CN112269252A - 一种超广角定焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超广角定焦镜头，包括沿着物体侧至成像侧依序进行排列的具有负光焦度的第一透镜组、光阑以及具有正光焦度的第二透镜组。该超广角定焦镜头还满足以下条件式：‑8≤F₁/F≤‑4；6≤F₂/F≤2；45≤TTL/[D/tan(θ)]≤65。其中，F₁、F₂分别表示第一透镜组、第二透镜组的焦距；F表示超广角定焦镜头的光学系统焦距；TTL表示超广角定焦镜头的光学总长；D表示第一透镜组远离第二透镜组的最大有效半径；θ为超广角定焦镜头的半视场角。这样一来，使超广角定焦镜头在成像过程中具有良好的成像性能，且使其具备了光圈大、日夜共焦性好，适用温度范围宽等特性。

Description

一种超广角定焦镜头

技术领域

本发明涉及光学系统和器件设计技术领域，尤其是一种超广角定焦镜头。

背景技术

广角镜头作为一种短焦距镜头，由于视场角大，能够在较短的拍摄距离范围内，拍摄到较大面积景物，因此在安防、车载、智能家居领域得到广泛的应用。然而由于其视场角比较大，要使其在整个视场范围内具有较好的成像质量，一般通过增加镜片数量，增加光学总长等方式来实现。目前市场上流行的大部分广角定焦镜头，存在镜头重量重、光圈较小、光学总长较长、日夜共焦性较差、无法在宽温度范围内保持良好的成像质量等一系列问题。因而，亟待技术人员解决上述问题。

“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中具有通常知识者所知道的习知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被所属技术领域中具有通常知识者所知晓或认知。

发明内容

故，本发明设计人员鉴于上述现有的问题以及缺陷，乃搜集相关资料，经由多方的评估及考量，并经过从事于此行业的多年研发经验技术人员的不断实验以及修改，最终导致该超广角定焦镜头的出现。

为了解决上述技术问题，本发明涉及了一种超广角定焦镜头，其包括沿着物体侧至成像侧依序进行排列的第一透镜组、光阑以及第二透镜组。第一透镜组具有负光焦度；第二透镜组具有正光焦度；该超广角定焦镜头满足以下条件式(1)、(2)、(3)：

-8≤F₁/F≤-4 (1)

6≤F₂/F≤2 (2)

45≤TTL/[D/tan(θ)]≤65 (3)

其中，F₁、F₂分别表示第一透镜组、第二透镜组的焦距；F表示超广角定焦镜头的光学系统焦距；TTL表示超广角定焦镜头的光学总长；D表示第一透镜组远离第二透镜组的最大有效半径；θ为超广角定焦镜头的半视场角。

作为本发明技术方案的进一步改进，第一透镜组包括沿着物体侧至成像侧依序排列的L₁₁光学元件和L₁₂光学元件。L₁₁光学元件具有负光焦度。L₁₂光学元件具有正光焦度。第一透镜组满足以下条件式(4)，

3.2≤|f₁₁/f₁₂|≤5.6 (4)；

其中，f₁₁、f₁₂分别表示L₁₁光学元件、L₁₂光学元件的焦距。

作为本发明技术方案的更进一步改进，L₁₁光学元件优选为凹面朝向成像面的弯月型玻璃球面镜片。L₁₂光学元件优选为凸面朝向成像面的弯月型塑料非球面镜片。

作为本发明技术方案的进一步改进，第二透镜组至少包括沿着物体侧至成像侧依序排列的L₂₁光学元件、L₂₂光学元件以及L₂₃光学元件。L₂₁光学元件具有正光焦度。L₂₂光学元件具有负光焦度。L₂₃光学元件具有正光焦度。L₂₁光学元件满足以下条件式(5)，

