鱼眼镜头系统、摄像头模组及电子装置

背景技术

技术领域

本发明涉及一种鱼眼镜头系统，尤其涉及一种具有160°或以上视角的鱼眼镜头、一种摄像头模组和一种电子装置。

背景技术

鱼眼镜头首次在20世纪20年代应用于气象学来研究云的形成。自那以后，鱼眼镜头存在各种各样的应用。

大规模制造的摄影鱼眼镜头首次出现在20世纪60年代初。对于流行的35mm胶片格式，鱼眼镜头的典型焦距对于圆形图像在8mm到10mm之间，对于全画幅图像在15mm到16mm之间。鱼眼镜头的F值通常在F 2.8到F 3.5之间，因为很难设计出大于F 2.0的鱼眼镜头。

在圆形鱼眼镜头中，图像圈被刻在胶片或传感器区域中。

在全画幅鱼眼镜头中，图像圈被限制在胶片或传感器区域周围。

此外，不同的鱼眼镜头扭曲图像的方式不同，扭曲的方式称为鱼眼镜头的投影功能。基本上，鱼眼镜头的投影功能是立体投影、等距投影、等实心角度投影和正交投影。

鱼眼镜头的常见投影方法是等距投影，主要应用于气象学，例如，星历测量和云量测量。

鱼眼镜头已应用于汽车。最初，鱼眼镜头应用于汽车后置摄像头。由于鱼眼镜头的F值通常在F 2.8和F 3.5之间，如上所述，因此F 2.8对于汽车后置摄像头来说足够大，因为汽车配备了倒车灯。

然而，近年来，汽车中的鱼眼镜头还存在其它应用，例如，行车记录仪、驾乘状态监测(driver status monitor，DSM)、高级驾驶辅助系统(advanced driver-assistancesystem，ADAS)、自动驾驶等。这些应用在较暗环境中且没有辅助光的情况下需要大于F 2.8的鱼眼镜头。

发明内容

本发明的实施例是为了提供一种鱼眼镜头系统(光学镜头系统)、摄像头模组和电子装置，从而以F1.6左右的快速F值成像高质量图像。所述快速鱼眼镜头系统可应用于汽车摄像头、智能手机摄像头、安防摄像头或标准摄像头。快速F值约为F1.6的鱼眼镜头可以应用于有序鱼眼镜头(即快速F值高达F 2.8的有序鱼眼镜头)不够快的更多不同领域。例如，本发明的鱼眼镜头系统可应用于行车记录仪、驾乘状态监测(driver status monitor，DSM)、高级驾驶辅助系统(advanced driver-assistance system，ADAS)、自动驾驶等，以在没有辅助照明(例如，倒车灯)的情况下提供宽、清晰以及明亮的影像监测。对于智能手机摄像头，对宽亮镜头的要求不断增加。本发明的鱼眼镜头系统可以为智能手机摄像头提供宽而高质量的图像，ISO最小，从而产生噪音。出于同样的原因，本发明的鱼眼镜头系统也可以应用于基于鱼眼镜头摄像头的监控系统。本发明的鱼眼镜头在使用照明系统或红外摄像头之前，可以在监控系统中使用更长的时间。

根据本发明的第一方面，一种鱼眼镜头系统从物体侧到图像侧依次包括：第一透镜组包括：向所述物体侧凸出的第一和第二负弯月形透镜，向所述图像侧凸出的第三弯月形透镜以及第四正透镜；第二透镜组，包括多个透镜；在任一透镜的任一侧上的孔径光阑。

所述第三弯月形透镜的中心厚度小于所述第三弯月形透镜的边缘厚度。

根据本发明的第一方面，所述第三弯月形透镜的所述边缘厚度与所述第三弯月形透镜的所述中心厚度的比率在1.03至1.3的范围内，优选在1.05至1.25的范围内。

所述第一透镜组具有至少一个非球面表面，所述第二透镜组具有至少一个非球面表面。

所述第一和第二负弯月形透镜具有至少一个球形表面，使得它们具有非常小的球差和彗差。

根据本发明的第一方面，所述第三弯月形透镜的z因子优选在以下范围内：

(i)0

所述z因子表示镜头在钟形夹之间自动居中的能力。

所述z因子如下：

如果透镜是双凸形或双凹形，则

(ii)z因子＝0.5×|(B1/R1+B2/R2)|，

如果透镜是弯月形，则

(iii)z因子＝0.5×|(B1/R1–B2/R2)|，

其中，B1和B2是所述透镜的通光孔径的半径，R1和R2是所述透镜的第一表面和第二表面(即前后表面)的曲率半径。

当所述z因子大于0.15时，所述球差和彗差较大。

所述第三弯月形透镜的球差和彗差非常小，这对于将散光保持在低水平是非常有效的。此外，所述第三弯月形透镜使边缘射线的高度更高，以使透镜能够校正球差。

根据本发明的第一方面，所述鱼眼镜头系统满足以下条件：

(iv)

