CN104503067A

CN104503067A - 一种取像镜头

Info

Publication number: CN104503067A
Application number: CN201410486830.XA
Authority: CN
Inventors: 杨春
Original assignee: Qingdao Goertek Co Ltd
Current assignee: Goertek Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2034-09-22
Also published as: CN104503067B

Abstract

本发明提供一种取像镜头，包括三片塑料镜片，且各镜片表面均为非球面，沿光线射入方向依次包括第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜，其中：第一正透镜具有正光焦度，第二正透镜具有正光焦度，第三负透镜具有负光焦度；具体的，第一正透镜具有凸向物方的第一表面和凹向像方的第二表面，第二正透镜具有凹向物方的第三表面和凸向像方的第四表面，第三负透镜具有凸向物方的第五表面，具有凹向像方的第六表面；本发明提供的镜头，三片镜片根据各元件之间的合理排列，镜片形状易于加工和成型，满足了大光圈高相对亮度的要求。此外其结构简单，公差良好，降低了生产工艺及成本。

Description

一种取像镜头

技术领域

本发明涉及光学镜头设计技术领域，尤其涉及一种取像镜头。

背景技术

目前，市场上取像镜头的应用非常广泛，为方便人们使用而逐渐趋向小型化与轻量化发展，此将使得上述影像撷取装置所用的取像镜头的体积也因此被大幅缩小。另外，除了小型化与轻量化外，也要能够具有更高的光学效能，才能使达成高分辨率和高对比的展现。因此，小型化和高光学效能，是取像镜头不可缺两项要件。然而，目前影像撷取装置所采用的取像镜头，为达到高光学效能的目的，不外乎使用了多片镜片，更甚者多达十多片，在无法有效达到小型化的同时大大提高了生产成本。另外，为了使取像镜头达到小型化的目的，而仅仅使用五片以下镜片，却使得其光学效能无法有效提升。综合以上所述可得知，已知的取像镜头仍未甄完善，且尚有待改进之处。光学系统对低照度下的环境成像质量要求越来越高，但是同时如何在提高成像质量的同时能够控制生产成本，以利于大批量的生产也是摆在人们面前的一个问题。

因此，需要一种取像镜头，以避免上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大光圈小视场角塑料材质的取像镜头，至少部分地解决上述问题，能够达到小型化的目的，提高系统相对照度均匀，保证成像质量优良且适合大批量生产。

本发明提供一种取像镜头，包括三片塑料镜片，且每片镜片的表面均为非球面，沿光线射入方向依次包括第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜，其特征在于：所述第一正透镜具有凸向物方的第一表面和凹向像方的第二表面，所述第二正透镜具有凹向物方的第三表面和凸向像方的第四表面，所述第三负透镜具有凸向物方的第五表面，具有凹向像方的第六表面；整组透镜的光焦度为正，取镜头焦距为f，第一正透镜的焦距为f1，第二正透镜的焦距为f2，第三负透镜的焦距为f3；f1，f2，f3满足如下公式：

f1>0，f2>0，f3<0；

1.5<(f1+f2)/f<3；

-3<f3/f<-1.5以及

-1.5<f3/(f1+f2)<0。

作为一种优选方式，取第一镜片的中心厚度为T1，第二镜片的中心厚度为T2，第三镜片的中心厚度为T3；T1,T2和T3之间满足公式：

0.75<T2/(T1+T2)<1.5，

T2>2.5*T1以及

T2>2.5*T3。

作为一种优选方式，所述系统焦距为7.32mm，F数为1.8，CMOS像元尺寸3um，对角线尺寸6.6mm，截止频率166lp/mm(线对/毫米)。

作为一种优选方式，所述第一正透镜1的折射率和色散范围分别在1.5＜n₁＜1.65，50＜v₁＜60；第二正透镜2的折射率和色散范围分别在1.5＜n₁＜1.65，50＜v₁＜60；第三负透镜3的折射率和色散范围分别在1.5＜n₃＜1.65，50＜v₃＜60。

