具有三个镜头部件的照相机镜头系统

摘要

本公开涉及具有三个镜头部件的照相机镜头系统。一种可以具有三个镜头部件的光学成像镜头装置。所有镜头部件可以具有正折光力。第一物体侧镜头部件有平坦的物体侧表面。其余的折射表面可以为非球面的。第二镜头部件和第三镜头部件可以为弯月形状。所有三个镜头部件可以有相同的折射率和阿贝数。

权利要求

1.一种具有光轴和焦距f的成像镜头装置，所述成像镜头装置按照从物体侧到图像侧的顺序包括：具有正折光力的第一镜头部件，该第一镜头部件拥有平坦的物体侧表面、和图像侧表面，该图像侧表面在其与光轴相交处为凸的；

具有正折光力的第二镜头部件，所述第二镜头部件具有满足以下关系的焦距f2：

0.24＜f/f2＜0.54；及

具有正折光力的第三镜头部件。

2.如权利要求1所述的成像镜头装置，其中第二镜头部件具有物体侧表面和图像侧表面，该物体侧表面在其与光轴相交处为凹的，该图像侧表面在其与光轴相交处为凸的。

3.如权利要求2所述的成像镜头装置，其中第三镜头部件具有物体侧表面和图像侧表面，该物体侧表面在其与光轴相交处为凸的，该图像侧表面在其与光轴相交处为凹的。

4.如权利要求1所述的成像镜头装置，其中第一镜头部件、第二镜头部件、和第三镜头部件中的每一个都由折射材料构成的单一透明块形成，且所有三个镜头部件具有相同的折射率和阿贝数。

5.如权利要求1所述的成像镜头装置，其中，第一镜头部件的图像侧表面为非球面表面。

6.如权利要求5所述的成像镜头装置，其中，第二镜头部件和第三镜头部件的图像侧表面和物体侧表面为非球面表面。

7.如权利要求1所述的成像镜头装置，其中，f3为第三镜头部件的焦距，且满足下面的关系：

0.06＜f/f3＜0.50。

8.如权利要求1所述的成像镜头装置，其中，f3为第三镜头部件的焦距，且满足下面的关系：

0.49＜f/f3＜0.50。

9.如权利要求1所述的成像镜头装置，其中，f1为第一镜头部件的焦距，且满足下面的关系：

0.19＜f/f1＜0.20。

10.一种便携式设备，包括：

外壳；及

集成在所述外壳内部的数字照相机，该数字照相机具有光学成像镜头装置，所述光学成像镜头装置具有光轴和焦距f，所述成像镜头装置按照从物体侧到图像侧的顺序包括：具有正折光力的第一镜头部件，该第一镜头部件拥有平坦的物体侧表面、和图像侧表面，该图像侧表面在其与光轴相交处为凸的；

具有正折光力的第二镜头部件，所述第二镜头部件具有满足以下关系的焦距f2：

0.24＜f/f2＜0.25；及

具有正折光力的第三镜头部件。

11.如权利要求10所述的便携式设备，其中，第二镜头部件具有物体侧表面和图像侧表面，该物体侧表面在其与光轴相交处为凹的，该图像侧表面在其与光轴相交处为凸的。

12.如权利要求11所述的便携式设备，其中，第三镜头部件具有物体侧表面和图像侧表面，该物体侧表面在其与光轴相交处为凸的，该图像侧表面在其与光轴相交处为凹的。

13.如权利要求10所述的便携式设备，其中，第一镜头部件、第二镜头部件、和第三镜头部件中的每一个都由折射材料构成的单一透明块形成，且所有三个镜头部件具有相同的折射率和阿贝数。