其中，

根据本发明的第一方面，所述鱼眼镜头系统满足以下条件：

(v)

其中，

所述第一透镜组的正功率

所述第三透镜的负功率

根据本发明的第一方面，所述第二透镜组包括三个透镜。

根据本发明的第一方面，所述第二透镜包括两个子透镜组。

通过满足上述条件，根据本发明所述的鱼眼镜头系统可以具有F值大于F1.8的透镜。

具有F值大于F1.8的透镜的鱼眼镜头系统可以在不需要辅助照明的情况下有利地应用于各种摄像头系统。

根据本发明的第一方面，所述鱼眼镜头系统应用于汽车。

根据本发明的第一方面，所述鱼眼镜头系统应用于汽车摄像头、智能手机摄像头或安防摄像头中的至少一个。

根据第二方面，本发明涉及一种基于鱼眼镜头摄像头的成像(监控)系统。所述系统包括：至少一个鱼眼镜头摄像头，包括根据所述第一方面或所述第一方面的任一上述实现方式所述的鱼眼镜头系统；控制器，用于将鱼眼镜头图像转换为输出图像。也就是说，所述鱼眼镜头系统应用于成像(监控)系统，所述成像(监控)系统包括：至少一个鱼眼镜头摄像头和用于将鱼眼镜头图像转换为输出图像的控制器。

根据第三方面，本发明涉及一种摄像头模组。所述摄像头模组包括：根据所述第一方面或所述第一方面的任一上述实现方式所述的鱼眼镜头系统；图像传感器，用于捕获输入图像；一个或多个图像处理器；非瞬时性计算机可读存储介质，用于存储指令，其中，当执行所述指令时，使得所述一个或多个图像处理器生成输出图像。也就是说，所述鱼眼镜头系统应用于摄像头模组，所述摄像头模组包括：图像传感器，用于捕获输入图像；一个或多个图像处理器；非瞬时性计算机可读存储介质，用于存储指令，其中，当执行所述指令时，使得所述一个或多个图像处理器生成输出图像。所述摄像头模组可以应用于任何电子装置。

根据第四方面，本发明涉及一种电子装置。所述电子装置包括：根据所述第三方面或所述第三方面的任一上述实现方式所述的摄像头模组；显示单元；控制单元，用于控制所述摄像头模组和所述显示单元。即，本发明摄像头模组应用于包括显示单元和控制单元的电子装置，其中，所述控制单元控制所述摄像头模组和所述显示单元。例如，所述电子装置可以是行车记录仪、驾乘状态监测(driver status monitor，DSM)、高级驾驶辅助系统(advanced driver-assistance system，ADAS)、汽车自动驾驶、智能手机(移动手机)、安全摄像头系统等。

本发明将通过以下描述和附图进一步详细地呈现，附图仅出于说明的目的，示出了本发明提供的优选实施例。

附图说明

通过对本发明的非限制性实施例的以下详细描述，并通过检查附图，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1为现有技术中鱼眼镜头的横截面图。

