CN111290106B

CN111290106B - 光学镜头及成像设备

Info

Publication number: CN111290106B
Application number: CN202010375115.4A
Authority: CN
Inventors: 于笑枝; 曾昊杰; 刘绪明; 曾吉勇
Original assignee: Jiangxi Lianyi Optics Co Ltd
Current assignee: Jiangxi Lianyi Optics Co Ltd
Priority date: 2020-05-07
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2020-08-14
Anticipated expiration: 2040-05-07
Also published as: WO2021223598A1; CN111290106A

Abstract

本发明提供了一种光学镜头及成像设备，从物侧到像侧依次包括：具有负光焦度的第一透镜，第一透镜的物侧面为凸面，第一透镜的像侧面为凹面；光阑；具有正光焦度的第二透镜，第二透镜的物侧面为凸面，第二透镜的像侧面为凹面；具有正光焦度的第三透镜，第三透镜的物侧面为凸面，第三透镜的像侧面为凹面；具有正光焦度的第四透镜，第四透镜的物侧面和第四透镜的像侧面均为凸面；具有负光焦度的第五透镜，第五透镜的物侧面在近光轴处为凸面且具有至少一个反曲点，第五透镜的像侧面在近光轴处为凹面且具有至少一个反曲点；以及滤光片，光学镜头满足以下条件式：2.0mm<(TTL/IH)*f<2.2mm。该光学镜头的头部外径小，具有广视角、大光圈，更适用于ToF技术的设计需求。

Description

光学镜头及成像设备

技术领域

本发明涉及透镜成像技术领域，特别涉及一种光学镜头及成像设备。

背景技术

近年来，三维深度识别技术得到快速发展，与此同时，具备三维空间感知能力的ToF（Time of Flight，飞行测距）立体深感镜头（以下简称ToF镜头），开启了深度信息的新未来，并在智能手机行业受到广泛关注和应用。ToF技术是指通过探测光脉冲的飞行(往返)时间实现目标物体定位的一种技术，由于具备抗干扰性强、FPS（Frames Per Second，每秒传输帧数）刷新率高等特性，成为智能手机的标配。

目前，ToF镜头在人脸识别、立体成像、体感交互等方面具有独特的优势。一方面，随着电子产品的超高清以及轻薄短小化趋势，要求配置在电子产品上的ToF镜头具有高解像力、小体积的特点；另一方面，由于ToF技术最标志性的功能是测量景深等数据信息，因此要求ToF镜头具有广视角和大光圈等特性以满足距离信息的精准测量。然而，现有的应用于智能手机的光学镜头还无法同时满足这些要求，因此，如何在保证镜头成像质量的前提下，实现小体积、广视角、大光圈且可适用于ToF技术的成像系统是镜头制造厂商亟需解决的问题。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种光学镜头及成像设备，该光学镜头至少具有体积小、解像力高、广视角以及大光圈等特点，能够更好的满足采用ToF技术的成像设备的成像需求。

本发明实施例通过以下技术方案实现上述的目的。

第一方面，本发明实施例提供一种光学镜头，沿光轴从物侧到像侧依次包括：具有负光焦度的第一透镜，第一透镜的物侧面为凸面，第一透镜的像侧面为凹面；光阑；具有正光焦度的第二透镜，第二透镜的物侧面为凸面，第二透镜的像侧面为凹面；具有正光焦度的第三透镜，第三透镜的物侧面为凸面，第三透镜的像侧面为凹面；具有正光焦度的第四透镜，第四透镜的物侧面和第四透镜的像侧面均为凸面；具有负光焦度的第五透镜，第五透镜的物侧面在近光轴处为凸面且具有至少一个反曲点，第五透镜的像侧面在近光轴处为凹面且具有至少一个反曲点；以及滤光片，光学镜头满足以下条件式：2.0mm<(TTL/IH)*f<2.2mm；其中，TTL表示第一透镜的物侧面至光学镜头的成像面在光轴上的距离，IH表示光学镜头在成像面上的实际像高，f表示光学镜头的有效焦距。

第二方面，本发明实施例还提供一种成像设备，包括第一方面提供的光学镜头及成像元件，成像元件用于将光学镜头形成的光学图像转换为电信号。

相比于现有技术，本发明提供的光学镜头，通过光阑及各透镜合理设置，在满足高品质解像能力的同时，还具有头部外径小、总长短、相对照度较高、广视角、大光圈等特点，更适用于ToF技术的设计需求。

