一种大视场、高像素光学系统及采用该光学系统的手机摄像头模组的制作方法

本发明涉及手机摄像头模组技术领域，特别涉及一种大视场、高像素光学系统及采用该光学系统的手机摄像头模组。

背景技术：

现有的四千万像素以上的手机摄像头模组，都为大视场的摄像头模组，传感器的面积比较大，一般为大于1/2.5”的彩色cmos传感器，为了提高成像质量，大部分生产摄像头模组的厂商，一般都要将摄像镜头设计成采用六片非球面的六片式结构或采用七片以上非球面的结构。这样各种像差才能都校正得比较好，决定摄像头模组清晰度的调制传递函数(mtf)才能达到设计要求。

现有四千万像素以上大视场手机摄像头模组的普遍问题是：由于塑料镜片的数量比较多，会导致其整体摄像头模组的透过率比较差，由于每片塑料镜片的透过率在95％以下，六片或七片塑料镜片合在一起后，整个摄像头模组的透过率只有不到75％，整个摄像头模组透过的光线是比较暗的，另外由于镜片的每个面都是非球面，导致其对装配公差的敏感度特别敏感，任何镜片装配时引起的倾斜、偏心、空气间距和厚度误差，以及镜片本身注塑成型的缩水误差、面型误差或者亚斯，都会直接造成摄像头模组的重影或模糊，造成光学镜头的生产成品良率低下。

现有四千万像素以上大视场手机摄像头模组，图1示出了传统六片式手机摄像头模组的结构，传统六片式手机摄像头模组的结构一般为：前面的四个镜片一般交替使用高低折射率材料构件，而最后的两个镜片则使用低折射率，高色散系数材料构件，即它的第一镜片100、第三镜片300、第五镜片500和第六镜片600，一般使用低折射率、高色散系数的光学塑胶材料构件，一般其折射率nd小于1.59，其色散系数vd大于55，而第二镜片200、第四镜片400通常为高折射率、低色散系数的光学塑胶材料构件，一般其折射率nd大于1.60，其色散系数vd小于30。镜片之间的装配，间隙比较薄的位置，一般采用黑色吸光的麦拉片进行间隔，如第一镜片100与第二镜片200的法兰盘之间装设有第一麦拉片700，第二镜片200与第三镜片300的法兰盘之间装设有第二麦拉片800，第三镜片300与第四镜片400的法兰盘之间装设有第三麦拉片900，间隙比较厚的位置，则采用黑色吸光的隔圈来进行间隔，如第四镜片400与第五镜片500的法兰盘之间装设有第一隔圈1000，第五镜片500与第六镜片600的法兰盘之间装设有第二隔圈1100，以消除镜片法兰边位置产生的杂散光。

这种结构是现有市面上四千万像素以上大视场手机摄像头模组比较常用的结构，其可以获得比较清晰的图像，但由于所有镜片都是塑料或玻璃非球面，其敏感度比较高，装配的时候，对偏心和倾斜，以及其他的装配公差要求特别严苛。镜片之间的定位和相互嵌套，一般通过镜片法兰边设置的一个倾斜20°-30°的台阶来控制，如相邻镜片法兰边上设置的第一台阶110，第二台阶210和第三台阶310进行配合。台阶的精度对镜片的装配精度有至关重要的影响，由于镜片是硬质塑料构件，镜片注塑时候多少会存在缩水、毛刺以及拔模角误差，会直接影响法兰边上这个台阶精度，当两者镜片的嵌合接触面在过盈配合状态时，因为是硬接触的状态，很容易无法安装到设定位置，会导致其中一片镜片倾斜或两者之间的空气间隙变大，降低成像的解像能力，生产良品率低下，生产成本增加及品质下降。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种只采用五片镜片，达到光学系统的像面对角线长度h介于7.80mm-10.50mm之间的大像场、高像素设计要求，降低生产成本的大视场、高像素光学系统和一种采用变形的弹性体嵌合定位结构和采用该光学系统的手机摄像头模组。