图2为图1所示的鱼眼镜头的球差系数的条形图。

图3为图1所示的鱼眼镜头的彗差系数的条形图。

图4为图1所示的鱼眼镜头的像散差系数的条形图。

图5为一个实施例中的鱼眼镜头的横截面图。

图6为图5在一个实施例中所示的鱼眼镜头的球差系数的条形图。

图7为图5在一个实施例中所示的鱼眼镜头的彗差系数的条形图。

图8为图5在一个实施例中所示的鱼眼镜头的像散差系数的条形图。

图9为图5在一个实施例中所示的鱼眼镜头的球差的图。

图10为图5在一个实施例中所示的鱼眼镜头的场曲的图。

图11为图5在一个实施例中所示的鱼眼镜头的扭曲的图。

图12为另一个实施例中的鱼眼镜头的横截面图。

图13为图12在另一个实施例中所示的鱼眼镜头的球差的图。

图14为图12在另一个实施例中所示的鱼眼镜头的场曲的图。

图15为图12在另一个实施例中所示的鱼眼镜头的扭曲的图。

图16为另一个实施例中的鱼眼镜头的横截面图。

图17为图16在另一个实施例中所示的鱼眼镜头的球差的图。

图18为图16在另一个实施例中所示的鱼眼镜头的场曲的图。

图19为图16在另一个实施例中所示的鱼眼镜头的扭曲的图。

图20示出了摄像头模组的示例性架构。

图21为本发明实施例提供的电子装置的框图。

具体实施方式

图1示出了现有技术中的鱼眼镜头系统的横截面图，所述鱼眼镜头系统从物体侧到图像侧依次包括第一透镜组G1、孔径光阑S、第二透镜组G2和滤光器F。

第一透镜组G1从物体侧到图像侧依次包括：向物体侧凸出的第一负弯月形透镜L1、向物体侧凸出的第二负弯月形透镜L2、包括两个透镜L3

由于第三透镜L3为正透镜，因此第三透镜L3的中心厚度比边缘厚度大。

第二透镜组G2从物体侧依次包括：第四加固正弯月形透镜L4，包括两个透镜L4

需要说明的是，现有技术中的鱼眼镜头系统的F值为F 2.8，视角为200°。

图2为图1所示的现有技术鱼眼镜头系统的球差系数的条形图。

图3为图1所示的现有技术鱼眼镜头系统的彗差系数的条形图。

图4为图1所示的现有技术鱼眼镜头系统的像散差系数的条形图。

图2至图4的条形图是在总焦距归一化为1的情况下通过Zemax

第一实施例

图5示出了第一实施例中的七件式鱼眼镜头系统的横截面图，所述鱼眼镜头系统从物体侧到图像侧依次包括第一透镜组G1、第二透镜组G2和滤光器F。

第一透镜组G1从物体侧到图像侧依次包括向物体侧凸出的第一负弯月形透镜L1、向物体侧凸出的第二负弯月形透镜L2、向图像侧凸出的第三负弯月形透镜L3以及第四正透镜L4。

