CN110703420B - 外接镜头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种外接镜头，外接镜头搭载于成像设备镜头的物侧，外接镜头从物侧到成像面依次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及孔径光阑。第一透镜具有负光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；第二透镜具有负光焦度，其像侧面为凹面；第三透镜具有正光焦度，其物侧面为凸面；第四透镜具有正光焦度，其物侧面为凸面；其中，外接镜头的光学总长TTL与外接镜头的最大口径D满足条件式：0.5＜TTL/D＜1。本发明提供的外接镜头在保证原镜头成像质量的前提下增大镜头的视场角，有效地增加了原镜头的拍摄范围，其视场角范围可达到190°以上，可以实现360度超广角全景画面拍摄，同时增加原镜头的景深范围，提供全景高清的拍摄效果。

Description

外接镜头

技术领域

本发明涉及透镜成像技术领域，特别涉及一种外接镜头。

背景技术

随着科技的不断进步，便携式电子设备在不断的朝着智能化、小型化、触屏化方向发展，集娱乐、拍照、直播等功能于一身，各种应用极大地满足了使用者的需求。近些年，随着全景摄像与直播的兴起，人们对于超广角摄像的效果产生了极大的兴趣，然而大多搭载在手机、运动相机、DV相机等电子成像设备上的镜头视场角较小，这种小视场的镜头无法单独实现超大视场的拍摄效果，使得目前小视场的电子设备基本都是通过软件算法来后期处理实现大视场的效果，从而降低了拍摄画面的成像质量，增加噪点，进而影响视感。

现有技术中，为了弥补这一不足，得到更好的拍摄效果，通常会在电子设备的镜头处搭载外接镜头。由于配置外接镜头，相当于增加了电子设备镜头的原始焦距，在拍照时，配置有外接镜头的电子设备拍照的成像质量和光学变焦能力可与专业相机媲美，远超过设备本身的拍照效果。

然而，虽然多数外接镜头增加了电子设备的镜头的原始焦距，但是视场范围较小，且在拍摄时，拍出的图像中心清晰，但是图像的四周比较模糊；而且，现有的外接镜头的像素偏低，无法与高像素的成像设备进行匹配。

发明内容

基于此，本发明提供了一种外接镜头，在保证原镜头成像质量的同时，可以有效地增大原镜头的拍摄范围，拍摄出的图像四周更加清晰，同时增加原镜头的景深范围，提供全景高清的拍摄效果，能够与高像素的成像设备进行匹配。

本发明实施例通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明提供一种外接镜头，外接镜头搭载于成像设备镜头的镜头，外接镜头从物侧到成像面依次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、以及孔径光阑；第一透镜具有负光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；第二透镜具有负光焦度，其像侧面为凹面；第三透镜具有正光焦度，其物侧面为凸面；第四透镜具有正光焦度，其物侧面为凸面。外接镜头满足条件式：0.5＜TTL/D＜1；其中，TTL表示外接镜头的光学总长，D表示外接镜头的最大口径。

本发明提供的外接镜头中的第一透镜用于光线收集，减小入射光线的入射角，第一透镜为弯月形镜片有利于增大镜头的视场角，实现超广角的效果；第二透镜主要用于矫正畸变；第三透镜和第四透镜用于矫正球差等像差。外接镜头满足该条件式：0.5＜TTL/D＜1，可以有效地控制光学系统的长度和口径，缩减外接镜头的体积，实现外接镜头的小型化，便于携带，同时有效地节省成本。本发明提供的外接镜头在保证成像质量的同时，增大原镜头的视场角，有效地增加拍摄范围，其视场角范围可达到190°以上，可以实现360度超广角全景画面拍摄，有效地矫正边缘视场的像差以及整个像面的二级光谱，从而提高了外接镜头边缘的解像能力，使得拍摄出的图像的四周更加清晰；同时增加原镜头的景深范围，提供全景高清的拍摄效果，能够与高像素的成像设备进行匹配。

