CN109683280B - 大景深广角光学***、成像装置、光学镜头 - Google Patents

大景深广角光学***、成像装置、光学镜头 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种大景深广角光学***、成像装置、光学镜头，大景深广角光学***包括：沿光线入射方向，从物侧到像侧依次排列的第一弯月负透镜、第一双凹负透镜、第一双凸正透镜、第二弯月负透镜、月牙正透镜、第二双凸正透镜、第二双凹负透镜、第三双凸正透镜、第四双凸正透镜和第三弯月负透镜。该光学***具有大景深、大视场角、大光圈和大成像面，且适宜于在水下成像使用。本申请的另一方面还提供了该光学***的成像装置、光学镜头。

Description

大景深广角光学***、成像装置、光学镜头
技术领域
本申请涉及一种大景深广角光学***、成像装置、光学镜头，属于水下监测的光学领域。
背景技术
随着水下监测技术的不断发展，需要对越来越大的空间进行监测，从而了解运动目标及其周围环境的变化情况。如专利CN201410040571.8提供了一种，大角度和大相对孔径的水下成像镜头；如专利CN201810722758.4提供了一种，大角度、大光圈和大靶面的水下成像镜头。但是水下监测，除了角度之外，通常还需要对不同距离的目标进行监测。例如，监测一个运动物体由远至近的变化情况。
因此，水下成像镜头，除了大角度、大光圈和大靶面之外，还需要大景深。景深(DOF)，是指在摄影机镜头或其他成像器前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。大景深成像，则是指在被摄物体前后较大距离范围内，能得到清晰图像。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种大景深广角光学***，该光学***具有大景深、大视场角、大光圈和大成像面，且适宜于在水下成像使用。
所述大景深广角光学***，其特征在于，包括：沿光线入射方向，从物侧到像侧依次排列的第一弯月负透镜、第一双凹负透镜、第一双凸正透镜、第二弯月负透镜、月牙正透镜、第二双凸正透镜、第二双凹负透镜、第三双凸正透镜、第四双凸正透镜和第三弯月负透镜。
可选地，所述第一双凸正透镜和所述第二弯月负透镜的胶合面胶合，所述第二弯月负透镜的胶合面朝向物侧。
可选地，所述第二双凸正透镜和所述第二双凹负透镜的胶合面胶合，所述第二双凹负透镜的胶合面胶合朝向物侧。
可选地，所述第四双凸正透镜和所述第三弯月负透镜的胶合面胶合，所述第三弯月负透镜胶合面胶合朝向物侧。
可选地，所述第一弯月负透镜满足以下条件，
|f1|＜11mm
n1＞1.85
其中，f1表示第一弯月负透镜的焦距，n1表示第一弯月负透镜的折射率。为了尽量扩大视场角，优选地，
Figure GDA0002474011490000021
可选地，所述第一双凹负透镜满足以下条件，
|f2|＜10mm
n2＜1.7
其中，f2表示第一双凹负透镜的焦距，n2表示第一双凹负透镜的折射率。为了校正场曲，优选地，
Figure GDA0002474011490000022
可选地，所述第一双凸正透镜满足以下条件，
n3＞1.8
其中，n3表示第一双凸正透镜的折射率。为了减小光线的偏折射角度，优选地，n3＝1.81。
可选地，所述第二弯月负透镜满足以下条件，
n4＞1.7
v4＜30
其中，n4表示第二弯月负透镜的折射率，v4表示第二弯月负透镜的色散系数。为了校正倍率色差以及减小光线的折射角度，优选地，
Figure GDA0002474011490000023
可选地，所述月牙正透镜满足以下条件，
18＜|f5|＜22
n5＞1.9
其中，f5表示月牙正透镜的焦距，其中n5表示月牙正透镜的折射率。为了校正象散同时减小光线的折射角度，优选地，
Figure GDA0002474011490000031
可选地，所述第二双凸正透镜满足以下条件，
ΔPgf＞0.01
dn/dt＜-6
