1.本发明涉及光学成像技术领域，特别是涉及一种光学镜头和成像装置。


背景技术：

2.近年来，随着智慧医疗的高速发展，光学镜头在医疗领域得到越来越多的应用，尤其是在医疗内窥镜领域，对光学镜头的成像像素和尺寸要求越来越高。因此，越来越多的企业开始在超高清、4k等内窥镜镜头上投入更多的研究，期望研发出像素更高、尺寸更小的产品。
3.目前，市面上常规的光学镜头大多采用5片，6片，甚至更多的透镜，这虽然能够提高成像质量，但是整个镜头尺寸却增大了，其总长度通常在8mm以上，无法完成小型化的设计要求。特别是出于安全性考虑，医疗类光学镜头对温度稳定性的要求非常高，现有的光学镜头很难达到要求。
4.例如，如图1所示，中国发明专利cn108196359a公开了一种用于双光子荧光内窥镜的物镜组10p，其从物侧到像侧依次包括双凸透镜11p、厚弯月透镜12p、由平凸透镜和弯月透镜组成的双胶合透镜13p、第一平凸透镜14p以及第二平凸透镜15p，并且该第一平凸透镜14p和该第二平凸透镜15p组成齐明结构。
5.然而，该用于双光子荧光内窥镜的物镜组10p虽然能够解决梯度折射率透镜存在较大色差和信号光收集效率低的问题，但是一方面其镜片数量较多，且加工性较差，导致镜头成本较高，不具备量产性；另一方面镜头的总长较大，无法满足小型化设计的要求。此外，现有的光学镜头也存在其他缺陷，如成像靶面尺寸较小，不能满足如今大靶面相机的需求；或者成像特性较差，不能支持如今医疗上的4k等高分辨率的要求。也就是说，现有的光学镜头的设计，其成像质量、镜头尺寸和综合性能已经逐渐不能满足如今高分辨率应用上的发展需求。


技术实现要素：

6.本发明的一优势在于提供一种光学镜头和成像装置，其能够满足如今高分辨率应用上的发展需求，特别是符合医疗内窥镜领域的要求。
7.本发明的另一优势在于提供一种光学镜头和成像装置，其能够有效地控制成像系统的成本，有助于实现一种低成本、短长度、尺寸小型化的高分辨率的成像系统。
8.本发明的另一优势在于提供一种光学镜头和成像装置，其中，在本发明的一实施例中，所述光学镜头能够在有效实现镜头结构小型化的同时，确保较高的成像质量。
9.本发明的另一优势在于提供一种光学镜头和成像装置，其中，在本发明的一实施例中，所述光学镜头能够最大支持1/6英寸的成像靶面，有助于满足大靶面相机的需求。
10.本发明的另一优势在于提供一种光学镜头和成像装置，其中，在本发明的一实施例中，所述光学镜头中的镜片数量较少，且加工性好，有助于降低其制造成本。
11.本发明的另一优势在于提供一种光学镜头和成像装置，其中，在本发明的一实施
例中，所述光学镜头具备较好的温度特性，其能够在5-40℃的温度下，成像性能无明显变化。
12.本发明的另一优势在于提供一种光学镜头和成像装置，其中，在本发明的一实施例中，所述成像装置能够在空间频率为100lp/mm的情况下，其全视场mtf值达到0.5以上，有助于达到较高的成像要求。
13.本发明的另一优势在于提供一种光学镜头和成像装置，其中为了达到上述目的，在本发明中不需要采用昂贵的材料或复杂的结构。因此，本发明成功和有效地提供一解决方案，不只提供一种简单的光学镜头和成像装置，同时还增加了所述光学镜头和成像装置的实用性和可靠性。
14.为了实现本发明的上述至少一优势或其他优点和目的，本发明提供了一种光学镜头，包括：
15.透镜组，其中所述透镜组由一片双凹透镜、一片双凸透镜、一片凹凸透镜以及一片弯月透镜组成，并且所述双凹透镜、所述双凸透镜、所述凹凸透镜以及所述弯月透镜从物侧到像侧依次排布；和
16.孔径光阑，其中所述孔径光阑被设置于所述双凸透镜和所述凹凸透镜之间。
17.根据本技术的一实施例，所述双凹透镜和所述弯月透镜均具有负光焦度，并且所述双凸透镜和所述凹凸透镜均具有正光焦度。
18.根据本技术的一实施例，所述凹凸透镜胶合于所述弯月透镜，以形成胶合透镜组。
19.根据本技术的一实施例，所述胶合透镜组的焦距fg、所述光学镜头的焦距f和视场角fov满足关系式：
[0020][0021]
根据本技术的一实施例，所述凹凸透镜的物侧面为凹面，并且所述凹凸透镜的像侧面为凸面。
[0022]
根据本技术的一实施例，所述光学镜头的光学总长ttl与焦距f之间满足关系式：ttl/f≤3.8。
