CN114019652A - 一种广角大靶面小畸变光学定焦镜头 - Google Patents

一种广角大靶面小畸变光学定焦镜头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种广角大靶面小畸变光学定焦镜头，包括沿光线入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜和第十一透镜，第七透镜和第八透镜组成第一胶合透镜组，第九透镜和第十透镜组成第二胶合透镜组，通过合理选用透镜形状并配置各透镜的光焦度，以及限定镜头的焦距范围、第一透镜的物侧面的曲率半径与镜头的全像高的比值范围、镜头的全像高与镜头的焦距比值范围，使得该镜头在可见光下实现清晰成像，在‑30℃～70℃温度变化内不离焦，并有助于提升边缘画质获得高分辨率，视场角达123°，最大像面达φ13mm，可匹配大靶面传感器，畸变低、成像质量好。

Description

一种广角大靶面小畸变光学定焦镜头
技术领域
本发明属于光学镜头技术领域，具体涉及一种广角大靶面小畸变光学定焦镜头。
背景技术
近年来，应用于监控、无人机航拍或识别技术领域的光学系统逐渐向大靶面、高分辨率、小畸变的趋势发展，而目前主流产品的大靶面镜头要么为获取大视场角，光学畸变量会很大，如此画面边缘的景物容易被压缩，导致使用人员观看到的物体变形严重。要么为保证成像质量，普遍视场角较小，如一般小于60°，不能满足监控范围需求，在应用时需要多颗镜头配合才可获取较广画域。有鉴于此，急需研发一种支持大靶面传感器芯片、高分辨率、小畸变的广角镜头。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提出一种广角大靶面小畸变光学定焦镜头，能在可见光下清晰成像，在-30℃～70℃温度变化内不离焦，并通过提升边缘画质获得高分辨率，视场角达123°，最大像面达φ13mm，可匹配1英寸大靶面图像传感器，畸变低、成像质量好。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
本发明提出的一种广角大靶面小畸变光学定焦镜头，包括沿光线入射方向依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10和第十一透镜L11，第七透镜L7和第八透镜L8组成第一胶合透镜组B1，第九透镜L9和第十透镜L10组成第二胶合透镜组B2，其中：
第一透镜L1为具有负光焦度的凸凹球面透镜；
第二透镜L2为具有负光焦度的凸凹非球面透镜；
第三透镜L3为具有正光焦度的凹凸球面透镜；
第四透镜L4为具有正光焦度的凸凹球面透镜；
第五透镜L5为具有正光焦度的凸凹球面透镜；
第六透镜L6为具有负光焦度的凹凸球面透镜；
第七透镜L7为具有负光焦度的凸凹球面透镜；
第八透镜L8为具有正光焦度的双凸球面透镜；
第九透镜L9为具有负光焦度的双凹球面透镜；
第十透镜L10为具有正光焦度的双凸球面透镜；
第十一透镜L11为具有正光焦度的双凸非球面透镜；
且满足如下条件：
3.5mm≤f≤4.0mm，R1/H<2.1，H/f<3.5
其中，f为镜头的焦距，H为镜头的全像高，R1为第一透镜L1的物侧面的曲率半径。
优选地，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、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L11和第十一透镜L11的焦距依次对应为-36.2±5％、-14.3±5％、793.7±5％、23.6±5％、189.4±5％，-50.1±5％、-26.1±5％、11±5％、-8.4±5％、13.1±5％、13.5±5％，折射率依次对应为1.9±5％、1.76±5％、1.9±5％、1.9±5％、1.7±5％，1.74±5％、1.88±5％、1.57±5％、2±5％、1.66±5％、1.62±5％，其中，“-”表示负方向。
优选地，第二透镜L2和第十一透镜L11满足非球面方程：
Figure BDA0003302312260000021
其中，Z为矢高，c为曲率，y为径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，α2、α4、α6、α8为非球面高阶系数。
优选地，第二透镜L2和第十一透镜L11上沿光线入射方向依次分布的各镜面，对应的k值依次为-3.064、-0.873、1.025、0.649，对应的α2值依次为0、0、0、0，对应的α4值依次为-1.7e-5、-2.0e-4、-1.59e-4、1.821e-4，对应的α6值依次为-1.38e-7、-1.7e-06、1.70e-07、-2.238e-06，对应的α8值依次为9.75e-010、9.9e-09、-2.26e-08、2.74e-09。
