CN115079385A

CN115079385A - 光学镜头及成像设备

Info

Publication number: CN115079385A
Application number: CN202211002914.2A
Authority: CN
Inventors: 匡博洋; 章彬炜; 曾昊杰
Original assignee: Jiangxi Lianyi Optics Co Ltd
Current assignee: Jiangxi Lianyi Optics Co Ltd
Priority date: 2022-08-22
Filing date: 2022-08-22
Publication date: 2022-09-20
Anticipated expiration: 2042-08-22
Also published as: CN115079385B

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：具有正光焦度的第一透镜，其物侧面为凸面、像侧面为凹面；光阑；具有正光焦度的第二透镜，其物侧面在近光轴处为凹面、像侧面为凸面；具有负光焦度的第三透镜，其物侧面在近光轴处为凹面、像侧面在近光轴处为凸面；具有正光焦度的第四透镜，其物侧面在近光轴处为凸面且至少有一个反曲点，其像侧面在近光轴处为凹面且至少有一个反曲点。本发明通过将玻璃与塑胶材料混合搭配，合理利用各透镜的面型及光焦度达到良好的性能，使其结构紧凑，具有头部外径小、低敏感性和像素高等优点。

Description

光学镜头及成像设备

技术领域

本发明涉及光学镜头技术领域，特别是涉及一种光学镜头及成像设备。

背景技术

随着红外技术应用领域的快速拓展，用户对红外产品的成像效果和目标探测、识别自动化程度要求越来越高。红外探测器在机芯的驱动下实现光电信号转换，输出的原始信号必须经过一系列图像处理算法后才能得到可用的红外图像。不同的成像目标与背景，不同的环境条件都对成像算法提出了各种各样的要求。好的算法可以在探测器的基础上提升红外图像的清晰度，从而获得更优的性能指标。新型探测器种类的增多对自适应非均匀性校正算法提出更高要求。

在民用领域，红外热成像产品从工业检测、检验检疫、电力检测、安防监控等工业消费品领域，逐渐向无人机、物联网、汽车辅助驾驶、智能空调、住宅安防、户外夜视、防火监测、手机及人脸支付、突发公共卫生安全防控等个人消费品领域发展，其应用的范围会进一步扩大，且应用趋向于高端化，这就对红外镜头提出了更高的要求。

现有技术的红外镜头多采用玻璃透镜和塑料透镜的玻塑混合镜头，玻塑混合镜头一般采用玻璃镜片替代镜头中的一部分塑胶镜片，目前比较主流的做法是3片塑胶透镜搭配1片玻璃透镜。玻塑混合镜头与全塑料镜头相比有更高的透光率和更稳定的化学性能，能够改善在不同温度下的成像效果，是未来镜头的发展趋势。而如何设计出结构紧凑，头部外径小、低敏感性和像素高的玻塑混合镜头是当前急需解决的问题。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种光学镜头及成像设备，具有结构紧凑、头部外径小、低敏感性和像素高的优点。

第一方面，本发明提供了一种光学镜头，该光学镜头沿光轴从物侧到成像面依次包括：具有正光焦度的第一透镜，其物侧面为凸面，其像侧面为凹面；光阑；具有正光焦度的第二透镜，其物侧面在近光轴处为凹面，其像侧面为凸面；具有负光焦度的第三透镜，其物侧面在近光轴处为凹面，其像侧面在近光轴处为凸面；具有正光焦度的第四透镜，其物侧面在近光轴处为凸面且至少有一个反曲点，其像侧面在近光轴处为凹面且至少有一个反曲点；其中，第一透镜、第三透镜、第四透镜均为塑胶非球面镜片，第二透镜为玻璃非球面镜片。所述光学镜头满足以下条件式：1.85<DM4/DM1<2.0；其中，DM1表示所述第一透镜的有效口径，DM4表示所述第四透镜的有效口径。

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，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。

本发明提供的光学镜头及成像设备，采用1片玻璃镜片和3片塑胶镜片组成，通过特定的表面形状搭配和合理的光焦度分配，使得光学镜头结构紧凑；同时通过合理地选取第二透镜的玻璃材料来矫正像差，使镜头结构紧凑的同时，可满足头部外径小、低敏感性和像素高等优点。

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的光学镜头的结构示意图；

图2为本发明第一实施例的光学镜头的f-tanθ畸变曲线图；

图3为本发明第一实施例的光学镜头的近轴场曲曲线图；

图4为本发明第一实施例的光学镜头的垂轴色差曲线图；

图5为本发明第二实施例的光学镜头的结构示意图；

图6为本发明第二实施例的光学镜头的f-tanθ畸变曲线图；

图7为本发明第二实施例的光学镜头的近轴场曲曲线图；

图8为本发明第二实施例的光学镜头的垂轴色差曲线图；

图9为本发明第三实施例的光学镜头的结构示意图；

图10为本发明第三实施例的光学镜头的f-tanθ畸变曲线图；

图11为本发明第三实施例的光学镜头的近轴场曲曲线图；

图12为本发明第三实施例的光学镜头的垂轴色差曲线图。

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。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。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。

