CN110716289A - 光学成像镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学成像镜头，沿光轴从物侧至成像面依次包括：第一透镜，第二透镜，光阑，第三透镜，第四透镜和滤光片；第一透镜具有负光焦度，其物侧面和像侧面均为凹面；第二透镜具有正光焦度，其物侧面和像侧面均为凸面；光阑设置于第二透镜和第三透镜之间；第三透镜具有正光焦度，其物侧面为凹面、像侧面为凸面；第四透镜具有正光焦度，其物侧面与像侧面均为凸面；其中，第一透镜、第二透镜和第三透镜均为玻璃球面透镜，第四透镜为玻璃非球面透镜；光学成像镜头满足条件式：4.0<TTL/ImgH<4.4。本发明的光学成像镜头至少具有小型化、大光圈、成像品质高以及良好的热稳定性等优点。

Description

光学成像镜头
技术领域
本发明涉及透镜成像技术领域，特别涉及一种光学成像镜头。
背景技术
目前，随着自动驾驶系统的发展以及市场需求的加剧，中国、欧美以及日本等许多国家相继颁布了推动自动驾驶发展的相关政策，极大带动了自动驾驶相关行业的发展，而车载摄像镜头作为自动驾驶辅助系统的关键部件也将迎来较快发展；与此同时，对车载摄像镜头的要求也越来越多，例如：镜头的外形尺寸和前端口径要求较小，镜头的总长也要求更短。对于镜头的光学性能的要求，不仅需要足够的解像力，还需要更大的光圈来增加镜头的通光量，以在外界环境较暗的条件下也能获得清晰的图像和较高的辨识力。车载摄像镜头的工作环境要求也是极其严格，需要具备良好的热稳定性，即使在高低温环境下也能保持较好的解像力，同时，车载摄像镜头还需要具备一定等级的防水防雾功能，需要在雨雪、冰雹和雾霾天气中具有一定的防护能力，以减小对镜头成像质量的影响。
发明内容
本发明在于提供一种光学成像镜头，至少具有小型化、大光圈、成像品质高以及良好的热稳定性等优点，可适用于近红外波段，能够在夜间及较暗环境下成像以及在恶劣天气下正常使用。
本发明提供了一种光学成像镜头，沿光轴从物侧至成像面依次包括：第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜、第四透镜和滤光片，第一透镜具有负光焦度，第一透镜的物侧面和像侧面均为凹面；第二透镜具有正光焦度，第二透镜的物侧面和像侧面均为凸面；光阑设置于第二透镜和第三透镜之间；第三透镜具有正光焦度，第三透镜的物侧面为凹面，其像侧面为凸面；第四透镜具有正光焦度，第四透镜的物侧面与像侧面均为凸面。其中，第一透镜、第二透镜和第三透镜均为玻璃球面透镜，第四透镜为玻璃非球面透镜；光学成像镜头满足条件式：4.0<TTL/ImgH<4.4，其中，TTL表示光学成像镜头的光学总长，ImgH表示光学成像镜头在成像面的有效像素区域最大直径的一半。
本发明提供的光学成像镜头的第一透镜采用负光焦度的凹面型透镜，一方面可以有效地减小镜头的畸变，另一方面可以收集更多的光线进入光学系统，从而增加通光量。第二透镜采用正光焦度的凸面型透镜，有利于像差的消除；通过减小第一透镜和第二透镜之间的距离，有利于入射光的收集，可以消除第一透镜带来的像差。将光阑设置于第二透镜和第三透镜之间，能够有效地减小镜头前端的口径。第三透镜采用正光焦度的弯月型透镜，可以增大第二透镜和第三透镜之间的距离，有利于视场像高的扩大；第一透镜和第三透镜采用近似对称的同心圆结构，能够有效地矫正畸变。第四透镜采用非球面透镜，一方面能够有效地消除光学系统的像差，较好地矫正光学系统的畸变，提高镜头的解像力；另一方面，可以减少光学系统中透镜的数量，减小芯片感光元件表面的主光线入射角；该光学成像镜头中的各个透镜均采用玻璃透镜，相比其它材质的光学材料，玻璃材质具备更好的热稳定性，能使镜头在高低温环境中保持良好的解像力，提高镜头的防护能力，可以满足车载领域严苛的工作环境。
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光学成像镜头的结构示意图；
图2为本发明第一实施例中光学成像镜头的场曲曲线图；
图3为本发明第一实施例中光学成像镜头的畸变曲线图；
图4为本发明第一实施例中光学成像镜头的轴向色差曲线图；
图5为本发明第二实施例中光学成像镜头的结构示意图；
图6为本发明第二实施例中光学成像镜头的场曲曲线图；
图7为本发明第二实施例中光学成像镜头的畸变曲线图；
图8为本发明第二实施例中光学成像镜头的轴向色差曲线图。
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。
