CN104199172B

CN104199172B - 一种取像镜头

Info

Publication number: CN104199172B
Application number: CN201410397087.0A
Authority: CN
Inventors: 杨春
Original assignee: Qingdao Goertek Co Ltd
Current assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2014-08-13
Filing date: 2014-08-13
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2034-08-13
Also published as: CN104199172A

Abstract

本发明公开了一种取像镜头，该取像镜头包括4片塑料材质、各表面均为非球面的镜片，沿着光线入射方向依次为：第一正透镜，具有凸向物方的第一表面和凸向像方的第二表面；第二负透镜，具有凹向物方的第三表面和凹向像方的第四表面；第三正透镜，具有凹向物方的第五表面和凸向像方的第六表面；第四负透镜，采用双峰结构，具有凹向物方的第七表面和凸向像方的第八表面。本发明通过上述镜组的合理配置方式，可以有效地缩短镜头长度，增大镜头光圈，降低系统敏感度，并且能在低照度环境下获得良好的成像品质。

Description

一种取像镜头

技术领域

本发明涉及镜头设计领域，尤其涉及一种取像镜头。

背景技术

随着手机行业的高速发展，越来越多的厂商追求更轻薄的手机机身来吸引消费者的眼球，其中，影响手机机身厚度的关键因素之一就是手机镜头的光学长度，但想把具有较大光学长度的镜头集成在更轻薄的手机机身中，有着一定的难度。此外，随着电子技术的发展，手机镜头中的感光芯片像元尺寸不断缩小，使得手机镜头对低照度环境下的成像质量要求越来越高，而大光圈结构的镜头往往能使更多的光线达到感光芯片上，从而提高成像质量。

如何在保证手机镜头成像质量的基础上，进一步优化镜头配置，缩短镜头长度，增大镜头光圈，降低加工工艺难度以及生产成本，是手机行业发展的必然趋势。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种取像镜头，以解决上述问题或者至少部分地解决上述问题。

本发明提供了一种取像镜头，包括4片塑料材质、各表面均为非球面的镜片，沿着光线入射方向依次为：

第一正透镜，具有凸向物方的第一表面和凸向像方的第二表面；

第二负透镜，具有凹向物方的第三表面和凹向像方的第四表面；

第三正透镜，具有凹向物方的第五表面和凸向像方的第六表面；

第四负透镜，具有凹向物方的第七表面和凸向像方的第八表面；

并且，取所述第一正透镜的第一表面至所述第四负透镜的第八表面在光轴上的距离为Td，所述第一正透镜的第一表面的曲率半径为R1，所述第一正透镜的第二表面的曲率半径为R2，满足下列关系式：

2.1mm<Td<2.7mm；及

-1.2<(R1+R2)/(R1–R2)<-0.8。

可选地，所述取像镜头还包括一孔径光阑，所述孔径光阑位于所述第一正透镜的第一表面上。

可选地，

所述第一正透镜的折射率和色散系数范围分别在1.5＜n1＜1.65，50＜v1＜60；

所述第二负透镜的折射率和色散系数范围分别在1.5＜n2＜1.65，20＜v2＜30；

所述第三正透镜的折射率和色散系数范围分别在1.5＜n3＜1.65，50＜v3＜60；

所述第四负透镜的折射率和色散系数范围分别在1.5＜n4＜1.65，50＜v4＜60。

可选地，

所述第一正透镜采用APL5514型号的塑料材质，其折射率和色散系数分别为n1＝1.54，v1＝56；

所述第二负透镜采用SP3810型号的塑料材质，其折射率和色散系数分别为n2＝1.64，v2＝23.3；

所述第三正透镜采用APL5514型号的塑料材质，其折射率和色散系数分别为n3＝1.54，v3＝56；

所述第四负透镜采用APL5514型号的塑料材质，其折射率和色散系数分别为n4＝1.54，v4＝56。

可选地，该取像镜头还包括一红外截止滤光片，所述红外截止滤光片设置于所述第四负透镜的第八表面的成像侧，所述红外截止滤光片通过利用IRcut镀膜方法消除红外光线。

可选地，所述红外截止滤光片采用BK7或者K9材质，其折射率和色散系数分别为n＝1.5168，v＝64.17。

可选地，该取像镜头还包括一感光芯片，所述感光芯片设置于所述红外截止滤光片的成像侧。

可选地，

取所述取像镜头的焦距为f，所述第一正透镜的焦距为f1，所述第二负透镜的焦距为f2，所述第三正透镜的焦距为f3，所述第四负透镜的焦距为f4，其中，f1、f3大于0，f2、f4小于0，满足下列关系式：

