TWI766975B - 鏡頭及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種鏡頭，包含自第一側至第二側，依序設置具有正屈光度的第一透鏡組、光圈及具有正屈光度的第二透鏡群。其中鏡頭包含具屈光度的透鏡總數目小於4，且這些透鏡包含至少2片折射率大於1.7的透鏡。

Description

鏡頭及其製造方法

本發明關於一種鏡頭及其製造方法。

近年來隨科技的進展，鏡頭的種類日漸多元，應用於3D感測器的紅外線鏡頭是一種常見的鏡頭。目前對於薄型化及光學性能的要求也越來越高，要滿足這樣需求的鏡頭，大致上需要具低成本、大光圈和輕量化等特點。因此，目前亟需一種能兼顧輕量化，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。

「先前技術」段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在「先前技術」段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在「先前技術」段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。

本發明的其他目的和優點可以從本發明實施例所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

根據本發明的一個觀點，提供一種鏡頭，包含自第一側至第二側，依序設置具有正屈光度的第一透鏡組、光圈及具有正屈光度的第二透鏡群。其中鏡頭包含具屈光度的透鏡總數目小於4，且這些透鏡包含至少2片折射率大於1.7的透鏡。

根據本發明的另一個觀點，一種鏡頭包含沿影像放大側至影像縮小側依序設置的屈光度為負的第一透鏡、屈光度為正的第二透鏡、光圈和屈光度為正的第三透鏡，且鏡頭符合下列條件：0.2<L3D/LT<0.45，其中L3D為第三透鏡面對影像縮小側的透鏡表面直徑，LT為第一透鏡面對影像放大側的透鏡表面到第三透鏡面對影像縮小側的透鏡表面，沿鏡頭光軸的距離。

根據本發明的又一個觀點，一種鏡頭包含沿影像放大側至影像縮小側依序設置的屈光度為正的第一透鏡組、光圈和屈光度為正的第二透鏡組，其中第一透鏡組由具屈光度的第一和第二透鏡所組成，第二透鏡組由具屈光度的第三透鏡所組成，且鏡頭符合下列條件：2.5<EFL<3.0且-2.0<L1f/EFL<-1.4，其中EFL為該鏡頭的有效焦距，L1f為該第一透鏡的有效焦距。

根據本發明的上述觀點，可提供一種能兼顧輕量化，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的鏡頭設計。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例並配合所附圖式，作詳細說明如下。

10a-10b‧‧‧鏡頭

12‧‧‧光軸

14‧‧‧光圈

16‧‧‧玻璃蓋

18‧‧‧成像面

20‧‧‧第一透鏡組

30‧‧‧第二透鏡組

L1-L3‧‧‧透鏡

S1-S8‧‧‧表面

P、Q‧‧‧轉折點

D1‧‧‧直徑

OS‧‧‧影像放大側

IS‧‧‧影像縮小側

圖1為依本發明一實施例之鏡頭10a的示意圖。

圖2至圖4分別為鏡頭10a的光線扇形圖、場曲圖和畸變圖、和相對照度圖。

圖5為依本發明一實施例之鏡頭10b的示意圖。

圖6至圖8分別為鏡頭10b的光線扇形圖、場曲圖和畸變圖、和相對照度圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

另外，下列實施例中所使用的用語“第一”、“第二”是為了辨識相同或相似的元件而使用，幷非用以限定該元件。

本發明所謂的光學元件，係指元件具有部份或全部可反射或穿透的材質所構成，通常包含玻璃或塑膠所組成。例如是透鏡、稜鏡或是光圈。

當鏡頭應用在取像系統中時，影像放大側係指在光路上靠近被拍攝物所處的一側，影像縮小側則係指在光路上較靠近感光元件的一側。

一透鏡的物側面(或像側面)具有位於某區域的凸面部(或凹面部)，是指該區域相較於徑向上緊鄰該區域的外側區域，朝平行於光軸的方向更為「向外凸起」(或「向內凹陷」)而言。