本发明提供一种光学镜头，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、第四透镜以及滤光片。

其中，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；

第二透镜具有正光焦度，第二透镜的物侧面在近光轴处为凹面，第二透镜的像侧面为凸面；

第三透镜具有负光焦度，第三透镜的物侧面在近光轴处为凹面，第三透镜的像侧面在近光轴处为凸面；

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且至少有一个反曲点，第四透镜的像侧面在近光轴处为凹面且至少有一个反曲点。

在一些实施方式中，上述光学镜头满足以下条件式：

1.85<DM4/DM1<2.0；（1）

其中，DM1表示所述第一透镜的有效口径，DM4表示所述第四透镜的有效口径。满足上述条件式（1）时，通过合理设置DM4/DM1的值，可使第四透镜的有效口径远大于第一透镜的有效口径，从而减小光学镜头的视角深度，有利于实现镜头的头部外径尺寸做小，进而减小屏幕上的开窗尺寸，提高屏占比。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

1.85<f/EPD<1.9；（2）

其中，f表示所述光学镜头的有效焦距，EPD表示所述光学镜头的入瞳直径。满足上述条件式（2）时，通过合理控制光学镜头有效焦距与入瞳直径的比值，可使光学镜头具有大光圈的特性，特别是当光学镜头在黑暗环境中成像时，可降低光线太弱带来的噪点影响，从而提高成像质量，使得该光学镜头能够满足在不同光通量情况下的成像需求。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

0.65<(1/f2-1/f1)/(1/f)<0.9；（3）

其中，f1表示所述第一透镜的有效焦距，f2表示所述第二透镜的有效焦距，f表示所述光学镜头的有效焦距。满足上述条件式（3）时，可将第二透镜的偏心敏感度分摊给第一透镜，同时可使第一透镜面型较为平缓且口径相对较小，大大降低了生产加工难度，且在满足高质量成像的前提下还能提高镜头的制造良率。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

-24.0＜（R21+R22）/ f2＜-3.0；（4）

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，f2表示所述第二透镜的有效焦距。满足上述条件式（4）时，可合理控制第二透镜的面型，有助于降低系统敏感度，通过降低成型难度来提升制造良率，同时也可以降低镜头产生的杂散光，提升镜头成像质量。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

-0.05<SAG21/CT2<-0.03；（5）

其中，SAG21表示所述第二透镜的物侧面的边缘矢高，CT2表示所述第二透镜的中心厚度。满足上述条件式（5）时，可适当调整第二透镜的矢高与厚度的比值，有利于镜片制作与成型，提升制造良率，缩短光学镜头的总长度。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

0.15<CT3/DM3 <0.25；（6）

0.7<DM2/DM3<0.8；（7）

其中，CT3表示所述第三透镜的中心厚度，DM2表示所述第二透镜的有效口径，DM3表示第三透镜的有效口径。满足上述条件式（6）和（7），通过合理控制第二透镜的有效口径与第三透镜的有效口径的比值，并通过控制第三透镜的中心厚度与其有效口径的比值来控制第三透镜的弯曲形状，能够有效减缓光线的转折趋势，有效校正轴外视场的像差和畸变，保证镜头高品质成像。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

1.1<SAG32/SAG31<1.2；（8）

其中，SAG31表示所述第三透镜的物侧面的边缘矢高，SAG32表示所述第三透镜的像侧面的边缘矢高。满足上述条件式（8）时，通过合理控制第三透镜的形状，使其承担合适的负光焦度，有利于更好地矫正系统的像差，提高光学镜头成像质量。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

-0.75<(R31+R32)/f<-0.6；（9）

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，f表示所述光学镜头的有效焦距。满足上述条件式（9）时，可合理控制第三透镜在近光轴处的面型，有助于降低系统敏感度，提升制作良率，同时可对第三透镜前后的透镜（第二透镜和第四透镜）进行像差补正，提升镜头成像质量。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

-0.15<(R41-R42)/(R41+R42)<0；（10）

其中，R41表示所述第四透镜的物侧面的曲率半径，R42表示所述第四透镜的像侧面的曲率半径。满足上述条件式（10）时，通过合理控制第四透镜的物侧面及像侧面在近光轴处的面型，有利于减缓第四透镜的形状变化，减少该光学镜头杂散光的产生，实现镜头高品质成像，增加光学镜头制造良率。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

