CN114047612B - 大孔径超广角光学镜头及其成像方法 - Google Patents

大孔径超广角光学镜头及其成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大孔径超广角光学镜头及其成像方法，包括沿光线入射光路自左向右依次设置的所述第一弯月负透镜L1，第二弯月负透镜L2，第三弯月负透镜L3，第四双凸正透镜L4，第五双凸正透镜L5，第六弯月负透镜L6，第七双凸正透镜L7，均由玻璃材质制成。本发明相较于当前市场竞品拥有更小的F数以及更广视野，对复杂照明条件适应性好；采用全玻结构设计，结构与光学稳定性优异。镜组装配敏感度低、良率高、成本低，适合大规模生产。此外，该光学系统具有优良的成像质量，可以实现全天候稳定车内生命监测。

Description

大孔径超广角光学镜头及其成像方法
技术领域：
本发明涉及一种大孔径超广角光学镜头及其成像方法。
背景技术：
随着私家车的不断普及，近些年来儿童、宠物被锁车内致死的案件不断增多，于是各家车企开始越来越重视车内生命检测技术，然而车内空间狭小、障碍物多、光线条件复杂多样的特点对车内监测光学系统的性能造成了严重制约；因此，当前市场亟需一种大视场、大孔径、高复杂环境适应性的光学系统，以提供稳定精确的车内监控，切实防止意外发生。
发明内容：
本发明提供一种大孔径超广角光学镜头及其成像方法，该镜头具有大视场、大孔径、复杂环境适应性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种大孔径超广角光学镜头，其特征在于：包括沿光线自左向右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、光阑、第五透镜、第六透镜以及第七透镜；所述第一透镜为弯月负透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面，所述第二透镜为弯月负透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面，所述第三透镜为弯月负透镜，其物侧面为凹面，像侧面为凸面，所述第四透镜为双凸正透镜，其物侧面和像侧面均为凸面，所述第五透镜为双凸正透镜，其物侧面和像侧面均为凸面，所述第六透镜为平凹负透镜，其物侧面为凹面，像侧面为平面，所述第七透镜为双凸正透镜，其物侧面和像侧面均为凸面，所述第五透镜与第六透镜相互胶合成为双胶合透镜。
进一步的，上述第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为0.9～1.7mm，所述第二透镜与第三透镜的空气间隔为1.9～2.5mm，所述第三透镜与第四透镜之间的空气间隔为0.01～0.5mm，所述第四透镜与光阑之间的空气间隔为0.02～0.6mm，所述光阑与第五透镜之间的空气间隔为0.03～0.7mm，所述第六透镜与第七透镜之间的空气间隔为0.1～0.8mm。
进一步的，上述镜头的光学系统的焦距为f，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜的焦距分别为f1、f2、f3、f4，f5、f6、f7其中f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7与f满足以下比例：-7.7<f1/f<-6.2，-5.6<f2/f<-4.4，-19.2<f3/f<-10.3，3.9<f4/f<5.7，2.6<f5/f<5.3，-5.2<f6/f<-2.6，5.2<f7/f<9.3。
进一步的，上述的第一透镜满足关系式：Nd≥1.5，Vd≤50.0；所述的第二透镜满足关系式：Nd≥1.7，Vd≥33.2；所述的第三透镜满足关系式：Nd≥1.4，Vd≤80.2；所述的第四透镜满足关系式：Nd≥1.7，Vd≤30.0；所述的第五透镜满足关系式：Nd≥1.5，Vd≤70.0；所述的第六透镜满足关系式：Nd≥1.6，Vd≤40.0；所述的第七透镜满足关系式：Nd≥1.7，Vd≤50；其中Nd为折射率，Vd为阿贝常数。
