CN113156620B - 一种超广角折衍射手机镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超广角折衍射手机镜头，包括透镜组；所述透镜组自物方至像方同轴依序包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；所述第一透镜为具有负光焦度的平凹透镜，所述第二透镜为具有正光焦度的平凸透镜，所述第三透镜为具有正光焦度的双凸透镜，所述第四透镜为具有负光焦度的弯月透镜，所述第五透镜为具有正光焦度的弯月透镜，所述第六透镜为具有负光焦度的电话听筒形透镜。本发明使得整个系统在减少透镜片数、简化结构的基础上，不仅优化了光学系统成像质量，还将光学系统中镜头长度控制在合理范围内。

Description

一种超广角折衍射手机镜头
技术领域
本发明涉及光学加工技术领域，具体涉及一种超广角折衍射手机镜头。
背景技术
随着光学的加工技术水平的不断提高，市场对手机镜头的性能要求也在不断提高，其中对视场范围的要求也不在局限于全视场角超60°的广角范围，而是扩展到全视场角超80°的超广角范围。但是由于目前手机镜头的微型化发展趋势，以及受现有技术与工艺水平限制的COMS尺寸，所以只有在镜头焦距很短情况下，才能够得到的超广角范围景象。这在需要考虑手机镜头材料、整体长度、成像质量等因素的情况下，对手机镜头结构提出了更高的要求。由于在给定COMS尺寸的情况下，视场范围设计目标与透镜焦距之间存在相互约束，所以现有手机镜头光学系统全视场角大都在65°-80°范围内，无法满足超广角拍摄要求。虽然以上问题可通过目前出现的外置广角镜头来进行改善，但外置广角镜头若要保证成像质量所需透镜数目多，制作成本高，同时其大质量也增加了与手机进行匹配的难度，不利于实现手机大视场范围的灵活成像目的。
发明内容
本发明提供一种超广角折衍射手机镜头，该手机镜头采用折衍射混合方式对超广角(全视场角90°)范围进行成像，整个结构中透镜表面分别运用到非球面和衍射面，其中为了利用衍射元件任意位相分布的性质，来校正光学系统像差，并为了避免在高次非球面上加工衍射面的难度，此系统采用在透镜平面上加入衍射面。这使得整个系统在减少透镜片数、简化结构的基础上，不仅优化了光学系统成像质量，还将光学系统中镜头长度控制在合理范围内。
为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
一种超广角折衍射手机镜头，包括透镜组；所述透镜组自物方至像方同轴依序包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；
所述第一透镜为具有负光焦度的平凹透镜，第一透镜靠近物方的一侧采用内凹偶次非球面，朝向像方的面为标准面；
所述第二透镜为具有正光焦度的平凸透镜，第二透镜靠近物方的一侧采用外凸偶次非球面，朝向像方的平面为衍射面；
所述第三透镜为具有正光焦度的双凸透镜，第三透镜为两面都是偶次非球面的双凸透镜；
所述第四透镜为具有负光焦度的弯月透镜，第四透镜为两面都是偶次非球面的弯月透镜，凸面朝向像方；
所述第五透镜为具有正光焦度的透镜，第五透镜物侧面为凸面，像侧面为凸面；
所述第六透镜具有正光焦度，其物侧面于近轴处为凹面，像侧面于近轴处为凹面，其物侧表面与像侧表面皆为偶次非球面，其像侧表面中具有至少一反曲点。
作为本发明的进一步改进，所述第一透镜、第三透镜、第五透镜和第六透镜的折射率均为1.54，阿贝常数均为55.6；第二透镜的折射率为1.64，阿贝常数为23.9；第四透镜的折射率为1.61，阿贝常数为26.9。
作为本发明的进一步改进，所述第一透镜外侧设置有防尘玻璃；第二透镜和第三透镜之间放置光阑，像方和所述第六透镜之间设有保护玻璃。
作为本发明的进一步改进，所述防尘玻璃和保护玻璃的折射率均为1.52，阿贝常数为64.2。
作为本发明的进一步改进，所述镜头的焦距值为3.5mm，全视场角为90°，光圈值为2.51，镜头长度为7.6mm。
作为本发明的进一步改进，所述第二透镜的衍射面以圆对称的衍射相位参数，即衍射面的孔径为R处的衍射光学表面的位相参数