其中，V₂₁、f₂₁分别表示L₂₁光学元件的焦距、像距。

8.根据权利要求4所述的超广角定焦镜头，其特征在于，所述L₂₁光学元件满足以下条件式(6)，

其中，(dn/dt)₂₁、n₂₁分别表示所述L₂₁光学元件的温度折射率系数、折射率。

作为本发明技术方案的更进一步改进，L₂₁光学元件优选为玻璃球面镜片。L₂₂光学元件优选为塑料非球面镜片。L₂₃光学元件优选为双面均为凸面的塑料非球面镜片。

作为上述技术方案的另一种改型设计，L₂₁光学元件优选由沿着物体侧至成像侧依序排列的L_21a玻璃球面镜片和L_21b塑料非球面镜片构成。其中，L_21a玻璃球面镜片具有正光焦度；L_21b塑料非球面镜片具有正光焦度。

相较于传统设计结构的超广角定焦镜头，在本发明所公开的技术方案中，通过控制第一透镜组、第二透镜组各自的焦距，第一透镜组相对于第二透镜组的最大有效半径，超广角定焦镜头光学系统的焦距、光学总长及其半场视角等参数，使其在成像过程中具有相对较小的光学像差，确保成像品质，利于后续对其成像细节的识别与判定，且提供良好采像辅助。另外，该超广角定焦镜头还具备了光学总长短、重量轻、光圈大、日夜共焦性好，适用温度范围宽等特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是表示实施例1中超广角定焦镜头的光路图。

图2是实施例1中超广角定焦镜头在常温20℃、可见光波段下的MTF图。

图3是实施例1中超广角定焦镜头在常温20℃、红外波段下的MTF图。

图4是实施例1中超广角定焦镜头在常温20℃、可见光100lp/mm离焦曲线图。

图5是实施例1中超广角定焦镜头在低温-20℃、可见光100lp/mm离焦曲线图。

图6是实施例1中超广角定焦镜头在高温+60℃、可见光100lp/mm离焦曲线图

图7是表示实施例2中超广角定焦镜头的光路图。

图8是实施例2中超广角定焦镜头在常温20℃、可见光波段下的MTF图。

图9是实施例2中超广角定焦镜头在常温20℃、红外波段下的MTF图。

图10是实施例2中超广角定焦镜头在常温20℃、可见光100lp/mm离焦曲线图。

图11是实施例2中超广角定焦镜头在低温-40℃、可见光100lp/mm离焦曲线图。

图12是实施例2中超广角定焦镜头在高温+60℃、可见光100lp/mm离焦曲线图

图13是表示实施例3中超广角定焦镜头的光路图。

图14是实施例3中超广角定焦镜头在常温20℃、可见光波段下的MTF图。

图15是实施例中超广角定焦镜头在常温20℃、红外波段下的MTF图。

图16是实施例3中超广角定焦镜头在常温20℃、可见光100lp/mm离焦曲线图。

图17是实施例3中超广角定焦镜头在低温-40℃、可见光100lp/mm离焦曲线图。

图18是实施例3中超广角定焦镜头在高温+60℃、可见光100lp/mm离焦曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定本发明提供一种超广角定焦镜头，其包括沿着物体侧至成像侧依序进行排列的第一透镜组G₁、光阑ST以及第二透镜组G₂。第一透镜组G₁具有负光焦度；第二透镜组G₂具有正光焦度；该超广角定焦镜头满足以下条件式(1)、(2)、(3)：

-8≤F₁/F≤-4 (1)

6≤F₂/F≤2 (2)

45≤TTL/[D/tan(θ)]≤65 (3)

其中，F₁,F₂分别表示第一透镜组G₁和第二透镜组G₂的焦距，F表示该超广角定焦镜头的光学系统焦距，TTL表示该超广角定焦镜头的光学总长，D表示第一透镜组G₁远离第二透镜组G₂的最大有效半径，θ为该超广角定焦镜头的半视场角。

通过采用上述技术方案进行设置，可以使得该超广角定焦镜头具有F1.6的大光圈以及170°的大视场角。其中，条件式(1)(2)规定了布置于光阑ST前后第一透镜组G₁、第二透镜组G₂与该超广角定焦镜头之间光焦度的比值范围。本发明的光学系统，通过满足条件式(1)(2)，能够在实现小型化的同时维持良好的成像性能。条件式(3)规定了光学总长、首镜片光学口径和视场角三者之间的比值范围，通过满足条件式(3)，还能够有效地缩短该超广角定焦镜头的光学总长、减小镜片重量，与此同时，还能满足其大视场角的需求。

