CN114002828B - 全景镜头及成像设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全景镜头及成像设备，该全景镜头沿光轴从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，其物侧面为凸面、像侧面为凹面；具有负光焦度的第二透镜，其物侧面为凸面、像侧面为凹面；具有正光焦度的第三透镜；光阑；具有正光焦度的第四透镜，其物侧面为凸面；具有负光焦度的第五透镜，其物侧面和像侧面均为凹面；具有正光焦度的第六透镜，其的物侧面和像侧面均为凸面，且第五透镜和第六透镜组成胶合体；具有正光焦度的第七透镜，其物侧面为凸面、像侧面在近光轴处为凸面，且第七透镜的像侧面具有反曲点。该全景镜头具有大光圈、解像力高、超大广角的优点。

Description

全景镜头及成像设备
技术领域
本发明涉及成像镜头技术领域，特别是涉及一种全景镜头及成像设备。
背景技术
随着移动互联网的发展，加上社交、视频、直播类软件的流行，人们对于摄影的喜爱程度越来越高，对成像效果的追求也更加多元化，既要求高清的像质，还要求超大的视野以拍摄大范围视觉冲击力强烈的画面，其中无人机以其独特的高空视角以及广幅的拍摄画面赢得了消费者的喜爱。目前无人机发展迅速，相应的对与其配套的全景镜头的要求也越来越高。
由于无人机多在剧烈震动、高压强和极限温度等复杂环境下使用，因此对所搭配的全景镜头的性能要求极高，既要有良好的热稳定性以适应户外的严苛环境，还要求有轻巧的外表及较小的重量，以增加无人机在高空飞行拍摄的续航时间；同时还要求镜头具有大光圈以满足无人机在白天黑夜等多变的环境中都能够拍摄到清晰和生动的画面。目前，市场上常规的全景镜头很难满足无人机多元化的使用需求。
发明内容
为此，本发明的目的在于提供一种全景镜头及成像设备，具有大光圈、解像力高、超大广角的优点，能够满足无人机、运动相机等领域多元化的使用需求。
本发明实施例通过以下技术方案实施上述的目的。
第一方面，本发明提供了一种全景镜头，沿光轴从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面为凸面，所述第一透镜的像侧面为凹面；具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凸面，所述第二透镜的像侧面为凹面；具有正光焦度的第三透镜；光阑；具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面为凸面；具有负光焦度的第五透镜，所述第五透镜的物侧面和像侧面均为凹面；具有正光焦度的第六透镜，所述第六透镜的物侧面和像侧面均为凸面，且所述第五透镜和所述第六透镜组成胶合体；具有正光焦度的第七透镜，所述第七透镜的物侧面为凸面，所述第七透镜的像侧面在近光轴处为凸面，且所述第七透镜的像侧面具有反曲点；其中，所述全景镜头包括至少一片玻璃球面透镜和至少一片玻璃非球面透镜；所述全景镜头满足以下条件式： 0.5< f/SDST<1，其中，f表示所述全景镜头的有效焦距，SDST表示所述光阑的最大孔径。
第二方面，本发明提供一种成像设备，包括成像元件及第一方面提供的全景镜头，成像元件用于将全景镜头形成的光学图像转换为电信号。
相较现有技术，本发明提供的全景镜头及成像设备，采用玻璃球面镜片和玻璃非球面镜片的混合搭配结构，可有效对像差进行校正；各镜片间设置紧凑，有效减小了镜头的长度；镜头的光阑及各透镜结构设置合理，能够使更大范围的光量进入机身，满足明暗环境的成像需求。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明第一实施例的全景镜头的结构示意图；
图2为本发明第一实施例的全景镜头的MTF图；
图3为本发明第一实施例的全景镜头的F-Theta畸变曲线图；
图4为本发明第一实施例的全景镜头的轴上点球差色差曲线图；
图5为本发明第二实施例的全景镜头的结构示意图；
图6为本发明第二实施例的全景镜头的MTF图；
图7为本发明第二实施例的全景镜头的F-Theta畸变曲线图；
图8为本发明第二实施例的全景镜头的轴上点球差色差曲线图；
图9为本发明第三实施例的全景镜头的结构示意图；
图10为本发明第三实施例的全景镜头的MTF图；
图11为本发明第三实施例的全景镜头的F-Theta畸变曲线图；
