CN110632744B - 广角成像镜头 - Google Patents
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Abstract
一种广角成像镜头，从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，第一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；具有负光焦度的第二透镜，第二透镜的像侧面为凹面；具有正光焦度的第三透镜；光阑；具有正光焦度的第四透镜，第四透镜的物侧面为凸面；具有正光焦度的第五透镜，第五透镜的物侧面和像侧面均为凸面；具有负光焦度的第六透镜，第六透镜的物侧面和像侧面均为凹面，且第五透镜和第六透镜组成粘合体；具有正光焦度的第七透镜，第七透镜的物侧面和像侧面均为凸面；及滤光片，设于第七透镜与成像面之间；本发明提供的广角成像镜头通过七片玻璃球面与非球面镜片的合理搭配以及光焦度的合理组合，实现在大广角的全部视场内都有清晰的解像力。
Description
技术领域
本发明涉及一种透镜成像系统，特别涉及一种广角成像镜头。
背景技术
目前，随着便携式电子设备(如智能手机、相机)的普及，加上社交、视频、直播类软件的流行，人们对于摄影的喜爱程度越来越高，摄像镜头已经成为了电子设备的标配。
对于极限运动、视频监控以及车载镜头的应用，需要一款高像素、大视场角、性能稳定、成像能力强的镜头，以满足在恶劣环境下，如高低温、长时间暴晒、剧烈震动等情况下，都能有稳定的成像能力，并且要求在大广角内全部视场都能有清晰的解像力。现有的镜头在恶劣环境下无法保持稳定的成像能力，无法达到理想的像素。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种广角成像镜头，适用于运动相机上，以在恶劣环境中提供更稳定的成像能力。
本发明提供一种广角成像镜头，从物侧到成像面依次包括：
具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；
具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜的像侧面为凹面；
具有正光焦度的第三透镜；
光阑；
具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面为凸面；
具有正光焦度的第五透镜，所述第五透镜的物侧面和像侧面均为凸面；
具有负光焦度的第六透镜，所述第六透镜的物侧面和像侧面均为凹面，且所述第五透镜和所述第六透镜组成粘合体；
具有正光焦度的第七透镜，所述第七透镜的物侧面和像侧面均为凸面；
及滤光片，设于所述第七透镜与成像面之间；
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、所述第六透镜和所述第七透镜均为玻璃透镜。
进一步地，所述广角成像镜头满足条件式：
0＜IH2/θ＜0.5；
其中，θ表示所述广角成像镜头的半视场角，IH表示在半视场角θ时所述广角成像镜头的像高。
进一步地，所述广角成像镜头满足条件式：
|1/(fL2+fL3)|>0.5；
其中，fL2表示所述第二透镜的焦距，fL3表示所述第三透镜的焦距。
进一步地，所述广角成像镜头满足条件式：
-5×106＜fL5/(dn/dT)5+fL7/(dn/dT)7＜0；
其中，fL5表示所述第五透镜的焦距，fL7表示所述第七透镜的焦距，(dn/dT)5表示所述第五透镜的折射率温度系数，(dn/dT)7表示所述第七透镜的折射率温度系数。
进一步地，所述广角成像镜头满足条件式：
-0.5＜r11/f11+r12/f12＜0；
其中，f11表示所述第六透镜像侧面的焦距，f12表示所述第七透镜物侧面的焦距，r11表示所述第六透镜像侧面的曲率半径，r12表示所述第七透镜物侧面的曲率半径。
进一步地，所述广角成像镜头满足条件式：
D/EFL＞2.9；
其中，D表示所述广角成像镜头的最大像圆，EFL表示所述广角成像镜头的有效焦距。
进一步地，所述广角成像镜头满足条件式：
3＜Ф/r1＜10；
其中，Ф表示所述第一透镜物侧面最大像高处的主光线入射角度，r1表示所述第一透镜物侧面的曲率半经。
进一步地，所述第二透镜、所述第三透镜和所述第七透镜均为玻璃非球面透镜。
进一步地，所述第二透镜的物侧面为凹面，所述第三透镜的物侧面为凸面，所述第三透镜的像侧面为凹面，所述第四透镜的像侧面为凸面。
