CN102466862A - 微型取像镜头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微型取像镜头，适于手机、小型数码相机中使用。该微型取像镜头从物端到像端依次包括一孔径光阑、一第一透镜及一第二透镜，其中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。上述第一及第二透镜均由塑料制成并各具有至少一非球面。该微型取像镜头满足以下条件式：0.1<f1/EFL<2，以及0.1<R1/R2<2其中，f1为第一透镜的焦距，EFL为该微型取像镜头的有效焦距，R1、R2分别为第一透镜的物端表面与像端表面的曲率半径。本发明的微型取像镜头结构紧凑、成本较低、制造容易，符合大规模量产的需求，并且可提供较佳的成像质量。

Description

微型取像镜头

技术领域

本发明涉及一种微型取像镜头，特别是关于一种由两枚透镜构成，适于手机、小型数码相机中使用的高性能、低成本并且尺寸短小的微型取像镜头。 

背景技术

移动通讯装置如手机、个人数字助理(PDA)与光电技术的整合已成为当今科技发展的趋势之一，可拍照手机是该技术潮流中的典型代表。就设计而言，为了携带方便及符合人性化需求，可拍照手机的取像镜头不仅需要具有良好的成像质量，还需要有较小的体积及较低的成本。因此，与传统照相机、摄像机及一般数码相机的可调焦、可变焦镜头不同，可拍照手机中所使用的取像镜头尺寸要小很多，结构也简单很多，并且主要是以定焦镜头为主。 

在取像镜头的透镜形态及材质选择上，由于传统的球面研磨玻璃透镜的材质选择较多并且对于校正色差较为有利，因此已广为业界所使用。但是，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。为了改善球面研磨玻璃透镜的上述缺陷，业界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组件，以获得较佳的成像质量。为了有效校正像差，取像镜头通常是由多个透镜组构成，例如美国专利公告第6,031,670号所揭示的取像镜头结构。然而，该类由多透镜组构成的取像镜头整体尺寸相对较长，所需的安装空间较大，对于厚度尺寸在20mm以内的手机或其它便携式可拍照装置如小型数码相机而言是不适合的。该类取像镜头一是难以装入手机机构件中，二是手机携带及使用时常会有磨擦、碰撞等情形，大尺寸镜头很容易意外受损。而且，该类取像镜头所使用的透镜数目通常在六片以上，除增加成本之外，其重量较大也是困扰之一。 

现有的适于手机、小型数码相机使用的取像镜头中，由三片透镜组成的镜头组已被广泛采用。美国专利公告第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。美国专利公告第6,927,925号揭示了另一种取像镜头，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。美国专利公告第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。上述现有的取像镜头中，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立与透镜相关联而不利于组立，并使出瞳(Exit Pupil)位置相应缩短。另外，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质量。此外，部分上述现有镜头采用的是一玻璃透镜与两塑料透镜相结合的三透镜构形。由于玻璃透镜的硏磨较为困难，增加了制造的复杂度，并且价格高昂，因而该构形不仅在量产性及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。另外，该类取像镜头中所使用的非球面透镜的非球面面型转折、起伏往往较大，进一步增加了制造的难度。因此，该类现有的三片式镜头仍有进一步改善的空间。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于便携式电子装置的微型取像镜头，其仅使用两枚塑料非球面透镜，在减少该取像镜头的长度与重量的同时可提供较佳的成像质量，并且结构紧凑、成本较低、制造容易，符合大规模量产的需求。 

为实现上述目的，本发明提供一种微型取像镜头，适于手机、小型数码相机中使用，其从物端到像端依次包括一孔径光阑、一第一透镜及一第二透镜，其中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。上述第一及第二透镜均由塑料制成并各具有至少一非球面。该微型取像镜头满足以下条件式： 

