CN114460725A - 一种水空两用全景镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种水空两用全景镜头，能够在空气以及水下环境中捕获高质量的全景图像。本发明通过光学设计方法，采用全球面设计出一种在空气以及水下环境中视场角均超过180°的全景镜头，并在两种环境下均具有高的成像分辨率。本发明采用10片玻璃球面式设计，F数为2，在空气和水下环境中视场角均超过180°，其中空气视场角可达200°～240°，水下视场角可达180°～210°。所设计镜头在两种环境全视场范围内MTF良好，400lp/mm处的MTF均高于0.1，分辨率高，能在多样化环境下捕获高质量的全景图像。所设计全景镜头能满足用户的多样化使用需求，且加工简单，造价较低。

Description

一种水空两用全景镜头
技术领域
本发明涉及光学设计技术领域，具体涉及一种水空两用全景镜头。
背景技术
传统相机镜头空间带宽积有限，视场角通常小于180°，只能捕获周围环境中的部分目标场景。为了对周围环境进行整体捕获，360°全景成像系统的设计成为热点研究话题。全景镜头是全景成像技术的核心组件，能够一次性对空间垂直和水平方向大于180°的半球视场进行捕获。
文献“Design and assessment of a 360°panoramic and high-performancecapture system with two tiled catadioptric imaging channels,Applied Optics,2018.”中提出了一种全景成像镜头，镜头结构如图1所示。该全景镜头包括七片透镜和一片棱镜，第五透镜和第六透镜组成双胶合透镜，F数为2，空气中视场角为190°，为了提高成像分辨率，第二透镜和第七透镜采用非球面设计。该全景镜头仅保证了在空气中视场角大于180°，而水的折射率大于空气折射率，水下视场角无法保证达到180°。虽然使用了一定数量的非球面矫正像差，来提高全景镜头在空气中的成像分辨率，但造价昂贵，成本较高。并且在设计过程中只考虑了空气中的成像分辨率，没有优化镜头在水下的成像分辨率，无法在水下捕获高质量全景图像。
综上，现有全景镜头仅在空气中视场角达到180°，而水的折射率大于空气折射率，因此镜头水下视场角无法达到180°，即不能在水下实现全景成像。此外，现有全景镜头在设计过程中只考虑了空气中的成像分辨率，没有优化镜头在水下的成像分辨率，无法在水下捕获高质量全景图像。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种水空两用全景镜头，能够在空气以及水下环境中捕获高质量的全景图像。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：本发明的一种水空两用全景镜头，包括前镜头组、后镜头组以及光阑；其中，前镜头组为负折射率透镜组，包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜；后镜头组为正折射率透镜组，包括第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜以及第十透镜；其中，第一透镜为负透镜，第二透镜为负透镜，第三透镜为正透镜，第四透镜为负透镜，第五透镜为正透镜；第六透镜为负透镜，第七透镜为正透镜，第八透镜为正透镜，第九透镜为负透镜，第十透镜为正透镜；光阑设置在第七透镜和第八透镜之间；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、第九透镜以及第十透镜的表面类型均为球面；4≤|f15/f|≤9，≤|f6_10/f|≤10，其中，f表示所述镜头的焦距，f15表示前镜头组的焦距，f6_10表示后镜头组的焦距。
其中，第四透镜和第五透镜组成双胶合透镜，第六透镜和第七透镜组成双胶合透镜，第八透镜和第九透镜组成双胶合透镜。其中，第四透镜、第七透镜和第八透镜阿贝数大于50，第五透镜、第六透镜和第九透镜阿贝数小于40。
其中，14≤|f1/f|≤22，3≤|f2/f|≤8，33≤|f3/f|≤43，50≤|f45/f|≤105，5≤|f67/f|≤15，4≤|f89/f|≤10，2≤|f10/f|≤5；其中，f1～f10分别表示每个透镜的焦距，f45表示第四透镜和第五透镜的组合焦距，f67表示第六透镜和第七透镜的组合焦距，f89表示第八透镜和第九透镜的组合焦距。
其中，所述镜头的F数≤2。
其中，所述镜头空气中视场角≥210°，水下视场角≥180°。
其中，所述镜头所有视场光线均充满光阑。
有益效果：
本发明通过光学设计方法，采用全球面设计出一种在空气以及水下环境中视场角均超过180°的全景镜头，并在两种环境下均具有高的成像分辨率。本发明采用10片玻璃球面式设计，F数为2，在空气和水下环境中视场角均超过180°，其中空气视场角可达200°～240°，水下视场角可达180°～210°。所设计镜头在两种环境全视场范围内MTF良好，400lp/mm处的MTF均高于0.1，分辨率高，能在多样化环境下捕获高质量的全景图像。所设计全景镜头能满足用户的多样化使用需求，且加工简单，造价较低。
附图说明
图1为现有技术中的全景镜头示意图。
图2为本发明的镜头结构在空气中的示意图。
图3为本发明的镜头结构在水下示意图。
图4为本发明的镜头结构在空气中的MTF曲线。