进一步地，所述第二透镜的物侧面为凸面，所述第三透镜的物侧面为凸面，所述第三透镜的像侧面为凸面，所述第四透镜的像侧面为凹面。
进一步地，所述第二透镜的物侧面为凸面，所述第三透镜的物侧面为凹面，所述第三透镜的像侧面为凸面，所述第四透镜的像侧面为凸面。
相较现有技术，本发明中的第二透镜为玻璃非球面透镜，主要用于矫正畸变，一般广角镜头的f-θ畸变为负值，而本发明提供的广角镜头的f-θ畸变在边缘视场大于+5％，可以使边缘视场包含更多的像素数，提高边缘解像，在拍摄的图像展开后边缘视场的图像更清晰。
第二透镜、第三透镜分别为具有负光焦度和正光焦度的薄透镜，可以有效矫正场曲；第四透镜用于像差的矫正；第五正透镜和第六负透镜组成的粘合体中的正、负透镜阿贝数Vd差值大于30，可以有效矫正色差；第七透镜起到消除像差和控制主光线的出射角度的作用。
第五透镜和第七透镜均具有正光焦度且使用折射率温度系数为负的玻璃材料，可以使整个广角成像镜头在高温时有效焦距变大、低温时有效焦距变短，有效的补偿了机械结构(如镜筒、镜座等)的热膨胀，保证镜头高低温的稳定性，确保镜头在-40℃～85℃的温差范围内都有良好的成像能力。同时各个透镜均为玻璃镜片可以使得所述广角成像镜头具有较好的热稳定性能以及机械强度，有利于在极端环境下工作。
附图说明
图1为本发明第一实施例中广角成像镜头的结构示意图；
图2为本发明第一实施例中广角成像镜头的场曲图；
图3为本发明第一实施例中广角成像镜头的f-θ畸变图；
图4为本发明第一实施例中广角成像镜头的轴向色差图；
图5为本发明第一实施例中广角成像镜头的垂轴色差图；
图6为本发明第二实施例中广角成像镜头的结构示意图；
图7为本发明第二实施例中广角成像镜头的场曲图；
图8为本发明第二实施例中广角成像镜头的f-θ畸变图；
图9为本发明第二实施例中广角成像镜头的轴向色差图；
图10为本发明第二实施例中广角成像镜头的垂轴色差图；
图11为本发明第三实施例中广角成像镜头的结构示意图；
图12为本发明第三实施例中广角成像镜头的场曲图；
图13为本发明第三实施例中广角成像镜头的f-θ畸变图；
图14为本发明第三实施例中广角成像镜头的轴向色差图；
图15为本发明第三实施例中广角成像镜头的垂轴色差图。
主要元件符号说明：
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。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供一种广角成像镜头，从物侧到成像面依次包括：
具有负光焦度的第一透镜，第一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；
具有负光焦度的第二透镜，第二透镜的像侧面为凹面；
具有正光焦度的第三透镜；
光阑；
具有正光焦度的第四透镜，第四透镜的物侧面为凸面；
具有正光焦度的第五透镜，第五透镜的物侧面和像侧面均为凸面；
具有负光焦度的第六透镜，第六透镜的物侧面和像侧面均为凹面，且第五透镜和第六透镜组成粘合体；
具有正光焦度的第七透镜，第七透镜的物侧面和像侧面均为凸面；
及滤光片，设于第七透镜与成像面之间；
其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜均为玻璃透镜。所有透镜均为玻璃透镜，可以使镜头有良好的稳定性，在恶劣条件下，如高低温、长时间暴晒、剧烈碰撞时，能保证镜头解像力不会有大的变化。
在一些实施方式中，为了控制镜头的f-θ畸变达到大于+5％，更好地增加边缘视场像素点个数，提高边缘解像力，所述广角成像镜头满足条件式：
0＜IH2/θ＜0.5；
其中，θ表示广角成像镜头的半视场角，IH表示在半视场角θ时广角成像镜头的像高。
在一些实施方式中，为了有效矫正镜头的场曲，所述广角成像镜头满足条件式：
|1/(fL2+fL3)|>0.5；
其中，fL2表示第二透镜的焦距，fL3表示第三透镜的焦距。
在一些实施方式中，所述广角成像镜头满足条件式：
-5×106＜fL5/(dn/dT)5+fL7/(dn/dT)7＜0；
其中，fL5表示第五透镜的焦距，fL7表示第七透镜的焦距，(dn/dT)5表示第五透镜的折射率温度系数，(dn/dT)7表示第七透镜的折射率温度系数。
