全景光学系统和电子设备的制作方法

本申请涉及光学领域，具体涉及光学成像系统
技术领域：
，尤其涉及全景光学系统和电子设备。
背景技术：
：随着光学设计技术的不断发展和摄像镜头应用领域的不断拓展，广角摄像镜头越来越受欢迎。例如一些安防监控设备、车载摄录设备、运动dv设备、虚拟现实设备中的摄像镜头需要有较大的视场角。全景光学系统通常利用两组视场角超过180°的广角摄像镜头组合来实现球形无死角拍摄。上述全景光学系统的设计中，虽然每组广角摄像镜头的视场角超过180°，即进入每组广角摄像镜头的最大光通量覆盖的角度范围超过180°，但由于通常广角摄像镜头具有一定的尺寸，将两个广角摄像镜头组合后二者的最大光通量中存在相互不重叠的区域，该区域内的物体无法被成像。现有的全景光学系统受限于成像质量的要求无法进一步缩小体积，两组广角镜头的最大光通量中相互不重叠的区域面积较大，限制了全景光学系统的应用。技术实现要素：为了解决上述
背景技术：
部分提到的一个或多个技术问题，本申请实施例提供了全景光学系统和电子设备。第一方面，本申请实施例提供了一种全景光学系统，包括两组鱼眼光学系统，每组鱼眼光学系统包括沿物侧至像侧依次排列的：前镜组、反射棱镜、光阑元件以及后镜组，两组鱼眼光学系统中的两个等腰直角反射棱镜的反射面相胶合形成胶合棱镜；前镜组位于等腰直角反射棱镜的入光面侧，光阑元件和后镜组位于等腰直角反射棱镜的出光面侧；前镜组包括沿物侧至像侧依次排列的：第一透镜元件，第一透镜元件的物侧面为凸面，第一透镜元件的像侧面为凹面；第二透镜元件，第二透镜元件的物侧面为凸面，第二透镜元件的像侧面为凹面；光阑元件位于反射棱镜的出光面和后镜组之间；后镜组包括沿物侧至像侧依次排列的：第三透镜元件，第三透镜元件的物侧面和像侧面均为凸面；第四胶合透镜元件，由一个物侧面和像侧面均为凸面的透镜与一个物侧面和像侧面均为凹面的透镜胶合而成；第五透镜元件，第五透镜元件的物侧面和像侧面均为凸面；两组鱼眼光学系统的前镜组对齐于竖直光轴上，两组鱼眼光学系统的后镜组对齐于水平光轴上，水平光轴与竖直光轴的交点与胶合棱镜的几何中心相重叠。在一些实施例中，胶合棱镜对波长为589.3nm的光线的折射率不小于1.8，胶合棱镜对波长为589.3nm的光线的阿贝数不小于20。在一些实施例中，鱼眼光学系统的焦距f满足1mm≤f≤1.5mm，单组鱼眼光学系统的视场角不小于200°。在一些实施例中，两个等腰直角反射棱镜的反射面的尺寸相同。在一些实施例中，等腰直角反射棱镜的两个三角形面之间的距离与等腰直角反射棱镜中三角形面的直角边的长度不相等。在一些实施例中，全景光学系统还包括主体筒部件；主体筒部件包括两个前镜端和两个后镜端，以及形成于两个前镜端之间和两个后镜端之间的空腔；前镜端呈筒状，两个前镜端对齐于竖直光轴上，两个前镜端分别用于容纳两组鱼眼光学系统的前镜组；后镜端呈筒状，两个后镜端对齐于水平光轴上，两个后镜端分别用于容纳两组鱼眼光学系统的后镜组；空腔用于容纳胶合棱镜。在一些实施例中，其中一个前镜端靠近空腔的一侧设有第一承靠面，其中一个后镜端靠近空腔的一侧设有第二承靠面；第一承靠面具有与空腔连通的通孔，第二承靠面具有与空腔连通的通孔；胶合棱镜中的一个等腰直角反射棱镜包括第一直角面和第二直角面，第一直角面承靠在第一承靠面上，第二直角面承靠在第二承靠面上；其中，第一直角面的光通量有效直径大于第二直角面的光通量有效直径；第一直角面与第一承靠面相接触的部分位于第一直角面的光通量有效直径之外，第二直角面与第二承靠面相接触的部分位于第二直角面的光通量有效直径之外。