专利名称：微型摄像镜头系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种摄像镜头系统，尤其涉及适用于手机、PC照相机等微型摄像元件的微型摄像镜头系统。
背景技术：
近年来，光学材料和固体成像器件如CCD(Charged CoupledDevice)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺的进步，使得成像系统的小型化和低成本成为可能，进而可以广泛的应用在手机和个人电脑中。原有的手机数位相机中成像器件多为11万或者30万像素的CMOS，拍照的品质较差，无法与数位相机相比。
另一方面，随着百万像素以上的固体成像器件的尺寸越来越小，也就是说单个像素的尺寸逐步减小(如从30万像素时典型的5微米到百万像素以上时的3微米)，即系统小型化的同时也提高了对成像镜头的分辨率的要求，使得手机数位相机作为数位相机的替代品成为可能。因此，提供一种具小型化、低成本、光学性能优良且成像质量好的微型摄像镜头系统是现今微型摄像元件的发展方向。
小型化是指从镜头的第一面到成像面的距离(即成像系统的总长)要短。
低成本是希望系统包含较少的透镜数目，且透镜本身易于批量加工和装配。
而镜头系统的性能优良和成像质量好可从以下几个方面考量1.镜头的速度快。即镜头本身具有比较小的F数，一般为2.8或者更快。
2.视场角较大。比如半视场角在30度或更大。
3.比较小的主光线出射角。因为过大的主光线出射角会严重影响视场边缘的照度。
4.像面照度一致。即尽量减少渐晕拦光以提高视场边缘的照度。
5.分辨率高。即尽量校正各种单色像差并尽量减少色差。
单从低成本而言，希望仅采用一枚成像透镜，并且最好是塑料透镜。但是，单枚透镜一方面即使使用两个非球面也很难实现比较好的成像质量和光学特性(比如大的视场角70度)，大多只能应用在比较低端的产品，如11万像素的CMOS，另一方面单枚透镜为了校正像差，多采用厚透镜结构，其总长和焦距的比值(L/f)多在2左右，并不能够缩减系统的整体尺寸。典型的设计结构参见美国专利第6,297,915B1号及欧洲专利第EP1271215A2号，其基本的光学特性是总长与焦距比在2左右，主要针对较低像素(如11万像素)的应用，对于比较高端的应用(如30万像素)，单枚镜片的结构无论是从光学特性还是从便携性上都难以达到要求。
单从成像质量上而言，已经有一些用于手机和摄像头的微型摄像镜头系统中采用三片透镜的结构，具体可参见公开号为2003/0193605的美国专利申请，甚至有采用四片透镜的结构来实现好的成像质量，具体看参见公开号为2004/0012861的美国专利申请。但是上述的微型摄像镜头系统由于镜片数目的增加导致系统成本的增加。
因此，既兼顾成本又兼顾成像质量的设计是采用双镜片结构。双镜片结构一方面提供更多的设计自由度，使得成像质量可以相对于单镜片结构得以提高，另一方面又比三片型降低了成本，缩减了系统的整体尺寸。
已有的两片型结构以反远距型居多，具体可参见美国专利第6,449,105B1号，该镜头系统从物侧到像侧依次包括一负光焦度的弯月型透镜，光栏和一正光焦度的弯月型透镜。这种结构对广角消像差是有利的。它的另一个重要特点是后工作距(成像透镜最后一面到像面的距离)用以放置快门比较长。但是，其后工作距很长使得减少系统整体长度比较困难，限制了系统的小型化。
