广角变形摄像镜头

1.本发明涉及镜头技术领域，具体涉及一种广角变形摄像镜头。


背景技术：

2.近年，随着自动化技术的飞速发展，交通工具、生产和消费类机器人的智能化水平不断提升，它们能够自动驾驶或是自主进行位置移动。广角视频摄像头是该类设备获取环境信息、进行路径规划的主要传感硬件之一。目前市面上的常规广角镜头为旋转对称结构，不具备变形特性，拍摄画面中会包括天空、地面等无用区域，造成传感器像素的浪费。特别地，高亮度的天空区域被拍摄产生的过曝效果还会有害于较灰暗的路面和障碍物图像的正确获取。
3.目前现有的广角变形摄像镜头通常专门为相机或者摄影机制造，体积重量大、价格昂贵，不适合作为传感硬件模块集成于其它设备中，如何实现小尺寸广角变形摄像镜头是目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种具有合适变形效果的小尺寸广角变形摄像镜头。
5.本发明包括从物方到像方依次设置由非旋转对称镜片组成的变形组、光阑和包含有旋转对称镜片的后续成像组；
6.所述变形组包括从物方到像方依次设置的第一透镜和第二透镜，所述变形组整体提供负光焦度；
7.所述后续成像组包括从物方到像方依次设置的第三透镜和第四透镜。
8.所述广角变形摄像镜头的第一透镜和第二透镜在与光轴垂直平面内的相互垂直的两个方向上提供不同的光焦度，为了表述方便，上述与光轴垂直平面内的相互垂直的两个方向在下文中以x和y方向进行表示，其中x对应于所述广角变形摄像镜头拍摄画面的短边的方向，y对应于所述广角变形摄像镜头拍摄画面的长边的方向，而z方向为光轴方向。
9.所述第一透镜在y-z截面内设置为弯向像面的弯月透镜形状，在x-z截面内设置为弯向像面的弯月透镜形状。
10.所述第二透镜在y-z截面内设置为弯向物面的弯月透镜形状，在x-z截面内设置为弯向物面的弯月透镜形状。
11.所述第三透镜在靠近光轴区域设置为双凸透镜形状，设置为旋转对称镜片形式。
12.所述第四透镜在靠近光轴区域设置为双凹透镜形状，可以设置为旋转对称镜片形式或者非旋转对称镜片形式。
13.为了叙述方便，本发明采用本领域通用的符号规则：对于曲率半径，数值为正表示近轴曲率中心在表面右侧、数值为负表示近轴曲率中心在表面左侧；对于焦距，数值为正表示正光焦度、数值为负表示负光焦度。
14.构成所述变形组和后续成像组的透镜的光焦度分配和结构参数满足如下关系：
15.3.2≤f1-2x/f1-2y≤4.0
ꢀꢀꢀ
(1)
[0016]-0.5≤fx/f1-2x≤-0.05
ꢀꢀꢀ
(2)
[0017]-0.5≤fy/f1-2y≤-0.05
ꢀꢀꢀ
(3)
[0018]
0.8≤f4x/f4y≤1.1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0019]
r1y》0且r2y》0且r3y《0且r4y《0且r1x》0且r2x》0且r3x《0且r4x《0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0020]
其中，
[0021]
f1-2x：第一透镜与第二透镜组成的变形组在x方向上的整体焦距；
[0022]
f1-2y：第一透镜与第二透镜组成的变形组在y方向上的整体焦距；
[0023]
fx：广角变形摄像镜头整体在x方向的焦距；
[0024]
fy：广角变形摄像镜头整体在y方向的焦距；
[0025]
f4x：第四透镜在x方向上的焦距；
[0026]
f4y：第四透镜在y方向上的焦距；
[0027]
r1x：第一透镜的物体侧面在x方向的曲率半径；
[0028]
r1y：第一透镜的物体侧面在y方向的曲率半径；
[0029]
r2x：第一透镜的像侧面在x方向的曲率半径；
[0030]
r2y：第一透镜的像侧面在y方向的曲率半径；
[0031]
