CN101210998B - 一种光学镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学镜头，包括同轴排列的第一、二和三镜片，所述第一镜片的表面为球面，第二、三镜片的表面为非球面，所述第二、三镜片的表面形状满足如下函数：

该光学镜头满足如下关系式：1.25＜f/L＜1.4；0.5＜f1/f＜0.8；f2＜0且0.65＜|f2/f|＜1；1.3＜f3/f＜1.6；其中，f为光学镜头的有效焦距值；f1为第一镜片的有效焦距值；f2为第二镜片的有效焦距值；f3为第三镜片的有效焦距值；L为空气换算距离后的光学镜头总长。本发明的光学镜头成像质量好、总长短、亮度高视场角大、出射角小、最低相对照度在50％以上、小巧轻薄、光学性能好。

Description

一种光学镜头

技术领域

本发明涉及光学器件，尤其涉及一种光学镜头。

背景技术

光学镜头是数码成像设备的重要组件，镜头的成像质量直接决定了数码成像设备的成像性能。近年来，数码产品不断更新换代，日趋向轻薄短小方向发展。因而对配备在数码成像设备中的光学镜头有了越来越高的要求，具体表现如下：

1.优良的成像品质。适配百万象素的镜头分辨率要达到160lp/mmMTF≥0.3；

2.小巧，轻薄。即要求总长短，镜片数目少，后焦适当；

3.高亮度。即F/#数小，最大出射角≤20°，相对照度≥50％；

4.足够的视场角。为了满足民用拍摄的要求，视场角一般≥60°；

5.低成本。即在保证成像质量的前提下尽量使用低廉材质替代昂贵材质。采用更易实现的加工工艺

而现有的镜头设计中，为了适配于高象素数码设备，往往采用增加镜片的数量或采用高折射率低色散的优质玻璃材质的方法来校正像差，提高成像质量。从而增加了镜头体积，提高了成本。

如中国专利CN200420043494.3，采用的三片塑料非球面镜片，但焦距在4.8左右，总长达到了8mm。远远达不到现在数码产品轻薄短小的要求。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是，克服上述现有技术的缺陷，提出一种轻薄短小的光学镜头。

其技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种光学镜头，包括同轴排列的第一、二、三镜片，所述第一镜片的表面为球面，所述第二、三镜片的表面为非球面，所述第二、三镜片的表面形状满足如下函数：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1-\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_2{r}^2+a_4{r}^4+a_6{r}^6+a_8{r}^8+a_{10}{r}^{10}+a_{12}{r}^{12},$ 其中，z为以各非球面与光轴交点为起点且垂直光轴方向的轴向值，k为二次曲面系数，c为镜面中心曲率，r为镜面中心高度；a2、a4、a6、a8、a10、a12为非球面系数；该光学镜头满足如下关系式：

1.25＜f/L＜1.4；

0.5＜f1/f＜0.8；

f2＜0且0.65＜|f2/f|＜1；

1.3＜f3/f＜1.6；

其中，f为光学镜头的有效焦距值；f1为第一镜片的有效焦距值；f2为第二镜片的有效焦距值；f3为第三镜片的有效焦距值；L为空气换算距离后的光学镜头总长。

优选地，

所述二次曲面系数的取值范围为：-20＜二次曲面系数＜20，所述曲率c的取值范围为：-10＜曲率c＜10，所述非球面系数a4、a6、a8、a10的取值范围为-10到10之间，所述非球面系数a2＝a12＝0。

所述第一、二、三镜片的材质为塑料，所述第一、三镜片采用的材料相同，1.4＜所述第一、三镜片的折射率＜所述第二镜片的折射率＜1.6，所述第一、三镜片的色散值-所述第二镜片的值＞25。

所述第一、二、三镜片的总长度介于3mm到4mm之间，且第一镜片和第二镜片之间的间距小于第二镜片和第三镜片之间的间距，所述每个镜片的中心厚度介于0.5mm与1.5mm之间。