在一些实施例中，后镜端靠近空腔的一侧形成有凹槽，凹槽沿竖直光轴方向延伸，胶合棱镜的边缘位于凹槽内；胶合棱镜通过设置于凹槽内的粘接剂粘接在主体筒部件上。在一些实施例中，其中一组鱼眼光学系统中的第二透镜元件通过设置在第一承靠面上的通孔与胶合棱镜相接触，另一组鱼眼光学系统中的第二透镜元件与胶合棱镜相接触；除了设有第二承靠面的后镜端之外的另一个后镜端与胶合棱镜之间具有间隙。第二方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括摄像头，摄像头包括上述全景光学系统。本申请实施例提供的全景光学系统和电子设备，采用两组鱼眼光学系统组合，利用胶合棱镜作为反射面改变光路，能够缩小全景光学系统的体积，减小不能成像区域的面积，并保证良好的成像质量。附图说明通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1是根据本申请实施例的全景光学系统的一个结构示意图；图2是本申请一个实施例的全景光学系统对不同波段光线的场曲曲线示意图；图3是本申请一个实施例的全景光学系统对不同波段光线的畸变曲线示意图；图4是本申请一个实施例的全景光学系统对不同波段光线的像差曲线示意图；图5是本申请一个实施例的全景光学系统的光学传递函数曲线示意图；图6是本申请实施例的全景光学系统中的胶合棱镜的一个结构示意图；图7是本申请实施例的主体筒部件的一个立体结构示意图；图8是图7所示主体筒部件的一个剖面结构示意图；图9是胶合棱镜与主体筒部件的承靠面的相对位置关系示意图；图10是图7所示主体筒部件的一个俯视结构示意图；图11是根据本申请实施例的全景光学系统的外形结构示意图；图12是根据本申请实施例的电子设备的正面结构示意图；图13是根据本申请实施例的电子设备的背面结构示意图；图14是根据本申请实施例的电子设备的一个剖面结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。请参考图1，其示出了根据本申请实施例的全景光学系统的一个结构示意图。如图1所示，全景光学系统包括两组鱼眼光学系统，每组鱼眼光学系统的视场角大于180°。每组鱼眼光学系统包括由物侧至像侧依次排列的前镜组10、等腰直角反射棱镜30、光阑元件s以及后镜组20。两组鱼眼光学系统中的两个等腰直角反射棱镜的反射面相胶合形成胶合棱镜。前镜组10位于等腰直角反射棱镜30的入光面侧，光阑元件s和后镜组20位于等腰直角反射棱镜30的出光面侧，光阑元件s位于反射棱镜30的出光面和后镜组20之间。等腰直角反射棱镜30的入光面为一个直角面，入光面侧为光通量有效直径较大的一侧，即为接收光线的有效直径较大的一侧，等腰直角干涉棱镜30的出光面为另一个直角面，出光面侧为光通量有效直径较小的一侧，即为出射光线的有效直径较小的一侧。前镜组10包括由物侧至像侧依次排列的第一透镜元件11和第二透镜元件12，其中，第一透镜元件11的物侧面为凸面，第一透镜元件的11的像侧面为凹面；第二透镜元件12位于第一透镜元件11的像侧面，第二透镜元件12的物侧面为凸面，第二透镜元件12的像侧面为凹面。后镜组20包括由物侧至像侧依次排列的第三透镜元件21、第四胶合透镜元件22以及第五透镜元件23。第三透镜元件21的物侧面和像侧面均为凸面；第四胶合透镜元件22的物侧面为凸面，像侧面为凹面，由一个物侧面和像侧面均为凸面的透镜221与一个物侧面和像侧面均为凹面的透镜222胶合而成；第五透镜元件23的物侧面和像侧面均为凸面。