CN103765278A - 用于成像的四透镜模块 - Google Patents
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Abstract
一种光学模块，具有物侧和像侧，所述模块从物侧至像侧包括：第一正弯月透镜，具有屈光度C1，由具有折射率Nd1和阿贝系数Vd1的材料制成，第二负弯月透镜，具有屈光度C2，由具有折射率Nd2和阿贝系数Vd2的材料制成，第三正弯月透镜，具有屈光度C3，由具有折射率Nd3和阿贝系数Vd3的材料制成，第四负透镜，具有屈光度C4，由具有折射率Nd4和阿贝系数Vd4的材料制成，其中：1.1≤C1/C≤1.35；ⅡC1/C2Ⅱ≥2；0.5≤C1/C3≤1.1；C1/Vd1≤5.2；ⅡC1/Vd2Ⅱ≤7；Ⅱ∑(Ci/Vdi)Ⅱ＜4，其中i=1～4。
Description
技术领域
本发明涉及光学模块，例如用于移动电话中成像的那些光学模块，特别是包括四个透镜的光学模块。
背景技术
移动电话越来越薄、分辨率越来越高的趋势导致镜头模块具有特殊的设计，镜头模块由组装至镜筒（lens holder）的一个至数个镜片、以及光圈组成。并且，对于瞄准大额市场的模块来说，必须将注意力放在可制造性上，因为只有当制造产量接近100%时，才能设想每天生产好几万个镜头模块。
根据用户的规范，对设计产生主要影响的约束有：
有效焦距
有效焦距决定了模块的总体尺寸。下文中有效焦距将被称作EFL。
后焦距
后焦距，或者BFL，是最靠近传感器的透镜的顶点与传感器的顶部表面之间的距离，其中最靠近传感器的透镜的顶点是光轴与最接近传感器的透镜的表面的交点。
屈光度（convergence）
屈光度C是EFL的倒数。它也被称为透镜的屈光力。
视场
与影像的尺寸相结合，EFL也决定了视场，其中该影像将会在模块的焦平面上形成，该视场被称作FOV。
当在模块的焦平面上形成直径为D的圆形影像时，其中该影像的中心位于光轴与焦平面的交叉点处，FOV由以下关系式定义：
FOV=2.Arctan(D/[2.EFL])
其中Arctan是角的正切的反函数。
当影像是矩形时，直径D是矩形的对角线的尺寸。矩形的中心位于光轴与像平面的交叉点处，被称为影像中心。
用于定义点的位置的常规惯例是使用影像高度或者角度，其中高度是这个点到影像中心的距离，角度是对着影像中心与这个点之间的部分的角度，它们都被表示为极大半FOV的百分比“x”，标记为x%hFOV。
在行业中已知的是，FOV越大，几何畸变越大，越难实现具有高解析度和低像散的镜头。
孔径数（aperture number）F#
模块的孔径光阑限制进入模块的光线，且和EFL一起决定了模块的孔径数，孔径数被称为F#，等于EFL与孔径光阑的直径的比率。
孔径光阑通常被称为光阑（Stop），因为它用于限制进入模块的光线。
F#对四个重要参数有主要影响：到达传感器的光线，其与F#的平方成反比，景深（DoF），超焦距（HyF），以及焦深（dof），超焦距是物体在从该距离的一半到无穷远处都能在传感器上形成清晰影像的焦点处，焦深是传感器的位置相对于镜头模块的位置的容许范围。
分辨率
分辨率由调制传递函数（MTF）在给定空间频率下测量。分辨率代表了影像的黑色区域和白色区域之间的对比度，其中该影像由一系列交替的等宽黑、白条纹（stripe）组成，一对条纹的宽度是空间频率的倒数（inverse）。
MTF通常表示为最大可能对比度的百分比。最大MTF是100%，给定镜头的MTF性能从0%到100%变化。
空间频率用每毫米的线对（Line Pair）表示，缩写为lppm。
像差
像差是几何像差和色差。
几何像差包括几何畸变、像散、以及影像的不同区域之间的EFL差异。它们取决于镜片轴线上的曲率、以及非球面系数，该非球面系数定义了在轴线的给定距离上、在轴线上具有相同半径的球面表面与透镜表面之间的距离。
色差包括“色边”（物体的边缘被不同颜色的平行边缘包围）和“色区”（白色影像出现例如粉色边角）。
