光学系统的制作方法

1.本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种光学系统。


背景技术：

2.对于长焦距镜头，若光圈较大、像面较大，则镜头的通光口径较大，位于视场边缘的物体的像差越难校正；同时由于焦距较长，不同物距成的像与调焦清晰时像面的位置的偏离程度较大，也即景深范围越小，影响拍摄到的图像质量。
3.如何设计长焦大光圈扩景深的镜头，以提高拍摄到的图像质量成为亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种光学系统，以实现设计一种长焦距、大光圈、阔景深下能够拍摄到高质量图像的镜头。具体技术方案如下：
5.本发明实施例提供了一种长焦大光圈扩景深的光学系统，所述光学系统中从物方向像方依次设置有第一透镜组、第二透镜组；
6.所述第一透镜组中各透镜的光轴重合；
7.所述第二透镜组中包括至少一个弯月形透镜和至少一个自由曲面透镜，所述弯月形透镜的物面和像面向物方凸起，所述自由曲面透镜不关于所述光轴对称，且所述自由曲面透镜设置于所述弯月形透镜的像方上；
8.所述第一透镜组的焦距与所述光学系统的焦距的差异程度小于预设差异阈值。
9.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组包括第一透镜；
10.所述第一透镜设置于所述第一透镜组中的最接近物方的位置；
11.所述第一透镜焦距为负，并且所述第一球面的像面和物面为凹球面。
12.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组还包括第二透镜；
13.所述第二透镜设置于所述第一透镜的像方上；
14.所述第二透镜焦距为正，并且所述第一球面的像面和物面为凸球面；
15.所述第二透镜的焦距的取值范围为(|f1|，2*|f1|)，其中，f1为所述第一球面镜的焦距。
16.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组还包括：第三透镜和第四透镜；
17.所述第三透镜设置于所述第二球面的像方上，并且所述第四透镜设置于所述第三透镜的像方上；
18.所述第三透镜的焦距为正，并且所述第三透镜的物面为凸球面；
19.所述第四透镜的焦距为正，并且所述第四透镜的物面为凸球面，所述第四透镜的物面的曲率半径小于所述第四透镜的像面的曲线半径。
20.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组还包括：第五透镜和第六透镜；
21.所述第五透镜设置于所述第四球面的像方上，并且所述第六透镜设置于所述第五
透镜的像方上；
22.所述第五透镜的焦距为负，并且所述第五透镜为弯月透镜或平凹透镜；
23.所述第六透镜的焦距为正，并且所述第四透镜的物面为凸球面，所述第六球面的物面透镜粘合于所述第五透镜的像面。
24.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组还包括：第七透镜和第八透镜；
25.所述第七透镜设置于所述第六球面的像方上，并且所述第八透镜设置于所述第七透镜的像方上；
26.所述第七透镜的焦距为正，并且所述第七透镜的物面和像面为凸球面；
27.所述第八透镜的焦距为负，并且所述第八透镜的物面和像面为凹球面，所述第八球面的物面透镜粘合于所述第七透镜的像面；
28.所述第七透镜的折射率与所述第八透镜的阿贝率之间的大小关系，与所述第七透镜的阿贝数与所述第八透镜的阿贝数之间的大小关系相反。
29.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组还包括：第九透镜；
30.所述第九透镜设置于所述第八球面的像方上所述第九透镜的焦距为正，并且所述第九透镜的物面和像面为凸球面；
31.所述第九透镜的材质的温度系数大于预设系数阈值。
32.在一种可能的实施例中，所述第九球面的物面透镜粘合于所述第八透镜的像面。
33.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组还包括第十透镜；
34.所述第十透镜设置于所述第九透镜的像方上；
35.所述第十透镜的焦距为正，并且所述第十透镜的物面为凸球面；
36.所述第十透镜的物面的曲率半径的取值范围为(0.5*l10r2,1.5*l10r2)，其中，l10r2为所述第十透镜的像面的曲率半径；
37.所述第十球面与像平面间的距离大于预设距离阈值。
38.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组还包括第十一透镜；
