CN111474689B

CN111474689B - 广角镜头及全景摄像系统

Info

Publication number: CN111474689B
Application number: CN202010576909.7A
Authority: CN
Inventors: 李伟娜; 黄健新; 高博; 曾吉勇
Original assignee: Jiangxi Lianchuang Electronic Co Ltd
Current assignee: Jiangxi Lianchuang Electronic Co Ltd
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2040-06-23
Also published as: CN111474689A; WO2021258889A1

Abstract

本申请公开了一种广角镜头及全景摄像系统，涉及光学镜头领域。该广角镜头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、无光焦度的用于光路折返的反射元件、具有正光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜、光阑、具有负光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜，且第五透镜与第六透镜组成胶合透镜、具有正光焦度的第七透镜，广角镜头的相对照度RI与广角镜头的像面主光线角度的余弦值的四次方

满足：

。本申请的广角镜头及全景摄像系统在满足全方位无死角摄像的特点外还具有很高的相对照度，使拼接后画面具有很高的成像质量，且画面拼接交界处不会出现亮度衰减明显的现象。

Description

广角镜头及全景摄像系统

技术领域

本申请涉及光学镜头领域，特别涉及一种广角镜头及全景摄像系统。

背景技术

近几年，随着VR虚拟现实的普及以及全景直播的兴起，记录360°全景成像的相机开始呈现爆发式增长。目前出现的全景相机多是采用双180°的摄像头，无需转动相机取景，直接拍摄完后在相机内可以自动拼接合成全景照片，大大方便了用户的拍摄和使用。

目前随着全景相机的兴起，一方面，在分辨率和画质上还有很大的提升空间，另一方面，对图像拼接处亮度衰弱的问题也亟需得到改善，由于相机和光照强度的差异，会造成一幅图像内部以及图像之间亮度的不均匀，拼接后的图像会出现明暗交替，也即在图像拼接处可能存在图像间过度不连续的问题。

发明内容

基于此，本申请的目的在于提供一种广角镜头及全景摄像系统，所述广角镜头及全景摄像系统至少具有全方位无死角、画面明暗还原度高且成像品质高等优点。

为实现上述目的，本申请的技术方案如下：

第一方面，本申请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透镜，第一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；具有负光焦度的第二透镜，第二透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；无光焦度的用于光路折返的反射元件；具有正光焦度的第三透镜，第三透镜的物侧面为平面或凸面或凹面，像侧面为凸面；具有正光焦度的第四透镜，第四透镜的物侧面为凸面，像侧面为凸面或凹面；具有负光焦度的第五透镜，第五透镜的物侧面为凸面或凹面，像侧面为凹面；具有正光焦度的第六透镜，第六透镜的物侧面和像侧面均为凸面，且第五透镜与第六透镜组成胶合透镜；具有正光焦度的第七透镜，第七透镜的物侧面和像侧面均为凸面；其中，第四透镜和第五透镜之间设置有光阑；所述广角镜头的相对照度RI与广角镜头的像面主光线角度的余弦值的四次方

满足：

。

第二方面，本申请还提供一种全景摄像系统，包括两组如第一方面提供的广角镜头，两组广角镜头呈中心对称设置，两组广角镜头的成像面以中心对称的方式相对放置。

相较于现有技术，本申请提供的广角镜头采用7片镜片、1片反射元件相互匹配使用，尤其是通过不同镜片间的光焦度组合，能够使广角镜头的相对照度较高，且视场角能够达到200°以上，使该广角镜头至少具有全方位无死角、画面明暗还原度高且成像品质高的优点，且广角镜头具有48MP的高像素，能够匹配1/2英寸大靶面COMS芯片的成像需求。此外，本申请提供的全景摄像系统包括两组中心对称的广角镜头，反射元件前端光路的总长小，双广角镜头拼接后的总体长度小，满足了市场对小体积、高像素以及高清晰成像的全景相机的使用需求。

本申请实施例的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例而了解。本申请实施例的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请第一实施例提供的全景摄像系统的结构示意图；

