CN115128780B - 光学成像镜头及成像设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学成像镜头及成像设备，沿光轴从物侧到成像面依次包含：第一透镜，第二透镜，光阑，第三透镜，第四透镜，第五透镜，第六透镜，第七透镜和滤光片；其中，第一透镜具有负光焦度，其物侧面与像侧面均为凹面；第二透镜具有正光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；第三透镜具有正光焦度，其物侧面与像侧面均为凸面；第四透镜具有正光焦度，其物侧面与像侧面均为凸面；第五透镜具有负光焦度，其物侧面为凹面，像侧面在近光轴处为凸面；第六透镜具有负光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；第七透镜具有正光焦度，其物侧面与像侧面均为凸面。本发明至少具有高照度、大光圈和高解像力的特点。

Description

光学成像镜头及成像设备
技术领域
本发明涉及成像镜头技术领域，具体是涉及一种光学成像镜头及成像设备。
背景技术
随着自动驾驶技术的发展，ADAS（Advanced Driver Assistant System，高级驾驶辅助系统）已经成了汽车的标配；其中，车载摄像镜头作为ADAS的关键器件，能够实时感知车辆周边的路况情况，实现前向碰撞预警、车道偏移报警和行人检测等功能，其性能高低直接影响着ADAS的安全系数，因此，对车载摄像镜头的性能要求越来越高。
ADAS系统对所搭载的车载镜头要求极高，首先要求其通光能力强，能适应外界环境的明暗变化，同时要求镜头有较高的成像清晰度，能有效分辨道路环境的细节，同时要求镜头能够对发射或反射不同波长单色光的物体(如交通信号灯、公路标识信息等)具有良好的分辨能力，以满足智能驾驶系统的特殊要求。然而，现有市场上的大多镜头均不能很好的满足上述要求，因此开发一种可以配合ADAS的高照度、大光圈、大像面、高解像力的光学镜头是当务之急。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种光学成像镜头及成像设备，至少具有高照度、大光圈和高解像力的特点。
本发明通过以下技术方案实现上述发明目的。
第一方面，本发明提供一种光学成像镜头，沿光轴从物侧到成像面依次包含：第一透镜，第二透镜，光阑，第三透镜，第四透镜，第五透镜，第六透镜，第七透镜和滤光片；所述第一透镜具有负光焦度，其物侧面和像侧面均为凹面；所述第二透镜具有正光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；所述光阑设置于第二透镜和第三透镜之间；所述第三透镜具有正光焦度，其物侧面和像侧面均为凸面；所述第四透镜具有正光焦度，其物侧面和像侧面均为凸面；所述第五透镜具有负光焦度，其物侧面为凹面，像侧面在近光轴处为凸面；所述第六透镜具有负光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；所述第七透镜具有正光焦度，其物侧面和像侧面均为凸面；其中，所述第一透镜、所述第三透镜和所述第七透镜均为玻璃球面镜片，所述第二透镜、所述第四透镜、所述第五透镜和所述第六透镜均为塑胶非球面镜片，所述第四透镜和所述第五透镜为胶合透镜组。
第二方面，本发明还提供一种成像设备，包括成像元件及第一方面提供的光学成像镜头，成像元件用于将光学成像镜头形成的光学图像转换为电信号。
相比于现有技术，本发明提供的光学成像镜头，采用三片玻璃镜片和四片塑胶镜片，通过各镜片面型的合理配置以及光焦度的合理搭配，使镜头在实现良好成像质量的同时，具有热稳定性好、高照度、大光圈以及方便组装等有益效果，而且使用多片塑胶透镜能够很大程度上降低生产成本，同时保证优良的成像质量。
附图说明
图1为本发明第一实施例中光学成像镜头的结构示意图。
图2为本发明第一实施例中光学成像镜头的相对照度示意图。
图3为本发明第一实施例中光学成像镜头的F-Theta畸变示意图。
图4为本发明第一实施例中光学成像镜头的MTF示意图。
图5为本发明第二实施例中光学成像镜头的结构示意图。
图6为本发明第二实施例中光学成像镜头的相对照度示意图。
图7为本发明第二实施例中光学成像镜头的F-Theta畸变示意图。
图8为本发明第二实施例中光学成像镜头的MTF示意图。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的实施例。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。
本发明实施例提供一种光学成像镜头，所述光学成像镜头，沿光轴从物侧到成像面依次包含：第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及滤光片。