r3x：第二透镜的物体侧面在x方向的曲率半径；
[0032]
r3y：第二透镜的物体侧面在y方向的曲率半径；
[0033]
r4x：第二透镜的像侧面在x方向的曲率半径；
[0034]
r4y：第二透镜的像侧面在y方向的曲率半径；
[0035]
本发明提供的广角变形摄像镜头一较佳实施例中，所述广角变形摄像镜头还满足以下条件式：
[0036]
50≤vd1
[0037]
70≤vd1 vd2≤100
[0038]
50≤vd3
[0039]
70≤vd3 vd4≤100
[0040]
1.50≤nd1≤1.60
[0041]
nd1≤nd2≤1.75
[0042]
1.50≤nd3≤1.60
[0043]
nd3≤nd4≤1.75
[0044]
其中，
[0045]
vd1：第一透镜的阿贝数；
[0046]
vd2：第二透镜的阿贝数；
[0047]
vd3：第三透镜的阿贝数；
[0048]
vd4：第四透镜的阿贝数；
[0049]
nd1：第一透镜的d线的折射率；
[0050]
nd2：第二透镜的d线的折射率；
[0051]
nd3：第三透镜的d线的折射率；
[0052]
nd4：第四透镜的d线的折射率；
[0053]
本发明提供的广角变形摄像镜头一较佳实施例中，所述广角变形摄像镜头还满足以下条件式：
[0054]
3.2≤ana≤3.8
[0055]
2.8≤fx/ttl≤2.9
[0056]
90
°
《fov1《120
°
[0057]
30
°
《fov2《40
°
[0058]
其中，
[0059]
ana：广角变形摄像镜头的变形比，即广角变形摄像镜头整体在x方向的焦距fx与广角变形摄像镜头整体在y方向的焦距fy的比值。
[0060]
ttl：所述第一透镜的物体侧面到像面的距离；
[0061]
fx：所述广角变形摄像镜头在x方向的焦距；
[0062]
fov1：所述广角变形摄像镜头拍摄到的画面在短边中点处、沿长边方向对应的最大视角范围；
[0063]
fov2：所述广角变形摄像镜头拍摄到的画面在长边中点处、沿短边方向对应的最大视角范围。
[0064]
本发明的技术方案，具有如下优点：
[0065]
1、利用提供负光角度的变形组的光学特性，将水平进入的光线进行大量“压缩”，而垂直进入的光线进行少量“压缩”而使得所述广角变形摄像镜头在满足大角度光线得以进入镜头的同时水平方向具有较小的光学放大率、在竖直方向具有较大的光学放大率，实现水平方向具有90
°
以上的广阔视场角而竖直方向具有不超过40
°
的较小视场角。
[0066]
2、合理分配各透镜的面形、阿贝数、折射率、焦距等，使得广角变形摄像镜头在具有小尺寸的同时具有优良的光学性能。
附图说明
[0067]
图1为本发明广角变形摄像镜头的第一实施例的光学系统在x-z截面内的结构示意图；
[0068]
图2为本发明广角变形摄像镜头的第一实施例的光学系统在y-z截面内的结构示意图；
[0069]
图3为本发明广角变形摄像镜头的第一实施例的调制传递函数曲线；
[0070]
图4为本发明广角变形摄像镜头的第二实施例的光学系统在x-z截面内的结构示意图；
[0071]
图5为本发明广角变形摄像镜头的第二实施例的光学系统在y-z截面内的结构示意图；
[0072]
图6为本发明广角变形摄像镜头的第二实施例的调制传递函数曲线；
[0073]
图7为本发明广角变形摄像镜头的第三实施例的光学系统在x-z截面内的结构示意图；
[0074]
图8为本发明广角变形摄像镜头的第三实施例的光学系统在y-z截面内的结构示意图；
[0075]
图9为本发明广角变形摄像镜头的第三实施例的调制传递函数曲线；
[0076]
图10为本发明广角变形摄像镜头的第四实施例的光学系统在x-z截面内的结构示意图；
[0077]
图11为本发明广角变形摄像镜头的第四实施例的光学系统在y-z截面内的结构示意图；
