CN109541780B - 光学镜头及成像设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学镜头，从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度且物侧面为凸面、像侧面为凹面的第一透镜；具有负光焦度且物侧面为凹面的第二透镜；具有正光焦度且物侧面为凸面的第三透镜；具有正光焦度的第四透镜；具有正光焦度且物侧面和像侧面均为凸面的第五透镜；具有负光焦度且物侧面和像侧面均为凹面的第六透镜，且第五透镜和第六透镜胶合为粘合体；具有正光焦度的第七透镜，光学镜头还包括设于第二透镜和第三透镜之间的光阑。本发明提供的光学镜头至少具有宽光谱成像功能。本发明还提供一种成像设备。

Description

光学镜头及成像设备
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种光学镜头及成像设备。
背景技术
光学镜头通常是由数片镜片构成，广泛应用于社会生活的各个方面，兼顾高性能及低制造成本一直是产品开发所追求的目标，然而目前的光学镜头仍然不能满足要求，因此，亟需提出一种光学镜头，在满足低制造成本要求的同时还兼具高性能。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种光学镜头及成像设备，以解决上述问题。
第一方面，本发明提供一种光学镜头，从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度且物侧面为凸面、像侧面为凹面的第一透镜；具有负光焦度且物侧面为凹面的第二透镜；具有正光焦度且物侧面为凸面的第三透镜；具有正光焦度的第四透镜；具有正光焦度且物侧面和像侧面均为凸面的第五透镜；具有负光焦度且物侧面和像侧面均为凹面的第六透镜，且第五透镜和第六透镜胶合为粘合体；具有正光焦度的第七透镜；光学镜头还包括设于第二透镜与第三透镜之间的光阑。
第二方面，本发明还提供一种成像设备，成像设备包括第一方面提供的光学镜头及用于将光学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，本发明提供的光学镜头及成像设备具有低制造成本及高性能，其中第一透镜、第二透镜主要用于光线的收集和畸变的矫正，第三透镜主要用于消除像差，并使光线汇聚来减小镜头的口径，第四透镜以及第五透镜和第六透镜形成的粘合体起到消热差、消除二级光谱和消色差的作用，第七透镜起到消除像差和控制主光线的出射角度的作用。
附图说明
图1为本发明第一实施例中光学镜头的截面结构示意图；
图2为本发明第一实施例中光学镜头的场曲图；
图3为本发明第一实施例中光学镜头的畸变图；
图4为本发明第一实施例中光学镜头的轴向色差图；
图5为本发明第二实施例中光学镜头的截面结构示意图；
图6为本发明第二实施例中光学镜头的场曲图；
图7为本发明第二实施例中光学镜头的畸变图；
图8为本发明第二实施例中光学镜头的轴向色差图；
图9为本发明第三实施例中光学镜头的截面结构示意图；
图10为本发明第三实施例中光学镜头的场曲图；
图11为本发明第三实施例中光学镜头的畸变图；
图12为本发明第三实施例中光学镜头的轴向色差图；
图13为本发明第四实施例中光学镜头的截面结构示意图；
图14为本发明第四实施例中光学镜头的场曲图；
图15为本发明第四实施例中光学镜头的畸变图；
图16为本发明第四实施例中光学镜头的轴向色差图；
图17为本发明第五实施例中光学镜头的截面结构示意图；
图18为本发明第五实施例中光学镜头的场曲图；
图19为本发明第五实施例中光学镜头的畸变图；
图20为本发明第五实施例中光学镜头的轴向色差图；
图21为本发明第六实施例中光学镜头的截面结构示意图；
图22为本发明第六实施例中光学镜头的场曲图；
图23为本发明第六实施例中光学镜头的畸变图；
图24为本发明第六实施例中光学镜头的轴向色差图；
图25为本发明第七实施例提供的成像设备的结构示意图。
主要元件符号说明：
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 第六透镜 L6
第七透镜 L7 滤光片 G1
光阑 ST
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。
申请人在生产实践中发现，汽车无人驾驶技术需要搭载一款视场角为70°以上、能够监控中远距离范围的光学镜头，由于行车环境的复杂性，需要光学镜头安全可靠，因此对于光学镜头的性能有着特殊的要求，例如：通光能力强，以适应外界环境的明暗变化；并且要求有较高的成像清晰度，能有效分辨外界环境的细节(如公路标识信息，远处的行人与车辆等)；具有很好的热稳定性，使镜头在高低温时都拥有良好的解像力；能够对发射或反射不同单色光的物体(如交通信号灯、公路标识信息等)具有良好的分辨能力，以满足无人驾驶系统的特殊要求。
