TW201425998A - 小型化鏡頭 - Google Patents

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Abstract

一種小型化鏡頭含有由一物側至一成像面且沿一光軸依序排列之一第一鏡片、一第二鏡片、一光圈、一第三鏡片、一第四鏡片以及一第五鏡片。其中，該第一鏡片為具有負屈光力之凸凹透鏡者，且其凸面朝向該物側，而凹面朝向該成像面，且其兩面皆為非球面表面；該第二鏡片朝向該物側之表面為凸面，且其兩面皆為非球面表面；該第三鏡片為具有正屈光力之雙凸透鏡者；該第四鏡片為具有正屈光力之雙凸透鏡者；該第五鏡片為具有負屈光力，且朝向該物側之表面為凹面者。

Description

小型化鏡頭
本發明係與光學鏡頭有關，更詳而言之是指一種小型化鏡頭。
近年來，由於行動裝置的蓬勃發展，連帶促進了數位相機模組的市場需求。為了提供行動裝置的方便性與可攜性，市場普遍希望在維持品質的情況下，朝小型化、輕量化發展。
目前，一般攝像模組的感光元件，主要可分為感光耦合元件(Charge coupled Device，CCD)與互補性氧化金屬半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)，其中因CMOS具備低成本、低耗電性與高整合性，讓CMOS逐漸成為市場上行動裝置感光元件的主流。此外，由於半導體製程技術的進步，使得畫素大小已可大幅降低，此利因可讓感光元件提供更高畫素的影像，但也因縮小畫素面積，使得入光量減少，勢必需要透鏡系統提供更高亮度以降低雜訊影響。
隨著近年來這些影像設備的小型化，上述影像擷取裝置以及應用在上述影像設備上的鏡頭的體積，也被大幅地縮小。另外，由於影像擷取裝置之畫素(pixel)愈來愈高，用以配合這些影像擷取裝置使用的鏡頭，也要能夠具有更高的光學效能，才能使這些影像擷取裝置達成高解析度和高對比之展現。因此，小型化和高光學效能，是影像設備之鏡頭不可缺兩項要件。
除此之外，目前影像設備所採用的小型化鏡頭，漸趨往廣角發展，但廣角系統常有畸變及色差問題，而容易影響其影像品質。另外，在降低成本的考量下，市場多以塑膠取代玻璃，但塑膠材質對於溫度變化較為敏感，而使得其成像容易受溫度影響，而有影像品質不穩定之缺點。
有鑑於此，本發明之主要目的在於提供一種小型化鏡頭，是由五片透鏡所組成，除可提供小型化與高光量的需求外，亦能有效地改善對廣角系統常有的畸變與色差問題，且在低成本考量下，同時也能降低其溫度之敏感度。
緣以達成上述目的，本發明所提供小型化鏡頭包含有由一物側至一成像面且沿一光軸依序排列之一第一鏡片、一第二鏡片、一光圈、一第三鏡片、一第四鏡片以及一第五鏡片。其中，該第一鏡片為具有負屈光力之凸凹透鏡者，且其凸面朝向該物側，而凹面朝向該成像面，且其兩面皆為非球面表面；該第二鏡片朝向該物側之表面為凸面，且其兩面皆為非球面表面；該第三鏡片為具有正屈光力之雙凸透鏡者；該第四鏡片為具有正屈光力之雙凸透鏡者；該第五鏡片為具有負屈光力，且朝向該物側之表面為凹面者。
藉此，透過上述之光學設計，便可使得該小型化鏡頭具有體積小、有廣角、光學畸變小以及高光學效能之效果。
為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如後。
