專利名稱：微型攝像鏡頭系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種攝像鏡頭系統(tǒng)，尤其涉及適用于手機、PC照相機等微型攝像元件的微型攝像鏡頭系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，隨著多媒體的發(fā)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(tǒng)更進(jìn)一步的小型化。
另一方面，由于這些固體成像器件如CCD或者CMOS的工藝技術(shù)提高，已經(jīng)制作出每個像素只有幾個微米大小的成像器件，使得系統(tǒng)小型化的同時提高了對攝像鏡頭的分辨率的要求。因此，提供一種具小型化、低成本、光學(xué)性能優(yōu)良且成像質(zhì)量好的鏡頭系統(tǒng)是現(xiàn)今微型攝像元件的發(fā)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(tǒng)的總長)要短。
低成本是希望系統(tǒng)包含較少的透鏡數(shù)目，且透鏡本身易于批量加工和裝配。
而鏡頭系統(tǒng)的性能優(yōu)良和成像質(zhì)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(shù)，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。即盡量減少漸暈攔光以提高視場邊緣的照度。
4.分辨率高。即盡量校正各種單色像差并盡量減少色差。
單從低成本而言，希望僅采用一枚成像透鏡，并且最好是塑料透鏡。但是，單枚透鏡一方面即使使用兩個非球面也很難實現(xiàn)比較好的成像質(zhì)量和光學(xué)特性(比如大的視場角70度)，大多只能應(yīng)用在比較低端的產(chǎn)品，如11萬像素的CMOS，另一方面單枚透鏡為了校正像差，多采用厚透鏡結(jié)構(gòu)，其總長和焦距的比值(L/f)多在2左右，并不能夠縮減系統(tǒng)的整體尺寸。典型的設(shè)計結(jié)構(gòu)參見美國專利第6,297,915B1號及歐洲專利第EP1271215A3號，其基本的光學(xué)特性是總長與焦距比在2左右，主要針對較低像素(如11萬像素)的應(yīng)用，對于比較高端的應(yīng)用(如30萬像素)，單枚鏡片的結(jié)構(gòu)無論是從光學(xué)特性還是從便攜性上都難以達(dá)到要求。
單從成像質(zhì)量上而言，已經(jīng)有一些用于手機和攝像頭的微型攝像鏡頭系統(tǒng)中采用三片透鏡的結(jié)構(gòu)，具體可參見公開號為2003/0193605的美國專利申請，甚至有采用四片透鏡的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)好的成像質(zhì)量，具體看參見公開號為2004/0012861的美國專利申請。但是上述的微型攝像鏡頭系統(tǒng)由于鏡片數(shù)目的增加導(dǎo)致系統(tǒng)成本的增加。
因此，既兼顧成本又兼顧成像質(zhì)量的設(shè)計是采用雙鏡片結(jié)構(gòu)。雙鏡片結(jié)構(gòu)一方面提供更多的設(shè)計自由度，使得成像質(zhì)量可以相對于單鏡片結(jié)構(gòu)得以提高，另一方面又比三片型降低了成本，縮減了系統(tǒng)的整體尺寸。
已有的兩片型結(jié)構(gòu)以反遠(yuǎn)距型居多，具體可參見美國專利第6,449,105B1號，該鏡頭系統(tǒng)從物側(cè)到像側(cè)依次包括一負(fù)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(jié)構(gòu)對廣角消像差是有利的。它的另一個重要特點是后工作距(成像透鏡最后一面到像面的距離)用以放置快門比較長。但是，其后工作距很長使得減少系統(tǒng)整體長度比較困難，限制了系統(tǒng)的小型化。
