CN115079386B - 光学镜头及成像设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学镜头及成像设备，该光学镜头沿光轴从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，其物侧面为凸面、像侧面为凹面；光阑；具有正光焦度的第二透镜，其物侧面为凸面；具有正光焦度的第三透镜，其物侧面为凸面、像侧面为凹面；具有光焦度的第四透镜，其物侧面在近光轴处为凸面、像侧面在近光轴处为凹面；具有正光焦度的第五透镜，其物侧面在近光轴处为凸面、像侧面在近光轴处为凸面。该光学镜头具有小型化、广视场角、高像素的优点。

Description

光学镜头及成像设备
技术领域
本发明涉及成像镜头技术领域，特别是涉及一种光学镜头及成像设备。
背景技术
近年来，无人机技术发展迅速，其在民用以及军用等领域均获得了广泛的应用。与此同时，人们对于无人机镜头的摄像性能要求也越来越高。
鉴于无人机本身的承重特性，要求所搭载的光学镜头具有小型化特征。现有无人机镜头虽然已经具有良好的光学性能，但是无法较好地均衡小型化与广角拍摄的要求，且存在镜头结构冗长、加工困难等问题。基于此，开发出一种兼具小型化与广角的光学镜头成为必需。
发明内容
为此，本发明的目的在于提供一种光学镜头及成像设备，至少具有小型化、广角的优点。
本发明通过以下技术方案实现上述发明目的。
第一方面，本发明提供了一种光学镜头，沿光轴从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面为凸面，所述第一透镜的像侧面为凹面；光阑；具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凸面；具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面为凸面，所述第三透镜的像侧面为凹面；具有光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面在近光轴处为凸面，所述第四透镜的像侧面在近光轴处为凹面；具有正光焦度的第五透镜，所述第五透镜的物侧面在近光轴处为凸面，所述第五透镜的像侧面在近光轴处为凸面。
第二方面，本发明提供一种成像设备，包括成像元件及第一方面提供的光学镜头，成像元件用于将光学镜头形成的光学图像转换为电信号。
相较现有技术，本发明提供的光学镜头及成像设备，采用五片具有特定光焦度的镜片，并且采用特定的表面形状搭配和合理的光焦度分配，在满足广阔拍摄视角的同时结构更加紧凑，从而较好地实现了镜头小型化与广角的均衡。
附图说明
图1为本发明第一实施例的光学镜头的结构示意图。
图2为本发明第一实施例的光学镜头的场曲曲线图。
图3为本发明第一实施例的光学镜头的f-theta畸变曲线图。
图4为本发明第一实施例的光学镜头的垂轴色差曲线图。
图5为本发明第二实施例的光学镜头的结构示意图。
图6为本发明第二实施例的光学镜头的场曲曲线图。
图7为本发明第二实施例的光学镜头的f-theta畸变曲线图。
图8为本发明第二实施例的光学镜头的垂轴色差曲线图。
图9为本发明第三实施例的光学镜头的结构示意图。
图10为本发明第三实施例的光学镜头的场曲曲线图。
图11为本发明第三实施例的光学镜头的f-theta畸变曲线图。
图12为本发明第三实施例的光学镜头的垂轴色差曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。
本发明提出一种光学镜头，沿光轴从物侧到成像面依次包括：第一透镜，光阑，第二透镜，第三透镜，第四透镜，第五透镜，滤光片。
其中，第一透镜具有负光焦度，第一透镜的物侧面为凸面，第一透镜的像侧面为凹面；第二透镜具有正光焦度，第二透镜的物侧面为凸面；第三透镜具有正光焦度，第三透镜的物侧面为凸面，第三透镜的像侧面为凹面；第四透镜具有光焦度，第四透镜的物侧面在近光轴处为凸面，第四透镜的像侧面在近光轴处为凹面；第五透镜具有正光焦度，第五透镜的物侧面在近光轴处为凸面，第五透镜的像侧面在近光轴处为凸面。
本发明提供的光学镜头，采用五片具有特定光焦度的镜片，并且采用特定的表面形状搭配和合理的光焦度分配，在满足广阔拍摄视角的同时结构更加紧凑，从而较好地实现了镜头小型化与广角的均衡。
在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：
3.3<TTL/DM11<3.5；（1）
HFOV>70°；（2）
其中，TTL表示所述光学镜头的光学总长，DM11表示所述第一透镜物侧面的有效半口径，HFOV表示所述光学镜头的最大半视场角。满足上述条件式（1）和（2）时，能够合理控制第一透镜的有效口径，有利于缩小镜头头部尺寸与镜头总长，实现光学镜头的小型化与广角拍摄的均衡。
在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：
4.0mm<f*tan（HFOV）<9.0mm；（3）
其中，f表示所述光学镜头的有效焦距，HFOV表示所述光学镜头的最大半视场角。满足上述条件式（3）时，能够合理控制光学镜头的有效焦距和视场角度，有利于实现光学镜头小型化与广角的均衡。
在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：
