CN1979246A - 超广角成像光学系统、超广角成像透镜设备和图像感测装置 - Google Patents

Abstract

一种超广角成像光学系统从其物体侧起依次包括第一透镜组、孔径光阑和第二透镜组。第一透镜组从最靠近物方的位置起依次包括向物方凸起的负的半月形透镜元件、负透镜元件和负透镜元件。第二透镜组包括多个正透镜元件。第一透镜组和第二透镜组分别包括至少一个变形表面，该变形表面相对于在大致正交于光轴的平面上沿第一方向延伸的第一截面和沿大致正交于第一方向的第二方向延伸的第二截面而具有不同的光功率。第一透镜组包括满足下列条件公式(1)的透镜元件：－0.6＜(Ph－Pv)*(fh+fv)＜－0.1...(1)其中Ph：视角很大的第一方向上的光功率；Pv：视角很小的第二方向上的光功率；fh：整个光学系统在第一方向上的焦距；以及fv：整个光学系统在第二方向上的焦距。

Description

超广角成像光学系统、超广角成像透镜设备和图像感测装置

本申请基于2005年12月9日提交且申请号为2005-355804的日本专利申请，其内容引用在此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种在一个方向上整个视角超过180度的超广角成像光学系统、具有这种超广角成像光学系统的超广角成像透镜设备以及安装有这种超广角成像透镜设备的图像感测装置，比如车载照相机或安全照相机。

背景技术

通常，期望将具有宽视角即广角透镜的成像光学系统用在作为汽车中的后监视器而安装的车载照相机中、或用在监控预定监控区域的安全照相机中、或用在类似设备中，以便用更少的照相机获得更宽区域的视频信息。然而，在车载照相机中，宽视角并不是在所有方向上都需要，而主要是在水平方向上即汽车的宽度方向上才需要。这是因为通常在垂直方向上即汽车的高度方向上不需要宽区域观察，还因为在垂直方向上具有宽视角的车载照相机可能会拍摄到高亮度物体(比如太阳或街灯)的图像，这会使被监控的图像的品质下降。关于车载照相机和安全照相机，最近的趋势是需要确保大于180度的超广角作为水平方向上整个视角。

对于采用标准鱼眼透镜装置来实现这种超广角成像光学系统的情况而言，垂直方向上的视角可能过大了。结果，除了有可能拍摄到高亮度物体图像以外，透镜畸变所导致的图像失真可能会增大。考虑到这一点，提出了一种变形光学系统，其焦距或透镜畸变在作为第一方向的水平方向上和作为第二方向的垂直方向上彼此不同。变形光学系统的使用能够提供一种在需要宽视角的水平方向上能确保超广角的成像光学系统，同时垂直方向上的图像失真相对较小。在例如日本专利2,984,954和日本专利特开平8-62494号公报中公布了这种变形光学系统。这些公报公布了一种电子内窥镜领域中的装置，其中在物镜光学系统中提供了变形表面以匹配于具有显示屏纵横比的物镜光学系统的透镜元件的视角。

上述公报中公布的变形光学系统以这样一种方式构建，从物方起依次排列着作为第一透镜组的前向透镜组、孔径光阑以及作为第二透镜组的后向透镜组，并且在第一透镜组的物方只设置了单个负透镜元件。在这种排列方式中，很难产生水平方向上视角大于180度的超广角成像光学系统。此外，因为在具有大透镜直径的第一透镜元件上设置了变形表面，所以与变形表面的形成和处理有关的成本可能会增大。

发明内容

考虑到常规示例中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种超广角成像光学系统，该光学系统在第一方向例如水平方向上具有超宽视角，在第二方向例如垂直方向上具有更小的视角，图像失真相对更少，并且还能够抑制部件成本的增大，本发明的目的还包括提供一种带有该超广角成像光学系统的成像透镜设备以及安装有这种成像透镜设备的图像感测装置，比如车载照相机或安全照相机。

本发明的一个方面涉及一种超广角成像光学系统，它从物体侧起依次包括第一透镜组、孔径光阑以及第二透镜组。从最靠近物体侧的位置起，第一透镜组依次包括向物体侧凸起的负的半月形透镜元件、负透镜元件以及负透镜元件。第二透镜组包括多个正透镜元件。第一透镜组和第二透镜组各自包括至少一个变形表面，关于该变形表面，在基本上垂直于光轴的平面上沿第一方向延伸的第一截面和沿基本上垂直于第一方向的第二方向延伸的第二截面相关的光功率各不相同。第一透镜组包括满足下列条件公式(1)的透镜元件：

-0.6＜(Ph-Pv)*(fh+fv)＜-0.1    …(1)

其中

Ph：视角很大的第一方向上的光功率；

Pv：视角很小的第二方向上的光功率；

fh：第一方向上与光学系统的整体有关的焦距；以及

fv：第二方向上与光学系统的整体有关的焦距。

在上述公式中，“^*”表示乘法。这同样适用于下文提到的公式。

本发明的另一个方面涉及一种超广角成像透镜设备，它包括上述超广角成像光学系统以及用于将物体的光学图像转变为电信号的图像传感器，其中该超广角成像光学系统被配置成将物体的光学图像形成到图像传感器的光接收平面上。

本发明的又一个方面涉及一种图像感测装置，它包括超广角成像透镜设备以及用于控制超广角成像透镜设备和图像传感器来执行物体照相操作的控制器。

上述诸多装置能够提供一种超广角成像光学系统，它在第一方向例如水平方向上具有超宽视角，在第二方向例如垂直方向上具有更小的视角，图像失真相对更小，场曲像差更小，像散更小等等，  并且还能够抑制部件成本的增大，上述诸多装置还能够提供带有超广角成像光学系统的成像透镜设备以及安装有超广角成像透镜设备的图像感测装置。

在阅读以下详细描述和附图时，本发明的这些和其它目的、特征和优点将变得更为清晰。

附图说明

图1是用于实施本发明的超广角成像光学系统沿光轴方向截取的横截面图，示意性地示出了水平截面即yz-截面。

图2是用于实施本发明的超广角成像光学系统沿光轴方向截取的横截面图，示意性地示出了垂直截面即xz-截面。

图3A和3B示出了车载照相机的示例，其中图3A是装有该车载照相机的汽车的侧视图，而图3B是顶部平面图。

图4是示出了车载照相机的电学配置的功能方框图。

图5是沿光轴纵向截取的横截面图，示出了示例1的超广角成像光学系统中的各个透镜元件的排列方式，具体来讲，该图示出了水平截面即yz-截面。

图6是沿光轴纵向截取的横截面图，示出了示例1的超广角成像光学系统中的各个透镜元件的排列方式，具体来讲，该图示出了垂直截面即xz-截面。

图7是沿光轴纵向截取的横截面图，示出了示例2的超广角成像光学系统中的各个透镜元件的排列方式，具体来讲，该图示出了水平截面即yz-截面。

图8是沿光轴纵向截取的横截面图，示出了示例2的超广角成像光学系统中的各个透镜元件的排列方式，具体来讲，该图示出了垂直截面即xz-截面。

图9是沿光轴纵向截取的横截面图，示出了示例3的超广角成像光学系统中的各个透镜元件的排列方式，具体来讲，该图示出了水平截面即yz-截面。

图10是沿光轴纵向截取的横截面图，示出了示例3的超广角成像光学系统中的各个透镜元件的排列方式，具体来讲，该图示出了垂直截面即xz-截面。

图11是示例1中水平截面即yz-截面的光点图。

图12是示例1中垂直截面即xz-截面的光点图。

图13是示例2中水平截面即yz-截面的光点图。

图14是示例2中垂直截面即xz-截面的光点图。

图15是示例3中水平截面即yz-截面的光点图。

图16是示例3中垂直截面即xz-截面的光点图。

具体实施方式

参照附图将描述本发明的一个实施例。

<超广角成像光学系统的排列方式描述>

图1和2都是示出了实施本发明的超广角成像光学系统10沿光轴AX方向的排列方式的横截面图。图1示出了在作为第一方向的水平方向上延伸的横截面即yz-截面。图2示出了在作为第二方向的垂直方向上延伸的横截面即xz-截面。图1和2所示的超广角成像光学系统10在排列方式方面与随后要描述的示例1的超广角成像光学系统10A完全一样。