本发明实施例提供了一种光学成像镜头，沿光轴从物侧至成像面依次包括：第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜、第四透镜和滤光片；第一透镜具有负光焦度，第一透镜的物侧面和像侧面均为凹面；第二透镜具有正光焦度，第二透镜的物侧面和像侧面均为凸面；光阑设置于第二透镜和第三透镜之间；第三透镜具有正光焦度，第三透镜的物侧面为凹面，其像侧面为凸面；第四透镜具有正光焦度，第四透镜的物侧面和像侧面均为凸面；其中，第一透镜、第二透镜和第三透镜均为玻璃球面透镜，第四透镜为玻璃非球面透镜；光学成像镜头满足条件式：4.0<TTL/ImgH<4.4，其中，TTL表示光学成像镜头的光学总长，ImgH表示光学成像镜头在成像面上有效像素区域最大直径的一半，满足上述条件式，可实现镜头的大像面，同时压缩镜头的光学总长，使镜头具有小型化、轻量化等特点。
本发明提供的光学成像镜头的第一透镜采用负光焦度的凹面型透镜，一方面可以有效地减小镜头的畸变，另一方面可以收集更多的光线进入光学系统，从而增加入光量；第二透镜采用正光焦度的凸面型透镜，有利于像差的消除；通过减小第一透镜和第二透镜之间的距离，有利于入射光的收集，可以消除第一透镜带来的像差；通过提供大孔径的光阑，可以接收更多的入射光；将光阑设置于第二透镜和第三透镜之间，能够有效地减小镜头前端的口径；第三透镜采用正光焦度的弯月型透镜，可以增大第二透镜和第三透镜之间的距离，有利于视场像高的扩大；第一透镜和第三透镜采用近似对称的同心圆结构，能够有效地矫正畸变；第四透镜采用非球面透镜，一方面能够有效地消除光学系统的像差，较好地矫正光学系统的畸变，提高镜头的解像力；另一方面，可以减少光学系统中透镜的数量，减小芯片的感光元件表面的主光线的入射角；第三透镜和第四透镜采用近似对称的外切圆结构，能够有效地增大光学系统的最大像高。
同时，光学成像镜头中的各个透镜均采用玻璃透镜，相比其它材质的光学材料，玻璃材质具备更好的热稳定性，能在高低温环境中保持良好的解像力，提高镜头的防护能力，可以满足光学成像镜头在严苛的工作环境下的使用要求。
在一些实施方式中，光学成像镜头满足条件式：
0.2<S1/TTL<0.3； （1）
其中，S1表示第一透镜的物侧面中心至光阑的距离，TTL表示光学成像镜头的光学总长。满足条件式（1），能够实现光阑的前移，光阑前移可以给光阑后的光学系统足够长的空间，有利于消除像面的像差。
在一些实施方式中，光学成像镜头满足条件式：
1.8<f6/EFL<2.1； （2）
2.4<f7/EFL<3.2； （3）
其中，f6表示第三透镜的像侧面的焦距，f7表示第四透镜的物侧面的焦距，EFL表示光学成像镜头的有效焦距。
满足条件式（2）和（3），可以确保第三透镜的像侧面与第四透镜的物侧面形成大弧形近似外切圆的结构，这种结构有利于大角度光线的弯曲和收束，在结构简单的镜头结构设计中可以有效减少光阑后镜片的数量，从而减小尺寸和降低成本。
在一些实施方式中，光学成像镜头满足条件式：
0.5<D1/D7<1； （4）
其中，D1表示第一透镜的物侧面的有效口径，D7表示第四透镜的物侧面的有效口径。满足条件式（4），可以有效地减小镜头的前端口径，使镜头尺寸减小。
在一些实施方式中，光学成像镜头满足条件式：
0.1<TTL/|R1|<0.5； （5）
其中，R1表示第一透镜的物侧面的曲率半径，TTL表示光学成像镜头的光学总长。满足条件式（5），能够改变第一透镜的物侧面二次反射鬼像的光瞳像在焦面的相对位置，通过控制曲率半径的绝对值可以使得鬼像的光瞳像远离焦面，有效地降低鬼像的相对能量值，提高镜头成像画面的质量。
在一些实施方式中，为了保证光学成像镜头具有足够的视野范围，提高镜头的观察范围，光学成像镜头满足条件式：
140°<FOV<160°； （6）
其中，FOV表示光学成像镜头的最大视场角。
在一些实施方式中，光学成像镜头满足条件式：
CRA<13°； （7）
其中，CRA表示光学成像镜头的最大视场主光线在成像面的入射角。满足条件式（7），有利于感光元件对光信号的接收，使成像画面中心和边缘的亮度过渡更均匀。
在一些实施方式中，光学成像镜头满足条件式：
20<TTL/CT1<35； （8）
其中，CT1表示第一透镜在光轴上的中心厚度，TTL表示光学成像镜头的光学总长。满足条件式（8），能够提高镜头中心的MTF值，通过减小第一透镜的中心厚度，有利于减小中心视场近轴光线与光瞳边缘光线之间的光程差，提高了中心的解像。
在一些实施方式中，光学成像镜头满足条件式：
7<TTL/T23<12； （9）
其中，T23表示第二透镜和第三透镜沿着光轴方向的间隔距离，TTL表示光学成像镜头的光学总长。满足条件式（9），通过增大第二透镜和第三透镜的镜间距使后端光学系统远离光阑，来自不同视场的物方光线收束以一定发散角通过光阑孔后，会聚在更远的垂轴位置，从而增大了像高。
在一些实施方式中，光学成像镜头满足条件式：
40<(V1+V3+V4)/3<60； （10）
