CN110471165A - 一种消畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，包括沿光线入射方向自前向后设置的前透镜组、光阑、后透镜组和像面，所述前透镜组包括自前向后设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述后透镜组包括自前向后设置的第五透镜、第六透镜和第七透镜；所述第一透镜、第二透镜和第六透镜均为光焦度为负的弯月形球面透镜，所述第三透镜为光焦度为正的弯月形非球面厚透镜，所述第四透镜为光焦度为正的弯月形球面透镜，第五透镜为光焦度为正的双凸球面透镜，所述第七透镜为光焦度为正的双凸非球面透镜。本发明光学系统长度仅9.2mm，结构紧凑简单，消除超大视场鱼眼镜头光学系统的畸变像差，有利于获得图像失真小的成像效果。
Description
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消畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统。
背景技术
鱼眼镜头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。鱼眼镜头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。随着人们对全景成像图像性能需求的提升，除了实现高清晰成像外，要求全画幅图像实现低畸变，以适应后续电子学图像校正算法获得更佳视觉体验效果的低失真图像。但现有鱼眼镜头光学系统存在畸变大的缺陷，为获得更优的成像图形，有必要将鱼眼镜头光学系统的畸变进行控制并且消除。
发明内容
本发明提供一种消畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，透镜数量少，结构紧凑，消除超大视场鱼眼镜头光学系统的畸变像差。
本发明解决其技术问题的解决方案是：
一种消畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，包括沿光线入射方向自前向后设置的前透镜组、光阑、后透镜组和像面，所述前透镜组包括自前向后设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述后透镜组包括自前向后设置的第五透镜、第六透镜和第七透镜；
所述第一透镜、第二透镜和第六透镜均为光焦度为负的弯月形球面透镜，所述第三透镜为光焦度为正的弯月形非球面厚透镜，所述第四透镜为光焦度为正的弯月形球面透镜，第五透镜为光焦度为正的双凸球面透镜，所述第七透镜为光焦度为正的双凸非球面透镜；所述第五透镜和第六透镜组成双胶合透镜。
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的比值满足：
作为上述技术方案的进一步改进，所述第四透镜靠近光阑的光学面为第一光学面，所述第五透镜靠近光阑的光学面为第二光学面，所述光学系统轴上视场的边缘光线在第一光学面上的高度为h1，所述光学系统轴上视场的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≤1.08。
作为上述技术方案的进一步改进，所述光学系统的光焦度为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的光焦度为所述第五透镜和第六透镜的组合光焦度为所述第七透镜的光焦度为其中和满足：
作为上述技术方案的进一步改进，所述光阑与第四透镜的中心的距离为L1，所述光阑与第五透镜的中心的距离为L2，其中L1和L2的比值满足：
0.95≤L1/L2≤1.05。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜和第二透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第四透镜和第六透镜的材质为重火石玻璃，所述五透镜的材质为重冕玻璃，所述第三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，所述第七透镜和像面之间设有滤光片。
本发明的有益效果是：本发明光学系统长度仅9.2mm，结构紧凑简单，消除超大视场鱼眼镜头光学系统的畸变像差，有利于获得图像失真小的成像效果。
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是实施例光学系统的光学传递函数曲线；
图3是实施例光学系统在全视场的畸变分布曲线。
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1，一种消畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，包括沿光线入射方向自前向后设置的前透镜组120、光阑900、后透镜组130和像面800，所述前透镜组120包括自前向后设置的第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300和第四透镜400，所述后透镜组130包括自前向后设置的第五透镜500、第六透镜600和第七透镜700；
所述第一透镜100、第二透镜200和第六透镜600均为光焦度为负的弯月形球面透镜，所述第三透镜300为光焦度为正的弯月形非球面厚透镜，所述第四透镜400为光焦度为正的弯月形球面透镜，第五透镜500为光焦度为正的双凸球面透镜，所述第七透镜700为光焦度为正的双凸非球面透镜；所述第五透镜500和第六透镜600组成双胶合透镜。
所述光阑900为孔径光阑。
所述第三透镜300和第七透镜700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。
作为优选的实施方式，所述光学系统的光焦度为所述第一透镜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的光焦度为所述第五透镜500和第六透镜600的组合光焦度为所述第七透镜700的光焦度为其中和满足：
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205°以上，由于畸变像差与视场的三次方成正比，要消除鱼眼镜头光学系统的畸变难度非常大。当光学系统长度缩短时，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。本发明通过光焦度的合理分配及光学材料的优化选择，对各种像差进行了较完善的校正，在缩短光学系统尺寸的同时获得高成像质量。
