CN113467061A

CN113467061A - 光学镜头及成像设备

Info

Publication number: CN113467061A
Application number: CN202111035628.1A
Authority: CN
Inventors: 于笑枝; 曾昊杰; 曾吉勇
Original assignee: Jiangxi Lianyi Optics Co Ltd
Current assignee: Hefei Lianchuang Optical Co ltd
Priority date: 2021-09-06
Filing date: 2021-09-06
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2041-09-06
Also published as: CN113467061B

Abstract

本发明公开了一种光学镜头及成像设备，该光学镜头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，其物侧面为凸面、像侧面为凹面；光阑；具有正光焦度的第二透镜，其物侧面在近光轴处为凸面、像侧面为凸面；具有正光焦度的第三透镜，其物侧面为凹面、像侧面为凸面；具有负光焦度的第四透镜，其物侧面为凹面、像侧面在近光轴处为凸面；其中，第一透镜、第二透镜和第四透镜均为塑胶非球面镜片，第三透镜为玻璃镜片。该光学镜头至少具有小体积、广视角、高像素、日夜共焦、成本相对较低的优点。

Description

光学镜头及成像设备

技术领域

本发明涉及成像镜头技术领域，特别是涉及一种光学镜头及成像设备。

背景技术

随着安防监控视频技术应用范围和场景的逐步拓展，以及安防监控在高清化、网络化、智能化等方面的要求日益加强，安防监控镜头产品在获取大视野、高清图像输出、日夜共焦色彩成像、克服恶劣环境对成像质量的影响等方面的技术水平要求也日益提升。

目前市场上流行的大部分监控类镜头的视场角较小，难以获取大视野内的成像画面，不能满足实际需求；还有许多监控类镜头的镜片数多，甚至采用全玻璃材料的镜片，使镜头的成本较高且体积较大，不利于在市场上推广应用。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种光学镜头及成像设备，用于解决上述问题。

本发明实施例通过以下技术方案实施上述的目的。

第一方面，本发明提供了一种光学镜头，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，所述第一透镜的像侧面为凹面；光阑；具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面在近光轴处为凸面，所述第二透镜的像侧面为凸面；具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面为凹面，所述第三透镜的像侧面为凸面；具有负光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面为凹面，所述第四透镜的像侧面在近光轴处为凸面；其中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第四透镜均为塑胶非球面镜片，所述第三透镜为玻璃镜片。

第二方面，本发明提供一种成像设备，包括成像元件及第一方面提供的光学镜头，成像元件用于将光学镜头形成的光学图像转换为电信号。

相较现有技术，本发明提供的光学镜头及成像设备，通过合理的搭配四个具有特定屈折力的玻塑混合镜片的形状和光焦度，有效控制了热焦点偏移，使镜头在高低温环境下（-40~80℃）依旧有良好成像表现；由于光阑的位置及各透镜的面型设置合理，使镜头具有大广角及超大光圈的特性，满足明暗环境的成像需求；同时还具有高像素、日夜共焦、成本相对较低的优点，能够满足安防监控类设备的使用需求。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明第一实施例的光学镜头的结构示意图；

图2为本发明第一实施例的光学镜头的象散曲线图；

图3为本发明第一实施例的光学镜头的垂轴色差曲线图；

图4为本发明第一实施例的光学镜头的可见光波段中心视场离焦曲线图；

图5为本发明第一实施例的光学镜头的红外波段中心视场离焦曲线图；

图6为本发明第二实施例的光学镜头的结构示意图；

图7为本发明第二实施例的光学镜头的象散曲线图；

图8为本发明第二实施例的光学镜头的垂轴色差曲线图；

图9为本发明第二实施例的光学镜头的可见光波段中心视场离焦曲线图；

图10为本发明第二实施例的光学镜头的红外波段中心视场离焦曲线图；

图11为本发明第三实施例的光学镜头的结构示意图；

图12为本发明第三实施例的光学镜头的象散曲线图；

图13为本发明第三实施例的光学镜头的垂轴色差曲线图；

图14为本发明第三实施例的光学镜头的可见光波段中心视场离焦曲线图；

图15为本发明第三实施例的光学镜头的红外波段中心视场离焦曲线图；

图16为本发明第四实施例的成像设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。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。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。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。

本发明提出一种光学镜头，沿光轴从物侧到成像面依次包括：第一透镜，光阑，第二透镜，第三透镜，第四透镜及滤光片，这里的物侧为与成像面相对的一侧。

其中，第一透镜具有负光焦度，第一透镜的物侧面为凸面，第一透镜的像侧面为凹面。

第二透镜具有正光焦度，第二透镜的物侧面在近光轴处为凸面，第二透镜的像侧面为凸面。

第三透镜具有正光焦度，第三透镜的物侧面为凹面，第三透镜的像侧面为凸面。

第四透镜具有负光焦度，第四透镜的物侧面为凹面，第四透镜的像侧面在近光轴处为凸面。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足条件式：

