基于自由曲面设计的光学系统及摄像模组的制作方法

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1.本实用新型涉及一种光学系统及摄像模组，尤其是一种应用于全景相机领域的基于自由曲面设计的光学系统及摄像模组。


背景技术：

2.全景鱼眼光学系统是一种视场角达到或超过180
°
的光学系统，随着千万像素高清芯片的发展和图像畸变处理算法的成熟应用，全景鱼眼光学系统及全景相机的市场化应用越来越多，如运动相机、安防监控、全景地图、智能驾驶辅助泊车等场景领域。作为全景应用的视觉输入端，全景鱼眼成像光学系统的成像质量直接决定着全景应用的有效像素、视场范围、图像处理和算法拼接等关键特性。有效像素是评价光学系统成像质量的关键技术指标，它综合了不同视场下像素数量占比及畸变软件校正的图像压缩率，反映的是图像的清晰度和对目标细节的分辨能力。传统的全景鱼眼光学系统的成像区域通过设计成略小于芯片垂直方向的圆形，有效像素仅为成像圆的面积，存在有效像素少和芯片有效像素利用率低的缺失。


技术实现要素：

3.为克服现有应用于全景相机领域的光学系统，普遍存在镜头成像圆过小，芯片有效像素利用率低的问题，本实用新型实施例一方面提供了一种基于自由曲面设计的光学系统。
4.一种基于自由曲面设计的光学系统，沿光轴从物面到像面依次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、以及第九透镜；
5.第一透镜的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
6.第二透镜的物面侧为凹面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
7.第三透镜的像面侧为凹面，其光焦度为负；
8.第四透镜的物面侧为凸面，其光焦度为正；
9.第五透镜的像面侧为凸面，其光焦度为正；
10.第六透镜的物面侧为凹面，像面侧为凸面，其光焦度为负；
11.第七透镜的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
12.第八透镜的物面侧为凸面，其光焦度为正；
13.第九透镜的像面侧为凸面，其光焦度为正；
14.其中，光阑位于光学系统中任两透镜间的某一位置，以光阑为界将光学系统划分为前后群组；
15.光学系统中至少使用2个或2个以上非对称自由曲面，非对称自由曲面分别位于前后群组中。
16.另一方面，本实用新型实施例还提供了一种基于自由曲面设计的摄像模组。
17.一种基于自由曲面设计的摄像模组，至少包括光学镜头，光学镜头内安装有上述
所述的基于自由曲面设计的光学系统。
18.本实用新型实施例之光学系统和摄像模组，主要由9枚透镜构成，采用自由曲面设计面型；采用不同透镜相互组合及合理分配光焦度，具有超广角、高像素、椭圆形像圆和良好消热差等光学性能，适用于全景相机领域。
附图说明：
19.为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
20.图1为本实用新型的光学系统或摄像模组实施例的结构示意图；
21.图2为本实用新型的光学系统或摄像模组实施例的+25℃下的像点图；
22.图3为本实用新型的光学系统或摄像模组实施例的+25℃下的mtf曲线图；
23.图4为本实用新型的光学系统或摄像模组实施例的+25℃下的畸变图；
24.图5为本实用新型的光学系统或摄像模组实施例的+25℃下的成像圆示意；
25.图6为本实用新型的光学系统或摄像模组另一实施例的结构示意图；
26.图7为本实用新型的光学系统或摄像模组另一实施例的结构示意图；
27.图8为本实用新型的光学系统或摄像模组另一实施例的结构示意图；
28.图9为本实用新型的光学系统或摄像模组另一实施例的结构示意图；
29.图10为本实用新型的光学系统或摄像模组另一实施例的结构示意图。
具体实施方式：
30.为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
31.当本实用新型实施例提及“第一”、“第二”等序数词时，除非根据上下文其确实表达顺序之意，应当理解为仅仅是起区分之用。
32.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
33.一种基于自由曲面设计的光学系统，沿光轴从物面到像面13依次包括：第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8、第九透镜9、光阑10、红外截止滤光片、芯片保护玻璃、以及芯片成像面13。
34.第一透镜1的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
35.第二透镜2的物面侧为凹面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
36.第三透镜3的像面侧为凹面，其光焦度为负；
37.第四透镜4的物面侧为凸面，其光焦度为正；
38.第五透镜5的像面侧为凸面，其光焦度为正；
39.第六透镜6的物面侧为凹面，像面侧为凸面，其光焦度为负；
40.第七透镜7的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
41.第八透镜8的物面侧为凸面，其光焦度为正；
42.第九透镜9的像面侧为凸面，其光焦度为正；
43.其中，光阑10位于光学系统中任两透镜间的某一位置，以光阑10为界将光学系统划分为前后群组；
44.光学系统中至少使用2个或2个以上非对称自由曲面，非对称自由曲面分别位于前后群组中。
45.本实用新型实施例之光学系统，主要由9枚透镜构成，采用自由曲面设计面型；采用不同透镜相互组合及合理分配光焦度，具有超广角、高像素、椭圆形像圆和良好消热差等光学性能，适用于全景相机领域。
46.进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，如图1所示，
