CN114746790B - 成像镜头、成像设备及成像系统 - Google Patents

成像镜头、成像设备及成像系统 Download PDF

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CN114746790B CN202080001971.1A CN202080001971A CN114746790B CN 114746790 B CN114746790 B CN 114746790B CN 202080001971 A CN202080001971 A CN 202080001971A CN 114746790 B CN114746790 B CN 114746790B
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Abstract

本公开实施例提供了一种成像镜头(100)、成像设备(L)及成像系统,包括:透镜主体(100),透镜主体(100)包括:沿光线的入射方向依次设置的第一光学表面(11)和第二光学表面(12);第一光学表面(11)包括:环形入光区(111),用于透射入射光线;至少一个第一环形反射区(112),环形入射区(111)包围第一环形反射区(112);第二光学表面(12)包括:出光区(121),用于透射出射光线;至少一个第二环形反射区(122),第二环形反射区(122)包围出光区(121);光线由环形入光区(111)入射至透镜主体(100)内,依次经过各第二环形反射区(122)与各第一环形反射区(112)之间的多次反射,由出光区(121)向透镜主体(100)外出射。

Description

成像镜头、成像设备及成像系统
技术领域
本公开涉及成像技术领域,尤指一种成像镜头、成像设备及成像系统。
背景技术
随着电子技术的发展,便携式电子设备逐步兴起,具有摄像功能的便携式电子产品得到人们更多的青睐。
目前,小型化、轻量化成为便携式电子产品的明显发展趋势。与此同时,应用于电子产品中的成像镜头也需要适应产品小型化的要求。
现阶段应用于电子产品中的成像镜头通常采用透镜组结构,为了适应成像要求,成像镜头的轴向尺寸较大,无法达到小型化、轻薄化的设计要求。
发明内容
本公开实施提供一种成像镜头,包括:
透镜主体,所述透镜主体包括:沿光线的入射方向依次设置的第一光学表面和第二光学表面;
所述第一光学表面包括:
环形入光区,用于透射入射光线;
至少一个第一环形反射区,所述环形入光区包围所述第一环形反射区;
所述第二光学表面包括:
出光区,用于透射出射光线;
至少一个第二环形反射区,所述第二环形反射区包围所述出光区;
光线由所述环形入光区入射至所述透镜主体内,依次经过各所述第二环形反射区与各所述第一环形反射区之间的多次反射,由所述出光区向所述透镜主体外出射。
本公开一些实施例中,所述第一光学表面为曲面,所述第二光学表面为平面。
本公开一些实施例中,所述成像镜头的成像视场为对称视场;
各所述第一环形反射区为中心对称结构,各所述第二环形反射区为中心对称结构;各所述第一环形反射区在所述第二光学表面的正投影的中心点与各所述第二环形反射区的中心点重合。
本公开一些实施例中,所述成像镜头的成像视场为非对称视场;
各所述第一环形反射区为非中心对称结构,各所述第二环形反射区为非中心对称结构。
本公开一些实施例中,所述成像镜头的成像视场角大于或等于10°。
本公开一些实施例中,所述第一光学表面对应于所述第一环形反射区所在的区域内设置有反射镀膜;
所述第二光学表面对应于所述第二环形反射区所在的区域内设置有反射镀膜。
本公开一些实施例中,所述第一环形反射区的数量与所述第二环形反射区的数量相等。
本公开一些实施例中,所述第一环形反射区的数量为1-9个;所述第二环形反射区的数量为1-9个。
本公开一些实施例中,所述环形入光区的内径尺寸与外径尺寸满足以下关系:
0.5≤α≤1;
其中,α表示所述环形入光区的内径尺寸与外径尺寸之比。
本公开一些实施例中,所述成像镜头沿光轴方向的最大厚度小于或等于2mm;
所述成像镜头的沿垂直于光轴方向的最大尺寸小于或等于7mm;
所述成像镜头的焦距小于或等于10mm。
