CN117813538A - 广角透镜光学系统 - Google Patents

Abstract

一种广角透镜光学系统，从物侧到像侧包括具有正屈光力的聚焦透镜组(FG)和具有负屈光力的固定透镜组(FL)。所述聚焦透镜组(FG)可沿着光轴移动进行聚焦，而所述固定透镜组(FL)固定在邻近成像面(IMG)的最靠像侧，使得后焦也被固定。

Description

广角透镜光学系统

技术领域

本公开内容涉及一种图像拾取透镜，所述图像拾取透镜形成用于CCD或CMOS传感器等固态图像传感器的物体图像，更具体地，涉及智能手机、游戏机、PC、网络摄像机、家用电器、汽车或无人机等便携式设备。本公开内容涉及一种图像拾取透镜和一种安装在摄像头等上的成像设备。

背景技术

随着近年来智能手机的普及，对成像透镜的需求多样化，人们希望在保持直接受产品尺寸影响的成像模块尺寸不变的同时，提高光学性能，例如视角更宽、长焦性能更高、直径更大(NA更高)。如今，多摄像头系统已成为主流，广角透镜因其常用于静态图像和电影拍摄而在智能手机产品差异化方面发挥着重要作用。因此，广角透镜的光学性能成为产品的一大卖点，每家公司竞相提高产品的光学性能。

现有技术中的广角透镜模块公开了一种包括七个透镜的光学系统，其中，七个透镜包括正透镜。类似地，也公开了一种包括六个透镜的光学系统，其中，六个透镜包括负透镜和正透镜。在这些摄像头模块使用的透镜系统中，通过在光轴方向上移动整个透镜来进行微距摄影聚焦，这种方法运用在当今的大量产品中。然而，由于市场需求，也为了实现与竞争对手的差异化，摄像头模块的传感器尺寸逐年增加，所以需要进一步减小透镜模块的厚度。

然而，现有技术中，在光轴方向上移动整个透镜意味着改变后焦，而后焦是最靠像侧透镜的像侧面和成像面之间的距离。这增加了透镜模块的总长度，并对光学性能产生了不利影响。

为了解决这个问题，根据本公开内容的广角透镜光学系统包括在邻近成像面的最靠像侧上的固定透镜组，使得从广角透镜的最靠像侧面到成像面(后焦)的物理距离的固定长度为0.6mm或更小。最靠像侧透镜组是固定的，布置在最靠像侧透镜组的物侧的聚焦透镜组沿着光轴移动进行聚焦。通过固定具有短后焦的最靠像侧透镜组，可以提供总光学长度足够小的透镜模块，同时保持所需的光学性能。

因此，需要一种能够解决用于智能手机、游戏机、PC、网络摄像机、家用电器、汽车等便携式设备的CCD或CMOS传感器的上述问题的广角透镜光学系统。

发明内容

本公开内容克服和/或减少上述缺点。

本公开内容的主要目的是提供一种具有短且固定的后焦的广角透镜光学系统，使得广角透镜具有短TTL以及失真较小的高质量图像。通过使用本公开内容的广角透镜光学系统，广角透镜可以安装在薄的产品中，同时抑制失真，使得在使用广角透镜的情况下仍能获得高图像质量。

与通过在光轴方向上移动整个透镜而聚焦的传统方法不同，本公开内容的特征是，最靠像侧透镜组始终是固定的。通过这样的配置，容易缩短广角透镜的最靠像侧面和成像面(后焦)之间的距离。例如，在移动整个透镜的传统方法中，固定边距，以防止最靠像侧面与图像传感器表面碰撞，并且传统透镜系统需要密封，以免传感器受到整个透镜移动引起的灰尘的影响。因此，广角透镜的最靠像侧面与图像传感器表面之间必须固定一定的距离，整个光学系统变得更长。

此外，通过根据本公开内容的配置缩短从像侧透镜到传感器表面(后焦)的距离，不仅可以缩短整个光学系统的总长度，而且可以通过位于成像面附近的最靠像侧透镜(或透镜组)校正像差。因此，容易获得更高的分辨率。

根据第一方面，提供了一种广角透镜光学系统。广角透镜光学系统包括前透镜、非平面棱镜和后透镜组。非平面棱镜在物侧和成像侧都具有非平面表面，且用于将光路弯曲90°。由于非平面棱镜具有焦度，因此前透镜可以布置得非常靠近非平面棱镜，以使前透镜的正面和非平面棱镜(即后透镜组的光轴)之间的距离最小化。

