攝像鏡頭系統的製作方法

2023-09-17 07:22:50

專利名稱：攝像鏡頭系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微型攝影鏡頭系統，尤其涉及適用於手機、PC照相機等的微型攝像元件的鏡頭系統。
背景技術：
近年來，隨著多媒體的發展，對搭載在手提電腦和可視電話以及手機等上使用了CCD(Charged Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等固體成像器件的攝像元件的需求越來越大。而這種需求增大的本身又要求鏡頭系統更進一步的小型化。
另一方面，由於這些固體成像器件如CCD或者CMOS的工藝技術提高，已經製作出每個像素只有幾個微米大小的成像器件，使得系統小型化的同時提高了對攝像鏡頭的解析度的要求。因此，提供一種具小型化、低成本、光學性能優良且成像質量好的鏡頭系統是現今微型攝像元件的發展方向。
小型化是指從鏡頭的第一面到成像面的距離(即成像系統的總長)要短。
低成本是希望系統包含較少的透鏡數目，且透鏡本身易於批量加工和裝配。
而鏡頭系統的性能優良和成像質量好可從以下幾個方面考量1.鏡頭的速度快。即鏡頭本身具有比較小的F數，一般為2.8或者更快。
2.視場角較大。比如半視場角在30度或更大。
3.像面照度一致。即儘量減少漸暈攔光以提高視場邊緣的照度。
4.解析度高。即儘量校正各種單色像差並儘量減少色差。
單從低成本而言，希望僅採用一枚成像透鏡，並且最好是塑料透鏡。但是，單枚透鏡一方面即使使用兩個非球面也很難實現比較好的成像質量和光學特性(比如大的視場角70度)，大多只能應用在比較低端的產品，如11萬像素的CMOS，另一方面單枚透鏡為了校正像差，多採用厚透鏡結構，其總長和焦距的比值(L/f)多在2左右，並不能夠縮減系統的整體尺寸。典型的設計結構參見美國專利第6,297,915B1號及歐洲專利第EP1271215A2號，其基本的光學特性是總長與焦距比在2左右，主要針對11萬像素的CMOS的應用，對於比較高端的應用如30萬像素的VGA，單枚鏡片的結構無論是從光學特性還是從便攜性上都難以達到要求。
單從成像質量上而言，已經有一些用於手機和攝像頭的鏡頭系統中採用三片透鏡的結構，具體可參見美國專利第5,940,219號，但是該專利所揭示的透鏡系統總長和焦距比都在2左右，難以滿足系統的小型化，而且透鏡數目的增加會導致系統的成本增加。
因此，既兼顧成本又兼顧成像質量的設計是採用雙鏡片結構。雙鏡片結構一方面提供更多的設計自由度，使得成像質量可以相對於單鏡片結構得以提高，另一方面又比三片型降低了成本，縮減了系統的整體尺寸。
已有的兩片型結構以反遠距型居多，具體可參見美國專利第6,449,105B1號，該鏡頭系統從物側到像側依次包括一負光焦度的彎月型透鏡，光欄和一正光焦度的彎月型透鏡。這種結構對廣角消像差是有利的，它的後工作距(成像透鏡最後一面到像面的距離)用以放置快門比較長，因此，其後工作距很長使得減少系統整體長度比較困難，限制了系統的小型化。
為解決上述問題，公開號為2004/0036983的美國專利申請揭示一種攝像鏡頭系統。如圖30所示，該鏡頭系統從物側到成像面5依次包括一光欄1，一兩面皆凸的正透鏡2和一凹面在物側的彎月型透鏡3。當每枚透鏡都包括至少一非球面，且以f表示系統焦距總長，f1表示該正透鏡的焦距長度，以T表示從光欄到成像面5的長度，則該系統需要滿足0.3＜f1/f＜0.9和T/f＜2.4兩個條件。
但是該系統的總長與焦距比也在2左右，最小時也在1.7，使小型化仍然受到一定的限制，而且其倍率色差很大，超過艾裡斑(Airy)一倍以上，軸向色差也比較大，使得整個系統的成像質量受到影響。