为了满足上述需求，已经有的针对VGA(30万像素)光学模组普遍采用了两片塑料透镜，并含有4个非球面的结构。这种结构能够满足系统小型化和低成本的要求，典型的如第2004/0036983号美国专利和欧洲专利EP1357414A1，其成像质量也可以满足30万像素的需要。但是，该透镜结构在进一步小型化时受到一定限制，而且这种两片塑料透镜的结构在进一步提高其分辨率以适应更高像素需求也比较困难，其主要原因是色差问题。这种两片塑料透镜的结构，一方面，为了降低成本，两片透镜都只是采用同一种材料，没法消除色差；另一方面，即使是采用了两种不同的塑料，如低折射率低色散的王冕类材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和高折射率高色散的火石类材料聚碳酸酯(PC)，由于可以采用的塑料本身品种很少，其光学特性如折射率和阿贝数的变化范围都很窄，典型的光折射率在1.49到1.59，阿贝数在30到55，仍然难以消除色差。另外，光学塑料与光学玻璃相比较，其光学特性如透过率、波长透光范围、耐高温、耐潮湿等都比光学玻璃差很多，使得该光学模组很难应用在100万像素以上高端产品中。
而如果两片透镜都采用玻璃制成，则不可避免会增加系统成本。
有鉴于此，提供一种低成本，可进一步小型化且成像质量好，可应用到百万像素以上产品中的微型摄像镜头系统实为必要。
发明内容本发明要解决的技术问题是克服以上微型摄像镜头系统进一步小型化较为困难，且由于色差较大造成成像质量的不足难以应用到高像素产品中，提供一种低成本，可进一步小型化且成像质量较好的微型摄像镜头系统。
本发明解决技术问题的技术方案是提供一种微型摄像镜头系统，其从物侧到成像面依次包括光栏，一双面皆凸的第一透镜和一呈弯月型且凹面弯向物侧的第二透镜，该第一和第二透镜都至少有一面为非球面，且至少一枚透镜采用玻璃制成，该系统还满足条件式(1)1＜T/f＜1.6，其中T表示光栏到成像面的距离；f表示整个摄像镜头的焦距。
为减少主光线出射角，提高照度，该摄像镜头系统还满足条件式(2)d/R2＞1.6，其中d表示第一透镜的厚度；R2表示第一透镜靠近成像面的表面曲率半径的绝对值。
为消除单色像差并满足总长要求，该摄像镜头系统还满足条件式(3)0.6＜f1/f＜0.8和(4)0.1＜R2/R1＜0.8，其中f1表示第一透镜的焦距；R1表示第一透镜靠近物侧的表面曲率半径的绝对值。
为校正场曲，该摄像镜头系统还进一步满足条件式(5)0.7＜(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)＜0.9，其中R3表示第二透镜靠近物侧的凹面曲率半径的绝对值；R4表示第二透镜靠近像侧的表面曲率半径的绝对值。
为更好的消除色差，包括轴向色差和倍率色差，第一透镜和第二透镜还满足条件式(6)ν1-ν2＞35，其中ν1表示第一透镜的阿贝数；ν2表示第二透镜的阿贝数。
与现有技术相比较，本发明提供的微型摄像镜头系统在靠近光栏的第一透镜的至少一面采用了非球面，可以很好的校正系统的球差和慧差。由于第二透镜远离光栏，不同视场角的主光线在其上的投影高度相差比较大，通过第二透镜的至少一面的非球面化，可以很好的校正与视场有关的像差，比如像散，场曲和畸变。而且第二透镜的靠近成像面的第二面具有从光轴向边缘方向使折射逐渐变缓的形状，此面中心部分发散光线而边缘部分会聚光线，使得弧矢与子午像面易于重合，且边缘成像位置能够后移，提高了在广角下的成像质量。另外，由于该第一透镜和第二透镜中的至少一枚透镜采用玻璃制成，可在兼顾成本，实现量产的同时提高成像质量，使得本发明的微型摄像镜头系统可以适用于100万像素以上的高端产品中。
图1是本发明的微型摄像镜头系统的构成示意图。
图2是本发明的微型摄像镜头系统第一实施例的构成示意图。
图3至图6分别是本发明的微型摄像镜头系统第一实施例的垂轴像差曲线、像散与场曲以及畸变曲线、轴上点球差色差曲线以及倍率色差曲线图。
图7是本发明的微型摄像镜头系统第二实施例的构成示意图。
图8至图11是本发明的微型摄像镜头系统第二实施例的垂轴像差曲线、像散与场曲以及畸变曲线、轴上点球差色差曲线以及倍率色差曲线图。
图12是本发明的微型摄像镜头系统第三实施例的构成示意图。
图13至图16是本发明的微型摄像镜头系统第三实施例的垂轴像差曲线、像散与场曲以及畸变曲线、轴上点球差色差曲线以及倍率色差曲线图。
图17是本发明的微型摄像镜头系统第四实施例的构成示意图。
图18至图21是本发明的微型摄像镜头系统第四实施例的垂轴像差曲线、像散与场曲以及畸变曲线、轴上点球差色差曲线以及倍率色差曲线图。
