CN105511062A - 一种光学成像模组 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光学成像模组，从物面侧到像面侧依次包括孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及红外截止滤光片；所述第一透镜具有正折光力，且其物面和像面均为凸表面；第二透镜具有负折光力，且其像面为凹表面、物面在边缘区域为凸表面；第三透镜具有折光力；第四透镜具有折光力，且其像面为凸表面；第五透镜具有正折光力，且其像面在近轴区域为凹表面、在边缘区域为凸表面。取归一化调制度为0.4时，所对应的各视场离焦特性曲线可包络的最大有效间距D的范围为：0.052mm≦D≦0.082mm。本发明保证了高分辨率成像模组的高像质，较优离焦特性。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学成像模组。
背景技术
镜头是光学成像模组的一个部分。近几年来，由于摄像镜头在数码相机、网络摄影机以及手机等移动设备中广泛应用，随着移动设备消费的快速膨胀，人们对于移动设备的摄影成像质量的要求也越来越高。高分辨率、大视场角、更小的尺寸等等特征，都成为消费者选购时再三考虑的因素。
一般来说，为了满足消费者的需求，成像模组通常采用三片式或四片式镜片结构，但实践证明三片式乃至四片式模组无法拥有高分辨率的同时，也能保证成像质量，尤其是分辨率达到八百万像素以上时，模组已经很难做。生产商发现在生产这种成像模组时很难既保证高像质，又保证高量产率。另外，成像模组的离焦特性相当程度上影响最终摄像机的自动对焦性能，这一点在组装厂商那里得到证实。而模组的离焦特性可以通过调整透镜的非球面系数得到明显改善。
如何权衡高像质和生产的容易性之间的关系，既能解决像差问题，又能解决对焦问题成为成像模组生产的一个关键点，因此，有必要调整寻找一个具有更合适的组合和更协调的非球面系数的成像模组结构。
在2013年3月13日授权公告号为CN202794682U的中国实用新型专利，涉及一种光学成像系统组，从成像系统组的物侧至像侧依次包括了五片镜片，以及至少包含一个平板元件。其中第一透镜的物侧表面为凸面，且具有正屈光力；第二透镜具有负屈光力；第三透镜、第四透镜、第五透镜都具有屈光力。采用该结构的拍摄镜头，通过线膨胀系数较大的材料制作成光学成像系统组的薄平板元件，减小系统总高。但是该结构没有通过调整非球面系数之间的关系来得到较好的离焦特性，成像模组的离焦特性相当程度上影响最终摄像机的自动对焦性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种高分辨率的成像模组，通过控制各透镜的折光力和每个非球面系数的关键关系，可以使成像模组达到高像质的同时具有良好的离焦特性。
本发明是这样实现的：
一种光学成像模组，其特征在于：沿光轴方向从物面侧到像面侧依次包括孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及红外截止滤光片；
所述第一透镜具有正折光力，且其物面和像面均为为凸表面；
所述第二透镜具有负折光力，且其像面为凹表面、物面在边缘区域为凸表面；
所述第三透镜具有折光力；
所述第四透镜具有折光力，且其像面为凸表面；
所述第五透镜具有正折光力，且其像面在近轴区域为凹表面、在边缘区域为凸表面；
取归一化调制度为0.4时，所对应的各视场离焦特性曲线可包络的最大有效间距D的范围为：0.052mm≦D≦0.082mm。
进一步地，上述成像模组满足关系式：
-0.311≦AC6/AC9≦-0.166，
其中，AC6是第三透镜像面的非球面系数之和，AC9是第五透镜的物面的非球面系数之和。
进一步地，上述成像模组满足关系式：
-0.570≦AC7≦0.049，
其中，AC7是第四透镜物面的非球面系数之和。
进一步地，上述成像模组满足关系式：
-4.89≦AC2≦-3.67，