發明內容本發明要解決的技術問題是克服以上攝像鏡頭系統進一步小型化較為困難，且由於色差較大造成成像質量的不足，提供一種可進一步小型化且成像質量較好的攝像鏡頭系統。
本發明解決技術問題的技術方案是提供一種攝像鏡頭系統，其從物側到成像面依次包括光欄，一雙面皆凸的第一透鏡和一呈彎月型且凹面彎向物側的第二透鏡，該第一和第二透鏡都至少有一面為非球面，且滿足條件式(1)1＜T/f＜1.62和(2)0.5＜f1/f＜0.9，其中T光欄到成像面的距離；f整個攝像鏡頭的焦距；f1第一透鏡的焦距。
為消除單色像差及較小高級像差，該攝像鏡頭系統還滿足條件式(3)0.2＜R2/R1＜1和(4)1.2＜d/R2＜2.1，其中R1第一透鏡靠近物側的表面曲率半徑的絕對值；R2第一透鏡靠近成像面的表面曲率半徑的絕對值；d第一透鏡的厚度。
為校正場曲，該攝像鏡頭系統還進一步滿足條件式(5)0.5＜(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)＜1，其中R3第二透鏡靠近物側的凹面曲率半徑的絕對值；R4第二透鏡靠近像側的表面曲率半徑的絕對值。
為更好的消除色差，尤其是倍率色差，第一透鏡和第二透鏡還滿足條件式(6)v1-v2＞20，其中v1第一透鏡的Abbe數；v2第二透鏡的Abbe數。
與現有技術相比較，本發明提供的攝像鏡頭系統在靠近光欄的第一透鏡的至少一面採用了非球面，可以很好的校正系統的球差和慧差。由於第二透鏡遠離光欄，不同視場角的主光線在其上的投影高度相差比較大，通過第二透鏡的至少一面的非球面化，可以很好的校正與視場有關的像差，比如像散，場曲和畸變。而且第二透鏡的靠近成像面的第二面具有從光軸向邊緣方向使折射逐漸變緩的形狀，此面中心部分發散光線而邊緣部分會聚光線，使得弧矢與子午像面易於重合，且邊緣成像位置能夠後移，提高了在廣角下的成像質量。另外，由於該第一透鏡和第二透鏡都可採用塑料製成，可有效降低成本，易於實現量產。

圖1是本發明的攝像鏡頭系統的構成示意圖。
圖2是本發明的攝像鏡頭系統第1實施例的垂軸像差曲線。
圖3是本發明的攝像鏡頭系統第1實施例的像散與場曲以及畸變曲線。
圖4是本發明的攝像鏡頭系統第1實施例的軸上點球差色差曲線。
圖5是本發明的攝像鏡頭系統第1實施例的倍率色差曲線。
圖6是本發明的攝像鏡頭系統第2實施例的垂軸像差曲線。
圖7是本發明的攝像鏡頭系統第2實施例的像散與場曲以及畸變曲線。
圖8是本發明的攝像鏡頭系統第2實施例的軸上點球差色差曲線。
圖9是本發明的攝像鏡頭系統第2實施例的倍率色差曲線。
圖10是本發明的攝像鏡頭系統第3實施例的垂軸像差曲線。
圖11是本發明的攝像鏡頭系統第3實施例的像散與場曲以及畸變曲線。
圖12是本發明的攝像鏡頭系統第3實施例的軸上點球差色差曲線。
圖13是本發明的攝像鏡頭系統第3實施例的倍率色差曲線。
圖14是本發明的攝像鏡頭系統第4實施例的垂軸像差曲線。
圖15是本發明的攝像鏡頭系統第4實施例的像散與場曲以及畸變曲線。
圖16是本發明的攝像鏡頭系統第4實施例的軸上點球差色差曲線。
圖17是本發明的攝像鏡頭系統第4實施例的倍率色差曲線。
圖18是本發明的攝像鏡頭系統第5實施例的垂軸像差曲線。
圖19是本發明的攝像鏡頭系統第5實施例的像散與場曲以及畸變曲線。
圖20是本發明的攝像鏡頭系統第5實施例的軸上點球差色差曲線。
圖21是本發明的攝像鏡頭系統第5實施例的倍率色差曲線。
圖22是本發明的攝像鏡頭系統第6實施例的垂軸像差曲線。
圖23是本發明的攝像鏡頭系統第6實施例的像散與場曲以及畸變曲線。
圖24是本發明的攝像鏡頭系統第6實施例的軸上點球差色差曲線。
