CN112285911A

CN112285911A - 超广角镜头及成像设备

Info

Publication number: CN112285911A
Application number: CN202011052077.5A
Authority: CN
Inventors: 高博; 李伟娜; 韩建; 兰喜艳; 曾吉勇
Original assignee: Jiangxi Lianchuang Electronic Co Ltd
Current assignee: Jiangxi Lianchuang Electronic Co Ltd
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2021-01-29
Anticipated expiration: 2040-09-29
Also published as: CN112285911B

Abstract

本发明提供一种超广角镜头及成像设备，超广角镜头由八片具有光焦度的透镜组成，从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，具有负光焦度的第二透镜，具有负光焦度的第三透镜，具有正光焦度的第四透镜，具有正光焦度的第五透镜，光阑，具有负光焦度的第六透镜，具有正光焦度的第七透镜，具有负光焦度的第八透镜，滤光片，第六透镜与第七透镜组成胶合镜片。本发明提供的超广角镜头，采用八片全玻璃镜片，通过合理搭配各镜片的光焦度组合，达到了温度控制好、日夜共焦、芯片兼容性好等有益效果。

Description

超广角镜头及成像设备

技术领域

本发明涉及光学镜头技术领域，特别涉及一种超广角镜头。

背景技术

近年来，随着高清摄像及监控行业的迅猛发展，会议记录摄像镜头以及监控摄像镜头的需求越来越大，但无论是会议记录还是摄像监控均要求镜头具备超广拍摄角度，还要在白天黑夜均具有清晰的成像效果，因此超广角镜头得到了广泛运用。

现有技术当中，目前使用的超广角镜头普遍存在总长大、视角偏小、温度控制差、日夜不共焦、芯片不兼容等缺陷，无法满足使用要求。

发明内容

基于此，本发明提供一种超广角镜头，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种超广角镜头，由八片具有光焦度的透镜组成，沿光轴从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，第一透镜的物侧面为凸面，第一透镜的像侧面为凹面；具有负光焦度的第二透镜，第二透镜的物侧面为凸面，第二透镜的像侧面为凹面；具有负光焦度的第三透镜，第三透镜的物侧面和像侧面均为凹面；具有正光焦度的第四透镜，第四透镜的物侧面为凹面，第四透镜的像侧面为凸面；具有正光焦度的第五透镜，第五透镜的物侧面为凸面，第五透镜的像侧面接近平面；光阑；具有负光焦度的第六透镜，第六透镜的物侧面接近平面，第六透镜的像侧面为凹面；具有正光焦度的第七透镜，第七透镜的物侧面和像侧面均为凸面，第六透镜与第七透镜组成胶合镜片；具有负光焦度的第八透镜，第八透镜的物侧面为凹面，第八透镜的像侧面为凸面；以及滤光片，滤光片设于第八透镜与成像面之间。其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第六透镜、第七透镜均为玻璃球面镜片，第五透镜、第八透镜为玻璃非球面镜片。

第二方面，本发明实施例还提供一种成像设备，包括成像元件及第一方面提供的超广角镜头，成像元件用于将超广角镜头形成的光学图像转换为电信号。

与现有技术相比，本发明提供的超广角镜头，采用八片全玻璃镜片，通过合理搭配各镜片的光焦度组合，实现了温度控制好、日夜共焦、芯片兼容性好的有益效果，其中：

(1)本发明中的超广角镜头采用6片玻璃球面与2片玻璃非球面镜片混合搭配使用，一方面使镜头具有较高的使用寿命和稳定性；另一方面使镜头的像差得到有效校正且具有高低温产生焦点漂移量小的优点，可适应不同的温度场合，温控效果好。

(2)本发明中的超广角镜头采用8片镜片，并通过合理搭配各镜片的光焦度组合，可达到240°以上的超大视场角，且达到日夜共焦的效果，其中采用2片非球面镜片能有效提高镜头的成像质量的同时，又能降低镜头的光学总长，以确保白天和黑夜都能够拍摄高清晰的图像。

