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，随着多媒体的发展，对搭载在手提电脑和可视电话以及手机等上使用了CCD(Charged Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等固体成像器件的摄像元件的需求越来越大。而这种需求增大的本身又要求镜头系统更进一步的小型化和轻量化。
另一方面，由于这些固体成像器件如CCD或者CMOS的工艺技术提高，已经制作出每个像素只有几个微米大小的成像器件，使得系统小型化的同时提高了对摄像镜头的分辨率的要求。因此，提供一种具小型化、轻量化、低成本、光学性能优良且成像质量好的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。
轻量化和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.分辨率高。即尽量校正各种单色像差并尽量减少色差。
就轻量化和低成本而言，必须减少组成镜头系统中透镜的片数。最少片数的镜头系统为单片透镜系统系统，即只由一片透镜组成的镜头系统，并且最好是塑料透镜。但是，通常的单片透镜系统不能校正色差。
为了校正色差，通常采用双片或多片型结构镜头。典型的双片型结构镜头设计如第2003/0117723号美国公开专利申请和欧洲专利EP1357414A1；多片型镜头系统设计如第2003/0193605A1号及第2004/0012861A1号美国公开专利申请。然而，这些设计中为了消除色差，两片透镜需要分别选用阿贝数相差较大的光学材料。由于具有较好光学性能(折射率、阿贝数、光透过率等)和环境稳定性(吸水率、热膨胀系数等)的光学塑料种类有限，实现消色差二片镜片均为塑料的双片型成像镜头较为困难。因此，目前具有较好成像质量的双片型镜头中，至少有一片镜片仍采用玻璃材料。尽管双片型或多片型镜头具有较好的成像质量，但这类系统由于透镜片数的增加和玻璃材料的使用，不利于降低成本及系统的轻量化。
校正色差的另一种方法就是在镜头表面刻蚀衍射光栅。利用衍射光栅的色散性质与透镜光学材料色散性质相反的规律校正色差。这种方法能在单镜片系统中校正色差，从而在满足镜头系统小型化和轻量化要求的同时具有较好的成像质量。
然而目前采用具有衍射光栅结构的单片透镜系统，典型的设计参见美国专利第6,055,105号，一方面只着重考虑了色差的校正和某些单色像差(如球差)的校正，对单色像差校正缺乏全面考虑；另一方面对衍射结构的环带数和特征尺寸也缺乏考虑，因此这些系统可能因特征尺寸过小而增加制作工艺难度，降低设计波长衍射级的衍射效率，导致系统的成本增加，且成像质量不高。
另外，由于塑料材料还存在吸湿性(Water Absorbency)的问题，广泛用于手机数位相机的塑料材料中，仅非晶型聚烯烃材料Zeonex(Polyolefin Resin或Cyclo-olefin Polymers)的吸湿性很低(＜0.01％)，而聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的典型值为1.5％，聚碳酸酯(PC)为0.4％，如果用后两种材料制成的塑料透镜，则会由于透镜吸湿变形而导致整个系统的光学性能下降。
有鉴于此，提供一种低成本且成像质量好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成本较高，成像质量不高，提供一种低成本且成像质量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，朝向物侧为凹面，朝向成像面为凸面的弯月型厚透镜，该弯月型厚透镜朝向物侧的面为非球面，朝向成像面的凸面具有衍射光栅结构，该系统还满足条件式(1)0.1＜R2/R1＜0.5，其中R1表示弯月型厚透镜靠近物侧的表面顶点的曲率半径；R2表示弯月型厚透镜靠近像面的表面顶点的曲率半径。
