广角镜头及全景摄像系统的制作方法

本发明涉及一种光学镜头
技术领域：
，尤其涉及一种广角镜头及全景摄像系统。
背景技术：
：随着市场环境对全景镜头要求的不断提高，全景高清摄影镜头也变得越来越多样化了。目前360°全景高清摄像机进入市场的时间较短，还处于市场潜力开发期，与此同时，市面上全景摄像系统采用的镜头多用球面镜，从而不能很好地校正高阶像差。一些技术方案提供了无盲区广角镜头，虽然视场角度达到270°，但仍不满足全景摄像需求，且解像品质低，加工难度大，已经不适合现今市场环境。为了满足所有的摄影爱好者使用需求，以满足户外旅游拍摄、潜水探险拍摄、房屋建筑内饰拍摄等功能迫切地需要研制出一种能很好地校正高阶像差的高品质的广角镜头及全景摄像系统。技术实现要素：本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种广角镜头及全景摄像系统，其至少具有高阶像差得以有效矫正且视场角大的特点。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：第一方面，本发明实施例提供一种广角镜头，广角镜头从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度且像侧表面为凹面的第一透镜；具有负光焦度且像侧表面为凹面的第二透镜；具有正光焦度的第三透镜；具有正光焦度且像侧表面为凹面的第四透镜；具有负光焦度且像侧表面和物侧表面均为凹面的第五透镜；具有正光焦度且像侧表面和物侧表面均为凸面的第六透镜；具有正光焦度且像侧表面和物侧表面均为凸面的第七透镜，反射元件，反射元件设置于第二透镜和第三透镜之间的反射元件，以及设置于第七透镜和成像面之间的滤光片。其中，第一透镜和第三透镜均为球面镜，第二透镜和第四透镜之一为非球面镜、另一个为球面镜；第五透镜和第六透镜均为球面镜，且第五透镜和第六透镜合为一体，第七透镜为非球面镜。第二方面，本发明实施例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。与现有技术相比，本发明实施例提供的广角镜头采用5片球面镜片、2片非球面镜片、1片反射元件相互匹配使用，尤其是在指定位序使用非球面镜片，能够使广角镜头的高阶像差得到有效校正，且视场角能够达到190°以上，同时镜片加工难度与成本降低。本发明实施例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、薄镜头的使用需求。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。图1是本发明第一实施例提供的一种广角镜头的结构示意图；图2是本发明第一实施例提供的一种广角镜头的光路示意图；图3是本发明第一实施例中一种广角镜头的场曲曲线图；图4是本发明第一实施例中一种广角镜头的畸变曲线图；图5是本发明第一实施例中一种广角镜头的mtf曲线；图6是本发明第二实施例提供的一种广角镜头的结构示意图；图7是本发明第二实施例中一种广角镜头的场曲曲线图；图8是本发明第二实施例中一种广角镜头的畸变曲线图；图9是本发明第二实施例中一种广角镜头的mtf曲线；图10是本发明第三实施例提供的一种广角镜头的结构示意图；图11是本发明第三实施例中一种广角镜头的场曲曲线图；图12是本发明第三实施例中一种广角镜头的畸变曲线图；图13是本发明第三实施例中一种广角镜头的mtf曲线；图14是本发明第四实施例提供的全景摄像系统的结构示意图。以下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。具体实施方式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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。第一实施例请参阅图1，本发明第一实施例提供的一种广角镜头100从物侧到成像面im依次包括第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3、第四透镜l4、第五透镜l5、第六透镜l6、第七透镜l7以及反射元件13。第一透镜l1具有负光焦度，且像侧表面为凹面，第一透镜l1为球面镜，呈弯月型。