在本实施例中，由前镜组10出射的光线经过等腰直角反射棱镜30反射后入射至后镜组20。前镜组10排列于竖直光轴v上，后镜组20排列于水平光轴h上，水平光轴h与竖直光轴v相互垂直。两组鱼眼光学系统的前镜组对齐于竖直光轴v上，两组鱼眼光学系统的后镜组对齐于水平光轴h上，水平光轴h与竖直光轴v的交点与胶合棱镜的集合中心相重叠。也即两组鱼眼光学系统的水平光轴位于同一直线上，两组鱼眼光学系统的竖直光轴位于同一直线上。进一步地，上述每组鱼眼光学系统还可以包括成像面ima，成像面ima位于第五透镜元件23的像侧。从图1可以看出，本实施例的全景光学系统中每组鱼眼光学系统的镜片数量较少，并且通过等腰直角反射棱镜将光线折转90°，能够有效缩小全景光学系统的两个对物面(即两个第一透镜元件的物侧面)之间的距离，进而可以缩小两组鱼眼光学系统的最大光通量不重叠的区域，缩小了不能成像的区域面积，同时可以保证每组鱼眼光学镜头的边缘处图像畸变小，使得拼接两组鱼眼光学系统所采集的图像得到的全景图像畸变小，实现良好的成像质量。在一些实施例中，每组鱼眼光学系统的焦距f满足1mm≤f≤1.5mm，可选地，f＝1.04mm；单组鱼眼光学系统的视场角不小于200°，可选地，单组鱼眼光学系统的视场角可以为210°。这样，可以保证每组鱼眼光学系统的成像面距离全景光学系统的中心位置较近，有利于缩小全景光学系统的体积，同时保证每组鱼眼光学系统都具有足够大的视场角，从而进一步缩小不能成像的区域的面积。在一些实施例中，上述胶合棱镜对波长为589.3nm的光线的折射率不小于1.8，该胶合棱镜对波长为589.3nm的光线的阿贝数不小于20。胶合棱镜中的等腰直角反射棱镜的折射率可以为1.84667，其阿贝数可以为23.79，该等腰直角反射棱镜采用折射率较高的材料，可以使得在等腰直角反射棱镜中的光程远大于实际的光线的路径长度，有利于减小鱼眼光学系统的尺寸，从而减小全景光学系统的体积。可选地，上述等腰直角反射棱镜可以采用光学玻璃h-zf52a制成。可选地，上述第一透镜元件11、第二透镜元件12、第三透镜元件21、第四胶合透镜元件22以及第五胶合透镜元件23均为由玻璃材料制成的球面透镜。表一示出了本申请的一个实施例中单组鱼眼光学系统的各透镜元件的光学参数，其中表面序号1、2、3、4依次为第一透镜元件11的物侧面、第一透镜元件11的像侧面、第二透镜元件12的物侧面、第二透镜元件12的像侧面，表面序号5、6、7、8依次为等腰直角反射棱镜30的入光面(平面)、等腰直角反射棱镜30的反射面(平面)、等腰直角反射棱镜30的出光面(平面)、光阑(平面)，表面序号9、10、11、12、13、14、15依次为第三透镜元件21的物侧面、第三透镜元件21的像侧面、第四胶合透镜元件中物侧面和像侧面均为凸面的透镜221的物侧面、第四胶合透镜元件中物侧面和像侧面均为凸面的透镜221的像侧面、第四胶合透镜元件中物侧面和像侧面均为凹面的透镜222的像侧面、第五透镜元件23的物侧面、第五透镜元件23的像侧面，表面序号16为成像面ima。其中厚度d为负数表示光线经过90°折转，其绝对值为表面对应的元件的厚度。折射率nd表示对波长为589.3nm的光线的折射率，阿贝数vd表示对波长为589.3nm的光线的阿贝数。表一所示的鱼眼光学系统的焦距为1.04mm，f数为2.2，视场角为210°。