本发明重点考虑了在保证高像质以及轻小型化设计的前提下进行了消畸变设计，完成了相应的创新性设计。通过前透镜组120第一透镜100和第二透镜200这两个光焦度为负的透镜将边缘视场的主光线进行压缩，降低主光线出射的角度；采用第三透镜300进一步降低各视场光线的出射高度，减少视场像差特别是畸变像差；将第三透镜300弯曲形状背向光阑900的方式产生较大的单色视场像差高级量以平衡光学系统超大视场下的像散、场曲及畸变像差；由于第三透镜300的光焦度近乎于零，几乎不产生轴向色差和垂轴色差，有利于鱼眼镜头光学系统的色差校正和平衡，从而不影响采用厚透镜第三透镜300校正畸变像差；为进一步消除畸变，将第三透镜300和第七透镜700设置为非球面面型。通过以上各种方法，有效消除了超大视场鱼眼镜头光学系统的畸变像差，获得了较好的低失真成像图像。
本发明仅采用两片塑料非球面透镜，透镜数量少，成像像质优异，结构紧凑，且全画幅的畸变不超过±5％，有益于提升全景相机光学系统的应用水平。
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的比值满足：
作为优选的实施方式，所述第四透镜400靠近光阑900的光学面为第一光学面，所述第五透镜500靠近光阑900的光学面为第二光学面，所述光学系统轴上视场的边缘光线在第一光学面上的高度为h1，所述光学系统轴上视场的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≤1.08。
作为优选的实施方式，所述光阑900与第四透镜400的中心的距离为L1，所述光阑900与第五透镜500的中心的距离为L2，其中L1和L2的比值满足：
0.95≤L1/L2≤1.05。
作为优选的实施方式，所述第一透镜100和第二透镜200的材质为重镧火石玻璃，所述第四透镜400和第六透镜600的材质为重火石玻璃，所述五透镜的材质为重冕玻璃，所述第三透镜300和第七透镜700的材质为E48R材料。
本发明透镜数量少，仅第三透镜300和第七透镜700采用塑料非球面透镜，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和像面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。本实施例中，光谱范围选择436nm～656nm。
本实施例光学系统，具体参数为：
焦距0.93mm；相对孔径D/f为1/2.1；视场角为205°；光学系统总长9.2mm，后工作距离(第七透镜700到像面800的距离)为1.80mm。
在本发明实施例中，如图2所示，在300lp/mm时全视场平均传递函数值达到0.35，保证了在高分辨率解析像质。如图3所示，全视场的畸变不超过±5％，减少边缘图像的信息压缩，有利于采用后续校正算法实现低失真的图像效果，尤其提高了边缘图像成像质量。
本发明主要解决现有技术中鱼眼镜头光学系统在小型化、高分辨率成像时消除畸变的技术难题，本发明光学系统具有结构紧凑以及图像失真小等特点，适用于安防监控的高分辨率全景成像相机。
本发明光学系统长度仅9.2mm，同等指标下尺寸大幅缩短，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0.35@300lp/mm，实现了优异的成像质量；全视场畸变不超过±5％，实现了基本消除了超大视场鱼眼镜头光学系统的畸变像差，有利于获得图像失真小的成像效果；采用塑料非球面透镜，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。
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 (8)
1.一种消畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，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设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述后透镜组包括自前向后设置的第五透镜、第六透镜和第七透镜；
所述第一透镜、第二透镜和第六透镜均为光焦度为负的弯月形球面透镜，所述第三透镜为光焦度为正的弯月形非球面厚透镜，所述第四透镜为光焦度为正的弯月形球面透镜，第五透镜为光焦度为正的双凸球面透镜，所述第七透镜为光焦度为正的双凸非球面透镜；所述第五透镜和第六透镜组成双胶合透镜。
2.根据权利要求1所述的一种消畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述前透镜组的光焦度为所述光学系统的光焦度为其中的比值满足：
3.根据权利要求1所述的一种消畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述后透镜组的光焦度为所述光学系统的光焦度为其中的比值满足：
4.根据权利要求1所述的一种消畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述第四透镜靠近光阑的光学面为第一光学面，所述第五透镜靠近光阑的光学面为第二光学面，所述光学系统轴上视场的边缘光线在第一光学面上的高度为h1，所述光学系统轴上视场的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≤1.08。
5.根据权利要求1所述的一种消畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述光学系统的光焦度为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的光焦度为所述第五透镜和第六透镜的组合光焦度为所述第七透镜的光焦度为其中 和满足：
6.根据权利要求1所述的一种消畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述光阑与第四透镜的中心的距离为L1，所述光阑与第五透镜的中心的距离为L2，其中L1和L2的比值满足：
0.95≤L1/L2≤1.05。
7.根据权利要求1所述的一种消畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述第一透镜和第二透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第四透镜和第六透镜的材质为重火石玻璃，所述五透镜的材质为重冕玻璃，所述第三透镜和第七透镜的材质为E48R材料。
8.根据权利要求1所述的一种消畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述第七透镜和像面之间设有滤光片。
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