CN114647068B - 光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种光学系统，光学系统包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第十一透镜；其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第十一透镜的光轴重合；第一透镜设置于光学系统中最接近物方的位置；并且第一透镜焦距为负，并且第一球面的像面凹球面；第二透镜设置于第一透镜的像方上；第二透镜焦距为负，并且第二透镜的像面和物面为凹球面；第三透镜设置于第二球面的像方上；并且第三透镜的焦距为正，并且第三透镜的像面为凸球面；第十一透镜设置于光学系统中任一其他透镜的像方，并且第十一透镜的像面和物面向物方凸起。可以实现设计一种在大光圈大角度下能够拍摄到高分辨率图像的镜头。

Description

光学系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种光学系统。
背景技术
对于长焦距镜头，随着光圈和视角的增大，镜头的像差也将成倍增加，导致拍摄到的图像分辨率较低。因此，如何设计大光圈大角度高分辨率的镜头，以提高拍摄到大靶面、高分辨率的图像成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种光学系统，以实现设计一种能够拍摄到大靶面、高分辨率的镜头。具体技术方案如下：
本发明实施例提供了一种大光圈大角度高分辨率的光学系统，所述光学系统包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第十一透镜；
其中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第十一透镜的光轴重合；
所述第一透镜设置于所述光学系统中最接近物方的位置；并且所述第一透镜焦距为负，并且所述第一球面的像面凹球面；
所述第二透镜设置于所述第一透镜的像方上；
所述第二透镜焦距为负，并且所述第二透镜的像面和物面为凹球面；
所述第三透镜设置于所述第二球面的像方上；并且所述第三透镜的焦距为正，并且所述第三透镜的像面为凸球面；
所述第十一透镜设置于所述光学系统中任一其他透镜的像方，并且所述第十一透镜的像面和物面向物方凸起。
在一种可能的实施例中，所述第二透镜和所述第三透镜形成的透镜组的焦距大于预设焦距阈值。
在一种可能的实施例中，所述光学系统还包括：第四透镜；
所述第四透镜设置于所述第三透镜的像方上
所述第四透镜的焦距为正，并且所述第四透镜为双凸球面透镜。
在一种可能的实施例中，所述光学系统还包括：第五透镜；
所述第五透镜设置于所述第四球面的像方上；
所述第五透镜的焦距为负，并且所述第五透镜为双凹球面透镜。
在一种可能的实施例中，所述光学系统还包括：第六透镜；
所述第六透镜设置于所述第五透镜的像方上；
所述第六透镜的焦距为正，所述第六透镜为双凸球面透镜。
在一种可能的实施例中，所述光学系统还包括：第七透镜；
所述第七透镜设置于所述第六球面的像方上，所述第七透镜的物面透镜粘合于所述第六透镜的像面；
所述第七透镜的焦距为负，所述第七透镜的物面和像面向像方凸起。
所述第六透镜的折射率与所述第七透镜的阿贝率之间的大小关系，与所述第六透镜的阿贝数与所述第七透镜的折射率之间的大小关系相反。
在一种可能的实施例中，所述光学系统还包括：消色差透镜组；
所述消色差透镜组设置于所述第七透镜的像方上，用于消减穿过所属第七透镜的光的色差。
在一种可能的实施例中，所述消色差透镜组，包括：
第八透镜、第九透镜、第十透镜；
所述第八透镜设置于所述第七透镜的像方上；所述第八透镜的焦距为正，并且所述第八透镜为双凸球面透镜；
所述第九透镜设置于所述第八透镜的像方上；所述第八透镜的焦距为负，并且所述第九透镜为双凹球面透镜；
所述第十透镜设置于所述第九透镜的像方上；所述第十透镜的焦距为正，并且所述第十透镜为双凸球面透镜。
