超广角镜头及成像设备的制作方法

1.本发明涉及成像镜头技术领域，特别是涉及一种超广角镜头及成像设备。


背景技术：

2.随着人们对驾驶安全需求的不断提高，以及adas（高级驾驶辅助系统）技术的不断成熟，车载摄像头的市场需求呈爆发性的增长。通过搭载在车辆上的前视、后视、环视等车载镜头，可以获取车辆内外的全方位信息，从而帮助驾驶者作出正确的驾驶行为，因此，镜头对于环境的适应性和成像稳定性成为汽车行驶过程中的安全保障。
3.由于汽车的应用环境复杂多变且安全性能要求较高，对搭载在adas中的车载镜头提出了更高的要求，尤其是应用于车辆前视及环视的镜头，不仅需要具有较强的环境适应性，保证镜头在高低温环境下也能保持较好的解像力；还需要具有较大的光圈，以保证白天、夜晚不同光照条件下的高质量图像输出；同时还需要具有超广的视角，以清楚的记录车辆前方及侧边等全方位的目标和道路信息。
4.然而现有市场上大多车载用镜头普通存在着视场角小（低于160
°
）、镜头解像低、温漂大以及色差明显等问题，难以满足上述adas系统的使用要求。


技术实现要素：

5.为此，本发明的目的在于提供一种超广角、小温漂、低色差以及高解像力的超广角镜头及成像设备，以满足adas系统中的使用需求。
6.本发明实施例通过以下技术方案实施上述的目的。
7.第一方面，本发明提供了一种超广角镜头，沿光轴从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面为凸面，所述第一透镜的像侧面为凹面；具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面和像侧面均为凹面；具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面和像侧面均为凸面；具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面和像侧面均为凸面；光阑；具有正光焦度的第五透镜，所述第五透镜的物侧面和像侧面均为凸面；具有负光焦度的第六透镜，所述第六透镜的物侧面和像侧面均为凹面，且所述第五透镜与所述第六透镜组成粘合体；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在近轴处均为凸面；其中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜以及所述第六透镜均为玻璃球面镜片，所述第七透镜为玻璃非球面镜片；所述第三透镜满足条件式：r5+r6=0，其中，r5表示所述第三透镜的物侧面的曲率半径，r6表示所述第三透镜的像侧面的曲率半径。
8.第二方面，本发明提供一种成像设备，包括成像元件及第一方面提供的超广角镜头，成像元件用于将超广角镜头形成的光学图像转换为电信号。
9.相较现有技术，本发明提供的超广角镜头通过合理设置七片具有特定屈折力的镜片，使镜头具有180
°
的视场角，能够实现超广范围的画面拍摄；由于采用全玻璃镜片，使镜头还具有良好的热稳定性能，能够有效补偿温度变化引起的焦点偏移；同时由于各透镜的
面型及光阑位置设置合理，使镜头的像差矫正良好，从而具有高清的解像力。
附图说明
10.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本发明第一实施例中的超广角镜头的结构示意图；图2为本发明第一实施例中的超广角镜头的f
‑
θ畸变曲线图；图3为本发明第一实施例中的超广角镜头的轴向色差曲线图；图4为本发明第一实施例中的超广角镜头的垂轴色差曲线图；图5为本发明第二实施例中的超广角镜头的结构示意图；图6为本发明第二实施例中的超广角镜头的f
‑
θ畸变曲线图；图7为本发明第二实施例中的超广角镜头的轴向色差曲线图；图8为本发明第二实施例中的超广角镜头的垂轴色差曲线图；图9为本发明第三实施例中的超广角镜头的结构示意图；图10为本发明第三实施例中的超广角镜头的f
‑
θ畸变曲线图；图11为本发明第三实施例中的超广角镜头的轴向色差曲线图；图12为本发明第三实施例中的超广角镜头的垂轴色差曲线图；图13为本发明第四实施例提供的成像设备的结构示意图。