附图说明

图1为本发明第一实施例中的光学镜头的结构示意图；

图2为本发明第一实施例中的光学镜头的象散曲线图，其中，图中横轴表示偏移量（单位：毫米），纵轴表示视场角（单位：度）；

图3为本发明第一实施例中的光学镜头的垂轴色差曲线图，实线表示波长最短光线的色差减去波长最长光线的色差的差值（单位：微米），纵轴表示视场角（单位：度）；

图4为本发明第一实施例中的光学镜头的相对照度曲线图，其中，图中横轴表示视场角（单位：度），纵轴表示相对照度值；

图5为本发明第二实施例中的光学镜头的结构示意图；

图6为本发明第二实施例中的光学镜头的象散曲线图：

图7为本发明第二实施例中的光学镜头的垂轴色差曲线图；

图8为本发明第二实施例中的光学镜头的相对照度曲线图；

图9为本发明第三实施例中的光学镜头的结构示意图；

图10为本发明第三实施例中的光学镜头的象散曲线图：

图11为本发明第三实施例中的光学镜头的垂轴色差曲线图；

图12为本发明第三实施例中的光学镜头的相对照度曲线图；

图13为本发明第四实施例中的成像设备的结构示意图。

主要元件符号说明：

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

本发明实施例提供了一种光学镜头，沿光轴从物侧到像侧依次包括：具有负光焦度的第一透镜，第一透镜的物侧面为凸面，第一透镜的像侧面为凹面；光阑；具有正光焦度的第二透镜，第二透镜的物侧面为凸面，第二透镜的像侧面为凹面；具有正光焦度的第三透镜，第三透镜的物侧面为凸面，第三透镜的像侧面为凹面；具有正光焦度的第四透镜，第四透镜的物侧面和第四透镜的像侧面均为凸面；具有负光焦度的第五透镜，第五透镜的物侧面在近光轴处为凸面且具有至少一个反曲点，第五透镜的像侧面在近光轴处为凹面且具有至少一个反曲点；以及滤光片；光学镜头满足以下条件式：

2.0mm<(TTL/IH)*f<2.2mm；（1）

其中，TTL表示第一透镜的物侧面至光学镜头的成像面在光轴上的距离，IH表示光学镜头在成像面上的实际像高，f表示光学镜头的有效焦距。满足条件式（1），可有效控制光学镜头的有效焦距和总长，有利于实现光学镜头的小型化。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

0.48<tan²(HFOV)/DM1<0.54；（2）

其中，HFOV表示光学镜头的最大半视场角，DM1表示第一透镜的有效直径。满足条件式（2），有利于保证增大物侧方的视场角的同时，使镜头具有较大的光圈，以及较小的头部尺寸，减小屏幕的开窗面积，有利于光学镜头的小型化。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

-0.15<(R21-R22)/(R21+R22)<0.1；（3）

其中，R21表示第二透镜的物侧面的曲率半径，R22表示第二透镜的像侧面的曲率半径。满足条件式（3），可合理地配置第二透镜的光焦度，有利于场曲和畸变的矫正，且能够合理地控制第二透镜的面型，提升光学镜头的解像力。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

40mm< f2+f3<70mm；（4）

其中，f2表示第二透镜的有效焦距，f3表示第三透镜的有效焦距。满足条件式（4），可合理分配第二透镜和第三透镜的光焦度，有利于实现光学镜头的大光圈，同时有利于减小后续透镜的口径和光学镜头的体积。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

0.1<TC23/R22<0.14；（5）

其中，TC23表示第二透镜的像侧面和第三透镜的物侧面在光轴上的间隔距离，R22表示第二透镜的像侧面的曲率半径。满足条件式（5），可合理地控制第二透镜和第三透镜之间的间隔，减小矫正像差的难度，降低第二透镜与第三透镜的间隔敏感度，提升生产良率。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

0.92mm<TC12+TC2+TC23<0.98mm；（6）

其中，TC12表示第一透镜的像侧面和所述第二透镜的物侧面在光轴上的间隔距离，T2表示第二透镜的中心厚度，TC23表示第二透镜的像侧面和第三透镜的物侧面在光轴上的间隔距离。满足条件式（6），有利于合理分配第二透镜的中心厚度及与前后透镜的间隔距离，调节光线的分布，有利于光学镜头球差的矫正，减少温度变化对光学镜头性能的影响，并且有利于实现光学镜头结构的紧凑性。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

