CN105527702A - 组合式变焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式变焦镜头，包含两个子摄像镜头，分别为长焦镜头和广角镜头；所述组合式变焦镜头还包含有对获取的图像进行预处理和实现变焦特性的图像处理模块或智能图像处理系统；其中，所述长焦镜头为双棱镜结构；所述的组合式变焦镜头满足下列关系式：1<D/ImgH<2；其中：D为所述组合式变焦镜头的厚度；ImgH为像高。采用本发明的组合式变焦镜头，既可以通过两个子摄像镜头之间的切换实现双焦点的变化，也可以通过算法，实现双摄像镜头的合成焦距从最大值（长焦镜头的焦距）到最小值（广角镜头的焦距）之间的连续变化；且长焦镜头采用特殊的双棱镜结构设计，使得所述组合式变焦镜头薄型化，可以应用于便携式电子设备上。

Description

组合式变焦镜头

技术领域

本发明涉及小型变焦镜头，尤其涉及一种集成了广角和长焦镜头功能，能够应用于便携式电子产品的组合式变焦镜头。

背景技术

随着电耦合器件(Charge-CoupledDevice，CCD)及互补式金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-oxideSemiconductor，CMOS)图像传感器的性能提高及尺寸减小，对应的摄像镜头也需满足高成像品质及小型化的要求。

手机、平板电脑等小型化电子产品，主流市场仍然采用单个摄像头成像，但随着人们对便携式电子产品的成像质量的要求越来越高，该类电子产品将变得更薄、体积更小。普通摄像头只能依靠增加镜片数量来进一步提升像质，但是这样做显然不利于镜头的小型化，因此很难再满足市场需求。随着技术的不断进步，其将被其他先进手段所取代。

目前，小型化电子产品采用阵列式镜头是一种趋势，如公开号为CN1320374C的发明申请，其披露的阵列式镜头组件可以在小型化的前提下有效提升像质，增加景深效果。但是由于其制程复杂、成本较高，因此还不被普遍认可。

再如，还有一些双摄像头产品，如公开号为CN202652361U的实用新型专利披露的一种双摄像头模组，很好地解决了双摄像头相对位置和角度偏移的问题，但是由于其总长度过长，不利于小型化电子产品的使用，其变焦范围小，性能并不理想，也不符合市场需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种组合式变焦镜头，包含两个子摄像镜头，在满足镜头本体小型化的同时，还能够满足广角拍摄和长焦拍摄的需求。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种组合式变焦镜头，包含两个子摄像镜头，分别为长焦镜头和广角镜头；所述组合式变焦镜头还包含有对获取的图像进行预处理和实现变焦特性的图像处理模块或智能图像处理系统；其中，所述长焦镜头为双棱镜结构；

所述的组合式变焦镜头满足下列关系式：

1<D/ImgH<2；

其中：D为所述组合式变焦镜头的厚度；ImgH为像高。

其中，所述图像处理模块设置于该组合式变焦镜头的印刷电路板上。

所述智能图像处理系统整合在所述组合式变焦镜头中。

所述像高ImgH的值为所述长焦镜头中成像面上有效像素区域对角线长的一半。

所述组合式变焦镜头进一步满足下列关系式：

TTL_T/f_T≦0.6；

f_T/f_W≧2.5；

其中：TTL_T为长焦镜头的总长度，f_T为长焦镜头的有效焦距；f_W为广角镜头的有效焦距。

所述组合式变焦镜头中的两个子摄像镜头为各自独立的成像系统，配有各自独立的芯片。

所述组合式变焦镜头中两个子摄像镜头的间隔距离d为一常量，满足下列关系式：

0.5mm≦d≦3mm。

所述组合式变焦镜头通过两个子摄像镜头之间的切换实现双焦点的变化；或通过算法，实现双摄像镜头的合成焦距从最大值到最小值之间的连续变化。

所述组合式变焦镜头的长焦镜头包含两个棱镜、三片透镜，其由物侧至像侧依次包含：第一棱镜；具有正屈折力的第一透镜，其物侧面为凸面；具有负屈折力的第二透镜，其像侧面为凹面；具有屈折力的第三透镜；第二棱镜。