[0023]
根据本技术的一实施例，所述双凹透镜的像侧面的中心曲率半径r2与所述双凸透镜的物侧面的中心曲率半径r3之间满足关系式：(r2+r3)/(r
3-r2)≤3.1。
[0024]
根据本技术的一实施例，所述光学镜头的光学后焦bfl与透镜组长度tl之间满足关系式：bfl/tl≤0.7。
[0025]
根据本技术的一实施例，所述双凹透镜的焦距小于等于-1.1；所述双凸透镜的焦距小于等于2.3；所述凹凸透镜的焦距小于等于2.0。
[0026]
根据本技术的一实施例，所述双凹透镜的阿贝数小于等于65；所述双凸透镜的阿贝数小于等于55；所述弯月透镜的阿贝数小于等于35。
[0027]
根据本技术的一实施例，所述双凸透镜的折射率大于等于1.50；所述凹凸透镜的折射率大于等于1.92；所述弯月透镜的折射率小于等于1.75。
[0028]
根据本技术的另一方面，本技术进一步提供了一种成像装置，包括：
[0029]
感光元件；和
[0030]
光学镜头，其中所述光学镜头被对应地设置于所述感光元件的感光侧，并且所述
光学镜头包括：
[0031]
透镜组，其中所述透镜组由一片双凹透镜、一片双凸透镜、一片凹凸透镜以及一片弯月透镜组成，并且所述双凹透镜、所述双凸透镜、所述凹凸透镜以及所述弯月透镜从物侧到像侧依次排布；和
[0032]
孔径光阑，其中所述孔径光阑被设置于所述双凸透镜和所述凹凸透镜之间。
[0033]
根据本技术的一实施例，所述成像装置进一步包括滤光元件，其中所述滤光元件被对应地设置于所述光学镜头和所述感光元件之间。
[0034]
根据本技术的一实施例，所述光学镜头的光学总长小于等于5.6mm，并且所述感光元件的成像靶面达到1/6英寸。
附图说明
[0035]
图1是现有技术的一种物镜组的结构示意图。
[0036]
图2为根据本发明的一实施例的光学镜头的结构示意图；
[0037]
图3示出了根据本发明的一实施例的成像装置的立体示意图；
[0038]
图4示出了根据本发明的第一示例的成像装置在可见光波段常温状态的光学传递函数(mtf)曲线示意图；
[0039]
图5示出了根据本发明的上述第一示例的所述成像装置在可见光波段的场区示意图；
[0040]
图6示出了根据本发明的上述第一示例的所述成像装置在可见光波段的畸变示意图；
[0041]
图7示出了根据本发明的上述第一示例的所述成像装置在可见光波段的横向光扇示意图；
[0042]
图8示出了根据本发明的上述第一示例的所述成像装置在可见光波段的点列示意图；
[0043]
图9示出了根据本发明的第二示例的成像装置在可见光波段常温状态的光学传递函数(mtf)曲线示意图；
[0044]
图10示出了根据本发明的上述第二示例的所述成像装置在可见光波段的场区示意图；
[0045]
图11示出了根据本发明的上述第二示例的所述成像装置在可见光波段的畸变示意图；
[0046]
图12示出了根据本发明的上述第二示例的所述成像装置在可见光波段的横向光扇示意图；
[0047]
图13示出了根据本发明的上述第二示例的所述成像装置在可见光波段的点列示意图；
[0048]
标号说明：10p、物镜组；11p、双凸透镜；12p、厚弯月透镜；13p、双胶合透镜；14p、第一平凸透镜；15p、第二平凸透镜；1、成像装置；10、光学镜头；100、像面；11、透镜组；111、双凹透镜；112、双凸透镜；113、凹凸透镜；114、弯月透镜；g、胶合透镜组；12、孔径光阑；20、感光元件；200、成像靶面；30、滤光元件。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0050]
需要说明的是，当组件被称为“被设置于”或“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
[0051]
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。本文中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。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0052]