0.4<(R11-R12)/(R11+R12)<0.9；（7）

0.09<T1/DM1 <0.14；（8）

其中，R11表示第一透镜的物侧面的曲率半径，R12表示第一透镜的像侧面的曲率半径，T1表示第一透镜的中心厚度，DM1表示第一透镜的有效直径。满足条件式（7）和（8），一方面，能够合理地控制第一透镜的面型，在满足大视场角的同时，收缩光线，减小后续透镜的口径和光学镜头的体积；另一方面，可降低第一透镜的成型难度，从而降低加工敏感度，提高量产率。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

0.05<f/f3<0.13；（9）

其中，f3表示第三透镜的有效焦距，f表示光学镜头的有效焦距。满足条件式（9），使得第三透镜具有较大的正光焦度，有利于消除温度变化对成像性能的影响，使得光学镜头具有良好的温差耐受性。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

0.9<R31/R32<1.1；（10）

其中，R31表示第三透镜的物侧面的曲率半径，R32表示第三透镜的像侧面的曲率半径。满足条件式（10），可有效地控制光线的屈折力，减缓光线转折的走势，降低像差矫正的难度。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

0.70<f4/f<0.75；（11）

-1.7<f5/f<-1.2；（12）

其中，f4表示第四透镜的有效焦距，f5表示第五透镜的有效焦距，f表示光学镜头的有效焦距。满足条件式（11）和（12），能够实现第四透镜和第五透镜的光焦度的合理分配，减缓光线转折的走势，降低第四透镜和第五透镜的敏感度，降低高级像差的矫正，减小整体镜头像差矫正的难度。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

1.8<R51/R52<2.2；（13）

0.2 <SAG52_i-SAG51_i<0.5；（14）

其中，R51表示第五透镜的物侧面的曲率半径，R52表示第五透镜的像侧面的曲率半径，SAG51_i表示第五透镜的物侧面的任意点处的矢高，SAG52_i表示第五透镜的像侧面的任意点处的矢高，i表示任意点。满足条件式（13），使第五透镜具有较小的负光焦度，对光线起汇聚作用，从而有效矫正光学镜头的场曲和像差，同时能够合理的控制光线入射角的分布，确保各个视场的成像清晰度。满足条件式（14），能够合理控制第五透镜的面型，提高光学镜头的成像质量。

在一些实施方式中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜均为塑胶非球面镜片。

本发明各个实施例中非球面镜头的表面形状均满足下列方程：

，

其中，z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距离非球面顶点的矢高，c为表面的近轴曲率半径，k为二次曲面系数，A_2i为第2i阶的非球面面型系数。

在以下各个实施例中，光学镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径、材料选择部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。

第一实施例

请参阅图1，所示为本发明第一实施例提供的光学镜头100的结构示意图，该光学镜头100沿光轴从物侧到成像面依次包括：第一透镜L1、光阑ST、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、以及滤光片G1，其中，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5均为塑胶非球面透镜。

第一透镜L1具有负光焦度，第一透镜的物侧面S1在为凸面，第一透镜的像侧面S2为凹面；

第二透镜L2具有正光焦度，第二透镜的物侧面S3为凸面，第二透镜的像侧面S4为凹面；

第三透镜L3具有正光焦度，第三透镜的物侧面S5为凸面，第三透镜的像侧面S6为凹面；

第四透镜L4具有正光焦度，第四透镜的物侧面S7为凸面，第四透镜的像侧面S8为凸面；

第五透镜L5具有负光焦度，第五透镜的物侧面S9在近光轴处为凸面，且至少有一个反曲点，第五透镜的像侧面S10在近光轴处为凹面且具有至少一个反曲点。

本实施例提供的光学镜头100中各个镜片的相关参数如表1所示，其中R代表曲率半径，d代表光学表面间距，Nd代表材料的d线折射率，Vd代表材料的阿贝数。

表 1

本实施例中的光学镜头100的各非球面的面型系数如表2所示。

表 2

图2示出了本实施例中光学镜头100的象散曲线，其表示子午像面和弧矢像面的弯曲程度，从图中可看出子午和弧矢两个方向像面的象散控制在±0.2mm内，说明光学镜头100对象散矫正良好。图中0.830um-Tan表示830纳米波长的T（子午）线，0.830um-Sag 表示830纳米波长的S（弧矢）线，以此类推（图6、图10和图2相似）。

