CN117406401B - 一种折超混合的手机外置镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的折超混合的手机外置镜头包含1片折射透镜与2片超透镜，沿光轴从物侧至像侧的方向依次包括：焦距为f1的折射透镜、焦距为f2的第一超透镜、焦距为f3的第二超透镜；三个透镜的焦距满足以下大小关系：f2＜f1＜0，f3＞0，f3/15＜||f1|‑|f2||＜f3/10，其中，所述第一超透镜和第二超透镜一面具有微纳结构，一面为平面，其中微纳结构可以为圆形柱状、椭圆形柱状、三角形柱状或长方体形柱状周期性结构。通过折射透镜与超透镜的组合使用，将超广角镜头的光学系统由五片以上削减到了三片透镜，在保证超广角摄像功能的同时，极大地降低了镜片的加工难度，且使镜头结构更紧凑，成本更低，使得外置镜头更为小型化，轻量化。

Description

一种折超混合的手机外置镜头
技术领域
本发明涉及光学成像领域，具体涉及一种折超混合的手机外置镜头。
背景技术
超透镜又称超构透镜。是一种二维平面透镜结构，是由超表面(即具有亚波长厚度的平面二维结构)聚焦光的光学元件制成。超透镜拥有体积更薄、重量更轻、成本更低、成像更好、更易集成的优点，为紧凑集成的光学系统提供了潜在的解决方案。并且可通过调整结构的形状、旋转方向、高度等参数实现对光的偏振、相位和振幅等属性进行调控。随着广角镜头的应用领域越来越广泛，其在摄影、安全监控、医学和车载等领域的需求不断上升，为了满足广视场角的要求，和小型化和轻量化需求，一般会增加透镜片数，但这样会使得占用空间增加；目前市面上大多的广角成像系统的透镜多为非球面透镜，只考虑了性能的要求，而忽略了成本高及制造难度大的问题，尤其在手机外置镜头这一领域，可允许的空间更小，而手机外置超广角镜头的镜片数一般在五片以上，所以成本高和制造难度大的问题更加严重，实现小型化和轻量化更加困难。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种折超混合的手机外置镜头，通过折射透镜与超透镜的组合使用，将超广角镜头的光学系统由五片以上削减到了三片透镜，在保证超广角摄像功能的同时，极大地降低了镜片的加工难度，且使镜头结构更紧凑，成本更低，使得外置镜头更为小型化，轻量化。
本发明的具体技术方案为：
一种折超混合的手机外置镜头，其特征在于，所述镜头包含1片折射透镜与2片超透镜，沿光轴从物侧至像侧的方向，依次包括：焦距为f1的折射透镜、焦距为f2的第一超透镜、焦距为f3的第二超透镜；三个透镜的焦距满足以下大小关系：
f2＜f1＜0，f3＞0，f3/15＜||f1|-|f2||＜f3/10
其中，所述折射透镜面型可为球面、非球面、自由曲面中的一种或两种组合；所述第一超透镜和第二超透镜一面具有微纳结构，一面为平面,第一超透镜厚度为d2，第二超透镜厚度为d3,其中微纳结构可以为圆形柱状、椭圆形柱状、三角形柱状或长方体形柱状周期性结构。
进一步的，所述折射透镜为负透镜。
进一步的，所述第一超透镜为负透镜。
进一步的，所述第二超透镜为正透镜。
进一步的，所述折射透镜材料折射率n1满足：
1.4<n1<2.2。
进一步的，所述第一超透镜的材料折射率n2和第二超透镜的材料折射率n3满足：
1.4<n2<4.5，1.4<n3<4.5。
进一步的，所述第一超透镜和第二超透镜的厚度和折射率两个参数之间应满足关系：
|d2-n2|＜n2，|d3-n3|＜n3
其中，d2为第一超透镜厚度，n2是第一超透镜材料折射率，d3为第二超透镜厚度，n3是第二超透镜材料折射率。
进一步的，所述第一超透镜和第二超透镜具有微纳结构的一面基础形状仍为平面，只是在平面上有许多微纳结构使其表现出特殊的光学性质。
本发明有以下有益效果：本发明与现有技术相比，在实现超广角功能的前提下，外置镜头具有更小的尺寸，更轻的质量，并且超透镜量产之后成本更低，稳定性更好，从而使得此外置镜头更轻便，价格更低，更符合市场需求。
