CN111025600B - 长焦光学成像***及变焦摄像装置 - Google Patents

长焦光学成像***及变焦摄像装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种长焦光学成像***及变焦摄像装置，该长焦光学成像***沿光轴由物侧至像侧依序包括：具有正光焦度的第一透镜；具有负光焦度的第二透镜；折返棱镜，折返棱镜的入射面与第二透镜的轴线垂直，折返棱镜的出射面与折返棱镜的入射面垂直，沿光轴入射至折返棱镜的成像光线，在折返棱镜的第一折返面和折返棱镜的第二折返面处依次反射并从折返棱镜的出射面垂直射出；以及三棱镜，从折返棱镜的出射面垂直射出的光线在三棱镜的反射面处反射并偏转90°，且偏转方向朝向像侧；第一透镜的物侧面至第二透镜的像侧面中具有至少一个非球面镜面；长焦光学成像***的总有效焦距F1满足F1＞40mm。

Description

长焦光学成像***及变焦摄像装置
技术领域
本申请涉及光学元件领域，更具体地，涉及一种长焦光学成像***及变焦摄像装置。
背景技术
目前对便携式电子设备的成像功能要求越来越高，手机的摄像装置向着高分辨率、大视场、轻量化和多功能性的方向发展。这就要求摄像装置中的光学成像***同时具有大口径、长焦距、宽视场、结构紧凑、高像质和低畸变等多项特性。而由于期望便携式电子设备具有较小的尺寸，因此其上设置的光学成像***的尺寸也受到了限制。
面对这些高要求，一方面，手机摄像装置的光学成像***越来越复杂，从开始的一个成像***要四五片镜片到现在的七八片镜片。光学成像***中镜片数增加，使得无论是前期的优化还是后期的制造，都是比较复杂困难的。另一方面，手机行业趋向于采用多套光学成像***进行多摄，多套光学成像***之间分别突出不同的光学特性，其中通常包括一个焦距较长的长焦光学成像***，由于受到手机厚度的限制，长焦光学成像***的光学特性受到限制，使得手机的成像例如背景虚化、物体放大等效果受限。
因此，如何实现一种光学特性好且能够满足小型化要求的光学成像***是目前亟待解决的问题。为了满足小型化需求并满足成像要求，需要一种能够兼顾小型化、结构紧凑、超长焦距及高像质的光学成像***。
发明内容
一方面，本申请提供了一种长焦光学成像***，其沿光轴由物侧至像侧依序包括：具有正光焦度的第一透镜；具有负光焦度的第二透镜；折返棱镜，折返棱镜的入射面与第二透镜的轴线垂直，折返棱镜的出射面与折返棱镜的入射面垂直，沿光轴入射至折返棱镜的成像光线，在折返棱镜的第一折返面和折返棱镜的第二折返面处依次反射并从折返棱镜的出射面垂直射出；以及三棱镜，从折返棱镜的出射面垂直射出的光线在三棱镜的反射面处反射并偏转90°，且偏转方向朝向像侧。第一透镜的物侧面至第二透镜的像侧面中具有至少一个非球面镜面。在一个实施方式中，长焦光学成像***的总有效焦距F1可满足F1＞40mm。
在一个实施方式中，光线沿光轴从第一透镜的物侧面传播至长焦光学成像***的成像面的路径距离在空气中的等效距离TL与第一透镜的物侧面至长焦光学成像***的成像面在长焦光学成像***的成像面的法线方向上的距离T可满足3.0＜TL/T＜4.0。
在一个实施方式中，第一透镜的物侧面至长焦光学成像***的成像面在长焦光学成像***的成像面的法线方向上的距离T与长焦光学成像***的总有效焦距F1可满足T/F1＜0.6。
在一个实施方式中，在与折返棱镜的出射面垂直的方向上，长焦光学成像***具有高度H；长焦光学成像***的高度H与第一透镜的最大有效直径D1可满足2.5＜H/D1＜3.5。
在一个实施方式中，折返棱镜的第二折返面与折返棱镜的入射面之间的夹角β与折返棱镜的入射面的有效直径h可满足0.2≤|tanβ|/h≤0.3。
在一个实施方式中，折返棱镜的入射面的有效直径h与第二透镜的最大有效直径D2可满足1.0＜h/D2＜1.5。
在一个实施方式中，长焦光学成像***的总有效焦距F1与第一透镜的有效焦距f1可满足3.0＜F1/f1＜4.0。
在一个实施方式中，长焦光学成像***的总有效焦距F1与第二透镜的有效焦距f2可满足-3.5＜F1/f2＜-3.0。
在一个实施方式中，长焦光学成像***的入瞳直径EPD与长焦光学成像***的成像面上有效像素区域的对角线长的一半ImgH可满足2.0＜EPD/ImgH＜3.0。
在一个实施方式中，第一透镜的折射率N1与第二透镜的折射率N2可满足1.65＜(N1+N2)/2＜1.80。
在一个实施方式中，折返棱镜的出射面与三棱镜的入射面在光轴上的间隔距离Tp可满足2.0＜Tp＜3.0。
第二方面，本申请还提供了一种长焦光学成像***，其沿光轴由物侧至像侧依序包括：具有正光焦度的第一透镜；具有负光焦度的第二透镜；折返棱镜，折返棱镜的入射面与第二透镜的轴线垂直，折返棱镜的出射面与折返棱镜的入射面垂直，沿光轴入射至折返棱镜的成像光线，在折返棱镜的第一折返面和折返棱镜的第二折返面处依次反射并从折返棱镜的出射面垂直射出；以及三棱镜，从折返棱镜的出射面垂直射出的光线在三棱镜的反射面处反射并偏转90°，且偏转方向朝向像侧；第一透镜的物侧面至第二透镜的像侧面中具有至少一个非球面镜面；光线沿光轴从第一透镜的物侧面传播至长焦光学成像***的成像面的路径距离在空气中的等效距离TL与第一透镜的物侧面至长焦光学成像***的成像面在长焦光学成像***的成像面的法线方向上的距离T满足3.0＜TL/T＜4.0。
本申请采用了两片透镜及两个棱镜，通过设置棱镜，使得光线的传播方向相对多片透镜的排列方向折返，从而使得光学成像镜头在光线入射方向上的尺寸减小；而且折返棱镜的使用减少了***中光线能量的损失；同时，通过合理分配各透镜的光焦度、面型、各透镜的中心厚度以及各透镜之间的轴上间距等，使得上述光学成像***具有超长有效焦距、高像质、***尺寸小、结构简单及结构紧凑等至少一个有益效果。