第一透镜l1可以采用折射率较高的玻璃透镜，高折射率材料能够达到快速收光、减小第一透镜l1像侧表面的面倾角度，降低加工成本。第二透镜l2具有负光焦度，且像侧表面为凹面。第三透镜l3具有正光焦度，且为球面镜。第四透镜l4具有正光焦度，且像侧表面为凹面，呈弯月型。第五透镜l5具有负光焦度，且像侧表面和物侧表面均为凹面，第五透镜l5为球面镜。第六透镜l6具有正光焦度，且像侧表面和物侧表面均为凸面，第六透镜l6为球面镜。第五透镜l5和第六透镜l6可以合为一体，例如通过胶合的方式将二者合为一体成为双胶合透镜，从而有效减小色差，最大程度地减少紫边现象。第七透镜l7具有正光焦度，且像侧表面和物侧表面均为凸面，第七透镜l7为非球面镜。第二透镜l2和第四透镜l4之一为非球面镜、另一个为球面镜。例如，第二透镜l2为非球面镜，而第四透镜l4为球面镜；或者第二透镜l2为球面镜，第四透镜l4为非球面镜。反射元件13设置于第二透镜l2和第三透镜l3之间。反射元件13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。例如，将平面反射镜的平面和第二透镜l2的出射光路以45°夹角设置，从而将从第二透镜l2出射并入射到反射元件13的光线以90°弯折，再进入第三透镜l3。在本实施例中，反射元件13为直角反射棱镜，其包括入射面131、反射面132和出射面133，反射面132将从入射面131入射的光线以90°弯折后从出射面133射出。请参阅图2，反射元件13设置于第二透镜l2之后，使广角镜头100的入射光路发生了预设度数(例如90°)偏折，极大地缩短了反射元件13前端光路(从第一透镜l1到反射元件13的中心)的总长，当两个广角镜头拼接成360°全景摄像系统(图13)时，在第一透镜l1到第二透镜l2、反射元件13至另一个广角镜头的反射元件、第二透镜l2、第一透镜l1这个方向上，总体长度缩短，满足了市场对小体积薄镜头的使用需求。例如，第一透镜l1至反射元件13的中心的光路总长小于15mm，拼接后的全景拼接摄像系统的总长度小于30mm。综上，本实施例提供的广角镜头100通过将球面镜片和非球面镜片混合使用，尤其是在指定位序使用非球面镜片，能够使广角镜头100的高阶像差得到有效校正。另外，本实施例提供的广角镜头100的视场角大，可达到190°以上，还具有畸变小，靶面大等优点。例如，靶面的对角线长度大于4.5mm。广角镜头100的镜片(l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7)可以均为玻璃镜片，以使广角镜头100具有高低温度产生焦面漂移量小的优点，能够适应不同的温度场合，温度控制较好，且具有较高的使用寿命和稳定性。进一步地，广角镜头100还可以包括光阑14，光阑14位于第三透镜l3和第四透镜l4之间。光阑14的不同位置可以满足不同芯片的cra角度(chiefrayangle主光线角度)。光阑14的作用在于精确调整通光量，为了在光线较暗的场景下拍到清晰的图片，需要较大的光通量镜头。光阑14设置在此位置有利于控制到达像面的主光线入射角度，使其有效的控制在12±3度以内，更符合成像芯片的入射要求。进一步地，广角镜头100还可以包括滤光片15或者滤光片组，即两个或多个滤光片形成的组合)，滤光片15置于第七透镜l7和成像面im之间。滤光片15可以是可见光滤光片。在本实施例当中，以厚度为0.3mm的滤光片为例，但可以理解的，滤光片15或者滤光片组的厚度不限于此。通过滤光片15抑制非工作波段光透过，有效减少光学系统的色差和杂光，提升成像效果。进一步地，广角镜头100还包括盖玻璃16，盖玻璃16位于滤光片15和成像面im之间。进一步地，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100可以满足以下条件式：3<tl/f/h<5；其中，tl为广角镜头100的光学总长，f为广角镜头100的焦距，h为广角镜头100全视场角对应的像高。经多次测试发现，当tl/f/h的值超过上限时，镜头的整体总长过长，或者说如果整体缩短总长的情况下，像高会不足；当tl/f/h的值超过下限时，由于各透镜的光焦度过大，镜头像差矫正困难，解像能力显著下降。即，广角镜头100满足条件式3<tl/f/h<5时，解像能力良好且像高适宜。