CN117222930A - 超广角镜头光学*** - Google Patents

Abstract

提供了一种超广角镜头光学***，由前透镜(L1)、非平面棱镜(L2)和后透镜组(L3、L4、L5、L6、L7)组成。所述非平面棱镜(L2)在物侧和成像侧都具有非平面表面。所述非平面棱镜(L2)配置为使光路弯曲90°。

Description

超广角镜头光学***

技术领域

本发明涉及一种图像拾取透镜，其形成用于如CCD或CMOS传感器等固态图像传感器的对象图像，并且更具体地，涉及用于如智能手机、游戏机、PC、IP相机、家用电器、汽车等便携式设备的CCD或CMOS传感器的超广角镜头。它还涉及安装在无人飞行器等上的超广角镜头和摄影设备。

背景技术

随着近年来智能手机的普及，对成像镜头的需求变得多样化，希望提高光学性能，例如视角更宽、长焦性能更高、直径更大(NA更高)等，同时保持直接受产品尺寸影响的成像模块尺寸。如今，当多相机***成为主流时，超广角镜头在衡量智能手机产品差异化方面发挥着重要作用，因为超广角镜头适合拍摄风景、建筑、自己、室内、微距摄影等。此处，超广角是指大约45°或更大的半视角。

作为这种超广角镜头模块的示例，第2018072716A号日本专利公开公开了由包括负透镜L1和正透镜L2的六个透镜组成的光学***。此处，关于本发明中使用的术语，除非另有说明，否则透镜的正/负是指透镜靠近光轴的焦距的正/负。

但是，如第2018072716A号日本专利公开中描述的成像透镜具有较大失真，即–10％至–30％。在超广角成像光学中，为了确保总光学长度足够小并确保成像性能，通常会牺牲失真，这对于认为较大失真是相机缺陷的用户来说当然是不可取的。此外，有许多相机执行数字处理来校正这种失真问题，但结果是，这种数字处理减小了超广角视角，降低了图像质量，从而削减了超广角镜头的好处，导致失去了作为相机的竞争力。

日本专利公开P2018-25794A中公布了一种令人满意地校正这种失真的超广角成像光学***。但是，为了校正失真，光学***的总光学长度变为25mm或更大，这导致产品尺寸增加，不能满足最近厚度非常薄的移动设备的需要。

为了缩短光学***的总光学长度，已经考虑通过使用棱镜使光路弯曲。虽然使用棱镜缩短了总光学长度，但存在一个问题，即厚度增加的量使前透镜被挤到一边。需要一种能解决上述问题的超广角镜头。

因此，需要一种超广角镜头光学***，其能够解决用于如智能手机、游戏机、PC、IP相机、家用电器、汽车等便携式设备的CCD或CMOS传感器的上述问题。

发明内容

本发明减少和/或消除了上述缺点。

本发明的主要目的是提供一种超广角镜头光学***，以提供短TTL、厚度较薄且具有较小失真的高质量图像。通过使用本发明的超广角镜头光学***，它可以安装在薄产品中，同时抑制失真，使得尽管有超广角镜头，也可以获得高图像质量。

根据第一方面，提供了一种超广角镜头光学***。超广角镜头光学***由前透镜、非平面棱镜和后透镜组组成。非平面棱镜在物侧和成像侧都具有非平面表面，并配置为使光路弯曲90°。由于非平面棱镜具有屈光度，因此前透镜可以布置得非常靠近非平面棱镜，以将前透镜的前表面与非平面棱镜(即后透镜组的光轴)之间的距离降到最小。

因此，光模块的厚度和TTL都可以小于使用规则棱镜的普通光模块的厚度和TTL，因为它能够实现配置，使前球体从透镜***的后组的最大直径稍微突出。

根据本发明的一个方面，提供了一种超广角镜头光学***，从物侧到像侧包括第一透镜、非平面棱镜和后透镜组，其中，ω是所述超广角镜头光学***的半视角，f是所述超广角镜头光学***的焦距，f1是所述第一透镜的焦距，满足以下条件：

