广角镜头及成像设备
阅读说明：本技术 广角镜头及成像设备 (Wide-angle lens and imaging apparatus ) 是由 魏文哲 刘绪明 曾吉勇 于 2019-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种广角镜头及成像设备,第一群组从物侧到成像面依次包括具有负光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜以及具有光焦度的第三透镜,第一透镜的物侧表面为凸面像侧表面为凹面,第二透镜的像侧表面为凹面；第二群组依次包括具有正光焦度的第四透镜和具有正光焦度的第五透镜,第四透镜和第五透镜的像侧表面均为凸面；第三群组依次包括第六透镜、第七透镜、以及具有正光焦度的第八透镜,第八透镜的物侧表面和像侧表面均为凸面,第六透镜和所述第七透镜组成粘合体；光阑设置于所述第一群组和所述第二群组之间；滤光片设置于所述第三群组与成像面之间。本发明提供的广角镜头具有小畸变、高像素、大视场角、低公差敏感度的优点。(The invention provides a wide-angle lens and imaging equipment.A first group sequentially comprises a first lens with negative focal power, a second lens with negative focal power and a third lens with the negative focal power from an object side to an imaging surface, wherein the surface of the object side of the first lens is a convex surface, and the surface of the image side of the second lens is a concave surface; the second group sequentially comprises a fourth lens with positive focal power and a fifth lens with positive focal power, and the image side surfaces of the fourth lens and the fifth lens are convex surfaces; the third group sequentially comprises a sixth lens, a seventh lens and an eighth lens with positive focal power, the object side surface and the image side surface of the eighth lens are convex surfaces, and the sixth lens and the seventh lens form a bonding body; a diaphragm disposed between the first group and the second group; the optical filter is arranged between the third group and the imaging surface. The wide-angle lens provided by the invention has the advantages of small distortion, high pixel, large field angle and low tolerance sensitivity.)
技术领域
本发明涉及一种透镜成像技术领域，特别涉及一种广角镜头及成像设备。
背景技术
随着光学镜头成像技术的发展，广角镜头取得了突飞猛进的发展，但由于目前的广角成像镜头普遍存在f-θ畸变大，并且由于光线入射角度大，导致边缘像差难以矫正，边缘视场MTF对公差敏感，组装良率低。基于此，设计一款具有小畸变、高像素、大广角的光学成像系统，同时通过对镜片结构的控制，有效提高组装良率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种广角镜头及成像设备，具有小畸变、高像素、大视场角、低公差敏感度的优点。
本发明实施例通过以下技术方案来实现上述目的。