本公开一些实施例中,所述透镜主体的材料采用聚甲基丙烯酸甲酯。
本公开一些实施例中,所述成像镜头的工作波段为可见光波段。
本公开一些实施例中,所述第一光学表面包括一个所述第一环形反射区,所述第二光学表面包括一个所述第二环形反射区。
本公开一些实施例中,所述环形入光区及所述第一环形反射区的面型均满足以下关系:
其中,c表示基球半径;k表示圆锥曲线常数;r表示第一光学表面上所述环形入光区或所述第一环形反射区中任意一点与非球面轴的距离;z表示第一光学表面上所述环形入光区或所述第一环形反射区中任意一点对应的垂直距离,所述垂直距离为第一光学表面上所述环形入光区或所述第一环形反射区中所述任意一点到距离其最近的非球面轴与基球交点位置处基球切面之距离;αi表示系数,n表示正整数;所述非球面轴与所述光轴重合。
本公开一些实施例中,所述环形入光区的面型满足:
k=-0.6040;
α1=0;
α2=0.0054;
α3=-0.0038;
α4=0.0070;
α5=-0.0053;
α6=0.0019;
α7=-0.0003;
所述第一环形反射区的面型满足:
k=7.19;
α1=0;
α2=-0.0207;
α3=0.0235;
α4=-0.1775;
α5=0.5615;
α6=-0.8856;
α7=0.5490。
本公开一些实施例中,所述环形入光区的基球半径为2.00mm;所述第一环形反射面的基球半径为11.21mm;所述环形入光区面型方程上z=0处的点与所述第二光学表面之间的垂直距离a1为1.81mm;所述第一环形反射区面型方程上z=0处的点与所述第二光学表面之间的垂直距离为1.74mm;所述成像镜头沿垂直于光轴方向的最大尺寸为2.8mm;所述成像镜头的焦距为4mm。
本公开实施例还提供一种成像设备,包括:
环形光阑,用于限制光线的入射范围;
上述任一成像镜头,位于所述环形光阑的一侧,用于成像;
光学探测器,位于所述成像镜头背离所述环形光阑一侧,用于接收成像光线。
本公开实施例还提供一种成像系统,包括:多个呈现阵列排布的上述成像设备。
本公开一些实施例中,各所述成像设备的成像视场角各不相同,相邻的所述成像设备的成像视场角相互连续;或者,各所述成像设备的成像视场角相同;或者,各所述成像设备的成像视角不完全相同。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案,下面将对本公开实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面所介绍的附图仅仅是本公开的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例提供的成像镜头的侧视结构示意图之一;
图2为图1中的成像镜头的俯视结构示意图;
图3为本公开实施例提供的成像镜头的侧视结构示意图之二;
图4为本公开实施例提供的成像镜头的光路图;
图5为本公开实施例提供的成像镜头的厚度与焦距的关系示意图之一;
图6为本公开实施例提供的成像镜头的厚度与焦距的关系示意图之二;
图7为本公开实施例提供的成像镜头的厚度与焦距的关系示意图之三;
图8a为本公开实施例提供的成像镜头的侧视结构示意图之三;
图8b为本公开实施例提供的成像镜头的侧视结构示意图之四;
图9为图8a所示的成像镜头的光学传递函数曲线图;
图10为图8a所示的成像镜头的点列图;
图11为图8a所示的成像镜头的场曲图;
图12为图8a所示的成像多头的畸变图;
图13为本公开实施例提供的成像设备的结构示意图;
图14为本公开实施例提供的成像系统的俯视结构示意图。
具体实施方式
为使本公开的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂,下面将结合附图和实施例对本公开做进一步说明。然而,示例实施方式能够以多种形式实施,且不应被理解为限于在此阐述的实施方式;相反,提供这些实施方式使得本公开更全面和完整,并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构,因而将省略对它们的重复描述。本公开中所描述的表达位置与方向的词,均是以附图为例进行的说明,但根据需要也可以做出改变,所做改变均包含在本公开保护范围内。本公开的附图仅用于示意相对位置关系不代表真实比例。
