CN110794556B

CN110794556B - 广角镜头及全景摄像系统

Info

Publication number: CN110794556B
Application number: CN201911061635.1A
Authority: CN
Inventors: 高博; 李伟娜; 韩建; 兰喜艳; 黄健新; 曾吉勇
Original assignee: Jiangxi Lianchuang Electronic Co Ltd
Current assignee: Hefei Lianchuang Optical Co.,Ltd.
Priority date: 2019-11-01
Filing date: 2019-11-01
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2039-11-01
Also published as: CN110794556A

Abstract

本发明提供一种广角镜头及全景摄像系统，该广角镜头包括：具有负光焦度的第一透镜；具有负光焦度的第二透镜；反射元件；具有正光焦度的第三透镜；具有正光焦度的第四透镜；光阑；具有负光焦度的第五透镜；具有正光焦度的第六透镜，且第五透镜和第六透镜组成胶合体；具有正光焦度的第七透镜；第一透镜、第三透镜、第五透镜和第六透镜均为玻璃球面镜片，第二透镜、第四透镜和第七透镜均为玻璃非球面镜片。本发明的广角镜头采用4片球面镜片、3片非球面镜片、1片反射元件相互匹配使用，能够使广角镜头的高阶像差得到有效的校正，且视场角能够达到195°以上，使该广角镜头至少具有靶面大、视场角广等特点，能够匹配1/1.7英寸大靶面芯片的成像需求。

Description

广角镜头及全景摄像系统

技术领域

本发明涉及透镜成像技术领域，特别涉及一种广角镜头及全景摄像系统。

背景技术

随着市场环境对全景相机镜头要求的不断提高，全景高清摄影镜头也变得越来越多样化了。360°全景高清摄像机进入市场已有一段时间，市场从初始的追求设计新颖阶段过渡到了性价比权衡阶段，前几年小尺寸芯片(1/2.7英寸)价格便宜但成像清晰度较差，是市场的主力军，但随着成像芯片技术的不断提高，大尺寸芯片价格逐渐降低，选择大尺寸芯片是市场的趋势，目前市场性价比比较高的芯片为1/1.7英寸。

为了满足市场需求和摄影爱好者对超高清全景镜头的需求。迫切地需要设计一种满足市场1/1.7英寸大靶面芯片、以及超高清全景摄像系统。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提供一种广角镜头及全景摄像系统，广角镜头至少具有靶面大、视场角广等特点，能够匹配1/1.7英寸大靶面芯片的成像需求。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种广角镜头，从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，第一透镜的物侧表面为凸面，像侧表面为凹面；具有负光焦度的第二透镜，第二透镜的像侧表面为凹面；反射元件，反射元件为等腰直角反射棱镜；具有正光焦度的第三透镜，第三透镜的物侧表面和像侧表面均为凸面；具有正光焦度的第四透镜，第四透镜的物侧表面和像侧表面均为凸面；光阑；具有负光焦度的第五透镜，第五透镜的像侧表面为凹面；具有正光焦度的第六透镜，第六透镜的物侧表面为凸面，像侧表面为凹面，且第五透镜和第六透镜组成胶合体；具有正光焦度的第七透镜，第七透镜的像侧表面和物侧表面均为凸面；其中，第一透镜、第三透镜、第五透镜和第六透镜均为玻璃球面镜片，第二透镜、第四透镜和第七透镜均为玻璃非球面镜片。广角镜头满足条件式：0.1<Sd7/TL<0.3，Sd7为反射元件的直角边长度，TL为广角镜头的光学总长。

第二方面，本发明还提供一种全景摄像系统，包括两组如第一方面提供的广角镜头，广角镜头中心对称设置，两组广角镜头的成像面以中心对称的方式相对放置。

相较于现有技术，本发明提供的广角镜头采用4片球面镜片、3片非球面镜片、1片反射元件相互匹配使用，尤其是在指定位序使用非球面镜片，能够使广角镜头的高阶像差得到有效的校正，且视场角能够达到195°以上，使该广角镜头至少具有靶面大、视场角广等特点，能够匹配1/1.7英寸大靶面芯片的成像需求。此外，本发明提供的全景摄像系统包括两组中心对称的广角镜头，反射元件前端光路的总长小，双广角镜头拼接后的总体长度小，满足了市场对小体积、大靶面以及广视场角的使用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明第一实施例提供的一种广角镜头的结构示意图；