(3)本发明中的超广角镜头第八片镜片使用非球面镜片，能够良好的控制入射到成像面的主光线角度达到30°以上，提升了镜头的芯片兼容性。

附图说明

图1是本发明第一实施例中提供的标注了入射光线的超广角镜头的结构示意图；

图2是本发明第一实施例中提供的超广角镜头的场曲曲线图；

图3是本发明第一实施例中提供的超广角镜头的F-Theta畸变曲线图；

图4是本发明第一实施例中提供的超广角镜头在可见光谱的MTF曲线；

图5是本发明第一实施例中提供的超广角镜头在红外光谱的MTF曲线；

图6是本发明第二实施例中提供的超广角镜头的结构示意图；

图7是本发明第二实施例中提供的超广角镜头的场曲曲线图；

图8是本发明第二实施例中提供的超广角镜头的F-Theta畸变曲线图；

图9是本发明第二实施例中提供的超广角镜头在可见光谱的MTF曲线；

图10是本发明第二实施例中提供的超广角镜头在红外光谱的MTF曲线；

图11是本发明第三实施例中提供的成像设备的结构示意图；

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。

本发明实施例提供的超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，第一透镜的物侧面为凸面，第一透镜的像侧面为凹面；具有负光焦度的第二透镜，第二透镜的物侧面为凸面，第二透镜的像侧面为凹面；具有负光焦度的第三透镜，第三透镜的物侧面和像侧面均为凹面；具有正光焦度的第四透镜，第四透镜的物侧面为凹面，第四透镜的像侧面为凸面；具有正光焦度的第五透镜，第五透镜的物侧面为凸面，第五透镜的像侧面接近平面；光阑；具有负光焦度的第六透镜，第六透镜的物侧面接近平面，第六透镜的像侧面为凹面；具有正光焦度的第七透镜，第七透镜的物侧面和像侧面均为凸面，第六透镜与第七透镜组成胶合镜片；具有负光焦度的第八透镜，第八透镜的物侧面为凹面，第八透镜的像侧面为凸面。

滤光片包括可见光滤光片和红外光滤光片当中的一种，或者同时包括可见光滤光片与红外光滤光片两种滤光片。两种滤光片都有时，可根据工作波段的需要切换使用。一般地，可见光与红外光分别为昼与夜的工作波段。通过滤光片抑制非工作波段光透过，可以有效减少光学系统的色差和杂光，提升成像效果，实现日夜共焦的良好成像效果。

若考虑到超广角镜头会在较暗的环境中使用，可以在透光基底的表面镀设可使可见光与红外光同时透过的膜层，以实现单片滤光片即可适用于可见光工作波段和红外光工作波段的效果，以增加夜晚成像的光通量，提高成像质量，实现日夜共焦。

此外，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第六透镜、第七透镜均为玻璃球面镜片，第五透镜、第八透镜为玻璃非球面镜片，且各个透镜的光学中心位于同一直线上。进一步地，超广角镜头的每个透镜上均镀设有高透过率的多层膜。

光阑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像，镜头需要较大的光通量，在第五透镜和第六透镜之间设置光阑，有利于控制到达成像面的主光线入射角度，使其控制在28°±3°以内，更符合芯片的入射要求。光阑可以采用中心设有通光孔的遮光纸。利用遮光纸做光阑，对镜筒通光孔的要求降低，最大程度地保证了加工的精确性，减少加工误差，便于调整。

在一些实施方式中，为确保镜头具有足够好的成像品质，超广角镜头满足以下条件式：

FOV>240°；(1)

2.0<F#<2.6；(2)

其中，FOV表示超广角镜头的全视场角，F#表示超广角镜头的光圈数。当光圈数超过上限时，整体镜头的可校正像差剩余余量过多；当光圈数超过下限时，整体镜头的像差过大，成像品质不高。

在一些实施方式中，为限制镜头的总长，并确保镜头具有足够好的成像品质，超广角镜头满足以下条件式：

5<T_L/IH<8；(3)

T_L表示超广角镜头的光学总长，IH表示超广角镜头的全视场角对应的实际像高。当T_L/IH的值超过上限时，镜头的整体总长过长；当T_L/IH的值超过下限时，由于各透镜的光焦度过大，镜头像差校正困难，解像能力显著下降。

在一些实施方式中，为确保超广角镜头具有足够好的成像品质，超广角镜头满足以下条件式：

其中，

表示超广角镜头的光焦度，

表示第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的组合光焦度。前四个透镜组成超广角镜头的前透镜群，前透镜群在超广角镜头中的主要作用为将宽视场角的物面光汇聚进入镜头内，校正镜头的F-Theta畸变，同时不产生较大像差。当

的值超过上限时，前透镜群的组合光焦度过强，虽然能够使系统总长变小，但其产生的球差过大，很难校正；当

的值超过下限时，该前透镜群的光焦度减弱，球差相对减小，但其屈光能力下降导致系统总长加长。

其中，

表示超广角镜头的光焦度，

表示第五透镜、第六透镜、第七透镜的组合光焦度。第五透镜、第六透镜、第七透镜组成中透镜群，该中透镜群的组合光焦度承接上述前透镜群，有效的配合前透镜群；中透镜群的整体形状成对称式的3片结构，在镜头中起承担整体光焦度、校正垂向像差的作用。当