为实现上述目的，本发明提供了一种大视场、高像素光学系统，所述光学系统为五片式非球面结构，包括从物侧到像侧依次设置的第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片，所述第一镜片为凸透镜，第二镜片为凹透镜，第三镜片、第四镜片和第五镜片为反曲形曲面透镜，所述第二镜片和第三镜片为折射率nd介于1.62-1.80之间、色散系数vd小于35的光学材料构件，所述第一镜片为折射率nd小于1.60、色散系数vd大于20的光学材料构件，所述第四镜片和第五镜片为折射率nd介于1.50-1.80之间、色散系数vd介于20-70之间的光学材料构件，所述第三镜片具有第三镜片的第二曲面，所述第三镜片的第二曲面的面型轮廓的中间内凹部分的弯曲方向与外视场边缘的弯曲方向相反，所述第三镜片和第四镜片之间的边缘主光线角度θ介于59°至75°之间，所述光学系统的像面对角线长度h介于7.80mm-10.50mm之间。

作为优选的，所述第一镜片具有第一镜片的第一面，第一镜片的第一面的曲率半径介于1.2mm-1.85mm之间。

作为优选的，所述光学系统的半视场角α介于20°-85°之间。

作为优选的，所述光学系统的光学总长l介于4.2mm-7.5mm之间。

作为优选的，所述光学系统的像面像素总数为四千万像素以上。

作为优选的，所述光学系统的第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片为光学树脂材料构件、液态硅胶材料构件、玻璃材料构件、石英构件、蓝宝石材料构件或透明光学陶瓷材料构件。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明设有光学系统，所述光学系统为五片式非球面结构，包括从物侧到像侧依次设置的第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片和第五镜片，所述第一镜片为凸透镜，第二镜片为凹透镜，第三镜片、第四镜片和第五镜片为反曲形曲面透镜，所述第二镜片和第三镜片为折射率nd介于1.62-1.80之间、色散系数vd小于35的光学材料构件，所述第一镜片为折射率nd小于1.60、色散系数vd大于20的光学材料构件，所述第四镜片和第五镜片为折射率nd介于1.50-1.80之间、色散系数vd介于20-70之间的光学材料构件，所述第三镜片和第四镜片之间的边缘主光线角度θ介于59°至75°之间，所述光学系统的像面对角线长度h介于7.80mm-10.50mm之间，由于第二镜片和第三镜片为折射率nd介于1.62-1.80之间、色散系数vd小于35的光学材料构件，由于通过对光学系统的非球面轮廓形状特殊的设计及结合各镜片材料折射率的合理设置，实现这第二镜片和第四镜片之间的边缘主光线角度θ介于59°至75°之间，提供一种以大角度扩展到轴外各个视场主光线及边缘主光线的角度，达到光学系统的像面对角线长度h介于7.80mm-10.50mm之间的大像场及高像素设计要求，使得光学系统的光学总长l进一步缩短，比现有技术至少减少一片镜片的数量，只需要采用五片镜片，由于减少镜片的数量，从而提高光学系统的光线透过率，使光学系统的整体亮度提高，降低了光学系统的生产成本。

本发明还提供了一种手机摄像头模组，包括外壳，还包括装设在所述外壳内的光学系统，所述光学系统后部装设有红外截止滤波片，所述红外截止滤波片后部装设有图像传感器，所述光学系统装设有至少一个变形的弹性体嵌合定位结构。

作为优选的，所述变形的弹性体嵌合定位结构包括装设在第一镜片的法兰边的变形的第一弹性体，装设在所述第二镜片的法兰边的变形的第二弹性体，所述第二镜片的法兰边设有配合变形的第一弹性体的第一嵌合定位槽，所述第一弹性体与第一嵌合定位槽紧密配合，所述第三镜片的法兰边设有配合变形的第二弹性体的第二嵌合定位槽，所述第二弹性体与第二嵌合定位槽紧密配合。

