CN114578526A - 一种超广角日夜两用玻塑混合镜头 - Google Patents

一种超广角日夜两用玻塑混合镜头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学成像领域，公开了一种超广角日夜两用玻塑混合镜头，包括透镜，定义透镜邻近物面一侧的表面为物侧面，透镜邻近像面一侧的表面为像侧面，所述透镜沿着镜头光轴由物侧到像侧依序包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜，与市面上现有的镜头相比，其具有体积小、性能好和成本低的优点，采用1片球面玻璃和4片非球面塑料混合组合，可拍摄180度以内的视场角，实现24小时全天候全景高清监控，通过合理的搭配各透镜的光焦度，有利于降低系统的像差，保证系统在高温+80℃和低温‑40℃实拍画面清晰，日夜拍摄共焦，提升系统的解像能力，在制造性上，各透镜不敏感，成型制造容易，具有较高的性价比。

Description

一种超广角日夜两用玻塑混合镜头
技术领域
本发明涉及光学成像领域，尤其涉及一种超广角日夜两用玻塑混合镜头。
背景技术
随着社会的不断进步，人们越来越重视自身财产及人身安全，监控镜头的应用也越来越广泛，其中超广角监控镜头的需求量也越来越大，超广角监控镜头监控范围广，能够避开监控死角，在市面上，此类镜头具有很大的优势。
超广角监控镜头在备受欢迎的同时，人们对其性能及成本要求也越来越高，目前市场上的镜头还存在像质不良及成本高的问题，例如，恶劣天气像质差，白天黑夜成像难共焦，镜头性能及成本都有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超广角日夜两用玻塑混合镜头，以解决上述背景技术中提出的目前市场上的镜头还存在体积大、像质不良及成本高的问题。
一种超广角日夜两用玻塑混合镜头,包括透镜，定义透镜邻近物面一侧的表面为物侧面，透镜邻近像面一侧的表面为像侧面，所述透镜沿着镜头光轴由物侧到像侧依序包括：第一透镜（1），为具有负光焦度的非球面塑料透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；第二透镜（2），为具有正光焦度的非球面塑料透镜，像侧面为凸面；第三透镜（3），为具有正光焦度的球面玻璃透镜，像侧面为凸面；第四透镜（4），为具有负光焦度的非球面塑料透镜，像侧面为凹面；第五透镜（5），为具有正光焦度的非球面塑料透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凸面；所述第二透镜（2）和第三透镜（3）之间设置有孔径光阑（9），所述第五透镜（5）的后方还设置有：滤光片（6），其由H-K9L制成；保护玻璃（7），其集成在图像传感器上；图像采集元件（8）；
所述各个透镜的焦距与系统的总焦距的比值满足以下条件：
1.17≤|f1/f|≤1.72；
1.42≤|f2/f|≤7.55；
1.15≤|f3/f|≤2.08；
1.05≤|f4/f|≤2.59；
1.18≤|f5/f|≤1.69；
关系式中，“f”为所述镜头光学系统的焦距，“f1”为第一透镜（1）的焦距，“f2”为第二透镜（2）的焦距，以此类推。
所述第一透镜（1）至所述第五透镜（5）的焦距、折射率及曲率半径分别满足以下条件：
f1 -4.10~-2.76 ND1 1.50~1.55 R11 +3.50~+15.82 R12 +1.14~+1.61
f2 +3.42~+16.62 ND2 1.59~1.65 R12 -91204.15~110369.94 R22 -6.59~-2.68
f3 +2.77~+4.58 ND3 1.59~1.76 R31 -4.29~+21.30 R32 -5.01~-1.52
f4 -5.70~-2.43 ND4 1.54~1.64 R41 -1202.91~+108.5 R42 +1.72~+2.87
f5 +2.76~+4.05 ND5 1.54~1.64 R51 +2.67~+15.92 R52 -4.23~-1.79
