CN113820836A - 一种广角自由曲面镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及镜头技术领域，尤其涉及一种广角自由曲面镜头。包括沿光轴从物面到像面依次排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜和第六透镜；第一透镜具有折射力，物侧表面为凸面；第二透镜具有折射力，物侧表面和像侧表面在不同方向上的曲率半径均不同；第三透镜具有负折射力；第四透镜具有正折射力；第五透镜具有正折射力；第六透镜具有负折射力，镜片的像侧表面在离轴范围至少具有一个反曲点；第一透镜到第六透镜中至少一片透镜为自由曲面透镜；镜头满足：Hfov/Vfov<0.6，其中，Hfov为镜头在垂直方向上的视场角；Vfov为镜头在水平方向上的视场角。本发明可控制在不同方向上的拍摄范围，在水平方向上拍摄范围大，在垂直方向上拍摄范围小。

Description

一种广角自由曲面镜头

技术领域

本发明涉及镜头技术领域，尤其涉及一种广角自由曲面镜头。

背景技术

随着智能家居的普及，摄像镜头也逐渐被应用到智能家居中。对于传统光学镜头来说，拍摄的范围是圆形的，只是芯片的形状限制了画面的形状，并且在面对大广角的拍摄范围时会造成边缘位置性能浪费，其拍摄的图像的照度分布和形状一般难以控制。由于智能家居一般需要拍摄位置是固定的，拍摄的范围一般是在一个方向上可以拍摄到大范围的区域，另一个方向上只是可以拍摄到很小的范围就可以实现需求，而传统光学镜头则无法适应智能家居的特定拍摄范围的需求。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种广角自由曲面镜头，其可以控制在不同方向上的拍摄范围。

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种广角自由曲面镜头，包括沿光轴从物面到像面依次排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜和第六透镜；第一透镜具有折射力，物侧表面为凸面；第二透镜具有折射力，物侧表面和像侧表面在不同方向上的曲率半径均不同；第三透镜具有负折射力；第四透镜具有正折射力；第五透镜具有正折射力；第六透镜具有负折射力，镜片的像侧表面在离轴范围至少具有一个反曲点；第一透镜到第六透镜中至少一片透镜为自由曲面透镜；镜头满足以下关系式：

Hfov/Vfov<0.6

其中，Hfov为镜头在垂直方向上的视场角；Vfov为镜头在水平方向上的视场角。

当光学镜头满足上述镜片排布和视场的比值后，可以有效的改善光学镜头的体积，实现镜头的小型化。并且，当镜头在垂直方向上的视场角与镜头在水平方向上的视场角的比值小于公式中的上限0.6，可以实现在水平方向和垂直方向上的拍摄范围有较大的差异，符合智能家居摄像镜头的需求，也可以保证光学镜头的最佳性能。

进一步地，镜头满足以下关系式：

|(RX1+RX2+RX3+RX4)|/|(RY1+RY2+RY3+RY4)|<1.4

其中，RX1为第一透镜物侧表面在水平方向上光轴中心的R值；RX2为第一透镜像侧表面在水平方向上光轴中心的R值；RX3为第二透镜物侧表面在水平方向上光轴中心的R值；RX4为第二透镜像侧表面在水平方向上光轴中心的R值；RY1为第一透镜物侧表面在垂直方向上光轴中心的R值；RY2为第一透镜像侧表面在垂直方向上光轴中心的R值；RY3为第二透镜物侧表面在垂直方向上光轴中心的R值；RY4为第二透镜像侧表面在垂直方向上光轴中心的R值。

当光学镜头满足第一透镜和第二透镜在不同方向上的R值比值小于1.4，可以有效改善自由曲面镜头因为非对称性导致出现的光斑分布异常的问题。当上述比值超过公式上限后，会导致透镜加工难度大，拍摄效果受到影响。