39.所述第十一透镜设置于所述第十透镜的像方上；
40.所述第十一透镜为平面透镜，设置有镀膜，所述镀膜用于滤除非可见光。
41.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组中各透镜为玻璃材质。
42.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组中各透镜为玻璃材质。
43.本发明实施例有益效果：
44.本发明实施例提供的长焦大光圈扩景深的光学系统，可以通过设置于像面之前的第二透镜组，通过第二透镜组中的弯月形透镜和自由曲面透镜校正安装俯角造成的远近物距的虚焦，从而使得在光学系统为长焦、大光圈的情况下，远景和近景能够在像平面上清晰地成像。从而实现长焦大光圈扩景深的光学系统。
45.当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
46.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
47.图1为本发明实施例提供的长焦大光圈扩景深的光学系统的一种结构示意图；
48.图2a为本发明实施例提供的长焦大光圈扩景深的光学系统在一种实施例中的光学结构示意图；
49.图2b为本发明实施例提供的长焦大光圈扩景深的光学系统在一种实施例中的through focus曲线；
50.图2c为本发明实施例提供的长焦大光圈扩景深的光学系统在一种实施例中的点列图；
51.图3a为本发明实施例提供的长焦大光圈扩景深的光学系统在另一种实施例中的光学结构示意图；
52.图3b为本发明实施例提供的长焦大光圈扩景深的光学系统在另一种实施例中的through focus曲线；
53.图3c为本发明实施例提供的长焦大光圈扩景深的光学系统在另一种实施例中的点列图。
具体实施方式
54.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员基于本技术所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
55.为了更清楚的对本发明实施例提供的长焦大光圈阔景深的光学系统进行说明，下面将对本发明实施例提供的长焦大光圈阔景深的光学系统的一种可能的应用场景进行示例性说明，以下示例仅是本发明实施例提供的长焦大光圈阔景深的光学系统的一种可能的应用场景，在其他可能的实施例中，本发明实施例提供的长焦大光圈阔景深的光学系统也可以应用于其他可能的应用场景中，以下示例对此不做任何限制。
56.由于焦距越长放大倍数越高，因此处于拍摄细节图像的考虑，一些监控相机采用长焦镜头，但是由于长焦镜头当光圈增大后，镜头口径变大，像差也越大，越难保证周边视场的成像质量，因此长焦镜头的光圈往往较小，如fno1.8，fno1.6，导致在低照度的环境下，镜头拍摄的图像整体画面亮度较低，图像效果较差。
57.并且，长焦镜头的景深往往较小，在监控设备安装时，镜头与所监控环境往往存在俯角，因此所监控环境中各空间点距离镜头的距离不一致，即所监控环境中的部分空间点位于拍摄到的监控图像中的近景，而部分空间点位于拍摄到的监控图像中的远景，对于景深范围小的镜头，会出现图像中聚焦位置图像清晰，近景和远景图像模糊的情况。
58.因此，需要一种长焦大光圈扩景深的镜头，以解决上述技术问题。基于此，本发明实施例提供了一种长焦距大光圈扩景深的光学系统，如图1所示，所述光学系统中从物方向像方依次设置有第一透镜组、第二透镜组；
59.所述第一透镜组中各透镜的光轴重合；
60.所述第二透镜组中包括至少一个弯月形透镜和至少一个自由曲面透镜，所述弯月
形透镜的物面和像面向物方凸起；
61.所述非球面透镜的焦距大于预设焦距阈值，且所述第一透镜组的焦距与所述光学系统的焦距的差异程度小于预设差异阈值。
62.选用该实施例，可以通过设置于像面之前的第二透镜组，通过第二透镜组中的弯月形透镜和自由曲面透镜校正安装俯角造成的远近物距的虚焦，从而使得在光学系统为长焦、大光圈的情况下，远景和近景能够在像平面上清晰地成像。从而实现长焦大光圈扩景深的光学系统。
63.其中，物向是指接近物体的方向，而像向是指接近于像平面的方向，像面是指接近于像方的面，同理，下文中的物面是指接近于物方的面。第一透镜组和第二透镜组均位于像平面的物向上。第一透镜组和第二透镜组中包括一个或多个透镜，并且第二透镜组中除弯月形透镜和自由曲面透镜外还可以包括球面透镜。第二透镜组中的自由曲面透镜不关于第一透镜组的光轴对称。
64.物面向物方凸起是指物面的曲率中心位于物面的像方上，同理，像面向物方凸起是指像面的曲率中心位于像面的像方上。