其中，AC2是第一透镜像面的非球面系数之和。
进一步地，上述成像模组满足关系式：
-0.342≦ASUM≦0.448，
其中，ASUM是第三透镜、第四透镜和第五透镜所有物面和像面的非球面系数之和。
进一步地，上述成像模组满足关系式：
1.23≦T/AT≦1.35，
其中，T是第一透镜到第五透镜的镜片中心厚度和，AT是第一透镜到红外截止滤光片之间空气间隙中心总厚度。
进一步地，上述成像模组满足关系式：
7.8≦G2/T12≦39.3，
其中，G2是第二透镜的镜片中心厚度，T12是第一透镜与第二透镜之间的空气间隙。
进一步地，上述成像模组满足关系式：
20.91≦TTL/BFL≦35.50，
其中，TTL是器件高度，BEL是成像模组的后焦距。
进一步地，上述成像模组满足关系式：
3.72≦Rm/Rt≦3.77，
其中，Rm为10个透镜面中负曲率半径的绝对值和，Rt为10个透镜面的曲率半径的绝对值和。
本发明的优点在于：本发明保证了高分辨率成像模组的高像质，离焦特性好，生产容易。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为依照本发明第一个实施例的成像模组示意图。
图2为依照本发明第一个实施例的离焦特性曲线。
图3从左至右依次为依照本发明第一个实施例的成像模组的球差、场曲及畸变曲线。
图4为依照本发明第二个实施例的成像模组示意图。
图5为依照本发明第二个实施例的离焦特性曲线。
图6从左至右依次为依照本发明第二个实施例的成像模组的球差、场曲及畸变曲线。
图7为依照本发明第三个实施例的成像模组示意图。
图8为依照本发明第三个实施例的离焦特性曲线。
图9从左至右依次为依照本发明第三个实施例的成像模组的球差、场曲及畸变曲线。
图10为依照本发明第四个实施例的成像模组示意图。
图11为依照本发明第四个实施例的离焦特性曲线。
图12从左至右依次为依照本发明第四个实施例的成像模组的球差、场曲及畸变曲线。
具体实施方式
本发明的一结构如下：
一种成像模组，沿光轴方向从物面侧到像面侧依次包括孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及红外截止滤光片。五片式的设计可以使成像模组达到更高的分辨率。所述孔径光阑位于所述第一透镜的物面与所述物面侧之间，用于控制成像模组的通光量，从而可以减少杂散光对成像的影响，避免鬼影和亮斑等成像缺陷；
所述第一透镜具有正折光力，且其物面和像面均为凸表面，这样的结构设计可以增大系统进光量；
所述第二透镜具有负折光力，且其像面为凹表面、物面在边缘区域为凸表面，这样的设计可以平衡整个系统的折光力，从而减小场曲；
所述第三透镜具有折光力，可以降低随通光量增大而增大的系统敏感度，减小色差；
所述第四透镜具有折光力，且其像面为凸表面，这样的结构使得系统的像散和球差得到很好的矫正；且其像面为非球面，从而畸变得到修正；
所述第五透镜具有正折光力，且其像面在近轴区域为凹表面、在边缘区域为凸表面，物面和像面均为非球面，可以矫正高级像差，提高分辨率。
取归一化调制度为0.4时，所对应的各视场特性曲线可包络的最大有效间距D的范围为：0.052mm≦D≦0.082mm。当达到这个范围时，成像模组的焦深是最大的。
具体地，上述成像模组满足关系式：
-0.311≦AC6/AC9≦-0.166，此时，模组的球差能够被减小；
其中，AC6是第三透镜的像面的非球面系数之和，AC9是第五透镜的物面的非球面系数之和。
具体地，上述成像模组满足关系式：
-0.570≦AC7≦0.049，模组的色差可以得到矫正；
其中，AC7是第四透镜的物面的非球面系数之和。
具体地，上述成像模组满足关系式：
-4.89≦AC2≦-3.67，可以减小模组的慧差；
其中，AC2是第一透镜像面的非球面系数之和。
具体地，上述成像模组满足关系式：
-0.342≦ASUM≦0.448，模组的分辨率可以得到提高，并且像散、畸变都能得到较大的改善；
其中，ASUM是第三透镜、第四透镜和第五透镜所有物面和像面的非球面系数之和。