Figure GDA0003465571160000021
为：
Figure GDA0003465571160000022
式中：M为衍射级数，N是衍射面多项式的阶数，Ai为衍射面多项式每一阶次系数，通过求解Ai系数之最佳化，使其满足透镜光学系统的功能与效率。
作为本发明的进一步改进，所述偶次非球面满足偶次非球面镜面公式：
Figure GDA0003465571160000031
式中：h表示透镜表面上各点的Y轴坐标值；c为透镜表面的曲率半径r的倒数；k为圆锥系数，a1、a2、a3、a4、a5、a6为高阶非球面系数；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量高度。
作为本发明的进一步改进，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的材料均为光学塑料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过采用了折衍射混合的方式，对整个系统光阑之前的前组透镜以逆伽利略系统串接的方式进行初始结构布局，促使光线在光阑以近似平行光入射，并且实现将物方半视场角45°范围以内的光线，经光阑之前的前组镜头转换后至光阑处后，其入射角小于38°。然后结合光阑之后的纯折射后组透镜，对系统中衍射光学表面位相参数、非球面系数等镜头结构参数进行优化，可以很好校正球面系统产生的像差，提高成像质量。本发明超广角折衍射手机镜头利用折衍射混合方式，使该镜头在全视场角达到超广角90°情况下，整体系统长度控制在7.6mm，同时获得较优的MTF、色差、畸变等参数。手机镜头所产生的图形畸变小于1％，满足手机镜头对图形畸变的要求。整个手机镜头除去两块玻璃平板元件外，其所运用的非平板透镜数量只有六个，光学塑料选用三种，其中相比于在高次非球面上加工衍射光学面，在平面上加工衍射光学面可以实现更高的精度、更高的衍射效率以及更高的成品率，大大降低了手机镜头的成本，适合大规模生产。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：
图1为本发明的超广角折衍射手机镜头的光学结构图；
图2为本发明的超广角折衍射手机镜头的光路图；
图3为本发明的超广角折衍射手机镜头的点列图；
图4为本发明的超广角折衍射手机镜头的场曲图；
图5为本发明的超广角折衍射手机镜头的畸变图；
图6为本发明的超广角折衍射手机镜头视场角0°处的MTF曲线图；
图7为本发明的超广角折衍射手机镜头视场角12.86°处的MTF曲线图；
图8为本发明的超广角折衍射手机镜头视场角25.71°处的MTF曲线图；
图9为本发明的超广角折衍射手机镜头视场角32.14°处的MTF曲线图；
图10为本发明的超广角折衍射手机镜头视场角45°处的MTF曲线图；
图11为本发明的超广角折衍射手机镜头的垂轴色差曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
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“和/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。
如图1所示，本发明超广角折衍射手机镜头的透镜组自物方至像方同轴依序包括防尘玻璃1；第一透镜2为具有负光焦度的平凹透镜；第二透镜3为具有正光焦度的平凸透镜；第三透镜5为具有正光焦度的双凸透镜；第四透镜6为具有负光焦度的弯月透镜；第五透镜7为具有正光焦度的透镜；第六透镜8为具有负光焦度的电话听筒形透镜；光阑4放置在第二透镜3和第三透镜5之间，像方10和第六透镜8之间设有保护玻璃9。
进一步的，第一透镜2靠近物方的一侧采用内凹偶次非球面，朝向像方的面为标准面；第二透镜3靠近物方的一侧采用外凸偶次非球面，朝向像方的平面为衍射面；第三透镜5两面都是偶次非球面的双凸透镜；第四透镜6为两面都是偶次非球面的弯月透镜，凸面朝向像方；第五透镜7为两面都是偶次非球面的透镜，第五透镜物侧面为凸面，像侧面为凸面；第六透镜8为两面都是偶次非球面的电话听筒形透镜。
