CN110646919A - 鱼眼镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鱼眼镜头，从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜为凹面朝向成像面的弯月型球面镜片；具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜为凹面朝向物侧面的弯月型非球面镜片；具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜为双凸型球面镜片；具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜为双凸型球面镜片；具有负光焦度的第五透镜，所述第五透镜为凹面朝向物侧面的弯月型球面镜片；具有正光焦度的第六透镜，所述第六透镜为凹面朝向成像面的弯月型非球面镜片或双凸型非球面镜片；其中，所述第四透镜与所述第五透镜组成胶合镜片。该鱼眼镜头具有总长短、像面大、大广角、日夜共焦性好和成像质量好的优点。

Description

鱼眼镜头

技术领域

本发明涉及光学镜头技术领域，特别是涉及一种鱼眼镜头。

背景技术

鱼眼镜头是一种前镜片外径很大、焦距极短且视场角高达170°以上的广角镜头，由于具有超大的视场角优势，鱼眼镜头一般被广泛的应用于安防监控、全景相机、运动相机和车载等摄像领域。

目前，随着光学技术的不断发展，鱼眼镜头的结构形式在不断的改进，性能也在不断提高。应用在监控领域中的鱼眼镜头，通常要求在可见光和红外光条件下成像质量均良好，即使在夜晚低照度下也能实现清晰明亮的监控画面，然而现有的鱼眼镜头大多不具备日夜共焦功能，无法满足日夜监控功能，而且镜头成像质量不佳，无法满足消费者日益增长的需求。

发明内容

为此，本发明的目的在于提出一种鱼眼镜头，至少具有成像质量好和日夜共焦性好的优点。

一种鱼眼镜头，从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜为凹面朝向所述成像面的弯月型球面镜片；具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜为凹面朝向物侧面的弯月型非球面镜片；具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜为双凸型球面镜片；具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜为双凸型球面镜片；具有负光焦度的第五透镜，所述第五透镜为凹面朝向物侧面的弯月型球面镜片；具有正光焦度的第六透镜，所述第六透镜为凹面朝向成像面的弯月型非球面镜片或双凸型非球面镜片；所述第四透镜与所述第五透镜通过光学胶粘合。

进一步地，所述鱼眼镜头满足关系式：

0.6<|f₄/f₅<|1.2；

25＜|V₄-V₅|＜45；

其中，f₄表示所述第四透镜的焦距，f₅表示所述第五透镜的焦距；V₄表示所述第四透镜的阿贝数，V₅表示所述第五透镜的阿贝数。

进一步地，所述鱼眼镜头满足关系式：

n₁>1.85；

其中，n₁表示所述第一透镜的折射率。

进一步地，所述鱼眼镜头满足关系式：

0.4<AT/GT<0.7；

其中，AT为第一透镜到第六透镜在光轴上的空气间隙总和，GT为第一透镜到第六透镜在该光轴上的六个透镜厚度总和。

进一步地，所述鱼眼镜头满足关系式：

3<T_L/(f*θ)<4；

其中，T_L表示所述鱼眼镜头的光学总长，f表示所述鱼眼镜头的焦距，θ表示所述鱼眼镜头的半视场角。

进一步地，所述鱼眼镜头还包括：光阑，所述光阑设置于所述第三透镜与所述第四透镜之间。

进一步地，所述第一透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜均由玻璃材料构成，所述第二透镜、所述第六透镜均由塑料材料构成。

进一步地，所述第四透镜像侧面与第五透镜物侧面相互胶合，使得鱼眼镜头的加工精度要求低，便于组装，有效的减少公差损失，可以保证高品质解像力。

进一步地，所述鱼眼镜头可在405nm～850nm波段清晰成像。

进一步地，所述鱼眼镜头的光学总长T_L≤12.2mm。

进一步地，所述第二透镜和所述第六透镜的非球面表面形状满足关系式：

其中，z为曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，h为光轴到曲面的距离，c为曲面顶点的曲率，k为圆锥系数，a₄、a₆、a₈、a₁₀、a₁₂分别表示四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶径向坐标所对应的曲面系数。

