CN104793321B - 超大视场鱼眼镜头 - Google Patents

超大视场鱼眼镜头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超大视场鱼眼镜头，光学***为4组5片结构，从左到右，透镜的组成形式为：具有负屈光度的第一组透镜和具有正屈光度的第二组透镜。第一组由物方到像方依次为第一块负透镜和第二块负透镜两块透镜组成；第二组由第三块正透镜、第四块正透镜和第五块负透镜三块透镜组成，其中第四块和第五块为胶合透镜，光阑位置位于第三块和第四块透镜之间。本光学***通过优化方法得到第一组透镜的参数，保证第二组的像差等抵消第一组带来的像差，本光学***有着结构简单，成像质量好的特点。

Description

超大视场鱼眼镜头
技术领域
本发明涉及一种光学镜头，特别是涉及一种光学广角镜头，应用于光学成像和影像采集设备技术领域。
背景技术
鱼眼镜头***是指视场角达到180°，甚至更大的一个光学***，最早提出是在1932年。早期的一些鱼眼镜头设计思路方法很简单，不能够很好的补偿光学***所产生的像差，因此，成像质量并不是很好。随着后期理论的逐渐完善，通过像差的补偿计算、以及光学软件的优化功能，可以得到高质量的成像***，但是，所得到的光学***一般比较复杂，镜头片数比较多，大大增加了制造技术和精度的难度，而且，前人的理论在鱼眼镜头设计上具有一定的局限性。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种超大视场鱼眼镜头，采用平面对称光学理论，第一组透镜是通过平面对称光学理论的优化基础上得到，第二组是在Tessar物镜的基础上，通过补偿第一组所带来的像差来优化得到，鉴于平面对称光学理论的通用性，得到非常好的成像效果。
为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：
一种超大视场鱼眼镜头，光学***为4组5片结构，沿着镜片公共的中轴线从左到右排列设置，透镜的组成形式为：具有负屈光度的第一组透镜和具有正屈光度的第二组透，第一组透镜由第一块负透镜和第二块负透镜两块透镜由左侧物方到右侧像方依次排列组成，第二组透镜由第三块正透镜、第四块正透镜和第五块负透镜三块透镜自左向右依次排列组成，其中第四块正透镜和第五块负透镜组合为双胶合透镜，即朝向像面的第四块正透镜的第四后镜面和朝向物面的第五块负透镜的第五前镜面完全贴合形成合二为一的公共透镜面，光阑位置位于第三块正透镜和第四块正透镜之间，第一块负透镜或第三块正透镜的曲面为非球面结构，其中第一块负透镜和第三块正透镜的非球面结构满足如下条件：
x'2+y'2＝a1z'+a2z'2 (ⅰ)
在上述式(ⅰ)中，a1＝2R0，R0是坐标原点处的曲率半径；a2是面型系数，对于a2＜-1、a2＝-1、-1＜a2＜0、a2＝0、和a2＞0时，式(ⅰ)分别代表扁椭圆面、球面、长椭圆面、抛物面和双
作为本发明优选的技术方案，整个光学***采用玻璃材料，第一块负透镜和第二块负透镜的材料皆采用折射率n为1.6986的N-LAK14，第三块正透镜的材料采用折射率n为1.6727的N-SF5，第四块正透镜的材料采用折射率n为1.48656的N-FK51，第五块负透镜的材料采用折射率n为1.80518的SFL6。
作为本发明的一种进一步优选的技术方案，朝向物面的第一块负透镜的第一前镜面的非球面系数为-0.4，朝向像面的第一块负透镜的第一后镜面和其他透镜的各镜面均为球面。
作为本发明的另一种进一步优选的技术方案，朝向物面的第一块负透镜的第一前镜面的非球面系数为-0.44，朝向物面的第二块负透镜的第二前镜面的非球面系数为-0.89，朝向像面第一块负透镜的第一后镜面、朝向像面第二块负透镜的第二后镜面和其他透镜的各镜面均为球面。
作为本发明上述方案的进一步优选的技术方案，光阑的孔形状为圆形，孔径直径接近5mm。
作为本发明上述方案的进一步优选的技术方案，设置其光学***的各元件的结构参数遵循如下评价函数：