其中，ΔPgf表示第二双凸正透镜的二级光谱色散系数，dn/dt表示第二双凸正透镜在0～20摄氏度下F’光的折射率温度系数。为了实现无热化以及校正二级光谱，优选地，
Figure GDA0002474011490000032
本申请中，“大景深”，是指被摄物体在镜头前的成像清晰范围为0.5m至4m的成像方式。
“负透镜”是指镜片的焦距为负的透镜。
“正透镜”是指镜片的焦距为正的透镜。
“弯月负透镜”是指弯月形负透镜。
“双凹负透镜”是指两面都为凹面的负透镜。
“双凸正透镜”是指两面都为凸面的正透镜。
“月牙正透镜”是指成月牙型的正透镜。
根据本申请的又一个方面，提供了一种大景深广角成像装置，包括如上述的所述大景深广角光学***。
本领域技术人员可根据需要，将上述光学***，组装成为成像装置，例如组装成镜头使用。
根据本申请的又一个方面，提供了一种大景深广角光学镜头，包括如上述的所述大景深广角光学***。
可选地，包括沿光线入射方向，从物侧到像侧依次排列的球罩和所述大景深广角光学***，所述球罩设于所述大景深广角光学***上。
球罩主要起保护作用，优选地，球罩采用PMMA材料制成。PMMA材料透光性极好，机械强度较高，耐热性、抗寒性及耐候性都较好，耐腐蚀性及绝缘性良好，而且在一定条件下，尺寸稳定、容易加工
可选地，所述大景深广角光学镜头的CRA满足以下条件，
CRA＜15°
其中，CRA为最大视场主光线在像面的入射角度。
为了增大景深，优选地，CRA＝14.8°。
优选地，在满足像质要求的条件下，为了控制镜头的尺寸，本镜头的TTHI满足以下条件，
TTHI＝49.9mm
其中TTHI表示镜头总长。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的大景深广角光学***，尤其适用于在水下成像时使用。在水下使用时，仍然能得到较清晰的大景深成像效果。
2)本申请所提供的大景深广角光学镜头，具有大角度、大光圈、大靶面和大景深的成像特点。满足对越来越大的水下空间进行监测的需求。
附图说明
图1为本申请一种实施方式中的光学***图；
图2为本申请一种实施方式中的镜头外形图；
图3为本申请一种实施方式中在最佳物距150lp/mm传函的特性曲线图；
图4为本申请一种实施方式中在波长为480nm光的点列图，点大小单位为um，其中，(a)视场角0.0度；(b)视场角29.0度；(c)视场角40.0度；(d)视场角50.0度；(e)视场角60.0度；(f)视场角70.0度；
图5为本申请一种实施方式中在波长为480nm光的场曲和畸变图，其中(a)为场曲图；(b)为畸变图；
图6为本申请一种实施方式中轴向色差曲线图；
图7为本申请一种实施方式中倍率色差曲线图；
图8为本申请一种实施方式中像面照度曲线图；
图9为本申请一种实施方式中在450mm物距100lp/mm传函的特性曲线图；
图10为本申请一种实施方式中在10m物距100lp/mm传函的特性曲线图。
部件和附图标记列表：
部件名称 附图标记
第一弯月负透镜 G1
第一双凹负透镜 G2
第一双凸正透镜 G3
第二弯月负透镜 G4
月牙正透镜 G5
第二双凸正透镜 G6
第二双凹负透镜 G7
第三双凸正透镜 G8
第四双凸正透镜 G9
第三弯月负透镜 G10
球罩 A
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
参见图1，本申请提供的大景深广角光学***的实施例1，包括沿光线入射方向，从物侧到像侧依次排列的第一弯月负透镜G1，第一双凹负透镜G2，第一双凸正透镜G3，第二弯月负透镜G4，月牙正透镜G5，第二双凸正透镜G6，第二双凹负透镜G7，第三双凸正透镜G8，第四双凸正透镜G9，第三弯月负透镜G10。
第一弯月负透镜G1的凸面朝向物侧。第一双凸正透镜G3与第二弯月负透镜G4的胶合面胶合。第二弯月负透镜G4的胶合面朝向物侧。第二双凸正透镜G6和第二双凹负透镜G7的胶合面胶合。第二双凹负透镜G7的胶合面朝向物侧。第四双凸正透镜G9和第三弯月负透镜G10的胶合面胶合。第三弯月负透镜G10的胶合面朝向物侧。