图2是本发明第一实施例提供的一种广角镜头的光路示意图；

图3是本发明第一实施例中广角镜头的场曲曲线图；

图4是本发明第一实施例中广角镜头的畸变曲线图；

图5是本发明第一实施例中广角镜头的MTF曲线；

图6是本发明第二实施例提供的广角镜头的结构示意图；

图7是本发明第二实施例中广角镜头的场曲曲线图；

图8是本发明第二实施例中广角镜头的畸变曲线图；

图9是本发明第二实施例中广角镜头的MTF曲线；

图10是本发明第三实施例提供的全景摄像系统的结构示意图。

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。

本发明提供一种广角镜头，从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，第一透镜的物侧表面为凸面，像侧表面为凹面；具有负光焦度的第二透镜，第二透镜的像侧表面为凹面；反射元件，反射元件为等腰直角反射棱镜；具有正光焦度的第三透镜，第三透镜的物侧表面和像侧表面均为凸面；具有正光焦度的第四透镜，第四透镜的物侧表面和像侧表面均为凸面；光阑；具有负光焦度的第五透镜，第五透镜的像侧表面为凹面；具有正光焦度的第六透镜，第六透镜的物侧表面为凸面，像侧表面为凹面，且第五透镜和第六透镜组成胶合体；具有正光焦度的第七透镜，第七透镜的像侧表面和物侧表面均为凸面；其中，第一透镜、第三透镜、第五透镜和第六透镜均为玻璃球面镜片，第二透镜、第四透镜和第七透镜均为玻璃非球面镜片。为在良好地矫正像差的同时提供合适的镜头尺寸，广角镜头满足条件式：0.1<Sd7/TL<0.3，Sd7为反射元件的直角边长度，TL为广角镜头的光学总长。当Sd7/TL的值超过上限时，反射元件的直角边长度过长，镜头的整体总长过短，解像能力显著下降；当Sd7/TL的值超过下限时，反射元件的直角边长度过短，解像能力显著下降，且镜头的整体总长过长，增加了全景拼接镜头的整体长度。

本实施例提供的广角镜头通过将球面镜片和非球面镜片混合使用，尤其是在指定位序使用非球面镜片，能够使广角镜头的高阶像差得到有效地校正。另外，本实施例提供的广角镜头的视场角大，视场角可达到195°以上，还具有畸变小、靶面大等优点。例如，靶面的对角线长度大于5.4mm。广角镜头中的各个透镜均为玻璃镜片，以使广角镜头具有高低温度产生焦面漂移量小的优点，能够适应不同的温度场合，温度控制较好，且具有较高的使用寿命和稳定性。

在一些实施方式中，为在组成全景摄像系统时能限制全景摄像系统的总长，并确保全景摄像系统具有足够好的成像品质，广角镜头满足以下条件式：

20<TL<40，10<LF<20； (1)

0.3<LF/TL<0.6； (2)

其中，TL为广角镜头的光学总长，LF为第一透镜物侧表面的顶点到反射元件的中心点之间的距离。

当LF/TL的值超过上限时，第一透镜物侧表面的顶点到反射元件的中心点之间的长度过长，光学总长过短，解像能力显著下降；当LF/TL的值超过下限时，第一透镜物侧表面的顶点到反射元件的中心点之间的长度过短，解像能力显著下降。广角镜头100满足条件式(1)和(2)时，广角镜头解像能力良好，能够满足高清成像的需求。

在一些实施方式中，广角镜头满足以下条件式：

1<f<3，h>5，2θ>195°； (3)

8<TL/(f*θ)<16； (4)

其中，f为广角镜头的焦距，2θ为广角镜头的全视场角，h为广角镜头全视场角对应的像高，TL为广角镜头的光学总长。

经多次测试发现，当TL/(f*θ)的值超过上限时，镜头的整体总长过长，镜片的中心厚度与边缘厚度比过大，增加了加工难度；当TL/(f*θ)的值超过下限时，镜头的整体总长过短，镜头场曲矫正困难，像面成像一致性较差。广角镜头100满足条件式(3)和(4)时，广角镜头解像能力良好。

在一些实施方式中，为在良好的矫正像差的同时提供合适的镜头尺寸，广角镜头满足以下条件式：

0.2<1/R4-1/R3<0.4； (5)

其中，R4为第二透镜的像侧表面的曲率半径，R3为第二透镜的物侧表面的曲率半径。

当1/R4-1/R3的值超过上限时，反射元件的边缘反射光线角度过大，会降低广角镜头的整体解像能力；当1/R4-1/R3的值超过下限时，反射元件的边缘反射光线角度过小，会降低反射元件边缘光线的反射能力，导致中间视场过亮边缘较暗。即广角镜头100满足条件式(5)时，全景拼接镜头解像能力良好，且成像面中心与边缘照度均匀。