图22是本发明的微型摄像镜头系统第五实施例的构成示意图。
图23至图26是本发明的微型摄像镜头系统第五实施例的垂轴像差曲线、像散与场曲以及畸变曲线、轴上点球差色差曲线以及倍率色差曲线图。
具体实施方式
图1是本发明微型摄像镜头系统的构成示意图。光线从物侧方向入射，经过靠近物侧的光栏10，一个双面皆凸的第一透镜20和一弯月型第二透镜30，该弯月型第二透镜30具有一凹面弯向物侧以会聚光到一成像装置CCD或CMOS的成像面40。该第一透镜20和第二透镜30都至少有一个表面是非球面，且该第一透镜20和第二透镜30中至少有一枚为玻璃制成。
首先，将光栏10放置在系统最靠近物侧的位置是为了减小主光线入射到成像面40的角度，而且光栏10放在系统最前面的位置也有利于减少系统总长。
可以理解的是，为了降低成本，本发明的摄像镜头系统可以采用直接将光栏10设置在第一透镜20靠近物侧的第一表面(未标示)上，节省系统的组成元件，实际操作时，还可以直接将第一透镜20的第一表面上不透光的部分涂黑以当作光栏。
为了实现整个系统的小型化且成像质量较好，该系统的第一透镜20和第二透镜30满足以下条件式(1)1＜T/f＜1.6，
其中T表示光栏到像面的距离；f表示整个摄像镜头的焦距。条件式(1)限制了系统的总长。系统的总长与焦距比和成像质量有直接关系，尤其是需要控制主光学出射角度达到近似的像方远心光路的时候，可以在满足小型化的要求的同时提高成像质量。
较佳的，第一透镜20的两表面都为非球面，且还满足条件式(2)d/R2＞1.6，其中d表示第一透镜20的厚度；R2表示第一透镜20靠近成像面40的表面(第二表面，未标示)曲率半径的绝对值。条件式(2)是为了减少主光线出射角而须满足的结构约束。因为过大的主光线出射角会严重的影响视场边缘的照度，主光线出射角度越小，则d/R2的值就越大，表现为第一透镜20越厚，系统总长增加，为了保证在大视场角(30°)的情况下主光线出射角度在20°，则第一透镜20须满足条件式(2)。
较佳的，第一透镜20还满足条件式(3)0.6＜f1/f＜0.8；和(4)0.1＜R2/R1＜0.8，其中，f1表示第一透镜20的焦距；R1表示第一透镜20靠近物侧的表面(第一表面，未标示)曲率半径的绝对值。条件式(3)是为了消单色像差并满足总长要求即条件式(1)而得到的光焦度的分配，f1/f的比值在下限0.6以上，则满足系统对总光焦度的要求，使得高阶球差慧差和倍率色差在控制范围之内；而f1/f的比值小于上限0.8则一方面保证系统总的光焦度，同时能够减小系统的总长。条件式(4)是为了满足消单色像差而得到的第一透镜20的光焦度分配。
更优选的，第二透镜30的两表面也均为非球面，且第一透镜20和第二透镜30还满足条件式(5)0.7＜(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)＜0.9，其中R3表示第二透镜30靠近物侧的凹面(第三表面，未标示)曲率半径的绝对值；R4表示第二透镜30靠近成像面40的表面(第四表面，未标示)曲率半径的绝对值。条件式(5)是为了校正场曲而得到平像场。当R3的值使(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)小于上限0.9时，第二透镜30第三表面的负光焦度可以很好的补偿第一透镜20产生的正慧差，同时由于此时的R3不会太小，从而减小了系统的高级像差；而R3的值使(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)大于下限0.7时，该第二透镜30第三表面所产生的负Petzval场曲和(匹兹万场曲和)就能够补偿第一透镜20的第一，第二两个表面以及第二透镜30的第四表面所产生的正Petzval场曲和，使得场曲的校正相对容易。而且满足条件式(5)，第二透镜30的第三表面所产生负光焦度能够较好的校正由第一透镜20所产生的倍率色差。由于该第三表面是系统中最小的曲率面，为了保证系统在校正场曲的同时减小高级像差的产生，应该尽量让曲率半径小的面与光栏同心，因此第二透镜30的第三表面必须弯向光栏。