本发明提供的鱼眼镜头适用于日夜监控的智能家居镜头，通过对各个透镜的合理搭配，能够实现日夜共焦效果，传统镜头设计波长为435nm～656nm(可见光)波段，没有红外光要求，所以红外解像力会很差，而本发明提供的鱼眼镜头可在405nm～850nm波段清晰成像，可见光和红外光条件下成像质量均良好，即使在夜晚低照度下也能实现清晰明亮的监控画面，该鱼眼镜头还具有总长短、像面大、大广角、日夜共焦性好和成像质量好的优点。此外，本发明通过合理使用玻璃和塑料组合能够实现F2.2的大孔径，完全适用于目前主流的高清芯片。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明第一实施例中鱼眼镜头的结构示意图；

图2为本发明第一实施例中鱼眼镜头的场曲曲线图；

图3为本发明第一实施例中鱼眼镜头的F-Theta畸变曲线图；

图4为本发明第一实施例中鱼眼镜头的轴上点球差色差示意图；

图5为本发明第二实施例中鱼眼镜头的结构示意图；

图6为本发明第二实施例中鱼眼镜头的场曲曲线图；

图7为本发明第二实施例中鱼眼镜头的F-Theta畸变曲线图；

图8为本发明第二实施例中鱼眼镜头的轴上点球差色差示意图；

图9为本发明第三实施例中鱼眼镜头的结构示意图；

图10为本发明第三实施例中鱼眼镜头的场曲曲线图；

图11为本发明第三实施例中鱼眼镜头的F-Theta畸变曲线图；

图12为本发明第三实施例中鱼眼镜头的轴上点球差色差示意图。

附图标号说明：

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。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。

本发明各实施例提供的鱼眼镜头适用于安防监控镜头，完全适用于目前主流的高清芯片，可见光和红外光条件下成像质量均良好，即使在夜晚低照度下也能实现清晰明亮的监控画面。

实施例1

请参阅图1，示出了本发明第一实施例提供的一种鱼眼镜头100，该鱼眼镜头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S7、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、滤光片L7。

第一透镜L1为具有负光焦度的球面镜片，其物侧面S1为凸面、像侧面S2为凹面；

第二透镜L2为具有负光焦度的非球面镜片，其物侧面S3为凹面、像侧面S4为凸面；

第三透镜L3为具有正光焦度的球面镜片，其物侧面S5和像侧面S6均为凸面；

第四透镜L4为具有正光焦度的球面镜片，其物侧面S8和像侧面S9-1均为凸面；

第五透镜L5为具有负光焦度的球面镜片，其物侧面S9-2为凹面、像侧面S10为凸面；其中，第四透镜L4与第五透镜L5通过光学胶粘合，具体地，第四透镜L4的像侧面S9-1与第五透镜L5的物侧面S9-2通过光学胶粘合，其粘合面为S9。

第六透镜L6为具有正光焦度的非球面镜片，其物侧面S11为凸面、像侧面S12为凹面；需要说明的是，于本实施例中，第六透镜L6为凹面朝向成像面的弯月型镜片，而在其它实施方式中，第六透镜L6的像侧面S12为凸面，可以是双凸型镜片。

另外，该鱼眼镜头100还可以包括光阑S7，光阑S7设置于第三透镜L3与第四透镜L4之间。光阑S7为中心设有通光孔的遮光纸，并且光阑S7的通光口径小于隔圈，以保证鱼眼镜头100的通光量由光阑S7的通光孔径决定。光阑S7设置于第三透镜L3和第四透镜L4之间，可以提高鱼眼镜头100的视场角并能更好的配合芯片的入射角度，并且采用中心设有通光孔的遮光纸作为光阑S7，使得降低了镜筒通光孔的要求，使镜筒通光孔成型难度下降，提高了生产率，降低了生产成本。

为在良好的矫正像差的同时提供合适的镜头尺寸，鱼眼镜头100满足以下关系式：

0.6<|f₄/f₅|<1.2； (1)

25＜|V₄-V₅|＜45； (2)

其中，f₄表示第四透镜L4的焦距，f₅表示第五透镜L5的焦距；V₄表示第四透镜L4的阿贝数，V₅表示第五透镜L5的阿贝数。上述关系式(1)(2)合理的限制了双胶合透镜的光焦度分配，使得胶合透镜兼顾光焦度的同时还能有效校正色差。