还包括位于第一镜片前靠近物方的固定光阑和位于第三镜片后远离物方的滤光片，该滤光片是一平板玻璃，包括与第三镜片相邻的第一平行板面和与成像面相邻的第二平行板面。

所述光学镜头的参数如下：

镜片参数：

非球面系数：

类型	K	a2	a4	a6	a8	a10	a12
								第一非球面	-0.40588681	0	0.374181476	0.381297	-0.724601167	0.530543669	0
第二非球面	1.734715472	0	0.010349781	0.415246	-0.327398119	0.108775533	0
								第三非球面	-7.0789132	0	-0.008248181	-0.00846	0.006579001	-0.00172741	0
第四非球面	-5.95078969	0	-0.028600059	-0.00056	0.002335316	-0.000638863	0

。

所述光学镜头的参数如下：

镜片参数：

非球面系数：

类型	K	a2	a4	a6	a8	a10	a12
								第一非球面	-0.39475073	0	0.371080947	0.376738	-0.721534761	0.537380543	0
第二非球面	1.595100397	0	0.016210465	0.408944	-0.331695439	0.111450987	0
								第三非球面	-7.20657859	0	-0.011165615	-0.00777	0.006894057	-0.002021152	0
第四非球面	-6.44685466	0	-0.027274396	-0.00035	0.002211817	-0.000716067	0

。

所述光学镜头的参数如下：

镜片参数：

非球面系数：

类型	K	a2	a4	a6	a8	a10	a12
								第一非球面	-0.39475073	0	0.371080947	0.376738	-0.721534761	0.537380543	0
第二非球面	1.595100397	0	0.016210465	0.408944	-0.331695439	0.111450987	0
								第三非球面	-7.20657859	0	-0.011165615	-0.00777	0.006894057	-0.002021152	0
第四非球面	-6.44685466	0	-0.027274396	-0.00035	0.002211817	-0.000716067	0

。

所述光学镜头的参数如下：

镜片参数：

非球面系数：

类型	K	a2	a4	a6	a8	a10	a12
								第一非球面	-0.524391	0	0.450535	0.177664	-0.467706	0.341112	0
第二非球面	-0.806593	0	0.086624	0.289196	-0.247574	0.073675	0
								第三非球面	-12.747824	0	0.019703	-0.035670	0.017661	-0.003234477	0
第四非球面	-9.391397	0	0.011322	-0.031091	0.010527	-0.001272875	0

。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明的光学镜头在缩短镜头总长的基础上，确保适当的后焦距，还可以对各像差，特别是非点像差和畸变像差进行良好矫正，并得到理想的光学性能。

本发明的光学镜头成像质量好、总长短、亮度高、视场角大、出射角小、最低相对照度在50％以上、小巧轻薄、光学性能好。

本发明的光学镜头通过对非球面系数的优化，来修正各种像差，也可避免因采用球面镜而产生的球面像差，改善了成像品质。该光学镜头的总长小于6mm，使其模组可很容易的整合在手机模组中，满足了手机微型化的要求；因其采用全塑料材质，加工简单，降低了加工成本，同时增强了其抗冲击性。它适配于百万象素计以上的CCD，CCMOS成像器件，适用于小型数码相机，高象素手机等中。

本发明的光学镜头包括位于第一镜片前靠近物方的固定光阑，该光阑置于前方，能使镜头结构简单，紧凑，总长小；且由于镜片形状及镜头结构设计独特，有效校正了像差，从而提升了成像质量，分辨率，相对照度；同时全塑结构也大大降低了生产成本。

附图说明

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的光学镜头的结构示意图；

图2是本发明的具体实施方式一的光学镜头的镜头MTF图；

图3是本发明的具体实施方式一的光学镜头的场曲示意图；

图4是本发明的具体实施方式一的光学镜头的镜头横轴色差示意图。

具体实施方式

如图1所示的光学镜头，从物方依次包括同轴的第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3；第一镜片1为双凸球面正透镜，包括第一球面11和第二球面12；第二镜片2为具有负屈光度的非球面透镜，包括第一非球面21和第二非球面22，；第三镜片3为表面具有弓状的非球面正透镜，包括第三非球面31和第四非球面32。所述镜片形状皆沿光轴轴对称，其材质皆为塑料。