第三方面，本申请提供了一种变焦摄像装置，包括：前述的长焦光学成像***；以及近焦光学成像***，与长焦光学成像***并行设置；长焦光学成像***的总有效焦距F1和近焦光学成像***的总有效焦距F2可满足F1/F2＞5。
本申请提供的变焦摄像装置，通过设置两个光学成像***，具有较大的变焦范围，并具有超长有效焦距、高像质、***尺寸小、结构简单及结构紧凑等至少一个有益效果。
附图说明
结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本申请的其他特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：
图1示出了根据本申请的一种长焦光学成像***的结构示意图；
图2示出了根据本申请实施例1的长焦光学成像***的结构示意图；图3A至图3D分别示出了实施例1的光学成像***的轴上色差曲线、象散曲线、畸变曲线以及倍率色差曲线；
图4示出了根据本申请实施例2的长焦光学成像***的结构示意图；图5A至图5D分别示出了实施例2的光学成像***的轴上色差曲线、象散曲线、畸变曲线以及倍率色差曲线；
图6示出了根据本申请实施例3的长焦光学成像***的结构示意图；图7A至图7D分别示出了实施例3的光学成像***的轴上色差曲线、象散曲线、畸变曲线以及倍率色差曲线；
图8示出了根据本申请实施例4的近焦光学成像***的结构示意图；图9A至图9D分别示出了实施例4的光学成像***的轴上色差曲线、象散曲线、畸变曲线以及倍率色差曲线；
图10示出了根据本申请实施例5的近焦光学成像***的结构示意图；图11A至图11D分别示出了实施例5的光学成像***的轴上色差曲线、象散曲线、畸变曲线以及倍率色差曲线。
具体实施方式
为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
应注意，在本说明书中，第一、第二、第三等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一透镜也可被称作第二透镜或第三透镜。
在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了透镜的厚度、尺寸和形状。具体来讲，附图中所示的球面或非球面的形状通过示例的方式示出。即，球面或非球面的形状不限于附图中示出的球面或非球面的形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
在本文中，近轴区域是指光轴附近的区域。若透镜表面为凸面且未界定该凸面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凸面；若透镜表面为凹面且未界定该凹面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凹面。每个透镜最靠近被摄物体的表面称为该透镜的物侧面，每个透镜最靠近成像面的表面称为该透镜的像侧面。
还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。
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。
以下对本申请的特征、原理和其他方面进行详细描述。
参考图1，根据本申请示例性实施方式的长焦光学成像***可包括第一透镜E100、第二透镜E200、折返棱镜P1和三棱镜P2。两片透镜沿着光轴由物侧至像侧依序排列。相邻两透镜之间、相邻两棱镜之间及透镜与棱镜之间均可具有空气间隔。长焦光学成像***可在恰当的位置布置有光阑。可选地，长焦光学成像***还可包括用于校正色彩偏差的滤光片和/或用于保护位于成像面上的感光元件的保护玻璃。
在示例性实施方式中，第一透镜E100具有正光焦度；第二透镜E200具有负光焦度。通过合理的控制***的各个组元的光焦度的正负分配和镜片面型曲率，来有效的平衡控制***的低阶像差。
在示例性实施方式中，折返棱镜P1可至少包括沿着光轴依次布置的入射面S105、第一折返面S106、第二折返面S107及出射面S108。三棱镜P2可至少包括入射面S109、反射面S110和出射面S111。光轴在折返棱镜P1内转折两次，光轴在三棱镜P2内转折一次。
折返棱镜P1的入射面S105与第二透镜E200的轴线垂直，折返棱镜P1的出射面S108与折返棱镜P1的入射面S105垂直，沿光轴入射至折返棱镜P1的成像光线，在折返棱镜P1的第一折返面S106和折返棱镜P1的第二折返面S107处依次反射并从折返棱镜P1的出射面S108垂直射出。而从折返棱镜P1的出射面S108垂直射出的光线在三棱镜P2的反射面S110处反射并偏转90°且偏转方向朝向像侧。折返棱镜P1的使用减少了长焦光学成像***中光学能量的损失，使得长焦光学成像***具有尺寸小、结构紧凑的特点。
在示例性实施方式中，本申请的长焦光学成像***可满足条件式F1＞40mm，其中，F1是长焦光学成像***的总有效焦距。更具体地，F1可满足F1＞45mm。通过约束长焦光学成像***的总有效焦距，使得长焦光学成像***具有超长焦距。