65.差异阈值的大小可以是根据用户需求和/或实际经验设置的，并且差异阈值可以是固定值，也可以是根据光学系统的焦距确定的，示例性的，所述差异阈值为所述光学系统的焦距的10％，为方便描述将光学系统的焦距记为f，将第一透镜组的焦距记为f
前
，则该示例中0.9《f
前
/f《1.1。
66.下面将对第一透镜组的构成进行说明：
67.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组包括第一透镜；
68.所述第一透镜设置于所述第一透镜组中的最接近物方的位置，即第一透镜组中其他透镜位于第一透镜的像方；
69.所述第一透镜焦距为负，并且所述第一透镜的像面和物面为凹球面。
70.本实施例中，由于第一透镜的像面和物面均为凹球面，因此能够较好地汇聚光线，同时由于第一透镜位于第一透镜组中最接近物方的位置，因此第一透镜汇聚光线能够使得入射至第一透镜组中其他透镜的光线的横截面更小，便于减小镜头前段口径。
71.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组还包括第二透镜；
72.所述第二透镜设置于所述第一透镜的像方上；
73.所述第二透镜焦距为正，并且所述第二透镜的像面和物面为凸球面；
74.所述第二透镜的焦距的取值范围为(|f1|，2*|f1|)，其中，f1为所述第一透镜镜的焦距。
75.本实施例中，由于第二透镜的像面和物面均为凸球面，因此能够较好地将经过第一透镜汇聚的光线散开，便于实现大光圈。并且，第一透镜和第二透镜组合使用能够有效减小镜头的球差，从而提升拍摄到的图像质量。
76.第一透镜和第二透镜可以是彼此独立的两个透镜，也可以是黏合在一起的两个透镜，例如，第一透镜和第二透镜通过uv胶黏合。
77.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组还包括：第三透镜和第四透镜；
78.所述第三透镜设置于所述第二球面的像方上，并且所述第四透镜设置于所述第三透镜的像方上；
79.所述第三透镜的焦距为正，并且所述第三透镜的物面为凸球面，第三透镜的像面可以是凸球面，也可以不是凸球面，；
80.所述第四透镜的焦距为正，并且所述第四透镜的物面为凸球面，所述第四透镜的物面的曲率半径小于所述第四透镜的像面的曲线半径。
81.本实施例中，通过第三透镜使得被第二透镜散开的光线平稳过渡至第四透镜，由第四透镜再次汇聚对入射的光线，一方面能够减少便于减小镜头后段口径，另一方面，能够缩短镜头的总长度。
82.为使得第四透镜能够更好地对光线进行汇聚，在一种可能的实施例中，第四透镜的物面的曲率半径l4r1和第四透镜的像面的曲率半径l4r2，应当满足：0＜l4r1/l4r2＜1。
83.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组还包括：第五透镜和第六透镜；
84.所述第五透镜设置于所述第四球面的像方上，并且所述第六透镜设置于所述第五透镜的像方上；
85.所述第五透镜的焦距为负，并且所述第五透镜为弯月透镜或平凹透镜；
86.所述第六透镜的焦距为正，并且所述第六透镜的物面为凸球面，所述第六球面的物面透镜粘合于所述第五透镜的像面。
87.本实施例中，通过第五透镜与第六透镜的相互配合，能够有效减小镜头的色差，提高周边视场的成像质量，同时，由于第五透镜与第六透镜黏合，因此能够减小镜头的公差敏感度，降低镜头的组装难度。
88.并且，第四透镜和第五透镜之间还可以包括光阑，以对入射至第五透镜的光线进行限制。
89.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组还包括：第七透镜和第八透镜；
90.所述第七透镜设置于所述第六透镜的像方上，并且所述第八透镜设置于所述第七透镜的像方上；
91.所述第七透镜的焦距为正，并且所述第七透镜的物面和像面为凸球面；
92.所述第八透镜的焦距为负，并且所述第八透镜的物面和像面为凹球面，所述第八球面的物面透镜粘合于所述第七透镜的像面；
93.所述第七透镜的折射率与所述第八透镜的折射率之间的大小关系，与所述第七透镜的阿贝数与所述第八透镜的阿贝数之间的大小关系相反。
94.本实施例中，通过第七透镜与第八透镜的相互配合，能够降低入射至第七透镜、第八透镜的光线的色差，提高拍摄到的图像的质量。第七透镜与第八透镜可以是相互独立的两个透镜，也可以是黏合在一起的两个透镜，通过黏合第七透镜与第八透镜能够减小镜头的公差敏感度，降低镜头的组装难度。
95.第七透镜的折射率与第八透镜的折射率之间的大小关系，与第七透镜的阿贝数与第八透镜的阿贝数之前的大小关系相反是指：若第七透镜的折射率大于第八透镜的折射率，则第七透镜的阿贝数小于第八透镜的阿贝数，而若第七透镜的折射率小于第八透镜的折射率，则第七透镜的阿贝数大于第八透镜的阿贝数。
