CN112649949B - 包含一个非球面透镜的简单鱼眼镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包含一个非球面结构透镜简单鱼眼镜头，光学系统共由5片透镜组成，具有负光焦度的前光组系统和具有正光焦度的后光组系统，沿着光轴方向从物方到像方，前光组系统由负弯月型的凸面均朝前的第一块透镜和第二块透镜组成；后光组系统由其余三块透镜组成。前光组系统的两块透镜的前后光学面均为球面结构。后光组光学系统中第四块透镜的后光学表面采用非球面结构，其余透镜光学面均采用球面结构；或者后光组系统中第五块透镜的前光学表面采用非球面结构，其余透镜均采用球面结构。本发明采用5块单独透镜，可实现最大工作视场角180°，接收孔径可达F/3.5，焦距13mm；且系统像面照度均匀性好，成像性能优越，结构简单紧凑，易于加工。

Description

包含一个非球面透镜的简单鱼眼镜头

技术领域

本发明涉及一种光学系统，特别涉及一种包含一个非球面透镜的简单鱼眼镜头，应用于超大视场光学系统的成像技术领域。

背景技术

鱼眼镜头可以获得一般光学系统无法达到的视场范围，成像视场角往往可以达到180°甚至270°，能够把半球空间甚至超半球空间的物体成像在像面的有效范围内，它以“凝视”的方式实时获取视场范围内全部的空间信息，实现了普通成像系统无法实现的功能。正因如此，鱼眼镜头在很多领域具有广泛的应用，从特殊摄影逐渐扩展到安防、天文、气象、医疗内窥镜检查，国防等众多领域。随着人工智能的发展及5G时代的到来，鱼眼镜头在机器视觉、定位导航、微小智能系统、通信等方面获得成功应用。在安全监视方面，由于它能够以凝视的方式工作，不需要旋转和扫描，因此可以悄无声息地将来自任意方向的目标尽收眼底，而现在流行的被称为“电子眼”的普通CCD摄像机是无法与它的这种优势相比的。在国防和军事方面，鱼眼镜头有着非常重要的地位。

鱼眼镜头系统的光学元件虽然是按照轴对称方式布置，但是由于大视场角的物点发出的光束，以非常大的入射角(≥70°)打在光学系统前光组的负弯月型透镜上，最终导致经过光学系统的光线在子午和弧矢平面内的聚焦位置完全不一致，并且波阵面也不像轴对称光学系统(其参考波阵面为球面)，而是严重偏离球面。因此这类光学系统的成像性能不再是轴对称，而具有平面对称的特点，赛德尔像差理论不再适用于此类光学系统的像差分析。因此，鱼眼镜头本身结构的特殊性和复杂性导致其设计非常困难，成像性能也不容易控制。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种包含一个非球面透镜的简单鱼眼镜头。在发展的超大视场像差理论和设计方法基础上，通过对其进行优化设计，并结合超大视场光学系统的成像质量评价函数研究，发现了鱼眼镜头在成像过程中，在曲率半径较小的光学元件表面像差贡献往往非常大，远大于其余光学面的像差贡献。于是开发了一款新型鱼眼镜头系统，将像差贡献显著的光学元件表面作为非球面进行优化，得到的光学系统像面均匀性好，成像质量好，性能可靠，结构紧凑，易于加工。

为达到上述发明创造目的，采用下述技术方案：

一种包含一个非球面结构透镜的鱼眼镜头，包括5片透镜，所述5片透镜组成具有负光焦度的前光组系统和具有正光焦度的后光组系统，沿着光轴方向从物方到像方，所述前光组系统负弯月型的第一块透镜和负弯月型的第二块透镜一共两块透镜组成，所述第一块透镜和所述第二块透镜的凸面均朝前，前光组系统的作用在于压缩物方视场角；所述后组光学系统由第三块正透镜、第四块正透镜和第五块负透镜组成，后光组系统的主要作用为使光学系统成像并平衡前光组的主要像差。在所述后光组光学系统中，采用如下任意一种透镜组合方案：

