CN101414046A - 非球面取像镜头 - Google Patents

Abstract

一种非球面取像镜头，从物端到像端依次包括具有正屈光率的第一透镜、具有负屈光率的第二透镜及具有正屈光率的第三透镜。第一透镜为一新月型透镜并且其凸面朝向物端；第二透镜为一新月型透镜并且其凸面朝向像端；第三透镜的凹面朝向像端。上述第一、第二及第三透镜均至少具有一非球面，并且孔径光阑设于物端与第一透镜之间。该非球面取像镜头满足以下条件：TL/f＜1.0；Nd2＞1.55；及D2/f＜0.2其中，TL为第一透镜物端表面的顶点到第三透镜像端表面的最凸点的距离，f为取像镜头的有效焦距，Nd2为第二透镜的折射率，D2为第二透镜的厚度。

Description

非球面取像镜头

技术领域

本发明涉及一种取像镜头，特别是关于一种由较少透镜构成，适用于手机、便携式数字助理等小型摄影装置的高性能、低成本并且尺寸短小的非球面取像镜头。

背景技术

近年来，手机、便携式数字助理(PDA)及笔记本电脑，多配备有可摄像的镜头模组。这种镜头模组大多要求体积小、重量轻，并且由于以往影像感测单元，如CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)或CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补性金属氧化半导体)，的分辨率相当低，因此现有的取像镜头模组大多只有一枚透镜到两枚透镜组成。

如今，半导体制程技术的进步，使得供手机、便携式数字助理及笔记本电脑用的影像感测单元已逐渐提升到百万像素；镜头的透镜数太少，恐怕无法提供较佳的成像品质；而镜头的透镜数太多，虽可提供较佳的成像品质，却增加了镜头的光学***总长及成本，从而背离了紧凑性(compact)的要求。如何使用最少的透镜数量同时提供高分辨率的成像，便成了业界研发的方向。

另外，在取像镜头的透镜形态及材料选择上，由于传统的球面研磨玻璃透镜的材料选择较多，对于校正色差较为有利，因此在业界已广为使用。但球面研磨玻璃透镜使用于数值孔径(F Number)较小以及视角(Wide-angle)较大的情形时，球差及像散等像差的校正仍较困难。为了改善现有镜头中球面研磨玻璃透镜存在的这种缺陷，业界又采用非球面塑料透镜或者非球面模造玻璃透镜作为取像透镜的光学元件，以获得较佳的成像品质。

现有的适用于手机、便携式数字助理等小型摄影装置的取像镜头中，由三片透镜组成的镜头组已被广泛采用。美国专利第6,844,989及6,985,307号揭示了一种取像镜头，其三片透镜的屈光率从物端起分别为正、正、负，其孔径光阑设于第一与第二透镜之间。美国专利第6,927,925号揭露了一种取像镜头，其三片透镜的屈光率从物端起分别为正、负、正，其孔径光阑也设于第一与第二透镜之间。美国专利第6,992,840号及第7,064,905号则揭示了一种取像镜头，其孔径光阑设于第一透镜之前，其三片透镜的屈光率从物端起分别为正、正、负。上述现有的三片式取像镜头中，部分采用的是正、正、负的透镜屈光率排列结构，这样将不利于缩短镜头的长度，而孔径光阑如设于第一与第二透镜之间，则使得孔径光阑的组装与透镜相关联而不利于组装，并使出瞳(Exit Pupil)位置相应缩短。此外，上述现有的部分取像镜头中，其三片透镜并非均采用非球面透镜的形式，这样将难以获得最佳的成像品质。另外，部分上述现有镜头采用一玻璃透镜与两塑料透镜相结合的三透镜构形，该构形不仅在价格因素上失去竞争力，也使得镜头的整体长度仍然较长，重量也因含有玻璃透镜而仍然较重。因此，此类现有的三片式镜头仍有进一步改善的空间。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种非球面取像镜头，其仅使用三枚屈光率分别为正、负、正的透镜，以减少该取像镜头的长度与重量；同时，该三枚透镜均为非球面透镜，可充分修正光学像差而获得极佳的成像品质。