因此，光模块的厚度和TTL都可以小于使用规则棱镜的普通光模块的厚度和TTL，因为光模块能够实现使前球面从透镜系统的后组的最大直径稍微突出的配置。

根据本广角透镜光学系统的一个方面，所述广角透镜光学系统从物侧到像侧包括具有正屈光力的聚焦透镜组和具有负屈光力的固定透镜组。所述聚焦透镜组可沿着光轴移动进行聚焦，所述固定透镜组固定在邻近成像面的最靠像侧。当FOV是所述广角透镜光学系统的视场，BF是所述广角透镜光学系统的最靠像侧面沿所述光轴到所述成像面的最小距离时，满足以下条件：

(i)70°≤FOV；

(ii)BF≤0.65

条件(i)界定了光学系统的视角。条件(ii)界定了固定透镜组的最靠像侧面和成像面(后焦)之间的距离。

替代地，满足以下条件：

(i)-2 70°≤FOV；且

(ii)-2BF≤0.6

根据本广角透镜光学系统的一个方面，当FLf是所述固定透镜组的焦距，f是所述广角透镜光学系统的焦距时，满足以下条件：

(iii)-5.0≤FLf/f≤-0.3

条件(iii)适当地界定了固定透镜组的屈光力。

替代地，满足以下条件：

(iii)-2 -2.5≤FLf/f≤-0.5

根据本广角透镜光学系统的一个方面，当FGf是所述聚焦透镜组的焦距时，满足以下条件：

(iv)0.6≤FGf/f≤1.2

条件(iv)界定了聚焦透镜组的屈光力。

替代地，满足以下条件：

(iv)-2 0.7≤FGf/f≤1.05

根据本广角透镜光学系统的一个方面，

当BF2是所述聚焦透镜组的最靠像侧面沿所述光轴到所述固定透镜组的最靠物侧面的最小距离时，满足以下条件：

(v)0.1≤BF2≤1.0

条件(v)界定了聚焦透镜组和固定透镜组之间的位置关系。

替代地，满足以下条件：

(v)-2 0.2≤BF2≤0.6

根据第二方面，提供了一种摄像头。所述摄像头包括第一方面提供的广角透镜光学系统和图像传感器。广角透镜光学系统用于携带图像数据，用于向图像传感器输入光；图像传感器用于根据图像数据显示图像。

根据第三方面，提供了一种终端。所述终端包括摄像头，即第二方面提供的摄像头，以及图形处理单元(Graphic Processing Unit，GPU)。GPU与摄像头连接。摄像头用于获取图像数据并将图像数据输入GPU，CPU用于处理从摄像头接收的图像数据。终端可应用于手机、平板电脑等移动设备的小型摄像头。

下面结合附图进一步详细描述本公开内容。附图示出了根据本公开内容的优选实施例，仅出于说明目的。

附图说明

通过以下对本公开内容的非限制性实施例的详细描述以及对附图的查看，可以更好地理解本公开内容，在附图中：

图1-1示出了根据本公开内容的第一实施例的光学透镜系统的横截面图；

图1-2示出了根据本公开内容的第一实施例的光学透镜系统的纵向球面像差、像散场和失真；

图2-1示出了根据本公开内容的第二实施例的光学透镜系统的横截面图；

图2-2示出了根据本公开内容的第二实施例的光学透镜系统的纵向球面像差、像散场和失真；

图3-1示出了根据本公开内容的第三实施例的光学透镜系统的横截面图；

图3-2示出了根据本公开内容的第三实施例的光学透镜系统的纵向球面像差、像散场和失真；

图4示出了本公开内容的一种实现方式。

优选实施例的具体实施方式

参考附图和光学数据描述本公开内容的广角透镜光学系统的以下实施例。该透镜系统可应用于手机、平板电脑等移动设备的摄像头。

一种广角透镜光学系统从物侧到像侧包括具有正屈光力的聚焦透镜组和具有负屈光力的固定透镜组。聚焦透镜组可沿着光轴移动进行聚焦，而固定透镜组固定在邻近成像面的最靠像侧。

因此，容易缩短广角透镜系统的最靠像侧面和成像面(后焦)之间的距离。通过根据本公开内容的配置缩短后焦，不仅可以缩短整个光学系统的总长度，而且可以通过邻近成像面的最靠像侧透镜(或透镜组)校正像差。因此，容易获得所需的光学性能。

