CN116047730A - 光学成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学成像系统，该光学成像系统沿光轴从物侧到成像面依次包括：具有正光焦度的第一透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凸面；光阑；具有负光焦度的第二透镜；具有正光焦度的第三透镜，其物侧面在近光轴处为凸面，像侧面为凸面；具有正光焦度的第四透镜，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；具有负光焦度的第五透镜，其物侧面在近光轴处为凸面，像侧面在近光轴处为凹面；其中，所述第一透镜采用玻璃材质。本发明提供的光学成像系统，通过合理设置光焦度分配、光阑位置、镜片厚度及镜片间间距，使该光学成像系统具有紧凑型的大光圈结构，且可使光学成像系统内进入更多的光通量，以使系统在昏暗环境中也能成像清晰。

Description

光学成像系统
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成像系统。
背景技术
随着汽车智能化技术不断发展和应用，车载镜头的应用也越来越广泛。为达到更准确的识别效果，每辆汽车上搭载的车载镜头由2至3颗增加到7颗以上，其市场前景极其广阔。
目前，市场上车载镜头以车外镜头为主，车内镜头目前占比较低但增长迅速，而市面上车内应用于疲劳监控的车载镜头较为常规，光圈小、总长较长且夜间成像较模糊，不利于车内昏暗环境下正常工作。
发明内容
为此，本发明的目的在于提供一种光学成像系统，具有大光圈 、总长短及夜间高清成像的优点。
本发明提供了一种光学成像系统，沿光轴从物侧到成像面依次包括：具有正光焦度的第一透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凸面；光阑；具有负光焦度的第二透镜；具有正光焦度的第三透镜，其物侧面在近光轴处为凸面，像侧面为凸面；具有正光焦度的第四透镜，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；具有负光焦度的第五透镜，其物侧面在近光轴处为凸面，像侧面在近光轴处为凹面；其中，所述第一透镜采用玻璃材质。
更进一步，所述第一透镜的材料阿贝数Vd1可满足：。
更进一步，所述第一透镜的材料折射率nd1可满足：。
更进一步， 所述光学成像系统的有效焦距f，所述第一透镜的最大有效直径D1及所述第五透镜的最大有效直径D5可满足： 。
更进一步，所述第一透镜的边缘厚度ET1可满足：。
更进一步，所述第一透镜物侧面的曲率半径R11，所述第一透镜物侧面的矢高SAG11及所述第一透镜像侧面的矢高SAG12可满足：。
更进一步，所述光学成像系统的最大半像高IH与所述光学成像系统的有效焦距f可满足：。
更进一步，所述光学成像系统的光阑直径D和所述第一透镜与所述第二透镜之间在光轴上的空气间距AC12可满足：。
更进一步，所述第三透镜和所述第四透镜的组合焦距f34与所述光学成像系统的有效焦距f可满足：。
更进一步，所述第四透镜物侧面的矢高SAG41与所述第四透镜的边缘厚度ET4可满足：。
更进一步，所述第二透镜的中心厚度AT2，所述第三透镜的中心厚度AT3，所述第四透镜的中心厚度AT4及所述第五透镜的中心厚度AT5可满足：。
更进一步，所述光学成像系统的光学后焦BFL与所述光学成像系统的光学总长TTL可满足：。
更进一步，所述第一透镜至所述第五透镜相邻透镜之间在光轴上的空气间距之和∑AC与所述光学成像系统的光学总长TTL可满足。
更进一步，所述第五透镜的有效焦距f5，所述光学成像系统的有效焦距f及所述第五透镜的中心厚度AT5可满足：。
更进一步，所述光学成像系统的最大视场角FOV，所述第一透镜的最大有效直径D1及所述光学成像系统的最大半像高IH可满足：；。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：本发明提供的光学成像系统，光焦度分配、光阑位置、镜片厚度及镜片间间距设置合理，使该光学成像系统具有紧凑型的大光圈结构，且可使光学成像系统内进入更多的光通量，以使系统在昏暗环境中也能成像清晰；同时，该光学成像系统工作波段在红外波段，可以辅助红外光源有效提升夜间成像质量。
附图说明
图1为本发明第一实施例的光学成像系统的结构示意图。
图2为本发明第一实施例的光学成像系统的象散曲线图。
图3为本发明第一实施例的光学成像系统的畸变曲线图。
图4为本发明第一实施例的光学成像系统的轴向色差曲线图。
图5为本发明第一实施例的光学成像系统的垂轴色差曲线图。
图6为本发明第二实施例的光学成像系统的结构示意图。
图7为本发明第二实施例的光学成像系统的象散曲线图。
图8为本发明第二实施例的光学成像系统的畸变曲线图。
图9为本发明第二实施例的光学成像系统的轴向色差曲线图。
图10为本发明第二实施例的光学成像系统的垂轴色差曲线图。
图11为本发明第三实施例的光学成像系统的结构示意图。
图12为本发明第三实施例的光学成像系统的象散曲线图。