进一步地，镜头满足以下关系式：

1<(F3+F4+F5+F6)/EFLY<7

其中，F3为第三透镜的有效焦距；F4为第四透镜的有效焦距；F5为第五透镜的有效焦距；F6为第六透镜的有效焦距；EFLY为镜头在垂直方向上的有效焦距。

当镜头满足上述公式中需求范围，可以有效的修正光学镜头中像差的影响，提升镜头的拍摄效果。

进一步地，第六透镜满足以下关系式：

1.5<SDX11/SAG1≤2.0

其中，SDX11为第六透镜物侧表面在水平方向上的孔径；SAG1为第六透镜在像侧表面离轴处的反曲点的矢高。

当光学镜头满足以上关系式的范围需求时，可以有效改善轴外像差的影响。若上述比值小于1.5，透镜的加工难度将相对增强。若上述比值超过2.0，则光学镜头修正轴外像差的能力减弱，无法满足清晰拍摄的需求。

进一步地，第三透镜像侧表面为凹面，第四透镜的物侧表面为凸面，第三透镜和第四透镜满足以下关系式：

(R6-R7)/(R6+R7)>0

其中，R6为第三透镜光轴处的R值；R7为第四透镜在光轴处的R值。

当上述公式大于0时，可以有效提升镜头的拍摄清晰程度，有效提升镜头在边缘的照度。

进一步地，镜头满足以下关系式：

EFLX/EFLY>1.0

其中，EFLX为镜头在水平方向上的有效焦距；EFLY为镜头在垂直方向上的有效焦距。

当镜头满足上述公式时，光学镜头可以实现在水平方向上具有较大的拍摄范围，在垂直方向上具有较小的拍摄范围。

进一步地，第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的物侧表面和像侧表面均采用非球面，非球面系数满足如下方程：

Z＝cy²/[1+{1－(1+k)c²y²}^1/2]+A4y⁴+A6y⁶+A8y⁸+A10y¹⁰+A12y¹²+A14y¹⁴+A16y¹⁶

其中，Z为非球面矢高，c为非球面近轴曲率，y为镜头口径，k为圆锥系数，A4为4次非球面系数，A6为6次非球面系数，A8为8次非球面系数，A10为10次非球面系数，A12为12次非球面系数，A14为14次非球面系数，A16为16次非球面系数。

当镜头满足上述公式后，可以有效改善像差对光学镜头的影响，提升照片的拍摄质量。

进一步地，第一透镜、第二透镜的物侧表面和像侧表面均采用自由曲面，自由曲面系数满足如下方程：

Z＝[(CUX)x²+(CUY)y²]/[1+(1-(1+KX)(CUX)²x²-(1+KY)(CUY)²y²)^1/2]

其中，Z为自由曲面矢高，CUX为自由曲面水平方向近轴曲率，CUY为自由曲面垂直方向近轴曲率，x为镜头水平方向上口径，y为镜头垂直方向上口径，KX为镜头水平方向上圆锥系数，KY为镜头垂直方向上圆锥系数。

当镜头满足上述公式时，可以控制透镜在不同方向上的R值变化，实现光学镜头在水平方向具有较大的拍摄范围，在垂直方向上具有较小的拍摄范围。本发明的其他透镜也可以是自由曲面镜片面型，只是对镜头形状变化不明显。

本发明的有益效果是：本发明的一种广角自由曲面镜头，其具有在水平方向上实现大范围拍摄；在垂直方向上实现小范围拍摄，实现画面的充分利用和改善。本发明可以控制在不同方向上的拍摄范围，在水平方向上拍摄范围大，在垂直方向上拍摄范围小；并且可以提升广角自由曲面镜头中边缘的照度；改善光斑的分布情况；改善畸变对镜头的影响，提升拍摄效果。