圖25是本發明的攝像鏡頭系統第6實施例的倍率色差曲線。
圖26是本發明的攝像鏡頭系統第7實施例的垂軸像差曲線。
圖27是本發明的攝像鏡頭系統第7實施例的像散與場曲以及畸變曲線。
圖28是本發明的攝像鏡頭系統第7實施例的軸上點球差色差曲線。
圖29是本發明的攝像鏡頭系統第7實施例的倍率色差曲線。
圖30是公開號為2004/0036983的美國專利申請的攝像鏡頭系統構成示意圖。
具體實施方式
圖1是本發明攝像鏡頭系統的構成示意圖。光線從物側方向入射，經過靠近物側的光欄10，一個雙面皆凸的第一透鏡20和一彎月型第二透鏡30，該彎月型第二透鏡30具有一凹面彎向物側以會聚光到一成像裝置CCD或CMOS的成像面40。該第一透鏡20和第二透鏡30都至少有一個表面是非球面。
首先，將光欄10放置在系統最靠近物側的位置是為了減小主光線入射到成像面40的角度，而且光欄10放在系統最前面的位置也有利於減少系統總長。
為了實現整個系統的小型化且成像質量較好，該系統的第一透鏡20和第二透鏡30滿足以下條件式(1)1＜T/f＜1.62；和
(2)0.5＜f1/f＜0.9，其中T光欄到像面的距離；f整個攝像鏡頭的焦距；f1第一透鏡20的焦距。條件式(1)限制了系統的總長，條件式(2)是為了消單色像差並滿足總長要求即條件式(1)而得到的光焦度的分配，f1/f的比值在下界0.5以上，則滿足系統對總光焦度的要求，使得高階球差慧差和倍率色差在控制範圍之內；而f1/f的比值小於上界0.9則一方面保證系統總的光焦度，同時能夠減小系統的總長。
較佳的，第一透鏡20還滿足條件式(3)0.2＜R2/R1＜1；和(4)1.2＜d/R2＜2.1，其中R1第一透鏡20靠近物側的表面(第一表面，未標示)曲率半徑的絕對值；R2第一透鏡20靠近成像面40的表面(第二表面，未標示)曲率半徑的絕對值；d第一透鏡20的厚度。條件式(3)是為了滿足消單色像差而得到的第一透鏡20的光焦度分配，而條件式(4)則是為了減小第一透鏡20的第二表面的入射角度(即近似的光欄同心)，從而減小高級像差。
更優選的，第一透鏡20和第二透鏡30還滿足條件式(5)0.5＜(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)＜1，其中R3第二透鏡30靠近物側的凹面(第三表面，未標示)曲率半徑的絕對值；R4第二透鏡30靠近成像面的表面(第四表面，未標示)曲率半徑的絕對值。條件式(5)是為了校正場曲而得到平像場。當(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)的值小於上界1時，第二透鏡30第三表面的負光焦度可以很好的補償第一透鏡20產生的正慧差，同時由於此時的R3不會太小，從而減小了系統的高級像差；而(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)的值大於下界0.5時，該第二透鏡30第三表面所產生的負Petzval場曲和(匹茲萬場曲和)就能夠補償第一透鏡20的第一，第二兩個表面以及第二透鏡30的第四表面所產生的正Petzval場曲和，使得場曲的校正相對容易。而且滿足條件式(5)，第二透鏡30的凹面所產生負光焦度能夠較好的校正由第一透鏡20所產生的倍率色差。由於R3是系統中最小的曲率面，為了保證系統在校正場曲的同時減小高級像差的產生，應該儘量讓曲率半徑小的面與光欄同心，因此第二透鏡30必須彎向光欄。
為了更好的消除色差，尤其是倍率色差，第一透鏡20所用材料的Abbe數v1和第二透鏡30所用材料的Abbe數v2應該滿足如下條件式(6)v1-v2＞20。