优选的，所述弯月型厚透镜两面皆为非球面。
为限制弯月型厚透镜厚度，该微型摄像镜头系统还满足条件式(2)0.5＜d2/R2＜1.5，其中d2为弯月型厚透镜的厚度，即弯月型厚透镜靠近物侧的表面顶点到靠近成像面的表面顶点的距离。
为校正系统的色差，该微型摄像镜头系统还满足条件式(3)200＜-C2×f＜450，其中f表示整个摄像镜头的焦距；C2为衍射结构相位函数中第二阶相位系数。
为限制光栏的位置以缩短总长并易于加工，该微型摄像镜头系统还满足条件式(4)d1/T＜0.15，其中d1表示光栏到弯月型厚透镜靠近物面的表面的距离；T为系统总长，即镜头光栏到成像面的距离。
优选的，所述弯月型厚透镜采用光学塑料制成。
更优选的，为避免透镜吸湿变形导致系统的光学性能下降，本发明所述光学塑料选自非晶型聚烯烃材料。
与现有技术相比较，本发明提供的微型摄像镜头系统满足条件式(1)0.1＜R2/R1＜0.5，(2)0.5＜d2/R2＜1.5，(3)200＜-C2×f＜450及(4)d1/T＜0.15，一方面可保证衍射光栅具有较大的特征尺寸，易于加工，能采用铸模成型工艺大规模生产以降低成本；另一方面可具有较好的光学成像质量。此外，本发明中的弯月型厚透镜采用非晶型聚烯烃材料制成，该光学塑料制成的透镜避免了因吸湿变形而导致的整个系统光学性能下降。
图1是本发明的微型摄像镜头系统的构成示意图。
图2是图1中弯月型厚透镜20朝向成像面40的衍射面轮廓的放大示意图。
图3A至图4分别是本发明的微型摄像镜头系统第一实施例的场曲、畸变曲线以及轴上点球差色差曲线图。
图5A至图6分别是本发明的微型摄像镜头系统第二实施例的场曲、畸变曲线以及轴上点球差色差曲线图。
图7A至图8分别是本发明的微型摄像镜头系统第三实施例的场曲、畸变曲线以及轴上点球差色差曲线图。
图9A至图10分别是本发明的微型摄像镜头系统第四实施例的场曲、畸变曲线以及轴上点球差色差曲线图。
图11A至图12分别是本发明的微型摄像镜头系统第五实施例的场曲、畸变曲线以及轴上点球差色差曲线图。
图13A至图14分别是本发明的微型摄像镜头系统第六实施例的场曲、畸变曲线以及轴上点球差色差曲线图。
图15A至图16分别是本发明的微型摄像镜头系统第七实施例的场曲、畸变曲线以及轴上点球差色差曲线图。
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，依次经过靠近物侧的光栏10；朝向物侧为凹面、朝向成像面40为凸面的弯月型厚透镜20；红外滤波片30到达朝向成像面40。所述弯月型厚透镜20朝向物侧的面为非球面，朝向成像面40的凸面具有衍射光栅结构。该系统还满足条件式(1)0.1＜R2/R1＜0.5，其中R1表示弯月型厚透镜20靠近物侧的表面(第一表面，未标示)顶点的曲率半径；R2表示弯月型厚透镜20靠近成像面40的表面(第二表面，未标示)顶点的曲率半径。
条件式(1)是为了满足消单色像差而得到的弯月型厚透镜20的二个表面的光焦度分配。当R2/R1的比值大于上限0.5时，要保证弯月型厚透镜20具有一定的光焦度，则弯月型厚透镜20厚度将增大，从而增大具有衍射结构的第二表面的孔径，从而增加光栅环带数，最小特征尺寸过小，难于加工；当R2/R1的比值小于下限0.1时，R2过小，单色像差尤其场曲增大，难于校正。
所述弯月型厚透镜20具有衍射光栅结构的凸面的放大示意图如图2所示。
优选的，该弯月型厚透镜20两面皆为非球面。
为了实现整个系统的低成本且成像质量较好，该微型摄像镜头系统还满足条件式还满足以下条件式(2)0.5＜d2/R2＜1.5，其中d2为弯月型厚透镜20的厚度，即弯月型厚透镜20第一表面顶点到第二表面顶点的距离。条件式(2)限制了弯月型厚透镜20的厚度。当d2/R2的比值小于下限0.5时，为保证镜头的光焦度，必须增大弯月型厚透镜20表面的弯曲，单色像差校正困难；当d2/R2的比值大于上限1.5时，具有衍射结构的第二表面的孔径增大，从而增加光栅环带数，最小特征尺寸过小，难于加工。