目标成本
模块的目标成本主要取决于构成模块的透镜的数量。本发明允许减少像差，这通过平衡透镜的曲率的屈光度而不是增加更多的透镜来实现。
关于EFL、C、BFL、FOV、MTF、以及F#的更多细节可以在学术文献中找到，例如Warren J Smith、McGraw Hill的“Modern Optical Engineering”。
由于这么多的约束条件，可以理解，镜头模块为一组特定的规范而设计。然而，对于给定的传感器，非常常见的是，电话制造者研发了几个模式，这些模式具有稍微不同的特征（在EFL、FOV和MTF规范方面稍有不同）。通过为不同的设计参数指定变化范围，可设计具有多功能的模块。
有许多描述了包括四个透镜、或者四组透镜的模块的公开物，它们对于使用的透镜的类型、透镜的焦距、或者表面的非球面系数有限制条件，这些模块为特定的应用而定制，与本发明不同；例如：JP4479715、JP2003098428、JP2007108770、US5367405、JP07098430、JP11190820。
发明内容
本发明涉及一种光学模块，具有物侧和像侧，所述模块从物侧至像侧包括：
第一正弯月透镜，具有屈光度C1，由具有折射率Nd1和阿贝系数Vd1的材料制成，包括第一和第二光学表面，所述第一光学表面是凸面且朝向所述物侧，
第二负弯月透镜，具有屈光度C2，由具有折射率Nd2和阿贝系数Vd2的材料制成，包括第三和第四光学表面，
第三正弯月透镜，具有屈光度C3，由具有折射率Nd3和阿贝系数Vd3的材料制成，包括第五和第六光学表面，所述第五光学表面是凹面且朝向所述物侧，所述第六光学表面是凸面且朝向所述像侧，
第四负透镜，具有屈光度C4，由具有折射率Nd4和阿贝系数Vd4的材料制成，包括第七和第八光学表面，第七光学表面朝向所述物侧，其中：
1.l≤C1/C≤1.35
IIC1/C2II≥2
0.5≤C1/C3≤1.1
C1/Vd1≤5.2
IIC2/Vd2II≤7
IIΣ(Ci/Vdi)II≤4
i=1～4。
根据本发明的实施例，在89lppm的空间频率下、对于波长为0.555微米的单色光，所述模块在中心（0%度hFOV）的MTF大于或等于75%。
根据本发明的实施例，在89lppm的空间频率下、对于波长为0.555微米的单色光，所述模块在50%hFOV处、实线（Sagital）和虚线（Tangential）MTF之间的相对差小于8%，在90%hFOV、实线和虚线MTF之间的相对差小于15%。
根据本发明的实施例，在89lppm的空间频率下、对于波长为0.555微米的单色光，所述模块在50%处的实线MTF大于或等于70%，在50%处的虚线MTF大于或等于65%。
根据本发明的实施例，在89lppm的空间频率下、对于波长为0.555微米的单色光，所述模块在90%处的实线MTF大于或等于58%，在90%处的虚线MTF大于或等于51%。
根据本发明的实施例，所述模块包括位于第一透镜和第二透镜之间的孔径光阑、或者位于所述物侧和第一透镜之间的孔径光阑。
根据本发明的实施例，所述第一透镜由玻璃制成，其它三个透镜由塑料制成。
根据本发明的实施例，所述第一和第二透镜由玻璃制成，其它两个透镜由塑料制成。
根据本发明的实施例，所述第一和第三透镜由玻璃制成，其它两个透镜由塑料制成。
根据本发明的实施例，对于波长为0.555微米的单色光，所述模块的EFL短于4.4mm。
根据本发明的实施例，对于波长为0.555微米的单色光，所述模块的EFL短于3.6mm。
根据本发明的实施例，所述模块还包括红外滤光片和/或在像侧位于所述第四透镜之后的光线传感器。
根据本发明的实施例，所述模块具有63-75度的FOV。
根据本发明的实施例，所述模块具有在像侧位于所述第四透镜之后的光线传感器，所述传感器具有至少5,000,000像素，每像素小于或等于1.4微米乘以1.4微米，这些像素设置成矩形阵列，且长边尺寸与短边尺寸的比例大约为4/3。