本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。

附图说明

图1为本发明第一实施例中外接镜头的结构示意图；

图2为本发明第二实施例中外接镜头的结构示意图；

图3为本发明第三实施例中外接镜头的结构示意图；

图4为本发明第四实施例中外接镜头的结构示意图；

图5为本发明第五实施例中外接镜头的结构示意图；

图6为本发明第六实施例中外接镜头搭配成像设备的结构示意图；

图7为本发明第六实施例中原成像镜头的轴向色差曲线图；

图8为本发明第六实施例中外接镜头搭载成像设备后整个光学系统的轴向色差曲线图；

图9为本发明第六实施例中原成像镜头的MTF曲线图；

图10为本发明第六实施例中外接镜头搭载成像设备后整个光学系统的MTF曲线图；

图11为本发明第七实施例中外接镜头搭配成像设备的结构示意图；

图12为本发明第七实施例中外接镜头搭载成像设备后整个光学系统的轴向色差曲线图；

图13为本发明第七实施例中外接镜头搭载成像设备后整个光学系统的MTF曲线图。

主要元素符号说明

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

为了便于更好地理解本发明，下面将结合相关实施例附图对本发明进行进一步地解释。附图中给出了本发明的实施例，但本发明并不仅限于上述的优选实施例。相反，提供这些实施例的目的是为了使本发明的公开面更加得充分。

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。

本发明提供一种外接镜头，外接接头搭载于成像设备的镜头的物侧前方，外接镜头从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度且物侧面为凸面、像侧面为凹面的第一透镜，具有负光焦度且像侧面为凹面的第二透镜，具有正光焦度且物侧面为凸面的第三透镜，具有正光焦度且物侧面为凸面的第四透镜，以及孔径光阑。外接镜头满足条件式：0.5＜TTL/D＜1；其中，TTL表示外接镜头的光学总长，D表示外接镜头的最大口径。满足该条件式，可以有效地控制光学系统的长度和口径，缩减外接镜头的体积，实现外接镜头系统的小型化，便于携带，同时有效地节省成本。成像设备可以是智能手机、移动终端、运动相机等电子设备。

第一透镜用于光线收集，减小入射光线的入射角，第一透镜为弯月形镜片有利于增大镜头的视场角，实现超广角的效果；第二透镜主要用于矫正畸变；第三透镜和第四透镜用于矫正球差等像差；孔径光阑是指外接镜头的出瞳位置。本发明提供的外接镜头在保证原镜头成像质量的同时，增大成像设备的镜头的视场角，有效地增加拍摄范围，其视场角范围可达到190°以上，可以实现360度超广角全景画面拍摄，同时增加成像设备的相机景深范围，提供全景高清的拍摄效果。

在一些实施方式中，外接镜头满足以下条件式：

-40mm＜f1＜-3mm； （1）

10mm＜r1＜200mm； （2）

3mm＜r2＜25mm； （3）

1＜r1/r2＜25； （4）

其中，f1表示第一透镜的焦距，r1表示第一透镜的物侧面的曲率半径，r2表示第一透镜的像侧面的曲率半径。

满足上述条件式（1）至（4），可以保证第一透镜对光线的收集能力，有效地扩大镜头的视场角，达到视场大于190°的超广角效果，同时通过第一透镜后的出射光线与光轴接近平行，以便于后续的光学系统矫正光学像差。若r1超过上限值，会导致光线入射角过大，影响镜头的相对照度；若r1超过下限值，会导致镜片加工困难，降低生产良率。若r2超过上限值，则无法有效地矫正出射光线的角度，不利于后续像差的矫正；若r2超过下限值，则会使第一透镜的像侧面超半球，导致无法加工。

在一些实施方式中，为了控制镜头的长度，外接镜头满足以下条件式：

-20mm＜f2＜-3mm； （5）

3mm＜f3＜50mm； （6）

-1.5＜f2 /f3＜0； （7）

4mm＜r4＜20mm； （8）

2mm＜r5＜20mm； （9）

0.5＜r4/r5＜2； （10）

其中，f2表示第二透镜的焦距，f3表示第三透镜的焦距，r4表示第二透镜的像侧面的曲率半径，r5表示第三透镜的物侧面的曲率半径。

满足条件式（5）至（7），可以使第二透镜和第三透镜相配合矫正场曲；满足条件式（8）至（10），可以有效地减弱第二透镜的像侧面和第三透镜的物侧面之间反射的鬼影，降低鬼影对拍摄画面的影响，有效地提升画质。