方案一：所述第四块透镜的后光学表面采用非球面结构，前光学表面采用球面结构，所述其余透镜的前后光学表面均采用球面结构；

方案二：所述第五块透镜的前光学表面采用非球面结构，后光学表面采用球面结构，所述其余透镜的前后光学表面均采用球面结构。

作为本发明优选的技术方案，在方案一和方案二中，透镜的光学表面采用非球面结构，因此光学元件表面的非球面面型系数应该满足如下方程式：

x′²+y′²＝a₁z′+a₂z′²

在方程式中，a₁＝2R₀，R₀表示透镜的光学表面的非球面面型曲线顶点处的曲率半径，a₂是确定二次圆锥曲面类型的系数，即非球面系数，当a₂＞0时为双曲面，当a₂＝0时为抛物面，当-1＜a₂＜0时为长椭球面，a₂＝-1时为球面，a₂＜-1为扁椭球面。

根据Lu的平面对称光学系统的像差理论计算了本发明鱼眼镜头系统各光学面的波像差分布，发现曲率半径小的光学元件表面对光学系统像差贡献非常突出，因此本发明分别选择鱼眼镜头中曲率半径最小的两个光学面作为方案一和方案二。

作为本发明进一步优选的技术方案，在方案一中，第四块透镜的后光学表面的非球面面型系数为-1.129，其余光学表面的面型系数均为-1；在方案二中，第五块透镜的前光学表面的非球面面型系数为-0.928，其余光学表面的面型系数均为-1。本发明在方案一和方案二中的非球面系数均接近球面，易于加工、检测和安装调试，均对提高光学系统成像性能起到关键性贡献。

作为上述方案进一步优选的技术方案，在方案一中，鱼眼镜头光学系统的全视场角为180°，总焦距为13.091mm，D/f′值为1/3.5，后工作距离为37.574mm；在方案二中，鱼眼镜头光学系统的全视场角为180°，总焦距为13.091mm，D/f′值为1/3.5，后工作距离为38.44mm。

作为上述方案进一步优选的技术方案，第一块透镜和第二块透镜均为负光焦度的弯月型透镜，第三块透镜为近似凸平型的正光焦度透镜，第四块透镜为正光焦度透镜和第五块透镜为负光焦度透镜，第四块透镜和第五块透镜之间形成一个小距离的空气间隔。

在所述前组光学系统和所述后组光学系统之间设有孔径光阑，即所述孔径光阑设置于所述第三块透镜和所述第四块透镜之间。

作为上述方案进一步优选的技术方案，第一块负透镜、第二块负透镜、第三块正透镜、第四块正透镜和第五块负透镜的光学材料分别为N-LAK8(n₁＝1.713,v₁＝53.832)、N-LAK8(n₂＝1.713,v₂＝53.832)、N-SF5(n₃＝1.67271,v₃＝32.251)、N-FK51A(n₄＝1.48656,v₄＝84.468)和N-SF57(n₅＝1.84666,v₅＝23.78)。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明的光学系统成像性能优越，像面照度均匀性好，光学元件数量少，结构简单、紧凑，易于加工、检测和安装；

2.考虑到非球面透镜加工成本较高，检测较为困难，本发明采用了两个技术方案均采用一个非球面光学表面，方案一为第四块透镜的后光学表面采用非球面结构，其余所有光学表面均采用球面结构，方案二为第五块透镜的前光学表面采用非球面结构，其余所有光学表面均采用球面结构。均取得了比较好的成像性能和均匀的像面照度。相比较，方案二的成像性能更加优越，但两个方案差别比较小，用户可以根据自身需要选择合适的技术方案。