所述组合式变焦镜头中的长焦镜头的光阑设置于第一棱镜和第一透镜之间。

所述组合式变焦镜头中的长焦镜头满足下列关系式：

ImgH/f_T<0.5

其中：ImgH为像高，即长焦镜头成像面上有效像素区域对角线长的一半；f_T为长焦镜头的有效焦距。

所述组合式变焦镜头中的长焦镜头满足下列关系式：

f1/f_T<0.5

其中：f1为长焦镜头中第一透镜的焦距；f_T为长焦镜头的有效焦距。

所述组合式变焦镜头中的长焦镜头满足下列关系式：

0.7<CT1/CT3<1.8

其中：CT1为第一透镜在光轴上的中心厚度；CT3为第三透镜在光轴上的中心厚度。

所述组合式变焦镜头中长焦镜头的第一透镜像侧面为凸面。

所述组合式变焦镜头中长焦镜头的第二透镜物侧面为凹面。

所述组合式变焦镜头中长焦镜头的第三透镜具有负的屈折力，其物侧面和像侧面均为凹面。

本发明所提供的组合式变焦镜头，具有以下优点：

采用该组合式变焦镜头，既可以通过两个子摄像镜头之间的切换实现双焦点的变化，也可以通过算法，实现双摄像镜头的合成焦距从最大值(长焦镜头的焦距)到最小值(广角镜头的焦距)之间的连续变化；且长焦镜头采用特殊的双棱镜结构设计，使得所述组合式变焦镜头薄型化，可以应用于便携式电子设备上。

附图说明

图1为本发明组合式变焦镜头的结构示意图；

图2为图1所示长焦镜头的A-A向三维剖视图；

图3为图1所示长焦镜头的侧视图；

图4为实施例的长焦镜头内部结构细节及光路示意图；

图5为本发明组合式变焦镜头中长焦镜头实施例1的示意图；

图6为实施例1的长焦镜头的轴上色差图(mm)；

图7为实施例1的长焦镜头的像散图(mm)；

图8为实施例1的长焦镜头的畸变图(％)；

图9为实施例1的长焦镜头倍率色差图(um)；

图10为本发明组合式变焦镜头中长焦镜头实施例2的示意图；

图11为实施例2的长焦镜头的轴上色差图(mm)；

图12为实施例2的长焦镜头的像散图(mm)；

图13为实施例2的长焦镜头的畸变图(％)；

图14为实施例2的长焦镜头倍率色差图(um)；

图15为本发明组合式变焦镜头中长焦镜头实施例3的示意图；

图16为实施例3的长焦镜头的轴上色差图(mm)；

图17为实施例3的长焦镜头的像散图(mm)；

图18为实施例3的长焦镜头的畸变图(％)；

图19为实施例3的长焦镜头倍率色差图(um)；

图20为本发明组合式变焦镜头中长焦镜头实施例4的示意图；

图21为实施例4的长焦镜头的轴上色差图(mm)；

图22为实施例4的长焦镜头的像散图(mm)；

图23为实施例4的长焦镜头的畸变图(％)；

图24为实施例4的长焦镜头倍率色差图(um)；

图25为本发明组合式变焦镜头中长焦镜头实施例5的示意图；

图26为实施例5的长焦镜头的轴上色差图(mm)；

图27为实施例5的长焦镜头的像散图(mm)；

图28为实施例5的长焦镜头的畸变图(％)；

图29为实施例5的长焦镜头倍率色差图(um)；

图30为本发明组合式变焦镜头中长焦镜头实施例6的示意图；

图31为实施例6的长焦镜头的轴上色差图(mm)；

图32为实施例6的长焦镜头的像散图(mm)；

图33为实施例6的长焦镜头的畸变图(％)；

图34为实施例6的长焦镜头倍率色差图(um)。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明组合式变焦镜头作进一步详细的说明。

图1为本发明组合式变焦镜头的结构示意图。图2为图1所示长焦镜头的A-A向三维剖视图。图3为图1所示长焦镜头的侧视图。

如图1所示，本发明的组合式变焦镜头内部包含两个子摄像镜头，即分别包含一个长焦镜头和一个广角镜头。其中的长焦镜头仅用方框表示，具体细节请参阅图2和图3。由于一般的广角镜头均能够符合本发明的广角镜头的要求，所以本发明的实施例并不对广角镜头作任何限制。

图4为实施例的长焦镜头内部结构细节及光路示意图。由于一般长焦镜头的总长度尺寸比较大，很难用于便携式电子设备。本发明通过设置双棱镜结构，大幅度减小了长焦镜头的总长度，使之能够适用于轻薄的电子设备，同时，能够减小所述组合式变焦镜头的总长度，以使其符合小型电子产品对摄像镜头的高像质、轻薄化的市场要求。