在一些实施方式中，为了有效地校正像差，外接镜头满足以下条件式：

3mm＜f4＜50mm； （11）

5mm＜r7＜40mm； （12）

其中， f4表示第四透镜的焦距，r7表示第四透镜的物侧面的曲率半径。

在一些实施方式中，外接镜头满足以下条件式：

-2＜(f1+f2)/(f3+f4) ＜0； （13）

|f|＞200； （14）

其中，f1表示第一透镜的焦距；f2表示第二透镜的焦距；f3表示第三透镜的焦距；f4表示第四透镜的焦距，f表示外接镜头的焦距。

满足条件式（13）和（14），可以有效地降低外接镜头对公差的敏感度。由于外接镜头在装配到成像设备的镜头前方时，无法做到与成像设备的镜头的精密对接，两者之间存在较大的公差。外接镜头满足条件式（13）和（14），可以控制外接镜头保持较大的焦距，控制外接镜头的屈光度，有效地减小光线的折射角度，在镜头有较大公差的情况下，可以有效地降低光线对公差的敏感度，可以保证外接镜头在装配过程中，允许偏移的最大公差在±0.5mm范围内，成像质量基本不变，有效地提高产品的可靠性，避免因为装配的差异对成像设备拍摄的成像质量产生影响，满足高清画面、大广角的成像需求。

在一些实施方式中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜均为玻璃透镜。

各个透镜均为玻璃镜片可以使得外接镜头具有较好的热稳定性能以及机械强度，利于在极端环境下工作。

在一些实施方式中，为了减少球差及便于加工，第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜中至少有一个为球面透镜。

在一些实施方式中，第一透镜为球面透镜。第一透镜为球面透镜可以增大镜头的视场角，减少球差。

在一些实施方中，第二透镜、第三透镜和第四透镜中的一个或多个为非球面透镜。可以有效地降低镜头的像差，保证良好的成像质量。

在一些实施方中，第二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。

满足上述配置有利于保证外接镜头具有高像素、超广角等特性，在保证原镜头成像质量的前提下，增大成像设备的镜头的视场角，能够有效地增加拍摄范围，其视场角范围可达到190°以上，可以实现360度超广角全景画面拍摄；同时有效地矫正边缘视场的像差以及整个像面的二级光谱，从而提高了外接镜头边缘的解像能力，使外接镜头可以外接匹配于2400万像素的成像设备，使该成像设备拥有良好的成像能力，使得拍摄出的图像的四周更加清晰。

本发明中各个实施例中外接镜头的非球面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，外接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

本实施例提供的一种外接镜头100的结构示意图请参阅图1，该外接镜头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、第四透镜L4及孔径光阑ST。

第一透镜L1具有负光焦度，第一透镜的物侧面S1为凸面、第一透镜的像侧面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，第二透镜的物侧面S3和第二透镜的像侧面S4均为凹面，第二透镜L2是玻璃球面透镜。在一些实施方式中，第二透镜L2还可以是玻璃非球面透镜。

第三透镜L3具有正光焦度，第三透镜的物侧面S5为凸面，第三透镜的像侧面S6为凹面，第三透镜L3是玻璃球面透镜。在一些实施方式中，第三透镜L3还可以是玻璃非球面透镜。

第四透镜L4具有正光焦度，第四透镜的物侧面S7为凸面，第四透镜的像侧面S8为平面，第四透镜L4是玻璃球面透镜。在一些实施方式中，第四透镜L4还可以是玻璃非球面透镜。

孔径光阑ST位于第四透镜L4之后，孔径光阑ST的作用相当于外接镜头100的出瞳位置。

本实施例提供的外接镜头100中各个镜片的相关参数如表1所示。

表 1

第二实施例

本实施例提供的一种外接镜头200的结构示意图请参阅图2。本实施例中的外接镜头200的结构与第一实施例中的外接镜头100的结构大抵相同，不同之处在于：本实施例中的外接镜头200的第二透镜的物侧面S3为凸面，第三透镜L3为玻璃非球面透镜，第四透镜的像侧面S8为凸面，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同。

本实施例提供的外接镜头200中各个透镜的相关参数如表2所示。

表 2

本实施例的各透镜非球面的参数如表3所示。

表3

第三实施例

本实施例提供的一种外接镜头300的结构示意图请参阅图3。本实施例中的外接镜头300的结构与第一实施例中的外接镜头100的结构大抵相同，不同之处在于：本实施例中的外接镜头300的第四透镜的像侧面S8为凹面，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同。

