CN103460106B - 光学单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学单元，沿从被摄体侧到成像面的方向观察，其包括第一基板、第一透镜、第二透镜和第二基板，其特征在于，[（第一透镜顶点）到（第二透镜顶点）]的距离为250μm～650μm。尤其，这种光学单元使用在诸如相机等的图像处理单元中。本发明的目的是提供一种光学单元，在该光学单元中能实现透镜系统所期望的尺寸精度而不会导致光学单元的尺寸的不期望的增加。

Description

光学单元
技术领域
本发明涉及一种光学单元。本发明还涉及这种光学单元的使用。光学单元可认为是透镜组件，沿从被摄体侧到成像面的方向观察该光学单元包括第一基板、第一透镜、第二透镜和第二基板。
背景技术
光学单元本身已公知，尤其它们用在相机系统中，这种系统的一直以来的发展目标是获取更小、更轻、更薄、更好且更便宜的相机系统。例如，从本申请人申请的国际申请WO2004/027880已知一种相机系统，其包括图像捕获元件、用于将被摄物成像在图像捕获元件的透镜元件、用于维持透镜元件和图像捕获元件之间的预定距离的间隔件，同时还设置有透镜基板，透镜布置在透镜基板上。
从美国专利No.6,985,037还已知一种透镜组件，在该文献中指出，定义为从成像透镜的被摄体侧到CCD等的图像形成面的距离的光程应当小。这种透镜常常被称为紧凑透镜，例如在光程应当至少小于电话自身的厚度的移动电话中，有这方面的要求。此外，透镜应当被构造成使得借助这种透镜获取的图像视觉可接受。
美国专利No.6,985,307由此提供一种由第一透镜、第二透镜和第三透镜构成的透镜组件，该透镜组件的透镜特定要求是关于所使用的透镜的曲率、透镜之间的距离和所使用的透镜的厚度。
从国际申请WO2008/011003还已知一种相机系统，其包括三个基板层，基板层上形成五个光学元件。
在本申请人申请的未转载的荷兰申请No.2005164中说明了一种光学单元，其包括第一基板、第一透镜、第二透镜和第二基板，第一基板包括通过在第一基板的表面上涂布涂层以在上述面上获取孔径来实现的光圈功能。
从美国申请US2010/0002314已知一种透镜系统，其包括内透镜结构和外透镜结构，所述内透镜结构包括凸透镜、第一透明基板和凹透镜，所述外透镜结构包括凸透镜、第二透明基板和凹透镜。提到玻璃作为基板材料，借助复制（replication）方法在基板材料上设置透镜。在所述透镜系统中使用的光圈布置在玻璃基板上。
从欧洲申请EP 2 113 800已知一种摄像透镜，其包括成像传感器、第一透镜基板和第二透镜基板，在第一透镜基板的两侧分别是第一透镜和第二透镜，而第三透镜和第四透镜位于第二透镜基板的两侧。存在于第一透镜和第一透镜基板之间的是通过使用涂层方法获取的孔径光阑。在所述透镜系统中使用的光圈布置在基板上。
从US2011/013290已知一种摄像透镜，其包括孔径光阑、第一透镜和第二透镜。
从US2010/0073534已知一种光学单元，其包括光学面、间隔件和粘合剂。
从国际申请WO2009/076790已知一种复制光学单元的方法，其中由材料形成的透镜存在于开孔的载体中，该载体具有机械功能，即用作为间隔件。
从日本公开的JP 2009-229749已知一种光学单元，其中在玻璃基板上布置铬镀层。
发明内容
在移动电话中使用的相机模块需要在更小的尺寸中实现更高的分辨率和光学功能性。因而，需要设计包括透镜组件的新透镜系统，新透镜系统的透镜必须呈现与之前制造的透镜至少相同的尺寸精度。此外，这种相机模块的图像品质必须良好或者与现有已知模块的图像品质相比有所改进。本申请人还发现，使用现有的制造方法，需要相当的努力来控制想要的尺寸精度和图像品质。
因而，本发明的目的是提供一种光学单元，其中，能实现透镜系统的期 望的尺寸精度而不会导致光学单元尺寸的不期望的增大。