图12为本发明第三实施例的全景镜头的轴上点球差色差曲线图；
图13为本发明第四实施例的成像设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。
本发明提出一种全景镜头，沿光轴从物侧到成像面依次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及滤光片，且各个透镜的光学中心位于同一直线上。
其中，第一透镜具有负光焦度，第一透镜的物侧面为凸面，第一透镜的像侧面为凹面；
第二透镜具有负光焦度，第二透镜的物侧面为凸面，第二透镜的像侧面为凹面；
第三透镜具有正光焦度，第三透镜的物侧面为凹面、像侧面为凸面，或者第三透镜的物侧面为凸面、像侧面为凹面，或者第三透镜的物侧面为凸面、像侧面为凸面；
光阑；
第四透镜具有正光焦度，第四透镜的物侧面为凸面；
第五透镜具有负光焦度，第五透镜的物侧面和像侧面均为凹面；
第六透镜具有正光焦度，第六透镜的物侧面和像侧面均为凸面，且第五透镜和第六透镜组成胶合体；
第七透镜具有正光焦度，第七透镜的物侧面为凸面，第七透镜的像侧面在近光轴处为凸面。
光阑可以为中心设有通光孔的遮光纸，并且光阑的通光口径小于隔圈的口径，以保证全景镜头的通光量由光阑的通光孔径决定。光阑设置于第三透镜和第四透镜之间，可以提高全景镜头的视场角并能更好的配合芯片的入射角度；同时，采用中心设有通光孔的遮光纸作为光阑，可以降低镜筒通光孔的要求，使镜筒通光孔的成型难度下降，提高了生产率，降低了生产成本。
在一些实施方式中，为提高镜头的解像力并有效降低镜头的垂轴色差，所述全景镜头采用多个非球面镜片，非球面镜片的使用可以更好校正镜头的像差，提高镜头的分辨率，使成像更清晰。具体地，全景镜头中的第一透镜、第三透镜、第五透镜、第六透镜均为玻璃球面镜片，第二透镜、第四透镜和第七透镜均为玻璃非球面镜片。
在一些实施方式中，为校正镜头的畸变和不同口径处的光线像差，第七透镜的像侧面具有反曲点。
在一些实施方式中，所述全景镜头满足以下条件式：
0.5< f/SDST<1；（1）
其中，f表示全景镜头的有效焦距，SDST 表示光阑的入瞳直径。满足上述条件式（1），使镜头具有超大光圈的特性，在保证成像质量的情况下通光量足够多，满足明暗环境的成像需求。
在一些实施方式中，所述全景镜头满足以下条件式：
4.5mm<IH<5.6mm；（2）
其中，IH表示所述全景镜头的最大视场角所对应的像高。满足上述条件式（2），能够保证所述全景镜头拥有较大的成像面，能够匹配大靶面COMS芯片的成像需求。
在一些实施方式中，所述全景镜头满足条件式：
3<TTL/IH<3.5；（3）
其中，TTL表示全景镜头的光学总长，IH表示所述全景镜头的最大视场角所对应的像高。满足上述条件式（3）时，能够保证镜头在具有较大成像面的同时，使镜头的光学总长及体积得到有效控制。
在一些实施方式中，所述全景镜头满足条件式：
0.13<BFL/TTL <0.17；（4）
其中，BFL表示全景镜头的光学后焦，TTL表示全景镜头的光学总长。满足条件式（4），有利于光学***的组装。
在一些实施方式中，所述全景镜头满足以下条件式：
0.45< GT/TTL <0.55；（5）
其中，GT表示全景镜头的全部镜片中心厚度之和，TTL表示全景镜头的光学总长。当GT/TTL的值超过下限时，全景镜头中的各镜片之间过于稀松，高低温时空气膨胀冷缩使镜片组装后的相对位置偏差过大，从而使高低温时镜头的最佳像面发生偏移，使镜头解像下降过快；当GT/TTL的值超过上限时，全景镜头各镜片之间过于紧凑，镜片无法很好地弯曲校正像差，从而使镜头解像无法提高。
在一些实施方式中，所述全景镜头满足以下条件式：
15<(R11+R12+R21+R22)/f<18；（6）
其中，R11表示第一透镜物侧面的曲率半径，R12表示第一透镜像侧面的曲率半径，R21表示第二透镜物侧面的曲率半径，R22表示第二透镜像侧面的曲率半径，f表示所述全景镜头的有效焦距。当条件式（6）的值超过上限时，第一透镜和第二透镜的组合光焦度过强，虽然能够达到快速收敛光线的目的，可使***光学总长变小，但其产生的各种像差过大，很难矫正，同时使镜片的曲率增大，增大加工难度，并增大***误差；当条件式（6）的值超过下限时，第一透镜和第二透镜的组合光焦度减弱，上述各种像差相对减小，但其屈光能力下降导致***光学总长加大。
在一些实施方式中，所述全景镜头满足以下条件式：