本实施例提供的外接镜头300中各个透镜的相关参数如表4所示。

表 4

第四实施例

本实施例提供的一种外接镜头400的结构示意图请参阅图4。本实施例中的外接镜头400的结构与第一实施例中的外接镜头100的结构大抵相同，不同之处在于，本实施例中的外接镜头400的第四透镜的像侧面S8为凸面，且第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4均为玻璃非球面透镜，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同。

本实施例提供的外接镜头400中各个透镜的相关参数如表5所示。

表 5

本实施例的各透镜非球面的参数如表6所示。

表 6

第五实施例

本实施例提供的一种外接镜头500的结构示意图请参阅图5。本实施例中的外接镜头500的结构与第一实施例中的外接镜头100的结构大抵相同，不同之处在于：本实施例中的外接镜头500的第三透镜的像侧面S6为凸面，第四透镜的像侧面S8为凸面，且第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4均为玻璃非球面透镜，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同。

本实施例提供的外接镜头500中各个透镜的相关参数如表7所示。

表 7

本实施例的各透镜非球面的参数如表8所示。

表 8

表9是上述5个实施例及其对应的光学特性，主要包括外接镜头的焦距f、视场角2θ，以及上述每个条件式对应的数值。

表9

第六实施例

上述实施例的外接镜头可以搭载于成像设备的镜头的物侧前方，成像设备可以是智能手机、移动终端、运动相机等电子设备。

请参阅图6，为本实施例提供的一种搭载了外接镜头的成像设备600的结构示意图，包括上述任一实施例中的外接镜头（例如第二实施例中的外接镜头200）。该成像设备600包括内置的原成像镜头610和成像元件620，原成像镜头610可以是多片组合透镜，在本实施例中，原成像镜头610是由八片镜片组成；成像元件620可以是CMOS（ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，互补性金属氧化物半导体）图像传感器，还可以是CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）图像传感器。

成像设备600的原成像镜头610与搭载了外接镜头200后的整体镜头的光学参数对比如表10所示：

表10

由表10可知，成像设备600在搭载外接镜头200后，整个设备的光学系统的视场角2θ增大到195°，在镜头前方可以实现360°超广角全景拍摄效果；同时整个光学系统的有效焦距EFL减小，可实现增大景深的效果，为相机提供更广的拍摄范围。图7和图9分别是原成像镜头610的轴向色差和MTF曲线图，图8和图10分别是成像设备600搭载了外接镜头200后整个光学系统的轴向色差和MTF曲线图，从图7和图8可以看出成像设备600搭载外接镜头200后，整个光学系统的轴向色差上端与下端的偏移量差值更小，整体偏移小于0.02mm，说明搭载了外接镜头后整体镜头能够有效地矫正边缘视场的像差以及整个像面的二级光谱；同时，搭载外接镜头后整个光学系统的轴向色差曲线在0~1.0的整个入瞳位置与X轴零位的偏移均不大且曲线分布均匀，说明搭载外接镜头后光线的球差得到比较好的矫正。从图9和图10可以看出搭载外接镜头后的整个光学系统的MTF曲线更加集中，在中低频处的MTF值较原镜头也更高且整齐，说明搭载外接镜头后整个光学系统不仅保证了原镜头中心画面的成像质量，而且在图像边缘也能达到良好的解像力，保证拍摄图像全画幅整体的清晰度。

第七实施例

请参阅图11，为本实施例提供的一种搭载了外接镜头的成像设备600的结构示意图，本实施例提供的成像设备600与第六实施例中的成像设备600的结构相同，不同之处在于：本实施例搭载的外接镜头为第四实施例中的外接镜头400。成像设备600的原成像镜头610与搭载了外接镜头400后的整体镜头的光学参数对比如表11所示：

