CN111897112A

CN111897112A - 光学镜头及成像设备

Info

Publication number: CN111897112A
Application number: CN202011053643.4A
Authority: CN
Inventors: 曾昊杰; 于笑枝; 刘绪明; 曾吉勇
Original assignee: Jiangxi Lianyi Optics Co Ltd
Current assignee: Jiangxi Lianyi Optics Co Ltd
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2020-11-06
Anticipated expiration: 2040-09-29
Also published as: CN111897112B

Abstract

本发明公开了一种光学镜头及成像设备，该光学镜头沿光轴从物侧到成像面依次包括：第一透镜，光阑，第二透镜，第三透镜，第四透镜，滤光片；第一透镜具有正光焦度，其物侧面在近光轴处为凸面，其像侧面为凹面或凸面；第二透镜具有正光焦度，其物侧面为凹面，其像侧面为凸面；第三透镜具有负光焦度，其物侧面在近光轴处为凸面，其像侧面在近光轴处为凹面，且其像侧面至少有一个反曲点；第四透镜具有正光焦度，其物侧面在近光轴处为凸面，其像侧面在近光轴处为凹面，且其像侧面至少有一个反曲点；其中，四个透镜均为塑胶非球面镜片。本发明提供的光学镜头具有广视角、大光圈，小畸变及高品质成像的特点，更适用于DToF技术的使用需求。

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，特别是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，开启了深度信息的新未来，并在智能终端上受到广泛关注和应用。ToF技术根据测距原理可分为DToF技术和IToF技术，DToF技术（direct Time-of-Flight）为直接测量飞行时间，DToF技术相对于IToF技术具备精度更高、测距时间更短、抗干扰能力强的优点，标定也相对简单。

随着DToF技术在智能终端设备上的应用，DToF镜头在人脸识别、立体成像、体感交互等方面的应用在不断加深，与此同时，对DToF镜头的性能要求也在不断提高。一方面，随着电子产品的超高清以及轻薄短小化的发展趋势，要求配置在电子产品上的DToF镜头具有高解像力、小体积的特点；另一方面，由于DToF技术最标志性的功能是测量景深等数据信息，因此要求DToF镜头具有广视角、大光圈、红外成像等特性以满足距离信息的精准测量。然而，现有的应用于智能终端设备上的光学镜头还无法同时满足这些要求。

发明内容

为此，本发明的目的在于提出一种光学镜头及成像设备，用于解决上述问题。

本发明实施例通过以下技术方案实施上述的目的。

第一方面，本发明提供了一种光学镜头，从物侧到成像面依次包括：具有正光焦度的第一透镜，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或凸面；光阑；具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凹面，所述第二透镜的像侧面为凸面；具有负光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面在近光轴处为凸面，所述第三透镜的像侧面在近光轴处为凹面且具有至少一个反曲点；具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面在近光轴处为凸面，所述第四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。所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜均为塑胶非球面镜片。所述光学镜头满足以下条件式：2.2<TTL/EPD<2.3；其中，TTL表示所述光学镜头的光学总长，EPD表示所述光学镜头的入瞳直径。

第二方面，本发明提供一种成像设备，包括成像元件及第一方面提供的光学镜头，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，还具有广视角、大光圈、红外成像品质高等特点，能够更好的满足采用DToF技术的成像设备的成像需求。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

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场曲曲线图；

图3为本发明第一实施例中的光学镜头的光学畸变曲线图；

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；

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场曲曲线图；

图7为本发明第二实施例中的光学镜头的光学畸变曲线图；

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场曲曲线图；

图11为本发明第三实施例中的光学镜头的光学畸变曲线图；

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成像设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。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。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供一种光学镜头，由四片具有光焦度的透镜组成，从物侧到成像面依次包括：第一透镜，光阑，第二透镜，第三透镜，第四透镜，滤光片。

第一透镜具有正光焦度，第一透镜的物侧面为凸面，第一透镜的像侧面为凹面或凸面；

第二透镜具有正光焦度，第二透镜的物侧面为凹面，第二透镜的像侧面为凸面；

第三透镜具有负光焦度，第三透镜的物侧面为凸面，第三透镜的像侧面在近光轴处为凹面，且第三透镜的像侧面至少有一个反曲点；

第四透镜具有正光焦度，第四透镜的物侧面在近光轴处为凸面，第四透镜的像侧面在近光轴处为凹面，且第四透镜的像侧面至少有一个反曲点；

其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜均为塑胶非球面镜片。

所述光学镜头满足以下条件式：

2.2<TTL/EPD<2.3；（1）

其中，TTL表示光学镜头的光学总长，EPD表示光学镜头的入瞳直径。满足条件式（1），保证光学镜头具有较大的光圈，同时通过合理控制光学镜头的通光量和光学总长，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：

