CN100516964C - 数码相机镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种数码相机镜头，该数码相机镜头从物方依次包括一第一透镜，一第二透镜，一第三透镜。第一透镜为双凸双面球面正透镜，包括第一球面与第二球面，其材质为玻璃，第二透镜为凹凸双面非球面负透镜，包括第一非球面与第二非球面，其材质为塑胶，其中第一非球面为衍射面，第三透镜为非球面正透镜，其表面呈波浪形状，包括第三非球面与第四非球面，其材质为塑胶。该数码相机镜头采用非球面和衍射面结构，成像性能好，解析度高。

Description

数码相机镜头

【技术领域】

本发明关于一种数码相机镜头，尤其是关于一种可与便携式电子装置配合使用的数码相机镜头。

【背景技术】

随着科技的不断发展，便携式电子装置如移动电话的应用日益广泛，同时也日渐趋向于轻巧、美观及多功能化，其中摄像功能是近年新发展便携式电子装置的附加功能。具数码相机的移动电话因可实现即拍功能、使用方便而越来越受到广大使用者的青睐。因为移动电话体积小，因此需安装在其内的数码相机镜头模组具有较小体积。在人们对移动电话用数码相机模组追求小型化的同时，对其拍摄的物体希望有较高的成像品质，而物体的成像品质在很大程度上取决于数码相机镜头设计的优劣。

数码相机一般包括镜头及影像感测元件(Charge CoupledDevice(下称CCD)，电荷耦合器或者Complementary Metal-OxideSemiconductor(下称CMOS)，补充性氧化金属半导体)，不同像素的CCD或CMOS影像感测元件，需设计与其CCD或CMOS相匹配的数码相机镜头。

现有技术中，数码相机镜头一般采用玻璃材质，其透镜采用球面透镜，因球面透镜不可避免产生像差，需要多个透镜来达到相应性能的要求。数量的增多，增加了镜头的体积、重量同时也增加了制造成本。

为了减小镜头的体积及制造成本，现有数码相机的镜头中部分采用非球面透镜，非球面透镜可以避免镜头因采用球面透镜所产生的球面像差，采用较少的透镜即可满足其较好光学性能。因非球面透镜有其特有的光学优点，在现有的镜头中，采用全塑胶式非球面镜片得到广泛应用，采用上述的结构后，虽然可通过调整非球面系数来提高光学性能，且降低镜片数量，但是均采用非球面塑胶镜片，塑胶镜片与玻璃镜片相比，通旋光性较差，在光线不是很好的时候，成像效果差。玻璃非球面镜片虽然可满足要求，但是其价格及产能均未发展到成熟阶段，导致成本较高，使产品市场竞争力下降。

因此现有技术中常采用球面镜加非球面镜的结构。一现有三十五万像素数码相机镜头，如公告于2003年10月1日的中国专利第02258384号所揭示的镜头，其由一第一透镜、一第二透镜及一第三透镜组成，该第一透镜及第二透镜均是球面玻璃镜片，第三透镜为两面均为非球面的塑胶镜片。该数码相机镜头虽可满足成像的要求，然该数码相机镜头分辨率较低，无法满足高分辨率镜头的要求。

鉴于以上的缺点，提供一种分辨率高，体积小的数码相机镜头非常必要。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种成像性能好，成像质量稳定及分辨率高的数码相机镜头。

本发明公开一种数码相机镜头，其从物方依次包括一第一透镜，一第二透镜，一第三透镜。第一透镜为双凸双面球面正透镜，包括第一球面与第二球面，其材质为玻璃，第二透镜为凹凸双面非球面负透镜，包括第一非球面与第二非球面，其材质为塑胶，其中第一非球面为衍射面，第三透镜为非球面正透镜，其表面呈波浪形状，包括第三非球面与第四非球面，其材质为塑胶。

相较现有技术，本发明数码相机镜头，采用球面玻璃镜片和非球面塑胶镜片，玻璃镜片保证其较好的通光性能，使其在光线较差情况下，也可保证成像效果；第二镜片的一表面采用衍射面，可极大减少像差；将材质为塑胶的第二镜片及第三镜片置于材质为玻璃的第一镜片之后，可使第二镜片及第三镜片得到有效的保护，使该数码相机镜头不易受外界环境的影响，成像质量稳定；此外，该数码相机镜头分辨率高，可达到二百万像素，成像质量较好。

【附图说明】

图1是本发明数码相机镜头的结构示意图；

图2是本发明数码相机镜头衍射面的形状示意图；

图3是本发明数码相机镜头的MTF图；

图4是本发明数码相机镜头的另一MTF图；

图5是本发明数码相机镜头的场曲图；

图6是本发明数码相机镜头的光学畸变图；

图7是本发明数码相机镜头的相对照度图。

【具体实施方式】

请参阅图1，本发明数码相机镜头自物方至像方依次包括一第一透镜1，一第二透镜2，一第三透镜3及一平行板4。其中线O代表镜头10的光轴，Z_obj代表物方，Z_img代表像方，使用时镜头物方位置的第一透镜1为光线首先接触的透镜。该数码相机镜头还包括位于物方位置上，置于第一镜片1前的光栏6和位于像方位置上，置于平行板后的影像感测元件5，该影像感测元件5包括一成像面52。

