TWI260441B - Optical pick-up system - Google Patents

Description

1260441 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種拾像光學系統，特別是具有廣視 角的一種拾像鏡頭。 【先前技術】 廣視角的拾像光學系統應用產品愈來愈廣，例如監視 器、車載鏡頭及内視鏡。日本公開專利特開昭61-035, 414 揭露一種廣視角的内視鏡頭，該内視鏡頭具有四個光學元 件並且於鄰近成像端具有一新月型透鏡。 然而，特開昭61-035,414的内視鏡頭雖然可修正畸變 像差，但是卻無法將所有自物端入射該鏡頭的光線垂直入 射CCD，因此會產生陰影。 曰本公開專利特開平01-218, 286揭露改善上述缺點的 方法。於對物鏡與CCD之間插入一場透鏡，使得光線可垂 直入射於CCD上。然而，卻使整個光學系統變得較為複雜 〇 曰本公開專利特開平05-107, 470揭露一種對物光學系 統，然而卻仍舊無法解決產生陰影的問題。 【發明内容】 因此，本發明之目的，即在提供一種拾像光學系統， 具有廣視角且解決影像產生陰影的問題。 根據上述目的，本發明之拾像光學系統，自物端至成 像端依序包括負屈光率的第一光學元件、正屈光率的第二 光學元件及負屈光率的第三光學元件；其中第二光學元件 1260441 滿足以下條件： 〇.7<|^-|<1.3 其中，fPi為第二光學元件的焦距，ft為拾像光學系統的焦 距。 如以上所述，本發明之拾像光學系統之第二及第三光 學元件為非球面透鏡，且分別具有至少一表面為非球面。 如以上所述，本發明之拾像光學系統之第二及第三光 學元件係以塑膠材料製造。 如以上所述’本發明之拾像光學系統可適用於各種溫 度與天候環境，其中第三光學元件滿足以下條件： 〇·5<|!ε!»|<1·5 其中，fpl為第二光學元件的焦距，fp2為第三光學元件的焦 距。 如以上所述，本發明之拾像光學系統之第一光學元件 為新月型負透鏡，其中朝向物端之表面為一凸面。較佳地 ，第一光學元件係以玻璃材料製造。 本發明之一優點在於，第一光學元件係用以消除畸變 像差及慧星像差’並獲得廣視角之功效。 本發明之另一優點在於，第二及第三光學元件係以塑 膠材料製作，可降低生產成本。 本發明之再一優點在於，第二及第三光學元件可用以 消除球面像差、像散像差及影像之陰影，並可適用於各種 1260441 溫度環境。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的呈現。 本發明之拾像光學系統具有廣視角的優點，可應用於 内視鏡、監視器、車栽鏡頭等。該拾像光學系統自物端至 成像端依序包括具有負屈光率的第一光學元件、正屈光率 的第二光學元件及負屈光率的第三光學元件。其中，該拾 像光學系統之第二光學元件須滿足以下條件： 〇.7<|iL|<l.3......⑴

