CN106168707B - 一种成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种成像装置，其包括两个结构相同的成像***，每个成像***就要有一个广角镜头和影像传感器，该广角镜头具有大于180度的视场角，且从物侧开始依次排列有前镜组部件、反射元件和后镜组部件，前镜组部件的光轴依次通过反射元件向后镜组部件弯曲，两个广角镜头所摄取的图像结合在一起获得4π弧度立体角的图像。每个广角镜头包括前镜组部件、独立的反射元件、后镜组部件。这种分离式的结构既可以减小两个镜头从光线入射方向第一片镜片之间的间距又利于组装生产。

Description

一种成像装置

技术领域：

本发明涉及一种光学成像装置。

背景技术：

现有的能够摄取4π立体角的图像捕获***，利用两个广角镜头来实现的。市面上较多见的方案是利用两颗独立的背对背的广角镜头来实现的。此类方案的特点是两个镜头分别和传感器组成模组后，光轴重合，以相反方向组成一个光学***。由于两个广角镜头所组成的成像***，其光轴方向的长度，叠加了每个镜头的总长。当镜头的解像力提高或者传感器的尺寸变大时，镜头需要更长的长度。

当两个超过180°角的广角镜头结合在一起时，两个广角镜头最大入射角光线之间存在互不重叠部分。以后该“互不重叠部分”被称为“不可成像部分”，无需说明，该“不可成像部分”应尽可能小。显而易见，此类镜头由于光轴方向的长度较长，其“不可成像部分”较大。

日本专利申请公开2010‐271675和中国专利申请公开103685886A通过光路转折装置来转折光路，可以缩短该互不重叠部分。为了进一步减小该“不可成像部分”，中国专利申请公开103685886A公开了一种共用反射装置和共用主体管部分的成像装置，称为一体式结构。虽然这种技术能够改善成像***在光轴方向的长度，缩短互不重叠部分，但是其需要将两个广角镜头拼装在一个保持架上，广角镜头的共用反射装置和主体管部分意味着在生产中要同时保证两颗广角镜头的性能，这也就意味着有一颗镜头不良，整个成像装置就会不良，大幅增加了生产中的不良率和不确定性，对于批量生产十分不利。随着传感器技术的提高和图像传输技术的发展，市场对于成像***的像素要求越来越高。当对应4K高像素的场合时，镜头的不良率会提高，引起成像***的不良率激增。因此，该技术在对应高像素的场合时存在装配复杂，精度要求高，不良率较高的缺点。

另外的一体式结构一旦确定，不可更改，无法根据客户需求调整外观，客制化程度低。一体式结构在光轴方向缩短了长度，但其牺牲的是垂直于光轴的方向。把光轴方向作为Z轴，当对于光路进行转折时，每个镜头的一部分长度转到了X轴和Y轴上。一体式结构共用反射装置，使得转折后的部分同时平行于X轴或者Y轴。显然，其X轴或者Y轴上的长度会增加，即增加垂直于光轴的某个方向的长度，不利于小型化。

发明内容：

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种可生产性好、对应高像素的场合时良品率高、外形可更改、客制化程度高的成像装置。

本发明的一种成像装置，由两个完全相同的第一成像***和第二成像***结合组成，两个成像***有相同的成像结构且互成中心对称；所述的成像结构包括一个超过180°视场角的广角镜头和用于摄取该广角镜头形成的图像的传感器；

所述的广角镜头均包括从物侧到像侧排列的前镜组部件、反射元件和后镜组部件，且前镜组部件的光轴通过反射元件的反射面向后镜组部件弯曲；通过将第一成像***和第二成像***摄取的图像结合在一起获得立体角为4π的图像，其特征在于：

第一成像***的第一广角镜头和第二成像***的第二广角镜头有各自独立的保持架、反射元件，所述的保持架通过连接装置结合在一起，使得第一广角镜头的前镜组部件和第二广角镜头的前镜组部件的光轴成一直线且镜头排列方向相互反向，第一广角镜头的后镜组部件和第二广角镜头的后镜组部件的光轴相互平行或成一定角度。