為了滿足上述需求，已經(jīng)有的針對VGA(30萬像素)光學(xué)模組普遍采用了兩片塑料透鏡，并含有4個非球面的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能夠滿足系統(tǒng)小型化和低成本的要求，典型的如公開號為2004/0036983的美國專利申請和歐洲專利EP1357414A1，其成像質(zhì)量也可以滿足30萬像素的需要。然而，設(shè)第一枚透鏡的阿貝數(shù)為v1，第二枚透鏡的阿貝數(shù)為v2，該公開號為2004/0036983的美國專利申請中，總長與焦距比在2左右，要求v1＞50，v2＜40；歐洲專利EP1357414A1中，其總長與焦距比在1.7左右，且要求v1-v2＞25以消除色差。也就是說，以上兩個系統(tǒng)最小的總長與焦距比也在1.7左右，即在進(jìn)一步小型化時受到一定限制，且兩枚透鏡需要采用不同材料以消除色差。一方面，如果將至少一種材料換為玻璃，可很好的消除色差，進(jìn)一步提高成像質(zhì)量。但是，成本也隨之提高。另一方面，如果采用兩種不同的塑料，首先，由于透鏡均為非球面面形，量產(chǎn)一般采用鑄模來實現(xiàn)，而不同材料對于鑄模工藝有不同的要求，難以降低工藝的復(fù)雜性，成本較高；其次，由于塑料材料還存在吸濕性(Water Absorbency)的問題，廣泛用于手機數(shù)位相機的塑料材料中，僅非晶型聚烯烴材料Zeonex(Polyolefin Resin或Cyclo-olefinPolymers)的吸濕性很低(＜0.01％)，而聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的典型值為1.5％，聚碳酸酯(PC)為0.4％，故兩枚透鏡中至少一枚透鏡存在吸濕性的問題，而該透鏡的吸濕變形將導(dǎo)致整個系統(tǒng)的光學(xué)性能下降。
從另外的角度看，由于30萬象素的CMOS本身對成像質(zhì)量的要求相對較低，色差的影響比較小，在鏡頭焦距比較短(約4mm)的情況下，鏡頭設(shè)計中可以不考慮色差的影響。如果能夠在成像質(zhì)量，尤其是軸向色差和倍率色差稍有降低但仍能滿足30萬象素CMOS需要的情況下，前后兩枚透鏡采用同一種塑料，有利于進(jìn)一步降低成本。
有鑒于此，提供一種低成本，可進(jìn)一步小型化且采用同一種塑料作為透鏡材料的微型攝像鏡頭系統(tǒng)實為必要。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服以上微型攝像鏡頭系統(tǒng)成本較高，進(jìn)一步小型化較為困難，且由于對不同材料鑄模難以降低工藝復(fù)雜性，提供一種低成本，可進(jìn)一步小型化且采用同一種塑料作為透鏡材料的微型攝像鏡頭系統(tǒng)。
本發(fā)明解決技術(shù)問題的技術(shù)方案是提供一種微型攝像鏡頭系統(tǒng)，其從物側(cè)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(cè)的第二透鏡，該第一和第二透鏡都至少有一面為非球面，且均采用同一種塑料制成，該系統(tǒng)還滿足條件式(1)1＜T/f＜1.7，其中T表示光欄到成像面的距離；f表示整個攝像鏡頭的焦距。
為消除單色像差并滿足總長要求，該攝像鏡頭系統(tǒng)還滿足條件式(2)0.5＜f1/f＜0.8和(3)0.2＜R2/R1＜1，其中f1表示第一透鏡的焦距；R1表示第一透鏡靠近物側(cè)的表面曲率半徑的絕對值；R2表示第一透鏡靠近成像面的表面曲率半徑的絕對值。
為減少第一透鏡靠近成像面的表面的光線入射角，從而減小高級像差，該攝像鏡頭系統(tǒng)還滿足條件式(4)1.2＜d/R2＜2.1，其中d表示第一透鏡的厚度。
為校正場曲，該攝像鏡頭系統(tǒng)還進(jìn)一步滿足條件式(5)0.7＜(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)＜1，其中R3表示第二透鏡靠近物側(cè)的凹面曲率半徑的絕對值；R4表示第二透鏡靠近像側(cè)的表面曲率半徑的絕對值。
為避免透鏡吸濕變形導(dǎo)致系統(tǒng)的光學(xué)性能下降，本發(fā)明所述塑料選自非晶型聚烯烴材料。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的微型攝像鏡頭系統(tǒng)滿足條件式(1)1＜T/f＜1.7，可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的進(jìn)一步小型化；此外，第一透鏡和第二透鏡均采用同一種塑料制成，可簡化制作工藝、降低成本，且該塑料制成的透鏡避免了因吸濕變形而導(dǎo)致的整個系統(tǒng)光學(xué)性能下降。