在示例性实施方式中，本申请的长焦光学成像***可满足条件式3.0＜TL/T＜4.0，其中，Tl是光线沿光轴从第一透镜E100的物侧面S101传播至长焦光学成像***的成像面S112的路径距离在空气中的等效距离，T是第一透镜E100的物侧面S101至长焦光学成像***的成像面S112在长焦光学成像***的成像面S112的法线方向上的距离。更具体地，TL与T可满足3.4＜TL/T＜3.5。通过控制长焦光学成像***的光学总长在空气中的等效距离与结构长度的比值，可在成像面S112的法线方向上也即通常使用时的水平方向上控制长焦光学成像***的长度，可防止长焦光学成像***的结构尺寸过大。可较好的满足市场对便携式电子设备尺寸小、结构紧凑的要求。
在示例性实施方式中，本申请的长焦光学成像***可满足条件式T/F1＜0.6，其中，T是第一透镜E100的物侧面S101至长焦光学成像***的成像面S112在长焦光学成像***的成像面S112的法线方向上的距离，F1是长焦光学成像***的总有效焦距。更具体地，T与F1可满足T/F1＜0.5。通过约束长焦光学成像***的结构长度与其总有效焦距的比值，可保证长焦光学成像***在图示的水平方向上具有较小尺寸的情况下，同时还具有超长的有效焦距的光学特性。
在示例性实施方式中，折返棱镜P1为五棱镜，第一折返面S106和第二折返面S107之间夹角较小，通过设置一个棱面，可以使折返棱镜P1上竖直方向的尺寸较小。
在示例性实施方式中，本申请的长焦光学成像***可满足条件式2.5＜H/D1＜3.5，其中，H是长焦光学成像***图示竖直方向上的高度，竖直方向也是光轴在折返棱镜P1的第二折返面S107与三棱镜P2的反射面S110之间的区段的方向，D1是第一透镜P1的最大有效直径。更具体地，H与D1可满足2.6＜H/D1＜3.2。通过控制长焦光学成像***在竖直方向的高度与第一透镜P1的最大有效直径的比值，可有效地保证长焦光学成像***的结构尺寸不会过大。使得安装其的便携式电子设备能满足市场中尺寸小、结构紧凑的需求。
在示例性实施方式中，本申请的长焦光学成像***可满足条件式0.2≤|tanβ|/h≤0.3，其中，β是折返棱镜P1的第二折返面S107与折返棱镜P1的入射面S105之间的夹角，h是折返棱镜P1的入射面S105的有效直径。h可相当于竖直方向上入射面S105的有效高度。更具体地，β与h可满足0.21≤|tanβ|/h≤0.28。通过使第二折返面S107和入射面S105之间的夹角与入射面S105的有效直径匹配，可以约束折返棱镜P1内成像光线的走向，进而使该长焦光学成像***具有较长的有效焦距的光学性能。
在示例性实施方式中，本申请的长焦光学成像***可满足条件式1.0＜h/D2＜1.5，其中，h是折返棱镜P1的入射面S105的有效直径，D2是第二透镜E200的最大有效直径。更具体地，h与D2可满足1.2＜h/D2＜1.45。通过控制入射面S105的有效直径与第二透镜E200的最大有效直径的比值，有利于较好的控制长焦光学成像***的整体尺寸，使得长焦光学成像***在满足高要求的光学性能的同时，还满足结构上的小型化的需求。
在示例性实施方式中，本申请的长焦光学成像***可满足条件式3.0＜F1/f1＜4.0，其中，F1是长焦光学成像***的总有效焦距，f1是第一透镜E100的有效焦距。更具体地，F1与f1可满足3.48＜F1/f1＜3.55。通过控制总有效焦距与第一透镜E100的有效焦距的比值，能够有效地控制第一透镜E10的有效焦距对总有效焦距的贡献，并使总有效焦距具有较大值以实现超长焦距的特性。
在示例性实施方式中，本申请的长焦光学成像***可满足条件式-3.5＜F1/f2＜-3.0，其中，F1是长焦光学成像***的总有效焦距，f2是第二透镜E200的有效焦距。更具体地，F1与f2可满足-3.2＜F1/f2＜-3.15。通过控制总有效焦距与第二透镜E200的有效焦距的比值，能够有效地控制第二透镜E200的有效焦距对总有效焦距的贡献，并使总有效焦距具有较大值以实现超长焦距的特性。
在示例性实施方式中，本申请的长焦光学成像***可满足条件式2.0＜EPD/ImgH＜3.0，其中，EPD是长焦光学成像***的入瞳直径，ImgH是长焦光学成像***的成像面S112上有效像素区域的对角线长的一半。更具体地，EPD与ImgH可满足2.20＜EPD/ImgH＜2.70。通过控制长焦光学成像***的入瞳直径与像高的比值，有利于使长焦光学成像***在满足大口径和高像质的光学性能的同时，还具有较大的视场角。
在示例性实施方式中，本申请的长焦光学成像***可满足条件式1.65＜(N1+N2)/2＜1.80，其中，N1是第一透镜E100的折射率，N2是第二透镜E200的折射率。更具体地，N1与N2可满足1.69＜(N1+N2)/2＜1.73。通过选择第一透镜E100的材料及第二透镜E200的材料，进而控制第一透镜E100的折射率和第二透镜E200的折射率。此外，使两个折射率的比值满足前述条件式，使长焦光学成像***具有像质高、像差小的效果。
在示例性实施方式中，本申请的长焦光学成像***可满足条件式2.0＜Tp＜3.0，其中，Tp是折返棱镜P1的出射面S108与三棱镜P2的入射面S109在光轴上的间隔距离。更具体地，Tp可满足2.30＜Tp＜2.85。通过控制折返棱镜P1和三棱镜P2的空气间隔，给与了像面S112一定的移动空间，使长焦光学成像***具有更好的组装工艺性，且使得长焦光学成像***更加紧凑。更加小型化。
根据本申请的上述实施方式的光学成像***可采用多片镜片，例如上文所述的两片。通过合理分配各透镜的光焦度、面型、各透镜的中心厚度以及各透镜之间的轴上间距等，可有效地缩小成像***的体积、降低成像***的敏感度并提高成像***的可加工性，使得光学成像***更有利于生产加工并且可适用于便携式电子产品。同时，本申请的光学成像***还具备超长有效焦距等优良光学性能。
