CN210270353U - 一种低畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑、后透镜组以及像面；所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；后透镜组包括自前向后依次设置的第四透镜、第五透镜和第六透镜；第四透镜和第五透镜组成双胶合透镜，第一透镜为弯月形负光焦度球面透镜，第二透镜为弯月形负光焦度球面透镜，所述第三透镜为弯月形正光焦度球面透镜，第四透镜为双凸正光焦度球面透镜，所述第五透镜为弯月形负光焦度球面透镜，所述第六透镜为弯月形正光焦度非球面透镜。本实用新型能够通过较为简单的结构以及较小的尺寸实现低畸变的效果。

Description

一种低畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统

技术领域

本实用新型涉及光学成像技术领域，更具体地说涉及一种低畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统。

背景技术

鱼眼镜头光学系统具有接近或超过180°的视场角，可以获得超大范围的景物成像而广泛应用于安防、监控等领域。

鱼眼镜头光学系统追求超大视场、高分辨率以及轻小型化的性能指标，但现有适用于全景相机的鱼眼镜头光学系统大多存在结构较为复杂，尺寸较大等缺陷。随着人们对全景成像图像性能需求的提升，除了实现高清晰成像外，要求全画幅图像实现低畸变，以适应后续电子学图像校正算法获得更佳视觉体验效果的低失真图像。但现有鱼眼镜头光学系统存在畸变大的缺陷。

当今市场急需一种低畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，能够通过较为简单的结构以及较小的尺寸实现低畸变的效果。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种低畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统。仅采用一片非球面透镜，透镜数量少、成像像质优异、结构紧凑，且全画幅的畸变大幅减小，有益于提升全景相机光学系统的应用水平。

本实用新型解决其技术问题的解决方案是：提出一种低畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑、后透镜组以及像面；

所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；

所述后透镜组包括自前向后依次设置的第四透镜、第五透镜和第六透镜；

所述第四透镜和第五透镜组成双胶合透镜，所述第一透镜为弯月形负光焦度球面透镜，所述第二透镜为弯月形负光焦度球面透镜，所述第三透镜为弯月形正光焦度球面透镜，所述第四透镜为双凸正光焦度球面透镜，所述第五透镜为弯月形负光焦度球面透镜，所述第六透镜为弯月形正光焦度非球面透镜。

作为上述技术方案的进一步改进，所述前透镜组的光焦度为φA，所述后透镜组的光焦度为φB，整个光学系统的光焦度为φ，所述φA、φB以及φ之间满足如下关系：

-0.18≤φA/φ≤-0.12；

0.40≤φB/φ≤0.48。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第三透镜靠近光阑的光学面为第一光学面，所述第四透镜靠近光阑的光学面为第二光学面，所述光学系统的轴上视场的边缘光线在所述第一光学面的高度值为h1，所述光学系统的轴上视场的边缘光线在所述第二光学面的高度值为h2，其中h1和h2的比值满足：

0.92≤h1/h2≤0.98。

作为上述技术方案的进一步改进，所述光阑与所述第三透镜的中心距离为L1，所述光阑与所述第四透镜的中心距离为L2，所述L1与L2的比值满足：

0.52≤L1/L2≤0.75。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第二透镜的材质为镧火石玻璃，所述第三透镜的材质为重火石玻璃，所述第四透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第五透镜的材质为重火石玻璃，所述第六透镜的材质为E48R材料。

作为上述技术方案的进一步改进，所述光学系统的总光焦度为φ，所述第一透镜的光焦度为φA1，所述第二透镜的光焦度为φA2，所述第三透镜的光焦度为φA3，所述第四透镜与所述第五透镜的组合光焦度为φB12，所述第六透镜的光焦度为φB3，所述φ、φA1、φA2、φA3、φB12和φB3满足如下关系：

-0.22≤φA1/φ≤-0.18；

-0.51≤φA2/φ≤-0.45；

0.28≤φA3/φ≤0.35；

0.25≤φB12/φ≤0.32；

0.20≤φB3/φ≤0.24。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括滤光片，所述滤光片设置于所述像面与所述后透镜组之间。