进一步地，为在良好的矫正像差的同时提供合适的镜头尺寸，广角镜头100可以满足以下条件式：其中，为广角镜头100的光焦度，为第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3、第四透镜l4的组合光焦度，前四个透镜(l1、l2、l3、l4)与反射元件13组成前透镜群，该前透镜群可以有效的将宽视场角物面光汇聚进入镜头内，且未产生较大像差。当的值超过上限时，前透镜群的光焦度过强，虽然能够使整个镜头总长变小，但其产生的球差过大，很难矫正；当的值超过下限时，前透镜群的光焦度减弱，球差相对减小，但其屈光能力下降导致系统总长加长。进一步地，为在良好的矫正像差的同时提供合适的镜头尺寸，广角镜头100可以满足以下条件式：其中，为广角镜头100的光焦度，表示第五透镜l5、第六透镜l6、第七透镜l7的组合光焦度。该组合光焦度可以与上述的前透镜群形成呼应，有效的配合前透镜群，并合理去除像差。进一步地，为校正色差，该广角镜头100可以满足以下条件式：20<|v5-v6|<50；其中，v5为第五透镜l5的阿贝数，v6为第六透镜l6的阿贝数。当|v5-v6|的值超过下限时，色差的矫正不足；当|v5-v6|的值超过上限时，则材料选择困难。进一步地，为有效的矫正场曲和畸变，该广角镜头100可以满足以下条件式：-0.9<(r12+r13+r14)/|(|r12|+|r13|+|r14|)<-0.3；其中，r12为第五透镜l5的物侧表面顶点的曲率半径，r13为第五透镜l5与第六透镜l6的胶合面的曲率半径，r14为第六透镜l6的像侧表面的曲率半径。上述关系式定义了双胶合镜片(第五透镜l5与第六透镜l6的合体镜片)的表面形状，当(r12+r13+r14)/|(|r12|+|r13|+|r14|)的值超过上限时，其彗差会减小，但像散校正困难；当(r12+r13+r14)/|(|r12|+|r13|+|r14|)的值超过下限时，其像散会减小，但慧差校正困难。进一步地，为了降低温度对镜头成像面离焦的影响，该广角镜头100可以满足以下条件式：0×10-6/℃<|(dn/dt)5-(dn/dt)6|<40×10-6/℃；(dn/dt)7<-30×10-6/℃；其中，(dn/dt)5为第五透镜l5材料的温度折射率系数，(dn/dt)6为第六透镜l6材料的温度折射率系数，(dn/dt)7为第七透镜l7材料的温度折射率系数。当|(dn/dt)5-(dn/dt)6|的值以及(dn/dt)7的值超过限定范围时，镜头在高低温变化时最佳焦面变化较大，无法满足实际使用要求。进一步地，为了降低该广角镜头的色差，第七透镜l7可以选用低色散材料，该广角镜头100可以满足以下条件式：(nd/vd)7<0.03；其中，(nd/vd)7为所述第七透镜的折射率与阿贝数的比值。进一步地，为了限定拍摄物体的视场角与成像面大小的关系，并确保镜头加工成本与成像质量的合理性，该广角镜头100可以满足以下条件式：1<ih/θ<2；其中，θ为所述广角镜头的半视场角的弧度值，ih为所述广角镜头的半视场角对应的像高。当ih/θ的值低于下限时，像差校正过于困难，需要适当的增加镜片个数；当ih/θ的值超过上限时，像差校正良好，但考虑到降低镜头的成本及尺寸，可以适当的减少镜片数以降低生产成本。为了使广角镜头100进一步小型化、轻量化，该广角镜头100可以满足以下条件式：0.1<(ct6+ct7)/tl<0.2；其中，ct6为第六透镜l6的中心厚度值，ct7为所述第七透镜l7的中心厚度值，tl为广角镜头100的光学总长。当(ct6+ct7)/tl的值低于下限时，镜片的中心厚度以及边缘厚度过薄，会增加镜头加工与装配时的难度，以及无法保证镜头在实际跌落实验的可靠性；当(ct6+ct7)/tl的值超过上限时，镜片中心厚度以及边缘厚度过厚，难以保证小体积镜头的良好解像能力。进一步地，为了限定第四透镜l4的形状，以及保证镜头良好的解像能力、鬼影，该广角镜头100可以满足以下条件式：0.5<f4/r41<2；其中，f4为第四透镜l4的焦距，r41为第四透镜l4的物侧表面的曲率半径。当f4/r41的值低于下限时，难以保证镜头的解像能力；当f4/r41的值超过上限时，镜头会有较为严重的鬼影现象。