光学镜头是成像系统中必不可少的部件,光学镜头是利用光的反射定律和折射定律设置的一种对光线具有偏折作用的光学器件。
随着电子设备的普及,应用于移动电子设备中的成像技术得到了迅速的发展和进步。目前,小型化、轻量化成为便携式电子产品的明显发展趋势。与此同时,应用于电子产品中的成像镜头也需要适应产品小型化的要求。
为了优化光学系统的成像,成像镜头通常包括多个镜片和一个镜筒,各镜片被独立地被安装在镜筒中的预定位置,镜片之间的位置关系固定。然而在制作过程中每个镜片都是单独制作的,制作完成之后再将镜片进行组装,以便于在各镜片之间形成预定的光路。
镜片在安装过程中必然会带入公差,使得安装结束需要对镜头进行调整。多个镜片构成的镜头在轴向尺寸较大,对于达到小型化、轻薄化的要求,也增加了设计难度。
图1为本公开实施例提供的成像镜头的侧视结构示意图之一。
参照图1,本公开实施例提供的成像镜头仅包括一个镜片。该镜片包括一个透镜主体100。该透镜主体100可以采用光学塑料,如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等材料进行制作。该透镜主体100可以采用注塑工艺一次性加工生成。
本公开实施例提供的上述成像镜头的工作波段为可见光波段。该成像镜头可以应用于数码相机、手机等小型便携式设备。
透镜主体100包括:沿光线的入射方向依次设置的第一光学表面11和第二光学表面12。
在本公开实施例中,第一光学表面11和第二光学表面12的外轮廓均可以采用圆形。
图2为本公开实施例提供的第一光学表面的俯视结构示意图。
参照图1和图2,第一光学表面11包括:环形入光区111和至少一个第一环形反射区112。
环形入光区111位于第一光学表面11的最外侧,用于透射入射光线。
环形入光区111包围第一环形反射区112,当第一光学表面11包括多个第一环形反射区112时,各第一环形反射区112的环形孔径可各不相同,且各第一环形反射区112相互嵌套设置。第二光学表面12与第一光学表面11相对设置,第二光学表面12包括:出光区121和至少一个第二环形反射区122。
出光区121位于第二光学表面12的中心位置,用于透射出射光线。
第二环形反射区122包围出光区121,当第二光学表面12包括多个第二环形反射区122时,各第二环形反射区122的环形孔径可各不相同,且各第二环形反射区122相互嵌套设置。
参照图1所示的光路,本公开实施例提供的上述成像镜头,光线由环形入光区111入射至透镜主体100内,依次经过各第二环形反射区122与各第一环形反射区112之间的多次反射,最终由出光区121向透镜主体外出射。
本公开实施例提供的上述成像镜头仅采用一片透镜,可以简化加工程序,并且可以降低镜头组装的复杂程度。成像镜头利用多次反射折返光路,可以减小光学系统的光学长度,由此可以明显减小成像镜头的轴向尺寸,使得成像镜头具有超薄、结构简单紧凑的特点。
参照图1,在本公开实施例提供的上述成像镜头中,第一光学表面11为曲面,第二光学表面12为平面。
将成像镜头的一个光学表面设置成平面,可以大大降低加工难度,将另一个光学表面设置为曲面,结合第一光学表面11与第二光学表面12之间反射,可以适应成像镜头的成像要求。
参照图1,本公开实施例采用镀膜的方式使第一光学表面11以及第二光学表面12的设定区域具有反射性质。具体来说,可以在第一光学表面11的外侧对应于第一环形反射区112所在的区域内设置反射镀膜;在第二光学表面12的外侧对应于第二环形反射区122所在的区域内设置反射镀膜。
本公开实施例提供的上述成像镜头中,第一光学表面11的环形入光区111被配置为接收入射光线,第二光学表面12的第二环形反射区122被配置为接收入射光线并向第一光学表面11的第一环形反射区112反射;第一光学表面11的第一环形反射区112被配置为接收来自第二环形反射区122的反射光线,并向第二光学表面12的出光区121反射。由此,光线由环形入射区111入射到透镜主体内部,而后入射到第二环形反射区122上,由第二环形反射区122对光线进行反射,将光线反射到第一环形反射区112上,由第一环形反射区112再对光线再进行反射,反射光线最终向出光区121入射。