0.9<(YR41+YR42)/IH<1.05；（11）

其中，YR41表示所述第四透镜的物侧面上反曲点与光轴的垂直距离，YR42表示所述第四透镜的像侧面上反曲点与光轴的垂直距离，IH表示所述光学镜头的实际半像高。满足上述条件式（11）时，可合理控制第四透镜的物侧面和像侧面上所设置反曲点的位置，从而加强轴外视场的慧差矫正，并很好的收敛场曲、控制像差，提升光学镜头成像品质。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

1.8＜Nd2＜1.9；（12）

35＜Vd2＜42；（13）

其中，Nd2表示所述第二透镜的折射率，Vd2表示所述第二透镜的阿贝数。满足上述条件式（12）和（13）时，通过合理选择第二透镜玻璃镜片的材料，有利于在控制光学镜头总长的前提下有效矫正光学镜头的像差，降低色散，提升光学镜头的成像品质。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

0.8<ET4/CT4<0.85；（14）

其中，ET4表示所述第四透镜的边缘厚度，CT4表示所述第四透镜的中心厚度。满足上述条件式（14）时，一方面能协调光学镜头的光学总长，使镜头偏向小型化，另一方面能合理控制镜片的厚薄比，有利于第四透镜的成型，提高光学镜头组装良率。

在一些实施方式中，光学镜头满足以下条件式：

4.5 mm＜TTL＜5.0 mm；（15）

0.4＜f/TTL＜0.6；（16）

其中，f表示所述光学镜头的有效焦距，TTL表示所述光学镜头的光学总长。满足上述条件式（15）和（16），通过合理控制光学镜头的有效焦距和光学总长，可保证光学镜头成像质量的前提下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：

5.0＜f1/f＜13.0；（17）

0.8＜R11/R12＜1.0；（18）

其中，f1表示所述第一透镜的有效焦距，f表示所述光学镜头的有效焦距，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。满足上述条件式（17）和（18），通过合理控制第一透镜的面型，可有效控制光束的偏折角度，有效矫正光学镜头的像散和场曲，保证光学镜头的成像品质。

作为一种实施方式，所述第一透镜、第三透镜、第四透镜均为塑胶非球面镜片，所述第二透镜为玻璃非球面镜片。通过采用一片玻璃非球面镜片和三片塑胶非曲面镜片的玻塑混合搭配结构，使镜头结构紧凑的同时，可满足头部外径小、低敏感性和像素高等特点。其中，第一透镜、第三透镜和第四透镜采用塑胶非球面镜片，可以有效降低成本，修正像差；第二透镜采用玻璃非球面镜片，通过玻璃自身低色散的特点，可以有效矫正光学镜头的几何色差。

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，当光学镜头中的透镜为非球面透镜时，透镜的非球面面型均满足如下方程式：

其中，z表示在高度为h的位置时非球面距离非球面顶点在光轴方向的距离矢高，c为表面的近轴曲率，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中提供的光学镜头100的结构示意图，该光学镜头100沿光轴从物侧到成像面S11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为凹面；

第二透镜L2具有正光焦度，第二透镜L2的物侧面S3在近光轴处为凹面，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在近光轴处为凹面，第三透镜L3的像侧面S6在近光轴处为凸面；

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至少有一个反曲点。

上述透镜中，第一透镜L1、第三透镜L3和第四透镜L4均为塑胶非球面镜片，第二透镜L2为玻璃非球面镜片。

具体的，本实施例提供的光学镜头100的各透镜的设计参数如表1所示。

表1

本实施例中，光学镜头100中各个透镜的非球面参数如表2所示。

表2

图2、图3及图4所示分别为光学镜头100的f-tanθ畸变曲线图、近轴场曲曲线图、垂轴色差曲线图。从图2中可以看出光学畸变控制在2%以内，说明光学镜头100的畸变得到良好的矫正；从图3中可以看出场曲控制在±0.15mm以内，说明光学镜头100的场曲矫正较好；从图4中可以看出不同波长处的垂轴色差控制在±1微米以内，说明光学镜头100的垂轴色差得到良好的矫正；从图2、图3、图4可以看出光学镜头100的像差得到较好平衡，具有良好的光学成像质量。

第二实施例

如图5所示，为本实施例提供的光学镜头200的结构示意图，本实施例的光学镜头200与上述第一实施例大致相同，不同之处主要在于各透镜面型的曲率半径、非球面系数、厚度有所差异。

具体的，本实施例提供的光学镜头200的设计参数如表3所示。

表3

本实施例中，光学镜头200中各个透镜的非球面参数如表4所示。

表4

请参照图6、图7和图8，所示分别为光学镜头200的f-tanθ畸变曲线图、近轴场曲曲线、垂轴色差曲线图，从图6中可以看出光学畸变控制在2%以内，说明光学镜头200的畸变得到良好的矫正；从图7中可以看出场曲控制在±0.1mm以内，说明光学镜头200的场曲矫正较好；从图8中可以看出不同波长处的垂轴色差控制在±1微米以内，说明光学镜头200的垂轴色差得到良好的矫正；从图6、图7、图8可以看出光学镜头200的像差得到较好平衡，具有良好的光学成像质量。