进一步，所述的保持架包括用于安装前镜组部件的前管和用于安装后镜组部件的后管，所述的前管与后管的光轴相互垂直；前管与后管之间的连接部内设置有反射元件，连接部上设有平台，所述的平台平行于前管的光轴、并垂直于后管的光轴，平台上开有安装圆孔；

用于连接保持架的连接装置包括上述的平台和安装圆孔，还包括设置在前管端部的定位圆孔和设置在后管侧壁上的定位圆柱，保持架的定位圆柱***另一保持架的定位圆孔内，保持架的平台与另一保持架的平台贴合，使两个保持架上的安装圆孔相会对齐后装入螺钉。

更进一步，本发明通过调节后镜组部件在保持架中相对位置，实现后焦调节的功能。后镜组部件在保持架中沿着光轴方向前后运动。后镜组部件余保持架不少于一段嵌合关系，后镜组部件外侧有对应保持架相对初始位置的环槽或其他标志性设计。初始位置大致对应后，通过外力调节后镜组部件在保持架中的相对位置，根据实际成像装置效果确认调焦完成，将后镜组部件固定在保持架中。

在保持架的外部，有用于承靠的平面基准，用于确定光轴的垂直程度，适用于单独的组装。

使用分离式结构，只需要保证单颗广角镜头的性能，两颗良品镜头组合就可以组成一个良品装置。

本发明可以扩大两个广角镜头之间的距离，并将其中一个围绕前镜组的光轴旋转一定角度。

本发明的优点：可生产性好，装配简便，良品率高，容易根据客户需求调整外观，客制化程度高，有利于小型化。

附图说明

增加附图说明背对背***不可拍摄区域。

图1是本发明***结构示意图。

图2是广角镜头实例一的MTF示意图。

图3是广角镜头实例一的轴向色差示意图。

图4是广角镜头实例一的像场弯曲示意图。

图5是广角镜头实例一的相对照度示意图。

图6是广角镜头实例二的结构示意图

图7是广角镜头实例二的场曲和轴向色差示意图

图8是广角镜头实例三的结构示意图

图9是广角镜头实例三的场曲和轴向色差示意图

图10是广角镜头实例的后镜组部件光轴反向180度状态机构示意图

图11是广角镜头实例的后镜组部件光轴0度状态示意图

图12是广角镜头实例的后镜组部件光轴90度状态示意图

图13是广角镜头实例的后镜组部件光轴135度状态示意图

图14是广角镜头实例的架体结构示意图

图15是广角镜头实例的反射元件示意图

图16是广角镜头实例的后镜组部件调焦装置之偏心调节结构示意图图17是广角镜头实例的偏心调节部件机构示意图

图18是广角镜头实例的后镜组部件调焦装置之螺纹传动结构示意图

具体实施方式

下面参照附图进一步说明本发明。

本发明的一种成像装置，如图1所示，由两个完全相同的第一成像***和第二成像***结合组成，两个成像***有相同的成像结构且互成中心对称；所述的成像结构包括一个超过180°视场角的广角镜头和用于摄取该广角镜头形成的图像的传感器。

光学***由第一成像***A和第二成像***B组成，每个成像***使用了8片镜片。

第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8在第一成像***A和第二成像***B中分别对应第一透镜LA1、第二透镜LA2、第三透镜LA3、第四透镜LA4、第五透镜LA5、第六透镜LA6、第七透镜LA7、第八透镜LA8和第一透镜LB1、第二透镜LB2、第三透镜LB3、第四透镜LB4、第五透镜LB5、第六透镜LB6、第七透镜LB7、第八透镜LB8。

前镜组由沿着第一光轴设置的第一透镜L1和第二透镜L2组成，第一透镜和第二透镜都为具有负焦距的弯月形透镜，并且满足：Nd>1.7，Vd>35，其中第二透镜L2靠近像侧。

后镜组由沿着第二光轴设置的玻璃弯月形第三透镜L3、由胶合的玻璃双凹第四透镜L4和玻璃双凸第五透镜L5、由玻璃双凸第六透镜L6、由胶合的玻璃玻璃双凹第七透镜L7和玻璃双凸第八透镜L8组成。其中第八透镜L8靠近像侧；