作为优选的，所述第一弹性体和第二弹性体为两侧凸起中间内凹的驼峰状结构，所述驼峰状结构的凸起数量为二个或多个，其呈点状、环状或多边形状设置，所述驼峰状结构的凸起的截面轮廓为两外侧为带有斜度直线或圆弧曲线，中间为过渡圆弧连接，所述第一嵌合定位槽和第二嵌合定位槽为内凹定位槽结构，所述内凹定位槽结构的截面轮廓为倒梯形、v字形或u字形，所述驼峰状结构和内凹定位槽结构对应配合设置，所述驼峰状结构和内凹定位槽结构设置的顺序是一侧为驼峰状结构，另一侧为内凹定位槽结构或者一侧为内凹定位槽结构，另一侧为驼峰状结构。

作为优选的，所述第一弹性体与第一镜片为相同材料的单体式塑料构件或第一弹性体与第一镜片采用不同材料的双料合体式塑料构件，所述第二弹性体与第二镜片为相同材料的单体式塑料构件或第二弹性体与第二镜片采用不同材料的双料合体式塑料构件。

作为优选的，所述第一弹性体和第一镜片采用相同材料的构件，所述第一弹性体和第一镜片一次成型，所述第二弹性体和第二镜片采用相同材料的构件，所述第二弹性体和第二镜片一次成型。

作为优选的，所述第一弹性体和第一镜片采用不同材料构件，所述第一弹性体为柔性的液态硅胶构件或者硅橡胶构件，所述第二弹性体和第二镜片采用不同材料构件，所述第二弹性体为柔性的液态硅胶构件或者硅橡胶构件，所述第一弹性体和第二弹性体采用双料成型、模内镶嵌成型或注塑后再3d打印硅胶成型。

作为优选的，所述第一镜片与第二镜片的法兰盘之间装设有第一麦拉片，所述第二镜片与第三镜片的法兰盘之间装设有第二麦拉片，所述第三镜片与第四镜片的法兰盘之间装设有第三麦拉片，所述第四镜片与第五镜片的法兰盘之间装设有隔圈。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明设有至少一个变形的弹性体嵌合定位结构，所述弹性体在装配过程中，由于内凹定位槽结构拥有避让的空间或两侧凸起中间内凹的驼峰状结构的弹性体沿着径向及轴向适当变形，自动优化前后两个镜片之间嵌合的稳定性，当两个镜片在嵌合时呈过盈配合状态时，带有变形弹性体的嵌合定位结构具有自动平衡镜片之间的装配配合度的功能，让前后镜片相互配合时有一定的避让的空间与弹性，在装配力的作用下，自动达到最精密和最稳定的配合，这样避免在组装过程中出现镜片倾斜或空气间隙过大的异常问题，将镜片装配时引入的偏心误差、倾斜度误差和厚度误差，通过弹性体和避让空间的配合调整将装配误差控制到最小，使镜片与镜片之间组装的同心度达到公差±0.0015mm以下的精密定位，从而使摄像头模组的装配品质提高，保证拍摄解像力的稳定，大大提高了摄像头模组装配的良品率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是传统大视场、高像素六片式手机摄像头模组的剖面图；