在一些实施方式中，广角镜头满足以下条件式：

其中，

为第一透镜和第二透镜的组合光焦度，

为广角镜头的光焦度。

当

的值超过上限时，镜头的正畸变过大；当

的值超过下限时，镜头的负畸变过大；镜头的畸变过大会影响边缘成像与中心成像的图像压缩比，进而降低了全景拼接镜头的拼接效果。即广角镜头100满足条件式(6)时，全景拼接镜头的畸变良好。

在一些实施方式中，为保证镜头的温度特性良好，同时提供合适的镜头尺寸，广角镜头满足以下条件式：

0.4<GT/TL<0.6； (7)

其中，GT为广角镜头的全部镜片厚度之和，TL为广角镜头的光学总长。

当GT/TL的值超过下限时，广角镜头中的各镜片之间过于稀松，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GT/TL的超过上限时，广角镜头各镜片之间过于紧凑，镜片无法很好地弯曲校正像差，从而使镜头解像无法提高。

在一些实施方式中，为在良好地矫正像差的同时提供合适的镜头尺寸，广角镜头满足以下条件式：

0.8<f1234/f<1.5； (8)

5<f567/f<10； (9)

其中，f为广角镜头的焦距，f1234为第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的组合焦距，f567为第五透镜、第六透镜和第七透镜的组合焦距。

前四个透镜(第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜)与反射元件组成前透镜群，该前透镜群可以有效地将宽视场角物面光汇聚进入镜头内，且未产生较大像差；后三个透镜(第五透镜、第六透镜和第七透镜)组成后透镜群，与前透镜群形成呼应，有效地配合前透镜群，并合理地去除像差。当f1234/f的值超过下限时，其产生的像差、场曲、畸变过大，很难矫正；当f1234/f的值超过上限时，上述各种像差相对减小，但其屈光能力下降导致系统加长，增加了全景镜头的拼接总长。

在一些实施方式中，广角镜头满足以下条件式：

BL>2.2； (10)

其中，BL为第七透镜的像侧表面顶点到成像面的距离。

当该距离过短会增加镜头的加工及装配难度，满足条件式(10)可以降低镜头的加工以及装配难度。

在一些实施方式中，广角镜头满足以下条件式：

F-Theta畸变<5％；(11)其中，F-Theta畸变为广角镜头的畸变。

当F-Theta畸变过大会导致像面边缘与中心大小比例过大，影响拼接效果以及视觉效果。

在一些实施方式中，本发明还提供一种全景摄像系统，包括两组如第一方面提供的广角镜头，广角镜头中心对称设置，两组广角镜头的成像面以中心对称的方式相对设置。

本发明各个实施例中广角镜头的非球面镜的表面形状可以均满足下列方程：

其中，z为曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c为曲面顶点的曲率，K为二次曲面系数，h为光轴到曲面的距离，B、C、D和E分别为四阶、六阶、八阶和十阶曲面系数。

在以下各个实施例中，广角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广角镜头100结构示意图请参阅图1，从物侧到成像面S21依次包括第一透镜L1、第二透镜L2、反射元件13、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6以及第七透镜L7。

第一透镜L1具有负光焦度，第一透镜的物侧表面S1为凸面，第一透镜的像侧表面S2为凹面，第一透镜L1为玻璃球面透镜，可以采用折射率较高的玻璃透镜，高折射率材料能够达到快速收光、减小第一透镜像侧表面S2的面倾角度的效果，还可降低加工成本。

第二透镜L2具有负光焦度，第二透镜的物侧表面S3为凹面，第二透镜的像侧表面S4为凹面，且第二透镜L2为玻璃非球面透镜。

第三透镜L3具有正光焦度，第三透镜L3为双凸玻璃球面透镜，第三透镜的物侧表面S5和第三透镜的像侧表面S6均为凸面。

第四透镜L4具有正光焦度，第四透镜L4为双凸玻璃非球面透镜，第四透镜的物侧表面S7和第四透镜的像侧表面S8均为凸面。

第五透镜L5具有负光焦度，且第五透镜的物侧表面S9和第五透镜的像侧表面S10-1均为凹面，第五透镜L5为玻璃球面透镜。

第六透镜L6具有正光焦度，且第六透镜的物侧表面S10-2为凸面，第六透镜的像侧表面为S11，第六透镜L6为玻璃球面透镜。

第五透镜L5和第六透镜L6组成胶合体，即第五透镜的像侧表面S10-1和第六透镜的物侧表面S10-2胶合形成胶合面S10，从而有效地减小色差，最大程度地减少紫边现象。