-f4<f3<f1<-f2；

0.6<f1/f<0.85；

-2<f2/f<-1.5；

0.6<f3/f<0.85；及

-0.6<f4/f<-0.45。

可选地，所述取像镜头的焦距f＝3.02mm。

可选地，

取所述取像镜头总体长度为TTL，最大像面大小为Im，满足下列关系式：

TTL<3.6mm；

Im＝4.8mm；及

TTL/Im<0.74。

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的取像镜头具有以下有益效果：

1、4片镜片均采用塑料材质，相比玻璃材质，塑料材质具有质量轻、成本低、易于加工成型等优点，使得取像镜头的生产成本大幅降低，适于大批量生产。

2、4片镜片的光学表面均采用非球面，可有效控制像差，非球面镜边缘较薄，中央处光线和边缘光线可以聚焦在同一位置，可以有效减小球差，提高系统的相对孔径，扩大视场角，进而提高取像镜头在低照度环境下的成像质量，并可以通过调整非球面系数来提高光学性能。

3、取像镜头结构紧凑，第一透镜的第一表面到第四透镜的第八表面在光轴上的距离范围仅仅为2.1mm-2.7mm，可以有效缩短光学系统的总长度，并且第一正透镜的第一表面的曲率半径为R1，第二表面的曲率半径为R2，满足-1.2<(R1+R2)/(R1–R2)<-0.8，能够有效控制镜头焦距，提高光学性能。

4、取像镜头配型合理，采用正负正负的透镜组合，容易形成远心光路性能，能够保证光线以小的角度入射到感光芯片上，防止阴影的发生，也能够使光学系统总长度变得更小。其中，第一透镜采用正透镜，具有正的光焦度，起到收集光线汇聚轴外光线角度的作用；第二透镜采用负透镜，具有负的光焦度，起到光束整形的作用，使得通过第二透镜后的轴外边缘光线和主光线与光轴有一定的倾角，达到一定的像面高度；第三透镜采用正透镜，具有正的光焦度，使边缘光线和主光线具有较好的平行性，同时又保证了主光线对光轴的倾角；第四透镜采用负透镜，具有负的光焦度，能够进一步提高主光线入射角CRA与感光芯片的匹配性，消除轴外像差。

附图说明

图1是本发明一个实施例中的一种取像镜头的结构示意图；

图2A是本发明一个实施例中的极限分辨率下MTF曲线图；

图2B是本发明一个实施例中的1/2极限分辨率下MTF曲线图；

图3是本发明一个实施例中的光学场曲和畸变曲线图；

图4是本发明一个实施例中的点列图；

图5是本发明一个实施例中的垂轴色差曲线图；

图6是本发明一个实施例中的相对亮度曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明一个实施例中的一种取像镜头的结构示意图。如图1所示，该取像镜头包括4片塑料材质、各表面均为非球面的镜片，沿着光线入射方向依次为：

第一正透镜110，为双凸形凸透镜，具有凸向物方的第一表面S1和凸向像方的第二表面S2；第二负透镜120，具有凹向物方的第三表面S3和凹向像方的第四表面S4；第三正透镜130，为弯月形凸透镜，具有凹向物方的第五表面S5和凸向像方的第六表面S6；第四负透镜140，采用双峰结构，具有凹向物方的第七表面S7和凸向像方的第八表面S8，第一正透镜的第一表面至第四负透镜的第八表面在光轴上的距离为Td，第一正透镜的第一表面的曲率半径为R1，第一正透镜的第二表面的曲率半径为R2，满足下列关系式：

2.1mm<Td<2.7mm；及

-1.2<(R1+R2)/(R1–R2)<-0.8。

在本实施例中，为了完整呈现取像镜头的成像过程，如图1所示，进一步包括：孔径光阑100、红外截止滤光片150和感光芯片160，其中，红外截止滤光片150包括物侧表面151和像侧表面152。

