CN101604066B - 广角二镜片光学取像镜头 - Google Patents

Abstract

一种广角二镜片光学取像镜头，其沿着光轴排列由物侧至像侧依序包含：一孔径光阑；一正屈光度的第一透镜为一凹凸非球面透镜；一具有正屈光度的第二透镜为一新月型非球面透镜且其凸面是面向物侧而凹面是面向像侧，且其凹面自透镜中心向透镜边缘的光学有效区域内其曲面可具有至少一个反曲点，使第二透镜由正屈光度渐变转成负屈光度；又该光学取像镜头满足以下条件：2ω≥70°；

其中，bf为本取像镜头系统之后焦距，TL为光轴上孔径光阑至成像面的距离，2ω为最大场视角；藉此，本发明可达广角效果，扩增小型相机、手机的取像角度，且通过该二镜片的组合可达成具有短之后焦距，进一步减少镜头的长度，可达成使小型相机、手机更为薄形化的使用需求。

Description

广角二镜片光学取像镜头

技术领域

本发明是有关一种广角光学取像镜头，尤指一种针对小型相机或手机等，使用CCD(电荷藕合装置)或CMOS(互补型金属氧化物半导体)等图像传感器的镜头，而提供一种由二个透镜构成的广角、全长短且低成本的光学取像镜头。

背景技术

随着科技的进步，电子产品不断地朝向轻薄短小以及多功能的方向发展，而电子产品中如：数字相机(Digital Still Camera)、电脑相机(PC camera)、网络相机(Network camera)、移动电话(手机)等已具备取像装置(镜头)之外，甚至个人数字助理(PDA)等装置也有加上取像装置(镜头)的需求；而为了携带方便及符合人性化的需求，取像装置不仅需要具有良好的成像品质，同时也需要有较小的体积(长度)与较低的成本。由于狭小的视场角(field angle)造成拍摄的像幅太小，而视角大的取像镜头可改善电子产品的拍摄品质，可符合使用者的需求。

应用于小型电子产品的取像镜头，现有技术有二镜片式、三镜片式、四镜片式及五镜片式以上的不同设计，然而出于成本考虑，二镜片式使用的透镜较少，其成本较具优势。现有的二镜片式光学取像镜头已具有多种不同的结构设计，但其间的差异处或技术特征则是决定于以下各种因素的变化或组合而已：该二透镜之间对应配合的形状设计不同，如第一、二透镜分别为新月型(meniscusshape)透镜、双凸(bi-convex)、双凹(bi-concave)；或该二透镜之间对应配合的凸面/凹面方向不同；或该二透镜之间对应配合的屈光度(refractive power)正、负不同；或该二镜片组/镜片之间的相关光学数据如f_S(取像镜头系统的有效焦距)、di(各光学面i间距离)、Ri(各光学面i曲率半径)等，满足不同的条件；由上可知，就二镜片式的光学取像镜头的设计而论，现有技术在设计光学取像镜头技术领域，是针对各种不同光学目的的应用而产生不同的变化或组合，而因其所使用透镜的形状、组合、作用或功效不同，即可视为具有新颖性(novelty)及创造性(inventive step)。

近年为应用于小型相机、照像手机、PDA等产品，其取像镜头要求小型化、焦距短、像差调整良好，在各种小型化的二透镜取像镜头设计中，以正屈光度的第一透镜、正屈光度的第二透镜或其他组合的设计，最可能达到小型化的需求，如美国专利US2005/0073753、US2004/0160680、US7,110,190、US7,088,528、US2004/0160680；欧洲专利EP1793252、EP1302801；日本专利JP2007-156031、JP2006-154517、JP2006-189586；中国台湾专利TWM320680、TWI232325；中国专利CN101046544等。然而，这些专利所揭露的光学取像镜头，其镜头总长仍应进一步再缩小；对于使用者需求的较大的视场角设计，如美国专利US2008/0030875是使用正-负屈光度的组合、US20030/0197956使用负-正屈光度的组合、US5,835,288使用双凹及双凸透镜的组合、日本专利JP08-334684、JP2005-107368使用正或负-正屈光度的组合，使视场角可加大；或如日本专利公开号JP2004-177976、欧洲专利EP1793252与EP1793254、美国专利US6,876,500、US2004/0160680、US7,088,528、台湾专利TWI266074等使用正-正屈光度的组合使镜头长度降低。具有较大的视场角且镜头总长降低的设计，为使用者迫切的需求。为此，本发明提出更具实用性的设计，以简便地应用于小型相机、照像手机等电子产品上。