表一鱼眼光学系统各透镜元件的光学参数表面序号曲率半径r值/mm厚度d/mm折射率nd阿贝数vd113.951.201.83481042.730023.061.3336.900.851.7550052.320043.031.355∞2.701.84667023.79006∞(反射面)-2.701.84667023.79007∞-0.498∞(光阑)-0.019-7.36-2.811.90366431.3200106.23-0.0511-3.96-1.511.71300053.8300123.05-0.931.80810822.690013-2.83-0.1214-5.86-1.581.71300053.8300157.94-1.6016∞(像面)上述两组鱼眼光学系统分别接收来自两个对称物空间的光线，在成像面上形成两幅图像，将两幅图像拼接后即可得到全景图像。图2-图5示出了采用表一所示光学参数的鱼眼光学系统的成像性能曲线，其中，图2是对不同波段光线的场曲曲线示意图，图3是对不同波段光线的f-θ畸变曲线示意图，图4是对不同波段光线的像差曲线示意图，图5是光学传递函数曲线示意图。从图2可以看出，上述鱼眼光学系统在最大视场角的场曲小于3mm，场曲曲线偏离纵轴的程度较小。从图3可以看出，上述鱼眼光学系统在最大视场角的f-θ畸变小于7％，即上述鱼眼光学系统的边缘处的畸变量较小，这样，有利于在后期拼接两组鱼眼光学系统分别采集的图像以生成全景图像时减小失真。图4示出了各视场角的rayfan(光扇)曲线图，可以表征鱼眼光学系统的综合像差。其中，横坐标px、py分别为子午光扇上的光线的归一化光瞳坐标和弧矢光扇上的光线的归一化光瞳坐标，纵坐标ex、ey分别为子午光扇内光线与主光线在像面上位置的相对距离和弧矢光扇内光线与主光线在像面上位置的相对距离。子午光扇和弧矢光扇分别为过光瞳x轴的光束剖面和过光瞳y轴的光束剖面。从图4可以看出，各视场角下子午光扇和弧矢光扇内不同光线与主光线在像面上的相对距离均较小，表明鱼眼光学系统像差较小，具有良好的成像性能。图5示出了不同视场角下的mtf(modulationtransferfunction，调制传递函数)曲线，其中衍射极限表示光学传递函数的极限值曲线，在分辨率达到200lp/mm(线对/毫米)的光学传递函数的极限值约为0.67。图5还示出了0°视场角、0.7倍半视场角(74°)、半视场角(105°)的子午方向(t)和弧矢方向(s)的mtf曲线。可以看出，mtf值随分辨率上升的衰减速度较小，当分辨率达到200线对/mm时，各视场的mtf值均大于0.25，证明本申请实施例提供的鱼眼光学系统具有良好的成像性能。请参考图6，其示出了本申请实施例的全景光学系统中的胶合棱镜的一个结构示意图，也即示出了图1所示两组鱼眼光学系统中的两个等腰直角反射棱镜30胶合后的结构示意图。如图6所示，两个等腰直角反射棱镜在反射面处相胶合，且两个等腰直角反射棱镜的反射面61的尺寸相同。等腰直角反射棱镜的反射面为矩形，两个等腰直角反射棱镜的反射面的长度相等，两个等腰直角反射棱镜的反射面的宽度也相等。在本实施例中，可以在两个反射面上贴合反射膜，两个反射面尺寸相同，可以使两个反射面与反射膜更紧密地贴合，增大胶合棱镜的反射面的有效面积，缩小全景光学系统的尺寸。在保证光通量需求的前提下，该反射面的尺寸大小对全景光学系统的成像质量不会产生影响。进一步地，上述等腰直角反射棱镜的两个平行的三角形面62和63之间的距离pt与等腰直角反射棱镜中三角形面62或63的直角边的长度pw可以不相等。在实际场景中可以根据光线入射到反射棱镜的光通量的有效直径以及全景光学系统的结构、尺寸需要来对直角边长度pw和两个三角形面件的距离pt进行设计。