CN115185068B - 光学镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学镜头，该光学镜头沿光轴从物侧到成像面依次包括：光阑；具有正光焦度的第一透镜，其物侧面为凸面、像侧面为凸面；具有负光焦度的第二透镜，其物侧面为凹面；具有正光焦度的第三透镜，其像侧面为凸面；具有负光焦度的第四透镜，其物侧面在近光轴处为凸面，其像侧面在近光轴处为凹面，所述光学镜头中至少包含一个玻璃镜片和一个塑胶镜片；所述光学镜头满足条件式：10mm/rad<IH/θ<13mm/rad；其中，θ表示所述光学镜头的最大半视场角，IH表示所述光学镜头在成像面上的实际半像高。本发明所述光学镜头具有较大的成像面及视场角，同时较好地实现了镜头的微型化、轻量化和高像质的均衡。

Description

光学镜头
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。
背景技术
随着AR（增强现实）技术应用范围和场景的逐步拓展，以及AR技术在科研、军事、工业、游戏、视频、教育等各领域的广泛应用，AR头戴式设备急需大视场角、轻量化的光学引擎，从而其投射光学镜头产品对成像质量、光学畸变、视场角以及体积等方面的技术水平要求也日益提升。
目前市场上流行的AR头戴式设备光学引擎的投射镜头的视场角较小，难以获取大视野内的成像画面，不能满足实际需求；还有许多投射镜头的镜片数多，甚至采用全玻璃材料的镜片，使镜头的成本较高且体积较大，不利于在市场上推广应用。
发明内容
为此，本发明的目的在于提出一种光学镜头，用于解决上述问题。
本发明实施例通过以下技术方案实施上述的目的。
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：光阑；具有正光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面和像侧面均为凸面；具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凹面；具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的像侧面为凸面；具有负光焦度的第四透镜，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；所述光学镜头中至少包含一个玻璃镜片和一个塑胶镜片；所述光学镜头满足条件式：10mm/rad<IH/θ<13mm/rad；其中，θ表示所述光学镜头的最大半视场角，IH表示所述光学镜头在成像面上的实际半像高。
相比于现有技术，本发明提供的光学镜头，通过合理的搭配四个具有特定屈折力的玻塑混合镜片的形状和光焦度，使镜头具有较大的成像面，同时在满足较大视角的同时结构更紧凑，总长更短，在RGB（光学三原色）不同波长下均具有较好的成像质量，从而较好的实现了镜头的微型化、轻量化和高像质的均衡。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明第一实施例中的光学镜头的结构示意图；
图2为本发明第一实施例中的光学镜头的象散曲线图；
图3为本发明第一实施例中的光学镜头的f-tan(θ)畸变曲线图；
图4为本发明第二实施例中的光学镜头的结构示意图；
图5为本发明第二实施例中的光学镜头的象散曲线图；
图6为本发明第二实施例中的光学镜头的f-tan(θ)畸变曲线图；
图7为本发明第三实施例中的光学镜头的结构示意图；
图8为本发明第三实施例中的光学镜头的象散曲线图；
图9为本发明第三实施例中的光学镜头的f-tan(θ)畸变曲线图。
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，该光学镜头沿光轴从物侧到成像面依次包括光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜及滤光片，这里的物侧为与成像面相对的一侧。
其中，第一透镜具有正光焦度，第一透镜的物侧面为凸面，第一透镜的像侧面为凸面；
第二透镜具有负光焦度，第二透镜的物侧面为凹面；
第三透镜具有正光焦度，第三透镜的像侧面为凸面；
第四透镜具有负光焦度，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；
所述光学镜头中至少包含一个玻璃镜片和一个塑胶镜片。
进一步地，所述光学镜头满足以下条件式：
10mm/rad<IH/θ<13mm/rad；（1）
其中，θ表示所述光学镜头的最大半视场角，IH表示所述光学镜头在成像面上的实际半像高。满足上述条件式（1），能够使镜头具有较大视场角的同时具有较大的成像面，有利于镜头更好获取大视野内的成像画面。
作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：
5mm<R1×IH/f<10mm；（2）
其中，f表示所述光学镜头的焦距，R1表示所述第一透镜的物侧面的曲率半径，IH表示所述光学镜头在成像面上的实际半像高。满足上述条件式（2），能够合理地控制所述光学镜头的有效焦距和成像面积，有利于实现所述光学镜头长焦距和高像素的均衡。