0.1< f1/EFL <2，以及

0.1< R1/ R2 <2

其中，f1为第一透镜的焦距，EFL为该微型取像镜头的有效焦距，R1、R2分别为第一透镜的物端表面与像端表面的曲率半径。

本发明微型取像镜头的第一透镜的主要功能为主导成像，提供折射力；第二透镜的主要功能则为修正各种像差。 

该第一、第二透镜的屈光率均为正。或者，该第一、第二透镜的屈光率分别为正、负。 

较佳地，本发明微型取像镜头的第一透镜的物端表面与像端表面均为非球面。 

较佳地，本发明微型取像镜头的第二透镜的物端表面与像端表面也均为非球面。 

上述非球面的面型由以下公式表示： 

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距光轴的位移值；k为锥度常量；c为曲率半径的倒数；A、B、C、D、E、F、G、H、I为高阶非球面系数。

较佳地，本发明微型取像镜头的孔径数值为2.8。 

本发明微型取像镜头的第一透镜及第二透镜可由不同塑料材料制成，也可由同一塑料材料制成。 

本发明微型取像镜头的第二透镜与成像面之间进一步包括一平板玻璃，其上可镀有抗反射薄膜或红外线过滤薄膜。 

与现有技术相比，本发明的优点在于：仅使用两枚相向设置的新月型非球面透镜，使得本发明的微型取像镜头具有结构紧凑、光学总长短并且成像质量佳的优点。第一及第二透镜均使用塑料材料制成，使得本发明微型取像镜头的重量更为减轻、成本更为降低，并且两透镜的非球面面型平顺缓和，无转折或大的起伏，容易通过非球面模具射出成型，从而符合大规模量产的需求。将孔径光阑设置于物端与第一透镜之间，更可有效缩短本发明微型取像镜头的长度并且拉长出瞳位置，并使得孔径光阑与透镜的组立无关。因此，本发明的微型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，因而适于手机、小型数码相机等便携式电子装置的使用。 

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为本发明微型取像镜头的光学结构示意图。 

图2为本发明第一数值实施例的微型取像镜头的光学结构及光路图。 

图2A为本发明第一数值实施例的微型取像镜头的场曲表现图。 

图2B为本发明第一数值实施例的微型取像镜头的畸变表现图。 

图2C为本发明第一数值实施例微型取像镜头的衍射调制传递函数图。 

图3为本发明第二数值实施例的微型取像镜头的光学结构及光路图。 

图3A为本发明第二数值实施例的微型取像镜头的场曲表现图。 

图3B为本发明第二数值实施例的微型取像镜头的畸变表现图。 

图3C为本发明第二数值实施例微型取像镜头的衍射调制传递函数图。 

图4为本发明第三数值实施例的微型取像镜头的光学结构及光路图。 

图4A为本发明第三数值实施例的微型取像镜头的场曲表现图。 

图4B为本发明第三数值实施例的微型取像镜头的畸变表现图。 

图4C为本发明第三数值实施例微型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： 

本发明的微型取像镜头可应用于便携式电子装置如手机、小型数码相机等，用来将目标物成像于一影像感测元件，如CCD或CMOS。参考图1，本发明微型取像镜头的光学结构从物端OBJ到像端IMA依次包括孔径光阑STO、第一透镜P1及第二透镜P2。靠近孔径光阑STO的第一透镜P1的主要功能为主导成像，提供折射力(Refractive Power)，第二透镜P2的主要功能则为修正各种像差。这种型式可使本发明微型取像镜头获得较短的总光学长度(Total Optical Track)。具体而言，第一透镜P1为新月型透镜，其凸面S1朝向物端OBJ；第二透镜P2也为新月型透镜，其凸面S4朝向像端IMA。第二透镜P2与像端(成像面)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。

本发明的微型取像镜头中，孔径光阑STO位于物端OBJ与第一透镜P1之间。将孔径光阑STO设置于第一透镜P1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，有效地缩短本发明微型取像镜头的长度，拉长出瞳位置，并使得孔径光阑STO与透镜的组立无关。 

本发明的微型取像镜头中，第一及第二透镜P1、P2均具有至少一非球面表面，并且均由塑料材料制成，以使本发明镜头在获得较佳的像差矫正效果的同时又可降低成本。较佳地，第一及第二透镜P1、P2的物端表面S1、S3与像端表面S2、S4均为非球面。第一及第二透镜P1、P2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，因此本发明采用了非球面透镜，以减少镜头的镜片数目并缩减镜头总长。其中，第一及第二透镜P1、P2的非球面面型可由以下非球面公式表示： 