在一些实施例中，本申请提供的全景光学系统还可以包括主体筒部件，如图7所示，其示出了本申请实施例的主体筒部件的一个立体结构示意图。本实施例的主体筒部件包括两个前镜端71、72和两个后镜端73、74，以及形成于两个前镜端71、72之间和两个后镜端73、74之间的空腔75。前镜端71、72呈筒状，两个前镜端71、72对齐于全景光学系统的竖直光轴v上，并且两个前镜端71、72分别用于容纳两组鱼眼光学系统的前镜组10。后镜端73、74呈筒状，两个后镜端73、74对齐于全景光学系统的水平光轴h上，两个后镜端73、74分别用于容纳两组鱼眼光学系统的后镜组20。空腔75用于容纳由两个等腰直角反射棱镜30胶合形成的胶合棱镜。图7所示的主体筒部件可以配合鱼眼光学系统的外形结构设计形成具有空腔的结构，该主体筒部件可以容纳上述两组鱼眼光学系统，对鱼眼光学系统进行固定和保护。进一步地，参考图8和图9，图8示出了图7所示主体筒部件的一个剖面结构示意图，图9示出了胶合棱镜与主体筒部件的承靠面的相对位置关系示意图。如图8所示，主体筒部件的其中一个前镜端靠近空腔的一侧设有第一承靠面81(图8仅示出了第一承靠面，前镜端的具体结构未示出)，其中一个后镜端73靠近空腔的一侧设有第二承靠面82，第一承靠面81具有与空腔连通的通孔810、第二承靠面82具有与空腔连通的通孔820。可选地，第一承靠面81的通孔810的尺寸不小于第二透镜元件的尺寸，以使第二透镜元件可以在通孔810处与胶合棱镜相接触；第二承靠面82的通孔820的面积不小于光阑元件的有效工作面积，以使从胶合棱镜出射的光线可以全部传输至光阑元件。如图9所示，胶合棱镜70中的一个等腰直角反射棱镜包括第一直角面和第二直角面，第一直角面承靠在第一承靠面81上，第二直角面承靠在第二承靠面82上。其中，第一直角面为入射面，与前镜组相对设置，第二直角面为出射面，与后镜组相对设置，第一直角面的光通量有效直径大于第二直角面的光通量有效直径。在这里，第一直角面与第一承靠面81相接触的部分位于第一直角面的光通量有效直径之外，第二直角面与第二承靠面82相接触的部分位于第二直角面的光通量有效直径之外。这样，可以保证光线不会被第一承靠面和第二承靠面遮挡而导致成像质量下降。进一步地，如图8和图9所示，后镜端73靠近空腔的一侧可以形成有凹槽731，凹槽731沿竖直光轴v的方向延伸，胶合棱镜70的边缘位于凹槽731内。另一个后镜端74靠近空腔的一侧也可以形成有沿竖直光轴v的方向延伸的凹槽，胶合棱镜70的另两个直角边位于该凹槽内。图10示出了图7所示主体筒部件的一个俯视结构示意图。如图10所示，后镜端73的凹槽731内设置有粘接剂732，胶合棱镜70通过设置于凹槽731内的粘接剂732粘接在主体筒部件上。这样，可以将胶合棱镜可靠地固定在主体筒部件上，在组装过程中，可以首先将胶合棱镜承靠在第一承靠面和第二承靠面上之后，通过在凹槽中点入胶水并固化来实现胶合棱镜的固定，简化了胶合棱镜的装配过程，能够降低装配成本。进一步地，如图10所示，设有第二承靠面的后镜端为73，除了该设有第二承靠面的后镜端73之外的另一个后镜端74与胶合棱镜70之间具有间隙(如图10所示733)，使得后镜端73或74关于竖直光轴v不对称。并且，其中一组鱼眼光学系统中的第二透镜元件通过设置在第一承靠面上的通孔与胶合棱镜相接触，另一组鱼眼光学系统中的第二透镜元件与胶合棱镜相接触。也即两组前镜组中的第二透镜元件可以压合在胶合棱镜上。在装配时，首先可以装配好两个后镜端，接着可以在将一组前镜组装配入设有第一承靠面的前镜端，之后将胶合棱镜放置在第一承靠面上，并紧贴第二承靠面，由于在设计时为胶合棱镜和一个后镜端之间预留了空隙，可以容易地将胶合棱镜放入中间的空腔中。