可选的,如图1所示,本公开实施例中的成像镜头的成像视场可以为对称视场,此时,第一光学表面11上的环形入光区111可以设置为中心对称结构,环形入光面111具体可以设置为圆环结构。
环形入光区111所包围的各第一环形反射区112也可以设置为中心对称结构,各第一环形反射区112在第二光学表面12上的正投影为由中心到边缘依次扩张构成同心环结构。
环形入光区111与第一环形反射区112为同心环。环形入光区111的光轴与各第一环形反射区112的光轴重合。
同样地,第二光学表面12上的出光区121可以设置为中心对称结构,出光面121具体可以设置为圆形结构。
包围出光区121的各第二环形反射区122也可以设置为中心对称结构,各第二环形反射区122为由中心到边缘依次扩张构成的为同心环结构。
各第二环形反射区122的光轴与出光区121的光轴重合。
图3为本公开实施例提供的成像镜头的侧视结构示意图之二。
参照图3,可选地,本公开实施例中的成像镜头的成像视场也可以为非对称视场,此时,第一光学表面11上的环形入光区111为非中心对称结构,各第一环形反射区112为非中心对称结构,各第一环形反射区112在第二光学表面12上的正投影为非中心对称结构。
第二光学表面12上的各所述第二环形反射区为非中心对称结构。
在实际应用过程中,具有对称的成像视场的成像镜头与具有非对称的成像视场的成像镜头可以相互拼接联用,以达到视场拼接实现更大成像视场的效果。
本公开实施例在进行光学设计时,成像镜头的视场角范围可以大于或等于10°。例如,具有对称成像视场的成像镜头的视场角可为-5°-5°;而具有非对称成像视场的成像镜头的视场角可为5°-15°。除此之外,成像镜头还可以具有更大范围的成像视场,在此不做具体限定。
本公开实施例以成像镜头的第一光学表面包括两个第一环形反射区,第二光学表面包括两个第二环形反射区为例,对本公开实施例提供的成像镜头的光路折反过程进行具体说明。
图4为本公开实施例提供的成像镜头的光路示意图。
参照图4,第一光学表面11包括:环形入光区111、环形入光区111包围的两个第一环形反射区(112a和112b);第二光学表面12包括:出光区121,包围出光区121的两个第二环形反射区(122a和122b)。
光线由环形入光区111入射到透镜内部后向第二环形反射区122a入射,第二环形反射区122a将入射光线向第一环形反射区112a反射;第一环形反射区112a接收第二环形反射区122a的反射光线,并将光线向第二环形反射区122b反射;第二环形反射区122b接收第一环形反射区112a的反射光线,并将光线向第一环形反射区112b反射;第一环形反射区112b接收第二环形反射区122b的反射光线,并将光线向出光区121反射,最终光线由出光区121向透射外出射。
由此可以看出,在本公开实施例中,第一光学表面11包括的第一环形反射区112的数量与第二光学表面12包括的第二环形反射区122的数量相等。这样可以保证,光线在入射到透镜主体内时第一次反射是经过第二光学表面的第二环形反射区反射,而最后一次反射经过第一光学表面的第一环形反射面反射,由此可以使光线最终由第二光学表面12的出光面121向外出射。
在本公开实施例中,沿着透镜主体由边缘到中心的顺序,一个第一环形反射区112对应一个第二环形反射区122,第二环形反射区122会将入射的光线反射至对应的第一环形反射区112。
图5-图7为本公开实施例提供的成像镜头的厚度与焦距的关系示意图。
参照图5,成像镜头采用透射光路,成像镜头采用的介质材料为光学塑料时,假设其折射率为1.5,其厚度为s1=nf。其中,n表示成像镜头采用的材料的折射率,f表示成像镜头的焦距。
参照图6,当成像镜头采用反射光路,成像镜头采用的介质材料仍为光学塑料时,在焦距不变的情况下,成像镜头的光路经过一次折反,成像镜头的厚度s2得以减小。对比图5和图6可以看出:s2=s1/2。
参照图7,当成像镜头采用反射光路,成像镜头采用的介质材料仍为光学塑料时,在焦距不变的情况下,成像镜头的光路经过两次折反,成像镜头的厚度s3进一步减小。对比图6和图7可以看出:s3=s2/2。
由此可见,当成像镜头采用反射光路,且光路在成像镜头内折反的次数越多时,在焦距不变以情况下,成像镜头的轴向尺寸,即成像镜头的厚度越小。