超广角成像光学系统10包括作为前向透镜组的第一透镜组20、作为后向透镜组的第二透镜组30以及孔径光阑40，并且被调整成将物体的光学图像形成到将光学图像转变为电信号的图像传感器52的光接收平面上。具体来讲，从物方起依次排列着第一透镜组20、孔径光阑40、第二透镜组30、覆盖玻璃51以及图像传感器52。

在本实施例中，从最靠近物方的位置起，第一透镜组20依次包括向物方凸起的负的半月形透镜元件、负透镜元件以及负透镜元件。在图1的示例中，第一透镜组20总共包括五个透镜元件，即：向物方凸起的负的半月形透镜元件，作为第一透镜元件21；向物方凸起的负的半月形透镜元件，作为第二透镜元件22；向物方凸起的负的半月形透镜元件，作为第三透镜元件23；双凹负透镜元件，作为第四透镜元件24；以及双凸正透镜元件，作为第五透镜元件25。第三透镜元件23和第四透镜元件24分别具有变形表面，与图1中的yz-截面即基本上垂直于光轴AX的平面上沿第一方向延伸的截面以及图2中的xz-截面即沿基本上垂直于第一方向的第二方向延伸的截面相关的光功率是不同的。在下文中，yz-方向被称为“水平方向”，而yz-截面被称为“水平截面”，xz-方向被称为“垂直方向”，xz-截面被称为“垂直截面”。具体来讲，第三透镜元件23的物方表面是变形非球面AAS，而其像方表面是非球面APS，第四透镜元件24的两个表面都是变形非球面AAS。

在本实施例中，第二透镜组30包括多个正透镜元件。在图1的示例中，第二透镜组30总共包括三个透镜元件，即：向像方凸起的正的半月形透镜元件，作为第六透镜元件31；由双凸正透镜元件321和向像方凸起的负的半月形透镜元件322构成的胶合透镜元件，其整体具有正的光功率，并且作为第七透镜元件32；以及由向物方凸起的负的半月形透镜元件331和双凸正透镜元件332构成的胶合透镜元件，其整体具有正的光功率，并且作为第八透镜元件33。第六透镜元件31是其两个表面都是变形非球面AAS的透镜元件。如上所述，在超广角成像光学系统10中，第一透镜组20包括三个变形表面，即第三透镜元件23的物方表面以及第四透镜元件24的两个表面；第二透镜组30包括两个变形表面，即第六透镜元件31的两个表面。在水平方向和垂直方向上，使变形表面是非球面。

在超广角成像光学系统10的像方设置了图像传感器52，在图像传感器52和那些透镜元件之间设置覆盖玻璃51。这允许物体的光学图像通过超广角成像光学系统10沿光轴AX被引导至图像传感器52的光接收平面，其中水平方向上具有宽视角而垂直方向上具有窄视角，由此使物体光学图像被图像传感器52拍摄下来。

图像传感器52被调整成根据超广角成像光学系统10所形成的物体光学图像的量，将物体光学图像光电转换为RGB各颜色成分的图像信号，以便于输出这些图像信号。例如，图像传感器52是所谓的“Bayer矩阵”单芯片彩色区域传感器，其中红(R)绿(G)蓝(B)中的多块彩色滤光片按方格图形贴装在排成两维阵列的电荷耦合器件(CCD)的各个表面上。除了CCD图像传感器以外，图像传感器52的示例是CMOS图像传感器和VMIS图像传感器。

假设第一透镜组20中具有变形表面的透镜元件即第三透镜元件23和/或第四透镜元件24具有：水平方向上的光功率Ph，水平方向是视角很宽的第一方向；垂直方向上的光功率Pv，垂直方向作为视角很窄的第二方向；水平方向上与超广角成像光学系统10的整体有关的焦距fh；以及垂直方向上与超广角成像光学系统10的整体有关的焦距fv，超广角成像光学系统10满足下面的条件公式(1)：

-0.6＜(Ph-Pv)*(fh+fv)＜-0.1    …(1)

在这样的排列方式下，水平方向和垂直方向上的视角可以达到最佳化，并且可以产生具有所期望的光学特性的超广角成像光学系统10。

较佳地，上述条件公式(1)中(Ph-Pv)*(fh+fv)的值可以满足下面的条件公式(1)’。

-0.5＜(Ph-Pv)*(fh+fv)＜-0.25    …(1)’

如果(Ph-Pv)*(fh+fv)的值在条件公式(1)’的下限之下，则与水平方向和垂直方向有关的横截面配置差异会过大，使得很难处理或模制想要的表面配置，由此使部件成本增大。另一方面，如果(Ph-Pv)*(fh+fv)的值在条件公式(1)’的上限以上，则与水平方向和垂直方向有关的聚焦差异会过小。对于这种过小的焦距差异，如果在水平方向上设置足够宽的视角，则垂直方向上的视角会过大，这可能会使垂直方向上的图像失真增大。

较佳地，fv/fh的值可以满足下面的条件公式(2)。

1.7＜fv/fh＜3.0    …(2)

上述配置能够抑制与垂直截面有关的视角过分增大，并且能够令人满意地校正与水平截面有关的场曲或像散。

如图1所示的超广角成像光学系统10中那样配置，第一透镜组20和/或第二透镜组30中所设置的变形表面可以是这样一个表面，其与水平截面和垂直截面相关的光功率各不相同。例如，该变形表面可以是：圆柱形表面，其中例如水平截面是球形或非球形，而垂直截面是平的；或复曲面，其中例如水平截面是球形或非球形，而垂直截面是具有不同曲率的球面。较佳地，水平截面和垂直截面都可以形成非球形。这能够充分地校正像差，并使超广角成像光学系统10很紧凑。

关于超广角成像光学系统10的产生方法，构成第一透镜组20和第二透镜组30的各透镜元件的透镜材料并没有受到特别的限制。像各种光学玻璃材料或光学树脂材料即塑料材料等透镜材料都可以使用。在抑制部件成本并减小超广角成像光学系统10的重量方面，使用树脂材料比使用玻璃材料要有优势，因为树脂材料重量轻并且可通过注入成模等技术批量生产。因此，期望在超广角成像光学系统10中提供至少一个树脂透镜元件。或者可以提供两个或更多个树脂透镜元件。

较佳地，在超广角成像光学系统10中最靠近物方的第一透镜元件21可以是具有球面的玻璃透镜元件。最常见的情况是，第一透镜元件21会经历严酷的环境条件，因为当它被用于监控外部或被安装在汽车中(这是超广角成像光学系统的主要应用)时其位置最靠近物方。如果将树脂透镜元件用作第一透镜元件21，则可能无法保证第一透镜元件21具有足够的持久可用性。另一方面，在水平方向上视角大于180度的超广角成像光学系统中，第一透镜元件21的透镜直径可能会过大以确保宽视角。如果将非球面处理应用于具有这种大透镜直径的第一透镜元件21，则第一透镜元件21的生产成本可能会增大。考虑到这一点，将具有球面的玻璃透镜元件用作最靠近物方的第一透镜元件，这能够抑制成本增大并确保持久可用性。

较佳地，除了具有变形表面的树脂透镜元件以外，超广角成像光学系统10还包括至少一个具有负光功率的树脂透镜元件以及至少一个具有正光功率的树脂透镜元件。在图1和2所示的示例中，在具有变形表面的透镜元件中，第一透镜组20的第三透镜元件23和第四透镜元件24都具有负的光功率，而第二透镜组30的第六透镜元件31具有正的光功率。