在本申请的实施方式中，各透镜的镜面中的至少一个为非球面镜面，即，第一透镜E100的物侧面S101和第二透镜E200的像侧面S104中的至少一个为非球面镜面。非球面透镜的特点是：从透镜中心到透镜周边，曲率是连续变化的。与从透镜中心到透镜周边具有恒定曲率的球面透镜不同，非球面透镜具有更佳的曲率半径特性，具有改善歪曲像差及改善像散像差的优点。采用非球面透镜后，能够尽可能地消除在成像的时候出现的像差，从而改善成像质量。可选地，第一透镜和第二透镜中的每个透镜的物侧面和像侧面中的至少一个为非球面镜面。可选地，第一透镜和第二透镜中的每个透镜的物侧面和像侧面均为非球面镜面。
本申请还提供一种变焦摄像装置，其包括：前述各实施方式以及组合实施方式的长焦光学成像***和近焦光学成像***。近焦光学成像***与长焦光学成像***并行设置，二者可摄取同一物侧的像。该变焦摄像装置结构紧凑、尺寸小，且成像质量较好。
在示例性实施方式中，该变焦摄像装置可满足关系式：F1/F2＞5，其中，F1是长焦光学成像***的总有效焦距，F2是近焦光学成像***的总有效焦距。更具体地，F1和F2可满足F1/F2＞7。通过控制两个光学成像***的总有效焦距之比，使该变焦摄像装置具有良好的变焦摄远功能。
在示例性实施方式中，近焦光学成像***可具有七片透镜。在示例性实施方式中，上述近焦光学成像***还可包括至少一个光阑。光阑可根据需要设置在适当位置处，例如，设置在最靠近物侧的透镜与物侧之间。可选地，上述近焦光学成像***还可包括用于校正色彩偏差的滤光片和/或用于保护位于其成像面上的感光元件的保护玻璃。
根据本申请的上述实施方式的近焦光学成像***可采用多片镜片，例如上文所述的七片。通过合理分配各透镜的光焦度、面型、各透镜的中心厚度以及各透镜之间的轴上间距等，可有效地缩小成像***的体积、降低成像***的敏感度并提高成像***的可加工性，使得光学成像***更有利于生产加工。在本申请的实施方式中，近焦光学成像***的各透镜的镜面中的至少一个为非球面镜面。可选地，每个透镜的物侧面和像侧面均为非球面镜面。
然而，本领域的技术人员应当理解，在未背离本申请要求保护的技术方案的情况下，可改变构成长焦光学成像***的透镜数量及近焦光学成像***的透镜数量，来获得本说明书中描述的各个结果和优点。还可以在变焦摄像装置中设置更多的光学成像***。
下面参照附图进一步描述可适用于上述实施方式的各光学成像***的具体实施例。在以下实施例中，实施例1-3是如上文所述的长焦光学成像***，而实施例4-5是如上文所述的近焦光学成像***。本申请所提供的实施例已考虑了彼此之间的适配性。换言之，本申请的以下长焦光学成像***和近焦光学成像***可彼此任意组合以实现期望的变焦摄像装置。
实施例1
以下参照图2至图3D描述根据本申请实施例1长焦的光学成像***。图2示出了根据本申请实施例1的长焦光学成像***的结构示意图。
如图2所示，长焦光学成像***沿光轴由物侧至像侧依序包括：第一透镜E100、第二透镜E200、折返棱镜P1和三棱镜P2。
第一透镜E100具有正光焦度，其物侧面S101为凸面，像侧面S102为凹面。第二透镜具有负光焦度，其物侧面S103为凹面，像侧面S104为凹面。折返棱镜P1的入射面S105至三棱镜P2的出射面S111皆为半径是无穷的球面。来自物体的光依序穿过各表面S101至S111并最终成像在长焦光学成像***的成像面S112上。可在第一透镜E100的物侧面S101处设置光阑。
表1示出了实施例1的长焦光学成像***的基本参数表，其中，曲率半径、厚度/距离和焦距的单位均为毫米(mm)。
Figure GDA0003196396640000061
Figure GDA0003196396640000071
表1
在实施例1中，长焦光学成像***的总有效焦距F1的值是47.70mm，长焦光学成像***的成像面S112上有效像素区域对角线长的一半ImgH的值是3.17mm。
在实施例1中，第一透镜E100至第二透镜E200中的任意一个透镜的物侧面和像侧面均为非球面，各非球面透镜的面型x1可利用但不限于以下非球面公式进行限定：
Figure GDA0003196396640000072
其中，x1为非球面沿光轴方向在高度为m1的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c1为非球面的近轴曲率，c1＝1/R(即，近轴曲率c1为上表1中曲率半径R1的倒数)；k1为圆锥系数；Ai是非球面第i-th阶的修正系数。下表2给出了可用于实施例1中各非球面镜面S101至S104的高次项系数A4、A6、A8和A10。
面号 A4 A6 A8 A10
S1 5.8243E-05 -7.5436E-07 5.2773E-08 -2.3047E-09
S2 5.2876E-04 -4.3133E-06 -5.2751E-07 7.8582E-09
S3 1.9158E-03 -8.0799E-05 1.0799E-06 -2.9290E-09
S4 1.8337E-03 -5.2936E-05 6.3900E-07 2.0478E-08
表2
图3A示出了实施例1的长焦光学成像***的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由***后的汇聚焦点偏离。图3B示出了实施例1的长焦光学成像***的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图3C示出了实施例1的长焦光学成像***的畸变曲线，其表示不同视场角对应的畸变大小值。图3D示出了实施例1的长焦光学成像***的倍率色差曲线，其表示光线经由***后在成像面上的不同的像高的偏差。根据图3A至图3D可知，实施例1所给出的长焦光学成像***能够实现良好的成像品质。