另外，作为进一步的优化，在本发明的超广角定焦镜头中，第一透镜组G₁优选包括有沿着物体侧至成像侧依序排列的L₁₁光学元件和L₁₂光学元件。L₁₁光学元件具有负光焦度。L₁₂光学元件具有正光焦度。第一透镜组满足以下条件式(4),

3.2≤|f₁₁/f₁₂|≤5.6 (4)

其中，f₁₁、f₁₂分别表示L₁₁光学元件、L₁₂光学元件的焦距。

条件式(4)规定了第一透镜组G₁中L₁₁光学元件和L₁₂光学元件之间光焦度的比值范围。通过满足条件式(4)，能在缩短该超广角定焦镜头光学总长的同时，还可以保证其在大视场下具有较小的场曲和像散，使得超广角定焦镜头具有良好的轴外视场成像质量。

另外，作为进一步的优化，在本发明的超广角定焦镜头中，L₁₁光学元件优选为凹面朝向成像面的弯月型玻璃球面镜片，而L₁₂光学元件优选为凸面朝向成像面的弯月型塑料非球面镜片。根据公知常识，塑料非球面镜片相较于玻璃球面镜片更利于进行参数优化、调整，从而为校正球差、慧差、像散等像差提供了可能，进而使得成型后的超广角定焦镜头更为轻、薄、低价。另一方面，由于塑料非球面的热膨胀系数、温度折射率系数及环境可靠性等相较于玻璃材料变化更大，因此采用上述玻璃和塑料配合使用的光学结构能够使镜头在实现高成像质量的同时，满足其成像具有较宽的温度范围，具有更高的环境可靠性。

在一些实施例中，第二透镜组包括沿着物体侧至成像侧依序排列的L₂₁光学元件、L₂₂光学元件以及L₂₃光学元件。L₂₁光学元件具有正光焦度。L₂₂光学元件具有负光焦度。L₂₃光学元件具有正光焦度。L₂₁光学元件满足以下条件式(5)，

其中，V₂₁、f₂₁分别表示L₂₁光学元件的焦距、像距。

条件式(5)规定了L₂₁光学元件的阿贝数与焦距的比值范围。通过满足条件式(5)，能在提高上述超广角定焦镜头光圈的同时，通过玻璃材料的异常色散特性实现消色差和减小二级光谱，实现良好的可见红外共焦性能。

另外，在本发明的超广角定焦镜头中，L₂₁光学元件满足条件式(6)

其中，(d_n/d_t)₂₁和n₂₁分别表示L₂₁光学元件的温度折射率系数和折射率。

条件式(6)规定了L₂₁光学元件的温度折射率系数与玻璃-空气折射率差值之间的比值范围。通过满足条件式(6)，能在满足该大超广角定焦镜头轴外像差校正的同时，利用玻璃材料温度折射率系数低的特点补偿由塑料透镜所造成的温度漂移，实现宽温度范围的良好成像性能。

另外，作为更进一步的优化，在本发明的超广角定焦镜头中，L₂₁光学元件优选为玻璃球面镜片。L₂₂光学元件优选为塑料非球面镜片。L₂₃光学元件优选为双面均为凸面的塑料非球面镜片。通过采用上述技术方案进行设置，一方面，使其光焦度呈正-负-正的分配形式，从而有效地提高了该超广角定焦镜头的像差校正功能；另一方面，由于塑料非球面镜片的使用，不仅为便于校正慧差、像散等像差提供了可能，还使得该超广角定焦镜头具有大光圈、大视场角特性以及良好的成像性能。