圖1是本發(fā)明的微型攝像鏡頭系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖。
圖2是本發(fā)明的微型攝像鏡頭系統(tǒng)第一實施例的光路示意圖。
圖3A至圖6分別是本發(fā)明的微型攝像鏡頭系統(tǒng)第一實施例的垂軸像差曲線、像散與場曲以及畸變曲線、軸上點球差色差曲線以及倍率色差曲線圖。
圖7是本發(fā)明的微型攝像鏡頭系統(tǒng)第二實施例的光路示意圖。
圖8A至圖11分別是本發(fā)明的微型攝像鏡頭系統(tǒng)第二實施例的垂軸像差曲線、像散與場曲以及畸變曲線、軸上點球差色差曲線以及倍率色差曲線圖。
圖12是本發(fā)明的微型攝像鏡頭系統(tǒng)第三實施例的光路示意圖。
圖13A至圖16分別是本發(fā)明的微型攝像鏡頭系統(tǒng)第三實施例的垂軸像差曲線、像散與場曲以及畸變曲線、軸上點球差色差曲線以及倍率色差曲線圖。
圖17是本發(fā)明的微型攝像鏡頭系統(tǒng)第四實施例的光路示意圖。
圖18A至圖21分別是本發(fā)明的微型攝像鏡頭系統(tǒng)第四實施例的垂軸像差曲線、像散與場曲以及畸變曲線、軸上點球差色差曲線以及倍率色差曲線圖。
具體實施方式
圖1是本發(fā)明微型攝像鏡頭系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖。光線從物側(cè)方向入射，經(jīng)過靠近物側(cè)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(cè)以會聚光經(jīng)過保護(hù)玻璃40到一成像裝置CCD或CMOS的成像面50。該第一透鏡20和第二透鏡30都至少有一個表面是非球面，且該第一透鏡20和第二透鏡30均為同一種塑料制成。
首先，將光欄10放置在系統(tǒng)最靠近物側(cè)的位置是為了減小主光線入射到成像面50的角度，而且光欄10放在系統(tǒng)最前面的位置也有利于減少系統(tǒng)總長。
可以理解的是，為了降低成本，本發(fā)明的攝像鏡頭系統(tǒng)可以采用直接將光欄10設(shè)置在第一透鏡20靠近物側(cè)的第一表面(未標(biāo)示)上，節(jié)省系統(tǒng)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涂黑以當(dāng)作光欄。
為了實現(xiàn)整個系統(tǒng)的小型化且成像質(zhì)量較好，該系統(tǒng)的第一透鏡20和第二透鏡30滿足以下條件式(1)1＜T/f＜1.7，其中T表示光欄到像面的距離；f表示整個攝像鏡頭的焦距。條件式(1)限制了系統(tǒng)的總長。系統(tǒng)的總長與焦距比和成像質(zhì)量有直接關(guān)系，尤其是需要控制主光學(xué)出射角度時，可以在滿足小型化的要求的同時提高成像質(zhì)量。較佳的，第一透鏡20的兩表面都為非球面，且還滿足條件式(2)0.5＜f1/f＜0.8；和(3)0.2＜R2/R1＜1，其中，f1表示第一透鏡20的焦距；R1表示第一透鏡20靠近物側(cè)的表面(第一表面，未標(biāo)示)曲率半徑的絕對值。條件式(2)是為了消單色像差并滿足總長要求即條件式(1)而得到的光焦度的分配，f1/f的比值在下限0.5以上，則滿足系統(tǒng)對總光焦度的要求，使得高階球差慧差和倍率色差在控制范圍之內(nèi)；而f1/f的比值小于上限0.8則一方面保證系統(tǒng)總的光焦度，同時能夠減小系統(tǒng)的總長。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。
較佳的，第一透鏡20還滿足條件式(4)1.2＜d/R2＜2.1，其中d表示第一透鏡20的厚度；R2表示第一透鏡20靠近成像面50的表面(第二表面，未標(biāo)示)曲率半徑的絕對值。條件式(4)是為了減少所述第一透鏡20第二表面光線的入射角，從而減少高級像差而須滿足的結(jié)構(gòu)約束。
