CN109991716A - 镜头和其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种镜头，包括由放大侧至缩小侧依序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜及第五透镜，其中，第一透镜与第二透镜的屈光度总和为负，第三透镜、第四透镜及第五透镜的屈光度总和为正，其中，第一透镜为具有负屈光度的玻璃透镜，第二透镜为塑料透镜，且第三透镜、第四透镜以及第五透镜中，有一片透镜为阿贝数大于60的玻璃透镜，另外两片透镜为塑料透镜。

Description

镜头和其制造方法
技术领域
本发明涉及一种光学组件，尤其涉及一种镜头和其制造方法。
背景技术
随着现代视讯技术的进步，数字摄影机(digital video camera,DVC)及数字相机(digital camera,DC)等影像装置已被普遍地使用，并被广泛地应用于各领域中。这些影像装置中的核心组件之一为镜头，其用以将影像清晰地成像于屏幕或是电荷耦合组件(Charge Coupled Device,CCD)上。此外，近年来智能家庭门禁监视用摄影机和车用先进驾驶辅助系统(ADAS)有越来越蓬勃发展的趋势，人们对于薄型化及光学性能的要求也越来越高。要满足这样需求的镜头，大致上需要具备广视场角、小型化、薄型化、高解像力、大光圈、低畸变、日夜共焦等特点。
但是在一般的镜头中，要达到日夜共焦必须要有切换滤光片装置，或者是增加镜头中透镜的数量，以达到日夜共焦。然而，不论是哪一种方式，都会增加制作成本。此外，在一般的镜头中，会采用多个塑料透镜以降低成本，但是采用多个塑料透镜会有较大的热飘移(thermal drift)现象，导致光学质量下降。因此，如何制作一个具备上述特点并且可提供良好光学质量的镜头，是目前本领域的技术人员的重要课题之一。
发明内容
本发明提供了一种具有日夜共焦及良好的热飘移表现的低成本镜头。
本发明的一观点提供一种镜头，包括由放大侧至缩小侧依序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜及第五透镜，其中，第一透镜与第二透镜的屈光度总和为负，第三透镜、第四透镜及第五透镜的屈光度总和为正，其中，第一透镜为具有负屈光度的玻璃透镜，第二透镜为塑料透镜，且第三透镜、第四透镜以及第五透镜中，有一片透镜为阿贝数大于60的玻璃透镜，另外两片透镜为塑料透镜。
本发明的另一观点提供一种镜头，包括由放大侧至缩小侧依序排列的具有负屈光度的第一透镜群，和具有正屈光度的第二透镜群，其中，第一透镜群包含最靠近所述放大侧的第一透镜及第二透镜，第一透镜为玻璃透镜，第二透镜为塑料透镜，第二透镜群包含第三透镜、第四透镜及第五透镜，其中有一片透镜为玻璃透镜，另外两片透镜为塑料透镜。设于第一透镜群与第二透镜群之间的光圈，以及镜头符合下列条件：SD1/R1<0.45且1>R1/TTL>0.5，SD1为第一透镜面向放大侧的表面的半径；R1为第一透镜面向放大侧的表面的曲率半径；TTL为镜头总长。
基于上述，在本发明的实施例中，镜头的设计符合预设的条件标准，因此本发明的实施例的镜头可达到广视场角、小型化、薄型化、高解像力、大光圈、低畸变、低成本、日夜共焦以及低热飘移，并且提供良好的光学成像质量。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1为本发明第一实施例的镜头概要示意图。
图2至图4为图1的镜头的成像光学模拟数据图。
图5为本发明第二实施例的镜头概要示意图。
图6至图8为图5的镜头的成像光学模拟数据图。
图9为本发明一实施例的镜头的制造方法的流程图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。另外，下列实施例中所使用的用语“第一”、“第二”是为了辨识相同或相似的组件而使用，幷非用以限定该组件。
本发明所谓的光学组件，系指组件具有部分或全部可反射或穿透的材料所构成，通常包括玻璃或塑料所组成。例如是透镜、棱镜或是光圈。
