光焦度；所述透镜组的第五透镜(5)为平行平板；所述透镜组的第六、七透镜(6、7)组成双胶合透镜，第六透镜的前光学面凸面朝向物方、后光学面凸面朝向像方，并具有正光焦度，第七透镜的前、后光学面凸面皆朝向像方并具有负光焦度；所述透镜组的第八透镜(8)的前、后光学面凸面皆朝向像方，并具有负光焦度。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述所述的一种可应用于摄影的大相对孔径鱼眼镜头，其特征在于：所述透镜组的焦距为9.34±0.1mm，F数为3.0。所述透镜组总长为109.273±1.0mm，最大直径为57.786±0.5mm，全视场角为178°～180°。所述透镜组的第一透镜(1)材料的折射率为1.788，阿贝数为47.489；第二透镜(2)材料的折射率为1.511，阿贝数为60.406；第三透镜(3)透镜材料的折射率为1.785，阿贝数为26.078，第四透镜(4)材料的折射率为1.720，阿贝数为34.700；第五透镜(5)材料的折射率为1.755，阿贝数为27.377；第六透镜(6)的材料折射率为1.456，阿贝数为90.900，第七透镜(7)的材料折射率为1.620，阿贝数为36.366；第八透镜(8)材料的折射率为1.847，阿贝数为23.779。
实施例三：
图1所示为简单的鱼眼镜头薄透镜结构，若是增大该系统的孔径，由于轴外成像光束宽度较小，会发生渐晕现象，同时成像质量也比较差，为了改善渐晕和成像质量，要将负责成像的后光组透镜复杂化，并利用Zemax优化系统。
具体设计过程为：(1)以图1所示鱼眼镜头薄透镜模型结构作为初始结构设计，对后光组进行复杂化处理。选用高折射率、低色散的材料对后光组第一块、第二块透镜做胶合处理，可以减小透镜曲率的绝对值，可以有效改善渐晕，同时还能够减小光学系统的高级像差；透镜胶合处理可以增加优化变量，有利于接下来的优化处理；第三块透镜为负场镜形式，有利于补偿系统的场曲和畸变，故保留原有的结构形式；(2)加入平行平板，可以增加优化变量如折射率、阿贝数等，有利于在优化中补偿高阶像差；(3)设定评价函数，并利用Zemax优化整个系统设计；(4)使用玻璃替换模板，采用锤形优化系统透镜材料。
如图2所示为设计结构示意图，它由六块透镜组成，从物方到像方依次排列为：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜。所述透镜组的第一、第二透镜的所有光学面的凸面均朝向物方，并皆具有负光焦度；所述透镜组的第三、四透镜组成双胶合透镜，第三透镜前、后光学面凸面皆朝向物方，并具有负光焦度，第四透镜前、后光学面凸面皆朝向物方，并具有正光焦度；所述透镜组的第五透镜为平行平板；所述透镜组的第六、七透镜组成双胶合透镜，第六透镜的前光学面凸面朝向物方、后光学面凸面朝向像方，并具有正光焦度，第七透镜的前、后光学面凸面皆朝向像方并具有负光焦度；所述透镜组的第八透镜的前、后光学面凸面皆朝向像方，并具有负光焦度。
所述透镜组的焦距：9.34mm。
F数：3.0。
主波长：0.58756μm。
所述透镜组总长：109.273mm，最大直径：57.786mm。
工作全视场角范围：0°到180°。
所述透镜组的第一透镜材料的折射率为1.788，阿贝数为47.489；第二透镜材料的折射率为1.511，阿贝数为60.406；第三透镜透镜材料的折射率为1.785，阿贝数为26.078，第四透镜材料的折射率为1.720，阿贝数为34.700；第五透镜材料的折射率为1.755，阿贝数为27.377；第六透镜的材料折射率为1.456，阿贝数为90.900，第七透镜的材料折射率为1.620，阿贝数为36.366；第八透镜材料的折射率为1.847，阿贝数为23.779。
如图3所示为本光学的MTF曲线图，从图上可以看出，在中心视场处，所有方向的10lp/mm和30lp/mm曲线均在75％以上，整个工作视场角范围内均在55％以上，且曲线平滑，无成像质量突降的情况。
如图4所示为本光学系统在半视场角为0°，30°，60°，90°的在像面上的点列图，在这些视场角处对应的RMS半径为8.067μm、6.140μm、7.676μm、17.398μm。
如图5所示为本光学系统的F-Theta畸变曲线，从图上可以看出，畸变比较小，符合成像要求。
表1为鱼眼镜头结构参数。
表1鱼眼镜头结构参数(单位：mm)
Figure BDA0001629192130000041
Figure BDA0001629192130000051

Claims (2)

1.一种可应用于摄影的大相对孔径鱼眼镜头，它由六块透镜组成透镜组，透镜组的各透镜从物方到像方依次排列为：第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)、第四透镜(4)、第五透镜(5)、第六透镜(6)、第七透镜(7)、第八透镜(8)；其特征在于：所述透镜组的第一、第二透镜(1、2)的所有光学面的凸面均朝向物方，并皆具有负光焦度；所述透镜组的第三、四透镜(3、4)组成双胶合透镜，第三透镜(3)前、后光学面凸面皆朝向物方，并具有负光焦度，第四透镜(4)前、后光学面凸面皆朝向物方，并具有正光焦度；所述透镜组的第五透镜(5)为平行平板；所述透镜组的第六、七透镜(6、7)组成双胶合透镜，第六透镜(6)的前光学面凸面朝向物方、后光学面凸面朝向像方，并具有正光焦度，第七透镜(7)的前、后光学面凸面皆朝向像方并具有负光焦度；所述透镜组的第八透镜(8)的前、后光学面凸面皆朝向像方，并具有负光焦度；所述透镜组的焦距为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，F数为3.0。
2.根据权利要求1所述的一种可应用于摄影的大相对孔径鱼眼镜头，其特征在于：所述透镜组的第一透镜(1)材料的折射率为1.788，阿贝数为47.489；第二透镜(2)材料的折射率为1.511，阿贝数为60.406；第三透镜(3)透镜材料的折射率为1.785，阿贝数为26.078，第四透镜(4)材料的折射率为1.720，阿贝数为34.700；第五透镜(5)材料的折射率为1.755，阿贝数为27.377；第六透镜(6)的材料折射率为1.456，阿贝数为90.900，第七透镜(7)的材料折射率为1.620，阿贝数为36.366；第八透镜(8)材料的折射率为1.847，阿贝数为23.779。
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