第三实施例

如图9所示，为本实施例提供的光学镜头300的结构示意图，本实施例的光学镜头300与上述第一实施例大致相同，不同之处主要在于各透镜面型的曲率半径、非球面系数、厚度有所差异。

具体的，本实施例提供的光学镜头300的设计参数如表5所示。

表5

本实施例中，光学镜头300中各个透镜的非球面参数如表6所示。

表6

请参照图10、图11和图12，所示分别为光学镜头300的f-tanθ畸变曲线图、近轴场曲曲线、垂轴色差曲线图，从图10中可以看出光学畸变控制在1.5%以内，说明光学镜头300的畸变得到良好的矫正；从图11中可以看出近轴场曲控制在±0.15mm以内，说明光学镜头300的场曲矫正较好；从图12中可以看出不同波长处的垂轴色差控制在±1微米以内，说明光学镜头300的垂轴色差得到良好的矫正；从图10、图11、图12可以看出光学镜头300的像差得到较好平衡，具有良好的光学成像质量。

请参阅表7，所示为上述三个实施例中提供的光学镜头分别对应的光学特性，包括光学镜头的视场角2θ、光学总长TTL、实际半像高IH、有效焦距f、入瞳直径EPD，以及与前述的每个条件式对应的相关数值。

表7

本发明提供的光学镜头采用1片玻璃镜片+3片塑胶镜片的混合搭配，同时通过特定的表面形状搭配和合理的光焦度分配，可使光学镜头结构紧凑的同时，可实现头部外径小、低敏感性和像素高的均衡。

第四实施例

本发明第四实施例提供的一种成像设备，该成像设备可以包括成像元件和上述任一实施例中的光学镜头（例如光学镜头100）。成像元件可以是CMOS（Complementary MetalOxide Semiconductor，互补性金属氧化物半导体）图像传感器，还可以是CCD（ChargeCoupled Device，电荷耦合器件）图像传感器。

该成像设备可以是智能手机、平板电脑、监控设备以及其它任意一种形态的装载了上述光学镜头的电子设备。

本实施例提供的成像设备包括光学镜头100，由于光学镜头100具有结构紧凑、头部外径小、低敏感性和像素高的优点，具有光学镜头100的成像设备也具有结构紧凑、头部外径小、低敏感性和像素高的优点。

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：

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；

光阑；

具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面在近光轴处为凹面，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凹面，所述第三透镜的像侧面在近光轴处为凸面；

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且至少有一个反曲点，所述第四透镜的像侧面在近光轴处为凹面且至少有一个反曲点；

其中，所述光学镜头满足以下条件式：

1.85<DM4/DM1<2.0；

其中，DM1表示所述第一透镜的有效口径，DM4表示所述第四透镜的有效口径。

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：

1.85<f/EPD<1.9；

其中，f表示所述光学镜头的有效焦距，EPD表示所述光学镜头的入瞳直径。

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：

0.65<(1/f2-1/f1)/(1/f)<0.9；

其中，f1表示所述第一透镜的有效焦距，f2表示所述第二透镜的有效焦距，f表示所述光学镜头的有效焦距。

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：

-24.0＜（R21+R22）/ f2＜-3.0；

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，f2表示所述第二透镜的有效焦距。

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：

-0.05<SAG21/CT2<-0.03；

其中，SAG21表示所述第二透镜的物侧面的边缘矢高，CT2表示所述第二透镜的中心厚度。

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：

0.15<CT3/DM3 <0.25；

0.7<DM2/DM3<0.8；

其中，CT3表示所述第三透镜的中心厚度，DM2表示所述第二透镜的有效口径，DM3表示所述第三透镜的有效口径。

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：

-0.75<(R31+R32)/f<-0.6；

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，f表示所述光学镜头的有效焦距。

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：

-0.15<(R41-R42)/(R41+R42)<0；

其中，R41表示所述第四透镜的物侧面的曲率半径，R42表示所述第四透镜的像侧面的曲率半径。

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<(YR41+YR42)/IH<1.05；

其中，YR41表示所述第四透镜的物侧面上反曲点与光轴的垂直距离，YR42表示所述第四透镜的像侧面上反曲点与光轴的垂直距离，IH表示所述光学镜头的实际半像高。

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：

1.8＜Nd2＜1.9；

35＜Vd2＜42；

其中，Nd2表示所述第二透镜的折射率，Vd2表示所述第二透镜的阿贝数。

11.一种成像设备，其特征在于，包括成像元件以及如权利要求1-10任一项所述的光学镜头，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。