附图说明

图1是本发明实施例一超大视场鱼眼镜头的结构示意图。

图2是本发明实施例一超大视场鱼眼镜头的MTF曲线图。

图3是本发明实施例二超大视场鱼眼镜头的MTF曲线图。

图4是本发明实施例一超大视场鱼眼镜头的点列图。

图5是本发明实施例二超大视场鱼眼镜头的点列图。

图6是本发明实施例一超大视场鱼眼镜头的场曲和畸变曲线。

图7是本发明实施例二超大视场鱼眼镜头的场曲和畸变曲线。

图8是本发明实施例一超大视场鱼眼镜头的光路图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1～图8，一种包含一个非球面透镜的鱼眼镜头，包括5片透镜，所述5片透镜组成具有负光焦度的前光组系统和具有正光焦度的后光组系统，沿着光轴方向从物方到像方，所述前光组系统由负弯月型的第一块透镜Ⅰ和负弯月型的第二块透镜Ⅱ一共两块透镜组成，所述第一块透镜Ⅰ和所述第二块透镜Ⅱ的凸面1、3均朝前，前光组系统的作用在于压缩物方视场角；所述后组光学系统由第三块正透镜Ⅲ、第四块正透镜Ⅳ和第五块负透镜Ⅴ组成，后光组系统的主要作用为使光学系统成像并平衡前光组的主要像差；在所述后光组光学系统中，采用如下任意一种透镜组合方案：

方案一：所述第四块透镜Ⅳ的后光学表面9采用非球面结构，前光学表面8采用球面结构，所述其余透镜的前后光学表面均采用球面结构；

方案二：所述第五块透镜Ⅴ的前光学表面10采用非球面结构，后光学表面11采用球面结构，所述其余透镜的前后光学表面均采用球面结构。

本实施例通过对其进行结构的优化设计，开发了一款新型鱼眼镜头系统，将像差贡献显著的光学元件表面作为非球面进行优化，得到的光学系统像面均匀性好，成像质量好，性能可靠，结构紧凑，易于加工。

实施例二：

在本实施例中，采用方案一，参见图1、图2、图4、图6和图8，一种包含一个非球面的鱼眼镜头，由5片透镜组成，具有负光焦度的前光组系统和具有正光焦度的后光组系统，沿着光轴方向从物方到像方，前光组负弯月型的第一块透镜I和负弯月型的第二块透镜II一共两块透镜组成，第一块透镜I的凸面1和第二块透镜II的凸面3均朝前；后光组由第三块III凸平型正透镜的凸面5超前、第四块IV双凸型透镜正透镜的小曲率半径光学表面9朝后和第五块V负透镜的凸面11朝后组成，后光组系统的主要作用为使光学系统成像并平衡前光组的主要像差。采用方案一：第四块透镜IV的后光学表面9采用非球面结构，非球面面型系数为-1.129，其余光学表面均采用球面结构，其余光学表面的非球面系数为-1。如图1所示，本实施例包含一个非球面结构的鱼眼镜头，包括前光组系统和后光组系统。前组光学系统由两块负弯月型透镜组成，前光组系统主要起压缩物方空间视场角作用；后光组系统为成像物镜系统，第三块正透镜III、第四块正透镜IV和第五块负透镜V组成，后光组的主要作用为光学系统成像并平衡前光组系统的主要像差。本实施例在发展的超大视场像差理论和设计方法基础上，通过对其进行软件设计并结合超大视场光学系统的成像质量的MTF评价函数，以及考虑到制造成本问题。

在本实施例中，第一块负透镜I、第二块负透镜II、第三块正透镜III、第四块正透镜IV和第五块负透镜V的光学材料分别为N-LAK8(n₁＝1.713,v₁＝53.832)、N-LAK8(n₂＝1.713,v₂＝53.832)、N-SF5(n₃＝1.67271,v₃＝32.251)、N-FK51A(n₄＝1.48656,v₄＝84.468)和N-SF57(n₅＝1.84666,v₅＝23.78)。

在本实施例中，鱼眼镜头光学系统的全视场角为180°，总焦距为13.091mm，D/f′值为1/3.5，后工作距离为37.574mm。本实施例非球面结构鱼眼镜头结构参数见表1。

