CN111722369A - 一种超广角镜头 - Google Patents

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CN111722369A CN202010722878.1A CN202010722878A CN111722369A CN 111722369 A CN111722369 A CN 111722369A CN 202010722878 A CN202010722878 A CN 202010722878A CN 111722369 A CN111722369 A CN 111722369A
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Abstract

本发明实施例公开了一种超广角镜头。该镜头包括沿光轴由物侧到像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜；第一透镜为具有负光焦度的弯月型塑料非球面镜片或玻璃球面镜片；第二透镜为具有负光焦度的弯月型塑料非球面镜片；第三透镜为具有负光焦度的双凹型塑料非球面镜片；第四透镜为具有正光焦度的双凸型玻璃球面镜片；第五透镜为具有正光焦度的双凸型塑料非球面镜片；第六透镜为具有负光焦度的双凹型塑料非球面镜片；第七透镜为具有正光焦度的双凸型塑料非球面镜片。本发明实施例能降低生产成本，实现低畸变、低失真、小型化，还能实现120°‑175°的视场角，F‑Theta畸变小于‑12％。

Description

一种超广角镜头
技术领域
本发明实施例涉及光学镜头技术，尤其涉及一种超广角镜头。
背景技术
随着电子技术的发展和镜头应用需求的提升，现今镜头除了向大视场角发展外，还需要具备低畸变以及高亮度的能力。例如监控系统中，为了摄取更多的拍摄画面，能看到更广阔的范围，都会追求超广角的性能。但是，现在市场上的超广角镜头多采用玻璃非球面镜片制成，其制造难度大、生产成本也较高；此外，现有的超广角镜头仍然存在成像问题，包括存在死角、清晰度差等缺点，尤其当视场角超过120°时畸变过大，成像后的图像变形严重，影响监控效果。
发明内容
本发明提供一种超广角镜头，以实现超广角的同时，保证低畸变且能良好修正各种像差，减少玻璃非球面镜片的数量，降低制造和生产成本。
第一方面，本发明实施例提供了一种超广角镜头，包括沿光轴由物侧到像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜；
所述第一透镜为具有负光焦度的弯月型的塑料非球面镜片或玻璃球面镜片；所述第二透镜为具有负光焦度的弯月型塑料非球面镜片；所述第三透镜为具有负光焦度的双凹型塑料非球面镜片；所述第四透镜为具有正光焦度的双凸型玻璃球面镜片；所述第五透镜为具有正光焦度的双凸型塑料非球面镜片；所述第六透镜为具有负光焦度的双凹型塑料非球面镜片；所述第七透镜为具有正光焦度的双凸型塑料非球面镜片。
可选地，所述超广角镜头的光圈F#满足关系式：1.6≤F#≤2.4。
可选地，所述超广角镜头的焦距为f，所述第一透镜至所述第七透镜的焦距依次为f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7；所述第一透镜至所述第七透镜与所述超广角镜头的焦距满足以下关系式：
1.05≤|f1/f|≤2.5；
3.5≤|f2/f|；
3.0≤|f3/f|；
1.3≤|f4/f|≤2.5；
|f5/f|≤1.98；
0.8≤|f6/f|≤1.7；
1.45≤|f 7/f|。
可选地，所述第一透镜的折射率n1≥1.5。
可选地，所述第三透镜的焦距f3与所述第一透镜的前表面顶点到像面的距离TTL满足关系式：|TTL/f3|≤2.48。
可选地，所述第四透镜的折射率n4≥1.8，所述第四透镜的阿贝数V4≥25。
可选地，所述第一透镜的像侧面曲率半径R1与所述第四透镜的像侧面曲率半径R4满足关系式：R1/R4≤0.45。
可选地，所述第五透镜的物侧面的曲率半径R5与所述第六透镜的物侧面的曲率半径满足R6满足关系式：0.05≤|R5/R6|。
可选地，所述第七透镜的像侧面的曲率半径R7满足关系式：|R7|≤6.6。
可选地，所述第六透镜于光轴上的中心厚度CT6与第七透镜于光轴上的中心厚度CT7满足关系式：0.17≤CT6/CT7≤0.56。