现有光学镜头的设计方案通常存在如下问题：成像靶面尺寸较小，不能满足如今大靶面相机的需求；成像特性较差，不能支持如今医疗上的4k等高分辨率的要求；镜头结构尺寸较大，镜片数量多，加工特性差，成本较高。为了解决上述问题，本技术提出了一种光学镜头和成像装置的设计方案，其能够采用4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，使得成像系统能够实现较好的畸变控制及出色的成像特性。
[0053]
具体地，参考附图2所示，本发明的一实施例提供了一种光学镜头10，其包括透镜组11和孔径光阑12。所述透镜组11由一片双凹透镜111、一片双凸透镜112、一片凹凸透镜113以及一片弯月透镜114组成，并且所述双凹透镜111、所述双凸透镜112、所述凹凸透镜113以及所述弯月透镜114从物侧到像侧依次排列。所述孔径光阑12被对应地设置于所述双凸透镜112和所述凹凸透镜113之间。可以理解的是，所述双凹透镜111、所述双凸透镜112、所述孔径光阑12、所述凹凸透镜113以及所述弯月透镜114从物侧到像侧依次排列，使得物侧光线依次穿过所述双凹透镜111、所述双凸透镜112、所述孔径光阑12、所述凹凸透镜113以及所述弯月透镜114而在像面100处成像。
[0054]
值得注意的是，由于本技术的所述光学镜头10仅利用四片具有特定结构形状的透镜，以按照特定顺序依次排列，并且四片透镜的形状便于加工，因此本技术的所述光学镜头10无需像现有的光学镜头那样至少需要五片或五片以上的透镜，能够有效地控制成像系统的成本，有助于实现一种低成本、短ttl、尺寸小型化的高分辨率的成像系统。
[0055]
更具体地，所述双凹透镜111和所述弯月透镜114均具有负光焦度，并且所述双凸透镜112和所述凹凸透镜113均具有正光焦度，有助于通过各个光学透镜的特定的光焦度的分配及组合，实现较好的畸变控制及出色的成像特性。
[0056]
优选地，如图2所示，所述凹凸透镜113胶合于所述弯月透镜114，以形成胶合透镜组g，有助于最大限度地减小所述凹凸透镜113与所述弯月透镜114之间的距离，缩短所述光学镜头10的长度。与此同时，所述凹凸透镜113与所述弯月透镜114胶合在一起，还有助于降低所述光学镜头10的组装难度，提高所述光学镜头10的组装精度。
[0057]
更优选地，所述胶合透镜组g的焦距fg与所述光学镜头10的焦距f和视场角fov满
足关系式(1)：
[0058][0059]
根据本技术的上述实施例，所述透镜组11中的所述双凹透镜111、所述双凸透镜112、所述凹凸透镜113以及所述弯月透镜114可以但不限于被实施为球面镜片或非球面镜片。值得注意的是，所述光学镜头10中的所述双凹透镜111、所述双凸透镜112、所述凹凸透镜113以及所述弯月透镜114从物侧到像侧依次同光轴地排列。
[0060]
优选地，所述凹凸透镜113的物侧面为凹面，并且所述凹凸透镜113的像侧面为凸面。
[0061]
可选地，所述光学镜头10的光学总长ttl与所述光学镜头10的焦距f之间满足关系式(2)：
[0062]
ttl/f≤3.8
ꢀꢀꢀ
(2)
[0063]
值得注意的是，在本技术的上述实施例中，如图2所示，所述光学镜头10的光学总长ttl不超过5.6mm。此外，所述光学镜头10的成像可以供最大支持靶面为1/6英寸的感光芯片使用。
[0064]
可选地，所述双凹透镜111的像侧面的中心曲率半径r2与所述双凸透镜112的物侧面的中心曲率半径r3之间满足关系式(3)：
[0065]
(r2+r3)/(r
3-r2)≤3.1
ꢀꢀꢀ
(3)
[0066]
可选地，如图2所示，所述光学镜头10的光学后焦bfl与所述光学镜头10的透镜组长度tl之间满足关系式(4)：
[0067]
bfl/tl≤0.7
ꢀꢀꢀ
(4)
[0068]
可选地，所述双凹透镜111的焦距小于等于-1.1。
[0069]
可选地，所述双凸透镜112的焦距小于等于2.3。
[0070]
可选地，所述凹凸透镜113的焦距小于等于2.0。
[0071]
值得注意的是，所述光学镜头10的所述透镜组11可以但不限于由玻璃材料制备而成。
[0072]
可选地，所述双凹透镜111的阿贝数小于等于65。