之后，可以将另一组后镜组的第二透镜元件压合在胶合棱镜上，并接着将第一透镜元件放置在第二透镜元件上，这样，可以在允许一定的加工误差的前提下保证在组装时胶合棱镜可以放置入空腔中，同时可以尽量缩小两个前镜端对物面(即两个第一透镜元件对物侧)之间的距离以减小不可成像区域的面积。并且，胶合棱镜与后镜端之间的间隙不会影响全景光学系统的成像性能。进一步地，在装配上述鱼眼光学系统与主体筒部件时，可以在前镜组的物侧面安装用于固定第一透镜元件的压圈，该压圈可以为环状，其口径大于第一透镜元件的光通量有效直径。图11示出了根据本申请实施例的全景光学系统的外形结构示意图。其中，p为两个不同物空间的最大视场光线la2与lb2的交点，q为两个不同物空间的最大视场光线la1与lb1的交点，由点p和最大视场光线la2、lb2围绕的空间部分、以及由点q和最大视场光线la1、lb1围绕的空间部分为不能成像区域。该不能成像区域中的物体发出的光不能作为成像光束被摄取。通过采用特殊材料的胶合棱镜、各镜片参数之间的平衡与压缩以及手机装配所需的空间限制，上述全景光学系统的外形结构参数设计如下：dh为前镜组的压圈口径，l1为全景光学系统的竖直光轴到点p之间的距离，lh1为第一透镜元件的物侧面顶点至胶合棱镜的集合中心的距离，lh2为两个第一透镜元件的物侧面顶点间的距离，lh3为两个不同物空间的最大视场光线la2与lb2在第一透镜元件入射位置之间的距离，lh4为两个不同物空间的前镜组的压圈边缘之间的距离。其中，dh为15.8mm，l1为37.01mm，lh1为6.93mm，lh2为13.86mm，lh3为11.08mm，lh4为9.76mm。图11还示出了每组鱼眼光学系统的视场角为210°。可以看出，本申请实施例的全景光学系统沿竖直光轴的厚度仅为13.86mm，可以应用于小体积的电子设备，例如手机。本申请实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括摄像头，该摄像头包括上述实施例描述的全景光学系统。上述电子设备可以例如为智能手表、平板电脑、手机等。图12、图13、图14分别是根据本申请实施例的电子设备的正面结构示意图、背面结构示意图和剖面结构示意图。如图12和图13所示，包含全景光学系统的摄像头c可以安装在电子设备e上，且全景光学系统的两个前镜组分别位于电子设备的正面和背面，全景光学系统沿电子设备的厚度方向贯穿电子设备。这样，全景光学系统可以对电子设备e的正面和背面进行全景成像。图14示出了上述电子设备的不可成像区域。由于电子设备对全景光学系统的视场造成一定程度的遮挡，导致获取有效图像的视场角缩小，即同一物空间进入全景光学系统最大视场光线fa1和fa2之间的夹角小于全景光学系统中单组鱼眼光学系统的视场角。这样使得装配入电子设备的全景光学系统的不可成像区域面积增大。在本实施例中，可以将全景光学系统的竖直光轴v对齐电子设备的宽度中线w，将全景光学系统的水平光轴h对齐电子设备的厚度中线h1，这样，可以避免电子设备遮挡过多的光线，以尽可能避免电子设备体积使不可成像区域的面积增大。上述电子设备具有视场角大、边缘视场畸变量小、不可成像区域小等优势，且全景光学系统体积较小，能够满足小体积电子设备(例如手机、智能手表等)在虚拟现实和增强现实领域的应用。以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。当前第1页12