孔径光阑位于第三透镜LA3与第四透镜LA4之间；

第三透镜L3的焦距为正，并且满足：Nd>1.7；

第四透镜L4的焦距为负，并且满足：Nd>1.7；

第五透镜L5的焦距为正，并且满足：Nd>1.7；

第六透镜L6的焦距为正，并且满足：Vd>48；

第七透镜L7的焦距为负，并且满足：Nd>1.6；

第八透镜L8的焦距为正，并且满足：Vd>48；

其中，Nd表示透镜材料的d光折射率，Vd表示透镜材料的d光阿贝常数；

第一反射面RA设置在中心且与第一光轴与第二光轴都成45度角，第一光轴与第二光轴之间通过第一反射面RA实现光轴的90°旋转；

在后镜组的像侧安装有图像传感器。

进一步，第一透镜L1、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5均为高折射率玻璃透镜；

第八透镜L8为超低色散玻璃透镜；

第二透镜L2和第六透镜L6是玻璃“双非球面”透镜；

第四透镜L4和第五透镜L5共同组合成胶合件，并且该胶合件的胶合面弯向像方；

第七透镜L7和第八透镜L8共同组合成胶合件，并且该胶合件的胶合面弯向像方。

在每个广角镜头后镜组的像侧安装有图像传感器。如图1所示，SA和SB分别表示光学***由成像***A和成像***B中的图像传感器。

下面数据描述了本发明的三个广角镜头实例。

这些数据适用于每个单独的光学成像***。

下文中，数字1到19表示透镜表面、光阑表面和滤光片表面。“R”表示每个表面的曲率半径，并代表非球面的“近轴曲率”。“D”代表表面间距，“Nd”代表d线的折射率，且“vd”代表阿贝系数。此外，物距为无穷远。长度度量的单位为“mm”。

表中标有“*”的为非球面透镜。

本实例中L2和L6为非球面透镜，其中非球面透镜系数公式如下：

Z为透镜的sag值，c为曲率半径的倒数，h为透镜边到光轴的高度，k为圆锥系数，A、B、C、D和E分别代表高阶非球面系数。

实例一：

该实例的光学特性参数：焦距F＝1.33，相对孔径Fno＝2.0，视场角FOV＝190度。

表1提供一组透镜参数：

本实例非球面系数列于下表：

表面编号	S3	S4	S12	S13
					K	75.4223	‐0.7847	‐0.45	‐3.4806
A	1.2522E‐004	7.5887E‐004	‐4.6501E‐004	3.8711E‐003
					B	‐2.2324e‐005	5.7804e‐005	‐1.8946E‐004	‐2.8180e‐005
C	5.5633e‐007	‐8.5817e‐006	‐7.5788e‐005	‐6.0475e‐005
					D	‐4.3473e‐009	3.3873e‐007	‐1.4650e‐006	‐6.0525e‐006
E	‐9.2742e‐027	‐9.2761e‐027	‐9.2771e‐027	9.2741e‐027

图2是本实例中广角镜头的MTF示意图。图中横轴表示空间频率，单位：线对每毫米(lp/mm)；纵轴表示调制传递函数(MTF)的数值，所述MTF的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0‐1，MTF曲线越高越直表示镜头的成像质量越好，对真实图像的还原能力越强。图2中包括衍射极限21，轴线22，0.3Field(26.00°)时的R线23和T线24，0.7Field(63.00°)时的T线25和R线26，1.0Field(94.99°)时的R线27和T线28；从图2可见像质得到了很好的校正，可以实现1600万像素以上的输出性能。

图3是本实例中广角镜头的轴向色差示意图；一般要求横向色差在爱里斑范围内。对于光学成像***而言，用爱里斑直径衡量成像面分辨率的极限，爱里斑半径为r＝1.22λf/d；如果横向色差过大，会发现成像面上色彩不均匀。从图3可以看出，不同频率的光线的横向色差大部分都在爱里斑范围内，成像色差相对均匀，即轴向色差得到了很好的校正，可以实现清晰成像。