上述成像模组满足关系式：
1.23≦T/AT≦1.35，此时，场曲可以得到较好矫正
其中，T是第一透镜到第五透镜的镜片中心厚度和，AT是第一透镜到红外截止滤光片之间空气间隙中心总厚度。
上述成像模组满足关系式：
7.8≦G2/T12≦39.3，可以减小轴外像差；
其中，G2是第二透镜的镜片中心厚度，T12是第一透镜与第二透镜之间的空气间隙。
上述成像模组满足关系式：
20.91≦TTL/BFL≦35.50，此时，成像模组的结构更紧凑；
其中，TTL是器件高度，BEL是成像模组的后焦距。
上述成像模组满足关系式：
3.72≦Rm/Rt≦3.77，模组的后焦可以得到适当的延展，有利于封装；
其中，Rm为10个透镜面中负曲率半径的绝对值和，Rt为10个透镜面的曲率半径的绝对值和。
非球面系数可由但不仅限于非球面特性方程定义；其中，X是在非球面上距离光轴距离为Y的点到子午面在非球面上的顶点之间的相对距离，Y是非球面曲点到光轴的距离，R代表了表面的曲率半径，k代表了圆锥系数，Ai代表了第二透镜第i阶非球面系数。在实施例中，i可以是2,4,6,8,10,12,14,16,18但不局限于该范围。
根据上述实施方式，以下给出具体的实施例，配合附图作进一步的详细说明，但是本发明的结构不仅限于以下实施例。
图1给出了本发明第一个实施例的成像模组结构示意图，沿光轴从物面侧到像面侧依次为孔径光阑100、第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130、第四透镜140、第五透镜150、红外截止滤光片160以及成像面170，其中，第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130、第四透镜140和第五透镜150皆为塑料材质；所述红外截止滤光片160可以滤除红外等波长的光线，避免被安置在像面的、具有吸收性的探测器吸收到，导致成像受影响；
所述第一透镜110具有正折光力，且其物面111在近轴区域为凸表面，像面112为凸表面；
所述第二透镜120具有负折光力，且其物面121在边缘区域为凸表面，像面122为凹表面，且其物面121为非球面；
所述第三透镜130具有负折光力，且其物面131在边缘区域为凹表面，物面131和像面132皆为非球面；
所述第四透镜140具有正折光力，且其物面141在近轴区域为凹表面，像面142为凸表面；
所述第五透镜150具有正折光力，且其像面152在近轴区域为凹表面、在边缘区域为凸表面，其物面151和像面152均为非球面。
图2为第一个实施例的离焦情况。其中每条离焦曲线是在相应视场下测量得到，每一个视场下又分别对子午和弧矢两个方向进行测量。其中，T1代表在视场0.0mm下的子午方向，S1代表在视场0.0mm下的弧矢方向，T2代表在视场-1.14mm下的子午方向，S2代表在视场-1.14mm下的弧矢方向，T3代表在视场2.28mm下的子午方向，S3代表在视场2.28mm下的弧矢方向，T4代表在视场2.85mm下的子午方向，S4代表在视场2.85mm下的弧矢方向。以下所有的实施例都采用了相同的测试环境和参数定义，故往后不再重申。在图2中几乎所有曲线的峰值都在零偏移垂轴附近，此时成像模组的离焦特性为优秀，从而能够得到一个更大的有效焦深值范围，所有的离焦特性曲线的峰值都处于较高值区域，成像的对比度优秀。
图3为第一个实施例的球差、场曲、畸变曲线图，反映了实施例中成像透镜组的像质情况，T代表子午方向，S代表弧矢方向。
表1-1和表1-2是第一个实施例的成像模组参数和非球面系数的详细信息，结合表格可说明实施例。
表1-1中，f表示了有效焦距的值，F#表示光圈数，HFOV表示最大半视场角。满足非球面特性方程的非球面系数信息详细的列入了表1-2中，其中A4到A16分别为第4阶到第16阶非球面系数，k表示非球面特性方程中的圆锥系数。本发明中所有实施例的表格都采用了相同的参数定义，往后不再重申。
表1-1：
表1-2：