(i)50≤ω≤75，更优选55≤ω≤70；

(ii)–3.9≤f1/f≤–0.8，更优选–2.8≤f1/f≤–1.3。

条件(ii)定义了超广角镜头光学***可以适当控制入射到非平面棱镜上的光通量面积，同时实现条件(i)定义的视场角的范围。

根据权利要求1所述的本超广角镜头光学***的一个方面，其中，f2是所述非平面棱镜的焦距，它满足以下条件：

(iii)2≤f2/f≤9.5，更优选3≤f2/f≤7.5。

条件(iii)定义了非平面棱镜的屈光度范围，以令人满意地校正失真和彗形像差，实现小型化，并确保足够数量的周边光。

根据上述权利要求中任一项所述的本超广角镜头光学***的一个方面，其中，f(G_rear)是后组的焦距，它满足以下条件：

(iv)1.3≤f(G_rear)/f≤3.3，更优选1.6≤f(G_rear)/f≤2.5。

条件(iv)定义了有效实现场曲率的良好校正和缩短光学总长度(opticaloverall length，TTL)的范围。

根据上述权利要求中任一项所述的超广角镜头光学***的一个方面，其中，TTL是从成像表面到所述第一透镜的前表面的光路的总长度，它满足以下条件：

(v)6≤TTL/f≤16，更优选7.6≤TTL/f≤14。

条件(v)定义了适合于充分减少失真并随后令人满意地校正彗形像差和场曲率的光学总长度条件。根据上述权利要求中任一项所述的超广角镜头光学***的一个方面，其中，sag_L2S2是所述非平面棱镜L2的后表面上的下垂量，当朝向所述成像表面的方向为正，朝向对象的方向为负，且rad_L2S2为所述非平面棱镜L2的所述像侧的光学有效半径时，它满足以下条件：

(vi)–0.15≤sag_L2S2/rad_L2S2≤0.1，更优选–0.1≤sag_L2S2/rad_L2S2≤0.05。

条件(vi)使得能够以从非平面棱镜L2的像侧表面发射的光线的适当角度将光线注入透镜组G_rear。

根据第二方面，提供了一种相机。所述相机包括第一方面提供的超广角镜头光学***和图像传感器。超广角镜头光学***用于将用于携带图像数据的光输入图像传感器；图像传感器用于根据图像数据显示图像。

根据第三方面，提供了一种终端。终端包括相机，即第二方面提供的相机，以及图形处理单元(graphic processing unit，GPU)。GPU连接到相机。相机用于获得图像数据并将图像数据输入GPU，CPU用于处理从相机接收的图像数据。终端可以应用于手机和平板电脑等移动设备的小型相机。

本发明将通过以下描述和附图进一步详细地呈现，附图示出了根据本发明的优选实施例，仅用于说明目的。

附图说明

通过以下对本发明的非限制性实施例的详细描述，并查看附图，可以更好地理解本发明，其中：

图1-1示出了本发明的第一实施例提供的光学透镜***的截面图；

图1-2示出了本发明的第一实施例提供的光学透镜***的纵向球面像差；

图1-3示出了本发明的第一实施例提供的光学透镜***的像散场；

图1-4示出了本发明的第一实施例提供的光学透镜***的失真；

图2-1示出了本发明的第二实施例提供的光学透镜***的截面图；

图2-2示出了本发明的第二实施例提供的光学透镜***的纵向球面像差；

图2-3示出了本发明的第二实施例提供的光学透镜***的像散场；

图2-4示出了本发明的第二实施例提供的光学透镜***的失真；

图3-1示出了本发明的第三实施例提供的光学透镜***的截面图；

图3-2示出了本发明的第三实施例提供的光学透镜***的纵向球面像差；

图3-3示出了本发明的第三实施例提供的光学透镜***的像散场；

图3-4示出了本发明的第三实施例提供的光学透镜***的失真；

图4示出了本发明的一种实现方式。

具体实施方式

将参考附图和光学数据描述本发明的超广角镜头光学***的以下实施例。该透镜***可应用于如手机和平板电脑等移动设备的相机。此外，本光学***由前透镜、非平面棱镜和由五个透镜组成的后透镜组组成。组的后透镜可以由少于或多于五个透镜组成。

非平面棱镜在物侧和像侧都具有非平面表面，使得前透镜可以布置得非常靠近非平面棱镜，以便将前透镜的前表面与其余透镜的光轴之间的距离降到最小。因此，光模块的厚度和TTL都可以小于使用规则棱镜的普通光模块，因为它能够实现前球体从透镜***的后组的最大直径稍微突出的配置。