图3示出了光学镜头100的垂轴色差曲线，图中实线表示波长最短光线的色差减去波长最长光线的色差的差值和视场角的对应关系（图7、图11与图3相似），从图中可以看出垂轴色差控制在1.6um内，说明光学镜头100的垂轴色差得到良好的矫正。图中横坐标0微米对应的虚线表示以中心波长的色差为0为基准。

图4示出了光学镜头100的相对照度曲线，其表示不同视场角处的相对照度，从图中可以看出在最大视场角处的相对照度值达到42%以上，表明在周边视场的相对照度也较高，说明光学镜头100的相对照度得到良好的提高。

第二实施例

本实施例提供的光学镜头200的结构示意图请参阅图5，本实施例中的光学镜头200与第一实施例中的光学镜头100的结构大抵相同，不同之处在于：本实施例中的光学镜头200的最大视场角为92.2°，第一实施例中的光学镜头100的最大视场角为94.2°，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同。

本实施例提供的光学镜头200中各个镜片的相关参数如表3所示。

表 3

本实施例中的光学镜头200的各非球面的面型系数如表4所示。

表 4

图6示出了本实施例中光学镜头200的象散曲线，从图中可看出在子午和弧矢两个方向像面的象散控制在±0.25mm内，说明光学镜头200对象散矫正良好。

图7示出了本实施例中光学镜头200的垂轴色差曲线，从图中可以看出垂轴色差控制在1.5um以内，说明光学镜头200的垂轴色差得到良好的矫正。

图8示出了本实施例中光学镜头200的相对照度曲线，从图中可以看出在最大视场角处的相对照度值达到42%以上，说明光学镜头200的相对照度得到良好的提高。

第三实施例

本实施例提供的光学镜头300的结构示意图请参阅图9，本实施例中的光学镜头300与第一实施例中的光学镜头100的结构大抵相同，不同之处在于：本实施例中的光学镜头300的最大视场角为92.2°，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同。

本实施例提供的光学镜头300中各个镜片的相关参数如表5所示。

表 5

本实施例中的光学镜头300的各非球面的面型系数如表6所示。

表 6

图10示出了本实施例中光学镜头300的象散曲线，从图中可看出在子午和弧矢两个方向像面的象散控制在±0.15mm内，说明光学镜头300对象散矫正良好。

图11示出了本实施例中光学镜头300的垂轴色差曲线，从图中可以看出垂轴色差控制在1.2um内，说明光学镜头300的垂轴色差得到良好的矫正。

图12示出了本实施例中光学镜头300的相对照度曲线，从图中可以看出在最大视场角处的相对照度值达到42%以上，说明光学镜头300的相对照度得到良好的提高。

表7是上述三个实施例对应的光学特性，主要包括光学镜头的有效焦距f、光圈数F#、入瞳直径EPD、光学总长TTL、视场角2θ，以及与上述每个条件式对应的数值。

表7

实施例	实施例1	实施例2	实施例3
				f (mm)	1.702	1.624	1.730
F#	1.3	1.3	1.3
				TTL (mm)	4.23	4.22	4.23
2θ（°）	94.2	92.2	92.2
				EPD (mm)	1.309	1.249	1.337
(TTL/IH)*f(mm)	2.119	2.015	2.152
				tan<sup> 2</sup>(HFOV)/DM1	0.535	0.484	0.502
(R21-R22)/(R21+R22)	-0.1	0.005	-0.001
				f2+f3 (mm)	41.678	64.278	57.816
TC23/R22	0.138	0.104	0.122
				TC12+TC2+TC23 (mm)	0.972	0.974	0.928
(R11-R12)/(R11+R12)	0.878	0.455	0.438
				T1/DM1	0.091	0.1395	0.127
f/f3	0.051	0.121	0.1
				R31/R32	1.030	0.966	0.989
f4/f	0.7045	0.748	0.708
				f5/f	-1.22	-1.60	-1.34
R51/R52	2.1763	1.8760	1.96
				SAC52<sub>i</sub>-SAG51<sub>i</sub>	(0.25,0.42)	(0.21,0.48)	(0.23,0.43)

综上，本发明实施例提供的光学镜头至少具有以下优点：

(1) 本发明实施例提供的光学镜头满足高品质解像能力的同时，具有头部外径小、总长短、相对照度较高、广视角、大光圈的优点，不但能够更好的满足ToF镜头的要求，还能满足成像设备的轻薄短小化以及高屏占比的需求。