在本公开实施例中,成像镜头的厚度与折反次数满足以下关系:
其中,s表示成像镜头沿光轴的厚度,f表示成像镜头的焦距,n表示成像镜头采用材料的折射率,N表示光线在成像镜头内的反射次数。
根据上述公式,结合实际应用中成像镜头的厚度的设计,可以计算出光线在成像镜头中的反射次数,从而对成像镜头的面型进行优化设计。
在本公开实施例中,光线依次经过一个第二环形反射区反射和一个第一环形反射区的反射过程为经过一次折反。
可选的,在本公开实施例中,成像镜头沿光轴的最大厚度小于或等于2mm,成像镜头的焦距小于或等于10mm,成像镜头垂直于光轴方向的最大尺寸小于或等于7mm。根据上述要求,结合上述公式可以决定光线在成像镜头内的折反次数,由此确定第一光学表面包括的第一环形反射区121的数量,以及第二光学表面包括的第二环形反射区122的数量。
将成像镜头的轴向尺寸、径向尺寸设置为上述范围之内,可以符合成像镜头小型化、轻量化的设计要求。根据成像镜头满足的焦距与厚度之间的关系,可以将第一光学表面11包括的第一环形反射区121的数量设置为1-9个,将第二光学表面12包括的第二环形反射区122的数量设置为1-9个。
本公开实施例提供的上述成像镜头只有在边缘位置透光,而在中心存在遮拦,即环形入光区111的尺寸影响了成像镜头的透光区域的尺寸,因此,为了保证成像镜头的有效孔径,需要适当地增大环形入光区111的尺寸。
在本公开实施例中,环形入光区111的内径尺寸与外径尺寸满足以下关系:
其中,Deff表示成像镜头的有效孔径,即成像镜头的入光区域的孔径;D表示环形入光区的外径尺寸,α表示成像镜头的遮拦比,即环形入光区的内径尺寸与外径尺寸之比。
环形入光区的内径尺寸与外径尺寸之比α可以直接影响成像的亮度,如果α值过小,则入光量受限,无法保证成像具有较高的亮度以使光学探测器探测到光信号;如果α值过大,则会压缩环形反射面的设置面积,给透镜的设计增加难度。因此在本公开实施例中,将环形入光区的内径尺寸与外径尺寸之比α设置在0.5-1的范围内,可以保证成像镜头的成像满足设计要求。
本公开实施例提供的上述成像镜头采用反射光路的设计,由第二环形反射区与第一环形反射区对入射光线进行多次反射以使光路进行折叠,由此减小整个成像系统的长度,使得成像系统具有超薄、结构紧凑、易于加工等特点。如下,以成像镜头仅包括一个第一环形反射区和一个第二环形反射区为例对本公开实施例提供的成像镜头的设计参数进行具体说明。
图8a和图8b为本公开实施例提供的成像镜头的侧视结构示意图,其中成像镜头光轴在所述截面上。
参照图8a,在本公开实施例提供的成像镜头中,第一光学表面11为曲面,第二光学表面12为平面,第一光学表面11包括一个第一环形反射区112,第二光学表面12包括一个第二环形反射区122。
在对第一光学表面11进行参数优化时,第一光学表面的环形入光区111和第一环形反射区112均可以选择非球面的面形,非球面相对于球面面型来说可以优化的参数更加全面,因此具有更好的成像质量。
在具体实施时,可以将环形入光区111以及第一环形反射区112设计奇次非球面、偶次非球面或自由曲面中的任意一种。奇次非球面为非对称非球面,偶次非球面为对称非球面,考虑到加工难度,本发明实施例可以将环形入光区111以及第一环形反射区112设计为偶次非球面。
具体地,环形入光区111以及第一环形反射区112的面型均满足以下关系:
其中,c表示基球半径;k表示圆锥曲线常数;r表示第一光学表面11上环形入光区111或第一环形反射区112中任意一点与非球面轴的距离;z表示第一光学表面11上环形入光区111或第一环形反射区112中任意一点对应的垂直距离,所述垂直距离为第一光学表面11上环形入光区111或第一环形反射区112中所述任意一点到距离其最近的非球面轴与基球交点位置处基球切面之距离;αi表示系数,n表示正整数;非球面轴与成像镜头光轴重合。z随r的变化关系表示了环形入光面的面型方程。图8b示出了第一光学表面11上环形入光区111中的任意一点A到r轴和z轴的距离分别为r1和z1;其中r轴与非球面轴重合,也与成像镜头光轴重合;z轴和非球面轴与基球交点位置处基球切面在截面上的投影重合。