图2是本发明实施例一一种大视场、高像素光学系统的分解结构示意图；

图3是本发明实施例一一种大视场、高像素光学系统的剖视图；

图4是本发明实施例一一种大视场、高像素光学系统的第一镜片的剖视图；

图5是本发明实施例一一种大视场、高像素光学系统的第二镜片的剖视图；

图6是本发明实施例一一种大视场、高像素光学系统的第三镜片的剖视图；

图7是本发明实施例一一种大视场、高像素光学系统的第四镜片的剖视图；

图8是本发明实施例一一种大视场、高像素光学系统的第五镜片的剖视图；

图9是本发明实施例一一种大视场、高像素光学系统的光路图；

图10是本发明实施例一一种大视场、高像素光学系统的调制传递函数；

图11是本发明实施例一一种大视场、高像素光学系统的点阵图；

图12是本发明实施例一一种大视场、高像素光学系统的像面网格图；

图13是本发明实施例一一种大视场、高像素光学系统的相对照度；

图14是本发明实施例二一种采用大视场、高像素光学系统的手机摄像头模组的立体图；

图15是本发明实施例二一种采用大视场、高像素光学系统的手机摄像头模组的分解图；

图16是本发明实施例二一种采用大视场、高像素光学系统的手机摄像头模组的剖视图。

在图中包括有：

1-外壳、2-光学系统、3-红外截止滤波片、21-第一镜片、22-第一麦拉片、23-第二镜片、24-第二麦拉片、25-第三镜片、26-第三麦拉片、27-第四镜片、28-隔圈、29-第五镜片、212-第一弹性体、213-第一镜片的第一面、214-第一镜片的第二面、231-第一嵌合定位槽、232-第二弹性体、233-第二镜片的第一面、234-第二镜片的第二面、251-第二嵌合定位槽、253-第三镜片的第一面、254-第三镜片的第二面、273-第四镜片的第一面、274-第四镜片的第二面、293-第五镜片的第一面、294-第五镜片的第二面、33-红外截止滤波片的第一面、34-红外截止滤波片的第二面、4-图像传感器、5-变形的弹性体嵌合定位结构。

具体实施方式

下面将结合本发明本实施方式中的附图，对本发明本实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的本实施方式是本发明的一种实施方式，而不是全部的本实施方式。基于本发明中的本实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他本实施方式，部属于本发明保护的范围。

实施例一

请参考图2至图8，本发明提供了一种大视场、高像素光学系统，所述光学系统2为五片式非球面结构，包括从物侧到像侧依次设置的第一镜片21、第二镜片23、第三镜片25、第四镜片27和第五镜片29，所述第一镜片21凸透镜，第二镜片23为凹透镜，第三镜片25、第四镜片27和第五镜片28为反曲形曲面透镜，所述反曲形曲面透镜，是指曲面中间弯曲的方向与边缘弯曲的方向相反的透镜，所述第二镜片23和第三镜片25为折射率nd介于1.62-1.80之间、色散系数vd小于35的光学材料构件，所述的第二镜片23与第三镜片25可以是两种不同折射率的光学材料构件，也可以是两种相同折射率的光学材料构件，所述第一镜片21为折射率nd小于1.60、色散系数vd大于20的光学材料构件，所述第四镜片27和第五镜片29为折射率nd介于1.50-1.80之间、色散系数vd介于20-70之间的光学材料构件，所述第三镜片25具有第三镜片的第二曲面254，所述第三镜片的第二曲面254的面型轮廓的中间内凹部分的弯曲方向与外视场边缘的弯曲方向相反，所述第三镜片25和第四镜片27之间的边缘主光线角度θ介于59°至75°之间，所述光学系统2的像面对角线长度h介于7.80mm-10.50mm之间。

由于通过对光学系统的非球面轮廓形状特殊的设计及结合各镜片材料折射率的合理设置，实现这第三镜片和第四镜片之间的边缘主光线角度θ介于59°至75°之间，提供一种以大角度扩展到轴外各个视场主光线及边缘主光线的角度，达到光学系统的像面对角线长度h介于7.80mm-10.50mm之间的大像场及高像素设计要求，使得光学系统的光学总长l进一步缩短，比现有技术至少减少一片镜片的数量，只需要采用五片镜片，由于减少镜片的数量，从而提高光学系统的光线透过率，使光学系统的整体亮度提高，降低了光学系统的生产成本。

