CN111352213B - 一种高像素棱镜潜望式镜头 - Google Patents

一种高像素棱镜潜望式镜头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高像素棱镜潜望式镜头，由物侧至像侧依序包含：玻璃镜片G1具有负折射力，其中物侧为凹面，像侧为凸面；光学反射元件G2使光路弯曲，反射面与光轴夹角为45°；第一透镜P1具正屈折力，其物侧面和像侧面于近光轴处为凸面；第二透镜P2具负屈折力，其像侧面为凸面；第三透镜P3具正屈折力，其物侧面为凹面和像侧面为凸面；第四透镜P4具负屈折力，呈M状，其物侧面为凹面，像侧面有两个反曲点；本发明通过改变光轴方向，实现潜望功能，并加入一片高折射率的玻璃透镜和后端折射力正负透镜组合提高光学性能，满足高解析力和手机超薄厚度的配置。

Description

一种高像素棱镜潜望式镜头
技术领域
本发明涉及光学镜头，特别是一种高像素棱镜潜望式镜头，适用于轻薄式手机和小型便携式电子产品。
背景技术
现有的手机摄像头，要求高像素、大光圈以外，还要受制于手机的轻量化和超薄等机械结构，目前，智能手机的占屏比越来越大，这使得镜头的安装空间更为狭小，为适应这种小空间，除了减小镜头的天面，可以采取改变拍摄方式来达到此目的，同时满足高像素
发明内容
本发明的目的是为了提供一种结构特殊、保证高像素和小体积的玻璃加棱镜潜望式镜头。通过棱镜改变光轴方向，再结合玻璃使用，保证镜头的光学性能和拍摄效果，并满足手机超薄厚度的配置。
本发明的技术方案是：
一种高像素棱镜潜望式镜头，由物侧至像侧依序组成为：
玻璃镜片G1具有负折射力，其中物侧为凹面，像侧为凸面；
光学反射元件G2使光路弯曲，反射面与光轴夹角为45°；
第一透镜P1具正屈折力，其物侧面和像侧面于近光轴处为凸面；
第二透镜P2具负屈折力，其像侧面于近光轴处为凹面；
第三透镜P3具正屈折力，其物侧面为凹面和像侧面为凸面；
第四透镜P4具负屈折力，呈M状，其物侧面为凹面，像侧面有两个反曲点；
所述光学反射元件G2和第一透镜P1之间设有光阑，且满足下列条件；
tan(fov)>2.9
0<Rg1/Rg2<0.44
Sag1-t1-t2<-0.81mm
tp+ts<0.205mm
IND2>1.66
f2/efl<1.24
Y4/imgh<0.85
1.85<f3/efl<1.94
-1.1<f4/efl<-0.9
其中，fov为镜头的视场角，Rg1为玻璃镜片G1的光线入射面的曲率半径，Rg2为玻璃镜片G1的光线出射面的曲率半径，imgh为半像高，Sag1为玻璃镜片G1光线入射面边缘矢高，t1为玻璃镜片G1的中心厚度，t2为玻璃镜片G1与光学反射元件G2的中心距离，tp为光学反射元件G2光线出射面到光阑的距离，ts为光阑距第一透镜P1的中心距离，Y1为第一透镜P1物侧面的半孔径值，IND2为第二透镜P2材料的折射率，f2为第二透镜P2的焦距，efl为镜头的有效焦距，Y4为第四透镜P4的通光孔径值，f3为第三透镜P3的焦距，f4为第四透镜P4的焦距。
所述第一透镜P1、第二透镜P2、第三透镜P3、第四透镜P4、均采用偶次非球面塑料镜片，非球面系数满足如下方程式：
Z＝cy2/[1+{1-(1+k)c2y2}+1/2]+A4y4+A6y6+A8y8+A10y10+A12y12+A14y14+A16y16
其中，Z为非球面矢高、c为非球面近轴曲率、y为镜头口径、k为圆锥系数、A4为4次非球面系数、A6为6次非球面系数、A8为8次非球面系数、A10为10次非球面系数、A12为12次非球面系数、A14为14次非球面系数、A16为16次非球面系数。
玻璃镜片G1为高折射率材料的球面玻璃，两个球面的曲率半径满足0<Rg1/Rg2<0.44。
本发明的有益效果是：
1.本发明由于玻璃镜片G1为高折射率材料的球面玻璃，两个球面的曲率半径满足0<Rg1/Rg2<0.44，有利于模压制造中确定球面顶点，减小偏心误差，增大屈光度，提高整个镜头的光学性能。
2.本发明中Sag1-t1-t2<-0.81mm该公式限制镜头边缘的矢高及镜头前端尺寸，减小镜头组装尺寸和组装难度，有利于结构合理分配。