圖1是本發明第一實施例的鏡頭架構示意圖。請參照圖1，在本實施例中，鏡頭10a有一鏡筒(未繪示)，鏡筒裡由第一側(影像放大側OS)往第二側(影像縮小側IS)排列包含了第一透鏡L1、第二透鏡L2、光圈14及第三透鏡L3。第一透鏡L1和第二透鏡L2可構成具有正屈光度的第一透鏡組(例如為前組)20，第三透鏡L3可構成具有正屈光度的第二透鏡組(例如為後組)30。再者，影像縮小側IS可設置玻璃蓋16以及影像感測器(圖中未顯示)，鏡頭10a的850nm有效焦距上成像面標示為18，玻璃蓋16位於第二透鏡群30與有效焦距上成像面18之間。於本實施例中，第一透鏡 L1至第三透鏡L3的屈光度分別為負、正、正，且第一透鏡和第三透鏡為非球面玻璃透鏡，但本發明實施例並不以此為限制。本發明各具體實施例之影像放大側OS均分別設於各圖之左側，而影像縮小側IS均設於各圖之右側，將不予重覆說明之。

本發明所指光圈14是指一孔徑光欄(Aperture Stop)，光圈為一獨立元件或是整合於其他光學元件上。於本實施例中，光圈是利用機構件擋去周邊光線並保留中間部份透光的方式來達到類似的效果，而前述所謂的機構件可以是可調整的。所謂可調整，是指機構件的位置、形狀或是透明度的調整。或是，光圈也可以在透鏡表面塗佈不透明的吸光材料，並使其保留中央部份透光以達限制光路的效果。

各透鏡係定義有一表面的直徑。舉例而言，如圖1所示，表面的直徑是指該於光軸12兩端的鏡面轉折點P、Q於垂直光軸12方向上的距離(例如表面的直徑D1)。再者，於本實施例中，表面S7的直徑為5.6mm。

鏡頭10a的透鏡及其周邊元件的設計參數如表一所示。然而，下文中所列舉的資料並非用以限定本發明，任何所屬領域中具有通常知識者在參照本發明之後，當可對其參數或設定作適當的更動，惟其仍應屬於本發明的範疇內。

在表一中，間距指得是在兩相鄰的表面之間沿著鏡頭10a之光軸12的直線距離。例如表面S1的間距是位於表面S1與表面S2之間且沿著光軸12的直線距離。註解欄中各透鏡相應的間距、折射率及阿貝數需參照同一列中對應的間距、折射率及阿貝數的數值。此外，在表一中，表面S1與表面S2為第一透鏡L1的兩個表面。表面S3與表面S4為第二透鏡L2的兩個表面...等依此類推。表面S5為光圈14。表面S8是鏡頭10a的成像面18。

表中表面有出現的＊係指該表面為非球面表面，而若未標示即為球面之意。

於本發明如下的各個設計實例中，非球面多項式用下列公式表示：

上述的公式已被廣泛應用。舉例來說，Z為光軸方向之偏移量(sag)，c是密切球面(osculating sphere)的半徑之倒數，也就是接近光軸12處的曲率半徑倒數，k是圓錐係數(conic constant)，r是非球面高度， 即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度。α _i 分別代表非球面多項式的各階非球面係數。表二列出本實施例中，鏡頭10a中非球面透鏡表面的各階非球面係數及圓錐係數值。

曲率半徑是指曲率的倒數。曲率半徑為正時，透鏡表面的球心在透鏡的影像縮小側方向。曲率半徑為負時，透鏡表面的球心在透鏡的影像放大側方向。而各透鏡之凸凹可見表一。

本發明的光圈值係以F/#來代表，如表一所標示者。本發明鏡頭應用在投影系統時，成像面是光閥表面。而當鏡頭應用在取像系統中時，成像面則係指感光元件表面。

本發明中，鏡頭總長係以LT來表示。更明確的說，本發明的鏡頭總長是指鏡頭10a最接近影像放大側的光學表面S1與最接近影像縮小側的光學表面S7之間，沿光軸12量測的距離，如表一所標示者。

本發明中，鏡頭成像總長係以TTL來表示。更明確的說，本發明的鏡頭成像總長是指鏡頭10a最接近影像放大側的光學表面S1與成像面S8之間，沿光軸12量測的距離，如表一所標示者。