-0.32< (SAG32-SAG31)/CT3<0；（7）
其中，SAG31表示第三透镜物侧面的矢高，SAG32表示第三透镜像侧面的矢高，CT3表示第三透镜的中心厚度。满足上述条件式（7），能够合理的控制第三透镜的面型，使得第三透镜具有较大的正焦距，有利于对***的像差进行校正。
在一些实施方式中，所述全景镜头满足以下条件式：
-0.1<φ56/φ<-0.04；（8）
其中，φ56表示第五透镜和第六透镜的组合光焦度，φ表示所述全景镜头的光焦度。当φ56/φ的值超过上限时，第五透镜和第六透镜的光焦度过强，虽然能够达到快速收敛光线的目的，可使***光学总长变小，但其产生的各种像差过大，很难矫正，同时使镜片的曲率增大，增大加工难度，并增大***误差；当φ56/φ的值超过下限时，第五透镜和第六透镜的组合光焦度减弱，上述各种像差相对减小，但其屈光能力下降导致***光学总长加大。
在一些实施方式中，所述全景镜头满足以下条件式：
-0.4mm<SAG42+SAG72<0；（9）
其中，SAG42表示第四透镜像侧面的矢高，SAG72表示第七透镜像侧面的矢高。满足上述条件式（9），能够合理控制轴外视场光线的走势，有利于减小轴外视场与中心视场的像差，提高所述全景镜头的解像品质。
在一些实施方式中，所述全景镜头满足以下条件式：
190°<FOV<220°；（10）
其中，FOV表示所述全景镜头的视场角。满足上述条件式（10），能够保证所述全景镜头拥有较大的视场角，能够匹配大靶面COMS芯片的成像需求。
下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在各个实施例中，全景镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径、材料选择部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。下述实施例仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不仅仅受下述实施例的限制，其他的任何未背离本发明创新点所作的改变、替代、组合或简化，都应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
在本发明各个实施例中，当全景镜头中的透镜为非球面透镜时，各个非球面面型均满足如下方程式：
；
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为表面的近轴曲率，A2i为第2i阶的非球面面型系数，k为圆锥系数conic，当k小于-1时面形曲线为双曲线，k等于-1时为抛物线，k介于-1到0之间时为椭圆，k等于0时为圆形，大于0时为扁圆形。通过以上参数可以精确设定透镜前后两面非球面的面型尺寸。非球面形状满足偶次非球面方程，利用不同的非球面系数，使非球面在***中的作用发挥到最大，得到更加完善的解像力。
第一实施例
请参阅图1，为本发明第一实施例提供的全景镜头100的结构示意图，该全景镜头100沿光轴从物侧到成像面依次包括：第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、光阑ST、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7和滤光片G1，且各个透镜的光学中心位于同一直线上。
第一透镜L1具有负光焦度，第一透镜的物侧面S1为凸面，第一透镜的像侧面S2为凹面；
第二透镜L2具有负光焦度，第二透镜的物侧面S3为凸面，第二透镜的像侧面S4为凹面；
第三透镜L3具有正光焦度，第三透镜的物侧面S5为凹面，第三透镜的像侧面S6为凸面；
第四透镜L4具有正光焦度，第四透镜的物侧面S7为凸面，第四透镜的像侧面S8为凸面；
第五透镜L5具有负光焦度，第五透镜的物侧面S9和像侧面均为凹面；
第六透镜L6具有正光焦度，第六透镜的物侧面和像侧面S11均为凸面，且第六透镜L6与第五透镜L5组成胶合体，胶合体的粘合面为S10；
第七透镜L7具有正光焦度，第七透镜的物侧面S12为凸面，像侧面S13在近光轴处为凸面，且第七透镜的像侧面S13具有一个反曲点。
滤光片G1的物侧面为S14，滤光片G1的像侧面为S15。
该全景镜头100的成像面为S16。
