CN1760709A - 镜头组 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种镜头组，其可应用于数码影像产品上，该镜头组从物方到像方依次包括有：呈新月形的第一透镜、与第一透镜对称排布并也呈新月形的第二透镜，以及邻近于像方的第三透镜，一光圈位于第一透镜与第二透镜之间，其中第一、第二透镜均由塑料材质制成，第三透镜是由玻璃材质制成，且第一透镜的凸面朝向物方，第二透镜的凸面朝向像方，而第三透镜的朝向像方的表面的曲率半径大于其朝向物方的表面的曲率半径。

Description

镜头组

【技术领域】

本发明涉及一种镜头组，尤其是指一种适用于手机等数码影像产品上的微小型镜头组。

【背景技术】

早期镜头的镜片设计是采用球面设计，也就是说任何一个切面都是圆形弧线的一部分。采用球面的原因是因为加工比较容易，且可以达到较高的良率。但球面并不是最适合光学成像的透镜形状，因为球面镜会产生许多球面像差、轴上色散等光学缺陷，导致影像模糊失焦。而为克服上述像差，镜头设计者必须在镜头中使用很多片透镜来补偿。因此，在成像质量提高的同时，镜头的长度、外径、重量及成本均相应增加，从而使得镜头变得又大又沉重。但是，近年来各种数码影像产品均朝向微型化的方向发展，而与其相匹配的可拍摄镜头组也就必须越来越小，即镜头组的总长要进一步缩短，因此上述设计理念已经无法再被采用。

非球面镜的出现可以解决上述问题，将其应用于镜头的光学系统中，可以大幅度提高相机使用大光圈时的成像质量，减小广角镜头的桶状变形，而且一片非球面透镜可以替代好几片球面透镜补偿像差，能够非常明显地简化镜头的光学设计，减小它的体积和重量。

无论是球面镜还是非球面镜，其制作材质主要有玻璃与塑料，其中玻璃透镜的透光系数较大，成像效果好，但价格较高，主要应用于高阶产品；塑料透镜的透光系数较小，价格低廉，主要应用于低阶产品。但因塑料材质轻便，而玻璃材质却比较厚重，所以在镜头设计时会采用塑料透镜与玻璃透镜相组合的方式，借此取长补短，从而设计出所需要的镜头组。

目前市场上的手机镜头大多采用全塑料透镜组合(例如：2P的型式)或玻璃与塑料透镜的混合(例如：1G2P的型式)，若采用2P(Plastic，塑料)的型式不但影响其光学性能，而且对公差要求也比较严格，因此该型式难以推广使用；而所谓的1G(Glass，玻璃)2P(Plastic，塑料)的设计型式可参照美国专利第6,441,971号所揭示的内容，该专利的镜头组90结构如图1所示，其主要由三个透镜组成，从物方到像方依次顺序为：光圈91、第一透镜92、第二透镜93、第三透镜94、玻璃平板95及成像面96，其中第一透镜92为新月形透镜并由玻璃材料制成，其凸面朝向物方，其主要功能为主导成像，提供较强的折射力，并使系统不受温度影响；第二、第三透镜93、94均由树脂材料制成，两透镜93、94均可为非球面镜，其主要功能是校正各种像差，并同时可节省成本及缩小镜头组90的总光学长度。但是，用来校正像差的第二、第三透镜93、94是呈不对称的型式，这种不对称型式的镜片会使得组装位置难以校正，此结构可参美国专利第4,212,517号所揭示的内容。此外，因为该镜头组90的光学系统的主要折射力是由第一透镜92提供，必然会使得该玻璃透镜92的曲率很大，而在孔径很小的情况下，对其加工极为不利，从而导致生产率降低。

因此，如何提供一种可应用于数码影像产品上的光学性能好、总长短、易加工且公差宽松的微小型镜头组是目前急需要解决的问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种光学总长短、易加工、成本低，且具有高成像质量的微小型镜头组。

依据本发明的上述目的，本发明提供一种镜头组，其可应用于数码影像产品上，该镜头组从物方到像方依次包括有第一透镜、与第一透镜对称排布的第二透镜，以及邻近于像方的第三透镜，其中第一透镜的凸面是朝向物方，第二透镜的凸面是朝向像方，第一、第二透镜的凹面是相对而设，而第三透镜的朝向像方的表面的曲率半径大于其朝向物方的表面的曲率半径。

