CN109407279B - 广角镜头及成像设备 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种广角镜头及成像设备，广角镜头沿光轴从物侧到像侧依次包括：具有正光焦度的第一透镜组，所述第一透镜组从物侧到像侧依次包括：具有负光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜和具有正光焦度的第三透镜；具有正光焦度的第二透镜组，所述第二透镜组从物侧到像侧依次包括：具有负光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜和具有正光焦度的第六透镜；设于所述第一透镜组和所述第二透镜组之间的光阑；其中，所述第一透镜至所述第六透镜均为玻璃透镜。本申请的广角镜头能够在‑40℃～+85℃温度范围内清晰成像，其在改善光学元件表面产生的鬼像的同时，又能够满足广角特性以及高成像品质的摄像需求。

Description

广角镜头及成像设备
技术领域
本申请涉及一种摄像头技术领域，特别涉及一种广角镜头及成像设备。
背景技术
随着自动驾驶功能的发展，车载镜头作为自动驾驶辅助系统的关键部件也迎来了较快发展，对该镜头的要求也越来越高。
自动驾驶辅助系统中的车载镜头与普通的光学镜头相比有着特殊的要求，例如，车载摄像镜头要求前端口径要尽量小，通光能力强，能适应外界环境的明暗变化，同时要求有较高的成像清晰度，能有效分辨外界环境的细节，以及很好的热稳定性，使镜头在高低温时都拥有良好的解析力，以满足自动驾驶的特殊要求。
发明内容
鉴于上述问题，本申请提出了一种广角镜头及成像设备，具有成像品质高、热稳定好的优点。
本申请实施例提供的一种广角镜头，沿光轴从物侧到像侧依次包括：具有正光焦度的第一透镜组，所述第一透镜组从物侧到像侧依次包括：具有负光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜和具有正光焦度的第三透镜；具有正光焦度的第二透镜组，所述第二透镜组从物侧到像侧依次包括：具有负光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜和具有正光焦度的第六透镜；设于所述第一透镜组和所述第二透镜组之间的光阑；其中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜和所述第六透镜均为玻璃透镜，且各透镜的光学中心均位于同一直线上。
进一步的，所述广角镜头满足条件式：
Figure GDA0002458047130000021
其中，
Figure GDA0002458047130000022
表示所述第二透镜的光焦度，
Figure GDA0002458047130000023
表示所述第一透镜组的光焦度。
进一步地，所述广角镜头满足条件式：-15×10-6/℃＜(dN/dT)2+(dN/dT)6＜2×10-6/℃，其中，(dN/dT)2表示所述第二透镜的折射率温度系数，(dN/dT)6表示所述第六透镜的折射率温度系数。
进一步地，所述广角镜头满足条件式：
Figure GDA0002458047130000024
其中，
Figure GDA0002458047130000025
表示所述第二透镜组的光焦度，
Figure GDA0002458047130000026
表示所述广角镜头的光焦度。
进一步地，所述广角镜头满足条件式：
Figure GDA0002458047130000027
其中，
Figure GDA0002458047130000028
表示所述第二透镜的光焦度，r21表示所述第二透镜物侧表面的曲率半径。
进一步地，所述广角镜头满足条件式：0≤(|△IH/△θ|max-|△IH/△θ|min)/(f*tan(△θ))≤0.25，其中，△IH表示所述广角镜头的像高变化量，△θ表示所述广角镜头的半视场角变化量，|△IH/△θ|max表示角分辨率的最大值，|△IH/△θ|min表示角分辨率的最小值，f表示所述广角镜头的有效焦距。
进一步，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜均为球面透镜，所述第六透镜为非球面透镜。
进一步，所述第四透镜为双凹透镜，所述第五透镜为双凸透镜，所述第六透镜的物侧表面为凸面。
进一步，所述广角镜头的光圈数不大于1.8。
进一步，所述广角镜头的视场角在80°至140°之间。
本发明还提供一种成像设备，成像设备包括上述任一种实施方式所提供的广角镜头及用于将广角镜头形成的光学图像转换为电信号的成像元件。