第一透镜1为双凸双面球面正透镜，包括第一球面12与第二球面14，其中第一球面12凸向物方，第二球面14凸向像方。第二透镜2为凹凸双面非球面负透镜，包括第一非球面22与第二非球面24，其中第一非球面22和第二非球面表面24均凸向像方，第一非球面22为光学衍射面。第三透镜3表面具波浪形状，包括第三非球面32与第四非球面34。第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3均为以光轴O对称的形状。

第一透镜1采用光学玻璃材质，所用光学玻璃材质的折射率和色散范围满足以下条件式：1.5＜n₁＜1.65，50＜v₁＜70，本实施例优选采用BACD5型号的光学玻璃，其折射率和色散分别为n₁＝1.589，v₁＝61.25。

第二透镜2采用光学塑胶材质，所用光学塑胶材质的折射率及色散满足以下条件式：1.5＜n＜1.65，20＜v＜30。第二透镜2材质优先采用OKP4型号的塑胶材质，折射率和色散分别为n₂＝1.609，v₂＝26.64。请参见图2，该第二透镜2的第一非球面22为衍射面，该衍射面朝向物方，其形状呈锯齿形分布，可用金钢石车刀刻于该塑胶镜片上。其最大深度约0.967微米，最小间距为26.7微米。衍射面具有负色散系数特性，可对横向色散及纵向色散做补偿，从而提高成像品质。

第二透镜2的第一非球面22为衍射面，该衍射面是依光学原理来设计，因衍射面可改变光线的相位，其计算公式如下：

Φ＝p2*r²+p4*r⁴+p6*r⁶+p8*r⁸+p10*r¹⁰.....

其中，r表示该点的曲率半径，p2、p4、p6、p8、p10表示系数，将相位作为目标函数，使其满足满足像差校正要求，故相位表示成带有p2、p4、p6、p8、p10系数的函数。经过优化后，可得p2、p4、p6、p8、p10系数值。另，

Φ＝2*pi/(λ*(n-1)*d)

其中，pi表示圆周率，λ表示波长，n表示镜片的折射率，d表示镜片上任一点的蚀刻深度，从而d可用p2、p4、p6、p8、p10系数的函数表示，代入计算的p2、p4、p6、p8、p10系数值，其值分别为P2＝-161.01084，P4＝137.96568，P6＝-169.06449，P8＝122.77371，P10＝-36.001241，每一点的蚀刻深度可计算出来，之后与非球面相叠加，即可得到最后的衍射结构表面轮廓。

第三透镜3采用光学塑胶材质，其折射率和色散范围满足以下条件式：1.5＜n₃＜1.6，50＜v₃＜70，本实施例优选采用ZEO-E48R型号的塑胶材质，折射率和色散分别为n₃＝1.5299，v3＝55.866。

第二透镜2和第三透镜3置于玻璃材质的第一透镜1之后，可使第二透镜2和第三透镜得到较好保护，使其免于擦伤。

平行板4为一平板玻璃，包括第一平行板面42与第二平行板面44。平行板4用以保护影像感测元件5的成像面52，其材质优选为B270，折射率和色散分别为n₄＝1.585，v₄＝29.9。另外，平行板4的至少一表面镀覆一层红外截止滤膜(IR-cut Coating)，以滤除来自于被摄物反射的光线中的红外线，从而提高成像品质。

光栏6位于物方位置上，包括光栏面62，其置于第一透镜1前，其可直接利用光圈的开孔大小控制进光量。包括成像面52的影像感测元件5通常可为CCD或者CMOS，而一般移动电话用数码相机镜头的影像感测元件，因成本的考虑，通常采用CMOS。本具体优选实施例中，CMOS像素尺寸为2.8μm，像素数为二百万，分辨率达到1600*1200。

请参阅表1，本发明数码相机镜头的光学系统相关参数值，其依次从光栏面62至第二平行板面44予以描述，其中曲率半径R为各面与光轴O相交的曲面中心曲率半径，曲率无限大时，表明该面为平面。间距d为沿光轴方向由物方Z_obj开始前面相对于后一面的距离，材料分别为第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3及平行板4的材质，通光口径为各面的最大有效通光口径，K为二次曲面系数，其中曲率半径R及间距d的所有数值均以毫米(mm)为计量单位。

表1

本发明数码相机镜头的第一透镜1、第二透镜2及第三透镜3均为沿光轴O对称的透镜，其中第二透镜2及第三透镜3表面为非球面，其藉由调整非球面系数，来提高镜头成像性能。第一非球面22、第二非球面34、第三非球面32及第四非球面34的设计均需满足以下的非球面公式：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{r}^2+a_2{r}^4+a_3{r}^6+a_4{r}^8+a_5{r}^{10}{a}_6{r}^{12}......---\left(1\right)$