第七透镜L7具有正光焦度，且第七透镜的物侧表面S12和第七透镜的像侧表面S13均为凸面，第七透镜L7为玻璃非球面镜。

反射元件13设置于第二透镜L2和第三透镜L3之间。

反射元件13可以是平面反射镜，可以以任何需要的角度设置以弯折光路，使整个广角镜头100的结构紧凑。例如，将反射元件13的平面和第二透镜L2的出射光路以45°夹角设置，从而将从第二透镜L2出射并入射到反射元件13的光线以90°弯折后，再进入第三透镜L3。在本实施例中，反射元件13为等腰直角反射棱镜，其包括入射面131、反射面132和出射面133，反射面132将从入射面131入射的光线以90°弯折后从出射面133射出。

请参阅图2，反射元件13设置于第二透镜L2之后，使广角镜头100的入射光路发生了预设度数(例如90°)偏折，极大地缩短了反射元件13的前端光路(从第一透镜L1到反射元件13的中心)的总长，当两个广角镜头拼接成360°全景摄像系统(如图10所示)时，在第一透镜L1到第二透镜L2、反射元件13至另一个广角镜头的反射元件13、第二透镜L2以及第一透镜L1的方向上，总体长度缩短，满足了市场对小体积薄镜头的使用需求。例如，第一透镜L1至反射元件13的中心的光路总长小于18.5mm，拼接后的全景拼接摄像系统的总长度小于40mm。

在本实施例中，广角镜头100还可以包括光阑14，光阑14位于第三透镜L3和第四透镜L4之间。光阑14设置于不同位置可以满足不同芯片的CRA角度(chief ray angle，主光线角度)。光阑14的作用在于精确调整通光量，为了在光线较暗的场景下拍到清晰的图片，需要较大的光通量镜头。光阑14设置在此位置有利于控制到达像面的主光线入射角度，使其有效的控制在15±3度以内，更符合成像芯片的入射要求。

在本实施例中，广角镜头100还可以包括滤光片15或者滤光片组(即两个或多个滤光片形成的组合)，滤光片15置于第七透镜L7和成像面IM之间。通过滤光片15抑制非工作波段光透过，有效地减少光学系统的色差和杂光，提升镜头的成像效果。

在本实施例中，广角镜头100还包括盖玻璃16，盖玻璃16位于滤光片15和成像面IM之间。

综上，本实施例提供的广角镜头100通过将4片球面镜片和3片非球面镜片混合使用，尤其是在指定位序使用非球面镜片，能够使广角镜头100的高阶像差得到有效校正。另外，本实施例提供的广角镜头100的视场角大，可达到195°以上，还具有畸变小，靶面大等优点。例如，靶面的对角线长度大于5.4mm，能够匹配1/1.7英寸大靶面芯片的成像需求。广角镜头100的镜片(L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7)均为玻璃镜片，以使广角镜头100具有高低温度产生焦面漂移量小的优点，能够适应不同的温度场合，温度控制较好，且具有较高的使用寿命和稳定性。

本实施例提供的广角镜头100的各个镜片相关参数如表1所示。

表1

本实施提供的广角镜头100的各透镜的非球面相关参数如表2所示。

表2

本实施例提供的广角镜头100的场曲曲线图、F-Theta畸变曲线图分别如图3和图4所示，从图中可以看出，广角镜头100的场曲和畸变都被良好地矫正。图5为广角镜头100的MTF曲线，体现出广角镜头100具有良好的分辨率及解像能力。

第二实施例

本实施例提供的一种广角镜头200的结构示意图请参阅图6。本实施例中的广角镜头200的结构与第一实施例中的广角镜头100的结构大抵相同，不同之处在于：本实施中的广角镜头200的第二透镜L2的物侧表面S3为凸面，第五透镜L5的物侧表面S9为凸面，以及第五透镜L5和第六透镜L6的阿贝数差异不同和对色差的补偿能力不同。

本实施提供的广角镜头200中各个透镜的镜片相关参数参如表3所示。

表3

本实施例提供的广角镜头200中的各透镜的非球面相关参数如表4所示。

表4

表面序号	K	B	C	D	E
						S3	-1.00E+02	-2.47E-04	-1.35E-05	5.64E-07	-5.88E-09
S4	-6.43E-01	6.02E-04	6.75E-05	-9.04E-06	4.93E-07
						S7	5.72E-01	-9.52E-04	4.21E-05	-1.25E-05	5.17E-07
S8	3.11E+01	3.53E-04	9.16E-05	-1.31E-05	6.09E-07
						S12	-7.42E-01	-1.32E-03	3.38E-05	2.80E-06	-3.45E-07
S13	-3.50E+00	-8.88E-04	5.24E-05	-2.31E-06	-2.27E-07