作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：
f1/f2<-1； （3）
其中，f1表示所述第一透镜的焦距，f2表示所述第二透镜的焦距。满足上述条件式（3），能够合理分配第一透镜和第二透镜的焦距，有利于实现所述光学镜头长焦距和高像素的均衡，同时有利于缩短所述光学镜头的总长。
作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：
-1<f1/R2<-0.1； （4）
-1<R1/R2<-0.1；（5）
其中，f1表示所述第一透镜的焦距，R1表示所述第一透镜的物侧面的曲率半径，R2表示所述第一透镜的像侧面的曲率半径。满足上述条件式（4）和（5），能够合理控制第一透镜的面型和焦距，减小光线出射第一透镜像侧面时的出射角，有利于校正光学畸变，提高所述光学镜头的解像品质。
作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：
-1.3<f2/f<-0.3； （6）
其中，f表示所述光学镜头的焦距，f2表示所述第二透镜的焦距。满足上述条件式（6），能够合理控制第二透镜的焦距占比，有利于缩短所述光学镜头的总长。
作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：
0.4<R3/f2<1； （7）
-2<(R3+R4)/(R3-R4)<-0.2；（8）
其中，R3表示所述第二透镜的物侧面的曲率半径，R4表示所述第二透镜的像侧面的曲率半径。满足上述条件式（7）和（8），能够合理控制所述第二透镜的面型，减缓光线的曲折度，有利于校正所述光学镜头的光学畸变。
作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：
0<(R5+R6)/(R5-R6)<1.5； （9）
2×10-5mm/℃<f3×(dn/dt)3<3.5×10-5mm/℃； （10）
其中，R5表示所述第三透镜的物侧面的曲率半径，R6表示所述第三透镜的像侧面的曲率半径，f3表示所述第三透镜的焦距，(dn/dt)3表示所述第三透镜的材料折射率温度系数。满足上述条件式（9）和（10），通过合理设置第三透镜的面型及选材，有利于降低所述光学镜头的敏感度，同时有利于校正所述光学镜头的像差，提高成像质量。
作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：
-10<f4/f<-1； （11）
其中，f表示所述光学镜头的焦距，f4表示所述第四透镜的焦距。满足上述条件式（11），能够使第四透镜具有合适的负光焦度，有利于校正光学畸变，提高所述光学镜头的解像品质。
作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：
-1<R7/f4<0；（12）
1<R7/R8<3；（13）
其中，f4表示所述第四透镜的焦距，R7表示所述第四透镜的物侧面的曲率半径，R8表示所述第四透镜的像侧面的曲率半径。满足上述条件式（12）和（13），能够合理控制第四透镜的面型和焦距，进一步缓和光轴的聚光强度，减小边缘视场与中心视场的像差，提高所述光学镜头在全视场的解像能力。
作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：
1.6<TTL/f<2.0； （14）
0.27<BFL/TTL<0.35；（15）
其中，f表示所述光学镜头的焦距，BFL表示所述光学镜头的光学后焦，TTL表示所述光学镜头的光学总长。满足上述条件式（14）和（15），能够合理地控制所述光学镜头的有效焦距和光学总长，有利于实现所述光学镜头具有较长焦距和较短总长的均衡。
作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：
CT23/TTL<0.03； （16）
其中，CT23表示所述第二透镜和所述第三透镜在光轴上的空气间隔，TTL表示所述光学镜头的光学总长。满足上述条件式（16），能够合理地控制第二、三透镜之间的间隔，使所述光学镜头结构更加紧凑，有利于缩短所述光学镜头的总长。
作为一种实施方式，所述光学镜头满足以下条件式：
1.1< CT1/CT2<1.6； （17）
0.5< CT2/CT3<1.0； （18）
0.1< CT3/ TTL<0.25；（19）
其中，CT1表示所述第一透镜的中心厚度，CT2表示所述第二透镜的中心厚度，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（17）至（19），通过合理分配各透镜的中心厚度，能够使镜头在RGB不同波长下均具有较好的成像质量，同时，有利于降低所述光学镜头的敏感度，提高生产良率。