发明内容

本发明主要目的乃在于提供一种广角二镜片光学取像镜头，使其具有较大的视场角且镜头总长降低。

为此，本发明的广角二镜片光学取像镜头其沿着光轴排列由物侧(objectside)至像侧(image side)依序包含：一孔径光阑(aperture stop)；一正屈光度的第一透镜(a first lens of positive refractive power)为一双凸(biconvex)非球面透镜，至少有一光学面为球面；一具有正屈光度的第二透镜，为一新月型透镜且物侧面为凸面且面向物侧，物侧面可为球面或非球面，像侧面为凹面且面向像侧的非球面，且其像侧面自透镜中心向透镜边缘的光学有效区域(effectivediameter range)内可具有至少一个反曲点(inflection point)，使该第二透镜由正屈光度渐变转成(gradually change)负屈光度；又该光学取像镜头可满足以下条件：

2ω≥70°(1)

$0.3\≤\frac{\mathrm{bf}}{\mathrm{TL}}\≤0.6---\left(2\right)$

$\frac{H_{+}}{H_t}\≥75\%---\left(3\right)$

$0.1\≤\frac{d_2}{f_s}\≤0.3---\left(4\right)$

$0.5\≤\frac{f_2}{f_1}\≤2.2---\left(5\right)$

其中，bf为本取像镜头系统之后焦距(back focal length)，TL为光轴上孔径光阑至成像面的距离，2ω为最大场视角(maximum field angle)，H₊为第二透镜像侧面的反曲点以垂直于光轴与光轴交点的长度，H_t为第二透镜像侧面最大光学有效点以垂直于光轴与光轴交点的长度，d₂为光轴上第一透镜像侧面至第二透镜物侧面的距离长，f_S为光学取像镜头的有效焦距(effective focal length)，f₁为第一透镜的焦距长(focal length)、f₂为第二透镜的焦距长。

其中，该广角二镜片光学取像镜头的第一透镜及第二透镜可为各二个光学面均为非球面所构成，第一透镜及第二透镜可为玻璃或塑胶所制成。

藉此，本发明可达广角效果，扩增小型相机、手机的取像角度；且通过该二镜片的组合可达成具有短之后焦距，进一步减少镜头的长度，藉以提升取像镜头的应用性。

附图说明

图1是本发明的光学结构示意图；

图2是本发明的第二透镜像侧面的示意图；

图3是本发明的第一实施例的光路结构示意图；

图4a、4b、4c分别是本发明的第一实施例的成像的球面像差、场曲与成像的畸变图；

图5是本发明的第二实施例的光路结构示意图；

图6a、6b、6c分别是本发明的第二实施例的成像的球面像差、场曲与成像的畸变图；

图7是本发明的第三实施例的光路结构示意图；

图8a、8b、8c分别是本发明的第三实施例的成像的球面像差、场曲与成像的畸变图；

图9是本发明的第四实施例的光路结构示意图；

图10a、10b、10c分别是本发明的第四实施例的成像的球面像差、场曲与成像的畸变图；

图11是本发明的第五实施例的光路结构示意图；

图12a、12b、12c分别是本发明的第五实施例的成像的球面像差、场曲与成像的畸变图。

附图标记说明：

1-光学取像镜头；11-第一透镜；12-第二透镜；13-红外线滤光片；14-图像传感器；R1-(第一透镜)物侧面；R2-(第一透镜)像侧面；S-孔径光阑；R3-(第二透镜)物侧面；R4-(第二透镜)像侧面；R5-(红外线滤光片)物侧面；R6-(红外线滤光片)像侧面；d1-光轴上第一透镜物侧面至像侧面距离；d2-光轴上第一透镜像侧面至第二透镜物侧面距离；d3-光轴上第二透镜物侧面至像侧面距离；d4-光轴上第二透镜像侧面至红外线滤光片物侧面距离；d5-光轴上红外线滤光片物侧面至像侧面距离；d6-光轴上红外线滤光片像侧面至图像传感器距离。