此外，本发明的另一目的在于提供一种呈现高图像品质（特别是在MTF和横向颜色偏差方面）的光学单元。
本发明的另一目的在于提供一种光学单元（即透镜组件），其中，使标称性能和容错性能保持平衡。
在简介中说明的本发明的特征在于，[（第一透镜顶点）到（第二透镜顶点）]的距离为250μm～650μm。
根据本申请人，已经发现，可通过使用这种光学单元，特别是通过确定第一透镜顶点到第二透镜顶点的距离来制造前述的特定距离在想要的光学特性和光学单元自身尺寸之间提供了最佳平衡的透镜的系统（特别是光学单元）。术语“顶点”应被理解为指曲率的局部最大点。在下文中对附图的说明中将更详细地解释术语。表述“顶点到顶点”应当理解为是指从第一透镜的弧弓部直到第二透镜并且包括第二透镜厚度的距离。
在特定实施方式中，优选地，沿从被摄体侧到成像面的方向观察，在第二透镜的后方布置第三透镜，第三透镜抵靠基板。
如果第一透镜顶点到第二透镜顶点的距离小于250μm，则对光学单元的光学性能有负面效果。如果第一透镜顶点到第二透镜顶点的距离超过650μm，将得到不能呈现足够图像品质的光学单元。因此，特别优选地在400μm～500μm的范围内选择第一透镜顶点到第二透镜顶点的距离值，在该范围内可在光学单元尺寸和利用该光学单元获得的光学性能之间得到最佳平衡。
在本发明的光学单元的特定实施方式中，进一步优选地，沿从被摄体侧到成像面的方向观察，在第二透镜的后方布置第三透镜，第三透镜抵靠基板，特别地，沿从被摄体侧到成像面的方向观察，第四透镜抵靠基板。在该实施方式中，光圈功能可存在于第三透镜和第四透镜之间的光路中。
在本发明的光学单元的特定实施方式中，设置四个透镜，即第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，从光学性能的角度出发，期望[（第一透 镜顶点）到（第二透镜顶点）]的距离与[（第三透镜顶点）到（第四透镜顶点）]的距离的比值的范围在0.4～0.7之间。
在本申请中使用的光圈优选为不透明载体，光圈功能通过在不透明载体中形成开口或孔径来实现，该开口或孔径对于来自被摄体侧的入射光是透明的。特别地，载体的厚度为10μm～500μm，优选为20μm～400μm。在一个实施方式中，在不透明载体中的孔径具有向内、向下的斜边，该边形成范围在0～90°的角，优选是10～50°的角。在一个实施方式中，该边被构造成使得不透明的载体中的孔径在光入射侧的尺寸比不透明载体的孔径在光射出侧的尺寸小。
从机械强度和处理容易角度看，优选地，不透明载体为金属载体，特别地，孔径用对入射光透明的材料填充。不透明载体可用作基板，优选地可以通过使用复制方法在基板上形成透镜。适当的载体由诸如铝、铜、锡、金等金属及其合金制成，适当的载体还可以由诸如钢的合金制成。在特定实施方式中，可以将硅、陶瓷材料甚至塑料材料用作载体材料。
在一个实施方式中，制造本发明的光学单元的可能方法包括通过对诸如金属、硅或塑料等期望的载体材料的板进行冲压、蚀刻或钻孔而设置不透明孔径板。还可以借助注射成形技术来获取前述板。随后，可例如使用复制处理来利用光学材料填充不透明（对入射光而言）载体中的孔径。随后，通过使用复制处理可以获取第一透镜面，类似地，可以通过复制来提供第二透镜面。在一个实施方式中，特别地，可以根据使用的光学材料，组合上述填充和复制步骤。
根据本发明，可以将光学单元构造成使得第一透镜由与制造第二透镜的材料不同的材料制成。
为了实现最佳光学性能，用作第一透镜的材料优选为聚合物，该聚合物的阿贝数为40～80、折射率为1.4～1.7，此外，优选地，用作第二透镜的材料为聚合物，该聚合物的阿贝数为20～50、折射率为1.4～1.7。
现在将参照多个实施方式来说明本发明，在本发明的特定实施方式中， 优选地，光圈完全埋设在用作第一透镜的材料中。根据光学单元的另一实施方式，优选地，光圈抵靠第二透镜。
第一透镜和第二透镜可由相同的聚合物材料制成，两种聚合物材料具有对应的阿贝数和反射率值。
