CN113835202A - 一种大视场半球空域鱼眼镜头系统 - Google Patents

一种大视场半球空域鱼眼镜头系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大视场半球空域鱼眼镜头系统，应用于光学技术领域。它沿光轴的方向，从物方至像方依次包括具有负光焦度的前透镜组和具有正光焦度的后透镜组；前透镜组在光轴的方向从物方至像方依次包括负光焦度的第一块透镜、负光焦度的第二块透镜、负光焦度的第三块透镜、负光焦度的第四块透镜和正光焦度的第五块透镜；后透镜组在光轴的方向从物方至像方依次包括正光焦度的第六块透镜、正光焦度的第七块透镜、负光焦度的第八块透镜、孔径光阑、正光焦度的第九块透镜、负光焦度的第十块透镜、负光焦度的第十一块透镜和正光焦度的第十二块透镜。通过前透镜组像差与后透镜组像差相互的平衡的方式，使得成像质量达到满足的要求。

Description

一种大视场半球空域鱼眼镜头系统
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，具体来说，是一种大视场半球空域鱼眼镜头系统。
背景技术
鱼眼镜头是模仿水下鱼的眼睛仰视水面之上半球空域的一类仿生系统，把鱼眼的这种功能通过设计成光学仪器的形式便成了鱼眼镜头，它能满足人们以尽可能大的视野范围获取信息的目的。通常认为视场角超出140°的镜头就认为是鱼眼镜头。目前，国内外扩大人类视场角范围的技术主要是旋转/步进扫描技术、多镜头拼接技术、超广角凝视技术，前两种技术的主要缺点是损失了信息获取的实时性，而超广角凝视技术能满足全空域包容以及全时域实时信息获取的功能，鱼眼镜头就属于此类超广角镜头，其视场能达到或者超出180°的范围，特别符合现代战争对信息获取的需要，是各国竞相发展的先进技术，所以鱼眼镜头在国防和军事领域得到了重要的应用，鱼眼镜头在摄影、球幕投影、气象监测、安全监视、工程测量以及微小智能系统等领域也得到了广泛的应用。
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，提供一种大视场半球空域鱼眼镜头系统，通过前透镜组像差与后透镜组像差尽可能相互平衡的方式，使得成像质量达到满足的要求。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种大视场半球空域鱼眼镜头系统，沿光轴的方向，从物方至像方依次包括具有负光焦度的前透镜组和具有正光焦度的后透镜组；
所述前透镜组在光轴的方向从物方至像方依次包括负光焦度的第一块透镜、负光焦度的第二块透镜、负光焦度的第三块透镜、负光焦度的第四块透镜和正光焦度的第五块透镜；
所述后透镜组在光轴的方向从物方至像方依次包括正光焦度的第六块透镜、正光焦度的第七块透镜、负光焦度的第八块透镜、孔径光阑、正光焦度的第九块透镜、负光焦度的第十块透镜、负光焦度的第十一块透镜和正光焦度的第十二块透镜。
优选地，所述第七块透镜和第八块透镜通过胶合的方式组合成双胶合透镜。
优选地，所述第九块透镜和第十块透镜通过胶合的方式组合成双胶合透镜。
优选地，所述第十一块透镜和第十二块透镜通过胶合的方式组合成双胶合透镜。
优选地，该系统的镜头的视场角为180°±5°，总焦距为6.740mm±0.1mm，F数为2.8±0.05，总长度为210.36mm±5mm，可探测的波长范围为486-656nm，主波长为588nm±10nm。
优选地，所述第一块透镜、第二块透镜、第三块透镜、第四块透镜、第五块透镜、第六块透镜、第七块透镜、第八块透镜、第九块透镜、第十块透镜、第十一块透镜、第十二块透镜的材料分别为H-K9L、H-K9L、H-K9L、H-ZK9B、ZF4、ZF1、H-KF6、H-ZBAF52、H-K10、H-ZLAF52、H-ZF3、H-K9L。
优选地，所述第一块透镜、第二块透镜、第三块透镜、第四块透镜、第五块透镜、第六块透镜、第七块透镜、第八块透镜、第九块透镜、第十块透镜、第十一块透镜、第十二块透镜的折射率n分别为1.5168、1.5168、1.5168、1.6204、1.7283、1.6477、1.5174、1.6700、1.5182、1.8061、1.7174、1.5168。
优选地，所述第一块透镜、第二块透镜、第三块透镜、第四块透镜、第五块透镜、第六块透镜、第七块透镜、第八块透镜、第九块透镜、第十块透镜、第十一块透镜、第十二块透镜均为球面透镜。
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.本发明通过前透镜组像差与后透镜组像差相互平衡的方式，使得成像质量达到满足的要求；
2.本发明大视场半球空域鱼眼镜头系统由12块球面透镜组成，有利于加工。
附图说明