本发明实施例提供的超广角镜头，通过沿光轴由物侧到像侧依次设置第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜；并且设置第一透镜为具有负光焦度的弯月型的塑料非球面镜片或玻璃球面镜片；第二透镜为具有负光焦度的弯月型塑料非球面镜片；第三透镜为具有负光焦度的双凹型塑料非球面镜片；第四透镜为具有正光焦度的双凸型玻璃球面镜片；第五透镜为具有正光焦度的双凸型塑料非球面镜片；第六透镜为具有负光焦度的双凹型塑料非球面镜片；第七透镜为具有正光焦度的双凸型塑料非球面镜片，实现了2G5P或1G6P的超广角镜头结构。本发明实施例可实现采用两枚玻璃镜片和5枚塑料镜片或一枚玻璃镜片和6枚塑料镜片混合构成的超广角镜头，不仅能够减少玻璃非球面透镜的数量，降低镜片的制造难度，有效改善生产成本，还能够实现超广角镜头的低畸变、低失真、小型化的特性，使得视场角2w在120°-175°范围内，F-Theta畸变小于-12％，光学总长TTL小于17.5mm，并且还能满足红外共焦，保证能在-40℃-+80℃下工作。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种超广角镜头的结构示意图；
图2是图1所示超广角镜头的场曲曲线图；
图3是图1所示超广角镜头的畸变曲线图；
图4是图1所示超广角镜头的光线光扇图；
图5是图1所示超广角镜头的轴向像差；
图6是图1所示超广角镜头的垂轴色差；
图7是图1所示超广角镜头的点列图；
图8是本发明实施例提供的另一种超广角镜头的结构示意图；
图9是图8所示超广角镜头的场曲曲线图；
图10是图8所示超广角镜头的畸变曲线图；
图11是图8所示超广角镜头的光线光扇图；
图12是图8所示超广角镜头的轴向像差；
图13是图8所示超广角镜头的垂轴色差；
图14是图8所示超广角镜头的点列图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1是本发明实施例提供的一种超广角镜头的结构示意图，参考图1，该超广角镜头包括沿光轴由物侧到像侧依次设置的第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15、第六透镜16、第七透镜17；
第一透镜11为具有负光焦度的弯月型的塑料非球面镜片或玻璃球面镜片；第二透镜12为具有负光焦度的弯月型塑料非球面镜片；第三透镜13为具有负光焦度的双凹型塑料非球面镜片；第四透镜14为具有正光焦度的双凸型玻璃球面镜片；第五透镜15为具有正光焦度的双凸型塑料非球面镜片；第六透镜16为具有负光焦度的双凹型塑料非球面镜片；第七透镜17为具有正光焦度的双凸型塑料非球面镜片。
其中，可以理解的是，光焦度等于像方光束汇聚度与物方光束汇聚度之差，它表征光学系统偏折光线的能力。光焦度的绝对值越大，对光线的弯折能力越强，光焦度的绝对值越小，对光线的弯折能力越弱。光焦度为正数时，光线的屈折是汇聚性的；光焦度为负数时，光线的屈折是发散性的。如图1所示的超广角镜头中，设置第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13以及第六透镜6为负光焦度的透镜，设置第四透镜14、第五透镜15和第七透镜17为正光焦度的透镜，可以利用第一透镜11增大视场角，利用其他透镜进行光线的汇聚和发散的同时，对轴上像差和轴外像差等进行校正，从而改善成像质量，实现大靶面和大视场角的镜头。具体地，设置第一透镜11、第二透镜12和第三透镜13的光焦度为负，可以配合起到控制光学系统入射角的作用，实现大的视场角；在此基础上，通过其他透镜的光焦度配合，可对该超广角镜头的像差进行校正，保证该超广角镜头具有较高的解像力。
在上述的基础上，将第二透镜12、第三透镜13、第五透镜15、第六透镜16和第七透镜17设置采用塑料非球面镜片，而第一透镜11采用设置为塑料非球面镜片或玻璃球面镜片，第四透镜14设置采用玻璃球面镜片，可以利用两个玻璃镜片和五个塑料镜片或一个玻璃镜片和六个塑料镜片，实现玻璃镜片和塑料镜片的混合以及相互补偿，即可通过塑料镜片制成非球面透镜，更好地校正轴向色差，实现日夜共焦功能；还能利用塑料制备非球面能够降低制造难度，来缩减生成成本；此外，其中，对于成像质量要求较高的第一透镜11和第四透镜14采用玻璃球面镜片，能够降低整个超广角镜头对温度的敏感度，保证镜头满足较高或较低温度下的稳定成像，在-40℃-+80℃环境下使用保证解像力满足成像要求。需要说明的是，本发明实施例提供的超广角镜头中，各透镜的具体形状例如第一透镜11、第二透镜12采用弯月型、第三透镜13采用双凹型，其目的用于在光焦度确定的前提下，进行相互配合更好地实现轴上像差和轴外色差的校正，降低畸变，在满足超广角的前提下优化成像质量，保证成像的清晰度。