附图说明

图1A和图1B分别为本申请实施例1的广角自由曲面镜头在水平方向和垂直方向的截面结构示意图；

图2A、图2B、图2C分别示出了实施例1的广角自由曲面镜头的照度曲线、像面光斑分布图、畸变曲线；

图3A和图3B分别为本申请实施例2的广角自由曲面镜头在水平方向和垂直方向的结构示意图；

图4A、图4B、图4C分别示出了实施例2的广角自由曲面镜头的照度曲线，像面光斑分布图、畸变曲线；

图5A和图5B分别为本申请实施例3的广角自由曲面镜头在水平方向和垂直方向的结构示意图；

图6A、图6B、图6C分别示出了实施例3的广角自由曲面镜头的照度曲线、像面光斑分布图、畸变曲线。

其中，水平方向和垂直方向是根据芯片的长、短边确定的，长边对应的方向是水平方向，短边对应的方向是垂直方向。

其中，照度曲线横坐标是归一化视场，纵坐标是相对照度。

其中，光斑分布图是表述光线汇聚到像面时光斑的大小；一般情况是受到光线入射角度的影响像面边缘处的光斑会比较大，呈现从中心向边缘光斑大小逐渐增大，基本符合这一现象，可以降低搭配电子配件的难度，反之则匹配难度增大。

其中，畸变曲线的横坐标是畸变，纵坐标是视场角，反应镜头从中心到边缘畸变的变化。

图中：1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜；5、第五透镜；6、第六透镜；7、光阑；8、滤光片。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

参照图1A和图1B是根据本申请实施例1给出光学镜头的2D图。

如图1A和图1B所示，本发明提供一种广角自由曲面镜头。该镜头包括六片透镜沿光轴依次分布：分别是具有负折射能力第一透镜1；具有正折射能力的第二透镜2；具有负折射能力的第三透镜3；具有正折射能力的第四透镜4；具有正折射能力的第五透镜5；具有负折射能力的第六透镜6。还包括设置在第三透镜3和第四透镜4之间的光阑7，以提升镜头的成像质量。上述光学镜头还可包括用于校正色彩偏差的滤光片8和/或用于保护位于成像面上的感光元件的保护玻璃。

表一(a)示出了实施例1的光学镜头的各透镜的表面类型、曲率半径、厚度及材料。其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。

本实施例1的透镜组的设计参数具体请参照下表：

表一(a)

表一(b)

面号

K

A4

A6

A8

A10

A12

A14

A16

R5

-1.64E+01

2.78E-01

-3.26E-01

2.95E-01

-2.06E-01

9.02E-02

-2.15E-02

1.93E-03

R6

3.29E+01

5.67E-01

-4.16E-01

3.63E-01

1.73E-01

-7.94E-01

8.42E-01

-3.74E-01

R7

-3.36E+01

2.79E-01

-6.13E-01

1.29E+00

-2.07E+00

2.19E+00

-1.32E+00

3.49E-01

R8

-8.84E-01

6.56E-03

5.04E-03

1.34E-02

-3.52E-02

8.07E-02

-8.22E-02

4.44E-02

R9

5.99E-01

-1.39E-01

8.80E-02

4.18E-02

1.45E-01

-7.56E-02

0.00E+00

0.00E+00

S10

-6.02E+00

-1.74E-01

2.04E-01

-1.06E-01

1.25E-01

-4.00E-02

0.00E+00

0.00E+00

R11

-9.31E+01

5.14E-01

7.45E-01

-4.78E-01

7.47E-01

-1.94E+00

2.18E+00

-9.42E-01

R12

-9.90E+01

-2.16E-01

-3.10E-01

3.49E-02

-3.57E-01

2.28E-01

-2.30E-02

-1.46E-02

本实施例中，镜头的具体参数如下表所示：

表一(c)

根据表一(a)、表一(b)、图1A和图1B所展示的镜头的结构特点和材质特点。实施例1中展示的镜头可以实现小型化，并且实现在水平方向和垂直方向上具有差异较大的拍摄范围。