相较于现有技术，本申请提供的广角镜头及成像设备具有成像品质高、热稳定好的特点，其第一透镜组主要用于镜头的f-θ的畸变矫正，第二透镜组主要用于矫正镜头像散，提升镜头解析力。另外，广角镜头的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜均采用的是玻璃透镜，由于玻璃透镜性能稳定，能在较大的温度跨度范围内实现消热差。本申请的广角镜头能够在-40℃～+85℃温度范围内清晰成像，特别适用于对环境比较苛刻的运动相机、车载相机等摄像领域的需求。
本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。
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单地介绍，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为本申请第一实施例中广角镜头的截面结构示意图；
图2为本申请第一实施例中广角镜头的场曲曲线图；
图3为本申请第一实施例中广角镜头的轴上点球差曲线图；
图4为本申请第一实施例中广角镜头的横向色差曲线图；
主要元件符号说明：
Figure GDA0002458047130000031
Figure GDA0002458047130000041
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
目前，随着自动驾驶的发展，对车载镜头的要求也越来越高，其通光能力强、成像的清晰度高以及热稳定性好，然而，现有的车载摄像镜头大都对温度比较敏感，难以适用于高温或低温的场合。而且塑胶材料因受温度影响很大，且使用寿命短，难以保证长期使用的稳定性；同时还存在镜头分辨率低，难以消除色差，不利于实际应用。
为了解决上述问题，发明人经过研究，提出了本发明实施例中的广角镜头及成像设备，其具有成像品质高、热稳定好的优点。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，为本申请第一实施例中广角镜头100的截面结构示意图，包括沿光轴从物侧到像侧的第一透镜组Q1、第二透镜组Q2、光阑ST、滤光片G、平板玻璃P1和成像面P2。
第一透镜组Q1具有正光焦度，其从物侧到像侧依次包括具有负光焦度的第一透镜L1、具有负光焦度的第二透镜L2和具有正光焦度的第三透镜L3。另外，第一透镜L1和第二透镜L2均采用弯月型结构。具体地，如图1所示，第一透镜L1的物侧表面S1为凸面、像侧表面S2为凹面，第二透镜L2的物侧表面S3为凸面、像侧表面S4为凹面。第三透镜L3的物侧表面S5和像侧表面S6均为凸面。
第二透镜组Q2具有正光焦度，其从物侧到像侧依次包括具有负光焦度的第四透镜L4、具有正光焦度的第五透镜L5和具有正光焦度的第六透镜L6，第四透镜L4的物侧表面S8和像侧表面S9均为凹面，第五透镜L5的物侧表面S9和像侧表面S10均为凹面，第六透镜L6的物侧表面S11为凸面，其像侧表面S12既可以为凹面又可以为凸面。
上述第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6均为玻璃透镜，即第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6均由玻璃材质构成。且各透镜的光学中心均位于同一直线上。
另外，第四透镜L4与第五透镜L5组合成胶合透镜Q3，即胶合透镜Q3由第四透镜L4与第五透镜L5胶合而成，本实施例中胶合透镜Q3主要用于提升广角镜头100的光通量，降低镜头的装配难度以及降低公差敏感性。
光阑ST设置于第一透镜组Q1第二透镜组Q2之间。
滤光片G设置于第六透镜L6与成像面P2之间，该滤光片G可用于选择性地对部分光进行过滤，从而优化成像结果。第六透镜L6与成像面P2之间还设置有平板玻璃P1，其位于滤光片G之后。本实施例中，成像面P2可以是由物侧入射的光，经过广角镜头100在像侧成像的平面。
进一步的，在一些实施例中，广角镜头100满足条件式：
Figure GDA0002458047130000051
其中，
Figure GDA0002458047130000064
表示第二透镜L2的光焦度，
Figure GDA0002458047130000063
表示第一透镜组Q1的光焦度。满足此条件，能够有效校正镜头的f-θ畸变。
进一步的，在一些实施例中，广角镜头100满足条件式：
-15×10-6/℃＜(dN/dT)2+(dN/dT)6＜2×10-6/℃。
其中，(dN/dT)2表示第二透镜L2的折射率温度系数，(dN/dT)6表示第六透镜L6的折射率温度系数。满足此条件，能够有效补偿温度变化对镜头焦距的影响，提升镜头解析力在不同温度下的稳定性。
