低畸变光学系统及镜头的制作方法

1.本发明涉及光学镜头技术领域，特别涉及一种低畸变光学系统及镜头。


背景技术：

2.定焦镜头兼具低成本和高分辨率的特点，在监控安防及视讯领域市场上占有极大的份额。当前市场对定焦监控镜头的规格和性能要求非常高，比如要求满足高清解像能力，解像力达到4k及以上；低畸变，甚至无畸变；高相对照度；为了实现高清分辨率、较小的画面失真度、较高的相对照度，市场上现有的大部分产品都采用了含塑胶非球面镜片的镜头结构，然而，与玻璃镜片相比，塑胶非球面镜片本身具有易老化，稳定性差的劣势。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种低畸变光学系统及镜头，可解决现有镜头的分辨率低、高畸变和相对照度低的问题。
4.根据本发明第一方面实施例的低畸变光学系统，包括自物侧至相侧依次设置的：第一透镜，其具有负光焦度；第二透镜，其具有正光焦度且与所述第一透镜间隔设置；第三透镜，其具有正光焦度且与所述第二透镜间隔设置；光阑sto，其与所述第三透镜间隔设置并用于限制光束口径；第四透镜，其具有负光焦度且与所述光阑sto间隔设置；第五透镜，其具有正光焦度且与所述第四透镜间隔设置；第六透镜，其具有负光焦度且与所述第五透镜间隔设置；第七透镜，其具有正光焦度且与所述第六透镜组成粘合透镜；感光芯片，其与第所述七透镜间隔设置，用于捕捉成像信号并形成图像。
5.根据本发明第一方面实施例的低畸变光学系统，至少具有如下有益效果：通过设置不同结构的镜片组合，并合理分配各个镜片的光焦度，获得高清分辨率的同时，实现了光学系统的低畸变和高相对照度，镜头结构形式简单，镜片加工性好，具备较好的量产性，成本低。
6.根据本发明第一方面的一些实施例，所述第一透镜朝向物侧的一面为凸面，朝向像侧的一面为凹面；所述第二透镜的两个面均为凸面；所述第三透镜朝向物侧的一面为凸面，朝向像侧的一面为凹面；所述第四透镜的两个面均为凹面；所述第五透镜朝向物侧的一面为凹面，朝向像侧的一面为凸面；所述第六透镜朝向物侧的一面为凸面，朝向像侧的一面为凹面；所述第七透镜的两个面均为凸面。
7.根据本发明第一方面的一些实施例，所述低畸变光学系统满足以下关系式
8.‑
2.5<f1/f<
‑
1；
9.1<f2/f<2.5；
10.1<f3/f<3；
11.‑
1<f4/f<
‑
0.5；
12.1<f5/f<3；
13.4<f6‑7/f<7；
14.2.5<tl/f<4；
15.其中，f为该光学系统的焦距，f1为第一透镜1的焦距，f2为第二透镜2的焦距，f3为第三透镜3的焦距，f4为第四透镜4的焦距，f5为第五透镜5的焦距，f6‑7为第六透镜6和第七透镜7的组合焦距，tl为该镜头光学系统的总体长度。
16.根据本发明第一方面的一些实施例，所述低畸变光学系统满足以下关系式
17.nd1≤1.6；
18.nd2≤1.6；
19.nd3≥1.6；
20.nd4≥1.5；
21.nd5≥1.7；
22.nd6≥1.7；
23.nd7≤1.6；
24.其中，nd1为第一透镜的折射率，nd2为第二透镜的折射率，nd3为第三透镜的折射率，nd4为第四透镜的折射率，nd5为第五透镜的折射率，nd6为第六透镜的折射率，nd7为第七透镜的折射率。
25.根据本发明第一方面的一些实施例，所述低畸变光学系统满足以下关系式
26.vd1≥50；
27.vd2≥60；
28.vd3≤50；
29.vd4≤50；
30.vd5≤55；
31.vd6≤50；
32.vd7≥60；
33.其中，vd1为第一透镜的色散系数，vd2为第二透镜的色散系数，vd3为第三透镜的色散系数，vd4为第四透镜的色散系数，vd5为第五透镜的色散系数，vd6为第六透镜的色散系数，vd7为第七透镜的色散系数。
34.根据本发明第一方面的一些实施例，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜均采用玻璃材质透镜。
35.根据本发明第一方面的一些实施例，所述第七透镜和所述感光芯片之间依次设置有滤光片。
36.根据本发明第一方面的一些实施例，所述滤光片和所述感光芯片之间依次设置有保护玻璃。
37.根据本发明第二方面实施例的一种低畸变光学镜头，包括镜筒，以及设置在镜筒内的所述低畸变光学系统。
38.根据本发明第二方面实施例的低畸变光学系统，至少具有如下有益效果：通过设置不同结构的镜片组合，并合理分配各个镜片的光焦度，获得高清分辨率的同时，实现了视讯镜头的低畸变和高相对照度。
39.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
40.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：
41.图1为本发明第一方面实施例的低畸变光学系统示意图；