在一种可能的实施例中，所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜中任一透镜的像面半径大于一点五倍的物面半径，或等于物面半径。
在一种可能的实施例中，所述光学系统中各透镜为玻璃材质。
在一种可能的实施例中，所述光学系统还包括：
红外滤光片，所述红外滤光片设置于所述第十一透镜的像方，所述红外滤光片用于滤除红外光。
本发明实施例有益效果：
本发明实施例提供的大光圈大角度高分辨率的光学系统，可以通过合理的光焦度的分配，特别的镜片形状的排列，使光学系统满足大光圈，大角度、大靶面的特点。使得在照度较高的情况下也能够拍摄到大范围的高分辨率图像。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
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，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为本发明实施例提供的大光圈大角度高分辨率的光学系统的一种结构示意图；
图2为本发明实施例提供的大光圈大角度高分辨率的光学系统的MTF曲线；
图3为本发明实施例提供的大光圈大角度高分辨率的光学系统的点列图；
图4为本发明实施例提供的大光圈大角度高分辨率的光学系统的垂轴色差曲线；
图5为本发明实施例提供的大光圈大角度高分辨率的光学系统的轴上色差曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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基于本申请所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了更清楚的对本发明实施例提供的长焦大光圈阔景深的光学系统进行说明，下面将对本发明实施例提供的长焦大光圈阔景深的光学系统的一种可能的应用场景进行示例性说明，以下示例仅是本发明实施例提供的长焦大光圈阔景深的光学系统的一种可能的应用场景，在其他可能的实施例中，本发明实施例提供的长焦大光圈阔景深的光学系统也可以应用于其他可能的应用场景中，以下示例对此不做任何限制。
由于焦距越长放大倍数越高，因此处于拍摄细节图像的考虑，一些监控相机采用长焦镜头，但是由于长焦镜头当光圈增大后，镜头口径变大，像差也越大，越难保证周边视场的成像质量，因此长焦镜头的光圈往往较小，如FNO1.8，FNO1.6，导致在低照度的环境下，镜头拍摄的图像整体画面亮度较低，图像效果较差。
而为提高照度则需要增大镜头的光圈，但是随着镜头光圈和视角的增大，镜头的像差成倍增加，导致拍摄到的图像分辨率较低。因此，相关技术中难以拍摄到大靶面、高分辨率的图像。
因此，需要一种大光圈大角度高分辨率的光学系统，以解决上述技术问题。基于此，本发明实施例提供了一种大光圈大角度高分辨率的光学系统，如图1所示，所述光学系统包括：
第一透镜、第二透镜、第三透镜、第十一透镜；
其中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜以及所述第十一透镜的光轴重合；
所述第一透镜设置于所述光学系统中最接近物方的位置；并且所述第一透镜焦距为负，并且所述第一球面的像面凹球面；
所述第二透镜设置于所述第一透镜的像方上；
所述第二透镜焦距为负，并且所述第二透镜的像面和物面为凹球面；
所述第三透镜设置于所述第二球面的像方上；并且所述第三透镜的焦距为正，并且所述第三透镜的像面为凸球面；
所述第十一透镜设置于所述光学系统中任一其他透镜的像方，并且所述第十一透镜的像面和物面向物方凸起。
选用该实施例，可以通过合理的光焦度的分配，特别的镜片形状的排列，使光学系统满足大光圈，大角度、大靶面的特点。使得在照度较高的情况下也能够拍摄到大范围的高分辨率图像。
示例性的，在夜间监控场景中，选用本发明实施例提供的光学系统在黑夜中仍能保持很高的画面亮度，监控范围更广，且满足4K分辨率