其中，第一透镜具有负光焦度，其物侧面和像侧面均为凹面；第二透镜具有正光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；光阑设置于第二透镜和第三透镜之间；第三透镜具有正光焦度，其物侧面和像侧面均为凸面；第四透镜具有正光焦度，其物侧面和像侧面均为凸面；第五透镜具有负光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为在近光轴处凸面；第六透镜具有负光焦度，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；第七透镜具有正光焦度，其物侧面和像侧面均为凸面；第一透镜、第三透镜和第七透镜均为玻璃球面镜片，第二透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜均为塑胶非球面镜片，第四透镜和第五透镜为胶合透镜组。
本发明采用三片玻璃镜片和四片塑胶镜片，通过各镜片面型的合理配置以及光焦度的合理搭配，使镜头在实现良好成像质量的同时，具有热稳定性好、大光圈以及方便组装等有益效果，而且使用多片塑胶透镜能够很大程度上降低生产成本，同时保证优良的成像质量。
进一步地，所述光学成像镜头满足以下条件式：
4.8<TTL/IH<5.2； （1）
其中，TTL表示所述光学成像镜头的光学总长，IH表示所述光学成像镜头在成像面上有效像素区域最大直径的一半。满足上述条件式（1），可以实现镜头像面扩大同时压缩镜头的总长，使镜头的设计更加小型化，便于搭载在终端设备上。
进一步地，所述光学成像镜头满足以下条件式：
1.1<f/IH<1.2； （2）
f/ENPD<1.66； （3）
其中，f表示所述光学成像镜头的有效焦距，IH表示所述光学成像镜头在成像面上有效像素区域最大直径的一半，ENPD表示所述光学成像镜头的入瞳直径。满足上述条件式（2），表明镜头具有较大的成像面，能满足大靶面芯片的成像需求。满足上述条件式（3），通过将光阑放置在第二透镜和第三透镜之间，可以使光学成像镜头具有更大的光圈，在明暗环境中具有良好成像。
进一步地，所述光学成像镜头满足以下条件式：
2.0<R5/|R6|<2.5； （4）
其中，R5表示所述第三透镜物侧面的曲率半径，R6表示所述第三透镜像侧面的曲率半径。满足上述条件式（4），可以改变第三透镜的物侧面和第三透镜的像侧面二次反射鬼像的光瞳像在焦面上的相对位置，通过控制曲率半径可以使得鬼像的光瞳像远离焦面，有效降低鬼像的相对能量值，提高镜头成像画面的质量。
进一步地，所述光学成像镜头满足以下条件式：
13.0<f/T67<14.3； （5）
其中，T67表示所述第六透镜和所述第七透镜在光轴上的空气间隔，f表示所述光学成像镜头的有效焦距。满足上述条件式（5），通过减小第六透镜与第七透镜之间在光轴上的空气间距，将第六透镜和第七透镜组合等效成一片双凸厚透镜，可以达到减小场曲的作用。
进一步地，所述光学成像镜头满足以下条件式：
24<TTL/CT2<38； （6）
其中，CT2表示所述第二透镜的中心厚度，TTL表示所述光学成像镜头的光学总长。满足上述条件式（6），通过减小第二透镜的中心厚度，使第一透镜距离光阑更近，能够有效地缩小第一透镜的有效半口径，满足镜头搭载的前端口径要求。
进一步地，所述光学成像镜头满足以下条件式：
-0.45＜f4/f5＜-0.31； （7）
其中，f4表示所述第四透镜的有效焦距，f5表示所述第五透镜的有效焦距。满足上述条件式（7），通过合理分配胶合透镜组中正、负透镜的光焦度，使得第四透镜和第五透镜的有效焦距相近，有利于光线平缓过渡，矫正光学成像镜头的色差和像差，提升光学成像镜头的成像质量。
进一步地，所述光学成像镜头满足以下条件式：
4.2<TTL/CT4<4.7； （8）
12<TTL/CT5<14； （9）
其中，CT4表示所述第四透镜的中心厚度，CT5表示所述第五透镜的中心厚度，TTL表示所述光学成像镜头的光学总长。满足上述条件式（8）至（9），通过增大第四透镜的中心厚度和第五透镜的中心厚度，能够达到优化场曲的作用。
进一步地，所述光学成像镜头满足以下条件式：
0.9<Vd4/Vd5<1.0； （10）
2.3<Nd4/Nd5<2.5； （11）
其中，Vd4表示所述第四透镜的阿贝数，Vd5表示所述第五透镜的阿贝数，Nd4表示所述第四透镜的折射率，Nd5表示所述第五透镜的折射率。满足上述条件式（10）至（11），通过增大第四透镜和第五透镜之间的阿贝数差值和折射率差值，更有利于色差的消除。
进一步地，所述光学成像镜头满足以下条件式：
3.5＜(R10+R11)/R11＜4.5； （12）
-1.3＜f6/f＜-1.0； （13）