在上述式(ⅱ)中，Qx(i)、Qy(i)是第i个视场的物点在像面上孔径光线像差在子午和弧矢方向的均方根值，Qc(i)、Qη(i)表示光学***的垂轴色差和轴向色差，εi、μi以及ηi是相应项的权重因子；Qx(i)和Qy(i)的计算表达式为：
在上述式(ⅲ)中，Wq和L分别为光束在光学***的朝向像面第五块负透镜的第五后镜面上沿子午(x)和弧矢(y)方向的投影长度；垂轴色差分量Qc(i)的计算表达式为：
Qc(i)＝|hF'-hC'| (ⅳ)
在上述式(ⅳ)中，hF'和hC'分别是F光和C光的主光线与像平面的交点与光轴的距离；通过主光线追迹方程计算得到如下的计算表达式为：
在上述式(ⅴ)中，ρg为第g个光学表面的曲率半径；h'、MlO'、ωg、βg、Γg、r0'的几何意义见说明书附图中的图(10)；轴向色差分量Qη(i)的计算表达式为：
在上述式(ⅵ)中，θD(i)是第i个视场角的D光在像方空间的光束半孔径角，r′mF(i)、r′mC(i)和r′mD(i)分别表示F光、C光和D光沿主光线在最后光学面和像面之间的距离，ωn(i)表示光学***的像方视场角。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明超大视场鱼眼镜头采用平面对称光学理论，首先优化得到第一组的参数，然后根据该理论使得第二组来补偿第一组所产生的像差，适用于超过180°视场鱼眼镜头光学***，特别适合在鱼眼镜头相机的应用，尤其可用于相机镜头；
2.本发明超大视场鱼眼镜头光学***比较简单，镜头片数比较少，大大降低了制造广角镜头技术的精度和难度,得到更好的成像效果，成本更低。
附图说明
图1是本发明实施例一超大视场鱼眼镜头光学***的结构示意图。
图2中(a)和(b)分别为5°视场角时实施例一和实施例二鱼眼镜头光学***点列图。
图3中(a)和(b)分别为25°视场角时实施例一和实施例二鱼眼镜头光学***点列图。
图4中(a)和(b)分别为45°视场角时实施例一和实施例二鱼眼镜头光学***点列图。
图5中(a)和(b)分别为65°视场角时实施例一和实施例二鱼眼镜头光学***点列图。
图6中(a)和(b)分别为80°视场角时实施例一和实施例二鱼眼镜头光学***点列图。
图7中(a)和(b)分别为实施例一和实施例二的场曲曲线及对比图。
图8为本发明实施例一鱼眼镜头光学***的第一前镜面为非球面的MTF曲线对比图。
图9为本发明实施例二鱼眼镜头光学***的第一前镜面和第二前镜面为非球面的MTF曲线对比图。
图10是主光线经过本发明实施例一鱼眼镜头光学***的朝向像面第五块负透镜的第五后镜面和像面的交点示意图。
具体实施方式
以两块负弯型透镜加Tessar物镜结构为基础的鱼眼镜头光学***，本发明以平面对称光学理论为理论依据，兼顾技术成本等问题，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1～8和图10，一种超大视场鱼眼镜头，其特征在于，光学***为4组5片结构，沿着镜片公共的中轴线从左到右排列设置，透镜的组成形式为：具有负屈光度的第一组透镜和具有正屈光度的第二组透，第一组透镜由第一块负透镜和第二块负透镜两块透镜由左侧物方到右侧像方依次排列组成，第二组透镜由第三块正透镜、第四块正透镜和第五块负透镜三块透镜自左向右依次排列组成，第一组透镜、第二块负透、第三块正透镜、第四块正透镜和第五块负透镜的朝向物面的镜面从左到右依次为第一前镜面1、第二前镜面3、第三前镜面5、第四前镜面8和第五前镜面，第一组透镜、第二块负透、第三块正透镜、第四块正透镜和第五块负透镜的朝向像面的镜面从左到右依次为第一后镜面2、第二后镜面4、第三后镜面6、第四后镜面和第五后镜面10，其中第四块正透镜和第五块负透镜组合为双胶合透镜，即朝向像面的第四块正透镜的第四后镜面和朝向物面的第五块负透镜的第五前镜面完全贴合形成合二为一的公共透镜面9，光阑7位置位于第三块正透镜和第四块正透镜之间，第一块负透镜或第三块正透镜的曲面为非球面结构，其中第一块负透镜和第三块正透镜的非球面结构满足如下条件：
x'2+y'2＝a1z'+a2z'2 (ⅰ)
