CN116149031A - 广角镜头和虚拟现实设备 - Google Patents

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CN116149031A CN202310430914.0A CN202310430914A CN116149031A CN 116149031 A CN116149031 A CN 116149031A CN 202310430914 A CN202310430914 A CN 202310430914A CN 116149031 A CN116149031 A CN 116149031A
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Abstract

本发明公开一种广角镜头和虚拟现实设备，其中，广角镜头包括：由物侧到像侧依次排列的第一透镜组件、第二透镜组件和第三透镜组件；所述第一透镜组件的光焦度配置为负光焦度；所述第二透镜组件的光焦度配置为正光焦度；所述第三透镜组件的光焦度配置为正光焦度；所述第一透镜组件的焦距
Figure ZY_1
与所述广角镜头的有效焦距F满足下式约束关系
Figure ZY_2
；所述第二透镜组件的焦距
Figure ZY_3
与所述广角镜头的有效焦距F满足下式约束关系
Figure ZY_4
；所述第三透镜组件的焦距
Figure ZY_5
与所述广角镜头的有效焦距F满足下式约束关系
Figure ZY_6
。本发明技术方案能够提高广角镜头的视场角。

Description

广角镜头和虚拟现实设备
技术领域
本发明涉及镜头技术领域，特别涉及一种广角镜头和虚拟现实设备。
背景技术
虚拟现实设备为了实现人机交互，通常使用视觉方案，即通过安装摄像头，识别并采集环境变化和人体动作等图像信息，再经过对图像信息进行分析，以实现人机交互。但是现有的光学镜头存在视场角偏小，导致识别范围较小，使得很多人体动作和环境信息采集不到，难以满足人们对虚拟现实设备更高性能的要求。因此需要一种视场角更大的广角镜头以提高虚拟现实设备的信息采集能力。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种广角镜头，旨在提高广角镜头的视场角。
为实现上述目的，本发明提出的广角镜头，包括：
由物侧到像侧依次排列的第一透镜组件、第二透镜组件和第三透镜组件；
所述第一透镜组件的光焦度配置为负光焦度；
所述第二透镜组件的光焦度配置为正光焦度；
所述第三透镜组件的光焦度配置为正光焦度；
所述第一透镜组件的焦距
Figure SMS_1
与所述广角镜头的有效焦距F满足下式约束关系
Figure SMS_2
；
所述第二透镜组件的焦距
Figure SMS_3
与所述广角镜头的有效焦距F满足下式约束关系
Figure SMS_4
；
所述第三透镜组件的焦距
Figure SMS_5
与所述广角镜头的有效焦距F满足下式约束关系
Figure SMS_6
。
可选地，所述广角镜头的光学总长L与所述广角镜头的成像像圆直径H，满足下式约束关系，
Figure SMS_7
。
可选地，所述广角镜头的光学总长L，所述广角镜头的有效焦距F，满足下式约束关系，
Figure SMS_8
。
可选地，所述第一透镜组件包括由物侧到像侧依次排列的第一透镜和第二透镜；所述第一透镜和所述第二透镜均配置为具有负光焦度的透镜。
可选地，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。
可选地，所述第二透镜的物侧面为凸面，所述第二透镜的像侧面为凹面。
可选地，所述第一透镜的阿贝数大于或等于50。
可选地，所述第二透镜组件包括第三透镜；所述第三透镜配置为具有正光焦度的透镜。
可选地，所述第三透镜的物侧面和所述第三透镜的像侧面均为凸面。
可选地，所述第三透镜的阿贝数小于或等于35。
可选地，所述第三透镜组件包括由物侧到像侧依次排列的第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜；所述第五透镜和所述第七透镜配置为具有负光焦度的透镜；所述第四透镜和所述第六透镜配置为具有正光焦度的透镜。
可选地，所述第四透镜的物侧面和所述第四透镜的像侧面均为凸面。
可选地，所述第五透镜的物侧面与所述第四透镜的像侧面的曲面匹配。
可选地，所述第六透镜的物侧面和所述第六透镜的像侧面均为凸面。