的值超过上限时，该中透镜群的光焦度过强，虽然能够使系统总长变小，但其产生的球差、象散、场曲过大，很难校正；当

的值超过下限时，该中透镜群的光焦度减弱，虽然其产生的像差相对减小，但其屈光能力下降导致系统加长。

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

SD1/IH＜4；(6)

其中，SD1表示第一透镜的有效半口径，IH表示超广角镜头的全视场角对应的实际像高。第一透镜在镜头中主要起收敛光线的作用，且第一透镜的外径越大对收光效果越好，但第一透镜的外径太大会增加镜头的整体尺寸；经过多次实验发现，当满足上述条件式(6)时，能使镜头具有良好收光效果的同时又能保证镜头的整体尺寸。

在一些实施方式中，为良好的控制镜头的主光线角度，超广角镜头满足以下条件式：

R16＜-200mm；(8)

30°＜CRA＜33°；(9)

其中，

表示超广角镜头的光焦度，

表示第八透镜的光焦度，R16表示第八透镜的像侧面的曲率半径，CRA(Chief Ray Angle，主光线角度)表示超广角镜头入射到成像面的光线角度。第八透镜是镜头中的最后一个镜片，能够更好的改变主光线入射到成像面的角度，通过控制第八透镜的面型及光焦度，在有效校正像差的同时又能改变镜头的主光线角度，增加所能搭配芯片的兼容性。当满足上述条件式(7)和(8)时，能保证主光线入射角度在30°以上，增加可选的芯片种类。

在一些实施方式中，为确保镜头具有足够好的夜间成像品质，超广角镜头满足以下条件式：

V3>45；(10)

(V5+V7)/V6>3；(11)

其中，V3表示第三透镜的阿贝数，V5表示第五透镜的阿贝数，V6表示第六透镜的阿贝数，V7表示第七透镜的阿贝数。满足上述条件式(10)和(11)时，表明超广角镜头在光阑前、在光阑后以及靠近成像面的三个位置均设置有低色散玻璃材料的镜片，这样设置可以有效提高镜头在红外波段的解像能力。

(R9+R14)/R12<0.5；(12)

其中，R9表示第五透镜的物侧面的曲率半径，R12表示第六透镜的像侧面的曲率半径，R14表示第七透镜的像侧面的曲率半径。满足条件式(12)时，能够使中透镜群在承担整体光焦度的同时，更好的实现日夜共焦的功能，且能良好的校正光学像差。

在一些实施方式中，为确保超广角镜头具有良好的F-Theta畸变，且具有良好的像面边缘视场与中心视场的压缩比，超广角镜头满足以下条件式：

(R4+R5)/R5<0.8；(13)

0.9＜Δh_120°/Δh_0°＜1.1；(14)

其中，R4表示第二透镜的像侧面的曲率半径，R5表示第三透镜的物侧面的曲率半径，Δh_0°表示0°到1°视场角下的成像大小，Δh_120°表示119°到120°视场角下的成像大小。当满足上述条件式(13)时，说明超广角镜头的F-Theta畸变为正畸变(即边缘中心视场单位角度与边缘视场单位角度像高相近)。满足上述条件式(14)时，表示镜头的中心视场单位角度与边缘视场单位角度像高比例达到0.9～1.1，从而使镜头的成像比例与客观存在物体的实际比例相近。

本发明中各个实施例中的超广角镜头中的非球面透镜的表面形状均满足下列方程式：

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表示圆锥系数，h表示光轴到曲面的距离，B、C、D、E分别表示四阶、六阶、八阶、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

请参阅图1，所示为本发明第一实施例提供的超广角镜头100的结构示意图，沿光轴从物侧到成像面S19依次包括：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、光阑ST、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8及滤光片G1。