根据本发明的实施例，所述传感器包括至少7,900,000像素，每像素小于或等于1.4微米乘以1.4微米，这些像素设置成矩形阵列，且长边尺寸与短边尺寸的比例大约为4/3。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的四透镜光学模块。
图2示出了根据本发明的另一个实施例的模块。
图3示出了图2的模块在89lppm的空间频率下的MTF性能。
图4示出了根据本发明的另一个实施例的模块。
图5示出了图4的模块在89lppm的空间频率下的MTF性能。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施例的四透镜光学模块10。
光学模块10具有物侧12和像侧14；该模块从物侧12到像侧14包括：第一正透镜16，具有焦距F1，且包括第一光学表面18和第二光学表面20。第一光学表面18是凸面，且朝向物侧12。
接下来光学模块10还包括第二负透镜22，具有焦距F2，且包括第三光学表面24和第四光学表面26，第三光学表面24朝向物侧12。
接下来光学模块10还包括第三正透镜27，具有焦距F3，且包括第五光学表面28和第六光学表面29，第五光学表面28朝向物侧12且为凹面，第六光学表面29朝向像侧14且为凸面。
接下来光学模块10还包括第四负透镜30，具有焦距F4，且包括第七光学表面31和第八光学表面32，第七光学表面31朝向物侧12。
优选地，光学模块10包括位于两个透镜16、22之间、或者位于第一透镜16前方的光阑33。优选地，透镜16由玻璃制成。
优选地，四个透镜中每个透镜的两个光学表面都是非球面的，且这些透镜由模造制成。
根据本发明，模块的整体屈光力（global optical power）在四个光学表面之间分散，正透镜对总屈光力贡献正屈光力，负透镜对总屈光力贡献负屈光力。
根据本发明，第一透镜的屈光力的是整个模块的整体屈光力的1.1-1.35倍，可以表示为以下关系式：
1.1≤C1/C≤1.35（1）
其中C1是第一透镜的屈光度，C是整个模块的屈光度。
此外，根据本发明，第一透镜的屈光力与第二透镜的屈光力的绝对值的比率必须大于或等于2，可以表示为以下关系式：
IIC1/C2II≥2（2）
其中“ⅡxⅡ”表示x的绝对值。
此外，根据本发明，第一透镜的屈光力C1与第三透镜的屈光力C3的比率必须介于0.5和1.1之间。
0.5≤C1/C3≤1.1(3)
较高的屈光力集中在第一透镜16和第三透镜27上，会导致在没有附加条件的情况下会产生较大的色散。
由于镜头的EFL取决于折射率，对于氢的蓝线f EFL（Nf）和红线c（EFL（Nc））、EFL为F的模块的色散Δf是在可见光谱的极限处的EFL的差异：
Δf＝ＥＦＬ(Nc)-EFL(Nf)
根据学术文献，当一个人考虑两个透镜A和B的组合时，这两个透镜的屈光度为Ca和Cb，由例如玻璃材质制成，具有各自的折射率Nda和Ndb，具有各自的阿贝系数Vda和Vdb，且构成具有屈光度C的双透镜模块，最小的色散需要满足以下条件：
(Ca/Vda+Cb/Vdb)尽可能接近零（～0）。
其中Vdi表示对于第i个透镜、与可见光谱中央的黄色钠线的波长（波长λ=587.56nm）对应的阿贝系数。
扩展到多透镜模块，关系式变成：
Σ(Ci/Vdi)～０(4)
其中Ci和Vdi是第i个透镜的屈光度和阿贝系数。
这个关系式强制规定模块必须由具有负屈光度和正屈光度的透镜组成，且由具有满足条件式（4）的阿贝系数的材料制成。
本发明包括交错的正透镜和负透镜。此外，根据本发明，选择透镜，使得它们遵循以下关系式（其中C表示为屈光度）
C1/Vd1≤5.2(5)
IIC2/Vd2II≤7(6)
IIΣ(Ci/Vdi)II≤4(7)
其中i=1、2、3、4；且其中Ci表示第i个透镜的屈光度，Vdi表示对于上述的黄色钠的波长、第i个透镜的阿贝系数，定义为Vdi=(Ndi-1)/(Nfi-Nci)，其中Nfi和Nci是对于第i透镜、分别与蓝色氢线和红色氢线的波长对应的折射率，Ndi是对于可见光谱中央的黄色钠线、第i个透镜的折射率。