因此，本发明的超广角镜头光学***的以下实施例可以实现高图像质量，并且基本上没有失真且具有紧凑性。

第一实施例

图1-1示出了本发明的第一实施例提供的光学透镜***的截面图；光学透镜***从物侧开始包括具有正屈光力的第一透镜L1、具有正屈光力并使光路弯曲90°的非平面棱镜L2和由第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6和第七透镜L7组成的透镜***的后组(G_rear)。此外，术语“光阑”表示布置在非平面棱镜L2与第三透镜L3之间的光阑表面。在L7透镜与成像表面之间布置有红外截止滤光片或玻璃盖板等滤光片IR。需要说明的是，此滤光片IR可以省略。

表1-1示出了根据第一实施例的光学透镜***的每个透镜元件的曲率半径、中心处的每个光学表面的厚度或间隔、d线的屈光力和相对于d线的阿贝数。

表1-1

还需要说明的是，带*的表面表示该表面是非球形表面，使得第一实施例中每个光学元件的所有表面都是非球形表面。在第一实施例中，只有第五透镜L5由光学玻璃材料制成，而其它透镜由塑料材料制成。

表1-2示出了根据第一实施例的光学透镜***的每个透镜元件的非球面系数，其中，数字2、4、……、20表示高阶非球面系数。非球面表面剖面的等式表示如下：

其中，

z：光轴方向上距离透镜表面顶点的距离(下垂量)；

H：垂直于光轴方向的方向上的高度；

c：透镜顶点处的近轴曲率(曲率半径的倒数)；

Y：非球面表面的曲线上的某一点到光轴的距离；

k：圆锥系数；

Ai：i阶的非球面系数。

表1-2非球面系数

图1-2示出了球面像差图，该球面像差图示出了F线(486.1nm)、d线(587.6nm)和C线(656.3nm)(实线)的每个波长的像差量。

图1-3示出了像散图，弧矢像面S上的d线像差的量用实线表示，切向像面T上的d线像差的量用虚线表示。

图1-4示出了用实线示出d线上的像差量的失真图。

从图表中可以看出，每个像差都得到了令人满意的校正。此外，关于本发明中使用的术语，屈光力是指在近轴(靠近光轴)中的屈光力。

第二实施例

图2-1示出了本发明的第二实施例提供的光学透镜***的截面图；光学透镜***从物侧开始包括具有负屈光力的第一透镜L1、具有正屈光力并使光路弯曲90°的非平面棱镜L2和由第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6和第七透镜L7组成的透镜***的后组(G_rear)。此外，术语“光阑”表示布置在非平面棱镜L2与第三透镜L3之间的光阑表面。在L7透镜与成像表面之间布置有红外截止滤光片或玻璃盖板等滤光片IR。需要说明的是，此滤光片IR可以省略。

表1-2示出了根据第二实施例的光学透镜***的每个透镜元件的曲率半径、中心处的每个光学表面的厚度或间隔、d线的屈光力和相对于d线的阿贝数。

表2-1

还需要说明的是，带*的表面表示该表面是非球形表面，使得在第二实施例中，除非平面棱镜L2外的所有表面都由非球形表面组成，L2由双面球形表面组成。在第二实施例中，所有光学元件都由塑料材料制成。

表2-2示出了根据第二实施例的光学透镜***的每个透镜元件的非球面系数，其中，数字2、4、……、20表示高阶非球面系数。非球面系数如上所述给出。

表2-2非球面系数

图2-2示出了球面像差图，该球面像差图示出了F线(486.1nm)、d线(587.6nm)和C线(656.3nm)(实线)的每个波长的像差量。

图2-3示出了像散图，弧矢像面S上的d线像差的量用实线表示，切向像面T上的d线像差的量用虚线表示。

图2-4示出了用实线示出d线上的像差量的失真图。

从图表中可以看出，每个像差都得到了令人满意的校正。此外，关于本发明中使用的术语，屈光力是指在近轴(靠近光轴)中的屈光力。

第三实施例

图3-1示出了本发明的第三实施例提供的光学透镜***的截面图。光学透镜***从物侧开始包括具有负屈光力的第一透镜L1、具有正屈光力并使光路弯曲90°的非平面棱镜L2和由第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6和第七透镜L7组成的透镜***的后组(G_rear)。此外，术语“光阑”表示布置在非平面棱镜L2与第三透镜L3之间的光阑表面。在L7透镜与成像表面之间布置有红外截止滤光片或玻璃盖板等滤光片IR。需要说明的是，此滤光片IR可以省略。