(2) 采用具有特定屈折力的五片塑胶非球面镜片，并且采用特定的表面形状及其搭配，在满足大视场的同时结构更紧凑，体积更小型化，较好的实现了广视角和镜头小型化的均衡。

第四实施例

本实施例提供的一种成像设备400的结构示意图请参阅图13，包括上述任一实施例中的光学镜头（例如光学镜头100）及成像元件410。成像元件410可以是CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补性金属氧化物半导体）图像传感器，还可以是CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）图像传感器。

成像设备400可以是相机、移动终端以及其他任意一种形态的装载了光学镜头的电子设备，移动终端可以是智能手机、智能平板、智能阅读器等终端设备。

本实施例提供的成像设备400包括光学镜头，由于光学镜头具有小体积、大视场、大光圈以及解像能力高等优点，因此成像设备400具有小体积、大视场、大光圈以及解像能力高等优点。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种光学镜头，其特征在于，所述光学镜头中具有光焦度的透镜的数量为五片，沿光轴从物侧到像侧依次包括：

具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面为凸面，所述第一透镜的像侧面为凹面；

光阑；

具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凸面，所述第二透镜的像侧面为凹面；

具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面为凸面，所述第三透镜的像侧面为凹面；

具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面和所述第四透镜的像侧面均为凸面；

具有负光焦度的第五透镜，所述第五透镜的物侧面在近光轴处为凸面且具有至少一个反曲点，所述第五透镜的像侧面在近光轴处为凹面且具有至少一个反曲点；以及

滤光片；

所述光学镜头满足以下条件式：

2.0mm<(TTL/IH)*f<2.2mm；

其中，TTL表示所述第一透镜的物侧面至所述光学镜头的成像面在光轴上的距离，IH表示所述光学镜头在所述成像面上的实际像高，f表示所述光学镜头的有效焦距。

2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

0.48mm^-1<tan²(HFOV)/DM1<0.54mm^-1；

其中，HFOV表示所述光学镜头的最大半视场角，DM1表示所述第一透镜的有效直径。

3.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

-0.15<(R21-R22)/(R21+R22)<0.1；

其中，R21表示所述第二透镜的物侧面的曲率半径，R22表示所述第二透镜的像侧面的曲率半径。

4.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

40mm<f2+f3<70mm；

其中，f2表示所述第二透镜的有效焦距，f3表示所述第三透镜的有效焦距。

5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

0.1<TC23/R22<0.14；

其中，TC23表示所述第二透镜的像侧面和所述第三透镜的物侧面在光轴上的间隔距离，R22表示所述第二透镜的像侧面的曲率半径。

6.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

0.92mm<TC12+T2+TC23<0.98mm；

其中，TC12表示所述第一透镜的像侧面和所述第二透镜的物侧面在光轴上的间隔距离，T2表示所述第二透镜的中心厚度，TC23表示所述第二透镜的像侧面和所述第三透镜的物侧面在光轴上的间隔距离。

7.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

0.4<(R11-R12)/(R11+R12)<0.9；

0.09<T1/DM1<0.14；

其中，R11表示所述第一透镜的物侧面的曲率半径，R12表示所述第一透镜的像侧面的曲率半径，T1表示所述第一透镜的中心厚度，DM1表示所述第一透镜的有效直径。

8.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

0.05<f/f3<0.13；

其中，f3表示所述第三透镜的有效焦距，f表示所述光学镜头的有效焦距。

9.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

0.9<R31/R32<1.1；

其中，R31表示所述第三透镜的物侧面的曲率半径，R32表示所述第三透镜的像侧面的曲率半径。

10.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

0.70< f4/f<0.75；

-1.7< f5/f<-1.2；

其中，f4表示所述第四透镜的有效焦距，f5表示所述第五透镜的有效焦距，f表示所述光学镜头的有效焦距。

11.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头满足以下条件式：

1.8<R51/R52<2.2；

0.2mm <SAG52_i-SAG51_i<0.5mm；

其中，R51表示所述第五透镜的物侧面的曲率半径，R52表示所述第五透镜的像侧面的曲率半径，SAG51_i表示所述第五透镜的物侧面的任意点处的矢高，SAG52_i表示所述第五透镜的像侧面的任意点处的矢高，i表示任意点。

12.一种成像设备，其特征在于，包括如权利要求1-11任一项所述的光学镜头及成像元件，所述成像元件用于将所述光学镜头形成的光学图像转换为电信号。