其中，物向是指接近物体的方向，而像向是指接近于像平面的方向。第一透镜组和第二透镜组均位于像平面的物向上。第一透镜组和第二透镜组中包括一个或多个透镜，并且第二透镜组中除弯月形透镜和自由曲面透镜外还可以包括球面透镜。第二透镜组中的自由曲面透镜不关于第一透镜组的光轴对称。
物面向物方凸起是指物面的曲率中心位于物面的像方上，同理，像面向物方凸起是指像面的曲率中心位于像面的像方上，物面向像方凸起是指物面的曲率中心位于物面的物方上。
下面将对光学系统中的各个透镜进行说明：
第一透镜为焦距为负的凹球面镜，因此能够较好地汇聚光线，同时由于第一透镜位于第一透镜组中最接近物方的位置，因此第一透镜汇聚光线能够使得入射至第一透镜组中其他透镜的光线的横截面更小，便于减小镜头前段口径。
第二透镜为焦距为负的双凹球面镜，因此能够较好地将经过第一透镜汇聚的光线散开，便于实现大光圈。并且，第一透镜和第二透镜组合使用能够有效减小镜头的球差，从而提升拍摄到的图像质量。
第三透镜与第二透镜之间相互配合，通过合理设置第二透镜与第三透镜的折射率、阿贝数，能够有效减小光学系统的像差，从而提高拍摄到的图像中视场边缘的图像质量。
第十一透镜设置于任一其他透镜的像方是指光学系统中不存在位于第十一透镜像方的透镜，即第十一透镜为光学系统中最接近于像方的透镜。
在一种可能的实施例中，所述第二透镜和所述第三透镜形成的透镜组的焦距大于预设焦距阈值。
本实施例中，通过合理的光焦度的分配，能够降低实现大靶面的难度，便于光学系统的设计。
在一种可能的实施例中，所述光学系统还包括：第四透镜；
所述第四透镜设置于所述第三透镜的像方上
所述第四透镜的焦距为正，并且所述第四透镜为双凸球面透镜。
本实施例中，通过第四透镜汇聚入射至第四透镜的光线，一方面能够减少便于减小镜头后段口径，另一方面，能够缩短镜头的总长度。
在一种可能的实施例中，所述光学系统还包括：第五透镜；
所述第五透镜设置于所述第四球面的像方上；
所述第五透镜的焦距为负，并且所述第五透镜为双凹球面透镜。
本实施例中，通过第五透镜使得经过第四透镜汇聚的光线不再继续汇聚，转而平缓入射至后续的光学组件中，以便于光学系统的设计。
在一种可能的实施例中，所述光学系统还包括：第六透镜；
所述第六透镜设置于所述第五透镜的像方上；
所述第六透镜的焦距为正，所述第六透镜为双凸球面透镜。
在一些应用场景中，镜头可能需要工作于高温或低温的场景，因此需要镜头具有较高的高低温性能，在这些应用场景中，第六透镜的材质的温度系数大于预设系数阈值，本申请中的温度系数是指透镜的光学性能随温度变化而变化的速率，并且由于透镜的光学性能随着温度的升高而降低，即该速率为负值，因此温度系数越大的材质的光学性能随温度变化而变化的速率越慢。
根据应用场景的不同，预设系数阈值可以不同，示例性的，在一种可能的实施例中，系数阈值为-1*10-6，即第六透镜的温度系数D0(6)应当满足-1*10-6＜D0(6)＜0。
在一种可能的实施例中，所述光学系统还包括：第七透镜；
所述第七透镜设置于所述第六球面的像方上，所述第七透镜的物面透镜粘合于所述第六透镜的像面；
所述第七透镜的焦距为负，所述第七透镜的物面和像面向像方凸起。
所述第六透镜的折射率与所述第七透镜的阿贝率之间的大小关系，与所述第六透镜的阿贝数与所述第七透镜的折射率之间的大小关系相反。
本实施例中，通过第六透镜与第七透镜的相互配合，能够降低入射至第六透镜、第七透镜的光线的色差，并且，通过黏合第七透镜与第八透镜能够减小镜头的公差敏感度，降低镜头的组装难度，同时节省镜头空间。
第六透镜的折射率与第七透镜的折射率之间的大小关系，与第六透镜的阿贝数与第七透镜的阿贝数之前的大小关系相反是指：若第六透镜的折射率大于第七透镜的折射率，则第六透镜的阿贝数小于第七透镜的阿贝数，而若第六透镜的折射率小于第七透镜的折射率，则第六透镜的阿贝数大于第七透镜的阿贝数。
为方便描述，将第六透镜的折射率记为nd6，第六透镜的阿贝数记为vd6，第七透镜的折射率记为nd7，第七透镜的阿贝数记为vd7，则应当满足：(nd6-nd7)/(vd6-vd7)＜0。
