CN101231377B

CN101231377B - 一种光学镜头

Info

Publication number: CN101231377B
Application number: CN2007100730076A
Authority: CN
Inventors: 杨志; 姜莉莉
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2007-01-22
Filing date: 2007-01-22
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2027-01-22
Also published as: CN101231377A

Abstract

本发明公开一种光学镜头，包括关于光轴对称的同轴排列的第一、二透镜；所述第一透镜具有正屈光度，包括皆为凸面的第一表面和第二表面，第一表面面向物面，第一表面的光学有效径小于第二表面；所述第二透镜具有负屈光度，包括第三表面和第四表面，第三表面为朝向物面的凹面，所述第四表面为凸面；第一透镜的色散值大于第二透镜，第一透镜的折射率值小于第二透镜。使本发明的光学镜头在保证成像质量优良的同时降低成本。

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，近年来，中低端手机中摄像头已经是标准配置，如何能在保证镜头的像质的同时尽可能的降低生产成本已成为光学镜头设计的热点。同时手机的日趋向轻薄，也迫使镜头设计追求更短的光学总长。现代工业大批量产的需要要求光学设计不仅仅要追求更好的成像质量，更要有良好的可加工性，适应后段工序的可操作性，能有效提高良率，降低生产成本。这使得光学镜头要尽量符合以下特点：

1.良好的成像品质。特别是对中，低频率有好的光学传递函数(MTF)图线；

2.小巧、轻薄。即要求总长短，透镜数目少。

3.大视场角。能适配多款多型号的传感器(sensor)，具有多机种普适性，视场角能≥65°；

4.低成本。即在保证像质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；

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种成像质量优良且低成本的光学镜头。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种光学镜头，包括关于光轴对称的同轴排列的第一、二透镜；所述第一透镜具有正屈光度，包括皆为凸面的第一表面和第二表面，所述第一表面面向物面，所述第一表面的光学有效径小于第二表面；所述第二透镜具有负屈光度，包括第三表面和第四表面，所述第三表面为朝向物面的凹面，所述第四表面为凸面；所述第一透镜的色散值大于第二透镜，所述第一透镜的折射率值小于第二透镜。

优选地，

还包括位于第一透镜前靠近物方的固定光阑。

所述光学镜头满足如下关系式：

1.25＜f/L＜1.55；

0.35＜f1/f＜0.55；

L_H/L＞0.25；

1＜n2/n1＜1.2；

1＜v1/v2＜3；

其中：f为所述光学镜头的有效焦距值，f1为第一透镜的有效焦距值，L为光学镜头的光阑到成像面的距离，L_H为空气换算距离时第四表面到成像面的距离，n1为第一透镜的折射率，v1为第一透镜的色散值；n2为第二透镜的折射率，v2为第二透镜的色散值。

还包括位于第二透镜和成像面之间的滤光片，所述滤光片是一平板玻璃，包括与第二透镜相邻的第一平行板面和与成像面相邻的第二平行板面，所述第一、二平行板面中至少一个的表面镀覆一层红外截止滤膜。

所述第一、二透镜至少都有一个表面为非球面，所述非球面表面上各点的坐标值均满足如下非球面公式：

z = \frac{{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的交点为起点，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。

所述二次曲面系数的取值范围为：-15＜二次曲面系数＜15，所述镜面中心曲率的取值范围为：-10＜镜面中心曲率＜10。

所述第一透镜和第二透镜的材料为塑料或玻璃。

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
类型	k	a2	a4	a6	a8	a10	a12	第一表面	-0.404	0.629	-0.195	0.189	-17.687	153.115	-620.158
第二表面	-0.254	-0.468	0.243	0.154	-6.836	13.900	-6.259	第一表面	-0.404	0.629	-0.195	0.189	-17.687	153.115	-620.158
第二表面	-0.254	-0.468	0.243	0.154	-6.836	13.900	-6.259	第三表面	9.295	-1.713	2.173	7.837	-77.002	203.807	-175.915
第四表面	-0.343	-1.276	0.494	3.510	-11.938	15.445	-7.043	第三表面	9.295	-1.713	2.173	7.837	-77.002	203.807	-175.915