請參閱圖1，本發明第一較佳實施例之小型化鏡頭1包含有沿一光軸Z且由一物側至一成像面Im依序排列之一第一鏡片L1、一第二鏡片L2、一光圈ST、一第三鏡片L3、一第四鏡片L4以及一第五鏡片L5。另外，依使用上之需求，該第五鏡片L5與該成像面Im之間更可設置有一濾光片(Color Filter)CF，以濾除掉不必要之雜訊光，而可達到提升光學效能之目的。其中： 該第一鏡片L1為具有負屈光力且以塑膠材料製成之凸凹透鏡，且其凸面S1朝向該物側，而凹面S2朝向該成像面Im，藉以使該小型化鏡頭1具有廣角之光學特性。另外，該第一鏡片L1之兩面S1、S2皆為非球面表面，而非球面之設計目的，在於可有效地修正該小型化鏡頭1於廣角光學設計時容易出現的畸變問題。
該第二鏡片L2為具有正屈光力且以塑膠材料製成之凸凹透鏡，且其凸面S3朝向該物側，而凹面S4朝向該成像面，且其兩面S3、S4皆為非球面表面。上述該第二鏡片L2之結構設計的目的，在於輔助該第一鏡片L1修正該小型化鏡頭1之畸變問題，且同時亦可修正該第一鏡片L1產生之像差。
該光圈ST設於該第二鏡片L2與該第三鏡片L3之間的目 的在於可有效地減少光線進入該小型化鏡頭1後，投射於該成像面Im上之角度，而可有效地提升該成像面Im之入光量，藉以縮短該成像面Im與該等鏡片L1~L5之間的距離，進而有效地達到小型化之目的。另外，除上述目的外，該光圈ST設於該第二鏡片L2與該第三鏡片L3之間，亦可使該小型化鏡頭1於該光圈ST前後之鏡片排列呈現較為對稱之設計，而可降低製造時的敏感度。
該第三鏡片L3為具有正屈光力且以塑膠材料製成之雙凸透鏡，且其兩面S6、S7皆為非球面表面。上述該第三鏡片L3之結構設計的目的，在於提供該小型化鏡頭1的整個光學系統主要的屈光力。
該第四鏡片L4為具有正屈光力且以玻璃材料製成之雙凸透鏡，且其兩面S8、S9皆為球面表面。上述該第四鏡片L4之結構設計的目的，在於利用其正屈光力之光學特性與其它鏡片L1~L3、L5搭配，而可有效地縮短該小型化鏡頭1之系統總長，進而達到小型化之目的。
該第五鏡片L5為具有負屈光力且以玻璃材料製成之雙凹透鏡，且其兩面S10、S11皆為球面表面。另外，該第五鏡片L5朝向該物側之表面S10與該第四鏡片L4朝向該成像面Im之表面S9膠黏，而呈無間隙之設計。上述該第五鏡片L5之結構設計的目的，在於利用其負屈光力之光學特性與該第四鏡片L4之正屈光力的光學特性搭配，而可有效地修正該小型化 鏡頭1可能出現的色差問題，進而提升該小型化鏡頭1之光學效能。
另外，除上述該等鏡片L1~L5之結構設計外，該小型化鏡頭1更滿足有下列條件：1.)0.1<f/TTL<0.2；2.)0.5<f/f3<2；3.)vd4-vd5>20；其中，f為該小型化鏡頭1之系統焦距；TTL為該小型化鏡頭1之系統總長；f3為該第三鏡片L3之焦距；vd4為該第四鏡片L4之色散係數；vd5為該第五鏡片L5之色散係數。
藉此，透過上述第1項之設計，而可使得該小型化鏡頭1能具有廣角且短系統總長之優點。第2項之設計在於透過該第三鏡片L3控制該小型化鏡頭1的整個光學系統主要的屈光力。而第3項之設計在於透過該第四鏡片L4與該第五鏡片L5之色散係數的搭配，而可有效地消除該小型化鏡頭1之像差，進而提升該小型化鏡頭1之成像品質。
為達上述目的並有效提升該小型化鏡頭1之光學效能，本發明第一較佳實施例之小型化鏡頭1的系統焦距f、系統總長TTL、各個鏡片表面的光軸Z通過處的曲率半徑R、各鏡面與下一鏡面(或成像面Im)於光軸Z上之距離D、各鏡片之折射率Nd、各鏡片之阿貝係數Vd、與各鏡片之焦距f1~f5，如表一所示：