14.如权利要求10所述的便携式设备，其中，第一镜头部件的图像侧表面为非球面表面。

15.如权利要求14所述的便携式设备，其中，第二镜头部件和第三镜头部件的图像侧表面和物体侧表面为非球面表面。

16.如权利要求11所述的便携式设备，其中，f3为第三镜头部件的焦距，且满足下面的关系：

0.06＜f/f3＜0.50。

17.如权利要求11所述的便携式设备，其中，f3为第三镜头部件的焦距，且满足下面的关系：

0.49＜f/f3＜0.50。

18.如权利要求11所述的便携式设备，其中，f1为第一镜头部件的焦距，且满足下面的关系：

0.19＜f/f1＜0.20。

19.如权利要求11所述的便携式设备，其中，外壳包括透明面板，且第一镜头部件被形成为透明面板的一部分。

20.如权利要求11所述的便携式设备，其中，该便携式设备为具有包括基座和枢转地连接于基座的盖的蛤壳结构的便携式电脑，且外壳为盖的一部分。

说明书

具有三个镜头部件的照相机镜头系统

[0001] 本申请要求2015年9月30日提交的美国临时专利申请No.62/235,391的权益；本申请根据35U.S.C.§119(e)要求该临时申请的提交日期的权益，并通过引用而被整体结合于此。

技术领域

[0002] 本发明的实施例涉及包括非球形表面的镜头的领域；并且更具体地，涉及具有三个镜头部件的镜头。

背景技术

[0003] 小型移动多用途设备(例如智能手机，平板设备和便携式电脑)的出现导致需要高分辨率的小形状因数照相机集成在设备中。特别地，需要可用在可能小于8mm厚的薄设备中的照相机。希望提供一种高性能镜头，该镜头可用于可能为镜头提供很小空间的薄设备中的小形状因数照像机。

发明内容

[0004] 公开了一种具有三个镜头部件的光学成像镜头装置。所有镜头部件可以具有正折光力。第一物体侧镜头部件具有平坦的物体侧表面。其余折射表面可以为非球面的。第二和第三镜头元件可以具有弯月形状。所有三个镜头部件可以具有相同的折射率和阿贝数。

[0005] 从附图和下面的详细描述中，当前发明的其他特征和优点将显见。

附图说明

[0006] 通过参考下面的用于示例性地而非限制性地示出本发明的实施例的描述和附图，可以最好地理解本发明。在附图中，相似附图标记表示相似的元件，其中：

[0007] 图1是包括三个折射镜头元件的镜头系统的第一示例实施例的截面图；

[0008] 图2是内部集成了照相机模块的便携式设备的透视图；

[0009] 图3是内部集成了另一个照相机模块的另一个便携式设备的透视图；

[0010] 图4示出了图3中所示的设备的透明板的一部分以及照相机模块的侧视图；

[0011] 图5是包括三个折射镜头元件的镜头系统的第二示例实施例的截面图。

具体实施方式

[0012] 在下面的描述中，阐述了许多具体的细节。然而，应理解，本发明的实施例也可以在没有这些具体细节的情况下实现。在其他例子中，为了使对描述的理解不晦涩，公知的结构和技术没有详细展示。

[0013] 在下面的描述中，参考示出本发明的数个实施例的附图。应理解，可以使用其他实施例，且可以在不违背本公开的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气和操作方面的修改。下面的详细描述并不具有限制意义，且当前发明的实施例的范围仅由发布的专利的权利要求限定。

[0014] 此处使用的术语仅是为了描述特定的实施例，而不是为了限制本发明。此处，为了描述方便，可以使用空间相对术语(例如“下面”，“下方”，“下部”，“上方”，“上部”，等等)来描述图中示出的一个元件或特征与另外(一个或多个)元件或特征的关系。应理解，除了图中描述的方向之外，空间相对术语还意图涵盖使用或操作中的设备的不同方向。例如，如果图中的设备被翻转，那么，被描述为在其他元件或特征“下面”或“下方”的元件将被定向为在其他元件或特征“上方”。这样，示例性术语“下方”能够涵盖上方取向和下方取向两者。设备可以被另外定向(例如，旋转90度或在其他方向上)，并且此处使用的空间相对的描述词也相应地解释。

[0015] 如在文中使用的，除非上下文给出不同的指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也意图包括复数形式。还应了解，术语“包含”和/或“包括”指定了所陈述的特征、步骤、操作、元件、和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件、和/或其组合的存在或添加。