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
类型	k	a2	a4	a6	a8	a10	a12	第一表面	-1.929	0	-0.915	-72.978	3194.712	-4.861E+004	0
第二表面	-0.714	0	0.684	-31.631	231.757	-809.043	0	第一表面	-1.929	0	-0.915	-72.978	3194.712	-4.861E+004	0
第二表面	-0.714	0	0.684	-31.631	231.757	-809.043	0	第三表面	-1.177	0	-2.533	-18.474	412.024	-2179.793	0
第四表面	0	0	1.335	4.260	-6.458	37.748	0	第三表面	-1.177	0	-2.533	-18.474	412.024	-2179.793	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
类型	k	a2	a4	a6	a8	a10	a12	第一表面	-2.816	0	-0.755	-30.097	956.209	-1.268E+004	0
第二表面	-0.807	0	0.561	-23.077	134.704	-445.707	0	第一表面	-2.816	0	-0.755	-30.097	956.209	-1.268E+004	0
第二表面	-0.807	0	0.561	-23.077	134.704	-445.707	0	第三表面	-6.890	0	2.890	-0.293	-32.206	644.018	0
第四表面	0	0	1.194	2.983	-11.692	29.919	0	第三表面	-6.890	0	2.890	-0.293	-32.206	644.018	0

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的光学镜头的第一透镜具有正光焦度，能有效聚拢光线，第一透镜所采用材质色散值大，能有效消减色差；第二透镜整体弯向物面，其中第二透镜的第三表面面形贴合第一透镜的第二表面的面形，使得光线在第三表面有较小的入射角，能有效控制整个光学镜头的高级像差；第二透镜的第四表面为凸面，略具有波浪起伏趋势，能有效减小边缘处的主光线出射角，提高像面边缘照度。而本发明只采用两块透镜，使本发明的光学镜头在保证成像质量优良的同时降低成本。

本发明的光学镜头的光阑置于靠近物面的最前方，能使光学镜头结构简单、紧凑，总长小。此镜头光学镜头总长短，且具有大的视场角，使其能适配于1/7、1/7.5、1/8等多种传感器，满足多种手机的需要。

本发明的光学镜头能有效消减各种像差，包括球差、慧差、像散、场曲及畸变等，提升了相对照度。

本发明的光学镜头焦距较短但同时具有较长的后焦，大大方便了生产，能有效提高良率，降低生产成本，适用于大规模工业生产。

本发明控制了光线在每面上的入射角＜28°，一定程度上消除了鬼影现象。

本发明的透镜可采用塑料材料，从而大大降低了生产成本，适用于大规模工业生产。

附图说明

图1是本发明具体实施方式一的结构示意图

图2是本发明具体实施方式一的MTF图；

图3是本发明具体实施方式一的视场一致性的示意图；

图4是本发明具体实施方式一的横轴色差示意图；

图5是本发明具体实施方式一的光学镜头的畸变示意图；

图6是本发明具体实施方式二的结构示意图

图7是本发明具体实施方式二的MTF图；

图8是本发明具体实施方式二的视场一致性的示意图；

图9是本发明具体实施方式二的横轴色差示意图；

图10是本发明具体实施方式二的畸变示意图；

图11是本发明具体实施方式三的结构示意图

图12是本发明具体实施方式三的MTF图；

图13是本发明具体实施方式三的视场一致性的示意图；

图14是本发明具体实施方式三的横轴色差示意图；

图15是本发明具体实施方式三的畸变示意图。

具体实施方式

如图1、6、11所示的光学镜头，从物方依次包括同轴的第一透镜1和第二透镜2；第一透镜1与第二透镜2分别关于光轴对称。所述第一透镜1具有正屈光度，包括第一表面11和第二表面12；所述第二透镜2具有负屈光度，包括第三表面21和第四表面22。第一表面11和第二表面12皆为凸面，所述第一表面11的光学有效径小于第二表面12。所述第三表面21为朝向物面的凹面，所述第四表面22为凸面。