其中，R10表示所述第六透镜物侧面的曲率半径，R11表示所述第六透镜像侧面的曲率半径，f6表示所述第六透镜的有效焦距，f表示所述光学成像镜头的有效焦距。满足上述条件式（12）和（13），通过合理控制第六透镜的面型及光焦度，可以矫正光学成像镜头的像差，提升光学成像镜头的成像质量。
进一步地，所述光学成像镜头满足以下条件式：
Z9(h9)=0，h9∈[-S9, S9] 的实数解个数大于或等于3个； （14）
其中，Z9(h9)表示所述第五透镜的像侧面的非球面面形方程，h9表示所述第五透镜的像侧面的曲面到光轴的距离，S9表示所述第五透镜的像侧面的有效半口径。满足上述条件式（14），通过增加非球面面形方程的零点解个数可以增加面形的反曲，面形反曲有利于矫正像平面弯曲的现象，达到全视场成像质量均匀的目的。
进一步地，所述光学成像镜头满足以下条件式：
-30°<|ϕ3|-arctan[S3/(R32-S32)1/2] <30°； （15）
-32°<|ϕ4|-arctan[S4/(R42-S42)1/2] <32°； （16）
-7°<|ϕ4|-|ϕ3| <7°； （17）
其中，ϕ3表示所述第二透镜的物侧面在有效半口径处的面心角，ϕ4表示所述第二透镜的像侧面在有效半口径处的面心角，S3表示所述第二透镜物侧面的有效半口径，S4表示所述第二透镜像侧面的有效半口径，R3表示所述第二透镜物侧面的曲率半径，R4表示所述第二透镜像侧面的曲率半径。满足上述条件式（15）至（17），使得第二透镜中心到边缘的光焦度变化趋势更接近余弦函数，且第二透镜物侧面的面心角和第二透镜像侧面的面心角差异较小，在温度变化时，所有视场的离焦曲线会更加聚拢，有利于改善镜头的温度性能。
进一步地，所述光学成像镜头满足以下条件式：
(CRA)max<11°； （18）
其中，(CRA)max表示所述光学成像镜头的全视场主光线在像面上入射角的最大值。满足上述条件式（18），可以使镜头的CRA与芯片感光元件的CRA更匹配，提高芯片感光效率。
进一步地，所述光学成像镜头满足以下条件式：
0.8＜(R1+R2)/(R1-R2)＜1.0； （19）
-1.2＜f1/f＜-1.1； （20）
其中，R1表示所述第一透镜物侧面的曲率半径，R2表示所述第一透镜像侧面的曲率半径，f1表示所述第一透镜的有效焦距，f表示所述光学成像镜头的有效焦距。满足上述条件式（19）和（20），通过合理控制第一透镜的面型及光焦度，有利于增大光线的入射角度和光路转折，提升光学成像镜头的成像质量。
进一步地，所述光学成像镜头满足以下条件式：
-0.3＜R12/R13＜-0.2； （21）
2.0＜f7/f＜2.2； （22）
其中，R12表示所述第七透镜物侧面的曲率半径，R13表示所述第七透镜像侧面的曲率半径，f7表示所述第七透镜的有效焦距，f表示所述光学成像镜头的有效焦距。满足上述条件式（21）和（22），通过合理控制第七透镜的面型及光焦度，可以进一步消除光学成像镜头边缘视场的像差，提升光学成像镜头整个视场内的成像质量。
本发明实施例中所述光学成像镜头的非球面的表面形状均满足下列方程：
Figure 557958DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c表示曲面顶点的曲率，K表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，B、C、D、E、F分别表示四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶曲面系数。
下面分多个实施例对本申请进行进一步的说明。在以下每个实施例中，光学成像镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径有所不同，具体不同可参见各实施例中的参数表。下述实施例仅为本申请的较佳实施方式，但本申请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申请创新点所作的改变、替代、组合或简化，都应视为等效的置换方式，都包含在本申请的保护范围之内。
第一实施例
请参阅图1，所示为本发明第一实施例提供的光学成像镜头100的结构示意图，该光学成像镜头100沿光轴从物侧到成像面S16依次包含：第一透镜L1，第二透镜L2，光阑ST，第三透镜L3，第四透镜L4，第五透镜L5，第六透镜L6，第七透镜L7以及滤光片L8。