为了更好的消除色差，尤其是倍率色差，第一透镜20所用材料的阿贝数ν1和第二透镜30所用材料的阿贝数ν2应该满足如下条件式(6)ν1-ν2＞35。
本发明的第一透镜20采用玻璃制成，第二透镜30采用塑料制成，可充分利用玻璃的光学特性优于塑料的特点，以在兼顾成本实现量产的同时提高成像质量。
下面参照图2到图26以具体实施例来详细说明本发明的摄像镜头系统。
以下每个实施例中，第一透镜20的第一表面，第二表面和第二透镜30的第三表面，第四表面均采用非球面。其中，第二实施例至第五实施例中第二透镜30和成像面40间还有一保护玻璃。
非球面面型表达式如下x=ch21+1-(k+1)c2h2+ΣAihi]]>其中，h=Y2+Z2]]>为从光轴到透镜表面的高度，k是二次曲面系数，Ai为第i阶的非球面面型系数。
T表示光栏到像面的距离；f表示整个摄像镜头的焦距；FNo表示F数；ω表示半视场角；2ω表示视场角；R表示光学面的曲率半径；d表示光学面到光轴的距离；Nd表示材料的折射率；ν表示材料的阿贝数。
第一实施例图2是本发明微型摄像镜头系统第一实施例的构成示意图。
该微型摄像镜头系统满足表1和表2的条件表1
表2
该第一实施例的微型摄像镜头系统中，其垂轴像差、场曲与畸变、轴上点球差色差和倍率色差分别如图3到图6所示。其中图3(A)、图3(B)、图3(C)和图3(D)分别表示垂轴像差的0°、10°、21°和30°四个视场的子午与弧矢像面，而图4(A)和图4(B)分别表示场曲曲线与畸变曲线。由图上可以看出，上述像差、场曲、畸变、色差都能被很好的校正。
第二实施例图7是本发明微型摄像镜头系统第二实施例的构成示意图。
该微型摄像镜头系统满足表3和表4的条件表3
表4
该第二实施例的微型摄像镜头系统中，其垂轴像差、场曲与畸变、轴上点球差色差和倍率色差分别如图8到图11所示。其中图8(A)、图8(B)、图8(C)和图8(D)分别表示垂轴像差的0°、10°、21°和30°四个视场的子午与弧矢像面，而图9(A)和图9(B)分别表示场曲曲线与畸变曲线。由图上可以看出，上述像差、场曲、畸变、色差都能被很好的校正。
第三实施例图12是本发明微型摄像镜头系统第三实施例的构成示意图。
该微型摄像镜头系统满足表5和表6的条件表5
表6
该第三实施例的微型摄像镜头系统中，其垂轴像差、场曲与畸变、轴上点球差色差和倍率色差分别如图13到图16所示。其中图13(A)、图13(B)、图13(C)和图13(D)分别表示垂轴像差的0°、10°、21°和30°四个视场的子午与弧矢像面，而图14(A)和图14(B)分别表示场曲曲线与畸变曲线。由图上可以看出，上述像差、场曲、畸变、色差都能被很好的校正。
第四实施例图17是本发明微型摄像镜头系统第四实施例的构成示意图。
该微型摄像镜头系统满足表7和表8的条件表7
表8
该第四实施例的微型摄像镜头系统中，其垂轴像差、场曲与畸变、轴上点球差色差和倍率色差分别如图18到图21所示。其中图18(A)、图18(B)、图18(C)和图18(D)分别表示垂轴像差的0°、10°、21°和30°四个视场的子午与弧矢像面，而图19(A)和图19(B)分别表示场曲曲线与畸变曲线。由图上可以看出，上述像差、场曲、畸变、色差都能被很好的校正。
第五实施例图22是本发明微型摄像镜头系统第五实施例的构成示意图。
该微型摄像镜头系统满足表9和表10的条件
表9
表10
该第五实施例的微型摄像镜头系统中，其垂轴像差、场曲与畸变、轴上点球差色差和倍率色差分别如图23到图26所示。其中图23(A)、图23(B)、图23(C)和图23(D)分别表示垂轴像差的0°、10°、22°和31°四个视场的子午与弧矢像面，而图24(A)和图24(B)分别表示场曲曲线与畸变曲线。由图上可以看出，上述像差、场曲、畸变、色差都能被很好的校正。