It 其中’ fpl為第二光學元件的焦距，ft為拾像光學系統的焦 ° 本發明之拾像光學系統中，第一光學元件為新月型負 透鏡，且朝向物端之表面為凸面。孔徑光闌設置於第一光 學元件與第二光學元件之間，藉此可有效地將遠離光轴外 的光線以較大的入射角進入該系統中，進而獲得廣視角之 優點。 本發明之拾像光學系統中，第二光學元件為正透鏡以 及第三光學元件為負透鏡，且第二、第三光學元件皆具有 至少一非球面表面。較佳地，第二及第三光學元件係以塑 踢材料形成之。 本發明之拾像光學系統中，第三光學元件滿足以下條 1260441 件： 0·5<|於丨<ι 5......(2) ΓΡ2 ’ 其中，為第二光學元件的焦距，fp2為第三光學元件的隹 距。 當丨大於條件（1)的上限值時，會造成拾像光學系統 的球面像差趨於明顯而無法被修正。當|fpi/ft!小於條件⑴的 下限值時拾像光學系統的像散像差趨於明顯而無法被修 正。 當丨fPl/fP2丨大於條件（2)的上限時，拾像光學系統於高溫 環境或低溫環境的解像能力（MTF)快速變差。當丨丨小於 條件（2)的下限時，拾像光學系統的後焦過長，使得拾像光 學系統的總光程（total track)將會過長。 本發明之拾像光學系統之第二、第三光學元件皆為非 球面塑膠鏡片，但仍可於溫度範圍-川它至6〇t之間保持良 好的攝像品質。 〈發明詳細說明〉 參閱圖1，本發明之拾像光學系統之實施例，拾像光學 系統自物端至成像端依序包含負屈光率的第一透鏡（1〇)、正 屈光率的第二透鏡（20)及負屈光率的第三透鏡（3〇);以及， 該拾像光學系統的系統焦距為ft=l.〇 mm，數值孔徑 Fno.sZ.e ’且全視角南達162度。 第一透鏡（10)為新月型負透鏡，朝向物端之表面為凸面 且朝向成像端的表面為凹面。第一透鏡係以玻璃材料製作 8 1260441 ，具有抗刮、耐磨及不吸水的特性；使得拾像光學系統適 合戶外或潮濕環境使用。凸面朝向物端係用以修正畸變像 差。 第二透鏡（20)為雙凸正透鏡，且至少一表面為非球面並 採用塑膠材料製作。孔徑光闌位於第一透鏡（10)與第二透鏡 (20)之間，且鄰近第二透鏡設置；藉此，當偏離光轴且以大 角度入射第一透鏡的光線將可以較小的角度通過孔徑光闌 入射第二透鏡。於本實施例中，第二透鏡之焦距為fpi==0.94 mm ° 第三透鏡（30)為雙凹負透鏡，且至少一表面為非球面並 採用塑膠材料製作。於本實施例中，第三透鏡之焦距為 fp2 = -〇-95 mm 〇 於本發明之實施例中，拾像光學系統的第一透鏡（10)、 第二透鏡（20)及第三透鏡（30)的各項參數依序列於表1中： 表1 系統焦距長度ft=l.〇 mm ; Fno.=2.8 表面序號 曲率半徑 (mm) 厚度（mm) 折射率 (Nd) 阿貝係數 (Vd) R1 11.428 0.62 1.58913 61.2 R2 1.382 3.89 1.00000 STO. Infinity 0.00 1.00000 R3 1.165 1.24 1.52471 56.21 R4 ' -0.536 0.04 1.00000 R5 -1.323 0.39 1.60727 26.65 R6 1.128 0.20 1.00000 R7 Infinity 0.695 1.51633 64.15 IMA. Infinity 0.656 1.00000 此外，於本發明之實施例中，第二透鏡之表面序號R3 1260441 、R4及第二透鏡之透鏡表面序號R5、R6為非球面，其非 球面之相關數值依序列於表2 : 表2 表面序號 K A B C D R3 -9.303731 0.57434098 -1.06587400 0 0 R4 -4.537273 -0.56658212 -0.0041955651 0 0 R5 -30.082221 -0.80405480 -0.77832456 0 0 R6 -14.735885 -0.39857821 0.12753988 0 0 該等係數滿足以下非球面公式： z = -：--37+ Ah 4 + Bh 6 + Ch 8 + Dh 10 。

i+E-〇 + i>2a2J 於本發明之實施例中，拾像光學系統之各項數值皆符 合條件（1)及（2)。該拾像光學系統之成像端設置一影像感測 單元，例如CCD或CMOS ;此外，可於拾像光學系統與成 像端之間設置濾光片（40)，以濾除紅外光。 圖2顯示本發明之實施例之拾像光學系統，於溫度環 境為25°C之球面像差（spherical aberration)。根據圖2所示 ，該拾像光學系統於像高1Y範圍内的球面像差皆小於〇·〇1 mm範圍内。 圖3顯示本發明之實施例之拾像光學系統，於溫度環 境為25°C之場曲像差（field curvature)。根據圖3所示，該 拾像光學系統之弧矢光束（sagittal beam)與切向光束 (tangential beam)於最大像場高度1Y範圍内分離的程度皆小 於0.03 mm範圍内，因此顯示該拾像光學系統之像散像差 極小。 圖4顯示本發明之實施例之拾像光學系統，於溫度環 10 1260441 境為25°C之畸變像差（distortion)。根據圖4所示，該拾像 光學系統於像高1Y範圍内的畸變像差大於-60%。 圖5顯示本發明之實施例之拾像光學系統，於溫度環 境為25°C之馨星像差（coma aberration)。根據圖5所示，該 拾像光學系統於〇·7倍物高處，其產生的彗星像差圖案均方 根半徑（RMS Radius)小於 2·892 //m。 圖6顯示本發明之實施例之拾像光學系統，於溫度環 境為 25°C 之調變轉換函數值（Modulation Transfer Function) 。根據圖6所示，該拾像光學系統之弧矢光束與切向光束 於0.7倍物高處，焦點偏移量不大於0.02 mm。 為檢視本發明實施例提供之拾像光學系統確實可適用 於各種氣候環境，針對-10°c、25°c、60°c量測後焦的偏移 量。於溫度為-l〇°C時，該拾像光學系統之後焦值較25°C時 的後焦時增加〇·〇19 mm;於溫度為60°C時，該拾像光學系 統之後焦值較25°C時的後焦時短少0.018 mm。由以上可知 ，本發明之實施例的拾像光學系統具有極佳的成像品質； 雖然第二透鏡與第三透鏡皆使用塑膠射出成型的非球面透 鏡，但不受溫度變化而使成像品質惡化。 總的來說，本發明提供一種拾像光學系統，該系統的 孔徑光闌位於第一負透鏡與第二正透鏡之間且鄰近第二正 透鏡設置，使得該系統的全視角範圍高達162度；改變該 孔徑光闌與第二正透鏡之間的距離可改變全視角的範圍。 此外，第二及第三鏡片使用塑膠鏡片可有效降低該系統的 成本。 11 1260441 惟以上所述者，僅為本發明之具體實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是本發明實施例之拾像光學系統之光線追跡圖； 圖2顯示本發明之實施例之拾像光學系統，於溫度環 境為25°C之球面像差； 圖3顯示本發明之實施例之拾像光學系統，於溫度環 境為25°C之場曲像差； 圖4顯示本發明之實施例之拾像光學系統，於溫度環 境為25°C之畸變像差； 圖5顯示本發明之實施例之拾像光學系統，於溫度環 境為25°C之彗星像差圖案；及 圖6顯示本發明之實施例之拾像光學系統，於溫度環 境為25°C之調變轉換函數值。 【主要元件符號說明】 10 * • ·第一光學元件 40 * * 濾光片 20 * ·第二光學元件 IMA * 成像面 30 · • ·第三光學元件 STO . ♦ 孔鏡光闌 12