实施例2
以下参照图4至图5D描述根据本申请实施例2的长焦光学成像***。在本实施例及以下实施例中，为简洁起见，将省略部分与实施例1相似的描述。图4示出了根据本申请实施例2的长焦光学成像***的结构示意图。
如图4所示，长焦光学成像***沿光轴由物侧至像侧依序包括：第一透镜E100、第二透镜E200、折返棱镜P1和三棱镜P2。
第一透镜E100具有正光焦度，其物侧面S101为凸面，像侧面S102为凹面。第二透镜具有负光焦度，其物侧面S103为凹面，像侧面S104为凹面。折返棱镜P1的入射面S105至三棱镜P2的出射面S111皆为半径是无穷的球面。来自物体的光依序穿过各表面S101至S111并最终成像在长焦光学成像***的成像面S112上。可在第一透镜E100的物侧面S101处设置光阑。
在实施例2中，长焦光学成像***的总有效焦距F1的值是52.47mm，长焦光学成像***的成像面S112上有效像素区域对角线长的一半ImgH的值是3.49mm。
表3示出了实施例2的长焦光学成像***的基本参数表，其中，曲率半径、厚度/距离和焦距的单位均为毫米(mm)。表4示出了可用于实施例2中各非球面镜面的高次项系数，其中，各非球面面型可由上述实施例1中给出的公式(1)限定。
Figure GDA0003196396640000081
表3
面号 A4 A6 A8 A10
S1 4.3759E-05 -4.6840E-07 2.7081E-08 -9.7741E-10
S2 3.9727E-04 -2.6782E-06 -2.7070E-07 3.3326E-09
S3 1.4394E-03 -5.0170E-05 5.5416E-07 -1.2422E-09
S4 1.3777E-03 -3.2869E-05 3.2791E-07 8.6848E-09
表4
图5A示出了实施例2的长焦光学成像***的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由***后的汇聚焦点偏离。图5B示出了实施例2的长焦光学成像***的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图5C示出了实施例2的长焦光学成像***的畸变曲线，其表示不同视场角对应的畸变大小值。图5D示出了实施例2的长焦光学成像***的倍率色差曲线，其表示光线经由***后在成像面上的不同的像高的偏差。根据图5A至图5D可知，实施例2所给出的长焦光学成像***能够实现良好的成像品质。
实施例3
以下参照图6至图7D描述了根据本申请实施例3的长焦光学成像***。图6示出了根据本申请实施例3的长焦光学成像***的结构示意图。
如图6所示，长焦光学成像***沿光轴由物侧至像侧依序包括：第一透镜E100、第二透镜E200、折返棱镜P1和三棱镜P2。
第一透镜E100具有正光焦度，其物侧面S101为凸面，像侧面S102为凹面。第二透镜具有负光焦度，其物侧面S103为凹面，像侧面S104为凹面。折返棱镜P1的入射面S105至三棱镜P2的出射面S111皆为半径是无穷的球面。来自物体的光依序穿过各表面S101至S112并最终成像在长焦光学成像***的成像面S112上。可在第一透镜E100的物侧面S101处设置光阑。
在实施例3中，长焦光学成像***的总有效焦距F1的值是57.24mm，长焦光学成像***的成像面S112上有效像素区域对角线长的一半ImgH的值是3.80mm。
表5示出了实施例3的长焦光学成像***的基本参数表，其中，曲率半径、厚度/距离和焦距的单位均为毫米(mm)。表6示出了可用于实施例3中各非球面镜面的高次项系数，其中，各非球面面型可由上述实施例1中给出的公式(1)限定。
Figure GDA0003196396640000091
表5
面号 A4 A6 A8 A10
S1 3.3706E-05 -3.0316E-07 1.4728E-08 -4.4666E-10
S2 3.0600E-04 -1.7334E-06 -1.4722E-07 1.5230E-09
S3 1.1087E-03 -3.2471E-05 3.0138E-07 -5.6766E-10
S4 1.0612E-03 -2.1274E-05 1.7833E-07 3.9688E-09
表6
图7A示出了实施例3的长焦光学成像***的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由***后的汇聚焦点偏离。图7B示出了实施例3的长焦光学成像***的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图7C示出了实施例3的长焦光学成像***的畸变曲线，其表示不同视场角对应的畸变大小值。图7D示出了实施例3的长焦光学成像***的倍率色差曲线，其表示光线经由***后在成像面上的不同的像高的偏差。根据图7A至图7D可知，实施例3所给出的长焦光学成像***能够实现良好的成像品质。
综上，实施例1至实施例3分别满足表7中所示的关系。
条件式\实施例 1 2 3
TL/T 3.44 3.44 3.44
T/F1 0.48 0.48 0.48
H/D1 2.66 2.92 3.18
|tanβ|/h 0.27 0.24 0.22
h/D2 1.28 1.30 1.42
F1/f1 3.51 3.51 3.51
F1/f2 -3.18 -3.18 -3.18
EPD/ImgH 2.68 2.44 2.23
(N1+N2)/2 1.72 1.72 1.72
Tp 2.37 2.60 2.84