3.本发明中玻璃镜片G1和第一透镜P1外径之间为镜筒壁厚，tp+ts<0.205mm，tp为光学反射元件G2光线出射面到光阑的距离，ts为光阑距第一透镜P1的中心距离，该公式主要限制后端镜片第一透镜P1与光学反射元件G2的距离，减小第一透镜P1外径和玻璃镜片G1之间的干涉部分，有利于增加镜筒厚度，便于制造。
4.本发明中IND2>1.66，IND2为第二透镜P2材料的折射率，后端镜头采用非球面塑料镜片，采用透镜折射力正负组合的形式减小像差，提高解析力，该公式有效减小色差和球差。
5.本发明中f2/efl<1.24，f2为第二透镜P2的焦距，第二透镜P2为负折射力的透镜，校正像差的同时，该公式有利于控制第二透镜P2的屈光度，提高镜头解析力。
6.本发明中Y4/imgh<0.85，Y4为第四透镜P4的通光孔径值，为减小镜头的尺寸，使空间达到合理利用，该公式限制镜头的尾端的尺寸，有效的限制了镜头的尺寸，使之满足手机超薄的要求。
7.本发明中1.85<f3/efl<1.915，-1.1<f4/efl<-0.9,规定了第三透镜P3、第四透镜P4的光焦度与各面弯曲程度关系，满足此关系式有利于光焦度的合理分配达到缩短总长，控制像差达到实际使用要求的目的。
8.本发明中tan(fov)>2.9，该公式限制有效焦距，有效焦距增大保证了镜头后焦的长度可以变长，有利于镜头的芯片的配合。
综上，本发明通过一片玻璃镜片加光学反射元件即棱镜和后端正负透镜组合形式实现棱镜潜望式镜头，通过改变光轴方向，实现潜望功能，合理的结构设计满足手机超薄厚度的配置。高折射率的玻璃镜片加棱镜和正负透镜组合减小像差，提高解析力。
附图说明
图1是本发明的镜头的结构示意图；
图2是本发明的镜头的光路图；
图3是本发明实施例1的镜头的垂轴色差图，其中横坐标为垂轴色差值，纵坐标为视场像高；
图4是本发明实施例1的镜头的像散场曲图，其中横坐标为场曲值，纵坐标为视场像高；
图5是本发明实施例1的镜头的光学畸变曲线图，其中横坐标为畸变百分比，纵坐标为视场像高；
图6是本发明实施例2的镜头的垂轴色差图，其中横坐标为垂轴色差值，纵坐标为视场像高；
图7是本发明实施例2的镜头的像散场曲图，其中横坐标为场曲值，纵坐标为视场像高；
图8是本发明实施例2的镜头的光学畸变曲线图，其中横坐标为畸变百分比，纵坐标为视场像高；
图9是本发明实施例3的镜头的垂轴色差图，其中横坐标为垂轴色差值，纵坐标为视场像高；
图10是本发明实施例3的镜头的像散场曲图，其中横坐标为场曲值，纵坐标为视场像高；
图11是本发明实施例3的镜头的光学畸变曲线图，其中横坐标为畸变百分比，纵坐标为视场像高。
具体实施方式
为下面结合说明书附图1-11对本发明进一步详细说明。
实施例1
本发明涉及一种一片玻璃加棱镜的潜望式镜头，由物侧至像侧依序组成为：一片负折射力两面均为球面的玻璃镜片G1，其物侧为凹面，像侧为凸面；一使光路弯曲的光学反射元件G2，反射面与光轴夹角为45°；一具正屈折力的第一透镜P1，其物侧面和像侧面于近光轴处为凸面；一具负屈折力的第二透镜P2，其像侧面于近光轴处为凹面；一具正屈折力的第三透镜P3，其物侧面为凹面和像侧面为凸面；一具负屈折力的呈M状的第四透镜P4，其物侧面为凹面，像侧面有两个反曲点；所述玻璃镜片G1是两面均为球面的玻璃材料，使光路弯曲的光学反射元件G2，反射面与光轴夹角为45°，光学反射元件G2的光线入射面和出射面均为平面。光学反射元件G2后面的四片镜片第一透镜P1、第二透镜P2、第三透镜P3、第四透镜P4均为非球面塑料镜片，所述光学反射元件G为棱镜，并和第一透镜P1之间设有光阑。且满足下列条件：
tan(fov)>2.9
0<Rg1/Rg2<0.44
Sag1-t1-t2<-0.81mm
tp+t s<0.205mm
IND2>1.66
f2/efl<1.24
Y4/imgh<0.85
1.85<f3/efl<1.94
-1.1<f4/efl<-0.9