其中，第一透镜L1、第三透镜L3、第五透镜L5、第六透镜L6均为玻璃球面镜片，第二透镜L2、第四透镜L4、第七透镜L7均为玻璃非球面镜片。
本实施例提供的全景镜头100的各个镜片相关参数如表1所示。
表1
本实施例中的全景镜头100的非球面透镜的相关参数如表2所示。
表2
请参阅图2，所示为本实施例当中全景镜头100的MTF图，从图中可以看出，在200lp/mm的空间频率下镜头在0.9视场以内的MTF值在0.4以上，说明全景镜头100拥有较高的分辨率。
请参阅图3，所示为本实施例当中全景镜头100的F-Theta畸变图，从图中可以看出，镜头的F-Theta畸变较小且在±5%范围内，说明全景镜头100的畸变得到良好矫正。
请参阅图4，所示为本实施例当中全景镜头100的轴上点球差色差曲线图，从图中可以看出，轴上点球差色差的偏移量控制在±0.04毫米以内，说明该全景镜头100能够有效地矫正轴上点球差色差。
第二实施例
请参阅图5，所示为本实施例提供的全景镜头200的结构示意图，本实施例中的全景镜头200与第一实施例当中的全景镜头100部分透镜的面型凹凸大抵相同，不同之处在于：全景镜头200中第三透镜L3的物侧面S5为凸面，像侧面S6为凹面，第四透镜L4的像侧面S8在近光轴处为凸面且具有一个反曲点，且各透镜的曲率半径、厚度以及各个镜片间的空气间隔存在差异。具体本实施例当中的全景镜头200的各个镜片的相关参数如表3所示。
表3
本实施例中的全景镜头200的非球面透镜的相关参数如表4所示。
表4
请参阅图6，所示为本实施例当中全景镜头200的MTF图，在200lp/mm的空间频率下镜头在0.9视场以内的MTF值在0.4以上，说明全景镜头200拥有较高的分辨率。
请参阅图7，所示为本实施例当中全景镜头200的F-Theta畸变图，从图中可以看出，镜头的F-Theta畸变较小且在±6%范围内，说明全景镜头200的畸变得到良好矫正。
请参阅图8，所示为本实施例当中全景镜头200的轴上点球差色差曲线图，从图中可以看出，轴上点球差色差的偏移量控制在±0.02毫米以内，说明该全景镜头200能够有效地矫正轴上点球差色差。
第三实施例
请参阅图9，所示为本实施例提供的全景镜头300的结构示意图，本实施例中的全景镜头300与第一实施例当中的全景镜头100部分透镜的面型凹凸大抵相同，不同之处在于：全景镜头300中第三透镜L3的物侧面S5为凸面，像侧面S6为凸面，第四透镜L4的像侧面S8为凹面，且各透镜的曲率半径、厚度以及各个镜片间的空气间隔存在差异。具体本实施例当中的全景镜头300的各个镜片的相关参数如表5所示。
表5
本实施例中的全景镜头300的非球面透镜的相关参数如表6所示。
表6
请参阅图9，所示为本实施例当中全景镜头300的MTF图，在200lp/mm的空间频率下镜头在0.9视场以内的MTF值在0.4以上，说明全景镜头300拥有较高的分辨率。
请参阅图10，所示为本实施例当中全景镜头300的F-Theta畸变图，从图中可以看出，镜头的F-Theta畸变较小且在±5%以内，说明全景镜头300的畸变得到良好矫正。
请参阅图12，所示为本实施例当中全景镜头300的轴上点球差色差曲线图，从图上可以看出，轴上点球差色差的偏移量控制在±0.01毫米以内，说明该全景镜头300能够有效地矫正轴上点球差色差。
请参阅表7，所示为上述三个实施例提供的全景镜头对应的光学特性，包括全景镜头的光学总长TTL、光圈数F#和有效焦距f，同时还包括上述条件式当中每个条件式对应的相关数值。
表7
综上，本发明提供的全景镜头及成像设备，采用球面玻璃镜片和玻璃非球面镜片的混合搭配结构，有效对像差进行一定的矫正；各镜片间设置紧凑，有效减小了镜头的长度；镜头的光阑及各透镜结构设置合理，能够使更大范围的光量进入机身，满足明暗环境的成像需求。
第四实施例
请参阅图13，所示为本发明第四实施例提供的成像设备400，该成像设备400可以包括成像元件410和上述任一实施例中的全景镜头（例如全景镜头100）。成像元件410可以是CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补性金属氧化物半导体）图像传感器，还可以是CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）图像传感器。
该成像设备400可以是无人机、运动相机、安防设备、智能手机以及其它任意一种形态的装载了上述全景镜头的电子设备。