因为变形表面具有独特的表面配置，所以玻璃制模有可能增大处理或模制的成本。将树脂透镜元件用作具有变形表面的透镜元件降低了透镜元件的生产成本。然而，一般地讲，与玻璃材料相比，树脂材料因温度变化而导致的表面配置变化或折射率变化更大。因此，如果环境温度有变化的话，成像光学系统的性能变化即焦点位置的移动或场曲的变化可能会过大。考虑到这一点，超广角成像光学系统10中要包括至少一个具有负光功率的树脂透镜元件和具有正光功率的树脂透镜元件，使得因温度变化而导致的焦点位置移动或场曲变化可以被具有负的和正的光功率的透镜元件来抵消。这能够抑制如果所处环境温度发生变化而导致的与光学系统整体有关的性能变化。

在使用树脂透镜元件的情况下，假设第一透镜组20中最靠近孔径光阑40的树脂透镜元件例如第五透镜元件25具有焦距f_laf(对于具有变形表面的透镜元件例如第四透镜元件24而言，即指水平截面和垂直截面的焦距平均值)，并且第二透镜组30中最靠近孔径光阑40的树脂透镜元件例如第六透镜元件31具有焦距f_lar(对于具有变形表面的树脂透镜元件而言，即指水平截面和垂直截面的焦距平均值)，较佳地，f_laf/f_lar的值可以满足下面的条件公式(3)。

-0.5＜f_laf/f_lar＜0.0    …(3)

这种配置能够很容易地校正球面像差或场曲，并能够确保光学系统的后焦点调节。

较佳地，条件公式(3)中的值f_laf/f_lar可以满足下面的条件公式(3)’。

-0.45＜f_laf/f_lar＜-0.25    …(3)’

如果f_laf/f_lar的值在条件公式(3)’的下限之下，则相对于孔径光阑40更靠近物方的树脂透镜元件的焦距可能过大，或相对于孔径光阑40更靠近像方的树脂透镜元件的焦距可能过小。结果，当环境温度变化时，相对于孔径光阑40更靠近像方的树脂透镜元件可能使性能变化过大。这使得很难用相对于孔径光阑40更靠近物方的树脂透镜元件来抵消性能变化。另一方面，如果f_laf/f_lar的值超过条件公式(3)’的上限，则相对于孔径光阑40更靠近物方的树脂透镜元件的焦距可能过小，或相对于孔径光阑40更靠近像方的树脂透镜元件的焦距可能会过大。结果，当环境温度发生变化时，相对于孔径光阑40更靠近物方的树脂透镜元件可能会使性能变化过大。这使得很难用相对于孔径光阑40更靠近像方的树脂透镜元件来抵消性能变化。

在如此构成的超广角成像光学系统10中，在使用水平方向上具有例如超宽视角而垂直方向上具有更小的视角的光学系统的情况下，可以提供具有更少的图像失真、更小的像差等优点的光学系统。

在图像传感器52是具有长边和短边的矩形的情况下，长边方向最好基本上与具有短焦距和预期的宽视角的超广角成像光学系统10的水平截面的延伸方向一致。在具有这种较佳配置的情况下，在图像传感器52的长边方向上即与要求超宽视角的水平截面有关的长边方向上可以确保足够大的图像高度，并且在图像传感器52的短边方向上即与不要求宽视角的垂直截面有关的短边方向上可以减小图像高度。这能够确保水平方向上的超宽视角，同时能够防止垂直方向上的视角过大。

<关于图像感测装置的实施例描述>

如图3A和3B所示，具有上述配置的超广角成像光学系统10适用于装入车载照相机1内，以便拍摄汽车6周围的区域。车载照相机1被安装在汽车6后部的预定位置，以拍摄汽车6的后面区域。由车载照相机1拍摄下来的物体图像被显示在未示出的监视器上，该监视器可以安装在汽车6的仪表板上。如图3A所示，考虑到通常不需要在汽车6的向上方向即路面的垂直方向上进行观察，所以车载照相机1顷斜安装在斜向下的方位中，其光轴AX斜向下延伸。因此，垂直方向上的视角被定义为相对较窄的视角φ1。另一方面，如图3B所示，在汽车6的宽度方向上即相对于路面的水平方向上要求宽视角，以确保宽广的视野。考虑到这一点，水平方向上的视角被定义为相对较宽的视角φ2。在图3B的示例中，水平方向上的视角等于或小于180度。然而，根据条件，在水平方向上可以要求视角大于180度。考虑到上述这些，超广角成像光学系统10以这样一种方式被装入车载照相机1中，使得超广角成像光学系统10中设置宽视角的那个方向与汽车6的宽度方向一致。

图4是示出了车载照相机1的电学配置的功能方框图。车载照相机1包括成像部分70、图像发生器71、图像数据缓冲器72、图像处理器73、控制器74、存储装置75和监视器76。

成像部分70具有包括超广角成像光学系统10的成像透镜设备101以及图像传感器52。来自物体的光线通过超广角成像光学系统10在图像传感器52的光接收平面上被接收，由此形成了物体的光学图像。图像传感器52将超广角成像光学系统10所形成的物体光学图像转换为电信号即R(红)G(绿)B(蓝)各颜色成分的图像信号，并且向图像发生器71输出这些图像信号，作为各颜色成分的图像信号。图像传感器52在控制器74的控制下，执行诸如拍摄静态图像或移动图像(在本情形中，主要是监控移动图像)的操作以及从图像传感器52的各个像素中读取输出信号(例如，水平同步、垂直同步和转移)的操作等成像操作。

图像发生器71对来自图像传感器52的模拟输出信号执行放大处理、数字转换处理等处理，并且基于这些图像信号来执行与图像整体有关的公知的图像处理，比如黑色电平转换以获得最佳的黑色电平、伽马校正、白平衡调节(WB调节)、轮廓校正、色调发暗校正等，从而产生各个像素的图像数据。由图像发生器71所产生的图像数据被输出到图像数据缓冲器72。图像数据缓冲器72暂时存储图像数据，并且充当要被用作工作区域的存储器，其中图像处理器73执行下述与图像数据有关的处理。图像数据缓冲器72的一个示例是RAM(随机存取存储器)。

图像处理器73是用于执行图像处理(比如与图像数据缓冲器72中所存储的图像数据有关的分辨率转换)的电路。或者，根据需要，图像处理器73可以被配置成校正无法由超广角成像光学系统10来校正的像差。

例如，控制器74具有例如微处理器，并且控制车载照相机1的各个部件(即成像部分70、图像发生器71、图像数据缓冲器72、图像处理器73、存储装置75和监视器76)的操作。换句话说，控制器74控制成像部分70主要拍摄汽车6后方区域中的物体移动图像。

存储装置75是用于存储图像数据的存储器电路，该图像数据是通过拍摄物体的静态图像或移动图像而产生的。例如，存储装置75被设置成带有ROM(只读存储器)和RAM。换句话说，存储装置75具有存储静态图像和移动图像的存储器的功能。

监视器76包括液晶显示屏，被置于汽车6的内部，并且显示汽车6后方区域中被成像部分70拍摄到的物体的移动图像。

现在描述具有上述配置的车载照相机1的成像操作。例如，响应于按下监视器上所设置的按钮，或响应于选择汽车6的倒挡操作，车载照相机1的成像操作便启动了。当成像操作启动时，控制器74控制成像部分70拍摄物体的移动图像。在拍摄移动图像的过程中，汽车6后方区域中的物体的光学图像周期性地形成于图像传感器52的光接收平面上。在物体光学图像转换为RGB各颜色成分的图像信号之后，这些图像信号被输出到图像发生器71。然后，这些图像信号被暂时存储在图像数据缓冲器72中。在图像处理器73进行过图像处理之后，处理过的信号被转移到存储装置75，接下来作为移动图像被显示在监视器76上。这样，汽车6的驾驶员可以确认原来为盲区的后方区域的状况。