当镜头应用在取像系统中时，放大侧是指在光路上靠近被拍摄物所处的一侧，缩小侧则是指在光路上较靠近感光组件的一侧。
一透镜的物侧面(或像侧面)具有位于某区域的凸面部(或凹面部)，是指该区域相较于径向上紧邻该区域的外侧区域，朝平行于光轴的方向更为“向外凸起”(或“向内凹陷”)而言。
图1是本发明一实施例的镜头概要示意图。请参照图1，本实施例的镜头10a有一镜筒(未绘示)，镜筒里由第一侧(放大侧)往第二侧(缩小侧)排列包括第一透镜群G1以及第二透镜群G2。第一透镜群G1位于放大侧OS与缩小侧IS之间。第二透镜群G2位于第一透镜群G1与缩小侧IS之间。第一透镜群G1以及第二透镜群G2沿着镜头10a的光轴12排列。
在本实施例中，镜头10a包括五个具屈光度(power)的透镜，且其中最靠近放大侧OS的第一透镜L1为玻璃透镜。如此一来，可适用在车用或门禁等需要防水防刮的场合，第二透镜L2为塑料透镜。另外，第一透镜群G1具有负屈光度，且第二透镜群G2具有正屈光度。此外，在本实施例中，镜头10a包括三个塑料透镜，且不具有胶合透镜，而第二透镜群G2具有一阿贝数(abbe numer)大于60的玻璃透镜与两片塑料透镜，其己有基本日夜共焦的效果。于另一实施例中，第二透镜群G2的玻璃透镜的阿贝数(abbe numer)大于70，其效果较佳。于又一实施例中，第二透镜群G2的玻璃透镜的阿贝数(abbe numer)可大于80，其效果最佳。如此一来，可有效降低波长范围从435nm到850nm的光线的色差并具有良好的光学特性，且镜头10a可达成红外光的焦点位置与可见光的焦点位置同时实质相同的功效。红外光(850nm)的焦点位置与可见光(555nm)的焦点位置同时实质相同是指两者的焦点位置距离在10μm以内。
在本实施例中，第一透镜群G1包括从放大侧(物侧)OS往缩小侧(像侧)IS依序排列的第一透镜L1以及第二透镜L2，且第二透镜群G2包括从物侧OS往像侧IS依序排列的第三透镜L3、第四透镜L4以及第五透镜L5。其中，第二透镜L2、第四透镜L4以及第五透镜L5为非球面透镜。在本实施例中，第一透镜L1至第五透镜L5的屈光度依序分别为负、正、正、负、正。各透镜L1-L5是定义有一通光孔径(Clear Aperture,CA)，通光孔径一词已为广泛应用于业界。本发明中所指通光孔径，是指透镜上光线可穿透的最大区域。
在本实施例中，第一透镜L1为具有朝向物侧OS的凸面的一负弯月形凸凹透镜(negative meniscus lens)，第二透镜L2为具有朝向物侧OS的凹面的一正弯月形凹凸透镜(positive meniscus lens)，第三透镜L3为一双凸透镜(biconvex lens)，第四透镜L4为具有朝向物侧OS的凸面的一负弯月形凸凹透镜(negative meniscus lens)，第五透镜L5为一双凸透镜。
在本实施例中，镜头10a还包括孔径光阑(aperture stop)14、滤光组件(IRfilter)16以及玻璃盖(cover glass)18。孔径光阑14设置于第一透镜群G1的第二透镜L2与第二透镜群G2的第三透镜L3之间。滤光组件16设置在第二透镜群G2的第五透镜L5与像侧IS之间。玻璃盖18设置在滤光组件16与位在像侧IS之间，用以保护影像传感器(图中未显示)。
本发明所指的孔径光栏(Aperture Stop)是指光圈，光圈为一独立组件或是整合于其他光学组件上。于一实施例中，光圈是利用机构件挡去周边光线并保留中间部分透光的方式来达到类似的效果，而前述所谓的机构件可以是可调整的。所谓可调整，是指机构件的位置、形状或是透明度的调整。或是，光圈也可以在透镜表面涂布不透明的吸光材料，并使其保留中央部分透光以达限制光路的效果。
以下表1内容将举出图1所绘示的镜头10a中关于各个透镜具体的数据资料。然而，下文中所列举的资料并非用以限定本发明，任何所属领域中具有通常知识者在参照本发明的后，当可对其参数或设定作适当的更动，惟其仍应属于本发明的范畴内，举例而言，于一实施例中，镜头包含小于或等于7片具屈光度(power)的透镜。