表7
下面参照附图进一步描述可适用于上述实施方式的变焦摄像装置的具体实施例。
实施例4
本实施例的变焦摄像装置中，可包括前述各实施方式以及实施例1至3中任意一种长焦光学成像***，还包括近焦光学成像***。
以下参照图8至图9D描述了根据本申请实施例4的近焦光学成像***。图8示出了根据本申请实施例4的近焦光学成像***的结构示意图。
如图8所示，近焦光学成像***沿光轴由物侧至像侧依序包括：光阑STO、第三透镜E1、第四透镜E2、第五透镜E3、第六透镜E4、第七透镜E5、第八透镜E6、第九透镜E7以及滤光片E8。
第三透镜E1具有正光角度，其物侧面S1为凸面，S2为凹面。第四透镜E2具有负光焦度，其物侧面S3为凸面，像侧面S4为凹面。第五透镜E3具有负光焦度，其物侧面S5为凹面，像侧面S6为凸面。第六透镜E4具有正光焦度，其物侧面S7为凹面，像侧面S8为凸面。第七透镜E5具有正光焦度，其物侧面S9为凹面，像侧面S10为凸面。第八透镜E6具有正光焦度，其物侧面S11为凹面，像侧面S12为凸面。第九透镜E7具有负光焦度，其物侧面S13具有凹面，像侧面S14具有凹面。滤光片E8具有物侧面S15和像侧面S16。来自物体的光依序穿过各表面S1至S16并最终成像在近焦光学成像***的成像面S17上。
在实施例4中，近焦光学成像***的总有效焦距F2的值是6.70mm，近焦光学成像***的成像面S17上有效像素区域对角线长的一半ImgH的值是6.40mm。当本实施例的变焦摄像装置采用实施例1中的长焦光学成像***时，变焦比为7.12。
表8示出了实施例4的近焦光学成像***的基本参数表，其中，曲率半径、厚度/距离和焦距的单位均为毫米(mm)。
Figure GDA0003196396640000101
表8
在实施例4中，第三透镜E1至第九透镜E7中的任意一个透镜的物侧面和像侧面均为非球面，各非球面透镜的面型x2可利用但不限于以下非球面公式进行限定：
Figure GDA0003196396640000111
其中，x2为非球面沿光轴方向在高度为m2的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为非球面的近轴曲率，c2＝1/R2(即，近轴曲率c2为上表8中曲率半径R2的倒数)；k2为圆锥系数；Bi是非球面第i-th阶的修正系数。下表9给出了可用于实施例4中各非球面镜面S1至S14的高次项系数B4、B6、B8、B10、B12、B14、B16、B18和B20。
面号 B4 B6 B8 B10 B12 B14 B16 B18 B20
S1 -8.4271E-03 -1.6373E-03 1.4022E-03 -5.1051E-04 1.5227E-04 -5.1006E-05 2.1046E-05 -6.6965E-06 5.2334E-06
S2 -2.0807E-02 3.5852E-03 1.1982E-03 1.2762E-03 2.6435E-04 2.9637E-04 -5.0860E-05 7.3553E-05 -1.3804E-05
S3 -9.6169E-02 2.1992E-02 -3.6468E-03 2.7382E-03 -1.4150E-04 4.1701E-04 -1.0682E-04 8.3109E-05 -2.1289E-05
S4 -5.9474E-02 1.1641E-02 -2.8163E-03 1.5481E-03 -4.5618E-04 2.7761E-04 -1.2172E-04 5.8302E-05 -1.5282E-05
S5 6.5631E-02 3.7679E-03 -1.8356E-03 5.0585E-04 -1.1830E-04 1.1111E-04 -6.8334E-05 3.1712E-05 -9.3756E-06
S6 -2.7204E-02 4.3034E-02 -1.0201E-02 1.3290E-03 9.4051E-05 1.0239E-04 -7.3964E-05 5.0447E-05 -1.5216E-05
S7 -6.4914E-02 7.4840E-02 -5.7584E-03 -6.6374E-03 2.7704E-03 1.7981E-04 -2.0616E-04 5.3663E-05 2.6793E-05
S8 1.9111E-02 1.4531E-01 -6.9459E-02 1.8346E-02 1.2157E-03 -3.5439E-03 2.3029E-03 -7.7473E-04 1.5122E-04
S9 7.5932E-01 7.8930E-02 -9.5168E-02 6.3922E-02 -3.0589E-02 1.4630E-02 -4.1668E-03 8.0841E-04 -1.4083E-04
S10 2.4891E-02 1.4643E-01 1.2972E-01 -2.2891E-02 -2.1407E-02 9.3133E-03 8.1198E-03 -1.7355E-03 -7.8068E-04
S11 -4.9777E-01 8.5581E-01 4.9509E-01 -1.0423E-01 -1.5718E-01 5.5216E-03 6.1221E-02 3.5340E-03 -1.5464E-02
S12 -9.8457E-03 7.4299E-01 8.2398E-02 1.6289E-01 -2.3109E-02 -1.2227E-01 3.6826E-02 1.5341E-02 3.9560E-03