图1是本发明优选实施例的透镜结构示意图。
图2是本发明优选实施例的光路布局图。
图3是本发明优选实施例的MTF曲线示意图。
图4是本发明优选实施例的场曲与畸变示意图。
图5是本发明优选实施例的系统标准点列图。
图6是本发明优选实施例的相对照度曲线示意图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种大视场半球空域鱼眼镜头系统，沿光轴的方向，从物方至像方依次包括具有负光焦度的前透镜组和具有正光焦度的后透镜组；
所述前透镜组在光轴的方向从物方至像方依次包括负光焦度的第一块透镜(1)、负光焦度的第二块透镜(2)、负光焦度的第三块透镜(3)、负光焦度的第四块透镜(4)和正光焦度的第五块透镜(5)；
所述后透镜组在光轴的方向从物方至像方依次包括正光焦度的第六块透镜(6)、正光焦度的第七块透镜(7)、负光焦度的第八块透镜(8)、孔径光阑(13)、正光焦度的第九块透镜(9)、负光焦度的第十块透镜(10)、负光焦度的第十一块透镜(11)和正光焦度的第十二块透镜(12)。
本实施例大视场半球空域鱼眼镜头系统，通过前透镜组像差与后透镜组像差尽可能相互平衡的方式，使得成像质量达到满足的要求。本实施例大视场半球空域鱼眼镜头系统由12块球面透镜组成，有利于加工。
实施例二：
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，所述第七块透镜(7)和第八块透镜(8)通过胶合的方式组合成双胶合透镜。
在本实施例中，所述第九块透镜(9)和第十块透镜(10)通过胶合的方式组合成双胶合透镜。
在本实施例中，所述第十一块透镜(11)和第十二块透镜(12)通过胶合的方式组合成双胶合透镜。
在本实施例中，该系统的镜头的视场角为180°±5°，总焦距为6.740mm±0.1mm，F数为2.8±0.05，总长度为210.36mm±5mm，可探测的波长范围为486-656nm，主波长为588nm±10nm。
本实施例大视场半球空域鱼眼镜头系统，通过前透镜组像差与后透镜组像差尽可能相互平衡的方式，使得成像质量达到满足的要求。
实施例三：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，该系统的镜头的视场角为180°，总焦距为6.740mm，F数为2.±0.05，总长度为210.36mm，可探测的波长范围为486-656nm，主波长为588nm。
上述第一块透镜1、第二块透镜2、第三块透镜3、第四块透镜4、第五块透镜5、第六块透镜6、第七块透镜7、第八块透镜8、第九块透镜9、第十块透镜10、第十一块透镜11、第十二块透镜12的材料分别为H-K9L、H-K9L、H-K9L、H-ZK9B、ZF4、ZF1、H-KF6、H-ZBAF52、H-K10、H-ZLAF52、H-ZF3、H-K9L。
上述第一块透镜1、第二块透镜2、第三块透镜3、第四块透镜4、第五块透镜5、第六块透镜6、第七块透镜7、第八块透镜8、第九块透镜9、第十块透镜10、第十一块透镜11、第十二块透镜12的折射率n分别为1.5168、1.5168、1.5168、1.6204、1.7283、1.6477、1.5174、1.6700、1.5182、1.8061、1.7174、1.5168。
本实施例光学系统结构参数如表1所示。初步计算所得的初始结构经过ZEMAX软件进一步优化设计，最终得到一视场角为180°、像方空间F数为2.8、可见光范围内的大视场半球空域鱼眼镜头系统。鱼眼镜头的系统光路布局图如图2所示，其MTF曲线图如图3所示，场曲与畸变示意图如图4所示，成像标准点列图如图5所示，相对照度曲线示意图如图6所示。由图3～图6可见，全视场镜头的最大场曲小于0.152mm，本鱼眼镜头系统的MTF指标能够满足一般实际成像的需要，所有视场的OTF模值不低于0.5，所有视场的相对照度不低于0.95。本实施例公开的透镜结构能够对整个半球空域实时监测或摄影，成像质量特别好，能够在成像面100上显示清晰的图像，完全能满足的监测或摄影要求。
表1.实施例三大视场半球空域鱼眼镜头系统的光学系统结构参数表
Figure BDA0003178686190000041
Figure BDA0003178686190000051