如图1所示，本发明的组合式变焦镜头，各参数需满足如下关系式：

1<D/ImgH<2

其中：D为所述组合式变焦镜头的镜头厚度；ImgH为长焦镜头的像高，其数值为长焦镜头中成像面S7上有效像素区域对角线长的一半，如图5所示。

满足以上公式可保证本发明的组合式变焦镜头维持小型化，从而可应用于小型化电子设备。

所述的组合式变焦镜头，还满足下列关系式：

TTL_T/f_T≦0.6

f_T/f_W≧2.5

其中：TTL_T为长焦镜头的总长度；f_T为长焦镜头的有效焦距；f_W为广角镜头的有效焦距。

常规的广角镜头，其视场角范围在75°-82°之间时，焦距值范围在3.4mm-3.7mm之间，且其焦距值随着视场角的增大而减小。本发明所述的长焦镜头中焦距值最小为9.25mm，即所述长焦镜头搭配常规的广角镜头时，其变焦比最小可达到2.5倍。满足以上公式所列条件，可使本发明的组合式变焦镜头具有高变焦比，同时保证其薄型化。

由于长焦镜头通常要比同规格的广角镜头长，本发明中的广角镜头又没有特殊限制，所以本发明中组合式变焦镜头的厚度D即长焦镜头的厚度，也即默认一点就是广角镜头的厚度不得超过长焦镜头的厚度。

广角镜头的视场角大、焦距短，适合近距离拍照。而长焦镜头的视场角小、焦距长，适合远距离拍照。本发明由上述两种摄像子镜头构成的组合式变焦镜头，在使用中进行成像时，可利用该组合式镜头内的印刷电路板(PCB)板载的图像处理模块(或整合在镜头内的智能图像处理系统)对获取的图像进行预处理，使其既可以实现低画质损失的变焦特性，也可以进行先拍照后对焦。

较佳地，还可以配合小型化电子产品(如平板电脑、智能手机等)，由电子产品内设置的图像处理程序进一步对该组合式镜头获取的图像进行深度处理。

本发明的组合式变焦镜头，与普通的相机相比具有更大的景深空间。配合图像处理模块或所述智能图像处理系统，还具有在暗态(光线较暗的)环境下拍摄能有效改善和提升图像效果，增加有效进光度，降低图像噪点，使色彩还原更真实的特点。

作为另一实施例，在本发明的组合式变焦镜头中，两个子摄像镜头，也可以具有各自的独立成像系统和拥有各自独立的图像处理芯片。

本发明的组合式变焦镜头中，两个子摄像镜头的间隔距离d在生产之前可以调节，根据软件算法和硬件要求进行确定，最终在拍照过程中d值固定不变。

本发明中两个子摄像镜头的距离d，取值可设置在0.5mm-3mm之间。两个子摄像镜头之间的这种小距离，可以有效避免双摄像镜头之间相互挡光，同时使双摄像镜头之间平滑地变焦过渡。

本发明中组合式变焦镜头，可以设置两种不同的工作模式：其一，即只有其中一个摄像镜头工作，可以选择两个不同的焦距成像；其二，即两个摄像镜头同时工作，通过软件叠加、整合两个摄像镜头所获取的信息，输出最终结果。

上述的第一种工作方式，只用一个镜头成像，通过切换两个摄像镜头从而选择其中一个焦距成像。如果选择的拍摄物较近，则选择广角镜头拍摄；如果选择的拍摄物较远，则选择长焦镜头拍摄。

上述的第二种工作方式，两个镜头同时成像，即长焦镜头和广角镜头分别拍摄同一物体，采集和记录影像数据，然后通过第三方软件算法叠加、整合两个摄像镜头的数据，最终输出高清晰度的全景深图片。

如上所述的第二种拍摄方法中，该变焦镜头的变焦范围最小为广角镜头的焦距，最大为长焦镜头的焦距，两者之间的其他值均可以平滑实现。

如上所述的第二种拍摄方法中，实际拍照时两个镜头在所设置焦点的前一段距离和后一段距离分别成像，后期软件处理的过程就可以在所设置焦点的前一段距离和后一段距离内实现再次变焦，实现先拍照、后对焦的功能，同时也拥有更广的景深范围。