在镜头设计方面，一个比较大的挑战是在大温度跨度范围内实现消热差，即要保证在不同温度时镜头的成像面位置基本不变。由于多数光学玻璃的折射率温度系数dn/dT为正，即光学玻璃的折射率随温度变化增大，导致正常情况下温度升高时系统的光学后焦会变短，而由于镜筒镜座的膨胀，机械后焦会随温度升高而变长，从而导致焦点漂移在高低温情况下非常严重，成像质量急剧下降。通过多次设计测试发现，在光学镜头的温差补偿方面，如果采用dn/dT为负的玻璃材料，尤其是镜头里具有正光焦度的透镜，可以有效实现光学后焦和机械后焦变化的补偿。因此在本发明实施例中，满足上述条件，将具有正光焦度的第五透镜和具有正光焦度的第七透镜选用折射率温度系数dn/dT为负的玻璃材料，可以使整个广角成像镜头在高温时有效焦距变大、低温时有效焦距变短，有效的补偿了机械结构(如镜筒、镜座等)的热膨胀，保证镜头高低温的稳定性，确保镜头在-40℃～85℃的温差范围内都有良好的成像能力。
在一些实施方式中，所述广角成像镜头满足条件式：
-0.5＜r11/f11+r12/f12＜0；
其中，f11表示第六透镜像侧面的焦距，f12表示第七透镜物侧面的焦距，r11表示第六透镜像侧面的曲率半径，r12表示第七透镜物侧面的曲率半径。
满足上述条件，可以避免光线在第六透镜像侧面和第七透镜物侧面之间的二次反射的光线聚焦在成像面上形成明显的鬼影，避免拍摄出的图像受到鬼影的干扰，提高图像的成像质量。
在一些实施方式中，所述广角成像镜头满足条件式：
D/EFL＞2.9；
其中，D表示广角成像镜头的最大像圆，EFL表示广角成像镜头的有效焦距。
满足上述条件，能够保证广角成像镜头系统具有足够大的成像范围，有效增加镜头的像素数目，从而满足1200万高像素的成像要求，有效提高拍摄时的成像质量。
在一些实施方式中，所述广角成像镜头满足条件式：
3＜Ф/r1＜10；
其中，Ф表示第一透镜物侧面最大像高处的主光线入射角度，r1表示第一透镜物侧面的曲率半经。
满足上述条件，可以保证在第一透镜可加工的前提下，有效提高边缘相对照度。若Ф/r1的值超过下限时，则边缘相对照度会有明显下降，导致拍摄的图像边缘出现阴影现象，若Ф/r1的值超过上限时，则会导致第一透镜加工困难。
在一些实施方式中，第二透镜的物侧面为凹面，第三透镜的物侧面为凸面，第三透镜的像侧面为凹面，第四透镜的像侧面为凸面。
在一些实施方式中，第二透镜的物侧面为凸面，第三透镜的物侧面为凸面，第三透镜的像侧面为凸面，第四透镜的像侧面为凹面。
在一些实施方式中，第二透镜的物侧面为凸面，第三透镜的物侧面为凹面，第三透镜的像侧面为凸面，第四透镜的像侧面为凸面。
在一些实施方式中，第二透镜、第三透镜、和第七透镜均为非球面透镜。使用非球面透镜可以有效矫正球差、慧差、畸变等像差，同时可以减少镜片数量，减小镜头体积和重量。
在一些实施方式中，第五透镜和第六透镜组成粘合体。胶合透镜能够更好的消除球差、色差等像差。
满足上述配置有利于保证所述广角成像镜头具有高像素、大广角，同时f-θ畸变达到大于+5％，使得镜头在边缘视场拥有更多像素，从而提高了所述广角成像镜头边缘的解像能力，使此广角成像镜头在像素达到1200万的同时，拥有良好的成像能力。
本发明各个实施例中非球面镜头的表面形状均满足下列方程：
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，广角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广角成像镜头100，从物侧到成像面依次包括：第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、光阑ST、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，其物侧面S1为凸面、像侧面S2为凹面，第一透镜L1是玻璃球面透镜。
第二透镜L2具有负光焦度，其物侧面S3和S4均为凹面，第二透镜L2是玻璃非球面透镜。
第三透镜L3具有正光焦度，其物侧面S5为凸面、像侧面S6为凹面，第三透镜L3是玻璃非球面透镜。
第四透镜L4具有正光焦度，其物侧面S7和像侧面S8均为凸面，第四透镜L4是玻璃球面透镜。在本发明的其它实施例中，第四透镜L4还可以是玻璃非球面透镜。
第五透镜L5具有正光焦度，其物侧面S9和像侧面均为凸面，第五透镜L5是玻璃球面透镜。
第六透镜L6具有负光焦度，其物侧面和像侧面S11均为凹面，且第五透镜L5和第六透镜L6组成粘合体并且均为玻璃球面透镜。具体地，第五透镜L5的像侧面和第六透镜L6的物侧面粘合于一体，也即第五透镜L5的像侧面和第六透镜L6的物侧面无缝粘合，其粘合面为S10。