当|f₄/f₅|的值超过上限时，第四透镜L4和第五透镜L5胶合后的光焦度过强，虽然能够使系统总长变小，但其产生的象散、场曲、畸变过大，很难矫正；当|f₄/f₅|的值超过下限时，第四透镜L4和第五透镜L5胶合后的光焦度减弱，上述各种像差相对减小，但其屈光能力下降导致系统加长。

第四透镜L4和第五透镜L5组成胶合镜片，该组胶合镜片采用高低色散玻璃材料搭配，其中第四透镜L4为正焦距透镜，其采用大的阿贝数产生小的正色差，第五透镜L5为负焦距透镜，其采用小的阿贝数产生大的负色差，也就是说，靠近光阑的正透镜选取低色散材料，而胶合的另一片负透镜选取高色散材料，可以有效减小镜头的整体色差，最大程度地减少紫边现象，即能够较好避免在拍摄取物过程中由于被摄物体反差较大，在高光与低光部位交界处出现的色斑现象。具体地，当|V₄-V₅|的值超过下限时，色差的矫正不足；当|V₄-V₅|的值超过上限时，则材料选择困难。

为控制镜头的外径过大，鱼眼镜头100还满足以下关系式：

n₁>1.85； (3)

其中，n₁表示第一透镜L1的折射率。折射率是用来衡量透明介质的屈光能力，一般来说，介质的折射率越大，屈光能力越强；反之，介质的折射率越小，屈光能力越弱。

当n₁的值不满足关系式(3)时，第一透镜L1的折射率偏小，为保证镜头大广角特性，第一透镜L1的镜片外径会做的比较大，导致镜头体积较大。

另外，由于同时满足上述关系式(1)-(3)，使得该鱼眼镜头100能够把体积尽量做小。

为保证镜头的温度特性良好，鱼眼镜头100还满足以下关系式：

0.4<AT/GT<0.7； (4)

其中，AT表示第一透镜L1到第六透镜L6在该光轴上的空气间隙总和，GT表示第一透镜L1到第六透镜L6在该光轴上的六个透镜厚度总和。

当AT/GT的值超过上限时，鱼眼镜头100各镜片之间的空气间隙过大，高低温时空气膨胀冷缩对镜片组立后的相对位置偏差过大，从而使高低温时镜头的最佳像面发生偏移，使镜头解像下降过快；当AT/GT的值超过下限时，鱼眼镜头100各镜片之间过于紧凑，镜片无法很好弯曲校正像差，从而使解像无法提高。

为限制系统的总长，并确保系统具有足够好的成像品质，鱼眼镜头100满足以下关系式：

3<T_L/(f*θ)<4； (5)

其中，T_L表示鱼眼镜头100的光学总长，f表示鱼眼镜头100的焦距，θ表示鱼眼镜头100的半视场角，即为鱼眼镜头100的视场角的一半。

当T_L/(f*θ)的值超过上限时，整体镜头的总长过长，或者如果将整体总长缩短的情况下，像高会不足；当T_L/(f*θ))的值超过下限时，由于各透镜的光焦度过大，镜头像差矫正困难，解像能力显著下降；因此，将T_L/(f*θ)限定在3与4之间，所得到的像高合适，并且镜头像差得到校正，解析能力好。另外，f*θ决定了像高，因此，合理设置f*θ能够提供合适的像高，使得所成的像的像面尺寸适用于4.8mm*3.6mm*6mm的1/3英寸的芯片规格。

具体地，第二透镜L2和第六透镜L6的非球面的表面形状均满足下列方程：

其中，z为曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，h为光轴到曲面的距离，c为曲面顶点的曲率，k为圆锥系数，a₄、a₆、a₈、a₁₀、a₁₂分别表示四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶径向坐标所对应的曲面系数。

通过以上述关系式可以精确设定第二透镜L2和第六透镜L6前后两面非球面的面型尺寸，鱼眼镜头100利用非球面对像差的强大校正功能，从而大大提高镜头成像的清晰度及锐利度。

当k小于-1时，面形曲线为双曲线，当k等于-1时，面形曲线为抛物线，当k介于-1到0之间时，面形曲线为椭圆，当k等于0时，面形曲线为圆形，当k大于0时为，面形曲线为扁圆形。