发明人已经注意到，设定第一透镜16具有相对较高的屈光力，高于250屈光度，当Vd1>65时，更容易满足关系式（5）。
发明人已经注意到，根据本发明的模块具有遵循以上关系式（1-3）和（5-7）的四个透镜，该模块允许显著减少模块的像散，从而允许实现高性能。例如，发明人已经注意到，根据本发明的四透镜模块，在89lppm的空间频率下、对于波长为0.555微米的单色光，模块在中心（0%度hFOV）的MTF大于或等于75%。
如下文参照本发明的实施例所描述，根据本发明的模块在89lppm的空间频率下、对于波长为0.555微米的单色光，在50%hFOV处、实线（Sagital）和虚线（Tangential）MTF之间的相对差小于8%，在90%hFOV处、实线和虚线MTF之间的相对差小于15%。
优选地，根据本发明的模块在89lppm的空间频率下、对于波长为0.555微米的单色光，在50%hFOV处的实线MTF大于或等于70%，在50%hFOV处的虚线MTF大于或等于65%。
优选地，根据本发明的模块在89lppm的空间频率下、对于波长为0.555微米的单色光，在90%hFOV处的实线MTF大于或等于58%，在90%hFOV处的虚线MTF大于或等于51%。
优选地，根据本发明的模块具有介于63-75度之间的FOV。发明人已经注意到根据本发明的模块包括四个透镜，在整个视场中的MTF的实线和虚线分量之间都具有良好的平衡，具有以度数表示、介于63-75度之间的FOV，该模块能够以介于5兆与大于或等于8兆之间的像素成像，传感器对角线与焦距的比率介于1.27-1.55之间，且F#小于2.5。
现在将详细描述本发明的实施例。
第一实施例：EFL=4.22mm（C=237）的模块
图2示出了根据本发明实施例的镜头光学模块210。
光学模块210具有物侧212和像侧214，该模块从物侧212到像侧214包括：第一正透镜216，具有焦距F1，且包括第一光学表面218和第二光学表面220。第一光学表面218是凸面，且朝向物侧212。
接下来光学模块210还包括第二负透镜222，具有焦距F2，且包括第三光学表面224和第四光学表面226，第三光学表面224朝向物侧212。
接下来光学模块210还包括第三正透镜227，具有焦距F3，且包括第五光学表面228和第六光学表面229，第五光学表面228朝向物侧212且为凹面，第六光学表面229朝向像侧214且为凸面。
接下来光学模块210还包括第四负透镜230，具有焦距F4，且包括第七光学表面231和第八光学表面232，第七光学表面231朝向物侧212。
光学模块210包括位于两个透镜216、222之间的光阑/孔径光阑233。
可选地，模块210还包括在像侧位于第四透镜232后方的红外滤光片240。
可选地，模块210还包括在像侧位于第四透镜232后方的光线传感器（且最终位于红外滤光片240之后）。可选地，模块210能够与光线传感器250一起运作，但是光线传感器250不形成模块的一部分。
根据本发明的实施例，光线传感器250包括至少7,900,000像素，每像素小于或等于1.4微米乘以1.4微米，这些像素设置成矩形阵列，且长边尺寸与短边尺寸的比例大约为4/3。
根据本发明的实施例，光线传感器250包括至少5,000,000像素，每像素小于或等于1.4微米乘以1.4微米，这些像素设置成矩形阵列，且长边尺寸与短边尺寸的比例大约为4/3。
模块210的F#为2.5。
全FOV，表示为角度，是67度。
用于透镜的材料具有以下特征：
| Nd | Vd | |
| 第一透镜216 | 1.48 | 84.2 |
| 第二透镜222 | 1.63 | 23.4 |
| 第三透镜227 | 1.53 | 56.1 |
| 第四透镜230 | 1.53 | 56.1 |
