CN110579865A - 一种高清晰度超广角平场物镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高清晰度超广角平场物镜，包括沿光轴从物体侧到像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜以及第七透镜，第二透镜与第三透镜之间设置一光阑，第一透镜、第二透镜和第七透镜为负光焦度透镜，第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜为正光焦度透镜，其中第六透镜与第七透镜组成具有正光焦度的胶合透镜。本物镜视角可达120°，具有足够高的分辨率和清晰度，且结构紧凑。

Description

一种高清晰度超广角平场物镜
技术领域
本发明涉及一种成像技术，特别涉及一种高清晰度超广角平场物镜。
背景技术
随着半导体技术的发展，CCD或CMOS图像传感器的尺寸越来越小，而像素数却越来越多。近年来，在高清晰度监视监测、智能交通、视频会议、机器人视觉、作战演练、近地面航空对地观察等应用领域，对成像物镜提出以下基本要求：
(1)高清晰度，在频域中，物镜对于低频、中频和高频的空间频率均具有较高的传递特性；在空域中，其分辨率达到或接近衍射极限(diffraction-limited)；
(2)小型化，物镜的成像面参数与CCD或CMOS图像传感器的尺寸高度匹配，外形尺寸足够小，物镜的重量足够轻。为了大批生产，物镜结构不能过于复杂，镜片的技术要求应符合大批生产的要求；
(3)平场，成像面(探测器面)中心、边缘和中间带具有相同或接近相同的成像质量或分辨率；
(4)广角(物方视场角≥90°)或超广角(物方视场角≥110°)。.
目前，许多广角镜头视角仅100°左右，并且分辨率不够高，特别是不符合平场物镜的像质指标，不能满足许多应用领域的要求。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出一种高清晰度超广角平场物镜，其视角可达120°，具有足够高的分辨率和清晰度，且结构紧凑。
本发明提出的一种高清晰度超广角平场物镜，沿光轴从物体侧到像侧的顺序依次包括：
具有负光焦度(光焦度定义为焦距的倒数)的第一透镜；具有负光焦度的第二透镜；光阑；具有正光焦度的第三透镜；具有正光焦度的第四透镜；具有正光焦度的第五透镜；具有正光焦度的第六透镜，具有负光焦度的第七透镜；其中第六透镜与第七透镜组成一个具有正光焦度的胶合透镜。光阑的透镜为“前组”，光阑后的透镜为“后组”，物镜焦距f′＝3.40±0.5mm。
其中，前组由两片透镜构成，光焦度均为负，使通过光阑中心的主光线的视场角得到两次放大，以获得超大视场的性能。所述物镜的水平视场角的设计值达到120°。
第一和第二片负光焦度透镜，均为弯月形，并朝向光阑弯曲，使得大视场光线在透镜表面的入射角不大，以减小大入射角引起的像差。
后组由四组五片透镜组成，其中最接近传感器的为一个双胶合透镜，负透镜材料为超高折射率、高色散的重火石玻璃，正透镜的材料为特种冕牌玻璃(H-ZPK5)，基本上校正了大视场的倍率色差，并具备半复消色差物镜的特性。
所述物镜为“平场物镜”，其佩茨瓦尔半径RPetz和焦距f′之比
RPetz/f′＞20。
佩茨瓦尔半径RPetz是表征场曲的参数，RPetz/f′越大表明像场越平，从视场中心到边缘的像质一致性越好。
全视场各点的像质均匀一致，全视场光线弥散斑的RMS半径均小于1.4μm，确保了探测器可以在像面上探测到更多的独立分辨单元。
物镜对于图像信息具备很强的传递能力，低频、中频和高频的空间频率具有较高的值，当最高空间频率设为200mm-1时，各视场、各波长色光在频率100mm-1处的MTF值一致高于0.60，确保物镜具备很高的etendue值(即空间带宽积)。
所述物镜后组设计，像方各视场的主光线接近平行，并近似垂直于探测器，探测器上各个像素的主光线入射角(AOC)较小，构成“近像方远心”系统，确保各像素对光功率的探测效率均匀一致，以及照度的均匀一致。
物镜结构紧凑，系统总长度(从第一物镜中心到探测器表面的距离)TOTR与焦距f′之比
TOTR/f′＜7。
附图说明
结合附图，根据实施例的以下描述，本发明的上述和/或其他方面的优点将变得显而易见且更容易理解，其中：
图1为实施例的高分辨率超广角物镜光学系统示意图；
图2为实施例的高分辨率超广角物镜的物面中心视场光线的弥散斑大小点列图；
图3、为实施例的高分辨率超广角物镜的物面50度视场光线的弥散斑大小点列图；
图4为实施例的高分辨率超广角物镜的物面60度视场光线的弥散斑大小点列图
图5为实施例的高分辨率超广角物镜的调制传递函数MTF，最高频率设为200mm-1；
图6为实施例的高分辨率超广角物镜的场曲图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，其实例在附图中得以说明，其中相同的参考数字在全文中指相同元件。
请参阅图1，本实施例的高分辨率超广角物镜包括沿光轴由物侧OBJ至像侧IMA依次设置的：具有负光焦度的第一透镜L1；具有负光焦度的第二透镜L2；光阑SSTO；具有正光焦度的第三透镜L3；具有正光焦度的第四透镜L4；具有正光焦度的第五透镜L5，具有正光焦度的第六透镜L6，具有负光焦度的第七透镜L7；其中第六透镜L6与第七透镜L7组成一个具有正光焦度的胶合透镜。光阑前的透镜L1、L2为“前组”，光阑后的透镜L3、L4、L5、L6、L7为“后组”，物镜焦距f′＝3.40mm。
物镜的前组由两片光焦度均为负的透镜构成，使通过光阑中心的主光线的视场角得到两次放大，以获得超大视场的性能，物镜的水平视场角的设计值达到120°。
第一和第二片负光焦度透镜L1、L2，均为弯月形透镜，并朝向光阑弯曲，使得大视场光线在透镜表面的入射角不大，以减小大入射角引起的像差。
物镜的后组由四组五片透镜组成，其中最接近传感器的为一个双胶合透镜，在这个双胶合透镜中，正透镜L6的材料为特种冕牌玻璃，负透镜L7材料为超高折射率、高色散的重火石玻璃，基本上校正了大视场的倍率色差，并具备半复消色差物镜的特性。
所述物镜为平场物镜，满足如下关系式：
RPetz/f′＞20
其中，RPetz为佩茨瓦尔半径，是表征场曲的参数，f′为物镜焦距，RPetz/f′越大表明像场越平，从视场中心到边缘的像质一致性越好。另外，参阅图6，所述物镜场曲小于0.02mm，像场接近平场。
所述物镜全视场各点的像质均匀一致，参阅图2、图3、图4，其全视场光线弥散斑的RMS半径均小于1.4μm，确保了探测器可以在像面上探测到更多的独立分辨单元。
物镜对于图像信息具备很强的传递能力，其特征在于低频、中频和高频的空间频率具有较高的值，参阅图5，当最高空间频率设为200mm-1时，各视场、各波长色光在频率100mm-1处的MTF值一致高于0.60，确保物镜具备很高的etendue值(即空间带宽积)。
所述物镜后组设计，像方各视场的主光线接近平行，并近似垂直于探测器，探测器上各个像素的主光线入射角(AOC)较小，构成“近像方远心”系统，确保各像素对光功率的探测效率均匀一致，以及照度的均匀一致。
物镜结构紧凑，系统总长度TOTR与焦距f′满足如下关系式：
TOTR/f′＜7
其中系统总长TOTR表示从第一物镜中心到探测器表面的距离。
在本实施例中，高分辨率超广角物镜的设计数据如下表1所示：
表1高分辨率超广角物镜的设计数据
表面 类型 曲率半径 厚度 折射率/阿贝数
物面 STANDARD 无限 无限
1 STANDARD 95.84 1.0 1.59/68.5
2 STANDARD 3.03 3.1
3 STANDARD 4.80 1.2 1.62/35.9
4 STANDARD 3.46 1.0
光阑 STANDARD 无限 1.0
6 STANDARD 22.56 2.5 1.67/51.7
7 STANDARD -7.81 0.4
8 STANDARD 171.23 2.0 1.59/68.5
9 STANDARD -8.39 0.1
10 STANDARD 44.46 1.7 1.59/68.5
11 STANDARD -12.11 0.1
12 STANDARD 70.93 2.6 1.59/68.5
13 STANDARD -4.82 1.1 1.92/20.8
14 STANDARD -20.00 4.9
像面 STANDARD 无限
此外，实施例所述高分辨率超广角物镜的有效焦距f′＝3.40mm；光圈F2.8；系统总长TOTR＝22.7mm；设计水平视场角2ω＝120°；弥散斑SPT0＝0.8μm，分辨率达到使用要求。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (9)