其中，第一透镜L1具有负光焦度，其物侧面S1和像侧面S2均为凹面；第二透镜L2具有正光焦度，其物侧面S3为凹面，像侧面S4为凸面；光阑ST设置于第二透镜L2和第三透镜L3之间；第三透镜L3具有正光焦度，其物侧面S5和像侧面S6均为凸面；第四透镜L4具有正光焦度，其物侧面S7和像侧面均为凸面；第五透镜L5具有负光焦度，其物侧面为凹面，像侧面S9在近光轴处为凸面；第六透镜L6具有负光焦度，其物侧面S10为凸面，像侧面S11为凹面；第七透镜L7具有正光焦度，其物侧面S12和像侧面S13均为凸面；滤光片L8的物侧面为S14、像侧面为S15；第一透镜L1、第三透镜L3、和第七透镜L7为玻璃球面镜片，第二透镜L2、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6为塑胶非球面镜片；第四透镜L4和第五透镜L5为胶合透镜组，其胶合面为S8。
请参阅表1，为本发明第一实施例中提供的光学成像镜头100中各个镜片的相关参数。
表 1
Figure 356150DEST_PATH_IMAGE002
本实施例中，光学成像镜头100的各透镜非球面的参数如表2所示。
表 2
Figure 210843DEST_PATH_IMAGE003
请参照图2、图3和图4，所示分别为本实施例中光学成像镜头的相对照度曲线图、F-Theta畸变曲线图和MTF曲线图。
图2的相对照度曲线表示成像面上不同视场角度的相对照度值。其中，图2中横轴表示视场角（单位：度），纵轴表示相对照度值（归一化值，最大刻度值为1.0）。从图2中可以看出，在90%视场内的相对照度值均大于0.7，说明光学成像镜头的通光性能良好。
图3的F-Theta畸变曲线表示成像面上不同视场角度的F-Theta畸变值。其中，图3中横轴表示F-Theta畸变值（单位：%），纵轴表示视场角（单位：度）。从图3中可以看出，全视场角度内的F-Theta畸变值控制在±4%以内，说明光学成像镜头的像高与视场角的关系趋近于线性变化，图像画面比例更加真实。
图4的MTF曲线表示不同空间频率的近轴MTF。其中，图4中横轴表示空间频率(单位：线对/毫米)，纵轴表示MTF值。从图4中可以看出，在最大空间频率下的近轴MTF值依然有0.7以上，说明光学成像镜头的近轴像差得到良好的校正。
第二实施例
请参阅图5，所示为本发明第二实施例提供的光学成像镜头200的结构示意图，本实施例当中的光学成像镜头200与第一实施例当中的光学成像镜头100大抵相同，不同之处在于：各个透镜的曲率半径、材质、厚度等有所不同，具体各个透镜的相关参数参见表3所示。
表3
Figure 410880DEST_PATH_IMAGE004
本实施例中，光学成像镜头200的各透镜非球面的参数如表4所示。
表 4
Figure 545189DEST_PATH_IMAGE005
请参照图6、图7和图8，所示分别为本实施例中光学成像镜头的相对照度曲线图、F-Theta畸变曲线图和MTF曲线图。从图6中可以看出，在90%视场内的相对照度值均大于0.7，说明光学成像镜头的通光性能良好。从图7中可以看出，全视场角度内的F-Theta畸变值控制在±5%以内，说明光学成像镜头的像高与视场角的关系趋近于线性变化，图像画面比例更加真实。从图8中可以看出，在最大空间频率下的近轴MTF值依然有0.7以上，说明光学成像镜头的近轴像差得到良好的校正。
表5是上述实施例中对应的光学特性，包括光学总长TTL、有效焦距f、视场角FOV、光圈数F#、半像高IH、各个透镜的有效焦距，以及与前面所述每个条件式对应的数值。
表5
Figure 830677DEST_PATH_IMAGE006
综上所述，本发明的光学成像镜头采用三片玻璃镜片和四片塑胶镜片，通过各镜片面型的合理配置以及光焦度的合理搭配，使镜头在实现良好成像质量的同时，具有热稳定性好、大光圈以及方便组装等有益效果，而且使用多片塑胶透镜能够很大程度上降低生产成本，同时保证优秀的成像质量。
第三实施例
本实施例提供一种成像设备,包括上述任一实施例中的光学成像镜头(例如光学成像镜头100)及成像元件，所述成像元件设于所述成像面S16的外侧，所述成像元件将所述光学镜头100形成的光学图像转换为电信号。
进一步地，所述成像元件可以是CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补性金属氧化物半导体)图像传感器，还可以是CCD(Charge CoupledDevice，电荷耦合器件)图像传感器。
本实施例提供的成像设备包括光学成像镜头，由于光学成像镜头采用玻璃球面与塑胶非球面相结合的方式，更好地校正了成像系统的各种像差，因此本实施例提供的成像设备具备高照度、大光圈、高解像力的特点等特性。
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。本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离该原理下，本发明的实施方式可以有任何形式的变化和修改，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 (10)