图2为本申请第一实施例提供的全景摄像系统的广角镜头的结构示意图；

图3为本申请第一实施例提供的全景摄像系统的广角镜头的MTF图；

图4为本申请第一实施例提供的全景摄像系统的广角镜头的相对照度图；

图5为本申请第一实施例提供的全景摄像系统的广角镜头的像面主光线图；

图6为本申请第二实施例提供的全景摄像系统的结构示意图；

图7为本申请第二实施例提供的全景摄像系统的广角镜头的结构示意图；

图8为本申请第二实施例提供的全景摄像系统的广角镜头的MTF图；

图9为本申请第二实施例提供的全景摄像系统的广角镜头的相对照度图；

图10为本申请第二实施例提供的全景摄像系统的广角镜头的像面主光线图；

图11为本申请第三实施例提供的全景摄像系统的结构示意图；

图12为本申请第三实施例提供的全景摄像系统的广角镜头的结构示意图；

图13为本申请第三实施例提供的全景摄像系统的广角镜头的MTF图；

图14为本申请第三实施例提供的全景摄像系统的广角镜头的相对照度图；

图15为本申请第三实施例提供的全景摄像系统的广角镜头的像面主光线图。

附图标号说明：

具体实施方式

为了便于更好地理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的若干实施例，但本申请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，提供这些实施例的目的是为了使本申请的公开内容更加透彻全面。

本申请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透镜，第一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；具有负光焦度的第二透镜，第二透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；无光焦度的用于光路折返的反射元件；具有正光焦度的第三透镜，第三透镜的物侧面为平面或凸面或凹面，像侧面为凸面；具有正光焦度的第四透镜，第四透镜的物侧面为凸面，像侧面为凸面或凹面；具有负光焦度的第五透镜，第五透镜的物侧面为凸面或凹面，像侧面为凹面；具有正光焦度的第六透镜，第六透镜的物侧面和像侧面均为凸面，且第五透镜与第六透镜组成胶合透镜；具有正光焦度的第七透镜，第七透镜的物侧面和像侧面均为凸面；其中，第四透镜和第五透镜之间设置有光阑；为提高镜头的相对照度，确保镜头对拍摄物亮度对比的还原，广角镜头满足条件式（1）：

，RI表示广角镜头的相对照度，CRA表示广角镜头的像面主光线角度。

由于像面主光线角度余弦值的四次方为镜头的相对照度是否较高的参考标准，该条件式（1）限制了相对照度与像面主光线角度余弦值的四次方比值大于1.3，因此该广角镜头的相对照度要比参考值高，表明该广角镜头的相对照度较大，对拍摄物亮度对比的还原高，不会出现画面拼接处亮度明显衰弱的现象。

光阑可以为中心设有通光孔的遮光纸，并且光阑的通光口径小于隔圈，以保证广角镜头的通光量由光阑的通光孔径决定。光阑设置于第四透镜和第五透镜之间，可以提高广角镜头的视场角并能更好的配合芯片的入射角度；采用中心设有通光孔的遮光纸作为光阑，可以降低镜筒通光孔的要求，使镜筒通光孔成型难度下降，提高了生产率，降低了生产成本。

反射元件可以是平面反射镜，可以以任何需要的角度设置以弯折光路，使整个广角镜头的结构紧凑。在本申请实施例中，反射元件为直角反射棱镜，其包括入射面、反射面和出射面，反射面将从入射面入射的光线以一定角度弯折后从出射面射出。

本申请提供的广角镜头采用7片镜片、1片反射元件相互匹配使用，尤其是通过不同镜片间的光焦度组合，能够使广角镜头的相对照度较高，且视场角能够达到200°以上，使该广角镜头至少具有全方位无死角、画面明暗还原度高且成像品质高的优点，且广角镜头具有48MP的高像素，能够匹配1/2英寸大靶面COMS芯片的成像需求。

在一些实施方式中，为提高镜头的户外适应能力，广角镜头的所有透镜均可以采用玻璃材质，以提高其抗摔、抗水雾和高低温环境解像稳定的能力。

为提高镜头的解像力和降低镜头的垂轴色差，广角镜头的第二透镜、第四透镜和第七透镜均使用非球面玻璃镜片，非球面镜片的使用可以校正镜头的像差，提高镜头分辨率，成像更清晰。