作为一种优选方式，所述取像镜头还包括有固定中置的孔径光阑，所述孔径光阑位于第一镜片和第二镜片之间，能够优化结构公差，提高实际生产中的产品良率，从而减少因重工或者材料损坏而造成的浪费，即有效降低了生产成本。

作为一种优选方式，所述取像镜头的第三负透镜像侧还包括两片平板玻璃：第一平板玻璃和第二平板玻璃，所述第一平板玻璃为红外通过滤光片，用以滤除红外光波段以外的光线，第二平板玻璃为成像芯片保护玻璃，用以保护成像芯片，保证系统的法兰后焦保证在0.4mm以上。

作为一种优选方式，所述第一平板玻璃和第二平板玻璃采用BK7材质型号或者K9材质型号的玻璃。

作为一种优选方式，所述第一平板玻璃红外通过滤光片，用以滤除波长808nm以外波长的光线。

作为一种优选方式，所述透镜的各个表面均为偶次非球面，满足如下方程：

z = \frac{{CY}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) C^{2} Y^{2}}} + Σ_{i = 2}^{N} α_{i} Y^{2 i}

其中i＝1、2、3、4……N，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(Coin Constant)，α_i是各高次项的系数，2i是非球面的高次方(the order of Aspherical Coefficient)。

作为一种优选方式，所述透镜的各个表面还可以均采用奇次非球面设计，满足如下方程：

z = \frac{{CY}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) C^{2} Y^{2}}} + Σ_{i = 2}^{N} β_{i} Y^{i}

其中i＝1、2、3、4……N，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(Coin Constant)，β_i是各高次项的系数，i是非球面的高次方(the order of Aspherical Coefficient)。

与现有技术相比，本发明提供一种大光圈，相对亮度高的取像镜头，包括第一正透镜，其物侧的面为凸面，用于起到收集光线汇聚轴外光线角度的作用；第二正透镜，其像侧的面为凹面起到光束整形进一步汇聚大孔径光线的作用，使得通过第二下透镜后的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，第一正透镜和第二正透镜构成前组，整体上能够收集国内外光线并整型保证一定的主光线的角度入射角度，可以更好我将大孔径光线聚集；第三负透镜，为了更好的匹配成像芯片的CRA说明一下镜片的形状在边缘部分比中心厚度要厚，其第二面弯曲程度较大，能够进一步整型和消除轴外彗形像差和像散，并精确的修正主光线角度。此外，本发明提供的镜头采用三片镜片，均为塑料非球面镜片，三片镜片根据各元件之间的合理排列，镜片厚度和空气间隔厚度均等，镜片形状易于加工和成型，满足了大光圈高相对亮度的要求。此外其结构简单，达到小型化目的，公差良好，降低了生产工艺及成本。

附图说明

图1为本发明实施例一的取像镜头的结构示意图；

图2为本发明实施例一的MTF传递函数曲线图；

图3为本发明实施例一的1/2极限分辨频率下MTF曲线图；

图4a为本发明实施例一的光学场曲图；

图4b为本发明实施例一的光学畸变图；

图5为本发明实施例一的点列图；

图6为本发明实施例一的相对亮度曲线图；

附图标记：L1、第一正透镜，L2、第二正透镜，L3、第三负透镜，S1、第一表面，S2、第二表面，S3、第三表面，S4、第四表面，S5、第五表面，S6第六表面，G1、第一平板玻璃，G2、第二平板玻璃，A、光阑。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种取像镜头，包括三片塑料镜片，且各镜片表面均为非球面，沿光线射入方向依次包括第一正透镜L1、第二正透镜L2和第三负透镜L3，其中：第一正透镜L1具有正光焦度，第二正透镜L2L2具有正光焦度，第三负透镜L3具有负光焦度；具体的，第一正透镜L1具有凸向物方的第一表面S1和凹向像方的第二表面S2，第二正透镜L2具有凹向物方的第三表面S3和凸向像方的第四表面S4，第三负透镜L3具有凸向物方的第五表面S5，具有凹向像方的第六表面S6；取整组透镜的光焦度为正，焦距为f，第一正透镜L1的焦距为f1，第二正透镜L2L2的焦距为f2，第三负透镜L3的焦距为f3；f1，f2，f3满足如下公式：

