CN111323893B - 镜头及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种镜头，包含第一透镜组、第二透镜组和光圈。第一透镜组包含至少两片具有屈光度的透镜，屈光度为正的第二透镜组包含至少两片具有屈光度的透镜，光圈设于第一透镜组与第二透镜组之间，其中镜头包含具屈光度的透镜总数为大于4且小于9，D1为第一透镜组最远离第二透镜组的透镜表面直径，LT为镜头两端最外侧的透镜表面，在镜头光轴上的长度，IMH为镜头在一成像面的最大影像高度且镜头满足下列条件：3.5<LT/IMH<6且0.65<D1/LT<0.9。

Description

镜头及其制造方法
技术领域
本发明关于一种镜头及其制造方法。
背景技术
近年来随科技的进展，镜头的种类日渐多元，应用于智能家庭监视用镜头是一种常见的镜头。目前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，大致上需要具低成本、大光圈、广视角、轻量化、短总长和日夜共焦(IR Correction)等特点。因此，目前亟需一种能兼顾轻量化、短总长及日夜共焦，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的取像镜头设计。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中具有通常知识者所知道的习知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被所属技术领域中具有通常知识者所知晓或认知。
发明内容
本发明的其他目的和优点可以从本发明实施例所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
根据本发明的一个观点，提供一种镜头，包含第一透镜组、第二透镜组和光圈。第一透镜组包含至少两片具有屈光度的透镜，屈光度为正的第二透镜组包含至少两片具有屈光度的透镜，光圈设于第一透镜组与第二透镜组之间，其中镜头包含具屈光度的透镜总数为大于4且小于9，D1为第一透镜组最远离第二透镜组的透镜表面直径，LT为镜头两端最外侧的透镜表面，在镜头光轴上的长度，IMH为镜头在一成像面的最大影像高度且镜头满足下列条件：3.5<LT/IMH<6且0.65<D1/LT<0.9。藉由本实施例两个透镜组和包含多片非球面透镜，且镜头的透镜数介于5-8片，达到轻量化、短总长、较低的制造成本、日夜共焦及较佳的成像品质的取像镜头设计。
根据本发明的另一个观点，提供一种镜头，沿镜头的影像放大侧至影像缩小侧依序设置第一、第二、第三、第四和第五透镜，其中第二、第三、第四和第五透镜为非球面透镜，且镜头包括具有屈光度的透镜总数小于9，视场角介于180度和220度之间，其中以555纳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，以850纳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，且该第二交点相对于该第一交点的距离小于20μm。借由本实施例包含球面透镜和多片非球面塑胶透镜，且镜头的透镜数介于5-8片，达到轻量化、较低的制造成本、短总长、日夜共焦及较佳的成像品质的取像镜头设计。
借由本发明实施例的设计，可提供一种能兼顾可使光学镜头兼具良好的光学成像品质与日夜共焦的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的取像镜头设计。再者，本发明实施例光学镜头5-8片镜片、镜头到感测器(Sensor)的距离(TTL)小于15mm，因此能够提供具大光圈、高解析度、轻量化、短总长和日夜共焦(偏移量可小于20微米)等特点，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的光学镜头设计。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1为依本发明一实施例的镜头10a的示意图。
图2至图3分别为镜头10a的相对不同光波长的焦距偏移图和光线扇形图。
图4为依本发明一实施例的镜头10b的示意图。
图5至图6分别为镜头10b的相对不同光波长的焦距偏移图和光线扇形图。
图7为依本发明一实施例的镜头10c的示意图。
图8至图9分别为镜头10c的相对不同光波长的焦距偏移图和光线扇形图。
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元件而使用，幷非用以限定该元件。
本发明所谓的光学元件，是指元件具有部分或全部可反射或穿透的材质所构成，通常包含玻璃或塑胶所组成。例如是透镜、棱镜或是光圈。
当镜头应用在取像系统中时，影像放大侧是指在光路上靠近被拍摄物所处的一侧，影像缩小侧则是指在光路上较靠近感光元件的一侧。