作为一种实施方式，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜可以是非球面镜片，可选的，第一透镜、第二透镜和第四透镜均采用塑胶非球面镜片，第三透镜采用玻璃非球面镜片。采用非球面镜片，可以有效减少镜片的数量，修正像差，提供更好的光学性能。
此外，作为一种实施方式，当光学镜头中的各个透镜均为非球面透镜时，光学镜头的各个非球面面型可以均满足下列方程：
Figure 79734DEST_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conic，A2i为第2i阶的非球面面型系数。
下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在以下每个实施例中，光学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。
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镜头100的结构示意图，光学镜头100从物侧到成像面依次包括：光阑ST、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4及滤光片G；第一透镜L1、第二透镜L2和第四透镜L4均为塑胶非球面镜片，第三透镜L3为玻璃非球面镜片。
其中，第一透镜L1具有正光焦度，第一透镜的物侧面S1为凸面，第一透镜的像侧面S2为凸面。
第二透镜L2具有负光焦度，第二透镜的物侧面S3为凹面，第二透镜的像侧面S4在近光轴处为凹面。
第三透镜L3具有正光焦度，第三透镜的物侧面S5在近光轴处为凸面，第三透镜的像侧面S6为凸面。
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。
滤光片的物侧面为S9，像侧面为S10。
请参照表1，所示为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。
表1
Figure 604256DEST_PATH_IMAGE002
请参照表2，所示为本发明第一实施例提供的光学镜头100的各非球面的面型系数。
表2
Figure 279957DEST_PATH_IMAGE003
请参照图2和图3所示分别为第一实施例中光学镜头100的象散曲线图、光学畸变曲线图。
图2的象散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中可以看出，子午像面和弧矢像面的象散控制在±0.20毫米以内，说明光学镜头100的象散矫正良好。
图3畸变曲线表示成像面上不同像高处的畸变。其中，图3中横轴表示f-tan(θ)畸变百分比，纵轴表示视场角（单位：度）。从图3中可以看出，成像面上不同像高处的光学畸变控制在±7%以内，说明光学镜头100的畸变得到良好的矫正。
第二实施例
如图4所示，为本发明第二实施例提供的光学镜头200的结构示意图，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的结构大致相同，不同之处主要在于，本实例中第二透镜L2的像侧面S4为凸面，第三透镜L3的物侧面S5为凹面，以及各透镜的曲率半径、非球面系数、厚度、材质有所差异。
请参照表3，所示为本发明第二实施例提供的光学镜头200中各个镜片的相关参数。
表3
Figure 689072DEST_PATH_IMAGE004
请参照表4，所示为本发明第二实施例提供的光学镜头200的各非球面的面型系数。
表4
Figure 399408DEST_PATH_IMAGE005
请参照图5及图6所示分别为第二实施例中光学镜头200的象散曲线图、光学畸变曲线图。
图5的象散曲线表示子午像面和弧矢像面的弯曲程度。从图5中可以看出，子午像面和弧矢像面的象散控制在±0.15毫米以内，说明光学镜头200的象散矫正良好。
图6畸变曲线表示成像面上不同像高处的畸变。从图6中可以看出，成像面上不同像高处的光学畸变控制在±5%以内，说明光学镜头200的畸变得到良好的矫正。
第三实施例
如图7所示，为本发明第三实施例提供的光学镜头300的结构示意图，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的结构大致相同，不同之处主要在于，本实例中第二透镜L2的像侧面S4在近光轴处为凸面，第三透镜L3的物侧面S5为凸面，以及各透镜的曲率半径、非球面系数、厚度、材质有所差异。
请参照表5，所示为本发明第三实施例提供的光学镜头中各个镜片的相关参数。
表5
Figure 766936DEST_PATH_IMAGE006
请参照表6，所示为本发明第三实施例提供的光学镜头300的各非球面的面型系数。
表6
Figure 539720DEST_PATH_IMAGE007
请参照图8及图9，所示分别为第三实施例中光学镜头300的象散曲线图、光学畸变曲线图。
图8的象散曲线表示子午像面和弧矢像面的弯曲程度。从图8中可以看出，子午像面和弧矢像面的象散控制在±0.16毫米以内，说明光学镜头300的象散矫正良好。