更優(yōu)選的，第二透鏡30的兩表面也均為非球面，且第一透鏡20和第二透鏡30還滿足條件式(5)0.7＜(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)＜1，其中R3表示第二透鏡30靠近物側(cè)的凹面(第三表面，未標(biāo)示)曲率半徑的絕對值；R4表示第二透鏡30靠近成像面50的表面(第四表面，未標(biāo)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(dāng)R3的值使(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)小于上限1時，第二透鏡30第三表面的負(fù)光焦度可以很好的補償?shù)谝煌哥R20產(chǎn)生的正慧差，同時由于此時的R3不會太小，從而減小了系統(tǒng)的高級像差；而R3的值使(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)大于下限0.7時，該第二透鏡30第三表面所產(chǎn)生的負(fù)Petzval場曲和(匹茲萬場曲和)就能夠補償?shù)谝煌哥R20的第一，第二兩個表面以及第二透鏡30的第四表面所產(chǎn)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的第三表面所產(chǎn)生負(fù)光焦度能夠較好的校正由第一透鏡20所產(chǎn)生的倍率色差。由于該第三表面是系統(tǒng)中最小的曲率面，為了保證系統(tǒng)在校正場曲的同時減小高級像差的產(chǎn)生，應(yīng)該盡量讓曲率半徑小的面與光欄同心，因此第二透鏡30的第三表面必須彎向光欄。
本發(fā)明的第一透鏡20及第二透鏡30均采用同一種塑料制成，可降低工藝復(fù)雜性，同時降低成本。
更優(yōu)選的，本發(fā)明所述塑料選自非晶型聚烯烴材料。
下面參照圖2到圖21以具體實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的攝像鏡頭系統(tǒng)。
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，第四表面均采用非球面。非球面面型表達(dá)式如下x=ch21+1-(k+1)c2h2+ΣAihi]]>其中，h=Y2+Z2]]>為從光軸到透鏡表面的高度，k是二次曲面系數(shù)，Ai為第i階的非球面面型系數(shù)。
T表示光欄到像面的距離；f表示整個攝像鏡頭的焦距；FNo表示F數(shù)；ω表示半視場角；θ表示主光線出射角；R表示光學(xué)面的曲率半徑；d表示光學(xué)面到光軸的距離；Nd表示材料的折射率；ν表示材料的阿貝數(shù)。
第一實施例圖2是本發(fā)明微型攝像鏡頭系統(tǒng)第一實施例的光路示意圖。
該微型攝像鏡頭系統(tǒng)滿足表1和表2的條件表1
表2
該第一實施例的微型攝像鏡頭系統(tǒng)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3到圖6所示。其中圖3A、圖3B、圖3C和圖3D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4A和圖4B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。
第二實施例圖7是本發(fā)明微型攝像鏡頭系統(tǒng)第二實施例的光路示意圖。
該微型攝像鏡頭系統(tǒng)滿足表3和表4的條件表3
表4
該第二實施例的微型攝像鏡頭系統(tǒng)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8到圖11所示。其中圖8A、圖8B、圖8C和圖8D分別表示垂軸像差的0°、12°、23°和32°四個視場的子午與弧矢像面，而圖9A和圖9B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。
第三實施例圖12是本發(fā)明微型攝像鏡頭系統(tǒng)第三實施例的光路示意圖。
該微型攝像鏡頭系統(tǒng)滿足表5和表6的條件表5
表6
該第三實施例的微型攝像鏡頭系統(tǒng)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13到圖16所示。其中圖13A、圖13B、圖13C和圖13D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14A和圖14B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。