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是本发明第一实施例的镜头架构示意图。请参照图1，在本实施例中，镜头10a有一镜筒(未绘示)，镜筒里由第一侧(影像放大侧OS)往第二侧(影像缩小侧IS)排列包含了第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、光圈14及第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6。第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3构成具有负屈光度的第一透镜组(例如为前组)20，第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6构成具有正屈光度的第二透镜组(例如为后组)30。再者，影像缩小侧IS可设置玻璃盖16以及影像感测器(图中未显示)，镜头10a的可见光有效焦距上成像面标示为19，玻璃盖16位于第二透镜组30与可见光有效焦距上成像面19之间。于本实施例中，第一透镜L1至第六透镜L6屈光度分别为负、负、正、正、负、正，且第二、第三、第五和第六透镜为非球面塑胶透镜。在一实施例中，非球面塑胶透镜可以用非球面玻璃透镜取代。另外，两透镜相邻的两面有大致相同(曲率半径差异小于0.005mm)或完全相同(实质相同)的曲率半径且形成结合透镜、胶合透镜、双合透镜(doublet)或三合透镜(triplet)，例如本实施例的第四透镜L4可由两透镜以胶合方式形成双合透镜，也可由三透镜以胶合方式形成三合透镜，使得本实施例的镜头的具屈光度的透镜总数为8片，但本发明实施例并不以此为限制。本发明各具体实施例的影像放大侧OS均分别设于各图的左侧，而影像缩小侧IS均设于各图的右侧，将不予重复说明。
本发明所指光圈14是指一孔径光阑(Aperture Stop)，光圈为一独立元件或是整合于其他光学元件上。于本实施例中，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。
各透镜定义有表面直径。举例而言，如图1所示，表面直径是指该于光轴12两端的镜面转折点P、Q于垂直光轴12方向上的距离(例如表面直径D)。再者，于本实施例中，表面S1的直径为8.6mm，表面S13的直径为3.3mm。
镜头10a的透镜设计参数、外形及非球面系数分别如表一及表二所示，于本发明设计实例中，非球面多项式可用下列公式表示：
Figure BDA0001937645550000041
上述的公式(1)中，Z为光轴方向的偏移量(sag)，c是密切球面(osculatingsphere)的半径的倒数，也就是接近光轴处的曲率半径的倒数，k是二次曲面系数(conic)，r是非球面高度，即为从透镜中心往透镜边缘的高度。表二的A-G分别代表非球面多项式的4、6、8、10、12、14、16阶项系数值。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之后，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。
表一
Figure BDA0001937645550000051
表二
S3* S4* S5* S6*
k 0.38 -0.86 82.2 -0.12
A 3.40E-02 1.35E-01 6.04E-03 -1.14E-03
B -2.21E-02 -7.39E-02 -5.07E-03 -1.21E-03
C 9.19E-03 1.12E-01 4.07E-03 6.86E-05
D -4.11E-03 -1.19E-01 -2.29E-03 9.88E-05
E 1.17E-03 6.59E-02 3.19E-04 -1.23E-05
F -1.92E-04 -1.94E-02 - -
G 1.69E-05 2.40E-03 - -
S10* S11* S12* S13*
k 17.87 -1.17 -1.30 -1.19
A -1.32E-01 -1.96E-01 -9.04E-02 -4.07E-03
B 1.51E-01 2.59E-01 6.66E-02 -7.56E-03
C -1.77E-01 -2.72E-01 -4.26E-02 6.71E-03
D 1.33E-01 2.02E-01 2.08E-02 -4.19E-03
E -5.76E-02 -9.65E-02 -6.92E-03 1.70E-03
F 1.08E-02 2.64E-02 1.41E-03 -3.85E-04
G - -3.11E-03 -1.30E-04 4.08E-05
S1的间距为表面S1到S2在光轴12的距离，S2的间距为表面S2到S3在光轴12的距离，S15间距为表面S15到可见光有效焦距上成像面19在光轴12的距离。
表中表面有出现的＊是指该表面为非球面表面，而若未标示即为球面的意思。
曲率半径是指曲率的倒数。曲率半径为正时，透镜表面的球心在透镜的影像缩小侧方向。曲率半径为负时，透镜表面的球心在透镜的影像放大侧方向。而各透镜的凸凹可见上表。
本发明的光圈值是以F/#来代表，如上表所标示者。本发明镜头应用在投影系统时，成像面是光阀表面。而当镜头应用在取像系统中时，成像面则是指感光元件表面。
当镜头应用在取像系统中时，影像高度IMH是指在成像面的影像对角线(imagecircle)长度的1/2，如上表所标示者。
本发明中，镜头的总长是以LT来表示，如上表所标示者。更明确的说，本实施例的总长是指镜头10a最接近影像放大侧的光学表面S1与最接近影像缩小侧的光学表面S13之间，沿光轴12量测的距离，如上表所标示者。镜头的镜头总长(LT)小于11mm。本发明中，镜头到成像面19的总长是以TTL来表示，如上表所标示者。更明确的说，本实施例镜头到成像面19的总长是指镜头10a最接近影像放大侧的光学表面S1与镜头成像面19之间，沿光轴12量测的距离。
于本实施例中，视场角DFOV是指最接近影像放大端的光学表面S1的收光角度，亦即量测所得的最大视野(field of view)，如上表所标示者。
