一种透镜系统、成像模组及相机的制作方法

1.本技术实施例涉及光学及电子技术领域，特别涉及一种透镜系统、成像模组及相机。


背景技术：

2.在众多光学成像应用领域中，为了满足用户希望透镜系统的视场范围足够大的同时，目标的细节分辨率尽可能高的需求，现有很多产品采用多摄像头组合的方式来满足视场角和分辨率的双重要求。
3.然而近些年来，车载和安防光学领域对于透镜系统模组的集成化和对场景信息的采集效率要求越来越高，现有技术无法同时满足集成化、高分辨率以及大视场角的应用需求。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种透镜系统、成像模组及相机，满足大视场角和细节高分辨率的应用需求。
5.本技术实施例第一方面提供了一种透镜系统，包括：
6.六片式广角透镜组和四片式长焦透镜组；
7.所述六片式广角透镜组包括沿光束入射方向依次设置的第一广角透镜、第二广角透镜、第三广角透镜、第四广角透镜、第五广角透镜以及第六广角透镜，所述六片式广角透镜组通过所述第一广角透镜、所述第二广角透镜、所述第三广角透镜、所述第四广角透镜、所述第五广角透镜以及所述第六广角透镜接收大视场范围目标的图像信息；
8.所述四片式长焦透镜组包括沿光束入射方向依次设置的第一长焦透镜、第二长焦透镜、第三长焦透镜以及第四长焦透镜，所述四片式长焦透镜组通过所述第一长焦透镜、所述第二长焦透镜、所述第三长焦透镜以及所述第四长焦透镜接收小视场细节目标的图像信息。
9.可选的，所述第一广角透镜、所述第二广角透镜、所述第六广角透镜、所述第二长焦透镜和所述第三长焦透镜为负光焦度，所述第三广角透镜、所述第四广角透镜、所述第五广角透镜、所述第一长焦透镜和所述第四长焦透镜为正光焦度。
10.可选的，所述第一广角透镜、所述第四广角透镜、所述第五广角透镜、所述第六广角透镜、所述第一长焦透镜、所述第二长焦透镜、所述第三长焦透镜以及所述第四长焦透镜皆为玻璃球面透镜，所述第二广角透镜和所述第三广角透镜为塑料非球面透镜。
11.可选的，所述六片式广角透镜组的各广角透镜的非球面曲线方程为：
12.其中，z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作为参考的位置值；
13.c为各广角透镜表面靠近光轴的曲率，并为曲率半径r的倒数：c＝1/r，r为各广角
透镜表面靠近光轴的曲率半径；
14.h为各广角透镜表面距离光轴的垂直距离；
15.k为圆锥系数；
16.a4、a6、a8、a
10
、a
12
、a
14
、a
16
为高阶非球面系数。
17.可选的，所述第一广角透镜的有效焦距f
11
：-8.0《f
11
《0；
18.所述第二广角透镜的有效焦距f
12
：-12.0《f
12
《3.0；
19.所述第四广角透镜的有效焦距f
14
：2.0《f
14
《8.0；
20.所述第六广角透镜的有效焦距f
16
：5.0《f
16
《12.0；
21.所述第五广角透镜和所述第六广角透镜的组合焦距f
56
：2.0《f
56
《10.0；
22.各透镜的材料在d光下的折射率nd：1.52《nd《1.95；
23.所述第一广角透镜和所述第一长焦透镜的物方表面至成像面于光轴的距离t
l
：0.05《f/t
l
《0.5；
24.镜片的中心厚度h：0.6《h《2.0；镜片的边缘厚度h’：0.5《h’《3.0。
25.可选的，所述第一长焦透镜的有效焦距f
21
：2.0《f
21
《10.0；
26.所述第二长焦透镜的有效焦距f
22
：-12.0《f
22
《-3.0；
27.所述第三长焦透镜的有效焦距f
23
：-10.0《f
23
《4.0；
28.所述第四长焦透镜的有效焦距f
24
：2.0《f
24
《8.0。
29.可选的，还包括孔径光阑，所述孔径光阑设置于任意透镜之间。
30.可选的，所述六片式广角透镜组和所述四片式长焦透镜组的光圈值fno《2.3。
31.本技术实施例第二方面提供了一种成像模组，包括：
32.图像传感器、滤光片、转折棱镜以及前述第一方面所述的透镜系统；