具体实施方式
11.为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明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。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
12.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。
13.本发明提出一种超广角镜头，沿光轴从物侧到成像面依次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、光阑、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及滤光片。
14.第一透镜为具有负光焦度的弯月形透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面。将第一透镜设置为弯月形透镜不仅可以有效减少镜头的球差和场曲，而且可以让更多的光线射入镜头，增大镜头的拍摄范围；此外，第一透镜满足nd1>1.8，vd1>42，nd1表示第一透镜的材料折射率，vd1表示第一透镜的材料阿贝数，第一透镜采用高折射率的玻璃材料不仅可以有效减小第一透镜的口径，还可以降低系统的色差。
15.第二透镜为具有负光焦度的双凹透镜，其物侧面和像侧面均为凹面。第二透镜可将通过第一透镜的光线发散，将光线趋于平缓，向镜头后部过渡。
16.第三透镜为具有正光焦度的双凸透镜，同时第三透镜满足条件式：r5+r6=0，其中，r5表示第三透镜的物侧面的曲率半径，r6表示第三透镜的像侧面的曲率半径，也即第三透镜的物侧面和像侧面的曲率大小相等，第三透镜为双面对称的双凸透镜，简化了加工和组
装流程，降低了生产成本。
17.第四透镜具有正光焦度，其物侧面和像侧面均为凸面。
18.光阑，光阑设置在第四透镜与第五透镜之间，能够平衡光阑前后透镜组所含正负光焦度镜片的数量，有效校正畸变，提高镜头在边缘的解像能力。如果光阑放于第三、四透镜之间，光阑之后的透镜组包含正透镜过多（三个正透镜和一个负透镜），会使负透镜分担光焦度过大，不利于整个系统的畸变矫正。
19.第五透镜具有正光焦度，其物侧面和像侧面均为凸面。
20.第六透镜具有负光焦度，其物侧面和像侧面均为凹面，且第五透镜与第六透镜组成消色差的胶合透镜，可有效降低色差。
21.第七透镜具有正光焦度，其物侧面和像侧面在近光轴处均为凸面，第七透镜使用非球面透镜可以提高镜头的解像力，降低像差。
22.滤光片，滤光片设于第七透镜与成像面之间的滤光片。
23.其中，第七透镜为非球面玻璃镜片，其余所述透镜均为球面玻璃透镜；所述超广角镜头使用全玻璃的结构，能够有效延长镜头的使用寿命，同时还使镜头具有良好的热稳定性，在高低温环境下也能保持较好的解像力。
24.在一些实施方式中，所述超广角镜头满足条件式：9.5<ttl/f<10；（1）1.8<d/ih
max
<1.9；（2）其中，ttl表示超广角镜头的光学总长，f表示超广角镜头的焦距，d表示超广角镜头的有效口径，ih
max
表示超广角镜头的最大真实像高。
25.满足上述条件式（1）和（2），在焦距和像高固定的情况下，能够更好地控制镜头的总长和口径，实现镜头的小型化。
26.进一步地，所述超广角镜头满足条件式：0.65< f*sinθ/ih
max
<0.70，（3）其中，f表示超广角镜头的焦距，θ表示超广角镜头的半视场角，ih
max
表示超广角镜头的最大真实像高。满足上述条件式（3），能够使镜头在边缘视场拥有的像高位置更合适，可以有效控制镜头的畸变，提高镜头的边缘成像能力。
27.在一些实施方式中，所述超广角镜头满足条件式：0.1<bfl/t
l
<0.2；（4）其中，bfl表示超广角镜头光学后焦距，t
l
表示第一透镜的物侧面至第七透镜的像侧面在光轴上的距离。