图2至图3为本实施例镜头10a的成像光学模拟数据图。图2为镜头10a的相对不同光波长的焦距偏移图，而图中555纳米可见光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，以850纳米红外光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，两者的距离即光学镜头10a相对于可见光以及近红外光的焦距偏移量。本实施例第二交点相对于第一交点的偏移量约为5微米。要注意的是，使用555纳米光线只是作为一种测量焦平面偏移量的参考基准，并非一定的波长限制。图3为可见光的光线扇形图(ray fan plot)，其中X轴为光线通过入瞳的位置，Y轴为主光线投射至像平面(例如成像面19)的位置的相对数值。图2至图3模拟数据图所显示出的图形均在标准的范围内，由此可验证本实施例的镜头10a确实能够兼具良好的光学成像品质及日夜共焦的特性。
本发明一实施例的镜头包含两透镜组，前组例如可使用两个透镜，以具有收光能力，但其并不限定。镜头的光圈值约大于等于2.0。镜头包含多片非球面透镜以达到轻量化和低总长。镜头具屈光度的透镜总片数为5-8片，且镜头具有至少阿贝数大于55的三片透镜。
于一实施例中，镜头的透镜表面可符合0.65<D1/LT<0.98，于另一实施例可符合0.67<D1/LT<0.98，于又另一实施例可符合0.7<D1/LT<0.98，其中D1为最远离镜头成像面的透镜表面直径，LT为镜头最接近影像放大侧的光学表面与最接近影像缩小侧的光学表面之间，沿光轴量测的距离，借以让进入镜头的影像光收敛到接近影像感测器的大小，以在有限空间中取得较佳的光学效果。
于一实施例中，镜头可符合3.5<LT/IMH<6，于另一实施例可符合3.6<LT/IMH<5.9，于又另一实施例可符合3.7<LT/IMH<5.8，借以提供影像感测器对应镜头总长的较佳设计范围，其中IMH为在成像面的影像对角线(image circle)长度的1/2，LT为镜头最接近影像放大侧的光学表面与最接近影像缩小侧的光学表面之间，沿光轴量测的距离。
以下将说明本发明的镜头的第二实施例的设计。图4是本发明第二实施例的镜头10b架构示意图。第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、光圈14及第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6。第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3构成具有负屈光度的第一透镜组(例如为前组)20，第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6构成具有正屈光度的第二透镜组(例如为后组)30。于本实施例中，镜头10b的第一透镜L1至第六透镜L6的屈光度分别为负、负、正、正、负、正，且第二、第三、第五和第六透镜为非球面塑胶透镜。在一实施例中，非球面塑胶透镜可以用非球面玻璃透镜取代。再者，于本实施例中，表面S1的直径为9.04mm，表面S13的直径为3.3mm。镜头10b中的透镜及其周边元件的设计参数如表三所示。
表三
Figure BDA0001937645550000081
Figure BDA0001937645550000091
表四列出本发明的第二实施例中，镜头的非球面透镜表面的各阶非球面系数及二次曲面系数值。
表四
Figure BDA0001937645550000092
Figure BDA0001937645550000101
S1的间距为表面S1到S2在光轴12的距离，S2的间距为表面S2到S3在光轴12的距离，S15间距为表面S15到可见光有效焦距上成像面19在光轴12的距离。镜头具有至少阿贝数大于55的两片塑胶透镜。
图5至图6为本实施例镜头10b的成像光学模拟数据图。图5为镜头10b的相对不同光波长的焦距偏移图，本实施例第二交点相对于第一交点的偏移量约为6微米。图6为可见光的光线扇形图(ray fan plot)。图5至图6模拟数据图所显示出的图形均在标准的范围内，由此可验证本实施例的镜头10b确实能够兼具良好的光学成像品质及日夜共焦的特性。
以下将说明本发明的镜头的第三实施例的设计。图7是本发明第三实施例的镜头10c架构示意图。第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、光圈14及第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6。第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3构成具有负屈光度的第一透镜组(例如为前组)20，第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6构成具有正屈光度的第二透镜组(例如为后组)30。于本实施例中，镜头10c的第一透镜L1至第六透镜L6的屈光度分别为负、负、正、正、负、正，且第二、第三、第五和第六透镜为非球面塑胶透镜。在一实施例中，非球面塑胶透镜可以用非球面玻璃透镜取代。再者，于本实施例中，表面S1的直径为8.9mm，表面S13的直径为3.36mm。镜头10c中的透镜及其周边元件的设计参数如表五所示。
表五
Figure BDA0001937645550000111
表六列出本发明的第三实施例中，镜头的非球面透镜表面的各阶非球面系数及二次曲面系数值。
表六
Figure BDA0001937645550000112
Figure BDA0001937645550000121
