一种单片式消色差手机镜头的制作方法

本实用新型属于光学领域，特别涉及一种消色差手机镜头。

背景技术：

在常规的镜头设计过程中，单透镜并不能消色差，常通过光学材料的色散特性，使用双胶合透镜或者三片及以上透镜，通过分配光焦度来实现消色差，用透镜的厚度与曲率作为自由度来矫正其他像差，但以负透镜补偿正透镜色差存在加大了单色像差，限制了数值孔径大小的缺陷。2005年，p.vodo等人使用等效负折射率的二维光子晶体对入射波进行汇聚，负折射率的透镜具有负的阿贝数，可以在使用同一材料的同时实现消色差的特性，但负折射率材料目前为止都为人工材料，难以大规模投入实际应用。

相位编码成像技术是由dowski与cathey在上世纪90年代提出的用于拓展焦深的技术，通过在光学系统的光阑或入瞳等位置加入经过设计的相位编码面来对入射光线进行编码，在像面上得到编码后的模糊图像，经过复原后可以得到清晰的图像，这一过程能够拓展焦深，由于编码元件通常直接加入到光学系统中，因此一般与其他光学元件分离。

已公布的手机镜头的设计都是采用折射成像的原理，为了消色差、扩大视场通常使用多片透镜结构，通常为5片至6片透镜组成的镜头组，手机镜头组采用的镜片数量越多，加工与组装难度就越大，同时不利于手机的做薄。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题是：现有技术中单片透镜不能实现消除色差的问题。采取的技术方案是：一种单片式消色差手机镜头，沿光轴方向设置为物侧光学面、像侧光学面；物侧光学面与像侧光学面共光轴，其中物侧光学面为折射面，像侧光学面为衍射面；所述折射面的面形包括：球面、非球面、扩展多项式面；所述衍射面为由球面、非球面或高次非球面塌陷而成的菲涅尔环带结构；所述的折射面或衍射面上叠加相位编码面形；

所述折射面与衍射面的光焦度满足：其中：单片式消色差手机镜头工作波长范围为λ1～λ3，λ2为工作波长的中心波长，f′为单片式消色差手机镜头在λ2处的目标焦距，f′dif与f′ref分别为衍射面与折射面在波长为λ2的焦距，与分别为衍射面与折射面在波长为λ1的焦距，与分别为衍射面与折射面在波长为λ3时的焦距。

工作原理：衍射面与折射面通过分配光焦度实现消色差，在单片折衍混合透镜基础上加入位相编码面，弥补单片折衍混合透镜的焦深短视场小的缺陷，同时为了不增加透镜数量，将相位编码面与衍射面相结合，构造了一个相位编码的折衍混合镜头，在消除了色差同时，扩大了视场。

可选的，一种单片式消色差手机镜头，包括物侧光学面、像侧光学面；其中物侧光学面为折射面，像侧光学面为衍射面；所述折射面的面形包括：球面、非球面、扩展多项式面；所述衍射面为由球面、非球面或高次非球面塌陷而成的菲涅尔环带结构；所述的折射面或衍射面上叠加相位编码面形。

可选的，所述的相位编码面为三次编码面，其中三次编码面的面形方程为z＝ξ(x³+y³)/r³，其中ξ为三次相位编码系数，r为编码元件半径，x，y为相位编码面的基底坐标，ξ＞10λ2。在传统的光学系统中离焦量会造成空间信息的丢失，加入位相编码面能大大减弱光学系统对离焦的不敏感，扩大系统的焦深与视场。

可选的，所述的折射面面形方程为：其中：r为折射面上任意一点到光轴的距离，k为圆锥系数，c为折射面顶点的曲率，n为多项式的最大级次，ai为第i项为扩展多项式的系数，x1，y1是折射面的基底坐标，ei(x1，y1)是在x1，y1方向的幂级数，使用扩展非球面面型可以将相位编码面与折射面面形相结合，实现单片位相编码的消色差手机镜头。

可选的，所述的折射面为偶次非球面，其面形方程为：r为折射面上任意一点到光轴的距离，k为圆锥系数，c为非球面顶点曲率，α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7、α8为偶次非球面的参数，偶次非球面相比球面能矫正像差，提高最后成像质量，保证像质的同时扩大手机镜头的视场角。

可选的，所述衍射面表面矢高方程为其中，fdif为衍射面的焦距，n为衍射面材料的折射率，p为菲涅尔环带序数，λ2为入射中心波长，p＝1，2，3，……，x2，y2为衍射面环带的基底坐标。

可选的，所述衍射面为相位编码面与菲涅尔环带面相结合，其表面矢高方程为其中，r1为衍射面的半径，n为衍射面材料的折射率，fdif为衍射面的焦距，λ2为入射中心波长，p为衍射表面菲涅尔环带数序数，p＝1，2，3，……，x，y为环带内衍射面的基底坐标，菲涅尔环带可以与相位编码面相结合，实现大视场的单片消色差手机镜头。