图13为本发明第三实施例的光学成像系统的畸变曲线图。
图14为本发明第三实施例的光学成像系统的轴向色差曲线图。
图15为本发明第三实施例的光学成像系统的垂轴色差曲线图。
图16为本发明第四实施例的光学成像系统的结构示意图。
图17为本发明第四实施例的光学成像系统的象散曲线图。
图18为本发明第四实施例的光学成像系统的畸变曲线图。
图19为本发明第四实施例的光学成像系统的轴向色差曲线图。
图20为本发明第四实施例的光学成像系统的垂轴色差曲线图。
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成像系统，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、滤光片和保护玻璃。
其中，第一透镜具有正光焦度的，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，第二透镜的物侧面在近光轴处为凸面，第二透镜的像侧面在近光轴处为凹面；第三透镜具有正光焦度，第三透镜的物侧面在近光轴处为凸面，第三透镜的像侧面为凸面；第四透镜具有正光焦度，第四透镜的物侧面为凹面，第四透镜的像侧面为凸面；第五透镜具有负光焦度，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凹面。
在一些实施方式中，所述光学成像系统满足以下条件式：
；       （1）
；  （2）
其中，Vd1表示所述第一透镜的材料阿贝数，nd1表示所述第一透镜的材料折射率。同时满足条件式（1）和（2），可使第一透镜具有高折射率和低色散的优点，有利于降低光学成像系统色差的矫正难度，同时有利于减少透镜数量，简化和优化光学成像系统结构，减小其体积和重量。
在一些实施方式中，所述光学成像系统满足以下条件式：
；     （3）
；   （4）
其中， f表示所述光学成像系统的有效焦距，D1表示所述第一透镜的最大有效直径，D5表示所述第五透镜的最大有效直径。同时满足条件式（3）和（4），有利于光学成像系统具备大光圈，有利于提高系统的通光量同时减少光线进出系统的损耗，使系统在微光甚至昏暗环境中高清成像的同时也能提高系统的响应速率。
在一些实施方式中，所述光学成像系统满足以下条件式：
；     （5）
；    （6）
其中，ET1表示所述第一透镜的边缘厚度，R11表示所述第一透镜物侧面的曲率半径，SAG11表示所述第一透镜物侧面的矢高，SAG12表示所述第一透镜像侧面的矢高。同时满足条件式（5）和（6），可以合理控制第一透镜的形状，使其承担相应的正光焦度，加快光线的偏折效率，有利于光学成像系统总长的缩短。
在一些实施方式中，所述光学成像系统满足以下条件式：
  ；         （7）
；     （8）
其中，IH表示所述光学成像系统的最大半像高，f表示所述光学成像系统的有效焦距。同时满足条件式（7）和（8），在保证大光圈的同时，能够合理的控制光学成像系统的光学尺寸，保证系统的小型化，而且在满足系统光学质量的同时，能够保证搭载较大尺寸的芯片，有利于系统在昏暗环境中高清成像。
在一些实施方式中，所述光学成像系统满足以下条件式：
；    （9）
其中，D表示所述光学成像系统的光阑直径，AC12表示所述第一透镜与所述第二透镜之间在光轴上的空气间距。满足条件式（9），能够合理地控制光学成像系统的通光孔径，加大系统的通光量，使光学成像系统具有大光圈的优势，在减小边缘视场的像差的同时增强暗环境下的成像效果，可以满足系统在黑夜昏暗下高清成像的需求。
在一些实施方式中，所述光学成像系统满足以下条件式：
；  （10）
其中，f34表示所述第三透镜和所述第四透镜的组合焦距，f表示所述光学成像系统的有效焦距。满足条件式（10），可以合理地分配第三透镜与第四透镜的光焦度，使得第三透镜与第四透镜组成的透镜组承担一定的正光焦度，加快光线的偏折效率，有利于缩短光学成像系统的总长。
在一些实施方式中，所述光学成像系统满足以下条件式：
；     （11）
其中，SAG41所述第四透镜物侧面的矢高，ET4表示所述第四透镜的边缘厚度。满足条件式（11），可以合理控制第四透镜的形状，避免第四透镜矢高过大，有利于镜片面型的成型优化和镜片加工良率的提升。
在一些实施方式中，所述光学成像系统满足以下条件式：
； （12）
其中，AT2表示所述第二透镜的中心厚度，AT3表示所述第三透镜的中心厚度，AT4表示所述第四透镜的中心厚度，AT5表示所述第五透镜的中心厚度。满足条件式（12），可以通过调整第二透镜、第三透镜、第四透镜及第五透镜的中心厚度分配来控制镜片形状，有利于系统结构的紧凑化。
在一些实施方式中，所述光学成像系统满足以下条件式：
；   （13）
其中，BFL表示所述光学成像系统的光学后焦，TTL表示所述光学成像系统的光学总长。满足条件式（13），可以使光学成像系统有较大的光学后焦，有利于减少镜片与成像芯片间的干涉，从而降低CRA的矫正难度。
在一些实施方式中，所述光学成像系统满足以下条件式：
；     （14）