本发明实施例提供的超广角镜头，通过沿光轴由物侧到像侧依次设置第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜；并且设置第一透镜为具有负光焦度的弯月型的塑料非球面镜片或玻璃球面镜片；第二透镜为具有负光焦度的弯月型塑料非球面镜片；第三透镜为具有负光焦度的双凹型塑料非球面镜片；第四透镜为具有正光焦度的双凸型玻璃球面镜片；第五透镜为具有正光焦度的双凸型塑料非球面镜片；第六透镜为具有负光焦度的双凹型塑料非球面镜片；第七透镜为具有正光焦度的双凸型塑料非球面镜片，实现了2G5P或1G6P的超广角镜头结构。本发明实施例可实现采用两枚玻璃镜片和5枚塑料镜片或一枚玻璃镜片和6枚塑料镜片混合构成的超广角镜头，不仅能够减少玻璃非球面透镜的数量，降低镜片的制造难度，有效改善生产成本，还能够实现超广角镜头的低畸变、低失真、小型化的特性，使得视场角2w在120°-175°范围内，F-Theta畸变小于-12％，光学总长TTL小于17.5mm，并且还能满足红外共焦，保证能在-40℃-+80℃下工作。
对于该鱼眼镜头中的其他透镜，本发明实施例还提供了具体地实现方式。继续参考图1，具体地，超广角镜头的光圈F#满足关系式：1.6≤光圈F#≤2.4。
进一步地，可设置第一透镜至第七透镜与超广角镜头的焦距满足以下关系式：
1.05≤|f1/f|≤2.5；
3.5≤|f2/f|；
3.0≤|f3/f|；
1.3≤|f4/f|≤2.5；
|f5/f|≤1.98；
0.8≤|f6/f|≤1.7；
1.45≤|f7/f|；
其中，第一透镜至第七透镜的焦距依次为f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7。
第一透镜11通过焦距设置可以调控整个超光角镜头的视场角，进一步地，可设置第一透镜的折射率n1≥1.5。此时，第一透镜11具有较高的折射率，配合采用低色散系数的材料制备，可以有助于镜头收容大角度光线，实现超大视角。
第二透镜12用于平缓由第一透镜11出射的光线，缓解入射角的大小值；而第三透镜13则用于通过焦距设置控制整个超广角镜头的光学总长，有助于实现镜头的小型化。对于第三透镜13，可选设置第三透镜的焦距f3与第一透镜的前表面顶点到像面的距离TTL满足关系式：|TTL/f3|≤2.48。此时，利用第三镜头13的焦距和光学总长TTL的关系，可以限定该超广角镜头的整体比例和整体尺寸，保证该超广角镜头符合实际装配时的尺寸要求，有助于实现小型化。
而第四透镜14、第五透镜15、第六透镜16和第七透镜17则主要负责对场曲和像散进行校正。可选地，第四透镜14的折射率n4和阿贝数V4可设置满足：n4≥1.8，V4≥25。此时，第四透镜14具有高色散和高折射率的特性，既能够弥补色差，还能使镜片的曲率半径变小，从而有助于校正镜片公差的敏感度。
进一步地，还可设置第一透镜的像侧面曲率半径R1与第四透镜的像侧面曲率半径R4满足关系式：R1/R4≤0.45；第五透镜的物侧面的曲率半径R5与第六透镜的物侧面的曲率半径满足R6满足关系式：0.05≤|R5/R6|；第七透镜的像侧面的曲率半径R7满足关系式：|R7|≤6.6。
其中，合理限制第一透镜11、第四透镜14、第五透镜15、第六透镜16和第七透镜17的曲率半径及比例关系，能够保证各透镜间的光焦度配合，从而有助于得到更好的像质，使镜头的整体焦距做到更小，光圈更大；还有利于减小光线入射角，使光线入射角小于或等于16°。
该超广角镜头在设计时，可以根据实际镜头尺寸的需求来调节各透镜的相关参数，从而满足实际装配时的尺寸要求。在上述实施例提供的超广角镜头的基础上，可设置第六透镜16于光轴上的中心厚度CT6与第七透镜17于光轴上的中心厚度CT7满足关系式：0.17≤CT6/CT7≤0.56。此时通过限制第六透镜16和第七透镜17的厚度比例，可以保证第六透镜16和第七透镜17进行相互补偿校正像差的同时，适当限制透镜尺寸，有助于实现镜头的小型化。
下面以两个具体实施例对上述的超广角镜头进行说明。如图1所示，该超广角镜头包括沿光轴由物侧到像侧依次设置的第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15、第六透镜16、第七透镜17；
第一透镜11为具有负光焦度的弯月型的玻璃球面镜片；第二透镜12为具有负光焦度的弯月型塑料非球面镜片；第三透镜13为具有负光焦度的双凹型塑料非球面镜片；第四透镜14为具有正光焦度的双凸型玻璃球面镜片；第五透镜15为具有正光焦度的双凸型塑料非球面镜片；第六透镜16为具有负光焦度的双凹型塑料非球面镜片；第七透镜17为具有正光焦度的双凸型塑料非球面镜片。