k的取值可以影响到光学表面的面型,αi为高阶项的系数,高阶项的数量越多(即n的取值越大),则设计越精细,在进行光学设计时,可以通过增加高阶项的数量来优化环形入光区111以及第一环形反射区112的成像质量。
当环形入光区111的面型满足上式时,各参数的取值如下:
k=-0.6040;
α1=0;
α2=0.0054;
α3=-0.0038;
α4=0.0070;
α5=-0.0053;
α6=0.0019;
α7=-0.0003。
当第一环形反射区112的面型满足上式时,各参数的取值如下:
k=7.19;
α1=0;
α2=-0.0207;
α3=0.0235;
α4=-0.1775;
α5=0.5615;
α6=-0.8856;
α7=0.5490。
由此可见,环形入光区111和第一环形反射区112的面型并不相同,上述曲面的各参数可以综合考虑场曲、畸变以及光学传递函数等方面的表现来进行优化。
在进行光学设计时,环形入光区111和第一环形反射区112也可以选用奇次非球面或自由曲面,本公开实施例仅以偶次非球面的实施方案进行举例说明,并不对环形入光区111和第一环形反射区112的具体面型进行限制。当环形入光区111和第一环形反射区112选用其它类型的面型时,对应的参数应当重新设置。
参照图8a,本公开实施例提供的成像镜头经过参数优化之后,环形入光区111的基球半径为2.00mm,环形入光区111面型方程上z=0处的点与第二光学表面12之间的垂直距离a1为1.81mm;第一环形反射面112的基球半径为11.21mm,第一环形反射区112面型方程上z=0处的点与第二光学表面12之间的垂直距离a2为1.74mm;第二光学表面12为平面。
本公开实施例提供的成像镜头经过参数优化之后,成像镜头沿垂直于光轴方向的最大尺寸为2.8mm,成像镜头的焦距为4mm。
由此可以满足成像镜头超薄、小型化的设计要求。
本公开实施例还对图8a所示的成像镜头的成像表现进行检测。
图9为图8a所示的成像镜头的光学传递函数曲线图,其中,横坐标表示空间频率,纵坐标表示调制传递函数(Modulation Transfer Function,简称MTF)值,MTF值是反应光学系统的重要参数。
图9中位于最上方的两条曲线(F1:Y Diff Lim,F1:X Diff Lim)分别表示弧知方向和子午方向对应的衍射极限曲线,其中,X表示子午方向,Y表示弧知方向。图中用箭头示出了衍射极限曲线F1:Y Diff Lim,F1:X Diff Lim可以看到,F1:Y Diff Lim,F1:X DiffLim曲线基本重合。图9中的其他不同的曲线Fn所对应的数值表示在子午方向或弧矢方向的视场角,图9示出了不同视场角下的MTF曲线,在不同的视场角下,MTF值越接近衍射极限曲线表示成像系统的成像效果越好。
由图9中可以看出,本公开实施例提供的成像镜头无论在子午方向还是弧矢方向上,各视场角下的MTF曲线接近于衍射极限,因此具有较佳的成像表现。
图10为图8a所示的成像镜头的点列图。图10中左侧的数值表示在X和Y两个方向上的视场角。例如,1.00,1.00代表在X和Y两个方向的全视场5°和5°;1.00,0.00代表在X和Y两个方向的全视场5°和0°;0.20,0.00代表在X和Y两个方向的全视场1°和0°,以此类推。图10中右侧的R的数值代表点列图中光斑的均方根半径,即体现出点斑大小,单位为毫米。
图10示出了在不同的视场位置下成像光斑的尺寸。如图10所示,本公开实施例提供的成像镜头在不同视场角下的成像光斑的均方根半径较小,均小于光学探测器的像素尺寸,因此具有较佳的成像表现。
图11为图8a所示的成像镜头的场曲图,其中,横坐标表示场曲量,纵坐标表示视场角。成像镜头在各视场角下的场曲量越接近0说明成像效果越好。图11所示的场曲图中示出了弧矢方向和子午方向的场曲量,其中,虚线表示弧矢方向的场曲量,实线表示子午方向的场曲量。如图11所示,本公开实施例提供的成像镜头的场曲量小于0.1%,场曲量较小,具有较佳的成像效果。
图12为图8a所示的成像镜头的畸变图,其中,横坐标表示畸变量,纵坐标表示视场角。成像镜头在各视场角下的场曲量越接近0说明成像效果越好。如图12所示,本公开实施例提供的成像镜头的畸变量小于0.5%,畸变量较小,畸变量较小,成像效果佳。