图4是本实例中广角镜头的像场弯曲示意图；场曲越大，拍摄一条直线时，这条直线就越弯曲，如果场曲存在一个甚至多个拐点，看到的直线会变成弯弯曲曲的线。从图4可见像面弯曲得到了较好的校正，虽然有着广角视场，但是全视场像质较为均匀。

图5是本实例中广角镜头的相对照度图；如图5可见在全视场能够保持75％以上的相对照度，使得像面整体照度均匀，避免了市面上一些镜头周边较暗的缺点。

通过上诉分析，表明本发明所设计的广角镜头在保持视场角大，周边光亮比高等特点的同时，还提高了镜头的解像力，使图像像素到达1600万。其中190°的视场角能有效减小每个镜头最大视场角光通量不相互重叠部分的图像。

以下两个实例不再做具体说明。

实施例二：

该实例的光学特性参数：焦距F＝1.28，相对孔径Fno＝2.03，视场角FOV＝190度。

表2提供一组透镜参数：

本实例非球面系数列于下表：

表面编号	S3	S4	S11	S12
					K	‐99.00	‐0.7759	‐0.5145	23.1018
A	7.1159e‐004	1.0255e‐003	‐4.3977e‐004	6.0740e‐003
					B	‐5.6583e‐005	6.9844e‐005	2.1293e‐004	1.7817e‐004
C	1.4175e‐006	‐1.6269e‐005	‐5.1714e‐005	‐4.6786e‐005
					D	‐1.3178e‐008	6.0862e‐007	3.9490e‐006	2.4520e‐006
E	‐1.1115e‐025	‐1.1118e‐025	‐1.1118e‐025	‐1.1118e‐025

图6和图7分别是实例二的结构示意图和场曲和轴向色差示意图。

实施例三：

该实例的光学特性参数：焦距F＝1.35，相对孔径Fno＝2.01，视场角FOV＝190度。

表3提供一组透镜参数：

本实例非球面系数列于下表：

图8和图9分别是实例三的结构示意图和场曲和轴向色差示意图。

图10表示为实施例所述的广角镜头使用状态半剖示意图，第一成像***的第一广角镜头和第二成像***的第二广角镜头有各自独立的保持架1、反射元件12，所述的保持架通过连接装置结合在一起，使得第一广角镜头的前镜组部件2和第二广角镜头的前镜组部件2的光轴成一直线且镜头排列方向相互反向，第一广角镜头的后镜组部件3和第二广角镜头的后镜组部件3的光轴相互平行或成一定角度。图10所示两个后镜组部件3的光轴所成角度为反向180度，此时两个广角镜头的前镜组部件2之间横向距离最小。

如图11‐13所示，分别为第一成像***与第二成像***后镜组部件3光轴角度成通向0度、90度、135度时，成像***中两个广角镜头所处的相对位置。

由图11‐13可知，根据客户需求，可以改变两个广角镜头之间的联接装置，两个光学***依然独立，客制化特性较强。

图11‐13，也可得知，旋转其中一个成像***的角度，可以缩短两个后镜组之间的纵向距离。尤其是如图11所示，当两个成像***后镜组部件3的光轴成0度同向时，纵向距离最短。

下面以图10中广角镜头的使用状态说明成像***的固定方法和装置。

如图14所示，所述的架体11设有一个定位圆孔111和一个定位圆柱112。所述的架体11设有两个安装圆孔，其中一个安装圆孔为安装圆孔113，另一个为安装圆孔114。所述的架体11设有一个调焦圆孔115。所述的定位圆孔111与定位圆柱112直径相同，且定位圆孔111与定位圆柱112位置分布情况为：两者到前镜组部件2光轴的垂直距离相等。所述的安装圆孔113与114位置分布情况为：两者到后镜组部件3光轴的垂直距离相等。

如图15所示，所述的反射表面元件12为斜边为45°的直角三角形棱镜。所述的反射表面元件12直角棱镜的S1面以及S3面镀有增透膜，S2面镀有反射膜。

具体安装过程和步骤如下：首先在架体11上安装一个光学成像***和一个反射元件12，所述的光学成像***配有一个超过180度视场角的广角镜头，所述的广角镜头包括前镜组部件2和后镜组部件3。所述的反射元件12安装在架体11相对应的安装面上。所述的前镜组部件2安装在保持架1前管相对应的镜组安装面上，所述的后镜组部件3安装在保持架1后管中。至此，单独一个光学成像***组装完成。