可选地，所述第七透镜的物侧面和所述第七透镜的像侧面均为凹面。
可选地，所述第五透镜的阿贝数小于或等于35。
本发明还提出一种虚拟现实设备，包括上述的广角镜头。
本发明技术方案中，第一透镜组件具有负的光焦度，可以使得传播方向与光轴夹角较大的光线穿过第一透镜组件后，传播方向改变为与光轴夹角较小的光；这样使得更大视场角上的光线能够被第一透镜组件之后的透镜接收并处理。又由于广角镜头同时满足约束条件
Figure SMS_9
、/>
Figure SMS_10
和/>
Figure SMS_11
，可以使得广角镜头具有更大的视场角。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明广角镜头第一实施例的结构示意图；
图2为本发明广角镜头第一实施例的可见光的MTF图；
图3为本发明广角镜头第一实施例的红外光的MTF图；
图4为本发明广角镜头第一实施例的点列图；
图5为本发明广角镜头第二实施例的可见光的MTF图；
图6为本发明广角镜头第二实施例的红外光的MTF图；
图7为本发明广角镜头第二实施例的点列图；
图8为本发明广角镜头第三实施例的可见光的MTF图；
图9为本发明广角镜头第三实施例的红外光的MTF图；
图10为本发明广角镜头第三实施例的点列图。
附图标号说明：
Figure SMS_12
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种广角镜头。
在本发明实施例中，参考图1，该广角镜头包括：
由物侧到像侧依次排列的第一透镜组件10、第二透镜组件和第三透镜组件30；
第一透镜组件10包括由物侧到像侧依次排列的第一透镜11和第二透镜12；
第二透镜组件包括第三透镜20；
第三透镜组件30包括由物侧到像侧依次排列的第四透镜31、第五透镜32、第六透镜33和第七透镜34；
第一透镜11、第二透镜12、第五透镜32和第七透镜34配置为具有负光焦度的透镜；第三透镜20、第四透镜31和第六透镜33配置为具有正光焦度的透镜；
第一透镜组件10的焦距
Figure SMS_13
与广角镜头的有效焦距F满足下式约束关系/>
Figure SMS_14
；
第三透镜20的焦距
Figure SMS_15
与广角镜头的有效焦距F满足下式约束关系/>
Figure SMS_16
；
第三透镜组件30的焦距
Figure SMS_17
与广角镜头的有效焦距F满足下式约束关系/>
Figure SMS_18
；
当广角镜头在虚拟现实设备上使用时，虚拟现实设备上可以设置有像源50，像源50用于接收第三透镜组件30的出射光。
第一透镜11可以采用玻璃材质，玻璃材质可以提高镜片的抗划伤能力，并提高镜片的热稳定性。另外，第三透镜20也可以采用玻璃材质，避免广角镜头在高温或低温环境下产生虚焦。像源50可以采用CMOS（complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体）或CCD（charge-coupled device，电耦合元件）芯片。
当
Figure SMS_19
与F的比值过大时，会导致第一透镜组件10对大视场角处的光线收集能力减弱，使得视场角降低；当/>
Figure SMS_20
与F的比值过小时，会使成像发生畸变。而当/>
Figure SMS_21
与F的比值满足约束条件/>
Figure SMS_22
时，正好能克服上述缺陷。/>
Figure SMS_23
的大小可以通过对第一透镜11和第二透镜12的焦距进行选型，以及调节第一透镜11和第二透镜12之间的距离实现。具体设置/>
Figure SMS_24
的方法属于现有技术。
当
Figure SMS_25
与F的比值过小时，容易导致成像畸变；当/>
Figure SMS_26
与F的比值过大时，容易导致第三透镜20对光线的收束能力较弱，使得需要通过增加镜头尺寸以满足成像条件，不利于镜头的小型化。而当/>
Figure SMS_27
与F的比值满足约束条件/>
Figure SMS_28
时，正好能克服上述缺陷。
当
Figure SMS_29
与F的比值过小时，容易导致成像畸变；当/>
Figure SMS_30
与F的比值过大时，需要使得像源50距离第七透镜34更远才能成像，不利于镜头的小型化。而当/>
Figure SMS_31
与F的比值满足约束关系
Figure SMS_32
时正好能克服上述缺陷。