本實施例的各個透鏡中，該等非球面表面S1、S2、S3、S4、S6、及S7之表面凹陷度z由下列公式所得到：
其中，z：非球面表面之凹陷度；c：曲率半徑之倒數；h：表面之孔徑半徑；k：圓錐係數；α2~α8：表面之孔徑半徑h的各階係數。
在本實施例中，各個非球面表面的非球面係數k及各階係 數α2~α8，如表二所示：
藉由上述的鏡片L1~L5及光圈ST配置，使得本實施例之小型化鏡頭1在成像品質上也可達到要求，這可從圖2A至圖2C看出，其中，由圖2A可看出，本實施例之小型化鏡頭1於0℃時的最大場曲不超過-0.16mm及0.02mm，於25℃時的最大場曲不超過-0.12mm及0.06mm，於50℃時的最大場曲不超過-0.06mm及0.16mm；由圖2B可看出，本實施例之小型化鏡頭1的最大畸變量不超過-6%及3%；由圖2C可看出，本實施例之小型化鏡頭1的橫向色差不超過9μm，顯見本實施例之小型化鏡頭1的光學效能是符合標準的。
以上所述的，為本發明第一實施例的小型化鏡頭1；依據本發明的技術，以下配合圖3說明本發明第二實施例之小型化鏡頭2。
本發明第二較佳實施例之小型化鏡頭2同樣包含有沿一光軸Z且由一物側至一成像面Im依序排列之一第一鏡片L1、一 第二鏡片L2、一光圈ST、一第三鏡片L3、一第四鏡片L4、一第五鏡片L5以及一濾光片CF。其中： 該第一鏡片L1為具有負屈光力且以塑膠材料製成之凸凹透鏡，且其凸面S1朝向該物側，而凹面S2朝向該成像面Im，且兩面S1、S2皆為非球面表面，藉以使該小型化鏡頭2具有廣角之光學特性，且非球面之設計更可有效地修正該小型化鏡頭2於廣角光學設計時容易出現的畸變問題。
該第二鏡片L2為具有正屈光力且以塑膠材料製成之凸凹透鏡，且其凸面S3朝向該物側，而凹面S4朝向該成像面Im，且其兩面S3、S4皆為非球面表面。該第二鏡片L2用以輔助該第一鏡片L1修正該小型化鏡頭2之畸變問題，且同時修正該第一鏡片L1產生之像差。
該光圈ST設於該第二鏡片L2與該第三鏡片L3之間的目的與前一實施例相通，在於可有效地減少光線進投射於該成像面Im上之角度，並可使該小型化鏡頭2於該光圈ST前後之鏡片設計呈現較為對稱之設計，而可有效地提升該成像面Im之入光量、縮短該成像面Im與該等鏡片L1~L5之間的距離、以及降低製造時的敏感度。
該第三鏡片L3為具有正屈光力且以塑膠材料製成之雙凸透鏡，且其兩面S6、S7皆為非球面表面，用以提供該小型化鏡頭2的整個光學系統主要的屈光力。
該第四鏡片L4為具有正屈光力且以塑膠材料製成之雙凸 透鏡，且其兩面S8、S9皆為非球面表面，用以利用其正屈光力之光學特性與其它鏡片L1~L3、L5搭配，而可有效地縮短該小型化鏡頭2之系統總長，進而達到小型化之目的。
該第五鏡片L5為具有負屈光力且以塑膠材料製成之凸凹透鏡，且其凹面S10朝向該物側，而凸面S11朝向該成像面Im，兩面S10、S11皆為非球面表面，用以利用其負屈光力之光學特性與該第四鏡片L4之正屈光力的光學特性搭配，有效地修正該小型化鏡頭2可能出現的色差問題，進而提升該小型化鏡頭2之光學效能。
另外，除上述該等鏡片L1~L5之結構設計外，第二實施例之該小型化鏡頭2同樣滿足有下列條件，而可使得該小型化鏡頭2能具有廣角、短系統總長、可有效地控制整個光學系統主要的屈光力、以及有效地消除該小型化鏡頭2之像差的效果：1.)0.1<f/TTL<0.2；2.)0.5<f/f3<2；3.)vd4-vd5>20；其中，f為該小型化鏡頭2之系統焦距；TTL為該小型化鏡頭2之系統總長；f3為該第三鏡片L3之焦距；vd4為該第四鏡片L4之色散係數；vd5為該第五鏡片L5之色散係數。