然后将两个单独的光学成像***按照前镜组部件2光轴直线大致对齐，后镜组部件3光轴方向180度大致对齐。分别将各自光学成像***架体11上的定位圆柱112对应于另一光学成像***架体11上的定位圆孔111，对齐后装入。此时两个光学成像***架体11上的安装圆孔113和114位置也会自动对齐。最后在安装圆孔113和安装圆孔114中装入两个锁付螺钉。

至此，本实例所述的成像装置的固定安装过程完成。

采用棱镜作为反射元件，使光路实现90°反转，大大减小了每个镜头最大视场角光通量不相互重叠部分的图像，并配合190°的广角镜头，实现全视角成像。采用将两个单独的超过180度视场角的光学成像***组装在一起的方法，达到获得立体角弧度为4π的图像的目的，减小了架体11的生产难度。

本实例所述的成像装置的调焦方式为：成像面位置不变，调节后镜组部件3在保持架1中的相对位置，实现后焦距离调节的功能。实现后镜组部件3在保持架1中运动的方式有偏心调节传动、螺纹传动等。

偏心调节的传动方式，机构包括保持架1、后镜组部件3、偏心调节部件4。

如图16所示，所述的保持架1上有1个直径为2mm的调焦圆孔115。所述的后镜组部件3表面包括宽度1.4mm的环形槽31。

所述的保持架1和后镜组部件3之间有不少于一段的内外径嵌合关系，后镜组部件3在保持架1内可相对滑动。所述嵌合面共有两段，分别为长嵌合面121和短嵌合面122。

如图17所示，所述的偏心调节部件4分为4段，按照外径大小从小到大分别是偏心柱41、配合柱42、承靠柱43、旋转柱44。其中偏心柱41的直径为1mm，与配合柱42的外圆内切。配合柱42的直径为2mm，与保持架1上的调焦圆孔115直径相同，在实际调焦过程中，配合柱42与调焦圆孔115相配合。承靠柱43的外端面为乘靠面431，其与调焦圆孔115外表面1151承靠。旋转柱44为手持旋转部位，通过旋转柱44的旋转，带动偏心柱41做圆周运动。

通过旋转偏心调节部件4上的旋转柱，从而带动偏心柱41前后偏移，由于偏心柱41与后镜组部件3上的环形槽31接触相切，使得后镜组部件3在保持架1内轴向微调运动，实现后镜组部件3调节后焦距离的功能。该全视角光学成像***中两个单边的光学成像***之间调焦不互相影响，减小了该全视场光学成像***的调焦难度。

偏心传动具体安装及调焦过程如下：

先将后镜组部件3装入保持架1，将对应环形槽31与主体管部件的调焦圆孔115位置大致对应，将该全视角光学成像***其他部件组装完成，进行图像检测。

使用偏心调节部件4，将偏心柱***调焦圆孔115，承靠面431与调焦圆孔外表面1151承靠，偏心柱与环形槽31会有接触，通过旋转柱44的旋转，偏心柱41与环形槽31一直保持相切的状态。

环形槽31会发生轴向微调的运动，后镜组部件3发生轴向的微调运动。根据环形槽31、调焦圆孔115、偏心柱41、配合柱42的尺寸，可以计算出前后微调运动的调节量为±0.3mm。该微调量足以满足***的后焦调节。