47.第一透镜1的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
48.第二透镜2的物面侧为内凹的非对称自由曲面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
49.第三透镜3的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
50.第四透镜4的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为正；
51.第五透镜5的物面侧为凸面，像面侧为凸面，其光焦度为正；
52.第六透镜6的物面侧为凹面，像面侧为凸面，其光焦度为负；
53.第七透镜7的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
54.第八透镜8的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为正；
55.第九透镜9的物面侧为凹面，像面侧为外凸的非对称自由曲面，其光焦度为正。
56.再进一步地，作为本实用新型的另一种优选实施方式而非限定，如图6 所示，
57.第一透镜1的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
58.第二透镜2的物面侧为内凹的非对称自由曲面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
59.第三透镜3的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
60.第四透镜4的物面侧为凸面，像面侧为凸面，其光焦度为正；
61.第五透镜5的物面侧为凸面，像面侧为凸面，其光焦度为正；
62.第六透镜6的物面侧为凹面，像面侧为凸面，其光焦度为负；
63.第七透镜7的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
64.第八透镜8的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为正；
65.第九透镜9的物面侧为凹面，像面侧为外凸的非对称自由曲面，其光焦度为正。
66.更进一步地，作为本实用新型的另一种优选实施方式而非限定，如图7 所示，
67.第一透镜1的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
68.第二透镜2的物面侧为内凹的非对称自由曲面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
69.第三透镜3的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
70.第四透镜4的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为正；
71.第五透镜5的物面侧为凸面，像面侧为凸面，其光焦度为正；
72.第六透镜6的物面侧为凹面，像面侧为凸面，其光焦度为负；
73.第七透镜7的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
74.第八透镜8的物面侧为凸面，像面侧为凸面，其光焦度为正；
75.第九透镜9的物面侧为凹面，像面侧为外凸的非对称自由曲面，其光焦度为正。
76.更进一步地，作为本实用新型的另一种优选实施方式而非限定，如图8 所示，
77.第一透镜1的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
78.第二透镜2的物面侧为内凹的非对称自由曲面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
79.第三透镜3的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
80.第四透镜4的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为正；
81.第五透镜5的物面侧为凸面，像面侧为凸面，其光焦度为正；
82.第六透镜6的物面侧为凹面，像面侧为凸面，其光焦度为负；
83.第七透镜7的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
84.第八透镜8的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为正；
85.第九透镜9的物面侧为凸面，像面侧为外凸的非对称自由曲面，其光焦度为正。
86.更进一步地，作为本实用新型的另一种优选实施方式而非限定，如图9 所示，
87.第一透镜1的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
88.第二透镜2的物面侧为内凹的非对称自由曲面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
89.第三透镜3的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
90.第四透镜4的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为正；
91.第五透镜5的物面侧为凸面，像面侧为凸面，其光焦度为正；
92.第六透镜6的物面侧为凹面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
93.第七透镜7的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
94.第八透镜8的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为正；