第一实施例

图1-1示出了根据本公开内容的第一实施例的光学透镜系统的横截面图。光学透镜系统从物侧到像侧包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6和固定透镜FL。请注意，第二透镜L2是具有三个光学面的复合透镜。此外，STO表示在第一实施例中布置在第二透镜L2和第三透镜L3之间的光圈面。红外过滤或保护玻璃等滤光器IR可以布置在固定透镜FL与成像面IMG之间。(请注意，滤光器IR可以省略。)

聚焦透镜组FG包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6。固定透镜组包括固定透镜FL。聚焦透镜组FG沿光轴移动进行聚焦，而固定透镜组固定在最靠像侧。

表1-1示出了根据第一实施例的光学透镜系统的每个透镜元件的曲率半径、中心处的每个光学面的厚度或间隔、d线的折射率和相对于d线的阿贝数。每个透镜元件的相对表面从物侧到像侧按顺序分别称为表面S1和表面S2。符号“*”表示表面是非球面的。

表1-1

表1-1示出在第一实施例中的每个透镜元件的所有表面都是非球面表面。

表1-2示出了根据第一实施例的光学透镜系统的每个透镜元件的非球面系数，其中，数字2、4、……、20表示高阶非球面系数。非球面表面轮廓的方程表示如下：

其中，

z：光轴方向上与透镜表面顶点的距离(矢高量)；

H：垂直于光轴方向的方向上的高度；

c：透镜顶点的近轴曲率(曲率半径的倒数)；

Y：非球面表面曲线上的一点到光轴的距离；

k：二次曲线系数；

Ai：i阶的非球面系数。

表1-2非球面系数

图1-2示出了球面像差图、像散图和失真图。其中，球面像差图用实线示出了F线(486.1nm)、d线(587.6nm)和C线(656.3nm)的每个波长的像差量，矢状图像表面S上的d线像差量用实线表示，切向图像表面T上的d线像差量用虚线表示，F表示F值，IH表示图像高度，失真图用实线示出了d线上的像差量。

从图中可以看出，每个像差都得到了令人满意的校正。此外，关于本公开内容中使用的术语，屈光力是指在近轴(靠近光轴)中的屈光力。

第二实施例

图2-1示出了根据本公开内容的第二实施例的光学透镜系统的横截面图。光学透镜系统从物侧到像侧包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6和固定透镜FL。请注意，第二透镜L2是具有三个光学面的复合透镜。此外，STO表示在第二实施例中布置在第二透镜L2和第三透镜L3之间的光圈面。红外过滤或保护玻璃等滤光器IR可以布置在固定透镜FL与成像面IMG之间。滤光器IR可以省略。

聚焦透镜组FG包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6。固定透镜组包括固定透镜FL。聚焦透镜组FG沿光轴移动进行聚焦，而固定透镜组固定在邻近成像面IMG的最靠像侧。

表2-1示出了根据第二实施例的光学透镜系统的每个透镜元件的曲率半径、中心处的每个光学面的厚度或间隔、d线的折射率和相对于d线的阿贝数。每个透镜元件的相对表面从物侧到像侧按顺序分别称为表面S1和表面S2。符号“*”表示表面是非球面的。

表2-1

表2-1示出在第二实施例中的每个透镜元件的所有表面都是非球面表面。

表2-2示出了根据第二实施例的光学透镜系统的每个透镜元件的非球面系数，其中，数字2、4、……、20表示高阶非球面系数。

表2-2非球面系数

图2-2示出了球面像差图、像散图和失真图。其中，球面像差图用实线示出了F线(486.1nm)、d线(587.6nm)和C线(656.3nm)的每个波长的像差量，矢状图像表面S上的d线像差量用实线表示，切向图像表面T上的d线像差量用虚线表示，F表示F值，IH表示图像高度，失真图用实线示出了d线上的像差量。

从图中可以看出，每个像差都得到了令人满意的校正。此外，关于本公开内容中使用的术语，屈光力是指在近轴(靠近光轴)中的屈光力。

第三实施例

图3-1示出了根据本公开内容的第三实施例的光学透镜系统的横截面图。光学透镜系统从物侧到像侧包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7和固定透镜FL。请注意，第一透镜L1是具有三个光学面的复合透镜。此外，STO表示在第三实施例中布置在第一透镜L1和第二透镜L2之间的光圈面。红外过滤或保护玻璃等滤光器IR布置在固定透镜FL与成像面IMG之间。(滤光器IR可以省略。)

聚焦透镜组FG包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6和第七透镜L7。固定透镜组包括固定透镜FL。聚焦透镜组FG沿光轴移动进行聚焦，而固定透镜组固定在邻近成像面IMG的最靠像侧。