图2为本实施例非球面结构鱼眼镜头的方案一的FFT方式的MTF曲线，图中横轴表示为半视场角，单位为°，物方最大半工作视场角为90°；纵轴表示为MTF值，范围为0到1；根据光学系统的MTF值来对成像质量进行评价，最大视场角时的MTF值≥0.42，图中分别给出为空间频率为10lp/mm和30lp/mm时子午方向和弧失方向的MTF值，从图中可以看出镜头成像性能优良。

图4为本实施例非球面结构鱼眼镜头的方案一的点列图，图中分别给出了0°、30°、60°和90°的点列图。在图4中，横轴和纵轴的尺寸均为100μm。从图中可以看出在0°视场时光斑尺寸最小，60°视场和90°视场的的光斑尺寸略大，从光斑特征分布可以说明本实施例的孔径像差略大。

图6为本实施例非球面结构鱼眼镜头的方案一的场曲和F-Theta畸变曲线，场曲和畸变是衡量鱼眼镜头质量的重要指标之一。在图6中，左边为场曲曲线，右边为F-Theta畸变曲线。场曲曲线的横轴表示为场曲大小，单位为mm；纵轴表示为半视场角，单位为°；F-Theta畸变曲线的横轴表示为设计镜头与使用模型之间畸变的偏差，单位为百分比(％)；纵轴表示为半视场角，单位为°；Zemax软件中只能显示最大89°视场角的情形。从图6中可以看出本发明设计的镜头场曲很小，在0.2mm之内，同时也可以看出轴向色差也较小，畸变符合镜头成像要求。

本实施例光学系统成像性能优越，像面照度均匀性好，光学元件数量少，结构简单、紧凑，易于加工、检测和安装。

实施例三：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，采用方案二，参见图3、图5和图7，第五块透镜的前光学表面10的非球面面型系数为-0.928，所述光学系统中其余光学表面的面型系数均为-1。方案二和方案一采用的透镜材料相同，在本实施例中，包含一个非球面结构透镜鱼眼镜头，光学系统的全视场角为180°，总焦距为13.091mm，D/f′值为1/3.5，后工作距离为38.44mm。本实施例非球面结构鱼眼镜头结构参数见表1。

在本实施例中，图3为本实施例非球面结构鱼眼镜头的方案二的MTF曲线，最大视场角时的MTF值≥0.55，从图中可以看出镜头成像性能非常好。图5的横轴和纵轴的尺寸均为100μm，从图中可以看出在不同视场角的情况下，光学系统的光斑分布非常小，说明鱼眼镜头的综合像差得到了很好的平衡，从MTF曲线和点列图可以看出本实例二的成像性能更加优越。图7为本实施例非球面结构鱼眼镜头方案二的场曲和F-Theta畸变曲线，左边为场曲曲线，右边为F-Theta畸变曲线。从图7中可以看出本发明设计的镜头场曲很小，在0.2mm之内，同时也可以看出轴向色差也较小，畸变符合镜头成像要求。