根据表一(c)和图2A中照度曲线情况清晰的展示了，镜头在像面对角线的边缘处仍然具有较高的照度，可以有效提升镜头拍摄图像的明亮度，从而提升镜头的拍摄效果。

根据表一(c)和图2B中光斑分布情况清晰的展示了，镜头可以改善自由曲面光学系统光斑因为不对称效应导致的从中心到边缘光斑分布异常的情况，从而实现镜头可以清晰拍摄物体的需求。

根据表一(c)和图2C中畸变曲线情况清晰的展示了，从中心到边缘处镜头的畸变变化情况，光学镜头可以改善光学畸变对镜头的影响。

根据以上信息说明：该光学镜头具有不同方向上拍摄范围差异大，提升镜头照度，改善光斑分布，减小畸变的影响，视线拍摄清晰图像的特点。

实施例2

参照图3A和图3B是根据本申请实施例2给出光学镜头的2D图。

如图3A和图3B所示，本发明提供一种广角自由曲面镜头。该镜头包括六片透镜沿光轴依次分布：分别是具有负折射能力第一透镜1；具有负折射能力的第二透镜2；具有负折射能力的第三透镜3；具有正折射能力的第四透镜4；具有正折射能力的第五透镜5；具有负折射能力的第六透镜6。还包括设置在第三透镜3和第四透镜4之间的光阑7，以提升镜头的成像质量。上述光学镜头还可包括用于校正色彩偏差的滤光片8和/或用于保护位于成像面上的感光元件的保护玻璃。

表二(a)示出了实施例2的光学镜头的各透镜的表面类型、曲率半径、厚度及材料。其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。

本实施例的透镜组的设计参数具体请参照下表：

表二(a)

表二(b)

面号

K

A4

A6

A8

A10

A12

A14

A16

R5

-1.64E+01

2.91E-01

-2.62E-01

2.10E-01

-1.38E-01

5.76E-02

-1.47E-02

1.68E-03

R6

3.29E+01

3.95E-01

-1.70E-01

1.05E-01

3.84E-02

-8.58E-02

2.08E-02

-2.19E-02

R7

-2.36E+01

-3.07E-01

-6.86E-01

1.60E+00

-2.94E+00

3.65E+00

-2.62E+00

8.18E-01

R8

-8.85E-01

-1.95E-02

1.06E-01

-1.61E-01

1.48E-01

-1.83E-02

-6.32E-02

3.90E-02

R9

5.98E-01

-1.48E-01

2.03E-01

-2.34E-01

2.26E-01

7.87E-02

0.00E+00

0.00E+00

S10

-6.02E+00

-1.75E-01

2.31E-01

-1.71E-01

1.23E-01

1.09E-03

0.00E+00

0.00E+00

R11

-9.31E+01

-3.29E-01

2.14E-01

-1.90E-01

6.31E-01

-1.27E+00

1.18E+00

-4.25E-01

R12

-9.90E+01

-1.55E-01

1.78E-01

1.00E-01

1.30E-01

-2.16E-01

1.55E-01

-4.10E-02

本实施例中，镜头的具体参数如下表所示：

表二(c)

根据表二(a)、表二(b)、图3A和图3B所展示的镜头的结构特点和材质特点。实施例2中展示的镜头可以实现小型化，并且实现在水平方向和垂直方向上具有差异较大的拍摄范围。

根据表二(c)和图4A中照度曲线情况清晰的展示了，镜头在像面对角线的边缘处仍然具有较高的照度，可以有效提升镜头拍摄图像的明亮度，从而提升镜头的拍摄效果。

根据表二(c)和图4B中光斑分布情况清晰的展示了，镜头可以改善自由曲面光学系统光斑因为不对称效应导致的从中心到边缘光斑分布异常的情况，从而实现镜头可以清晰拍摄物体的需求。