第一透镜组件10、第二透镜组件和第三透镜组件30均可以包括透镜和透镜固定机构，在广角镜头中，透镜通常固定在镜筒上，也即镜筒的不同部分分别作为第一透镜组件10、第二透镜组件和第三透镜组件30的透镜固定机构，因此，每一个透镜组件，均可以只包括一片透镜，也可以包括多片透镜。本发明实施例中第二透镜组件可以仅包括第三透镜，也可以包括第三透镜和其它透镜，只需要第二透镜组件的光焦度为正，且满足约束条件
Figure SMS_33
即可。
参考图1，可选地，第一透镜11的物侧面为凸面，第一透镜11的像侧面为凹面。第一透镜11物侧面为凸面，更有利于收集大视场角处的光线；第一透镜11的像侧面为凹面可以为第二透镜12提供更多的安装空间，同时能节约镜头内部空间。
参考图1，可选地，第二透镜12的物侧面为凸面，第二透镜12的像侧面为凹面。第二透镜12物侧面为凸面，有利于收集来自第一透镜11大视场角处的出射光，同时可以利用第一透镜11像侧面的凹面，节约镜头内部空间；第二透镜12像侧面为凹面可以配合第二透镜12的物侧面，使得第二透镜12具有负的光焦度。
参考图1，可选地，第三透镜20的物侧面和第三透镜20的像侧面均为凸面。第三透镜20的物侧面和第三透镜20的像侧面均为凸面，可以使得第三透镜20表面的曲率较低的情况下达到预设的焦距，减少第三透镜20带来的成像畸变以及像差。
参考图1，可选地，第四透镜31的物侧面和第四透镜31的像侧面均为凸面。第四透镜31的物侧面和第四透镜31的像侧面均为凸面，可以使得第四透镜31表面的曲率较低的情况下达到预设的焦距，减少第四透镜31带来的成像畸变以及像差。
参考图1，可选地，第五透镜32的物侧面与第四透镜31的像侧面的曲面匹配。第五透镜32的物侧面与第四透镜31的像侧面的曲面匹配，使得第五透镜32与第四透镜31构成类似胶合透镜的结构，可以降低色差。
参考图1，可选地，第六透镜33的物侧面和第六透镜33的像侧面均为凸面。第六透镜33的物侧面和第六透镜33的像侧面均为凸面，可以使得第六透镜33表面的曲率较低的情况下达到预设的焦距，减少第六透镜33带来的成像畸变以及像差。
参考图1，可选地，第七透镜34的物侧面和第七透镜34的像侧面均为凹面。第七透镜34的物侧面和第七透镜34的像侧面均为凹面，可以使得第七透镜34表面的曲率较低的情况下达到预设的焦距，减少第七透镜34带来的成像畸变以及像差。
参考图1，可选地，第一透镜11配置为弯月型非球面镜片；和/或
第二透镜12配置为非球面透镜；和/或
第三透镜20配置为球面透镜；和/或
第四透镜31配置为非球面透镜；和/或
第五透镜32配置为非球面透镜；和/或
第六透镜33配置为非球面透镜；和/或
第七透镜34配置为双曲型非球面透镜。
第一透镜11可以配置为弯月型非球面镜片，弯月负透镜可以快速偏转光线，有利于第一透镜11收集大视场角处光线。第二透镜12配置为非球面透镜能够有效校正场曲像差，并加快大角度光线收敛速度，降低第一透镜组件10的整体口径。第三透镜20为球面透镜，可以校正像散像差和球差，同时球面透镜生产成本低，可以降低广角镜头的生产成本。第四透镜31配置为非球面透镜，可以校正相差。第五透镜32配置为非球面透镜，同样可以校正相差。另外，当第四透镜31和第五透镜32同时配置为非球面透镜时，可以组成类似胶合透镜的结构，有利于降低色差，特别是降低可见光与红外光（波长为850nm）的色球差。第六透镜33配置为非球面透镜，可以折转并会聚光线，收敛周边视场的光线出射角度。第七透镜34配置为双曲型非球面透镜，可以校正剩余像差，主要是场曲、像散和慧差，并增大成像像圆直径。
参考图1，可选地，第三透镜20和第三透镜组件30之间设置有光阑40。由于第三透镜20对光束进行收束，因此第三透镜20和第三透镜组件30之间的光束横截面积较小，此处设置光阑40，有助于控制镜头的整体口径。
参考图1，可选地，像源50与第三透镜组件30之间设置有滤光片60。滤光片60可以降低杂光对像源50的影响，提高成像质量。
参考图1，可选地，滤光片60配置为可见光及红外光双通滤光片60。本发明实施例可以实现日夜共焦，在白昼时，可以对可见光（波长为400nm至690nm的光）进行成像，在夜晚时，可以对红外光进行成像，特别是利用波长为850nm的红外光进行成像，实现夜视。因此双通滤光片60可以降低可见光和红外光之外的杂光对成像的影响，有利于实现日夜共焦的功能。
参考图1，可选地，第一透镜11的阿贝数大于或等于50；和/或
第三透镜20的阿贝数小于或等于35；和/或
第五透镜32的阿贝数小于或等于35。