本實施例中，第一透鏡組(前組)的有效焦距為108.48mm，第二透鏡組(後組)的有效焦距為5.57mm，第一透鏡的有效焦距為 -4.52mm，係以L1f來表示。

圖2至圖4為本實施例鏡頭10a的成像光學模擬數據圖。圖2為紅外光之光線扇形圖(ray fan plot)，其中X軸為光線通過入瞳的位置，Y軸為主光線投射至像平面(例如成像面S8)的位置的相對數值。圖3為場曲(field curvature)圖和畸變(distortion)圖，其中場曲圖的橫軸代表與焦面相距的距離，縱軸代表從0到最大的場；畸變圖的橫軸代表畸變百分比，縱軸代表從0到最大的場。圖4顯示鏡頭10a的相對照度。由圖2至圖4可清楚看出圖1之鏡頭10a具有良好的成像品質，由此可驗證本實施例之鏡頭10a確實能夠兼具良好的光學成像品質的特性。

本發明一實施例之鏡頭可包含兩透鏡組，前組例如可使用一個具負屈光度的透鏡(例如第一透鏡L1)，配合一個具正屈光度的透鏡(例如第二透鏡L2)以提高收光能力，但其並不限定。鏡頭的光圈值小於等於2.2。後群可包含一非球面透鏡(例如第三透鏡L3)以修正像差。鏡頭具屈光度的透鏡總片數為小於4片，且鏡頭包含至少2片折射率大於1.7或至少2片阿貝數小於50的透鏡。

於一實施例中，鏡頭可符合2.5<EFL<3.0，於另一實施例可符合2.6<EFL<2.9，於又另一實施例可符合2.65<EFL<2.85，其中EFL為鏡頭的有效焦距。再者，鏡頭可符合-2.0<L1f/EFL<-1.4，於另一實施例可符合-1.95<L1f/EFL<-1.5，於又另一實施例可符合-1.9<L1f/EFL<-1.6，其中L1f為第一透鏡的有效焦距。藉以讓進入鏡頭的光線快速收斂，以在有限空間中取得較佳的光學效果。

於一實施例中，鏡頭可符合0.2<L3D/LT<0.45，於另一實 施例可符合0.23<L3D/LT<0.43，於又另一實施例可符合0.26<L3D/LT<0.42，其中L3D為第三透鏡L3面向影像縮小側IS(第二側)的表面直徑，LT為鏡頭的第一透鏡面對影像放大側OS的表面S1，至最後一片透鏡面對影像縮小側IS的表面S7在光軸12上的長度。藉以讓進入鏡頭的光線成像於影像感測器，以在有限空間中取得較佳的光學效果。

以下將說明本發明的鏡頭的第二實施例的設計。圖5是本發明第二實施例的鏡頭10b架構示意圖。於本實施例中，鏡頭10b的第一透鏡L1至第三透鏡L3的屈光度分別為負、正、正，全部透鏡均為玻璃透鏡，且第一透鏡L1及第三透鏡L3為非球面透鏡，於本實施例中，非球面透鏡可由玻璃模造所製成。再者，於本實施例中，表面S7的直徑為6.08mm。鏡頭10b中的透鏡及其周邊元件的設計參數如表三所示。

表四列出本發明的第二實施例中，鏡頭的非球面透鏡表面的各階非球面係數及二次曲面係數值。

本實施例中，第一透鏡組(前組)的有效焦距為24.83mm，第二透鏡組(後組)的有效焦距為4.63mm，第一透鏡的有效焦距為-4.87mm，係以L1f來表示

圖6至圖8為本實施例鏡頭10b的成像光學模擬數據圖。圖6為紅外光之光線扇形圖(ray fan plot)，其中X軸為光線通過入瞳的位置，Y軸為主光線投射至像平面(例如成像面S8)的位置的相對數值。圖7為場曲(field curvature)圖和畸變(distortion)圖，其中場曲圖的橫軸代表與焦面相距的距離，縱軸代表從0到最大的場；畸變圖的橫軸代表畸變百分比，縱軸代表從0到最大的場。圖8顯示鏡頭10b的相對照度。由圖6至圖8可清楚看出圖5之鏡頭10b具有良好的成像品質，由此可驗證本實施例之鏡頭10b確實能夠兼具良好的光學成像品質的特性。由以上可知，本發明實施例可應用至3D感測器，使用之波長為850nm，在有限的空間中提供一種能兼顧輕量化，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的鏡頭設計。

以上各具體實施例中所列出的表格中的參數僅為例示之用，而非限制本發明。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

