CN112285883B

CN112285883B - 一种超广角光学系统及其成像方法

Info

Publication number: CN112285883B
Application number: CN202011167054.9A
Authority: CN
Inventors: 罗杰; 黄锦煖
Original assignee: Fujian Forecam Tiantong Optics Co Ltd
Current assignee: Fujian Forecam Tiantong Optics Co Ltd
Priority date: 2020-10-28
Filing date: 2020-10-28
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2040-10-28
Also published as: CN112285883A

Abstract

本发明涉及一种超广角光学系统及其成像方法，所述光学系统包括沿光线入射光路自左向右依次间隔设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜以及第五透镜，第一透镜为弯月负透镜，第二透镜为弯月负透镜，第三透镜为双凸正透镜，第四透镜为弯月正透镜，第五透镜为双凸正透镜，第四透镜与所述第五透镜互相胶合形成胶合透镜；第一透镜、第三透镜为球面透镜，均由玻璃材质制成；第二透镜、第四透镜和第五透镜为非球面透镜，均由塑胶材料制成。本发明设计具有超大视场角、通光量大的特点；采用多片非球面透镜设计方案，整体可靠性高，镜组装配敏感度低、良率高、成本低，有利于大规模生产；成像质量高，达到两百万像素高清摄像水准。

Description

一种超广角光学系统及其成像方法

技术领域：

本发明涉及一种超广角光学系统及其成像方法。

背景技术：

近年来，随着汽车驾驶辅助系统的快速发展，车载后视镜头被广泛地应用于车载监控系统中，为驾驶员提供汽车后视影像、倒车辅助等功能。传统的基于图像的倒车影像系统只在车尾安装摄像头，只能覆盖车尾周围有限的区域，而车辆周围和车头的盲区无疑增加了安全驾驶的隐患，在狭隘拥堵的市区和停车场容易出现碰撞和刮蹭事件。为扩大驾驶员视野，就需要能提供更大视场的光学系统。

发明内容：

本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种超广角光学系统及其成像方法，设计合理，具有较大视场角。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超广角光学系统，所述光学系统包括沿光线入射光路自左向右依次间隔设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜以及第五透镜，所述第一透镜为弯月负透镜，第二透镜为双凹透镜，第三透镜为双凸正透镜，第四透镜为弯月正透镜，第五透镜为双凸正透镜，第四透镜与所述第五透镜互相胶合形成胶合透镜；所述第一透镜、第三透镜为球面透镜，均由玻璃材质制成；第二透镜、第四透镜和第五透镜为非球面透镜，均由塑胶材料制成。

进一步的，所述第四透镜与第五透镜互相胶合形成胶合透镜。

进一步的，所述第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为2.93±5％mm，所述第二透镜与第三透镜之间的空气间隔为3.9±5％mm，所述第三透镜与第四透镜之间的空气间隔为0.53±5％mm。

进一步的，所述光学系统的焦距为f，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜的焦距分别为f₁、f₂、f₃、f₄、f₅，其中f₁、f₂、f₃、f₄、f₅与f满足以下比例：-7<f₁/f<-6，-4<f₂/f<-3，5<f₃/f<6，137<f₄/f<139，5<f₅/f<6。

进一步的，所述的第一透镜满足关系式：N_d≥1.7，V_d≤50；所述的第二透镜满足关系式：N_d≥1.5，V_d≥56；所述的第三透镜满足关系式：N_d≥1.7，V_d≤30；所述的第四透镜满足关系式：N_d≥1.6，V_d≤25；所述的第五透镜满足关系式：N_d≥1.5，V_d≥55；其中N_d为折射率，V_d为阿贝常数。

进一步的，所述光学系统的光学总长度TTL与所述光学系统的焦距f之间满足：TTL/f≤25。

进一步的，所述第五透镜的后侧设有滤光片，所述滤光片的后侧设有保护玻璃。

本发明采用的另外一种技术方案是：一种超广角光学系统的成像方法，按以下步骤进行：光线自左向右依次经第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、滤光片、保护玻璃后成像。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

(1)采用2G3P的设计结构，相比于全玻璃设计，不仅结构更加简单，具有更小的体型与质量；系统整体可靠性高，装配敏感度降低，使得良率提高，成本降低，有利于大规模生产；