28.满足上述条件式（4），通过合理的分配光学后焦与透镜组长度的比值，可以将镜头的光学总长最大化的同时，增加光学后焦，降低镜头与成像芯片间的组装难度。
29.在一些实施方式中，所述超广角镜头满足条件式：nd1>1.8；（5）vd1>42；（6）其中，nd1表示所述第一透镜的材料折射率，vd1表示所述第一透镜的材料阿贝数。第一透镜采用高折射率材料制作，尤其是当第一透镜的材质满足上述条件式（5）和（6）时，有利于减小光学系统的前端口径，提高系统的成像质量。
30.在一些实施方式中，所述第一透镜满足条件式：
‑
8.2mm<f1<
‑
7.2mm；（7）17mm<r1<19mm；（8）4mm<r2<5mm；（9）3.5<r1/r2<4.0；（10）其中，f1表示第一透镜的焦距，r1表示第一透镜的物侧面的曲率半径，r2表示第一透镜的像侧面的曲率半径。
31.满足上述条件式（7）至（10），可合理设置第一透镜的面型，增强第一透镜对光线的收集能力，从而实现180
°
的超大视场角。如果r1超过上限值会使得光线入射角过大，影响相对照度，如果r2超过上限值会使得光线出射角太大，不利于矫正场曲，若r2低于下限值会使得超半球，不利于镜片加工。
32.在一些实施方式中，所述超广角镜头满足条件式：1<f1/f2<1.5；（11）其中，f1表示第一透镜的焦距，f2表示第二透镜的焦距。
33.由于要收集大于180
°
的超大范围的光线，因此会有很大的光线入射角进入第一透镜，不利于光线入射后对不同视场（尤其是边缘视场）像差的矫正。满足上述条件式（11），通过合理搭配第一透镜和第二透镜的光焦度，可以有效减小光线的出射角度，使得通过第二透镜后的出射光线与光轴夹角减小，出射光线平缓向后续透镜过渡，以便于后续光学系统矫正光学像差。
34.在一些实施方式中，所述超广角镜头满足条件式：2<f3/f4+r5/r7<3；（12）其中，f3表示第三透镜的焦距，f4表示第四透镜的焦距，r5表示第三透镜的物侧面的曲率半径，r7表示第四透镜的物侧面的曲率半径。由于第三透镜和第四透镜都是光焦度为正的透镜，且设置在光阑附近，对公差的敏感度较高；满足上述条件式（12），可降低第三透镜和第四透镜的公差灵敏度，增加镜头良率，降低成本。
35.在一些实施方式中，所述超广角镜头满足条件式：
‑
20mm2<f5*f6<
‑
15mm2；（13）其中，f5表示第五透镜的焦距，f6表示第六透镜的焦距。满足上述条件式（13），可有效矫正镜头的场曲，提升镜头的解析力。
36.在一些实施方式中，所述超广角镜头满足条件式：0.23＜φ
后
/φ＜0.28；（14）其中，φ
后
表示第五透镜、第六透镜、第七透镜的组合光焦度，φ表示超广角镜头的光焦度。满足上述条件式（14），通过设置光阑后透镜组的光焦度占比，能够使系统的垂轴色差得到有效矫正。
37.在一些实施方式中，所述超广角镜头满足条件式：0.35＜φ7/φ＜0.45；（15）其中，φ7表示第七透镜的光焦度，φ表示超广角镜头的光焦度。满足上述条件式（15），通过合理设置第七透镜的光焦度，可有效矫正镜头的像散，提升镜头的解析力。
38.在一些实施方式中，所述超广角镜头满足条件式：
‑3×
10
‑6/℃<(dn/dt)4+ (dn/dt)5+( dn/dt)6<
ꢀ‑2×
10
‑6/℃；（16）其中，(dn/dt)4表示第四透镜的材料折射率温度系数，(dn/dt)5表示第五透镜的材料折射率温度系数，(dn/dt)6表示第六透镜的材料折射率温度系数。满足上述条件式（16），通过合理分配各个透镜的热膨胀系数，可以保证所述镜头在
‑
40℃~125℃环境中焦点偏移小，具有稳定的成像性能。
39.在一些实施方式中，所述超广角镜头满足条件式：0.5mm<ct2<0.68mm；（17）4.0mm<ct12<5.2mm；（18）0.95mm<ct23<1.7mm；（19）1.1mm<ct67<2.0mm；（20）其中，ct2表示第二透镜的中心厚度，ct12表示第一透镜与第二透镜在光轴上的间隔距离，ct23表示第二透镜与第三透镜在光轴上的间隔距离，ct67表示第六透镜与第七透镜在光轴上的间隔距离。满足上述条件式（17）至（20），通过合理设置各透镜的厚度及空气间隔，可以有效调节光线的分布，减小镜头的敏感度，同时还能使镜头的结构更加紧凑。
