光学镜头的制作方法

1.本发明涉及透镜成像的技术领域，特别涉及一种光学镜头。


背景技术：

2.在互联网信息技术和大数据处理技术高速发展的背景下，既给我们的日常生活带来了无限的便利，同时也蕴含着巨大的信息安全隐患。为应对便携式电子设备的信息安全问题，便携式电子设备开发厂商先后开发了数字密码、图案密码、指纹密码及面部识别等安全方案，其中面部识别已成为市场上的主流。
3.为了在便携式电子设备实现面部识别这一功能，市场上占主流的两种解决方案分别是3d结构光和tof技术，而3d结构光技术不仅门槛高，且大部分专利都被苹果持有，这样对于占有90%市场份额的安卓是十分不利的。而tof技术不仅结构简单、理论成本低、精度以及覆盖范围同样优于3d结构光技术，更重要的是，tof技术才刚兴起不久，非常有利于我国便携式电子设备厂商在市场上的竞争。
4.然而，目前tof技术中使用的tof镜头普遍存在光圈数小、测量精度低、结构设计繁琐、成本较高以及覆盖范围窄等技术缺陷。


技术实现要素：

5.基于此，本发明的目的是提供一种光学镜头，可至少克服现有技术中的上述至少一个缺陷的光学镜头，以满足tof技术中有关tof镜头的设计需求。
6.一种光学镜头，其特征在于，沿光轴从物侧面到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；光阑；具有正光焦度的第二透镜，其物侧面、像侧面均为凸面；具有正光焦度的第三透镜，其物侧面在近光轴处为凸面，像侧面在近光轴处为凹面；具有正光焦度的第四透镜，其物侧面在近光轴处为凹面，像侧面在近光轴处为凸面；具有负光焦度的第五透镜，其物侧面在近光轴处为凸面，像侧面在近光轴处为凹面；其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第五透镜均为塑胶非球面透镜，第四透镜为玻璃非球面透镜。
7.所述光学镜头的有效焦距f与最大半视场角semi
‑
fov满足以下条件式：4.0mm＜f
×
tan（semi
‑
fov）＜4.5mm；所述第一透镜的物侧面的曲率半径r11与所述第一透镜的像侧面的曲率半径r12满足以下条件式：
‑
10.0＜（r11+r12）/（r11
‑
r12）＜
‑
3.0。
8.进一步地，所述第一透镜的物侧面的矢高sag11与所述第一透镜的中心厚度ct1满
足以下条件式：
‑
2.5＜sag11/ct1＜0。
9.进一步地，所述第一透镜的焦距f1与所述第一透镜物侧面的有效直径d11满足以下条件式：
‑
10＜f1/d11＜
‑
3。
10.进一步地，所述第一透镜的焦距f1与所述光学镜头的有效焦距f满足以下条件式：
‑
12＜f1/f＜
‑
6。
11.进一步地，所述第二透镜的物侧面的矢高sag21、所述第二透镜像面侧的矢高sag22与所述第二透镜物侧面的曲率半径r21、所述第二透镜像侧面的曲率半径r22满足以下条件式：
‑
0.25＜（sag21+sag22）/（r21+r22）＜0.03。
12.进一步地，所述第二透镜的中心厚度ct2、所述第三透镜的中心厚度ct3与所述第二透镜的边缘厚度et2、所述第三透镜的边缘厚度et3满足以下条件式：1.0＜（ct2+ct3）/（et2+et3）＜1.8。
13.进一步地，所述第四透镜物侧面的曲率半径r41与所述第四透镜像侧面的曲率半径r42满足以下条件式：2.0＜（r41+r42）/（r41
‑
r42）＜10.0。
14.进一步地，所述第四透镜的焦距f4、所述第五透镜的焦距f5与所述光学镜头的有效焦距f满足以下条件式：
‑
1.5＜（f4+f5）/f＜0。
15.进一步地，所述第一透镜和所述第二透镜在光轴上的距离ct12与所述第四透镜和所述第五透镜在光轴上的距离ct45满足以下条件式：3.0＜ct12/ct45＜20.0。
16.进一步地，所述第三透镜像侧面反曲点处的矢高sag6.1与所述第三透镜像侧面的有效直径d32满足以下条件式：0.6＜sag6.1/d32＜1.0。
17.进一步地，所述第二透镜的折射率n
d2
、所述第三透镜的折射率n
d3