第一方面，本发明提供了一种广角镜头，从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一群组、光阑、具有正光焦度的第二群组、具有正光焦度的第三群组以及滤光片。第一群组依次包括具有负光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜以及具有正光焦度或负光焦度的第三透镜，第一透镜的物侧表面为凸面，其像侧表面为凹面，第二透镜的像侧表面为凹面；第二群组从物侧到成像面依次包括具有正光焦度的第四透镜和具有正光焦度的第五透镜，第四透镜的像侧表面和第五透镜的像侧表面均为凸面；第三群组从物侧到成像面依次包括第六透镜、第七透镜以及具有正光焦度的第八透镜，第八透镜的物侧表面和像侧表面均为凸面，第六透镜与第七透镜组成粘合体；光阑设置于第一群组和第二群组之间；滤光片设置于第三群组与成像面之间；其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及第八透镜均为玻璃透镜。
第二方面，本发明还提供一种成像设备，包括第一方面提供的广角镜头及成像元件，成像元件用于将广角镜头形成的光学图像转换为电信号。
相较于现有技术，本发明提供的广角镜头及成像设备具有小畸变、高像素、大视场角、低公差敏感度的特点，其中第一群组的第二透镜主要用于光线的收集并控制畸变，第二群组用于光线的会聚，使用两片透镜分担光焦度，避免出现单一镜片光焦度过大导致公差敏感度大的情况，明显提升组装良率，第三群组中的第六、第七透镜组成的粘合体用于消除色差。
附图说明
图1为本发明第一实施例中广角镜头的结构示意图；
图2为本发明第一实施例中广角镜头的场曲图；
图3为本发明第一实施例中广角镜头的畸变图；
图4为本发明第一实施例中广角镜头的轴向色差图；
图5为本发明第一实施例中广角镜头的垂轴色差图；
图6为本发明第二实施例中广角镜头的结构示意图；
图7为本发明第二实施例中广角镜头的场曲图；
图8为本发明第二实施例中广角镜头的畸变图；
图9为本发明第二实施例中广角镜头的轴向色差图；
图10为本发明第二实施例中广角镜头的垂轴色差图；
图11为本发明第三实施例中广角镜头的结构示意图；
图12为本发明第三实施例中广角镜头的场曲图；
图13为本发明第三实施例中广角镜头的畸变图；
图14为本发明第三实施例中广角镜头的轴向色差图；
图15为本发明第三实施例中广角镜头的垂轴色差图；
图16为本发明第四实施例中广角镜头的结构示意图；
图17为本发明第四实施例中广角镜头的场曲图；
图18为本发明第四实施例中广角镜头的畸变图；
图19为本发明第四实施例中广角镜头的轴向色差图；
图20为本发明第四实施例中广角镜头的垂轴色差图。
图21为本发明第五实施例中成像设备的结构示意图。
附图标记说明
如下
具体实施方式
将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。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。
本发明提供了一种广角镜头，从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一群组、光阑、具有正光焦度的第二群组、具有正光焦度的第三群组以及滤光片。第一群组依次包括具有负光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜以及具有正光焦度或负光焦度的第三透镜，第一透镜的物侧表面为凸面，第一透镜的像侧表面为凹面，第二透镜的像侧表面为凹面；第二群组从物侧到成像面依次包括具有正光焦度的第四透镜和第五透镜，第四透镜的像侧表面和第五透镜的像侧表面均为凸面；第三群组从物侧到成像面依次包括第六透镜、第七透镜以及具有正光焦度的第八透镜，第八透镜的物侧表面和第八透镜的像侧表面均为凸面，第六透镜与第七透镜组成粘合体；光阑设置于第一群组和第二群组之间；滤光片设置于第三群组与成像面之间；第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及第八透镜均为玻璃透镜，采用八片玻璃材质镜片，使镜头具有更好的热稳定性和机械强度，以及更好的成像效果。
在一些实施方式中，本发明提供的广角镜头满足以下条件式：
-3＜(r8+r10)/fQ2＜0； (1)
其中，r8表示第四透镜像侧表面的曲率半径，r10表示第五透镜像侧表面的曲率半径，fQ2表示第二群组的焦距。
满足条件式(1)，使得第二群组中的第四透镜和第五透镜可以有效地分担光焦度，避免出现单一镜片光焦度过大导致公差敏感度大的情况，对组装良率带来明显提升。
在一些实施方式中，本发明提供的广角镜头满足以下条件式：
0＜IH/θ≤0.05； (2)