[0078]
图12为本发明广角变形摄像镜头的第四实施例的调制传递函数曲线；
[0079]
附图标记说明：
[0080]
l1：第一透镜；l2：第二透镜；s：光阑；l3：第三透镜；l4：第四透镜；i：像面；g1：变形组；g2：后续成像组；s1：第一透镜物体侧表面；s2：第一透镜像侧表面；s3：第二透镜物体侧表面；s4：第二透镜像侧表面；s5：第三透镜物体侧表面；s6：第三透镜像侧表面；s7：第四透镜物体侧表面；s8：第四透镜像侧表面。
具体实施方式
[0081]
如图1和图2分别示出了本发明一实施方式在xz截面和yz截面内的结构图。该广角变形摄像镜头由4片透镜组成，从物体侧到像面一侧依次配置第一透镜l1、第二透镜l2、光阑s、第三透镜l3、第四透镜l4。所述广角变形摄像镜头的成像面位置为i。所述第一透镜l1、第二透镜l2共同组成变形组g1，所述第三透镜l3、第四透镜l4共同组成后续成像组g2。
[0082]
广角变形摄像镜头是满足以下条件公式(1)～(5)的广角变形摄像镜头，
[0083]
3.2≤f1-2x/f1-2y≤4.0
ꢀꢀꢀ
(1)
[0084]-0.5≤fx/f1-2x≤-0.05
ꢀꢀꢀ
(2)
[0085]-0.5≤fy/f1-2y≤-0.05
ꢀꢀꢀ
(3)
[0086]
0.8≤f4x/f4y≤1.1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0087]
r1y》0且r2y》0且r3y《0且r4y《0且r1x》0且r2x》0且r3x《0且r4x《0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0088]
其中，
[0089]
f1-2x：第一透镜与第二透镜组成的变形组在x方向上的整体焦距；
[0090]
f1-2y：第一透镜与第二透镜组成的变形组在y方向上的整体焦距；
[0091]
fx：广角变形摄像镜头整体在x方向的焦距；
[0092]
fy：广角变形摄像镜头整体在y方向的焦距；
[0093]
f4x：第四透镜在x方向上的焦距；
[0094]
f4y：第四透镜在y方向上的焦距；
[0095]
r1x：第一透镜的物体侧面在x方向的曲率半径；
[0096]
r1y：第一透镜的物体侧面在y方向的曲率半径；
[0097]
r2x：第一透镜的像侧面在x方向的曲率半径；
[0098]
r2y：第一透镜的像侧面在y方向的曲率半径；
[0099]
r3x：第二透镜的物体侧面在x方向的曲率半径；
[0100]
r3y：第二透镜的物体侧面在y方向的曲率半径；
[0101]
r4x：第二透镜的像侧面在x方向的曲率半径；
[0102]
r4y：第二透镜的像侧面在y方向的曲率半径。
[0103]
条件式(1)规定了变形组在x和y方向上的焦距比值。超出条件式(1)的下限时，变形组在x和y方向上的焦距相差过小，无法形成足够的变形比，相反，超过上限值时，变形组
在x和y方向上的焦距相差过大，难以补正像差等问题。
[0104]
条件式(2)规定了变形组在x方向上的焦距与所述广角变形摄像镜头在x方向上的焦距比值。超出条件式(2)的上限时，变形组在x方向上的焦距绝对值过大，使得第一透镜提供的负光焦度不足；相反，超过下限值时，变形组在x方向上的焦距绝对值过小，引入过多负光焦度并且难以形成合适的变形比。
[0105]
条件式(3)规定了变形组在y方向上的焦距与所述广角变形摄像镜头在y方向上的焦距比值。超出条件式(3)的上限时，变形组在y方向上的焦距绝对值过大，难以保证大视场光线进入镜头；相反，超过下限值时，变形组在y方向上的焦距绝对值过小，引入过多负光焦度并且像差校正困难。
[0106]