[0016] 应用于镜头的术语“光轴”或简称“轴”指示镜头的旋转对称轴。

[0017] 应用于镜头的术语“元件”指示具有两个相对的折射表面的折射材料的任何单一透明块，这些表面在透镜的光轴的横向上布置并沿光轴分隔开。

[0018] 应用于镜头的术语“部件”或者指示(1)具有两个相对的折射表面的折射材料的单一透明块，即元件，或者指示(2)沿着镜头的光轴顺序布置的一组多个这样的块，这些块的相邻折射表面或者完全整体接触，或者在具有间隔的情况下平行，该间隔的幅值小以至于在镜头计算中不予考虑。

[0019] 当圆心在折射表面的图像侧时，折射表面的半径表示为正数。当圆心在折射表面的物体侧时，折射表面的半径表示为负数。具有正半径的物体侧折射表面是凸的；具有负半径的物体侧折射表面是凹的。具有正半径的图像侧折射表面是凹的；具有负半径的图像侧折射表面是凸的。应用于镜头表面的术语“凸”表明该镜头表面在表面与光轴相交处是凸的。应用于镜头表面的术语“凹”表明该镜头表面在表面与光轴相交处是凹的。

[0020] 应用于镜头的术语“折光力”指示在光轴附近镜头使光汇聚或发散的程度。“正折光力”是使光线向着光轴弯曲、即汇聚光的折光力。“负折光力”是使光线弯曲远离光轴、即发散光的折光力。

[0021] 应用于镜头的术语“孔径光阑”或者简称“光阑”指示确定通过镜头系统的光束尺寸的开口。

[0022] 此处使用的术语“焦距”指的是有效焦距，而不是前焦距，也不是后焦距。

[0023] 描述了用于小形状因数照像机的紧凑镜头系统的实施例。照相机可以在小包装尺寸中实现，同时仍然捕获清晰的高分辨率图像，这使得照相机的实施例适合用于诸如手机，智能手机，平板计算设备，便携式电脑，上网本，笔记本电脑，小笔记本电脑，超级本，监测设备等小型和/或移动多用途设备。然而，照相机的一些方面(例如，镜头系统和光敏元件)可以被放大或缩小，以便提供具有更大或更小的包装尺寸的照相机。此外，照相机系统的实施例可以实现为独立的数字照相机。除了静止的(单帧捕获)照相机应用，照相机系统的实施例也可以适合用于视频照相机应用。

[0024] 折射镜头部件可以由塑料材料组成。在至少一些实施例中，折射镜头元件可以由注射成型塑料材料组成。但是，可以使用其他透明光学材料。还要注意，在给出的实施例中，不同的镜头元件可以由具有不同光学特性(例如，不同阿贝数和/或不同折射率)的材料组成。

[0025] 照相机也可以，但并不必须，包括被置于镜头系统的最后一个镜头部件和光敏元件之间的红外(IR)滤光器。IR滤光器可以由诸如玻璃的材料组成。但是，也可以使用其他材料。注意，IR滤光器并不影响镜头系统的有效焦距。还要注意，除了此处示出和描述的部件之外，照相机也可以包括其他部件。

[0026] 在照相机中，镜头系统在位于光敏元件表面或其附近的像面(IP)处形成图像。远处物体的图像尺寸直接与镜头系统的有效焦距(f)成比例。镜头系统的总轨迹长度(TTL)为第一个(物侧)镜头部件的物侧表面处的前顶点与像平面之间的在光轴(AX)上的距离。

[0027] 在示例实施例中，镜头系统被配置为其有效焦距f为或约为0.56毫米(mm)，F-值(焦比，或F-数)为或约为2.2，视场(FOV)为或约为75度(但是可以实现更窄或更宽的FOV)，且总轨迹长度(TTL)为或约为1.1mm。

[0028] 注意，焦距f，F-值，和/或其他参数可以被缩放或调整，以满足对于其他照相机系统应用的光学、成像、和/或包装约束的各种规定。可被指定为对于特定照相机应用的要求的和/或可对于不同照相机系统应用而变化的照相机系统约束包括但不限于焦距f、有效孔径、F-值、视场(FOV)、成像性能要求和包装体积或尺寸约束。

