自动对焦镜头

技术领域

本发明涉及光学镜头技术领域，特别是涉及一种可实现自动对焦功能的自动对焦镜头。

背景技术

自2010年以来，我国在机器视觉领域取得了爆发式的增长，且随着摄像技术的发展，摄像模组由最初摄像条件较为局限的定焦系统逐渐发展为能够在不同摄像条件之间切换的变焦系统。

现有变焦系统一般是通过音圈马达驱动部分透镜作相对移动来改变各透镜之间的间距，以使变焦系统的焦距发生改变，实现在各种不同的拍摄物距的情况下进行自动对焦的功能，进而在确保一定成像质量的同时还可适应不同的物距、景深、拍摄范围等摄像要求。同时，为了获得更高品质的影像，现有变焦系统逐渐使用像素越来越高的CCD或CMOS等感光芯片。

然而，为了使变焦系统的像质匹配感光芯片的高像素，通常需要采用增加透镜数量的方式来达成，这种方式增加了镜头的重量和体积；同时，对于在需要快速重新对焦的高速应用或精密应用中，现有变焦系统很难拍摄到鲜明而准确的影像，即对焦速度慢且像质不高。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种自动对焦镜头，至少具有小畸变、高像质、大广角、低成本的优点，且自动对焦速度快，从而很好满足对实时性要求比较高的应用场景的使用需求。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种自动对焦镜头，沿光轴从物侧到成像面依次包括：

具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜的像侧面为凹面；

具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凸面、像侧面为凹面；

具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面为凸面、像侧面为凹面；

具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面为凸面、像侧面在近光轴处为凸面；

液体变焦透镜，所述液体变焦透镜根据施加的电压不同呈现不同的焦距；

具有负光焦度的第五透镜，所述第五透镜的物侧面为凸面、像侧面为凹面；

具有正光焦度的第六透镜，所述第六透镜的物侧面为凸面、像侧面为凹面；

具有正光焦度的第七透镜，所述第七透镜的物侧面为凸面、像侧面为凸面；

其中，所述液体变焦透镜内靠近所述第五透镜的一侧设置有光阑；

所述自动对焦镜头的物方调焦范围为40mm到150mm。

相较于现有技术，本发明提供的自动对焦镜头，采用七片具有特定光焦度及面型的透镜组合，使镜头具有较大的视场角及较小的体积；并在第四透镜和第五透镜之间搭配液体变焦透镜，通过对液体透镜施加不同的电压来调整系统的焦距，无需手动驱动或电机驱动对焦即可快速实现自动对焦，使得镜头在不同物距下均可实现超高分辨率，能够很好满足对实时性要求比较高的应用场景的使用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本发明第一实施例的自动对焦镜头的结构示意图；

图2为本发明第一实施例的自动对焦镜头的场曲曲线图；

图3为本发明第一实施例的自动对焦镜头的F-Tanθ畸变曲线图；

图4为本发明第一实施例的自动对焦镜头的MTF曲线图；

图5为本发明第二实施例的自动对焦镜头的结构示意图；

图6为本发明第二实施例的自动对焦镜头的场曲曲线图；

图7为本发明第二实施例的自动对焦镜头的F-Tanθ畸变曲线图；

图8为本发明第二实施例的自动对焦镜头的MTF曲线图；

图9为本发明第三实施例的自动对焦镜头的结构示意图；

图10为本发明第三实施例的自动对焦镜头的场曲曲线图；

图11为本发明第三实施例的自动对焦镜头的F-Tanθ畸变曲线图；

图12为本发明第三实施例的自动对焦镜头的MTF曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。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，不是旨在于限制本发明。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。

本发明实施例提供一种自动对焦镜头，沿光轴从物侧到成像面依次包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、液体变焦透镜、光阑、第五透镜、第六透镜、第七透镜以及滤光片，且各个透镜的光学中心位于同一直线上。