优选地，各透镜均为玻璃透镜。
优选地，第十一透镜L11的像侧设有滤光片IR。
优选地，第五透镜L5和第六透镜L6之间设有光阑STOP。
优选地，广角大靶面小畸变光学定焦镜头的工作波段为可见光波段。
优选地，广角大靶面小畸变光学定焦镜头的最大像面φ13mm，最大视场角123°。
优选地，广角大靶面小畸变光学定焦镜头的光学总长TTL≤80mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)该镜头能在可见光下清晰成像，并且通过合理设置非球面透镜提升边缘画质，避免出现紫边，分辨率高、成像质量好，满足2.4μm*2.4μm的像素成像清晰要求，成像分辨率达到200lp/mm，F数1.4，焦距3.8mm，视场角可达123°，结构紧凑、畸变小，可匹配1英寸大靶面，可批量化生产，适用于无人机测绘等领域；
(2)采用9G2GM架构，通过合理分配光焦度使镜头结构紧凑，大幅降低敏感性，在-30℃～70℃范围内不离焦，适用于复杂环境。
附图说明
图1为本发明的广角大靶面小畸变光学定焦镜头的结构示意图；
图2为本发明实施例一在常温20℃环境下的MTF图；
图3为本发明实施例一在低温-30℃环境下的离焦曲线图；
图4为本发明实施例一在高温70℃环境下的离焦曲线图；
图5为本发明实施例一在常温20℃环境下的离焦曲线图；
图6为本发明实施例一畸变图；
图7为本发明实施例二在常温20℃环境下的MTF图；
图8为本发明实施例二在低温-30℃环境下的离焦曲线图；
图9为本发明实施例二在高温70℃环境下的离焦曲线图；
图10为本发明实施例二在常温20℃环境下的离焦曲线图；
图11为本发明实施例二畸变图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请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，不是在于限制本申请。
如图1所示，一种广角大靶面小畸变光学定焦镜头，包括沿光线入射方向依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10和第十一透镜L11，第七透镜L7和第八透镜L8组成第一胶合透镜组B1，第九透镜L9和第十透镜L10组成第二胶合透镜组B2，其中：
第一透镜L1为具有负光焦度的凸凹球面透镜；
第二透镜L2为具有负光焦度的凸凹非球面透镜；
第三透镜L3为具有正光焦度的凹凸球面透镜；
第四透镜L4为具有正光焦度的凸凹球面透镜；
第五透镜L5为具有正光焦度的凸凹球面透镜；
第六透镜L6为具有负光焦度的凹凸球面透镜；
第七透镜L7为具有负光焦度的凸凹球面透镜；
第八透镜L8为具有正光焦度的双凸球面透镜；
第九透镜L9为具有负光焦度的双凹球面透镜；
第十透镜L10为具有正光焦度的双凸球面透镜；
第十一透镜L11为具有正光焦度的双凸非球面透镜；
且满足如下条件：
3.5mm≤f≤4.0mm，R1/H<2.1，H/f<3.5
其中，f为镜头的焦距，H为镜头的全像高，R1为第一透镜L1的物侧面的曲率半径。
其中，光线入射时利用第一透镜L1收集光线，由于第一透镜L1的物侧面的曲率半径R1值较小，所以可以收集到较大角度的光线，并利用同样具有负光焦度的第二透镜L2来平衡畸变，采用正光焦度的球面透镜L3、L4、L5进行正负光焦度搭配来消除球差等轴上色差；利用负光焦度的第六透镜L6对光线进行扩束以使其能对应较大靶面，然后利用第一胶合透镜组B1消除由此产生的色差，胶合组中的第八透镜L8对于系统的无热化有较大补益作用，如通过合理设置材料进一步实现温度补偿，第二胶合透镜组B2进一步对系统色差进行调校后，最后利用第十一透镜L11平衡场曲及相关轴外像差避免出现紫边，同时使像差得到优化平衡，成像更加清晰且成像质量更好，满足2.4μm*2.4μm的像素成像清晰要求，保证成像分辨率达到200lp/mm。且不同温度下正负透镜的焦点漂移量不同，通过合理分配正负光焦度将温度漂移补偿实现无热化设计，在保证满足较大视场角的同时满足大靶面、小畸变的需求在-30℃～70℃温度变化内不离焦，使镜头工作性能更加稳定。该镜头满足F数1.4，焦距3.8mm，结构紧凑、视场角可达123°，畸变小，可匹配1英寸大靶面，如用于无人机测绘减少所需镜头数量，适宜批量化生产。