其中，在该实施例中，第一透镜11至第七透镜17的各个设计值如下表1所示。
表1为所述超广角镜头的一种设计值(f＝2.6mm；光圈F#2.0)：
面序号 面型 曲率半径 厚度 折射率 拟合圆锥系数K
S1 标准面 23.8 0.6 1.816
S2 标准面 3.26 1.46
S3 非球面 6.58 0.6 1.53 3.90
S4 非球面 3.00 1.19 -0.50
S5 非球面 -19.47 0.6 1.66 60.00
S6 非球面 9.55 0.02 0
S7 标准面 9.26 2.03 2.05
S8 标准面 -7.92 -0.01
光阑 PL Infinity 2.03
S10 非球面 7.02 1.55 1.53 2.62
S11 非球面 -4.17 0.08 -9.99
S12 非球面 48.1 0.59 1.66 -154.9
S13 非球面 2.50 0.16 -4.32
S14 非球面 4.04 2.13 1.53 -1.36
S15 非球面 -4.36 0.87 0.55
表1中的面序号根据各个透镜的表面顺序来进行编号，其中“S1”代表第一透镜的前表面，“S2”代表第一透镜的后表面，依次类推；曲率半径代表镜片表面的弯曲程度，正值代表该表面弯向像面一侧，负值代表该表面弯向物面一侧；厚度代表当前表面到下一表面的中心轴向距离，折射率代表当前表面到下一表面之间的材料对光线的偏折能力，空格代表当前位置为空气，折射率为1。
非球面圆锥系数可用以下非球面公式进行限定，但不仅限于以下表示方法：
Figure BDA0002600654610000101
其中，z为非球面Z向的轴向矢高；r为非球面的高度；c为拟合球面的曲率，数值上为曲率半径的倒数；k为拟合圆锥系数；A-G为非球面多项式的4阶、6阶、8阶、10阶、12阶、14阶、16阶项系数。
本实施例中非球面面型参数见表2：
表2为所述超广角镜头中非球面系数的一种设计值
面序号 A B C D E F
3 1.22E-03 -1.82E-03 1.84E-04 1.23E-05 -5.46E-06 3.31E-07
4 1.00E-02 -1.53E-03 -1.05E-04 1.27E-04 2.79E-06 -4.53E-06
5 5.50E-03 -1.04E-03 2.39E-04 -5.28E-05 2.68E-05 -4.80E-06
6 2.16E-03 -2.64E-05 -7.40E-04 3.81E-04 -8.06E-05 5.96E-06
10 1.16E-03 1.39E-03 -3.75E-04 1.37E-04 -2.83E-05 2.47E-06
11 -6.73E-03 4.42E-03 -9.39E-04 1.38E-04 -2.74E-05 2.55E-06
12 -2.52E-02 6.50E-03 -6.04E-04 -2.91E-04 7.06E-05 -5.93E-06
13 -5.49E-03 7.00E-04 9.59E-05 -6.50E-05 1.26E-05 -1.10E-06
14 -7.40E-04 -3.06E-03 6.81E-04 -3.39E-05 -2.04E-06 -2.79E-09
15 1.09E-03 -4.70E-05 -3.38E-05 1.87E-05 -3.76E-06 3.98E-07
图2是图1所示超广角镜头的场曲曲线图；图3是图1所示超广角镜头的畸变曲线图；图4是图1所示超广角镜头的光线光扇图；图5是图1所示超广角镜头的轴向像差；图6是图1所示超广角镜头的垂轴色差；图7是图1所示超广角镜头的点列图。由图2可以看出，该超广角镜头对光线所产生的子午方向与弧矢方向场曲介于±0.1mm之间；由图3可以看出，超广角镜头的最大畸变在-12％以内。由图4可以看出，不同视场角下不同波长的成像范围均在±20μm以内；由图5和图6可以看出，不同波长光线所产生的轴向色差在±0.02mm以内，垂轴色差在艾里斑以内，由图7可以看出，在不同视场位置处的艾里斑半径均小于3μm。由上可知，本发明实施例提供的超广角镜头，不仅可对轴向像差和垂轴色差进行校正，还能降低畸变，实现对成像的优化。
图8是本发明实施例提供的另一种超广角镜头的结构示意图，参考图8，该超广角镜头包括沿光轴由物侧到像侧依次设置的第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜14、第五透镜15、第六透镜16和17第七透镜；
