一种高清晰度光学镜头及高性能激光雷达的制作方法

1.本技术主要涉及光学成像领域，尤其是涉及一种高清晰度光学镜头及高性能激光雷达。


背景技术：

2.得益于近年来自动驾驶的高速发展，车载光学镜头在自动驾驶领域得到越来越多的应用，尤其是在车载镜头、激光雷达等，随着激光雷达领域的快速发展，现在的光学成像镜头中仍然存在如下问题：现有的光学定焦镜头，成像靶面小，大多数集中在1/2.7英寸，无法满足现在的使用需求；市面上现有的定焦镜头，一般光圈较小；镜头的光学镜片数量较多，在提升成像质量的同时，整个镜头尺寸也增大了，无法完成小型化的设计要求。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本技术提出一种高清晰度光学镜头及高性能激光雷达。
4.为解决上述技术问题，本技术提出一种高清晰度光学镜头，所述光学镜头沿光轴由物侧至像侧依次包括：负光焦度的第一透镜；正光焦度的第二透镜；负光焦度的第三透镜；正光焦度的第四透镜；负光焦度的第五透镜；正光焦度的第六透镜；正光焦度的第七透镜；正光焦度的第八透镜；滤光片；成像面；其中，所述第三透镜和所述第四透镜的组合焦距，所述光学镜头的焦距，所述光学镜头的视场角满足以下关系式：。
5.其中，所述第三透镜和所述第四透镜的组合焦距，所述光学镜头的焦距，所述光学镜头的视场角满足以下关系式：。
6.其中，所述光学镜头还包括孔径光阑，所述孔径光阑设置在所述第四透镜和所述第五透镜之间。
7.其中，所述第二透镜为双凸透镜，所述第二透镜的像侧面于近轴处为凸面；所述第七透镜为弯月透镜；所述第七透镜的物侧面于近轴处为凹面。
8.其中，所述第七透镜的像侧面的中心曲率半径为r13，所述第八透镜的物侧面的中心曲率半径为r14，且满足以下关系式：。
9.其中，所述第二透镜的焦距为，所述第七透镜的焦距为，且满足以下关系式：且满足以下关系式：。
10.其中，所述光学镜头的光学后焦为bfl，所述光学镜头的系统总长度为ttl，且满足以下关系式：。
11.其中，所述第一透镜的玻璃材质的阿贝数为，所述第三透镜的玻璃材质的阿贝数为，所述第五透镜的阿贝数为，且满足以下关系式：且满足以下关系式：且满足以下关系式：。
12.其中，所述第四透镜的玻璃材质的折射率为，所述第六透镜的玻璃材质的折射率为，所述第八透镜的玻璃材质的折射率为，且满足以下关系式：且满足以下关系式：且满足以下关系式：。
13.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、所述第六透镜以及所述第七透镜为玻璃球面镜片；所述第八透镜为非球面镜片。
14.其中，所述第一透镜为双凹透镜，所述第二透镜为双凸透镜，所述第三透镜为弯月透镜，所述第四透镜为弯月透镜，所述第五透镜为双凹透镜，所述第六透镜为双凸透镜，所述第七透镜为弯月透镜，所述第八透镜为双凸透镜。
15.为解决上述技术问题，本技术提出一种高性能激光雷达，所述激光雷达包括上述的光学镜头区别于现有技术，本技术提供的高清晰度光学镜头，沿光轴由物侧至像侧依次包括：负光焦度的第一透镜；正光焦度的第二透镜；负光焦度的第三透镜；正光焦度的第四透镜；负光焦度的第五透镜；正光焦度的第六透镜；正光焦度的第七透镜；正光焦度的第八透镜；滤光片；成像面；其中，第三透镜和所述第四透镜的组合焦距，光学镜头的焦距，光
学镜头的视场角满足以下关系式：。通过上述的透镜排列和参数设置，采用8个特定结构形状的光学透镜，并按照特定顺序从物侧至像侧依次排列，以及通过各个光学透镜的特定的光焦度的分配及组合，使得光学镜头拥有高畸变控制及优良的成像特性，使得光学镜头实现低成本、大靶面、成像高清的效果。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施例，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。其中：图1是本技术提供的光学镜头的一实施例的结构示意图；图2是本技术提供的光学镜头的第一具体实施例在可见光波段的场曲和畸变图；图3是本技术提供的光学镜头的第一具体实施例在可见光波段常温状态的光学传递函数（mtf）曲线图；图4是本技术提供的光学镜头的第一具体实施例在可见光波段的横向光扇图；图5是本技术提供的光学镜头的第一具体实施例在可见光波段的点列图；图6本技术提供的光学镜头的第二具体实施例在可见光波段常温状态的光学传递函数（mtf）曲线图；图7是本技术提供的光学镜头的第二具体实施例在可见光波段的场曲和畸变图；图8是本技术提供的光学镜头的第二具体实施例在可见光波段的横向光扇图；图9是本技术提供的光学镜头的第二具体实施例在可见光波段的横向光扇图在可见光波段的点列图；图10是本技术提供的激光雷达一实施例的结构示意图。