第一透镜L1具有负光焦度，第一透镜的物侧面S1为凸面，第一透镜的像侧面S2为凹面；

第二透镜L2具有负光焦度，第二透镜的物侧面S3为凸面，第二透镜的像侧面S4为凹面；

第三透镜L3具有负光焦度，第三透镜的物侧面S5为凹面，第三透镜的像侧面S6为凹面；

第四透镜L4具有正光焦度，第四透镜的物侧面S7为凹面，第四透镜的像侧面S8为凸面；

第五透镜L5具有正光焦度，第五透镜的物侧面S9为凸面，第五透镜的像侧面S10趋近于平面的凸面；

第六透镜L6具有负光焦度，第六透镜的物侧面S11趋近于平面的凹面，第六透镜的像侧面S12为凹面；

第七透镜L7具有正光焦度，第七透镜的物侧面S13为凸面，第七透镜的像侧面S14为凸面；

第八透镜L8具有负光焦度，第八透镜的物侧面S15为凹面，第八透镜的像侧面S16为凸面；

光阑ST采用中心设有通光孔的遮光纸；

滤光片G1为可见光滤光片和红外光滤光片当中的一种或者两种，当选用可见光滤光片时，厚度选用0.3mm，当选用红外光滤光片时，其厚度可选用0.21mm，具体可选用红外光850nm的滤光片。可以理解的是，滤光片G1的厚度不限于此，同时，可见光滤光片与红外光滤光片的厚度可以相同，也可不同。在本实施例中，选用厚度为0.3mm的可见光滤光片。

第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第六透镜L6、第七透镜L7均为玻璃球面镜片，第五透镜L5、第八透镜L8均为玻璃非球面镜片。

请参阅表1，所示为本实施例当中的超广角镜头100的各镜片的相关参数。

表1

本实施例中的超广角镜头100中的第五透镜L5和第八透镜L8中的各非球面的面型系数如表2所示。

表2

表面序号	K	B	C	D	E
						S9	1.42E-01	-3.34E-03	-2.95E-03	9.89E-04	-3.25E-04
S10	-2.00E+02	3.97E-03	1.18E-03	-1.11E-03	3.49E-04
						S15	-7.63E+00	-1.10E-01	5.95E-03	-7.09E-02	2.21E-02
S16	-3.00E+02	-7.64E-02	2.30E-02	-2.34E-02	8.49E-03

请参阅图2和图3，所示为本实施例当中的超广角镜头100的场曲与畸变曲线，由图上可以看出，场曲和畸变都被良好地校正。请参阅图4和图5，所示为本实施例当中的超广角镜头100在可见光谱和850nm红外光谱的MTF曲线，由图上可以看出，本实施例当中的镜头在日夜共焦情况下还具有良好的分辨率及解像能力。

第二实施例

请参阅图6，所示为本发明第二实施例当中的超广角镜头结构200的示意图，本实施例当中的镜头结构与第一实施例当中的大抵相同，不同之处在于第一透镜的镜片材料不同，由于第一透镜L1尺寸较大，重量及成本都较大，可以根据使用环境以及加工成本的不同，选择耐磨性好、性价比高的材质。

请参阅表3，所示为本实施例当中的超广角镜头200的各镜片的相关参数。

表3

本实施例中的超广角镜头200的各非球面的面型系数如表4所示。

表4

表面序号	K	B	C	D	E
						S9	1.82E-01	-4.59E-03	-2.35E-03	3.55E-04	-1.43E-04
S10	-5.49E+01	3.56E-03	1.21E-03	1.10E-03	-1.65E-04
						S15	1.61E+01	-1.38E-01	3.14E-02	-1.17E-01	3.99E-02
S16	1.00E+02	-1.08E-01	4.09E-02	-3.81E-02	1.43E-02

请参阅图7和图8，所示为本实施例当中的超广角镜头200的场曲与畸变曲线，由图上可以看出，场曲和畸变都被良好地校正。请参阅图9和图10，所示为本实施例当中的超广角镜头200在可见光谱和850nm红外光谱的MTF曲线，由图上可以看出，本实施例当中的镜头在日夜共焦情况下具有良好的分辨率及解像能力。

请参阅表5，所示为上述两个实施例对应的光学特性，包括超广角镜头的光圈数F#、光学总长T_L、实际像高IH和视场角FOV，同时还包括上述每个条件式对应的相关数值。

表5

综上，本发明提供的超广角镜头至少具有以下的优点：

(1)本发明的超广角镜头采用6片玻璃球面镜片与2片玻璃非球面镜片混合搭配使用，一方面使镜头具有较高的使用寿命和稳定性；另一方面使镜头的像差得到有效校正且具有在高温或者低温条件下产生焦点漂移量小的优点，可适应不同的温度场合，温控效果好。

(2)本发明的超广角镜头通过合理搭配各镜片的光焦度和形状，可达到240°以上的超大视场角，且日夜共焦效果良好，以确保白天和黑夜都能够拍摄高清晰的图像；在指定位置设置2片非球面镜片，在有效提高镜头的成像质量的同时，又能降低镜头的光学总长。