0.24<R11/R21<0.33；（4）
其中，R11表示所述第一透镜物侧面的曲率半径，R21表示所述第二透镜物侧面的曲率半径。满足上述条件式（4）时，能够合理控制第一透镜物侧面与第二透镜物侧面的曲率半径搭配，有利于光学镜头较好地实现光线偏折。
在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：
6.0<(R21-R22)/(R21+R22)<10.5；（5）
其中，R21表示所述第二透镜物侧面的曲率半径，R22表示所述第二透镜像侧面的曲率半径。满足上述条件式（5）时，能够合理控制第二透镜的面型，有利于降低镜片成型与镜头组装的难度，提升光学镜头的生产良率。
在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：
0.08<CT3/TTL <0.15；（6）
其中，CT3表示所述第三透镜的中心厚度，TTL表示所述光学镜头的光学总长。满足上述条件式（6）时，能够合理控制第三透镜的厚度，有利于实现镜头的小型化。
在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：
5.0<SAG31/SAG32<15.5；（7）
其中，SAG31表示所述第三透镜物侧面与光轴的交点至所述第三透镜物侧面的最大有效半口径顶点的轴上距离，SAG32表示所述第三透镜像侧面与光轴的交点至所述第三透镜像侧面的最大有效半口径顶点的轴上距离。满足上述条件式（7）时，能够合理控制第三透镜的面型，有利于减小光学镜头的敏感度，提高光学镜头的生产良率。
在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：
2.5mm-1<CT3/CT4/T34<5.5mm-1；（8）
其中，CT3表示所述第三透镜的中心厚度，CT4表示所述第四透镜的中心厚度，T34表示所述第三透镜像侧面至所述第四透镜物侧面在光轴上的空气间距。满足上述条件式（8）时，能够合理控制第三透镜与第四透镜的厚度以及两镜片之间的距离，使镜头结构更加紧凑，有利于实现镜头的小型化。
在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：
-3.1<(SAG41+SAG42)/(SAG41-SAG42)<-1.9；（9）
其中，SAG41表示所述第四透镜物侧面与光轴的交点至所述第四透镜物侧面的最大有效半口径顶点的轴上距离，SAG42表示所述第四透镜像侧面与光轴的交点至所述第四透镜像侧面的最大有效半口径顶点的轴上距离。满足上述条件式（9）时，能够合理分配矢高，控制第四透镜的面型，有利于校正光学镜头的像差与畸变。
在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：
0.13<(SAG41-SAG42)/DM41<0.18；（10）
其中，SAG41表示所述第四透镜物侧面与光轴的交点至所述第四透镜物侧面的最大有效半口径顶点的轴上距离，SAG42表示所述第四透镜像侧面与光轴的交点至所述第四透镜像侧面的最大有效半口径顶点的轴上距离，DM41表示所述第四透镜物侧面的有效半口径。满足上述条件式（10）时，能够合理控制光线经过第四透镜时的转折程度，有利于在校正高级像差的同时尽量实现第四透镜的薄型化。
在一些实施方式中，所述光学镜头满足以下条件式：
1.0<f5/f<1.3；（11）
-1.5<R51/R52<-0.8；（12）
其中，f5表示所述第五透镜的有效焦距，f表示所述光学镜头的有效焦距，R51表示所述第五透镜物侧面的曲率半径，R52表示所述第五透镜像侧面的曲率半径。满足上述条件式（11）和（12）时，能够合理控制第五透镜的焦距占比，以及第五透镜的物侧面与像侧面的曲率半径搭配，减缓光线的转折趋势，有利于在校正像差的同时缩短光学镜头的总长，实现镜头的小型化。
在一些实施方式中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜均为非球面镜片，通过采用非球面镜片，可以有效降低成本、修正像差，提供更高性价比的光学性能产品。
下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在各个实施例中，光学镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径、材料选择部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。下述实施例仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不仅仅受下述实施例的限制，其他的任何未背离本发明创新点所作的改变、替代、组合或简化，都应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
在本发明各个实施例中，各个透镜的非球面面型均满足如下方程式：
Figure 190060DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为表面的近轴曲率，k为二次曲面系数，A2i为第2i阶的非球面面型系数。
第一实施例