40.下面分多个实施例对本发明进行进一步地说明。在各个实施例中，超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。下述实施例仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不仅仅受下述实施例的限制，其他的任何未背离本发明创新点所作的改变、替代、组合或简化，都应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
41.本发明中各个实施例中所述超广角镜头的非球面的表面形状均满足下列方程：，其中，z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c表示曲面顶点的曲率，k表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，b、c、d、e和f分别表示四阶、六阶、八阶、十阶和十二阶曲面系数。
42.第一实施例请参阅图1，所示为本发明第一实施例提供的超广角镜头100的结构示意图，该超广角镜头100沿光轴从物侧到成像面依次包括：第一透镜l1、第二透镜l2、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以及滤光片g1。
43.第一透镜l1具有负光焦度，其物侧面s1为凸面，像侧面s2为凹面；第二透镜l2具有负光焦度，其物侧面s3和像侧面s4均为凹面；第三透镜l3具有正光焦度，其物侧面s5和像侧面s6均为凸面；第四透镜l4具有正光焦度，其物侧面s7和像侧面s8均为凸面；第五透镜l5具有正光焦度，其物侧面s9和像侧面均为凸面；第六透镜l6具有负光焦度，其物侧面和像侧面s11均为凹面，且第五透镜的像侧面和第六透镜的物侧面胶合组成粘合透镜，其粘合面为s10；第七透镜l7具有正光焦度，其物侧面s12和像侧面s13在近光轴处均为凸面。
44.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和第六透镜l6均
为玻璃球面透镜，第七透镜l7为玻璃非球面透镜。
45.本发明第一实施例所提供的超广角镜头100中各个透镜的相关参数如表1所示。
46.表1本实施例中第七透镜l7的非球面参数如表2所示。
47.表2在本实施例中，超广角镜头100的f
‑
θ畸变、轴向色差、垂轴色差图分别如图2、图3和图4所示。
48.图2的畸变曲线表示成像面不同像高所对应的畸变量，图中纵轴表示视场角，横轴表示畸变值。由图2可以看出，在全视场内超广角镜头100的光学畸变在
‑
5%以内，且为负畸变，说明畸变得到了很好的校正。
49.图3的轴向色差曲线表示成像面处光轴上的像差，图中横轴表示轴向色差值（单位：毫米），纵轴表示归一化光瞳半径。由图3可以看出，轴向色差的偏移量控制在
±
0.018毫米以内，说明该镜头能够有效地矫正边缘视场的像差以及整个像面的二级光谱。
50.图4的垂轴色差曲线表示各波长相对于中心波长（0.550μm）在成像面上不同像高处的色差，图中横轴表示各波长相对中心波长的垂轴色差值（单位：微米），纵轴表示归一化视场角。由图4可以看出，最长波长与最短波长的垂轴色差控制在
±
3.5微米以内，说明该镜
头的垂轴色差得到良好的矫正。
51.第二实施例请参阅图5，为本发明第二实施例提供的超广角镜头200的结构示意图，第二实施例中提供的超广角镜头200的结构图与第一实施例中的超广角镜头100大抵相同，不同之处在于：本实施例中的超广角镜头200的各透镜的曲率半径、材料选择不同，具体各个透镜的相关参数如表3所示。
52.表3本实施例中第七透镜l7的非球面参数如表4所示。
53.表4在本实施例中，超广角镜头200的f
‑
θ畸变、轴向色差、垂轴色差图分别如图6、图7和图8所示。
54.由图6可以看出，在全视场内超广角镜头200的光学畸变在
‑
5%以内，且为负畸变，说明畸变得到了很好的校正由图7中可以看出，轴向色差的偏移量控制在