本实施例提供的成像设备400包括全景镜头100，由于全景镜头100具有大光圈、解像力高、超大广角的优点，具有全景镜头100的成像设备400也具有大光圈、解像力高、超大广角的优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种全景镜头，其特征在于，沿光轴从物侧到成像面依次包括：
具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面为凸面，所述第一透镜的像侧面为凹面；
具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凸面，所述第二透镜的像侧面为凹面；
具有正光焦度的第三透镜；
光阑；
具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面为凸面；
具有负光焦度的第五透镜，所述第五透镜的物侧面和像侧面均为凹面；
具有正光焦度的第六透镜，所述第六透镜的物侧面和像侧面均为凸面，且所述第五透镜和所述第六透镜组成胶合体；
具有正光焦度的第七透镜，所述第七透镜的物侧面为凸面，所述第七透镜的像侧面在近光轴处为凸面，且所述第七透镜的像侧面具有反曲点；
其中，所述全景镜头包括至少一片玻璃球面透镜和至少一片玻璃非球面透镜；
所述全景镜头满足以下条件式：
0.5< f/SDST <1；
其中，f表示所述全景镜头的有效焦距，SDST表示所述光阑的最大孔径；
所述全景镜头满足以下条件式：
4.5mm<IH<5.6mm；
其中，IH表示所述全景镜头的最大视场角所对应的像高。
2.根据权利要求1所述的全景镜头，其特征在于，所述全景镜头满足以下条件式：
3<TTL/IH<3.5；
其中，TTL表示所述全景镜头的光学总长，IH表示所述全景镜头的最大视场角所对应的像高。
3.根据权利要求1所述的全景镜头，其特征在于，所述全景镜头满足以下条件式：
0.13<BFL/TTL <0.17；
其中，BFL表示所述全景镜头的光学后焦，TTL表示所述全景镜头的光学总长。
4.根据权利要求1所述的全景镜头，其特征在于，所述全景镜头满足以下条件式：
0.45< GT/TTL <0.55；
其中，GT表示所述全景镜头的全部镜片中心厚度之和，TTL表示所述全景镜头的光学总长。
5.根据权利要求1所述的全景镜头，其特征在于，所述全景镜头满足以下条件式：
15<(R11+R12+R21+R22)/f<18；
其中，R11表示所述第一透镜物侧面的曲率半径，R12表示所述第一透镜像侧面的曲率半径，R21表示所述第二透镜物侧面的曲率半径，R22表示所述第二透镜像侧面的曲率半径，f表示所述全景镜头的有效焦距。
6.根据权利要求1所述的全景镜头，其特征在于，所述全景镜头满足以下条件式：
-0.32< (SAG32-SAG31)/CT3 <0；
其中，SAG31表示所述第三透镜物侧面的矢高，SAG32表示所述第三透镜像侧面的矢高，CT3表示所述第三透镜的中心厚度。
7.根据权利要求1所述的全景镜头，其特征在于，所述全景镜头满足以下条件式：
-0.1<φ56/φ<-0.04；
其中，φ56表示所述第五透镜和所述第六透镜的组合光焦度，φ表示所述全景镜头的光焦度。
8.根据权利要求1所述的全景镜头，其特征在于，所述全景镜头满足以下条件式：
-0.4mm<SAG42+SAG72<0；
其中，SAG42表示所述第四透镜像侧面的矢高，SAG72表示所述第七透镜像侧面的矢高。
9.根据权利要求1所述的全景镜头，其特征在于，所述第三透镜的物侧面为凹面，所述第三透镜的像侧面为凸面。
10.根据权利要求1所述的全景镜头，其特征在于，所述第三透镜的物侧面为凸面，所述第三透镜的像侧面为凹面。
11.根据权利要求1所述的全景镜头，其特征在于，所述第三透镜的物侧面为凸面，所述第三透镜的像侧面为凸面。
12.根据权利要求1所述的全景镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第三透镜、所述第五透镜、所述第六透镜均为玻璃球面镜片，所述第二透镜、所述第四透镜、所述第七透镜均为玻璃非球面镜片。
13.一种成像设备，其特征在于，包括如权利要求1-12任一项所述的全景镜头及成像元件，所述成像元件用于将所述全景镜头形成的光学图像转换为电信号。
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