和所述第四透镜的折射率n
d4
满足以下条件式：n
d4
＞n
d3
＞n
d2
。
18.相比现有技术，本技术有益效果为：通过优化设置镜片的形状，合理设置光阑及各透镜的位置，以使该光学镜头至少具有大光圈、测量精度高、结构简单、成本低及覆盖范围广等优点中的一个，以满足tof技术中有关tof镜头的设计需求。
附图说明
19.本发明的上述与/或附加的方面与优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显与容易理解，其中：图1为本发明第一实施例中的光学镜头的结构示意图；图2为本发明第一实施例中的光学镜头的场曲曲线图；图3为本发明第一实施例中的光学镜头的畸变曲线图；图4为本发明第一实施例中的光学镜头的轴向色差曲线图；图5为本发明第一实施例中的光学镜头的垂轴色差曲线图；图6为本发明第二实施例中的光学镜头的结构示意图；图7为本发明第二实施例中的光学镜头的场曲曲线图；图8为本发明第二实施例中的光学镜头的畸变曲线图；图9为本发明第二实施例中的光学镜头的轴向色差曲线图；图10为本发明第二实施例中的光学镜头的垂轴色差曲线图；图11为本发明第三实施例中的光学镜头的结构示意图；
图12为本发明第三实施例中的光学镜头的场曲曲线图；图13为本发明第三实施例中的光学镜头的畸变曲线图；图14为本发明第三实施例中的光学镜头的轴向色差曲线图；图15为本发明第三实施例中的光学镜头的垂轴色差曲线图；图16为本发明第四实施例中的光学镜头的结构示意图；图17为本发明第四实施例中的光学镜头的场曲曲线图；图18为本发明第四实施例中的光学镜头的畸变曲线图；图19为本发明第四实施例中的光学镜头的轴向色差曲线图；图20为本发明第四实施例中的光学镜头的垂轴色差曲线图。
20.主要元件符号说明：如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
21.为了更好地理解本发明，下面将参照相关附图来对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明也可以以许多不同的形式来实现，并不仅仅限于本文所描述的实施例。本文提供这些实施例的目的是让本发明的公开内容更加透彻全面。
22.除非另有定义，否则本文所使用的所有和技术有关的科学术语均与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和的所有组合。
23.本发明提供一种光学镜头，沿光轴从物侧面到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；光阑；具有正光焦度的第二透镜，其物侧面、像侧面均为凸面；具有正光焦度的第三透镜，其物侧面在近光轴处为凸面，像侧面在近光轴处为凹
面；具有正光焦度的第四透镜，其物侧面在近光轴处为凹面，像侧面在近光轴处为凸面；具有负光焦度的第五透镜，其物侧面在近光轴处为凸面，像侧面在近光轴处为凹面。
24.在一些实施例中，光学镜头的有效焦距 f 与光学镜头的最大半视场角semi
‑
fov满足以下条件式：4.0mm＜f
×
tan（semi
ꢀ‑
fov）＜4.5mm。通过控制光学镜头的焦距与视场角的大小关系，有利于确定光学镜头成像芯片的大小。
25.在一些实施例中，第一透镜的物侧面的曲率半径r11与第一透镜的像侧面的曲率半径r12满足以下条件式：
‑
10.0＜（r11+r12）/（r11
‑
r12）＜
‑
3.0。可有效地控制第一透镜的物侧面与像侧面对光学镜头的像散量的贡献，进而有效地对光学镜头的中间视场和孔径带的成像质量进行合理的控制。
26.在一些实施例中，第一透镜的物侧面的矢高sag11与第一透镜的中心厚度ct1满足以下条件式：
‑
2.5＜sag11/ct1＜0。可通过控制第一透镜物侧面的边缘面型弯曲度，可有效增加光线的入射量，扩大镜头的视场角。
27.在一些实施例中，第一透镜的焦距f1与第一透镜物侧面的有效直径d11满足以下条件式：
‑
10＜f1/d11＜
‑