其中，Rg1为玻璃镜片G1的光线入射面的曲率半径，Rg2为玻璃镜片G1的光线出射面的曲率半径，imgh为半像高。Sag1为玻璃镜片G1光线入射面边缘矢高，t1为玻璃镜片G1的中心厚度，t2为玻璃镜片G1与棱镜的中心距离，tp为棱镜光线出射面到光阑的距离，ts为光阑距第一透镜P1的中心距离，Y1为第一透镜P1物侧面的半孔径值，IND2为第二透镜P2材料的折射率，f2为第二透镜P2的焦距，efl为镜头的有效焦距，Y4为第四透镜P4的通光孔径值，f3为第三透镜P3的焦距，f4为第四透镜P4的焦距；
所述玻璃镜片G1两面均为球面，且一面为凸面；光学反射元件G2为45°棱镜。
所述第一透镜P1、第二透镜P2、第三透镜P3、第四透镜P4、均采用偶次非球面塑料镜片，非球面系数满足如下方程式：
Z＝cy2/[1+{1-(1+k)c2y2}+1/2]+A4y4+A6y6+A8y8+A10y10+A12y12+A14y14+A16y16
其中，Z为非球面矢高、c为非球面近轴曲率、y为镜头口径、k为圆锥系数、A4为4次非球面系数、A6为6次非球面系数、A8为8次非球面系数、A10为10次非球面系数、A12为12次非球面系数、A14为14次非球面系数、A16为16次非球面系数。
镜头的具体设计参数如表1和表2所示：
表1
Figure GDA0004274428880000061
表2
面号 k A4 A6 A8 A10 A12 A14 A16
7 -1.14299 -0.00059 -0.02661 0.149547 -0.31338 0.385726 -0.22234 0.055962
8 5.85073 -0.01445 -0.00849 0.021421 0.092781 -0.13713 0.080536 -0.02106
9 -80.999 0.049094 -0.01994 -0.06899 0.31422 -0.40575 0.285927 -0.09258
10 -6.34502 -0.03536 0.02196 -0.11266 0.08226 0.017045 -0.05316 0.014809
11 -76.5229 -0.02103 0.18451 -0.43253 0.793068 -0.89343 0.514093 -0.11695
12 -22.0745 0.007937 0.150962 -0.40164 0.617396 -0.51065 0.203673 -0.03077
13 71.36873 0.242952 -0.01649 -0.15385 0.211202 -0.11367 0.020209 0
14 -1.16758 0.234401 -0.13469 0.060919 -0.0168 0.002528 -0.00016 0
本实施例中，透镜的视场角为71°，半像高为2.322mm，
玻璃镜片G1的光线入射面的曲率半径为-8.775，光线出射面的曲率半径为-20，光学反射元件G2(45°棱镜)斜边与光轴倾角为45°，
第一透镜P1的有效焦距f1为2.258mm，
第二透镜P2的有效焦距f2为-3.936mm，
第三透镜P3的有效焦距f3为6.162mm，
第四透镜P4的有效焦距f4为-3.178mm，
镜头的有效焦距efl为3.193mm，
玻璃镜片G1的矢高sag1为-0.197mm，
玻璃镜片G1的厚度t1为0.45mm，中点距离棱镜的距离t2为0.15mm，
棱镜光线出射面距光阑的距离tp为0.1mm，光阑距第一透镜P1中点的距离ts为0.1，第二透镜P2的折射率IND2为1.6612mm，
第四透镜P4的通光半孔径D4为1.9504mm，则：
tan(fov)＝2.904
Rg1/Rg2＝0.439
Sag1-t1-t2＝-0.797mm
tp+ts＝0.2mm
IND2＝1.6612
f2/efl＝-1.233
Y4/imgh＝0.84
f3/efl＝1.93
f4/efl＝-0.995
参见图1，该镜头的各个透镜的形状比较匀称，便于成型生产，而且镜片间距合理，便于后期的结构设计。
参见图3，所示镜头的垂轴色差图，表示镜头成像系统的垂轴色差，垂轴色差表示在系统整个像面上，各颜色波长焦点位置的差异，垂轴色差越小，表示各颜色波长光线汇聚的越好