上述镜头组的第一、第二透镜是由塑料材质制成并均呈新月形，而第三透镜是由玻璃材质制成，且第三透镜的两个表面可以是呈双凸型式，也可以是呈平凸型式。

上述镜头组的第一透镜与第二透镜均为非球面透镜，其满足下列非球面公式：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{[1-(k+1)c^2{h}^2]}^{1/2}}+{\mathrm{Ah}}^4+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}+{\mathrm{Eh}}^{12}$

其中z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作参考距光轴的位移值，k为锥度常量，c表示曲率半径的倒数，h表示镜片高度，A、B、C、D、E均为非球面系数。

上述镜头组的第一、第二及第三透镜需满足以下条件：

1.5＜-f2/f1＜3.5

1.2＜f3/f1＜1.8

1.73＜nd＜1.84

42＜vd＜55

其中：f1是第一透镜的焦距，f2是第二透镜的焦距，f3是第三透镜的焦距，nd是第三透镜的折射率，vd是第三透镜的阿贝数。

相较于现有技术，本发明的镜头组通过将第一、第二透镜对称排布于镜头组的始端并都采用了非球面的设计，借此易于校正像差、缩短镜头组的光学总长及提高良率，而将第三玻璃透镜则放置于第二透镜之后，其可具有较大孔径，适合大量生产，通过这种方式可避免现有技术的缺陷。

【附图说明】

图1是现有镜头组的结构示意图。

图2是本发明镜头组的结构示意图。

图3A是本发明镜头组依据第一数值实施例所形成的纵向球差。

图3B是本发明镜头组依据第一数值实施例所形成的像场弯曲。

图3C是本发明镜头组依据第一数值实施例所形成的像场扭曲。

图3D是本发明镜头组依据第一数值实施例所形成的横向色差。

图4A是本发明镜头组依据第二数值实施例所形成的纵向球差。

图4B是本发明镜头组依据第二数值实施例所形成的像场弯曲。

图4C是本发明镜头组依据第二数值实施例所形成的像场扭曲。

图4D是本发明镜头组依据第二数值实施例所形成的横向色差。

图5A是本发明镜头组依据第三数值实施例所形成的纵向球差。

图5B是本发明镜头组依据第三数值实施例所形成的像场弯曲。

图5C是本发明镜头组依据第三数值实施例所形成的像场扭曲。

图5D是本发明镜头组依据第三数值实施例所形成的横向色差。

【具体实施方式】

请参照图2所示的本发明镜头组的组成结构，其包括有一光圈4及一光学组，其中光学组主要由三个透镜组成，从物方到像方依次顺序为：第一透镜1是正透镜，其为新月形塑料透镜并位于镜头的始端，且其凸面10朝向物方；第二透镜2是负透镜，其也为新月形塑料透镜并且与第一透镜1呈对称排布，即该第二透镜2的凸面20朝向像方(成像面6)，而其凹面21则与第一透镜1的凹面11相对而设；第三透镜3是正透镜，其为双凸型式的玻璃透镜，第三透镜3的靠近像方的表面30的曲率半径大于其靠近物方的表面31的曲率半径；光圈4是位于第一透镜1与第二透镜2之间以控制光线入射量。

为得到较好的成像效果，在邻近于成像面6处设置有玻璃平板5，且在玻璃平板5上可以镀上具有一定功效(例如：抗反射或红外线过滤)的薄膜。

上述第一、第二透镜1、2是对称于光圈4，其类似于高斯型式，借此易于校正横向像差，且利用其非球面的特性既可校正像差，又可缩短整个镜头组的光学总长，从而得到一具高成像质量的微小型镜头组。此外，两对称透镜互为补偿，可大幅减轻对相对公差的要求，有助于提高良率，并适用于大量生产。

上述第三透镜3的材料为玻璃，因此对公差的要求也是较为宽松；更可提升整体镜头组的生产良率。此外，由于第三透镜3靠近像方的表面30的曲率半径大于其靠近物方的表面31的曲率半径，适合于其表面镀覆IR薄膜，并减少色偏(color shift)问题。

在一特定实施例中，本发明镜头组的第二透镜2与第一透镜1的焦距比值满足以下条件：

1.5＜-f2/f1＜3.5            (1)