42.图2为本发明第一方面实施例的低畸变光学系统mtf曲线图；
43.图3为本发明第一方面实施例的低畸变光学系统离焦曲线图；
44.图4为本发明第一方面实施例的低畸变光学系统各视场在指定频率下的mtf曲线图；
45.图5为本发明第一方面实施例的低畸变光学系统畸变曲线图；
46.图6为本发明第一方面实施例的低畸变光学系统相对照度曲线图。
47.附图标记：
48.第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、光阑sto、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、感光芯片8、滤光片9、保护玻璃10。
具体实施方式
49.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
50.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
51.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
52.参考图1所示，为本技术方案根据本发明第一方面实施例的一种低畸变光学系统，包括自物侧至相侧依次设置的：第一透镜1，其具有负光焦度；第二透镜2，其具有正光焦度且与所述第一透镜1间隔设置；第三透镜3，其具有正光焦度且与所述第二透镜2间隔设置；光阑sto，其与所述第三透镜3间隔设置并用于限制光束口径；第四透镜4，其具有负光焦度且与所述光阑sto间隔设置；第五透镜5，其具有正光焦度且与所述第四透镜4间隔设置；第六透镜6，其具有负光焦度且与所述第五透镜5间隔设置；第七透镜7，其具有正光焦度且与所述第六透镜6组成粘合透镜；感光芯片8，其与第所述七透镜7间隔设置，用于捕捉成像信号并形成图像。
53.本实施例通过设置不同结构的镜片组合，并合理分配各个镜片的光焦度，获得高清分辨率的同时，实现了光学系统的低畸变和高相对照度。
54.在本发明第一方面的一些实施例中，第一透镜1朝向物侧的一面为凸面，朝向像侧的一面为凹面；第二透镜2的两个面均为凸面；第三透镜3朝向物侧的一面为凸面，朝向像侧的一面为凹面；第四透镜4的两个面均为凹面；第五透镜5朝向物侧的一面为凹面，朝向像侧的一面为凸面；第六透镜6朝向物侧的一面为凸面，朝向像侧的一面为凹面；第七透镜7的两
个面均为凸面，系统结构形式简单，镜片加工性好，有利于镜头的批量化生产，降低镜头生产成本。
55.在本发明第一方面的一些实施例中，低畸变光学系统满足以下关系式
56.‑
2.5<f1/f<
‑
1；
57.1<f2/f<2.5；
58.1<f3/f<3；
59.‑
1<f4/f<
‑
0.5；
60.1<f5/f<3；
61.4<f6‑7/f<7；
62.2.5<tl/f<4；
63.其中，f为该光学系统的焦距，f1为第一透镜1的焦距，f2为第二透镜2的焦距，f3为第三透镜3的焦距，f4为第四透镜4的焦距，f5为第五透镜5的焦距，f6‑7为第六透镜6和第七透镜7的组合焦距，tl为该镜头光学系统的总体长度。
64.本实施例的镜头光学系统中各镜片光焦度具有合理的分配比例，前组采用先负后正的分离透镜结构，一方面能尽快实现光线角度的偏转，减小光束与光轴间的夹角，从而减小后接镜片的光束入射角，有利于轴外像差的校正，提高镜头分辨能力，另一方面，这种结构形式能降低光线在第一片透镜上的入射高度，减小透镜的有效口径，使得镜头结构紧凑，光路变化自然，零件公差范围宽松，从而使得镜头结构小巧，容易实现良品，降低成本；光阑位于第三透镜3和第四透镜4之间，两个透镜与光阑之间的距离均很小，且两透镜靠近光阑的表面均弯向光阑面，有利于减小光线入射到镜片表面的角度，有利于校正系统球差和彗差，实现高清解像能力，同时能降低零件敏感度，有利于提升良品率，进一步降低成本；第七透镜7具有正的光焦度，且靠近像面的表面为凸面，可以减小主光线在像面上的入射角，有利于提高相对照度。
65.在本发明第一方面的一些实施例中，低畸变光学系统满足以下关系式
66.nd1≤1.6；
67.nd2≤1.6；
68.nd3≥1.6；
69.nd4≥1.5；
70.nd5≥1.7；
71.nd6≥1.7；
72.nd7≤1.6；
73.其中，nd1为第一透镜1的折射率，nd2为第二透镜2的折射率，nd3为第三透镜3的折射率，nd4为第四透镜4的折射率，nd5为第五透镜5的折射率，nd6为第六透镜6的折射率，nd7为第七透镜7的折射率。
74.在本实施例中，满足上述折射率关系的透镜组合结构，有利于实现光焦度的合理分配，能较好的平衡球差、彗差、场曲，从而提高光学系统解像能力，获得高清图像。前组透镜使用折射率相对较低的玻璃材料，此时增加镜片表面弯曲程度以便校正系统单色像差，后组透镜使用折射率相对前组较低的材料，减少表面弯曲程度，补偿经过前组后的残余单色像差，共同作用，提升系统解像能力。