图2所示的模块具有以下特征：
| Cl | C2 | C3 | C4 | C=I／F | Cl／C | C1／Vdl | C2/Vd2 | C1／C2 | C1／C3 | ΣC／Vd |
| 27l | -127 | 512 | -475 | 237 | l.143 | 3.219 | -5.427 | -2.134 | 0.529 | -1.549 |
模块210遵循条件(1)、(2)、(3)、(5)、(6)、(7)。
模块210的MTF相对hFOV的性能在图3示出，图3阐明了光学传递函数的变化：在891ppm、对于波长为0.555微米的单色光，实线MTF(标号s1)和虚线MTF(标号T1)的百分比(从0％-0.0％至100％-1.0)相对于半视场hFOV的位置(以mm为单位)的变化。
性能以以下特征表示：
中心的MTF：83％；
50％hFOV的MTF：实线MTF=80％；虚线MTF=77％；
90％hFOV的MTF：实线MTF=71％；虚线MTF=69％；
在50％hFOV处，实线和虚线MTF之间的相对差小于4％，在90％hFOV处，小于8％。
在图示的实施例中，全hFOV对应的影像高度为2.856mm。
第二实施例：EFL=3.314mm(C=302)的模块
图4示出了根据本发明实施例的镜头光学模块210。
光学模块410具有物侧412和像侧414，该模块从物侧412到像侧414包括：第一正透镜416，具有焦距F1，且包括第一光学表面418和第二光学表面420。第一光学表面418是凸面，且朝向物侧412。
接下来光学模块410还包括第二负透镜422，具有焦距F2，且包括第三光学表面424和第四光学表面426，第三光学表面424朝向物侧412。
接下来光学模块410还包括第三正透镜427，具有焦距F3，且包括第五光学表面428和第六光学表面429，第五光学表面428朝向物侧412且为凹面，第六光学表面429朝向像侧414且为凸面。
接下来光学模块410还包括第四负透镜430，具有焦距F4，且包括第七光学表面431和第八光学表面432，第七光学表面431朝向物侧412。
光学模块410包括与第一透镜416朝向物侧的第一表面接触的光阑／孔径光阑433。
光学模块410还包括与光学模块210相同的红外滤光片，且可包括与光学模块210相同的光线传感器，或者用于与该光线传感器一起运作。
光学模块410也用于与光学传感器450一起运作，该光线传感器450包括大约5百万个1.4微米乘以1.4微米的像素，这些像素设置成矩形阵列，且阵列的长边与另一边的比例大约为4／3。
模块410的F#为2.4。
全FOV，表示为角度，是67.4度。
用于透镜的材料具有以下特征：
| Nd | Vd | |
| 第一透镜416 | 1.48 | 84.2 |
| 第二透镜422 | 1.63 | 23.4 |
| 第三透镜427 | 1.53 | 56.1 |
| 第四透镜430 | 1.53 | 56.1 |
该模块具有以下特征：
| Cl | C2 | C3 | C4 | C=1/F | C1／C | C1／Vd1 | C2／Vd2 | C1／C2Cl／C3 | ΣC／Vd |
| 337 | -109 | 501 | -523 | 302 | 1.116 | 3.998 | -4.658 | -3.0920.672 | 1.06 |
该模块遵循条件(1)、(2)、(3)、(5)、(6)、(7)。
模块410的MTF相对hFOV的性能在图5示出，图5阐明了光学传递函数的变化：在891ppm、对于波长为0.555微米的光，实线MTF(标号s1)和虚线MTF（标号T1）的百分比（从0%-0.0%至100%-1.0）相对于半视场hFOV的位置（以mm为单位）的变化。
性能以以下特征表示：
中心的MTF：81.8%；
50%hFOV的MTF：实线MTF=80%；虚线MTF=78%；
90%hFOV的MTF：实线MTF=77%；虚线MTF=70%；