表3-1示出了根据第三实施例的光学透镜系统的每个透镜元件的曲率半径、中心处的每个光学面的厚度或间隔、d线的折射率和相对于d线的阿贝数。每个透镜元件的相对表面从物侧到像侧按顺序分别称为表面S1和表面S2。符号“*”表示表面是非球面的。

表3-1

表3-1示出在第三实施例中的每个透镜元件的所有表面都是非球面表面。

表3-2示出了根据第三实施例的光学透镜系统的每个透镜元件的非球面系数，其中，数字2、4、……、20表示高阶非球面系数。

表3-2非球面系数

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图3-2示出了球面像差图、像散图和失真图。其中，球面像差图用实线示出了F线(486.1nm)、d线(587.6nm)和C线(656.3nm)的每个波长的像差量，矢状图像表面S上的d线像差量用实线表示，切向图像表面T上的d线像差量用虚线表示，F表示F值，IH表示图像高度，失真图用实线示出了d线上的像差量。

从图中可以看出，每个像差都得到了令人满意的校正。此外，关于本公开内容中使用的术语，屈光力是指在近轴(靠近光轴)中的屈光力。

如上面的光学数据所示，本公开内容的广角透镜光学系统可以实现高图像质量，失真非常小且具有紧凑性。这些实施例中的广角透镜通过满足以下条件获得优选的效果：

(i)70°≤FOV，

其中，FOV是广角透镜光学系统的视场。

(ii)BF≤0.65，

其中，BF是固定透镜的像侧面沿着光轴到成像面的最小距离。

(iii)-5.0≤FLf/f≤-0.3，

其中，FLf是固定透镜的焦距，f是广角透镜光学系统的焦距。

(iv)0.6≤FGf/f≤1.2，

其中，FGf是聚焦透镜组FG的焦距，f是广角透镜光学系统的焦距。

(v)0.1≤BF2≤1.0，

其中，BF2是聚焦透镜组的最靠像侧面沿光轴到固定透镜的物侧的最小距离。

条件(i)适当地界定了根据本公开内容的光学系统的视角。本公开内容主要用于广角到广角光学系统。在视角超出该范围的光学系统中，校正场曲相对容易，因此后焦容易缩短或延长，通过采用本公开内容的配置降低了该优点。从这个角度来看，可以选择性地满足以下条件。

(i)-2：75°≤FOV

条件(ii)适当地界定了固定透镜和图像传感器表面(后焦)之间的距离，以便缩短整个光学系统。如果距离超出该范围，则固定的BF量与上述传统光学系统的BF量没有太大区别，并且与传统光学系统相比，光学系统无法获得足够的缩短效果。从这个角度来看，可以选择性地满足以下条件。

(ii)-2：BF≤0.6；

条件(iii)适当地界定了固定透镜的屈光力。如果超过该范围的上限，则FL的负屈光力变得太大，从无穷大向短距离聚焦时的波动变得太大，导致例如短距离分辨率下降的问题。如果屈光力低于该范围的下限，则固定透镜的屈光力变得太小，并且难以采用条件(iv)的范围，而且，当从无穷大向短距离聚焦时，聚焦透镜组FG的移动量不能减少。此外，当固定透镜的屈光力变小时，作为本公开内容的优点之一的紧邻图像面的像差校正的效果就会降低。从这个角度来看，可以选择性地满足以下条件。

(iii)-2 -2.5≤FLf/f≤-0.5

条件(iv)适当地界定了聚焦透镜组FG的屈光力。如果屈光力超过该范围的上限，则聚焦透镜组FG的屈光力降低，因此光学系统的总长度增加，而且，当从无穷大向短距离聚焦时，聚焦透镜组FG的移动量增加，变得太大。如果屈光力低于该范围的下限，由于聚焦透镜组FG的屈光力增加，当从无穷大向短距离聚焦时，聚焦透镜组FG的移动量减少，但通过聚焦透镜组FG产生的像差太大，无法由固定透镜校正。因此，光学系统的分辨率性能下降。从这个角度来看，可以选择性地满足以下条件。

(iv)-20.7≤FGf/f≤1.05

条件(v)适当地界定了聚焦透镜组FG和固定透镜之间的位置关系。超过该范围的上限意味着聚焦透镜组FG与固定透镜之间的距离变得太大，即使后焦缩短，光学系统的总长度也会变长。此外，由于不能有效地布置折射面用于校正图像面像差，因此分辨率下降。如果最小距离低于该范围的下限，则可移动的聚焦透镜和固定透镜可能会太近，导致碰撞。从这个角度来看，可以选择性地满足以下条件。