作为优选实施例，所述第一透镜2、第三透镜3、第五透镜7和第六透镜8的折射率均为1.54，阿贝常数均为55.6；第二透镜的折射率为1.64，阿贝常数为23.9；第四透镜6的折射率为1.61，阿贝常数为26.9；防尘玻璃和保护玻璃的折射率均为1.52，阿贝常数为64.2。
所述镜头的焦距值为3.5mm，全视场角为90°，光圈值为2.51，镜头长度为7.6mm。
以下结合附图给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
如图1所示，是本发明超广角折衍射手机镜头的光学结构图，整体透镜组自物方至像方同轴依序设置防尘玻璃1；第一透镜2；第二透镜3；光阑4；第三透镜5；第四透镜6；第五透镜7；第六透镜8；保护玻璃9；入射光束依次经过以上元件在像方10汇聚成像。
其中第一透镜2为具有负光焦度的平凹透镜，靠近物方的一侧采用内凹偶次非球面，朝向像方的面为标准面；第二透镜3为具有正光焦度的平凸透镜，靠近物方的一侧采用外凸偶次非球面，朝向像方的平面为衍射光学表面；第三透镜5为具有正光焦度的双凸透镜，两面都是偶次非球面；第四透镜6为具有负光焦度的弯月透镜，两面都是偶次非球面，凸面朝向像方；第五透镜7为具有正光焦度的透镜，第五透镜7物侧面为凸面，像侧面为凸面；第六透镜8为具有负光焦度的电话听筒形透镜，两面都是偶次非球面；光阑4放置在第二透镜和第三透镜之间；像方10和电话听筒形透镜8之间设有保护玻璃9。
如图2所示，是图1超广角折衍射手机镜头中入射光线经过各透镜的光路图，其中以防尘和保护玻璃采用材料BK7，其余第一至第六透镜的材料均为光学塑料。防尘玻璃用于隔除外界与系统镜头，防止碎屑，灰尘等异物进入成像路径而影响所述透镜组件的成像效果。在整体系统中光阑前组的透镜为以逆伽利略系统的方式与光阑后组进行串接，目的在于在仅靠两个透镜的作用，将物方半视场角45°范围以内光线，在光阑处压缩至38°范围以内，有效控制光阑后组透镜像差的产生空间，并且为系统提供更多的优化可能性。在第一透镜和第二透镜的靠近物方的表面，以及第三透镜5、第四透镜6、第五透镜7和第六透镜8的两个表面上采用偶次非球面，可以通过设置非球面系数来有效控制像差。同时为避免在高次非球面表面上加工衍射光学面难度，提高衍射效率以及成品率，在第二透镜靠近像方一侧的平面上，进行衍射光学表面相位参数的设置，目的在于利用衍射光学表面特殊的色散特性，校正整体手机镜头的色差。本发明超广角折衍射手机镜头利用折衍射混合方式，除去在首尾放置两块平行平板元件外，其它所运用透镜数量只有六片，光学塑料材料选择三种，通过合理的结构布局选择，对非球面和衍射面的设置进行优化设计，在获得较优的MTF、色差、畸变等参数的同时，不仅使光学整体系统长度控制在7.6mm，而且该镜头在全视场角达到90°，满足的超广角条件。
本发明折衍射手机镜头的焦距为3.5mm，全视场角为90°，F数为2.51，光学镜头总长为7.6mm。表1的相关参数是本发明的折衍射手机镜头从物方到像方的所有的透镜的每个面的表面面型类型、曲率半径、厚度、折射率以及阿贝常数等相关参数。
表1
序号 表面类型 曲率半径(mm) 厚度(mm) 折射率N<sub>d</sub> 阿贝数V<sub>d</sub>
1 平面 无限 0.2 1.52 64.2
2 平面 无限 0.327
3 偶次非球面 -3.207 0.506 1.54 55.6
4 平面 无限 0.298
5 偶次非球面 4.94 0.879 1.64 23.9
6 衍射面 无限 0.154
Stop 无限 -0.065
8 偶次非球面 2.214 1.64 1.54 55.6
9 偶次非球面 -3.052 0.15
10 偶次非球面 -1.733 0.247 1.61 26.9
11 偶次非球面 -5.564 0.651
12 偶次非球面 81.176 1.084 1.54 55.6
13 偶次非球面 -2.192 0.862
14 偶次非球面 -1.921 0.2 1.54 55.6
15 偶次非球面 8.895 0.12
16 平面 无限 0.2 1.52 64.2
17 平面 无限 0.15