本实用新型的有益效果是：本实用新型光学系统长度仅8.2mm，同等指标下尺寸大幅缩短，有利于全景相机的小型化设计，丰富了全景相机的应用场景；通过较为简单的结构实现图像失真小的成像效果；采用一块非球面透镜，提高了像差校正能力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1为本实用新型光学系统的光路结构示意图；

图2为本实用新型光学系统的光学传递函数曲线；

图3为本实用新型光学系统在全视场的畸变分布曲线。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本实用新型的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本实用新型创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

实施例1，参照图1，提出一种低畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑700、后透镜组以及像面800；

所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300；

所述后透镜组包括自前向后依次设置的第四透镜400、第五透镜500和第六透镜600；

所述第四透镜400和第五透镜500组成双胶合透镜，所述第一透镜100为弯月形负光焦度球面透镜，所述第二透镜200为弯月形负光焦度球面透镜，所述第三透镜300为弯月形正光焦度球面透镜，所述第四透镜400为双凸正光焦度球面透镜，所述第五透镜500为弯月形负光焦度球面透镜，所述第六透镜600为弯月形正光焦度非球面透镜。

作为本方案的优选实施方式，所述前透镜组的光焦度为φA，所述后透镜组的光焦度为φB，整个光学系统的光焦度为φ，所述φA、φB以及φ之间满足如下关系：

-0.18≤φA/φ≤-0.12；

0.40≤φB/φ≤0.48。

作为本方案的优选实施方式，所述第三透镜300靠近光阑700的光学面为第一光学面，所述第四透镜400靠近光阑700的光学面为第二光学面，所述光学系统的轴上视场的边缘光线在所述第一光学面的高度值为h1，所述光学系统的轴上视场的边缘光线在所述第二光学面的高度值为h2，其中h1和h2的比值满足：

0.92≤h1/h2≤0.98。

作为本方案的优选实施方式，所述光阑700与所述第三透镜300的中心距离为L1，所述光阑700与所述第四透镜400的中心距离为L2，所述L1与L2的比值满足：

0.52≤L1/L2≤0.75。

作为本方案的优选实施方式，所述第一透镜100的材质为重镧火石玻璃，所述第二透镜200的材质为镧火石玻璃，所述第三透镜300的材质为重火石玻璃，所述第四透镜400的材质为重镧火石玻璃，所述第五透镜500的材质为重火石玻璃，所述第六透镜600的材质为E48R材料。在本方案中所述第六透镜600的非球面面型满足如下高次非球面矢高方程：

式中，c为曲率半径，y为径向坐标，k为圆锥二次曲线常数，A～G分别为不同阶数所对应的的系数(不同阶数的系数是特定非球面面型的参数)，通过以上方程可以计算出非球面任意位置的矢高Z。

作为本方案的优选实施方式，所述光学系统的总光焦度为φ，所述第一透镜100的光焦度为φA1，所述第二透镜200的光焦度为φA2，所述第三透镜300的光焦度为φA3，所述第四透镜400与所述第五透镜500的组合光焦度为φB12，所述第六透镜600的光焦度为φB3，所述φ、φA1、φA2、φA3、φB12和φB3满足如下关系：

-0.22≤φA1/φ≤-0.18；

-0.51≤φA2/φ≤-0.45；

0.28≤φA3/φ≤0.35；

0.25≤φB12/φ≤0.32；

0.20≤φB3/φ≤0.24。

作为本方案的优选实施方式，还包括滤光片900，所述滤光片900设置于所述像面800与所述后透镜组之间。在本实施例中通过在像面800与后透镜组之间增设滤光片900，能够根据需要的范围获取光谱，本实施例中设定获取的光谱范围为436nm～656nm。

本方案低畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统的具体参数为以下：

焦距0.92mm；相对孔径D/f为1/2.2；视场角为210°；光学系统总长8.2mm，后工作距离(第六透镜600到像面800的距离)为1.80mm。

本实用新型光学系统采用反远距的光学结构型式，由于成像视场达到210°以上，为降低超大视场带来的视场像差如像散以及场曲，前透镜组在最前端采用了两个负光焦度的透镜(第一透镜100以及第二透镜200)，获得较大的主光线倍率倒数值，从而降低后透镜组像差校正的压力。