除了用于形成物体的光学图像的超广角成像光学系统10以外，成像透镜设备101还可以具有与光学低通滤波器相对应的平面平行板。光学低通滤波器的示例是由其晶轴方向与预定方向对准的石英或相似的材料制成的双折射低通滤波器以及能够通过衍射效应提供所要求的遮光频率特征的相位低通滤波器。

光学低通滤波器也不是必须要设置。或者，作为光学低通滤波器的替代，可以设置红外截止滤光片，以减小图像传感器52所输出的图像信号中所包括的噪声。此外，通过在光学低通滤波器的表面上涂敷红外反射涂层，便可以在一个元件中同时设置光学低通滤波器和红外截止滤光片的两项功能。

上文描述的是关于将本发明的超广角成像光学系统10装入车载照相机1中的示例。或者，本发明的超广角成像光学系统10可以应用于像安全照相机这样的监控照相机、数字设备、或相似的设备。数字设备的示例是移动电话、PDA(个人数字助理)、个人计算机、移动计算机以及这些设备的外围设备。

<关于成像光学系统的实践示例的描述>

在本部分中，将参照附图来描述图1和2所示的超广角成像光学系统10的示例性排列方式，具体地描述了用于构成如图3所示被装入车载照相机1中的成像透镜设备101的超广角成像光学系统10的示例性排列方式。

示例1

图5和6是横截面图即沿光轴(AX)纵向截取的光路图，示出了示例1的超广角成像光学系统10A中的透镜排列方式。图5示出了水平截面即yz-截面，而图6示出了垂直截面即xz-截面。超广角成像光学系统10A从物方起依次包括第一透镜组(Gr1)、孔径光阑(ST)、第二透镜组(Gr2)、覆盖玻璃(CG)以及图像传感器(SR)。

第一透镜组(Gr1)总共由五个透镜元件组成，即：向物方凸起的负的半月形透镜元件，作为第一透镜元件(L1)；向物方凸起的负的半月形透镜元件，作为第二透镜元件(L2)；其物体侧是变形非球面而其像方一侧是非球面的负透镜元件，作为第三透镜元件(L3)；其两个表面都是变形非球面的负透镜元件，作为第四透镜元件(L4)；以及双凸正透镜元件，作为第五透镜元件(L5)。第三透镜元件(L3)相对于水平截面而言是双凹负透镜元件，相对于垂直截面而言是向物方凸起的负的半月形透镜元件。此外，第四透镜元件(L4)相对于水平截面和垂直截面而言都是双凹负透镜元件。

第二透镜组(Gr2)总共由三个透镜元件构成，即：其两个表面都是变形非球面的正透镜元件，作为第六透镜元件(L6)；由双凸正透镜元件(L71)和向像方凸起的负的半月形透镜元件(L72)构成的胶合透镜元件，整体具有正的光功率，并且作为第七透镜元件(L7)；以及由向物方凸起的负的半月形透镜元件(L81)和双凸正透镜元件(L82)构成的胶合透镜元件，整体具有正的光功率，并且作为第八透镜元件(L8)。第六透镜元件(L6)相对于水平截面和垂直截面而言都是向像方凸起的正的半月形透镜元件。

图5和6中各个透镜表面所带的符号ri(i＝1，2，3，...)表示从物体侧起第i个透镜表面，带有星号^*的表面ri是非球面，并且带有标记#的表面ri是变形非球面。应该注意到，孔径光阑(ST)、覆盖玻璃(CG)的两个表面以及图像传感器(SR)的光接收平面也被视为表面。相同的定义适用于图7到10关于随后要描述的其它示例的光路图，并且图7到10中各符号的定义基本上与图5和6中的那些符号相同。然而，它们的意义并非完全一样。例如，在这些图中，最靠近物方的透镜表面标有相同的符号r1。然而，这并不意味着在这些示例中所有最靠近物方的透镜表面的曲率等都是完全一样的。

在上述排列方式中，来自物方的入射光按顺序传播经过第一透镜组(Gr2)的透镜元件(L1到L5)、孔径光阑(ST)、第二透镜组(Gr2)的透镜元件(L6到L8)以及覆盖玻璃(CG)，并且在图像传感器(SR)的光接收平面上形成物体的光学图像。然后，图像传感器(SR)将光学图像转换为电信号。根据需要，电信号经预定的数字图像处理、图像压缩、或相似的处理，并且作为监视器图像显示在预定的显示器(例如，图4所示的监视器76)上。

表格1、2和3描述了示例1的超广角成像光学系统10A中各透镜元件的结构数据。表格12(下文会描述到)示出了当条件公式(1)到(3)应用于示例1的超广角成像光学系统10A时在上述条件公式(1)到(3)中的各元件的数值。

表格1

透镜表面	曲率半径	各表面之间的轴向距离(毫米)	折射率	阿贝数值
					r1r2r3r4r5#r6#r7#r8#r9r10r11(光圈)r12#r13#r14r15r16r17r18r19r20r21r22(成像表面)	19.40010.00216.2945.887-35.7401.845-2.90811.517142.400-5.000∞-8.230-6.28514.725-4.000-7.19714.5063.950-19.648∞∞∞	1.3002.7891.3002.7661.3003.8002.0002.0002.000-0.2424.6972.0000.2003.3001.0000.2001.0003.5002.0003.0000.000	1.7859001.7859001.5251101.5251101.7859001.5251101.5891301.8466601.8466601.5168001.516800	43.929643.929656.221656.221643.929656.221661.240123.782623.782664.198864.2000

表格2

透镜表面	圆锥系数	非球面系数
						A	B	C	D
		r6	-0.9400	5.746E-03	-5.303E-04					8.060E-06	-1.149E-05

表格3

透镜表面	扩展的非球面系数
						r5	圆锥系数	RDX	RDY	KX	KY
0	6.623	-35.74	-0.1500	-0.1500
					AR		BR	CR	DR
1.892E-03	-2.325E-04	9.894E-06	-1.479E-07
				AP	BP		CP	DP
0.3967	-3.460E-04	2.603E-03	5.176E-02
				r7	圆锥系数		RDX	RDY	KX		KY
0	-214.2	-2.908	-0.1200			-0.1200
					AR		BR	CR	DR
-3.047E-03	6.718E-04	-8.296E-04	1.842E-04
					AP	BP	CP	DP
0.3802	0.1939	0.1173	0.1933
					r8	圆锥系数	RDX	RDY	KX		KY
0	5.005	11.52	0	0
						AR	BR	CR	DR
3.690E-03	1.1144E-04	-3.047E-04	1.094E-04
				AP		BP	CP	DP
0.2509	-0.4320	-6.020E-02	0.1333
				r12		圆锥系数	RDX	RDY	KX		KY
0	-49.63	-8.230	0		0
						AR	BR	CR	DR
-2.441E-04	6.638E-05	-9.665E-06	0
					AP	BP	CP	DP
0.8034	-0.4876	-0.2005	0
					r13	圆锥系数	RDX	RDY	KX		KY
0	-46.03	-6.285	0	0
						AR	BR	CR	DR
4.970E-04	-1.292E-09	2.220E-06	7.294E-07
				AP		BP	CP	DP
-0.2740	8.881	-0.5817	-0.1917

表格1从其左侧一栏起依次示出了各个透镜表面标号、各个透镜表面的曲率半径(单位：毫米)、光轴方向上各透镜表面组之间的距离(单位：毫米)即各表面之间的轴向距离、各个透镜元件的折射率以及各个透镜元件的阿贝数值。各表面之间的轴向距离是在假设包括光学表面和成像表面在内的一组对置表面之间的空间中存在空气作为介质的情况下计算出来的距离。如图5和6所示，各个透镜表面所附带的标号ri(i＝1，2，3，...)表示从物体侧起沿光路第i个光学表面；带有星号^*的表面ri是非球面，比如非球面配置的屈光表面或其折射率基本上等于非球面的折射率的表面；带有标记#的表面ri是变形非球面。此外，因为孔径光阑(ST)、覆盖玻璃(CG)的两个表面以及图像传感器(SR)的光接收平面是平的，所以它们各自的曲率半径都是无穷大(∞)。