其中：f1是第一透镜1的焦距，f2是第二透镜2的焦距。

本发明镜头组的第三透镜3可以是双凸型式的玻璃透镜，也可以是平凸型式的玻璃透镜，其具有较大孔径，可适合采用多镜片研磨方式进行大量生产，该第三透镜的折射率(nd)满足以下条件：

1.73＜nd＜1.84              (2)

本发明镜头组的第三透镜3的阿贝数(vd)应当满足以下条件：

42＜vd＜55                  (3)

本发明镜头组的第三透镜3与第一透镜1的焦距比值满足以下条件：

1.2＜f3/f1＜1.8             (4)

其中：f3是第三透镜3的焦距。

本发明第一、第二透镜1、2均沿光轴对称，而其凸面10、20及凹面11、21均采用了非球面的设计，通过这种方式校正像差、缩短镜头组的光学总长及降低成本。

上述透镜1、2的非球面公式表示如下：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{[1-(k+1)c^2{h}^2]}^{1/2}}+{\mathrm{Ah}}^4+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}+{\mathrm{Eh}}^{12}$

其中：z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作参考距光轴的位移值，而非球面透镜就是通过由该公式(5)所得的曲面绕光轴方向旋转而成的；k为锥度常量；c＝1/r，r表示曲率半径；h表示镜片高度；A表示四次的非球面系数(4th Order Aspherical Coefficient)；B表示六次的非球面系数(6th OrderAspherical Coefficient)；C表示八次的非球面系数(8th Order AsphericalCoefficient)；D表示十次的非球面系数(10th Order Aspherical Coefficient)；E表示十二次的非球面系数(12th Order Aspherical Coefficient)。

下面将举例说明本发明镜头组在具体实施过程中的数值实施例，其中所涉的表面序号1、2、3、4、5、6将分别代表第一透镜1的凸面10、第一透镜1的凹面11、第二透镜2的凹面21、第二透镜2的凸面20、第三透镜3的其中一表面31、第三透镜3的另一表面30。

本发明镜头组在具体实施过程中的第一数值实施例如下表所示：

表面序号	曲率半径(mm)(Radius)	厚度(mm)(Thickness)	折射率(Nd)	阿贝系数(Vd)	圆锥度(Conic)
						1	1.254371	1.0	1.5435	56.8	-1
2	2.891737	0.7			-25.70336
						3	-0.8398514	0.6	1.5854	30.0	0.4515092
4	-1.422601	0.1			-0.531608
						5	4.534197	1.65	1.8160	46.6	0
6	-67.19731				0

其中非球面系数的具体数值可参下表所列：

4

-0.0044394887

-0.052206289

0.13607374

-0.10480404

0.014336758

在上述第一数值实施例中，由关系表达式(1)至(4)所限定的焦距比值(-f2/f1)为1.657、折射率(nd)为1.8160、阿贝数(vd)为46.6、焦距比值(f3/f1)为1.568。依据该第一数值实施例所得的镜头组的焦距为3.88mm，最大像高为2.3mm，而F#等于3.3，其中F#指的是光线由无限远入射所形成的有效焦距与有效瞳孔直径的比值。

在该第一数值实施例中，本发明镜头组的像差可得到有效校正，如图3A至图3D所示，其中图3A所示的纵向球差(Longitudinal Aberration)是在瞳孔半径为0.6080mm的情况下所测得的，而图中从左至右所示的三个曲线分别是由波长为：0.486μm、0.588μm、0.656μm的入射光所产生的，而在图3B至图3D中所示的像场弯曲(Field Curvature)、像场扭曲(Field Distortion)及横向色差曲线(Transverse Ray Fan Plot)均是由波长为0.588μm的入射光所产生的，并且在图3D中还将所得像高(IMA)为0.0000mm、1.1500mm、1.6100mm、2.3000mm时的横向色差曲线均分别呈现出来。

本发明镜头组在具体实施过程中的第二数值实施例如下表所示：

表面序号	曲率半径(mm)(Radius)	厚度(mm)(Thickness)	折射率(Nd)	阿贝系数(Vd)	圆锥度(Conic)
						1	1.302729	1	1.5435	56.8	-1
2	2.455596	0.7			-2.688061
						3	-0.9016507	0.6	1.5854	30.0	0.462812
4	-1.292029	0.15			0.1123836
						5	4.69296	1.087694	1.7725	49.6	0
6	无穷大				0