图4给出了本发明第二个实施例的成像模组结构示意图，沿光轴从物面侧到像面侧依次包括孔径光阑200、第一透镜210、第二透镜220、第三透镜230、第四透镜240、第五透镜250，红外截止滤光片260以及成像面270。其中，第一透镜210、第二透镜220、第三透镜230、第四透镜240以及第五透镜250皆为塑料材质；所述红外截止滤光片260可以滤除红外等波长的光线，避免被安置在像面的、具有吸收性的探测器吸收到，导致成像受影响。
所述第一透镜210具有正折光力，且其物面211在近轴区域为凸表面，像面212为凸表面；
所述第二透镜220具有负折光力，且其物面221在边缘区域为凸表面，像面222为凹表面，且其物面221为非球面；
所述第三透镜230具有负折光力，且其物面231在边缘区域为凹表面，物面231和像面232皆为非球面；
所述第四透镜240具有正折光力，且其物面241为凹表面，像面242为凸表面；
所述第五透镜250具有正折光力，且其像面252在近轴区域为凹表面、在边缘区域为凸表面，其物面251和像面252均为非球面。
图5为第二个实施例的离焦情况。其中，T1代表在视场0.0mm下的子午方向，S1代表在视场0.0mm下的弧矢方向，T2代表在视场-1.14mm下的子午方向，S2代表在视场-1.14mm下的弧矢方向，T3代表在视场2.28mm下的子午方向，S3代表在视场2.28mm下的弧矢方向，T4代表在视场2.85mm下的子午方向，S4代表在视场2.85mm下的弧矢方向。在图5中几乎所有曲线的峰值都在零偏移垂轴附近，此时成像模组的离焦特性为优秀，从而能够得到一个更大的有效焦深值范围。而且所有的离焦特性曲线的峰值都处于较高值区域，成像的对比度优秀。
图6为第二个实施例的球差、场曲、畸变曲线图，反映了实施例中成像透镜组的像质情况，T代表子午方向，S代表弧矢方向。
表2-1和表2-2是第二个实施例的成像模组参数和非球面系数的详细信息，结合表格可说明实施例。
表2-1：
表2-2：
图7给出了本发明第三个实施例的成像模组结构示意图，沿光轴从物面侧到像面侧依次包括孔径光阑300、第一透镜310、第二透镜320、第三透镜330、第四透镜340、第五透镜350，红外截止滤光片360以及成像面370。其中，第一透镜310、第二透镜320、第三透镜330、第四透镜340以及第五透镜350皆为塑料材质；所述红外截止滤光片360可以滤除红外等波长的光线，避免被安置在像面的、具有吸收性的探测器吸收到，导致成像受影响。
所述第一透镜310具有正折光力，且其物面311为凸表面，像面312为凸表面；
所述第二透镜320具有负折光力，且其像面322为凹表面，物面321为非球面；
所述第三透镜330具有正折光力，且其物面331在边缘区域为凹表面，物面331和像面332皆为非球面；
所述第四透镜340具有负折光力，且其物面341在近轴区域为凹表面、在边缘区域为凸表面，像面342为凸表面；
所述第五透镜350具有正折光力，且其像面352在近轴区域为凹表面、在边缘区域为凸表面，其物面351和像面352均为非球面。
图8为第三个实施例的离焦情况。其中，T1代表在视场0.0mm下的子午方向，S1代表在视场0.0mm下的弧矢方向，T2代表在视场-1.14mm下的子午方向，S2代表在视场-1.14mm下的弧矢方向，T3代表在视场2.28mm下的子午方向，S3代表在视场2.28mm下的弧矢方向，T4代表在视场2.85mm下的子午方向，S4代表在视场2.85mm下的弧矢方向。在图8中几乎所有曲线的峰值都在零偏移垂轴附近，此时成像模组的离焦特性为优秀，从而能够得到一个更大的有效焦深值范围。而且所有的离焦特性曲线的峰值都处于较高值区域，成像的对比度优秀。
图9为第三个实施例的球差、场曲、畸变曲线图，反映了实施例中成像透镜组的像质情况，T代表子午方向，S代表弧矢方向。
表3-1和表3-2是第三个实施例的成像模组参数和非球面系数的详细信息，结合表格可说明实施例。
表3-1：
表3-2：