为实现上述目的，本发明提供一种非球面取像镜头，从物端到像端依次包括正屈光率的第一透镜、负屈光率的第二透镜及正屈光率的第三透镜。第一透镜为一新月型透镜并且其凸面朝向物端；第二透镜为一新月型透镜并且其凸面朝向像端。上述第一、第二及第三透镜均至少具有一非球面，并且孔径光阑设于物端与第一透镜之间。此非球面取像镜头满足以下条件：

TL/f<1.0

其中，TL为第一透镜物端表面的顶点到第三透镜像端表面的最凸点的距离，f为本发明非球面取像镜头的有效焦距。

如上所述，本发明非球面取像镜头的第二透镜满足以下条件：

Nd2>1.55

其中，Nd2为第二透镜的折射率。

如上所述，本发明非球面取像镜头的第二透镜进一步满足以下条件：

D2/f<0.2

其中，D2为第二透镜的厚度，f为本发明非球面取像镜头的有效焦距。

如上所述，本发明非球面取像镜头的第三透镜的屈光率由中心往边缘，由正转负再转正。第三透镜的物端表面为一凸面，而像端表面为一凹面。

较佳地，本发明非球面取像镜头的第一、第二、第三透镜的物端表面与像端表面均为非球面。

较佳地，本发明非球面取像镜头的第一至第三透镜均由塑料制成。

与现有技术相比，本发明的优点在于：使用三枚屈光率分别为正、负、正的非球面透镜，使得本发明的非球面取像镜头具有重量轻、长度短并且成像品质佳的优点。将孔径光阑STO置于物端OBJ与第一透镜G1之间，更可有效缩短本发明非球面取像镜头的长度并拉长出瞳位置，并使得孔径光阑STO与透镜的组装无关。较佳地，第一、第二及三透镜G1、G2、G3均使用塑料制成，而使得本发明非球面取像镜头的重量更为减轻并降低生产成本。因此，本发明的非球面取像镜头提供了一种高性能、小尺寸并且低成本的技术方案，因而适用于手机、便携式数字助理等小型摄影装置。

以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明非球面取像镜头的光学结构图。

图2为本发明第一数值实施例非球面取像镜头的纵向像差表现图。

图3为本发明第一数值实施例非球面取像镜头的场曲表现图。

图4为本发明第一数值实施例非球面取像镜头的畸变表现图。

图5为本发明第一数值实施例非球面取像镜头的衍射调制传递函数图。

图6为本发明第二数值实施例非球面取像镜头的纵向像差表现图。

图7为本发明第二数值实施例非球面取像镜头的场曲表现图。

图8为本发明第二数值实施例非球面取像镜头的畸变表现图。

图9为本发明第二数值实施例非球面取像镜头的衍射调制传递函数图。

具体实施方式

有关本发明的详细说明及技术内容，现就结合附图说明如下：

本发明的非球面取像镜头可应用于小型影像撷取装置，用来将目标物成像于影像感测元件，如CCD或CMOS。请参考图1，本发明非球面取像镜头从物端OBJ到像端IMA依次包括具有正屈光率的第一透镜G1、具有负屈光率的第二透镜G2及具有正屈光率的第三透镜G3。第一透镜G1为新月型透镜，并且其凸面S1朝向物端OBJ；第二透镜G2也为新月型透镜，并且其凸面S4朝向像端IMA。第三透镜G3整体为一正透镜，其屈光率由中心往边缘，由正转负再转正，即第三透镜G3近轴处及边缘处的屈光率均为正，而近轴及边缘之间的部分的屈光率则为负。第三透镜G3的物端表面S5为一朝向物端OBJ凸出的凸面，而像端表面S6为一凹面。第三透镜G3与像端IMA之间可视需要增设一平板玻璃CG。该平板玻璃CG可镀上抗反射薄膜或红外线过滤薄膜，以提供更好的成像效果。

