CN111443473B - 一种用于移动终端的紧凑型离轴反射式摄远光学镜头 - Google Patents

一种用于移动终端的紧凑型离轴反射式摄远光学镜头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于移动终端的紧凑型离轴反射式摄远光学镜头。本发明包含一片光学保护玻璃、三个反射镜和图像接收器，从外界场景出射的光首先通过光学保护玻璃，再依次经由第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜反射后，到达图像接收器。本发明的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜不具有共同的旋转对称轴，形成离轴反射光路形式，形成光路折转，缩小了本发明的光学镜头整体占用的空间。

Description

一种用于移动终端的紧凑型离轴反射式摄远光学镜头
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种用于移动终端的离轴反射式光学镜头。
背景技术
目前以手机、平板电脑为代表的移动终端设备发展趋势之一是更加强大拍摄能力。为此，移动终端设备上的相机数目不断增加。例如，最新发售的相机，具有4枚甚至更多的相机，这些相机配有不同焦距的光学镜头，已应对广角、人像和摄远等不同拍摄场景。
这些不同类别的镜头中，长焦镜头，也就是摄远镜头，往往长度较大、占用空间较多，也最难以集成于厚度非常薄的移动终端中。目前主要技术方案是采用潜望式镜头设计折转光路。例如华为P40系列手机中采用的潜望镜摄远镜头，以及Sun等研究者于2020年发表的潜望式变焦手机镜头[1]。以后者为例，虽然将厚度减小到5.1mm，但是另一个方向的长度超过35mm(长宽高中的最大值与摄远端的有效焦距的比值为35mm/13.42mm＝2.61)。可见这种技术方案只能减小光学镜头的厚度，不能缩小光学镜头实际占用的空间，因而在内部空间十分宝贵的移动终端设备中，仍然会对其它部件的布局产生较大的负面影响。
因此，如果能实现用于移动终端的、高度紧凑化的摄远光学镜头，占用空间的长、宽、高都较小，则将有利于移动终端内部各个部件的布局和整体终端系统的紧凑化。
[1]Wen Shing Sun,Chuen Lin Tien,Yi Hong Liu.Optical design for thelens depth of a periscope type 3×zoom lens with 8megapixel mobile phone[J].Optical and Quantum Electronics.2020,52:141.
发明内容
为了克服上述用于移动终端的摄远镜头的不足，本发明提出一种非旋转对称的、离轴反射式摄远光学系统。它具有结构高度紧凑、像差校正良好、光能利用率高的优点，旨在解决现有的用于移动终端的摄远镜头占用较大的问题。
本发明是通过下述技术方案实现的。
本发明包含一片光学保护玻璃、三个反射镜和图像接收器，从外界场景出射的光首先通过光学保护玻璃，再依次经由第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜反射后，到达图像接收器。
上述光学保护玻璃不具有光焦度，起到阻挡外界灰尘进入镜头内部的作用，同时也可以通过镀膜方式增加目标波段光线的透过率、降低非目标波段光线的透过率。
上述第一反射镜和第二反射镜在整体形状上呈现为凹面反射镜，通过凹面镜的会聚效果约束光束宽度；上述第三反射镜在整体形状上呈现为凸面反射镜，使系统获得相对较大的焦距和较大的像面大小。在光线经过的区域内，上述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜不形成物理空间上的冲突也不遮挡成像光束；图像接收器不遮挡从光学保护玻璃到第一反射镜的光束，不遮挡从第一反射镜出初始后到达第二反射镜的光束，也不遮挡从第二反射镜出初始后到达第三反射镜的光束。
上述第一反射镜和第二反射镜不具备任何轴对称或者面对称性，通过上述第一反射镜反射后的光束在水平方向上偏离光学保护玻璃的中心轴，并且该光束在第二反射镜反射后在水平方向上偏向学保护玻璃的中心轴。通过上述第一反射镜反射后的光束在竖直方向上偏离光学保护玻璃的中心轴，并且该光束在第二反射镜反射后在竖直方向上进一步偏离学保护玻璃的中心轴。
上述第三反射镜不具备任何旋转对称或者面对称性，其作用为将从上述第二反射镜出射后的光束经过反射后成像在图像接收器上。
优选的，为了方便上述图像接收器的安装，上述图像接收器的法线方向与上述光学保护玻璃前表面平行，并且上述图像接收器的较长的边也与上述光学保护玻璃前表面平行。
其中，为了校正离轴、非对称系统的像差，本发明的上述所有反射镜均使用非旋转对称的自由曲面面型，其面型表达式如下式所示。
Figure BDA0002486344750000031
其中
Figure BDA0002486344750000032
m和n为自然数，c为中心曲率，k为二次曲面系数，Cj为第j个多项式的系数。
上述表达式表示了光学面上任一点(x,y)对应的z坐标的计算式。
本发明的有益效果：本发明的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜不具有共同的旋转对称轴，形成离轴反射光路形式，形成光路折转，缩小了本发明的光学镜头整体占用的空间。
附图说明
图1为本发明的第一实施例的光学系统的三维结构示意图；
图2为本发明的第一实施例的MTF曲线图；
图3为本发明的第一实施例的畸变网格图；
图4为本发明的第二实施例的光学系统的三维结构示意图；
图5为本发明的第二实施例的MTF曲线图；
图6为本发明的第二实施例的畸变网格图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1
图1示出了本发明第一实施例的用于移动终端的紧凑型离轴反射式摄远光学镜头。如图1所示，按照外界场景光抵达的先后顺序，依次为光学保护玻璃G、第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、图像接收器S。其中光学系统的光阑位于上述保护玻璃G远离外界场景的一侧表面上。
本实施例中的第一反射镜M1、第二反射镜M2和第三反射镜M3均采用下述标准XY多项式面型表达式进行表示：
Figure BDA0002486344750000041
其中
Figure BDA0002486344750000042
m和n为自然数，c为中心曲率，k为二次曲面系数，Cj为第j个多项式的系数。