其中非球面系数的具体数值可参下表所列：

在上述第二数值实施例中，由关系表达式(1)至(4)所限定的焦距比值(-f2/f1)为3.014、折射率(nd)为1.7725、阿贝数(vd)为49.6、焦距比值(f3/f1)为1.553。依据该第二数值实施例所得的镜头组的焦距为3.88mm，最大像高为2.3mm，而F#等于2.84，其中F#指的是光线由无限远入射所形成的有效焦距与有效瞳孔直径的比值。

在该第二数值实施例中，本发明镜头组的像差可得到有效校正，如图4A至图4D所示，其中图4A所示的纵向球差(Longitudinal Aberration)是在瞳孔半径为0.6937mm的情况下所测得的，而图中从左至右所示的三个曲线分别是由波长为：0.486μm、0.588μm、0.656μm的入射光所产生的，而在图4B至图4D中所示的像场弯曲(Field Curvature)、像场扭曲(Field Distortion)及横向色差曲线(Transverse Ray Fan Plot)均是由波长为0.588μm的入射光所产生的，并且在图4D中还将所得像高(IMA)为0.0000mm、1.1500mm、1.6100mm、2.3000mm时的横向色差曲线图均分别呈现出来。

本发明镜头组在具体实施过程中的第三数值实施例如下表所示：

表面序号	曲率半径(mm)(Radius)	厚度(mm)(Thickness)	折射率(Nd)	阿贝系数(Vd)	圆锥度(Conic)
						1	1.288	1	1.5435	56.8	-1
2	2.78	0.6			-3.790165
						3	-0.846	0.6	1.5854	30.0	0.3034489
4	-1.345	0.1			-0.7088952
						5	4.7	1.65	1.7725	49.6	0
6	-18.262				0

其中非球面系数的具体数值可参下表所列：

在上述第三数值实施例中，由关系表达式(1)至(4)所限定的焦距比值(-f2/f1)为1.96、折射率(nd)为1.7725、阿贝数(vd)为49.6、焦距比值(f3/f1)为1.398。依据该第三数值实施例所得的镜头组的焦距为3.78mm，最大像高为2.3mm，而F#等于2.86，其中F#指的是光线由无限远入射所形成的有效焦距与有效瞳孔直径的比值。

在该第三数值实施例中，本发明镜头组的像差可得到有效校正，如图5A至图5D所示，其中图5A所示的纵向球差(Longitudinal Aberration)是在瞳孔半径为0.6759mm的情况下所测得的，而图中从左至右所示的三个曲线分别是由波长为：0.486μm、0.588μm、0.656μm的入射光所产生的，而在图5B至5D中所示的像场弯曲(Field Curvature)、像场扭曲(Field Distortion)及横向色差曲线(Transverse Ray Fan Plot)均是由波长为0.588μm的入射光所产生的，并且在图5D中还将所得像高(IMA)为0.0000mm、1.1500mm、1.6100mm、2.3000mm时的横向色差曲线图均分别呈现出来。

本发明的镜头组依据第一、二、三数值实施例进行设计均可得到较佳的成像质量。

Claims (18)

1.一种镜头组，其可应用于摄像装置上，该镜头组从物方到像方依次包括有第一透镜、第二透镜，以及邻近于像方的第三透镜，其特征在于：第二透镜与第一透镜是对称排布，且第一透镜的凸面是朝向物方，第二透镜的凸面是朝向像方，第一、第二透镜的凹面是相对而设，而第三透镜的朝向像方的表面的曲率半径大于其朝向物方的表面的曲率半径。

2.如权利要求1所述的镜头组，其特征在于：第一、第二透镜是由塑料材质制成并均呈新月形。

3.如权利要求2所述的镜头组，其特征在于：第一透镜与第二透镜均为非球面透镜，并满足下列非球面公式：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{[1-(k+1)c^2{h}^2]}^{1/2}}+{\mathrm{Ah}}^4+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+D{h}^{10}+{\mathrm{Eh}}^{12}$

其中z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作参考距光轴的位移值，k为锥度常量，c表示曲率半径的倒数，h表示镜片高度，A、B、C、D、E均为非球面系数。