第一弯月负透镜G1与第一双凹负透镜G2的空气间隔为6.9mm，第一双凹负透镜G2与第一双凸正透镜G3之间的空气间隔为2.6mm，第二弯月负透镜G4与月牙正透镜G5之间的空气间隔为0.1mm，月牙正透镜G5与第二双凸正透镜G6之间的空气间隔为5.7mm，第二双凹负透镜G7与第三双凸正透镜G8之间的空气距离为0.5，第三双凸正透镜G8与第四双凸正透镜G9之间的空气距离为0.1mm。
为了尽量扩大视场角，第一弯月负透镜G1满足以下条件，
|f1|＝10.5mm
n1＝1.91
其中，f1表示第一弯月负透镜G1的焦距，n1表示第一弯月负透镜G1的折射率。
为了校正场曲，双凹负透镜G2满足以下条件，
|f2|＝9.5mm
n2＝1.59
其中f2表示双凹负透镜G2的焦距，n2表示双凹负透镜G2的折射率。
为了减小光线的偏折射角度，双凸正透镜G3满足以下条件，
n3＝1.81
其中n3表示双凸正透镜G3的折射率。
为了校正倍率色差以及减小光线的折射角度，第二弯月负透镜G4满足以下条件，
n4＝1.73
v4＝28.3
其中n4表示第二弯月负透镜G4的折射率，v4表示第二弯月负透镜G4的色散系数。
为了校正象散同时减小光线的折射角度，月牙正透镜G5满足以下条件，
|f5|＝20.6
n5＝1.91
其中f5表示月牙正透镜G5的焦距，其中n5表示月牙正透镜G5的折射率。
为了实现无热化以及校正二级光谱，第二双凸正透镜G6满足以下条件，
ΔPgf＝0.0142
dn/dt＝-7.0
其中ΔPgf表示第二双凸正透镜G6的二级光谱色散系数，dn/dt第二表示双凸正透镜G6在0～20摄氏度下的F’光的折射率温度系数。
实施例1大景深广角光学***
参见图1，本申请提供的大景深广角光学镜头实施例1中，包括大景深广角光学***实施例1和球罩A。沿光线入射方向，从物方、球罩、大景深广角光学***和像方依次排列的，球罩A罩设于大景深广角光学***上。球罩A与第一弯月负透镜G1的空气间隔为4.7mm。
在本实施例中，球罩A由PMMA材料制成。
为了增大景深，CRA满足以下条件，
CRA＝14.8°
其中，CRA最大视场主光线在像面的入射角度。
在本实施例中，在满足像质要求的条件下，为了控制镜头的尺寸，本镜头的TTHI满足以下条件，
TTHI＝49.9mm
其中TTHI表示镜头总长。
在本实施例中，上述镜头所达到的技术指标如下：
1、像质：MTF@1501p/mm＞0.3；
2、水下视场角＞130°；
3、拍摄范围450mm-10m；
4、孔径：优于F1.8；
5、接口为CS；
6、光谱范围440nm-540nm；
7、总长＜50mm；
8、镜头直径＜35mm；
9、透过率＞80％，相对照度＞70％；
10、温度范围-30℃～+50℃。
在本实施例中，上述镜头各镜片的参数如下表所示：
表面序号 曲率半径 厚度 折射率 阿贝数 编号
0(物面) 无穷大 1000.0 1.34 57.9 海水
1 51.3 5.5 1.49 57.4 A
2 45.8 4.7
3 30.7 1.5 1.9 35.3 G1
4 7.2 6.9
5 -11.6 1.0 1.6 67.3 G2
6 11.6 2.6
7 41.2 5.1 1.8 46.6 G3
8 -11.9 2.2 1.7 28.3 G4
9 -18.7 0.1
10 14.2 1.6 1.9 35.3 G5
11 51.4 5.7
12(光栏) 10.3 1.8 1.6 68.5 G6
13 -6.1 0.7 1.7 29.5 G7
14 12.0 0.5
15 22.7 2.0 1.9 31.4 G8
16 -22.7 0.1
17 16.5 2.2 1.6 53.2 G9
18 -5.8 0.7 1.7 27.8 G10
19 -25.4 4.9
20(像面) 无穷大
图3～10是根据各实施例中的设计参数，通过光线追迹法模拟实施例1中***后，按现有测量方法对该***的以下结果进行分析测量得到。在实施例中忽略实际镜头加工公差造成的测量图差别。