0.3<DM1/f<0.4；（2）

其中，DM1表示第一透镜的有效直径，f表示光学镜头的焦距。满足条件式（2），能够保证增大物侧方的视场角的同时，实现光学镜头头部尺寸做小和大光圈，实现镜头的头部小型化，进而有利于减小屏幕的开窗面积，提高便携式电子产品的屏占比。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

2<f/f1+f/f2+f/f4<2.1；（3）

f1>f2>0；（4）

其中，f表示光学镜头的焦距，f1表示第一透镜的焦距，f2表示第二透镜的焦距，f4表示第四透镜的焦距。满足条件式（3）和（4），能够合理的分配各透镜的光焦度占比，有利于校正球差和降低高级像差的校正难度，使光学镜头具有高质量的解像力。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

0.5<R1/f<0.9；（5）

其中，f表示光学镜头的焦距，R1表示第一透镜的物侧面的曲率半径。满足条件式（5），能够保证中心视场的高解像力，同时有利于降低校正光学镜头轴外视场的像差难度。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

0.2< SAG1 /CT1<0.6；（6）

其中，SAG1表示第一透镜的物侧面的边缘矢高，CT1表示第一透镜的中心厚度。满足条件式（6），能够合理控制第一透镜的面型，降低第一透镜的加工难度，有利于降低光学镜头的敏感度。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

-0.1<R1/R2<0.3；（7）

1<R3/R4<1.4；（8）

0.5<R7/R8<0.9；（9）

其中，R1表示第一透镜的物侧面的曲率半径，R2表示第一透镜的像侧面的曲率半径，R3表示第二透镜的物侧面的曲率半径，R4表示第二透镜的像侧面的曲率半径，R7表示第四透镜的物侧面的曲率半径，R8表示第四透镜的像侧面的曲率半径。满足条件式（7）至（9），通过合理控制第一透镜、第二透镜及第四透镜的面型，可有效控制透镜的屈折力，减缓光线转折的走势，降低像差校正难度，进而提升光学镜头的相对照度和解像能力。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

1<R5/R6<3；（10）

-1.1<f/f3<-0.8；（11）

其中，R5表示第三透镜的物侧面的曲率半径，R6表示第三透镜的像侧面的曲率半径，f表示光学镜头的焦距，f3表示第三透镜的焦距。满足条件式（10）和（11），能够使第三透镜具有合理的负光焦度，从而更好的收缩光线，有利于减小光学镜头的体积，同时，有利于场曲和畸变的校正。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

0.6<DM4/f<0.8；（12）

其中，DM4表示第四透镜的有效直径，f表示光学镜头的焦距。满足条件式（12），能够合理控制第四透镜的口径与有效焦距的平衡度，促进镜头的小型化，同时有利于相对照度的提高。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

0.4<∑CT/TTL<0.5；（13）

其中，∑CT表示第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜在光轴上的中心厚度之和，TTL表示光学镜头的光学总长。满足条件式（13），能够合理控制各透镜的中心厚度，实现镜头总长的缩短，同时，能够降低轴外视场像差的校正难度，使各透镜具有较好的可加工性，有利于降低光学镜头的敏感度。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

1.5<(Nd1+Nd2)/2<1.55；（14）

1.6<(Nd3+Nd4)/2<1.66；（15）

1.9 <V1/V2+V3/V4<2.1；（16）

其中，Nd1表示第一透镜的折射率，Nd2表示第二透镜的折射率，Nd3表示第三透镜的折射率，Nd4表示第四透镜的折射率，V1表示第一透镜的阿贝数，V2表示第二透镜的阿贝数，V3表示第三透镜的阿贝数，V4表示第四透镜的阿贝数。满足条件式（14）至（16），有利于降低畸变和像差校正的难度，并且通过四片塑胶材质透镜的合理搭配，使镜头满足高品质解像。

下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在各个实施例中，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。下述实施例仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不仅仅受下述实施例的限制，其他的任何未背离本发明创新点所作的改变、替代、组合或简化，都应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

在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，距离非球面顶点的距离矢高，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。