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距光轴的位移值；k为锥度常量；c为曲率半径的倒数；A、B、C、D、E、F、G、H、I为高阶非球面系数。

本发明所提供的微型取像镜头中，第一及第二透镜P1、P2的屈光率可均为正，也可分别为正、负。 

本发明微型取像镜头满足以下两条件式： 

0.1< f1/EFL <2                     (1)

0.1< R1/ R2 <2                     (2)

其中，f1为第一透镜P1的焦距，EFL为该微型取像镜头的有效焦距，R1、R2分别为第一透镜P1的物端表面S1与像端表面S2的曲率半径。满足上述两条件式可使本发明微型取像镜头获得较佳的非点收差与解像，从而进一步提高成像品质。

本发明所提供的微型取像镜头中，第一及第二透镜P1、P2可采用不用塑料材料制成，也可用相同塑料材料制成，具有质轻、耐冲击和容易成型加工的优点。 

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：

本发明微型取像镜头第一数值实施例的光学结构及光路图显示于图2中。第一数值实施例的各项参数列于表1中：

由表1可知，依据上述第一数值实施例实施的本发明微型取像镜头，其有效焦距EFL为

1.0mm，数值孔径Fno.为2.8。第一透镜P1的屈光率为正，第二透镜P2的屈光率也为正，并且第一、第二透镜P1、P2由不同塑料材料制成。由表1计算可知，第一透镜P1的焦距f1的值约为0.9920，代入前述条件式(1)，可得f1/EFL≈0.9920，符合大于0.1并小于2的数值范围。将第一透镜P1的物端表面S1与像端表面S2的曲率半径0.2895及0.4249代入前述条件式(2)，可得R1/R2≈0.6813，也符合大于0.1并小于2的数值范围。

本发明的第一数值实施例中，第一透镜P1的物端表面与像端表面S1、S2以及第二透镜P2的物端表面与像端表面S3、S4均为非球面，其非球面的相关数值列于表2-1与表2-2中： 

图2A与图2B所示分别为本发明第一数值实施例的微型取像镜头的场曲表现(Field Curvature)与畸变表现(Distortion)。图2C所示为本发明第一数值实施例的微型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，Optical Transfer Function)的模数(Modulus)。这些图示表明本发明第一数值实施例的微型取像镜头具有较佳的成像质量。

第二数值实施例： 

本发明微型取像镜头第二数值实施例的光学结构及光路图显示于图3中。第二数值实施例的各项参数列于表3中：

由表3可知，依据上述第二数值实施例实施的本发明微型取像镜头，其有效焦距EFL与数值孔径Fno.也分别为1.0mm与2.8。与第一数值实施例不同之处在于，本实施例中，第一透镜P1的屈光率为正，第二透镜P2的屈光率则为负，并且第一、第二透镜P1、P2是由相同塑料材料制成。由表3计算可知，第一透镜P1的焦距f1的值约为0.9060，代入前述条件式(1)，可得f1/EFL≈0.9060，符合大于0.1并小于2的数值范围。将第一透镜P1的物端表面S1与像端表面S2的曲率半径0.3344及0.7478代入前述条件式(2)，可得R1/R2≈0.4472，也符合大于0.1并小于2的数值范围。

本发明的第二数值实施例中，第一透镜P1的物端表面与像端表面S1、S2以及第二透镜P2的物端表面与像端表面S3、S4也均为非球面，其非球面的相关数值列于表4-1与表4-2中： 

图3A与图3B所示分别为本发明第二数值实施例的微型取像镜头的场曲表现(Field Curvature)与畸变表现(Distortion)。图3C所示为本发明第二数值实施例的微型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，Optical Transfer Function)的模数(Modulus)。这些图示表明本发明第二数值实施例的微型取像镜头也具有较佳的成像质量。