本实施例中，物方全视场角为水平方向13.4°，竖直方向10°，入瞳直径3.5mm，焦距为19.2mm，像方F#为5.5，像面接收器S上图像区域的尺寸为4.4mm×3.48mm。
本实施例中，光学保护玻璃G前后表面均为平面、厚度0.42mm、材料为光学玻璃(折射率为1.5168，阿贝数为64.21)。光学保护玻璃G远离外界场景的一侧中心位置为本实施例空间坐标系的原点，垂直于表面并且朝着远离外界场景一侧为z轴方向，在表面平面内定义相互垂直的x和y轴方向以同时满足下面两点：(1)x、y、z三轴形成右手直角坐标系，(2)y-o-z平面与本实施例的物方竖直方向的视场角方向一致。
本实施例中，图像接收器S的法线方向与x-o-y平面平行；图像接收器S上的图像区域为矩形，其长边与x-o-y平面平行。这样安排图像接收器S的姿态可以方便图像接收器S在移动终端中的安装与调试。
本实施例中第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3和像面接收器S的位置和姿态如下表1所示。表1中的X、Y和Z坐标为光学保护玻璃G的后表面、第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3和像面接收器S在内的光学表面局部坐标原点在上述xyz坐标系统内对应的位置。表1中的Alpha和Beta分别表示学保护玻璃G的后表面、第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3和像面接收器S在内的光学表面在自身坐标系统内绕x轴和y轴旋转的角度。由表1中所述图像接收器S的Alpha角度值为90°知，所述图像接收器S的法线方向与所述光学保护玻璃的前表面平行、并且所述图像接收器S的长边方向与所述光学保护玻璃的前表面平行。
表1本实施例各光学面的位置和姿态
光学面 X(mm) Y(mm) Z(mm) Alpha(°) Beta(°)
G的后表面 0 0 0 0 0
M1 0 0 8 15 4.91
M2 -2.1311 -3.4 1.6 53.80 5.77
M3 5 2 4.35 77.98 -26.26
S -4.5 3.02 4.01 90 -70
表2本实施例反射镜的表面参数
Figure BDA0002486344750000051
表2示出了本实施例的第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3的面型参数，表中未列出的系数均为0。
图2示出了本实施例的MTF曲线图，由曲线图可知本实施例具有良好的成像质量。图3示出了本实施例的畸变情形，从图中可以看出，本实施例的畸变得到良好控制，同时由于非旋转对称和面对称可能引发的像面旋转效应得到有效消除。
本实施例的长宽高中的最大值为11.1mm、像面长边尺寸4.4mm，两者比值为2.52；厚度为9.15，厚度与有效焦距的比值为0.48；本实施例长宽高中的最大值与有效焦距的比值为0.58。
实施例2
图4示出了本发明第一实施例的用于移动终端的紧凑型离轴反射式摄远光学镜头。如图4所示，按照外界场景光抵达的先后顺序，依次为光学保护玻璃G、第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、图像接收器S。其中光学系统的光阑位于上述保护玻璃G远离外界场景的一侧表面上。
本实施例中的第一反射镜M1、第二反射镜M2和第三反射镜M3也采用实施例一所述的标准XY多项式面型表达式。
本实施例中，物方全视场角为水平方向13.4°，竖直方向10°，入瞳直径3.6mm，焦距为17.3mm，像方F#为4.8，像面接收器S上图像区域的尺寸为4mm×3mm。
本实施例中，光学保护玻璃G前后表面均为平面、厚度0.38mm、材料为光学玻璃(折射率为1.5168，阿贝数为64.21)。光学保护玻璃G远离外界场景的一侧中心位置为本实施例空间坐标系的原点，垂直于表面并且朝着远离外界场景一侧为z轴方向，在表面平面内定义相互垂直的x和y轴方向以同时满足下面两点：(1)x、y、z三轴形成右手直角坐标系，(2)y-o-z平面与本实施例的物方竖直方向的视场角方向一致。
本实施例中，图像接收器S的法线方向与x-o-y平面平行；图像接收器S上的图像区域为矩形，其的长边与x-o-y平面平行。这样安排图像接收器S的姿态可以方便图像接收器S在移动终端中的安装与调试。
本实施例中第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3和像面接收器S的位置和姿态如下表3所示。表3中的X、Y和Z坐标为光学保护玻璃G的后表面、第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3和像面接收器S在内的光学表面局部坐标原点在上述xyz坐标系统内对应的位置。表1中的Alpha和Beta分别表示光学保护玻璃G的后表面、第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3和像面接收器S在内的光学表面在自身坐标系统内绕x轴和y轴旋转的角度。由表3中所述图像接收器S的Alpha角度值为90°知，所述图像接收器S的法线方向与所述光学保护玻璃的前表面平行、并且所述图像接收器S的长边方向与所述光学保护玻璃的前表面平行。
表3本实施例各光学面的位置和姿态
光学面 X(mm) Y(mm) Z(mm) Alpha(°) Beta(°)
G的后表面 0 0 0 0 0
M1 0 0 7.2 16 4.08
M2 -3.1157 -3.06 1.44 56.1485 3.3242
M3 5.8096 1.5378 4.0986 79.695 -25.064
S -4.05 3.5672 3.5395 90 -70
表4本实施例反射镜的表面参数
Figure BDA0002486344750000071
Figure BDA0002486344750000081
表4示出了本实施例的第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3的面型参数，表中未列出的系数均为0。
图5示出了本实施例的MTF曲线图，由曲线图可知本实施例具有良好的成像质量。图6示出了本实施例的畸变情形，从图中可以看出，本实施例的畸变得到良好控制，同时由于非旋转对称和面对称可能引发的像面旋转效应得到有效消除。
本实施例的长宽高中的最大值为10.85mm、像面长边尺寸4mm，两者比值为2.71；厚度为8.25，厚度与有效焦距的比值为0.48；本实施例长宽高中的最大值与有效焦距的比值为0.63。
虽然已经详细示出了本发明的实施例，但是应当明白，本领域的技术人员可以想到对这些实施例的修改和调整，而不脱离如所附权利要求所提出的本发明的范围。