条件式(4)规定了第四透镜l4在x和y方向上的焦距的比值。在条件式(4)规定的范围外，第四透镜引入的像差难以有效校正，引发成像质量下降。当第四透镜l4采用旋转对称设置时，比值为1，此时满足条件式(4)。
[0107]
条件式(5)规定了第一透镜l1的物体侧表面在x和y方向的曲率半径r1x、r1y和第一透镜l1的像侧表面在x和y方向的曲率半径r2x、r2y和第二透镜l2的物体侧表面在x和y方向的曲率半径r3x、r3y和第二透镜l2的像侧表面在x和y方向的曲率半径r4x、r4y的范围。通过满足条件式(7)，可以有效实现一定的广角拍摄效果，并且有助于补正x和y方向的像差。
[0108]
条件式(6)规定了所述广角变形摄像镜头的变倍比范围，在此变倍比范围内，可以实现良好的广角变形拍摄效果。
[0109]
由于构成所述广角变形摄像镜头的4片透镜都具有前面所述的构成且满足所有条件公式，所以制造出具有合适变形效果、具有优良光学特征的广角变形摄像镜头成为可能。
[0110]
下面将用实施例说明本发明的广角变形摄像镜头。各实施例中所记载的符号如下所示。距离、半径与中心厚度的单位为mm。
[0111]
fx：广角变形摄像镜头在x方向的整体焦距；
[0112]
fy：广角变形摄像镜头在y方向的整体焦距；
[0113]
f1x：第一透镜l1在x方向的焦距；
[0114]
f1y：第一透镜l1在y方向的焦距；
[0115]
f2x：第二透镜l2在x方向的焦距；
[0116]
f2y：第二透镜l2在y方向的焦距；
[0117]
f1-2x:变形组g1在x方向的焦距；
[0118]
f1-2y:变形组g1在y方向的焦距；
[0119]
f3：第三透镜l3的焦距；
[0120]
f4x：第四透镜l4在x方向的焦距；
[0121]
f4y：第四透镜l4在y方向的焦距；
[0122]
fno：f值；
[0123]
fovx：x方向全视场角；
[0124]
fovy：y方向全视场角；
[0125]
ana：变形比，定义为广角变形摄像镜头在x方向的整体焦距fx与广角变形摄像镜头在y方向的整体焦距fy的比值；
[0126]
r：光学面的曲率半径、透镜时为中心曲率半径；
[0127]
r1x：第一透镜l1的物体侧面在x方向的曲率半径；
[0128]
r1y：第一透镜l1的物体侧面在y方向的曲率半径；
[0129]
r2x：第一透镜l1的像侧面在x方向的曲率半径；
[0130]
r2y：第一透镜l1的像侧面在y方向的曲率半径；
[0131]
r3x：第二透镜l2的物体侧面在x方向的曲率半径；
[0132]
r3y：第二透镜l2的物体侧面在y方向的曲率半径；
[0133]
r4x：第二透镜l2的像侧面在x方向的曲率半径；
[0134]
r4y：第二透镜l2的像侧面在y方向的曲率半径；
[0135]
r5：第三透镜l3的物体侧面的曲率半径；
[0136]
r6：第三透镜l3的像侧面的曲率半径；
[0137]
r7x：第四透镜l4的物体侧面在x方向的曲率半径；
[0138]
r7y：第四透镜l4的物体侧面在y方向的曲率半径；
[0139]
r8x：第四透镜l4的像侧面在x方向的曲率半径；
[0140]
r8y：第四透镜l4的像侧面在y方向的曲率半径；
[0141]
d：透镜的中心厚度与透镜之间的距离；
[0142]
d1：第一透镜l1的中心厚度；
[0143]
d2：第一透镜l1的像侧面到第二透镜物体侧面的轴向距离；
[0144]
d3：第二透镜l2的中心厚度；
[0145]
d4：第二透镜l2的像侧面到第三透镜物体侧面的轴向距离；
[0146]
d5：第三透镜l3的中心厚度；
[0147]
d6：第三透镜l3的像侧面到第四透镜物体侧面的轴向距离；
[0148]
d7：第四透镜l4的中心厚度；
[0149]
d8：第四透镜l4的像侧面到第5透镜物体侧面的轴向距离；
[0150]
nd：d线的折射率；
[0151]
nd1：第一透镜l1的d线的折射率；