10a‧‧‧鏡頭

12‧‧‧光軸

14‧‧‧光圈

16‧‧‧玻璃蓋

18‧‧‧成像面

20‧‧‧第一透鏡組

30‧‧‧第二透鏡組

L1-L3‧‧‧透鏡

S1-S8‧‧‧表面

P、Q‧‧‧轉折點

D1‧‧‧直徑

OS‧‧‧影像放大側

IS‧‧‧影像縮小側

Claims (10)

1. 一種鏡頭，包含：沿一第一側至一第二側依序設置的屈光度為正的一第一透鏡組和屈光度為正的一第二透鏡組；以及一光圈，設於該第一透鏡組與該第二透鏡組之間；其中該鏡頭包含至少2片阿貝數小於50的透鏡，該鏡頭包含具屈光度的透鏡總數目小於4，該鏡頭的光圈值(F/#)小於等於2.2，且該些透鏡包含至少2片折射率大於1.7的透鏡。
2. 一種鏡頭，包含：沿一影像放大側至一影像縮小側依序設置的屈光度為正的一第一透鏡組和屈光度為正的一第二透鏡組；以及一光圈，設於該第一透鏡組與該第二透鏡組之間；其中該第一透鏡組包含具屈光度的一第一透鏡和一第二透鏡，該第二透鏡組包含具屈光度的一第三透鏡，且該鏡頭符合下列條件：2.5mm<EFL<3.0mm且-2.0<L1f/EFL<-1.4，其中EFL為該鏡頭的有效焦距，L1f為該第一透鏡的有效焦距。
3. 一種鏡頭，包含：沿一影像放大側至一影像縮小側依序設置的屈光度為正的一第一透鏡組和屈光度為正的一第二透鏡組，該第一透鏡組包含屈光度為負的一第一透鏡和屈光度為正的一第二透鏡，且該第二透鏡組包含屈光度為正的一第三透鏡；以及一光圈，設於該第一透鏡組與該第二透鏡組之間，其中該鏡頭包含至少2片折射率大於1.7的透鏡，該鏡頭符合下列條件：0.2<L3D/LT<0.45，其中L3D為該第三透鏡面對該影像縮小側的透鏡表面直徑，LT為該第一透鏡面對該影像放大側的透鏡表面到 該第三透鏡面對該影像縮小側的透鏡表面，沿該鏡頭一光軸的一距離。
4. 如申請專利範圍第2或3項所述之鏡頭，其中該鏡頭包含至少2片阿貝數小於50的透鏡。
5. 如申請專利範圍第1至3項任一項所述之鏡頭，其中該鏡頭符合下列條件之一：(1)在該第一側或該影像放大側和該光圈之間，包含一片非球面透鏡，(2)在該光圈和該第二側或該影像縮小側之間，僅包含一片非球面透鏡，(3)所有透鏡的材料均由玻璃所構成。
6. 如申請專利範圍第2或3項任一項所述之鏡頭，其中該鏡頭的光圈值(F/#)小於等於2.2。
7. 如申請專利範圍第1至3項任一項所述之鏡頭，其中該鏡頭的鏡頭總長(LT)小於20mm。
8. 如申請專利範圍第1至3項任一項所述之鏡頭，其中該鏡頭的鏡頭成像總長(TTL)介於20mm和40mm之間。
9. 如申請專利範圍第1至3項任一項所述之鏡頭，其中該鏡頭滿足下列條件之一：(1)自該第一側或該影像放大側至該第二側或該影像縮小側依序為凸凹透鏡、雙凸透鏡和雙凸透鏡，(2)自該第一側或該影像放大側至該第二側或該影像縮小側依序為非球面透鏡、球面透鏡和非球面透鏡。
10. 一種鏡頭製造方法，包含：提供一鏡筒；將屈光度為正的一第一透鏡組和屈光度為正的一第二透鏡組置入並固定於該鏡筒內，其中該鏡頭包含至少2片阿貝數小於50的透鏡，該鏡頭包含屈光度的透鏡總數目小於4，該些透鏡包含至少2 片折射率大於1.7的透鏡，且該鏡頭滿足下列條件其中之一：(1)鏡頭總長(LT)小於20mm，(2)鏡頭成像總長(TTL)介於20mm和40mm之間。

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