具体实施方式
17.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
18.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
19.请参见图1，图1是本技术提供的光学镜头的一实施例的结构示意图。
20.如图1所示，具体如下：
本实施例中的光学镜头10包括8片透镜，具体的，左侧为物侧，右侧为像侧，光学镜头10沿光轴由物侧至像侧依次包括：负光焦度的第一透镜l1；正光焦度的第二透镜l2；负光焦度的第三透镜l3；正光焦度的第四透镜l4；负光焦度的第五透镜l5；正光焦度的第六透镜l6；正光焦度的第七透镜l7；正光焦度的第八透镜l8。
21.可选地，第八透镜l8与成像面之间可设置有光学过滤片（filter）gf等光学元件。
22.可选地，在本技术一具体的实施例中，第一透镜l1为双凹透镜，第二透镜l2为双凸透镜，第三透镜l3为弯月透镜，第四透镜l4为弯月透镜，第五透镜l5为双凹透镜，第六透镜l6为双凸透镜，第七透镜l7为弯月透镜，第八透镜l8为双凸透镜。在本技术其他实施例中，上述透镜还可以为其他能够表现相同正光焦度或负光焦度的透镜，此处不一一列举可能实现的各种组合情况。
23.在本技术提供的一实施例中，定义第三透镜l3和第四透镜l4的组合焦距，光学镜头10的焦距为，光学镜头10的视场角为，以上数据满足以下关系式：。
24.在本技术提供的另一实施例中，定义第三透镜和第四透镜的组合焦距，光学镜头10的焦距为，光学镜头10的视场角为，并且满足以下关系式：。
25.具体地，在以下第二具体实施例中，光学镜头10的上述镜头参数满足：。在以下第一具体实施例中，光学镜头10的上述镜头参数满足：。
26.需要说明的是，在其他可能的实施例中，本技术也适用于提供其他符合上述镜头参数关系式的光学镜头10，在此不一一列举。
27.通过上述的透镜排列和参数设置，采用8个特定结构形状的光学透镜，并按照特定顺序从物侧至像侧依次排列，以及通过各个光学透镜的特定的光焦度的分配及组合，使得光学镜头10拥有高畸变控制及优良的成像特性，使得光学镜头10实现低成本、大靶面、大光圈、成像高清。
28.第七透镜的像侧面的中心曲率半径为，所述第八透镜的物侧面的中心曲率半径为，且满足以下关系式：。
29.具体地，在以下第一具体实施例中，光学镜头10的上述镜头参数满足：
。在以下第二具体实施例中，光学镜头10的上述镜头参数满足：50。
30.需要说明的是，在其他可能的实施例中，本技术也适用于提供其他符合上述镜头参数关系式的光学镜头10，在此不一一列举。本技术提供的光学透镜第二透镜的焦距为，所述第七透镜的焦距为，且满足以下关系式：；。
31.具体地，在以下第一具体实施例中，光学镜头10的上述镜头参数满足：，。在以下第二具体实施例中，光学镜头10的上述镜头参数满足：12，。
32.需要说明的是，在其他可能的实施例中，本技术也适用于提供其他符合上述镜头参数关系式的光学镜头10，在此不一一列举。
33.本技术的光学镜头10的光学后焦为，所述光学镜头10的系统总长度为，且满足以下关系式：。
34.具体地，在以下第一具体实施例中，光学镜头10的上述镜头参数满足：。在以下第二具体实施例中，光学镜头10的上述镜头参数满足：。
35.需要说明的是，在其他可能的实施例中，本技术也适用于提供其他符合上述镜头参数关系式的光学镜头10，在此不一一列举。
36.定义第一透镜l1的玻璃材质的阿贝数为，第三透镜l3的玻璃材质的阿贝数为，第五透镜l5的玻璃材质的阿贝数；第四透镜l4的玻璃材质的折射率，第六透镜l6的玻璃材质的折射率为，第八透镜l8的玻璃材质的折射率为。
37.本技术提供光学镜头10的满足以下关系式：；；；；；。