图10给出了本发明第四个实施例的成像模组结构示意图，沿光轴从物面侧到像面侧依次包括孔径光阑400、第一透镜410、第二透镜420、第三透镜430、第四透镜440、第五透镜450，红外截止滤光片460以及成像面470。其中，第一透镜410、第二透镜420、第三透镜430、第四透镜440以及第五透镜450皆为塑料材质；所述红外截止滤光片460可以滤除红外等波长的光线，避免被安置在像面的、具有吸收性的探测器吸收到，导致成像受影响。
所述第一透镜410具有正折光力，且其物面411在近轴区域为凸表面，像面412为凸表面；
所述第二透镜420具有负折光力，且其物面421在边缘区域为凸表面，像面422为凹表面，且其物面421为非球面；
所述第三透镜430具有负折光力，且其物面431在边缘区域为凹表面，物面431和像面432皆为非球面；
所述第四透镜440具有正折光力，且其物面441在近轴区域为凹表面，像面442为凸表面；
所述第五透镜450具有正折光力，且其像面452在近轴区域为凹表面、在边缘区域为凸表面（这样可以使得系统的球差得到矫正，场曲的情况得以缓解），其物面451和像面452均为非球面。
图11为第四个实施例的离焦情况。其中，T1代表在视场0.0mm下的子午方向，S1代表在视场0.0mm下的弧矢方向，T2代表在视场-1.14mm下的子午方向，S2代表在视场-1.14mm下的弧矢方向，T3代表在视场2.28mm下的子午方向，S3代表在视场2.28mm下的弧矢方向，T4代表在视场2.85mm下的子午方向，S4代表在视场2.85mm下的弧矢方向。在图11中，视场2.28mm的离焦特性曲线峰值向右侧偏移了0.018mm，为最大偏移值，对比度下降较明显，但此时的有效焦深值还是能够满足生产要求。
图12为第四个实施例的球差、场曲、畸变曲线图，反映了实施例中成像透镜组的像质情况，T代表子午方向，S代表弧矢方向。
表4-1和表4-2是第四个实施例的成像模组参数和非球面系数的详细信息，结合表格可说明实施例。
表4-1：
表4-2：
所有实施例的关键详细信息如表格5所示：
表5中，F#是光圈数，BEL是成像模组的后焦距，TTL是器件高度，AC6是第三透镜的像面的非球面系数之和，AC9是第五透镜的物面的非球面系数之和，AC7是第四透镜的物面的非球面系数之和，AC2是第一透镜的像面的非球面系数之和，ASUM是第三透镜、第四透镜和第五透镜所有物面和像面的非球面系数之和，T是第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的总厚度，AT是第一透镜到红外截止滤光片之间的空气间隙总的中心厚度，G2是第二透镜的中心厚度，T12是第一透镜和第二透镜间的空气间隙中心厚度。Rm为10个透镜面中负曲率半径的绝对值和，Rt为10个透镜面的曲率半径的绝对值和。
表5：
| 实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| F# | 2.25 | 2.25 | 2.25 | 2.25 |
| BFL | 0.1789 | 0.2198 | 0.1913 | 0.1316 |
| TTL | 4.563 | 4.596 | 4.607 | 4.672 |
| TTL/BFL | 25.50 | 20.91 | 24.08 | 35.50 |
| AC6/AC9 | -0.310 | -0.311 | -0.277 | -0.166 |
| AC7 | 0.049 | 0.030 | 0.044 | -0.570 |
| AC2 | -3.67 | -3.69 | -4.89 | -3.68 |
| ASUM | 0.448 | 0.426 | 0.447 | -0.342 |
| T/AT | 1.23 | 1.35 | 1.27 | 1.23 |
| G2/T12 | 39.3 | 22.8 | 23.3 | 7.8 |
| Rm/Rt | 3.73 | 3.77 | 3.72 | 3.72 |
| D | 0.082 | 0.072 | 0.074 | 0.052 |