第一透镜11的阿贝数较大，可以降低色差；第三透镜20的阿贝数较小，但是由于第一透镜11和第二透镜12的光焦度均为负，第三透镜20的光焦度为正，因此第一透镜组件10的色散方向与第三透镜20组的色散方向相反，第三透镜20阿贝数较小，可以校正来自第一透镜组件10的色差。第五透镜32的阿贝数较小，有利于第五透镜32与第四透镜31形成类似胶合透镜的结构，以降低色差。
参考图1，可选地，广角镜头的光学总长L与广角镜头的成像像圆直径H，满足下式约束关系，
Figure SMS_34
。当L与H的比值过大时，镜头尺寸过长成像像圆直径过小，则容易导致镜头成像质量低，且长度大，不利于镜头小型化；当L与H的比值过大时，成像像圆过大，容易导致成像畸变。而当L和H的比值满足约束关系/>
Figure SMS_35
时，能克服上述缺陷。
参考图1，可选地，广角镜头的光学总长L，广角镜头的有效焦距F，满足下式约束关系，
Figure SMS_36
。当L与F比值处于上述约束时，有利于对镜头小型化。
参考图1，本发明广角镜头的第一实施例中，镜头的参数如下：
Figure SMS_37
/>
Figure SMS_38
Figure SMS_39
表中表面编号中S1至S16，分别代表，第一透镜11的物面，第一透镜11的像面，第二透镜12的物面，第二透镜12的像面，第三透镜20的物面，第三透镜20的像面，第四透镜31的物面，第四透镜31的像面，第五透镜32的物面，第五透镜32的像面，第六透镜33的物面，第六透镜33的像面，第七透镜34的物面，第七透镜34的像面，滤光片60的物面和滤光片60的像面；表中STOP代表光阑40表面，IMAG代表像源50；F是广角镜头的焦距，FNO.是光圈，FOV是视场角，F1是第一透镜组件10焦距，F2是第三透镜20焦距，F3是第三透镜组件30焦距，H是广角镜头的成像像圆直径，L是广角镜头的光学总长。
表中非球面系数为非球面函数中各项的系数，非球面函数为：
Figure SMS_40
式中c为半径所对应的曲率，y为径向坐标(其单位与透镜长度单位相同)，k为圆锥二次曲线系数。
本发明通过镜片形状、材质和光焦度的优化匹配设计，使得成像像圆直径增大（提高分辨率），视场角增大，通光量增大，从而满足更大尺寸芯片和更大视场的需求，并实现日夜共焦效果。通过对镜头光学总长和焦距等参数进行限定，可进一步实现镜头的小型化设计。
图2为本发明广角镜头第一实施例的可见光MTF（modulation transferfunction，调制传递函数）曲线图；图3为本发明广角镜头第一实施例的红外光（850nm）MTF曲线图；图4为本发明广角镜头第一实施例的点列图。本发明广角镜头第一实施例采用感光芯片像源直径为3.2mm，像素大小为1.75um，对应的设计分辨率为286lp/mm（图中未示出）。本实施例镜头中心视场在286lp/mm处MTF＞0.4，最大视场MTF>0.15，在143lp/mm全视场MTF>0.4，具有非常好的解析力。图3为红外光（850nm）的MTF曲线图，中心视场在286lp/mm大于0.3，在143lp/mm全视场MTF＞0.3，具有良好的红外光解析力，可实现日夜共焦。图4所示的点列图中，RMS（root mean square，方均根）半径最大1.8μm，在1个像素左右，具有非常好的锐利度。该实施例具有176°超广角度，大光圈FNO.2.0，可适配芯片OV9728，分辨率可达1280*800，并具有日夜共焦功能，体积小，满足虚拟现实设备使用需求。
另外如图2、图3、图5、图6、图8和图9所示的MTF曲线图，其中横坐标表示单位长度（mm）上具有的周期数（lp），纵坐标即MTF。图中多根曲线表示不同视场角上的MTF，一般来说，横坐标同一处，MTF值越大，曲线表示的视场角越小。
参考图1，本发明广角镜头的第二实施例中，镜头的参数如下：
Figure SMS_41
Figure SMS_42
Figure SMS_43
表中各符号的解释说明参见本发明广角镜头第一实施例中的说明。本发明广角镜头第二实施例具有166°超广角度，大光圈FNO.1.8，可适配芯片OV9728，分辨率可达1280*800，并具有日夜共焦功能，体积小，满足虚拟现实设备使用需求。
图5为本发明广角镜头第二实施例的可见光MTF曲线图，图6为本发明广角镜头第二实施例的红外光MTF曲线图，图7为本发明广角镜头第二实施例的点列图。可以从中看出，本发明广角镜头第二实施例也具有良好的成像效果。
参考图1，本发明广角镜头的第三实施例中，镜头的参数如下：
Figure SMS_44