本发明提供的光学镜头从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度且物侧面为凸面、像侧面为凹面的第一透镜；具有负光焦度且物侧面为凹面的第二透镜；具有正光焦度且物侧面为凸面的第三透镜；具有正光焦度的第四透镜；具有正光焦度且物侧面和像侧面均为凸面的第五透镜；具有负光焦度且物侧面和像侧面均为凹面的第六透镜，且第五透镜和第六透镜胶合为粘合体；具有正光焦度的第七透镜；光学镜头还包括设于第二透镜与第三透镜之间的光阑，以及设于第七透镜与成像面之间的滤光片。
在一些实施方式中，第四透镜和第五透镜满足以下条件：
(dn/dt)4+(dn/dt)5＜-3×10-6/℃；
其中，(dn/dt)4表示第四透镜的折射率温度系数，(dn/dt)5表示第五透镜的折射率温度系数。
当第四透镜、第五透镜的折射率温度系数均为负值时，能够使光学焦距在高温时增大、在低温时减小，有效的补偿了结构件(如镜筒、镜座)的热膨胀，保证了光学镜头在高低温时的解像力都有良好的表现。
在一些实施方式中，第四透镜和第五透镜满足以下条件：
Vd4+Vd5＞100；
ΔPg,F4+ΔPg,F5≥0.01；
其中，Vd4表示第四透镜的阿贝数，Vd5表示第五透镜的阿贝数，ΔPg,F4表示第四透镜的相对部分色散偏离阿贝经验公式的偏离值、ΔPg,F5表示第五透镜的相对部分色散偏离阿贝经验公式的偏离值。
当第四透镜和第五透镜使用的材料具有低色散和高相对部分色散的特性时，可以有效地矫正二级光谱，减小不同波长光线的焦点距离，有效提高可见光单色光的MTF，使得光学镜头可以对可见光范围内较宽的波段对单色光都有良好的成像效果，有利于提高光学镜头对发射或反射单色光的物体(如信号指示灯、公路标志牌等)的分辨能力。
在一些实施方式中，为了使光学镜头可以很好地控制畸变，减小由畸变带来的成像变形，该光学镜头满足以下条件：
IH/θ＜0.15；
其中，θ表示光学镜头的半视场角，IH表示在半视场角θ时光学镜头的像高。通过控制f-θ畸变来提高边缘视场的放大倍率，从而提高了光学镜头边缘的解像能力，使其满足边缘视场画面拉平展开后，有足够的分辨率。
在一些实施方式中，为了有效地消除第一透镜和第二透镜间二次反射产生的鬼影，避免镜头的鬼影对机器或人眼识别产生的干扰，该光学镜头满足以下条件：
0.5＜|r2+r3|＜5；
其中，r2表示第一透镜像侧面的曲率半径，r3表示第二透镜物侧面的曲率半径。
在一些实施方式中，第一透镜满足以下条件时，可以保证第一透镜能够很好的收集光线，有利于减小光线入射角，从而减小部分像差：
-3＜f1/(r1+r2)＜0；
其中，f1表示第一透镜的焦距，r1表示第一透镜L1物侧面的曲率半径，r2表示第一透镜L1像侧面的曲率半径。
在一些实施方式中，第四透镜满足以下条件式时，可以保证第四透镜能够很好的汇聚光线，有利于减小镜头后端口径，从而减小镜头体积：
0＜|f4/r8|＜3；
其中，f4表示第四透镜的焦距，r8表示第四透镜像侧面的曲率半径。
在一些实施方式中，第七透镜满足以下条件式时，可以保证光学镜头能很好地矫正像差，超过此条件式范围，则会增加镜片加工的难度，且对像差的矫正比较困难：
-2＜f7/r13＜0；
其中，f7表示第七透镜的焦距，r13表示第七透镜像侧面的曲率半径。
在一些实施方式中，第七透镜为玻璃非球面透镜，第五透镜和第六透镜为玻璃球面透镜。
在一些实施方式中，第五透镜和第六透镜形成的粘合体，且第五透镜和第六透镜的阿贝数Vd差值大于35。
满足上述配置有利于保证光学镜头具有良好的热稳定性、优良的宽光谱成像性能。此外，在一些实施方式中，还可以通过控制f-θ畸变来提高边缘视场的放大倍率，从而提高了光学镜头边缘的解像能力，使其满足边缘视场画面拉平展开后，有足够的分辨率。
进一步地，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光学镜头及用于将光学镜头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。
本发明中各个实施例中光学镜头的非球面的表面形状均满足下列方程：
Figure BDA0001869231060000061
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和F分别表示四阶、六阶、八阶、十阶和十二阶曲面系数。
在以下各个实施例中，所述成像镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径、材料选择部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。
第一实施例
请参阅图1，本发明第一实施例提供的一种光学镜头100从物侧到成像面依次包括：第一透镜L1、第二透镜L2、光阑ST、第三透镜L3、第四透镜L4，第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、滤光片G1。