本实用新型重点考虑了在保证高像质的前提下实现了高度紧凑的小型化设计以及低畸变的设计，从而进行了相应的创新性设计。首先，当光学系统长度缩短时，各组透镜的光焦度增加，引起球差、彗差、像散、畸变等各种像差迅速增加，导致光学系统像质下降。本实用新型为了实现超广角光学系统的紧凑设计，通过光焦度的合理分配及光学材料的优化选择，对各种像差进行了较完善的校正，从而在缩短光学系统尺寸的同时获得高成像质量。

其次，本实用新型研究了在超大视场下畸变的校正方法，前、后透镜组光焦度进行了较大的失对称分配，前透镜组采用了负的光焦度型式，后透镜组采用较大的正光焦度型式，在此基础上校正了无穷远成像时引起的畸变像差。

在本实用新型中，如附图2所示，在360lp/mm时全视场平均传递函数值达到0.25，保证了在高分辨率解析像质。如附图3所示，全视场的畸变不超过10％，减少了边缘图像的压缩，有利于采用后续校正算法实现低失真的图像效果，尤其提高了边缘图像的成像质量。

本实用新型光学系统长度仅8.2mm，同等指标下尺寸大幅缩短，有利于全景相机的小型化设计，丰富了全景相机的应用场景；全视场传递函数平均值达到0.25@360lp/mm，实现了优异的成像质量；全视场畸变不超过10％，实现图像失真小的成像效果；采用一块塑料非球面透镜(第六透镜600)，既提高了像差校正能力，且与玻璃非球面透镜相比成本低廉，有利于批量化生产。

以上对本实用新型的较佳实施方式进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种低畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，其特征在于，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑、后透镜组以及像面；

所述前透镜组包括自前向后依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；

所述后透镜组包括自前向后依次设置的第四透镜、第五透镜和第六透镜；

所述第四透镜和第五透镜组成双胶合透镜，所述第一透镜为弯月形负光焦度球面透镜，所述第二透镜为弯月形负光焦度球面透镜，所述第三透镜为弯月形正光焦度球面透镜，所述第四透镜为双凸正光焦度球面透镜，所述第五透镜为弯月形负光焦度球面透镜，所述第六透镜为弯月形正光焦度非球面透镜。

2.根据权利要求1所述的一种低畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述前透镜组的光焦度为φA，所述后透镜组的光焦度为φB，整个光学系统的光焦度为φ，所述φA、φB以及φ之间满足如下关系：

-0.18≤φA/φ≤-0.12；

0.40≤φB/φ≤0.48。

3.根据权利要求1所述的一种低畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述第三透镜靠近光阑的光学面为第一光学面，所述第四透镜靠近光阑的光学面为第二光学面，所述光学系统的轴上视场的边缘光线在所述第一光学面的高度值为h1，所述光学系统的轴上视场的边缘光线在所述第二光学面的高度值为h2，其中h1和h2的比值满足：

0.92≤h1/h2≤0.98。

4.根据权利要求1所述的一种低畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述光阑与所述第三透镜的中心距离为L1，所述光阑与所述第四透镜的中心距离为L2，所述L1与L2的比值满足：

0.52≤L1/L2≤0.75。

5.根据权利要求1所述的一种低畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述第一透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第二透镜的材质为镧火石玻璃，所述第三透镜的材质为重火石玻璃，所述第四透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第五透镜的材质为重火石玻璃，所述第六透镜的材质为E48R材料。

6.根据权利要求2所述的一种低畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述光学系统的总光焦度为φ，所述第一透镜的光焦度为φA1，所述第二透镜的光焦度为φA2，所述第三透镜的光焦度为φA3，所述第四透镜与所述第五透镜的组合光焦度为φB12，所述第六透镜的光焦度为φB3，所述φ、φA1、φA2、φA3以及φB12满足如下关系：

-0.22≤φA1/φ≤-0.18；

-0.51≤φA2/φ≤-0.45；

0.28≤φA3/φ≤0.35；

0.25≤φB12/φ≤0.32；

0.20≤φB3/φ≤0.24。

7.根据权利要求1所述的一种低畸变小型化高分辨率鱼眼镜头光学系统，其特征在于：还包括滤光片，所述滤光片设置于所述像面与所述后透镜组之间。

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