如图5所示，本发明组合式变焦镜头的实施例中，长焦镜头由物侧至像侧依次包含：第一棱镜PR1；光阑STO；具有正屈折力的第一透镜E1，其物侧面S1为凸面；具有负屈折力的第二透镜E2，其像侧面S4为凹面；具有屈折力的第三透镜E3；第二棱镜PR2。

在其他实施例中，所述组合式变焦镜头中的长焦镜头还可满足如下条件：

ImgH/fT<0.5

其中：ImgH为像高，其值为长焦镜头成像面S7上有效像素区域对角线的一半；f_T为长焦镜头的有效焦距。

满足以上公式可保证本镜头长焦特性，视场角较小而焦距比较大。

在某些实施例中，所述组合式变焦镜头中的长焦镜头还满足：

f1/f_T<0.5

其中：f1为长焦镜头中第一透镜E1的焦距，f_T为长焦镜头的有效焦距。

上述条件式限制第一透镜焦距较小，即保证第一透镜的光焦度较大，也是为了保证长焦的特性。

在某些实施例中，所述组合式变焦镜头中的长焦镜头还满足：

0.7<CT1/CT3<1.8

其中：CT1为第一透镜E1在光轴上的中心厚度，CT3为第三透镜E3在光轴上的中心厚度。

满足以上条件式可有利于本发明组合是变焦镜头的小型化及像质的提升。

在某些实施例中，所述组合式变焦镜头中长焦镜头的第一透镜E1像侧面S2为凸面。满足以上条件可有利于提升成像质量和维持小型化。

在某些实施例中，所述组合式变焦镜头中长焦镜头的第二透镜E2物侧面S3为凹面。满足以上条件可有利于提升成像质量和维持小型化。

在某些实施例中，所述组合式变焦镜头中长焦镜头的第三透镜E3具有负的屈折力，其物侧面S5和像侧面S6均为凹面。满足以上条件可有利于提升成像质量和维持小型化。

在成像时，光线由第一棱镜PR1反射进入镜头，经过三片透镜后又由第二棱镜PR2反射，在成像面S7上成像。

在某些实施方式中，第一透镜E1、第二透镜E2、第三透镜E3部分可为非球面透镜。

非球面的面形由以下公式决定：

$x=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+\sqrt{1-(k+1)c^2{h}^2}}+{\mathrm{\&Sigma;Aih}}^i$

其中：h为非球面上任一点到光轴的高度，c为顶点曲率，k为锥形常数，Ai为非球面第i-th阶的修正系数。

【实施例1】

如图5～图9所示，在实施例1中，长焦镜头满足下表1和表2的条件：

表1

表2

另外，f1＝4.32mm；f2＝-8.94mm；f3＝-9.77mm；及f＝9.43mm；Semi-FOV＝17.1°；光阑值为：3。

【实施例2】

如图10～图14所示，实施例2中，长焦镜头满足下表3和表4的条件：

表3

表4

另外，f1＝4.68mm；f2＝-10.07mm；f3＝-11.88mm；及f＝9.47mm；Semi-FOV＝17.0°；光阑值为：3。

【实施例3】

如图15～图19所示，在实施例3中，长焦镜头满足下表5和表6的条件：

表5

表6

另外，f1＝4.91mm；f2＝-9.4mm；f3＝-12.29mm；及f＝9.97mm；Semi-FOV＝15.9°；光阑值为：3。

【实施例4】

如图20～图24所示，在实施例4中，长焦镜头满足下表7和表8的条件：

表7

表8

另外，f1＝4.53mm；f2＝-5.58mm；f3＝333.3mm；及f＝9.25mm；Semi-FOV＝17.9°；光阑值为：3。

【实施例5】

如图25～图29所示，在实施例5中，长焦镜头满足下表9和表10的条件：

表9

表10

另外，f1＝3.8mm；f2＝-8.58mm；f3＝-7.27mm；及f＝9.44mm；Semi-FOV＝17.4°；光阑值为：3。

【实施例6】

如图30～图34所示，在实施例6中，长焦镜头满足下面表格的条件：

表11

表12

另外，f1＝4.33mm；f2＝-9.19mm；f3＝-9.64mm；及f＝9.42mm；Semi-FOV＝17.1°；光阑值为：3。

在上述实施例1～实施例6中，各条件式满足下面表格的条件：

公式\实施例	1	2	3	4	5	6
							D/ImgH	1.695	1.55	1.75	1.85	1.82	1.48
TTLT/fT	0.53	0.48	0.52	0.59	0.48	0.45
							ImgH/fT	0.313	0.31	0.295	0.32	0.31	0.31
f1/fT	0.458	0.49	0.49	0.49	0.4	0.46
							CT1/CT3	1.2	1	0.75	1	1.7	1.2