-18<R5/f<-2；（1）

其中，f表示所述光学镜头的焦距，R5表示第三透镜的物侧面的曲率半径。满足条件式（1），能够合理控制第三透镜物侧面的曲率半径，有利于减小后续镜片的口径，实现系统轻型化。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

0.16<f/f1+ f/f2<0.35；（2）

其中，f表示所述光学镜头的焦距，f1表示第一透镜的焦距，f2表示第二透镜的焦距。满足条件式（2），能够合理控制第一透镜和第二透镜的光焦度分配，有利于缩短所述光学镜头的总长，同时有利于实现所述光学镜头的日夜共焦性能。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

2.4<DM11/DM22<2.6；（3）

其中，DM11表示第一透镜的物侧面的有效口径，DM22表示第二透的像侧面的有效口径。满足条件式（3），能够合理控制第一透镜和第二透镜的有效口径，有利于校正所述光学镜头的光学畸变，同时有利于实现所述光学镜头的小型化。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

0.62<(R3+R4)/(R3-R4)<0.67；（4）

其中，R3表示第二透镜的物侧面的曲率半径，R4表示第二透镜的像侧面的曲率半径。满足条件式（4），能够合理控制第二透镜的面型，有利于矫正光学畸变，提高所述光学镜头的成像品质。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

-0.1<SAG31/DM31<-0.01；（5）

其中，SAG31表示第三透镜的物侧面在有效口径处的矢高，DM31表示第三透镜的物侧面的有效口径。满足条件式（5），能够合理控制第三透镜物侧面的形状，使光线入射进第三透镜物侧面时具有较小的入射角，有利于降低系统敏感度，提高产品生产良率。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

1<(R5+R6)/(R5-R6)<1.65；（6）

1.55<f3/f<1.7；（7）

3.5×10^-5mm/℃<f3×(dn/dt)3<5.5×10^-5mm/℃；（8）

其中，R5表示第三透镜的物侧面的曲率半径，R6表示第三透镜的像侧面的曲率半径，f表示所述光学镜头的焦距，f3表示第三透镜的焦距，(dn/dt)3表示第三透镜的材料折射率温度系数。满足条件式（6）和（7），能够合理控制第三透镜的面型和光焦度，有利于降低高级像差的矫正难度；同时满足条件式（8），通过设置第三透镜为特定范围内的玻璃材质，并与其它塑胶镜片互补，在有效减小镜头体积的同时，提升所述光学镜头在高低温环境中的成像稳定性。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

-1.8<(R7+R8)/(R7-R8)<-1.65；（9）

-1.65<f4/f<-1.5；（10）

其中，R7表示第四透镜的物侧面的曲率半径，R8表示第四透镜的像侧面的曲率半径，f表示所述光学镜头的焦距，f4表示第四透镜的焦距。满足条件式（9）和（10），能够合理控制第四透镜的两侧面型和光焦度，有效缓和光轴的聚光强度，减小边缘视场与中心视场的像差，提高镜头在全视场的解像能力。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

0.8< CT1/CT2<1.35；（11）

2.0< CT1/CT3<3；（12）

其中，CT1表示第一透镜的中心厚度，CT2表示第二透镜的中心厚度，CT3表示第三透镜的中心厚度。满足条件式（11）和（12）时，通过合理分配各透镜的中心厚度，有利于所述光学镜头的小型化，同时，有利于降低光学镜头的敏感度，提高产品生产良率。

在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：

1< Vd3/Vd2<1.1；（13）

1< Nd3/Nd2<1.1；（14）

其中，Nd2表示第二透镜的折射率，Nd3表示第三透镜的折射率，Vd2表示第二透镜的阿贝数，Vd3表示第三透镜的阿贝数。满足条件式（13）和（14）时，能够合理搭配第二透镜和第三透镜的材质选择，采用玻塑混合搭配的材质，有利于实现光学镜头具有较好的高低温成像性能。

在一些实施方式中，第一透镜、第二透镜和第四透镜可以是非球面镜片，可选的，第一透镜、第二透镜和第四透镜均采用塑胶非球面镜片，第三透镜采用玻璃球面镜片。采用非球面镜片，可以有效减少镜片的数量，修正像差，提供更好的光学性能。

下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在各个实施例中，光学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。下述实施例仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不仅仅受下述实施例的限制，其他的任何未背离本发明创新点所作的改变、替代、组合或简化，都应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