96.为方便描述，将第七透镜的折射率记为nd7，第七透镜的阿贝数记为vd7，第八透镜的折射率记为nd8，第8透镜的阿贝数记为vd8，则应当满足：(nd7-nd8)/(vd7-vd8)＜0。
97.在一些应用场景中，镜头可能需要工作于高温或低温的场景，因此需要镜头具有
较高的高低温性能，在这些应用场景中，第七透镜的材质的温度系数大于预设系数阈值，本技术中的温度系数是指透镜的光学性能随温度变化而变化的速率，并且由于透镜的光学性能随着温度的升高而降低，即该速率为负值，因此温度系数越大的材质的光学性能随温度变化而变化的速率越慢。
98.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组还包括：第九透镜；
99.所述第九透镜设置于所述第八球面的像方上所述第九透镜的焦距为正，并且所述第九透镜的物面和像面为凸球面；
100.所述第九透镜的材质的温度系数大于预设系数阈值。
101.本实施例中通过设置第九透镜，并为第九透镜选用温度系数较大的材质，进一步提高镜头的高低温性能，以使得镜头能够较好地工作于高温和低温场景中。
102.根据应用场景的不同，预设系数阈值可以不同，示例性的，在一种可能的实施例中，系数阈值为-1*10-6
，即第九透镜的温度系数d0(9)应当满足-1*10-6
＜d0(9)＜0。
103.在一种可能的实施例中，第九透镜可以是独立于第八透镜的，在另一种可能的实施例中，所述第九透镜的物面透镜粘合于所述第八透镜的像面。
104.本实施例中，由于第九透镜是黏合于第八透镜，因此可以降低第九透镜的装配公差敏感度，从而进一步降低镜头的组装难度。
105.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组还包括第十透镜；
106.所述第十透镜设置于所述第九透镜的像方上；
107.所述第十透镜的焦距为正，并且所述第十透镜的物面为凸球面；
108.所述第十透镜的物面的曲率半径的取值范围为(0.5*l10r2,1.5*l10r2)，其中，l10r2为所述第十透镜的像面的曲率半径；
109.所述第十透镜与像平面间的距离大于预设距离阈值。
110.本实施例中，通过合理设计第十透镜的镜面，使得第十透镜能够具备较强的汇聚光线的能力，因此能够使得经过第十透镜的光线更快速的聚焦至较大的感光面上进行成像，有效缩短了镜头的总长度，同时能够实现大靶面。
111.根据应用场景的不同，预设距离阈值可以不同，但是应当使得第十透镜与像平面之间的空间能够容纳第二透镜组。示例性的，在一种可能的实施例中，预设距离阈值为12.5mm。
112.第十透镜与前述第一至第九透镜之间通过相互搭配能够使得镜头具有长焦、大光圈，在其他可能的实施例中，第一透镜组也可以通过其他的透镜组合使得镜头具有长焦、大光圈，本实施例对此不作任何限制。
113.在一种可能的实施例中，所述第一透镜组还包括第十一透镜；
114.所述第十一透镜设置于所述第十透镜的像方上；
115.所述第十一透镜为平面透镜，设置有镀膜，所述镀膜用于滤除非可见光。
116.其中，平面透镜是指第十一透镜的物面和像面为垂直于第一透镜组光轴的平面。第十一透镜的镀膜的材质以及厚度根据应用场景的不同可以不同，但是该镀膜应当具备滤除非可见光的作用，并且该镀膜应当允许可见光通过。
117.本实施例中，由于第十一透镜为设置有能够滤除非可见光的镀膜，因此光线中的非可见光，如近红外光、远红外光等，无法通过第十一透镜到达传感器的感光面，从而能够
有效避免非可见光引起的像差，进一步提高拍摄到的图像质量。
118.第一透镜组中各透镜的材质根据应用场景的不同可以不同，在一种可能的实施例中，第一透镜组中各透镜的材质为玻璃，本实施例中，利用玻璃透镜构建第一透镜组，一方面能够有效降低第一透镜组的成本，另一方面由于玻璃温度系数相对较大，因此玻璃的光学性能随温度的变化而变化的速率较低，因此使用玻璃材质能够提高镜头的稳定性。
119.下面将对第二透镜组的构成进行说明：
120.在一种可能的实施例中，第二透镜组包括第十二透镜和第十三透镜，其中，第十二透镜为弯月形透镜，第十三透镜为自由曲面透镜，且第十三透镜设置于第十二透镜的像方上。并且弯月形透镜的镜面为偶次非球面或自由曲面。
121.在本实施例中，通过第十二透镜对入射至第十二透镜的光线进行汇聚，从而减小了第十三透镜矫正景深的压力，并由第十三透镜矫正景深，从而实现长焦距、大光圈下能够扩展景深、拍摄到高质量图像。
122.在其他可能的实施例中，第二透镜组也可以包括第十二透镜、第十三透镜以外的其他透镜，本实施对此不作任何限制。
123.下面将以第一透镜组包括前述第一透镜至第十一透镜，第二透镜组包括前述第十二透镜和第十三透镜为例，进行示例性说明。