其中，第一正透镜110用于收集光线，使得轴外光线汇聚起来；第二负透镜120用于光束整形，使得通过第二负透镜120后的轴外边缘光线和主光线与光轴具有一定的倾角，达到一定的像面高度；第一正透镜110和第二负透镜120的正负组合有利于消除色差；第三正透镜130使边缘光线和主光线具有较好的平行性同时又保证了主光线对光轴的倾角；第四负透镜140为了更好的匹配感光芯片160的主光线角度，采用了异性形状的镜片，并且其双峰结构可用于光束整形，同时消除轴外像差；孔径光阑100采用前置形式；红外截止滤光片150通过红外截止镀膜方法消除红外光线对感光芯片160的影响；感光芯片160置于孔径光阑150的成像侧，并且本实施例所采用的感光芯片160为CMOS芯片。

由上述可知，本发明提供的取像镜头具有以下特点：

1、4片镜片均采用塑料材质，相比玻璃材质，塑料材质具有质量轻、成本低、易于加工成型等优点，使得取像镜头的生产成本大幅降低，适于大批量生产；

2、4片镜片的光学表面均采用非球面，可有效控制像差，非球面镜边缘较薄，中央处光线和边缘光线可以聚焦在同一位置，可以有效减小球差，提高系统的相对孔径，扩大视场角，进而提高取像镜头在低照度环境下的成像质量，并可以通过调整非球面系数来提高光学性能；

3、取像镜头结构紧凑，第一透镜的第一表面到第四透镜的第八表面在光轴上的距离范围仅仅为2.1mm-2.7mm，能够有效缩短光学系统的总长度，并且第一正透镜的第一表面的曲率半径为R1，第二表面的曲率半径为R2，满足-1.2<(R1+R2)/(R1–R2)<-0.8，能够有效控制镜头焦距，提高光学性能；

4、取像镜头配型合理，采用正负正负的透镜组合，容易形成远心光路性能，能够保证光线以小的角度入射到感光芯片上，防止阴影的发生，也能够使光学系统总长度变得更小，其中，第一正透镜起到收集光线汇聚轴外光线角度的作用；第二负透镜起到光束整形的作用，使得通过第二透镜后的轴外边缘光线和主光线与光轴有一定的倾角，达到一定的像面高度；第三正透镜使边缘光线和主光线具有较好的平行性，同时又保证了主光线对光轴的倾角；第四负透镜为了进一步提高主光线入射角CRA与感光芯片的匹配性，透镜形状为异形，并采用双峰结构来对光束进行整形，同时消除轴外像差。

表1是本发明一个实施例中的一种取像镜头的系统结构参数。如表1所示，分别列有：

沿光线入射方向依序编号的光学表面(Surface)，依次包括：孔径光阑100、第一正透镜110的第一表面S1、第一正透镜110的第二表面S2、第二负透镜120的第三表面S3、第二负透镜120的第四表面S4、第三正透镜130的第五表面S5、第三正透镜130的第六表面S6、第四负透镜140的第七表面S7、第四负透镜140的第八表面S8、红外截止滤光片150的物侧表面151、红外截止滤光片150的像侧表面152、以及感光芯片160；表面类型(Type)，在光轴上各光学表面的曲率(C)，沿光线入射方向的光轴上各光学表面与相邻下一个光学表面之间的厚度(T)，沿光线入射方向的光轴上各光学表面与相邻下一个光学表面之间的材质(Glass)，半口径(Semi-Diameter)，圆锥系数(Conic)、光焦度(Focal power)，其中，厚度(T)和半口径(Semi-Diameter)的单位为mm，曲率(C)和光焦度(Focal power)的单位为mm^-1。

表1

Surface	Type	C	T	Glass	Semi-Diameter	Conic	Focal power
								100	STANDARD	0.0000	-0.2000	0.6700	0.0000
S1	EVENASPH	0.8583	0.5818	APL5514ML	0.6782	0.0369	2.139
								S2	EVENASPH	0.0034	0.0752	0.7129	0.0000
S3	EVENASPH	-0.2006	0.2502	SP3810	0.7027	0.0000	-4.822
								S4	EVENASPH	0.1181	0.4219	0.7179	52.1631
S5	EVENASPH	-0.4516	0.6500	APL5514ML	0.8047	-51.9177	2.025
								S6	EVENASPH	-1.2281	0.2417	1.1073	-3.2983
S7	EVENASPH	-0.2794	0.4203	APL5514ML	1.5851	0.0000	-1.632
								S8	EVENASPH	0.8085	0.5000	1.8988	-11.0923
151	STANDARD	0.0000	0.2100	BK7	2.2697	0.0000
								152	STANDARD	0.0000	0.2000	2.3254	0.0000
160	STANDARD	0.0000	0.0000		2.4347	0.0000