f1>0，f2>0，f3<0；

1.5<(f1+f2)/f<3；

-3<f3/f<-1.5以及

-1.5<f3/(f1+f2)<0。

本实例中取第一镜片的中心厚度为T1，第二镜片的中心厚度为T2，第三镜片的中心厚度为T3；T1，T2，T3之间满足如下关系式：

0.75<T2/(T1+T2)<1.5，

T2>2.5*T1以及

T2>2.5*T3。

所述取像镜头还包括有固定中置的孔径光阑A，所述孔径光阑A位于第一镜片和第二镜片之间，能够优化结构公差，提高实际生产中的产品良率，从而减少因重工或者材料损坏而造成的浪费，即有效降低了生产成本。

所述取像镜头的第三负透镜L3像侧还包括两片平板玻璃：第一平板玻璃G1和第二平板玻璃G2，所述第一平板玻璃G1为红外通过滤光片，利用IR pass镀膜方法以滤除红外光波段以外的光线，所述第一平板玻璃G1红外通过滤光片，具体的，所述第一平板玻璃G1用以滤除波长808nm以外波长的光线。

第二平板玻璃G2为成像芯片保护玻璃，用以保护成像芯片。

所述第一平板玻璃G1和第二平板玻璃G2采用BK7材质型号的玻璃。

所述取像镜头第二平板玻璃G2的像侧配合OV2710芯片，实现48.5度视场角，相对亮度控制在55％以上，成像质量良好。

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：第一正透镜L1的第一表面S1、第一正透镜L1的第二表面S2、第二正透镜L2的第三表面S3、第二正透镜L2的第四表面S4、第三负透镜L3的第五表面S5、第三负透镜L3的第六表面S6、第一平板玻璃G1的物侧表面、第一平板玻璃G1的像侧表面、第二平板玻璃G2的物侧表面、第二平板玻璃G2的像侧表面、成像芯片；其中：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

z = \frac{{CY}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) C^{2} Y^{2}}} + Σ_{i = 2}^{N} α_{i} Y^{2 i}

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：

本实施例中i＝8即二次项最高到16次方，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(Coin Constant)，α_i是各高次项的系数，2i是非球面的高次方(the order of Aspherical Coefficient)，采用非球面的设计，修正了影像，解决视界歪曲等问题，同时，使镜片更轻、更薄、更平。而且，仍然保持优异的抗冲击性能，使配戴者安全使用。

表1

surface	Type	C	T	Glass	Semi-Diameter	Conic	Focal power
								S1	EVENASPH	0.3105	1.1656	E48R	2.1148	-0.1220	0.108
S2	EVENASPH	0.1201	0.4197		1.8385	13.7163
								A	STANDARD	0.0000	1.1636		1.6891	0.0000
S3	EVENASPH	-0.2472	3.5000	E48R	1.6775	0.9572	0.114
								S4	EVENASPH	-0.3574	0.9763		2.6792	-0.1659
S5	EVENASPH	0.3113	1.2441	E48R	2.9404	-5.2398	-0.067
								S6	EVENASPH	0.5070	1.3000		2.9725	-3.0594
8	STANDARD	0.0000	0.3000	BK7	3.0452	0.0000
								9	STANDARD	0.0000	0.6500		3.0949	0.0000
10	STANDARD	0.0000	0.4000	BK7	3.2606	0.0000
								11	STANDARD	0.0000	0.0500		3.3269	0.0000
12	STANDARD	0.0000	0.0000		3.3002	0.0000