[0073]
可选地，所述双凸透镜112的阿贝数小于等于55。
[0074]
可选地，所述弯月透镜114的阿贝数小于等于35。
[0075]
可选地，所述双凸透镜112的折射率大于等于1.50。
[0076]
可选地，所述凹凸透镜113的折射率小于等于1.92。
[0077]
可选地，所述弯月透镜114的折射率小于等于1.75。
[0078]
值得一提的是，如图3所示，根据本技术的一实施例进一步提供了一种成像装置1，其中所述成像装置1可以包括上述光学镜头10和感光元件20，其中所述光学镜头10被对应地设置于所述感光元件20的感光侧，使得穿过所述光学镜头10的光线被所述感光元件20接收以成像。可以理解的是，所述感光元件20可以但不限于被实施为诸如ccd或cmos等类型的感光芯片，本技术对此不再赘述。
[0079]
优选地，所述感光元件20的所述成像靶面200的尺寸能够达到1/6英寸，以便在有效实现镜头结构小型化的同时，确保较高的成像质量。
[0080]
更优选地，所述成像装置1的全视场mtf值能够在100lp/mm的情况下，达到0.5以上，以便满足较高的成像要求。
[0081]
值得注意的是，如图3所示，所述成像装置1进一步包括滤光元件30，其中所述滤光元件30被对应地设置所述光学镜头10和所述感光元件20之间，使得穿过所述光学镜头10的光线先通过所述滤光元件30过滤后，再被所述感光元件20接收，有助于提高所述成像装置1的成像质量。可以理解的是，所述滤光元件30可以被实施为各种类型的滤光片，本技术对此不再赘述。
[0082]
示例性地，在本技术的第一示例中，所述成像装置1从物侧到像侧的方向开始，依次设定各个透镜的曲率半径r、中心厚度tc、折射率nd以及阿贝数vd的取值条件，使得所述成像装置1中的所述光学镜头10具有以下光学技术指标：光学总长ttl小于等于5.6mm；镜头的焦距f为1.57mm；镜头的视场角fov为114
°
；镜头的光学畸变为-23.5％；镜头的像面尺寸大于等于φ3mm。
[0083]
具体地，根据本技术的所述第一示例的所述成像装置1从物侧到像侧的结构参数如下表1所示：
[0084]
表1：成像装置的结构参数表
[0085][0086]
可以理解的是，上述表1中：曲率半径为无限表示该面为平面；中心厚度表示当前面到下一面的距离；折射率和阿贝数表示当前面与下一面之间的介质数据。
[0087]
此外，通过对上述第一示例的所述成像装置1进行测试，可以得到：如图4所示的所述成像装置1在可见光波段常温状态的光学传递函数(mtf)曲线图；如图5和图6所示的所述成像装置1在可见光波段的场区图和畸变图；如图7所示的所述成像装置1在可见光波段的横向光扇图；如图8所示的所述成像装置1在可见光波段的点列图。
[0088]
值得注意的是，光学传递函数是用来评价一个成像系统的成像质量较为准确、直
观和常见的方式，其曲线越高、越平滑，则表明该系统的成像质量越好，这意味着其能够对各种像差，如球差、慧差、象散、场曲、轴向色差、或垂轴色差等，进行了很好的校正。
[0089]
具体地，由图4可知：由于根据本技术的所述第一示例的所述成像装置1在可见光部分常温状态的光学传递函数(mtf)曲线图不仅比较平滑和集中，而且全视场(半像高y'＝1.46mm)的mtf平均值达到0.5以上，因此根据本技术的所述第一示例的所述成像装置1能够达到较高的成像要求。
[0090]
由图5可知：根据本技术的所述第一示例的所述成像装置1的场曲被控制在
±
0.05mm以内。可以理解的是，场曲又称“像场弯曲”，即当透镜存在场曲时，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。通常以t代表子午场曲，s代表弧矢场曲。此外，场曲曲线显示作为视场坐标函数的当前焦平面或像平面到近轴焦面的距离，其中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；而弧矢场曲数据测量则是在与子午面垂直的平面上测量的距离。本技术的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。
[0091]