38.具体地，在以下第一具体实施例中，光学镜头10的上述镜头参数满足：vd1=47.20，vd3=17.98，vd5=23.96，nd4=1.50，nd6=1.62，nd8=1.58。在以下第二具体实施例中，光学镜头10的上述镜头参数满足：vd1=35.50，vd3=17.94，vd5=21.51；nd4=1.53，nd6=1.60，nd8=1.53。
39.需要说明的是，在其他可能的实施例中，本技术也适用于提供其他符合上述镜头参数关系式的光学镜头10，在此不一一列举。
40.以下是本技术提供的第一具体实施例，表1是本实施例中提供的光学镜头10的各
个透镜组件的参数，包括曲率半径r、中心厚度tc、折射率nd、阿贝常数vd和圆锥系数k。
41.其中，镜面序号为图1提供的光学镜头10中由左到右的透镜的镜面面号。
42.具体参数如下：表1 光学透镜第一具体实施例透镜参数表具体地，在本实施方式中，定义光学镜头10的焦距为，胶合透镜组g1的焦距为，镜头系统的视场角为，满足，视场角=77.3
°
能够实现大靶面、成像高清、适用范围大的优点。
43.在本实施例中，光学镜头10的第一透镜l1的玻璃材质的阿贝数vd1=47.20，第三透镜l3的玻璃材质的阿贝数vd3=17.98，第五透镜l5的玻璃材质的阿贝数vd5=23.96，第四透镜l4的玻璃材质的折射率nd4=1.50，第六透镜l6的玻璃材质的折射率nd6=1.62，第八透镜l8的玻璃材质的折射率nd8=1.58。
44.具体地，在光学成像领域，阿贝数用来衡量透明介质的光线色彩程度，介质的折射率越大，色散越严重，阿贝数越小；反之，介质的折射率越小，色散越轻微，阿贝数越大。使用上述参数的透镜，球差及色散也控制优良。
45.定义第二透镜l2的焦距为f2，第七透镜l7的焦距为f7。光学镜头10的第二透镜l2的焦距的f2=9.33，第七透镜l7的焦距的f7=28.77。通过焦距的合理分配，使得摄像光学镜头10具有较佳的成像品质和较低的敏感性。
46.定义第七透镜l7的物侧面的中心曲率半径为r13，第八透镜l8的像侧面的中心曲率半径为r14，满足下列关系式：，规定了第七透镜l7和第八透镜l8的形状，在关系式范围内，可以缓和光线经过镜片的偏折程度，有效减小像差。
47.定义本技术中的光学镜头10的光学后焦为bfl，光学镜头10的系统总长度为ttl，二者之间满足下列关系式：。
48.其中，光学总长为轴入射光从进入镜头开始到sensor感光面的距离，光学后焦指光线离开镜头最后一片镜片表面到sensor感光面的距离，通过该比值限定镜头机械总长不超过32mm，满足小型化需求。
49.定义光学镜头10光圈为fno，本实施例提供的光学镜头10光圈fno=1.65，光圈较大，能够适用低照度条件下的监控需求。
50.如图2所示，图2是本技术提供的光学镜头的第一具体实施例在可见光波段的场曲和畸变图。该光学镜头10的光学畸变仅为-19.2%，设置畸变是为了平衡焦距，视场角及对应相机靶面的大小，畸变造成的形变可以通过后期图像处理对其进行校正。
51.本实施例成像面尺寸为φ8.0mm，能够支持sensor（ccd/cmos）相机，满足设备高分辨率的需求。
52.其中，本实施例中的第八透镜l8为非球面透镜。非球面圆锥系数可用以下非球面公式进行限定，但不仅限于以下表示方法：其中，z为非球面z向的轴向矢高；r为非球面的高度；c为拟合球面的曲率，数值上为曲率半径的倒数；k为拟合圆锥系数；a-g为非球面多项式的4阶、6阶、8阶、10阶、12阶、14阶、16阶项系数。
53.表2 参数表
镜面序号abcdefg141.203e-064.671e-084.275e-091.247e-101.529e-12-5.599e-14-4.269e-15
156.043e-06-4.460e-07-6.093e-093.809e-102.609e-114.230e-13-3.061e-14
可选地，在本技术一实施例中，光学镜头10设置有孔径光阑（stop），设置在第四透镜l4和第五透镜l5之间。
54.具体请参见图3，图3是本技术提供的光学镜头的第一具体实施例中在可见光波段常温状态的光学传递函数（mtf）曲线图。
55.如图3所示，本技术提供的光学镜头10在可见光部分常温状态的光学传递函数（mtf）曲线图较平滑、较为集中，而且全视场（半像高y’=4.0mm）mtf平均值达到0.3以上，由此可见，该光学镜头10能够达到较高的成像要求。