其中，第一透镜具有负光焦度，第一透镜的像侧面为凹面，第一透镜的物侧面可为凸面或者凹面；

第二透镜具有负光焦度，第二透镜的物侧面为凸面、像侧面为凹面；

第三透镜具有正光焦度，第三透镜的物侧面为凸面、像侧面为凹面；

第四透镜具有正光焦度，第四透镜的物侧面为凸面、像侧面在近光轴处为凸面；

液体变焦透镜，所述液体变焦透镜根据施加的电压不同呈现不同的焦距；

第五透镜具有负光焦度，第五透镜的物侧面为凸面、像侧面为凹面；

第六透镜具有正光焦度，第六透镜的物侧面为凸面、像侧面为凹面；

第七透镜具有正光焦度，第七透镜的物侧面为凸面、像侧面为凸面；

其中，所述液体变焦透镜内靠近第五透镜的一侧设置有光阑；

所述自动对焦镜头的物方调焦范围为40mm到150mm。

本发明采用的液体变焦透镜为电压驱动的变焦镜片，通过改变液体变焦透镜上的电压，可以动态调整液体层的表面形状，从而改变焦距。本发明所述液体变焦透镜设置在第四透镜、第五透镜之间，当自动对焦镜头工作时，会在液体变焦透镜上施加启动电压，此时液体变焦透镜处于初始状态的工作模式，此时自动对焦镜头也处于最佳物距的工作距离，由于在液体变焦透镜上施加了启动电压，会使液体层呈现一定曲率的面型形状，从而使液体变焦透镜具有相应的焦距，此时镜头的解像为品质最好的状态。当自动对焦镜头的工作物距在预设的工作范围内改变时，透镜上施加电压会自动进行调整，此时整个液体层的面型发生改变，曲率半径也会相应发生改变，使液体透镜的焦距也相应发生改变。因此根据镜头所需工作物距的不同，通过调整液体透镜上的施加电压，即可快速实现液体透镜的焦距调整，进而改变整个系统的焦距，使得光学系统在不同物距下均可实现超高分辨率。

所述光阑位于液体变焦透镜与第五透镜之间且紧邻所述液体变焦透镜靠近像侧的表面，此设置可有效提高自动对焦镜头的视场角并能更好的配合芯片的入射角度。

在一些实施方式中，所述自动对焦镜头满足以下条件式：

0.3V/mm

其中，OBJ表示所述自动对焦镜头的物距，在光学中，物距指拍摄物体到透镜光心的距离，即镜头的工作距离；U表示所述自动对焦镜头在工作状态时液体变焦透镜上加载的输入电压。满足上述条件式(1)时，所述自动对焦镜头可以通过改变液体变焦透镜上的输入电压，改变液体变焦透镜的曲率，进而改变系统的焦距，以满足不同物距下的成像要求，也即使镜头在不同物距下均具有较高品质的成像能力。

在一些实施方式中，所述自动对焦镜头满足以下条件式：

其中，

在一些实施方式中，所述自动对焦镜头满足以下条件式：

其中，

在一些实施方式中，所述自动对焦镜头满足以下条件式：

0.5

0.3

其中，R31表示所述第三透镜的物侧面的曲率半径，R32表示所述第三透镜的像侧面的曲率半径，f3表示所述第三透镜的焦距。满足上述条件式(6)和(7)，可使第三透镜具有合适的弯月形状，能够使光线更好的汇聚于成像面上，有利于实现较大的成像面。

在一些实施方式中，所述自动对焦镜头满足以下条件式：

其中，

在一些实施方式中，所述自动对焦镜头满足以下条件式：

2

1

其中，R51表示所述第五透镜的物侧面的曲率半径，R52表示所述第五透镜的像侧面的曲率半径，f表示所述自动对焦镜头的焦距。第五透镜位于液体变焦透镜之后，承担着收敛光线的重要作用，满足上述条件式(10)和(11)，通过合理设置第五透镜的面型，有利于更好的收敛光线，提高光线照度，从而提升镜头在全视场内的成像质量。

在一些实施方式中，所述自动对焦镜头满足以下条件式：

-5

-5

其中，R71表示所述第七透镜的物侧面的曲率半径，R72表示所述第七透镜的像侧面的曲率半径，f表示所述自动对焦镜头的焦距。满足上述条件式(12)和(13)，通过合理设置第七透镜的面型，有利于减小主光线的入射角CRA，提高相对照度，同时能够更好的矫正轴外光线，降低高阶像差的产生，提高整体成像质量。