表格2示出了关于被视为非球面的那些表面即表格1中带有星号^*的表面ri的非球面数据。透镜元件的非球面配置由下面的条件公式(4)来定义，其中透镜表面的顶点是原点，使用局部正交坐标系(x，y，z)，其中从物体朝着图像传感器的方向是正的z-轴方向。

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+\mathrm{SQRT}\{1-(1+k)c^2{h}^2\}}+{\mathrm{Ah}}^4+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}+{\mathrm{Eh}}^{12}{+\mathrm{Fh}}^{14}+{\mathrm{Gh}}^{16}+{\mathrm{Hh}}^{18}+{\mathrm{Jh}}^{20}...\left(4\right)$

其中

z：高度位置h处的z-轴位移(相对于透镜表面的顶点)；

h：垂直于z-轴的方向上的高度(h²＝x²+y²)；

c：透镜表面的顶点附近的曲率(＝1/曲率半径)；

A，B，C，D，E，F，G，H和J：第4、第6、第8、第10、第12、第14、第16、第18和第20级的非球面系数；以及

k：圆锥系数。

表格3示出了关于被视为变形非球面的那些表面即表格1中标有标记#的表面ri的扩展的非球面数据。透镜元件的非球面配置由下面的条件公式(5)来定义，其中透镜表面的顶点是原点并且使用了局部正交坐标系(x，y，z)，其中从物体朝着图像传感器的方向是正的z-轴方向。

$z=\frac{{\mathrm{CUXx}}^2+{\mathrm{CUYy}}^2}{1+\mathrm{SQRT}\{1-(1+\mathrm{KX}){\mathrm{CUX}}^2{x}^2-(1+\mathrm{KY}){\mathrm{CUY}}^2{y}^2\}}$

$+\mathrm{AR}\{1-\mathrm{AP})x^2+(1+\mathrm{AP})y^2{\}}^2+\mathrm{BR}\{(1-\mathrm{BP})x^2+(1+\mathrm{BP})y^2{\}}^3$

$+\mathrm{CR}\{1-\mathrm{CP})x^2+(1+\mathrm{CP})y^2{\}}^4+\mathrm{DR}(1-\mathrm{DP})x^2+(1+\mathrm{DP})y^2{\}}^5...\left(5\right)$

其中

z：z-轴方向上的位移(相对于透镜表面的顶点)；

x：x-轴方向上的位移(相对于光轴)；

y：y方向上的位移(相对于光轴)；

CUX：x-轴方向上透镜表面顶点附近的曲率(＝1/x-轴方向上的曲率半径＝1/RDX)；以及

CUY：y-轴方向上透镜表面顶点附近的曲率(＝1/y-轴方向上的曲率半径＝1/RDY)。

图11和12是光点图，示出了具有上述透镜排列方式和结构的示例1的超广角成像光学系统10A中的图像传感器(SR)的成像平面。光点图示出了当三束不同波长的光线(即波长为656.28nm的红光、波长为587.56nm的黄光也称为d-光、以及波长为435.84nm的蓝光)以不同的入射角入射到超广角成像光学系统10A上时要在图像传感器(SR)的成像平面上形成的光点。图11是示出了水平截面即yz-截面的光点图，而图12是示出了垂直截面即xz-截面的光点图。在图11和12的坐标轴中，α表示相对于图像传感器(SR)的x-轴即图像传感器(SR)的长边方向的角，而β表示相对于图像传感器(SR)的y-轴即图像传感器(SR)的短边方向的角。图11和12示出了示例1的超广角成像光学系统10A具有卓越的成像性能。

表格13和14(下文会描述)示出了超广角成像光学系统10A与水平截面和垂直截面有关的焦距(单位：毫米)和F-数值。表格13和14示出了示例1提供了焦距很短的牢固的光学系统。

示例2

图7和8是横截面图即沿光轴(AX)纵向截取的光路图，示出了示例2的超广角成像光学系统10B的透镜排列方式。图7示出了水平截面即vz-截面，而图8示出了垂直截面即xz-截面。超广角成像光学系统10B从物体侧起依次包括第一透镜组(Gr1)、孔径光阑(ST)、第二透镜组(Gr2)、覆盖玻璃(CG)以及图像传感器(SR)。

第一透镜组(Gr1)总共由五个透镜元件构成，即：向物方凸起的负的半月形透镜元件，作为第一透镜元件(L1)；向物方凸起的负的半月形透镜元件，作为第二透镜元件(L2)；其物体侧是变形非球面而其像方一侧是非球面的负透镜元件，作为第三透镜元件(L3)；其物体侧是复曲面的非球面而其像方一侧是变形非球面的负透镜元件，作为第四透镜元件(L4)；以及双凸正透镜元件，作为第五透镜元件(L5)。第三透镜元件(L3)相对于水平截面而言是双凹负透镜元件，而相对于垂直截面而言是向物方凸起的负的半月形透镜元件。第四透镜元件(L4)相对于水平截面而言是向像方凸起的负的透镜元件，而相对于垂直截面而言是在物体侧为平面的负透镜元件。图7和8中附带有符号T的表面表示复曲面的非球面。

第二透镜组(Gr2)总共由三个透镜元件构成，即：其两个表面都是变形非球面的正透镜元件，作为第六透镜元件(L6)；由双凸正透镜元件(L71)和向像方一侧凸起的负的半月形透镜元件(L72)构成的胶合透镜元件，整体具有正的光功率，并且作为第七透镜元件(L7)；以及由其物体侧为平面的负透镜元件(L81)和双凸正透镜元件(L82)构成的胶合透镜元件，整体具有正的光功率，并且作为第八透镜元件(L8)。第六透镜元件(L6)相对于水平截面和垂直截面而言都是向像方凸起的正的半月形透镜元件。

表格4、5、6和7描述了示例2的超广角成像光学系统10B中各透镜元件的结构数据。表格12(下文会描述到)示出了当条件公式(1)到(3)应用于示例2的超广角成像光学系统10B时在上述条件公式(1)到(3)中的各元件的数值。

表格4

透镜表面	曲率半径	各表面之间的轴向距离(毫米)	折射率	阿贝数值
					r1r2r3r4r5#r6#r7Tr8#r9r10r11(光圈)r12#r13#r14r15r16r17r18r19r20r21r22(成像表面)	19.27910.03217.4895.942-52.9621.658-1.223-5.25114.651-7.001∞-6.372-4.22611.498-4.029-11.847∞4.029-8.330∞∞∞	1.3192.9191.3002.4781.3003.8002.0002.0002.000-0.1424.7362.0000.2003.3001.0000.2001.0003.5002.0003.0000.000	1.7859001.7859001.5251101.5251101.7859001.5251101.5891301.8466601.8466601.5891301.516800	43.929643.929656.221656.221643.929656.221661.240123.782623.782661.240164.2000

表格5

透镜表面	圆锥系数	非球面系数
						A	B	C	D
		r6	-0.9400	1.251E-03	2.065E-03					-6.694E-04	3.511E-05