附图说明
图1是本发明的镜头示意图。
图2是本发明的光路示意图。
图3是本发明的实施例1的微纳子结构示意图。
图4是本发明的实施例1的MFT图。
图5是本发明的实施例1的弥散斑尺寸图。
图6是本发明的实施例1的网格成像效果仿真图。
图7是本发明的实施例1的实物成像效果仿真图。
图8是本发明的实施例2的微纳子结构示意图。
图9是本发明的实施例2的MFT图。
图10是本发明的实施例2的弥散斑尺寸图。
图11是本发明的实施例2的网格成像效果仿真图。
图12是本发明的实施例2的实物成像效果仿真图。
具体实施方式
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楚、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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的方案包括：
一种折超混合的手机外置镜头，其特征在于，所述镜头包含1片折射透镜与2片超透镜，沿光轴从物侧至像侧的方向，依次包括：焦距为f1的折射透镜、焦距为f2的第一超透镜、焦距为f3的第二超透镜；三个透镜的焦距满足以下大小关系：
f2＜f1＜0，f3＞0，f3/15＜||f1|-|f2||＜f3/10
其中，所述折射透镜面型可为球面、非球面、自由曲面中的一种或两种组合；所述第一超透镜和第二超透镜一面具有微纳结构，一面为平面,第一超透镜厚度为d2，第二超透镜厚度为d3,其中微纳结构可以为圆形柱状、椭圆形柱状、三角形柱状或长方体形柱状周期性结构，多种可选的子结构形状使超透镜具有了更高的设计自由。在设计时，通过尝试不同的子结构形状择优，可以使得设计出的超透镜可以更好地与目标功能相匹配。
进一步的，所述折射透镜为负透镜。
进一步的，所述第一超透镜为负透镜。
进一步的，所述第二超透镜为正透镜；由于超透镜可以针对经过其表面不同位置的光线的调控效果进行单独设计，一正一负两个超透镜将足以完成对经过了折射透镜的光线的处理，而折射透镜的效果则是将不同视场角的光线进行收集，使它们能顺利到达超表面。
进一步的，所述折射透镜材料折射率n1满足：
1.4<n1<2.2。
大多数的光学玻璃都处于这一折射率范围，因此虽然此折射透镜的功能特殊，需与超透镜互相协作，但在制造层面上并不比普通透镜困难。
进一步的，所述第一超透镜的材料折射率n2和第二超透镜的材料折射率n3满足：
1.4<n2<4.5，1.4<n3<4.5。
超透镜的材料选择范围比折射透镜更广一些，必要时，超透镜可选择硅、锗等材料来制作表面上微结构，这确保了超透镜设计的自由度，也使本发明所述镜头更易实现。
进一步的，所述第一超透镜和第二超透镜的厚度和折射率两个参数之间应满足关系：
|d2-n2|＜n2，|d3-n3|＜n3，
其中，d2为第一超透镜厚度，n2是第一超透镜材料折射率，d3为第二超透镜厚度，n3是第二超透镜材料折射率，这种关系主要是限制超透镜的厚度在合理范围，防止过厚的镜体使光线出现明显的不需要的偏折。
进一步的，所述第一超透镜和第二超透镜具有微纳结构的一面基础形状仍为平面，只是在平面上有许多微纳结构使其表现出特殊的光学性质，这种结构使得超透镜的制造难度降低，虽然这种超透镜仍然比普通透镜制造难度高，但在有合适的工艺条件时，镜头整体的制造和加工难度将比传统的五个以上镜片的手机外置镜头有所降低。
另外，通过MTF值及弥散斑尺寸图可以判断镜头的成像质量，如图4、图9为MTF图，其中MTF为镜头的调制传递函数，其X轴表示空间频率，即每mm尺度下容纳多少条黑白线对，其Y轴表示传递函数对应的函数值，当函数值大于0.2时意味这对应的空间频率下黑白线对可以被明显的区分出来，即表明成像效果良好。图5和图10为弥散斑尺寸图，表示在参考面上，不同视场下光线汇聚点的尺寸，通常选取的参考面为像面，其中RMS为均方根尺寸，表示所有光线落点做均方根计算后的值，其中GEO为几何最大尺寸，表示光线距离中心位置最远的尺寸，RMS尺寸相较于GEO尺寸更为准确，当RMS尺寸小于2个像素尺寸时意味着同一视场下的光线均能较好的汇聚在一个像素上，即表明成像效果良好。