具体实施方式

为使本发明更加明确详实，兹列举较佳实施例并配合附图，将本发明的结构及技术特征详述如后：

参照图1所示，其是本发明的光学取像镜头1结构示意图，其沿着光轴Z排列由物侧(object side)至像侧(image side)依序包含：一孔径光阑S、一第一透镜11、一第二透镜12、一红外线滤光片(IR cut-off filter)13及一图像传感器(image sensing chip)14；取像时，待摄物(object)的光线是先经过第一透镜L1及第二透镜L2后，再经过红外线滤光片13而成像于图像传感器(imagesensing chip)14的成像面(image)上。

该第一透镜11为一双凸型透镜，其是物侧面R1及像侧面R2均为凸面的非球面透镜，具有正屈光度，可利用折射率(N_d)大于1.5玻璃或塑胶材质制成，又其物侧面R1及像侧面R2至少有一面为非球面或双面均为非球面。

该第二透镜12为一新月型透镜，其是物侧面R3为凸面而像侧面R4为凹面的非球面透镜，具有正屈光度，可利用折射率(N_d)大于1.5玻璃或塑胶材质制成，又其物侧面R3可为球面或非球面，像侧面R4为非球面，像侧面R4可制作成为全部为凹面的光学面，或可为自透镜中心向透镜边缘的光学有效区域(effective diameter range)内具有至少一个反曲点(inflection point)，使该第二透镜12由正屈光度渐变转成负屈光度，其断面(如图2所示)形成中央下凹而两边凸出如“M”字型，也就是在波浪状像侧面R4上其中央区的凸面(或凹面)是向外逐渐变化弧度(曲率)而在外围区转变成凹面(或凸面)，因此在凹凸弧面转变之间形成一反曲点；当以任一切线经过反曲点并与光轴以垂直交叉，自反曲点至光轴距离为正屈光度范围的透镜高度，记为H₊，即为反曲点以垂直于光轴与光轴交点的长度；第二透镜12的最大光学有效点以垂直于光轴与光轴的垂直距离，记为H_t；H₊与H_t的比值为正屈光度变换至负屈光度的范围大小，为能有良好的成像效果，此范围应大于50％为较佳，且要能达成广角的效果，其范围应大于75％为较佳，即满足式(3)。

该孔径光阑(aperture stop)S是属于一种前置光圈，其是贴设于第一透镜11的物侧面R1上；该红外线滤光片(IR cut-off filter)13可为一镜片，或利用镀膜技术形成一具有红外线滤光功能的薄膜；该图像传感器(image sensing chip)14包含CCD(电荷藕合装置)或CMOS(互补型金属氧化物半导体)。

取像时，待摄物(object)的光线是先经过第一透镜11及第二透镜12后，再经过红外线滤光片13而成像于图像传感器14上，又本发明广角二镜片光学取像镜头1在第一透镜11及第二透镜12的光学面曲率半径、非球面曲面及透镜厚度(d1及d3)与空气间距(d2及d4)光学组合后，使场视角可大于70°，即满足式(1)。其非球面的方程式(Aspherical Surface Formula)为下列的式(6)

$Z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+\sqrt{(1-(1+K)c^2{h}^2)}}+A_4{h}^4+A_6{h}^6+A_8{h}^8+A_{10}{h}^{10}+A_{12}{h}^{12}+A_{14}{h}^{14}+A_{16}{h}^{16}---\left(6\right)$

其中，c是曲率，h为镜片高度，K为圆锥系数(Conic Constant)、A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂、A₁₄、A₁₆分别四、六、八、十、十二、十四、十六阶的非球面系数(Nth Order Aspherical Coefficient)。

通过上述结构，本发明光学取像镜头1之后焦距能有效缩小，使镜头长度减小，即满足式(2)或式(4)；再者，本发明光学取像镜头1，可进一步有效修正像差及降低主光线角度，即满足式(5)。

兹列举较佳实施例，并分别说明如下：

<第一实施例>

请参考图3、4所示，其分别是本发明光学取像镜头1第一实施例的光路结构示意图、成像的球面像差(spherical aberration)、场曲(field curvature)与成像的畸变(distortion)图；

