CN110441891B - 一种紧凑型超广角鱼眼镜头光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型超广角鱼眼镜头光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑、后透镜组和像面，所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述后透镜组包括自前向后依次设置的第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜。本发明光学系统采用反远距的光学结构型式，前透镜组在最前端采用了两个负光焦度的透镜，获得较大的主光线倍率倒数值，从而降低后透镜组像差校正的压力，光学系统的总长度仅10mm，有利于全景相机的小型化设计，丰富了全景相机的应用场景，实现了优异的成像质量。

Description

一种紧凑型超广角鱼眼镜头光学系统

技术领域

本发明涉及光学系统技术领域，更具体地说涉及一种紧凑型超广角鱼眼镜头光学系统。

背景技术

鱼眼光学系统具有接近或超过180°的视场角，可以获得超大范围的景物成像而广泛应用于安防、监控等领域。鱼眼光学系统追求超大视场、高分辨率以及轻小型化的性能指标，但现有适用于全景相机的鱼眼镜头光学系统大多存在结构较为复杂，尺寸较大等缺陷。

发明内容

本发明提供一种紧凑型超广角鱼眼镜头光学系统，结构简单，长度尺寸大幅缩减。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

一种紧凑型超广角鱼眼镜头光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑、后透镜组和像面，所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述后透镜组包括自前向后依次设置的第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜；

所述第一透镜为光焦度为负的弯月形透镜，所述第二透镜和第五透镜均为光焦度为负的双凹透镜，所述第三透镜、第四透镜和第六透镜均为光焦度为正的双凸透镜，所述第七透镜为光焦度为正的弯月形透镜，所述第四透镜和第五透镜组合成双胶合透镜。

作为上述技术方案的进一步改进，所述前透镜组的光焦度为所述光学系统的光焦度为/>其中/>与/>的比值满足：

作为上述技术方案的进一步改进，所述后透镜组的光焦度为所述光学系统的光焦度为/>其中/>与/>的比值满足：

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜的光焦度为所述第二透镜的光焦度为/>所述第三透镜的光焦度为/>所述第四透镜和第五透镜的组合光焦度为/>所述第六透镜的光焦度为/>所述第七透镜的光焦度为/>所述光学系统的光焦度为/>其中/>和/>满足：

作为上述技术方案的进一步改进，所述第三透镜靠近光阑的光学面为第一光学面，所述第四透镜靠近光阑的光学面为第二光学面，光学系统的轴上视场边缘光线在第一光学面上的高度为h1，所述光学系统的轴上视场边缘光线在第二光学面上的高度为h2，其中h1和h2的比值满足：

1.02≤h1/h2≤1.09。

作为上述技术方案的进一步改进，所述光阑与第三透镜中心的距离为L1，所述光阑与第四透镜中心的距离为L2，其中L1和L2满足：

4.5≤L1/L2≤5.0。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第三透镜和第五透镜的材质均为重火石玻璃，所述第六透镜的材质为镧火石玻璃，第四透镜的材质为重冕玻璃，所述第二透镜和第七透镜的材质为E48R材料。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第二透镜和第七透镜均采用非球面面型。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第七透镜与像面之间设有滤光片。

本发明的有益效果是：本发明光学系统采用反远距的光学结构型式，前透镜组在最前端采用了两个负光焦度的透镜，获得较大的主光线倍率倒数值，从而降低后透镜组像差校正的压力，光学系统的总长度仅10mm，有利于全景相机的小型化设计，丰富了全景相机的应用场景，实现了优异的成像质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。

图1是实施例光学系统的结构示意图；

图2是实施例光学系统在可见光谱段的光学传递函数曲线；

图3是实施例光学系统在夜视850nm谱段的光学传递函数曲线。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

实施例1，参照图1，一种紧凑型超广角鱼眼镜头光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组120、光阑900、后透镜组130和像面，所述前透镜组120包括自前向后依次设置的第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300，所述后透镜组130包括自前向后依次设置的第四透镜400、第五透镜500、第六透镜600和第七透镜700；

所述第一透镜100为光焦度为负的弯月形透镜，所述第二透镜200和第五透镜500均为光焦度为负的双凹透镜，所述第三透镜300、第四透镜400和第六透镜600均为光焦度为正的双凸透镜，所述第七透镜700为光焦度为正的弯月形透镜，所述第四透镜400和第五透镜500组合成双胶合透镜。

本发明光学系统采用反远距的光学结构型式，由于成像视场达到210°以上，为降低超大视场带来的视场像差如像散和畸变，前透镜组120在最前端采用了两个负光焦度的透镜，获得较大的主光线倍率倒数值，从而降低后透镜组130像差校正的压力。

本发明的重点考虑了在实现高像质的前提下进行了光学系统的小型紧凑化设计，进行了相应的创新性设计与合理像差校正；当光学系统长度缩短时，由于各组透镜的光焦度增加，引起球差、彗差、像散、畸变等各种像差迅速增加，导致光学系统像质下降。

作为优选的实施方式，所述前透镜组120的光焦度为所述光学系统的光焦度为/>其中/>与/>的比值满足：

作为优选的实施方式，所述后透镜组130的光焦度为所述光学系统的光焦度为/>其中/>与/>的比值满足：

作为优选的实施方式，所述第一透镜100的光焦度为所述第二透镜200的光焦度为/>所述第三透镜300的光焦度为/>所述第四透镜400和第五透镜500的组合光焦度为/>所述第六透镜600的光焦度为/>所述第七透镜700的光焦度为/>所述光学系统的光焦度为/>其中/>和/>满足：