上表中，“f1”为第一透镜（1）的焦距，“ND1”为第一透镜（1）的折射率，“R11、R12”为第一透镜（1）的前后表面曲率半径，“f2”为第二透镜（2）的焦距，“ND2”为第二透镜（2）的折射率，“R21、R22”为第二透镜（2）的前后表面曲率半径，“f3”为第三透镜（3）的焦距，“ND3”为第三透镜（3）的折射率，“R31、R32”为第三透镜（3）的前后表面曲率半径，“f4”为第四透镜（4）的焦距，“ND4”为第四透镜（4）的折射率，“R41、R42”为第四透镜（4）的前后表面曲率半径，“f5”为第五透镜（5）的焦距，“ND5”为第五透镜（5）的折射率，“R51、R52”为第五透镜（5）的前后表面曲率半径，“-”号表示方向为负，以此类推。
作为上述技术方案的改进之一，IC/TTL≥0.46；4.73≤TTL/f≤5.80；0.28≤OBFL/TTL≤0.36；关系式中，所述镜头光学系统的焦距为f；所述镜头光学系统的总长为TTL；镜头系统的光学后截距为OBFL，即第五透镜（5）像侧面离像面最近的一点到像面的距离；所述镜头系统的全像高为IC。
作为上述技术方案的改进之一，所述光学镜头的光圈为F#，满足F#≥2.00，所述光学镜头的焦距为f，满足2.20≤f≤2.43，所述镜头光学系统的总长为TTL，满足TTL≤12.75mm，所述光学镜头的全视场角为DFOV，满足DFOV≤180°。
作为上述技术方案的改进之一，所述第一透镜（1）、第二透镜（2）、第四透镜（4）和第五透镜（5）的非球面都可用以下偶次非球面的方程式进行限定：
Z=
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
式中，k为二次曲面圆锥系数， 为镜片高度，c为镜片曲率，A-G为非球面多项式的4阶、6阶、8阶、10阶、12阶、14阶、16阶项系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：与市面上现有的镜头相比，其具有体积小、性能好和成本低的优点，采用1片球面玻璃和4片非球面塑料混合组合，可拍摄180度以内的视场角，实现24小时全天候全景高清监控，通过合理的搭配各透镜的光焦度，有利于降低系统的像差，保证系统在高温+80℃和低温-40℃实拍画面清晰，日夜拍摄共焦，提升系统的解像能力，在制造性上，各透镜不敏感，成型制造容易，具有较高的性价比。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的光学结构示意图。
图2为本发明实施例的光路结构示意图。
图3为本发明实施例可见光0.435-0.656um的常温+20℃离焦曲线图。
图4为本发明实施例红外光0.850um的离焦曲线图。
图5为本发明实施例可见光0.435-0.656um的低温-40℃离焦曲线图。
图6为本发明实施例可见光0.435-0.656um的高温+80℃离焦曲线图。
图7为本发明实施例可见光0.546um的相对照度图。
图中：1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第五透镜；6、滤光片；7、保护玻璃；8、图像采集元件；9、孔径光阑。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7,本发明实施例中，一种超广角日夜两用玻塑混合镜头，透镜邻近物面一侧的表面为物侧面，透镜邻近像面一侧的表面为像侧面，沿着镜头光轴由物侧到像侧依序包含：具有负光焦度的第一非球面塑料透镜（1），其物侧面为凸面，像侧面为凹面；具有正光焦度的第二非球面塑料透镜（2），像侧面为凸面；具有正光焦度的第三球面玻璃透镜（3），像侧面为凸面；具有负光焦度的第四非球面塑料透镜（4），像侧面为凹面；具有正光焦度的第五非球面塑料透镜（5），其物侧面为凸面，像侧面为凸面；第二透镜（2）和第三透镜（3）之间是孔径光阑（9）。