[0029] 在一些实施例中，镜头系统也可以配备聚焦机构，该聚焦机构用于从无限远处(物体场景与照相机距离>20米)向近物体距离(<30mm)对于物体场景聚焦。例如，在一些实施例中，此处描述的镜头系统可以配备可调焦机构，其中镜头系统和/或在像面处的光敏元件可以被移动以用来在从大于20米到小于30mm的距离范围内对物体场景进行聚焦。

[0030] 虽然此处给出了数值范围，作为其中的一个或多个光学参数可被动态改变(例如，使用可调孔径光阑和/或可调焦点)的可调照相机和镜头系统的例子，但是，包括了其中的光学参数和其他参数数值在这些范围内的固定(不可调)镜头系统的照相机系统的实施例也可以实现。

[0031] 图1显示了用于示例实施例的三个折射镜头部件101，102,103的截面图。这个例子并非用于限制，并且对于镜头系统给定的各种参数可发生变化，而同时仍然获得类似的结果。在镜头系统110中，三个镜头部件101-103中的每一个都有折光力，且形成了具有焦距f的镜头系统。镜头系统110的三个镜头部件从物体侧到图像侧沿光轴(AX)112排列如下：

[0032] 第一镜头部件101，具有正折光力、焦距f1、平坦的物体侧表面、和凸的图像侧表面；

[0033] 第二镜头部件102，具有正折光力、焦距f2、凹的物体侧表面、和凸的图像侧表面；以及

[0034] 第三镜头部件103、具有正折光力、焦距f3、凸的物体侧表面、和凹的图像侧表面。

[0035] 第一物体侧镜头表面121(第一镜头部件101的物体侧表面)是平坦的(平的)。第二和第三镜头部件102,103具有正弯月形。此外，五个弯曲镜头表面中至少有一个是非球面的。在所示的示例实施例中，所有五个弯曲镜头表面都是非球面的。

[0036] 镜头系统110在图像传感器118的表面处或附近形成图像。覆盖材料116(例如覆盖玻璃或红外截止滤光器)可以被放置在镜头系统110和图像传感器118之间。

[0037] 镜头系统110的平坦的物体侧表面121可以允许镜头系统被安装在镜头系统的前部与被放置在镜头系统前方的表面之间的间隙较小的设备之中。这可允许设备高度被降低。

[0038] 现在参考图2，示出了便携式设备200的透视图，其中集成了使用图1中显示的镜头系统的照相机模块。在这种情况下设备200可以是膝上型电脑或者笔记本电脑。当然，照相机模块可替代地可被集成到其他种类的便携式设备(例如智能手机或平板电脑)中，照相机模块还可以被集成到非便携式设备(例如台式个人电脑，电视监视器)，或者任何其他在Z-轴方向上的轮廓(Z-高)特别短的电子设备。

[0039] 在膝上型电脑或笔记本电脑的情况中，设备200可以在外壳上具有显示屏，外壳可以提供围绕显示屏的挡板202.外壳的Z-高204在8mm或更小范围内，因此特别适合在内部接纳Z-高在6mm或更小范围内的照相机模块。此处描述的镜头系统适合创建具有小Z-高的紧凑镜头系统。图1中显示的镜头系统的前表面121可以与挡板202的面向前方的表面基本上平齐。

[0040] 现在参考图3，示出另一个便携式设备300的透视图，其中集成了使用根据本发明的一个实施例的镜头系统的另一个照相机模块330。在这种情况下，设备300可以是智能手机或平板电脑，在预期由用户单手持握时使用的意义上其为手持设备。当然，照相机模块330可替代地可集成在其他种类的便携式设备中，例如膝上型电脑或笔记本电脑，还可以集成在非便携式设备(例如台式个人计算机，电视监视器，或者任何其他在Z-轴方向上的轮廓(Z-高)特别短的电子设备)中。