4.如权利要求3所述的镜头组，其特征在于：第二透镜与第一透镜之间满足下列条件：

         1.5＜-f2/f1＜3.5

其中f1是第一透镜的焦距，f2是第二透镜的焦距。

5.如权利要求4所述的镜头组，其特征在于：第三透镜与第一透镜之间满足下列条件：

         1.2＜f3/f1＜1.8

其中f3是第三透镜的焦距。

6.如权利要求1或5所述的镜头组，其特征在于：第三透镜是由玻璃材质制成，其表面是双凸及平凸型式中的任一种，该透镜的折射率(nd)与阿贝数(vd)满足以下条件：

         1.73＜nd＜1.84

           42＜Vd＜55

7.如权利要求6所述的镜头组，其特征在于：在第一透镜与第二透镜之间设置有一光圈。

8.如权利要求7所述的镜头组，其特征在于：在第三透镜与像方之间设置有一玻璃平板。

9.一种镜头组，其从物方到像方依次包括有第一透镜、第二透镜，以及邻近于像方的第三透镜，其特征在于：第二透镜与第一透镜是对称排布，且第一透镜的凸面是朝向物方，第二透镜的凸面是朝向像方，第一、第二透镜的凹面是相对而设，而第三透镜的朝向像方的表面的曲率半径大于其朝向物方的表面的曲率半径，第一、第二、第三透镜之间满足以下条件：

         1.5＜-f2/f1＜3.5

         1.2＜f3/f1＜1.8

其中f1是第一透镜的焦距，f2是第二透镜的焦距，f3是第三透镜的焦距。

10.如权利要求9所述的镜头组，其特征在于：第一、第二透镜是由塑料材质制成并均呈新月形。

11.如权利要求10所述的镜头组，其特征在于：第一、第二透镜均为非球面透镜，且其满足下列非球面公式：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{[1-(k+1)c^2{h}^2]}^{1/2}}+{\mathrm{Ah}}^4+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}+{\mathrm{Eh}}^{12}$

其中z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作参考距光轴的位移值，k为锥度常量，c表示曲率半径的倒数，h表示镜片高度，A、B、C、D、E均为非球面系数。

12.如权利要求11所述的镜头组，其特征在于：第三透镜是由玻璃材质制成，其表面是双凸及平凸型式中的任一种，该透镜的折射率(nd)与阿贝数(vd)满足以下条件：

         1.73＜nd＜1.84

         42＜vd＜55

13.如权利要求12所述的镜头组，其特征在于：在第一透镜与第二透镜之间设置有一光圈。

14.一种镜头组，其从物方到像方依次包括有第一非球面透镜、第二非球面透镜，以及邻近于像方的第三透镜，其特征在于：第二非球面透镜与第一非球面透镜是对称排布，一光圈是位于第一非球面透镜与第二非球面透镜之间，并且第一非球面透镜是正透镜，第二非球面透镜是负透镜，第三透镜是正透镜，这些透镜满足以下条件：

    1.5＜-f2/f1＜3.5

    1.2＜f3/f1＜1.8

    1.73＜nd＜1.84

    42＜vd＜55

其中f1是第一非球面透镜的焦距，f2是第二非球面透镜的焦距，f3是第三透镜的焦距，nd是第三透镜的折射率，vd是第三透镜的阿贝数。

15.如权利要求14所述的镜头组，其特征在于：对称排布的第一非球面透镜与第二非球面透镜均为新月形塑料透镜，第一非球面透镜的凸面朝向物方，第二非球面透镜的凸面朝向像方，而第一、第二透镜的凹面是相对而设。

16.如权利要求15所述的镜头组，其特征在于：第一非球面透镜与第二非球面透镜满足下列非球面公式：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{[1-(k+1)c^2{h}^2]}^{1/2}}+{\mathrm{Ah}}^4++{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Dh}}^{10}+{\mathrm{Eh}}^{12}$

其中z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作参考距光轴的位移值，k为锥度常量，c表示曲率半径的倒数，h表示镜片高度，A、B、C、D、E均为非球面系数。

17.如权利要求16所述的镜头组，其特征在于：第三透镜是玻璃材质，其表面是双凸及平凸型式中的任一种，其靠近像方的表面的曲率半径大于其靠近物方的表面的曲率半径。

18.如权利要求14或17所述的镜头组，其特征在于：在第三透镜与像方之间还设置有一玻璃平板。

Images