(2)保证较大视场角、较大通光口径，进光量充足，边缘成像质量好；

(3)通过合理的玻璃材料搭配以及镜片光焦度分配，整个光学系统的轴向色差与横向色差得到了很好地校正，合理的面型设计也使得整个光学系统的高级像差得到有效校正，同时每个镜面的光线入射角小，系统总体成像质量优良。

以下附图说明：

图1是本发明实施例的光学结构示意图；

图2是本发明实施例的可见光MTF曲线图；

图3是本发明实施例的轴向色差曲线图；

图4是本发明实施例的横向色差曲线图。

图中：

L1-第一透镜；L2-第二透镜；L3-第三透镜；STO-光阑；L4-第四透镜；L5-第五透镜；L6-滤光片；L7-保护玻璃；L8-成像面。

具体实施方式:

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明一种超广角光学系统，所述光学系统包括沿光线入射光路自左向右依次间隔设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、光阑STO、第四透镜L4以及第五透镜L5，第四透镜L4与第五透镜L5互相胶合形成胶合透镜，成像时：光线自左向右依次经第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜4、第五透镜L5、滤光片L6、保护玻璃L7后成像。

本实施例中，所述第一透镜L1为弯月负透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；该凸面朝向外侧的弯月形透镜可以尽量收集大视场的光线，使其进入光学系统。

本实施例中，所述第二透镜L2为双凹透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；该透镜具有负的光焦度，可以使大视场光线的入射角度进一步降低，有利于减小主光线角度CRA。

本实施例中，所述第三透镜L3为双凸正透镜，其物侧面和像侧面均为凸面。

本实施例中，所述第四透镜L4为弯月正透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面。

本实施例中，所述第五透镜L5为双凸正透镜，其物侧面和像侧面均为凸面。

本实施例中，所述第一透镜L1、第三透镜L3为球面透镜，均由玻璃材质制成；第二透镜L2、第四透镜L4和第五透镜L5为非球面透镜，均由塑胶材料制成。

本实施例中，所述第一透镜L1与第二透镜L2之间的空气间隔为2.93±5％mm，所述第二透镜L2与第三透镜L3之间的空气间隔为3.9±5％mm，所述第三透镜L3与第四透镜L4之间的空气间隔为0.53±5％mm。

本实施例中，所述光学系统的焦距为f，所述第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5的焦距分别为f₁、f₂、f₃、f₄、f₅，其中f₁、f₂、f₃、f₄、f₅与f满足以下比例：-7<f₁/f<-6，-4<f₂/f<-3，5<f₃/f<6，137<f₄/f<139，5<f₅/f<6。通过对本发明形成的光学系统的光焦度按照以上比例进行合理分配，各镜片相对于系统焦距f成一定比例，使本发明形成的光学系统在435～656nm的波长范围的像差得到合理的校正和平衡。

本实施例中，所述的第一透镜L1满足关系式：N_d≥1.7，V_d≤50；所述的第二透镜满足关系式：N_d≥1.5，V_d≥56；所述的第三透镜满足关系式：N_d≥1.7，V_d≤30；所述的第四透镜满足关系式：N_d≥1.6，V_d≤25；所述的第五透镜满足关系式：N_d≥1.5，V_d≥55；其中N_d为折射率，V_d为阿贝常数。

本实施例中，所述光学系统的光学总长度TTL与所述光学系统的焦距f之间满足：TTL/f≤25。

本实施例中，所述第五透镜L5的后侧设有滤光片L6，所述滤光片L6的后侧设有保护玻璃L7。

表1示出了实施例1的光学系统的各透镜的曲率半径R、厚度d、折射率N_d以及阿贝数V_d。

表1、具体镜片参数表

本实施例采用了五片透镜作为示例，通过合理分配各透镜的光焦度、面型、各透镜的中心厚度以及各透镜之间的轴上间距等，有效扩大镜头的视场角，缩短镜头总长度，保证镜头的小畸变与高照度；同时校正各类像差，提高镜头的解析度与成像品质。各非球面面型Z由以下公式限定：

其中，Z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的离矢高；c为非球面的近轴曲率，c＝1/R(即，近轴曲率c为上表1中曲率半径R的倒数)；k为圆锥常数；A、B、C、D、E、F、G均为高次项系数。表2示出了可用于本实施例中各非球面透镜表面的圆锥常数k以及高次项系数A、B、C、D、E、F、G。