其中，V1表示第一透镜的色散系数，V3表示第三透镜的色散系数，V4表示第四透镜的色散系数。满足条件式（10），可以使第一透镜、第三透镜和第四透镜使用高阿贝数低色散的材料，达到消除光学系统的色差的目的。
进一步地，光学成像镜头满足条件式：
|φ8|max≤16°； （11）
其中，|φ8|max表示第四透镜的像侧面面心角的最大值，面心角为该透镜表面垂直截面上的切线与水平方向的夹角。
满足条件式（11），可以使镜头的边缘视场像差优化到更小，同时可以减小CRA。
进一步地，光学成像镜头满足条件式：
-12°≤|φ7|-arctan[SD7/(R72- SD72)1/2] ≤12°； （12）
其中，|φ7|表示第四透镜的物侧面在有效半口径处的面心角大小，面心角即该透镜表面垂直截面上的切线与水平方向的夹角，SD7表示第四透镜的物侧面的有效半口径，R7表示第四透镜的物侧面的曲率半径。
满足条件式（12），使得第四透镜的镜片中心到边缘光焦度的变化趋势更接近正余弦函数，在高低温变化下，所有视场的离焦曲线会更加聚拢，有利于改善镜头的温度性能。
本发明各个实施例中所述光学成像镜头的非球面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，光学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
本发明第一实施例提供的一种光学成像镜头100的结构示意图请参阅图1，沿光轴从物侧至成像面依次包括：第一透镜L1、第二透镜L2、光阑ST、第三透镜L3、第四透镜L4和滤光片G1；
第一透镜L1具有负光焦度，第一透镜的物侧面S1和第一透镜的像侧面S2均为凹面；
第二透镜L2具有正光焦度，第二透镜的物侧面S3和第二透镜像侧面S4均为凸面；
光阑ST设置于第二透镜L2和第三透镜L3之间；
第三透镜L3具有正光焦度，第三透镜的物侧面S5为凹面、第三透镜的像侧面S6为凸面；
第四透镜L4具有正光焦度，第四透镜的物侧面S7和第四透镜的像侧面S8均为凸面；
其中，第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3均为玻璃球面透镜，第四透镜L4为玻璃非球面透镜。
本实施例中光学成像镜头100的各个镜片的相关参数如表1所示。
表1
本实施例提供的光学成像镜头100中各非球面透镜的参数如表2所示。
表 2
Figure DEST_PATH_IMAGE005
在本实施例中，其场曲、畸变和轴向色差图分别如图2、3、4所示。其中，图4从负轴至正轴方向中的三条曲线依次对应于光学成像镜头100在波长为830nm、850nm、870nm的轴向色差，由图2至图4可以看出，本实施例中场曲、畸变和轴向色差都能被很好的地校正。
第二实施例
本发明第二实施例提供的一种光学成像镜头200的结构示意图请参阅图5，本实施例中的光学成像镜头200的结构与第一实施例中的光学成像镜头100的结构大抵相同，不同之处在于：本实施例光学成像镜头200各透镜的曲率半径、材料选择不同。
本实施例提供的光学成像镜头200中的各个透镜的相关参数如表3所示。
表 3
Figure DEST_PATH_IMAGE006
本实施例各提供的光学成像镜头200中非球面透镜的参数如表4所示。
表 4
Figure DEST_PATH_IMAGE007
在本实施例中，其场曲、畸变和轴向色差图分别如图6、7、8所示。其中，图8从负轴至正轴方向中的三条曲线依次对应于光学成像镜头200在波长为830nm、850nm、870nm的轴向色差，由图6至图8可以看出，本实施例中场曲、畸变和轴向色差都能被很好地校正。
表5是上述两个实施例及其对应的光学特性，主要包括光学成像镜头的有效焦距EFL、光学成像镜头的视场角FOV、光学成像镜头的光圈数F#以及光学成像镜头的光学总长TTL，以及与上述每个条件式对应的数值。
表5
Figure DEST_PATH_IMAGE008
上述各实施例提供的光学成像镜头可适用于近红外波段，能够在夜间及较暗环境下成像。
综合上述各实施例，本发明提供的光学成像镜头至少具有以下几个优点：
（1）第一透镜采用负光焦度的凹面型透镜，一方面可以有效地减小镜头的畸变，另一方面可以收集更多的光线进入光学系统，从而增加入光量；第二透镜采用正光焦度的凸面型透镜，有利于像差的消除；通过减小第一透镜和第二透镜之间的距离，有利于入射光的收集，可以消除第一透镜带来的像差；通过提供大孔径的光阑，可以接收更多的入射光；将光阑设置于第二透镜和第三透镜之间，能够有效地减小镜头前端的口径；第三透镜采用正光焦度的弯月型透镜，可以增大第二透镜和第三透镜之间的距离，有利于视场像高的扩大；第四透镜采用非球面透镜，一方面能够有效地消除光学系统的像差，较好地矫正光学系统的畸变，提高镜头的解像力；另一方面，可以减少光学系统中透镜的数量，减小芯片的感光元件表面的主光线入射角。