56.请继续参见图3，如图3所示，本技术提供的光学镜头10的场曲控制在
±
0.05mm以内。场曲又称“像场弯曲”。当透镜存在场曲时，整个光束的交点不与理想像点重合，虽然在每个特定点都能得到清晰的像点，但整个像平面则是一个曲面。t代表子午场曲，s代表弧矢场曲。场曲曲线显示作为视场坐标函数的当前的焦平面或像平面到近轴焦面的距离，子午场曲数据是沿着z轴测量的从当前所确定的聚焦面到近轴焦面的距离，并且是在子午(yz面)上测量的。弧矢场曲数据测量的是在与子午面垂直的平面上测量的距离，示意图中的基线是在光轴上，曲线顶部代表最大视场(角度或高度)，在纵轴上不设置单位，这是因为曲线总是用最大的径向视场来归一化的。
57.请继续参阅图3，本技术提供的光学镜头10畸变控制较好，在-20%以内。一般来说，镜头畸变实际上是光学透镜固有的透视失真的总称，也就是因为透视原因造成的失真，这种失真对于照片的成像质量是非常不利的，毕竟摄影的目的是为了再现，而非夸张，但因为这是透镜的固有特性(凸透镜汇聚光线、凹透镜发散光线)，所以无法消除，只能改善。
58.本实施例提供的光学镜头10畸变仅为-19.2％，这样设置畸变是为了平衡焦距，视场角及对应相机靶面的大小，畸变造成的形变可以通过后期图像处理对其进行校正。
59.请参见图4，图4是本技术提供的光学镜头的第一具体实施例在可见光波段的横向光扇图。如图4所示，本技术提供的光学镜头10光扇图中曲线较为集中，球差及色散也控制优良。
60.请参见图5，图5是本技术提供的光学镜头的第一具体实施例在可见光波段的点列图。如图5所示，本技术提供的光学镜头10光斑半径较小，也比较集中，对应的像差和慧差优良。
61.以下是本技术提供的第二具体实施例，表3是本实施例中提供的光学镜头10的各个透镜组件的参数，包括曲率半径r、中心厚度tc、折射率nd、阿贝常数vd和圆锥系数k。
62.其中，镜面序号为图1提供的光学镜头10中由左到右的透镜的镜面面号。
[0063] 表3 光学透镜第二具体实施例透镜参数表
需要说明的是，表3中的镜面序号为图1所示的镜头结构示意图中，由左到右的透镜的面号。
[0064]
具体地，在本实施方式中，定义光学镜头10的焦距为f，胶合透镜组g1的焦距为，镜头系统的视场角为fov，满足，视场角fov=77.3
°
能够实现大靶
面、成像高清、适用范围大的优点。
[0065]
定义第二透镜l2的焦距为f2，第七透镜l7的焦距为f7。光学镜头10的第二透镜l2的焦距的f2=9.33，第七透镜l7的焦距的f7=28.77。通过焦距的合理分配，使得摄像光学镜头10具有较佳的成像品质和较低的敏感性。
[0066]
在本实施例中，光学镜头10的第一透镜l1的玻璃材质的阿贝数vd1=35.50，第三透镜l3的玻璃材质的阿贝数vd3=17.94，第五透镜l5的玻璃材质的阿贝数vd5=21.51；光学镜头10的第四透镜l4的玻璃材质的折射率nd4=1.53，第六透镜l6的玻璃材质的折射率nd6=1.60，第八透镜l8的玻璃材质的折射率nd8=1.53。
[0067]
定义第二透镜l2的焦距为f2，第七透镜l7的焦距为f7。光学镜头10的第二透镜l2的焦距的f2=9.12，第七透镜l7的焦距的f7=28.84；通过焦距的合理分配，使得摄像光学镜头10具有较佳的成像品质和较低的敏感性。
[0068]
定义第二透镜l2的焦距为f2，第七透镜l7的焦距为f7。光学镜头10的第二透镜l2的焦距的f2=9.33，第七透镜l7的焦距的f7=28.77。通过焦距的合理分配，使得摄像光学镜头10具有较佳的成像品质和较低的敏感性。
[0069]
定义第七透镜l7的物侧面的中心曲率半径为r13，第八透镜l8的像侧面的中心曲率半径为r14，满足下列关系式：，规定了第七透镜l7和第八透镜l8的形状，在上述关系式范围内，可以缓和光线经过镜片的偏折程度，有效减小像差。
[0070]
定义本技术中的光学镜头10的光学后焦为bfl，光学镜头10的系统总长度为ttl，二者之间满足下列关系式：。其中，光学总长为轴入射光从进入镜头开始到sensor感光面的距离，光学后焦指光线离开镜头最后一片镜片表面到sensor感光面的距离，通过该比值限定，镜头机械总长不超过32mm，满足小型化需求。