进一步的，上述第七透镜L7为非球面透镜，非球面曲线方程表达式为：
Figure BDA0003336035500000021
其中，Z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的离矢高；c为非球面的近轴曲率；k为圆锥常数；α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7、α8均为高次项系数。
进一步的，上述光学系统的工作波长覆盖了近红外波段；所述镜头的光学系统的光学总长度TTL与所述镜头的光学系统的焦距F之间满足：TTL/F≤8.0；所述镜头的光学系统的F数<1.60；所述第七透镜的后侧设有滤光片，所述滤光片的后侧设有保护玻璃，七个透镜均由玻璃材料制成。
进一步的，上述镜头各透镜的曲率半径R、厚度d、折射率Nd以及阿贝数Vd如下：
Figure BDA0003336035500000031
进一步的，上述镜头各非球面透镜的非球面系数如下：
Figure BDA0003336035500000041
进一步的，上述镜头光学系统实现的技术指标如下：
(1)焦距：EFFL＝2.17mm；(2)光圈F＝1.6；(3)视场角：2w≥204°；(4)成像圆直径大于φ8mm；(5)工作波段：近红外；(6)光学总长TTL≤17.3mm，光学后截距BFL≥2.59mm；(7)该镜头旨在为车内生命监控所要求的大视场、光线环境变化大的使用场景。
本发明大孔径超广角光学镜头的成像方法，其特征在于：包括采用前述的大孔径超广角光学镜头，成像时，光线自左向右依次经过第一透镜，第二透镜，第三透镜，第四透镜，第五透镜，第六透镜，第七透镜，滤光片和保护玻璃后成像。
与现有技术相比，本系统具有以下效果：
(1)采用7个透镜的全玻璃结构设计，相对于当前市场上大量存在的玻塑系统具有更强的结构与光学稳定性，能够提供全天候、稳定的车内环境监控，且尺寸更小，公差敏感度更低，易于装配，成本更低，更适合大规模高良率生产；
(2)F数更小，通光口径更大，保证了系统进光量的充足，能够适应多种复杂环境；
(3)工作波长覆盖了近红外波段，能够应对暗光及黑夜环境的同时具备更精准的识别活体生物的能力；
(4)通过合理的玻璃材料搭配以及镜片光焦度分配，整个光学系统的轴向色差与横向色差得到了很好地校正，合理的面型设计也使得整个光学系统的高级像差得到有效校正，同时每个镜面的光线入射角小，系统总体成像质量优良。
附图说明：
图1是本发明实施例的光学结构示意图；
图2是本发明实施例的可见光MTF曲线图；
图3是本发明实施例的轴向色差曲线图；
图4是本发明实施例横向像差图；
图中：
L1-第一透镜；L2-第二透镜；L3-第三透镜；L4-第四透镜；STO-光阑；L5-第五透镜；L6-第六透镜；L7-第七透镜，L8-滤光片；L9-保护玻璃；IMG-成像面。
具体实施方式:
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明一种大孔径超广角光学镜头，所述镜头的光学系统包括沿光线入射光路自左向右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，均由玻璃材料制成。
本实施例中，所述第一透镜L1为弯月负透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面。
本实施例中，所述第二透镜L2为弯月负透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面。
本实施例中，所述第三透镜L3为弯月负透镜，其物侧面为凹面，像侧面为凸面。
本实施例中，所述第四透镜L4为双凸正透镜，其物侧面和像侧面均为凸面。
本实施例中，所述第五透镜L5为双凸正透镜，其物侧面和像侧面均为凸面。
本实施例中，所述第六透镜L6为平凹负透镜，其物侧面为凹面，像侧面为平面。
本实施例中，所述第七透镜L7为双凸正透镜，其物侧面和像侧面均为凸面。
本实施例中，所述第五透镜L5与第六透镜L6相互胶合成为双胶合透镜。