(表1)
在表1中，间距指的是在两相邻的表面之间沿着镜头10a的光轴12的直线距离。例如表面S1之间距是位于表面S1与表面S2之间且沿着光轴12的直线距离。标记栏中各透镜相应的厚度、折射率及阿贝数需参照同一列中对应之间距、折射率及阿贝数的数值。此外，在表1中，表面S1与表面S2为第一透镜L1的两个表面。表面S3与表面S4为第二透镜L2的两个表面……等依此类推。表面S5为孔径光栏14。表面S12与表面S13为滤光组件16的两个表面。表面S14为玻璃盖18面向物侧OS的表面。表面S15是镜头10a的成像面20。
在本实施例中，镜头10a的表面S3、S4、S8、S9、S10以及S11为非球面表面，且能藉由以下方程序(1)来表述：
在方程式中，Z为光轴12方向的偏移量(sag)，且c为一密切球面(osculatingsphere)的半径的倒数，即接近光轴12的曲率半径(例如是表1中表面S1-S11的曲率半径)的倒数。k为一圆锥系数(conic)，r为一非球面高度，αi分别代表非球面多项式的各阶非球面系数(aspheric coefficient)。以下表2将列出表面S3、S4、S8、S9、S10以及S11的非球面参数值。
(表2)
在本实施例的镜头10a中，镜头总长(total track length,TTL)＝12毫米。有效焦距(EFL)＝1.84毫米。光圈值(F-Number,Fno)＝2.05。视场角FOV＝155.4度(对角线)。镜头10a在成像面的影像高度(Image Circle)＝4.4(mm)。于本实施例中，表面S1的半径SD1为2.49mm，亦即如图1所示，第一透镜L1面对放大侧的表面S1的半径SD1是指表面S1于光轴12两端的镜面转折点于垂直光轴12方向上的距离的1/2。本实施例满足下列条件SD1/R1<0.45且1>R1/TTL>0.5，SD1为该第一透镜面向该放大侧的表面(S1)的半径；R1为该第一透镜面向该放大侧的表面(S1)的曲率半径；TTL为该镜头总长。本实施例中，各个非球面透镜可由塑料所制成，于其他实施例中，亦可以玻璃模造制成。
曲率半径是指曲率的倒数。曲率为正时，透镜表面的圆心在透镜的缩小侧方向。曲率为负时，透镜表面的圆心在透镜的放大侧方向。而各透镜的凸凹可见上表及其对应的示图。
本实施例的光圈值是以F/#来代表，如上表所标示者。
本实施例中，镜头整体的有效焦距(Effective focal length,EFL)是以EFL来表示，如上表所标示者。
本实施例镜头应用在投影系统时，影像高度(Image Circle)是指从光阀发出的影像光的最大有效区域。而当镜头应用在取像系统中时，影像高度则是指在成像面的影像对角线长度，如上表所标示者。
本实施例中，镜头总长(Total Track Length,TTL)是以TTL来表示，如上表所标示者。更明确的说，本实施例的镜头总长是指镜头10a最接近放大端的光学表面S1，与成像面S15之间，沿光轴12量测的距离，如上表所标示者。
于本实施例中，FOV在应用在投影系统时，是指最接近放大端的光学表面与镜头光轴的夹角，亦即以对角线量测所得的视野(field of view)，如上表所标示者。
图2至图4为图1的镜头的成像光学模拟数据图。请参照图2至图4，其中，图2为场曲(field curvature)图和畸变(distortion)图，其中场曲图的横轴代表与焦面相距的距离，纵轴代表从0到最大的场；畸变图的横轴代表畸变百分比，纵轴代表从0到最大的场。图3为横向光线扇形(lateral ray fan)图，其中横轴代表光线通过孔径光栏14的不同位置，纵轴代表光线照射到成像面的20位置，图4显示镜头10a的相对照度，由图2至图4可清楚看出图1的镜头10a具有良好的成像质量及亮度。