其中，θ表示广角镜头的半视场角，IH表示在半视场角θ时广角镜头的像高。
满足条件式(2)，可以通过控制f-θ畸变来提高边缘视场的放大倍率，让边缘视场具有更多的像素，从而提高了光学镜头边缘的解像能力，使其拍摄的画面拉平展开后，边缘视场有足够的分辨率。
在一些实施方式中，本发明提供的广角镜头满足以下条件式：
其中，表示第五透镜的像侧表面的光焦度，表示第六透镜的物侧表面的光焦度，表示第五透镜的光焦度，表示第六透镜的光焦度。
满足条件式(3)，可以保证第五透镜光线的收束能力，保证光线在通过第五透镜后，与光轴接***行，便于后续对色差、球差等像差的矫正；同时能有效地减小第六透镜物侧表面的光线入射角，避免在第六透镜的物侧表面产生较大的像差。
在一些实施方式中，本发明提供的广角镜头满足以下条件式：
0＜(fL1+fL2)/fQ1＜10； (4)
其中，fL1表示第一透镜的焦距，fL2表示第二透镜的焦距，fQ1表示第一群组的焦距。
满足条件式(4)，可以有效增大视场角，保证广角镜头的视场角达到160°以上，并且有效地减小光线与光轴的夹角，有利于减小边缘像差，减小后续镜片矫正像差的负担。
在一些实施方式中，本发明提供的广角镜头满足以下条件式：
0＜(f8/fL4+f10/fL5)/fQ2＜1； (5)
其中，f8表示第四透镜的像侧表面的焦距，f10表示第五透镜的像侧表面的焦距，fL4表示第四透镜的焦距，fL5表示第五透镜的焦距，fQ2表示第二群组的焦距。
满足条件式(5)，有利于增大镜头的相对孔径，从而提升镜头的通光量。
在一些实施方式中，本发明提供的广角镜头满足以下条件式：
0＜ENPP/TTL＜0.2； (6)
其中，ENPP表示广角镜头的入瞳位置，TTL表示广角镜头的光学总长。
满足条件式(6)，可以使镜头的入瞳位置更靠近物侧，有利于提高镜头的相对照度。
在一些实施方式中，第六透镜的物侧表面和像侧表面均为凸面，第七透镜的物侧表面和像侧表面均为凹面，由于第六透镜和第七透镜组成胶合体，采用此面型组合，可以有效地消除色差，同时减少球面像差。
在一些实施方式中，第六透镜的物侧表面和像侧表面均为凹面，第七透镜的物侧表面为凸面。
在一些实施方式中，第三透镜的物侧表面为凹面，第三透镜的像侧表面为凸面，第二透镜的物侧表面为凹面。
在一些实施方式中，第三透镜的物侧表面为凸面，第三透镜的像侧表面为凹面，第二透镜的物侧表面为凸面。
在一些实施方式中，第二透镜和第八透镜均为玻璃非球面透镜。
由于采用玻璃球面镜片和玻璃非球面镜片相结合的方式，提高了整组镜头的解像能力，降低了畸变以及主光线出射角度，保证了镜头在具有大视场角的同时具有良好的成像效果。第八透镜为非球面透镜，可以有效地矫正场曲、球差等像差作用并且用来控制主光线出射角，第二透镜为玻璃非球面透镜，主要用于光线的收集并控制畸变。
本发明还提供一种成像设备，上述的任一实施方式中的广角镜头及成像元件，成像元件用于将广角镜头形成的光学图像转换为电信号。
本发明中各个实施例中的广角镜头的非球面的表面形状均满足下列方程式：
其中，z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c表示曲面顶点的曲率，K表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，B、C、D、E和F分别表示四阶、六阶、八阶、十阶和十二阶曲面系数。
在以下各个实施例中，本发明提供的广角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。
第一实施例
参阅图1，本发明第一实施例提供的一种广角镜头100从物侧到成像面S18依次包括：第一群组Q1、光阑ST、第二群组Q2、第三群组Q3、滤光片G1。
第一群组Q1具有负光焦度，第一群组Q1依次包括两个具有负光焦度的第一透镜L1、具有负光焦度的第二透镜L2和具有正光焦度的第三透镜L3，其中第一透镜L1的物侧表面S1为凸面，且第一透镜L1的像侧表面S2为凹面，第二透镜L2的物侧表面S3为凹面，且第二透镜L2的像侧表面S4为凸面，第三透镜L3的物侧表面S5为凹面，且第三透镜L3的像侧表面S6为凸面。
第二群组Q2具有正光焦度，第二群组Q2依次包括两个具有正光焦度的第四透镜L4和具有正光焦度的第五透镜L5，其中第四透镜L4的物侧表面S7为凹面，且第四透镜L4的像侧表面S8为凸面，第五透镜L5的物侧表面S9和第五透镜L5的像侧表面S10均为凸面。