第一透镜11为具有负光焦度的弯月型的塑料非球面镜片；第二透镜12为具有负光焦度的弯月型塑料非球面镜片；第三透镜13为具有负光焦度的双凹型塑料非球面镜片；第四透镜14为具有正光焦度的双凸型玻璃球面镜片；第五透镜15为具有正光焦度的双凸型塑料非球面镜片；第六透镜16为具有负光焦度的双凹型塑料非球面镜片；第七透镜17为具有正光焦度的双凸型塑料非球面镜片。
其中，在该实施例中，第一透镜21至第七透镜27的各个设计值如下表3所示。
表3为所述超广角镜头的一种设计值(f＝2.62mm；光圈F#2.0)：
Figure BDA0002600654610000111
Figure BDA0002600654610000121
本实施例中非球面面型参数见表4：
表4为所述超广角镜头中非球面系数的一种设计值
Figure BDA0002600654610000122
Figure BDA0002600654610000131
图9是图8所示超广角镜头的场曲曲线图；图10是图8所示超广角镜头的畸变曲线图；图11是图8所示超广角镜头的光线光扇图；图12是图8所示超广角镜头的轴向像差；图13是图8所示超广角镜头的垂轴色差；图14是图8所示超广角镜头的点列图；由图9可以看出，该超广角镜头对光线所产生的子午方向与弧矢方向场曲介于±0.15mm之间；由图10可以看出，超广角镜头的最大畸变在﹣12％以内。由图11可以看出，不同视场角下不同波长的成像范围均在±20μm以内；由图12和图13可以看出，不同波长光线所产生的轴向色差在±0.02mm以内，垂轴色差在±4μm以内，由图14可以看出，在不同视场位置处的艾里斑半径均小于5μm。由上可知，本发明实施例提供的超广角镜头，不仅可对轴向像差和垂轴色差进行校正，还能降低畸变，实现对成像的优化。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种超广角镜头，其特征在于，包括沿光轴由物侧到像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜；
所述第一透镜为具有负光焦度的弯月型的塑料非球面镜片或玻璃球面镜片；所述第二透镜为具有负光焦度的弯月型塑料非球面镜片；所述第三透镜为具有负光焦度的双凹型塑料非球面镜片；所述第四透镜为具有正光焦度的双凸型玻璃球面镜片；所述第五透镜为具有正光焦度的双凸型塑料非球面镜片；所述第六透镜为具有负光焦度的双凹型塑料非球面镜片；所述第七透镜为具有正光焦度的双凸型塑料非球面镜片。
2.根据权利要求1所述的超广角镜头，其特征在于，所述超广角镜头的光圈F#满足关系式：1.6≤F#≤2.4。
3.根据权利要求2所述的超广角镜头，其特征在于，所述第一透镜至所述第七透镜的焦距依次为f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7；所述第一透镜至所述第七透镜与所述超广角镜头的焦距满足以下关系式：
1.05≤|f1/f|≤2.5；
3.5≤|f2/f|；
3.0≤|f3/f|；
1.3≤|f4/f|≤2.5；
|f5/f|≤1.98；
0.8≤|f6/f|≤1.7；
1.45≤|f7/f|。
4.根据权利要求3所述的超广角镜头，其特征在于，所述第一透镜的折射率n1≥1.5。
5.根据权利要求3所述的超广角镜头，其特征在于，所述第三透镜的焦距f3与所述第一透镜的前表面顶点到像面的距离TTL满足关系式：|TTL/f3|≤2.48。
6.根据权利要求3所述的超广角镜头，其特征在于，所述第四透镜的折射率n4≥1.8，所述第四透镜的阿贝数V4≥25。
7.根据权利要求3所述的超广角镜头，其特征在于，所述第一透镜的像侧面曲率半径R1与所述第四透镜的像侧面曲率半径R4满足关系式：R1/R4≤0.45。
8.根据权利要求3所述的超广角镜头，其特征在于，所述第五透镜的物侧面的曲率半径R5与所述第六透镜的物侧面的曲率半径满足R6满足关系式：0.05≤|R5/R6|。
9.根据权利要求3所述的超广角镜头，其特征在于，所述第七透镜的像侧面的曲率半径R7满足关系式：|R7|≤6.6。
10.根据权利要求3所述的超广角镜头，其特征在于，所述第六透镜于光轴上的中心厚度CT6与第七透镜于光轴上的中心厚度CT7满足关系式：0.17≤CT6/CT7≤0.56。
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