在一实施例中，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、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L11和第十一透镜L11的焦距依次对应为-36.2±5％、-14.3±5％、793.7±5％、23.6±5％、189.4±5％，-50.1±5％、-26.1±5％、11±5％、-8.4±5％、13.1±5％、13.5±5％，折射率依次对应为1.9±5％、1.76±5％、1.9±5％、1.9±5％、1.7±5％，1.74±5％、1.88±5％、1.57±5％、2±5％、1.66±5％、1.62±5％，其中，“-”表示负方向。通过合理分配透镜光焦度并与折射率配合，易于实现小型化并提高成像质量，如第四透镜L4采用高折射率材料和小焦距，缩短与第五透镜L5的间隔，使结构更加紧凑，第一胶合透镜组B1中的第七透镜L7采用高折射率材料，因高折射率材料的阿贝数较小配合第八透镜L8低折射率阿贝数大的材料可消除色差，提高成像质量。
在一实施例中，第二透镜L2和第十一透镜L11满足非球面方程：
Figure BDA0003302312260000061
其中，Z为矢高，c为曲率，y为径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，α2、α4、α6、α8为非球面高阶系数。
在一实施例中，各透镜均为玻璃透镜。需要说明的是，透镜材料还可根据实际需求进行选用，如球面透镜选用玻璃材质，非球面透镜选用塑胶材质等。
在一实施例中，第十一透镜L11的像侧设有滤光片IR。可滤除杂散光，以提高成像质量。
在一实施例中，第五透镜L5和第六透镜L6之间设有光阑STOP。便于根据实际需求调整光通量以提高成像质量。
在一实施例中，广角大靶面小畸变光学定焦镜头的工作波段为可见光波段。
在一实施例中，广角大靶面小畸变光学定焦镜头的最大像面φ13mm，最大视场角123°。可匹配大靶面图像传感器，获取更广的画域。
在一实施例中，广角大靶面小畸变光学定焦镜头的光学总长TTL≤80mm。
以下通过具体实施例对本申请进行详细阐述。
实施例1：
本实施例中，镜头采用9G2GM架构，第一透镜L1、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9和第十透镜L11均为玻璃球面透镜，第二透镜L2和第十一透镜L11均为模造玻璃非球面透镜，镜头参数如表1所示：
表1
Figure BDA0003302312260000071
表1中，STOP为光阑，Image为像面，面序号1-20依次表示自物面起沿光线入射方向依次通过的镜面编号，面序号21和22分别表示滤光片IR的物侧面和像侧面。
其中，第二透镜L2和第十一透镜L11为非球面透镜，各非球面镜面参数满足表2：
表2
面序号 k α<sub>2</sub> α<sub>4</sub> α<sub>6</sub> α<sub>8</sub>
3 -3.064 0 -1.7e-05 -1.38e-07 9.75e-10
4 -0.873 0 -2.0e-04 -1.7e-06 9.9e-09
19 1.025 0 -1.59e-04 1.70e-07 -2.26e-08
20 0.649 0 1.821e-04 -2.238e-06 2.74e-09
根据上述数据，镜头光学总长TTL＝80mm，结构紧凑，具有更大的口径，F数1.4，视场角可达122°，由图2所示，该镜头在200lp/mm的极限分辨率下，满足2.4um*2.4um像素成像清晰的要求。由图3、4、5所示该镜头在低温-30℃、高温70℃、常温20℃极限条件下MTF离焦2μm，对像质基本无影响，温度适应性强，在不同温度下均可正常工作，性能稳定。如图6所示，镜头畸变为7.9％，满足高质量成像需求。
实施例2：
本实施例中，镜头采用9G2GM架构，第一透镜L1、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9和第十透镜L11均为玻璃球面透镜，第二透镜L2和第十一透镜L11均为模造玻璃非球面透镜，镜头参数如表3所示：
表3
Figure BDA0003302312260000081
表3中，STOP为光阑，Image为像面，面序号1-20依次表示自物面起沿光线入射方向依次通过的镜面编号，面序号21和22分别表示滤光片IR的物侧面和像侧面。
其中，第二透镜L2和第十一透镜L11为非球面透镜，各非球面镜面参数满足表4：
表4
面序号 k α<sub>2</sub> α<sub>4</sub> α<sub>6</sub> α<sub>8</sub>
3 -3.062 0 -1.7e-05 -1.38e-07 9.75e-10
4 -0.88 0 -2.1e-04 -1.7e-06 9.9e-09