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以及红外滤光片G1。

第一透镜L1具有正光焦度，第一透镜L1的物侧面S1为凸面、第一透镜L1的像侧面S2为凸面；

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

第三透镜L3具有负光焦度，第三透镜L3的物侧面S5为凸面、第三透镜L3的像侧面S6在近光轴处为凹面，且第三透镜L3的像侧面S6至少有一个反曲点。

第四透镜L4具有正光焦度，第四透镜L4的物侧面S7在近光轴处为凸面，且第四透镜L4的物侧面S7至少有一个反曲点，第四透镜L4的像侧面S8在近光轴处为凹面，且第四透镜L4的像侧面S8至少有一个反曲点。

第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4均为塑胶非球面透镜。

红外滤光片G1可以有效的过滤掉红外以外的其它光线，能够使该光学镜头在红外波段具有更高的解像力。

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，在本实施例中，光学镜头100的第三透镜的像侧面S6上的反曲点至光轴的垂直距离为1.815mm，该反曲点相对第三透镜的像侧面中心的矢高为0.534mm；光学镜头100的第四透镜的物侧面S7上的反曲点至光轴的垂直距离为1.67mm，该反曲点相对第四透镜的物侧面中心的矢高为0.367mm，光学镜头100的第四透镜的像侧面S8上的反曲点至光轴的垂直距离为1.605mm，该反曲点相对第四透镜的像侧面中心的矢高为0.295mm。

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

光学镜头100的场曲、畸变和相对照度的曲线图分别如图2、图3和图4所示。

图2的场曲曲线表示子午像面和弧矢像面的弯曲程度，图中横轴表示偏移量（单位：mm），纵轴表示视场角（单位：度）；由图2可以看出，子午像面和弧矢像面的场曲均在±0.1mm以内，说明光学镜头100的场曲得到良好的校正。

图3所示表示成像面上不同像高所对应的畸变量，图中横轴为F-Tanθ畸变量，纵轴为视场角（单位：度）；由图3可以看出，本实施例的畸变在±1%以内，说明光学镜头100的畸变得到良好地校正。

图4所示表示成像面上不同像高所对应的相对照度，图中横轴为视场角（单位：度），纵轴为相对照度值；由图4可以看出，该镜头在最大视场处的相对照度达到50%以上，周边视场相对照度也较高，说明光学镜头100的相对照度得到良好的提升。

第二实施例

请参阅图5，所示为本发明第二实施例提供的光学镜头200的结构示意图，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的材料与光学镜头100的不同，以及各透镜的曲率半径不同。

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，在本实施例中，光学镜头200的第三透镜的像侧面S6上的反曲点至光轴的垂直距离为1.865mm，该反曲点相对第三透镜的像侧面中心的矢高为0.566mm；第四透镜的物侧面S7上的反曲点至光轴的垂直距离为1.595mm，该反曲点相对第四透镜的物侧面中心的矢高为0.251mm，第四透镜的像侧面S8上的反曲点至光轴的垂直距离为1.465mm，该反曲点相对第四透镜的像侧面中心的矢高为0.171mm。

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

光学镜头200的场曲、畸变和相对照度的曲线图分别如图6、图7和图8所示。由图6可以看出，子午像面和弧矢像面的场曲均在±0.1mm以内，说明光学镜头200的场曲得到良好的校正。由图7可以看出，本实施例的畸变在±1%以内，说明光学镜头200的畸变得到良好地校正。由图8可以看出，镜头在最大视场处的相对照度达到50%以上，周边视场相对照度也较高，说明光学镜头200的相对照度得到良好的提升。

第三实施例

请参阅图9，所示为本发明第三实施例提供的光学镜头300的结构示意图，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的第一透镜的像侧面S2为凹面，且各透镜的材料与光学镜头100的不同，以及各透镜的曲率半径不同。

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，在本实施例中，光学镜头300的第三透镜的像侧面S6上的反曲点至光轴的垂直距离为1.695mm，该反曲点相对第三透镜的像侧面中心的矢高为0.381mm；第四透镜的像侧面S8上的反曲点至光轴的垂直距离为1.655mm，该反曲点相对第四透镜的像侧面中心的矢高为0.167mm。

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

光学镜头300的场曲、畸变和相对照度的曲线图分别如图10、图11和图12所示。由图10可以看出，子午像面和弧矢像面的场曲均在±0.3mm以内，说明光学镜头300的场曲得到良好的校正。由图11可以看出，本实施例的畸变在±0.5%以内，说明光学镜头300的畸变得到良好地校正。由图12可以看出，镜头在最大视场处的相对照度达到50%以上，周边视场相对照度也较高，说明光学镜头300的相对照度得到良好的提升。