Claims (1)

1260441 十、申請專利範圍： •一種拾像光學系統，自物端至成像端依序包含： 第一光學元件，為負屈光率，其朝向物端之表面 為第一表面，朝向成像端之表面為第二表面； 第二光學元件，為正屈光率；以及 第三光學元件，為負屈光率； 該拾像光學系統滿足以下條件·· 0-7<lfH<1.3 其中，fpl為第二光學元件的焦距，ft為拾像光學系統的 焦距。 依據申吻專利範圍第i項所述之拾像光學系統，該拾像 光學系统進一步滿足以下條件： fp2 其中，fpl為第二光學元件的焦距，h為第三光學元件 的焦距。 3·依據申請專利範圍第2項所述之拾像光學系統其中該 拾像光予系統之孔控光闌係位於第一光學元件盘第二光 學元件之間。 ^ 4·㈣中請專利範圍第3項所述之拾像光學系統，其中第 、光予几件係新月型負透鏡，第一表面朝向物端凸出， 以及第二表面凹向成像端。 5.依據中請專利範圍第4項所述之拾像光學系統其中第 13 1260441 一光學元件係以玻璃材料製作。 6.依據中請專利範圍第4項所述之拾像光學系統其中第 ’二光學元件為雙凸正透鏡’且至少一表面為非球面。 :7.依據中請專利範圍第6項所述之拾像光學系統其中第 二光學元件係以塑璆材料製作。 8·依據申”月專利範圍第6項所述之拾像光學系统，其中第 三光學元件為雙凹負透鏡，且至少一表面為非球面 # 9.依據申請專利範圍第8項所述之拾像光學系統，其中第 三光學元件係以塑膠材料製作。 10· —種拾像光學系統，自物端至成像端依序包含： 第一光學元件，為負屈光率之新月型透鏡，其朝 向物端之表面為凸面，朝向成像端之表面為凹面； 第二光學元件，為正屈光率之雙凸透鏡，且該拾 像光學系統之孔鏡光闌位於第一光學元件與第二光學元 件之間；及 Φ 第三光學元件，為負屈光率之雙凹透鏡； 該拾像光學系統滿足以下條件： 〇-7<|年>丨<1.3 其中’ fpl為第二光學元件的焦距，ft為拾像光學系統的 焦距。 11 ·依據申5青專利範圍第1〇項所述之拾像光學系統，該拾 像光學系統進一步滿足以下條件： 14 1260441 0.5<|^-|<1.5 tp2 ， 其中，fpl為第二光學元件的焦距，fP2為第三光學元件 的焦距。 12·依據申請專利範圍第u項所述之拾像光學系統其中 該拾像光學系統之孔徑光闌係位於第一光學元件與第二 光學元件之間。 _ 13·依據申請專利範圍第12項所述之拾像光學系統其中 第一光學元件係以玻璃材料製作。 14·依據申請專利範圍第12項所述之拾像光學系統其中 第二光學元件的至少一表面為非球面。 15·依據申請專利範圍第14項所述之拾像光學系統，其中 第二光學元件係以塑膠材料製作。 16·依據申請專利範圍第14項所述之拾像光學系統其中 第二光學元件的至少一表面為非球面 籲17·依據申請專利範圍第16項所述之拾像光學系統其中 第三光學元件係以塑膠材料製作。 15