此外，由图6也可以获知：根据本技术的所述第一示例的所述成像装置1的畸变控制较好，即所述成像装置1的畸变均在-25％以内。
[0092]
值得注意的是，图5和图6中参考多个波长(包括0.486mm、0.588mm、0.656mm)的曲线发生了重合。可以理解的是，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(凸透镜汇聚光线和凹透镜发散光线)，所以无法消除，只能改善。由图6可见，本技术的所述第一示例所提供的定焦镜头的畸变仅为-23.5％，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，而畸变造成的形变可以通过后期图像处理对其进行校正。
[0093]
由图7可知：根据本技术的所述第一示例的所述成像装置1的光扇图中曲线较为集中，这表明所述成像装置1的球差和色散也控制的很好。
[0094]
由图8可知：根据本技术的所述第一示例的所述成像装置1的光斑半径较小，也比较集中，这表明所述成像装置1所对应的像差和慧差也很好。
[0095]
值得一提的是，在本技术的第二示例中，所述成像装置1从物侧到像侧的方向开始，依次设定各个透镜的曲率半径r、中心厚度tc、折射率nd以及阿贝数vd的取值条件，使得所述成像装置1中的所述光学镜头10具有以下光学技术指标：光学总长ttl小于等于5.6mm；镜头的焦距f为1.56mm；镜头的视场角fov为120
°
；镜头的光学畸变为-24.3％；镜头的像面尺寸大于等于φ3mm。
[0096]
具体地，根据本技术的所述第二示例的所述成像装置1从物侧到像侧的结构参数如下表2所示：
[0097]
表2：成像装置的结构参数表
[0098][0099]
可以理解的是，上述表2中：曲率半径为无限表示该面为平面；中心厚度表示当前面到下一面的距离；折射率和阿贝数表示当前面与下一面之间的介质数据。
[0100]
此外，通过对上述第二示例的所述成像装置1进行测试，可以得到：如图9所示的所述成像装置1在可见光波段常温状态的光学传递函数(mtf)曲线图；如图10和图11所示的所述成像装置1在可见光波段的场区图和畸变图；如图12所示的所述成像装置1在可见光波段的横向光扇图；如图13所示的所述成像装置1在可见光波段的点列图。
[0101]
具体地，由图9可知：由于根据本技术的所述第二示例的所述成像装置1在可见光部分常温状态的光学传递函数(mtf)曲线图不仅比较平滑和集中，而且全视场(半像高y'＝1.46mm)的mtf平均值达到0.5以上，因此根据本技术的所述第二示例的所述成像装置1能够达到较高的成像要求。
[0102]
由图10可知：根据本技术的所述第二示例的所述成像装置1的场曲被控制在
±
0.05mm以内。与此同时，如图11可知：根据本技术的所述第二示例的所述成像装置1的畸变均在-25％以内，表明其畸变控制较好。
[0103]
值得注意的是，图10和图11中参考多个波长(包括0.486mm、0.588mm、0.656mm)的曲线也发生了重合。特别地，如图11所示，本技术的所述第二示例所提供的定焦镜头的畸变仅为-24.3％，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，而畸变造成的形变可以通过后期图像处理对其进行校正。
[0104]
由图12可知：根据本技术的所述第二示例的所述成像装置1的光扇图中曲线较为集中，这表明所述成像装置1的球差和色散也控制的很好。
[0105]
由图13可知：根据本技术的所述第二示例的所述成像装置1的光斑半径较小，也比较集中，这表明所述成像装置1所对应的像差和慧差也很好。
[0106]
综上所述，通过上述两个示例的测试验证，本技术提供了一种低成本、短ttl、成像
高清的光学镜头，其采用4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，使得所述成像装置能够实现较好的畸变控制及出色的成像特性。
[0107]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0108]
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。