本实施例提供的广角镜头200的场曲曲线图、F-Theta畸变曲线图分别如图7和图8所示，从图中可以看出，广角镜头200的场曲和畸变都被良好地矫正。图9为广角镜头200的MTF曲线，体现出广角镜头200具有良好的分辨率及解像能力。

表5为上述2个实施例(第一实施例、第二实施例)对应的光学特性，主要包括焦距f、光圈数F#、系统光学总长TL和视场角2θ，以及与上述每个条件式对应的数值。

表5

第三实施例

请参阅图10，本实施例提供的全景摄像系统300包括两组如第一实施例、第二实施例中的任意一个提供的广角镜头100或200，两组广角镜头呈中心对称设置，两组广角镜头的成像面IM以中心对称的方式相对设置。

本实施例提供的全景摄像系统300，将反射元件置于广角镜头的第二透镜L2之后，使广角镜头的入射光路进行90°偏折，极大地缩短反射元件前端光路的总长，降低了双广角镜头拼接后的总体长度，满足了市场对小体积、薄镜头的使用需求。采用全玻璃材质镜片与反射元件的搭配时，可以在保证高低温解像性能良好的情况下，最大限度的缩短镜头的拼接尺寸，同时也降低了镜片的加工难度与成本，同时还具有前述各个实施例所述的其他有益效果。

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

1.一种广角镜头，其特征在于，从物侧到成像面依次由以下七个透镜组成：

具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧表面为凸面，像侧表面为凹面；

具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜的像侧表面为凹面；

反射元件，所述反射元件为等腰直角反射棱镜；

具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧表面和像侧表面均为凸面；

光阑；

具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧表面和像侧表面均为凸面；

具有负光焦度的第五透镜，所述第五透镜的像侧表面为凹面；

具有正光焦度的第六透镜，所述第六透镜的物侧表面为凸面，像侧表面为凹面，且所述第五透镜和所述第六透镜组成胶合体；以及

具有正光焦度的第七透镜，所述第七透镜的像侧表面和物侧表面均为凸面；

其中，所述第一透镜、所述第三透镜、所述第五透镜和所述第六透镜均为玻璃球面镜片，所述第二透镜、所述第四透镜和所述第七透镜均为玻璃非球面镜片；

所述广角镜头满足条件式：0.1<Sd7/TL<0.3；

1mm<f<3mm，h≥5.55mm，2θ>195°；

12.3≤TL/(f*θ)<16；

其中，Sd7为所述反射元件的直角边长度，TL为所述广角镜头的光学总长，f为所述广角镜头的焦距，2θ为所述广角镜头的全视场角，h为所述广角镜头全视场角对应的像高，TL为所述广角镜头的光学总长。

2.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头满足以下条件式：

20mm<TL<40mm，10mm<LF<20mm；

0.3<LF/TL<0.6；

其中，TL为所述广角镜头的光学总长，LF为所述第一透镜物侧表面的顶点到所述等腰直角反射棱镜的中心点之间的距离。

3.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头满足以下条件式：

0.2<1/R4-1/R3<0.4；

其中，R4为所述第二透镜的像侧表面的曲率半径，R3为所述第二透镜的物侧表面的曲率半径。

4.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头满足以下条件式：

-0.7<φ12/φ<-0.6;

其中，φ12为所述第一透镜和所述第二透镜的组合光焦度，φ为所述广角镜头的光焦度。

5.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头满足以下条件式：

0.4<GT/TL<0.6；

其中，GT为所述广角镜头的全部镜片厚度之和，TL为所述广角镜头的光学总长。

6.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头满足以下条件式：

0.8< f1234/f <1.5；

5<f567/f <10；

其中，f为所述广角镜头的焦距，f1234为所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的组合焦距，f567为所述第五透镜、所述第六透镜和所述第七透镜的组合焦距。

7.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头满足以下条件式：

BL>2.2mm；

其中，BL为所述第七透镜的像侧表面顶点到所述成像面的距离。

8.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头满足以下条件式：

F-Theta畸变< 5%；

其中，F-Theta畸变为所述广角镜头的畸变。

9.一种全景摄像系统，其特征在于，包括两组如权利要求1-8任一项所述的广角镜头，所述广角镜头中心对称设置，两组所述广角镜头的成像面以中心对称的方式相对设置。