特别优选地，用作第三透镜的材料为聚合物，该聚合物的阿贝数为20～60、折射率为1.4～1.7，此外，在这方面，优选地，用作第四透镜的材料为聚合物，该聚合物的阿贝数为20～60、折射率为1.4～1.7。
在本发明的光学单元的另一优选实施方式中，优选地，光圈完全埋设在用作第二透镜的材料中，在特定的实施方式中，优选地，光圈抵靠第一透镜。
适当的透镜形状包括：第一透镜为平凸型，第二透镜为平凹型，第三透镜为平凹型，第四透镜为平凸型，还可以将第四透镜构造成组合平凸凹型透镜。
在上述实施方式中，基板特别地布置在第三透镜和第四透镜之间，从透光性的角度出发，基板包括透明玻璃板。
从尺寸精度和再现性以及使得阿贝数和反射率改变有效的角度出发，优选地，通过使用复制方法来得到第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜。在复制方法中用作聚合物的适当的UV可固化成分包括：聚碳酸酯（其中有二甘醇双（烯丙基）碳酸酯），聚苯乙烯（其中有聚氯苯乙烯）聚丙烯酸酯（诸如聚（三氯乙基甲基丙烯酸酯）、聚（异丁基甲基丙烯酸酯）、聚（甲基丙烯酸酯）、聚（甲基丙烯酸甲脂）、聚（α-甲基-溴丙烯酸酯）、聚（甲基丙烯酸）-2,3-二溴丙基聚（苯基-甲基丙烯酸酯-聚（五氯苯基甲基丙烯酸酯聚合物），聚酯化合物（诸如二烯丙基-酞酸酯、聚（乙烯基苯甲酸酯）、聚（乙烯基萘）、聚（乙烯基咔唑））和采用各种类型的树脂材料形式的硅酮，以及丙烯酸类树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、硫醇树脂（enthiol resin）或硫代氨基甲酸乙酯树脂或光聚物。曝光优选发生在如下条件下：强度为100W/cm2-2000W/cm2，特别是700W/cm2，剂量为1-15J/cm2，特别是7J/cm2，波长为320nm～400nm范围，曝光时间为1～60秒，特别是10秒。
用作基板的适当的透明玻璃板是阿贝数为20～90、折射率为1.2～2.2的基板。
在特定实施方式中，基板可以由多层构成，如果期望则每层呈现不同的光学特性，以根据期望能影响光学单元的光学性能。
还可以在本发明的光学单元中结合光学校正功能，即防反射功能和/或红外线过滤功能。
本发明的光学单元特别地用在必须是小尺寸的图像处理单元中，诸如用于采用了CCD或CMOS的移动电话、个人电脑、数字相机、游戏电脑、监控相机等的相机单元。
在下文中将借助于多个实施例来说明本发明，然而，在这方面，应当注意，本发明无论如何不限于这些实施方式。
附图说明
图1是根据本发明的光学单元的主视图。
图2示出了根据本发明的光学单元的特定实施方式。
图3示出了根据本发明的光学单元的特定实施方式。
图4示出了根据本发明的光学单元的特定实施方式。
图5示出了根据本发明的光学单元的特定实施方式。
图6示出了根据本发明的光学单元的特定实施方式。
图7示出了根据现有技术的光学单元的光学性能。
图8示出了根据本发明的光学单元的光学性能。
图9示出了根据现有技术的光学单元的光学性能。
图10示出了根据本发明的光学单元的光学性能。
图11示出了根据现有技术的光学单元的光学性能。
图12示出了根据本发明的光学单元的光学性能。
图13示出了根据现有技术的光学单元以及相关的射线路径。
图14示出了根据本发明的光学单元以及相关的射线路径。
具体实施方式