1.一种高清晰度超广角平场物镜，其特征在于，包括沿光轴从物体侧到像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜以及第七透镜，第二透镜与第三透镜之间设置一光阑，第一透镜、第二透镜和第七透镜为负光焦度透镜，第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜为正光焦度透镜，其中第六透镜与第七透镜组成具有正光焦度的胶合透镜。
2.如权利要求1所述的高清晰度超广角平场物镜，其特征在于，物镜焦距f′＝3.40±0.5mm。
3.如权利要求1所述的高清晰度超广角平场物镜，其特征在于，物镜的水平视场角最大为120°。
4.如权利要求1所述的高清晰度超广角平场物镜，其特征在于，物镜的佩茨瓦尔半径RPetz和焦距f′之比：RPetz/f′＞20。
5.如权利要求1所述的高清晰度超广角平场物镜，其特征在于，第一透镜和第二透镜均为弯月形透镜，并朝向光阑弯曲。
6.如权利要求1所述的高清晰度超广角平场物镜，其特征在于，第一透镜、第二透镜和第七透镜的材料采用重火石玻璃，第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的材料采用特种冕牌玻璃，该特种冕牌玻璃包括H-ZPK5型号玻璃。
7.如权利要求1所述的高清晰度超广角平场物镜，其特征在于，全视场光线弥散斑的RMS半径均小于1.4μm。
8.如权利要求1所述的高清晰度超广角平场物镜，其特征在于，当最高空间频率设为200mm-1时，各视场、各波长色光在频率100mm-1处的MTF值一致高于0.60。
9.如权利要求1所述的高清晰度超广角平场物镜，其特征在于，像侧设置探测器，从第一物镜中心到探测器表面的距离TOTR与焦距f′之比：TOTR/f′＜7。
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