表1实施例一和实施例二非球面结构鱼眼镜头结构参数

综上所述，上述实施例包含一个非球面结构透镜简单鱼眼镜头，光学系统共由5片透镜组成，具有负光焦度的前光组系统和具有正光焦度的后光组系统，沿着光轴方向从物方到像方，前光组系统由负弯月型的凸面均朝前的第一块透镜I和第二块透镜组成II，主要起压缩视场角的作用；后光组系统由其余三块透镜组成，主要用于成像并平衡前光组的主要像差。前光组系统的两块透镜的前后光学面均为球面结构。后光组光学系统中第四块透镜IV的后光学表面9采用非球面结构，其余透镜的光学面均采用球面结构；或者后光组系统中第五块透镜V的前光学表面10采用非球面结构，其余透镜均采用球面结构。上述实施例只用了5块单独透镜，可实现最大工作视场角180°，接收孔径可达F/3.5，焦距13mm；且系统像面照度均匀性好，具有成像性能优越的特点，结构简单紧凑，易于加工。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明包含非球面结构透镜的超大视场鱼眼镜头的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种包含一个非球面透镜的鱼眼镜头，包括5片透镜，其特征在于：所述5片透镜组成具有负光焦度的前光组系统和具有正光焦度的后光组系统，沿着光轴方向从物方到像方，所述前光组系统由负弯月型的第一块透镜(Ⅰ)和负弯月型的第二块透镜(Ⅱ)一共两块透镜组成，所述第一块透镜(Ⅰ)和所述第二块透镜(Ⅱ)的凸面(1、3)均朝前，前光组系统的作用在于压缩物方视场角；所述后光组系统由第三块正透镜(Ⅲ)、第四块正透镜(Ⅳ)和第五块负透镜(Ⅴ)组成，后光组系统的作用为使光学系统成像并平衡前光组的像差；在所述后光组系统中，采用如下任意一种透镜组合方案：

方案一：所述第四块正透镜(Ⅳ)的后光学表面(9)采用非球面结构，前光学表面(8)采用球面结构，其余透镜的前后光学表面均采用球面结构；

方案二：所述第五块负透镜(Ⅴ)的前光学表面(10)采用非球面结构，后光学表面(11)采用球面结构，其余透镜的前后光学表面均采用球面结构；

在方案一中，鱼眼镜头光学系统的全视场角为180°，总焦距为13.091mm，D/f′值为1/3.5，后工作距离为37.574mm；在方案二中，鱼眼镜头光学系统的全视场角为180°，总焦距为13.091mm，D/f′值为1/3.5，后工作距离为38.44mm；

在所述前光组系统中，所述第一块透镜(Ⅰ)和第二块透镜(Ⅱ)均为负光焦度的弯月型透镜，第三块正透镜(Ⅲ)为凸平型的正光焦度透镜，第四块正透镜(Ⅳ)为双凸型正透镜和第五块负透镜(Ⅴ)为负透镜，在第四块正透镜(Ⅳ)和第五块负透镜(Ⅴ)之间形成了一个小距离的空气间隔；

所述第一块透镜(Ⅰ)、第二块透镜(Ⅱ)、第三块正透镜(Ⅲ)、第四块正透镜(Ⅳ)和第五块负透镜(Ⅴ)的光学材料分别为：N-LAK8(n₁＝1.713,v₁＝53.832)、N-LAK8(n₂＝1.713,v₂＝53.832)、N-SF5(n₃＝1.67271,v₃＝32.251)、N-FK51A(n₄＝1.48656,v₄＝84.468)和N-SF57(n₅＝1.84666,v₅＝23.78)。

2.根据权利要求1所述包含一个非球面透镜的鱼眼镜头，其特征在于：在方案一和方案二中，光学元件表面的非球面面型系数满足方程式x^′2+y^′2＝a₁z′+a₂z′²，其中，a₁＝2R₀，R₀表示光学元件表面的非球面面型曲线顶点处的曲率半径，a₂是确定二次圆锥曲面类型的系数，即非球面系数，当a₂＞0时为双曲面，当a₂＝0时为抛物面，当-1＜a₂＜0时为长椭球面，a₂＝-1时为球面，a₂＜-1为扁椭球面。

3.根据权利要求2所述包含一个非球面透镜的鱼眼镜头，其特征在于：在方案一中，所述第四块正透镜的后光学表面(9)的非球面面型系数为a₂＝-1.129，所述光学系统中其余光学表面的面型系数均为a₂＝-1；在方案二中，所述第五块负透镜的前光学表面(10)的非球面面型系数为a₂＝-0.928，所述光学系统中其余光学表面的面型系数均为a₂＝-1。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述包含一个非球面透镜的鱼眼镜头，其特征在于：在所述前光组系统和所述后光组系统之间设有孔径光阑，即所述孔径光阑设置于所述第三块正透镜(Ⅲ)和所述第四块正透镜(Ⅳ)之间。

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