CN114035306B - 一种水下广角透镜成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水下广角透镜成像系统，从物侧到成像侧依次包括第一透镜组、光阑和第二透镜组；所述第一透镜组从物侧到所述光阑包括具有负光焦度且平面朝向物侧和凹面朝向所述光阑的第一透镜、具有负光焦度且凹面朝向所述光阑的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜；所述第二透镜组从成像侧到所述光阑包括具有正光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜；所述第五透镜为双凸透镜。通过对第一透镜、第五透镜的限定，以及对其它透镜合理的光焦度分配，使用一端为平面的第一透镜作为防水罩时，镜头在水下能够达到140°以上视场角，同时实现在0℃到85℃温度范围的高清成像。
Description
技术领域
本发明涉及摄像头技术领域，具体涉及一种水下广角透镜成像系统。
背景技术
随着科学技术的不断发展，摄像领域得到不断拓宽，在测量或消费领域，运动相机，无人飞机，无人船等渐渐进入大众视野。近年来，水下摄影也得到越来越多的人关注，专门用于水下摄像的设备，如水下无人机等也开始兴起。
目前市场上专门用于水下摄像的镜头比较少，大部分终端公司是采用空气中使用的镜头安装在水下摄像设备上，在镜头外面罩上一个球形或平面的防水罩。摄像设备在水下运动过程中，球形罩是凸起的，很容易被水中悬浮物体划伤，因此很多时候，设备公司更倾向于使用平面罩。但是目前使用平面罩和空气中使用的镜头组合存在显然的弊端：①由于物侧介质由空气变为水，平面罩和镜头之间存在的介质是空气，我们知道光由光密水到光疏空气传播时会发生全发射，由于临界角的限制，水中全视场角最大只能到约97.5°；②由于物侧由介质空气变为水，事实上，镜头轴外像差，特别是在50％视场以外会变得很大，因此轴外难以获得好的成像效果；③在水下摄像时，摄像模组同样会发热，导致镜头跑焦。
发明内容
针对以上问题，本发明的水下广角透镜成像系统，通过对第一透镜、第五透镜的限定，以及对其它透镜合理的光焦度分配，使用一端为平面的第一透镜作为防水罩时，镜头在水下能够达到140°以上视场角，同时实现在0℃到85℃温度范围的高清成像。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来解决：
一种水下广角透镜成像系统，从物侧到成像侧依次包括第一透镜组、光阑和第二透镜组；所述第一透镜组从物侧到所述光阑包括具有负光焦度且平面朝向物侧和凹面朝向所述光阑的第一透镜、具有负光焦度且凹面朝向所述光阑的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜；所述第二透镜组从成像侧到所述光阑包括具有正光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜；所述第五透镜为双凸透镜。
进一步地，所述水下广角透镜成像系统满足条件式：C1＝0且R3+D1/4≤R2≤3R3；其中，C1为所述第一透镜靠近物侧面的曲率，R2为所述第一透镜靠近所述光阑面的曲率半径，R3为第二透镜靠近物侧面的曲率半径，D1为第一透镜和第二透镜之间的空气距离，该空气距离指的是第一透镜和第二透镜两相邻面之间沿光轴方向上的距离。
其中C1＝0是表示第一透镜靠近物侧面为平面，该满足该条件时，第一透镜可以作为水下摄像设备的平面罩使用。
当水下广角透镜成像系统满足条件式：R2≤3R3时，并作为水下摄影设备使用的情况下，能够实现140°以上的水下视场角，因此避免了常规的水下摄影设备中，由于由水到空气导致的全反射限制，导致成像系统的视场角在97.5°范围内。