33.所述图像传感器用于将感应区上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号；
34.所述滤光片用于过滤进入所述透镜系统的光线中的杂散光，位于所述透镜系统与所述图像传感器的感应区之间；
35.所述转折棱镜用于特定角度转折光线，位于所述透镜系统与所述图像传感器的感应区之间。
36.本技术实施例第三方面提供了一种相机，包括：
37.前述第二方面所述的成像模组、镜头底座以及电子组件；
38.其中，所述成像模组包括图像传感器、滤光片、转折棱镜以及前述第一方面所述的透镜系统，所述透镜系统包括六片式广角透镜组和四片式长焦透镜组；
39.所述转折棱镜设置于所述镜头底座内部，所述四片式长焦透镜组按照预设的对焦距离设置于所述镜头底座上，所述六片式广角透镜组和所述四片式长焦透镜组共用所述图像传感器。
40.以上技术方案可以看出，本技术实施例具有以下优点：
41.本技术中，设计一种透镜系统，包括六片式广角透镜组和四片式长焦透镜组，其中，六片式广角透镜组用于接收大视场范围目标的图像信息，四片式长焦透镜组用于接收小视场细节目标的图像信息，两组透镜互相配合实现了集成化以及高分辨率，满足了大视场角和细节高分辨率的应用需求。
附图说明
42.在附图中，为了便于说明，适当夸大了透镜的厚度、尺寸和形状。具体来讲，附图中所示的球面或非球面的形状通过示例的方式示出。即，球面或非球面的形状不限于附图中示出的球面或非球面的形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
43.在本技术中，近轴区域是指光轴附近的区域。若透镜表面为凸面且未界定该凸面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凸面；若透镜表面为凹面且未界定该凹面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凹面。每个透镜中，最靠近被摄物的表面称为该透镜的物侧面；每个透镜中，最靠近成像面的表面称为该透镜的像侧面。
44.图1为本技术实施例中成像模组的结构示意图；
45.图2为本技术实施例中图像传感器的感应区的分区示意图；
46.图3为本技术实施例中六片式广角透镜组的光路图；
47.图4为本技术实施例中六片式广角透镜组的调制传递函数曲线图；
48.图5为本技术实施例中六片式广角透镜组的各视场相对照度曲线图；
49.图6为本技术实施例中六片式广角透镜组的场曲及f-θ畸变曲线图；
50.图7为本技术实施例中四片式长焦透镜组的光路图；
51.图8为本技术实施例中四片式长焦透镜组的调制传递函数曲线图；
52.图9为本技术实施例中四片式长焦透镜组的各视场相对照度曲线图；
53.图10为本技术实施例中四片式长焦透镜组的场曲及f-θ畸变曲线图；
54.图11为本技术实施例中成像模组的光路图。
具体实施方式
55.在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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，仅用于说明各部件或组成部分之间的相对位置关系，并不特别限定各部件或组成部分的具体安装方位。
56.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
57.此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
58.此外，在本技术中所附图式所绘制的结构、比例、大小等，均仅用于配合说明书所揭示的内容，以供本领域技术人员了解与阅读，并非用于限定本技术可实施的限定条件，故不具有技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均仍应落在本技术所揭示的技术内容涵盖的范围内。
59.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
60.本技术提供了一种透镜系统、成像模组及相机，满足大视场角和细节高分辨率的应用需求。