第一透镜L1具有负光焦度且物侧面S1为凸面、像侧面S2为凹面，第一透镜L1是玻璃非球面透镜。在本发明的其它实施例中，第一透镜L1可以是玻璃球面透镜。
第二透镜L2具有负光焦度且物侧面S3为凹面、像侧面S4为凸面，第二透镜L2是玻璃球面透镜。
第三透镜L3具有正光焦度且物侧面S5和像侧面S6均为凸面，第三透镜L3是玻璃球面透镜。
第四透镜L4具有正光焦度且物侧面S7和像侧面S8均为凸面，第四透镜L4是玻璃非球面透镜。在本发明的其它实施例中，第四透镜L4还可以是玻璃球面透镜。
第五透镜L5具有正光焦度且物侧面S9和像侧面S10均为凸面。
第六透镜L6具有负光焦度且物侧面S10和像侧面S11均为凹面，且第五透镜L5和第六透镜L6胶合为粘合体并且均为玻璃球面透镜。
第七透镜L7具有正光焦度，其物侧面S12为凸面且像侧面S13在近光轴I处为凸面，第七透镜L7是玻璃非球面透镜。
光阑ST设于第二透镜L2与第三透镜L3之间，滤光片G1设于第七透镜L7与成像面之间。本发明第一实施例中提供的光学镜头100中各个镜片的相关参数如表1-1所示。
表1-1
表面序号 代号 表面类型 曲率半径 厚度 折射率 阿贝数
物面 球面 无穷 无穷
S1 L1 非球面 50.781280 1.299267 1.589 61.25
S2 非球面 7.731661 3.498546
S3 L2 球面 -5.434835 1.061537 1.626 35.71
S4 球面 -21.047101 -0.116924
ST ST 光阑 无穷 0.412200
S5 L3 球面 107.930689 2.671124 1.946 17.94
S6 球面 -54.707484 0.128999
S7 L4 非球面 20.121017 5.660273 1.497 81.56
S8 非球面 -8.686964 0.168983
S9 L5 球面 9.955736 7.212610 1.618 63.41
S10 L6 球面 -18.620210 0.998528 1.847 23.79
S11 球面 13.338064 0.258668
S12 L7 非球面 20.639428 3.778075 1.808 40.92
S13 非球面 -27.638485 0.831149
S14 滤光片G1 球面 无穷 0.400000 1.517 64.21
S15 球面 无穷 5.881459
S16 成像面 像面 无穷 —
本实施例的各透镜非球面的参数如表1-2所示。
表1-2
Figure BDA0001869231060000071
Figure BDA0001869231060000081
在本实施例中，其场曲、畸变和轴向色差分别如图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、畸变、色差都能被很好的校正。
第二实施例
请参阅图5，所示为本实施例提供的一种光学镜头200的结构图。本实施例当中的光学镜头200与第一实施例当中的光学镜头100大抵相同，不同之处在于，本实施例当中的光学镜头200的第三透镜L3的像侧面S6为凹面，且第七透镜L7的物侧面S12为凹面，像侧面S13为凸面，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同，具体各个透镜的相关参数参见表2-1所示。
表2-1
Figure BDA0001869231060000082
Figure BDA0001869231060000091
本实施例的各透镜非球面的参数如表2-2所示。
表2-2
Figure BDA0001869231060000092
在本实施例中，其场曲、畸变和轴向色差分别如图6、图7和图8所示。由图6至图8可以看出，本实施例中场曲、畸变、色差都能被很好的校正。
第三实施例
请参阅图9，所示为本实施例提供的一种光学镜头300的结构图。本实施例当中的光学镜头300与第一实施例当中的光学镜头100大抵相同，不同之处在于，本实施例当中的光学镜头300的第三透镜L3为玻璃非球面透镜，第四透镜L4为玻璃球面透镜，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同，具体各个透镜的相关参数参见表3-1所示。
表3-1
Figure BDA0001869231060000093
Figure BDA0001869231060000101
本实施例的各透镜非球面的参数如表3-2所示。
表3-2
Figure BDA0001869231060000102
在本实施例中，其场曲、畸变和轴向色差分别如图10、图11和图12所示。由图10至图12可以看出，本实施例中场曲、畸变、色差都能被很好的校正。
第四实施例