可以理解的是，為了降低成本，本發明的攝像鏡頭系統可以採用直接將光欄10做在第一透鏡20的第一表面上，節省系統的組成元件，實際操作時，還可以直接將第一透鏡20的第一表面上不透光的部分塗黑以當作光欄。
亦可以理解的是，本發明的攝像鏡頭系統的第一透鏡20和第二透鏡30都採用塑料製成以降低成本，並且易於實現量產。
下面參照圖2到圖29以具體實施例來詳細說明本發明的攝像鏡頭系統。
以下每個實施例中，第一透鏡20的第一表面，第二表面和第二透鏡30的第三表面，第四表面均採用非球面。
非球面面型表達式如下x=ch21+1-(k+1)c2h2+Aihi]]>其中，h=Y2+Z2]]>為從光軸到透鏡表面的高度，k是二次曲面係數，Ai為第i階的非球面面型係數。
T光欄到像面的距離；f整個攝像鏡頭的焦距；FNoF數；ω半視場角；2ω視場角；R光學面的曲率半徑；d光學面到光軸的距離；Nd折射率；vAbbe數。
實施例1該攝像鏡頭系統滿足表1和表2的條件表1
表2
該實施例1的攝像鏡頭系統中，其垂軸像差、場曲與畸變、軸上點球差色差和倍率色差分別如圖2到圖5所示。其中圖2(A)、圖2(B)、圖2(C)和圖2(D)分別表示垂軸像差的0°、15°、25°和35°四個視場的子午與弧矢像面，而圖3(A)和圖3(B)分別表示場曲曲線與畸變曲線。由圖上可以看出，上述像差、場曲、畸變、色差都能被很好的校正。
實施例2該攝像鏡頭系統滿足表3和表4的條件表3
表4
該實施例2的攝像鏡頭系統中，其垂軸像差、場曲與畸變、軸上點球差色差和倍率色差分別如圖6到圖9所示。其中圖6(A)、圖6(B)、圖6(C)和圖6(D)分別表示垂軸像差的0°、15°、25°和35°四個視場的子午與弧矢像面，而圖7(A)和圖7(B)分別表示場曲曲線與畸變曲線。由圖上可以看出，上述像差、場曲、畸變、色差都能被很好的校正。
實施例3該攝像鏡頭系統滿足表5和表6的條件表5
表6
該實施例3的攝像鏡頭系統中，其垂軸像差、場曲與畸變、軸上點球差色差和倍率色差分別如圖10到圖13所示。其中圖10(A)、圖10(B)、圖10(C)和圖10(D)分別表示垂軸像差的0°、15°、25°和35°四個視場的子午與弧矢像面，而圖11(A)和圖11(B)分別表示場曲曲線與畸變曲線。由圖上可以看出，上述像差、場曲、畸變、色差都能被很好的校正。
實施例4該攝像鏡頭系統滿足表7和表8的條件表7
表8
該實施例4的攝像鏡頭系統中，其垂軸像差、場曲與畸變、軸上點球差色差和倍率色差分別如圖14到圖17所示。其中圖14(A)、圖14(B)、圖14(C)和圖14(D)分別表示垂軸像差的0°、15°、25°和35°四個視場的子午與弧矢像面，而圖15(A)和圖15(B)分別表示場曲曲線與畸變曲線。由圖上可以看出，上述像差、場曲、畸變、色差都能被很好的校正。
實施例5該攝像鏡頭系統滿足表9和表10的條件表9
表10
該實施例5的攝像鏡頭系統中，其垂軸像差、場曲與畸變、軸上點球差色差和倍率色差分別如圖18到圖21所示。其中圖18(A)、圖18(B)、圖18(C)和圖18(D)分別表示垂軸像差的0°、15°、25°和35°五個視場的子午與弧矢像面，而圖19(A)和圖19(B)分別表示場曲曲線與畸變曲線。由圖上可以看出，上述像差、場曲、畸變、色差都能被很好的校正。
實施例6該攝像鏡頭系統滿足表11和表12的條件表11
表12
該實施例6的攝像鏡頭系統中，其垂軸像差、場曲與畸變、軸上點球差色差和倍率色差分別如圖22到圖25所示。其中圖22(A)、圖22(B)、圖22(C)和圖22(D)分別表示垂軸像差的0°、15°、25°和35°四個視場的子午與弧矢像面，而圖23(A)和圖23(B)分別表示場曲曲線與畸變曲線。由圖上可以看出，上述像差、場曲、畸變、色差都能被很好的校正。