在50%hFOV处，实线和虚线MTF之间的相对差小于4%，在90%hFOV处，小于8%。
全hFOV对应的影像高度为2.27mm。
上述实施例仅用于说明的目的，不应用于限制本发明。本发明由所附的权利要求进行定义。
Claims (15)
1.一种光学模块，具有物侧和像侧，其特征在于，所述模块从物侧至像侧包括：
第一正弯月透镜，具有屈光度C1，由具有折射率Nd1和阿贝系数Vd1的材料制成，包括第一和第二光学表面，所述第一光学表面是凸面且朝向所述物侧，
第二负弯月透镜，具有屈光度C2，由具有折射率Nd2和阿贝系数Vd2的材料制成，包括第三和第四光学表面，
第三正弯月透镜，具有屈光度C3，由具有折射率Nd3和阿贝系数Vd3的材料制成，包括第五和第六光学表面，所述第五光学表面是凹面且朝向所述物侧，所述第六光学表面是凸面且朝向所述像侧，
第四负透镜，具有屈光度C4，由具有折射率Nd4和阿贝系数Vd4的材料制成，包括第七和第八光学表面，第七光学表面朝向所述物侧，其中：
1.1≤C1/C≤1.35
IIC1/C2II≥2
0.5≤C1/C3≤1.1
C1/VD1≤5.2
IIC2/Vd2II≤7
IIΣ(Ci/Vdi)II≤4
i=1～4。
2.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，在89lppm的空间频率下、对于波长为0.555微米的单色光，所述模块在中心（0%度hFOV）的MTF大于或等于75%。
3.根据权利要求1或2所述的模块，其特征在于，在89lppm的空间频率下、对于波长为0.555微米的单色光，所述模块在50%hFOV处、实线和虚线MTF之间的相对差小于8%，在90%hFOV、实线和虚线MTF之间的相对差小于15%。
4.根据权利要求1至3所述的模块，其特征在于，在89lppm的空间频率下、对于波长为0.555微米的单色光，所述模块在50%处的实线MTF大于或等于70%，在50%处的虚线MTF大于或等于65%。
5.根据权利要求1至4所述的模块，其特征在于，在89lppm的空间频率下、对于波长为0.555微米的单色光，所述模块在90%处的实线MTF大于或等于58%，在90%处的虚线MTF大于或等于51%
6.根据权利要求1至5所述的模块，其特征在于，所述模块包括位于第一透镜和第二透镜之间的孔径光阑、或者位于所述物侧和第一透镜之间的孔径光阑。
7.根据权利要求1至6所述的模块，其特征在于，所述第一透镜由玻璃制成，其它三个透镜由塑料制成。
8.根据权利要求1至6所述的模块，其特征在于，所述第一和第二透镜由玻璃制成，其它两个透镜由塑料制成。
9.根据权利要求1至6所述的模块，其特征在于，所述第一和第三透镜由玻璃制成，其它两个透镜由塑料制成。
10.根据权利要求1至9所述的模块，其特征在于，对于波长为0.555微米的单色光，所述模块的EFL短于4.4mm。
11.根据权利要求10所述的模块，其特征在于，对于波长为0.555微米的单色光，所述模块的EFL短于3.6mm。
12.根据权利要求1至11所述的模块，其特征在于，所述模块还包括红外滤光片和/或在像侧位于所述第四透镜之后的光线传感器。
13.根据权利要求1至11所述的模块，其特征在于，所述模块具有63-75度的FOV。
14.根据权利要求1至11所述的模块，其特征在于，所述模块具有在像侧位于所述第四透镜之后的光线传感器，所述传感器具有至少5,000,000像素，每像素小于或等于1.4微米乘以1.4微米，这些像素设置成矩形阵列，且长边尺寸与短边尺寸的比例大约为4/3。
15.根据权利要求14所述的模块，其特征在于，所述传感器包括至少7,900,000像素，每像素小于或等于1.4微米乘以1.4微米，这些像素设置成矩形阵列，且长边尺寸与短边尺寸的比例大约为4/3。
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