第一透镜1与第二透镜2都至少有一个表面为非球面，该非球面表面上各点的坐标值均满足如下非球面公式：

z = \frac{{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} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot

其中：z为以各非球面与光轴o交点为起点，垂直光轴o方向的轴向值，即镜面深度值，因所选的透镜形状为轴对称式透镜，故该非球面公式均取偶次项。k为二次曲面系数，即透镜的锥度；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；a2、a4、a6、a8、a10、a12为非球面系数。通过以上非球面公式即可确定各表面的形状。

所述二次曲面系数k的取值范围为：-15＜k＜15，所述镜面中心曲率c的取值范围为：-10＜c＜10，所述非球面系数a2、a4、a6、a8、a10、a12的取值范围可以为任意值。

该光学镜头还可包括位于第一透镜1前靠近物方的固定光阑4，所述固定光阑4具有固定口径的孔径。该光学镜头还可包括位于第二透镜2后远离物方的滤光片3。该滤光片3是一平板玻璃，包括与第一平行板面31与第二平行板面32。所述第一平行板面31与第二透镜2相邻，所述第二平行板面32与成像面相邻。

上述光学镜头满足以下条件：

1.25＜f/L＜1.55；

0.35＜f1/f＜0.55；

L_H/L＞0.25；

1＜n2/n1＜1.2；

1＜v1/v2＜3；

其中：f为整个光学镜头的有效焦距值；f1为第一透镜1的有效焦距值；L为光学镜头总长，即光学镜头的光阑到成像面的距离；L_H为镜头后焦值，即空气换算距离时光学镜头的第四表面到成像面的距离。空气换算距离是指假设没有玻璃滤光片的情况；n1为第一透镜1的折射率，v1为第一透镜1的色散值；n2为第二透镜2的折射率，v2为第二透镜2的色散值。

满足上述条件的光学镜头可以在缩短镜头总长的基础上，确保适当的后焦距，还可以对各象差，特别是非点象差和畸变象差进行良好矫正，并得到理想的光学性能。

所述第一透镜1最靠近光阑，应选取高色散值材料，尽可能消除色差影响；所述第二透镜2控制光线到成像面上的走向，为缩短光学镜头总长应选取高折射率材料。同时第一透镜1和第二透镜2间折射率和色散值之间的大小差异则有利于其他各种像差的消除。因此上述光学镜头的第一透镜1优选为高色散低折射率材料，第二透镜2优选为高折射率低色散材料。

由于本发明公开的结构良好，可在宽泛范围中选用光学材质。具体表现为第一透镜1和第二透镜2均可采用塑料结构材料或玻璃结构材料。

滤光片3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＝64.17。优选地，所述滤光片3的第一平行板面31和第二平行板面32中至少一个的表面镀覆一层红外截止滤膜(IR-cutCoating)，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。

具体实施方式一、二、三给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；距值是指由物面沿光轴指向成像面从某一选定面到与其相邻的下一面的距离。这些具体参数的单位都为毫米(mm)。

具体实施方式一：

图1所示的光学镜头即具体实施方式一的光学镜头，该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
类型	k	a2	a4	a6	a8	a10	a12	第一表面	-0.404	0.629	-0.195	0.189	-17.687	153.115	-620.158
第二表面	-0.254	-0.468	0.243	0.154	-6.836	13.900	-6.259	第一表面	-0.404	0.629	-0.195	0.189	-17.687	153.115	-620.158

类型	k	a2	a4	a6	a8	a10	a12
类型	k	a2	a4	a6	a8	a10	a12	第三表面	9.295	-1.713	2.173	7.837	-77.002	203.807	-175.915
第四表面	-0.343	-1.276	0.494	3.510	-11.938	15.445	-7.043	第三表面	9.295	-1.713	2.173	7.837	-77.002	203.807	-175.915