如图7中所示，L₂₁光学元件优选由沿着物体侧至成像侧依序排列的L_21a玻璃球面镜片和L_21b塑料非球面镜片构成。其中，L_21a玻璃球面镜片具有正光焦度；L_21b塑料非球面镜片具有正光焦度。通过增加同样为正光焦度的L_21a玻璃球面镜片和L_21b塑料非球面镜片，能够有效分担单个镜片的像差校正负担。另外，L_21b塑料非球面镜片的应用还可更有效地消除球差和慧差，保证该超广角定焦镜头具有更好的成像质量。

综上所述，提供一种超广角定焦镜头，使其在满足大视场、大光圈、小型化的要求以外，通过合理配置第一透镜组G₁、第二透镜组G₂之间光焦度、合理设定孔径光阑位置、合理选择第一透镜组G₁、第二透镜组G₂的光焦度比例实现轴上和轴外的高性能成像，同时通过合理第二透镜组G₂中光学材料在校正可见光波段的色差同时，校正近红外波段的二级色谱，实现可见光波段和近红外波段良好的成像性能。另外，通过玻璃镜片和塑料镜片的选配、使用，在能够确保超广角定焦镜头具有良好的成像性能的同时，还使其在较宽的温度范围内具有良好的成像性能。

根据实施例及附图对本发明作进一步的详细说明：透镜数据中，折射率和焦距为d线的值。其中，光学镜头相关数据中，长度的单位为mm，将省略示出其单位。

要注意的是，在表格和以下描述中使用的符号如下：

“S_i”表示表面号；“R_i”是曲率半径；“d_i”是第i个表面和第i+1个表面之间的轴上表面距离；“n_d”是折射率；“ν_d”是阿贝数；“Fno”是F数；“θ”是半视场角。关于表面号，“ASP”表示该表面是非球面，并且关于曲率半径，“∞”表示该表面是平面。

在数值实例中使用的透镜包括具有非球面透镜表面的一些透镜。其中在光轴的方向中距离表面顶点的距离(即、矢高量Sag amount)由Z表示；在垂直于光轴方向上的高度(即、径高)由“y”表示；在透镜的顶点的近轴曲率(即、曲率半径的倒数)由“c”表示；锥度常数由“k”表示；并且第四、第六、第八、第十、第十二和第十四级非球面系数分别有“C₄”、“C₆”、“C₈”、“C₁₀”、“C₁₂”和“C₁₄”表示，非球面形状由以下表达式定义：

以下，基于附图详细说明本发明的超广角定焦镜头的实施例。

实施例1

图1是示意性表示根据本发明的实施例1的超广角定焦镜头的光路图。

实施例1中超广角定焦镜头的参数如下：EFL＝2.55；Fno＝1.65；2θ＝150°。

以下，列出关于实施例1中各个透镜的各种数值数据。

(光学系统的基本数据)

(非球面数据)

图2-图6示出了实施例1中超广角定焦镜头不同实验条件下的MTF图及其离焦曲线图。

实施例2

图7示出了实施例2中超广角定焦镜头的光路图。实施例2中超广角定焦镜头的参数如下：EFL＝2.57；Fno＝1.65；2θ＝170°。

以下，示出关于实施例2中各个透镜的各种数值数据。

(光学系统的基本数据)

(非球面数据)

图8-图12示出了实施例2中超广角定焦镜头不同实验条件下的MTF图及其离焦曲线图。

实施例3

图13示出了实施例3中超广角定焦镜头的光路图。实施例2中超广角定焦镜头的参数如下：EFL＝2.53；Fno＝1.64；2θ＝170°。

以下，示出关于实施例3中各个透镜的各种数值数据。

(光学系统的基本数据)

(非球面数据)