为了让光学系统呈现更好的性能，我们在设计过程中，要合理选择镜片材料、合理分配各个镜片的焦距和合理优化光学系统，最终让光学系统的表现的性能最优化，通常光学系统像差的校正方法有很多种，例如，在选择初始结构时可以选用相对于孔径光阑前后近对称的结构，这样，系统的慧差、畸变、倍率色差可以左右对消，以降低垂轴像差，而光阑位置可以消除像散，合理分配优化各个镜片的焦距及形状也可以校正系统的像差。参照图1所示，本发明实施例的第一透镜（1）的焦距为f1，第二透镜（2）的焦距为f2，第三透镜（3）的焦距为f3，第四透镜（4）的焦距为f4，第五透镜（5）的焦距为f5，整个镜头的焦距为f，各个镜片与系统的总焦距的比值满足以下条件：
1.17≤|f1/f|≤1.72；
1.42≤|f2/f|≤7.55；
1.15≤|f3/f|≤2.08；
1.05≤|f4/f|≤2.59；
1.18≤|f5/f|≤1.69；
本发明实施例的其视场角度≥174°，所以第一个镜片采用凸面朝向物方的弯月形负光焦度的镜片，其作用是快速汇聚光线，所述第一透镜（1）、第三透镜（3）和第五透镜（5）的阿贝数大于55.7，所述第二透镜（2）和第四透镜（4）的阿贝数小于24，选择折射率不同和阿贝数相差较大的镜片组合搭配，可以减小系统的色差，考虑到光学系统的像差、平衡温漂及日夜共焦等问题，各个镜片的焦距、材料和镜片R值分别满足以下条件：
f1 -4.10~-2.76 ND1 1.50~1.55 R11 +3.50~+15.82 R12 +1.14~+1.61
f2 +3.42~+16.62 ND2 1.59~1.65 R12 -91204.15~110369.94 R22 -6.59~-2.68
f3 +2.77~+4.58 ND3 1.59~1.76 R31 -4.29~+21.30 R32 -5.01~-1.52
f4 -5.70~-2.43 ND4 1.54~1.64 R41 -1202.91~+108.5 R42 +1.72~+2.87
f5 +2.76~+4.05 ND5 1.54~1.64 R51 +2.67~+15.92 R52 -4.23~-1.79
上表中，“f1”为第一透镜（1）的焦距，“ND1”为第一透镜（1）的折射率，“R11、R12”为第一透镜（1）的前后表面曲率半径，“f2”为第二透镜（2）的焦距，“ND2”为第二透镜（2）的折射率，“R21、R22”为第二透镜（2）的前后表面曲率半径，“f3”为第三透镜（3）的焦距，“ND3”为第三透镜（3）的折射率，“R31、R32”为第三透镜（3）的前后表面曲率半径，“f4”为第四透镜（4）的焦距，“ND4”为第四透镜（4）的折射率，“R41、R42”为第四透镜（4）的前后表面曲率半径，“f5”为第五透镜（5）的焦距，“ND5”为第五透镜（5）的折射率，“R51、R52”为第五透镜（5）的前后表面曲率半径，“-”号表示方向为负，以此类推。
本发明实施例整体光学系统的焦距为f，镜头系统的光学总长为TTL，镜头系统的光学后截距为OBFL，即第五透镜像侧面离像面最近的一点到像面的距离，镜头系统的全像高为IC，它们满足如下关系：
IC/TTL≥0.46；
4.73≤TTL/f≤5.80；
0.28≤OBFL/TTL≤0.36；
本发明实施例的光圈为F#，满足F#≥2.00，光学系统的焦距为f，满足2.20≤f≤2.43，镜头系统的光学总长为TTL，满足TTL≤12.75mm，保证了镜头的小型化，所述光学镜头的全视场角为DFOV，满足DFOV≤180°。
本发明实施例的第三透镜（3）、第四透镜（4）和第五透镜（5）比较靠近，机构上可直接采用面承靠，既保证的组装稳定性，又可以降低部件成本。
参考图1、图2所示，其分别是本发明实施例的光学结构示意图和光路结构示意图，第三透镜（3）是玻璃球面，第一透镜（1）、第二透镜（2）、第四透镜（4）和第五透镜（5）是塑料非球面，系统的光圈值为2.2，总长TTL=12.57mm，拍摄角度DFOV=174°，拍摄视野广，体积小。
下列表一中分别列有由物侧到像侧依序的光学面编号（Surface Number）、各透镜的曲率半径R（单位：mm）、各透镜的中心厚度d（单位：mm）、各透镜的折射率（ND）和阿贝常数（VD）、各透镜的非球面K值（Conic）。
表一
面序号 曲率半径R 中心厚度d 折射率ND 阿贝常数VD K
1 13.56 0.64 1.53 55.7 2.86
2 1.34 1.49 -0.46