在一些实施方式中，所述自动对焦镜头满足以下条件式：

-5

其中，f1表示所述第一透镜的焦距，f7表示所述第七透镜的焦距。满足上述条件式(14)，对第一、七透镜的光焦度进行合理设置，有利于对系统的像差进行更好的优化矫正，实现镜头的高品质成像。

在一些实施方式中，所述自动对焦镜头满足以下条件式：

0.15

其中，CT23表示所述第二透镜的像侧面与所述第三透镜的物侧面在光轴上的距离，TTL表示所述自动对焦镜头的光学总长。满足上述条件式(15)，可以使第二、三透镜之间具有较大的空气间隔，减缓光线的转折趋势，降低像差和畸变的矫正难度，实现镜头的大视场角和高像质的均衡。

在一些实施方式中，所述自动对焦镜头满足以下条件式：

0.1

其中，CT45表示所述第四透镜的像侧面与所述第五透镜的物侧面在光轴上的距离，TTL表示所述自动对焦镜头的光学总长。满足上述条件式(16)，可以使第四、五透镜之间预留足够的位置，能为安装带有电压驱动的液体变焦透镜提供足够的空间和位置，实现镜头的自动对焦功能；同时还避免了第四、五透镜之间的空气间隔过大，有利于缩短镜头的光学总长，实现整体的小型化。

在一些实施方式中，所述自动对焦镜头满足以下条件式：

1.0mm

1.5mm/rad

其中，f表示所述自动对焦镜头的焦距，θ表示所述自动对焦镜头的最大半视场角。满足上述条件式(17)和(18)，通过调整液体变焦透镜上的电压，能够快速实现系统的自动对焦，使镜头在不同的工作距离内均能清晰成像，同时还具有较大的视场角和较大的景深，确保镜头在不同工作距离下拍摄出的画面都很清晰，满足对实时性要求比较高的工业应用场景的使用需求。

为限制系统的总长，并确保系统具有足够好的成像品质，所述自动对焦镜头满足条件式：

5<|Nd5-Nd6|<50；(19)

其中，Nd5表示第五透镜的阿贝数，Nd6表示第六透镜的阿贝数。阿贝数用以表示透明介质色散能力的指数，一般来说，透镜的阿贝数越小，色散越严重；反之，透镜的阿贝数越大，色散越轻微。通过选用合适的镜片材料，使第五透镜和第六透镜能较好的进行搭配，有助于光学系统的色差校正，提高镜头的解析力。

在一些实施方式中，所述自动对焦镜头满足以下条件式：

5

其中，f4表示所述第四透镜的焦距，Nd4表示所述第四透镜的折射率。折射率反映的是镜片对光的折射能力；一般来说，折射率越高，折射能力越强。满足上述条件式(20)，通过选用合适的镜片材料，使第四透镜能承担光学系统的部分光焦度，有助于光学系统的像差校正，提高解析力。

在一些实施方式中，所述自动对焦镜头满足以下条件式：

1.5

其中，CT2表示第二透镜的中心厚度，ET2表示第二透镜的边缘厚度。满足上述条件式，可以合理限制第二透镜的形状及边厚比，降低镜片的加工难度；如果ET2/CT2的值超过下限，会使第二透镜对光线的发散能力不足，并导致镜头总长较长；如果第二透镜的边厚比差异较大，且由于是弯月型的镜片，导致镜片加工成型困难。

在本发明各个实施例中，当所述镜头中的透镜为非球面透镜时，各个非球面面型均满足如下方程式：

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，A

下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在各个实施例中，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。下述实施例仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不仅仅受下述实施例的限制，其他的任何未背离本发明创新点所作的改变、替代、组合或简化，都应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

第一实施例

请参阅图1，为本发明第一实施例提供的自动对焦镜头100的结构示意图，该自动对焦镜头100沿光轴从物侧到成像面依次包括：第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、液体变焦透镜E1、光阑ST、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7和滤光片G1，且各个透镜的光学中心位于同一直线上。