如图1所示，为本发明第一实施例提供的光学镜头100的结构示意图，该光学镜头100沿光轴从物侧到成像面S13依次包括：第一透镜L1，光阑ST，第二透镜L2，第三透镜L3，第四透镜L4，第五透镜L5，滤光片G1。
其中，第一透镜L1具有负光焦度，第一透镜的物侧面S1为凸面，第一透镜的像侧面S2为凹面；第二透镜L2具有正光焦度，第二透镜的物侧面S3为凸面，第二透镜的像侧面S4在近光轴处为凸面；第三透镜L3具有正光焦度，第三透镜的物侧面S5为凸面，第三透镜的像侧面S6为凹面；第四透镜L4具有负光焦度，第四透镜的物侧面S7在近光轴处为凸面，第四透镜的像侧面S8在近光轴处为凹面；第五透镜L5具有正光焦度，第五透镜的物侧面S9在近光轴处为凸面，第五透镜的像侧面S10在近光轴处为凸面；滤光片G1的物侧面为S11、像侧面为S12。
具体的，本发明第一实施例提供的光学镜头100中各个镜片的相关参数如表1所示，其中R代表曲率半径（单位：毫米），d代表光学表面间距（单位：毫米），Nd代表材料的折射率，Vd代表材料的阿贝数。
表1
Figure 451408DEST_PATH_IMAGE002
本实施例中的光学镜头100的各非球面的面型系数如表2所示。
表2
Figure 762304DEST_PATH_IMAGE003
在本实施例中，光学镜头100的场曲曲线图、光学畸变曲线图和垂轴色差曲线图分别如图2、图3和图4所示。
图2的场曲曲线表示子午像面和弧矢像面的弯曲程度。其中，图2中横轴表示偏移量（单位：毫米），纵轴表示视场角（单位：度）。从图2中可看出两个方向像面的场曲控制在±0.15mm以内，说明光学镜头100的场曲校正良好。
图3的畸变曲线表示成像面上不同像高处的f-theta畸变。其中，图3中横轴表示f-theta畸变百分比，纵轴表示视场角（单位：度）。从图中可以看出光学畸变控制在±4.7%以内，说明光学镜头100的畸变得到良好的校正。
图4的垂轴色差曲线表示各波长相对于中心波长（0.940um）在成像面上不同像高处的色差。其中，图4中横轴表示各波长相对中心波长的垂轴色差值（单位：微米），纵轴表示归一化视场角。从图4中可以看出，最长波长与最短波长的垂轴色差控制在±2.9 um以内，说明该光学镜头100的色差被良好地校正。
第二实施例
本实施例提供的光学镜头200的结构示意图请参阅图5，本实施例中的光学镜头200的结构与第一实施例中的光学镜头100的结构基本相同。
本实施例提供的光学镜头200中各个镜片的相关参数如表3所示。
表3
Figure 206448DEST_PATH_IMAGE004
本实施例中的光学镜头200的各非球面的面型系数如表4所示。
表4
Figure 551979DEST_PATH_IMAGE005
在本实施例中，光学镜头200的场曲曲线图、光学畸变曲线图和垂轴色差曲线图分别如图6、图7和图8所示。
图6表示子午像面和弧矢像面的弯曲程度。从图6中可看出，子午像面与弧矢像面的场曲控制在±0.08mm以内，说明光学镜头200的场曲校正良好。
图7表示成像面上不同像高处的f-theta畸变。从图7中可以看出光学畸变控制在±5%以内，说明光学镜头200的畸变得到良好的校正。
图8表示各波长相对于中心波长（0.940um）在成像面上不同像高处的色差。从图8中可以看出，最长波长与最短波长的垂轴色差控制在±2.8um以内，说明该光学镜头200的色差被良好地校正。
第三实施例
本实施例提供的光学镜头300的结构示意图请参阅图9，本实施例中的光学镜头300的结构与第一实施例中的光学镜头100的结构基本相同，不同之处主要在于：第四透镜L4具有正光焦度，以及各透镜面型的曲率半径、非球面系数、厚度有所差异。
本实施例提供的光学镜头300中各个镜片的相关参数如表5所示。
表5
Figure 171179DEST_PATH_IMAGE006
本实施例中的光学镜头300的各非球面的面型系数如表6所示。
表6
Figure 969370DEST_PATH_IMAGE007
在本实施例中，光学镜头300的场曲曲线图、光学畸变曲线图和垂轴色差曲线图分别如图10、图11和图12所示。
图10表示子午像面和弧矢像面的弯曲程度。从图10中可看出子午像面与弧矢像面的场曲控制在±0.23mm以内，说明光学镜头300的场曲校正良好。
图11表示成像面上不同像高处的f-theta畸变。从图11中可以看出光学畸变控制在±7%以内，说明光学镜头300的畸变得到良好的校正。
图12表示各波长相对于中心波长（0.940um）在成像面上不同像高处的色差。从图12中可以看出，最长波长与最短波长的垂轴色差控制在±2.9 um以内，说明该光学镜头300的色差被良好地校正。
表7是上述三个实施例对应的光学特性，主要包括光学镜头的有效焦距f、第一透镜的有效焦距f1、第二透镜的有效焦距f2、第三透镜的有效焦距f3、第四透镜的有效焦距f4、第五透镜的有效焦距f5、光学总长TTL、最大半视场角HFOV，以及与上述每个条件式对应的数值。
表7
Figure 450161DEST_PATH_IMAGE008
综上，本发明实施例提供的光学镜头至少具有以下优点：
（1）由于光阑及各透镜形状设置合理，光焦度分配合理，缩短了镜头总长，更好的均衡了小型化和广角的设计要求，同时减小了镜头加工难度。
（2）采用五片具有特定光焦度的非球面镜片，通过特定的表面形状搭配，较好地校正了镜头的畸变、色差及像差，使得镜头具有较高的成像质量。
第四实施例