（2）第三透镜和第四透镜采用近似对称的外切圆结构，能够有效地增大光学系统的最大像高。
（3）光学成像镜头中的各个透镜均采用玻璃透镜，相比其它材质的光学材料，玻璃材质具备更好的热稳定性，在高低温环境中能使镜头保持良好的解像力，提高镜头的防护能力，可以满足车载领域严苛的工作环境。
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 (12)

1.一种光学成像镜头，沿光轴从物侧至成像面依次包括：第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜、第四透镜和滤光片，其特征在于：
所述第一透镜具有负光焦度，所述第一透镜的物侧面和像侧面均为凹面；
所述第二透镜具有正光焦度，所述第二透镜的物侧面和像侧面均为凸面；
所述光阑设置于所述第二透镜和所述第三透镜之间；
所述第三透镜具有正光焦度，所述第三透镜的物侧面为凹面，其像侧面为凸面；
所述第四透镜具有正光焦度，所述第四透镜的物侧面和像侧面均为凸面；
其中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜均为玻璃球面透镜，所述第四透镜为玻璃非球面透镜；
所述光学成像镜头满足条件式：4.0<TTL/ImgH<4.4；
其中，TTL表示所述光学成像镜头的光学总长，ImgH表示所述光学成像镜头在所述成像面的有效像素区域最大直径的一半。
2.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足条件式：0.2<S1/TTL<0.3；
其中，S1表示所述第一透镜的物侧面中心至所述光阑的距离，TTL表示所述光学成像镜头的光学总长。
3.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足条件式：
1.8<f6/EFL<2.1；
2.4<f7/EFL<3.2；
其中，f6表示所述第三透镜的像侧面的焦距，f7表示所述第四透镜的物侧面的焦距，EFL表示所述光学成像镜头的有效焦距。
4.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足条件式：0.5<D1/D7<1；
其中，D1表示所述第一透镜的物侧面的有效口径，D7表示所述第四透镜的物侧面的有效口径。
5.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足条件式：0.1<TTL/|R1|<0.5；
其中，R1表示所述第一透镜的物侧面的曲率半径，TTL表示所述光学成像镜头的光学总长。
6.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足条件式：140°<FOV<160°；
其中，FOV表示所述光学成像镜头的视场角。
7.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足条件式：CRA<13°；
其中，CRA表示所述光学成像镜头的最大视场主光线在所述成像面的入射角。
8.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足条件式：20<TTL/CT1<35；
其中，CT1表示所述第一透镜在所述光轴的中心厚度，TTL表示所述光学成像镜头的光学总长。
9.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足条件式：7<TTL/T23<12；
其中，T23表示所述第二透镜和所述第三透镜在所述光轴上的间隔距离，TTL表示所述光学成像镜头的光学总长。
10.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足条件式：40<(V1+V3+V4)/3<60；
其中，V1表示所述第一透镜的色散系数，V3表示所述第三透镜的色散系数，V4表示所述第四透镜的色散系数。
11.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足条件式：
|φ8|max≤16°；
其中，|φ8|max表示所述第四透镜的像侧面面心角的最大值。
12.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足条件式：
-12°≤|φ7|-arctan[SD7/(R72- SD72)1/2] ≤12°；
其中，|φ7|表示所述第四透镜的物侧面在有效半口径处的面心角大小，SD7表示所述第四透镜的物侧面的有效半口径，R7表示所述第四透镜的物侧面的曲率半径。
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