请参阅图13，所示为本实施例提供的一种光学镜头400的结构图。本实施例当中的光学镜头400与第一实施例当中的光学镜头100大抵相同，不同之处在于，本实施例当中的光学镜头400的第三透镜L3为玻璃非球面透镜，第四透镜L4为玻璃球面透镜，且第七透镜L7的物侧面S12为凹面、像侧面S13为凸面，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同，具体各个透镜的相关参数参见表4-1所示。
表4-1
表面序号 代号 表面类型 曲率半径 厚度 折射率 阿贝数
物面 球面 无穷 无穷
S1 L1 非球面 10.178135 1.171894 1.589 61.25
S2 非球面 4.698160 3.781413
S3 L2 球面 -6.844972 2.111302 1.834 37.23
S4 球面 -16.119849 -0.158621
ST ST 光阑 无穷 0.241873
S5 L3 非球面 59.227555 6.569065 1.693 53.20
S6 非球面 -11.792889 0.096731
S7 L4 球面 19.381807 4.769749 1.593 68.53
S8 球面 -19.381807 0.096024
S9 L5 球面 13.118754 5.169041 1.593 67.33
S10 L6 球面 -13.118754 1.777606 1.847 23.79
S11 球面 14.506098 1.711194
S12 L7 非球面 -196.005105 2.073090 1.808 40.92
S13 非球面 -21.352003 0.131149
S14 滤光片G1 球面 无穷 0.400000 1.517 64.21
S15 球面 无穷 4.496097
S16 成像面 像面 无穷 —
本实施例的各透镜非球面的参数如表4-2所示。
表4-2
Figure BDA0001869231060000111
Figure BDA0001869231060000121
在本实施例中，其场曲、畸变和轴向色差分别如图14、图15和图16所示。由图14至图16可以看出，本实施例中场曲、畸变、色差都能被很好的校正。
第五实施例
请参阅图17，所示为本实施例提供的一种光学镜头500的结构图。本实施例当中的光学镜头500与第一实施例当中的光学镜头100大抵相同，不同之处在于，本实施例当中的光学镜头500的第一透镜L1为玻璃球面透镜，第二透镜L2的像侧面S4为凹面，第三透镜L3为玻璃非球面透镜，第四透镜L4为玻璃球面透镜且其物侧面S7为凹面，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同，具体各个透镜的相关参数参见表5-1所示。
表5-1
Figure BDA0001869231060000122
Figure BDA0001869231060000131
本实施例的各透镜非球面的参数如表5-2所示。
表5-2
Figure BDA0001869231060000132
在本实施例中，其场曲、畸变和轴向色差分别如图18、图19和图20所示。由图18至图20可以看出，本实施例中场曲、畸变、色差都能被很好的校正。
第六实施例
请参阅图21，所示为本实施例提供的一种光学镜头600的结构图。本实施例当中的光学镜头600与第一实施例当中的光学镜头100大抵相同，不同之处在于，本实施例当中的光学镜头600的第一透镜L1为玻璃球面透镜，第四透镜L4为玻璃球面透镜且其像侧面S8为凹面，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同，具体各个透镜的相关参数参见表6-1所示。
表6-1
Figure BDA0001869231060000133
Figure BDA0001869231060000141
本实施例的各透镜非球面的参数如表6-2所示。
表6-2
Figure BDA0001869231060000142
在本实施例中，其场曲、畸变和轴向色差分别如图22、图23和图24所示。由图22至图24可以看出，本实施例中场曲、畸变、色差都能被很好的校正。
表7是上述6个实施例及其对应的光学特性，包括系统焦距f、光圈数F#、视场角2θ和系统总长TTL，以及与前面每个条件式对应的数值。
表7
Figure BDA0001869231060000143
Figure BDA0001869231060000151
综合上述实施例，本发明实施例提供的光学镜头均达到了以下的光学指标：(1)视场角2θ＞70°；(2)光学总长TTL＜35mm；(3)适用光谱范围为400nm～700nm。
本发明提供的光学镜头中，第一透镜L1、第二透镜L2主要用于光线的收集和畸变的矫正，第三透镜L3主要用于消除像差，并使光线汇聚来减小镜头的口径，第四透镜L4以及第五透镜L5、第六透镜L6组成的粘合体起到消热差、消除二级光谱和消色差的作用，第七透镜L7起到消除像差和控制主光线的出射角度的作用，制造成本低且成像性能高。