进一步的，在一些实施例中，广角镜头100满足条件式：
Figure GDA0002458047130000061
其中，
Figure GDA0002458047130000065
表示第二透镜组Q2的光焦度，
Figure GDA0002458047130000066
表示广角镜头100的光焦度。满足此条件，可有效矫正镜头像散，提升镜头解析力。
进一步的，在一些实施例中，广角镜头100满足条件式：
Figure GDA0002458047130000062
其中，
Figure GDA0002458047130000067
表示第二透镜L2的光焦度，r21表示第二透镜L2的物侧表面S3的曲率半径。满足此条件，可有效降低由第二透镜L2的曲率半径变化带来镜头性能影响的敏感性，便于镜头部件的生产加工，提高组装良率。
进一步的，在一些实施例中，广角镜头100满足条件式：
0≤(|△IH/△θ|max-|△IH/△θ|min)/(f*tan(△θ))≤0.25。
其中，△IH表示广角镜头100的像高变化量，△θ表示广角镜头100的半视场角变化量，|△IH/△θ|max表示角分辨率的最大值，|△IH/△θ|min表示角分辨率的最小值，f表示广角镜头100的有效焦距。此条件反映了像高变化量与半视场角变化量比值的一致性，利于成像的图片进行数码畸变矫正处理。
本实施例中，作为一种方式第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5均为球面透镜以及第六透镜L6为球面透镜。可以理解的是，在其他可能的实施方式中，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5以及第六透镜L6还可以是球面透镜、非球面透镜等的组合。
本申请中非球面透镜的面型满足如下等式：
Figure GDA0002458047130000071
其中：z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c表示曲面顶点的曲率，K表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，B、C、D、E，F分别表示四阶、六阶、八阶、十阶，十二阶曲面系数。
进一步的，在一些实施例中，广角镜头100的光圈数不大于1.8，能够满足较暗环境的成像需要。
进一步的，在一些实施例中，广角镜头100的视场角在80°至140°之间，即其视场角可以达到130°以上，并可有效修正f-θ畸变，能够控制f-θ畸变小于5％，利于成像的图片进行数码畸变矫正处理。
本实施例提供的广角镜头100中的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5以及第六透镜L6均采用了玻璃透镜，由于玻璃透镜性能稳定，能在较大的温度跨度范围内实现消热差。本实施例提供的广角镜头100能够在-40℃～+85℃温度范围内清晰成像，特别适用于对环境比较苛刻的运动相机、车载相机等摄像领域的需求。另外，广角镜头100可以包括非球面透镜，采用非球面透镜，可以有效矫正镜头的像差，提高整组镜头的解析力。
进一步的，本发明还提供一种成像设备，包括如上述任一种实施方式提供的广角镜头100及用于将广角镜头100形成的光学图像转换为电信号的成像元件。成像元件可以是CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器或者CCD(charge coupleddevice)图像传感器。成像设备可以是车载设备、监控设备等设备，其具备本发明提供的广角镜头100能够带来的有益效果。
请参阅图1，为本发明提供的广角镜头100的结构图，本实施例中第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5均为球面透镜，而第六透镜L6为非球面透镜，广角镜头100中各个透镜的相关参数如表1-1至1-2所示。
表1-1
Figure GDA0002458047130000081
Figure GDA0002458047130000091
本实施例中，广角镜头100中各个透镜的非球面参数如表1-2所示：
表1-2
Figure GDA0002458047130000092
在本实施例中，其场曲、轴上点球差和横向色差分别如图2、图3和图4所示。由图2至图4可以看出，本实施例中场曲、轴上点球差、横向色差都能被很好的校正。
本实施例通过五片玻璃球面透镜和一片玻璃非球面透镜的混合结构，能够实现镜头在-40℃～+85℃温度范围内清晰成像，改善靠近成像面的光学元件表面产生的鬼像，同时能满足广角特性以及高成像品质的摄像需求。
表2是上述实施例对应的光学特性，包括系统焦距f、光圈数F#、视场角2θ和系统总长TL，以及与前面每个条件式对应的数值。