第七透镜L7具有正光焦度，其物侧面S12和像侧面S13均为凸面，第七透镜L7是玻璃非球面透镜。
光阑ST设于第三透镜L3与第四透镜L4之间，滤光片G1设于第七透镜L7与成像面S16之间。
本发明第一实施例中提供的广角成像镜头100中各个镜片的相关参数如表1-1所示。
表1-1
本实施例的各透镜非球面的参数如表1-2所示。
表1-2
在本实施例中，其场曲、f-θ畸变、轴向色差和垂轴色差分别如图2、图3、图4和图5所示。由图2可以看出，本实施例提供的广角成像镜头100的场曲均不超过0.09mm，且同一波长的子午方向和弧矢方向的场曲差值均不超过0.05mm，说明场曲得到了很好的矫正。由图3可以看出，本实施例提供的广角成像镜头100的f-θ畸变在边缘视场大于+5％，说明在边缘视场包含更多的像素数，在拍摄的图像展开后边缘视场的图像更清晰，从而保证镜头在全部视场内都能有清晰的解像力。由图4可以看出，本实施例提供的广角成像镜头100的轴向色差在孔径为0～1的范围内均在±0.03mm以内；由图5可以看出，本实施例提供的广角成像镜头100的垂轴色差在全视场范围内均小于6um，且各波长之间的差值很小，说明该镜头的色差得到了很好的矫正。
第二实施例
请参阅图6，所示为本实施例提供的一种广角成像镜头200的结构图。本实施例当中的广角成像镜头200与第一实施例当中的广角成像镜头100大抵相同，不同之处在于，本实施例当中的广角成像镜头200的第二透镜L2的物侧面S3为凸面，第三透镜L3的像侧面S6为凸面，第四透镜L4为非球面透镜且像侧面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2-1所示。
表2-1
| 表面序号 | 表面类型 | 曲率半径 | 厚度 | 折射率 | 阿贝数 |
| 物面 | 无穷 | 无穷 | |||
| S1 | 球面 | 10.176458 | 1.208244 | 1.835 | 42.73 |
| S2 | 球面 | 2.698737 | 2.001130 | ||
| S3 | 非球面 | 7.286530 | 0.631545 | 1.583 | 59.46 |
| S4 | 非球面 | 2.476671 | 1.743058 | ||
| S5 | 非球面 | 28.654618 | 1.999785 | 1.851 | 40.10 |
| S6 | 非球面 | -4.982961 | 0.331126 | ||
| ST | 光阑 | 无穷 | 0.189976 | ||
| S7 | 非球面 | 46.659348 | 1.298463 | 1.497 | 81.52 |
| S8 | 非球面 | -372.496339 | 0.109994 | ||
| S9 | 球面 | 6.000544 | 3.134590 | 1.593 | 68.53 |
| S10 | 球面 | -2.227934 | 0.469998 | 1.699 | 30.05 |
| S11 | 球面 | 8.426485 | 0.329835 | ||
| S12 | 非球面 | 5.599644 | 2.453843 | 1.497 | 81.52 |
| S13 | 非球面 | -5.446331 | 0.953293 | ||
| S14 | 球面 | 无穷 | 0.500000 | 1.517 | 64.21 |
| S15 | 球面 | 无穷 | 1.996704 | ||
| S16 | 像面 | 无穷 | —— |
本实施例的各透镜非球面的参数如表2-2所示。
表2-2
在本实施例中，其场曲、f-θ畸变、轴向色差和垂轴色差分别如图7、图8、图9和图10所示。由图7至图10可以看出，本实施例中场曲、f-θ畸变、色差都能被很好的校正。
第三实施例
请参阅图11，所示为本实施例提供的一种广角成像镜头300的结构图。本实施例当中的广角成像镜头300与第一实施例当中的广角成像镜头100大抵相同，不同之处在于，本实施例当中的广角成像镜头300的第二透镜L2的物侧面S3为凸面，第三透镜L3的物侧面S5为凹面、像侧面S6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3-1所示。
表3-1
本实施例的非球面透镜的非球面参数如表3-2所示。
表3-2
在本实施例中，其场曲、f-θ畸变、轴向色差和垂轴色差分别如图12、图13、图14和图15所示。由图12至图15可以看出，本实施例中场曲、f-θ畸变、色差都能被很好的校正。