根据表二(c)和图4C中畸变曲线情况清晰的展示了从中心到边缘处镜头的畸变变化情况，光学镜头可以改善光学畸变对镜头的影响。

根据以上信息说明：该光学镜头具有不同方向上拍摄范围差异大，提升镜头照度，改善光斑分布，减小畸变的影响，视线拍摄清晰图像的特点。

实施例3

参照图5A和图5B是根据本申请实施例3给出光学镜头的2D图。

如图5A和图5B所示，本发明提供一种广角自由曲面镜头。该镜头包括六片透镜沿光轴依次分布：分别是具有负折射能力第一透镜1；具有正折射能力的第二透镜2；具有负折射能力的第三透镜3；具有正折射能力的第四透镜4；具有正折射能力的第五透镜5；具有负折射能力的第六透镜6。还包括设置在第三透镜3和第四透镜4之间的光阑7，以提升镜头的成像质量。上述光学镜头还可包括用于校正色彩偏差的滤光片8和/或用于保护位于成像面上的感光元件的保护玻璃。

表三(a)示出了实施例3的光学镜头的各透镜的表面类型、曲率半径、厚度及材料。其中，曲率半径和厚度的单位均为毫米(mm)。

本实施例的透镜组的设计参数具体请参照下表：

表三(a)

表三(b)

面号

K

A4

A6

A8

A10

A12

A14

A16

R5

-1.64E+01

3.06E-01

-3.00E-01

1.65E-01

2.10E-01

-7.33E-01

9.62E-01

-6.93E-01

R6

3.29E+01

4.31E-01

-1.28E-01

-4.70E-01

2.97E+00

-8.07E+00

1.32E+01

-1.33E+01

R7

-2.36E+01

2.91E-01

-6.27E-01

1.30E+00

-1.97E+00

1.93E+00

-1.05E+00

2.37E-01

R8

-8.87E-01

-7.61E-04

-1.39E-02

-1.51E-02

7.98E-02

-1.25E-01

1.05E-01

-2.25E-02

R9

5.98E-01

-1.25E-01

8.64E-02

-1.50E-01

3.24E-01

-1.46E-01

0.00E+00

0.00E+00

S10

-6.02E+00

-1.48E-01

1.74E-01

-1.56E-01

1.97E-01

-3.02E-02

0.00E+00

0.00E+00

R11

-9.31E+01

-3.74E-01

3.78E-01

-5.08E-01

1.04E+00

-2.00E+00

2.14E+00

-9.65E-01

R12

-9.90E+01

-4.91E-02

-8.23E-02

4.11E-01

-6.82E-01

-3.83E-01

-2.56E-01

4.33E-02

本实施例中，镜头的具体参数如下表所示：

表三(c)

根据表三(a)、表三(b)、图5A和图5B所展示的镜头的结构特点和材质特点。实施例3中展示的镜头可以实现小型化，并且实现在水平方向和垂直方向上具有差异较大的拍摄范围。

根据表三(c)和图6A中照度曲线情况清晰的展示了，镜头在像面对角线的边缘处仍然具有较高的照度，可以有效提升镜头拍摄图像的明亮度，从而提升镜头的拍摄效果。

根据表三(c)和图6B中光斑分布情况清晰的展示了，镜头可以改善自由曲面光学系统光斑因为不对称效应导致的从中心到边缘光斑分布异常，从而实现镜头可以清晰拍摄物体的需求。

根据表三(c)和图6C中畸变曲线情况清晰的展示了从中心到边缘处镜头的畸变变化情况，光学镜头可以改善光学畸变对镜头的影响。

根据以上信息说明：该光学镜头具有不同方向上拍摄范围差异大，提升镜头照度，改善光斑分布，减小畸变的影响，视线拍摄清晰图像的特点。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种广角自由曲面镜头，其特征在于：包括沿光轴从物面到像面依次排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜和第六透镜；