表3-1示出了根据第三实施例的光学透镜***的每个透镜元件的曲率半径、中心处的每个光学表面的厚度或间隔、d线的屈光力和相对于d线的阿贝数。

表3-1

还需要说明的是，带*的表面表示该表面是非球形表面，使得第三实施例中每个光学元件的所有表面都是非球形表面。所有光学元件均由塑料材料制成。

表3-2示出了根据第三实施例的光学透镜***的每个透镜元件的非球面系数，其中，数字2、4、……、20表示高阶非球面系数。非球面系数如上所述给出。

表3-2非球面系数

图3-2示出了球面像差图，该球面像差图示出了F线(486.1nm)、d线(587.6nm)和C线(656.3nm)(实线)的每个波长的像差量。

图3-3示出了像散图，弧矢像面S上的d线像差的量用实线表示，切向像面T上的d线像差的量用虚线表示。

图3-4示出了用实线示出d线上的像差量的失真图。

从图表中可以看出，每个像差都得到了令人满意的校正。此外，关于本发明中使用的术语，屈光力是指在近轴(靠近光轴)中的屈光力。

如上文的光学数据所示，本发明的超广角镜头光学***可以实现高图像质量，并且基本上没有失真且具有紧凑性。这些实施例中的超广角镜头通过满足以下条件获得优选的效果：

(i)50≤ω≤75

其中，ω是半视角。

(ii)–3.9≤f1/f≤–0.8

其中，f是超广角镜头光学***的焦距，f1是第一透镜L1的焦距。

(iii)2≤f2/f≤9.5

其中，f是超广角镜头光学***的焦距，f2是非平面棱镜L2的焦距。

(iv)1.3≤f(G_rear)/f≤3.3

其中，f是超广角镜头光学***的焦距，f(G_rear)是后组G_rear的焦距。

(v)6≤TTL/f≤16

其中，f是超广角镜头光学***的焦距，TTL是从成像表面到第一透镜L1的表面S1的光路的总长度。

(vi)–0.15≤sag_L2S2/rad_L2S2≤0.1

其中，当朝向成像表面的方向是正的，朝向对象的方向是负的，并且rad_L2S2是非平面棱镜L2的S2表面的光学有效半径时，sag_L2S2是非平面棱镜L2的S2表面上的下垂量。

条件(i)定义了超广角镜头的视场角范围。如果它低于这个下限，就会发生如上所述的较大失真。此外，即使使用本发明的配置，也难以以良好平衡的方式校正当超过上限时产生的失真像差以及彗形像差和场曲率。具体而言，由于非平面棱镜的屈光度过度增加，分辨率性能下降。从这个角度来看，以下范围更可取。

(i)-2：55≤ω≤70。

条件(ii)定义了超广角镜头光学***可以适当控制入射到非平面棱镜上的光通量面积，同时实现条件(i)定义的视场角的范围。如果它低于下限，棱镜厚度就会变大，并且无法实现超广角镜头光学***可以安装在薄产品上的厚度。如果超过上限，棱镜厚度变小，但由于第一透镜使光线突然弯曲，会出现彗形像差和球面像差，无法获得良好的分辨率性能。从这个角度来看，以下范围更可取。

(ii)-2：–2.8≤f1/f≤–1.3

条件(iii)定义了非平面棱镜的屈光度范围，以令人满意地校正失真和彗形像差，实现小型化，并确保足够数量的周边光。如果超过这个上限，非平面棱镜的屈光度将被削弱，效果将与通常使用的直角棱镜相同。如果低于下限，非平面棱镜的屈光度会变得过强，分辨率性能会下降。从这个角度来看，以下范围更可取。

(iii)-2：3≤f2/f≤7.5。

关于周边光，已知随着视场角的增加，周边光的量由于余弦四次方定律而减少。改善此问题的一种方法是产生失真，这将如上所述使图像扭曲。另一种改善周边光的方法是增加渐晕因子。这意味着入射到第一透镜L1上的光通量的厚度比中心光通量厚。周边光通量的这种放大防止了周边光量减少。关于本发明的内容，通过观察条件(ii)和(iii)，可以使该渐晕因子最大化，从而可以确保周边光量。

条件(iv)定义了有效实现场曲率的良好校正和缩短光学总长度(opticaloverall length，TTL)的范围。通过满足这一范围，可以令人满意地校正场曲率，并可以缩短总光学长度。如果超过上限，总光学长度就会变长，如果低于下限，就会产生场曲率，分辨率性能下降。从这个角度来看，以下范围更可取。

(iv)-2：1.6≤f(G_rear)/f≤2.5

条件(v)定义了适合于充分减少失真并随后令人满意地校正彗形像差和场曲率的光学总长度条件。超过上限将导致镜头模组的尺寸增加。空间不是无限的，即使它弯曲和降低。+如果低于下限，则上述像差校正变得不足，分辨率性能下降。从这个角度来看，以下范围更可取。