图9畸变曲线表示成像面上不同像高处的畸变。从图9中可以看出，成像面上不同像高处的光学畸变控制在±7%以内，说明光学镜头300的畸变得到良好的矫正。
请参照表7，所示是上述三个实施例提供的光学镜头分别对应的光学特性。其中，光学特性主要包括光学镜头的焦距f、光圈数F#、光学总长TTL及视场角FOV，以及与前述每个条件式对应的相关数值。
表7
Figure 205056DEST_PATH_IMAGE008
综上，本发明提供的光学镜头具有以下的优点：
（1）采用四片具有特定屈折力的玻塑混合的镜片结构，有效地缩短镜头总长和减小镜头体积，实现系统体积的轻量化。
（2）通过各透镜的特定表面形状及光焦度的合理搭配，使镜头具有较大的成像面，同时还使光学镜头的视场角可达73°以上，且可有效修正光学畸变，从而能够满足大视场角且在RGB不同波长下均具高清晰成像需要。
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 (10)

1.一种光学镜头，由四片透镜组成，其特征在于，沿光轴从物侧到成像面依次包括：
光阑；
具有正光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面和像侧面均为凸面；
具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凹面；
具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的像侧面为凸面；
具有负光焦度的第四透镜，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；
所述光学镜头中至少包含一个玻璃镜片和一个塑胶镜片；
所述光学镜头满足以下条件式：
10mm/rad<IH/θ<13mm/rad；
f1/f2<-1；
其中，θ表示所述光学镜头的最大半视场角，IH表示所述光学镜头在成像面上的实际半像高，f1表示所述第一透镜的焦距，f2表示所述第二透镜的焦距。
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：
5mm<R1×IH/f<10mm；
其中，f表示所述光学镜头的焦距，R1表示所述第一透镜的物侧面的曲率半径。
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：
-1<f1/R2<-0.1；
-1<R1/R2<-0.1；
其中，f1表示所述第一透镜的焦距，R1表示所述第一透镜的物侧面的曲率半径，R2表示所述第一透镜的像侧面的曲率半径。
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：
-1.3<f2/f<-0.3；
其中，f表示所述光学镜头的焦距，f2表示所述第二透镜的焦距。
5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足条件式：
0.4<R3/f2<1；
-2<(R3+R4)/(R3-R4)<-0.2；
其中，f2表示所述第二透镜的焦距，R3表示所述第二透镜的物侧面的曲率半径，R4表示所述第二透镜的像侧面的曲率半径。
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<(R5+R6)/(R5-R6)<1.5；
2×10-5mm/℃<f3×(dn/dt)3<3.5×10-5mm/℃；
其中，R5表示所述第三透镜的物侧面的曲率半径，R6表示所述第三透镜的像侧面的曲率半径，f3表示所述第三透镜的焦距，(dn/dt)3表示所述第三透镜的材料折射率温度系数。
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：
-10<f4/f<-1；
其中，f表示所述光学镜头的焦距，f4表示所述第四透镜的焦距。
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：
-1<R7/f4<0；
1<R7/R8<3；
其中，f4表示所述第四透镜的焦距，R7表示所述第四透镜的物侧面的曲率半径，R8表示所述第四透镜的像侧面的曲率半径。
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：
CT23/TTL<0.03；
其中，CT23表示所述第二透镜和所述第三透镜在光轴上的空气间隔，TTL表示所述光学镜头的光学总长。
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：
1.1<CT1/CT2<1.6；
0.5<CT2/CT3<1.0；
0.1<CT3/TTL<0.25；
其中，CT1表示所述第一透镜的中心厚度，CT2表示所述第二透镜的中心厚度，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。
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