在一些实施方式中，为在组成全景摄像系统时能限制全景摄像系统的总长，并确保全景摄像系统具有足够好的成像品质，广角镜头满足以下条件式：

0.7<D/T<0.8；（2）

其中，D表示第一透镜的光学有效外径，T表示两个广角镜头拼接后的横向距离（两个第一透镜的距离）。

当D/T的值超过下限时，第一透镜的光学有效外径相对过小，限制了第一透镜的收光能力；当D/T的值超过上限时，第一透镜的光学有效外径相对过大，引入过多的像差；因此，将D/T的值限定在0.7与0.8之间，所得到的第一透镜的外径和镜头拼接后的总长合适，并且使镜头像差得到有效校正，解析能力好。

在一些实施方式中，为减小反射元件引入的像差，广角镜头满足以下条件式：

α<5°；（3）

其中，α表示入射光线在反射元件的入射面的最大入射角。

反射元件由于无光焦度，所以光线在反射元件的入射面的入射角和在反射元件的出射面的出射角是一样的，光线经过反射元件前后并未改变它相对光轴的角度，而设置反射元件的目的是让光路转向以缩小镜头拼接后的横向距离，所以要尽可能的减小反射元件引入镜头系统的像差。因为不同入射角的光线经过反射元件会有不同的光程差，满足上述条件式（3），能够使反射元件引入镜头系统的像差尽可能减小。

在一些实施方式中，为减小镜头的外形尺寸，广角镜头满足以下条件式：

CRA≥29°，0.01<BFL/TTL<0.04; （4）

其中，CRA表示广角镜头的像面主光线角度，BFL表示第七透镜的像侧面到成像面的距离，TTL表示广角镜头的光学总长。

当镜头光学总长相同时，像面主光线角度越大，像面大小也越大，所以大的CRA可以得到较大的像面，或者说同样大小的像面可以得到相对较小的镜头外形尺寸；另外，当BFL/TTL的值超出上限时，不利于减小镜头的总长，当BFL/TTL的值超出下限时，会使后焦过小，从而导致镜头和成像芯片结构上有干涉；上述条件式（4）合理的限制了镜头的CRA和BFL，可以使拼接后的全景镜头系统具有较小的外形尺寸。

在一些实施方式中，为校正镜头的轴向色差，广角镜头满足条件式：

Vd6-Vd5>25; （5）

其中，Vd5表示第五透镜的阿贝数，Vd6表示第六透镜的阿贝数。

阿贝数用以表示透明介质色散能力的指数。一般来说，透镜的阿贝数越小，色散越严重；反之，透镜的阿贝数越大，色散越轻微。由于正透镜会产生正色差，负透镜会产生负色差，所以正透镜产生的色差只能由负透镜产生的色差进行补偿，因此可以采用正负透镜搭配的结构来尽可能校正色差。上述条件式（5）限制了第五透镜和第六透镜的阿贝数差值，使第五透镜产生较大的负色差，第六透镜产生较小的正色差，而后再对镜头中其它透镜进行色差补偿。满足上述条件式（5），可以使各透镜产生的色差得到合理的补偿，让镜头拍摄的画面有较高的色彩还原度。

在一些实施方式中，为合理控制镜头中胶合透镜的形状，充分利用透镜的像差校正能力，广角镜头满足条件式：

；（6）

其中，

5表示第五透镜的光焦度，

6表示第六透镜的光焦度。

胶合透镜在光学系统中的作用是校正色差，一般是前正透镜后负透镜或前负透镜后正透镜的搭配，上述条件式（6）表明胶合的正负两个透镜的光焦度绝对值接近，使得两个透镜胶合后的光焦度较小而不会引入较多的球差，合理的使用胶合透镜的像差校正能力。

具体地，第二透镜、第四透镜和第七透镜非球面的表面形状均满足以下条件式：

；（7）

其中，z为曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，h为光轴到曲面的距离，c为曲面顶点的曲率，k为圆锥系数，a₄、a₆、a₈、a₁₀分别依次表示四阶、六阶、八阶、十阶径向坐标所对应的曲面系数。