S1的间距为表面S1到S2在光轴12的距离，S2的间距为表面S2到S3在光轴12的距离，S15间距为表面S15到可见光有效焦距上成像面19在光轴12的距离。镜头具有至少阿贝数大于50的三片透镜。
图8至图9为本实施例镜头10c的成像光学模拟数据图。图8为镜头10c的相对不同光波长的焦距偏移图，本实施例第二交点相对于第一交点的偏移量约为7微米。图9为可见光的光线扇形图(ray fan plot)。图8至图9模拟数据图所显示出的图形均在标准的范围内，由此可验证本实施例的镜头10c确实能够兼具良好的光学成像品质及日夜共焦的特性。
借由本发明实施例的设计，可提供一种能兼顾可使光学镜头兼具良好的光学成像品质与日夜共焦的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的取像镜头设计。再者，本发明实施例光学镜头5-8片镜片、镜头到感测器(Sensor)的距离(TTL)小于15mm，因此能够提供具大光圈、高解析度、轻量化、短总长和日夜共焦(偏移量可小于20微米)等特点，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的光学镜头设计。
以上各具体实施例中所列出的表格中的参数仅为例示，而非限制本发明。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。另外，本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻，并非用来限制本发明的权利范围。

Claims (12)

1.一种镜头，其特征在于，包含：
一第一透镜组，包含至少两片具有屈光度的透镜；
一屈光度为正的第二透镜组，包含至少两片具有屈光度的透镜；以及
一光圈，设于所述第一透镜组与所述第二透镜组之间，其中所述镜头包含具屈光度的透镜总数为大于5且小于9，D1为所述第一透镜组最远离所述第二透镜组的透镜表面直径，LT为所述镜头两端最外侧透镜表面，在所述镜头光轴上的长度，IMH为所述镜头在一成像面的最大影像高度且所述镜头满足下列条件：
3.5<LT/IMH<6且0.65<D1/LT<0.98，其中以555纳米光线通过所述镜头所形成的一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纳米光线通过所述镜头所形成的一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距离小于20μm。
2.一种镜头，其特征在于，包含：
沿所述镜头的影像放大侧至影像缩小侧依序设置一第一透镜、一第二透镜、一第三透镜、一第四透镜和一第五透镜，其中所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜为非球面透镜，且所述镜头包括具有屈光度的透镜总数为大于5且小于9，视场角介于180度和220度之间，其中以555纳米光线通过所述镜头所形成的一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纳米光线通过所述镜头所形成的一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距离小于20μm。
3.如权利要求1至2任一所述的镜头，其特征在于，所述镜头的光圈值大于等于2.0。
4.如权利要求1至2任一所述的镜头，其特征在于，所述镜头最远离成像面的透镜表面到成像面的距离小于15mm。
5.如权利要求1至2任一所述的镜头，其特征在于，其中所述镜头满足下列条件：包含至少3片阿贝数大于55的透镜。
6.如权利要求1至2任一所述的镜头，其特征在于，其中所述镜头满足下列条件：包含至少2片阿贝数大于55的塑胶透镜。
7.如权利要求1至2任一所述的镜头，其特征在于，其中所述镜头满足下列条件：包含至少3片阿贝数大于50的透镜。
8.如权利要求1至2任一所述的镜头，其特征在于，所述镜头最远离一成像面的透镜的材料由玻璃所构成。
9.如权利要求1至2任一所述的镜头，其特征在于，所述镜头的镜头总长小于11mm。
10.如权利要求1至2任一所述的镜头，其特征在于，所述镜头自影像放大侧至影像缩小侧依序为凸凹、非球面、非球面、双凸、非球面和非球面透镜。
11.如权利要求1至2任一所述的镜头，其特征在于，所述镜头自影像放大侧至影像缩小侧的透镜屈光度依序为负、负、正、正、负、正。
12.一种镜头制造方法，其特征在于，包含：
提供一镜筒；以及
将一第一透镜、一第二透镜、一第三透镜、一第四透镜和一第五透镜，置入并固定于所述镜筒内，其中所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜为非球面透镜，所述镜头具屈光度的透镜总数为大于5且小于9，D1为所述第一透镜远离所述第二透镜的透镜表面直径，LT为所述镜头两端最外侧透镜表面，在所述镜头光轴上的长度，IMH为所述镜头在一成像面的最大影像高度且所述镜头满足下列条件：
3.5<LT/IMH<6且0.65<D1/LT<0.98，其中以555纳米光线通过所述镜头所形成的一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纳米光线通过所述镜头所形成的一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距离小于20μm。
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