对于具体实施方式一的光学镜头，其光学性能图见图2、3、4、5。

图2是光学镜头的镜头光学调制传递函数曲线(MTF)，图中横轴表示空间频率，单位：线对每毫米(lp/mm)；纵轴表示调制传递函数(MTF)的数值，所述MTF的数值用来评价镜头的成像质量，取值范围为0-1，MTF曲线越高越直表示镜头的成像质量越好，对真实图像的还原能力越强。图2中的衍射极限(DIFF LIMIT)代表理想镜头最佳成像时的成像状况。这是一种极限情况，实际使用的镜头是不可能达到这样的效果的。实际的MTF曲线与其DIFF LIMIT曲线越接近，表示其成像质量越好。图2中的S和T分别代表弧矢方向和子午方向(两个互相垂直的面)上的MTF曲线。DEG即角度(degree)，代表了各视场角的数值。在研究镜头的成像质量的时候，通常会选取0视场，0.3视场，0.5视场，0.7视场，1视场等几个具有代表性的视场作为研究对象，来整体评价镜头的像质，其中0--0.7视场通常被认为是最重要的。例如，一个镜头的视场角为60度，则其半视场角为30度(由于本发明所述的镜头都是沿光轴对称的光学结构，分析软件中往往只研究其一半视场的光学性质，即有半视场角一说)，则其0.3视场为9度，0.5视场为15度，0.7视场为21度。而具体操作中可以根据设计的具体情况对设定的视场进行调整，如图2中，所选取的几个视场就为0度，9.3度，15.5度，21.7度，25.5度来整体评价本设计的像质。可以看到，图中各视场和子午方向(T)和弧矢方向(S)方向的MTF曲线很靠近。这正体现了本具体实施方式的镜头的成像品质优秀，它表明：镜头在各个视场，子午方向(T)和弧矢方向(S)这两个方向的成像性能具有良好的一致性，就是说能保证镜头在整个成像面上都能清晰成像。而不会出现中间清晰，边缘就模糊的情况。

图3是本具体实施方式的视场一致性的示意图，其中横轴表示距离，0处为理想成像面，就是设计时的最佳成像面的位置，而实际制造中，不可能做到毫无误差，往往用于接受光线后将其转化为数字信号的传感器一般都放置在成像面位置(sensor)不会正好放在最佳成像面的地方，而是有一点偏差。S和T分别代表弧矢方向和子午方向(两个互相垂直的两个面)上的MTF曲线。DEG即角度(degree)，代表了各视场角的数值。通常认为MTF数值在0.3以上则认为是可接受，即人眼可分辨的极限情况。图3反映了像面离焦的一个情况，从图3可知，代表各个视场(方向)的MTF曲线取值较高，即使是成像面偏离一定的距离仍能保证＞＝0.3。。这表明本具体实施方式的镜头的焦深较长，适合于生产的需要。

图4是本具体实施方式的横轴色差示意图，在图4中最大视场角(MAXIUM FIELD)，即半视场角为34.5度，整体视场角为69度，图中的横轴为长度大小，单位um(1*E-6m)，艾利斑(Airy)，即在衍射极限(理想镜头的最佳成像状况)的情况下，光线聚焦时最小光斑为艾利斑。从图中可看出，横轴色差的大小均在艾利斑大小范围内，表示镜头的色差校正良好。

图5是本具体实施方式的光学镜头的畸变示意图，其中横轴为百分比，纵轴为视场。畸变是实际镜头对物体成像时的一种歪曲，它会使直线成像为曲线，在实际成像中是不可避免的。图5中的三条曲线分别代表三种颜色的可见光(用来代表整个可见光范围内的畸变状况)，其在整个视场内畸变值都在-2％-2％之间，而在此范围内的畸变属于人眼不敏感的范畴，实用时时也不会影响成像。

具体实施方式二：

图6所示的光学镜头即具体实施方式二的光学镜头，该光学镜头的参数如下：

镜片参数：

类型	曲率半径(R)	距值(d)	折射率	色散值
类型	曲率半径(R)	距值(d)	折射率	色散值	光阑面		0
第一表面	1.013	0.586	1.53	55.6	光阑面		0
第一表面	1.013	0.586	1.53	55.6	第二表面	-0.336	0.123
第三表面	-0.213	0.382	1.585	29.5	第二表面	-0.336	0.123
第三表面	-0.213	0.382	1.585	29.5	第四表面	-0.550	0.400
第一平行板面		0.300	1.5168	64.17	第四表面	-0.550	0.400