3。可以有效地提高镜头的通光量，能满足镜头在微光甚至昏暗环境中正常工作的需求，有利于达到突出主体虚化背景的效果。
28.在一些实施例中，第一透镜的焦距f1与光学镜头的有效焦距f满足以下条件式：
‑
12＜f1/f＜
‑
6。第一透镜在整个光学镜头中，承担主要的负光焦度，有利于增大视场角，减小光学镜头高级像差矫正的难度。
29.在一些实施例中，第二透镜的物侧面的矢高sag21、第二透镜像面侧的矢高sag22与第二透镜物侧面的曲率半径r21、第二透镜像侧面的曲率半径r22满足以下条件式：
‑
0.25＜（sag21+sag22）/（r21+r22）＜0.03。可以合理地控制第二透镜的面型形状，减缓光线的聚焦效率，使该光学镜头中的光线能够平滑且没有过大转折的情况下成像，有效的控制光学镜头的球差和色差的变化趋势，降低光学镜头球差和色差的矫正难度。
30.在一些实施例中，第二透镜的中心厚度ct2、第三透镜的中心厚度ct3与第二透镜的边缘厚度et2、第三透镜的边缘厚度et3满足以下条件式：1.0＜（ct2+ct3）/（et2+et3）＜1.8。可以合理控制第二透镜和第三透镜的形状，使其对外围视场的光线起到更大的汇聚作用，有利于缩短光学镜头的总长。
31.在一些实施例中，第四透镜物侧面的曲率半径r41与第四透镜像侧面的曲率半径r42满足以下条件式：2.0＜（r41+r42）/（r41
‑
r42）＜10.0。可以减少位于轴外光线的高阶像差，同时修正场曲和慧差。
32.在一些实施例中，第四透镜的焦距f4、第五透镜的焦距f5与光学镜头的有效焦距f满足以下条件式：
‑
1.5＜（f4+f5）/f＜0。可以使光线在像面上的快速对焦，有利于光学镜头模组的总长减小，使光学镜头具有紧凑型结构。
33.在一些实施例中，第五透镜物侧面的矢高sag51、第五透镜像侧面的矢高sag52与第五透镜物侧面的曲率半径r51、第五透镜像侧面的曲率半径r52满足以下条件式：
‑
1＜sag51/r51+sag52/r52＜1。可以有效地降低第五透镜的加工难度，面型敏感度较低，提高镜
头良率，降低镜头的成本，提高市场竞争力。
34.在一些实施例中，第一透镜物侧面的有效直径d11与第五透镜像侧面的有效直径d52满足以下条件式：0.6＜d11/d52＜0.9。可以在增大视场的同时维持镜头后端具有较小的体积。
35.在一些实施例中，第一透镜和第二透镜在光轴上的距离ct12与第四透镜和第五透镜在光轴上的距离ct45满足以下条件式：3.0＜ct12/ct45＜20.0。通过调整透镜间距为持适当的比例，可以修正离轴像差并适用于广视角结构。
36.在一些实施例中，第三透镜像侧面反曲点处的矢高sag6.1与第三透镜像侧面的有效直径d32满足以下条件式：0.6＜sag6.1/d32＜1.0。通过合理设置反曲点的位置，进而有效减小轴外视场和近轴视场的像差，提高边缘视场的解像力。
37.在一些实施例中，第二透镜的折射率n
d2
、第三透镜的折射率n
d3
和第四透镜的折射率n
d4
满足以下条件式：n
d4
＞n
d3
＞n
d2
。通过合理搭配第二透镜、第三透镜和第四透镜的材质，有利于校正光学镜头的色差，提高光学镜头的成像质量。
38.在一些实施例中，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第五透镜均为塑胶非球面透镜，第四透镜为玻璃非球面透镜。各透镜均采用非球面镜片，采用非球面镜片至少具有以下三个优点：1.镜头具有更好的成像质量；2.镜头的结构更为紧凑；3.镜头的光学总长更短。
39.本发明各个实施例中非球面镜头的表面形状均满足下列方程：，其中，z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为表面的近轴曲率半径，k为二次曲面系数，a
2i
为第2i阶的非球面面型系数。
40.在以下各个实施例中，光学镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径、材料选择部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。