surface

α₂

α₃

α₄

α₅

α₆

α₇

α₈

S1

5.16E-03

-1.06E-03

9.60E-04

-2.05E-04

4.33E-06

7.24E-06

-7.93E-07

S2

4.56E-04

1.22E-03

-7.53E-04

2.29E-04

-3.85E-05

4.71E-06

-1.05E-06

A

0.00E+00

S3

-9.08E-03

-8.94E-03

8.15E-03

-5.83E-03

2.15E-03

-4.10E-04

2.64E-05

S4

-8.18E-03

4.40E-03

-1.10E-03

1.80E-04

-1.65E-05

6.98E-07

-1.25E-09

S5

-1.81E-02

3.33E-03

-3.67E-04

1.87E-05

5.06E-07

-1.06E-07

3.54E-09

S6

-1.11E-02

1.72E-03

-1.41E-04

9.91E-07

8.15E-07

-5.74E-08

1.16E-09

8

0.00E+00

9

0.00E+00

10

0.00E+00

11

0.00E+00

12

0.00E+00

由表1可以知道，本实施例中第一正透镜L1采用E48R型号的塑料材质，其折射率和色散分别为n₁＝1.53，v₁＝56；第二正透镜L2L2采用E48R型号的塑料材质，其折射率和色散分别为n1＝1.53，v1＝56；第三负透镜L3采用E48R型号的塑料材质，其折射率和色散分别为n3＝1.53，v3＝56。

本实施例取像镜头的系统总长小于11.2mm。

所述取像镜头的焦距为7.32mm，其F数为1.8，配合CMOS像元的尺寸3um，对角线尺寸6.6mm，截止频率为166lp/mm(线对每毫米)。

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：

z = \frac{{CY}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) C^{2} Y^{2}}} + Σ_{i = 2}^{N} β_{i} Y^{i}

其中，i＝1、2、3、4……N。同样也可以达到设计目的。

请参照如图2所示的本发明实施例一的MTF传递函数曲线图，MTF传递函数曲线图(光学传递函数)可以综合反映系统的成像质量，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2反映的是传感器极限分辨率下的MTF曲线，据图可知，在传感器极限分辨率下，系统MTF曲线较为平滑紧凑，所表征的MTF值很高，表明本实施例取像镜头的像差已经得到良好的校正。

请参照如图3所示的本发明实施例一在1/2极限分辨频率下MTF曲线图，由于在实际工作中光学镜头所成的像与近轴光学(Paraxial Optics，高斯光学)所获得的结果不同，有一定的偏离，光学成像相对近轴成像的偏离称像差。可以得到，在1/2极限分辨频率下在0.85视场以内的MTF都达到了0.65以上，表明本实施例取像镜头在1/2极限分辨率下的像差同样得到良好校正。

请参照如图4a所示的本发明实施例一的光学场曲图，不同曲线代表不同的波长，右侧曲线为子午方向，左侧曲线为为弧矢场曲，二者做差就是系统的象散，象散和场曲是影响轴外视场光线的重要像差，象散过大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，从图上来看系统的场曲和象散均被校正到100um以内。

图4b中所示的曲线是本实施例一取像镜头的畸变曲线，畸变会不影响取像镜头的清晰度，但是会引起系统的图像变形，对于镜头来说，校正畸变是样为困难的，本系统的光学畸变小于1％，这说明畸变已经矫正到了一个非常好的程度。

参照图5所示本发明实施例一的点列图，由于点列图显示的是镜头的各个视场光线在像面处汇聚而形成的像，每个像就是一个弥散斑，两个弥散斑靠近后就不容易区分，因此就限制了镜头的分辨率，因此弥散斑越大，说明镜头的分辨率越低，所以它表征了镜头得到各种像差的特性，点列图的弥散斑RMS半径越小，证明镜头的成像质量越好。本镜头的弥散斑RMS直径均小于2微米，说明在红外光波段，镜头像差校正良好。

参照图6所示本发明实施例一的相对亮度曲线图，相对亮度指的是成像平面上沿光轴视场角与全视场角的亮度比值，即影像感测器的对角线角落亮度与中央亮度的比值，根据图片可知，本实施例一取像镜头的相对亮度达到55％以上，表明系统在低照度下可以有良好的表现。

本实施的取像镜头采用三片镜片，均为塑料非球面镜片，由上述可知，本发明提供的取像镜头具有以下特点：

1、三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、三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，公差良好，并可以通过调整非球面系数来提高光学性能；

3、取像镜头结构三片镜片根据各元件之间的合理排列，镜片厚度和空气间隔厚度均等，镜片形状易于加工和成型，满足了大光圈高相对亮度的要求,此外其结构简单，达到镜头小型化目的；