表2各非球面透镜参数

本实施例中，此光学系统实现的技术指标如下：

(1)焦距：EFFL＝0.9mm；(2)光圈F＝2.03；(3)视场角：2w≥189°；(4)光学畸变：＜114.2％；(5)成像圆直径大于φ4mm；(6)工作波段：435～656nm；(7)光学总长TTL≤22.1mm，光学后截距BFL≥2.7mm；(8)该镜头适用于两百万像素CCD或CMOS摄像机。

本实施例中，第一玻璃L1具有较大的折射率与光焦度，保证系统能收集较大视场范围内的光线；第二玻璃L2采用非球面透镜，通过选择合适的面型，有效地校正了光学系统的畸变；采用了典型的前负后正的结构，前组镜头的负光焦度矫正后组镜头的正光焦度像差。

三片非球面透镜矫正所有高级像差及球差，通过合理的折射率和光焦度比例分配，限制了前组镜头的镜片与后组镜头的镜片的光线入射角大小，较小的光线入射角能有效减小，光学系统的像面弯曲；后组镜头中，具有中等折射率和超高色散的第四透镜有效矫正成像系统的色差和像散，第四透镜与第五透镜同时承担了补偿系统高低温特性的功能。

通过以上镜片组成的光学系统，光路总长较短，则镜头的体积小，后焦大，可以与多种不同接口的摄像机配合使用；同时系统光圈较大，成像质量优良；其中第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5为塑胶非球面透镜，像质好，成本低，镜组整体可靠性高，性价比优良。

由图2可以看出，该光学系统在可见光波段的MTF表现良好，边缘视场在空间频率100pl/mm处，其MTF值大于0.4，中心视场在空间频率200pl/mm处，其MTF值大于0.5，可以达到两百万高清的解像力需求。图3和图4为该光学系统的轴向色差曲线图与横向色差曲线图，由图3可以看出，该光学系统在最大轴向色差为0.03mm；由图4可以看出，该光学系统的横向色差在合理范围内，横向色差得到较好地校正。综上可以看出，该光学系统具有超大视场角、通光量大的特点；采用多片非球面透镜设计方案，整体可靠性高，镜组装配敏感度低、良率高、成本低，有利于大规模生产；成像质量高，达到两百万像素高清摄像水准。

本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims

1.一种超广角光学系统，其特征在于：所述光学系统包括沿光线入射光路自左向右依次间隔设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜以及第五透镜，所述第一透镜为弯月负透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；第二透镜为双凹透镜，第三透镜为双凸正透镜，第四透镜为弯月正透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；第五透镜为双凸正透镜，第四透镜与所述第五透镜互相胶合形成胶合透镜；所述第一透镜、第三透镜为球面透镜，均由玻璃材质制成；第二透镜、第四透镜和第五透镜为非球面透镜，均由塑胶材料制成；所述光学系统的焦距为f，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜的焦距分别为f₁、f₂、f₃、f₄、f₅，其中f₁、f₂、f₃、f₄、f₅与f满足以下比例：-7<f₁/f<-6，-4<f₂/f<-3，5<f₃/f<6，137<f₄/f<139，5<f₅/f<6。

2.根据权利要求1所述的一种超广角光学系统，其特征在于：所述第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为2.93±5％mm，所述第二透镜与第三透镜之间的空气间隔为3.9±5％mm，所述第三透镜与第四透镜之间的空气间隔为0.53±5％mm。

3.根据权利要求1所述的一种超广角光学系统，其特征在于：所述的第一透镜满足关系式：N_d≥1.7，V_d≤50；所述的第二透镜满足关系式：N_d≥1.5，V_d≥56；所述的第三透镜满足关系式：N_d≥1.7，V_d≤30；所述的第四透镜满足关系式：N_d≥1.6，V_d≤25；所述的第五透镜满足关系式：N_d≥1.5，V_d≥55；其中N_d为折射率，V_d为阿贝常数。

4.根据权利要求1所述的一种超广角光学系统，其特征在于：所述光学系统的光学总长度TTL与所述光学系统的焦距f之间满足：TTL/f≤25。

5.根据权利要求1所述的一种超广角光学系统，其特征在于：所述第五透镜的后侧设有滤光片，所述滤光片的后侧设有保护玻璃。

6.一种超广角光学系统的成像方法，其特征在于：包括采用如权利要求1～5中任意一项所述的一种超广角光学系统，并按以下步骤进行：光线自左向右依次经第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、滤光片、保护玻璃后成像。