所述第一镜片1和第三镜片3所采用采用的材料相同，其折射率定义为n1，色散值定义为v2；第二镜片2的折射率定义为n2，色散值定义为v2；其中n1、n2、v1、v2满足条件：1.4＜n1；n2＜1.6；n2＞n1；v1-v2＞25。其中，第一镜片1和第三镜片3优选使用环状烯烃共聚高分子材料(Thermoplastic Olefin Polymer of Amorphous Structure，TOPAS)，折射率n1＝1.53，色散v1＝54。所述第二镜片2优选使用聚碳酸酯(POLYCARB)材料，折射率n2＝1.585，色散v2＝29.5。

上述第一非球面21，第二非球面22，第三非球面31，第四非球面32，的形状皆满足以下的非球面公式：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{r}^2+a_2{r}^4+a_3{r}^6+a_4{r}^8+a_5{r}^{10}+a_6{r}^{12}......$

其中：z为以各非球面与光轴交点为起点且垂直光轴方向的轴向值，即镜面深度值，因所选的镜片形状为轴对称式，故该非球面公式均取偶次项。k为二次曲面系数，即镜片的锥度；c为镜面中心曲率，c＝1/R，其中R为镜面中心曲率半径；r为镜面中心高度；a1、a2、a3、a4为非球面系数。上述二次曲面系数K的取值范围为-20＜K＜20，曲率c的取值范围为-10＜c＜10，所述非球面系数a4、a6、a8、a10的取值范围为-10到10之间，所述非球面系数a2＝a12＝0。

满足上述取值范围的光学镜头，其镜片表面面形不会发生特别急剧的改变，没有面形陡峭之处。在达到较好成像效果的同时能避免光线在各面上的入射角过大(主光线与表面法线间的角度)，一定程度上消除了发生鬼影，眩光的可能性。

该光学镜头还可包括位于第一镜片1前靠近物方的固定光阑5。该光学镜头还可包括位于第三镜片3后远离物方的滤光片4。该滤光片4是一平板玻璃，包括与第一平行板面41与第二平行板面42。所述第一平行板面41与第三镜片3相邻，所述第二平行板面与成像面5相邻。所述滤光片4优选使用由熔融纯净原材料制成的硼硅酸炎玻璃材料，折射率n4＝1.5168，色散v4＝64.2。优选地，滤光片4至少一表面镀覆一层红外截止滤膜(IR-cut Coating)，以滤除来自于被摄物反射光线中的红外光线，从而提高成像质量。

上述光学镜头满足以下条件：

1.25＜f/L＜1.4

0.5＜f1/f＜0.8

f2＜0且0.65＜|f2/f|＜1

1.3＜f3/f＜1.6

其中：f为光学镜头的有效焦距值；f1为第一镜片1的有效焦距值；f2为第二镜片2的有效焦距值；f3为第三镜片3的有效焦距值；L为空气换算距离后的***总长

满足上述条件式后，可以在缩短镜头总长的基础上，确保适当的后焦距，还可以对各像差，特别是非点像差和畸变像差进行良好矫正，并得到理想的光学性能。

本发明的光学镜头有效焦距为3.7，相对孔径为F/#＝2.8。该第一，第二及第三镜片1，2，3的总长度介于3mm到4mm之间。第一镜片1和第二镜片2之间的间距小于第二镜片2和第三镜片3之间的间距。每个镜片的中心厚度介于0.5mm与1.5mm之间。

具体实施方式一、二、三、四出了基于上述结构构成的实施方式的具体参数值。其中，曲率半径是指各面与光轴相交的曲面的曲率半径；距值是指由物方沿光轴指向像方从某一面到与其相邻的下一面的距离；有效口径是各面的最大有效通光口径。这些具体参数的单位都为毫米(mm)。

具体实施方式一：

所述光学镜头的参数如下：

镜片参数：

非球面系数：

类型	K	a2	a4	a6	a8	a10	a12
								第一非球面	-0.40588681	0	0.374181476	0.381297	-0.724601167	0.530543669	0