在一些实施方式中，第一透镜L1、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5均由玻璃材料构成，第二透镜L2和第六透镜L6均由塑料材料构成。

本实施例提供的鱼眼镜头适用于日夜监控的智能家居镜头，通过合理使用玻璃和塑料组合实现F2.2的大孔径，完全适用于目前主流的高清芯片。一般镜头设计波长为435nm～656nm(可见光)波段，没有红外光要求，所以红外解像力会很差，而本实施例提供的鱼眼镜头可在405nm～850nm波段清晰成像，可见光和红外光条件下成像质量均良好，即使在夜晚低照度下也能实现清晰明亮的监控画面。

请参阅表1，所示为本实施例当中的鱼眼镜头100的各个镜片的相关参数。

表1

请参阅表2，所示为本实施例当中的第二透镜L2和第六透镜L6的非球面的相关参数。

表2

请参阅图2，所示为本实施例当中的鱼眼镜头100的场曲曲线图；请参阅图3，所示为本实施例当中的鱼眼镜头100的F-Theta畸变曲线图；请参阅图4，所述为本实施例当中的鱼眼镜头100的轴上点球差色差示意图，由于像点的数据范围越小，代表镜头性能越好，根据图2至图4可以看出，鱼眼镜头100的场曲、畸变和轴上点球差色差都被良好矫正。

本实施例中，该鱼眼镜头100的像面直径为6mm，视场角FOV为180°，光学总长为12.2mm。

实施例2

请参阅图5，所示为本发明第二实施例中的鱼眼镜头200的结构示意图，本实施例当中的鱼眼镜头200与第一实施例当中的鱼眼镜头100各个透镜的面型凹凸大抵相同，仅各透镜的表面凹凸程度不同。

同时本实施当中的鱼眼镜头200的各个镜片的相关参数与第一实施例当中的鱼眼镜头100的各个镜片的相关参数存在差异。

请参阅表3，所示为本实施例当中的鱼眼镜头200的各个镜片的相关参数。

表3

请参阅表4，所示为本实施例当中的鱼眼镜头200的非球面的相关参数。

表4

请参阅图6，所示为本实施例当中的鱼眼镜头200的场曲曲线图；请参阅图7，所示为本实施例当中的鱼眼镜头200的F-Theta畸变曲线图；请参阅图8，所述为本实施例当中的鱼眼镜头200的轴上点球差色差示意图，由于像点的数据范围越小，代表镜头性能越好，根据图6至图8可以看出，鱼眼镜头200的场曲、畸变和轴上点球差色差都被良好矫正。

本实施例中，该鱼眼镜头200的像面直径为6mm，视场角FOV为182°，光学总长为12.2mm。

实施例3

请参阅图9，所示为本发明第三实施例中的鱼眼镜头300的结构示意图，本实施例当中的鱼眼镜头300与第一实施例当中的鱼眼镜头100大抵相同，不同之处在于最后一片非球面的形状不一样，本实施例当中的鱼眼镜头300的第六透镜L6为双凸形非球面透镜，而第一实施例的第六透镜L6为凹面朝向像面的弯月型非球面透镜。并且，各透镜的表面凹凸程度不同。

同时本实施当中的鱼眼镜头300的各个镜片的相关参数与第一实施例当中的鱼眼镜头100的各个镜片的相关参数存在差异。

请参阅表5，所示为本实施例当中的鱼眼镜头300的各个镜片的相关参数。

表5

参阅表6，所示为本实施例当中的鱼眼镜头300的非球面的相关参数。

表6

请参阅图10，所示为本实施例当中的鱼眼镜头300的场曲曲线图；请参阅图11，所示为本实施例当中的鱼眼镜头300的F-Theta畸变曲线图；请参阅图12，所述为本实施例当中的鱼眼镜头300的轴上点球差色差示意图，由于像点的数据范围越小，代表镜头性能越好，根据图10至图12可以看出，鱼眼镜头300的场曲、畸变和轴上点球差色差都被良好矫正。

本实施例中，该鱼眼镜头300的像面直径为6mm，视场角FOV为182°，光学总长为12.2mm。

请参阅图表7，所述为上述3个实施例当中各实施例对应的光学特性，包括鱼眼镜头的系统焦距f、光圈数F#、光学总长T_L和视场角FOV，同时还包括上述关系式(1)至关系式(5)当中每个关系式对应的相关数值。