第二负弯月形透镜L2的两侧是非球面的。

第三负弯月形透镜L3的中心厚度TL3小于第三负弯月形透镜L3的边缘厚度EL3。

第二透镜组G2从物体侧依次包括第五正透镜L5、孔径光阑S、包括正透镜L6

第七正透镜L7的两侧是非球面的。

图6为第一实施例中的鱼眼镜头系统的球差系数的条形图。

图7为第一实施例中的鱼眼镜头系统的彗差系数的条形图。

图8为第一实施例中的鱼眼镜头系统的每个透镜元件的条形图。

图6至图8的条形图是在总焦距归一化为1的情况下通过Zemax

参考图6、图7和图8的条形图，需要说明的是，与现有技术的条形图相比，第一透镜组G1的球差和像散差非常小。

还需要说明的是，第三负弯月形透镜的球差和彗差非常小。因此，控制像散差非常有效。

还需要说明的是，第四正透镜有一些球差、小彗差和像散差。正球差与第二透镜组的球差抵消。因此，控制球差非常有效。

还需要说明的是，球差主要通过第五正透镜L5和第六加固负透镜L6抵消，像散差主要通过第五正透镜L5和第七正透镜L7抵消。

图9、图10和图11的曲线分别示出了球差、场曲率和失真。关于失真，理想图像高度计算为等距。

第三负弯月形透镜L3的z因子和其它关键因子如下：

z因子＝0.05

TL3＝3.77

EL3＝4.14

EL3/TL3＝1.10

其中，

因此，第一实施例满足条件(i)、(ii)和(iii)。

表1-1示出了第一实施例中的鱼眼镜头系统的每个透镜元件的规格。

表1-1

f＝1.904

2ω＝200°

Fno＝1.8

表1-2示出了透镜L2和L7的非球面表面的圆锥常数。

表1-2

根据第一实施例的鱼眼镜头系统实现了F1.8的F值和200°的视角。

第二实施例

图12示出了第二实施例中的七件式鱼眼镜头系统的横截面图，所述鱼眼镜头系统从物体侧到图像侧依次包括第一透镜组G1、第二透镜组G2和滤光器F。

第一透镜组G1从物体侧依次包括向物体侧凸出的第一负弯月形透镜L1、向物体侧凸出的第二负弯月形透镜L2、向图像侧凸出的第三负弯月形透镜L3以及第四正透镜L4。

第二负弯月形透镜L2的两侧是非球面的。

第三负弯月形透镜L3的中心厚度TL3小于第三负弯月形透镜L3的边缘厚度EL3。

第二透镜组G2从物体侧依次包括第五正透镜L5、孔径光阑S、包括正透镜L6

第七正透镜L7的两侧是非球面的。

图13、图14和图15的曲线分别示出了球差、场曲率和失真。关于失真，理想图像高度计算为等距。

第三负弯月形透镜L3的z因子和其它关键因子如下，

z因子＝0.04

TL3＝3.66

EL3＝4.03

EL3/TL3＝1.10

其中，

因此，第二实施例满足条件(i)、(ii)和(iii)。

表2-1示出了第二实施例中的鱼眼镜头系统的每个透镜元件的规格。

表2-1

f＝1.904

2ω＝200°

Fno＝1.6

表2-2示出了透镜L2和L7的非球面表面的圆锥常数。

表2-2

根据第二实施例的鱼眼镜头系统实现了F1.6的F值和200°的视角。

第三实施例

图16示出了第三实施例中的七件式鱼眼镜头系统的横截面图，所述鱼眼镜头系统从物体侧到图像侧依次包括第一透镜组G1、第二透镜组G2和滤光器F。

第一透镜组G1从物体侧依次包括向物体侧凸出的第一负弯月形透镜L1，、向物体侧凸出的第二负弯月形透镜L2、向图像侧凸出的第三弯月形透镜L3以及第四正透镜L4。

第一负弯月形透镜L1的两侧是玻璃材质的球面。

第二负弯月形透镜L2的两侧是塑料材质的非球面。

第三弯月形透镜L3的两侧为塑料材质的非球面。第三弯月形透镜L3的中心厚度TL3小于第三负弯月形透镜L3的边缘厚度EL3。

第四正透镜L4的两侧是塑料材质的非球面。

第二透镜组G2从物体侧依次包括第五正透镜L5、孔径光阑S、第六负透镜L6和第七正透镜L7。

第五负透镜L5的两侧是玻璃材质的球面。

第六负透镜L6的两侧是塑料材质的非球面。

第七正透镜L7的两侧是塑料材质的非球面。

第三实施例中的鱼眼镜头系统使用塑料非球面透镜和玻璃球形透镜来降低成本，因为玻璃非球面透镜非常昂贵。

玻璃球面透镜使第三实施例提供了良好的环境特性。

图17、图18和图19的曲线分别示出了球差、场曲率和失真。关于失真，理想图像高度计算为等距。

关键因子如下。由于第三弯月形透镜L3的两侧是非球面，因此没有z因子。

TL3＝3.46

EL3＝4.12

EL3/TL3＝1.19

其中，

因此，第三实施例满足条件(2)和(3)。没有如上所述的z因子。

表3-1示出了第三实施例中的鱼眼镜头系统的每个透镜元件的规格。

表3-1

f＝1.904

2ω＝200°

Fno＝1.6

表3-2示出了透镜L2、L3、L4、L6和L7的非球面表面的圆锥常数。

表3-2

根据第三实施例的鱼眼镜头系统实现了F1.6的F值和200°的视角。

示例性摄像头配置

图20为一个实施例提供的鱼眼镜头摄像头(摄像头模组)10的框图。在所示的实施例中，鱼眼镜头摄像头10可以包括成像单元20，成像单元20包括鱼眼镜头系统22、图像传感器24和图像处理器26。鱼眼镜头摄像头10可以附加地或可选地包括系统控制器30(例如，微控制器或微处理器)，可以控制鱼眼镜头摄像头10的操作和功能，以及系统存储器40，系统存储器40可以用于存储可执行的计算机指令，当由系统控制器30和/或图像处理器26执行时，可以执行摄像头功能。鱼眼镜头摄像头10可以附加或可选地包括传感器50、音频系统60、I/O接口70和控制/显示器80。在一些实施例中，鱼眼镜头摄像头10可以可选地包括多个成像单元20，以捕获不同视野中的视野或用于不同功能的视野。多个成像单元20中的一个可以具有除了鱼眼镜头系统之外的镜头系统(未示出)。

鱼眼镜头系统22可以将进入鱼眼镜头的光聚焦到图像传感器24，图像传感器24捕获图像和/或视频帧。

图像传感器24可以捕获具有例如720p、1080p、4k或更高分辨率的高清图像或视频。对于视频，图像传感器24可以以例如每秒30帧、每秒60帧或更高的帧速率捕获视频。图像处理器26可以执行捕获的图像或视频的一个或多个图像处理功能。例如，图像处理器26可以执行拜耳变换、去马赛克、降噪、图像锐化、图像稳定、滚动快门伪影减少、颜色空间转换、压缩或其它摄像头内处理功能。处理后的图像和视频可以临时或持久地存储到系统存储器40和/或非易失性存储器中，所述非易失性存储器可以是内部存储器或外部存储卡的形式。