基于同一发明构思,本公开实施例还提供了一种成像设备。图13为本公开实施例提供的成像设备的结构示意图。
参照图13,本公开实施例提供的成像设备包括:环形光阑200、上述任一成像镜头100以及光学探测器300。
环形光阑200,位于成像镜头100的入光一侧,用于限制光线的入射范围。环形光阑200与成像镜头100之间相跟设定距离。
成像镜头100,位于环形光阑200的一侧,光线经过环形光阑200之后向成像镜头100入射。成像镜头100的结构可以参见上述实施例,在此不做赘述。
光学探测器300,位于成像镜头100背离环形光阑200一侧,用于接收成像光线。光学探测器300可以设置在成像镜头100的出光面的表面,这样经过成像镜头100的光线可以直接入射到光学探测器300中。
上述成像设备解决问题的原理与上述成像镜头相似,因此该成像设备的实施可以参见上述成像镜头的实施,重复之处不再赘述。
本公开实施例还提供一种成像系统,图14为本公开实施例提供的成像系统的俯视结构示意图。
参照图14,本公开实施例提供的成像系统包括:多个呈现阵列排布的成像设备L。由多个成像设备L按照设定的规则进行排列形成成像系统,成像系统中的每个成像设备L中的成像镜头均利用多次反射折返光路,具有较小的轴向尺寸,使得成像镜头具有超薄、结构简单紧凑的特点。因此,本发明实施例提供的成像系统具有超薄、结构简单紧凑的特点。
可选地,成像系统中各成像设备L的成像视场角各不相同,相邻的成像设备的成像视场角相互连续。
举例来说,成像系统中的各成像设备L的成像视场范围均大于或等于10°,位于成像系统中心位置的成像设备的成像视场为-5°-5°;与该成像设备相邻的成像设备的成像视场为5°-15°。那么,将上述两个成像设备并排排列之后,成像系统的成像视场得以拼接,得到-5°-15°的视场范围。
以此类推,将位于成像系统中心位置的成像设备称之为L0,将与成像设备L0相邻的成像设备称之为L1,则成像设备L0具有对称成像视场,而与其相邻的各成像设备L1的视场与成像设备L0的视场相互连续,由此,通过设置多个成像设备,可以扩大成像系统的视场范围,最终得到的视场拼接后的大视场成像系统。
可选的,成像系统中各成像设备L的成像视角相同。在这种情况下,成像系统可以用于光场采集。
可选的,成像系统中各成像设备L的成像视角不完全相同。即:各成像设备L中有至少2个具有相同的成像视角,且各成像设备L中至少2个成像视角不同。在这种情况下,成像系统在用于光场采集的同时,又可以起到增大成像视角的作用。
可选的,成像系统中的所述多个成像设备L呈矩阵排布。
本公开实施例提供一种成像镜头、成像设备及成像系统。成像镜头包括:透镜主体,透镜主体包括:沿光线的入射方向依次设置的第一光学表面和第二光学表面;第一光学表面包括:环形入光区,用于透射入射光线;至少一个第一环形反射区,环形入光区包围第一环形反射区;第二光学表面包括:出光区,用于透射出射光线;至少一个第二环形反射区,第二环形反射区包围出光区;光线由环形入光面入射至透镜主体内,依次经过各第二环形反射面与各第一环形反射面之间的多次反射,由出光面向透镜主体外出射。
本公开实施例提供的上述成像镜头、成像设备及成像系统中成像镜头仅采用一片透镜,可以简化加工程序,并且可以降低镜头组装的复杂程度。利用多次反射折返光路,可以减小光学系统的光学长度,由此可以明显减小成像镜头的轴向尺寸,使得成像镜头具有超薄、结构简单紧凑的特点。
尽管已描述了本公开的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本公开范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本公开实施例进行各种改动和变型而不脱离本公开实施例的精神和范围。这样,倘若本公开实施例的这些修改和变型属于本公开权利要求及其等同技术的范围之内,则本公开也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种成像系统,其中,包括:多个呈现阵列排布的成像设备;各所述成像设备的成像视场角各不相同,相邻的所述成像设备的成像视场角相互连续;