在本实施例中，镜头10a的红外光(850nm)焦点位置与可见光(555nm)焦点位置差距为9μm，亦即以555納米光线通过该镜头所形成的一第一焦平面与该镜头的光轴所形成的交点，称为第一交点(焦点位置)，以850納米光线通过该镜头所形成的一第二焦平面与该镜头的光轴所形成的交点，称为第二交点(焦点位置)，且该第二交点相对于该第一交点的偏移量小于10μm，亦即可使用较少的镜片且无需额外动作切换红外滤光片，也无需使用玻璃胶合光学组件即可达到日夜共焦且具有良好的日间及夜间的光学成像质量，需注意也可以使用其它波长的可见光取代555納米的可见光来确认是否达到日夜共焦且具有良好的日间及夜间的光学成像质量。
本实施例的镜头10a在摄氏25度焦点位置与摄氏-40度焦点位置差距为7μm，在摄氏25度焦点位置与摄氏85度焦点位置差距为9μm，因此温度从摄氏-40度至85度变化时具有低热飘移及良好的光学成像质量。本实施例满足下列条件之一：(1)镜头总长小于20mm，(2)该视场角FOV大于120度，(3)光圈值大于1.8。
图5中本发明另一实施例的镜头10b类似于图1中的镜头10a，两者的不同的处在于个别镜片的参数不同，请参考表3和表4。
以下表3内容将举出图5所绘示的镜头10b中关于各个透镜具体的数据资料。
(表3)
表3的标记栏中所记载的表面S1至表面S15的含意，以及所记载之间距、折射率及阿贝数与同一列中对应之间距、折射率及阿贝数的数值的参照方式相同于表1的参照方式，于此不再赘述。于本实施例中，表面S1的半径SD1为2.78mm。本实施例满足下列条件SD1/R1<0.45且1>R1/TTL>0.5，SD1为该第一透镜面向该放大侧的表面(S1)的半径；R1为该第一透镜面向该放大侧的表面(S1)的曲率半径；TTL为该镜头总长。
在本实施例中，镜头10b的表面S3、S4、S8、S9、S10以及S11为非球面表面，且能藉由上述方程式(1)来表述。以下表4将列出表面S3、S4、S8、S9、S10以及S11的非球面参数值。
(表4)
S3 S4 S8 S9 S10 S11
k 1.010 2.846 15.579 -1.139 -1.409 19.948
α1 0 0 0 0 0 0
α2 0 0 0 0 0 0
α3 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
α4 -0.0021 -0.0095 -0.0566 -0.0836 -0.0459 -0.0056
α5 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
α6 -0.0081 0.1643 0.0146 0.0416 0.0151 -0.0091
α7 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
α8 0.0172 -0.3476 -0.0059 -0.0121 -0.0009 0.0103
α9 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
α10 -0.0116 0.4049 0.0002 0.0012 -0.0001 -0.0054
α11 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
α12 0.0037 -0.2326 0.0000 0.0000 0.0000 0.0015
α13 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000
α14 -0.0004 0.0532 0.0000 0.0000 0.0000 -0.0002
在本实施例的镜头10b中，镜头总长(total track length,TTL)＝12毫米。有效焦距(EFL)＝1.875毫米。光圈值(F-Number,Fno)＝2.05。视场角FOV＝153.5度。在本实施例中，镜头10a的红外光(850nm)焦点位置与可见光(555nm)焦点位置差距为6μm，亦即可使用较少的镜片且无需额外动作切换红外滤光片，也无需使用玻璃胶合光学组件即可达到日夜共焦且具有良好的日间及夜间的光学成像质量。此外，本实施例的镜头10b在摄氏25度焦点位置与摄氏-40度焦点位置差距为2μm，在摄氏25度焦点位置与摄氏85度焦点位置差距为2μm，因此温度从摄氏-40度至85度变化时具有低热飘移及良好的光学成像质量。本实施例满足下列条件之一：(1)镜头总长小于20mm，(2)该视场角FOV大于120度，(3)光圈值大于1.8。