实施例1
参考图1，本实施例所述镜头包含1片折射透镜与2片超透镜，沿光轴从物侧至像侧的方向，其中101为折射透镜的左表面，102为折射透镜的右表面；201为第一超透镜的左表面，202为第一超透镜的右表面；301为第二超透镜的左表面，302为第二超透镜的右表面；401为光阑，也是所述超广角镜头的出瞳，也是手机摄像头的入瞳；501为手机镜头的传感器。图2为光线经过此系统时的光路图。
实施例1中的三个透镜的焦距满足以下大小关系：
f2＜f1＜0，f3＞0，f3/15＜||f1|-|f2||＜f3/10。
其中f1为折射透镜的焦距，f2为第一超透镜的焦距，f3为第二超透镜的焦距，折射透镜使用常规球面透镜。
实施例1镜头参数指标如表1所示，可实现视场角度150°的超广角摄像，同时F数为2.7，焦距7.5mm，系统总长28.7mm。
表1，实施例1镜头参数指标表：
参数 F数 FOV 焦距 系统总长 镜片数量
指标 2.7 150° 7.5mm 28.7mm 3
实施例1各表面参数如表2所示，需要注意的是，其中的“厚度”代表着每个面到下个面的距离，在同个透镜的左右表面之间，这一数值代表透镜厚度；在不同透镜的表面之间，这一数值则代表了透镜的距离。
光阑401是手机镜头的入瞳位置，光在此处进入了手机镜头，而后经过传播打到像面501上，501为手机传感器，因此在表2中，我们将光阑表面命名为手机镜头。
表2，实施例1各表面参数表：
需要注意的是，表2以二元面描述了超透镜有微结构的一面，这是从原理出发的等价，即：通过多项式表示光经过整个表面后产生的相位变化，此多项式为：
其中Φ为光线累加相位差，N是级数中多项式系数的个数，Ai是ρ的2i次幂的系数，ρ是归一化的径向孔径坐标，M是衍射阶数。实施例1的二元面多项式参数Ai列为表3：
具体的，实施例1折射透镜的材料为折射率n1＝2.0的光学玻璃。
具体的，实施例1内的两个超透镜均为左表面具有微纳结构，右表面为平面，即，201面和301面具有微纳结构，202面和302面为平面，其中第一超透镜材料折射率n2＝1.77，第二超透镜材料折射率n3＝2.0；第一超透镜厚度为d2＝0.8mm，第二超透镜厚度为d3＝1.0mm，图3为两个超透镜的周期性微纳结构，表现为圆柱，其周期尺寸为0.7um，微结构为高度0.9um的圆柱，圆柱的半径作为可变的结构参数在不同位置有不同的数值，具体数值由所在位置需要提供的相位变化决定。
具体的，实施例1折射透镜的焦距为f1＝-100.1mm，第一超透镜焦距为f2＝-105mm，第二超透镜焦距为f3＝60.35mm。
进一步的，图4是本实施例的MFT图，从其中可以得到，MTF传递函数值始终高于0.3；
进一步的，图5是本实施例的弥散斑尺寸图，弥散斑尺寸小于2个像素尺寸；
以上结果表明，本实施例所述镜头成像效果清晰，满足实际使用需求。
进一步的，图6是本实施例的网格成像效果仿真图。
进一步的，图7是本实施例的实物成像效果仿真图。
图6与图7直观地体现了本实施例良好的成像效果。
实施例2
参考图1，本实施例所述镜头包含1片折射透镜与2片超透镜，沿光轴从物侧至像侧的方向，其中其中101为折射透镜的左表面，102为折射透镜的右表面；201为第一超透镜的左表面，202为第一超透镜的右表面；301为第二超透镜的左表面，302为第二超透镜的右表面；401为光阑，也是所述超广角镜头的出瞳，也是手机摄像头的入瞳；501为手机镜头的传感器。
实施例2中的三个透镜的焦距满足以下大小关系：
f2＜f1＜0，f3＞0，f3/15＜||f1|-|f2||＜f3/10。
其中f1为折射透镜的焦距，f2为第一超透镜的焦距，f3为第二超透镜的焦距.