所述成像设备包括:
环形光阑,用于限制光线的入射范围;
成像镜头,位于所述环形光阑的一侧,用于成像;
光学探测器,位于所述成像镜头背离所述环形光阑一侧,用于接收成像光线;
其中,所述成像镜头包括:透镜主体,所述透镜主体包括:沿光线的入射方向依次设置的第一光学表面和第二光学表面;所述第一光学表面为曲面,所述第二光学表面为平面;
所述第一光学表面包括:
环形入光区,用于透射入射光线;
多个第一环形反射区,所述环形入光区包围所述第一环形反射区;
所述第二光学表面包括:
出光区,用于透射出射光线;
多个第二环形反射区,所述第二环形反射区包围所述出光区;
光线由所述环形入光区入射至所述透镜主体内,依次经过各所述第二环形反射区与各所述第一环形反射区之间的多次反射,由所述出光区向所述透镜主体外出射。
2.如权利要求1所述的成像系统,其中,所述成像镜头的成像视场为对称视场;
所述环形入射区为中心对称结构,各所述第一环形反射区为中心对称结构,各所述第二环形反射区为中心对称结构;各所述第一环形反射区在所述第二光学表面的正投影的中心点与各所述第二环形反射区的中心点重合。
3.如权利要求1所述的成像系统,其中,所述成像镜头的成像视场为非对称视场;
所述环形入射区为非中心对称结构,各所述第一环形反射区为非中心对称结构,各所述第二环形反射区为非中心对称结构。
4.如权利要求1所述的成像系统,其中,所述成像镜头的成像视场角大于或等于10°。
5.如权利要求1所述的成像系统,其中,所述第一光学表面对应于所述第一环形反射区所在的区域内设置有反射镀膜;
所述第二光学表面对应于所述第二环形反射区所在的区域内设置有反射镀膜。
6.如权利要求1所述的成像系统,其中,所述第一环形反射区的数量与所述第二环形反射区的数量相等。
7.如权利要求6所述的成像系统,其中,所述第一环形反射区的数量为2-9个;所述第二环形反射区的数量为2-9个。
8.如权利要求1所述的成像系统,其中,所述环形入光区的内径尺寸与外径尺寸满足以下关系:
0.5≤α≤1;
其中,α表示所述环形入光区的内径尺寸与外径尺寸之比。
9.如权利要求1-8任一项所述的成像系统,其中,所述成像镜头沿光轴方向的最大厚度小于或等于2mm;
所述成像系统的沿垂直于光轴方向的最大尺寸小于或等于7mm;
所述成像系统的焦距小于或等于10mm。
10.如权利要求1-8任一项所述的成像系统,其中,所述透镜主体的材料采用聚甲基丙烯酸甲酯。
11.如权利要求1-8任一项所述的成像系统,其中,所述成像镜头的工作波段为可见光波段。
12.如权利要求1-8任一项所述的成像系统,其中,所述环形入光区及所述第一环形反射区的面型均满足以下面型方程:
其中,c表示基球半径;k表示圆锥曲线常数;r表示第一光学表面上所述环形入光区或所述第一环形反射区中任意一点与非球面轴的距离;z表示第一光学表面上所述环形入光区或所述第一环形反射区中任意一点对应的垂直距离,所述垂直距离为第一光学表面上所述环形入光区或所述第一环形反射区中所述任意一点到距离其最近的非球面轴与基球交点位置处基球切面之距离;αi表示系数,n表示正整数;
所述非球面轴与光轴重合。
13.如权利要求12所述的成像系统,其中,所述环形入光区的面型满足:
k=-0.6040;
α1=0;
α2=0.0054;
α3=-0.0038;
α4=0.0070;
α5=-0.0053;
α6=0.0019;
α7=-0.0003;
所述第一环形反射区的面型满足:
k=7.19;
α1=0;
α2=-0.0207;
α3=0.0235;
α4=-0.1775;
α5=0.5615;
α6=-0.8856;
α7=0.5490。
14.如权利要求13所述的成像系统,其中,所述环形入光区的基球半径为2.00mm;所述第一环形反射区的基球半径为11.21mm;
所述环形入光区面型方程上z=0处的点与所述第二光学表面之间的垂直距离a1为1.81mm;所述第一环形反射区面型方程上z=0处的点与所述第二光学表面之间的垂直距离为1.74mm;所述成像镜头沿垂直于光轴方向的最大尺寸为2.8mm;
所述成像镜头的焦距为4mm。
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