IMA 平面 无限
表1中，面序号1和2对应防尘玻璃，面序号3和4对应第一透镜，面序号5和6对应第二透镜，STOP对应光阑，面序号8和9对应第三透镜，面序号10和11对应第四透镜6，面序号12和13对应第五透镜，面序号14和15对应第六透镜，面序号16和17对应保护玻璃，像方即像方10。同时，本发明所采用的偶次非球面满足偶次非球面镜面公式：
Figure GDA0003465571160000071
上式中：h表示透镜表面上各点的Y轴坐标值；c为透镜表面的曲率半径r的倒数；k为圆锥系数，a1、a2、a3、a4、a5、a6为高阶非球面系数，当非球面所采用的系数越多，非球面也变得越复杂，增加了系统加工难度；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量高度。
表2表示各镜面的非球面系数表
序号 圆锥系数 a<sub>1</sub> a<sub>2</sub> a<sub>3</sub> a<sub>4</sub> a<sub>5</sub> a<sub>6</sub> a<sub>7</sub>
1 0 0 0 0 0 0 0 0
2 0 0 0 0 0 0 0 0
3 -5.55 5.235E-03 -8.346E-04 -2.932E-04 1.172E-04 -1.053E-05 1.574E-07 -4.216E-08
4 0 0 0 0 0 0 0 0
5 -13.791 -2.614E-03 -2.865E-03 2.162E-03 1.028E-04 -3.665E-04 -2.121E-05 2.377E-06
6 0 0 0 0 0 0 0 0
Stop 0 0 0 0 0 0 0 0
8 3.058 -0.036 2.080E-03 -0.046 -0.011 0.039 0.026 -0.058
9 1.738 -0.019 -0.013 -6.698E-03 2.557E-03 -7.448E-05 -4.147E-03 1.732E-03
10 -0.025 2.228E-04 -7.927E-03 -3.062E-03 -1.501E-03 -9.123E-04 -6.651E-04 7.674E-04
11 -0.281 5.637E-04 2.007E-03 1.097E-04 -8.842E-04 -4.554E-04 3.996E-04 5.972E-05
12 36.557 -0.036 -8.712E-03 -2.389E-03 1.181E-03 -4.557E-04 -8.743E-04 -1.357E-04
13 -0.911 7.42E-03 -4.404E-04 -8.333E-04 -1.806E-04 1.885E-04 -2.057E-06 -1.615E-04
14 -1.238 3.683E-03 -7.098E-05 -3.826E-05 -1.475E-05 -1.718E-06 3.609E-07 1.57E-07
15 -27.987 -7.183E-03 -4.76E-04 -4.889E-05 -1.726E-06 5.854E-07 3.903E-08 -1.225E-08
16 0 0 0 0 0 0 0 0
17 0 0 0 0 0 0 0 0
IMA 0 0 0 0 0 0 0 0
第二透镜中衍射光学表面的位相参数由以下公式决定：
Figure GDA0003465571160000081
为式中：M为衍射级数，N是衍射面多项式的阶数，Ai为衍射面多项式每一阶次系数，通过求解Ai系数之最佳化，使其满足透镜光学系统的功能与效率。
作为优选，1阶衍射所述位相参数为-101.2。
表3为第二透镜中衍射光学表面数据：
第一平行平板 M N A<sub>1</sub> A<sub>2</sub> R φ
衍射光学表面 1 2 -154.592 57.33 1.256 -101.2
图3是本实施例的点列图，从图中可以看出光斑在中心位置表现比较集中，随视场增大边沿离散程度增大。