与实施例1不同的是，实施例2中折射透镜使用偶次非球面。
偶次非球面的面型表达式为：
上式中Z为矢高，c＝1/r,k＝-e2,a2,a4,a6为多次项系数,r0为曲面近轴部分的曲率半径，c为非球面的基准面，k为圆锥度，由表达式可得，需要对多次项系数做定义才能定义出偶次非球面。
实施例2镜头参数指标如表4所示，可实现150°视场角的超广角摄像，同时F数为2.67，焦距7.5mm，系统总长28.6mm。
表4，实施例2镜头参数指标表：
参数 F数 FOV 焦距 系统总长 镜片数量
指标 2.67 150° 7.5mm 28.6mm 3
实施例2各表面参数如表5所示，需要注意的是，其中的“厚度”代表着每个面到下个面的距离，在同个透镜的左右表面之间，这一数值代表透镜厚度；在不同透镜的表面之间，这一数值则代表了透镜的距离。
光阑401是手机镜头的入瞳位置，光在此处进入了手机镜头，而后经过传播打到像面501上，501为手机传感器，因此在表5中，我们将光阑表面命名为手机镜头。
表5，实施例2各表面参数表：
需要注意的是，表5以二元面描述了超透镜有微结构的一面，这是从原理出发的等价，即：通过多项式表示光经过整个表面后产生的相位变化，此多项式为：
其中φ为光线累加相位差，N是级数中多项式系数的个数，Ai是ρ的2i次幂的系数，ρ是归一化的径向孔径坐标，M是衍射阶数。实施例2的二元面多项式参数Ai如表6：
实施例2的非球面折射透镜的偶次非球面面型表达式参数ai列为表7：
表面 101 102
圆锥曲率 0 0
2次项 0 0
4次项 1.26x10-6 8.41x10-7
6次项 3.47x1010 6.00x10-11
8次项 -2.11x10-13 -1.28x10-12
10次项 7.31x10-16 5.14x10-15
12次项 4.09x10-18 8.23x10-18
14次项 -1.28x10-20 -3.44x10-20
16次项 0 0
18次项 0 0
具体的，实施例2折射透镜的材料为折射率n1＝2.0的光学玻璃。
具体的，两个超透镜均为左表面具有微纳结构，右表面为平面，即，201面和301面具有微纳结构，202面和302面为平面，其中第一超透镜材料折射率n2＝1.77，第二超透镜材料折射率n3＝2.0；第一超透镜厚度为d2＝0.8mm，第二超透镜厚度为d3＝1.0mm，图8为两个超透镜的周期性微纳结构，表现为椭圆柱，其周期尺寸为0.8um，微结构为高度为0.75um的椭圆柱结构，椭圆柱的长轴与短轴作为可变的结构参数在不同位置有不同的数值，具体由所在位置需要提供的相位变化决定。
具体的，折射透镜的焦距为f1，＝-98mm，第一超透镜焦距为f2＝-102mm，第二超透镜焦距为f3＝56.62mm。
具体的，第一超透镜满足|d2-n2|＜n2，第二超透镜满足|d3-n3|＜n3。
进一步的，图9是本实施例的MFT图，从其中可以得到，MTF传递函数值始终高于0.3；
进一步的，图10是本实施例的弥散斑尺寸图，弥散斑尺寸小于2个像素尺寸，且与图5相比具有更小的弥散斑；
以上结果表明，实施例2所述镜头成像效果清晰，满足实际使用需求。
进一步的，图11是本实施例的网格成像效果仿真图。
进一步的，图12是本实施例的效果实物成像效果仿真图。
图11与图12直观地体现了本实施例良好的成像效果。