表格6

透镜表面	扩展的非球面系数
						r5	圆锥系数	RDX	RDY	KX	KY
0	7.909	-52.96	-0.4500	-0.4500
					AR		BR	CR	DR
1.192E-03	-1.965E-04	6.231E-06	-5.066E-08
				AP	BP		CP	DP
0.5228	7.922E-02	6.992E-02	0.1415
				r8	圆锥系数		RDX	RDY	KX		KY
0	6.422	-5.251	0			0
					AR		BR	CR	DR
6.873E-03	-5.562E-05	6.173E-05	6.400E-06
					AP	BP	CP	DP
0.4938	-0.8732	0.6233	-0.2870
					r12	圆锥系数	RDX	RDY	KX		KY
0	-9.043	-6.372	0	0
						AR	BR	CR	DR
-1.597E-03	3.3363E-05	-4.160E-05	1.5033E-06
				AP		BP	CP	DP
5.363E-02	-0.9054	4.095E-02	0.1200
				r13		圆锥系数	RDX	RDY	KX		KY
0	-5.784	-4.226	0		0
						AR	BR	CR	DR
2.220E-04	-5.449E-05	9.797E-07	-1.554E-06
					AP	BP	CP	DP
0.5738	0.1296	-0.9281	-5.949E-02

表格7

透镜表面	复曲面系数
					r7	圆锥系数	RDX	RDY
0	∞	-1.223
			A	B		C	D
3.085E-03	2.532E-03	2.960E-04						1.860E-04

表格4到6对应于示例1中表格1到3。表格7示出了被视为复曲面非球面的那些表面即表格4中带有符号“T”的表面ri的复曲面系数。透镜元件的非球面配置由下面的条件公式(6)来定义，其中透镜表面的顶点是原点，使用局部正交坐标系(x，y，z)，其中从物体朝着图像传感器的方向是正的z-轴方向。相同的定义适用于下文要描述的示例3中的复曲面的非球面。

$z=\frac{{\mathrm{cy}}^2}{1+\mathrm{SQRT}\{1-(1+k)c^2{y}^2\}}+{\mathrm{Ay}}^4+{\mathrm{By}}^6+{\mathrm{Cy}}^8+{\mathrm{Cy}}^{10}...\left(6\right)$

其中

z：高度位置h处的z-轴位移(相对于透镜表面的顶点)；

y：y-轴方向上的位移；

c：y-轴方向上透镜表面顶点附近的曲率(＝1/y-轴方向上的曲率半径＝1/RDY)；

A，B，C和D：第4、第6、第8、第10阶非球面系数；以及

k：圆锥系数。

x-轴相对于y-轴绕着曲率的中心RDX旋转。因此，由x-轴定义的轨道平面相对于y-z平面而言是非球面的，并且相对于x-z平面而言是圆形的。

示例3

图9和10是横截面图即沿光轴(AX)纵向截取的光路图，示出了示例3的超广角成像光学系统10C的透镜排列方式。图9示出了水平截面即yz-截面，而图10示出了垂直截面即xz-截面。超广角成像光学系统10C从物体侧起依次包括第一透镜组(Gr1)、孔径光阑(ST)、第二透镜组(Gr2)、覆盖玻璃(CG)以及图像传感器(SR)。

第一透镜组(Gr1)总共由五个透镜元件构成，即：向物方凸起的负的半月形透镜元件，作为第一透镜元件(L1)；向物方凸起的负的半月形透镜元件，作为第二透镜元件(L2)；其物体侧是变形非球面而其像方一侧是非球面的负透镜元件，作为第三透镜元件(L3)；其物体侧是复曲面的非球面而其像方一侧是变形非球面的负透镜元件，作为第四透镜元件(L4)；以及双凸正透镜元件，作为第五透镜元件(L5)。第三透镜元件(L3)相对于水平截面而言是双凹负透镜元件，而相对于垂直截面而言是向物方凸起的负的半月形透镜元件。第四透镜元件(L4)相对于水平截面而言是向像方凸起的负透镜元件，而相对于垂直截面而言是在物体侧为平面的负透镜元件。

第二透镜组(Gr2)总共由三个透镜元件构成，即：其两个表面都是变形非球面的正透镜元件，作为第六透镜元件(L6)；由双凸正透镜元件(L71)和向像方一侧凸起的负的半月形透镜元件(L72)构成的胶合透镜元件，整体具有正的光功率，并且作为第七透镜元件(L7)；以及由向物方凸起的负透镜元件(L81)和双凸正透镜元件(L82)构成的胶合透镜元件，整体具有正的光功率，并且作为第八透镜元件(L8)。第六透镜元件(L6)相对于水平截面和垂直截面而言都是向像方凸起的正的半月形透镜元件。

表格8、9、10和11描述了示例3的超广角成像光学系统10C中各透镜元件的结构数据。表格12(下文会描述到)示出了当条件公式(1)到(3)应用于示例3的超广角成像光学系统10C时在上述条件公式(1)到(3)中的各元件的数值。

表格8

透镜表面	曲率半径	各表面之间的轴向距离(毫米)	折射率	阿贝数值
					r1r2r3r4r5#r6#r7Tr8#r9r10r11(光圈)r12#r13#r14r15r16r17r18r19r20r21r22(成像表面)	19.40010.03716.8485.892-26.5151.911-1.557-10.95453.358-5.35∞-24.638-6.70028.089-4.000-7.011309.6593.950-7.278∞∞∞	1.3002.8521.3112.6851.3003.8002.0002.0002.000-0.2424.6262.0000.2003.3001.0000.2001.0003.5002.0003.0000.000	1.7859001.7859001.5251101.5251101.7859001.5251101.5891301.8466601.8466601.5168001.516800	43.929643.929656.221656.221643.929656.221661.240123.782623.782664.198864.2000

表格9

透镜表面	圆锥系数	非球面系数
						A	B	C	D
		r6	-0.9400	4.665E-03	-1.484E-03					4.897E-04	-5.721E-05

表格10

透镜表面	扩展的非球面系数
						r5	圆锥系数	RDX	RDY	KX	KY
0	9.283	-26.52	-0.1500	-0.1500
					AR		BR	CR	DR
1.399E-02	-1.295E-04	5.604E-06	-9.136E-08
				AP	BP		CP	DP
0.6096	0.1043	7.954E-02	9.558E-02
				r8	圆锥系数		RDX	RDY	KX		KY
0	6.436	-10.95	0			0
					AR		BR	CR	DR
6.266E-03	5.954E-04	-2.740E-04	7.384E-05
					AP	BP	CP	DP
0.3798	-0.1153	3.420E-02	0.1150
					r12	圆锥系数	RDX	RDY	KX		KY
0	-10.47	-24.64	0	0
						AR	BR	CR	DR
-6.779E-04	4.557E-05	-1.205E-05	0
				AP		BP	CP	DP
0.2577	-0.8575	-0.1728	0
				r13		圆锥系数	RDX	RDY	KX		KY
0	-6.216	-6.700	0		0
						AR	BR	CR	DR
9.047E-04	-1.822E-05	2.435E-06	-8.101E-07
					AP	BP	CP	DP
-0.2224	8.388E-02	-0.7666	-0.2180

表格11

透镜表面	复曲面系数
					r7	圆锥系数	RDX	RDY
0	∞	-1.557
			A	B		C	D
-4.302E-04	-3.316E-03	2.148E-03						-2.821E-05

表格12

	EX1	EX2	EX3
				fh：水平截面中的焦距	0.84	0.81	0.85
fv：垂直截面中的焦距	1.67	1.65	1.67
				(Ph-Pv)*(fh+fv)L3	-0.29284	-0.23863	-0.23748
(Ph-Pv)*(fh+fv)L4	-0.32408	-0.47109	-0.46984
				(Ph-Pv)*(fh+fv)L6	0.064571	0.038459	0.048806
f1af/f1ar	-0.01285	-0.36677	-0.38102
				ff/fr	0.733709	0.553113	0.54014
fv/fh	1.999775	2.040367	1.959005