第一透镜具有折射力，物侧表面为凸面；

第二透镜具有折射力，物侧表面和像侧表面在不同方向上的曲率半径均不同；

第三透镜具有负折射力；

第四透镜具有正折射力；

第五透镜具有正折射力；

第六透镜具有负折射力，镜片的像侧表面在离轴范围至少具有一个反曲点；

第一透镜到第六透镜中至少一片透镜为自由曲面透镜；所述镜头满足以下关系式：

Hfov/Vfov<0.6

其中，Hfov为镜头在垂直方向上的视场角；Vfov为镜头在水平方向上的视场角。

2.根据权利要求1所述的广角自由曲面镜头，其特征在于，所述镜头满足以下关系式：

|(RX1+RX2+RX3+RX4)|/|(RY1+RY2+RY3+RY4)|<1.4

其中，RX1为第一透镜物侧表面在水平方向上光轴中心的R值；RX2为第一透镜像侧表面在水平方向上光轴中心的R值；RX3为第二透镜物侧表面在水平方向上光轴中心的R值；RX4为第二透镜像侧表面在水平方向上光轴中心的R值；RY1为第一透镜物侧表面在垂直方向上光轴中心的R值；RY2为第一透镜像侧表面在垂直方向上光轴中心的R值；RY3为第二透镜物侧表面在垂直方向上光轴中心的R值；RY4为第二透镜像侧表面在垂直方向上光轴中心的R值。

3.根据权利要求1所述的广角自由曲面镜头，其特征在于，所述镜头满足以下关系式：

1<(F3+F4+F5+F6)/EFLY<7

其中，F3为第三透镜的有效焦距；F4为第四透镜的有效焦距；F5为第五透镜的有效焦距；F6为第六透镜的有效焦距；EFLY为镜头在垂直方向上的有效焦距。

4.根据权利要求1所述的广角自由曲面镜头，其特征在于，所述第六透镜满足以下关系式：

1.5<SDX11/SAG1≤2.0

其中，SDX11为第六透镜物侧表面在水平方向上的孔径；SAG1为第六透镜在像侧表面离轴处的反曲点的矢高。

5.根据权利要求1所述的广角自由曲面镜头，其特征在于，所述第三透镜像侧表面为凹面，所述第四透镜的物侧表面为凸面，所述第三透镜和第四透镜满足以下关系式：

(R6-R7)/(R6+R7)>0

其中，R6为第三透镜光轴处的R值；R7为第四透镜在光轴处的R值。

6.根据权利要求1所述的广角自由曲面镜头，其特征在于，所述镜头满足以下关系式：

EFLX/EFLY>1.0

其中，EFLX为镜头在水平方向上的有效焦距；EFLY为镜头在垂直方向上的有效焦距。

7.根据权利要求1所述的广角自由曲面镜头，其特征在于，所述第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的物侧表面和像侧表面均采用非球面，非球面系数满足如下方程：

Z＝cy²/[1+{1－(1+k)c²y²}^1/2]+A4y⁴+A6y⁶+A8y⁸+A10y¹⁰+A12y¹²+A14y¹⁴+A16y¹⁶

其中，Z为非球面矢高，c为非球面近轴曲率，y为镜头口径，k为圆锥系数，A4为4次非球面系数，A6为6次非球面系数，A8为8次非球面系数，A10为10次非球面系数，A12为12次非球面系数，A14为14次非球面系数，A16为16次非球面系数。

8.根据权利要求1所述的广角自由曲面镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜的物侧表面和像侧表面均采用自由曲面，自由曲面系数满足如下方程：

Z＝[(CUX)x²+(CUY)y²]/[1+(1-(1+KX)(CUX)²x²-(1+KY)(CUY)²y²)^1/2]

其中，Z为自由曲面矢高，CUX为自由曲面水平方向近轴曲率，CUY为自由曲面垂直方向近轴曲率，x为镜头水平方向上口径，y为镜头垂直方向上口径，KX为镜头水平方向上圆锥系数，KY为镜头垂直方向上圆锥系数。

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