图9为本发明一实施例的镜头的制造方法的流程图。请参考图9，在本实施例中，所述镜头的制造方法至少可以应用于镜头10a和10b。以下说明将以应用于图1的镜头10a为例，但本发明并不以此为限。在本实施例的镜头的制造方法中，在步骤S900中，提供一镜筒。在步骤S910中，将第一透镜群20置入并固定于镜筒内。在步骤S920中，将第二透镜群30置入并固定于镜筒内，以完成镜头10a的制造，于另一实施例中步骤910和步骤920的实施顺序可对调而不受限。
综上所述，在本发明的实施例中，镜头的设计符合预设的条件标准，因此本发明的实施例的镜头可达到广视场角、小型化、薄型化、高解像力、大光圈、低畸变、低成本、日夜共焦以及低热飘移，并且提供良好的光学成像质量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种镜头，其特征在于，包括：
由放大侧至缩小侧依序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜及第五透镜，其中，所述第一透镜与所述第二透镜的屈光度总和为负，所述第三透镜、所述第四透镜及所述第五透镜的屈光度总和为正，其中，所述第一透镜为具有负屈光度的玻璃透镜，所述第二透镜为塑料透镜，且所述第三透镜、所述第四透镜以及所述第五透镜中，有一片透镜为阿贝数大于60的玻璃透镜，另外两片透镜为塑料透镜。
2.一种镜头，其特征在于，包括：
由放大侧至缩小侧依序排列的具有负屈光度的第一透镜群，和具有正屈光度的第二透镜群，其中，所述第一透镜群包含最靠近所述放大侧的第一透镜及第二透镜，所述第一透镜为玻璃透镜，所述第二透镜为塑料透镜，所述第二透镜群包含第三透镜、第四透镜及第五透镜，其中有一片透镜为玻璃透镜，另外两片透镜为塑料透镜；
光圈，设于所述第一透镜群与所述第二透镜群之间；以及
所述镜头符合下列条件：SD1/R1<0.45且1>R1/TTL>0.5，
SD1为所述第一透镜面向所述放大侧的表面的半径；
R1为所述第一透镜面向所述放大侧的表面的曲率半径；
TTL为所述镜头总长。
3.如权利要求1或2所述的镜头，其特征在于，所述镜头满足下列条件之一：(1)镜头总长小于20mm，(2)所述视场角FOV大于120度，(3)光圈值大于1.8。
4.如权利要求1或2所述的镜头，其特征在于，以555納米光线通过所述镜头所形成的第一焦平面与所述镜头的光轴所形成的交点，称为第一交点，以850納米光线通过所述镜头所形成的第二焦平面与所述镜头的光轴所形成的交点，称为第二交点，且所述第二交点相对于所述第一交点的偏移量小于10μm。
5.如权利要求1或2所述的镜头，其特征在于，所述镜头在摄氏85度焦点位置与摄氏-40度焦点位置差距小于10μm。
6.如权利要求1或2所述的镜头，其特征在于，所述第一透镜至所述第五透镜的屈光度依序分别为负、正、正、负、正。
7.如权利要求1或2所述的镜头，其特征在于，所述第二透镜、所述第四透镜以及所述第五透镜为非球面透镜。
8.如权利要求1或2所述的镜头，其特征在于，所述镜头中包括三个塑料透镜，且所述镜头中不具有胶合透镜。
9.如权利要求1或2所述的镜头，其特征在于，所述第一透镜至所述第五透镜的屈光度依序分别为凸凹、凹凸、双凸、凸凹、双凸。
10.一种镜头的制造方法，其特征在于，包括：
提供镜筒；
将负屈光度的第一透镜群置入并固定于所述镜筒内；以及
将正屈光度的第二透镜群置入并固定于所述镜筒内，其中，所述第一透镜群有第一透镜、第二透镜，所述第二透镜群有第三透镜、第四透镜及第五透镜，其中，所述第一透镜为具有负屈光度的玻璃透镜，所述第二透镜为塑料透镜，且所述第三透镜、所述第四透镜以及所述第五透镜中，有一片透镜为阿贝数大于60的玻璃透镜，另外两片透镜为塑料透镜。
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