作为一种实施方式，当光学镜头中的各个透镜均为非球面透镜时，光学镜头的各个非球面面型可以均满足下列方程：

；

其中，z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为表面的近轴曲率，k为二次曲面系数conic，A_2i为第2i阶的非球面面型系数。

第一实施例

请参阅图1，所示为本发明第一实施例中提供的光学镜头100的结构示意图，该光学镜头100沿光轴从物侧到成像面依次包括：第一透镜L1，光阑ST，第二透镜L2，第三透镜L3，第四透镜L4及滤光片G1。

其中，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具有正光焦度，第二透镜的物侧面S3在近光轴处为凸面，第二透镜的像侧面S4为凸面。

第三透镜L3具有正光焦度，第三透镜的物侧面S5为凹面，第三透镜的像侧面S6为凸面。

第四透镜L4具有负光焦度，第四透镜的物侧面S7为凹面，第四透镜的像侧面S8在近光轴处为凸面。

其中，第一透镜L1、第二透镜L2和第四透镜L4均采用塑胶非球面镜片，第三透镜L3采用玻璃球面镜片。采用玻塑混合搭配的镜头结构，能够使镜头具有较好的高低温性能，同时能够实现镜头的日夜共焦性能。

请参照表1，所示为本发明第一实施例提供的光学镜头100中各个镜片的相关参数。

表1

请参照表2，所示为本发明第一实施例提供的光学镜头100的各非球面的面型系数。

表2

请参照图2、图3、图4及图5，所示分别为第一实施例中光学镜头100的象散曲线图、垂轴色差曲线图、可见光波段中心离焦曲线图、红外波段中心离焦曲线图。

图2的象散曲线表示子午像面和弧矢像面的弯曲程度。其中，图2中横轴表示偏移量（单位：毫米），纵轴表示视场角（单位：度）。从图2中可以看出，子午像面和弧矢像面的象散控制在±0.10毫米以内，说明光学镜头100的象散矫正良好。

图3的垂轴色差曲线表示最长波长与最短波长在成像面上不同像高处的色差。其中，图3中横轴表示各波长相对中心波长的垂轴色差值（单位：微米），纵轴表示归一化视场角。从图3中可以看出，最长波长与最短波长的垂轴色差均控制在±3微米以内，说明光学镜头100的垂轴色差得到良好的矫正。

图4和图5分别表示镜头在可见光波段和红外850nm波段中心视场的离焦MTF曲线，图中横轴表示离焦位置（单位：毫米），纵轴表示MTF值。从图4和图5中可看出，与可见光波段的离焦曲线相比，光学镜头100在红外850nm波段中心视场的离焦量小于0.01mm，说明光学镜头100有较好的日夜共焦性能。

第二实施例

请参阅图6，所示为本发明第二实施例提供的光学镜头200的结构示意图，本发明第二实施例提供的光学镜头200与第一实施例提供的光学镜头100的结构大致相同，不同之处主要在于，各透镜的曲率半径、材料选择不同。

请参照表3，所示为本发明第二实施例提供的光学镜头中各个镜片的相关参数。

表3

请参照表4，所示为本发明第二实施例提供的光学镜头的各非球面的面型系数。

表4

请参照图7、图8、图9及图10，所示分别为第二实施例中光学镜头200的象散曲线图、垂轴色差曲线图、可见光波段中心离焦曲线图、红外波段中心离焦曲线图。

图7的象散曲线表示子午像面和弧矢像面的弯曲程度。从图7中可以看出，子午像面和弧矢像面的象散控制在±0.06毫米以内，说明光学镜头的象散矫正良好。

图8的垂轴色差曲线表示最长波长与最短波长在成像面上不同像高处的色差。从图8中可以看出，最长波长与最短波长的垂轴色差均控制在±2微米以内，说明光学镜头200的垂轴色差得到良好的矫正。

图9和图10分别表示镜头在可见光波段和红外850nm波段中心视场的离焦MTF曲线。从图9和图10中可看出，与可见光波段的离焦曲线相比，光学镜头100在红外850nm波段中心视场的离焦量小于0.01mm，说明光学镜头200具有较好的日夜共焦性能。

第三实施例

请参阅图11，所示为本发明第三实施例提供的光学镜头300的结构示意图，本发明第三实施例提供的光学镜头300与第一实施例提供的光学镜头100的结构大致相同，不同之处主要在于，各透镜的曲率半径、材料选择不同。