下列表(一)中分别列有由物侧至像侧依序编号的光学面号码(surfacenumber)、在光轴上各光学面的曲率半径R(单位：mm)(the radius of curvatureR)、光轴上各面之间距d(单位：mm)(the on-axis surface spacing)，各透镜的折射率(N_d)、各透镜的阿贝数(Abbe’s number)v_d。

表(一)

*非球面表面

在表(一)中，光学面(Surf)有标注*者为非球面光学面，Surf 1、Surf2分别表示第一透镜11的物侧面R1与像侧面R2，Surf3、Surf4分别表示第二透镜12的物侧面R3与像侧面R4，Fno为光学取像镜头1的焦距比(fnumber)，f_S为取像镜头的有效焦距，2ω为光学取像镜头1的场视角。

下列表(二)列有各光学面的非球面式(6)的各项系数：

表(二)

本实施例中，第一透镜11是利用折射率N_d1为1.731、阿贝数v_d1为40.5的玻璃材质制成；第二透镜12是利用折射率N_d2为1.566、阿贝数v_d2为24.7的玻璃材质制成；红外线滤光片13是使用BSC7玻璃材质制成。

本实施例的光学取像镜头1有效焦距f_S为1.1386mm，而第一透镜11的焦距f₁为1.7332mm、第二透镜12的焦距f₂为2.1951mm、像侧面R4的有效径高H_t为0.7395mm、像侧面R4的反曲点至光轴高度H₊为0.5903mm；在光轴上，由第一透镜11的物侧面R1到图像传感器15的成像面距离TL为1.5270mm；即，2ω＝76°； $\frac{\mathrm{bf}}{\mathrm{TL}}=0.3273;$ $\frac{H_{+}}{H_t}=79.82\%;$ $\frac{d_2}{f_s}=0.2359;$ $\frac{f_2}{f_1}=1.2665;$ 可以满足条件式(1)～式(5)。

由上述表(一)、表(二)及图3至图4所示，藉此可证明本发明的广角二镜片光学取像镜头可有效修正像差，使光学取像镜头1具有高解析度、广角且又能有效缩小镜头长度，而提升本发明的应用性。

<第二实施例>

请参考图5、6所示，其分别是本发明光学取像镜头1第二实施例的光路结构示意图、成像的球面像差、场曲与成像的畸变图；

下列表(三)中分别列有由物侧至像侧依序编号的光学面号码、在光轴上各光学面的曲率半径R、光轴上各面之间距d，各透镜的折射率(N_d)、各透镜的阿贝数v_d。

表(三)

*非球面表面

下列表(四)列有各光学面的非球面式(6)的各项系数：

表(四)

本实施例中，第一透镜11是利用折射率N_d1为1.566、阿贝数v_d1为24.7的玻璃材质制成；第二透镜12是利用折射率N_d2为1.583、阿贝数v_d2为59.5的塑胶材质制成；红外线滤光片13是使用BSC7玻璃材质制成。

本实施例的光学取像镜头1有效焦距f_S为1.124mm，而第一透镜11的焦距f₁为2.2323mm、第二透镜12的焦距f₂为1.7104mm、R4光学面的有效径高H_t为0.6620mm、R4光学面的反曲点至光轴高度H₊为0.5276mm；在光轴上，由第一透镜11的物侧面R1到图像传感器15的成像面距离TL为1.7183mm；即，

2ω＝76.5°； $\frac{\mathrm{bf}}{\mathrm{TL}}=0.4248;$ $\frac{H_{+}}{H_t}=79.69\%;$ $\frac{d_2}{f_s}=0.2774;$ $\frac{f_2}{f_1}=0.7662,$ 可以满足条件式(1)～式(5)。

由上述表(三)、表(四)及图5至图6所示，藉此可证明本发明的广角二镜片光学取像镜头可有效修正像差，使光学取像镜头1具有高解析度、广角且又能有效缩小镜头长度。

<第三实施例>

请参考图7、8所示，其分别是本发明光学取像镜头1第三实施例的光路结构示意图、成像的球面像差、场曲与成像的畸变图；

表(五)