在一种可能的实施例中，所述光学系统还包括：消色差透镜组；
所述消色差透镜组设置于所述第七透镜的像方上，用于消减穿过所属第七透镜的光的色差。
消色差透镜组为由一个或多个透镜组成且具备消除色差功能的透镜组，根据应用场景的不同，消色差透镜组的结构可以不同，示例性的，在一种可能的实施例中，所述消色差透镜组，包括：
第八透镜、第九透镜、第十透镜；
所述第八透镜设置于所述第七透镜的像方上；所述第八透镜的焦距为正，并且所述第八透镜为双凸球面透镜；
所述第九透镜设置于所述第八透镜的像方上；所述第八透镜的焦距为负，并且所述第九透镜为双凹球面透镜；
所述第十透镜设置于所述第九透镜的像方上；所述第十透镜的焦距为正，并且所述第十透镜为双凸球面透镜。
第八透镜、第九透镜以及第十透镜可以是三个彼此独立的透镜，也可以是黏合在一起的透镜。示例性的，在一种可能的实施例中，第九透镜黏合于第八透镜的像面，第十透镜黏合于第九透镜的像面，由于该实施例中，第八透镜的像面与第九透镜的物面共面，且第九透镜的像面与第十透镜的物面共面，因此能够减少两个镜面，从而降低成本，并且能够有效消除镜面间的鬼像，提高拍摄到的图像的图像质量。
在一种可能的实施例中，所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜中任一透镜的像面半径大于一点五倍的物面半径，或等于物面半径。
即|L8R2/L8R1|≥1.5或|L8R2/L8R1|＝1，|L9R2/L9R1|≥1.5或|L9R2/L9R1|＝1，|L10R1/L10R2|≥1.5或|L10R2/L10R1|＝1。其中，L8R2为第八透镜的像面半径，L8R1为第八透镜的物面半径，L9R2为第九透镜的像面半径，L9R1为第九透镜的物面半径，L10R2为第十透镜的像面半径，L10R1为第十透镜的物面半径。
本实施例中，对于第八透镜、第九透镜以及第十透镜，像面的曲率半径远大于物面的曲率半径，或者等于物面的曲率半径。对于像面的曲率半径远大于物面的曲率半径的情况，在组装光学系统能够通过曲率半径简单地区别透镜的物面和像面，降低了组装错误地可能性，即便于光学系统的组装。对于像面的曲率半径等于物面的曲率半径的情况，则无需区别像面与物面，因此能够降低组装难度，即便于光学系统的组装。
光学系统中各透镜的材质根据应用场景的不同可以不同，在一种可能的实施例中，光学系统中各透镜的材质为玻璃，本实施例中，利用玻璃透镜构建光学系统，一方面能够有效降低光学系统的成本，另一方面由于玻璃温度系数相对较大，因此玻璃的光学性能随温度的变化而变化的速率较低，因此使用玻璃材质能够提高镜头的稳定性。
在一种可能的实施例中，所述光学系统还包括：
红外滤光片，所述红外滤光片设置于所述第十一透镜的像方，所述红外滤光片用于滤除红外光。
本实施例中，由于红外滤光片能够滤除红外光，因此光线中的红外光无法通过第红外滤光片到达传感器的感光面，从而能够有效避免红外光引起的像差，进一步提高拍摄到的图像质量。
下面将以光学系统组包括前述第一透镜至第十一透镜，并且第四透镜与第五透镜之间存在光阑为例，进行示例性说明。
对于该示例，光学系统应当满足以下条件：
0.9＜F前/F后＜1.5；FOV≥110°；(FOV*F)/H≥65；0＜BFL/TTL＜0.15；1.5＜TTL/F＜3；0.005＜D/H/FOV＜0.016。
其中，F前为光学系统的光阑前透镜组(即由第一透镜至第四透镜组成的透镜组)的焦距，F后为光学系统的光阑前透镜组(即由第五透镜至第十一透镜组成的透镜组)的焦距。D为镜头的前段口径，H为最大视场角对应的像素高度，FOV为最大视场角。TTL为镜头的总长度，BFL为镜头的光学后焦，F为光学系统的焦距。
在一种可能的实施例中，光学系统的整体焦距F＝5.45mm，光圈数FNO＝1.0，视场角FOV＝110°
表1为本发明光学系统的一个实施例的具体参数：
表1