(v)-2：7.6≤TTL/f≤14

条件(vi)使得能够以从非平面棱镜L2的像侧表面发射的光线的适当角度将光线注入透镜组G_rear。如果偏离这个范围，则难以保持超广角和像差校正。此外，在该范围内，可以使制造非平面棱镜和组装前组和后组更容易。从这个角度来看，以下范围更可取。

(vi)-2：–0.1≤sag_L2S2/rad_L2S2≤0.05

使用本发明的超广角镜头光学***，尽管存在超广角，失真仍然可以保持非常低(小于5％)。此外，它还使得第一透镜L1能够靠近非平面棱镜L2布置，换句话说，以保持超广角镜头模块的厚度非常小。因此，本发明的超广角镜头光学***可以在许多移动设备中使用，以提供超广角和优选的图像质量。

此外，提供了一种相机。本发明中的相机包括本发明中的超广角镜头光学***和图像传感器。超广角镜头光学***用于输入光，光用于将图像投射到图像传感器；图像传感器用于将图像转换为数字图像数据。这种相机优选安装在移动设备中。

图4示出了本发明公开的终端1000。终端1000包括在上述实现方式中提供的相机100和图形处理单元(graphic processing unit，GPU)200。相机100用于将通过本发明的超广角镜头光学***的图像转换为数字图像数据并将数字图像数据输入到GPU 200中，GPU200用于处理从相机接收的图像数据。

在图4中，终端包括两个相机100。但是，终端可以包括单个相机或两个或两个以上相机，并且它(或它们)可以连接到单个GPU 200。终端1000具有超广角、高图像质量和紧凑性，可应用于手机相机等高分辨率手机相机。

在本发明中，此处的超广角是指大约45°或更大的半视角。

虽然根据本发明的透镜***可以特别应用于手机相机，但它也可以应用于任何移动设备中的相机，例如智能手机、游戏机、PC、IP相机、家用电器、汽车等。

尽管出于说明目的，已经公开了本发明的优选实施例，但本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。

Claims (8)

1.一种超广角镜头光学***，其特征在于，从物侧到像侧包括第一透镜、非平面棱镜和后透镜组，其中，ω是所述超广角镜头光学***的半视角，f是所述超广角镜头光学***的焦距，f1是所述第一透镜的焦距，满足以下条件：

(i)50≤ω≤75，更优选55≤ω≤70；

(ii)–3.9≤f1/f≤–0.8，更优选–2.8≤f1/f≤–1.3。

2.根据权利要求1所述的超广角镜头光学***，其特征在于，f2是所述非平面棱镜的焦距，它满足以下条件：

(iii)2≤f2/f≤9.5，更优选3≤f2/f≤7.5。

3.根据上述权利要求中任一项所述的超广角镜头光学***，其特征在于，f(G_rear)是后组的焦距，它满足以下条件：

(iv)1.3≤f(G_rear)/f≤3.3，更优选1.6≤f(G_rear)/f≤2.5。

4.根据上述权利要求中任一项所述的超广角镜头光学***，其特征在于，TTL是从成像表面到所述第一透镜的前表面的光路的总长度，它满足以下条件：

(v)6≤TTL/f≤16，更优选7.6≤TTL/f≤14。

5.根据上述权利要求中任一项所述的超广角镜头光学***，其特征在于，sag_L2S2是所述非平面棱镜的后表面上的下垂量，当朝向所述成像表面的方向为正，朝向对象的方向为负，且rad_L2S2为所述非平面棱镜的所述像侧的光学有效半径时，它满足以下条件：

(vi)–0.15≤sag_L2S2/rad_L2S2≤0.1，更优选–0.1≤sag_L2S2/rad_L2S2≤0.05。

6.根据上述权利要求中任一项所述的超广角镜头光学***，其特征在于，所述后组由五个透镜组成。

7.一种相机，其特征在于，包括根据上述权利要求中任一项所述的超广角镜头光学***，所述相机还包括图像传感器，其中，所述超广角镜头光学***用于将图像投射到所述图像传感器上，并且所述图像传感器用于将所述图像转换为数字图像数据。

8.一种终端，其特征在于，包括根据权利要求7所述的相机和图形处理单元(graphicprocessing unit，GPU)，其中，所述GPU与所述相机连接，用于接收和处理所述数字图像。