S<sub>i</sub>

K

C4

C6

C8

C10

C12

3

-3.70

-3.42E-03

5.47E-05

-2.56E-05

4.39E-06

-1.94E-07

4

-0.31

7.30E-05

1.27E-04

-3.22E-05

7.13E-06

-4.84E-07

8

-11.79

-6.64E-03

-3.23E-04

-1.36E-04

4.63E-06

-9.69E-07

9

12.81

-6.74E-03

-2.66E-03

4.26E-04

-4.36E-05

2.89E-06

10

30.00

-2.92E-02

6.58E-03

-8.85E-04

4.10E-05

2.40E-06

11

-3.20

-1.91E-02

4.82E-03

-3.82E-04

-2.32E-05

3.13E-06

12

-0.69

-1.25E-02

-1.24E-03

8.03E-04

-1.16E-04

5.65E-06

13

-1.26

3.81E-04

5.12E-04

-1.46E-04

2.54E-05

-9.84E-07

图14-图18示出了实施例3中超广角定焦镜头不同实验条件下的MTF图及其离焦曲线图。

表1是各实施例的条件式计算值的一览表。

表1条件式数据

No.	实施例1	实施例2	实施例3
				条件式(1)	-5.0	-5.4	-4.2
条件式(2)	5.0	4.6	2.4
				条件式(3)	60.7	50.1	55.6
条件式(4)	4.6	3.7	5.1
				条件式(5)	13.3	8.3	11.4
条件式(6)	17.3	19.2	19.3

虽然上面描述了本发明的原理以及具体实施方式，但是，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种超广角定焦镜头，包括沿着物体侧至成像侧依序进行排列的第一透镜组、光阑以及第二透镜组，其特征在于，所述第一透镜组具有负光焦度；所述第二透镜组具有正光焦度；所述超广角定焦镜头满足以下条件式(1)、(2)、(3)：

-8≤F₁/F≤-4 (1)

6≤F₂/F≤2 (2)

45≤TTL/[D/tan(θ)]≤65 (3)

其中，F₁、F₂分别表示所述第一透镜组、所述第二透镜组的焦距；F表示所述超广角定焦镜头的光学系统焦距；TTL表示所述超广角定焦镜头的光学总长；D表示所述第一透镜组远离所述第二透镜组的最大有效半径；θ为所述超广角定焦镜头的半视场角。

2.根据权利要求1所述的超广角定焦镜头，其特征在于，所述第一透镜组包括沿着物体侧至成像侧依序排列的L₁₁光学元件和L₁₂光学元件；所述L₁₁光学元件具有负光焦度；所述L₁₂光学元件具有正光焦度；所述第一透镜组满足以下条件式(4)，

3.2≤|f₁₁/f₁₂|≤5.6 (4)；

其中，f₁₁、f₁₂分别表示所述L₁₁光学元件、所述L₁₂光学元件的焦距。

3.根据权利要求2所述的超广角定焦镜头，其特征在于，所述L₁₁光学元件为凹面朝向成像面的弯月型玻璃球面镜片；所述L₁₂光学元件为凸面朝向成像面的弯月型塑料非球面镜片。

4.根据权利要求1所述的超广角定焦镜头，其特征在于，所述第二透镜组至少包括沿着物体侧至成像侧依序排列的L₂₁光学元件、L₂₂光学元件以及L₂₃光学元件；所述L₂₁光学元件具有正光焦度；所述L₂₂光学元件具有负光焦度；所述L₂₃光学元件具有正光焦度；所述L₂₁光学元件满足以下条件式(5)，

其中，V₂₁、f₂₁分别表示所述L₂₁光学元件的焦距、像距。

5.根据权利要求4所述的超广角定焦镜头，其特征在于，所述L₂₁光学元件满足以下条件式(6)，

其中，(dn/dt)₂₁、n₂₁分别表示所述L₂₁光学元件的温度折射率系数、折射率。

6.根据权利要求4所述的超广角定焦镜头，其特征在于，所述L₂₁光学元件为玻璃球面镜片；所述L₂₂光学元件为塑料非球面镜片；所述L₂₃光学元件为双面均为凸面的塑料非球面镜片。

7.根据权利要求4所述的超广角定焦镜头，其特征在于，所述L₂₁光学元件由沿着物体侧至成像侧依序排列的L_21a玻璃球面镜片和L_21b塑料非球面镜片构成；其中，所述玻璃球面镜片L_21a具有正光焦度；所述塑料非球面镜片L_21b具有正光焦度。

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