本鱼眼镜头系统的初始结构是运用像差理论，得到鱼眼镜头的前光组视场角压缩比、最大横向限制尺寸与前光组结构参数之间的关系；根据鱼眼镜头的基本结构，其负弯月型透镜组组成的前光组产生的较大像差主要是场曲、倍率色差和轴向色差，后光组设计过程中，主要是平衡前光组产生的场曲、倍率色差和轴向像差，满足基本的成像功能；根据视场角缩放比要求以及负弯月型透镜尺寸限制，应用主光线传输方程得出前光组的结构参数，运用平面对称光学系统像差理论计算前光组场曲、倍率色差和轴向色差。在此基础上，进一步建立前光组与后光组的几类像差的平衡方程，同时满足系统光焦度要求，后光组物镜的一阶光学参数，包括各透镜的光焦度及光学间隔设计参数即可求出。然后，以求解出的光焦度为限制条件，基于曲率半径与各类像差关系的分析曲线，初步设定后光组曲率半径，得到基本初始结构后，再利用ZEMAX等光学设计软件对初始结构进一步像差优化，最终获此视场角为180°半球空域鱼眼镜头系统。该鱼眼镜头系统由12块球面透镜组成，有利于加工。通过基本像差分析图可知，该鱼眼镜头成像质量能满足一般成像质量的要求。
综上所述，上述实施例大视场半球空域鱼眼镜头系统。它沿光轴的方向，从物方至像方依次包括具有负光焦度的前透镜组和具有正光焦度的后透镜组；前透镜组在光轴的方向从物方至像方依次包括负光焦度的第一块透镜、负光焦度的第二块透镜、负光焦度的第三块透镜、负光焦度的第四块透镜和正光焦度的第五块透镜；后透镜组在光轴的方向从物方至像方依次包括正光焦度的第六块透镜、正光焦度的第七块透镜、负光焦度的第八块透镜、孔径光阑、正光焦度的第九块透镜、负光焦度的第十块透镜、负光焦度的第十一块透镜和正光焦度的第十二块透镜。通过前透镜组像差与后透镜组像差相互的平衡的方式，使得成像质量达到满足的要求。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，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，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种大视场半球空域鱼眼镜头系统，沿光轴的方向，从物方至像方依次包括具有负光焦度的前透镜组和具有正光焦度的后透镜组，其特征在于：
所述前透镜组在光轴的方向从物方至像方依次包括负光焦度的第一块透镜(1)、负光焦度的第二块透镜(2)、负光焦度的第三块透镜(3)、负光焦度的第四块透镜(4)和正光焦度的第五块透镜(5)；
所述后透镜组在光轴的方向从物方至像方依次包括正光焦度的第六块透镜(6)、正光焦度的第七块透镜(7)、负光焦度的第八块透镜(8)、孔径光阑(13)、正光焦度的第九块透镜(9)、负光焦度的第十块透镜(10)、负光焦度的第十一块透镜(11)和正光焦度的第十二块透镜(12)。
2.根据权利要求1所述大视场半球空域鱼眼镜头系统，其特征在于：所述第七块透镜(7)和第八块透镜(8)通过胶合的方式组合成双胶合透镜。
3.根据权利要求2所述大视场半球空域鱼眼镜头系统，其特征在于：所述第九块透镜(9)和第十块透镜(10)通过胶合的方式组合成双胶合透镜。
4.根据权利要求3所述大视场半球空域鱼眼镜头系统，其特征在于：所述第十一块透镜(11)和第十二块透镜(12)通过胶合的方式组合成双胶合透镜。
5.根据权利要求4所述大视场半球空域鱼眼镜头系统，其特征在于：该系统的镜头的视场角为180°±5°，总焦距为6.740mm±0.1mm，F数为2.8±0.05，总长度为210.36mm±5mm，可探测的波长范围为486-656nm，主波长为588nm±10nm。
6.根据权利要求5所述大视场半球空域鱼眼镜头系统，其特征在于：所述第一块透镜(1)、第二块透镜(2)、第三块透镜(3)、第四块透镜(4)、第五块透镜(5)、第六块透镜(6)、第七块透镜(7)、第八块透镜(8)、第九块透镜(9)、第十块透镜(10)、第十一块透镜(11)、第十二块透镜(12)的材料分别为H-K9L、H-K9L、H-K9L、H-ZK9B、ZF4、ZF1、H-KF6、H-ZBAF52、H-K10、H-ZLAF52、H-ZF3、H-K9L。
7.根据权利要求6所述大视场半球空域鱼眼镜头系统，其特征在于：所述第一块透镜(1)、第二块透镜(2)、第三块透镜(3)、第四块透镜(4)、第五块透镜(5)、第六块透镜(6)、第七块透镜(7)、第八块透镜(8)、第九块透镜(9)、第十块透镜(10)、第十一块透镜(11)、第十二块透镜(12)的折射率n分别为1.5168、1.5168、1.5168、1.6204、1.7283、1.6477、1.5174、1.6700、1.5182、1.8061、1.7174、1.5168。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述大视场半球空域鱼眼镜头系统，其特征在于：所述第一块透镜(1)、第二块透镜(2)、第三块透镜(3)、第四块透镜(4)、第五块透镜(5)、第六块透镜(6)、第七块透镜(7)、第八块透镜(8)、第九块透镜(9)、第十块透镜(10)、第十一块透镜(11)、第十二块透镜(12)均为球面透镜。
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