Claims (2)

1.一种用于移动终端的紧凑型离轴反射式摄远光学镜头，其特征在于，包含光学保护玻璃、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和图像接收器，从外界场景出射的光首先通过光学保护玻璃，再依次经由第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜反射后，到达图像接收器；
所述光学保护玻璃不具有光焦度，用于阻挡外界灰尘进入镜头内部；
所述第一反射镜在整体形状上呈现为凹面反射镜，不具备任何轴对称或者面对称性，光束经过其反射作用后在水平和竖直方向上偏离所述光学保护玻璃的中心轴；
所述第二反射镜在整体形状上呈现为凹面反射镜，不具备任何轴对称或者面对称性，从第一反射镜出射的光束经过其反射作用后在水平方向上偏向所述光学保护玻璃的中心轴，在竖直方向上进一步偏离所述光学保护玻璃的中心轴；
所述第三反射镜在整体形状上呈现为凸面反射镜，不具备任何旋转对称或者面对称性，将从上述第二反射镜出射后的光束经过反射后成像在图像接收器上；
所述的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均采用下述标准XY多项式面型表达式进行表示：
Figure FDA0003373609550000011
其中
Figure FDA0003373609550000012
m和n为自然数，c为中心曲率，k为二次曲面系数，Cj为第j个多项式的系数；
该光学镜头的厚度与有效焦距的比值为0.48；光学镜头整体的长、宽、高中最大值和有效焦距的比值处于0.58～0.63之间；光学镜头整体的长、宽、高中最大值和所述图像接收器上有效像面长边的比值处于2.52～2.71之间。
2.如权利要求1所述的一种用于移动终端的紧凑型离轴反射式摄远光学镜头，其特征在于，所述的图像接收器，其有效像面长边与所述光学保护玻璃前表面平行，并且所述图像接收器的法线与所述光学保护玻璃前表面平行。
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