[0041] 在智能手机或者平板电脑的情况下，设备300具有外壳，使得设备能够作为移动电话终端或终端站起作用的蜂窝网络无线通信电路集成在该外壳中。设备可以具有如下外壳，外壳的Z-高在8mm或更小的范围内，因此特别适合在其中接纳Z-高在6mm或更小范围内的照相机模块。此处描述的镜头系统适合用来创建具有小Z-高的紧凑镜头系统。

[0042] 在一些实施例中，设备300包括具有至少一个透明面板320的外壳，该透明面板320形成了设备的外部表面。照相机模块330可以包括第二镜头部件302、第三镜头部件303、覆盖材料316、和图像传感器318。透明面板320可以包括作为面板的成型部分的第一镜头部件301。

[0043] 图4示出了图3中显示的设备300的透明面板320的一部分和照相机模块330的侧视图。第一镜头部件301形成为透明面板320的一部分，如在形成第一镜头部件的透明面板的该部分的前部、物体侧表面321和后部、图像侧表面322之间的两条虚线表明的。应认识到，跨越包括第一镜头部件301的区域，透明面板320是连续的且均匀的。虚线仅表明第一镜头部件301的光学边界，并不是表明透明面板320中任何物理上可感知的边界。

[0044] 照相机模块330与透明面板320组装，以使面板中的第一镜头部件301与模块中的第二和第三镜头部件302,303沿光轴312对准，从而提供完整的成像光学系统310。

[0045] 图5显示了用于第二示例实施例的三个折射镜头部件401,402,403的截面图。这个例子并不用于限制，并且对于镜头系统给定的各种参数可发生变化，而同时仍然获得类似的结果。在镜头系统410中，三个镜头部件401-403中的每一个都有折光力，且形成了具有焦距f的镜头系统。镜头系统410的三个镜头部件从物体侧到图像侧沿着光轴(AX)412排列如下：

[0046] 第一镜头部件401，具有正折光力、焦距f1、平坦的物体侧表面、和凸的图像侧表面；

[0047] 第二镜头部件402，具有正折光力、焦距f2、凹的物体侧表面、和凸的图像侧表面；以及

[0048] 第三镜头部件403，具有正折光力、焦距f3、凸的物体侧表面，和凹的图像侧表面。

[0049] 第一物体侧镜头表面421(第一镜头部件401的物体侧表面)是平坦的(平的)。第二和第三镜头部件402,403具有正弯月形状。此外，五个弯曲镜头表面中至少有一个是非球面的。在所示的第二示例实施例中，所有五个弯曲镜头表面都是非球面的。

[0050] 镜头系统410在图像传感器418的表面处或其附近形成图像。覆盖材料416(例如，覆盖玻璃或红外截止滤光器)可以被放置在镜头系统410和图像传感器418之间。

[0051] 镜头系统410的平坦的物体侧表面421可以允许镜头系统被安装在镜头系统的前部与被放置在镜头系统前方的表面之间的间隙较小的设备之中。这可以允许设备高度被降低。

[0052] 下面的表格提供了此处描述及图1和图5示出的示例镜头系统的各种光学和物理参数的示例值。表1A和表1B提供了如图1中示出的具有三个镜头部件101-103的镜头系统110的示例实施例的光学规范。表2A和表2B提供了如图5中示出的具有三个镜头部件401-
403的镜头系统410的示例实施例的光学规范。

[0053] 在表格中，除非另外指定，否则所有尺度以毫米计。正半径表明曲率中心在表面的图像侧。负半径表明曲率中心在表面的物体侧。“INF”代表无限(光学中使用)。“ASP”指示非球面表面，“FLT”指示平坦表面。厚度(或间隔)为从一个表面与光轴的交点到下一个表面与光轴的交点的轴距。设计波长表示在成像系统的频带中的波长。

[0054] 对于镜头元件、窗、晶片衬底、和IR滤光器的材料，提供了氦d-线波长处的折射率Nd，以及相对于氢的d-线和C-线和F-线的阿贝数Vd。阿贝数Vd可以由下式定义：