第三群组Q3具有正光焦度，第三群组Q3包括一个第六透镜L6，一个第七透镜L7和一个第八透镜L8，其中第六透镜L6具有负光焦度，第七透镜L7以及第八透镜L8均具有正光焦度，第六透镜L6和第七透镜L7形成粘合体，具体地，第六透镜L6的像侧表面S12-1和第七透镜L7的物侧表面S12-2粘合于一体，也即第六透镜L6的像侧面S12-1与第七透镜L7的物侧面S12-2无缝粘合，其粘合面为S12。第六透镜L6的物侧表面S11和第六透镜L6的像侧表面S12均为凹面，第七透镜L7的物侧表面S12为凸面，且第七透镜L7的像侧表面S13为凹面，第八透镜L8的物侧表面S14和第八透镜L8的像侧表面S15均为凸面。
光阑ST设置于第一群组Q1和第二群组Q2之间，具体地，光阑ST设置于第三透镜L3和第四透镜L4之间。
滤光片G1设置于第三群组Q3与成像面S18之间。
其中，本实施例提供的广角镜头100的第一透镜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以及第八透镜L8均采用玻璃材料制成，且第二透镜L2、第五透镜L5和第八透镜L8均采用玻璃非球面透镜。
本实施例中提供的广角镜头100中各个镜片的相关参数如表1所示。
表1
表面序号
表面类型
曲率半径
厚度
折射率
阿贝数
物面
无穷
无穷
S1
球面
8.819722
0.602392
1.901
37.05
S2
球面
2.854768
2.138819
S3
非球面
-5.726532
1.070475
1.693
53.20
S4
非球面
363.784943
1.146690
S5
球面
-12.385210
0.910028
2.001
25.44
S6
球面
-4.731318
0.152955
ST
光阑
无穷
0.569157
S7
球面
-5.067608
1.030129
1.456
90.27
S8
球面
-3.008328
0.458779
S9
非球面
7.910199
1.489988
1.593
68.53
S10
非球面
-6.313031
0.231864
S11
球面
-11.756423
0.449960
1.762
26.61
S12
球面
2.950239
1.924232
1.593
68.53
S13
球面
26.757152
0.684653
S14
非球面
8.172556
1.639889
1.497
81.52
S15
非球面
-20.000000
0.953293
S16
球面
无穷
0.500000
1.517
64.21
S17
球面
无穷
2.046704
S18
成像面
无穷
——
本实施例的各透镜非球面的参数如表2所示。
表2
在本实施例中，其场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差分别依次如图2、图3、图4、图5所示。由图2至图5可以看出，本实施例中场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差都能被很好地校正。
第二实施例
本实施例提供的一种广角镜头200的结构示意图请参阅图6。本实施例中的广角镜头200与第一实施例中的广角镜头100大抵相同，不同之处在于：本实施例中的广角镜头200第一群组Q1的第二透镜L2的像侧表面S11近轴位置为凹面，第二群组Q2的第五透镜L5为玻璃球面透镜，第三群组Q3的第七透镜L7的像侧表面S13为凸面，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同。
本实施例中提供的广角镜头200中各个透镜的镜片相关参数参见表3所示。
表3
本实施例的各透镜非球面的参数如表4所示。
表4
在本实施例中，其场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差分别如图7、图8、图9、图10所示。由图7至图10可以看出，本实施例中场曲、畸变、轴向色差、垂轴色差都能被很好地校正。
第三实施例
本实施例提供的一种广角镜头300的结构示意图请参阅图11。本实施例中的广角镜头300与第一实施例中的广角镜头100大抵相同，不同之处在于：本实施例中的广角镜头300的第一群组Q1的第二透镜L2的物侧表面S3为凸面，第三透镜L3的物侧表面S5为凸面，且第三透镜L3的像侧表面S6为凹面，第三透镜L3具有负光焦度，第二群组Q2的第四透镜L4的物侧表面S7为凹面，第五透镜L5为玻璃球面透镜，且第五透镜L5的物侧表面S9为凹面，第三群组Q3的第六透镜L6具有正光焦度，且第六透镜L6的物侧表面S11和第六透镜L6的像侧表面S12-1均为凸面，第七透镜L7具有负光焦度，且第七透镜L7的物侧表面S12-2和第七透镜L7的像侧表面S13均为凹面，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同。