图1示出光学单元10，其包括第一透镜3、光圈2、第二透镜4、第三透镜6、基板7和第四透镜8。在图1中，字母A示意性示出了第一透镜顶点到第二透镜顶点的距离。字母B指第三透镜顶点到第四透镜顶点的距离。本发明特别指范围在250μm～650μm的数值A。此外，优选地，比值A/B在0.4～0.7之间变化，优选其为0.5。光圈2为金属载体，其中，孔径示意性指示为5。在本实施方式中，存在于不透明载体2中的孔径5具有向内、向下的斜边，该边形成30°的角。在本实施方式中，该边构造成使得不透明载体2中的孔径5在光入射侧的尺寸比不透明载体2中的孔径5在光射出侧的尺寸小。通过将光圈2构造为不透明载体，入射光将经由透镜3进入光学单元10，随后经由孔径5、第二透镜4、第三透镜6、基板7和第四透镜8射出。从图1还可了解，第一透镜3布置在光圈2上，在光圈2远离第一透镜3的一侧设置有第二透镜4。使用折射率为1.52、阿贝数为53.7的第一透镜，使用折射率为1.61、阿贝数为28.5的第二透镜，使用折射率为1.54、阿贝数为41的第三透镜，使用折射率为1.54、阿贝数为41的第四透镜。
图2示出了光学单元20的特定实施方式，其中，光圈2完全埋设在第一透镜9和第二透镜11中。在图2中，用作第一透镜9的材料与用作第二透镜11的材料光学相同。孔径12布置在示出的位于光学单元20的左手侧的光圈部2和右手侧的光圈部2之间。
图3示出了光学单元30的特定实施方式，其中，光圈2完全埋设在用作第一透镜13的材料中。光圈2以使第二透镜4抵靠用作第一透镜13的材料的方式埋设在用作第一透镜13的材料中。
图4示出了光学单元40，即图3示出的光学单元30的特定实施方式。在光学单元40中，光圈2也埋设在用作第一透镜13的材料中，但是第二透镜4抵靠光圈2。
图5示出了本发明的光学单元50的特定实施方式，其中，光圈2完全埋设 在用作第二透镜14的材料中。因为光圈2完全埋设在用作第二透镜14的材料中，所以第一透镜3抵靠用作第二透镜14的材料。
图6示出了本发明的光学单元60，其为图5中示出的光学单元50的特定实施方式，其中，如图6所示，光圈2未完全埋设在用作第二透镜14的材料中，而是第一透镜3抵靠光圈2。
尽管在之前的附图中示出的光学单元都包括用于执行光圈功能的单一孔径，但是在某些实施方式中可使用不止一个孔径。在这些实施方式中，图1-6中使用的不透明载体中的光圈在所有情况下都具有向内、向下的形成30°角的斜边。该边被构造成使得不透明载体中的孔径的光入射侧的尺寸比不透明载体中的孔径的光射出侧的尺寸小。然而，应当理解，图1-6中示出的30°角不应做限制性解释。此外，在某些实施方式中，可通过使用例如铬镀层等薄层技术特别地在与前述位置不同的位置处在本发明的光学单元中附加地获取一个或多个光圈功能。
图7和图8分别示出了根据现有技术的透镜组件的光学性能和根据本发明的透镜组件特别地如图1示意性示出的透镜组件的光学性能，图8明显地示出在0μm附近的横向色散远小于图7中示出的根据现有技术的光学单元在0μm附近的横向色散。图13和图14分别示意性示出了图7和图8中使用的根据现有技术的透镜组件和根据本发明的透镜组件以及相关的射线路径。
图9和图10分别示出了根据现有技术的光学单元的光学性能和根据本发明的光学单元的光学性能，图10明显地示出在大范围的度数内MTF模块比图9示出的模块即根据现有技术的光学单元高约10%。
图11和图12分别示出了根据现有技术的光学单元的焦点偏移和根据本发明的光学单元的焦点偏移，图12中示出的根据本发明的光学单元的光学性能与在根据现有技术的光学单元中观察到的焦点偏移（图11）相比呈现作为波长函数的小的焦点偏移。
图7-12中示出的光学性能明显地示出了，使用本发明的光学单元，其中可将第一透镜顶点到第二透镜顶点的距离限定在特定区域。
图13和图14分别示意性地示出了根据现有技术的光学单元和根据本发明的光学单元。从示意性示出的射线路径，明显图14的聚焦比图13的聚焦好。

Claims (30)

1.一种光学单元，沿从被摄体侧到成像面的方向观察，其包括第一透镜、第二透镜和存在于所述第一透镜和所述第二透镜之间的光路中的光圈，其特征在于，第一透镜顶点到第二透镜顶点的距离为250μm～650μm，
所述光圈是设置有开口的不透明载体，所述开口对于来自被摄体侧的入射光是透明的，所述载体厚度为10μm～500μm，
所述光圈完全埋设在用作所述第一透镜或者所述第二透镜的材料中。