*非球面表面

上列表(五)中分别列有由物侧至像侧依序编号的光学面号码、在光轴上各光学面的曲率半径R、光轴上各面之间距d，各透镜的折射率(N_d)、各透镜的阿贝数v_d。

下列表(六)列有各光学面的非球面式(6)的各项系数：

表(六)

本实施例中，第一透镜11是利用折射率N_d1为1.537、阿贝数v_d1为63.5的玻璃材质制成；第二透镜12是利用折射率N_d2为1.731、阿贝数v_d2为40.5的玻璃材质制成；红外线滤光片13是使用BSC7玻璃材质制成。

本实施例的光学取像镜头1有效焦距f_S为1.20mm，而第一透镜11的焦距f₁为1.5836mm、第二透镜12的焦距f₂为3.1876mm、R4光学面无反曲点；在光轴上，由第一透镜11的物侧面R1到图像传感器15的成像面距离TL为1.7028mm；即，

2ω＝72°； $\frac{\mathrm{bf}}{\mathrm{TL}}=0.3817;$ $\frac{d_2}{f_s}=0.2440;$ $\frac{f_2}{f_1}=2.0128;$

可以满足条件式(1)、(2)、(4)及(5)。

由上述表(五)、表(六)及图7至图8所示，藉此可证明本发明的广角二镜片光学取像镜头可有效修正像差，使光学取像镜头1具有高解析度、广角且又能有效缩小镜头长度。

<第四实施例>

请参考图9、10所示，其分别是本发明光学取像镜头1第四实施例的光路结构示意图、成像的球面像差、场曲与成像的畸变图；

下列表(七)中分别列有由物侧至像侧依序编号的光学面号码、在光轴上各光学面的曲率半径R、光轴上各面之间距d，各透镜的折射率(N_d)、各透镜的阿贝数v_d。

表(七)

*非球面表面

下列表(八)列有各光学面的非球面式(6)的各项系数：

表(八)

本实施例中，第一透镜11是利用折射率N_d1为1.566、阿贝数v_d1为24.7的玻璃材质制成；第二透镜12是利用折射率N_d2为1.731、阿贝数v_d2为40.5的玻璃材质制成；红外线滤光片13是使用BSC7玻璃材质制成。

本实施例的光学取像镜头1有效焦距f_S为1.0663mm，而第一透镜11的焦距f₁为2.5387mm、第二透镜12的焦距f₂为1.597mm、R4光学面的有效径高H_t为0.490mm、R4光学面的反曲点至光轴高度H₊为0.4338mm；在光轴上，由第一透镜11的物侧面R1到图像传感器15的成像面距离TL为1.5275mm；即，

2ω＝80°； $\frac{\mathrm{bf}}{\mathrm{TL}}=0.4779;$ $\frac{H_{+}}{H_t}=88.52\%;$ $\frac{d_2}{f_s}=0.1341;$ $\frac{f_2}{f_1}=0.6291;$

可以满足条件式(1)～式(5)。

由上述表(七)、表(八)及图9至图10所示，藉此可证明本发明的广角二镜片光学取像镜头可有效修正像差，使光学取像镜头1具有高解析度、广角且又能有效缩小镜头长度。

<第五实施例>

请参考图11、12所示，其分别是本发明光学取像镜头1第五实施例的光路结构示意图、成像的球面像差、场曲与成像的畸变图；

下列表(九)中，其分别列有由物侧至像侧依序编号的光学面号码、在光轴上各光学面的曲率半径R、光轴上各面之间距d，各透镜的折射率(N_d)、各透镜的阿贝数v_d。

表(九)

*非球面表面

下列表(十)列有各光学面的非球面式(6)的各项系数：

表(十)

本实施例中，第一透镜11是利用折射率N_d1为1.613、阿贝数v_d1为26.3的塑胶材质制成；第二透镜12是利用折射率N_d2为1.566、阿贝数v_d2为24.7的玻璃材质制成；红外线滤光片13是使用BSC7玻璃材质制成。

本实施例的光学取像镜头1有效焦距f_S为1.1231mm，而第一透镜11的焦距f₁为2.2367mm、第二透镜12的焦距f₂为1.7097mm、R4光学面的有效径高H_t为0.6654mm、R4光学面的反曲点至光轴高度H₊为0.5456mm；在光轴上，由第一透镜11的物侧面R1到图像传感器15的成像面距离TL为1.7153mm；即，