[0152]
nd2：第二透镜l2的d线的折射率；
[0153]
nd3：第三透镜l3的d线的折射率；
[0154]
nd4：第四透镜l4的d线的折射率；
[0155]
vd：阿贝数；
[0156]
vd1：第一透镜l1的阿贝数；
[0157]
vd2：第二透镜l2的阿贝数；
[0158]
vd3：第三透镜l3的阿贝数；
[0159]
vd4：第四透镜l4的阿贝数；
[0160]
ttl：光学长度(第一透镜l1的物体侧面到像面的轴上距离)；
[0161]
ihx：x方向的像高；
[0162]
ihy：y方向的像高。
[0163]
本实施方式中的第一透镜l1和第二透镜l2在x和y方向具有不同的光焦度，因而第一透镜l1的物体侧面和像侧面、第二透镜l2的物体侧面和像侧面采用不具有对称轴的、x和y方向具有不同近轴光焦度的数学表达式进行表示。
[0164]
下面的式1中列出了一种常见的、不具有对称轴的、x和y方向具有不同近轴光焦度的变形非球面的数学表达式。
[0165][0166]
其中，z是表面上任意点沿着z轴方向的矢高，ry为轴上在y方向上的曲率半径，rx为轴上在x方向上的曲率半径，ky是y方向上的圆锥常数，kx是x方向上的圆锥常数，ar、ap、br、bp、cr、cp、dr、dp为非球面系数。
[0167]
为了方便起见，第一透镜l1、第二透镜l2的表面形状使用公式(1)所示的表面形状。但是，本发明不限于公式(1)所表示的非旋转对称非球面多项式形式。
[0168]
所述第三透镜l3的非球面具有旋转对称特性，下面的式(2)列出了一种常见的具有旋转对称特性的非球面表达式。
[0169][0170]
其中，z是表面上任意点沿着z轴方向的矢高，r是轴上的曲率半径，k是圆锥系数，a4、a6、a8、a10、a12、a14、a16是非球面系数。
[0171]
为方便起见，所述第三透镜l3的非球面使用公式(2)中所示的非球面。但是，本发明不限于公式(2)表示的非球面多项式形式。
[0172]
所述第四透镜l4是否具有旋转对称特性不作限制，为了方便起见，所述第四透镜的光学面可以采用公式(1)或者公式(2)进行表示。
[0173]
实施例1：
[0174]
图1和图2分别示出了实施例1中广角变形摄像镜头的x和y方向的配置构成图。表1的数据有：实施例1中构成广角变形摄像镜头的第一透镜l1～第四透镜l4的物体侧面以及像侧面的曲率半径r、透镜的中心厚度以及透镜间的距离d、折射率nd、阿贝数vd。表2中的数据有：采用公式(1)表示的第一透镜l1的物体侧面和像侧面、第二透镜l2的物体侧面和像侧面的圆锥系数k、非球面系数。表3中的数据有：采用公式(2)表示的第三透镜l3的物体侧面以及像侧面与第四透镜l4的物体侧面和像侧面的圆锥系数k、非球面系数。本实施例的x方向全视场fovx＝30.2
°
、y方向全视场fovy＝96.2
°
，像面大小ihx＝1.6mm、ihy＝2.4mm。x方向的f数为3.65，y方向的f数为3.4。工作波段为795nm至825nm。
[0175]
【表1】
[0176][0177]
【表2】
[0178][0179]
【表3】
[0180][0181]
如表13所示，实施例1满足条件公式(1)～(5)。
[0182]
实施例1中的广角变形摄像镜头的调制传递函数见图3，实施例1中广角变形摄像镜头的ana＝3.73，这就不难理解为何具有小尺寸的外形、合适的变形效果与优良的光学特征。
[0183]
实施例2：
[0184]
图4和图5分别示出了实施例2中广角变形摄像镜头的x和y方向的配置构成图。表4的数据有：实施例2中构成广角变形摄像镜头的第一透镜l1～第四透镜l4的物体侧面以及像侧面的曲率半径r、透镜的中心厚度以及透镜间的距离d、折射率nd、阿贝数vd。表5中的数据有：采用公式(1)表示的第一透镜l1的物体侧面和像侧面、第二透镜l2的物体侧面和像侧面与第四透镜l4的物体侧面和像侧面的圆锥系数k、非球面系数。表6中的数据有：采用公式(2)表示的第三透镜l3的物体侧面以及像侧面的圆锥系数k、非球面系数。本实施例的x方向全视场fovx＝37.1