在上述式(ⅰ)中，a1＝2R0，R0是坐标原点处的曲率半径；a2是面型系数，对于a2＜-1、a2＝-1、-1＜a2＜0、a2＝0、和a2＞0时，式(ⅰ)分别代表扁椭圆面、球面、长椭圆面、抛物面和双曲面。
在本实施例中，参见图1，第一块负透镜和第二块负透镜的材料皆采用折射率n为1.6986的N-LAK14，第三块正透镜的材料采用折射率n为1.6727的N-SF5，第四块正透镜的材料采用折射率n为1.48656的N-FK51，第五块负透镜的材料采用折射率n为1.80518的SFL6。
在本实施例中，参见图1和下述表1，朝向物面的第一块负透镜的第一前镜面1的非球面系数为-0.4，朝向像面的第一块负透镜的第一后镜面2和其他透镜的各镜面均为球面，设置超大视场鱼眼镜头光学***的总体结构参数如下：
光学***总焦距为：EFL＝16.67；
光学***总长度：L＝95.49；
全视场角：0°≤2ω≤180°；
主波长：0.58756；
后焦距：lF＝38.93；
相对孔径：F/#＝5.65；
在本实施例中，参见图1，沿着各透镜元件的共同中轴线，第一组透镜、第二块负透、第三块正透镜、第四块正透镜和第五块负透镜的中间厚度分别为d1、d3、d5、d8和d9，第一后镜面2和第二前镜面3之间沿中轴线的距离、第二后镜面4和第三前镜面5之间沿中轴线的距离、第三后镜面6和光阑7的孔中心之间沿中轴线的距离、光阑7的孔中心和第四前镜面8之间沿中轴线的距离、第五后镜面10和像面之间沿中轴线的距离分别为d2、d4、d6、d7和d10。
在本实施例中，参见下表1，设置超大视场鱼眼镜头光学***的各组件参数如下：
表1.实施例一超大视场鱼眼镜头光学***的各组件参数表
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：
在本实施例中，参见图1～9和下述表2，朝向物面的第一块负透镜的第一前镜面1的非球面系数为-0.44，朝向物面的第二块负透镜的第二前镜面3的非球面系数为-0.89，朝向像面第一块负透镜的第一后镜面2、朝向像面第二块负透镜第二后镜面4和其他透镜的各镜面均为球面。设置超大视场鱼眼镜头光学***的总体结构参数如下：
光学***总焦距为：EFL＝14.64；
光学***总长度：L＝96.40；
全视场角：0°≤2ω≤180°；
主波长：0.58756；
后焦距：lF＝36.92；
相对孔径：F/#＝4.95。
在本实施例中，参见下表2，设置超大视场鱼眼镜头光学***的各组件参数如下：
表2.实施例二超大视场鱼眼镜头光学***的各组件参数表
实验对比分析：
上述实施例中的超大视场鱼眼镜头，设置其光学***的各元件的结构参数遵循如下评价函数：
在上述式(ⅱ)中，Qx(i)、Qy(i)是第i个视场的物点在像面上孔径光线像差在子午和弧矢方向的均方根值，Qc(i)、Qη(i)表示光学***的垂轴色差和轴向色差，εi、μi以及ηi是相应项的权重因子；Qx(i)和Qy(i)的计算表达式为：
在上述式(ⅲ)中，Wq和L分别为光束在光学***的最后光学镜面10上沿子午(x)和弧矢(y)方向的投影长度；垂轴色差分量Qc(i)的计算表达式为：
Qc(i)＝|hF'-hC'| (ⅳ)
在上述式(ⅳ)中，hF'和hC'分别是F光和C光的主光线与像平面的交点与光轴的距离；通过主光线追迹方程计算得到如下的计算表达式为：
在上述式(ⅴ)中，ρg为第g个光学表面的曲率半径；h'、MlO'、ωg、βg、Γg、r0'的几何意义见说明书附图中的图(10)；轴向色差分量Qη(i)的计算表达式为：
在上述式(ⅵ)中，θD(i)是第i个视场角的D光在像方空间的光束半孔径角，r′mF(i)、r′mC(i)和r′mD(i)分别表示F光、C光和D光沿主光线在最后光学面和像面之间的距离，ωn(i)表示光学***的像方视场角。
应用上述评价函数的公式(ⅱ)—(ⅵ)，得到此鱼眼***的评价函数值，见表3。
表3.鱼眼镜头评价函数及各分量值(×10-3)