第一透镜L1具有负光焦度，第一透镜的物侧面S1为凸面、像侧面S2为凹面。

第二透镜L2具有负光焦度，第二透镜的物侧面S3为凸面、像侧面S4为凹面。

第三透镜L3具有正光焦度，第三透镜的物侧面S5和像侧面S6为凸面。

第四透镜L4具有正光焦度，第四透镜的物侧面S7为凸面、像侧面S8在近光轴处为凸面。

液体变焦透镜E1根据施加的电压不同，内部呈现不同的曲率半径，从而呈现不同的焦距，液体变焦透镜E1上施加的电压范围为47～50V。具体地，当液体透镜处于初始状态时，其上所施加的启动电压为47.7V，此时整体镜头的焦距为1.97mm，此时镜头的解像为品质最好的状态；当自动对焦镜头的工作物距在设定范围如40～150mm内发生改变时，此时液体透镜上的电压在47～50V范围内进行调整，整体镜头的焦距在1.971～1.974mm范围内进行波动，并呈现较高的分辨率。

第五透镜L5具有负光焦度，第五透镜的物侧面S10为凸面、像侧面S11为凸面。

第六透镜L6具有正光焦度，第六透镜的物侧面S12为凸面、像侧面S13为凹面。

第七透镜L7具有正光焦度，第七透镜的物侧面S14和像侧面S15均为凸面。

滤光片G1的物侧面为S16、像侧面为S17。

液体变焦透镜E1内靠近第五透镜的一侧设置有光阑ST。

其中，第二透镜L2、第四透镜L4和第七透镜L7均为玻璃非球面镜片，第一透镜L1、第三透镜L3、第五透镜L5和第六透镜L6均为玻璃球面镜片。需要说明的是，采用其它玻塑混合材质，和液体变焦透镜搭配，也能实现镜头的自动对焦功能，在此不一一列举。

请参阅表1，所示为本实施例当中的自动对焦镜头100的各个镜片的相关参数。

表1

请参阅表2，所示为本实施例当中的自动对焦镜头100的非球面的相关参数。

表2

请参阅图2，所示为本发明第一实施例提供的自动对焦镜头100的场曲图，其中，图2中横轴表示偏移量(单位：毫米)，纵轴表示视场角(单位：度)。从图中可以看出，子午像面和弧矢像面的场曲控制在±0.025毫米以内，说明光学镜头100的场曲得到有效矫正。

请参阅图3，所示为本发明第一实施例提供的自动对焦镜头100的F-Tanθ畸变图，其中，图3中横轴表示f-Tanθ畸变百分比，纵轴表示视场角(单位：度)。从图中可以看出，镜头的光学畸变较小且控制在±10％以内，说明光学镜头100的畸变得到有效校正。

请参阅图4，所示为本发明第一实施例提供的自动对焦镜头100的MTF曲线图，从图中可以看出，在125lp/mm频率下的MTF值大于0.5，且各个视场内的MTF值比较平直且均匀下降，说明该自动对焦镜头100在中心部分和边缘部分的成像比较均匀且均具有较高的分辨率。

第二实施例

请参阅图5，为第二实施例提供的自动对焦镜头200的结构示意图。本实施例当中的自动对焦镜头200与第一实施例当中的自动对焦镜头100大抵相同，不同之处在于，各个镜片的相关参数与第一实施例当中的自动对焦镜头100的各个镜片的相关参数存在差异；同时液体变焦透镜E1上施加的电压范围为47～50V。具体地，当液体透镜处于初始状态时，其上所施加的启动电压为48.8V，此时整体镜头的焦距为1.97mm，此时镜头的解像为品质最好的状态；当自动对焦镜头的工作物距在设定范围如40～150mm内发生改变时，此时液体透镜上的电压在47～50V范围内进行调整，整体镜头的焦距在1.969～1.970mm范围内进行波动，并呈现较高的分辨率。