61.需要说明的是，本技术对于透镜系统、成像模组及相机的描述皆是以图1作为参照，图1中，透镜系统1所在的方位为左边，图像传感器2在右边，光的入射方向是从左往右。
62.请参阅图1至图11，本技术实施例提供了一种透镜系统，包括：
63.六片式广角透镜组11和四片式长焦透镜组12；
64.六片式广角透镜组11包括沿光束入射方向依次设置的第一广角透镜111、第二广角透镜112、第三广角透镜113、第四广角透镜114、第五广角透镜115以及第六广角透镜116，所述六片式广角透镜组11通过第一广角透镜111、第二广角透镜112、第三广角透镜113、第四广角透镜114、第五广角透镜115以及第六广角透镜116接收大视场范围目标的图像信息；
65.四片式长焦透镜组12包括沿光束入射方向依次设置的第一长焦透镜121、第二长焦透镜122、第三长焦透镜123以及第四长焦透镜124，所述四片式长焦透镜组12通过第一长焦透镜121、第二长焦透镜122、第三长焦透镜123以及第四长焦透镜124接收小视场细节目标的图像信息。
66.本技术实施例中，设计一种透镜系统，包括六片式广角透镜组和四片式长焦透镜组，其中，六片式广角透镜组用于接收大视场范围目标的图像信息，四片式长焦透镜组用于接收小视场细节目标的图像信息，两组透镜配合，满足大视场角和细节高分辨率的应用需求，且分辨率高。
67.可选的，第一广角透镜111、第二广角透镜112、第六广角透镜116、第二长焦透镜122和第三长焦透镜123为负光焦度，第三广角透镜113、第四广角透镜114、第五广角透镜115、第一长焦透镜121和第四长焦透镜124为正光焦度。
68.可选的，第一广角透镜111、第四广角透镜114、第五广角透镜115、第六广角透镜116、第一长焦透镜121、第二长焦透镜122、第三长焦透镜123以及第四长焦透镜124皆为玻璃球面透镜，第二广角透镜112和第三广角透镜113为塑料非球面透镜。
69.需要说明的是，本技术实施例中，透镜系统1由六片式广角透镜组11和四片式长焦透镜组12组成，其中，六片式广角透镜组11沿光束出射的方向包括第一广角透镜111、第二广角透镜112、第三广角透镜113、第四广角透镜114、第五广角透镜115以及第六广角透镜116；四片式长焦透镜组12沿光束出射的方向依次包括第一长焦透镜121、第二长焦透镜122、第三长焦透镜123和第四长焦透镜124。
70.第一广角透镜111、第二广角透镜112和第六广角透镜116具有负光焦度，第三广角透镜113、第四广角透镜114和第五广角透镜115具有正光焦度，其物方表面与像方表面近光轴处为凸面，其物方表面与像方表面之间可为球面或非球面。
71.第一长焦透镜121和第四长焦透镜124具有正光焦度，第二长焦透镜122和第三长焦透镜123具有负光焦度，其物方表面与像方表面近光轴处为凸面，其物方表面与像方表面之间可为球面或非球面。
72.同时，考虑到低成本、易加工、抗热性及耐腐蚀性等方面，为了追求成本低廉，提高热稳定性和耐腐蚀性，本技术的透镜系统的材料采用玻璃球面为主，塑料非球面为辅的设
计。
73.玻璃材质的透镜具有耐高温、耐腐蚀、耐划伤等特性，保护整个透镜组1在装配、运输、使用过程中不被划伤，在高温、低温、强光照、风沙等恶劣环境下不易被风解、破坏，从而延长了透镜组的使用寿命。
74.塑料透镜的材质可以用有机玻璃pmma(化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸脂、apel5014等材料制作。
75.具体的，六片式广角透镜组11采用四片玻璃球面透镜和两片塑料非球面透镜组合的方式，第一广角透镜111、第四广角透镜114、第五广角透镜115以及第六广角透镜116为玻璃球面透镜，第二广角透镜112和第三广角透镜113为塑料非球面透镜。
76.四片式长焦透镜组12的所有透镜均为玻璃球面透镜，玻璃材质的透镜耐高温、耐腐蚀、耐划伤等特性，保护整个透镜系统1在装配、运输、使用过程中不被划伤，在高温、低温、强光照、风沙等恶劣环境下不易被风解、破坏，从而延长四片式长焦透镜组12的使用寿命。