°
、y方向全视场fovy＝110
°
，像面大小ihx＝1.6mm、ihy＝2.4mm。x方向的f数为3.53，y方向的f数为3.50。工作波段为795nm至825nm。
[0185]
【表4】
[0186][0187]
【表5】
[0188][0189]
【表6】
[0190][0191]
如表13所示，实施例2满足条件公式(1)～(5)。
[0192]
实施例2中的广角变形摄像镜头的调制传递函数见图6，实施例2中广角变形摄像镜头的ana＝3.35，这就不难理解为何具有小尺寸的外形、合适的变形效果与优良的光学特征。
[0193]
实施例3：
[0194]
图7和图8分别示出了实施例3中广角变形摄像镜头的x和y方向的配置构成图。表7的数据有：实施例3中构成广角变形摄像镜头的第一透镜l1～第四透镜l4的物体侧面以及像侧面的曲率半径r、透镜的中心厚度以及透镜间的距离d、折射率nd、阿贝数vd。表8中的数据有：采用公式(1)表示的第一透镜l1的物体侧面和像侧面、第二透镜l2的物体侧面和像侧面与第四透镜l4的物体侧面和像侧面的圆锥系数k、非球面系数。表9中的数据有：采用公式(2)表示的第三透镜l3的物体侧面以及像侧面的圆锥系数k、非球面系数。本实施例的x方向全视场fovx＝37.4
°
、y方向全视场fovy＝110
°
，像面大小ihx＝1.6mm、ihy＝2.4mm。x方向的f数为3.53，y方向的f数为3.50。工作波段为795nm至825nm。
[0195]
【表7】
[0196][0197]
【表8】
[0198][0199]
【表9】
[0200][0201]
如表13所示，实施例3满足条件公式(1)～(5)。
[0202]
实施例3中的广角变形摄像镜头的调制传递函数见图9，实施例3中广角变形摄像镜头的ana＝3.34，这就不难理解为何具有小尺寸的外形、合适的变形效果与优良的光学特征。
[0203]
实施例4：
[0204]
图10和图11分别示出了实施例4中广角变形摄像镜头的x和y方向的配置构成图。表10的数据有：实施例4中构成广角变形摄像镜头的第一透镜l1～第四透镜l4的物体侧面以及像侧面的曲率半径r、透镜的中心厚度以及透镜间的距离d、折射率nd、阿贝数vd。表11中的数据有：采用公式(1)表示的第一透镜l1的物体侧面和像侧面、第二透镜l2的物体侧面和像侧面与第四透镜l4的物体侧面和像侧面的圆锥系数k、非球面系数。表12中的数据有：采用公式(2)表示的第三透镜l3的物体侧面以及像侧面的圆锥系数k、非球面系数。本实施例的x方向全视场fovx＝37.7
°
、y方向全视场fovy＝110
°
，像面大小ihx＝1.6mm、ihy＝2.4mm。x方向的f数为3.42，y方向的f数为3.50。工作波段为795nm至825nm。
[0205]
【表10】
[0206]
[0207][0208]
【表11】
[0209][0210]
【表12】
[0211][0212]
如表13所示，实施例4满足条件公式(1)～(5)。
[0213]
实施例4中的广角变形摄像镜头的调制传递函数见图12，实施例4中广角变形摄像镜头的ana＝3.66，这就不难理解为何具有小尺寸的外形、合适的变形效果与优良的光学特征。
[0214]
表13示出了各实施例的各种数值与条件式(1)～(5)中已规定的参数所对应的值。
[0215]
【表13】
[0216]
[0217][0218]
本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。