类型	K	a2	a4	a6	a8	a10	a12
								第二非球面	1.734715472	0	0.010349781	0.415246	-0.327398119	0.108775533	0
第三非球面	-7.0789132	0	-0.008248181	-0.00846	0.006579001	-0.00172741	0
								第四非球面	-5.95078969	0	-0.028600059	-0.00056	0.002335316	-0.000638863	0

。

对于具体实施方式一的镜头，其光学性能图见图2、3、4。图2是镜头的镜头光学调制传递函数曲线(MTF)，图中各线表示在不同视场及各视场的子午视场(T)和弧矢视场(S)的MTF，从图中可知各视场的MTF都非常集中，说明该光学镜头从中心到边缘视场的成像质量都很均匀，即整个图像都非常清晰。图3是镜头场曲示意图，其中光线A1、A2是波长为486.1327nm的蓝光，光线B1、B2是波长为587.5618nm的绿光，光线C1、C2是波长为656.2725nm的红光，从图中可知，该镜头的成像点很集中。图4是镜头横轴色差示意图，图中自左向右依次表示在486.1327nm、587.5618nm、656.2725nm三种不同波长时的色差情况，可知在这三种波长下该光学镜头的色差很小。

具体实施方式二：

所述光学镜头的参数如下：

镜片参数：

非球面系数：

类型	K	a2	a4	a6	a8	a10	a12
								第一非球面	-0.39475073	0	0.371080947	0.376738	-0.721534761	0.537380543	0
第二非球面	1.595100397	0	0.016210465	0.408944	-0.331695439	0.111450987	0

类型	K	a2	a4	a6	a8	a10	a12
								第三非球面	-7.20657859	0	-0.011165615	-0.00777	0.006894057	-0.002021152	0
第四非球面	-6.44685466	0	-0.027274396	-0.00035	0.002211817	-0.000716067	0

。

具体实施方式三：

所述光学镜头的参数如下：

镜片参数：

非球面系数：

类型	K	a2	a4	a6	a8	a10	a12
								第一非球面	-0.39475073	0	0.371080947	0.376738	-0.721534761	0.537380543	0
第二非球面	1.595100397	0	0.016210465	0.408944	-0.331695439	0.111450987	0
								第三非球面	-7.20657859	0	-0.011165615	-0.00777	0.006894057	-0.002021152	0
第四非球面	-6.44685466	0	-0.027274396	-0.00035	0.002211817	-0.000716067	0

。

具体实施方式四：

所述光学镜头的参数如下：

镜片参数：

非球面系数：

类型	K	a2	a4	a6	a8	a10	a12
								第一非球面	-0.524391	0	0.450535	0.177664	-0.467706	0.341112	0
第二非球面	-0.806593	0	0.086624	0.289196	-0.247574	0.073675	0
								第三非球面	-12.747824	0	0.019703	-0.035670	0.017661	-0.003234477	0
第四非球面	-9.391397	0	0.011322	-0.031091	0.010527	-0.001272875	0

。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种光学镜头，包括同轴排列的第一、二和三镜片，所述第一镜片的表面为球面，所述第二和三镜片的表面为非球面，所述第二和三镜片的表面形状满足如下函数：

其中，z为以各非球面与光轴交点为起点且垂直光轴方向的轴向值，k为二次曲面系数，c为镜面中心曲率，r为镜面中心高度；a2、a4、a6、a8、a10、a12为非球面系数；

其特征是：

该光学镜头满足如下关系式：

1.25＜f/L＜1.4；

0.5＜f1/f＜0.8；

f2＜0且0.65＜|f2/f|＜1；

1.3＜f3/f＜1.6；

其中，f为光学镜头的有效焦距值；f1为第一镜片的有效焦距值；f2为第二镜片的有效焦距值；f3为第三镜片的有效焦距值；L为空气换算距离后的光学镜头总长。

2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征是：

所述二次曲面系数的取值范围为：-20＜二次曲面系数＜20，所述曲率c的取值范围为：-10＜曲率c＜10，所述非球面系数a4、a6、a8和a10的取值范围为-10到10，所述非球面系数a2＝a12＝0。