[0055] Vd＝(Nd-1)/(NF–NC),

[0056] 其中，NF和NC分别为在氢的F和C线处的材料的折射率的值。

[0057] 参考表1B中的非球面常数，可以给出描述非球面表面的非球面式：

[0058]

[0059] 其中Z为平行于Z-轴的表面的下沉(对于所有实施例，Z-轴与光轴重合)；

[0060] K为圆锥常数；且

[0061] A,B,C,D,E,和F为非球面系数。

[0062] 在表格中，“E”表示指数符号(10的幂数)。

[0063] 注意，在下面的表格中给出了镜头系统的示例实施例的数值。这些数值以举例的形式给出，并不是用于限制。例如，在示例实施例中的一个或多个镜头元件的一个或多个表面的一个或多个参数、以及组成元件的材料的参数可以被赋予不同数值，而仍可为镜头系统提供类似的性能。特别地，注意，表格中的一些数值可以被放大或缩小，以便使用此处描述的镜头系统的实施例实现更大或更小的照相机。

[0064] 还要注意，在表格中所示的镜头系统的各个实施例中，元件的表面编号(Si)从物平面处的第一表面0到像平面处的最后一个表面9被列出。镜头系统的有效焦距由f给出。镜头系统的总轨迹长度(TTL)为在第一个部件L1的物体侧表面和像平面之间的沿着光轴的距离。孔径光阑(AS)(未显示)可以被放置在镜头部件L1的前物体侧附近，可以确定镜头系统的入射光瞳。镜头系统的焦比或f-值被定义为镜头系统有效焦距f除以入射光瞳直径。IR滤光器118可以阻挡可能破坏光敏元件或对其产生不利影响的红外辐射，且可以被配置为不会对f产生影响。

[0065] 此处描述的镜头系统的实施例涵盖频谱范围为470纳米(nm)～650nm、参考波长为555nm的可见区域内的应用。下面表格中的光学规范在470nm～650nm频谱上为所述的f-值提供高图像质量。

[0066] 示例镜头系统的三个镜头部件L1，L2，和L3可以由其折射率和阿贝数在表格中列出的塑料材料组成。在至少一些实施例中，塑料材料可以被用于镜头部件。所有三个镜头部件L1，L2，和L3可以由相同的塑料材料组成。这些塑料材料用于镜头部件允许镜头系统在可见区域中的色差被优化和校正。

[0067] 镜头部件材料可以被选择，且镜头部件的折光力分布可以被计算，以便满足有效焦距f、以及像场弯曲或Petzval和的校正。如表中所示，光学像差的单色和彩色变化可以通过调整镜头部件的曲率半径和非球面系数或者几何形状、以及轴间距来减小，以便产生校正得很好且均衡的最小残留像差。

[0068] 尽管一些示例实施例已经被描述并且在附图中被示出，仍然需要了解，这些实施例仅是宽泛的发明的说明，并不是对宽泛的发明的限制，本发明不限于已经示出和描述的特定结构和配置，因为本领域的普通技术人员可以想到各种其他修改。因此，描述被作为说明性的而不是限制性的。

[0069] 表1A

[0070]

[0071]

[0072] Si:表面i

[0073] Ri:表面i的半径

[0074] Di:表面i和表面i+1之间的沿着光轴的距离

[0075] Nd:相对于d-线，587.56nm的材料的折射率

[0076] Vd:相对于d-线的材料的阿贝数

[0077] fl:555nm处镜头部件的焦距

[0078] 设计波长：650nm,610nm,555nm,510nm,470nm

[0079] 表1B

[0080] 第一示例实施例的非球面系数

[0081]

[0082] 表2A

[0083]

[0084]

[0085] Si:表面i

[0086] Ri:表面i的半径

[0087] Di:表面i和表面i+1之间的沿着光轴的距离

[0088] Nd:相对于d-线，587.56nm的材料的折射率

[0089] Vd:相对于d-线的材料的阿贝数

[0090] fl:555nm处镜头部件的焦距

[0091] 设计波长：650nm,610nm,555nm,510nm,470nm

[0092] 表2B

[0093] 第二示例实施例的非球面系数

[0094]