124.对于第一透镜组包括前述第一透镜至第十一透镜，第二透镜组包括前述第十二透镜和第十三透镜的情况，镜头应当满足以下条件：
125.0.05＜d/h/fov＜0.3；(fov*f)/h＞50；0＜bfl/ttl＜0.15；1.5＜ttl/f＜3。
126.其中，d为镜头的前段口径，h为最大视场角对应的像素高度，fov为最大视场角。ttl为镜头的总长度，bfl为镜头的光学后焦。
127.在一种可能的实施例中，光学系统的整体焦距f＝48.37mm，光圈数fno＝1.0，视场角fov＝15
°
128.表1为本发明光学系统的一个实施例的具体参数：
129.表1
130.[0131][0132]
其中，一个镜面的面序号为按照从物方至像方的顺序中该镜面的顺位，例如第一透镜的物面的面序号为1，第一透镜的像面的面序号为2，第二透镜的物面的面序号为3，第二透镜的像面的面序号为4，以此类推。
[0133]
第十二透镜和第十三透镜的镜面形状由以下公式限定：
[0134][0135]
其中，z为平行于光轴方向的矢高，c是曲率，k是圆锥系数，cj是xmyn的系数，相关系数如下表2所示，其中，面序号22的面为第十二透镜的物面，面序号为23的面为第十二透镜的像面，面序号为24的面为第十三透镜的物面，面序号为25的面为第十三透镜的像面。
[0136]
表2
[0137][0138][0139]
根据上述表1和表2的数据，可以计算得到本实施例中镜头满足以下条件：
[0140]
|f2/f1|＝1.49,f3＝70mm,l3r1/l3r2＝0.16,(nd7-nd8)/(vd7-vd8)＝-0.006,d0(9)＝-2e-5，l10r1/l10r2＝1.04,t19 t21＝16.7mm,d/h/fov＝0.26,(fov
×
f)/y＝57,
bfl/ttl＝0.13,ttl/f＝2.64，|f12|＝1104mm，|f13|＝48.29mm，f
前
/f＝1.02。
[0141]
其中，f3为第三透镜的焦距，l3r1为第三透镜的物面的曲率半径，l3r2为第三透镜的像面的曲率半径。l10r1为第十透镜的物面的曲率半径，l10r2为第十透镜的像面的曲率半径。t19 t21为第十透镜距离像面的距离。f12为第十二透镜的焦距，f13为第十三透镜的焦距。
[0142]
如表1所示，作为一组具体的实施例参数，采用这些参数的光学镜头，能够达到较好的光学性能。
[0143]
该示例中，光学系统的结构如图2a所示。光学系统的through focus(离焦)曲线如图2b所示，光学系统的点列图如图2c所示。
[0144]
在又一种可能的实施例中，光学镜头的整体焦距f＝47.198mm，光圈数fno＝1.0，视场角fov＝15
°
[0145]
表3为本发明光学系统的一个实施例的具体参数：
[0146]
表3
[0147]
[0148][0149]
第十二透镜的镜面形状由以下公式限定：
[0150][0151]
其中，z为非球面沿光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为
非球面的近轴曲率，c＝1/r(近轴曲率c为上表中曲率半径r的倒数)；k为圆锥系数，a、b、c、d、e均为高此项系数。相关系数如下表4所示。
[0152]
表4
[0153]
面序号kabcde22-0.07731.1221e-51.294e-7-6.8898e-114.0219e-15023-0.10211.7583e-52.0783e-7-1.8647e-101.9602e-120
[0154]
根据上述表3和表4的数据，可以计算得到本实施例中镜头满足以下条件：
[0155]
|f2/f1|＝1.49,f3＝70mm,l3r1/l3r2＝0.16,(nd7-nd8)/(vd7-vd8)＝-0.006,d0(9)＝-2e-5，l10r1/l10r2＝1.04,t19 t21＝16.7mm,d/h/fov＝0.26,(fov
×
f)/y＝57,bfl/ttl＝0.13,ttl/f＝2.64，|f12|＝2040mm，|f13|＝213mm，f
前
/f＝1.04。如表3所示，作为一组具体的实施例参数，采用这些参数的光学镜头，能够达到较好的光学性能。
[0156]
该示例中，光学系统的结构如图3a所示。光学系统的through focus曲线如图3b所示，光学系统的点列图如图3c所示。
[0157]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0158]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。