3.根据权利要求1或2所述的光学镜头，其特征是：

所述第一、二和三镜片的材质为塑料，所述第一和三镜片采用的材料相同，1.4＜所述第一和三镜片的折射率＜所述第二镜片的折射率＜1.6，所述第一、三镜片的色散值-所述第二镜片色散的值＞25。

4.根据权利要求3所述的光学镜头，其特征是：

所述第一、二和三镜片的总长度介于3mm到4mm之间，且第一镜片和第二镜片之间的间距小于第二镜片和第三镜片之间的间距，所述每个镜片的中心厚度介于0.5mm与1.5mm之间。

5.根据权利要求4所述的光学镜头，其特征是：

还包括位于第一镜片前靠近物方的固定光阑和位于第三镜片后远离物方的滤光片，该滤光片是一平板玻璃，包括与第三镜片相邻的第一平行板面和与成像面相邻的第二平行板面。

6.根据权利要求5所述的光学镜头，其特征是：

所述第一镜片包括第一球面和第二球面，所述第二镜片包括第一非球面和第二非球面，所述第三镜片包括第三非球面和第四非球面；

所述光学镜头的参数如下：

镜片参数：

非球面系数：

  类型   K   a2   a4   a6   a8   a10   a12   第一非球面   -0.40588681   0   0.374181476   0.381297   -0.724601167   0.530543669   0   第二非球面   1.734715472   0   0.010349781   0.415246   -0.327398119   0.108775533   0   第三非球面   -7.0789132   0   -0.008248181   -0.00846   0.006579001   -0.00172741   0   第四非球面   -5.95078969   0   -0.028600059   -0.00056   0.002335316   -0.000638863   0

。

7.根据权利要求5所述的光学镜头，其特征是：

所述第一镜片包括第一球面和第二球面，所述第二镜片包括第一非球面和第二非球面，所述第三镜片包括第三非球面和第四非球面；

所述光学镜头的参数如下：

镜片参数：

非球面系数：

  类型   K   a2   a4   a6   a8   a10   a12   第一非球面   -0.39475073   0   0.371080947   0.376738   -0.721534761   0.537380543   0   第二非球面   1.595100397   0   0.016210465   0.408944   -0.331695439   0.111450987   0   第三非球面   -7.20657859   0   -0.011165615   -0.00777   0.006894057   -0.002021152   0   第四非球面   -6.44685466   0   -0.027274396   -0.00035   0.002211817   -0.000716067   0

。

8.根据权利要求5所述的光学镜头，其特征是：

所述第一镜片包括第一球面和第二球面，所述第二镜片包括第一非球面和第二非球面，所述第三镜片包括第三非球面和第四非球面；

所述光学镜头的参数如下：

镜片参数：

非球面系数：

  类型   K   a2   a4   a6   a8   a10   a12   第一非球面   -0.39475073   0   0.371080947   0.376738   -0.721534761   0.537380543   0   第二非球面   1.595100397   0   0.016210465   0.408944   -0.331695439   0.111450987   0   第三非球面   -7.20657859   0   -0.011165615   -0.00777   0.006894057   -0.002021152   0   第四非球面   -6.44685466   0   -0.027274396   -0.00035   0.002211817   -0.000716067   0

。

9.根据权利要求5所述的光学镜头，其特征是：

所述第一镜片包括第一球面和第二球面，所述第二镜片包括第一非球面和第二非球面，所述第三镜片包括第三非球面和第四非球面；

所述光学镜头的参数如下：

镜片参数：

非球面系数：

  类型   K   a2   a4   a6   a8   a10   a12   第一非球面   -0.524391   0   0.450535   0.177664   -0.467706   0.341112   0   第二非球面   -0.806593   0   0.086624   0.289196   -0.247574   0.073675   0   第三非球面   -12.747824   0   0.019703   -0.035670   0.017661   -0.003234477   0   第四非球面   -9.391397   0   0.011322   -0.031091   0.010527   -0.001272875   0

。

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