根据图像效果，决定后焦调节是否完成，若完成，则在调焦圆孔115与环形槽31中添加粘结剂，使后镜组部件3与保持架1的相对位置固定。

另一侧后镜组部件3的调焦过程与此相同。至此，全视角光学成像***的调焦过程完成。

另外一种后镜组部件3在保持架1中运动的调焦方式为螺纹传动方式。下面做一下简单的描述。

螺纹传动方式是将旋转运动变为直线运动的最简单的传动方式，机构包括保持架1，后镜组部件3。如图18所示，所述的保持架1包括架体11。架体11上有空槽116。所述的后镜组部件3为圆筒形部件，故自身的旋转量可以转化成轴向的移动量。后镜组部件3有一段传动螺纹32与保持架1配合，后镜组部件3与保持体1有不少于一段嵌合关系。所述的嵌合关系包括长嵌合面121、短嵌合面122。在长嵌合面处，后镜组3***有均匀分布的键槽33。保持架1外部有一处空槽116，所述的空槽116从外部可以直接看到裸露的后镜组部件3。外力作用在后镜组部件3上的键槽33上，使得后镜组部件3上的传动螺纹32与保持架1发生螺纹传动，使得后镜组部件3在保持架1中稳定准确慢速的直线运动，从而实现后焦距离调节功能。

尽管本发明采用实例的方式进行描述，但并不仅限于此。本领域技术人员可以理解在不偏离由权利要求书限定的本发明范围的情况下上述实施方式的各种变形都是可行的。

Claims (1)

1.一种成像装置，由两个完全相同的第一成像***和第二成像***结合组成，两个成像***有相同的成像结构且互成中心对称；所述的成像结构包括一个超过180°视场角的广角镜头和用于摄取该广角镜头形成的图像的传感器；

所述的广角镜头均包括从物侧到像侧排列的前镜组部件、反射元件和后镜组部件，且前镜组部件的光轴通过反射元件的反射面向后镜组部件弯曲；通过将第一成像***和第二成像***摄取的图像结合在一起获得立体角为4π的图像，其特征在于：

第一成像***的第一广角镜头和第二成像***的第二广角镜头有各自独立的保持架、反射元件，所述的保持架通过连接装置结合在一起，使得第一广角镜头的前镜组部件和第二广角镜头的前镜组部件的光轴成一直线且镜头排列方向相互反向，第一广角镜头的后镜组部件和第二广角镜头的后镜组部件的光轴相互平行或成一定角度；

所述的保持架包括用于安装前镜组部件的前管和用于安装后镜组部件的后管，所述的前管与后管的光轴相互垂直；前管与后管之间的连接部内设置有反射元件，连接部上设有平台，所述的平台平行于前管的光轴、并垂直于后管的光轴，平台上开有安装圆孔；

用于连接保持架的连接装置包括上述的平台和安装圆孔，还包括设置在前管端部的定位圆孔和设置在后管侧壁上的定位圆柱，保持架的定位圆柱***另一保持架的定位圆孔内，保持架的平台与另一保持架的平台贴合，使两个保持架上的安装圆孔相会对齐后装入螺钉；

通过调节后镜组部件在保持架中的相对位置，实现后焦调节的功能；后镜组部件在保持架中沿着光轴方向前后运动；后镜组部件与保持架不少于一段嵌合关系，后镜组部件外侧有对应保持架相对初始位置的环槽；初始位置大致对应后，通过外力调节后镜组部件在保持架中的相对位置，根据实际成像装置效果确认调焦完成，最终将后镜组部件固定在保持架中；

通过调节后镜组部件在保持架中相对位置的具体结构是：后镜组部件有一段螺纹与保持架啮合，保持架外部有一处空槽，通过外部应力转动后镜组部件，实现后镜组部件在保持架中稳定准确慢速的直线运动；

通过调节后镜组部件在保持架中相对位置的具体结构是：保持架外部的调焦圆孔中***偏心调节部件，调焦圆孔的外表面是与偏心调节部件的承靠面配合的基准平面；偏心调节部件从里到外分为外径逐渐扩大的4段:偏心柱、配合柱、承靠柱、旋转柱，其中偏心柱与配合柱的外圆内切，配合柱与调焦圆孔的直径相同，在实际调焦过程中，配合柱与调焦圆孔相配合；承靠柱的外端面是与调焦圆孔外表面承靠的承靠面；旋转柱是手持旋转部位，通过旋转柱的旋转，带动偏心柱做圆周运动；偏心柱与后镜组部件的环形槽接触并相切，偏心柱带动后镜组部件微调运动。