通过上述条件式（7），可以精确设定第二透镜、第四透镜和第七透镜前后面非球面的面型尺寸，广角镜头利用非球面对像差的强大校正功能，从而大大提高镜头成像的清晰度及锐利度。

当k小于-1时，面形曲线为双曲线，当k等于-1时，面形曲线为抛物线，当k介于-1到0之间时，面形曲线为椭圆，当k等于0时，面形曲线为圆形，当k大于0时，面形曲线为扁圆形。

在以下各个实施例中，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。

本申请实施例提供的广角镜头适用于运动相机镜头和监控镜头，可实现360°无死角取景拍摄或监控。

第一实施例

请结合图1和图2，本申请第一实施例提供的一种全景摄像系统100包括两组呈中心对称设置的广角镜头110，该两组广角镜头110的成像面（S18）以中心对称的方式相对设置。

广角镜头110从物侧到成像面依次包括第一透镜L1、第二透镜L2、反射元件G1、第三透镜L3、第四透镜L4、光阑ST、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7和滤光片G2。

第一透镜L1具有负光焦度，第一透镜的物侧面S1为凸面、像侧面S2为凹面；第二透镜L2具有负光焦度，第二透镜的物侧面S3为凸面、像侧面S4为凹面；反射元件G1无光焦度，用于光路折返，且反射元件G1为直角反射棱镜，反射元件的入射面为S5、出射面为S6；第三透镜L3具有正光焦度，第三透镜的物侧面S7为平面、像侧面S8为凸面；第四透镜L4具有正光焦度，第四透镜的物侧面S9为凸面、像侧面S10为凸面；第五透镜L5具有负光焦度，第五透镜的物侧面S11为凹面；第六透镜L6具有正光焦度，第六透镜的像侧面S13为凸面，且第五透镜L5与第六透镜L6组成胶合透镜，其粘合面为S12；第七透镜L7具有正光焦度，第七透镜的物侧面S14为凸面、像侧面S15为凸面。其中，第四透镜L4与第五透镜L5之间设有光阑ST。

本实施例提供的广角镜头110的各个镜片相关参数如表1所示。

表1

本实施例当中的第二透镜L2、第四透镜L4、和第七透镜L7的非球面相关参数如表2所示。

表2

请参阅图3，所示为本实施例当中广角镜头110的MTF图，在300lp/mm的空间频率下镜头全视场的MTF值在0.3以上，拥有较高的分辨率；请参阅图4，所示为本实施例当中广角镜头110的相对照度图，镜头的全视场相对照度均在0.8以上；请参阅图5，所示为本实施例当中广角镜头110的像面主光线角度图，镜头的边缘视场主光线为29.1°，表明广角镜头110在主光线角度较大的情况下仍然有很高的相对照度。

本实施例中，广角镜头110的像面直径为4.6mm，视场角FOV达到200°，镜头系统拼接后的横向距离（也即全景摄像系统100的两个对称设置的广角镜头110中的两个第一透镜L1的距离）为29.6mm。

第二实施例

请结合图6和图7，本实施例提供的一种全景摄像系统200，包括两组呈中心对称设置的广角镜头210。本实施例当中的广角镜头210与第一实施例当中的广角镜头110各个透镜的面型凹凸大抵相同，不同之处在于：第三透镜L3的物侧面S7为凹面，且镜头的各个镜片的相关参数和空气间隔存在差异。

本实施例当中的广角镜头210的各个镜片的相关参数如表3所示。

表3

请参阅表4，所示为本实施例当中的第二透镜L2、第四透镜L4、和第七透镜L7的非球面的相关参数。

表4

请参阅图8，所示为本实施例当中广角镜头210的MTF图，在300lp/mm的空间频率下镜头全视场的MTF值在0.3以上，拥有较高的分辨率；请参阅图9，所示为本实施例当中广角镜头210的相对照度图，镜头的全视场相对照度均在0.75以上；请参阅图10，所示为本实施例当中广角镜头210的像面主光线角度图，镜头的边缘视场主光线为29°，说明广角镜头210在主光线角度较大的情况下仍然有很高的相对照度。