2.根据权利要求1所述的光学单元，其特征在于，所述载体厚度为20μm～400μm。
3.根据权利要求1或2所述的光学单元，其特征在于，第一透镜顶点到第二透镜顶点的距离为400μm～500μm。
4.根据权利要求1或2所述的光学单元，其特征在于，沿从被摄体侧到成像面的方向观察，在所述第二透镜的后方布置第三透镜，所述第三透镜抵靠基板。
5.根据权利要求4所述的光学单元，其特征在于，沿成像面的方向观察，第四透镜抵靠所述基板。
6.根据权利要求5所述的光学单元，其特征在于，光圈功能存在于所述第三透镜和所述第四透镜之间的光路中。
7.根据权利要求5所述的光学单元，其特征在于，第一透镜顶点到第二透镜顶点的距离与第三透镜顶点到第四透镜顶点的距离的比值的范围在0.4～0.7之间。
8.根据权利要求1或2所述的光学单元，其特征在于，所述不透明载体为金属载体。
9.根据权利要求8所述的光学单元，其特征在于，所述开口利用对于入射光是透明的材料填充。
10.根据权利要求1所述的光学单元，其特征在于，所述第一透镜由与制造所述第二透镜的材料不同的材料制成。
11.根据权利要求1所述的光学单元，其特征在于，用作所述第一透镜的材料为聚合物，该聚合物的阿贝数为40～80、折射率为1.4～1.7。
12.根据权利要求10或11所述的光学单元，其特征在于，用作所述第二透镜的材料为聚合物，该聚合物的阿贝数为20～50、折射率为1.4～1.7。
13.根据权利要求1或2所述的光学单元，其特征在于，所述光圈抵靠所述第二透镜。
14.根据权利要求1或2所述的光学单元，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜由相同的聚合物材料制成。
15.根据权利要求14所述的光学单元，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜由具有相同光学特性的聚合物材料制成。
16.根据权利要求4所述的光学单元，其特征在于，用作所述第三透镜的材料为聚合物，该聚合物的阿贝数为20～60、折射率为1.4～1.7。
17.根据权利要求5所述的光学单元，其特征在于，用作所述第四透镜的材料为聚合物，该聚合物的阿贝数为20～60、折射率为1.4～1.7。
18.根据权利要求1或2所述的光学单元，其特征在于，所述光圈抵靠所述第一透镜。
19.根据权利要求1或2所述的光学单元，其特征在于，所述第一透镜为平凸型。
20.根据权利要求1或2所述的光学单元，其特征在于，所述第二透镜为平凹型。
21.根据权利要求4所述的光学单元，其特征在于，所述第三透镜为平凹型。
22.根据权利要求5所述的光学单元，其特征在于，所述第四透镜为平凸型。
23.根据权利要求22所述的光学单元，其特征在于，所述第四透镜为组合平凸凹型。
24.根据权利要求4所述的光学单元，其特征在于，所述基板包括透明玻璃板。
25.根据权利要求5所述的光学单元，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜通过利用复制方法获得。
26.根据权利要求4所述的光学单元，其特征在于，所述基板的阿贝数为20～90、折射率为1.2～2.2。
27.根据权利要求1或2所述的光学单元，其特征在于，存在于所述不透明载体中的所述开口具有向内、向下的斜边，该边形成0～90°的角，所述边被构造成使得所述不透明载体中的所述开口在光入射侧的尺寸比所述不透明载体中的所述开口在光射出侧的尺寸小。
28.根据权利要求27所述的光学单元，其特征在于，所述边形成10～50°的角。
29.根据权利要求中1-28中任一项所述的光学单元在图像处理单元中的使用。
30.根据权利要求29所述的光学单元在图像处理单元中的使用，其特征在于，所述光学单元为相机单元。
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