本实施例中，所述第一透镜L1与第二透镜L2之间的空气间隔为0.9～1.7mm，所述第二透镜L2与第三透镜L3的空气间隔为1.9～2.5mm，所述第三透镜L3与第四透镜L4之间的空气间隔为0.01～0.5mm，所述第四透镜L4与光阑之间的空气间隔为0.02～0.6mm，所述光阑与第五透镜L5之间的空气间隔为0.03～0.7mm，所述第六透镜L6与第七透镜L7之间的空气间隔为0.1～0.8mm。
本实施例中，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜的焦距分别为f1、f2、f3、f4，f5、f6、f7其中f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7与f满足以下比例：-7.7<f1/f<-6.2，-5.6<f2/f<-4.4，-19.2<f3/f<-10.3，3.9<f4/f<5.7，2.6<f5/f<5.3，-5.2<f6/f<-2.6，5.2<f7/f<9.3。
本实施例中，所述的第一透镜满足关系式：Nd≥1.5，Vd≤50.0；所述的第二透镜满足关系式：Nd≥1.7，Vd≥33.2；所述的第三透镜满足关系式：Nd≥1.4，Vd≤80.2；所述的第四透镜满足关系式：Nd≥1.7，Vd≤30.0；所述的第五透镜满足关系式：Nd≥1.5，Vd≤70.0；所述的第六透镜满足关系式：Nd≥1.6，Vd≤40.0；所述的第七透镜满足关系式：Nd≥1.7，Vd≤50.0；其中Nd为折射率，Vd为阿贝常数。
本实施例中，所述镜头的光学系统的工作波长覆盖了近红外波段。
本实施例中，所述镜头的光学系统的光学总长度TTL与所述光学系统的焦距F之间满足：TTL/F≤8.0。
本实施例中，所述镜头的光学系统的F数<1.60。
一种大孔径超广角光学镜头的成像方法，包括上述的大孔径超广角光学镜头，并按以下步骤进行：光线自左向右依次经过第一透镜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，滤光片和保护玻璃后成像。
本实施例中，所述第七透镜L7的后侧设有滤光片L8，所述滤光片的后侧设有保护玻璃L9。
表1示出了实施例1的光学系统的各透镜的曲率半径R、厚度d、折射率Nd以及阿贝数Vd。
Figure BDA0003336035500000071
Figure BDA0003336035500000081
表1具体镜片参数表
表2示出了实施例1的光学系统的各非球面透镜的非球面系数。
Figure BDA0003336035500000082
本实施例中，此光学系统实现的技术指标如下：
(1)焦距：EFFL＝2.17mm；(2)光圈F＝1.6；(3)视场角：2w≥204°；(4)成像圆直径大于φ8mm；(5)工作波段：近红外；(6)光学总长TTL≤17.3mm，光学后截距BFL≥2.59mm；(7)该镜头旨在为车内生命监控等要求大视场、光线环境变化大的使用场景提供解决方案。
由图2可以看出，该镜头的光学系统在近红外波段的MTF表现良好，绝大多数视场的MTF值在空间频率80lp/mm处都高于0.4，表明本光学系统可以在暗光环境提供良好的成像质量；图3为该光学系统的场曲和畸变图；由图3可以看出，该光学系统的最大子午场曲＜0.24mm，弧矢场曲在全视场范围内都表现良好，最大像散出现在0.93FOV视场(＜0.24mm)；综上可以看出，本发明相较于当前市场竞品拥有更小的F数以及更广视野，对复杂照明条件适应性好；采用全玻结构设计，结构与光学稳定性优异；镜组装配敏感度低、良率高、成本低，适合大规模生产。此外，该光学系统具有优良的成像质量，可以实现全天候稳定车内生命监测。