2ω＝76°； $\frac{\mathrm{bf}}{\mathrm{TL}}=0.4256;$ $\frac{H_{+}}{H_t}=83.25\%;$ $\frac{d_2}{f_s}=0.2786;$ $\frac{f_2}{f_1}=0.7644;$

可以满足条件式(1)～式(5)。

由上述表(九)、表(十)及图11至图12a-c所示，藉此可证明本发明的广角二镜片光学取像镜头可有效修正像差，使光学取像镜头1具有高解析度、广角且又能有效缩小镜头长度。

图4a、6a、8a、10a、12a所表示的球面像差曲线图中，纵坐标为纵向球面像差(LONGITUDINAL SPHERICAL ABER.)，横坐标为焦距，单位为毫米。从图中可见，对于不同的焦距偏移下，其球面像差的变化情形。

图4b、6b、8b、10b、12b所表示的场曲(ASTIGMATIC FIELD CURVES)曲线图中，横坐标表示焦距，单位为毫米；纵坐标表示像高(IMG HT)(包括切向及径向)，从图中可见对于不同的焦距偏移下，以光轴的不同像高所产生的场曲变化情形。

图4c、6c、8c、10c、12c所表示的成像畸变(DISTORTION)曲线图中，横坐标表示扭曲率的百分比；纵坐标表示以光轴的不同像高(IMG HT)，从图中可见对于不同的像高时，其扭曲率变化的情形。

以上所示仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的。本技术领域具通常知识人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变、修改、甚至等效变更，但都将落入本发明的权利范围内。

Claims (9)

1.一种广角二镜片光学取像镜头，其特征在于，其沿着光轴排列由物侧至像侧依序包含：

一孔径光阑；

一第一透镜，具有正屈光度，其为一凹凸透镜，至少有一个光学面为非球面；

一第二透镜，具有正屈光度，其为一新月型透镜，其物侧面为凸面，其像侧面为非球面凹面；其中，满足以下条件：

2ω≥70°；

$0.3\&le;\frac{\mathrm{bf}}{\mathrm{TL}}\&le;0.6;$

其中，bf为本取像镜头系统之后焦距，TL为孔径光阑至成像面的距离，2ω为最大场视角。

2.根据权利要求1所述的广角二镜片光学取像镜头，其特征在于，该第一透镜的凹凸面均为非球面光学面。

3.根据权利要求1所述的光学取像镜头，其特征在于，该新月型第二透镜的凸面及凹面均为非球面光学面。

4.根据权利要求1所述的广角二镜片光学取像镜头，其特征在于，该第二透镜的像侧面自透镜中心向透镜边缘的光学有效区域内具有至少一个反曲点，使该第二透镜由正屈光度渐变转成负屈光度，其反曲点位置满足下列条件：

$\frac{H_{+}}{H_t}\&GreaterEqual;75\%$

其中，H₊，为第二透镜像侧面的反曲点到其以垂直于光轴与光轴交点之间的长度，H_t为第二透镜像侧面最大光学有效点到其以垂直于光轴与光轴交点之间的长度。

5.根据权利要求2或3所述的广角二镜片光学取像镜头，其特征在于，该取像镜头具有短焦距，满足下列条件：

$0.1\&le;\frac{d_2}{f_s}\&le;0.3$

其中，d₂为光轴上第一透镜像侧面至第二透镜物侧面的距离、f_S为光学取像镜头的有效焦距。

6.根据权利要求2或3所述的广角二镜片光学取像镜头，其特征在于，所述镜头还满足以下条件：

$0.5\&le;\frac{f_2}{f_1}\&le;2.2$

其中，f₁为第一透镜的焦距长、f₂为第二透镜的焦距长。

7.根据权利要求1所述的广角二镜片光学取像镜头，其特征在于，该第一透镜与第二透镜均为玻璃材质所制成。

8.根据权利要求1所述的广角二镜片光学取像镜头，其特征在于，该第一透镜为玻璃材质所制成，第二透镜为塑胶材质所制成。

9.根据权利要求1所述的广角二镜片光学取像镜头，其特征在于，该第一透镜为塑胶材质所制成，第二透镜为玻璃材质所制成。

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