图5为本发明的镜头结构在水下的MTF曲线。
图6为满足本发明要求的另外一种镜头结构示意图。
图7为满足本发明要求的第三种镜头结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的镜头结构如图2(空气中)、图3(水下)所示，图中编号1～7,9～11表示10片玻璃球面透镜，编号8为光阑面，位于第七透镜和第八透镜之间，编号12位系统像面。设计时采用的波长为486.1mm，546.1mm，587.6mm，656.3mm，F数为2，空气中全视场角可达200°～240°，水下全视场角可达180°～210°。将如图1～2所示镜头的参数进行有效焦距归一化，镜头各表面类型、表面曲率半径及表面间隔等如表1所示。
表1镜头参数
Figure BDA0003472903770000041
本发明全景镜头包括三部分：前镜头组、后镜头组、光阑。其中，前镜头组为负折射率透镜组，由第一透镜(负透镜)、第二透镜(负透镜)、第三透镜(正透镜)、第四透镜(负透镜)以及第五透镜(正透镜)组成；后镜头组为正折射率透镜组，由第六透镜(负透镜)、第七透镜(正透镜)、第八透镜(正透镜)、第九透镜(负透镜)以及第十透镜(正透镜)组成。光阑设置在第七透镜和第八透镜之间。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、第九透镜以及第十透镜的表面类型均为球面。
若以f表示所述镜头的焦距，f15表示前镜头组的焦距，f6_10表示后镜头组的焦距，有4≤|f15/f|≤9,4≤|f6_10/f|≤10。
所述镜头，第四透镜和第五透镜组成双胶合透镜，第六透镜和第七透镜组成双胶合透镜，第八透镜和第九透镜组成双胶合透镜。其中，第四透镜、第七透镜和第八透镜阿贝数大于50，第五透镜、第六透镜和第九透镜阿贝数小于40。
若以f1～f10分别表示每个透镜的焦距，f45表示四透镜和第五透镜的组合焦距，f67表示第六透镜和第七透镜的组合焦距，f89表示第八透镜和第九透镜的组合焦距，有14≤|f1/f|≤22，3≤|f2/f|≤8，33≤|f3/f|≤43，50≤|f45/f|≤105，5≤|f67/f|≤15，4≤|f89/f|≤10，2≤|f10/f|≤5。
所述镜头的F数≤2。
所述镜头空气中视场角≥210°，水下视场角≥180°。
所述镜头所有视场光线均充满光阑，为近似无渐晕设计，使得各视场的光线在成像面上有着均匀的照度。
本发明的镜头结构在空气中的MTF曲线如图4所示，本发明的镜头结构在水下的MTF曲线如图5所示，所述镜头在空气以及水下环境全视场范围内，在200lp/mm处MTF均高于0.4，400lp/mm处的MTF均高于0.1；其中0°视场200lp/mm处的MTF均高于0.7，400lp/mm处的MTF均高于0.4。
图6～7为满足本发明要求的另外两种镜头结构示意图，表2～3分别表示这两种镜头结构的相关参数。
表2镜头参数
Figure BDA0003472903770000061
表3镜头参数
Figure BDA0003472903770000062
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水空两用全景镜头，其特征在于，包括前镜头组、后镜头组以及光阑；其中，前镜头组为负折射率透镜组，包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜；后镜头组为正折射率透镜组，包括第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜以及第十透镜；其中，第一透镜为负透镜，第二透镜为负透镜，第三透镜为正透镜，第四透镜为负透镜，第五透镜为正透镜；第六透镜为负透镜，第七透镜为正透镜，第八透镜为正透镜，第九透镜为负透镜，第十透镜为正透镜；光阑设置在第七透镜和第八透镜之间；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、第九透镜以及第十透镜的表面类型均为球面；4≤|f15/f|≤9，≤|f6_10/f|≤10，其中，f表示所述镜头的焦距，f15表示前镜头组的焦距，f6_10表示后镜头组的焦距。
2.如权利要求1所述的水空两用全景镜头，其特征在于，第四透镜和第五透镜组成双胶合透镜，第六透镜和第七透镜组成双胶合透镜，第八透镜和第九透镜组成双胶合透镜。其中，第四透镜、第七透镜和第八透镜阿贝数大于50，第五透镜、第六透镜和第九透镜阿贝数小于40。
3.如权利要求1所述的水空两用全景镜头，其特征在于，14≤|f1/f|≤22，3≤|f2/f|≤8，33≤|f3/f|≤43，50≤|f45/f|≤105，5≤|f67/f|≤15，4≤|f89/f|≤10，2≤|f10/f|≤5；其中，f1～f10分别表示每个透镜的焦距，f45表示第四透镜和第五透镜的组合焦距，f67表示第六透镜和第七透镜的组合焦距，f89表示第八透镜和第九透镜的组合焦距。
4.如权利要求3所述的水空两用全景镜头，其特征在于，所述镜头的F数≤2。
5.如权利要求3所述的水空两用全景镜头，其特征在于，所述镜头空气中视场角≥210°，水下视场角≥180°。
6.如权利要求1-5任意一项所述的水空两用全景镜头，其特征在于，所述镜头所有视场光线均充满光阑。
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