另外，一般情况下，第一透镜作为平面罩时，第一透镜其余透镜组合在组装上是分离的，这样会出现组装公差会比较大的情况，而由于第一透镜具有光焦度，所以参与系统成像，因此具有公差敏感度要求。而设定条件R3+D1/4≤R2，可以有效的降低第一透镜的组装公差对系统的敏感度。
进一步地，所述水下广角透镜成像系统满足条件式：-0.15＜Φ3+Φe＜0.1；其中，Φ3为所述第三透镜的光焦度，Φe为第四透镜的光焦度。满足此条件可以有效的降低系统的轴上像差。
进一步地，所述水下广角透镜成像系统满足条件式：(dN/dT)p＜2.0(10-6/℃)；其中，(dN/dT)p为所述第五透镜在0～20℃、波长为587.6nm的d光下的折射率温度系数。满足此条件，可有效降低系统对温度的敏感度，保证系统在高低温时不易跑焦。
进一步地，所述第一透镜组还包括至少一个具有正光焦度的透镜，并且均设置在所述第三透镜与所述光阑之间，配合系统中其它透镜光焦度的分配，可以实现透镜成像系统的高清成像。
进一步地，所述第一透镜组还包括具有正光焦度的第六透镜，所述第六透镜设置在所述第三透镜与所述光阑之间。
进一步地，所述第三透镜与所述光阑之间设有具有光焦度的第七透镜，第七透镜位于所述第三透镜与所述第六透镜之间。
进一步地，所述第二透镜组还包括具有光焦度的第八透镜，第七透镜设置在所述光阑20与所述第五透镜之间。
进一步地，所述第二透镜组还包括具有负光焦度的第九透镜，第九透镜设置在所述第四透镜与所述第五透镜之间。
本发明的有益效果是：
1.本发明的水下广角透镜成像系统，可以实现140°以上视场角；
2.本发明的水下广角透镜成像系统，通过合理的光焦度分配，全视场成像清晰，可实现4K以上画质；
3.本发明的水下广角透镜成像系统，通过对指定透镜的条件限定，可实现在0℃到85℃温度范围的高清成像。
附图说明
图1为本发明实施例1中透镜成像系统的截面结构示意图。
图2为本发明实施例1中透镜成像系统的场曲/畸变曲线图。
图3为本发明实施例1中透镜成像系统的点列图曲线图。
图4为本发明实施例1中透镜成像系统的垂轴色差曲线图。
图5为本发明实施例2中透镜成像系统的截面结构示意图。
图6为本发明实施例2中透镜成像系统的场曲/畸变曲线图。
图7为本发明实施例2中透镜成像系统的点列图曲线图。
图8为本发明实施例2中透镜成像系统的垂轴色差曲线图。
图9为本发明实施例3中透镜成像系统的截面结构示意图。
图10为本发明实施例3中透镜成像系统的场曲/畸变曲线图。
图11为本发明实施例3中透镜成像系统的点列图曲线图。
图12为本发明实施例3中透镜成像系统的垂轴色差曲线图。
图13为本发明实施例4中透镜成像系统的截面结构示意图。
图14为本发明实施例4中透镜成像系统的场曲/畸变曲线图。
图15为本发明实施例4中透镜成像系统的点列图曲线图。
图16为本发明实施例4中透镜成像系统的垂轴色差曲线图。
附图标记为：第一透镜组10、光阑20、第二透镜组30、第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13、第四透镜31、第五透镜32、第六透镜14、第七透镜15、第八透镜33、第九透镜34、平板玻璃40、成像面50。
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个实施例。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。
实施例1
请参阅图1，本发明提供一种水下广角透镜成像系统，从物侧到成像侧依次包括第一透镜组10、光阑20和第二透镜组30；
在本实施例中，第一透镜组10从物侧到光阑20包括具有负光焦度且平面朝向物侧和凹面朝向光阑20的第一透镜11、具有负光焦度且凹面朝向光阑20的第二透镜12、具有负光焦度的第三透镜13、具有光焦度的第七透镜15、具有正光焦度的第六透镜14；