进一步地，当各个透镜均为玻璃镜片时，可以使得光学镜头具有较好的热稳定性能；当第四透镜L4、第五透镜L5至少有一个选用温度折射率系数为负且低色散高相对部分色散的玻璃时，不仅能尽量减小因环境温度变化引起的成像镜头的焦点移动，有效解决热漂移问题，同时可以很好的矫正二级光谱，使不同波长的单色光焦点位置更加接近，使得本发明提供的光学镜头不仅有可靠的热稳定性，而且可以在可见光范围内较宽的波段对单色光都有良好的成像效果，有利于提高该光学镜头对发射或反射单色光的物体(如信号指示灯、公路标志牌等)的分辨能力。
第七实施例
请参阅图25，本发明提供一种成像设备700，包括如上述任一种实施例提供的光学镜头(100、200、300、400、500、600，图示以光学镜头100为例)及用于将光学镜头形成的光学图像转换为电信号的成像元件71。
成像元件71位于光学镜头的成像面。成像元件71可以是CMOS(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor)图像传感器或者CCD(charge coupled device)图像传感器。
成像设备700可以是车载设备、监控设备等设备，具备本发明提供的光学镜头能够带来的有益效果。
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 (11)

1.一种光学镜头，其特征在于，从物侧到成像面依次由以下光学元件组成：
具有负光焦度且物侧面为凸面、像侧面为凹面的第一透镜；
具有负光焦度且物侧面为凹面的第二透镜；
具有正光焦度且物侧面为凸面的第三透镜；
具有正光焦度的第四透镜；
具有正光焦度且物侧面和像侧面均为凸面的第五透镜；
具有负光焦度且物侧面和像侧面均为凹面的第六透镜，且所述第五透镜和所述第六透镜胶合为粘合体；
具有正光焦度的第七透镜；以及
设于所述第二透镜与所述第三透镜之间的光阑；
所述光学成像镜头满足以下条件：
0.134≤IH/θ≤0.137；
其中，θ表示所述光学成像镜头的半视场角，IH表示在半视场角θ时所述光学成像镜头的像高；并且所述光学镜头的视场角2θ≥70°。
2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第四透镜和所述第五透镜满足以下条件：
(dn/dt)4+(dn/dt)5＜-3×10-6/℃；
其中，(dn/dt)4表示所述第四透镜的折射率温度系数，(dn/dt)5表示所述第五透镜的折射率温度系数。
3.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第四透镜和所述第五透镜满足以下条件：
Vd4+Vd5＞100；
ΔPg,F4+ΔPg,F5≥0.01；
其中，Vd4表示所述第四透镜的阿贝数，Vd5表示所述第五透镜的阿贝数；ΔPg,F4表示所述第四透镜的相对部分色散偏离阿贝经验公式的偏离值，ΔPg,F5表示所述第五透镜的相对部分色散偏离阿贝经验公式的偏离值。
4.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足以下条件：
0.5＜|r2+r3|＜5；
其中，r2表示所述第一透镜像侧面的曲率半径，r3表示所述第二透镜物侧面的曲率半径。
5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜满足以下条件：
-3＜f1/(r1+r2)＜0；
其中，f1表示所述第一透镜的焦距，r1表示所述第一透镜物侧面的曲率半径，r2表示所述第一透镜的像侧面的曲率半径。
6.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第四透镜满足以下条件式：
0＜|f4/r8|＜3；
其中，f4表示所述第四透镜的焦距，r8表示所述第四透镜像侧面的曲率半径。
7.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第七透镜满足以下条件式：
-2＜f7/r13＜0；
其中，f7表示所述第七透镜的焦距，r13表示所述第七透镜像侧面的曲率半径。
8.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第七透镜的像侧面为凸面。
9.根据权利要求1-8任一项所述的光学镜头，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、所述第六透镜、所述第七透镜均为玻璃透镜。
10.根据权利要求9所述的光学镜头，其特征在于，所述第七透镜为玻璃非球面透镜，所述第五透镜和所述第六透镜为玻璃球面透镜。
11.一种成像设备，其特征在于，包括如权利要求1-10任一项所述的光学镜头及用于将所述光学镜头形成的光学图像转换为电信号的成像元件。
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