图8为本发明实施例一鱼眼镜头光学***的第一前镜面为非球面的MTF曲线对比图，图中的曲线的空间频率分别为10线/毫米和30线/毫米；图9为本发明实施例二鱼眼镜头光学***的第一前镜面和第二前镜面为非球面的MTF曲线对比图，图中曲线的空间频率分别为10线/毫米和30线/毫米。本发明光学***通过优化方法得到第一组透镜的参数，保证第二组的像差等抵消第一组带来的像差。因此，本光学***有着结构简单，成像质量好的特点。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明超大视场鱼眼镜头的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种超大视场鱼眼镜头，其特征在于，光学***为两组5片结构，沿着镜片公共的中轴线从左到右排列设置，透镜的组成形式为：具有负屈光度的第一组透镜和具有正屈光度的第二组透，所述第一组透镜由第一块负透镜和第二块负透镜两块透镜由左侧物方到右侧像方依次排列组成，所述第二组透镜由第三块正透镜、第四块正透镜和第五块负透镜三块透镜自左向右依次排列组成，其中所述第四块正透镜和所述第五块负透镜组合为双胶合透镜，即朝向像面的所述第四块正透镜的第四后镜面和朝向物面的所述第五块负透镜的第五前镜面完全贴合形成合二为一的公共透镜面(9)，光阑(7)位置位于所述第三块正透镜和所述第四块正透镜之间，所述第一块负透镜或所述第三块正透镜的曲面为非球面结构，其中所述第一块负透镜和所述第三块正透镜的非球面结构满足如下条件：
x'2+y'2＝a1z'+a2z'2 (ⅰ)
在上述式(ⅰ)中，a1＝2R0，R0是坐标原点处的曲率半径；a2是面型系数，对于a2＜-1、a2＝-1、-1＜a2＜0、a2＝0、和a2＞0时，式(ⅰ)分别代表扁椭圆面、球面、长椭圆面、抛物面和双曲面；
所述第一块负透镜和所述第二块负透镜的材料皆采用折射率n为1.6986的N-LAK14，所述第三块正透镜的材料采用折射率n为1.6727的N-SF5，所述第四块正透镜的材料采用折射率n为1.48656的N-FK51，所述第五块负透镜的材料采用折射率n为1.80518的SFL6。
2.根据权利要求1所述超大视场鱼眼镜头，其特征在于：朝向物面的所述第一块负透镜的第一前镜面(1)的非球面系数为-0.4，朝向像面的所述第一块负透镜的第一后镜面(2)和其他透镜的各镜面均为球面。
3.根据权利要求1所述超大视场鱼眼镜头，其特征在于：朝向物面的所述第一块负透镜的第一前镜面(1)的非球面系数为-0.44，朝向物面的所述第二块负透镜的第二前镜面(3)的非球面系数为-0.89，朝向像面所述第一块负透镜的第一后镜面(2)、朝向像面所述第二块负透镜第二后镜面(4)和其他透镜的各镜面均为球面。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述超大视场鱼眼镜头，其特征在于：所述光阑(7)的孔形状为圆形，孔径直径接近5mm。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述超大视场鱼眼镜头，其特征在于：设置其光学***的各元件的结构参数遵循如下评价函数：
在上述式(ⅱ)中，Qx(i)、Qy(i)是第i个视场的物点在像面上孔径光线像差在子午和弧矢方向的均方根值，Qc(i)、Qη(i)表示光学***的垂轴色差和轴向色差，εi、μi以及ηi是相应项的权重因子；Qx(i)和Qy(i)的计算表达式为：
在上述式(iii)中，Wq和L分别为光束在光学***的最后光学镜面(10)上沿子午(x)和弧矢(y)方向的投影长度；垂轴色差分量Qc(i)的计算表达式为：
Qc(i)＝|hF'-hC'| (ⅳ)
在上述式(ⅳ)中，hF'和hC'分别是F光和C光的主光线与像平面的交点与光轴的距离；通过主光线追迹方程计算得到如下的计算表达式为：
在上述式(ⅴ)中，ρg为第g个光学表面的曲率半径；轴向色差分量Qη(i)的计算表达式为：
在上述式(vi)中，θD(i)是第i个视场角的D光在像方空间的光束半孔径角，r′mF(i)、r′mC(i)分别表示F光、C光沿主光线在最后光学面和像面之间的距离，ωn(i)表示光学***的像方视场角。
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