表4是上述3个实施例及其对应的光学特性，包括系统焦距f、光圈数F#、半视场角θ和光学总长TTL，以及与前面每个条件式对应的数值。
表4
综合上述实施例，均达到了以下的光学指标：(1)视场角：2θ＞155°；(2)光学总长：TTL＜19.5mm。根据该光学指标可知，该镜头具有大广角性能，且其总长度较小。
本发明提供的广角成像镜头中，第一透镜L1、第二透镜L2用于光线收集，减小入射光线的入射角，有利于减小镜头体积和便于成像系统后续对像差的矫正；第二透镜L2为玻璃非球面透镜，用于矫正畸变，并且和第三透镜L3配合用于消除场曲；第四透镜L4用于像差的矫正；第五透镜L5和第六透镜L6组成的粘合体正负透镜阿贝数Vd差值大于30，可以有效矫正色差；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。各个透镜均为玻璃镜片可以使得本发明的广角成像镜头具有较好的热稳定性能以及机械强度，有利于在极端环境下工作。
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 (9)
1.一种广角成像镜头，其特征在于，从物侧到成像面依次包括：
具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；
具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜的像侧面为凹面；
具有正光焦度的第三透镜；
光阑；
具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面为凸面；
具有正光焦度的第五透镜，所述第五透镜的物侧面和像侧面均为凸面；
具有负光焦度的第六透镜，所述第六透镜的物侧面和像侧面均为凹面，且所述第五透镜和所述第六透镜组成粘合体；
具有正光焦度的第七透镜，所述第七透镜的物侧面和像侧面均为凸面；
及滤光片，设于所述第七透镜与成像面之间；
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、所述第六透镜和所述第七透镜均为玻璃透镜；
所述广角成像镜头满足条件式：
-5×106℃*mm＜fL5/(dn/dT)5+fL7/(dn/dT)7＜0℃*mm；
|1/(fL2+fL3)|>0.5mm-1；
其中，fL5表示所述第五透镜的焦距，fL7表示所述第七透镜的焦距，(dn/dT)5表示所述第五透镜的折射率温度系数，(dn/dT)7表示所述第七透镜的折射率温度系数，fL2表示所述第二透镜的焦距，fL3表示所述第三透镜的焦距。
2.根据权利要求1所述的广角成像镜头，其特征在于，所述广角成像镜头满足条件式：
0mm2/°＜IH2/θ＜0.5mm2/°；
其中，θ表示所述广角成像镜头的半视场角，IH表示在半视场角θ时所述广角成像镜头的像高。
3.根据权利要求1所述的广角成像镜头，其特征在于，所述广角成像镜头满足条件式：
-0.5＜r11/f11+r12/f12＜0；
其中，f11表示所述第六透镜像侧面的焦距，f12表示所述第七透镜物侧面的焦距，r11表示所述第六透镜像侧面的曲率半径，r12表示所述第七透镜物侧面的曲率半径。
4.根据权利要求1所述的广角成像镜头，其特征在于，所述广角成像镜头满足条件式：
D/EFL＞2.9；
其中，D表示所述广角成像镜头的最大像圆，EFL表示所述广角成像镜头的有效焦距。
5.根据权利要求1所述的广角成像镜头，其特征在于，所述广角成像镜头满足条件式：
3°/mm＜Ф/r1＜10°/mm；
其中，Ф表示所述第一透镜的物侧面最大像高处的主光线入射角度，r1表示所述第一透镜的物侧面的曲率半经。
6.根据权利要求1所述的广角成像镜头，其特征在于，所述第二透镜、所述第三透镜和所述第七透镜均为非球面透镜。
7.根据权利要求1所述的广角成像镜头，其特征在于，所述第二透镜的物侧面为凹面，所述第三透镜的物侧面为凸面，所述第三透镜的像侧面为凹面，所述第四透镜的像侧面为凸面。
8.根据权利要求1所述的广角成像镜头，其特征在于，所述第二透镜的物侧面为凸面，所述第三透镜的物侧面为凸面，所述第三透镜的像侧面为凸面，所述第四透镜的像侧面为凹面。
9.根据权利要求1所述的广角成像镜头，其特征在于，所述第二透镜的物侧面为凸面，所述第三透镜的物侧面为凹面，所述第三透镜的像侧面为凸面，所述第四透镜的像侧面为凸面。
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