图13到16是光点图，分别示出了具有上述透镜排列方式和结构的示例2和3的超广角成像光学系统10B和10C中的图像传感器(SR)的成像平面。具体来讲，关于示例2，图13是相对于水平截面即yz-截面的光点图，而图14是示出了垂直截面即xz-截面的光点图。关于示例3，图1 5是相对于水平截面即yz-截面的光点图，而图16是示出了垂直截面即xz-截面的光点图。图13到16示出了示例2和3的超广角成像光学系统10B和10C分别具有卓越的成像性能。表格13和14分别示出了示例2和3中与水平截面和垂直截面有关的焦距(单位：毫米)和F-数值。表格13和14示出了示例2和3分别提供了像示例1那样的牢固的光学系统。

表格13

焦距(毫米)

	H	V
			示例1	0.84	1.67
示例2	0.81	1.65
			示例3	0.85	1.67

表格14

F-数值

	H	V
			示例1	2.5	2.3
示例2	2.8	2.8
			示例3	2.8	2.3

如上所述，示例1、2和3中的超广角成像光学系统10A、10B和10C都具有卓越的光学性能。因此，发明人确信超广角成像光学系统10A、10B和10C适合用作能够在一个方向上即水平方向上确保广角又能够抑制图像失真等缺点的光学系统，这种光学系统常需要被装入车载照相机、安全照相机等设备中。

上述实施例实质上都包括具有下列安排的本发明。

本发明的一个方面涉及一种超广角成像光学系统，该光学系统从物体侧起依次包括第一透镜组、孔径光阑和第二透镜组。第一透镜组从最靠近物体侧的位置起依次包括向物方凸起的负的半月形透镜元件、负透镜元件和负透镜元件。第二透镜组包括多个正透镜元件。第一透镜组和第二透镜组分别包括至少一个变形表面，这些变形表面相对于在大致垂直于光轴的平面上沿第一方向延伸的第一截面和沿大致垂直于第一方向的第二方向延伸的第二截面而言具有不同的光功率。第一透镜组包括满足下列条件公式(1)的透镜元件：

-0.6＜(Ph-Pv)*(fh+fv)＜-0.1    …(1)

其中

Ph：在视角很大的第一方向上的光功率；

Pv：在视角很小的第二方向上的光功率；

fh：整个光学系统相对于第一方向的焦距；以及

fv：整个光学系统相对于第二方向的焦距。

根据上述安排，第一透镜组从最靠近物方的位置起依次包括向物方凸起的负的半月形透镜元件、负透镜元件和负透镜元件。在这种安排下，通过使用这三个负透镜元件，物体侧的第一透镜组的负的光功率可以按这种方式分束，使得以超广角入射的光在与成像平面相垂直的方向上逐步地折射。这能够减小场曲像差或像散。此外，因为最靠近物方的透镜元件的表面是向物方凸起的，所以可以防止以超广角入射到第一透镜表面上的离轴光线的折射过大。这也能够减小场曲像差或像散。此外，负透镜元件被置于第一透镜组中，正透镜元件被置于第二透镜组中，这能够确保光功率排列基本上等价于焦点后移排列。因此，在具有超广角和短焦距的光学系统中，可以确保足够的后焦点调节。

在上述安排下，在第一透镜组和第二透镜组中分别设置至少一个或多个变形表面。通过根据例如车载照相机中的方向来改变焦距使得在要求宽视角的水平方向上减小焦距而在不要求宽视角的垂直方向上增大焦距，这样便能够使对应于水平方向的第一方向上的焦点位置和对应于垂直方向的第二方向上的焦点位置基本上完全相同。

此外，通过满足条件公式(1)，在大致垂直于光轴的平面上可以使彼此正交的方向上的视角达到最佳，并且可以提供具有所期望的光学特性的超广角成像光学系统。如果条件公式(1)的元件的值低于条件公式(1)中的下限，则第一方向和第二方向之间的焦距差过大。因此，例如，如果第一方向上设置了宽视角，则透镜元件在第一方向上的光功率过大，这使得很难校正第一方向上的场曲或像散。另一方面，如果条件公式(1)的元件的值高于条件公式(1)中的上限，则第一方向和第二方向之间的焦距差过小。因此，例如，如果在第一方向上设置了足够宽的视角，则第二方向上的视角有可能过大。

较佳地，至少一个或多个相对于第一截面和第二截面具有不同光功率的表面形成相对于第一截面和第二截面的非球形。

在上述安排下，因为在第一截面和第二截面中设置了变形表面，所以可以实现紧凑的光学系统，同时能确保相对于第一截面和第二截面都具有高光学性能。其光功率相对于第一截面和第二截面各不相同的表面示例是圆柱形表面，其中，例如，第一截面是球形或非球形，第二截面是平面；或复曲面，其中，例如，第一截面是球形或非球形，第二截面是具有不同曲率的球形表面。然而，圆柱形表面或复曲面具有相对于第一截面或第二截面的平面或球面。这可能无法为具有宽视角的光学系统提供足够的像差校正或足够高的光学性能，或者可能产生过大的成像光学系统。不像圆柱形表面或复曲面那样，使第一截面和第二截面形成非球形能够提供足够的像差校正，还能够使成像光学系统紧凑。

较佳地，在第一透镜组中，最靠近物方的负的半月形透镜元件可以是具有球面的玻璃透镜元件。

通常，在超广角成像光学系统中，第一透镜元件即最靠近物方的负的半月形透镜元件具有在构成该超广角成像光学系统的透镜元件中最大的直径。使具有这种大直径的第一透镜元件形成非球形会增大第一透镜元件的生产成本。此外，当光学系统被用于监视外部或者要被安装到汽车中(这是超广角成像光学系统的主要用途)时，将塑料透镜元件用作第一透镜元件无法保持足够长的持久耐用性。考虑到这一点，将具有球面的玻璃透镜元件用作最靠近物方的第一透镜元件能够减小光学系统的生产成本并确保光学系统的持久耐用性。

较佳地，其表面相对于第一截面和第二截面的光功率不相同的透镜元件可以是由树脂材料制成的透镜元件，并且超广角成像光学系统可以包括至少一个具有负光功率的树脂透镜元件和至少一个具有正光功率的树脂透镜元件。

上述安排能够抑制具有变形表面的透镜元件的生产成本，还能够抑制因所处的环境温度变化而导致的光学性能变化。具体来讲，因为变形表面具有独特的表面配置，所以玻璃制模有可能增大处理或模制成本。将树脂透镜元件用作具有变形表面的透镜元件降低了透镜元件的生产成本。然而，一般说来，与玻璃材料相比，树脂材料因温度变化而具有更大的表面配置变化或折射率变化。因此，如果环境温度变化，则成像光学系统的光学性能变化即焦点位置移动或场曲变化可能会过大。考虑到这一点，具有负光功率的树脂透镜元件和具有正光功率的树脂透镜元件至少要各有一个被包括在超广角成像光学系统中，使得因温度变化而导致的焦点位置移动或场曲变化可以被具有正负光功率的透镜元件抵消。这能够减小与整个光学系统有关的性能变化，即使所处的环境温度发生变化。

较佳地，超广角成像光学系统可以满足下列条件公式(2)：

1.7＜fv/fh＜3.0    …(2)

如果条件公式(2)中的元件的值低于条件公式(2)中的下限，则相对于第一方向和第二方向的焦距差会过小。例如，如果在第一方向上设置了足够宽的视角，则第二方向上的视角可能过大。另一方面，如果条件公式(2)的元件的值超过条件公式(2)中的上限，则相对于第一方向和第二方向的焦距差会过大。在这种条件下，在设置了足够宽的视角的方向上的透镜元件的光功率过大，这使得很难校正相应方向上的场曲或像散。

较佳地，第一透镜组和第二透镜组中至少各有一个透镜元件可以是由树脂材料制成的透镜元件，并且超广角成像光学系统可以满足下列条件公式(3)：

-0.5＜f_laf/f_lar＜0.0    …(3)