4、取像镜头配型合理，采用正负的透镜组合，第一正透镜L1，其物侧的面为凸面，用于起到收集光线汇聚轴外光线角度的作用；第二正透镜L2，其像侧的面为凹面起到光束整形进一步汇聚大孔径光线的作用，使得通过第二下透镜后的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；第三负透镜L3，为了更好的匹配成像芯片的CRA镜片的形状在边缘部分比中心厚度要厚，其第二面弯曲程度较大，能够消除轴外像差，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。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种取像镜头，包括三片塑料镜片，沿光线射入方向依次包括第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜，其特征在于：所述第一正透镜具有凸向物方的第一表面和凹向像方的第二表面，所述第二正透镜具有凹向物方的第三表面和凸向像方的第四表面，所述第三负透镜具有凸向物方的第五表面，具有凹向像方的第六表面；整组透镜的光焦度为正，取整组透镜焦距为f，第一正透镜的焦距为f1，第二正透镜的焦距为f2，第三负透镜的焦距为f3；f1，f2，f3之间满足如下关系式：

f1>0，f2>0，f3<0；

1.5<(f1+f2)/f<3；

-3<f3/f<-1.5以及

-1.5<f3/(f1+f2)<0。

2.根据权利要求1所述的取像镜头，其特征在于：取第一正透镜的中心厚度为T1，第二正透镜的中心厚度为T2，第三负透镜的中心厚度为T3；T1、T2和T3之间满足如下关系式：

0.75<T2/(T1+T2)<1.5；

T2>2.5*T1以及

T2>2.5*T3。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的取像镜头，其特征在于：所述取像镜头第三负透镜的像侧沿着光线入射方向还包括两片平板玻璃：第一平板玻璃和第二平板玻璃，所述第一平板玻璃为红外通过滤光片，所述第二平板玻璃为成像芯片保护玻璃。

4.根据权利要求4所述的取像镜头，其特征在于：所述第一平板玻璃和第二平板玻璃采用BK7材质型号的玻璃，其折射率n和色散v分别为n＝1.5168，v＝64.17。

5.根据权利要求1-2中任一项所述的取像镜头，其特征在于：所述取像镜头的第一镜片和第二镜片之间还设有孔径光阑。

6.根据权利要求1-2中任一项所述的取像镜头，其特征在于：所述第一正透镜、第二正透镜和第三负透镜表面均为非球面。

7.根据权利要求6所述的取像镜头，其特征在于：所述透镜的各个表面均

z = \frac{{CY}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) C^{2} Y^{2}}} + Σ_{i = 2}^{N} α_{i} Y^{2 i}

为偶次非球面，满足如下方程：

其中i＝2、3、4……N，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，α_i是各高次项的系数，2i是非球面的高次方。

8.根据权利要求6所述的取像镜头，其特征在于：所述透镜的各个表面均为奇次非球面，满足如下方程：

z = \frac{{CY}^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) C^{2} Y^{2}}} + Σ_{i = 2}^{N} β_{i} Y^{i}

其中i＝1、2、3、4……N，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，β_i是各高次项的系数，i是非球面的高次方。

9.根据权利要求1-2中任一项所述的取像镜头，其特征在于：所述第一正透镜的折射率n和色散v范围分别为1.5＜n₁＜1.65，50＜v₁＜60；所述第二正透镜的折射率n和色散v范围分别为1.5＜n₁＜1.65，50＜v₁＜60；所述第三负透镜的折射率n和色散v范围分别为1.5＜n₃＜1.65，50＜v₃＜60。

10.根据权利要求9所述的取像镜头，其特征在于：所述第一正透镜采用E48R型号的塑料材质，其折射率n和色散v分别为n₁＝1.53，v₁＝56；所述第二正透镜采用E48R型号的塑料材质，其折射率n和色散v分别为n1＝1.53，v1＝56；所述第三负透镜采用E48R型号的塑料材质，其折射率n和色散v分别为n3＝1.53，v3＝56。