(v)-20.2≤BF2≤0.6

表4示出了在实施例1至实施例3中在上述条件(i)至(v)中使用的参数的每个值。

表4

参数	示例1	示例2	示例3
				FOV(°)	93.00	93.00	84.10
BF(mm)	0.40	0.40	0.54
				FLf/f	-1.81	-1.78	-0.72
FGf/f	0.97	0.97	0.82
				BF2(mm)	0.40	0.40	0.30

通过满足上述条件，本公开内容的广角透镜光学系统可以减小后焦和光学系统的总长度，同时在使用广角透镜的情况下仍保持所需的光学性能。因此，本公开内容的广角透镜光学系统可以用于许多移动设备，以提供紧凑性和所需的图像质量。

此外，提供了一种摄像头。本公开内容中的摄像头包括本公开的广角透镜光学系统和图像传感器。广角透镜光学系统用于输入光，用于将图像投射到图像传感器上；图像传感器用于将图像转换为数字图像数据。此类摄像头优选安装在移动设备中。

图4示出了本公开内容中公开的一种终端1000。终端1000包括在上述实现方式中提供的摄像头100和图形处理单元(Graphic Processing Unit，GPU)200。摄像头100用于通过本公开内容的广角透镜光学系统将图像转换为数字图像数据，并将数字图像数据输入到GPU 200中，GPU 200用于处理从摄像头接收的图像数据。

在图4中，终端1000包括两个摄像头100。然而，终端可以包括单个摄像头或两个以上的摄像头，并且一个或多个摄像头可以连接到单个GPU 200。由于终端具有广角、高图像质量和紧凑性，因此终端1000可以应用于移动电话摄像头等高分辨率移动设备摄像头。

在本公开内容中，广角是指大约35°或以上的半视角。

虽然根据本公开内容的透镜系统尤其可以应用于移动电话摄像头，但也可以应用于智能手机、游戏机、PC、网络摄像机、家用电器、汽车等任何移动设备中的摄像头。

虽然出于说明目的公开了本公开内容的优选实施例，但本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求中公开的本公开内容的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。例如，固定透镜组可以包括多个固定透镜。

Claims (11)

1.一种广角透镜光学系统，其特征在于，所述广角透镜光学系统从物侧到像侧包括具有正屈光力的聚焦透镜组和具有负屈光力的固定透镜组，其中，所述聚焦透镜组可沿着光轴移动进行聚焦，满足以下条件：

(i)70°≤FOV；且

(ii)BF≤0.65，

其中，FOV是所述广角透镜光学系统的视场，BF是所述固定透镜组的所述像侧面沿所述光轴到成像面的最小距离。

2.根据权利要求1所述的广角透镜光学系统，其特征在于，满足以下条件：

(i)-2 75°≤FOV；且

(ii)-2BF≤0.60。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的广角透镜光学系统，其特征在于，满足以下条件：

(iii)-5.0≤FLf/f≤-0.3，

其中，FLf是所述固定透镜组的焦距，f是所述广角透镜光学系统的焦距。

4.根据权利要求3所述的广角透镜光学系统，其特征在于，满足以下条件：

(iii)-2-2.5≤FLf/f≤-0.5。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的广角透镜光学系统，其特征在于，满足以下条件：

(iv)0.6≤FGf/f≤1.2，

其中，FGf是所述聚焦透镜组的焦距。

6.根据权利要求5所述的广角透镜光学系统，其特征在于，满足以下条件：

(iv)-2 0.7≤FGf/f≤1.05。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的广角透镜光学系统，其特征在于，满足以下条件：

(v)0.1≤BF2≤1.0，

其中，BF2是所述聚焦透镜组的最靠像侧面沿所述光轴到所述固定透镜组的所述物侧的最小距离。

8.根据权利要求7所述的广角透镜光学系统，其特征在于，满足以下条件：

(v)-2 0.2≤BF2≤0.6。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的广角透镜光学系统，其特征在于，所述聚焦透镜组包括六个或七个透镜。

10.一种摄像头，其特征在于，所述摄像头包括根据权利要求1至9中任一项所述的广角透镜光学系统，还包括图像传感器，其中，所述广角透镜光学系统用于将图像投射到所述图像传感器上，所述图像传感器用于将所述图像转换为数字图像数据。

11.一种终端，其特征在于，所述终端包括根据权利要求10所述的摄像头和图形处理单元(Graphic Processing Unit，GPU)，其中，所述GPU与所述摄像头连接，以接收和处理所述数字图像。