本实施例中提供的广角镜头300中各个透镜的镜片相关参数参见表5所示。
表5
表面序号
表面类型
曲率半径
厚度
折射率
阿贝数
物面
无穷
无穷
S1
球面
9.188139
0.595676
1.743
49.24
S2
球面
2.497203
2.087965
S3
非球面
29.912433
0.507404
1.693
53.20
S4
非球面
5.136460
0.572831
S5
球面
7.535142
1.443528
1.851
40.10
S6
球面
6.145891
0.668986
ST
光阑
无穷
0.137881
S7
球面
31.690277
0.799150
1.851
40.10
S8
球面
-5.903793
0.698934
S9
球面
-28.701839
1.159661
1.623
56.95
S10
球面
-4.181023
0.199448
S11
球面
9.974187
2.244214
1.618
63.41
S12
球面
-3.164572
0.448927
1.740
28.29
S13
球面
6.317043
0.621246
S14
非球面
6.651930
2.082304
1.497
81.56
S15
非球面
-7.665571
0.953293
S16
球面
无穷
0.500000
1.517
64.21
S17
球面
无穷
2.281574
S18
成像面
无穷
——
本实施例的各透镜非球面的参数如表6所示。
表6
在本实施例中，其场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差分别如图12、图13、图14、图15所示。由图12至图15可以看出，本实施例中场曲、畸变、轴向色差、垂轴色差都能被很好地校正。
第四实施例
本实施例提供的一种广角镜头400的结构示意图请参阅图16。本实施例中的广角镜头400与第一实施例中的广角镜头100大抵相同，不同之处在于：本实施例中的广角镜头400的第二群组Q2的第五透镜L5为玻璃球面透镜，且第五透镜L5的物侧表面S9为凹面，第三群组Q3的第六透镜L6具有正光焦度，且第六透镜L6的物侧表面S11和第六透镜L6的像侧表面S12均为凸面，第七透镜L7具有负光焦度，且第七透镜L7的物侧表面S12和第七透镜L7的像侧表面S13均为凹面，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同。
本实施例中提供的广角镜头400中各个透镜的镜片相关参数参见表7所示。
表7
本实施例的各透镜非球面的参数如表8所示。
表8
在本实施例中，其场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差分别如图17、图18、图19、图20所示。由图17至图20可以看出，本实施例中场曲、畸变、轴向色差、垂轴色差都能被很好地校正。
表9是上述四个实施例及其对应的光学特性，包括系统焦距f、光圈数F#、视场角2θ和光学总长TTL，以及与前面每个条件式对应的数值。
表9
在上述实施例中，本发明提供的各广角镜头均可以达到以下的光学指标：(1)视场角：2θ≥160°；(2)光学总长：TTL≤18mm；(3)适用光谱范围为：400nm～700nm。
综上所述，本发明提供的广角镜头中的第一群组的第一透镜为弯月形镜片，第二透镜为玻璃非球面透镜，主要用于光线的收集并控制畸变，第三透镜使用高折射率玻璃材料，可以矫正轴上像差，第二群组用于光线的会聚，使用两片透镜分担光焦度，避免出现单一镜片光焦度过大导致公差敏感度大的情况，明显提升组装良率，第三群组的第六、第七透镜组成的粘合体用于消除色差，第八透镜为非球面透镜，可以有效地矫正场曲、球差等像差作用并且用来控制主光线出射角。
第五实施例
本实施例提供的一种成像设备500的结构示意图请参阅图21，包括上述任一实施例中的广角镜头(例如广角镜头100)及成像元件510。成像元件510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。
成像设备500可以是运动相机、摄像机、车载记录仪以及其他任意一种形态的装载了广角镜头的电子设备。
本实施例提供的成像设备500包括广角镜头，由于广角镜头具有小畸变、高像素、大视场角、低公差敏感度的优点，因此，该成像设备500具有更高像素的成像效果、畸变小、大视场角和低公差敏感度等优点。
以上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。
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