77.可选的，六片式广角透镜组11的各广角透镜的非球面曲线方程为：
78.其中，z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作为参考的位置值；c为各广角透镜表面靠近光轴的曲率，并为曲率半径r的倒数：c＝1/r，r为各广角透镜表面靠近光轴的曲率半径；h为各广角透镜表面距离光轴的垂直距离；k为圆锥系数；a4、a6、a8、a
10
、a
12
、a
14
、a
16
为高阶非球面系数。
79.需要说明的是，高阶非球面系数如下表1所示：
80.表1
81.表面a4a6a8a10a12s3-4.126e-003-4.415e-0041.462e-004-1.291e-0050.000s4-1.273e-003-4.283e-0043.456e-004-3.150e-0050.000s51.730e-003-8.492e-005-5.534e-0041.919e-0040.000s66.064e-0038.179e-004-1.013e-003-5.846e-0040.000
82.可选的，所述第一广角透镜111的有效焦距f
11
：-8.0《f
11
《0；
83.所述第二广角透镜112的有效焦距f
12
：-12.0《f
12
《3.0；
84.所述第四广角透镜114的有效焦距f
14
：2.0《f
14
《8.0；
85.所述第六广角透镜116的有效焦距f
16
：5.0《f
16
《12.0；
86.所述第五广角透镜115和所述第六广角透镜116的组合焦距f
56
：2.0《f
56
《10.0；
87.各透镜的材料在d光下的折射率nd：1.52《nd《1.95；
88.所述第一广角透镜111和所述第一长焦透镜121的物方表面至成像面于光轴的距离t
l
：0.05《f/t
l
《0.5；
89.镜片的中心厚度h：0.6《h《2.0；镜片的边缘厚度h’：0.5《h’《3.0。
90.需要说明的是，为了获得较大的视场角，保证结构紧凑的同时获得最好的成像质量，各广角透镜要满足上述这些条件，通过优化透镜系统1的参数，降低透镜系统1焦距受温
度过冷或过热的影响。
91.其中，f表示透镜系统1的有效焦距，第三广角透镜112的有效焦距和第五广角透镜112的有效焦距可设范围大，本技术不做要求。
92.下列表2为本技术的六片式广角透镜组11具体表面系数的一种设计参数，需要说明的是，设计参数仅用于示意，基于本技术原理的其他设计也属于本技术的范围内。
93.本例子中，六片式广角透镜组11能够在f/2.3处工作，且能够达到170o视场角。
94.表2
[0095][0096][0097]
此外，还需要说明的是，六片式广角透镜组11的光路图可见图3所示，各广角透镜的调制传递函数曲线图可见图4所示；各广角透镜的各视场相对照度曲线图可见图5所示；各广角透镜的场曲及f-θ畸变曲线图可见图6所示。
[0098]
可选的，第一长焦透镜121的有效焦距f
21
：2.0《f
21
《10.0；
[0099]
第二长焦透镜122的有效焦距f
22
：-12.0《f
22
《-3.0；
[0100]
第三长焦透镜123的有效焦距f
23
：-10.0《f
23
《4.0；
[0101]
第四长焦透镜124的有效焦距f
24
：2.0《f
24
《8.0。
[0102]
需要说明的是，本技术实施例中，n’d
表示各长焦透镜材料的在d-line(587nm)的
折射率；t’l
表示第一长焦透镜121的物方表面至成像面于光轴的距离；h表示镜片的中心厚度，h’表示镜片的边缘厚度，其范围均与前述的六片式广角透镜组一样。
[0103]
下述表3为四片式长焦透镜组12具体表面系数的一种设计参数，需要说明的是，设计参数仅用于示意，基于本技术原理的其他设计也属于本技术的范围内。
[0104]
本例子中，四片式长焦透镜组12能够在f/2.3处工作，且能够达到13.2视场角。
[0105]
表3
[0106][0107][0108]