±
0.024毫米以内，说明超广角镜头200能够有效地矫正边缘视场的像差以及整个像面的二级光谱。
55.由图8中可以看出，最长波长与最短波长的垂轴色差控制在
±
3.5微米以内，说明
超广角镜头200的垂轴色差得到良好的矫正。
56.第三实施例请参阅图9，为本发明第三实施例提供的超广角镜头300的结构示意图，第三实施例中提供的超广角镜头300的结构图与第一实施例中的超广角镜头100大抵相同，不同之处在于：本实施例中的超广角镜头300在滤光片g1与成像面s16之间添加了保护玻璃g2，保护玻璃g2能够更好的保护传感器芯片，呈现更好的成像品质；此外，各透镜的曲率半径、厚度等也不同，具体各个透镜的相关参数如表5所示。
57.表5本实施例中第七透镜l7的非球面参数如表6所示。
58.表6在本实施例中，超广角镜头300的畸变、轴向色差和垂轴色差图分别如图10、图11和图12所示。
59.由图10可以看出，在全视场内超广角镜头300的光学畸变在
‑
5%以内，且为负畸变，说明畸变得到了很好的校正
由图11中可以看出，轴向色差的偏移量控制在
±
0.024毫米以内，说明超广角镜头300能够有效地矫正边缘视场的像差以及整个像面的二级光谱。
60.由图12中可以看出，最长波长与最短波长的垂轴色差控制在
±
3.5微米以内，说明超广角镜头300的垂轴色差得到良好的矫正。
61.表7是上述3个实施例及其对应的光学特性，包括系统的焦距f、光圈数f#、视场角2θ和光学总长ttl，以及与前面每个条件式对应的数值。
62.表7上述各实施例提供的超广角镜头，均达到了以下的光学指标：(1)视场角2θ≥180
°
；(2)光学总长：ttl＜27.5mm；(3)光圈数：f#<1.9；(4)适应400nm～720nm。
63.综合上述实施例，本发明所提供的超广角镜头具有以下的优点：（1）本发明提供的超广角镜头采用七片玻璃透镜设计，具有较好的热稳定性，较强的机械强度，能够有效应对车载的恶劣环境点漂移小。
64.（2）通过合理分配光阑前、后透镜组的光焦度占比，使系统的像差得到良好的矫正，具有清晰的解像力。光阑之前的透镜组主要负责对光线的收集，将大角度的光线转为平缓的光线入射至光学系统，便于对像差的矫正；光阑之后的透镜组负责对大部分像差的校正，当光阑之后透镜组的组合光焦度与整个系统的光焦度比值φ
后
/φ在一定范围中时，可有效矫正镜头的垂轴色差。
65.（3）本发明提供的超广角镜头将第一透镜设置为弯月透镜可以有效减少超广角镜头的场曲；具有负光焦度的第二透镜把经过第一透镜的光线发散，将光线趋于平缓，向镜头后部过渡，将第一透镜及第二透镜合理搭配，可成像范围达到180
°
以上；第三，第四透镜都为正光焦度透镜，有效分担光焦度，减小两透镜的公差敏感度降低成本；第五透镜与第六透镜组成粘合体，正负透镜焦距比值满足关系式，可有效矫正场曲；第七透镜采用非球面透镜，不仅可以减小镜片数目，减轻镜头的重量，还提高了镜头的解像力，优化了像差。
66.第四实施例请参阅图13，所示为本发明第四实施例提供的成像设备400，该成像设备400可以包括成像元件410和上述任一实施例中的超广角镜头（例如超广角镜头100）。成像元件410可以是cmos（complementary metal oxide semiconductor，互补性金属氧化物半导体）图像传感器，还可以是ccd（charge coupled device，电荷耦合器件）图像传感器。
67.该成像设备400可以是车载摄像设备、手机、平板电脑以及其它任意一种形态的装载了上述超广角镜头的电子设备。
68.本申请实施例提供的成像设备400包括超广角镜头100，由于超广角镜头100具有超广角、小温漂、低色差以及高解像力的优点，具有该超广角镜头100的成像设备400也具有超广角、小温漂、低色差以及高解像力的优点。
69.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
70.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。