在本实施例中，第二透镜组30从成像侧到光阑20包括具有正光焦度的第四透镜31、具有负光焦度的第九透镜34、具有正光焦度的第五透镜32、具有光焦度的第八透镜33；
在本实施例中，第五透镜32为双凸透镜。
将本实施例的第一透镜组10、光阑20和第二透镜组30与平板玻璃40、成像面50配合，并设置特定的厚度、间距等参数，制作成广角镜头，并将各透镜以及平板玻璃40、成像面50的相关参数记录如下表1-1。
表1-1
在本实施例中，系统焦距f＝2.36mm，FNO＝2.5，半视场角为78度，系统总长TOTR＝38.0mm。
表1-2为条件计算结果。
表1-2
本实施例的光学测试结果请参阅图2-4，图2为本实施例中透镜成像系统的场曲/畸变曲线图；图3为本实施例中透镜成像系统的点列图曲线图；图4为本实施例中透镜成像系统的垂轴色差曲线图，图4中，本实施例的广角镜头在水下的最大视场达到78.0000Deg时，其垂轴色差约为6.6μm。
实施例2
请参阅图5，本发明提供一种水下广角透镜成像系统，从物侧到成像侧依次包括第一透镜组10、光阑20和第二透镜组30；
在本实施例中，第一透镜组10从物侧到光阑20包括具有负光焦度且平面朝向物侧和凹面朝向光阑20的第一透镜11、具有负光焦度且凹面朝向光阑20的第二透镜12、具有负光焦度的第三透镜13、具有正光焦度的第六透镜14；
在本实施例中，第二透镜组30从成像侧到光阑20包括具有正光焦度的第四透镜31、具有负光焦度的第九透镜34、具有正光焦度的第五透镜32、具有光焦度的第八透镜33；
在本实施例中，第五透镜32为双凸透镜。
本实施例与实施例1的镜头结构大抵相同，不同之处在于：(1)第三透镜13与光阑30之间少一片具有光焦度的透镜；(2)本实施例的广角镜头中各个镜片的相关参数不同。
将本实施例的第一透镜组10、光阑20和第二透镜组30与平板玻璃40、成像面50配合，并设置特定的厚度、间距等参数，制作成广角镜头，并将各透镜以及平板玻璃40、成像面50的相关参数记录如下表2-1，并将本实施例的各透镜非球面的参数如表2-2所示。
表2-1
表2-2
本实施例的非球面均满足下面的等式：
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表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，B、C、D、E，F分别表示四阶、六阶、八阶、十阶，十二阶曲面系数。
在本实施例中，系统焦距f＝2.22mm，FNO＝2.5，半视场角为79度，系统总长TOTR＝28.0mm。表2-3为条件计算结果。
表2-3
本实施例的光学测试结果请参阅图6-8，其中，图6为本实施例中透镜成像系统的场曲/畸变曲线图；图7为本实施例中透镜成像系统的点列图曲线图；图8为本实施例中透镜成像系统的垂轴色差曲线图，图8中，本实施例的广角镜头在水下的最大视场达到79.0000Deg时，其垂轴色差约为6.5μm。
实施例3
请参阅图9，本发明提供一种水下广角透镜成像系统，从物侧到成像侧依次包括第一透镜组10、光阑20和第二透镜组30；
在本实施例中，第一透镜组10从物侧到光阑20包括具有负光焦度且平面朝向物侧和凹面朝向光阑20的第一透镜11、具有负光焦度且凹面朝向光阑20的第二透镜12、具有负光焦度的第三透镜13、具有正光焦度的第六透镜14；
在本实施例中，第二透镜组30从成像侧到光阑20包括具有正光焦度的第四透镜31、具有负光焦度的第九透镜34、具有正光焦度的第五透镜32、具有光焦度的第八透镜33；
在本实施例中，第五透镜32为双凸透镜。
本实施例与实施例2的镜头结构大抵相同，不同之处在于：各个镜片的相关参数不同。
将本实施例的第一透镜组10、光阑20和第二透镜组30与平板玻璃40、成像面50配合，并设置特定的厚度、间距等参数，制作成广角镜头，并将各透镜以及平板玻璃40、成像面50的相关参数记录如下表3-1。