较佳的，该微型摄像镜头系统还满足条件式(3)200＜-C2×f＜450，其中f表示整个摄像镜头的焦距；C2为衍射结构相位函数中第二阶相位系数。条件式(3)是对弯月型厚透镜20第二表面上衍射光栅结构的分担光焦度的约束。当衍射面相位系数C2使-C2×f小于上限450时，能保证衍射光栅具有较大的特征尺寸，易于加工；当衍射面相位系数C2使-C2×f大于下限200时，能保证衍射光栅能分担合适的光焦度，从而能良好地校正系统的色差。
更优选的，该微型摄像镜头系统还满足条件式(4)d1/T＜0.15，其中d1表示光栏10到弯月型厚透镜20第一表面的距离；T为系统总长，即镜头光栏10到成像面40的距离。条件式(4)限制了光拦10的位置，满足条件式(4)，则光栏10靠近弯月型厚透镜20。优点在于其一，有利于校正像散和畸变；其二，可以缩短系统总长；其三，减少光线在弯月型厚透镜20表面的投射高度，从而减少具有衍射结构的第二表面的孔径，从而减少衍射结构的环带数。
本发明的弯月型厚透镜20采用光学塑料制成，可降低工艺复杂性，同时降低成本。
更优选的，本发明所述光学塑料选自非晶型聚烯烃材料，其吸水性很低(＜0.01％)，能避免因透镜吸湿变形而导致的整个系统光学性能下降。
下面参照图3A到图16以具体实施例来详细说明本发明的微型摄像镜头系统。
以下每个实施例中，弯月型厚透镜20至少有一面为非球面。非球面面型表达式如下x=cr21+1-(k+1)c2r2+ΣA2ir2i]]>其中x为与表面顶点相切的平面到表面的距离，r为从光轴到表面的高度，k为二次曲面系数，c为非球面顶点的曲率，A2i为第2i阶的非球面面型系数。
弯月型厚透镜20的第二表面具有衍射光栅结构。衍射表面用下面的位相调制表达式表示φ(r)=ΣiC2ir2i=C2r2+C4r4+C6r6+C8r8+C10r10]]>其中φ(r)为由于衍射表面引入的对入射到衍射表面的光波的位相调制，r为从光轴到衍射表面的高度，C2i为第2i阶位相系数。
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；2ω表示视场角；R表示光学面的曲率半径；d表示光学表面间距；n表示材料的折射率；v表示材料的阿贝数。
第一实施例到第七实施例中，弯月型厚透镜20均采用日本瑞翁公司(Zeon)的非晶型聚烯烃材料Zeonex 480R(n＝1.531170，v＝56.0)制成。
第一实施例该微型摄像镜头系统满足表1、表2和表3的条件表1
表2
表3
该第一实施例的微型摄像镜头系统中，其场曲与畸变、 轴上点球差色差分别如图3A到图4所示。其中图3A和图3B分别表示场曲曲线与畸变曲线。由图上可以看出，上述场曲、畸变和轴上点球差色差都能被很好的校正。
第二实施例该微型摄像镜头系统满足表4、表5和表6的条件表4
表5
表6
该第二实施例的微型摄像镜头系统中，其场曲与畸变、轴上点球差色差分别如图5A到图6所示。其中图5A和图5B分别表示场曲曲线与畸变曲线。由图上可以看出，上述场曲、畸变和轴上点球差色差都能被很好的校正。
第三实施例该微型摄像镜头系统满足表7、表8和表9的条件
表7
表8
表9
该第三实施例的微型摄像镜头系统中，其场曲与畸变、轴上点球差色差分别如图7A到图8所示。其中图7A和图7B分别表示场曲曲线与畸变曲线。由图上可以看出，上述场曲、畸变和轴上点球差色差都能被很好的校正。
第四实施例该微型摄像镜头系统满足表10、表11和表12的条件表10
表11
表12
该第四实施例的微型摄像镜头系统中，其场曲与畸变、轴上点球差色差分别如图9A到图10所示。其中图9A和图9B分别表示场曲曲线与畸变曲线。由图上可以看出，上述场曲、畸变和轴上点球差色差都能被很好的校正。
第五实施例该微型摄像镜头系统满足表13、表14和表15的条件表13