第三数值实施例： 

本发明微型取像镜头第三数值实施例的光学结构及光路图显示于图4中。第三数值实施例的各项参数列于表5中：

由表5可知，依据上述第三数值实施例实施的本发明微型取像镜头，其有效焦距EFL与数值孔径Fno.也分别为1.0mm与2.8。与第二数值实施例相同，本实施例中，第一透镜P1的屈光率为正，第二透镜P2的屈光率则为负，但是第一、第二透镜P1、P2是由不同塑料材料制成。由表5计算可知，第一透镜P1的焦距f1的值约为0.9092，代入前述条件式(1)，可得f1/EFL≈0.9092，符合大于0.1并小于2的数值范围。将第一透镜P1的物端表面S1与像端表面S2的曲率半径0.2966及0.5748代入前述条件式(2)，可得R1/R2≈0.5160，也符合大于0.1并小于2的数值范围。

本发明的第三数值实施例中，第一透镜P1的物端表面与像端表面S1、S2以及第二透镜P2的物端表面与像端表面S3、S4也均为非球面，其非球面的相关数值列于表6-1与表6-2中： 

 

图4A与图4B所示分别为本发明第三数值实施例的微型取像镜头的场曲表现(Field Curvature)与畸变表现(Distortion)。图4C所示为本发明第三数值实施例的微型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，Optical Transfer Function)的模数(Modulus)。这些图示表明本发明第三数值实施例的微型取像镜头也具有较佳的成像质量。

综上所述，与现有技术相比，本发明的优点在于：仅使用两枚相向设置的新月型非球面透镜P1、P2，使得本发明的微型取像镜头具有结构紧凑、光学总长短并且成像质量佳的优点。第一及第二透镜P1、P2均使用塑料材料制成，使得本发明微型取像镜头的重量更为减轻、成本更为降低，并且两透镜的非球面面型平顺缓和，无转折或大的起伏，容易通过非球面模具射出成型，从而符合大规模量产的需求。将孔径光阑STO设置于物端OBJ与第一透镜P1之间，更可有效缩短本发明微型取像镜头的长度，拉长出瞳位置，并使得孔径光阑STO与透镜的组立无关。因此，本发明的微型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，因而适于手机、小型数码相机等便携式电子装置的使用。 

Claims (12)

1.一种微型取像镜头，从物端到像端依次包括一孔径光阑、一第一透镜及一第二透镜，其特征在于：所述第一透镜为一新月型透镜并且其凸面朝向物端，所述第二透镜为一新月型透镜并且其凸面朝向像端；所述第一及第二透镜均由塑料制成并各具有至少一非球面；所述微型取像镜头满足以下条件式：

0.1< f1/EFL <2，以及

0.1< R1/ R2 <2

其中，f1为所述第一透镜的焦距，EFL为所述微型取像镜头的有效焦距，R1、R2分别为所述第一透镜的物端表面与像端表面的曲率半径。

2.如权利要求1所述的微型取像镜头，其特征在于所述第一透镜的主要功能为主导成像，提供折射力；所述第二透镜的主要功能为修正各种像差。

3.如权利要求1所述的微型取像镜头，其特征在于所述第一透镜及第二透镜的屈光率均为正。

4.如权利要求1所述的微型取像镜头，其特征在于所述第一透镜的屈光率为正，所述第二透镜的屈光率为负。

5.如权利要求1所述的微型取像镜头，其特征在于所述第一透镜的物端表面与像端表面均为非球面。

6.如权利要求5所述的微型取像镜头，其特征在于所述第二透镜的物端表面与像端表面均为非球面。

7.权利要求1至6项中任一项所述的微型取像镜头，其特征在于所述非球面的面型满足以下公式：

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距光轴的位移值；k为锥度常量；c为曲率半径的倒数；A、B、C、D、E、F、G、H、I为高阶非球面系数。

8.如权利要求1所述的微型取像镜头，其特征在于所述微型取像镜头的孔径数值为2.8。

9.如权利要求1所述的微型取像镜头，其特征在于所述第一透镜及第二透镜由不同塑料材料制成。

10.如权利要求1所述的微型取像镜头，其特征在于所述第一透镜及第二透镜由相同塑料材料制成。

11.如权利要求1所述的微型取像镜头，其特征在于所述第二透镜与成像面之间进一步包括一平板玻璃。

12.如权利要求11所述的微型取像镜头，其特征在于所述平板玻璃上镀有抗反射薄膜或红外线过滤薄膜。

Images