通常超广角镜头总长通常在50mm以上，使用5片左右镜片，而实施例结果显示，本发明所述的镜头可在实现150°视场角的前提下，将镜片减少为三片，将光学系统总长控制在30mm以内，且在实施例2中，由于偶次非球面的使用，系统自由度增加，成像效果进一步提升，弥散斑尺寸相较于球面折射透镜更
小，整体性能均满足超广角镜头的显示效果要求。
综上所述，本发明的这种折超混合的手机外置镜头，在满足使用需求，提供大视场角的前提下，并且极大的减小了系统总长及重量，使整体结构更稳定，实现更好的稳定性与更低的成本，让手机外置镜头更方便且更符合市场需求。
另外，本发明中，透镜材料、厚度、焦距、镜片之间距离等，都可在满足发明内容部分所述的关系的前提下进行调整，为各种指标要求的外置镜头都提供了可实现的基础。
由于超广角镜头的视场角普遍在120°以上，因此需要使得较大角度的光线可以进入光学系统中，通过光线可逆原理可以得到，当镜头中第一片镜片为负光焦度时，光线能被较好的收集，本发明中通过设置负光焦度的折射透镜与第一超表面透镜，可将大角度光线较好地收集，因此光学系统中透镜的焦距需要满足f2＜f1＜0，而整个光学系统需要将外界光线准确的汇聚到手机探测器上，系统中需要包含正透镜对镜头焦距进行调节，因此设置f3＞0。超透镜为微纳光学元件，依赖其表面上的微纳结构发挥功能，当超透镜厚度过大或过小时会对加工造成负担，因此本发明中需要超透镜折射率与其厚度之差小于其折射率数值，即，|d-n|＜n。
需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种折超混合的手机外置镜头，其特征在于，所述镜头包含1片折射透镜与2片超透镜，沿光轴从物侧至像侧的方向，依次包括：焦距为f1的折射透镜、焦距为f2的第一超透镜、焦距为f3的第二超透镜；三个透镜的焦距满足以下大小关系：
f2＜f1＜0，f3＞0，f3/15＜||f1|-|f2||＜f3/10，
其中，所述折射透镜面型为球面、非球面、自由曲面中的一种或两种组合；所述第一超透镜和第二超透镜一面具有微纳结构，一面为平面,第一超透镜厚度为d2，第二超透镜厚度为d3，其中微纳结构为圆形柱状、椭圆形柱状、三角形柱状或长方体形柱状周期性结构，d2与d3满足关系：
|d2-n2|＜n2，|d3-n3|＜n3
其中，n2是第一超透镜材料折射率，n3是第二超透镜材料折射率。
2.根据权利要求1所述的手机外置镜头，其特征在于，所述折射透镜为负透镜。
3.根据权利要求1所述的手机外置镜头，其特征在于，所述第一超透镜为负透镜。
4.根据权利要求1所述的手机外置镜头，其特征在于，所述第二超透镜为正透镜。
5.根据权利要求1所述的手机外置镜头，其特征在于，所述折射透镜材料折射率n1满足：1.4<n1<2.2。
6.根据权利要求1所述的手机外置镜头，其特征在于，所述第一超透镜的材料折射率n2和第二超透镜的材料折射率n3满足：1.4<n2<4.5，1.4<n3<4.5。
7.根据权利要求1所述的手机外置镜头，其特征在于，所述第一超透镜和第二超透镜具有微纳结构的一面基础形状为平面，在平面上有许多微纳结构使其表现出特殊的光学性质。
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