表14
表15
该第五实施例的微型摄像镜头系统中，其场曲与畸变、轴上点球差色差分别如图11A到图12所示。其中图11A和图11B分别表示场曲曲线与畸变曲线。由图上可以看出，上述场曲、畸变和轴上点球差色差都能被很好的校正。
第六实施例该微型摄像镜头系统满足表16、表17和表18的条件表16
表17
表18
该第六实施例的微型摄像镜头系统中，其场曲与畸变、轴上点球差色差分别如图13A到图14所示。其中图13A和图13B分别表示场曲曲线与畸变曲线。由图上可以看出，上述场曲、畸变和轴上点球差色差都能被很好的校正。
第七实施例该微型摄像镜头系统满足表19、表20和表21的条件表19
表20
表21
该第七实施例的微型摄像镜头系统中，其场曲与畸变、轴上点球差色差分别如图15A到图16所示。其中图15A和图15B分别表示场曲曲线与畸变曲线。由图上可以看出，上述场曲、畸变和轴上点球差色差都能被很好的校正。
表22是7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。
表22
综上，本发明的微型摄像镜头系统在满足一定的条件式下，一方面可保证衍射光栅具有较大的特征尺寸，能采用铸模成型工艺大规模生产以降低成本；另一方面可具有较好的光学成像质量。此外，本发明中的弯月型厚透镜采用吸湿变形极小的非晶型聚烯烃材料制成，该光学塑料制成的透镜避免了因吸湿变形而导致的整个系统光学性能下降。
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，朝向物侧为凹面，朝向成像面为凸面的弯月型厚透镜，该弯月型厚透镜朝向物侧的面为非球面，朝向成像面的凸面具有衍射光栅结构，其特征在于该系统还满足条件式(1)0.1＜R2/R1＜0.5，其中R1表示弯月型厚透镜靠近物侧的表面顶点的曲率半径；R2表示弯月型厚透镜靠近像面的表面顶点的曲率半径。
2.如权利要求1所述的微型摄像镜头系统，其特征在于该弯月型厚透镜满足条件式(2)0.5＜d2/R2＜1.5，其中d2为弯月型厚透镜的厚度，即弯月型厚透镜靠近物侧的表面顶点到靠近成像面的表面顶点的距离。
3.如权利要求2所述的微型摄像镜头系统，其特征在于该弯月型厚透镜满足条件式(3)200＜-C2×f＜450，其中f表示整个摄像镜头的焦距；C2为衍射结构相位函数中第二阶相位系数。
4.如权利要求3所述的微型摄像镜头系统，其特征在于该弯月型厚透镜还满足条件式(4)d1/T＜0.15，其中d1表示光栏到弯月型厚透镜靠近物面的表面的距离；T为系统总长，即镜头光栏到成像面的距离。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的微型摄像镜头系统，其特征在于该弯月型厚透镜两面皆为非球面。
6.如权利要求1至4中任意一项所述的微型摄像镜头系统，其特征在于所述弯月型厚透镜采用光学塑料制成。
7.如权利要求6所述的微型摄像镜头系统，其特征在于所述光学塑料包括非晶型聚烯烃材料。
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，朝向物侧为凹面，朝向成像面为凸面的弯月型厚透镜，该弯月型厚透镜朝向物侧的面为非球面，朝向成像面的凸面具有衍射光栅结构，该系统还满足条件式(1)0.1＜R2/R1＜0.5，其中R1表示弯月型厚透镜靠近物侧的表面顶点的曲率半径；R2表示弯月型厚透镜，靠近像面的表面顶点的曲率半径。该微型摄像镜头系统采用折衍混合单片型透镜，可在兼顾低成本量产的同时提高成像质量。
文档编号G02B1/04GK1746716SQ20041005145
公开日2006年3月15日 申请日期2004年9月8日 优先权日2004年9月8日
发明者曾吉勇, 严瑛白, 金国藩, 王民强, 王卓 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司