3 2127.66 1.83 1.63 23.5 -34.91
4 -4.57 0.02 -1.37
5（光阑） Infinity 0.76
6 11.06 1.29 1.59 68.3
7 -3.23 0.04
8 -148.32 0.49 1.63 23.9 10.49
9 1.76 0.10 -9.07
10 2.76 1.52 1.53 55.7 -19.39
11 -2.68 0.19 -4.11
12 Infinity 0.61 1.51 64.2
13 Infinity 3.60
在表一中，面序号根据各个透镜的表面顺序来进行编号，其中“1”代表第一透镜（1）的前表面，“2”代表第一透镜（1）的后表面，依次类推；曲率半径代表镜片表面的弯曲程度，正值代表该表面弯向像面一侧，负值代表该表面弯向物面一侧，其中“Infinity”代表该表面为平面；厚度代表当前表面到下一表面的中心轴向距离，折射率代表当前透镜材料对光线的偏折能力，阿贝数代表当前透镜材料对光线的色散特性；K值代表该非球面的最佳拟合圆锥系数的数值大小。本发明实施例的第一透镜（1）、第二透镜（2）、第四透镜（4）和第五透镜（5）的非球面都可用以下偶次非球面的方程式进行限定：
Z=
Figure 680839DEST_PATH_IMAGE001
式中，式中k为二次曲面圆锥系数， 为镜片高度，c为镜片曲率，A-G为非球面多项式的4阶、6阶、8阶、10阶、12阶、14阶、16阶项系数。
下列表二列有各光学表面的非球面的各项系数：
表二
面序号 A B C D E F G
1 -4.48E-03 2.43E-04 2.27E-06 -8.66E-07 1.86E-08 2.33E-09 -1.10E-10
2 -1.46E-03 3.29E-03 -7.98E-03 6.81E-03 -3.95E-03 1.29E-03 -1.99E-04
3 -6.86E-03 -5.94E-04 -4.82E-04 -3.99E-04 6.09E-05 -3.05E-05 1.50E-05
4 -3.78E-03 -1.13E-02 1.49E-02 -8.72E-03 -2.73E-03 5.09E-03 -1.47E-03
8 -9.49E-02 4.66E-02 -1.99E-02 4.22E-03 -4.90E-05 -2.18E-04 3.89E-05
9 -9.74E-03 6.89E-03 -1.87E-03 3.30E-05 -3.31E-06 -4.78E-06 1.53E-06
10 7.78E-03 1.40E-03 -4.92E-04 6.83E-05 -6.62E-06 -1.65E-06 1.53E-06
11 -2.45E-02 4.61E-03 -7.50E-04 6.32E-05 3.28E-06 1.05E-05 4.39E-07
参考图3-7所示，本发明在高温+80℃和低温-40℃的离焦量均小于3um，这样小的离焦量保证了镜头在高温+80℃和低温-40℃都可以拍摄高清画面，在夜视条件下，波长0.850um的离焦量小于7um，可以保证镜头在夜视条件下，实拍画面清晰，本发明在最大视场处的相对照度大于34%，进光量充足，保证了该超广角镜头即使在环境较昏暗下使用，实拍画面也不会有暗角。
综上所述：本发明实施例提供的一种超广角日夜两用玻塑混合镜头，在设计过程中，全面考虑了光学系统的像差、平衡温漂及日夜共焦等问题，采用1片球面玻璃和4片非球面塑料混合组合，可实现小体积、重量轻、性能好和成本低的优点，在达到业内同等品质下，其各透镜不敏感，镜片面型简单容易制造，可提升制造良率，具有很高的性价比，可弥补市面上现有镜头的不足。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种超广角日夜两用玻塑混合镜头,其特征在于，包括透镜，定义透镜邻近物面一侧的表面为物侧面，透镜邻近像面一侧的表面为像侧面，所述透镜沿着镜头光轴由物侧到像侧依序包括：
第一透镜（1），为具有负光焦度的非球面塑料透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；