参见图4，所示镜头的像散场曲，不同曲线代表不同的波长，S代表弧矢场曲，T代表子午场曲，二者做差就是系统的像散，像散和场曲是影响轴外视场光线的重要像差，像散过大会严重影响轴外视场的成像质量，场曲会造成中心和边缘成像不在一个平面。
参见图5，所示镜头的光学畸变曲线，畸变不影响像的清晰度，但会引起系统变形，本系统畸变小于2％，对成像影响很小。
实施例2
表3
Figure GDA0004274428880000081
表4
Figure GDA0004274428880000082
本实施例中，透镜的视场角为71.12°，半像高为2.322mm，
玻璃镜片G1的光线入射面的曲率半径为-8.641，光线出射面的曲率半径为-20，光学反射元件G2(45°棱镜)斜边与光轴倾角为45°，
第一透镜P1的有效焦距f1为2.257mm，
第二透镜P2的有效焦距f2为-3.901mm，
第三透镜P3的有效焦距f3为6.111mm，
第四透镜P4的有效焦距f4为-3.146mm，
镜头的有效焦距efl为3.191mm，
玻璃镜片G1的矢高sag1为-0.2mm，
玻璃镜片G1的厚度t1为0.45mm，中点距离棱镜的距离t2为0.15棱镜光线出射面距光阑的距离tp为0.1，光阑距第一透镜P1中点的距离ts为0.08mm，第二透镜P2的折射率IND2为1.6612，
第四透镜P4的通光半孔径D4为1.8952mm，则：
tan(fov)＝2.924
Rg1/Rg2＝0.432
Sag1-t1-t2＝-0.8003mm
tp+ts＝0.18mm
IND2＝1.6612
f2/efl＝-1.225
Y4/imgh＝0.816
f3/efl＝1.915
f4/efl＝-0.986
参见图6，所示镜头的垂轴色差图，表示镜头成像系统的垂轴色差，垂轴色差表示在系统整个像面上，各颜色波长焦点位置的差异，垂轴色差越小，表示各颜色波长光线汇聚的越好。
参见图7，所示镜头的像散场曲，不同曲线代表不同的波长，S代表弧矢场曲，T代表子午场曲，二者做差就是系统的像散，像散和场曲是影响轴外视场光线的重要像差，像散过大会严重影响轴外视场的成像质量，场曲会造成中心和边缘成像不在一个平面。
参见图8，所示镜头的光学畸变曲线，畸变不影响像的清晰度，但会引起系统变形，本系统畸变小于2％，对成像影响很小。
实施例3
表5
Figure GDA0004274428880000101
表6
面号 k A4 A6 A8 A10 A12 A14 A16
7 -1.10286 -0.00363 -0.00567 0.02845 0.05471 -0.22560 0.30342 -0.12319
8 6.11954 -0.00958 -0.06190 0.14266 -0.08183 0.06247 -0.04047 0.00577
9 -80.99895 0.06557 -0.04197 -0.28722 1.11876 -1.68925 1.33492 -0.44234
10 -6.34502 -0.00935 0.00190 -0.17308 0.23489 -0.18255 0.11440 -0.04846
11 -76.52289 0.01060 0.13048 -0.26264 0.47409 -0.67451 0.50115 -0.14686
12 -22.07455 0.02157 0.09410 -0.21737 0.28862 -0.22885 0.09097 -0.01369
13 71.36873 0.21797 -0.00056 -0.05263 0.01563 0.01580 -0.00766 0.00000
14 -1.16758 0.20164 -0.08296 0.02510 -0.00438 0.00044 -0.00002 0.00000
本实施例中，透镜的视场角为71.54°，半像高为2.322mm，
玻璃镜片G1的光线入射面的曲率半径为-8.67，光线出射面的曲率半径为-20，光学反射元件G2(45°棱镜)斜边与光轴倾角为45°，