本发明的非球面取像镜头中，孔径光阑STO位于物端OBJ与第一透镜G1之间。将孔径光阑STO放置于第一透镜G1之前，可在同视场维持相同主光线入射角(入射成像面)的条件下，有效地缩短本发明非球面取像镜头的长度并拉长出瞳位置，并使得孔径光阑STO与透镜的组装无关。

为使本发明的镜头结构满足较短镜头长度的需求，同时兼顾合理的后焦长度，本发明的非球面取像镜头需满足以下条件：

TL/f<1.0　　　　(1)

其中，TL为第一透镜G1物端表面S1的顶点A到第三透镜G3像端表面S6的最凸点B的距离，f为本发明非球面取像镜头的有效焦距。

本发明非球面取像镜头的各组成透镜中，第二透镜G2的材料需满足以下条件：

Nd2>1.55       (2)

其中，Nd2为第二透镜G2的折射率。采用较高折射率的材料，可有效缩减该第二透镜G2的厚度从而缩减本发明镜头的长度。

为使本发明非球面取像镜头的长度进一步加以缩减，第二透镜G2进一步满足以下条件：

D2/f<0.2       (3)

其中，D2为第二透镜G2的厚度，f为本发明非球面取像镜头的有效焦距。若D2/f的比值大于0.2，将会使第二透镜G2的厚度过厚，从而影响本发明镜头的整体长度。

本发明的非球面取像镜头中，第一、第二及第三透镜G1、G2、G3均具有至少一非球面表面，并较佳地均由塑料制成，以使本发明镜头在获得较佳的像差矫正的同时又可降低成本。较佳地，第一、第二、第三透镜G1、G2、G3的物端表面S1、S3、S5与像端表面S2、S4、S6均为非球面。第一、第二、第三透镜G1、G2、G3如采用球面透镜，则需要有足够长的空间来设置复合透镜以矫正像差，因此本发明采用非球面透镜，可减少镜头的镜片数目并缩减镜头总长。其中，第一、第二及第三透镜G1、G2、G3的非球面可由以下非球面公式来表示：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{[1-(k+1)c^2{h}^2]}^{\frac{1}{2}}}+{\mathrm{Ah}}^4+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}+{\mathrm{Eh}}^{12}+{\mathrm{Fh}}^{14}+{\mathrm{Gh}}^{16}$

其中，z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作参考时距离光轴的位移值；k为锥度常量；c为曲率半径的倒数；A、B、C、D、E、F、G为高阶非球面系数。

本发明的非球面取像镜头仅由屈光率分别为正、负、正的第一、第二、第三这三片非球面透镜G1、G2、G3构成，并且孔径光阑STO置于物端OBJ与第一透镜G1之间，因此具有重量轻、成本低、镜头长度短并且成像品质佳的优点。

基于前述本发明的技术内容，可依据下列数值实施例具体实施：

第一数值实施例：

本发明第一数值实施例的各项参数依次列于表1中：

由表1可知，依据上述第一数值实施例所实施的本发明非球面取像镜头，其有效焦距f为1.0mm，数值孔径Fno.为2.8。第一透镜G1物端表面S1的顶点A到第三透镜G3像端表面S6的最凸点B的距离TL大约为0.666mm，代入前述条件式(1)，可得TL/f＝0.666，符合小于1的要求。第二透镜G2的折射率Nd2为1.61，明显高于第一、第三透镜G1、G3的折射率，符合条件式(2)的要求。另外，本数值实施例中，透镜G2的厚度D2约为0.1mm，代入前述条件式(3)，可得D2/f＝0.1，也符合小于0.2的要求。

本发明的第一数值实施例中，第一透镜G1的透镜表面序号S1、S2、第二透镜G2的透镜表面序号S3、S4以及第三透镜G3的透镜表面序号S5、S6均为非球面，其非球面的相关数值依次列于表2-1与表2-2：