S13 -1.7940E+00 -6.6226E-01 -6.6294E-02 1.8543E-01 2.8473E-01 1.7655E-01 2.4170E-02 -3.5435E-02 -3.4661E-02
S14 -5.7893E+00 1.0611E+00 -3.6441E-01 7.5989E-02 -8.0817E-02 3.1960E-03 9.5569E-03 -1.2997E-02 1.0727E-03
表9
图9A示出了实施例4的近焦光学成像***的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由***后的汇聚焦点偏离。图9B示出了实施例4的近焦光学成像***的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图9C示出了实施例4的近焦光学成像***的畸变曲线，其表示不同像高对应的畸变大小值。图9D示出了实施例4的近焦光学成像***的倍率色差曲线，其表示光线经由***后在成像面上的不同的像高的偏差。根据图9A至图9D可知，实施例4所给出的近焦光学成像***能够实现良好的成像品质。该变焦摄像装置具有较好的像质。
实施例5
本实施例的变焦摄像装置中，可包括前述各实施方式以及实施例1至3中任意一种长焦光学成像***，还包括近焦光学成像***。
以下参照图10至图11D描述了根据本申请实施例5的近焦光学成像***。图10示出了根据本申请实施例5的近焦光学成像***的结构示意图。
如图10所示，近焦光学成像***沿光轴由物侧至像侧依序包括：光阑STO、第三透镜E1、第四透镜E2、第五透镜E3、第六透镜E4、第七透镜E5、第八透镜E6、第九透镜E7以及滤光片E8。
第三透镜E1具有正光角度，其物侧面S1为凸面，S2为凹面。第四透镜E2具有负光焦度，其物侧面S3为凸面，像侧面S4为凹面。第五透镜E3具有负光焦度，其物侧面S5为凹面，像侧面S6为凸面。第六透镜E4具有正光焦度，其物侧面S7为凹面，像侧面S8为凸面。第七透镜E5具有负光焦度，其物侧面S9为凹面，像侧面S10为凸面。第八透镜E6具有正光焦度，其物侧面S11为凹面，像侧面S12为凸面。第九透镜E7具有负光焦度，其物侧面S13具有凹面，像侧面S14具有凸面。滤光片E8具有物侧面S15和像侧面S16。来自物体的光依序穿过各表面S1至S16并最终成像在近焦光学成像***的成像面S17上。
在实施例5中，近焦光学成像***的总有效焦距F2的值是6.63mm，近焦光学成像***的成像面S17上有效像素区域对角线长的一半ImgH的值是6.40mm。当本实施例的变焦摄像装置采用实施例3中的长焦光学成像***时，变焦比为8.63。
表9示出了实施例5的光学成像***的基本参数表，其中，曲率半径、厚度/距离和焦距的单位均为毫米(mm)。表10示出了可用于实施例5中各非球面镜面的高次项系数，其中，各非球面面型可由上述实施例1中给出的公式(2)限定。
Figure GDA0003196396640000121
表10
Figure GDA0003196396640000122
Figure GDA0003196396640000131
表11
图11A示出了实施例5的近焦光学成像***的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由***后的汇聚焦点偏离。图11B示出了实施例5的近焦光学成像***的象散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图11C示出了实施例5的近焦光学成像***的畸变曲线，其表示不同像高对应的畸变大小值。图11D示出了实施例5的近焦光学成像***的倍率色差曲线，其表示光线经由***后在成像面上的不同的像高的偏差。根据图11A至图11D可知，实施例5所给出的近焦光学成像***能够实现良好的成像品质。该变焦摄像装置具有较好的像质。
本申请还提供一种变焦摄像装置，其设置有电子感光元件以成像，其电子感光元件可以是感光耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)或互补性氧化金属半导体元件(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)。该变焦摄像装置可以是诸如数码相机的独立成像设备，也可以是集成在诸如手机等移动电子设备上的成像模块。该成像装置装配有以上描述的光学成像***。
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，本申请中所涉及的保护范围，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本申请构思的情况下，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。

Claims (21)

1.长焦光学成像***，其特征在于，具有光焦度的透镜的数量是两片，所述长焦光学成像***沿光轴由物侧至像侧依序包括：
具有正光焦度的第一透镜；
具有负光焦度的第二透镜；
折返棱镜，所述折返棱镜的入射面与所述第二透镜的轴线垂直，所述折返棱镜的出射面与所述折返棱镜的入射面垂直，沿所述光轴入射至所述折返棱镜的成像光线，在所述折返棱镜的第一折返面和所述折返棱镜的第二折返面处依次反射并从所述折返棱镜的出射面垂直射出；以及
三棱镜，从所述折返棱镜的出射面垂直射出的光线在所述三棱镜的反射面处反射并偏转90°，且偏转方向朝向像侧；
所述第一透镜的物侧面至所述第二透镜的像侧面中具有至少一个非球面镜面；
所述长焦光学成像***的总有效焦距F1满足F1＞40 mm；