表7

综上，上述各实施例中，本发明提供的鱼眼镜头具有以下的优点：

1.本发明鱼眼镜头采用玻璃镜片和塑料镜片组合搭配的方式，降低了镜头的生产成本，而且温度特性好，可适应不同的温度场合；

2.本发明鱼眼镜头的加工精度要求非常低，近光阑处采用一组胶合镜片，便于组装，有效的减少公差损失，可以保证高品质解像力，即保证分辨被摄原物细节的能力；

3.本发明鱼眼镜头的胶合镜片采用高低色散玻璃材料搭配，第四透镜为正焦距透镜，其采用大的阿贝数产生小的正色差，第五透镜为负焦距透镜，其采用小的阿贝数产生大的负色差，也就是说，靠近光阑的正透镜选取低色散材料，而组合的另一片负透镜选取高色散材料，可以有效减小镜头的整体色差，最大程度地减少紫边现象，即能够较好避免在拍摄取物过程中由于被摄物体反差较大，在高光与低光部位交界处出现的色斑现象；

4.本发明鱼眼镜头选择第二和第六透镜做非球面镜片，非球面镜片离光阑越远越有利于畸变的校正，可最大程度地减小鱼眼镜头的垂轴色差和畸变；

5.本发明鱼眼镜头可在405nm到850nm波段清晰成像，在可见光或红外光条件下均有良好的解像力，日夜共焦性好，而目前主流鱼眼镜头还不具备日夜共焦功能，而且鱼眼镜头最大像面直径为6mm，可搭配主流的1/3英寸芯片，市场应用前景好；

6.本发明鱼眼镜头的总长只有12.2mm，而目前主流鱼眼镜头总长一般在17mm以上，因此本发明提供的鱼眼镜头具有更小的体积。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

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 (10)

1.一种鱼眼镜头，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，所述第一透镜为凹面朝向成像面的弯月型球面镜片；

具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜为凹面朝向物侧面的弯月型非球面镜片；

具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜为双凸型球面镜片；

具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜为双凸型球面镜片；

具有负光焦度的第五透镜，所述第五透镜为凹面朝向物侧面的弯月型球面镜片；

具有正光焦度的第六透镜，所述第六透镜为凹面朝向成像面的弯月型非球面镜片或双凸型非球面镜片；

其中，所述第四透镜与所述第五透镜组成胶合镜片。

2.根据权利要求1所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述鱼眼镜头满足关系式：

0.6<|f₄/f₅|<1.2；

25＜|V₄-V₅|＜45；

其中，f₄表示所述第四透镜的焦距，f₅表示所述第五透镜的焦距，V₄表示所述第四透镜的阿贝数，V₅表示所述第五透镜的阿贝数。

3.根据权利要求1所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述鱼眼镜头满足关系式：

n₁>1.85；

其中，n₁表示所述第一透镜的折射率。

4.根据权利要求1所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述鱼眼镜头满足关系式：

0.4<AT/GT<0.7；

其中，AT表示所述第一透镜到所述第六透镜在光轴上的空气间隙总和，GT表示所述第一透镜到所述第六透镜在该光轴上的六个透镜厚度总和。

5.根据权利要求1所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述鱼眼镜头满足关系式：

3<T_L/(f*θ)<4；

其中，T_L表示所述鱼眼镜头的光学总长，f表示所述鱼眼镜头的焦距，θ表示所述鱼眼镜头的半视场角。

6.根据权利要求1所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜均由玻璃材料构成，所述第二透镜、所述第六透镜均由塑料材料构成。

7.根据权利要求1所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述鱼眼镜头还包括：光阑，所述光阑设置于所述第三透镜与所述第四透镜之间。

8.根据权利要求1所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述第四透镜的像侧面与所述第五透镜的物侧面相互胶合。

9.根据权利要求1所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述鱼眼镜头的光学总长T_L≤12.2mm。

10.根据权利要求1所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述第二透镜和所述第六透镜的非球面表面形状满足关系式：

其中，z为曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，h为光轴到曲面的距离，c为曲面顶点的曲率，k为圆锥系数，a₄、a₆、a₈、a₁₀、a₁₂分别表示四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶径向坐标所对应的曲面系数。

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