本发明第四实施例提供一种成像设备，该成像设备可以包括成像元件和上述任一实施例中的光学镜头（例如光学镜头100）。成像元件可以是CMOS（Complementary MetalOxide Semiconductor，互补性金属氧化物半导体）图像传感器，还可以是CCD（ChargeCoupled Device，电荷耦合器件）图像传感器。
该成像设备可以是智能手机、平板电脑、监控设备、运动相机、无人机以及其它任意一种形态的装载了上述光学镜头的电子设备。
本实施例提供的成像设备包括光学镜头100，由于光学镜头100具有大视场角、高像素、小型化的优点，具有光学镜头100的成像设备也具有大视场角、高像素、小型化的优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种光学镜头，其特征在于，沿光轴从物侧到成像面依次包括：
具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面为凸面，所述第一透镜的像侧面为凹面；
光阑；
具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凸面；
具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面为凸面，所述第三透镜的像侧面为凹面；
具有光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面在近光轴处为凸面，所述第四透镜的像侧面在近光轴处为凹面；
具有正光焦度的第五透镜，所述第五透镜的物侧面在近光轴处为凸面，所述第五透镜的像侧面在近光轴处为凸面；
其中，所述光学镜头满足以下条件式：
1.0<f5/f<1.3；
-1.5<R51/R52<-0.8。
其中，f5表示所述第五透镜的有效焦距，f表示所述光学镜头的有效焦距，R51表示所述第五透镜物侧面的曲率半径，R52表示所述第五透镜像侧面的曲率半径。
2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：
3.3<TTL/DM11<3.5；
HFOV>70°；
其中，TTL表示所述光学镜头的光学总长，DM11表示所述第一透镜物侧面的有效半口径，HFOV表示所述光学镜头的最大半视场角。
3.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：
4.0mm<f*tan(HFOV)<9.0mm；
其中，f表示所述光学镜头的有效焦距，HFOV表示所述光学镜头的最大半视场角。
4.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：
0.24<R11/R21<0.33；
其中，R11表示所述第一透镜物侧面的曲率半径，R21表示所述第二透镜物侧面的曲率半径。
5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：
6.0<(R21-R22)/(R21+R22)<10.5；
其中，R21表示所述第二透镜物侧面的曲率半径，R22表示所述第二透镜像侧面的曲率半径。
6.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：
0.08<CT3/TTL<0.15；
其中，CT3表示所述第三透镜的中心厚度，TTL表示所述光学镜头的光学总长。
7.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：
5.0<SAG31/SAG32<15.5；
其中，SAG31表示所述第三透镜物侧面与光轴的交点至所述第三透镜物侧面的最大有效半口径顶点的轴上距离，SAG32表示所述第三透镜像侧面与光轴的交点至所述第三透镜像侧面的最大有效半口径顶点的轴上距离。
8.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：
2.5mm-1<CT3/CT4/T34<5.5mm-1；
其中，CT3表示所述第三透镜的中心厚度，CT4表示所述第四透镜的中心厚度，T34表示所述第三透镜像侧面至所述第四透镜物侧面在光轴上的空气间距。
9.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：
-3.1<(SAG41+SAG42)/(SAG41-SAG42)<-1.9；
其中，SAG41表示所述第四透镜物侧面与光轴的交点至所述第四透镜物侧面的最大有效半口径顶点的轴上距离，SAG42表示所述第四透镜像侧面与光轴的交点至所述第四透镜像侧面的最大有效半口径顶点的轴上距离。
10.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：
0.13<(SAG41-SAG42)/DM41<0.18；
其中，SAG41表示所述第四透镜物侧面与光轴的交点至所述第四透镜物侧面的最大有效半口径顶点的轴上距离，SAG42表示所述第四透镜像侧面与光轴的交点至所述第四透镜像侧面的最大有效半口径顶点的轴上距离，DM41表示所述第四透镜物侧面的有效半口径。
11.一种成像设备，其特征在于，包括成像元件以及如权利要求1-10任一项所述的光学镜头，所述成像元件用于将所述光学镜头形成的光学图像转换为电信号。
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