(3)第八透镜使用非球面镜片，能良好的控制主光线角度能达到30°以上，提升了镜头的芯片兼容性。

第三实施例

本申请实施例还提供了一种成像设备300，请参阅图11所示，成像设备300包括成像元件310和上述任一实施例中的超广角镜头(例如超广角镜头100)。成像元件310可以是CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补性金属氧化物半导体)图像传感器，还可以是CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)图像传感器。

成像设备300可以是监控摄像、无人机以及其他任意一种形态的装载了超广角镜头100的电子设备。

本申请实施例提供的成像设备300包括上述任一实施例中的超广角镜头，由于超广角镜头具有温度控制好、日夜共焦、芯片兼容性好的优点，具有该超广角镜头的成像设备300也具有温度控制好、日夜共焦、芯片兼容性好的优点。

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

1.一种超广角镜头，由八片具有光焦度的透镜组成，其特征在于，沿光轴从物侧到成像面依次包括：

具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面为凸面、像侧面为凹面；

具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凸面、像侧面为凹面；

具有负光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面和像侧面均为凹面；

具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面为凹面、像侧面为凸面；

具有正光焦度的第五透镜，所述第五透镜的物侧面为凸面、像侧面接近平面；

光阑；

具有负光焦度的第六透镜，所述第六透镜的物侧面接近平面，所述第六透镜的像侧面为凹面；

具有正光焦度的第七透镜，所述第七透镜的物侧面和像侧面均为凸面，所述第六透镜与所述第七透镜组成胶合镜片；

具有负光焦度的第八透镜，所述第八透镜的物侧面为凹面、像侧面为凸面；以及

滤光片，所述滤光片设于所述第八透镜与所述成像面之间；

其中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第六透镜、所述第七透镜均为玻璃球面镜片，所述第五透镜、所述第八透镜为玻璃非球面镜片。

2.根据权利要求1所述的超广角镜头，其特征在于，所述超广角镜头满足以下条件式：

FOV>240°；

2.0<F#<2.6；

其中，FOV表示所述超广角镜头的最大视场角，F#表示所述超广角镜头的光圈数。

3.根据权利要求1所述的超广角镜头，其特征在于，所述超广角镜头满足以下条件式：

5<T_L/IH<8；

其中，T_L表示所述超广角镜头的光学总长，IH表示所述超广角镜头的全视场角对应的实际像高。

4.根据权利要求1所述的超广角镜头，其特征在于，所述超广角镜头满足以下条件式：

其中，

表示所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜的组合光焦度，

表示所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜的组合光焦度，

表示所述超广角镜头的光焦度。

5.根据权利要求1所述的超广角镜头，其特征在于，所述超广角镜头满足以下条件式：

SD1/IH＜4；

其中，SD1表示所述第一透镜的有效半口径，IH表示所述超广角镜头的全视场角对应的实际像高。

6.根据权利要求1所述的超广角镜头，其特征在于，所述超广角镜头满足以下条件式：

R16＜-200mm；

30°＜CRA＜33°；

其中，

表示所述第八透镜的光焦度，

表示所述超广角镜头的光焦度，R16表示所述第八透镜的像侧面的曲率半径，CRA表示入射到所述成像面的主光线角度。

7.根据权利要求1所述的超广角镜头，其特征在于，所述超广角镜头满足以下条件式：

V3>45；

(V5+V7)/V6>3；

(R9+R14)/R12<0.5；

其中，V3表示所述第三透镜的阿贝数，V5表示所述第五透镜的阿贝数，V6表示所述第六透镜的阿贝数，V7表示所述第七透镜的阿贝数，R9表示所述第五透镜的物侧面的曲率半径，R12表示所述第六透镜的像侧面的曲率半径，R14表示所述第七透镜的像侧面的曲率半径。

8.根据权利要求1所述的超广角镜头，其特征在于，所述超广角镜头满足以下条件式：

(R4+R5)/R5<0.8；

0.9＜Δh_120°/Δh_0°＜1.1；

其中，R4表示所述第二透镜的像侧面的曲率半径，R5表示所述第三透镜的物侧面的曲率半径，Δh_0°表示0°到1°视场角下的成像大小，Δh_120°表示119°到120°视场角下的成像大小。

9.根据权利要求1所述的超广角镜头，其特征在于，所述超广角镜头的每个透镜均镀设有高透过率多层膜。

10.根据权利要求1所述的超广角镜头，所述滤光片包括可见光滤光片和红外光滤光片中的任意一种或两种。

11.一种成像设备，其特征在于，包括如权利要求1-10任一项所述的超广角镜头及成像元件，所述成像元件用于将所述超广角镜头形成的光学图像转换为电信号。