75.在本发明第一方面的一些实施例中，低畸变光学系统满足以下关系式
76.vd1≥50；
77.vd2≥60；
78.vd3≤50；
79.vd4≤50；
80.vd5≤55；
81.vd6≤50；
82.vd7≥60；
83.中，vd1为第一透镜1的色散系数，vd2为第二透镜2的色散系数，vd3为第三透镜3的色散系数，vd4为第四透镜4的色散系数，vd5为第五透镜5的色散系数，vd6为第六透镜6的色散系数，vd7为第七透镜7的色散系数。
84.上述各透镜选择合理色散系数的材料，尤其是第六透镜6与第七透镜7构成粘合透镜，高低色散材料互相搭配，有利于校正系统色差，进一步提高镜头解像能力。
85.在本发明第一方面的一些实施例中，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7均采用玻璃材质透镜，相比塑胶材质而言，在可见光波段的透过率更高，最终到达感光芯片上的光能损失较少，成像的通透性更好，玻璃材质的物理和化学稳定性远好于塑胶镜片，因此，在温度等条件变化时，玻璃材质光学参数的变化较塑胶材质要小很多，能更好地适用于各种恶劣环境中；同时玻璃材质不容易老化变形，使用寿命更长。
86.在本发明第一方面的一些实施例中，第七透镜7和感光芯片8之间设置有滤光片9。滤光片9能过滤一部分杂散光线，防止感光芯片受到红外线的干扰，从而使图像像质清晰，色彩亮丽。
87.进一步，在本发明第一方面的一些实施例中，滤光片9和感光芯片8之间设置有保护玻璃10，保护玻璃10可以保护感光芯片8免受碰撞破坏。
88.在本发明的一些实施例中，通过尽量少设置渐晕或不设渐晕，使周边视场光线尽量多的通过镜头到达感光芯片8的表面，从而使得镜头获得较高的相对照度，保证整体像面亮度的均匀性和通透性。
89.在本发明的一些实施例中，低畸变光学系统的设计波段为435～656nm，系统焦距f＝7.2mm，fno＝2.2，fov为48.2
°
，光学系统总长tl＝23mm，可搭配用于1/2.8”的感光芯片。
90.本实施例镜头具体参数如下表所示：
91.面编号半径r厚度折射率nd阿贝数vd物面infinityinfinity
‑‑
s123.9840.9971.5459.73s23.74.605
‑‑
s319.4092.0411.49781.595s4
‑
5.8280.093
‑‑
s56.0222.0251.74444.904s613.7240.285
‑‑
光阑infinity0.351
‑‑
s8
‑
9.3440.9891.603438.009s96.5710.484
‑‑
s10
‑
33.0111.291.772549.613s11
‑
6.8710.064
‑‑
s1211.7240.9791.903731.42s134.4851.8291.49781.595s14
‑
13.211
‑‑
s15infinity0.31.516864.212s16infinity5
‑‑
s17infinity0.51.516864.212s18infinity0.174
‑‑
s19像面
‑‑‑
92.在上表中，半径r、厚度及半口径的单位均为毫米；
93.图2至图6为本发明实施例的光学性能图，其中图2为光学系统mtf曲线，用来评价光学系统的分辨能力，从曲线图中可以看出所有视场mtf在200lp/mm处均大于0.3，具有极好的分辨能力，且轴上和轴外mtf曲线趋势基本一致；图3为光学系统离焦曲线，从图中可以看出各视场光线的最佳成像面重合，相对中心视场成像面位置无明显偏离，各视场光线能在同一表面上均匀成像；图4为光学系统各视场在某指定空间频率下的mtf曲线，用来分析光线经过系统后各视场成像的均匀性，从图中可以看出，在指定的频率下，各个视场的mtf值变化很小，保证了周边视场与中心视场成像性能的一致性；图5为光学系统的畸变曲线，全视场时光学畸变仅为
‑
1％，畸变量很小，能保证成像画面的真实性；图6为光学系统的相对照度曲线，全视场相对照度为65％，高相对照度能保证整体画面亮度分布的均匀性，即使在画面边角，其亮度与中心的亮度差异仍非常小。
94.根据本发明第二方面实施例的一种低畸变光学镜头，包括镜筒，以及设置在镜筒内的所述低畸变光学系统，通过设置不同结构的镜片组合，并合理分配各个镜片的光焦度，获得高清分辨率的同时，实现了定焦镜头的低畸变和高相对照度。
95.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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。
96.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。