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种大孔径超广角光学镜头，其特征在于：由沿光线自左向右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、光阑、第五透镜、第六透镜以及第七透镜构成；所述第一透镜为弯月负透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面，所述第二透镜为弯月负透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面，所述第三透镜为弯月负透镜，其物侧面为凹面，像侧面为凸面，所述第四透镜为双凸正透镜，其物侧面和像侧面均为凸面，所述第五透镜为双凸正透镜，其物侧面和像侧面均为凸面，所述第六透镜为平凹负透镜，其物侧面为凹面，像侧面为平面，所述第七透镜为双凸正透镜，其物侧面和像侧面均为凸面，所述第五透镜与第六透镜相互胶合成为双胶合透镜；所述镜头的光学系统的焦距为f，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜的焦距分别为f1、f2、f3、f4，f5、f6、f7，其中f1、f2、f3、f4、f5、f6、f7与f满足以下比例：-7.7<f1/f<-6.2，-5.6<f2/f<-4.4，
-19.2<f3/f<-10.3，3.9<f4/f<5.7，2.6<f5/f<5.3，-5.2<f6/f<-2.6，5.2<f7/f<9.3；
所述镜头各透镜的曲率半径R、厚度d、折射率Nd以及阿贝数Vd如下：
Figure FDA0004039076030000011
Figure FDA0004039076030000021
。
2.根据权利要求1所述的大孔径超广角光学镜头，其特征在于：所述第一透镜与第二透镜之间的空气间隔为0.9～1.7mm，所述第二透镜与第三透镜的空气间隔为1.9～2.5mm，所述第三透镜与第四透镜之间的空气间隔为0.01～0.5mm，所述第四透镜与光阑之间的空气间隔为0.02～0.6mm，所述光阑与第五透镜之间的空气间隔为0.03～0.7mm，所述第六透镜与第七透镜之间的空气间隔为0.1～0.8mm。
3.根据权利要求1所述的大孔径超广角光学镜头，其特征在于：所述的第一透镜满足关系式：Nd≥1.5，Vd≤50.0；所述的第二透镜满足关系式：Nd≥1.7，Vd≥33.2；所述的第三透镜满足关系式：Nd≥1.4，Vd≤80.2；所述的第四透镜满足关系式：Nd≥1.7，Vd≤30.0；所述的第五透镜满足关系式：Nd≥1.5，Vd≤70.0；所述的第六透镜满足关系式：Nd≥1.6，Vd≤40.0；所述的第七透镜满足关系式：Nd≥1.7，Vd≤50；其中Nd为折射率，Vd为阿贝常数。
4.根据权利要求1所述的大孔径超广角光学镜头,其特征在于：所述第七透镜L7为非球面透镜，非球面曲线方程表达式为：
Figure FDA0004039076030000031
其中，Z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距非球面顶点的离矢高；c为非球面的近轴曲率；k为圆锥常数；α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7、α8均为高次项系数。
5.根据权利要求1所述的大孔径超广角光学镜头，其特征在于：所述光学镜头的工作波长覆盖了近红外波段；所述镜头的光学系统的光学总长度TTL与所述镜头的光学系统的焦距F之间满足：TTL/F≤8.0；所述镜头的光学系统的F数<1.60。
6.根据权利要求1所述的大孔径超广角光学镜头，其特征在于：所述镜头各非球面透镜的非球面系数如下：
Figure FDA0004039076030000032
。
7.根据权利要求1或6所述的大孔径超广角光学镜头，其特征在于：所述镜头光学系统实现的技术指标如下：
(1)焦距：EFFL＝2.17mm；(2)光圈F＝1.6；(3)视场角：2w≥204°；(4)成像圆直径大于φ8mm；(5)工作波段：近红外；(6)光学总长TTL≤17.3mm，光学后截距BFL≥2.59mm；(7)该镜头旨在为车内生命监控所要求的大视场、光线环境变化大的使用场景。
8.一种大孔径超广角光学镜头的成像方法，其特征在于：包括采用如权利要求1～7中任意一项所述的大孔径超广角光学镜头，成像时，光线自左向右依次经过第一透镜，第二透镜，第三透镜，第四透镜，第五透镜，第六透镜，第七透镜，滤光片和保护玻璃后成像。
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