通过控制非球面系数来调整成像模组的离焦特性，从而既能保证摄像机的自动对焦性能，又能保证像差，尤其是在高分辨率的成像模组案例中。该成像模组的像质评估包括球差、场曲和畸变，高像质是要求球差、场曲和畸变均保持在符合一定标准的范围内，如：畸变在2%以内。各像差的纵坐标均为像高值，单位mm（毫米），特定的非球面系数之间关系可使得该种结构成像模组的离焦特性中每个重要视场，包括0、0.6和0.9视场，它们的焦心几乎可以处于一条直线上，实际效果的话就是对焦时每个视场都清晰。
文中所给出的实施例包括了每个透镜的详细位置和基本特性数据。使用这些数据加工得到的成像模组，其像质情况如像差图示，离焦特性如离焦曲线图示。其中从0视场到1视场，畸变控制在2%以内；球差图中可看到三条线之间间距较小，说明相对色差较小；场曲图中，S曲线和T曲线之间间距越小越好。在一定的曲率半径关系下，实施例的非球面系数满足上述的关系式，保证高像素成像模组的光学像差和离焦特性满足定义的标准。
由图2、图5、图8、图11的离焦特性曲线可得到D的情况。
这里取归一化调制度为0.4时，所对应的各视场离焦特性曲线可包络的最大有效间距D作为评估有效焦深的参数，如各图示；当D越大，系统的有效焦深越大，可调焦范围越广。本发明的D范围为：0.052mm≦D≦0.082mm。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (9)
1.一种光学成像模组，其特征在于：沿光轴方向从物面侧到像面侧依次包括孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及红外截止滤光片；
所述第一透镜具有正折光力，且其物面和像面均为为凸表面；
所述第二透镜具有负折光力，且其像面为凹表面、物面在边缘区域为凸表面；
所述第三透镜具有折光力；
所述第四透镜具有折光力，且其像面为凸表面；
所述第五透镜具有正折光力，且其像面在近轴区域为凹表面、在边缘区域为凸表面；
取归一化调制度为0.4时，所对应的各视场离焦特性曲线可包络的最大有效间距D的范围为：
0.052mm≦D≦0.082mm。
2.如权利要求1所述的一种成像模组，其特征在于：上述成像模组满足关系式：
-0.311≦AC6/AC9≦-0.166，
其中，AC6是第三透镜像面的非球面系数之和，AC9是第五透镜物面的非球面系数之和。
3.如权利要求1所述的一种成像模组，其特征在于：上述成像模组满足关系式：
-0.570≦AC7≦0.049，
其中，AC7是第四透镜物面的非球面系数之和。
4.如权利要求1所述的一种成像模组，其特征在于：上述成像模组满足关系式：
-4.89≦AC2≦-3.67，
其中，AC2是第一透镜像面的非球面系数之和。
5.如权利要求1所述的一种成像模组，其特征在于：上述成像模组满足关系式：
-0.342≦ASUM≦0.448，
其中，ASUM是第三透镜、第四透镜和第五透镜所有物面和像面的非球面系数之和。
6.如权利要求1所述的一种成像模组，其特征在于：上述成像模组满足关系式：
1.23≦T/AT≦1.35，
其中，T是第一透镜到第五透镜的镜片中心厚度和，AT是第一透镜到红外截止滤光片之间空气间隙中心总厚度。
7.如权利要求1所述的一种成像模组，其特征在于：上述成像模组满足关系式：
7.8≦G2/T12≦39.3，
其中，G2是第二透镜的镜片中心厚度，T12是第一透镜与第二透镜之间的空气间隙。
8.如权利要求1所述的一种成像模组，其特征在于：上述成像模组满足关系式：
20.91≦TTL/BFL≦35.50，
其中，TTL是器件高度，BEL是成像模组的后焦距。
9.如权利要求1所述的一种成像模组，其特征在于：上述成像模组满足关系式：
3.72≦Rm/Rt≦3.77，
其中，Rm为10个透镜面中负曲率半径的绝对值和，Rt为10个透镜面的曲率半径的绝对值和。
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