第四實施例圖17是本發(fā)明微型攝像鏡頭系統(tǒng)第四實施例的光路示意圖。
該微型攝像鏡頭系統(tǒng)滿足表7和表8的條件表7
表8
該第四實施例的微型攝像鏡頭系統(tǒng)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18A、圖18B、圖18C和圖18D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19A和圖19B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9是4個實施例及其對應(yīng)的光學(xué)特性，包括孔徑、視場角和焦距，以及與前面每個條件式對應(yīng)的數(shù)值。
其中，各實施例中第一透鏡及第二透鏡均采用日本瑞翁公司(Zeon)的非晶型聚烯烴材料Zeonex(具體牌號為E48R)制成。
表9
綜上，本發(fā)明的攝像鏡頭系統(tǒng)在滿足一定的條件式下可有效縮短兩片型鏡頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總長，即實現(xiàn)整個系統(tǒng)的進(jìn)一步小型化，并且該系統(tǒng)可在大視場(視場角在70度左右)，高亮度(F數(shù)2.8以內(nèi))情況下，實現(xiàn)畸變在2％以內(nèi)。此外，第一透鏡和第二透鏡均采用同一種塑料制成，可簡化制作工藝、降低成本，且該塑料吸濕變形極小，由該塑料制成的透鏡避免了因吸濕變形而導(dǎo)致的整個系統(tǒng)光學(xué)性能下降。
權(quán)利要求
1.一種微型攝像鏡頭系統(tǒng)，其從物側(cè)到成像面依次包括光欄，一兩面皆凸的第一透鏡，及一彎月型、且凹面彎向物側(cè)的第二透鏡，其特征在于該第一和第二透鏡都至少有一表面為非球面，且由同一種塑料制成，該系統(tǒng)還滿足滿足條件式(1)1＜T/f＜1.7，其中T表示光欄到成像面的距離；f表示整個攝像鏡頭的焦距。
2.如權(quán)利要求1所述的微型攝像鏡頭系統(tǒng)，其特征在于第一透鏡兩面皆為非球面，且滿足條件式(2)1.2＜d/R2＜2.1，其中R2表示第一透鏡靠近成像面的表面曲率半徑的絕對值；d表示第一透鏡的厚度。
3.如權(quán)利要求2所述的微型攝像鏡頭系統(tǒng)，其特征在于該第一透鏡還滿足條件式(3)0.5＜f1/f＜0.8和(4)0.2＜R2/R1＜1，其中f1表示第一透鏡的焦距；R1表示第一透鏡靠近物側(cè)的表面曲率半徑的絕對值。
4.如權(quán)利要求3所述的攝像鏡頭系統(tǒng)，其特征在于第二透鏡兩面皆為非球面，且滿足條件式(5)0.7＜(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)＜1，其中R3表示第二透鏡靠近物側(cè)的凹面曲率半徑的絕對值；R4表示第二透鏡靠近成像面的表面曲率半徑的絕對值。
5.如權(quán)利要求1所述的攝像鏡頭系統(tǒng)，其特征在于所述塑料包括非晶型聚烯烴材料。
6.如權(quán)利要求1所述的攝像鏡頭系統(tǒng)，其特征在于所述光欄形成在第一透鏡面向物側(cè)的表面。
全文摘要
本發(fā)明提供一種微型攝像鏡頭系統(tǒng)，其從物側(cè)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(cè)的第二透鏡，該第一和第二透鏡都至少有一面為非球面，且由同一種塑料制成，該系統(tǒng)還滿足條件式(1)1＜T/f＜1.7，其中T表示光欄到像面的距離；f表示整個攝像鏡頭的焦距。優(yōu)選的，該系統(tǒng)還滿足條件式(2)1.2＜d/R2＜2.1，其中R2表示第一透鏡靠近成像面的表面曲率半徑的絕對值；d表示第一透鏡的厚度。該微型攝像鏡頭系統(tǒng)中兩枚透鏡均采用塑料制成，并且控制主光線出射角在一定范圍內(nèi)，可簡化工藝，降低成本。
文檔編號G02B1/04GK1737634SQ20041005118
公開日2006年2月22日 申請日期2004年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月18日
發(fā)明者王卓, 金國藩, 嚴(yán)瑛白, 王民強, 曾吉勇 申請人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司