表7是上述三个实施例对应的光学特性，主要包括焦距f、光圈数F#、光学总长TTL及视场角FOV，以及与上述每个条件式对应的数值。

表7

综上所述，本发明实施例提供的光学镜头具有以下优点：

(1) 本发明提供的光学镜头采用四片具有特定屈折力的塑胶非球面镜片，第一透镜和第二透镜均采用低折射率的塑胶材料，降低生产成本，并且采用特定的表面形状及其搭配，在满足大视场角的同时结构更紧凑，体积更小型化，较好的实现了广视角和镜头小型化的均衡。

(2) 本发明提供的光学镜头满足高品质解像能力的同时，具有广视角、大光圈（光圈可达1.5）、总长短、畸变小、红外成像品质高等优点，不但能够更好的满足DToF镜头的要求，还能满足智能终端设备的轻薄短小化以及高屏占比的需求。

第四实施例

请参阅图13，本发明第四实施例还提供了一种成像设备400，该成像设备400包括成像元件410和上述任一实施例中的光学镜头（例如光学镜头100）。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可以是智能手机、Pad以及其它任意一种形态的装载了光学镜头100的便携式电子设备。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述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，沿光轴从物侧到成像面依次包括：第一透镜，光阑，第二透镜，第三透镜，第四透镜，滤光片；

所述第一透镜具有正光焦度，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或凸面；

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

所述第三透镜具有负光焦度，所述第三透镜的物侧面为凸面，所述第三透镜的像侧面在近光轴处为凹面，且所述第三透镜的像侧面至少有一个反曲点；

所述第四透镜具有正光焦度，所述第四透镜的物侧面在近光轴处为凸面，所述第四透镜的像侧面在近光轴处为凹面，且所述第四透镜的像侧面至少有一个反曲点；

其中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜均为塑胶非球面镜片；

所述光学镜头满足以下条件式：2.2<TTL/EPD<2.3；

其中，TTL表示所述光学镜头的光学总长，EPD表示所述光学镜头的入瞳直径。

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：0.3<DM1/f<0.4；

其中，DM1表示所述第一透镜的有效直径，f表示所述光学镜头的焦距。

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：2<f/f1+f/f2+f/f4<2.1；f1>f2>0；

其中，f表示所述光学镜头的焦距，f1表示所述第一透镜的焦距，f2表示所述第二透镜的焦距，f4表示所述第四透镜的焦距。

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：0.5<R1/f<0.9；

其中，f表示所述光学镜头的焦距，R1表示所述第一透镜的物侧面的曲率半径。

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：0.2<SAG1/CT1<0.6；

其中，SAG1表示所述第一透镜的物侧面的边缘矢高，CT1表示所述第一透镜的中心厚度。

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：

-0.1<R1/R2<0.3；

1<R3/R4<1.4；0.5<R7/R8<0.9；

其中，R1表示所述第一透镜的物侧面的曲率半径，R2表示所述第一透镜的像侧面的曲率半径，R3表示所述第二透镜的物侧面的曲率半径，R4表示所述第二透镜的像侧面的曲率半径，R7表示所述第四透镜的物侧面的曲率半径，R8表示所述第四透镜的像侧面的曲率半径。

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：1<R5/R6<3；-1.1<f/f3<-0.8；

其中，R5表示所述第三透镜的物侧面的曲率半径，R6表示所述第三透镜的像侧面的曲率半径，f表示所述光学镜头的焦距，f3表示所述第三透镜的焦距。

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：0.6<DM4/f<0.8；

其中，DM4表示所述第四透镜的有效直径，f表示所述光学镜头的焦距。

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：0.4<∑CT/TTL<0.5；

其中，∑CT表示所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜在光轴上的中心厚度之和，TTL表示所述光学镜头的光学总长。

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：1.5<(Nd1+Nd2)/2<1.55；1.6<(Nd3+Nd4)/2<1.66；1.9<V1/V2+V3/V4<2.1；

其中，Nd1表示所述第一透镜的折射率，Nd2表示所述第二透镜的折射率，Nd3表示所述第三透镜的折射率，Nd4表示所述第四透镜的折射率，V1表示所述第一透镜的阿贝数，V2表示所述第二透镜的阿贝数，V3表示所述第三透镜的阿贝数，V4表示所述第四透镜的阿贝数。

11.一种成像设备，其特征在于，包括如权利要求1-10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。