其中，一个镜面的面序号为按照从物方至像方的顺序中该镜面的顺位，例如第一透镜的物面的面序号为1，第一透镜的像面的面序号为2，第二透镜的物面的面序号为3，第二透镜的像面的面序号为4，以此类推。
根据上述表1的数据，可以计算得到本实施例中光学系统满足以下条件：
F1＝-10.328mm,F2/F3＝-0.687,F23＝-175mm,F4＝13mm,(nd6-nd7)/(vd6-vd7)＝-0.005。
D0(6)＝-1.07E-005,|L8R2/L8R1|＝1.76,|L10R2/L10R1|＝3.8,|L10R1/L8R2|＝1,F前/F后＝1.02,FOV＝110°,(FOV*F)/H＝68,D/H/FOV＝0.016。
其中，F23为由第二透镜和第三透镜组成的透镜组的焦距。F4为第四透镜的焦距。
如表1所示，作为一组具体的实施例参数，采用这些参数的光学镜头，能够达到较好的光学性能。
该示例中，光学镜头的MTF曲线如图2所示，光学系统的点列图如图3所示，光学系统的垂轴色差曲线如图4所示，光学系统的轴上色差曲线如图5所示。
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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种大光圈大角度高分辨率的光学系统，其特征在于，所述光学系统包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、消色差透镜组以及第十一透镜；
其中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜以及所述第十一透镜的光轴重合；
所述第一透镜设置于所述光学系统中最接近物方的位置；并且所述第一透镜焦距为负，并且所述第一透镜的像面凹球面；
所述第二透镜设置于所述第一透镜的像方上；所述第二透镜焦距为负，并且所述第二透镜的像面和物面为凹球面；
所述第三透镜设置于所述第二透镜的像方上；并且所述第三透镜的焦距为正，并且所述第三透镜的像面为凸球面；
所述第四透镜设置于所述第三透镜的像方上；所述第四透镜的焦距为正，并且所述第四透镜为双凸球面透镜；
所述第五透镜设置于所述第四透镜的像方上；所述第五透镜的焦距为负，并且所述第五透镜为双凹球面透镜；
所述第六透镜设置于所述第五透镜的像方上；所述第六透镜的焦距为正，所述第六透镜为双凸球面透镜；
所述第七透镜设置于所述第六透镜的像方上，所述第七透镜的物面透镜粘合于所述第六透镜的像面；
所述第七透镜的焦距为负，所述第七透镜的物面和像面向像方凸起；
所述第六透镜的折射率与所述第七透镜的阿贝率之间的大小关系，与所述第六透镜的阿贝数与所述第七透镜的折射率之间的大小关系相反；
所述消色差透镜组设置于所述第七透镜的像方上，用于消减穿过所述第七透镜的光的色差；
所述消色差透镜组，包括：第八透镜、第九透镜、第十透镜；
所述第八透镜设置于所述第七透镜的像方上；所述第八透镜的焦距为正，并且所述第八透镜为双凸球面透镜；
所述第九透镜设置于所述第八透镜的像方上；所述第九透镜的焦距为负，并且所述第九透镜为双凹球面透镜；
所述第十透镜设置于所述第九透镜的像方上；所述第十透镜的焦距为正，并且所述第十透镜为双凸球面透镜；
所述第十一透镜设置于所述光学系统中任一其他透镜的像方，并且所述第十一透镜的像面和物面向物方凸起。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第二透镜和所述第三透镜形成的透镜组的焦距大于预设焦距阈值。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜中任一透镜的像面半径大于一点五倍的物面半径，或等于物面半径。
4.根据权利要求1-3任一所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统中各透镜为玻璃材质。
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