请参阅表3，所示为本实施例当中的自动对焦镜头200的各个镜片的相关参数。

表3

请参阅表4，所示为本实施例当中的自动对焦镜头200的非球面的相关参数。

表4

请参阅图6，所示为本发明第二实施例提供的自动对焦镜头200的场曲图，从图中可以看出，子午像面和弧矢像面的场曲控制在±0.04毫米以内，说明光学镜头200的场曲得到有效矫正。

请参阅图7，所示为本发明第二实施例提供的自动对焦镜头200的F-Tanθ畸变图，从图中可以看出，镜头的光学畸变较小且控制在±13％以内，说明光学镜头200的畸变得到有效校正。

请参阅图8，所示为本发明第二实施例提供的自动对焦镜头200的MTF曲线图，从图中可以看出，在125lp/mm频率下的MTF值大于0.45，且各个视场内的MTF值比较平直且均匀下降，说明该自动对焦镜头200在中心部分和边缘部分的成像比较均匀且均具有较高的分辨率。

第三实施例

请参阅图9，为第三实施例提供的自动对焦镜头300的结构示意图。本实施例当中的自动对焦镜头300与第一实施例当中的自动对焦镜头100大抵相同，不同之处在于，第一透镜的物侧面S1为凹面，以及各个镜片的相关参数与第一实施例当中的自动对焦镜头100的各个镜片的相关参数存在差异；同时液体变焦透镜E1上施加的电压范围为50～53V。具体地，当液体透镜处于初始状态时，其上所施加的启动电压为51.5V，此时整体镜头的焦距为1.65mm，此时镜头的解像为品质最好的状态；当自动对焦镜头的工作物距在设定范围如40～150mm内发生改变时，此时液体透镜上的电压在50～53V范围内进行调整，整体镜头的焦距在1.652～1.658mm范围内进行波动，并呈现较高的分辨率。

请参阅表5，所示为本实施例当中的自动对焦镜头300的各个镜片的相关参数。

表5

请参阅表6，所示为本实施例当中的自动对焦镜头300的非球面的相关参数。

表6

请参阅图10，所示为本发明第三实施例提供的自动对焦镜头300的场曲图，从图中可以看出，子午像面和弧矢像面的场曲控制在±0.02毫米以内，说明光学镜头300的场曲得到有效矫正。

请参阅图11，所示为本发明第三实施例提供的自动对焦镜头100的F-Tanθ畸变图，从图中可以看出，镜头的光学畸变较小且控制在±4％以内，说明光学镜头300的畸变得到有效校正。

请参阅图12，所示为本发明第三实施例提供的自动对焦镜头300的MTF曲线图，从图中可以看出，在125lp/mm频率下的MTF值大于0.55，且各个视场内的MTF值比较平直且均匀下降，说明该自动对焦镜头300在中心部分和边缘部分的成像比较均匀且均具有较高的分辨率。

请参阅表7，为上述个实施例当中各实施例提供的镜头对应的光学特性，包括自动对焦镜头的焦距f、最大视场角FOV、像高IH和光学总长TTL，同时还包括上述条件式当中每个条件式对应的相关数值。

表7

综上所述，本发明提供的自动对焦镜头具有以下优点：

(1)采用七片玻璃材质的镜片以及一个液体变焦透镜的合理搭配，并通过对各个透镜的面型和光焦度进行合理设计，使得镜头能够实现在40～150mm的工作距离内的自动对焦，即在不同物距下均能获得较高的解像品质；同时采用全玻材质，提高了镜头在不同温度下的性能稳定性。

(2)由于采用电压驱动的液体变焦透镜，使镜头在不同物距下对焦时，镜头内的各透镜保持不动，仅通过改变液体变焦透镜上的驱动电压，即可改变液体透镜的焦距，进而改变整个系统的焦距，由于电压调节速度快，因此系统的对焦速度快，且分辨率高、体积小、结构简单，能够很好满足对实时性要求比较高的应用场景的使用需求。

(3)由于光阑设置在液体变焦透镜和第五透镜之间且紧邻液体变焦透镜的表面，能够使更大范围的光量进入机身，从而使镜头的通光大，相对照度高，边缘较亮，满足明暗环境的成像需求；同时由于各透镜设置合理，镜头还具有视场角大、像面大、体积小、重量轻、自动对焦速度快等优点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

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。