作为优选的实施方式，所述第三透镜300靠近光阑900的光学面为第一光学面，所述第四透镜400靠近光阑900的光学面为第二光学面，光学系统的轴上视场边缘光线在第一光学面上的高度为h1，所述光学系统的轴上视场边缘光线在第二光学面上的高度为h2，其中h1和h2的比值满足：

1.02≤h1/h2≤1.09。

作为优选的实施方式，所述光阑900与第三透镜300中心的距离为L1，所述光阑900与第四透镜400中心的距离为L2，其中L1和L2满足：

4.5≤L1/L2≤5.0。

作为优选的实施方式，所述第一透镜100的材质为重镧火石玻璃，所述第三透镜300和第五透镜500的材质均为重火石玻璃，所述第六透镜600的材质为镧火石玻璃，第四透镜400的材质为重冕玻璃，所述第二透镜200和第七透镜700的材质均为E48R材料。

作为优选的实施方式，所述第二透镜200和第七透镜700均采用非球面面型。

所述非球面面型满足下列高次非球面矢高方程：

式中c为曲率半径，y为径向坐标，k为圆锥二次曲线常数，A、B、C、D、E、F和G分别为不同阶数所对应的的系数，通过以上方程可以计算出非球面任意位置的矢高Z。

采用两块塑料非球面透镜，既提高了像差校正能力，且与玻璃非球面透镜相比成本低廉，有利于批量化生产。

作为优选的实施方式，所述第七透镜700与像面800之间设有滤光片110。所述滤光片110用于实现对特定范围的光谱成像，避免其他波长的光谱进入，影响成像质量。

本紧凑型超广角鱼眼镜头光学系统，具体参数为：

焦距0.98mm；相对孔径D/f为1/2.2；视场角为210°；光学系统总长10mm，后工作距离(弯月形透镜B4到像面800的距离)为1.75mm。

本发明光学系统长度仅10mm，同等指标下尺寸大幅缩短，非常有利于全景相机的小型化设计，丰富了全景相机的应用场景；全视场传递函数平均值达到0.3@300lp/mm，实现了优异的成像质量；采用两块塑料非球面透镜，既提高了像差校正能力，且与玻璃非球面透镜相比成本低廉，有利于批量化生产。

本发明为了实现超广角光学系统的紧凑设计，在前透镜组120引入了双凹负光焦度非球面的第二透镜200，在后透镜组130引入了弯月形正光焦度非球面的第七透镜700；通过光焦度的合理分配，非球面面型对像散和畸变等像差进行了较完善的校正，从而在缩短光学系统尺寸的同时获得高成像质量。并且为了实现日夜共焦的应用要求，采用光焦度接近于零的双胶合透镜校正了系统的轴向色差和垂轴色差，并且将850nm的近红外谱段与可见光谱段进行了共焦校正，实现日夜共焦两用。

在本发明实施例中，如附图2和图3所示，可见光谱度和近红外谱段的焦面位置差异很小，在同一个像面800上能够同时满足两种谱段的成像质量；可见光在300lp/mm时全视场平均传递函数值达到0.30；近红外850nm谱段在300lp/mm时全视场平均传递函数值优于0.20。保证了在不同谱段的高分辨率解析像质，实现了日夜共焦成像。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种紧凑型超广角鱼眼镜头光学系统，其特征在于：包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑、后透镜组和像面，所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述后透镜组包括自前向后依次设置的第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜；

所述第一透镜为光焦度为负的弯月形透镜，所述第二透镜和第五透镜均为光焦度为负的双凹透镜，所述第三透镜、第四透镜和第六透镜均为光焦度为正的双凸透镜，所述第七透镜为光焦度为正的弯月形透镜，所述第四透镜和第五透镜组合成双胶合透镜；

所述第一透镜的光焦度为φA1，所述第二透镜的光焦度为φA2，所述第三透镜的光焦度为φA3，所述第四透镜和第五透镜的组合光焦度为φB12，所述第六透镜的光焦度为φB3，所述第七透镜的光焦度为φB4，所述光学系统的光焦度为φ，其中φ、φA1、φA2、φA3、φB12、φB3和φB4满足：

-0.28≤φA1/φ≤-0.24；

-0.68≤φA2/φ≤-0.62；

0.45≤φA3/φ≤0.52；

-0.055≤φB12/φ≤-0.040；

0.18≤φB3/φ≤0.23；

0.18≤φB4/φ≤0.21；

所述第七透镜与像面之间设有滤光片。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型超广角鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述前透镜组的光焦度为φA，所述光学系统的光焦度为φ，其中φA与φ的比值满足：

0.14≤φA/φ≤0.18。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型超广角鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述后透镜组的光焦度为φB，所述光学系统的光焦度为φ，其中φB与φ的比值满足：

0.28≤φB/φ≤0.35。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑型超广角鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述第三透镜靠近光阑的光学面为第一光学面，所述第四透镜靠近光阑的光学面为第二光学面，光学系统的轴上视场边缘光线在第一光学面上的高度为h1，所述光学系统的轴上视场边缘光线在第二光学面上的高度为h2，其中h1和h2的比值满足：

1.02≤h1/h2≤1.09。

5.根据权利要求1所述的一种紧凑型超广角鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述光阑与第三透镜的中心的距离为L1，所述光阑与第四透镜的中心的距离为L2，其中L1和L2满足：

4.5≤L1/L2≤5.0。

6.根据权利要求1所述的一种紧凑型超广角鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述第一透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第三透镜和第五透镜的材质为重火石玻璃，所述第六透镜的材质为镧火石玻璃，第四透镜的材质为重冕玻璃，所述第二透镜和第七透镜的材质为E48R材料。

7.根据权利要求1所述的一种紧凑型超广角鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述第二透镜和第七透镜均采用非球面面型。