从表1中可以看出，在本实施例中，孔径光阑100位于第一正透镜110第一表面S1上；第一正透镜110采用APL5514型号的塑料材质，其折射率和色散系数分别为n1＝1.54，v1＝56；第二负透镜120采用SP3810型号的塑料材质，其折射率和色散系数分别为n2＝1.64，v2＝23.3；第三正透镜130采用APL5514型号的塑料材质，其折射率和色散系数分别为n3＝1.54，v3＝56；第四负透镜140采用APL5514型号的塑料材质，其折射率和色散系数分别为n4＝1.54，v4＝56；红外截止滤光片采用BK7(或K9)材质，折射率和色散系数分别为n＝1.5168，v＝64.17。

表2是一个实施例中的一种取像镜头的非球面数据，在表1的基础上，各光学表面的偶次非球面系数α₂、α₃、α₄、α₅、α₆、α₇、α₈如表2所示，其中非球面系数可以满足如下的方程。

其中，z是沿光轴方向的坐标，Y为以透镜长度单位为单位的径向坐标，C是曲率(1/R)，k为圆锥系数(Conic Constant)，αi是各高次项的系数，2i是非球面的高次方(TheOrder of Aspherical Coefficient)，本设计中i＝8即二次项最高到16次方。

表2

Surface

α₂

α₃

α₄

α₅

α₆

α₇

α₈

100

0.00E+00

S1

-1.78E-02

5.27E-02

-1.53E-01

-1.04E-01

3.12E-01

3.32E-01

-2.55E+00

S2

3.25E-02

-4.40E-01

-8.11E-01

4.40E-01

1.20E+00

2.45E-01

-1.44E+00

S3

2.28E-01

-8.50E-01

-1.24E-01

1.77E-01

1.06E+00

1.93E+00

-1.73E+00

S4

2.97E-01

-2.61E-01

-7.77E-02

8.63E-01

1.01E-01

-2.15E+00

3.86E+00

S5

-5.06E-01

9.92E-01

-1.22E+00

-7.06E-01

1.63E+00

2.14E+00

-4.10E+00

S6

-2.12E-01

1.34E-01

-4.09E-02

-3.47E-02

5.12E-02

4.04E-02

-3.84E-02

S7

-1.46E-01

7.30E-02

3.31E-03

-3.52E-03

-6.48E-04

3.07E-05

5.55E-05

S8

-1.31E-01

5.61E-02

-1.82E-02

1.84E-03

2.20E-04

-3.55E-05

-1.23E-06

151

0.00E+00

152

0.00E+00

160

0.00E+00

与之相对应地，我们也可以采用奇次非球面方程进行设计，奇次非球面方程的通用公式如下：

其中，i＝1、2、3、4……N。同样也可以达到设计目的。

在本实施例中，由表1和表2所给出的参数构建出的光学系统整体长度为3.55mm，焦距为3.02mm，具有较大相对孔径，光圈F值达到2.2。

图2A是本发明一个实施例中的极限分辨率下MTF曲线图；图2B是本发明一个实施例中的1/2极限分辨率下MTF曲线图；MTF传递函数可以综合反映光学系统的成像质量，其曲线形状越平滑，且相对X轴高度越高，证明系统的成像质量越好。图中各种灰度分别代表各个视场光线，如图2A所示，MTF曲线较为平滑紧凑，截止频率为446lp/mm，即为奈奎斯特频率，对于手机镜头，0.8视场以内的区域是主要成像区域，对于0.8视场范围以外的视场像质允许一定程度的下降；如图2B所示，在1/2奈奎斯特采样频率223lp/mm处，0.8视场以内MTF都达到了0.3以上，说明系统的像差得到了良好的校正，满足取像镜头的MTF的阈值。