图4是本实施例的场曲图，S代表弧矢场曲，T代表子午场曲，二者之差即整体系统的像散，从图中曲线来看，系统的场曲和像散在35°视场范围内校正在0.04mm以内，最大场曲被矫正到0.2mm以内。
图5是本实施例的畸变图，全视场镜头的最大畸变量的绝对值小于1％，满足手机镜头对图形畸变的要求。
图6-图10是本实施例用于综合反映系统的成像质量的MTF曲线图，图中纵坐标表示光学调制函数系数，横坐标为空间频率(单位表示线对数/mm)，此四幅图分别对应视场范围由小变大的视场角0°、12.86°、25.71°、45°，从图中可以看出视场角MTF的各视场曲线其曲线形状平滑，在视场角较小的情况下MTF值相对X轴的高度较高，在视场边缘略有下降，整体系统的成像质量较好。
图11是本实施例的垂轴色差曲线图，由于本实施方式中的手机镜头的像素可达1300万，手机镜头像素尺寸为1.12um，所以从此垂轴色差曲线图可看出本镜头红蓝两波长色光之间的色差控制在2.24μm以内，满足镜头色差在2个像素尺寸以内的行业要求。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (8)

1.一种超广角折衍射手机镜头，其特征在于，包括透镜组；所述透镜组自物方至像方同轴依序由第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜组成；
所述第一透镜为具有负光焦度的平凹透镜，第一透镜靠近物方的一侧采用内凹偶次非球面，朝向像方的面为标准面；
所述第二透镜为具有正光焦度的平凸透镜，第二透镜靠近物方的一侧采用外凸偶次非球面，朝向像方的平面为衍射面；
所述第三透镜为具有正光焦度的双凸透镜，第三透镜两面都是偶次非球面的双凸透镜；
所述第四透镜为具有负光焦度的弯月透镜，第四透镜为两面都是偶次非球面的弯月透镜，凸面朝向像方；
所述第五透镜为具有正光焦度的透镜，第五透镜物侧面为凸面，像侧面为凸面；
所述第六透镜具有正光焦度，其物侧面于近轴处为凹面，像侧面于近轴处为凹面，其物侧表面与像侧表面皆为偶次非球面，其像侧表面中具有至少一反曲点。
2.如权利要求1所述的超广角折衍射手机镜头，其特征在于，
所述第一透镜、第三透镜、第五透镜和第六透镜的折射率均为1.54，阿贝常数均为55.6；第二透镜的折射率为1.64，阿贝常数为23.9；第四透镜的折射率为1.61，阿贝常数为26.9。
3.如权利要求1所述的超广角折衍射手机镜头，其特征在于，
所述第一透镜外侧设置有防尘玻璃；第二透镜和第三透镜之间放置光阑，像方和所述第六透镜之间设有保护玻璃。
4.如权利要求3所述的超广角折衍射手机镜头，其特征在于，
所述防尘玻璃和保护玻璃的折射率均为1.52，阿贝常数为64.2。
5.如权利要求1所述的超广角折衍射手机镜头，其特征在于，
所述镜头的焦距值为3.5mm，全视场角为90°，光圈值为2.51，镜头长度为7.6mm。
6.如权利要求1所述的超广角折衍射手机镜头，其特征在于，
所述第二透镜的衍射面以圆对称的衍射相位参数，即衍射面的孔径为R处的衍射光学表面的位相参数
Figure FDA0003465571150000021
为：
Figure FDA0003465571150000022
式中：M为衍射级数，N是衍射面多项式的阶数，Ai为衍射面多项式每一阶次系数，通过求解Ai系数之最佳化，使其满足透镜光学系统的功能与效率。
7.如权利要求1所述的超广角折衍射手机镜头，其特征在于，
所述偶次非球面满足偶次非球面镜面公式：
Figure FDA0003465571150000023
式中：h表示透镜表面上各点的Y轴坐标值；c为透镜表面的曲率半径r的倒数；k为圆锥系数，a1、a2、a3、a4、a5、a6为高阶非球面系数；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量高度。
8.如权利要求1所述的超广角折衍射手机镜头，其特征在于，
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的材料均为光学塑料。
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