1.一种光学成像镜头，共七片透镜，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和像侧面均为凹面；
具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凹面，所述第二透镜的像侧面为凸面；
光阑；
具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面和像侧面均为凸面；
具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面和像侧面均为凸面；
具有负光焦度的第五透镜，所述第五透镜的物侧面为凹面，所述第五透镜的像侧面在近光轴处为凸面；
具有负光焦度的第六透镜，所述第六透镜的物侧面为凸面，所述第六透镜的像侧面为凹面；
具有正光焦度的第七透镜，所述第七透镜的物侧面和像侧面均为凸面；
其中，所述第一透镜、第三透镜和第七透镜均为玻璃球面镜片，所述第二透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜均为塑胶非球面镜片，所述第四透镜和所述第五透镜为胶合透镜组；
所述光学成像镜头满足以下条件式：
4.8<TTL/IH<5.2；
其中，TTL表示所述光学成像镜头的光学总长，IH表示所述光学成像镜头在成像面上有效像素区域最大直径的一半。
2.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足以下条件式：
1.1<f/IH<1.2；
f/ENPD<1.66；
其中，f表示所述光学成像镜头的有效焦距，IH表示所述光学成像镜头在成像面上有效像素区域最大直径的一半，ENPD表示所述光学成像镜头的入瞳直径。
3.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足以下条件式：
2.0<R5/|R6|<2.5；
其中，R5表示所述第三透镜物侧面的曲率半径，R6表示所述第三透镜像侧面的曲率半径。
4.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足以下条件式：
13.0<f/T67<14.3；
其中，T67表示所述第六透镜和所述第七透镜在光轴上的空气间隔，f表示所述光学成像镜头的有效焦距。
5.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足以下条件式：
24<TTL/CT2<38；
其中，CT2表示所述第二透镜的中心厚度，TTL表示所述光学成像镜头的光学总长。
6.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足以下条件式：
-0.45＜f4/f5＜-0.31；
其中，f4表示所述第四透镜的有效焦距，f5表示所述第五透镜的有效焦距。
7.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足以下条件式：
3.5＜(R10+R11)/R11＜4.5；
-1.3＜f6/f＜-1.0；
其中，R10表示所述第六透镜物侧面的曲率半径，R11表示所述第六透镜像侧面的曲率半径，f6表示所述第六透镜的有效焦距，f表示所述光学成像镜头的有效焦距。
8.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足以下条件式：
Z9(h9)＝0，h9∈[-S9,S9]的实数解个数大于或等于3个；
其中，Z9(h9)表示所述第五透镜的像侧面的非球面面形方程，h9表示所述第五透镜的像侧面的曲面到光轴的距离，S9表示所述第五透镜的像侧面的有效半口径。
9.根据权利要求1所述的光学成像镜头，其特征在于，所述光学成像镜头满足以下条件式：
-30°<|φ3|-arctan[S3/(R32-S32)1/2]<30°；
-32°<|φ4|-arctan[S4/(R42-S42)1/2]<32°；
-7°<|φ4|-|φ3|<7°；
其中，φ3表示所述第二透镜的物侧面在有效半口径处的面心角，φ4表示所述第二透镜的像侧面在有效半口径处的面心角，S3表示所述第二透镜物侧面的有效半口径，S4表示所述第二透镜像侧面的有效半口径，R3表示所述第二透镜物侧面的曲率半径，R4表示所述第二透镜像侧面的曲率半径。
10.一种成像设备，其特征在于：包括成像元件及如权利要求1-9任一项所述的光学成像镜头，所述成像元件用于将所述光学成像镜头形成的光学图像转换为电信号。
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