95.第九透镜9的物面侧为凹面，像面侧为外凸的非对称自由曲面，其光焦度为正。
96.更进一步地，作为本实用新型的另一种优选实施方式而非限定，如图10 所示，
97.第一透镜1的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
98.第二透镜2的物面侧为内凹的非对称自由曲面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
99.第三透镜3的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
100.第四透镜4的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为正；
101.第五透镜5的物面侧为凸面，像面侧为凸面，其光焦度为正；
102.第六透镜6的物面侧为凹面，像面侧为凸面，其光焦度为负；
103.第七透镜7的物面侧为凹面，像面侧为凹面，其光焦度为负；
104.第八透镜8的物面侧为凸面，像面侧为凹面，其光焦度为正；
105.第九透镜9的物面侧为凹面，像面侧为外凸的非对称自由曲面，其光焦度为正。
106.进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，光学系统满足 x轴和y轴两个方向具有不同的efl，分别记为eflx和efly，|eflx-efly|≥ 0.15，其中efl为光学系统的有效焦距。采用自由曲面设计面型；采用不同透镜相互组合及合理分配光焦度，具有超广角、高像素、椭圆形像圆和良好消热差等光学性能。
107.再进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，光学系统满足x轴和y轴两个方向具有相同的fov，分别记为fovx和fovy，eflx＝efly ≥90
°
，其中fov为光学系
统的半视场角。采用自由曲面设计面型；采用不同透镜相互组合及合理分配光焦度，具有超广角、高像素、椭圆形像圆和良好消热差等光学性能。
108.又进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，光学系统满足x轴和y轴两个方向具有不同的半像高，分别记为ihx和ihy，|ihx-ihy| ≥0.55，其中ih为光学系统的半像高，光学系统满足成像圆为椭圆形。采用自由曲面设计面型；采用不同透镜相互组合及合理分配光焦度，具有超广角、高像素、椭圆形像圆和良好消热差等光学性能。
109.再进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，光学系统的各透镜满足如下条件：
110.(1)-25《f1《-2；
111.(2)-12《f2《-2；
112.(3)-20《f3《-3；
113.(4)1《f4《15；
114.(5)1《f5《10；
115.(6)-25《f6《-3；
116.(7)-25《f7《-3；
117.(8)2《f8《15；
118.(9)5《f9《100；
119.其中，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f4为第四透镜的焦距，f5为第五透镜的焦距，f6为第六透镜的焦距，f7 为第七透镜的焦距，f8为第八透镜的焦距，f9为第九透镜的焦距。采用自由曲面设计面型；采用不同透镜相互组合及合理分配光焦度，具有超广角、高像素、椭圆形像圆和良好消热差等光学性能。
120.更进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，光学系统的各透镜满足如下条件：
121.(1)-20《f1/f《-5；
122.(2)-10《f2/f《-3；
123.(3)-15《f3/f《-5；
124.(4)2《f4/f《10；
125.(5)2《f5/f《5；
126.(6)-15《f6/f《-5；
127.(7)-15《f7/f《-5；
128.(8)3《f8/f《10；
129.(9)10《f9/f《70；
130.其中，f为整个光学系统的焦距，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f4为第四透镜的焦距，f5为第五透镜的焦距，f6 为第六透镜的焦距f7为第七透镜的焦距，f8为第八透镜的焦距，f9为第九透镜的焦距。采用自由曲面设计面型；采用不同透镜相互组合及合理分配光焦度，具有超广角、高像素、椭圆形像圆和良好消热差等光学性能。
131.又进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，第一透镜1、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8 为玻璃材质；第二透镜2和
第九透镜9为塑料材质。采用自由曲面设计面型，采用不同透镜相互组合及合理分配光焦度，具有超广角、高像素、椭圆形像圆和良好消热差等光学性能。具体地，本实施方式中，第三透镜3与第四透镜4、第五透镜5与第六透镜6、第七透镜7与第八透镜8优选为相互胶合的组合镜片。结构简单紧凑，可保证良好的光学性能。
132.再进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，第一透镜1 的材料折射率nd1、材料阿贝常数vd1满足：1.70《nd1《2.00，25《vd1《55，硬度hk≥650
×
107pa。材质硬度高，可保证表面具有良好耐冲击或摩擦。
133.更进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，第二透镜2 的材料折射率nd2、材料阿贝数vd2满足：1.50《nd2《1.70，20《vd2《65。结构简单，可保证良好的光学性能。