41.第一实施例本发明第一实施例提供的光学镜头结构示意图请参阅图1，该光学镜头沿近光轴方向从物侧面到像侧面依次为：第一透镜l1，光阑，第二透镜l2，第三透镜l3，第四透镜l4、第五透镜l5以及红外滤光片g1。
42.第一透镜l1为具有负光焦度的塑胶非球面透镜，物侧面s1在近光轴处为凹面，像侧面s2在近光轴处为凸面；第二透镜l2为具有正光焦度的塑胶非球面透镜，物侧面s3为凸面，像侧面s4为凸面；第三透镜l3为具有正光焦度的塑胶非球面透镜，第三透镜的物侧面s5在近光轴处为凸面，第三透镜的像侧面s6在近光轴处为凹面；第四透镜l4为具有正光焦度的玻璃非球面透镜，第四透镜的物侧面s7在近光轴处为凹面，第四透镜的像侧面s8在近光轴处为凸面；
第五透镜l5为具有负光焦度的塑胶非球面透镜，第五透镜的物侧面s9在近光轴处为凸面，第五透镜的像侧面s10在近光轴处为凹面；本实施例提供的光学镜头中各个镜片的相关参数如表1所示，其中r代表曲率半径，d代表光学表面间距，n
d
代表材料的d线折射率，v
d
代表材料的阿贝数。
43.表 1本发明第一实施例提供的光学镜头中各非球面的面型系数如表2所示。
44.表2在本实施例中，光学镜头的场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差的曲线图分别如图2、图3、图4和图5所示。
45.图2的场曲曲线表示子午像面和弧矢像面的弯曲程度，横轴表示偏移量（单位：毫米），纵轴表示半视场角（单位：度）。从图2中可以看出，子午像面和弧矢像面的场曲控制在
±
1毫米以内，说明光学镜头的场曲得到较好的矫正。
46.图3的畸变曲线表示成像面上不同像高处的f
‑
tanθ畸变，横轴表示f
‑
tanθ畸变（单位：%），纵轴表示半视场角（单位：度）。从图3中可以看出，成像面上不同像高处的光学畸变控制在
±
3%以内，说明光学镜头的畸变得到良好的矫正。
47.图4的轴向色差曲线表示成像面处光轴上的像差，横轴表示轴向色差值（单位：毫米），纵轴表示归一化光瞳半径。从图4中可以看出，轴向色差的偏移量控制在
±
0.1毫米以内，说明光学镜头能够有效地矫正轴向色差。
48.图5的垂轴色差表示各波长光线在成像面上不同像高处的色差，横轴表示各波长光线的垂轴色差值（单位：微米），纵轴表示归一化视场角。从图5中可以看出，最长波长和最短波长的垂轴色差控制在
±
2微米以内，说明该光学镜头能够有效矫正边缘视场的像差以及整个像面的二级光谱。
49.第二实施例本实施例提供的光学镜头的结构示意图请参阅图6，本实施例中的光学镜头与第一实施例中的光学镜头的结构变化较大，其中主要的变化是第三透镜的中心厚度，第一透镜和第五透镜的形状和中心厚度。
50.本实施例提供光学镜头中各个镜片的相关参数如表3所示。
51.表 3本发明第二实施例提供的光学镜头中各非球面的面型系数如表4所示。
52.表 4
在本实施例中，光学镜头的场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差的曲线图分别如图7、图8、图9和图10所示。
53.图7的场曲曲线表示子午像面和弧矢像面的弯曲程度，横轴表示偏移量（单位：毫米），纵轴表示半视场角（单位：度）。从图7中可以看出，子午像面和弧矢像面的场曲控制在
±
2毫米以内，说明光学镜头的场曲得到较好的矫正。
54.图8的畸变曲线表示成像面上不同像高处的f
‑
tanθ畸变，横轴表示f
‑
tanθ畸变（单位：%），纵轴表示半视场角（单位：度）。从图8中可以看出，成像面上不同像高处的光学畸变控制在
±
3%以内，说明光学镜头的畸变得到良好的矫正；图9的轴向色差曲线表示成像面处光轴上的像差，横轴表示轴向色差值（单位：毫米），纵轴表示归一化光瞳半径。从图9中可以看出，轴向色差的偏移量控制在
±
0.04毫米以内，说明光学镜头能够有效地矫正轴向色差；图10的垂轴色差表示各波长光线在成像面上不同像高处的色差，横轴表示各波长光线的垂轴色差值（单位：微米），纵轴表示归一化视场角。从图10可以看出，最长波长与最短波长的垂轴色差控制在