表2
Figure GDA0002458047130000093
由表2可得，广角镜头100的光学总长小于23mm，光圈数F#为1.8，视场角2θ为130°～140°。
本申请的广角镜头100的体积小，通过第六透镜L6的玻璃非球面透镜设计，有效的降低了镜头的像差，提升了镜头的成像品质；且通过第二透镜L2和第六透镜L6的折射率温度系数材料的合理搭配，解决了折射率随温度变化导致的镜头焦点偏移的问题，使得该广角镜头100在不同的温度场合都具有良好的成像效果，提高了广角镜头100的实用性。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种广角镜头，其特征在于，从物侧到像侧依次包括：
具有正光焦度的第一透镜组，所述第一透镜组从物侧到像侧依次包括：具有负光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜和具有正光焦度的第三透镜，所述第一透镜的物侧表面为凸面、像侧表面为凹面，所述第二透镜的物侧表面为凸面、像侧表面为凹面，所述第三透镜的物侧表面和像侧表面均为凸面；
具有正光焦度的第二透镜组，所述第二透镜组从物侧到像侧依次包括：具有负光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜和具有正光焦度的第六透镜，所述第四透镜与所述第五透镜组成胶合透镜；
设于所述第一透镜组和所述第二透镜组之间的光阑；
其中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜和所述第六透镜均为玻璃透镜，且各透镜的光学中心均位于同一直线上，所述广角镜头满足条件式：
-15×10-6/℃＜(dN/dT)2+(dN/dT)6≤-12.1×10-6/℃；
Figure FDA0003085881310000011
其中，(dN/dT)2表示所述第二透镜的折射率温度系数，(dN/dT)6表示所述第六透镜的折射率温度系数，
Figure FDA0003085881310000012
表示所述第二透镜的光焦度，r21表示所述第二透镜物侧表面的曲率半径，所述广角镜头的透镜数为六片。
2.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头满足条件式：
Figure FDA0003085881310000013
其中，
Figure FDA0003085881310000014
表示所述第二透镜的光焦度，
Figure FDA0003085881310000015
表示所述第一透镜组的光焦度。
3.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头满足条件式：
Figure FDA0003085881310000021
其中，
Figure FDA0003085881310000022
表示所述第二透镜组的光焦度，
Figure FDA0003085881310000023
表示所述广角镜头的光焦度。
4.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头满足条件式：
0≤(|△IH/△θ|max-|△IH/△θ|min)/(f*tan(△θ))≤0.25；
其中，△IH表示所述广角镜头的像高变化量，△θ表示所述广角镜头的半视场角变化量，|△IH/△θ|max表示角分辨率的最大值，|△IH/△θ|min表示角分辨率的最小值，f表示所述广角镜头的有效焦距。
5.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜均为球面透镜，所述第六透镜为非球面透镜。
6.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述第四透镜为双凹透镜，所述第五透镜为双凸透镜，所述第六透镜的物侧表面为凸面。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头的光圈数不大于1.8。
8.根据权利要求1至6任一项所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头的视场角在80°至140°之间。
9.一种成像设备，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的广角镜头及用于将所述广角镜头形成的光学图像转换为电信号的成像元件。
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