非球面系数：

对于具体实施方式二的光学镜头，其光学性能图见图7、8、9、10。图7是光学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，从图中可知镜头在各个视场，子午视场(T)和弧矢视场(S)两个方向的成像性能具有良好的一致性，能保证镜头在整个成像面上都能清晰成像。而不会出现中间清晰、边缘就模糊的情况。从图8可知表明镜头的焦深较长，适合于生产的需要。从图9可知横轴色差的大小均在艾利斑大小范围内，表示镜头的色差校正良好。从图10可知，在整个视场内畸变值都在-2％-2％之间，而在此范围内的畸变属于人眼不敏感的范畴，使用时也不会影响成像。

具体实施方式三：

图11所示的光学镜头即具体实施方式二的光学镜头，该光学镜头的参数如下：

镜片参数：

非球面系数：

对于具体实施方式三的光学镜头，其光学性能图见图12、13、14、15。图12是光学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，从图中可知镜头在各个视场，子午视场(T)和弧矢视场(S)两个方向的成像性能具有良好的一致性，保证镜头在整个成像面上都能清晰成像。而不会出现中间清晰，边缘就模糊的情况。从图13可知本具体实施方式的光学镜头焦深较长，适合于生产的需要。从图14可知横轴色差的大小均在艾利斑大小范围内，表示镜头的色差校正良好。从图15可知，在整个视场内畸变值都在-2％-2％之间，而在此范围内的畸变属于人眼不敏感的范畴，使用时也不会影响成像。

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的保护范围。

Claims

1.一种光学镜头，包括关于光轴对称的并且从物面到成像面依次同轴排列的固定光阑、第一透镜和第二透镜；所述第一透镜具有正屈光度，包括皆为凸面的第一表面和第二表面，所述第一表面面向物面，所述第一表面的光学有效径小于第二表面；所述第二透镜具有负屈光度，包括第三表面和第四表面，所述第三表面为朝向物面的凹面，所述第四表面为凸面；所述第一透镜的色散值大于第二透镜，所述第一透镜的折射率值小于第二透镜，其特征是：

所述光学镜头满足如下关系式：

1.25＜f/L＜1.55；

0.35＜f1/f＜0.55；

L_H/L＞0.25；

1＜n2/n1＜1.2；

1＜v1/v2＜3；

2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征是：

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、二透镜都至少有一个表面为非球面，所述非球面表面上各点的坐标值均满足如下非球面公式：

z = \frac{{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}

4.根据权利要求3所述的光学镜头，其特征是：

5.根据权利要求4所述的光学镜头，其特征是：

所述第一透镜和第二透镜的材料为塑料或玻璃。

6.根据权利要求5所述的光学镜头，其特征是：

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 第一表面 -0.404 0.629 -0.195 0.189 -17.687 153.115 -620.158 第二表面 -0.254 -0.468 0.243 0.154 -6.836 13.900 -6.259 第三表面 9.295 -1.713 2.173 7.837 -77.002 203.807 -175.915 第四表面 -0.343 -1.276 0.494 3.510 -11.938 15.445 -7.043

。

7.根据权利要求5所述的光学镜头，其特征是：

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 第一表面 -1.929 0 -0.915 -72.978 3194.712 -4.861E+004 0 第二表面 -0.714 0 0.684 -31.631 231.757 -809.043 0 第三表面 -1.177 0 -2.533 -18.474 412.024 -2179.793 0 第四表面 0 0 1.335 4.260 -6.458 37.748 0

。

8.根据权利要求5所述的光学镜头，其特征是：

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 第一表面 -2.816 0 -0.755 -30.097 956.209 -1.268E+004 0 第二表面 -0.807 0 0.561 -23.077 134.704 -445.707 0 第三表面 -6.890 0 2.890 -0.293 -32.206 644.018 0 第四表面 0 0 1.194 2.983 -11.692 29.919 0

。