所述第一镜片21具有第一镜片的第一面213，第一镜片的第一面213的曲率半径介于1.2mm-1.85mm之间。

所述光学系统2的半视场角α介于20°-85°之间，本实施例一中优选半视场角为39.3°。

所述光学系统2的光学总长l介于4.2mm-7.5mm之间。

所述光学系统2的像面像素总数为四千万像素以上。

所述光学系统2的第一镜片21、第二镜片23、第三镜片25、第四镜片27和第五镜片29为光学树脂材料构件、液态硅胶材料构件、玻璃材料构件、石英构件、蓝宝石材料构件或透明光学陶瓷材料构件。

本实施例一中的光学系统2的镜片光路参数，包括曲率半径、厚度、折射率nd、阿贝系数vd、净孔径、圆锥系数以及每个面的非球面系数分别如表格1、表格2以及表格3所示。

所述第一镜片21和第四镜片27为低折射率、高色散系数的光学材料构件，所述折射率nd＝1.544502，色散系数vd＝55.986991，所述第一镜片21为凸透镜，所述第一镜片的第一面213的曲率半径r＝1.687764mm，所述第五镜片29为反曲形曲面透镜，即其曲面中间弯曲的方向与边缘弯曲的方向相反。

所述第二镜片23和第三镜片25为同一种高折射率材料构件，低色散系数的光学材料构件，所述折射率nd＝1.661319，阿贝系数vd＝20.374576，所述第五镜片29为高折射率、低色散系数的光学材料构件，所述折射率nd＝1.650971，阿贝系数vd＝21.516276。

所述红外截止滤波片3的厚度d＝0.21mm，其为透可见光、阻红外光的带通滤波片，所述红外截止滤波片的第一面33和红外截止滤波片的第二面34都镀有透可见光、阻红外光的介质薄膜，所述的红外截止滤波片3在720nm-1100nm波段的透过率小于3％。

表格1本实施例一中的光学系统的镜片光路参数，

表格2本实施例一中的光学系统第一镜片至第三镜片的非球面系数：

表格3本实施例一中的光学系统第四镜片和第五镜片的非球面系数：

图9示出了本实施例一中光学系统的光路图，图10示出了本实施例一中光学系统的调制传递函数(分辨率)，在空间频率为110时，除了最边缘视场之外，其他所有的视场的mtf几乎都达到了0.6-0.8之间，清晰度非常好，最边缘视场的mtf也达到了将近0.5，清晰度达到非常好的目标。

图11示出了本实施例一中光学系统的点列图，其中心位置的近轴视场的点列图的均方根为4.8μm。

图12示出了本实施例一中光学系统的像面网格图，可以看出像面几乎没有什么畸变。

图13示出了本实施例一中光学系统的相对照度，可以看出边缘最大视场的相对照度约达到了约37％。

实施例二

如图14至图16所示，本发明还提供了一种采用大视场、高像素光学系统的手机摄像头模组，包括外壳1，还包括装设在所述外壳1内的光学系统2，所述光学系统2后部装设有红外截止滤波片3，所述红外截止滤波片3后部装设有图像传感器4，所述光学系统2装设有至少一个变形的弹性体嵌合定位结构5，所述光学系统2中的变形的弹性体嵌合定位结构5数量可以为单个、两个或多个，本实施例二中优选为两个。

所述变形的弹性体嵌合定位结构5包括装设在第一镜片21的法兰边的变形的第一弹性体212，装设在所述第二镜片23的法兰边的变形的第二弹性体232，所述第二镜片23的法兰边设有配合变形的第一弹性体212的第一嵌合定位槽231，所述第一弹性体212与第一嵌合定位槽231紧密配合，所述第三镜片25的法兰边设有配合变形的第二弹性体232的第二嵌合定位槽251，所述第二弹性体232与第二嵌合定位槽251紧密配合。