在与所述折返棱镜的出射面垂直的方向上，所述长焦光学成像***具有高度H；所述长焦光学成像***的高度H与所述第一透镜的最大有效直径D1满足2.5＜H/D1＜3.5。
2.根据权利要求1所述的长焦光学成像***，其特征在于，光线沿所述光轴从所述第一透镜的物侧面传播至所述长焦光学成像***的成像面的路径距离在空气中的等效距离TL与所述第一透镜的物侧面至所述长焦光学成像***的成像面在所述长焦光学成像***的成像面的法线方向上的距离T满足3.0＜TL/T＜4.0。
3.根据权利要求1所述的长焦光学成像***，其特征在于，所述第一透镜的物侧面至所述长焦光学成像***的成像面在所述长焦光学成像***的成像面的法线方向上的距离T与所述长焦光学成像***的总有效焦距F1满足T/F1＜0.6。
4.根据权利要求1所述的长焦光学成像***，其特征在于，所述折返棱镜的第二折返面与所述折返棱镜的入射面之间的夹角β与所述折返棱镜的入射面的有效直径h满足0.2≤|tanβ|/h≤0.3。
5.根据权利要求1所述的长焦光学成像***，其特征在于，所述折返棱镜的入射面的有效直径h与所述第二透镜的最大有效直径D2满足1.0＜h/D2＜1.5。
6.根据权利要求1所述的长焦光学成像***，其特征在于，所述长焦光学成像***的总有效焦距F1与所述第一透镜的有效焦距f1满足3.0＜F1/f1＜4.0。
7.根据权利要求1所述的长焦光学成像***，其特征在于，所述长焦光学成像***的总有效焦距F1与所述第二透镜的有效焦距f2满足-3.5＜F1/f2＜-3.0。
8.根据权利要求1所述的长焦光学成像***，其特征在于，所述长焦光学成像***的入瞳直径EPD与所述长焦光学成像***的成像面上有效像素区域的对角线长的一半ImgH满足2.0＜EPD/ImgH＜3.0。
9.根据权利要求1所述的长焦光学成像***，其特征在于，所述第一透镜的折射率N1与所述第二透镜的折射率N2满足1.65＜(N1+N2)/2＜1.80。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的长焦光学成像***，其特征在于，所述折返棱镜的出射面与所述三棱镜的入射面在所述光轴上的间隔距离Tp满足2.0＜Tp＜3.0。
11.长焦光学成像***，其特征在于，具有光焦度的透镜的数量是两片，所述长焦光学成像***沿光轴由物侧至像侧依序包括：
具有正光焦度的第一透镜；
具有负光焦度的第二透镜；
折返棱镜，所述折返棱镜的入射面与所述第二透镜的轴线垂直，所述折返棱镜的出射面与所述折返棱镜的入射面垂直，沿所述光轴入射至所述折返棱镜的成像光线，在所述折返棱镜的第一折返面和所述折返棱镜的第二折返面处依次反射并从所述折返棱镜的出射面垂直射出；以及
三棱镜，从所述折返棱镜的出射面垂直射出的光线在所述三棱镜的反射面处反射并偏转90°，且偏转方向朝向像侧；
所述第一透镜的物侧面至所述第二透镜的像侧面中具有至少一个非球面镜面；
光线沿所述光轴从所述第一透镜的物侧面传播至所述长焦光学成像***的成像面的路径距离在空气中的等效距离TL与所述第一透镜的物侧面至所述长焦光学成像***的成像面在所述长焦光学成像***的成像面的法线方向上的距离T满足3.0＜TL/T＜4.0；
在与所述折返棱镜的出射面垂直的方向上，所述长焦光学成像***具有高度H；所述长焦光学成像***的高度H与所述第一透镜的最大有效直径D1满足2.5＜H/D1＜3.5。
12.根据权利要求11所述的长焦光学成像***，其特征在于，所述第一透镜的物侧面至所述长焦光学成像***的成像面在所述长焦光学成像***的成像面的法线方向上的距离T与所述长焦光学成像***的总有效焦距F1满足T/F1＜0.6。
13.根据权利要求12所述的长焦光学成像***，其特征在于，所述长焦光学成像***的总有效焦距F1满足F1＞40 mm。
14.根据权利要求11所述的长焦光学成像***，其特征在于，所述折返棱镜的第二折返面与所述折返棱镜的入射面之间的夹角β与所述折返棱镜的入射面的有效直径h满足0.2≤|tanβ|/h≤0.3。
15.根据权利要求11所述的长焦光学成像***，其特征在于，所述折返棱镜的入射面的有效直径h与所述第二透镜的最大有效直径D2满足1.0＜h/D2＜1.5。
16.根据权利要求11所述的长焦光学成像***，其特征在于，所述长焦光学成像***的总有效焦距F1与所述第一透镜的有效焦距f1满足3.0＜F1/f1＜4.0。
17.根据权利要求11所述的长焦光学成像***，其特征在于，所述长焦光学成像***的总有效焦距F1与所述第二透镜的有效焦距f2满足-3.5＜F1/f2＜-3.0。
18.根据权利要求11所述的长焦光学成像***，其特征在于，所述长焦光学成像***的入瞳直径EPD与所述长焦光学成像***的成像面上有效像素区域的对角线长的一半ImgH满足2.0＜EPD/ImgH＜3.0。
19.根据权利要求11所述的长焦光学成像***，其特征在于，所述第一透镜的折射率N1与所述第二透镜的折射率N2满足1.65＜(N1+N2)/2＜1.80。
20.根据权利要求11至19中任一项所述的长焦光学成像***，其特征在于，所述折返棱镜的出射面与所述三棱镜的入射面在所述光轴上的间隔距离Tp满足2.0＜Tp＜3.0。
21.变焦摄像装置，其特征在于，包括：
如权利要求1至20中任一项所述的长焦光学成像***；以及
近焦光学成像***，与所述长焦光学成像***并行设置；
所述长焦光学成像***的总有效焦距F1和所述近焦光学成像***的总有效焦距F2满足F1/F2＞5。
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