[0071]
定义光学镜头10光圈为fno，本实施例提供的光学镜头10光圈fno≤1.65，光圈较大，能够适用低照度条件下的监控需求。
[0072]
本实施例成像面尺寸为φ8.0mm，能够支持sensor（ccd/cmos）相机，满足设备高分辨率的需求。
[0073]
其中，本技术实施例中的第八透镜l8为非球面透镜。
[0074]
非球面圆锥系数可用以下非球面公式进行限定，但不仅限于以下表示方法：其中，z为非球面z向的轴向矢高；r为非球面的高度；c为拟合球面的曲率，数值上为曲率半径的倒数；k为拟合圆锥系数；a-g为非球面多项式的4阶、6阶、8阶、10阶、12阶、14阶、16阶项系数。
[0075]
表4 参数表
镜面序号abcdefg144.025e-06-1.635e-074.510e-094.390e-103.414e-12-2.331e-13-7.886e-15
153.381e-05-7.265e-07-1.769e-087.947e-105.229e-118.545e-13-8.115e-14
请参见图6，图6本技术提供的光学镜头的第二具体实施例在可见光波段常温状态的光学传递函数（mtf）曲线图。
[0076]
如图6所示，本技术提供的光学镜头10在可见光部分常温状态的光学传递函数（mtf）曲线图较平滑、较为集中，而且全视场（半像高y’=4.0mm）mtf平均值达到0.3以上，由此可见，该光学镜头10能够达到较高的成像要求。
[0077]
进一步地，请参见图7，图7是本技术提供的光学镜头的第二具体实施例在可见光波段的场曲和畸变图。
[0078]
如图7所示，本技术提供的光学镜头10的场曲控制在
±
0.05mm以内。场曲又称“像场弯曲”。当透镜存在场曲时，整个光束的交点不与理想像点重合，虽然在每个特定点都能得到清晰的像点，但整个像平面则是一个曲面。
[0079]
其中，t代表子午场曲，s代表弧矢场曲。场曲曲线显示作为视场坐标函数的当前的焦平面或像平面到近轴焦面的距离，子午场曲数据是沿着z轴测量的从当前所确定的聚焦面到近轴焦面的距离，并且是在子午(yz面)上测量的。弧矢场曲数据测量的是在与子午面垂直的平面上测量的距离，示意图中的基线是在光轴上，曲线顶部代表最大视场(角度或高度)，在纵轴上不设置单位，这是因为曲线总是用最大的径向视场来归一化的。
[0080]
请继续参阅图7，如图7所示，本技术提供的光学镜头10畸变控制较好，在-20%以内。一般来说，镜头畸变实际上是光学透镜固有的透视失真的总称，也就是因为透视原因造成的失真，这种失真对于照片的成像质量是非常不利的，毕竟摄影的目的是为了再现，而非夸张，但因为这是透镜的固有特性(凸透镜汇聚光线、凹透镜发散光线)，所以无法消除，只能改善。本实施例提供的定焦镜头畸变仅为-15.5％，这样设置畸变是为了平衡焦距，视场角及对应相机靶面的大小，畸变造成的形变可以通过后期图像处理对其进行校正。
[0081]
请参阅图8，图8是本技术提供的光学镜头的第二具体实施例在可见光波段的横向光扇图。如图8所示，本技术提供的光学镜头10光扇图中曲线较为集中，球差及色散也控制优良。
[0082]
请参阅图9，图9是本技术提供的光学镜头的第二具体实施例在可见光波段的横向光扇图在可见光波段的点列图。如图9所示，本技术提供的光学镜头10光斑半径较小，也比较集中，对应的像差和慧差优良。
[0083]
请继续参阅图10，图10是本技术提供的激光雷达一实施例的结构示意图。
[0084]
如图10所示，本技术实施例的高性能激光雷达20至少包括一种高清晰度光学镜头21。具体地，高清晰度光学镜头21具体可以为图1至图9所介绍的光学镜头10，其具体结构在此不再赘述。
[0085]
其中，本技术实施例的高性能激光雷达20可以应用于高精度环境探测领域，例如可以安装在自动驾驶车辆上，为自动驾驶车辆提供高精度的环境定位信息等。在其他实施例中，高性能激光雷达20也可以应用于其他设备上，例如无人机、扫地机器人等。
[0086]
以上所述仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，方式利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。