19 1.02 0 -1.6e-04 1.70e-07 -2.26e-08
20 0.649 0 1.821e-04 -2.238e-06 2.74e-09
根据上述数据，镜头光学总长TTL＝79.6mm，结构紧凑，具有更大的口径，F数1.4，视场角可达123°，由图7所示，该镜头在200lp/mm的极限分辨率下，满足2.4um*2.4um像素成像清晰的要求。由图8、9和10所示该镜头在低温-30℃、高温70℃、常温20℃极限条件下MTF离焦3μm，对像质基本无影响，温度适应性强，在不同温度下均可正常工作，性能稳定。如图11所示，畸变等于7.5％，满足高质量成像需求。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种广角大靶面小畸变光学定焦镜头，其特征在于：所述广角大靶面小畸变光学定焦镜头包括沿光线入射方向依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10和第十一透镜L11，所述第七透镜L7和第八透镜L8组成第一胶合透镜组B1，所述第九透镜L9和第十透镜L10组成第二胶合透镜组B2，其中：
所述第一透镜L1为具有负光焦度的凸凹球面透镜；
所述第二透镜L2为具有负光焦度的凸凹非球面透镜；
所述第三透镜L3为具有正光焦度的凹凸球面透镜；
所述第四透镜L4为具有正光焦度的凸凹球面透镜；
所述第五透镜L5为具有正光焦度的凸凹球面透镜；
所述第六透镜L6为具有负光焦度的凹凸球面透镜；
所述第七透镜L7为具有负光焦度的凸凹球面透镜；
所述第八透镜L8为具有正光焦度的双凸球面透镜；
所述第九透镜L9为具有负光焦度的双凹球面透镜；
所述第十透镜L10为具有正光焦度的双凸球面透镜；
所述第十一透镜L11为具有正光焦度的双凸非球面透镜；
且满足如下条件：
3.5mm≤f≤4.0mm，R1/H<2.1，H/f<3.5
其中，f为镜头的焦距，H为镜头的全像高，R1为所述第一透镜L1的物侧面的曲率半径。
2.如权利要求1所述的广角大靶面小畸变光学定焦镜头，其特征在于：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、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L11和第十一透镜L11的焦距依次对应为-36.2±5％、-14.3±5％、793.7±5％、23.6±5％、189.4±5％，-50.1±5％、-26.1±5％、11±5％、-8.4±5％、13.1±5％、13.5±5％，折射率依次对应为1.9±5％、1.76±5％、1.9±5％、1.9±5％、1.7±5％，1.74±5％、1.88±5％、1.57±5％、2±5％、1.66±5％、1.62±5％，其中，“-”表示负方向。
3.如权利要求1所述的广角大靶面小畸变光学定焦镜头，其特征在于：所述第二透镜L2和第十一透镜L11满足非球面方程：
Figure FDA0003302312250000021
其中，Z为矢高，c为曲率，y为径向坐标，k为圆锥二次曲线系数，α2、α4、α6、α8为非球面高阶系数。
4.如权利要求3所述的广角大靶面小畸变光学定焦镜头，其特征在于：所述第二透镜L2和第十一透镜L11上沿光线入射方向依次分布的各镜面，对应的k值依次为-3.064、-0.873、1.025、0.649，对应的α2值依次为0、0、0、0，对应的α4值依次为-1.7e-5、-2.0e-4、-1.59e-4、1.821e-4，对应的α6值依次为-1.38e-7、-1.7e-06、1.70e-07、-2.238e-06，对应的α8值依次为9.75e-010、9.9e-09、-2.26e-08、2.74e-09。
5.如权利要求1所述的广角大靶面小畸变光学定焦镜头，其特征在于：各所述透镜均为玻璃透镜。
6.如权利要求1所述的广角大靶面小畸变光学定焦镜头，其特征在于：所述第十一透镜L11的像侧设有滤光片IR。
7.如权利要求1所述的广角大靶面小畸变光学定焦镜头，其特征在于：所述第五透镜L5和第六透镜L6之间设有光阑STOP。
8.如权利要求1所述的广角大靶面小畸变光学定焦镜头，其特征在于：所述广角大靶面小畸变光学定焦镜头的工作波段为可见光波段。
9.如权利要求1所述的广角大靶面小畸变光学定焦镜头，其特征在于：所述广角大靶面小畸变光学定焦镜头的最大像面φ13mm，最大视场角123°。
10.如权利要求1所述的广角大靶面小畸变光学定焦镜头，其特征在于：所述广角大靶面小畸变光学定焦镜头的光学总长TTL≤80mm。
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