所述第一弹性体212和第二弹性体232为两侧凸起中间内凹的驼峰状结构，所述驼峰状结构的凸起数量为二个或多个，其呈点状、环状或多边形状设置，所述驼峰状结构的凸起的截面轮廓为两外侧为带有斜度直线或圆弧曲线，中间为过渡圆弧连接，所述第一嵌合定位槽231和第二嵌合定位槽251为内凹定位槽结构，所述内凹定位槽结构的截面轮廓为倒梯形、v字形或u字形，所述驼峰状结构和内凹定位槽结构对应配合设置，所述驼峰状结构和内凹定位槽结构设置的顺序是一侧为驼峰状结构，另一侧为内凹定位槽结构或者一侧为内凹定位槽结构，另一侧为驼峰状结构。

所述第一弹性体212与第一镜片21为相同材料的单体式塑料构件或第一弹性体212与第一镜片21采用不同材料的双料合体式塑料构件，所述第二弹性体232与第二镜片23为相同材料的单体式塑料构件或第二弹性体232与第二镜片23采用不同材料的双料合体式塑料构件。

所述第一弹性体212和第一镜片21采用相同材料的构件，所述第一弹性体212和第一镜片21一次成型，所述第二弹性体232和第二镜片23采用相同材料的构件，所述第二弹性体232和第二镜片23一次成型，采用一次成型的制作方法，可以节约生产成本。

所述第一弹性体212和第一镜片21采用不同材料构件，所述第一弹性体212为柔性的液态硅胶构件或者硅橡胶构件，所述第二弹性体232和第二镜片23采用不同材料构件，所述第二弹性体232为柔性的液态硅胶构件或者硅橡胶构件，所述第一弹性体212和第二弹性体232采用双料成型、模内镶嵌成型或注塑后再3d打印硅胶成型。

本实施例二中装设有两个变形的弹性体嵌合定位结构5，所述弹性体在装配过程中，由于内凹定位槽结构拥有避让的空间或两侧凸起中间内凹的驼峰状结构的弹性体沿着径向及轴向适当变形，自动优化前后两个镜片之间嵌合的稳定性，当两个镜片在嵌合时呈过盈配合状态时，带有变形弹性体的嵌合定位结构具有自动平衡镜片之间的装配配合度的功能，让前后镜片相互配合时有一定的避让的空间与弹性，在装配力的作用下，自动达到最精密和最稳定的配合，这样避免在组装过程中出现镜片倾斜或空气间隙过大的异常问题，将镜片装配时引入的偏心误差、倾斜度误差和厚度误差，通过弹性体和避让空间的配合调整将装配误差控制到最小，使镜片与镜片之间组装的同心度达到公差±0.0015mm以下的精密定位，从而使摄像头模组的装配品质提高，保证拍摄解像力的稳定，大大提高了摄像头模组装配的良品率。

如图15和图16所示，所述光学系统2外侧装设有外壳1，所述光学系统2后部装设有红外截止滤波片3，所述红外截止滤波片3为透可见光、阻红外光的带通滤波片，所述红外截止滤波片的第一面33和红外截止滤波片的第二面34都镀有透可见光、阻红外光的介质薄膜，所述的红外截止滤波片3在720nm-1100nm波段的透过率小于3％，所述红外截止滤波片3的后方装设有图像传感器4。

所述第一镜片21与第二镜片23的法兰盘之间装设有第一麦拉片22，所述第二镜片23与第三镜片25的法兰盘之间装设有第二麦拉片24，所述第三镜片25与第四镜片27的法兰盘之间装设有第三麦拉片26，所述第四镜片27与第五镜片29的法兰盘之间装设有隔圈28。

所述镜片之间的装配，在镜片边缘的法兰盘之间的间隙比较薄的位置，一般采用黑色吸光的麦拉片进行间隔，间隙比较厚的位置，则采用黑色吸光的隔圈来进行间隔，以消除镜片法兰边位置产生的杂散光。

本发明所述的一种大视场、高像素光学系统，除了用于手机摄像头模组之外，还可以用于车载摄像头模组、工业摄像头模组、红外摄像头模组和医疗摄像头模组等不同领域。