输入/输出(I/O)接口70可以从各种外部设备发送和接收数据。例如，I/O接口70可以有助于通过I/O端口接收或发送视频或音频信息。I/O端口或接口的示例可以包括USB端口、HDMI端口、以太网端口、音频端口等。此外，I/O接口70的实施例可以包括可以容纳无线连接的无线端口。无线端口的示例包括蓝牙、无线USB、近距离无线通信技术(Near FieldCommunication，NFC)等。I/O接口70还可以包括用于将鱼眼镜头摄像头10与其它摄像头或其它外部设备(如汽车摄像头、智能手机摄像头、安全摄像头和标准摄像头)同步的接口。

控制/显示子系统80可以包括与鱼眼镜头摄像头10的操作相关联的各种控制和显示组件，包括LED灯、显示器、按键、麦克风、扬声器等。例如，音频系统60可以包括一个或多个麦克风和一个或多个音频处理器，以捕获和处理与视频捕获相关的音频数据。在一个实施例中，音频系统60可以包括麦克风阵列，麦克风阵列具有两个或布置成获得定向音频信号的麦克风。

传感器50可以与视频或图像捕获同时捕获各种元数据，或与视频或图像捕获分开捕获各种元数据。例如，传感器50可以根据全球定位系统(global positioning system，GPS)传感器和/或高度计捕获时间戳位置信息。其它传感器50可用于检测和捕获鱼眼镜头摄像头10的方向，包括方向传感器、加速度计、陀螺仪或磁力计。从各种传感器50捕获的传感器数据可以被处理以生成其它类型的元数据。例如，来自加速度计的传感器数据可用于生成运动元数据，包括代表鱼眼镜头摄像头10的运动的速度和/或加速度矢量。此外，来自方向传感器的传感器数据可用于生成描述鱼眼镜头摄像头10的方向的方向元数据。来自GPS传感器的传感器数据提供了标识鱼眼镜头摄像头10的位置的GPS坐标，并且高度计测量鱼眼镜头摄像头10的高度。在一个实施例中，传感器50可以坚固地耦合到鱼眼镜头摄像头10，使得鱼眼镜头摄像头10经历的任何运动、方向或位置变化也可以由传感器50经历。传感器50还可以关联表示数据何时被每个传感器捕获的时间戳。在一个实施例中，当鱼眼镜头摄像头10开始记录视频或捕获图像时，传感器50可以自动开始收集传感器元数据。

图21为本发明实施例提供的电子装置100的框图。作为本实施例的示例，电子装置100是用于汽车、智能电话、安全摄像头系统等的行车记录仪、驾乘状态监测(driverstatus monitor，DSM)、高级驾驶辅助系统(advanced driver-assistance system，ADAS)和自动驾驶。电子装置100可以具有壳体(未示出)。

电子装置100包括鱼眼镜头摄像头110、显示单元140、无线通信单元150、用户界面120和控制单元130。鱼眼镜头摄像头110、显示单元140、无线通信单元150和用户界面120中的任何一个不需要包括在电子装置100中。

鱼眼镜头摄像头110成像物体。鱼眼镜头摄像头110可以安装在壳体中，使得鱼眼镜头摄像头110的光轴与薄壳体的厚度方向平行。鱼眼镜头摄像头110可以生成图像数据，并将其提供给显示部分101、无线通信单元150和存储部分(未示出)中的至少一个。

显示单元140显示图像数据。显示单元140可以显示由用户操作的字符数据和操作按钮。

无线通信单元150可以使用无线通信来发送和接收信息，例如无线通信网络、无线局域网(Local Area Network，LAN)、蓝牙或红外通信。作为示例，无线通信单元150可以将图像数据发送到另一电子装置。

用户界面120从用户接收操作输入。用户界面120可以与显示单元140一体形成。

控制单元130可以执行电子装置100的整体控制。例如，控制单元130控制鱼眼镜头摄像头110的成像。

本发明的上述实施例提供了F值为F1.8或F值大于F1.8和大约200°的视角的更快鱼眼镜头系统，而传统的鱼眼镜头系统的F值大约为F 2.8。

因此，根据本发明的鱼眼镜头系统不仅可以用于汽车，而且可以用于各种应用，即使在不能提供足够的光的环境中。

尽管出于说明目的，已经公开了本发明的优选实施例，但本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。