表3-1
在本实施例中，系统焦距f＝2.54mm，FNO＝2.8，半视场角为80度，系统总长TOTR＝28.0mm。表2-3为条件计算结果。
表3-3
本实施例的光学测试结果请参阅图10-12，其中，图10为本实施例中透镜成像系统的场曲/畸变曲线图；图11为本实施例中透镜成像系统的点列图曲线图；图12为本实施例中透镜成像系统的垂轴色差曲线图，图12中，本实施例的广角镜头在水下的最大视场达到80.0000Deg时，其垂轴色差约为6.5μm。
实施例4
请参阅图13，本发明提供一种水下广角透镜成像系统，从物侧到成像侧依次包括第一透镜组10、光阑20和第二透镜组30；
在本实施例中，第一透镜组10从物侧到光阑20包括具有负光焦度且平面朝向物侧和凹面朝向光阑20的第一透镜11、具有负光焦度且凹面朝向光阑20的第二透镜12、具有负光焦度的第三透镜13、具有正光焦度的第六透镜14；
在本实施例中，第二透镜组30从成像侧到光阑20包括具有正光焦度的第四透镜31、具有负光焦度的第九透镜34、具有正光焦度的第五透镜32；
在本实施例中，第五透镜32为双凸透镜。
本实施例与实施例3的镜头结构大抵相同，不同之处在于：(1)光阑30与第四透镜31之间少一片具有光焦度的透镜；(2)各个镜片的相关参数不同。
将本实施例的第一透镜组10、光阑20和第二透镜组30与平板玻璃40、成像面50配合，并设置特定的厚度、间距等参数，制作成广角镜头，并将各透镜以及平板玻璃40、成像面50的相关参数记录如下表4-1。
表4-1
表4-2
本实施例的非球面均满足下面的等式：
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表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，B、C、D、E，F分别表示四阶、六阶、八阶、十阶，十二阶曲面系数。
在本实施例中，系统焦距f＝2.06mm，FNO＝2.8，半视场角为80度，系统总长TOTR＝30.4mm。表4-3为条件计算结果。
表4-3
本实施例的光学测试结果请参阅图14-16，其中，图14为本实施例中透镜成像系统的场曲/畸变曲线图；图15为本实施例中透镜成像系统的点列图曲线图；图16为本实施例中透镜成像系统的垂轴色差曲线图，图16中，本实施例的广角镜头在水下的最大视场达到80.0000Deg时，其垂轴色差约为7.2μm。
综合上述四个实施例可得表5，表5是上述4个实施例及其对应的光学特性，包括系统焦距EFL、光圈数FNO、全视场角2ω和系统总长TTL，以及与前面每个条件式对应的数值。
表5
由上可知，在具体实施过程中，实施例1的全视场角为156°，实施例2的全视场角为158°，实施例3的全视场角为160°，实施例4的全视场角为160°，四个实施例均实现了140°以上的水下视场角。
本发明为了实现140°以上的水下视场角的技术效果，还需要满足条件式：C1＝0且R3+D1/4≤R2≤3R3。其中：C1表示第一透镜11靠近物侧面的曲率，R2表示第一透镜11靠近光阑30面的曲率半径，R3表示第二透镜12靠近物侧面的曲率半径，D1表示第一透镜11和第二透镜12之间的空气距离。条件C1＝0表明第一透镜11可以作为水下摄像设备的平面罩使用。条件式R2≤3R3可以避免由水到空气导致的全反射限制系统的视场角在97.5°，很容易的实现140°以上的水下视场角。另外，一般情况下第一透镜11作为平面罩时和其余透镜组合在组装上是分离的，所以组装公差会比较大，而由于第一透镜11具有光焦度，所以参与系统成像，因此具有公差敏感度要求。条件R3+D1/4≤R2可以有效的降低第一透镜11作为平面罩时的组装公差对系统的敏感度。