请参照表5，所示为本发明第三实施例提供的光学镜头中各个镜片的相关参数。

表5

请参照表6，所示为本发明第三实施例提供的光学镜头100的各非球面的面型系数。

表6

请参照图12、图13、图14及图15，所示分别为第三实施例中光学镜头的象散曲线图、垂轴色差曲线图、可见光波段中心离焦曲线图、红外波段中心离焦曲线图。

图12的象散曲线表示子午像面和弧矢像面的弯曲程度。从图12中可以看出，子午像面和弧矢像面的象散控制在±0.05毫米以内，说明光学镜头300的象散矫正良好。

图13的垂轴色差曲线表示最长波长与最短波长在成像面上不同像高处的色差。从图13中可以看出，最长波长与最短波长的垂轴色差均控制在±2微米以内，说明光学镜头300的垂轴色差得到良好的矫正。

图14和图15分别表示镜头在可见光波段和红外850nm波段中心视场的离焦MTF曲线。从图14和图15中可看出，与可见光波段的离焦曲线相比，光学镜头100在红外850nm波段中心视场的离焦量小于0.01mm，说明光学镜头300有较好的日夜共焦性能。

请参照表7，所示是上述三个实施例提供的光学镜头分别对应的光学特性。其中，光学特性主要包括光学镜头的焦距f、光圈数F#、光学总长TTL及视场角FOV、像高IH，以及与前述每个条件式对应的相关数值。

表7

综上，本发明实施例提供的光学镜头，通过采用四个具有特定屈折力的透镜，合理搭配各透镜之间的镜片形状与光焦度组合，能够较好的实现体积小型化和广视角的均衡，且具有较好的高低温性能和日夜共焦性能，能够有效提升用户的使用体验。

第四实施例

请参阅图16，所示为本发明第四实施例提供的成像设备400，该成像设备400可以包括成像元件410和上述任一实施例中的光学镜头（例如光学镜头100）。成像元件410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。

该成像设备400可以是监控设备、手机、相机、平板电脑以及其它任意一种形态的装载了上述光学镜头的电子设备。

本申请实施例提供的成像设备400包括光学镜头100，由于光学镜头100具有小体积、广视角、高像素、日夜共焦、成本相对较低的优点，具有该光学镜头100的成像设备400也具有小体积、广视角、高像素、日夜共焦、成本相对较低的优点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

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

1.一种光学镜头，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，所述第一透镜的像侧面为凹面；

光阑；

具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面在近光轴处为凸面，所述第二透镜的像侧面为凸面；

具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面为凹面，所述第三透镜的像侧面为凸面；

具有负光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面为凹面，所述第四透镜的像侧面在近光轴处为凸面；

其中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第四透镜均为塑胶非球面镜片，所述第三透镜为玻璃镜片。

2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

-18<R5/f<-2；

其中，f表示所述光学镜头的焦距，R5表示所述第三透镜的物侧面的曲率半径。

3.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

0.16<f/f1+f/f2<0.35；

其中，f表示所述光学镜头的焦距，f1表示所述第一透镜的焦距，f2表示所述第二透镜的焦距。

4.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

2.4<DM11/DM22<2.6；

其中，DM11表示所述第一透镜物侧面的有效口径，DM22表示所述第二透像侧面的有效口径。

5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

0.62<(R3+R4)/(R3-R4)<0.67；

其中，R3表示所述第二透镜的物侧面的曲率半径，R4表示所述第二透镜的像侧面的曲率半径。

6.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

-0.1<SAG31/DM31<-0.01；

其中，SAG31表示所述第三透镜物侧面有效口径处的矢高，DM31表示所述第三透镜的物侧面的有效口径。

7.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

1<(R5+R6)/(R5-R6)<1.65；

1.55<f3/f<1.7；

3.5×10^-5mm/℃<f3×(dn/dt)3<5.5×10^-5mm/℃；

其中，R5表示所述第三透镜的物侧面的曲率半径，R6表示所述第三透镜的像侧面的曲率半径，f表示所述光学镜头的焦距，f3表示所述第三透镜的焦距，(dn/dt)3表示所述第三透镜的材料折射率温度系数。

8.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

-1.8<(R7+R8)/(R7-R8)<-1.65；

-1.65<f4/f<-1.5；

其中，R7表示所述第四透镜的物侧面的曲率半径，R8表示所述第四透镜的像侧面的曲率半径，f表示所述光学镜头的焦距，f4表示所述第四透镜的焦距。

9.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

0.8<CT1/CT2<1.35；

2.0<CT1/CT3<3；

其中，CT1表示所述第一透镜的中心厚度，CT2表示所述第二透镜的中心厚度，CT3表示所述第三透镜的中心厚度。

10.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

1<Vd3/Vd2<1.1；

1<Nd3/Nd2<1.1；

其中，Nd2表示所述第二透镜的折射率，Nd3表示所述第三透镜的折射率，Vd2表示所述第二透镜的阿贝数，Vd3表示所述第三透镜的阿贝数。

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