±
2微米以内，说明光学镜头能够有效地矫正边缘视场的色差以及整个像面的二级光谱。
55.第三实施例本实施例提供的光学镜头的结构示意图请参阅图11，本实施例中的光学镜头的结构与第二实施例中的光学镜头的结构大抵相同。
56.本实施例提供的光学镜头中各个镜片的相关参数如表5所示。
57.表 5
本发明第三实施例提供的光学镜头中各非球面的面型系数如表6所示。
58.表 6在本实施例中，光学镜头的场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差的曲线图分别如图12、图13、图14和图15所示。
59.图12的场曲曲线表示子午像面和弧矢像面的弯曲程度，横轴表示偏移量（单位：毫米），纵轴表示半视场角（单位：度）。从图12中可以看出，子午像面和弧矢像面的场曲控制在
±
1毫米以内，说明光学镜头的场曲得到较好的矫正；图13的畸变曲线表示成像面上不同像高处的f
‑
tanθ畸变，横轴表示f
‑
tanθ畸变（单位：%），纵轴表示半视场角（单位：度）。从图13中可以看出，成像面上不同像高处的光学畸变控制在
±
3%以内，说明光学镜头的畸变得到良好的矫正；图14的轴向色差曲线表示成像面处光轴上的像差，横轴表示轴向色差值（单位：毫米），纵轴表示归一化光瞳半径。从图14中可以看出，轴向色差的偏移量控制在
±
0.04毫米
以内，说明光学镜头能够有效地矫正轴向色差；图15的垂轴色差表示各波长光线在成像面上不同像高处的色差，横轴表示各波长光线的垂轴色差值（单位：微米），纵轴表示归一化视场角。从图15可以看出，最长波长与最短波长的垂轴色差控制在
±
2微米以内，说明光学镜头能够有效地矫正边缘视场的像差以及整个像面的二级光谱。
60.第四实施例本实施例提供的光学镜头的机构示意图请参阅图16，本实施例中的光学镜头与第二实施例中的光学镜头的结构大抵相同。
61.本实施例中的光学镜头中各个镜片的相关参数如表7所示。
62.表 7本实施例中的光学镜头的各非球面的面型系数如表8所示。
63.表 8
在本实施例中，光学镜头的场曲、畸变、轴向色差和垂轴色差的曲线图分别如图17、图18、图19和图20所示。
64.图17的场曲曲线表示子午像面和弧矢像面的弯曲程度，横轴表示偏移量（单位：毫米），纵轴表示半视场角（单位：度）。从图17中可以看出，子午像面和弧矢像面的场曲控制在
±
1毫米以内，说明光学镜头的场曲得到较好的矫正；图18的畸变曲线表示成像面上不同像高处的f
‑
tanθ畸变，横轴表示f
‑
tanθ畸变（单位：%），纵轴表示半视场角（单位：度）。从图18中可以看出，成像面上不同像高处的光学畸变控制在
±
1%以内，说明光学镜头的畸变得到良好的矫正；图19的轴向色差曲线表示成像面处光轴上的像差，横轴表示轴向色差值（单位：毫米），纵轴表示归一化光瞳半径。从图19中可以看出，轴向色差的偏移量控制在
±
0.3毫米以内，说明光学镜头能够有效地矫正轴向色差；图20的垂轴色差表示各波长光线在成像面上不同像高处的色差，横轴表示各波长光线的垂轴色差值（单位：微米），纵轴表示归一化视场角。从图20可以看出，最长波长与最短波长的垂轴色差控制在
±
2微米以内，说明光学镜头能够有效地矫正边缘视场的像差以及整个像面的二级光谱。
65.表9是上述四个实施例对应的光学特性，主要包括光学镜头的有效焦距f、光圈数f#、第一透镜的物侧面至成像面在光轴上的距离ttl、视场角fov及入瞳直径epd，以及与上述每个条件式对应的数值。
66.表 9综上，本实施例提供的光学镜头至少具有以下优点：（1）结构简单、理论成本低、测量精度高以及覆盖范围广。
67.（2）能够更大范围地控制光量进入机身，通光量的控制范围也更大，有利于微光或昏暗环境的拍摄。
68.（3）应用前景广泛，如3d建模、3d试装、ar装潢及体感游戏等诸多领域。
69.上述各实施例中的光学镜头均可运用在手机、平板、相机等终端。
70.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。