其中，∑AC表示所述第一透镜至所述第五透镜相邻透镜之间在近光轴上的空气间距之和，TTL表示所述光学成像系统的光学总长。满足条件式（14），可以合理安排各镜片厚度和各镜片间在光轴上的间距，有利于光学成像系统实现结构紧凑化。
在一些实施方式中，所述光学成像系统满足以下条件式：
；       （15）
；        （16）
其中，f5表示所述第五透镜的有效焦距，f表示所述光学成像系统的有效焦距，AT5表示所述第五透镜的中心厚度。同时满足条件式（15）和（16），可以通过调整第五透镜的形状，使其承担相应的负光焦度，减缓光线偏折，以此来调整外围光线的像差，同时有助于增强周边照度，有效提升光学成像系统的成像品质。
在一些实施方式中，所述光学成像系统满足以下条件式：
；  （17）
；  （18）
其中，FOV表示所述光学成像系统的最大视场角，D1表示所述第一透镜的最大有效直径，IH表示所述光学成像系统的最大半像高。同时满足条件式（17）和（18），既有利于减小光学成像系统的前端口径，又有利于实现光学成像系统的小型化，减小其体积。
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，光学成像系统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：
；
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
本发明第一实施例提供的光学成像系统100的结构示意图请参阅图1，该光学成像系统100沿光轴从物侧到成像面S15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以及保护玻璃G2。
其中，第一透镜L1为具有正光焦度的玻璃球面透镜，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为具有负光焦度的塑胶非球面透镜，第二透镜的物侧面S3在近光轴处为凸面，第二透镜的像侧面S4在近光轴处为凹面；第三透镜L3为具有正光焦度的塑胶非球面透镜，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为具有正光焦度的塑胶非球面透镜，第四透镜的物侧面S7为凹面，第四透镜的像侧面S8为凸面；第五透镜L5为具有负光焦度的塑胶非球面透镜，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在近光轴处为凹面；滤光片G1的物侧面为S11，像侧面为S12；保护玻璃G2的物侧面为S13，像侧面为S14。
本实施例提供的光学成像系统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：mm），d代表光学表面间距（单位：mm），nd代表材料的d线折射率，Vd代表材料的阿贝数。
表1
本实施例中的光学成像系统100的各非球面的面型系数如表2所示。
表2
在本实施例中，光学成像系统100的象散、畸变、轴向色差和垂轴色差的曲线图分别如图2、图3、图4和图5所示。由图2至图5可以看出，场曲控制在±0.4mm以内，光学畸变控制在±5%以内，最短波长与最大波长轴向色差控制在±0.045mm以内，不同视场内各波长相对于中心波长的色差在0.8视场以内都控制在±1.5微米以内，说明光学成像系统100的场曲、畸变和色差都被良好地校正。
第二实施例
本实施例提供的光学成像系统200的结构示意图请参阅图6，本实施例中的光学成像系统200的结构与第一实施例中的光学成像系统100的结构形状基本相同，材料也一致，但镜片曲率，镜片厚度及镜片间距发生了改变。
本实施例提供的光学成像系统200中各个镜片的相关参数如表3所示。
表3
本实施例中的光学成像系统200的各非球面的面型系数如表4所示。
表4
在本实施例中，光学成像系统200的象散、畸变、轴向色差和垂轴色差的曲线图分别如图7、图8、图9和图10所示。由图7至图10可以看出，场曲控制在±0.35mm以内，光学畸变控制在±4.5%以内，最短波长与最大波长轴向色差控制在±0.035mm以内，不同视场内各波长相对于中心波长的色差0.8视场以内都控制在±1.5微米以内，说明光学成像系统200的场曲、畸变和色差都被良好地校正。
第三实施例
本实施例提供的光学成像系统300的结构示意图请参阅图11，本实施例中的光学成像系统300与第一实施例中的光学成像系统100的结构形状大致相同，材料也一致，但镜片曲率，镜片厚度及镜片间距发生了改变。
本实施例中的光学成像系统300中各个镜片的相关参数如表5所示。
表5
本实施例中的光学成像系统300的各非球面的面型系数如表6所示。
表6
在本实施例中，光学成像系统300的象散、畸变、轴向色差和垂轴色差的曲线图分别如图12、图13、图14和图15所示。由图12至图15可以看出，场曲控制在±0.3mm以内，光学畸变控制在±4.5%以内，最短波长与最大波长轴向色差控制在±0.04mm以内，不同视场内各波长相对于中心波长的色差0.8视场以内都控制在±1.5微米以内，说明光学成像系统300的场曲、畸变和色差都被良好地校正。
第四实施例