在本实施例中，如图3所示，本实施例中所得镜头的调制传递函数在150lp/mm全视场都大于0.4，其中T1表示子午，S1表示弧矢；如图4所示，所述镜头全视场的解像能力优于3.3um，中心视场的解像能力优于2um；
如图5中的(a)、(b)所示，所述镜头的畸变约为65％，但在实际成像时，可以采用图像处理，将图片校正为无畸变图像；
如图6所示，所述镜头的轴向色差为30um左右，曲线接近于线性色差，这是因为玻璃材料在短波的色散比较大；
如图7所示，所述镜头的倍率色差在衍射极限之内；
如图8所示，所述镜头的相对照度优于85％；
将本实施例中所得镜头用于海水中，如图9～10所示，所述镜头对于100lp/mm传函的成像景深为450mm至10m，其中T1表示子午，S1表示弧矢。考虑到水的吸收，10m以外物的透过率已经很低了，因此本实施例中所得镜头可以对450mm以外的所有物成清晰像，即其具有很大的景深。
实施例2大景深广角光学镜头
参见图2，大景深广角光学镜头实施例2与大景深广角光学镜头实施例1的区别在于：将实施例1中的光学***安装于壳体内，组装成如图2所示的镜头。通过壳体固定各镜片间的位置和间隔。球罩A罩设于壳体物侧端上远离像面，镜头壳体的另一侧为像面。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种大景深广角光学***，其特征在于，包括：沿光线入射方向，从物侧到像侧依次排列的第一弯月负透镜、第一双凹负透镜、第一双凸正透镜、第二弯月负透镜、月牙正透镜、第二双凸正透镜、第二双凹负透镜、第三双凸正透镜、第四双凸正透镜和第三弯月负透镜；
所述第一双凸正透镜和所述第二弯月负透镜的胶合面胶合，所述第二弯月负透镜的胶合面朝向物侧；
所述第二双凸正透镜和所述第二双凹负透镜的胶合面胶合，所述第二双凹负透镜的胶合面胶合朝向物侧；
所述第四双凸正透镜和所述第三弯月负透镜的胶合面胶合，所述第三弯月负透镜胶合面胶合朝向物侧；
所述第一弯月负透镜满足以下条件，
|f1|<11mm
n1>1.85
其中，f1表示第一弯月负透镜的焦距，n1表示第一弯月负透镜的折射率。
2.根据权利要求1所述的大景深广角光学***，其特征在于，所述第一双凹负透镜满足以下条件，
|f2|<10mm
n2<1.7
其中，f2表示第一双凹负透镜的焦距，n2表示第一双凹负透镜的折射率。
3.根据权利要求1所述的大景深广角光学***，其特征在于，所述第一双凸正透镜满足以下条件，
n3>1.8
其中，n3表示第一双凸正透镜的折射率。
4.根据权利要求1所述的大景深广角光学***，其特征在于，所述第二弯月负透镜满足以下条件，
n4>1.7
v4<30
其中，n4表示第二弯月负透镜的折射率，v4表示第二弯月负透镜的色散系数。
5.根据权利要求1所述的大景深广角光学***，其特征在于，所述月牙正透镜满足以下条件，
18mm＜|f5|＜22mm
n5＞1.9
其中，f5表示月牙正透镜的焦距，其中n5表示月牙正透镜的折射率。
6.根据权利要求1所述的大景深广角光学***，其特征在于，所述第二双凸正透镜满足以下条件，
ΔPgf>0.01
dn/dt<-6
其中，ΔPgf表示第二双凸正透镜的二级光谱色散系数，dn/dt表示第二双凸正透镜在0～20摄氏度下F’光的折射率温度系数。
7.一种大景深广角成像装置，其特征在于，包括如权利要求1～6中任一项所述大景深广角光学***。
8.一种大景深广角光学镜头，其特征在于，包括如权利要求1～6中任一项所述大景深广角光学***。
9.根据权利要求8所述的大景深广角光学镜头，其特征在于，包括沿光线入射方向，从物侧到像侧依次排列的球罩和所述大景深广角光学***，所述球罩设于所述大景深广角光学***上。
10.根据权利要求8所述的大景深广角光学镜头，其特征在于，所述大景深广角光学镜头的CRA满足以下条件，
CRA<15°
其中，CRA为最大视场主光线在像面的入射角度。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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