實施例7該攝像鏡頭系統滿足表13和表14的條件表13
表14
該實施例7的攝像鏡頭系統中，其垂軸像差、場曲與畸變、軸上點球差色差和倍率色差分別如圖26到圖29所示。其中圖26(A)、圖26(B)、圖26(C)和圖26(D)分別表示垂軸像差的0°、15°、25°和35°四個視場的子午與弧矢像面，而圖27(A)和圖27(B)分別表示場曲曲線與畸變曲線。由圖上可以看出，上述像差、場曲、畸變、色差都能被很好的校正。
表15是7個實施例及其對應的光學特性，包括孔徑、視場角和焦距，以及與前面每個條件式對應的數值。
其中，實施例1到實施例5，第一透鏡20和第二透鏡30的材料分別是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)，實施例6和7中第一透鏡20和第二透鏡30的材料分別是環烯烴聚合物(Cyclo-olefin Polymers)和聚碳酸酯(PC)。
表15
綜上，本發明的攝像鏡頭系統採用兩片型結構，從物側到成像面依次包括光欄，一兩面皆凸的第一透鏡和一彎月型且凹面彎向物側的第二透鏡，並且該第一和第二透鏡的兩面中都至少有一面為非球面，在滿足一定的條件式下可有效縮短兩片型鏡頭系統結構的總長。並且該系統可在大視場(視場角在60度以上)情況下，實現畸變在2％以內，有效校正各種像差、色差，提高在廣角下的成像質量，並可實現低成本量產。
權利要求
1.一種攝像鏡頭系統，其從物側到成像面依次包括光欄，一兩面皆凸的第一透鏡和一彎月型，且凹面彎向物側的第二透鏡，其特徵在於該第一和第二透鏡都至少有一表面為非球面，且滿足條件式(1)1＜T/f＜1.62和(2)0.5＜f1/f＜0.9，其中T光欄到成像面的距離；f整個攝像鏡頭的焦距；f1第一透鏡的焦距。
2.如權利要求1所述的攝像鏡頭系統，其特徵在於第一透鏡兩面皆為非球面，且滿足條件式(3)0.2＜R2/R1＜1和(4)1.2＜d/R2＜2.1，其中R1第一透鏡靠近物側的表面曲率半徑的絕對值；R2第一透鏡靠近成像面的表面曲率半徑的絕對值；d第一透鏡的厚度。
3.如權利要求2所述的攝像鏡頭系統，其特徵在於第二透鏡兩面皆為非球面，且滿足條件式(5)0.5＜(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)＜1，其中R3第二透鏡靠近物側的凹面曲率半徑的絕對值；R4第二透鏡靠近成像面的表面曲率半徑的絕對值。
4.如權利要求1所述的攝像鏡頭系統，其特徵在於第一透鏡和第二透鏡滿足條件式(6)v 1-v2＞20，其中v1第一透鏡的Abbe數；v2第二透鏡的Abbe數。
5.如權利要求1所述的攝像鏡頭系統，其特徵在於第一透鏡和第二透鏡皆由塑料製成。
6.如權利要求5所述的攝像鏡頭系統，其特徵在於所述塑料包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和環烯烴聚合物。
7.如權利要求1所述的攝像鏡頭系統，其特徵在於光欄形成在第一透鏡面向物側的表面。
全文摘要
本發明提供一種攝像鏡頭系統，其從物側到成像面依次包括光欄，一雙面皆凸的第一透鏡和一呈彎月型且凹面彎向物側的第二透鏡，該第一和第二透鏡都至少有一面為非球面，且滿足條件式(1)1＜T/f＜1.62和(2)0.5＜f1/f＜0.9，其中T光欄到像面的距離；f整個攝像鏡頭的焦距；f1第一透鏡的焦距。
文檔編號G02B13/00GK1696758SQ20041002725
公開日2005年11月16日 申請日期2004年5月15日 優先權日2004年5月15日
發明者王卓, 王民強, 嚴瑛白, 金國藩, 曾吉勇 申請人:清華大學, 鴻富錦精密工業(深圳)有限公司