其中

f_laf：第一透镜组中最靠近孔径光阑的树脂透镜元件的焦距；或者如果透镜元件相对于第一截面和第二截面具有不同的焦距，则f_laf是第一截面和第二截面的焦距平均值；以及

f_lar：第二透镜组中最靠近孔径光阑的树脂透镜元件的焦距；或者如果透镜元件相对于第一截面和第二截面具有不同的焦距，则f_lar是第一截面和第二截面的焦距平均值。

如果条件公式(3)中的元件的值低于条件公式(3)中的下限，则相对于孔径光阑而言更靠近像方的树脂透镜元件的焦距过小，这使得很难校正与相应截面有关的球面像差或场曲。另一方面，如果条件公式(3)中的元件的值超过条件公式(3)中的上限，则相对于孔径光阑而言彼此对置的树脂透镜元件的光功率具有完全相同的符号，换句话说，对置的树脂透镜元件的光功率都是正的或负的。这可能引起不可容忍的位移(该位移与基本上等价于焦点后移排列的光功率排列有关)，这可能很难确保所期望的后焦点调节。

本发明的另一个方面涉及一种超广角成像透镜设备，它包括超广角成像光学系统以及用于将物体的光学图像转变为电信号的图像传感器，其中超广角成像光学系统被配置成将物体的光学图像形成到图像传感器的光接收平面上。根据这种排列方式，超广角成像透镜设备可以如愿地用在车载照相机、安全照相机等设备中。这种排列方式能够实现在特定方向上具有宽视角并具有卓越的光学性能的超广角成像透镜设备。

本发明的又一个方面涉及一种图像感测装置，它包括超广角成像透镜设备以及用于控制超广角成像透镜设备和图像传感器来执行物体拍摄操作的控制器。这种安排能够提供一种图像感测装置，该装置包括一种在特定方向上具有宽视角的超广角成像透镜设备，具有卓越的光学性能，并且期望被用于安装在汽车中或用于监控区域。

尽管已经参照附图通过示例全面描述了本发明，但是应该理解，对于本领域的那些技术人员而言各种变化和修改都将是明显的。因此，除非这些变化和修改背离了本文所限定的本发明的范围，否则都应该将它们理解为包括在本文所限定的本发明的范围中。

Claims (10)

1.一种超广角成像光学系统，它从物体侧起依次包括：

第一透镜组；

孔径光阑；以及

第二透镜组，

所述第一透镜组从最靠近物体侧的位置起依次包括向物体侧凸起的负的半月形透镜元件、负透镜元件和负透镜元件，

所述第二透镜组包括多个正的透镜元件，

所述第一透镜组和所述第二透镜组各自包括至少一个变形表面，所述变形表面相对于在大致正交于光轴的平面上沿第一方向延伸的第一截面以及沿大致正交于所述第一方向的第二方向延伸的第二截面具有不同的光功率，并且

所述第一透镜组包括满足下列条件公式(1)的透镜元件：

-0.6＜(Ph-Pv)*(fh+fv)＜-0.1    ...(1)

其中

Ph：视角较大的第一方向上的光功率；

Pv：视角较小的第二方向上的光功率；

fh：整个光学系统在所述第一方向上的焦距；以及

fv：整个光学系统在所述第二方向上的焦距。

2.如权利要求1所述的超广角成像光学系统，其特征在于，

至少一个或多个相对于所述第一截面和第二截面而具有不同光功率的表面被形成相对于所述第一截面和第二截面的非球形。

3.如权利要求1所述的超广角成像光学系统，其特征在于，

在所述第一透镜组中，最靠近物体侧的负的半月形透镜元件是具有球面的玻璃透镜元件。

4.如权利要求1所述的超广角成像光学系统，其特征在于，

其表面光功率相对于所述第一截面和第二截面不相同的透镜元件是由树脂材料制成的透镜元件，以及

所述超广角成像光学系统包括至少一个具有负光功率的树脂透镜元件以及至少一个具有正光功率的树脂透镜元件。

5.如权利要求1所述的超广角成像光学系统，其特征在于，

所述超广角成像光学系统满足下列条件公式(2)：

1.7＜fv/fh＜3.0         ...(2)

6.如权利要求1所述的超广角成像光学系统，其特征在于，

所述第一透镜组和所述第二透镜组中分别有至少一个透镜元件是由树脂材料制成的透镜元件，以及

所述超广角成像光学系统满足下列条件公式(3)：

-0.5＜f_laf/f_lar＜0.0    ...(3)

其中

f_laf：所述第一透镜组中最靠近所述孔径光阑的树脂透镜元件的焦距；或者如果透镜元件具有相对于第一截面和第二截面不同的焦距，则f_laf是第一截面和第二截面的焦距的平均值；以及

f_lar：所述第二透镜组中最靠近所述孔径光阑的树脂透镜元件的焦距；或者如果透镜元件具有相对于第一截面和第二截面不同的焦距，则f_lar是第一截面和第二截面的焦距的平均值。

7.一种超广角成像透镜设备，包括：

a)超广角成像光学系统，所述超广角成像光学系统从物体侧起依次包括第一透镜组，

孔径光阑，以及

第二透镜组，

所述第一透镜组从最靠近物体侧的位置起依次包括向物体侧凸起的负的半月形透镜元件、负透镜元件和负透镜元件，

所述第二透镜组包括多个正透镜元件，

所述第一透镜组和所述第二透镜组各自包括至少一个变形表面，所述变形表面相对于在大致正交于光轴的平面上沿第一方向延伸的第一截面以及沿大致正交于所述第一方向的第二方向延伸的第二截面具有不同的光功率，并且

所述第一透镜组包括满足下列条件公式(1)的透镜元件：

-0.6＜(Ph-Pv)*(fh+fv)＜-0.1    ...(1)

其中

Ph：视角较大的第一方向上的光功率；

Pv：视角较小的第二方向上的光功率；

fh：整个光学系统在所述第一方向上的焦距；以及

fv：整个光学系统在所述第二方向上的焦距；以及

b)图像传感器，用于将物体的光学图像转变为电信号，其中所述超广角成像光学系统被配置成将所述物体的光学图像形成到所述图像传感器的光接收平面上。

8.如权利要求7所述的超广角成像透镜设备，其特征在于，在所述超广角成像光学系统中，至少一个或多个相对于所述第一截面和第二截面而具有不同光功率的表面被形成相对于所述第一截面和第二截面的非球形。

9.一种图像感测装置，包括：

a)超广角成像透镜设备，所述超广角成像透镜设备包括

a1)超广角成像光学系统，所述超广角成像光学系统从物体侧起依次包括

第一透镜组，

孔径光阑，以及

第二透镜组，

所述第一透镜组从最靠近物体侧的位置起依次包括向物体侧凸起的负的半月形透镜元件、负透镜元件和负透镜元件，

所述第二透镜组包括多个正透镜元件，

所述第一透镜组和所述第二透镜组各自包括至少一个变形表面，所述变形表面相对于在大致正交于光轴的平面上沿第一方向延伸的第一截面以及沿大致正交于所述第一方向的第二方向延伸的第二截面具有不同的光功率，并且

所述第一透镜组包括满足下列条件公式(1)的透镜元件：

-0.6＜(Ph-Pv)*(fh+fv)＜-0.1    ...(1)

其中

Ph：视角较大的第一方向上的光功率；

Pv：视角较小的第二方向上的光功率；

fh：整个光学系统在所述第一方向上的焦距；以及

fv：整个光学系统在所述第二方向上的焦距；以及

a2)图像传感器，用于将物体的光学图像转变为电信号，

所述超广角成像光学系统被配置成将所述物体的光学图像形成到所述图像传感器的光接收平面上；以及

b)控制器，用于控制所述超广角成像透镜设备和所述图像传感器去执行所述物体的拍摄操作。

10.如权利要求9所述的图像感测装置，其特征在于，

所述超广角成像光学系统满足下列条件公式(2)：

1.7＜fv/fh＜3.0    ...(2)

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