第二透镜（2），为具有正光焦度的非球面塑料透镜，像侧面为凸面；
第三透镜（3），为具有正光焦度的球面玻璃透镜，像侧面为凸面；
第四透镜（4），为具有负光焦度的非球面塑料透镜，像侧面为凹面；
第五透镜（5），为具有正光焦度的非球面塑料透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凸面；
所述第二透镜（2）和第三透镜（3）之间设置有孔径光阑（9），所述第五透镜（5）的后方还设置有：
滤光片（6），其由H-K9L制成；
保护玻璃（7），其集成在图像传感器上；
图像采集元件（8）；
所述各个透镜的焦距与系统的总焦距的比值满足以下条件：
1.17≤|f1/f|≤1.72；
1.42≤|f2/f|≤7.55；
1.15≤|f3/f|≤2.08；
1.05≤|f4/f|≤2.59；
1.18≤|f5/f|≤1.69；
关系式中，“f”为所述镜头光学系统的焦距，“f1”为第一透镜（1）的焦距，“f2”为第二透镜（2）的焦距，以此类推。
2.根据权利要求1所述的一种超广角日夜两用玻塑混合镜头，其特征在于：所述第一透镜（1）至所述第五透镜（5）的焦距、折射率及曲率半径分别满足以下条件：
f1 -4.10~-2.76 ND1 1.50~1.55 R11 +3.50~+15.82 R12 +1.14~+1.61 f2 +3.42~+16.62 ND2 1.59~1.65 R12 -91204.15~110369.94 R22 -6.59~-2.68 f3 +2.77~+4.58 ND3 1.59~1.76 R31 -4.29~+21.30 R32 -5.01~-1.52 f4 -5.70~-2.43 ND4 1.54~1.64 R41 -1202.91~+108.5 R42 +1.72~+2.87 f5 +2.76~+4.05 ND5 1.54~1.64 R51 +2.67~+15.92 R52 -4.23~-1.79
上表中，“f1”为第一透镜（1）的焦距，“ND1”为第一透镜（1）的折射率，“R11、R12”为第一透镜（1）的前后表面曲率半径，“f2”为第二透镜（2）的焦距，“ND2”为第二透镜（2）的折射率，“R21、R22”为第二透镜（2）的前后表面曲率半径，“f3”为第三透镜（3）的焦距，“ND3”为第三透镜（3）的折射率，“R31、R32”为第三透镜（3）的前后表面曲率半径，“f4”为第四透镜（4）的焦距，“ND4”为第四透镜（4）的折射率，“R41、R42”为第四透镜（4）的前后表面曲率半径，“f5”为第五透镜（5）的焦距，“ND5”为第五透镜（5）的折射率，“R51、R52”为第五透镜（5）的前后表面曲率半径，“-”号表示方向为负，以此类推。
3.根据权利要求2所述的一种超广角日夜两用玻塑混合镜头，其特征在于：
IC/TTL≥0.46；
4.73≤TTL/f≤5.80；
0.28≤OBFL/TTL≤0.36；
关系式中，所述镜头光学系统的焦距为f；所述镜头光学系统的总长为TTL；镜头系统的光学后截距为OBFL，即第五透镜（5）像侧面离像面最近的一点到像面的距离；所述镜头系统的全像高为IC。
4.根据权利要求3所述的一种超广角日夜两用玻塑混合镜头，其特征在于：所述光学镜头的光圈为F#，满足F#≥2.00，所述光学镜头的焦距为f，满足2.20≤f≤2.43，所述镜头光学系统的总长为TTL，满足TTL≤12.75mm，所述光学镜头的全视场角为DFOV，满足DFOV≤180°。
5.根据权利要求3所述的一种超广角日夜两用玻塑混合镜头，其特征在于： 所述第一透镜（1）、第二透镜（2）、第四透镜（4）和第五透镜（5）的非球面都可用以下偶次非球面的方程式进行限定：
Z=
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，k为二次曲面圆锥系数， 为镜片高度，c为镜片曲率，A-G为非球面多项式的4阶、6阶、8阶、10阶、12阶、14阶、16阶项系数。
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