表11

由表11可知，成像设备600在搭载外接镜头400后，整个设备的光学系统的视场角2θ增大到196.5°，在镜头前方可以实现360°超广角全景拍摄效果；同时整个光学系统的有效焦距EFL减小，可实现增大景深的效果，为相机提供更广的拍摄范围。图7和图9分别是原成像镜头610的轴向色差和MTF曲线图，图12和图13分别是成像设备600搭载了外接镜头400后整个光学系统的轴向色差和MTF曲线图。从图7和图12可以看出成像设备600搭载外接镜头400后，整个光学系统的轴向色差上端与下端的偏移量差值更小、曲线更集中，整体偏移小于0.02mm，说明搭载了外接镜头后整体镜头能够有效地矫正边缘视场的像差以及整个像面的二级光谱；同时，搭载外接镜头后整个光学系统的轴向色差曲线在0~1.0的整个入瞳位置与X轴零位的偏移均不大且曲线分布均匀，说明搭载外接镜头后光线的球差得到比较好的矫正。从图9和图13可以看出搭载外接镜头后的整个光学系统的MTF曲线更加集中，在中低频处的MTF值较原镜头也更高且整齐，说明搭载外接镜头后整个光学系统不仅保证了原镜头中心画面的成像质量，而且在图像边缘也能达到良好的解像力，保证拍摄图像全画幅整体的清晰度。

综上所述，本发明提供的外接镜头至少具有以下几个优点：

（1）第一透镜L1用于光线收集，减小入射光线的入射角，第一透镜L1为弯月形镜片有利于增大镜头的视场角，实现了视场角大于190°的超广角效果，第二透镜L2主要用于矫正畸变，第三透镜L3和第四透镜L4用于矫正球差等像差。外接镜头在保证原镜头成像质量的同时，增大成像设备的原镜头的视场角，有效地增加拍摄范围，其视场角范围可达到190°以上，可以实现360度超广角全景画面拍摄，同时增加成像设备的相机景深范围，提供全景高清的拍摄效果。

（2）外接镜头满足条件式：0.5＜TTL/D＜1，满足该条件式，可以有效地控制光学系统的长度和口径，缩减外接镜头的体积，实现外接镜头系统的小型化，便于携带，同时有效地节省成本。

（3）各个透镜均为玻璃镜片可以使得外接镜头具有较好的热稳定性能以及机械强度，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)

1.一种外接镜头，所述外接镜头搭载于成像设备的镜头的物侧前方，所述外接镜头从物侧到成像面依次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及孔径光阑，其特征在于，

所述第一透镜具有负光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；

所述第二透镜具有负光焦度，其像侧面为凹面；

所述第三透镜具有正光焦度，其物侧面为凸面；

所述第四透镜具有正光焦度，其物侧面为凸面；

其中，所述外接镜头满足条件式：

0.5＜TTL/D＜1；

-2＜(f1+f2)/(f3+f4) ＜0；

|f|＞200mm；

其中，TTL表示所述外接镜头的光学总长，D表示所述外接镜头的最大口径；f1表示所述第一透镜的焦距；f2表示所述第二透镜的焦距；f3表示所述第三透镜的焦距；f4表示所述第四透镜的焦距，f表示所述外接镜头的焦距。

2.根据权利要求1所述的外接镜头，其特征在于，所述外接镜头满足以下条件式：

-40mm＜f1＜-3mm；

10mm＜r1＜200mm；

3mm＜r2＜25mm；

1＜r1/r2＜25；

其中，f1表示所述第一透镜的焦距，r1表示所述第一透镜的物侧面的曲率半径，r2表示所述第一透镜的像侧面的曲率半径。

3.根据权利要求1所述的外接镜头，其特征在于，所述外接镜头满足以下条件式：

-20mm＜f2＜-3mm；

3mm＜f3＜50mm；

-1.5＜f2 /f3＜0；

4mm＜r4＜20mm；

2mm＜r5＜20mm；

0.5＜r4/r5＜2；

其中，f2表示所述第二透镜的焦距，f3表示所述第三透镜的焦距，r4表示所述第二透镜的像侧面的曲率半径，r5表示所述第三透镜的物侧面的曲率半径。

4.根据权利要求1所述的外接镜头，其特征在于，所述外接镜头满足以下条件式：

3mm＜f4＜50mm；

5mm＜r7＜40mm；

其中，f4表示所述第四透镜的焦距，r7表示所述第四透镜的物侧面的曲率半径。

5.根据权利要求1所述的外接镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜均为玻璃透镜。

6.根据权利要求1所述的外接镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第四透镜中至少有一个为球面透镜。

7.根据权利要求6所述的外接镜头，其特征在于，所述第一透镜为球面透镜。

8.根据权利要求7所述的外接镜头，其特征在于，所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜中的一个或多个为非球面透镜。

9.根据权利要求1所述的外接镜头，其特征在于，所述第二透镜的物侧面为凹面，所述第三透镜的像侧面为凸面，所述第四透镜的像侧面为凸面。

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