表11是5个实施例及其对应的光学特性，包括孔径、视场角和焦距，以及与前面每个条件式对应的数值。
其中，第一实施例中，第一透镜20和第二透镜30的材料分别是牌号为FK2的中国玻璃(氟冕玻璃的一种)和美国通用公司生产的商品号为Lexan-HF的聚碳酸酯；第二实施例和第五实施例中，第一透镜20和第二透镜30的材料分别是日本保谷光学(Hoya)生产的牌号为FCD1的模铸玻璃(对应于中国氟冕玻璃)和美国通用公司的Lexan-HF聚碳酸酯；第三实施例和第四实施例中第一透镜20和第二透镜30的材料分别是Hoya公司生产的牌号为FCD1的模铸玻璃和聚碳酸酯(PC)。
表11
综上，本发明的摄像镜头系统采用两片型结构，从物侧到成像面依次包括光栏，一两面皆凸的第一透镜和一弯月型且凹面弯向物侧的第二透镜，并且该第一和第二透镜的两面中都至少有一面为非球面，在满足一定的条件式下可有效缩短两片型镜头系统结构的总长。并且该系统可在大视场(视场角在60度以上)情况下，实现畸变在2％以内，通过该一透镜和第二透镜中至少一枚采用玻璃制成，在兼顾成本量产的同时可有效校正各种像差、色差，提高在广角下的成像质量，可适用于百万像素以上的高端产品中。
权利要求
1.一种微型摄像镜头系统，其从物侧到成像面依次包括光栏，一两面皆凸的第一透镜，及一弯月型、且凹面弯向物侧的第二透镜，其特征在于该第一和第二透镜都至少有一表面为非球面，且至少一枚透镜由玻璃制成，该系统还满足满足条件式(1)1＜T/f＜1.62，其中T表示光栏到成像面的距离；f表示整个摄像镜头的焦距。
2.如权利要求1所述的微型摄像镜头系统，其特征在于第一透镜两面皆为非球面，且满足条件式(2)d/R2＞1.6，其中R2表示第一透镜靠近成像面的表面曲率半径的绝对值；d表示第一透镜的厚度。
3.如权利要求2所述的微型摄像镜头系统，其特征在于该第一透镜还满足条件式(3)0.6＜f1/f＜0.8和(4)0.1＜R2/R1＜0.8，其中f1表示第一透镜的焦距；R1表示第一透镜靠近物侧的表面曲率半径的绝对值。
4.如权利要求3所述的摄像镜头系统，其特征在于第二透镜两面皆为非球面，且满足条件式(5)0.7＜(1/R3)/(1/R1+1/R2+1/R4)＜0.9，其中R3表示第二透镜靠近物侧的凹面曲率半径的绝对值；R4表示第二透镜靠近成像面的表面曲率半径的绝对值。
5.如权利要求1所述的摄像镜头系统，其特征在于第一透镜为玻璃制成，第二透镜为塑料制成。
6.如权利要求5所述的摄像镜头系统，其特征在于第一透镜和第二透镜满足条件式(6)ν1-ν2＞35，其中ν1第一透镜的阿贝数；ν2第二透镜的阿贝数。
7.如权利要求5所述的摄像镜头系统，其特征在于第一透镜采用模铸玻璃制成。
8.如权利要求5所述的摄像镜头系统，其特征在于所述塑料包括聚碳酸酯。
9.如权利要求1所述的摄像镜头系统，其特征在于光栏形成在第一透镜面向物侧的表面。
全文摘要
本发明提供一种微型摄像镜头系统，其从物侧到成像面依次包括光栏，一双面皆凸的第一透镜和一呈弯月型且凹面弯向物侧的第二透镜，该第一和第二透镜都至少有一面为非球面，且至少一枚透镜透镜采用玻璃制成，该系统还满足条件式(1)1＜T/f＜1.6，其中T表示光栏到像面的距离；f表示整个摄像镜头的焦距。优选的，该系统还满足条件式(2)d/R2＞1.6，其中R2表示第一透镜靠近成像面的表面曲率半径的绝对值；d表示第一透镜的厚度。该微型摄像镜头系统通过将其中一枚透镜采用玻璃制成，并且控制主光线出射角在一定范围内，可在兼顾低成本量产的同时提高广角下的成像质量，可应用在百万像素以上的高端产品中。
文档编号G02B13/00GK1710456SQ20041002775
公开日2005年12月21日 申请日期2004年6月16日 优先权日2004年6月16日
发明者王卓, 金国藩, 王民强, 曾吉勇, 严瑛白 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司