图2、图3与图4所示分别为本发明第一数值实施例的非球面取像镜头的纵向像差表现(Longitudinal Aberration)、场曲表现(Field Curvature)与畸变表现(Distortion)。图5所示为本发明第一数值实施例的非球面取像镜头的衍射调制传递函数图(Polychromatic Diffraction MTF(Modulation Transfer Function))，显示于1mm单位空间频率变化的光学传递函数(OTF，OpticalTransfer Function)的模数(Modulus)。这些图示表明本发明第一数值实施例的非球面取像镜头具有良好的光学性能。

第二数值实施例：

本发明第二数值实施例的各项参数依次列于表3中：

由表3可知，依据上述第二数值实施例所实施的本发明非球面取像镜头，其有效焦距f为1.0mm，孔径数值Fno.为2.8。第一透镜G1物端表面S1的顶点A到第三透镜G3像端表面S6的最凸点B的距离TL约为0.789mm，代入前述条件式(1)，可得TL/f＝0.789，符合小于1的要求。第二透镜G2的折射率Nd2为1.599，明显高于第一、第三透镜G1、G3的折射率，符合条件式(2)的要求。另外，本数值实施例中，透镜G2的厚度D2约为0.12mm，代入前述条件式(3)，可得D2/f＝0.12，也符合小于0.2的要求。

本发明的第二数值实施例中，第一透镜G1的透镜表面序号S1、S2、第二透镜G2的透镜表面序号S3、S4以及第三透镜G3的透镜表面序号S5、S6均为非球面，其非球面的相关数值依次列于表4-1与表4-2：

图6、图7与图8所示分别为本发明第二数值实施例的非球面取像镜头的纵向像差表现、场曲表现与畸变表现。图9所示为本发明第二数值实施例的非球面取像镜头的衍射调制传递函数图，显示于1mm单位空间频率变化的光学传递函数的模数。这些图示表明本发明第二数值实施例的非球面取像镜头具有良好的光学性能。

综上所述，本发明的优点在于：使用三枚屈光率分别为正、负、正的非球面透镜，使得本发明的非球面取像镜头具有重量轻、长度短并且成像品质佳的优点。将孔径光阑STO置于物端OBJ与第一透镜G1之间，更可有效缩短本发明非球面取像镜头的长度并拉长出瞳位置，并使得孔径光阑STO与透镜的组装无关。较佳地，第一、第二及三透镜G1、G2、G3均使用塑料制成，而使得本发明非球面取像镜头的重量更为减轻并降低生产成本。因此，本发明的非球面取像镜头提供了一种高性能、小尺寸并且低成本的技术方案，因而适用于手机、便携式数字助理等小型摄影装置。

Claims (7)

1.一种非球面取像镜头，从物端到像端在光轴上依次包括：

一第一透镜，为正屈光率并具有新月型形状，其物端表面朝向物端凸出；

一径光阑；

一第二透镜，为负屈光率并具有新月型形状，其像端表面朝向像端凸出；以及

一第三透镜，为正屈光率并且其像端表面为一凹面；

其特征在于：该孔径光阑位于物端与第一透镜之间，该第一、第二及第三透镜均至少具有一非球面，并且该非球面取像镜头满足以下条件：

TL/f<1.0

其中，TL为第一透镜物端表面的顶点到第三透镜像端表面的最凸点的距离，f为该非球面取像镜头的有效焦距。

2.如权利要求1所述的非球面取像镜头，其特征在于：该第三透镜的屈光率由中心往边缘，由正转负再转正。

3.如权利要求1所述的非球面取像镜头，其特征在于：该第一透镜的物端表面与像端表面均为非球面。

4.权利要求1所述的非球面取像镜头，其特征在于：该第二透镜的物端表面与像端表面均为非球面。

5.如权利要求1所述的非球面取像镜头，其特征在于：该第三透镜的物端表面与像端表面均为非球面。

6.如权利要求1所述的非球面取像镜头，其特征在于：该第二透镜满足以下条件：

Nd2>1.55

其中，Nd2为第二透镜的折射率。

7.如权利要求1所述的非球面取像镜头，其特征在于：该非球面取像镜头进一步满足以下条件：

D2/f<0.2

其中，D2为第二透镜的厚度，f为该非球面取像镜头的有效焦距。

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