134.更进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，第三透镜3 的材料折射率nd3、材料阿贝数vd3满足：1.70《nd3《2.00，15《vd3《45。结构简单，可保证良好的光学性能。
135.又进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，第四透镜4 的材料折射率nd4、材料阿贝数vd4满足：1.55《nd4《1.85，25《vd4《55。结构简单，可保证良好的光学性能。
136.又进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，第五透镜5 的材料折射率nd5、材料阿贝数vd5满足：1.45《nd5《1.75，45《vd5《85。结构简单，可保证良好的光学性能。
137.又进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，第六透镜6 的材料折射率nd6、材料阿贝数vd6满足：1.75《nd6《1.95，15《vd6《35。结构简单，可保证良好的光学性能。
138.又进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，第七透镜7 的材料折射率nd7、材料阿贝数vd7满足：1.75《nd7《1.95，15《vd7《35。结构简单，可保证良好的光学性能。
139.又进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，第八透镜8 的材料折射率nd8、材料阿贝数vd8满足：1.55《nd8《1.85，35《vd8《65。结构简单，可保证良好的光学性能。
140.又进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，第九透镜9 的材料折射率nd9、材料阿贝数vd9满足：1.50《nd9《1.70，20《vd9《65。结构简单，可保证良好的光学性能。
141.再进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，沿光轴方向光阑10后面的第一枚透镜(本实施例中即为第五透镜5)具有负温度系数，满足dn/dt《0，其中dn为温度变化dt时折射率nd值的变化量，dt为温度变化量。正负温度特性镜片组合搭配，可保证良好的温度性能。
142.再进一步地，作为本方案的优选实施方式而非限定，光学系统的光阑10 位于第四透镜4与第五透镜5之间。结构简单，用来调节光束的强度。
143.更进一步地，作为本方案的优选实施方式而非限定，第九透镜9后面设有红外截止滤光片11，用来通过可见光截止红外光，防止产生红曝。
144.更进一步地，作为本方案的优选实施方式而非限定，红外截止滤光片11 与像面13间设有芯片保护玻璃12，用来保护芯片成像晶元。
145.具体地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，本实用新型实施例之光学系统，第一透镜1的焦距f1＝-15.19mm，第二透镜2的焦距f2＝
ꢀ‑
5.81mm，第三透镜3的焦距f3＝-7.68mm，第四透镜4的焦距f4＝5.03mm，第五透镜5的焦距f5＝3.82mm，第六透镜6的焦距f6＝-7.33，第七透镜7 的焦距f7＝-7.42，第八透镜8的焦距f8＝5.57，第九透镜9的焦距f9＝19.78，本光学系统的各项基本参数如下表所示：
[0146][0147]
[0148]
上表中，沿光轴从物面到像面，s1、s2对应为第一透镜1的两个表面； s3、s4对应为第二透镜2的两个表面；s5、s6对应为第三透镜3的两个表面， s6、s7对应为第四透镜4的两个表面，其中s6为粘合面；sto对应为光学系统孔径光阑10所在位置；s9、s10对应为第五透镜5的两个表面，s10、s11 对应为第六透镜6的两个表面，其中s10为粘合面；s12、s13对应为第七透镜7的两个表面，s13、s14对应为第八透镜8的两个表面，其中s13为粘合面；s15，s16对应为第九透镜9的两个表面；s17、s18对应为位于第九透镜 9后面的红外截止滤光片的两个表面；s19、s20对应为位于红外截止滤光片与芯片成像面13之间的芯片保护玻璃的两个表面；s21对应为芯片的成像面13。
[0149]
又进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，第二透镜2、第九透镜9各有一个表面为自由曲面，表面类型为toroidal，满足如下方程式：
[0150][0151]
其中c为镜片表面的曲率，k为conic参数，a1～a7分别对应zemax软件中 parameter 2-8数据。
[0152]
又进一步地，作为本实用新型的一种优选实施方式而非限定，第二透镜2、第九透镜9各有一个表面为自由曲面，表面类型为even asphere，满足如下方程式：
[0153][0154]
其中c为镜片表面的曲率，k为conic参数，a1～a8分别对应zemax软件中 parameter1-8数据。
[0155]
从图2至图6中可以看出，本实施例中的光学系统具有非常好的光学性能和消热差性能。采用自由曲面设计面型，采用不同透镜相互组合及合理分配光焦度，具有超广角、高像素、椭圆形像圆和良好消热差等光学性能。
[0156]
一种基于自由曲面设计的摄像模组，至少包括光学镜头，光学镜头内安装有上述所述的基于自由曲面设计的光学系统。
[0157]
本实用新型实施例之摄像模组，主要由9枚透镜构成，采用自由曲面设计面型；采用不同透镜相互组合及合理分配光焦度，具有超广角、高像素、椭圆形像圆和良好消热差等光学性能，适用于全景相机领域。
[0158]
如上所述是结合具体内容提供的一种或多种实施方式，并不认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。凡与本实用新型的方法、结构等近似、雷同，或是对于本实用新型构思前提下做出若干技术推演或替换，都应当视为本实用新型的保护范围。