本实施例中，广角镜头210的像面直径为4.6mm，视场角FOV达到200°，两个广角镜头210拼接后的横向距离（也即全景摄像系统200的两个对称设置的广角镜头210中的两个第一透镜L1的距离）为30.6mm。

第三实施例

请结合图11和图12，本实施例提供的一种全景摄像系统300，包括两组呈中心对称设置的广角镜头310。本实施例当中广角镜头310的结构与第一实施例当中的广角镜头110的结构大抵相同，不同之处在于：第三透镜L3的物侧面S7为凸面，第四透镜L4的像侧面S10为凹面，第五透镜L5的物侧面S11为凸面，且镜头的各个镜片的相关参数和空气间隔存在差异。

请参阅表5，所示为本实施例当中的广角镜头310的各个镜片的相关参数。

表5

参阅表6，所示为本实施例当中的广角镜头310的非球面的相关参数。

表6

请参阅图13，所示为本实施例当中广角镜头310的MTF图，在300lp/mm的空间频率下镜头全视场的MTF值在0.5以上，拥有较高的分辨率；请参阅图14，所示为本实施例当中广角镜头310的相对照度图，镜头的全视场相对照度均在0.8以上；请参阅图15，所示为本实施例当中广角镜头310的像面主光线角度图，镜头的边缘视场主光线为29°，广角镜头310在主光线角度较大的情况下仍然有很高的相对照度。

本实施例中，广角镜头310的像面直径为4.6mm，视场角FOV达到200°，镜头系统拼接后的横向距离（也即全景摄像系统300的两个对称设置的广角镜头310中两个第一透镜L1的距离）为28.2mm。

请参阅图表7，为上述3个实施例当中各实施例提供的广角镜头对应的光学特性，包括广角镜头的焦距f、光圈数F#、两个广角镜头拼接后的横向距离T和视场角FOV，同时还包括上述条件式当中每个条件式对应的相关数值。

表7

以上实施例仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种广角镜头，其特征在于，由七个透镜组成，从物侧到成像面依次为：

具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；

具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面；

无光焦度的用于光路折返的反射元件；

具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面为平面或凸面或凹面，像侧面为凸面；

具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面为凸面，像侧面为凸面或凹面；

具有负光焦度的第五透镜，所述第五透镜的物侧面为凸面或凹面，像侧面为凹面；

具有正光焦度的第六透镜，所述第六透镜的物侧面和像侧面均为凸面，且所述第五透镜与所述第六透镜组成胶合透镜；

具有正光焦度的第七透镜，所述第七透镜的物侧面和像侧面均为凸面；

其中，所述第四透镜和所述第五透镜之间设置有光阑；

所述广角镜头满足以下条件式：

;

其中，RI表示所述广角镜头的相对照度，CRA表示所述广角镜头的像面主光线角度。

2.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第三透镜、所述第五透镜和所述第六透镜均为玻璃球面镜片，所述第二透镜、所述第四透镜和所述第七透镜均为玻璃非球面镜片。

3.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头满足以下条件式：

0.7<D/T<0.8;

其中，D表示所述第一透镜的光学有效外径，T表示两个所述广角镜头拼接后的横向距离。

4.根据权利要求3所述的广角镜头，其特征在于，两个所述广角镜头拼接后的横向距离小于31mm。

5.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头满足以下条件式：

α<5°;

其中，α表示入射光线在所述反射元件的入射面的最大入射角。

6.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头满足以下条件式：

CRA≥29°，0.01<BFL/TTL<0.04;

其中，CRA表示所述广角镜头的像面主光线角度，BFL表示所述第七透镜到所述成像面的距离，TTL表示所述广角镜头的光学总长。

7.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头满足以下条件式：

Vd6-Vd5>25;

其中，Vd5表示所述第五透镜的阿贝数，Vd6表示所述第六透镜的阿贝数。

8.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头满足以下条件式：

;

其中，

5表示所述第五透镜的光焦度，

6表示所述第六透镜的光焦度。

9.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头在全视场的相对照度大于0.75。

10.一种全景摄像系统，其特征在于，包括两组如权利要求1-9任一项所述的广角镜头，两组所述广角镜头呈中心对称设置，两组所述广角镜头的成像面以中心对称的方式相对设置。