第一透镜P1的有效焦距f1为2.259mm，
第二透镜P2的有效焦距f2为-3.825mm，
第三透镜P3的有效焦距f3为5.952mm，
第四透镜P4的有效焦距f4为-3.298mm，
镜头的有效焦距efl为3.166mm，
玻璃镜片G1的矢高sag1为-0.199mm，
玻璃镜片G1的厚度t1为0.45mm，中点距离棱镜的距离t2为0.15mm，
棱镜光线出射面距光阑的距离tp为0.1mm，光阑距第一透镜P1中点的距离ts为0.05mm，第二透镜P2的折射率IND2为1.6612，
第四透镜P4的通光半孔径D4为1.9031mm，则：
tan(fov)＝2.9956
Rg1/Rg2＝0.433
Sag1-t1-t2＝-0.799mm
tp+ts＝0.15mm
IND2＝1.6612
f2/efl＝-1.2081
Y4/imgh＝0.82
f3/efl＝1.88
f4/efl＝-1.042
参见图9，所示镜头的垂轴色差图，表示镜头成像系统的垂轴色差，垂轴色差表示在系统整个像面上，各颜色波长焦点位置的差异，垂轴色差越小，表示各颜色波长光线汇聚的越好
参见图10，所示镜头的像散场曲，不同曲线代表不同的波长，S代表弧矢场曲，T代表子午场曲，二者做差就是系统的像散，像散和场曲是影响轴外视场光线的重要像差，像散过大会严重影响轴外视场的成像质量，场曲会造成中心和边缘成像不在一个平面。
参见图11，所示镜头的光学畸变曲线，畸变不影响像的清晰度，但会引起系统变形，本系统畸变小于2％，对成像影响很小。

Claims (3)

1.一种高像素棱镜潜望式镜头，其特征在于，由物侧至像侧依序组成为：
玻璃镜片G1具有负折射力，其中物侧为凹面，像侧为凸面；
光学反射元件G2使光路弯曲，反射面与光轴夹角为45°；
第一透镜P1具正屈折力，其物侧面和像侧面于近光轴处为凸面；
第二透镜P2具负屈折力，其像侧面于近光轴处为凹面；
第三透镜P3具正屈折力，其物侧面为凹面和像侧面为凸面；
第四透镜P4具负屈折力，呈M状，其物侧面为凹面，像侧面有两个反曲点；
所述光学反射元件G2和第一透镜P1之间设有光阑，且满足下列条件；
tan(fov)>2.9
0<Rg1/Rg2<0.44
Sag1-t1-t2<-0.81mm
tp+ts<0.205mm
IND2>1.66
f2/efl<1.24
Y4/imgh<0.85
1.85<f3/efl<1.94
-1.1<f4/efl<-0.9
其中，fov为镜头的视场角，Rg1为玻璃镜片G1的光线入射面的曲率半径，Rg2为玻璃镜片G1的光线出射面的曲率半径，imgh为半像高，Sag1为玻璃镜片G1光线入射面边缘矢高，t1为玻璃镜片G1的中心厚度，t2为玻璃镜片G1与棱镜的中心距离，tp为光学反射元件G2光线出射面到光阑的距离，ts为光阑距第一透镜P1的中心距离，Y1为第一透镜P1物侧面的半孔径值，IND2为第二透镜P2材料的折射率，f2为第二透镜P2的焦距，efl为镜头的有效焦距，Y4为第四透镜P4的通光孔径值，f3为第三透镜P3的焦距，f4为第四透镜P4的焦距。
2.根据权利要求1所述的一种高像素棱镜潜望式镜头，其特征在于：所述第一透镜P1、第二透镜P2、第三透镜P3、第四透镜P4、均采用偶次非球面塑料镜片，非球面系数满足如下方程式：
Z＝cy2/[1+{1-1+k)c2y2}+1/2]+A4y4+A6y6+A8y8+A10y10+A12y12+A14y14+A16y16
其中，Z为非球面矢高、c为非球面近轴曲率、y为镜头口径、k为圆锥系数、A4为4次非球面系数、A6为6次非球面系数、A8为8次非球面系数、A10为10次非球面系数、A12为12次非球面系数、A14为14次非球面系数、A16为16次非球面系数。
3.根据权利要求1所述的一种高像素棱镜潜望式镜头，其特征在于：
玻璃镜片G1为高折射率材料的球面玻璃，两个球面的曲率半径满足0<Rg1/Rg2<0.44。
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