其中：z为以各非球面22、24、32、34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，因所选的透镜其形状为轴对称式镜片，故该非球面公式均取偶次项。其中各非球面22、24、32、34是通过以上公式确定非球面的形状；k为二次曲面系数；c＝1/R，其中R为镜面中心曲率半径，c为镜面中心曲率；r为镜面中心高度；a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆为非球面系数，该优选实施例中系数取到a₁、a₂、a₃、a₄、a₅。应用该非球面公式(1)时，其中镜面中心曲率半径R值及二次曲面系数k值参照表1，非球面系数a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为的数值参照表2。

表2

标示	表面	a<sub>1</sub>	a<sub>2</sub>	a<sub>3</sub>	a<sub>4</sub>	a<sub>5</sub>
							22	第一非球面	0	0.042668744	0.045843703	0.023104266	-0.011218416
24	第二非球面	0	0.016369603	0.061024975	-0.0039084828	0.0027731957
							32	第三非球面	0	-0.061949054	0.032381233	-0.012023059	0.0017581425
34	第四非球面	0	-0.053218236	0.0090815367	-0.0013358709	0.000066713635

本发明的数码相机镜头有效焦距为f＝4.750229mm，相对孔径为F/#＝2.8，其镜头总长为6.163299mm，使其可较小整合于移动电话中。

请参阅图3，该数码相机镜头的MTF图中，不同像高的调制函数分别用切向T(Tangential)和径向S(sagittal)来表示。从空间频率来看，中心点空间频率可达到180lp/mm，其它点的空间频率值均满足镜头分辨率的要求。请参见图4，其是固定几个空间频率，于每个特定空间频率下，显示不同视场的MTF表现。

请参见图5和图6，数码相机镜头子午场曲和弧矢场曲大于负0.1mm，小于0.1mm，光学畸变大于负1％，小于1％，均满足成像性能的要求。

参见图7，其相对照度值＞50％，通常相对照度＞50％，人眼较不易看出差异。

可以理解，因计算精度考虑，数码相机镜头的透镜所给参数表取到小数点后六位，但四舍五入后，小数点后两位的范围内仍属本发明的范围。数码相机镜头的透镜的非球面公式的非球面系数表非球面系数取到小数点后十三位，有效数字取到小数点后八位，但四舍五入后，小数点后四位的范围内仍属本发明的范围。

可以理解，本发明数码相机镜头不仅限于应用于移动电话内，其也可应用于其它便携式电子装置中，如摄像机、照相机、PDA(personal digital assistant)等。

Claims (10)

1.一种数码相机镜头，其从物方到像方依次包括一第一透镜，一第二透镜，一第三透镜，其特征在于：该第一透镜为双凸双面球面正透镜，包括第一球面与第二球面，其由玻璃材质制成；该第二透镜为凹凸双面非球面负透镜，包括第一非球面与第二非球面，其由塑胶材质制成；第一非球面为衍射面，该第三透镜为具波浪形状的非球面正透镜，包括第三非球面与第四非球面，其由塑胶材质制成。

2.如权利要求1所述的数码相机镜头，其特征在于：该数码相机镜头衍射面的刻蚀深度由下式表示，

Φ＝2*pi/(λ*(n-1)*d)

其中pi表示圆周率，λ表示波长，n表示镜片的折射率，d表示镜片上任一点的蚀刻深度，Φ表示光线的相位，相位计算公式如下：

Φ＝p2*r²+p4*r⁴+p6*r⁶+p8*r⁸+p10*r¹⁰.....

其中，r表示该点之曲率半径，p2、p4、p6、p8、p10表示系数。

3.如权利要求2所述的数码相机镜头，其特征在于：该数码相机镜头衍射面的系数分别为P2＝-161.01084，P4＝137.96568，P6＝-169.06449，P8＝122.77371，P10＝-36.001241。

4.如权利要求1所述的数码相机镜头，其特征在于：该第一透镜的折射率大于1.5小于1.65，其色散大于50小于70。

5.如权利要求4所述的数码相机镜头，其特征在于：该第一透镜的折射率为1.589，其色散为61.25。

6.如权利要求1所述的数码相机镜头，其特征在于：该第二透镜折射率大于1.5小于1.65，其色散大于20小于30。

7.如权利要求6所述的数码相机镜头，其特征在于：该第二透镜折射率为1.609，其色散为26.64。

8.如权利要求1所述的数码相机镜头，其特征在于：该第三透镜折射率大于1.5小于1.6，其色散大于50小于70。

9.如权利要求1所述的数码相机镜头，其特征在于：该第三透镜折射率为1.5299，其色散为55.866。

10.如权利要求1所述的数码相机镜头，其特征在于：所述数码相机镜头参数为：

；非球面系数为

  标示 表面 a₁ a₂ a₃ a₄ a₅ 22   第一非球面 0 0.042668744 0.045843703 0.023104266 -0.011218416 24   第二非球面 0 0.016369603 0.061024975 -0.0039084828 0.0027731957 32   第三非球面 0 -0.061949054 0.032381233 -0.012023059 0.0017581425 34   第四非球面 0 -0.053218236 0.0090815367 -0.0013358709 0.000066713635

。

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