虽然上述针对本发明组合式变焦镜头中的长焦镜头描述了本发明的原理以及具体实施方式，但是在本发明的上述教导下，本领域的技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本发明的保护范围内。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种组合式变焦镜头，其特征在于，包含两个子摄像镜头，分别为长焦镜头和广角镜头；所述组合式变焦镜头还包含有对获取的图像进行预处理和实现变焦特性的图像处理模块或智能图像处理系统；其中，所述长焦镜头为双棱镜结构；

所述的组合式变焦镜头满足下列关系式：

1<D/ImgH<2；

其中：D为所述组合式变焦镜头的厚度；ImgH为像高。

2.根据权利要求1所述的组合式变焦镜头，其特征在于，所述图像处理模块设置于该组合式变焦镜头的印刷电路板上。

3.根据权利要求1所述的组合式变焦镜头，其特征在于，所述智能图像处理系统整合在所述组合式变焦镜头中。

4.根据权利要求1所述的组合式变焦镜头，其特征在于，所述像高ImgH的值为所述长焦镜头中成像面上有效像素区域对角线长的一半。

5.根据权利要求1所述的组合式变焦镜头，其特征在于，所述组合式变焦镜头进一步满足下列关系式：

TTL_T/f_T≦0.6；

f_T/f_W≧2.5；

其中：TTL_T为长焦镜头的总长度，f_T为长焦镜头的有效焦距；f_W为广角镜头的有效焦距。

6.根据权利要求5所述的组合式变焦镜头，其特征在于，所述组合式变焦镜头中的两个子摄像镜头为各自独立的成像系统，配有各自独立的芯片。

7.根据权利要求5所述的组合式变焦镜头，其特征在于，所述组合式变焦镜头中两个子摄像镜头的间隔距离d为一常量，满足下列关系式：

0.5mm≦d≦3mm。

8.根据权利要求7所述的组合式变焦镜头，其特征在于，所述组合式变焦镜头通过两个子摄像镜头之间的切换实现双焦点的变化；或通过算法，实现双摄像镜头的合成焦距从最大值到最小值之间的连续变化。

9.根据权利要求1～8任一所述的组合式变焦镜头，其特征在于，所述组合式变焦镜头的长焦镜头包含两个棱镜、三片透镜，其由物侧至像侧依次包含：第一棱镜；具有正屈折力的第一透镜，其物侧面为凸面；具有负屈折力的第二透镜，其像侧面为凹面；具有屈折力的第三透镜；第二棱镜。

10.根据权利要求9所述的组合式变焦镜头，其特征在于，所述组合式变焦镜头中的长焦镜头的光阑设置于第一棱镜和第一透镜之间。

11.根据权利要求9所述的组合式变焦镜头，其特征在于，所述组合式变焦镜头中的长焦镜头满足下列关系式：

ImgH/f_T<0.5

其中：ImgH为像高，即长焦镜头成像面上有效像素区域对角线长的一半；f_T为长焦镜头的有效焦距。

12.根据权利要求9所述的组合式变焦镜头，其特征在于，所述组合式变焦镜头中的长焦镜头满足下列关系式：

f1/f_T<0.5

其中：f1为长焦镜头中第一透镜的焦距；f_T为长焦镜头的有效焦距。

13.根据权利要求9所述的组合式变焦镜头，其特征在于，所述组合式变焦镜头中的长焦镜头满足下列关系式：

0.7<CT1/CT3<1.8

其中：CT1为第一透镜在光轴上的中心厚度；CT3为第三透镜在光轴上的中心厚度。

14.根据权利要求9所述的组合式变焦镜头，其特征在于，所述组合式变焦镜头中长焦镜头的第一透镜像侧面为凸面。

15.根据权利要求9所述的组合式变焦镜头，其特征在于，所述组合式变焦镜头中长焦镜头的第二透镜物侧面为凹面。

16.根据权利要求9所述的组合式变焦镜头，其特征在于，所述组合式变焦镜头中长焦镜头的第三透镜具有负的屈折力，其物侧面和像侧面均为凹面。