本实施例提供的光学成像系统400的结构示意图请参阅图16，本实施例中的光学成像系统400与第一实施例中的光学成像系统100的结构形状大致相同，材料也一致，但镜片曲率，镜片厚度及镜片间距发生了改变。
本实施例中的光学成像系统400中各个镜片的相关参数如表7所示。
表7
本实施例中的光学成像系统400的各非球面的面型系数如表8所示。
表8
在本实施例中，光学成像系统400的象散、畸变、轴向色差和垂轴色差的曲线图分别如图17、图18、图19和图20所示。由图17至图20可以看出，场曲控制在±0.3mm以内，光学畸变控制在±5%以内，最短波长与最大波长轴向色差控制在±0.045mm以内，不同视场内各波长相对于中心波长的色差0.8视场以内都控制在±1.5微米以内，说明光学成像系统400的场曲、畸变和色差都被良好地校正。
表9是上述四个实施例对应的光学特性，主要包括各个实施例中光学成像系统的有效焦距f，各镜片的有效焦距f1、f2、f3、f4、f5、f6，光圈数FNO，最大视场角FOV，光学总长TTL以及与上述每个条件式对应的数值。
表9
综上，本实施例提供的光学成像系统至少具有以下优点：
（1）本发明所提供的光学成像系统采用了1G4P的玻塑混合结构，加强了光线的透过率，优化了镜头在不同温度下的偏移量。
（2）本发明所提供的光学成像系统具有大光圈，能够更大范围地控制光量进入机身，通光量的控制范围也更大，有利于微光或昏暗环境的拍摄。
（3）本发明所提供的光学成像系统在红外波段工作成像，辅助红外光源，可以有效提升夜间成像质量。
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 (10)

1.一种光学成像系统，其特征在于，沿光轴从物侧到成像面依次包括：
具有正光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面为凸面，所述第一透镜的像侧面为凸面；
光阑；
具有负光焦度的第二透镜；
具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面在近光轴处为凸面，所述第三透镜的像侧面为凸面；
具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面为凹面，所述第四透镜的像侧面为凸面；
具有负光焦度的第五透镜，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凹面；
其中，所述第一透镜采用玻璃材质。
2.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统满足以下条件式：
；
；
其中，Vd1表示所述第一透镜的材料阿贝数，nd1表示所述第一透镜的材料折射率。
3.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统满足以下条件式：
；
；
其中， f表示所述光学成像系统的有效焦距，D1表示所述第一透镜的最大有效直径，D5表示所述第五透镜的最大有效直径。
4.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统满足以下条件式：
；
；
其中，ET1表示所述第一透镜的边缘厚度，R11表示所述第一透镜物侧面的曲率半径，SAG11表示所述第一透镜物侧面的矢高，SAG12表示所述第一透镜像侧面的矢高。
5.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统满足以下条件式：
；
；
其中，IH表示所述光学成像系统的最大半像高，f表示所述光学成像系统的有效焦距。
6.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统满足以下条件式：
；
其中，D表示所述光学成像系统的光阑直径，AC12表示所述第一透镜与所述第二透镜之间在光轴上的空气间距。
7.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统满足以下条件式：
；
其中，f34表示所述第三透镜和所述第四透镜的组合焦距，f表示所述光学成像系统的有效焦距。
8.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统满足以下条件式：
；
其中，SAG41表示所述第四透镜物侧面的矢高，ET4表示所述第四透镜的边缘厚度。
9.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统满足以下条件式：
；
其中，AT2表示所述第二透镜的中心厚度，AT3表示所述第三透镜的中心厚度，AT4表示所述第四透镜的中心厚度，AT5表示所述第五透镜的中心厚度。
10.根据权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统满足以下条件式：
；
其中，BFL表示所述光学成像系统的光学后焦，TTL表示所述光学成像系统的光学总长。
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