由于上述技术的应用，本实用新型与现有技术相比具有以下几个优势：

1.本实用新型的单片式消色差手机镜头通过折射面与衍射面分配光焦度，由于衍射面的负光焦度，能够实现单片镜头在f，d，c波段内的消色差。

2.本实用新型的单片式消色差手机镜头通过加入相位编码面，通过对入射光进行相位编码调控，能够使镜头对波长不敏感，虽然镜头的mtf(传递调制函数)降低，得到的为模糊的相位编码像，但只要大于0就可以通过使用适当的滤波函数就能将得到的图像恢复成清晰图像，同时扩大了视场角。

3.本实用新型的单片式消色差手机镜头满足目前主流手机镜头的参数要求，采用单片结构的设计相比于现有技术减少了镜头镜片数量，降低了安装难度，同时实现了宽波段大视场消色差的特性。

附图说明

图1是单片式消色差手机镜头的示意图；

图2是相位编码面与偶次非球面结合的手机镜头f光波段点列图；

图3是相位编码面与偶次非球面结合的手机镜头d光波段点列图；

图4是相位编码面与偶次非球面结合的手机镜头c光波段点列图；

图5是相菲涅尔环带的径向剖面图；

图6是相位编码面与菲涅尔环带结合的径向剖面图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例一：

一种单片式消色差手机镜头，如图1所示，包括物侧光学面1、像侧光学面2；其中物侧光学面为折射面，像侧光学面为衍射面；所述折射面的面形包括：球面、非球面、扩展多项式面；所述衍射面为由平面、球面、非球面或高次非球面塌陷而成的菲涅尔环带结构；所述的折射面或衍射面上叠加相位编码面形。

在上述公开的基础上设计具体的单片式消色差手机镜头，包括一个折射面与一个衍射面，其中折射面为偶次非球面与相位编码面的结合，为扩展多项式面，衍射面为菲涅尔环带，手机镜头的设计参数为，焦距f＝5.4mm，口径d＝3mm。

为了得到折射面与衍射面的参数，在设计波长为f(486nm)、d(587nm)、c(656nm)的波长下，使用折衍混合消色差的要求为其中fdif为d光入射时衍射面焦距，fref为d光入射时折射面焦距，γdif为衍射面阿贝数，由λ1为f光，λ2为d光，λ3为c光，得到γdif＝-3.45，折射面材料为bk7，折射率n1＝1.5168，γref＝63.167，则折射面焦距fref＝5.69mm，衍射面焦距为fref＝105.84mm。

三次相位板的面形公式为其中α为编码系数，在这个镜头中我们取α＝40π，λ2为入射中心波长，λ2＝0.000587，n为相位编码元件基底材料折射率，n＝1.5168，r为编码元件半径，r＝1.5，因此三次相位板的系数为

将三次相位板与折射面相结合，经过优化后，则折射面面形公式为：

其中x1和y1分别为折射面的基底坐标。

衍射面的矢高方程为：

其中，p为衍射表面菲涅尔环带数序数，p＝1，2，3，……，x2，y2为环带内衍射面的基底坐标。

表1为实施例一的镜头设计参数表

图2～4依次为当入射波长分别为f波段(486nm)，d波段(587nm)，c(656nm)时，不同入射角度下点扩散函数图，可以看出直到当半视场角15°，点扩散函数的形状基本没有发生变化，验证了相位编码折衍混合手机镜头可以实现单片大视场的成像。

图5为相菲涅尔环带的径向剖面图，得到菲涅尔透镜的高度为1.14μm，且为中心对称结构。

实施例二：

在上述公开的基础上设计具体的单片式消色差手机镜头，包括一个折射面与一个衍射面，其中折射面为偶次非球面，衍射面为菲涅尔环带与相位编码面结合，手机镜头的设计参数为，焦距f＝5.4mm，口径d＝3mm。

得到折射面与衍射面的参数，在设计波长为f(486nm)、d(587nm)、c(656nm)的波长下，使用折衍混合消色差的要求为其中fdif为衍射面焦距，fref为折射面焦距，γaif为衍射面阿贝数，λ1为f光，λ2为d光，λ3为c光，得到γdif＝-3.45，折射面材料为bk7，折射率n1＝1.5168，γref＝63.167，则折射面焦距fref＝5.69mm，衍射面焦距为fref＝105.84mm。

偶次非球面的面形公式为：

其中，x1，y1为折射面的基底坐标。

衍射面为菲涅尔环带与相位编码面相结合，其矢高为：

其中，p为衍射表面菲涅尔环带数序数，p＝1，2，3，……，x2，y2为环带内衍射面的基底坐标。

图6为相位编码面与菲涅尔环带结合的径向剖面图，其中因为三次位相板为非对称面型，与菲涅尔环带面结合后其轴向剖面图也为非对称，衍射面的高度为1.14μm，符合光刻加工的条件。

本实用新型所述的单片式消色差手机镜头是基于相位编码的折衍混合手机镜头，通过折衍混合结构设计消除了可见光波段的色差，在此基础上加入位相编码面，使透镜成像离焦不敏感，扩大成像视场角，同时设计将相位编码面与折射面或衍射面相结合的方式，在不影响成像结果的情况下实现单片镜头消色差的同时大视场的成像，相比于传统的手机镜头减少了镜头的数量，降低了生产组装难度，有利于未来手机轻薄化设计。