此外，还需要说明的是，四片式长焦透镜组12的光路图可见图7所示，各广角透镜的调制传递函数曲线图可见图8所示；各广角透镜的各视场相对照度曲线图可见图9所示；各广角透镜的场曲及f-θ畸变曲线图可见图10所示。
[0109]
可选的，还包括孔径光阑(图中未视)，所述孔径光阑设置于任意透镜之间。
[0110]
可选的，六片式广角透镜组11和四片式长焦透镜组12的光圈值fno《2.3。
[0111]
需要说明的是，本技术实施例中，根据实际需要，四片式长焦透镜组12和六片式广角透镜组11还可以包括孔径光阑。孔径光阑可以设置在任何需要的位置处，比如第一广角透镜111前或第一广角透镜111与第四广角透镜114之间，具体本技术不做限制。
[0112]
为了使成像面在大视场范围具有足够且适当的照度，透镜系统1的光圈值为fno，并满足fno《2.3。
[0113]
请参阅图1至图11，本技术实施例提供了一种成像模组，包括：
[0114]
图像传感器2、滤光片3、转折棱镜4以及前述实施例所述的透镜系统1；
[0115]
图像传感器2用于将感应区上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号；
[0116]
滤光片3用于过滤进入透镜系统1的光线中的杂散光，位于所述透镜系统1与所述图像传感器2的感应区之间；
[0117]
转折棱镜4用于特定角度转折光线，位于透镜系统1与图像传感器2的感应区之间。
[0118]
本技术设计的成像模组包括图像传感器2、滤光片3、转折棱镜4以及透镜系统1，其中滤光片3用于滤除特定光，比如可以放红外滤光片滤除红外光线；图像传感器2用于将光像转换为与光像成相应比例关系的电信号；转折棱镜4用于特定角度转折光线，具体的，是将经过透镜系统1的光线折射至感应区内；透镜系统1由多个透镜组成，具体的可分为六片式广角透镜组11和四片式长焦透镜组12，六片式广角透镜组11用于接收大视场范围目标的图像信息，四片式长焦透镜组12用于接收小视场细节目标的图像信息。
[0119]
如图1和图11所示，光线从左至右发射，分为两条路径，一条依次经过六片式广角透镜组11、滤光片3，到达图像传感器2的感应区；另一条依次经过四片式长焦透镜组12、转折棱镜4，到达图像传感器2的感应区。
[0120]
具体的，六片式广角透镜组11用于接收大视场范围的光信号，并聚焦于图像传感器2的一侧，将光子信号转化为电子信号，再由接收像素的灰度值表示出信号的强弱以显示出目标物体的信息；四片式长焦透镜组12用于接收小视场范围的光信号，并经过所述转折棱镜4两次反射，聚焦于图像传感器2的另一侧，将光子信号转化为电子信号，再由接收像素的灰度值表示出信号的强弱以显示出目标物体的信息。通过这种方式实现在同一个图像传感器2上获得大视场范围和小视场细节两种图像信息。
[0121]
需要说明的是，感应区分为两部分，包括广角镜头成像区域22和长焦镜头成像区域21，其中，广角镜头成像区域22用于匹配广角镜头成像，可获得目标的大视场图像信息；长焦镜头成像区域21用于匹配长焦镜头成像，可获得小视场范围目标的细节图像信息，为了防止串光，两个区域之间还有间隔像素5对区域进行隔离。
[0122]
本技术实施例提供了一种相机，包括：
[0123]
前述实施例所述的成像模组、镜头底座以及电子组件；
[0124]
其中，所述成像模组包括图像传感器2、滤光片3、转折棱镜4以及前述实施例所述的透镜系统1，透镜系统1包括六片式广角透镜组11和四片式长焦透镜组12；
[0125]
转折棱镜4设置于所述镜头底座内部，四片式长焦透镜组12按照预设的对焦距离设置于所述镜头底座上，六片式广角透镜组11和四片式长焦透镜组12共用图像传感器2。
[0126]
需要说明的是，本技术实施例中，相机主要包括成像模组、镜头底座以及电子组件几大部分，其中，转折棱镜4设置于所述镜头底座内部，四片式长焦透镜组12按照预设的对焦距离安装在所述镜头底座上，六片式广角透镜组11和所述四片式长焦透镜组12共用所述图像传感器2。
[0127]
需要说明的是，对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。