进一步地，为了降低反射元件13的布鲁斯特角角度，反射元件13选用高折射率材料，可以满足以下条件式：1.92<(nd)l；其中，(nd)l为反射元件13的材料折射率，当(nd)l的值小于下限时，将导致反射元件13的布鲁斯特角角度过大，使边缘视场光线在反射元件13的入射面的入射角度小于14°，从而会导致镜头的成像清晰度降低。进一步地，第一透镜l1的物侧表面可以镀设防水膜，从而可以保护光学镜头在使用过程中防刮擦以及降低恶劣环境变化的影响。进一步地，该广角镜头100中的非球面镜的表面形状可以均满足下列方程：其中，z为曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c为曲面顶点的曲率，k为二次曲面系数，h为光轴到曲面的距离，b、c、d和e分别为四阶、六阶、八阶和十阶曲面系数。在本发明后续提供的所有实施例中，广角镜头的截面结构都可参阅图1所示，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。请参阅表1，所示为本第一实施例当中的一种广角镜头100的各个镜片相关参数。表1请参阅表2，所示为广角镜头100的各透镜的非球面相关参数。表2表面序号kbcdes3-1.35e+011.09e-03-9.33e-053.51e-06-4.82e-08s4-9.88e-012.58e-031.69e-04-5.10e-054.39e-06s15-2.87e-02-4.55e-032.20e-04-5.88e-052.80e-06s166.24e-013.92e-034.34e-04-1.69e-041.28e-05本实施例提供的广角镜头100的场曲与f-theta畸变曲线分别如图3和图4所示，从图中可以看出，广角镜头100的场曲、畸变和轴上点球差色差都被良好矫正。图5为广角镜头100的mtf曲线，体现出广角镜头100良好的分辨率及解像能力。第二实施例请参阅图6，所示为本实施例提供的一种广角镜头200的结构图。本实施例当中的广角镜头200与第一实施例当中的广角镜头100大抵相同，不同之处在于，本实施当中的广角镜头200的第五透镜l5和第六透镜l6的阿贝数差异不同，对色差的补偿能力不同。具体各个透镜的镜片相关参数参见表3所示。表3请参阅表4，所示为本实施例当中的各透镜的非球面相关参数。表4本实施例提供的广角镜头200的场曲与f-theta畸变曲线分别如图7和图8所示，从图中可以看出，广角镜头200的场曲、畸变都被良好矫正。图9为广角镜头200的mtf曲线，体现出广角镜头200良好的分辨率及解像能力。第三实施例请参阅图10，所示为本实施例提供的一种广角镜头300的结构示意图，本实施例当中的广角镜头300与第一实施例当中的广角镜头100大抵相同，不同之处在于光阑的位置不用，对解像与主光线角度的影响不同。具体地说，光阑14位于第四透镜l4和第五透镜l5之间。请参阅表5，所示为本实施例当中的广角镜头300的各个镜片相关参数。表5请参阅表6，所示为本实施例当中的各透镜的非球面相关参数。表6本实施例提供的广角镜头300的场曲与f-theta畸变曲线分别如图11和图12所示，从图中可以看出，广角镜头300的场曲、畸变都被良好矫正。图13为广角镜头300的mtf曲线，体现出本发明中广角镜头300良好的分辨率及解像能力。请参阅表7，所述为上述各实施例(第一实施例～第三实施例)对应的光学特性，包括广角镜头(100/200/300)的系统焦距f、光圈数f#、系统总长tl和视场角2θ，同时还包括上述关系式对应的相关数值。表7第四实施例请参阅图14，本实施例提供的全景摄像系统400包括两组如第一实施例～第三实施例中的任意一个提供的广角镜头100或200或300，两组广角镜头呈中心对称设置，两组广角镜头的成像面im以中心对称的方式相对设置。本实施例提供的全景摄像系统400，将反射元件置于广角镜头的第二透镜l2之后，使广角镜头的入射光路进行90°偏折，极大的缩短反射元件前端光路的总长，降低了双广角镜头拼接后的总体长度，满足了市场对小体积、薄镜头的使用需求。采用全玻璃材质镜片与反射元件的搭配时，可以在保证高低温解像性能良好的情况下，最大限度的缩短镜头拼接尺寸，同时也降低了镜片加工难度与成本，同时还具有前述各个实施例所述明的其他有益效果。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页12