图3是本发明一个实施例中的光学场曲和畸变曲线图。场曲是物平面形成曲面像的一种像差，需要以子午场曲和弧矢场曲来表征，对于某一波长，其右侧曲线为子午场曲，左侧曲线为为弧矢场曲，二者之差就是系统的像散，像散和场曲是影响轴外视场光线的重要像差，像散会严重的影响到系统轴外光线的成像质量，场曲会造成中心和边缘最佳成像不在一个平面上。在本实施例中，如图3所示，系统的场曲和像散均被校正到100um以内。

图3中另一个曲线是系统的畸变曲线，畸变不影响系统的清晰度，但是会引起系统的图像变形，对于广角镜头来说，校正畸变是极为困难的，在本实施例中，如图3所示，光学畸变小于1％，这说明畸变已经矫正到了一个非常好的程度。

图4是本发明一个实施例中的点列图。点列图忽略衍射效应，反映的是系统成像的几何结构。在大像差系统的点列图中，点的分布能近似地代表点像的能量分布。因此，在像质评价中，可用点列图的密集程度更加直观反映和衡量系统成像质量的优劣，点列图的RMS半径越小证明系统的成像质量越好。在本实施例中，如图4所示，本系统的弥散斑RMS直径均小于10.6um，可见各视场的光斑很小，表明系统能量分布得到很好的优化，像差校正比较好。

图5是本发明一个实施例中的垂轴色差曲线图。垂轴色差又称倍率色差，是主光线的像差。物方的一束复色主光线，由于色散，在像方出射时将变成多束光线，F光和C光在像面上的交点位置之差，称为垂轴色差，垂轴色差是一种只跟视场有关的像差，如果视场不大则呈现与视场的线性关系，如果视场较大，但还会出现与视场的三次方关系。由图5所示，其纵轴是归一化视场，横轴为垂轴色差数值，单位为um，可见系统的垂轴色差较小，大部分光线对应在整个视场内的垂轴色差在0.5um以内，满足指标要求。

图6是本发明一个实施例中的相对亮度曲线图，如图6所示，各视场的相对亮度都在35％以上，满足指标要求。

在本实施例中，取像镜头的焦距为3.02mm，具有较大相对孔径，光圈F值达到2.2，能够保证足够的进光量，其光学总长度为3.55mm，畸变小于1％，配合800万像素CMOS可以实现74°视场角，相对亮度在35％以上。

综上所述，本系统通过对4片塑料非球面镜片的合理配置，设计了一款800万像素超薄取像镜头，该取像镜头的优点是结构简洁、质量轻、成本低、光学长度小，光圈大，在低照度环境下具有较好的成像质量，相比同像素取像镜头有很大的竞争优势。并且各个透镜的中心厚度及边缘厚度均大于0.25mm，便于加工制造，适于大批量生产

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种取像镜头，其特征在于，所述取像镜头包括4片塑料材质、各表面均为非球面的镜片，沿着光线入射方向依次为：

2.1mm<Td<2.7mm；及

-1.2<(R1+R2)/(R1–R2)<-0.8；

其中，取所述取像镜头的焦距为f，所述第一正透镜的焦距为f1，所述第二负透镜的焦距为f2，所述第三正透镜的焦距为f3，所述第四负透镜的焦距为f4，其中，f1、f3大于0，f2、f4小于0，满足下列关系式：

-f4<f3<f1<-f2；

0.6<f1/f<0.85；

-2<f2/f<-1.5；

0.6<f3/f<0.85；及

-0.6<f4/f<-0.45；

所述取像镜头的焦距f＝3.02mm。

2.如权利要求1所述的取像镜头，其特征在于，所述取像镜头还包括一孔径光阑，所述孔径光阑位于所述第一正透镜的第一表面上。

3.如权利要求1所述的取像镜头，其特征在于，

4.如权利要求3所述的取像镜头，其特征在于，

5.如权利要求1所述的取像镜头，其特征在于，该取像镜头还包括一红外截止滤光片，所述红外截止滤光片设置于所述第四负透镜的第八表面的成像侧。

6.如权利要求5所述的取像镜头，其特征在于，所述红外截止滤光片采用BK7或者K9材质，其折射率和色散系数分别为n＝1.5168，v＝64.17。

7.如权利要求5所述的取像镜头，其特征在于，该取像镜头还包括一感光芯片，所述感光芯片设置于所述红外截止滤光片的成像侧。

8.如权利要求1-7中任一项所述的取像镜头，其特征在于，

TTL<3.6mm；

Im＝4.8mm；及

TTL/Im<0.74。