此外，本发明的水下广角透镜成像系统满足以下条件式：-0.15＜Φ3+Φe＜0.1，其中，Φ3表示所述第三透镜L3的光焦度，Φe表示最后一片具有正光焦度的透镜Le的光焦度。满足此条件可以有效的降低系统的轴上像差。
另一方面，本实施例的水下广角透镜成像系统还满足条件式：(dN/dT)p＜2.0(10-6/℃)，其中，(dN/dT)p表示所述具有正光焦度的双凸透镜Lp在0～20℃、d光(波长587.6nm)下的折射率温度系数。满足此条件，可有效降低系统对温度的敏感度，保证系统在高低温时不易跑焦。
本发明的水下广角透镜成像系统在具有负光焦度的第三透镜13和光阑30之间至少还包含一片具有正光焦度的透镜。此条件配合系统其它光焦度的分配，可以实现透镜成像系统的全视场高清成像。
与现有技术相比，本发明透镜成像系统在水下使用平面罩时至少具有以下的优点：
(1)本发明的水下广角透镜成像系统可以实现140°以上视场角；
(2)本发明的水下广角透镜成像系统通过合理的光焦度分配，全视场成像清晰，可实现4K以上画质；
(3)本发明的水下广角透镜成像系统通过对指定透镜的条件限定，可实现在0℃到85℃温度范围的高清成像。
以上所述实施例仅表达了本发明的4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 (8)
1.一种水下广角透镜成像系统，从物侧到成像侧依次包括第一透镜组(10)、光阑(20)和第二透镜组(30)，其特征在于：
所述第一透镜组(10)从物侧到光阑(20)包括具有负光焦度且平面朝向物侧和凹面朝向光阑(20)的第一透镜(11)、具有负光焦度且凹面朝向光阑(20)的第二透镜(12)、具有负光焦度的第三透镜(13)；
所述第二透镜组(30)从成像侧到光阑(20)包括具有正光焦度的第四透镜(31)、具有正光焦度的第五透镜(32)；
所述第五透镜(32)为双凸透镜；
所述水下广角透镜成像系统满足条件式：C1＝0且R3+D1/4≤R2≤3R3；
其中，C1为所述第一透镜(11)靠近物侧面的曲率，R2为所述第一透镜(11)靠近光阑(20)面的曲率半径，R3为第二透镜(12)靠近物侧面的曲率半径，D1为第一透镜(11)和第二透镜(12)之间的空气距离。
2.根据权利要求1所述的一种水下广角透镜成像系统，其特征在于：
满足条件式：-0.15＜Φ3+Φe＜0.1；
其中，Φ3为所述第三透镜(13)的光焦度，Φe为第四透镜(31)的光焦度。
3.根据权利要求1所述的一种水下广角透镜成像系统，其特征在于：
满足条件式：(dN/dT)p＜2.0(10-6/℃)；
其中，(dN/dT)p为所述第五透镜(32)在0～20℃、波长为587.6nm的d光下的折射率温度系数。
4.根据权利要求1所述的一种水下广角透镜成像系统，其特征在于：
所述第一透镜组(10)还包括至少一个具有正光焦度的透镜，并且均设置在所述第三透镜(13)与所述光阑(20)之间。
5.根据权利要求1所述的一种水下广角透镜成像系统，其特征在于：
所述第一透镜组(10)还包括具有正光焦度的第六透镜(14)，所述第六透镜(14)设置在所述第三透镜(13)与所述光阑(20)之间。
6.根据权利要求5所述的一种水下广角透镜成像系统，其特征在于：
所述第三透镜(13)与所述光阑(20)之间设有具有光焦度的第七透镜(15)，第七透镜(15)位于所述第三透镜(13)与所述第六透镜(14)之间。
7.根据权利要求1所述的一种水下广角透镜成像系统，其特征在于：
所述第二透镜组(30)还包括具有光焦度的第八透镜(33)，第七透镜(15)设置在所述光阑(20)与所述第五透镜(32)之间。
8.根据权利要求1所述的一种水下广角透镜成像系统，其特征在于：
所述第二透镜组(30)还包括具有负光焦度的第九透镜(34)，第九透镜(34)设置在所述第四透镜(31)与所述第五透镜(32)之间。
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