Figure SMS_45
Figure SMS_46
表中各符号的解释说明参见本发明广角镜头第一实施例中的说明。本发明广角镜头第三实施例具有190°超广角度，大光圈FNO.2.2，可适配芯片OV9728，分辨率可达1280*800，并具有日夜共焦功能，体积小，满足虚拟现实设备使用需求。
图8为本发明广角镜头第三实施例的可见光MTF曲线图，图9为本发明广角镜头第三实施例的红外光MTF曲线图，图10为本发明广角镜头第三实施例的点列图。从图中可以看出本发明第三实施例具有良好的成像效果。
根据本发明广角镜头的第一实施例、第二实施例和第三实施例，可以看出，本发明技术方案至少可以令广角镜头具有大于160°，且小于200°的视场角；且具有大于或等于1.8，且小于或等于2.2的光圈。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (17)

1.一种广角镜头，其特征在于，包括：
由物侧到像侧依次排列的第一透镜组件、第二透镜组件和第三透镜组件；
所述第一透镜组件的光焦度配置为负光焦度；
所述第二透镜组件的光焦度配置为正光焦度；
所述第三透镜组件的光焦度配置为正光焦度；
所述第一透镜组件的焦距
Figure QLYQS_1
与所述广角镜头的有效焦距F满足下式约束关系
Figure QLYQS_2
；
所述第二透镜组件的焦距
Figure QLYQS_3
与所述广角镜头的有效焦距F满足下式约束关系/>
Figure QLYQS_4
；
所述第三透镜组件的焦距
Figure QLYQS_5
与所述广角镜头的有效焦距F满足下式约束关系
Figure QLYQS_6
。
2.如权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头的光学总长L与所述广角镜头的成像像圆直径H，满足下式约束关系，
Figure QLYQS_7
。
3.如权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头的光学总长L，所述广角镜头的有效焦距F，满足下式约束关系，
Figure QLYQS_8
。
4.如权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述第一透镜组件包括由物侧到像侧依次排列的第一透镜和第二透镜；所述第一透镜和所述第二透镜均配置为具有负光焦度的透镜。
5.如权利要求4所述的广角镜头，其特征在于，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。
6.如权利要求4所述的广角镜头，其特征在于，所述第二透镜的物侧面为凸面，所述第二透镜的像侧面为凹面。
7.如权利要求4所述的广角镜头，其特征在于，所述第一透镜的阿贝数大于或等于50。
8.如权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述第二透镜组件包括第三透镜；所述第三透镜配置为具有正光焦度的透镜。
9.如权利要求8所述的广角镜头，其特征在于，所述第三透镜的物侧面和所述第三透镜的像侧面均为凸面。
10.如权利要求9所述的广角镜头，其特征在于，所述第三透镜的阿贝数小于或等于35。
11.如权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述第三透镜组件包括由物侧到像侧依次排列的第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜；所述第五透镜和所述第七透镜配置为具有负光焦度的透镜；所述第四透镜和所述第六透镜配置为具有正光焦度的透镜。
12.如权利要求11所述的广角镜头，其特征在于，所述第四透镜的物侧面和所述第四透镜的像侧面均为凸面。
13.如权利要求11所述的广角镜头，其特征在于，所述第五透镜的物侧面与所述第四透镜的像侧面的曲面匹配。
14.如权利要求11所述的广角镜头，其特征在于，所述第六透镜的物侧面和所述第六透镜的像侧面均为凸面。
15.如权利要求11所述的广角镜头，其特征在于，所述第七透镜的物侧面和所述第七透镜的像侧面均为凹面。
16.如权利要求11所述的广角镜头，其特征在于，所述第五透镜的阿贝数小于或等于35。
17.一种虚拟现实设备，其特征在于，包括如权利要求1至16任一项所述的广角镜头。
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