為達上述目的並有效提升該小型化鏡頭之光學效能，本發明第二較佳實施例之小型化鏡頭2的系統焦距f、系統總長TTL、各個鏡片表面的光軸Z通過處的曲率半徑R、各鏡面與 下一鏡面(或成像面Im)於光軸Z上之距離D、各鏡片之折射率Nd、各鏡片之阿貝係數Vd、與各鏡片之焦距f1~f5，如表三所示：
本實施例的各個透鏡中，該等非球面表面S1、S2、S3、S4、S6、S7、S8、S9、S10及S11之表面凹陷度z由下列公式所得到：
其中，z：非球面表面之凹陷度；c：曲率半徑之倒數； h：表面之孔徑半徑；k：圓錐係數；α2~α8：表面之孔徑半徑h的各階係數。
在本實施例中，各個非球面表面的非球面係數k及各階係數α2~α8，如表四所示：
藉由上述的鏡片L1~L5及光圈ST配置，使得本實施例之小型化鏡頭2在成像品質上也可達到要求，這可從圖4A至圖4C看出，其中，由圖4A可看出，本實施例之小型化鏡頭2於0℃時的最大場曲不超過-0.18mm及0.02mm，於25℃時的最大場曲不超過-0.14mm及0.04mm，於50℃時的最大場曲不超過-0.10mm及0.08mm；由圖4B可看出，本實施例之小型化鏡頭2的最大畸變量不超過-8%及3%；由圖4C可看出，本實施例之小型化鏡頭2的橫向色差不超過7.5μm，顯見本實施例之小型化鏡頭2的光學效能是符合標準的。
另外，除上述第一實施例與第二實施例的小型化鏡頭1、2外，請參閱圖3，本發明第三較佳實施例之小型化鏡頭3同樣包含有沿一光軸Z且由一物側至一成像面Im依序排列之一第一鏡片L1、一第二鏡片L2、一光圈ST、一第三鏡片L3、一第四鏡片L4、一第五鏡片L5以及一濾光片CF。其中： 該第一鏡片L1為具有負屈光力且以塑膠材料製成之凸凹透鏡，且其凸面S1朝向該物側，而凹面S2朝向該成像面Im，且兩面S1、S2皆為非球面表面，藉以使該小型化鏡頭3具有廣角之光學特性，且非球面之設計更可有效地修正該小型化鏡頭3於廣角光學設計時容易出現的畸變問題。
該第二鏡片L2為具有負屈光力且以塑膠材料製成之凸凹透鏡，且其凸面S3朝向該物側，而凹面S4朝向該成像面Im，且其兩面S3、S4皆為非球面表面。該第二鏡片L2用以輔助該第一鏡片L1修正該小型化鏡頭3之畸變問題，且同時修正該第一鏡片L1產生之像差。
該光圈ST設於該第二鏡片L2與該第三鏡片L3之間的目的同樣是在於可有效地減少光線投射於該成像面Im上之角度，並可使該小型化鏡頭3於該光圈ST前後之鏡片設計呈現較為對稱之設計，而可有效地提升該成像面Im之入光量、縮短該成像面Im與該等鏡片L1~L5之間的距離、以及降低製造時的敏感度。
該第三鏡片L3為具有正屈光力且以玻璃材料製成之雙凸透鏡，且其兩面S6、S7皆為球面表面，用以提供該小型化鏡頭3的整個光學系統主要的屈光力，且透過使用玻璃材料的設計，更可有效地控制該小型化鏡頭3對溫度之敏感度。
該第四鏡片L4為具有正屈光力且以塑膠材料製成之雙凸透鏡，且其兩面S8、S9皆為非球面表面，用以利用其正屈光力之光學特性與其它鏡片L1~L3、L5搭配，而可有效地縮短該小型化鏡頭3之系統總長，進而達到小型化之目的。
該第五鏡片L5為具有負屈光力且以塑膠材料製成之雙凹透鏡，且兩面S10、S11皆為非球面表面，用以利用其負屈光力之光學特性與該第四鏡片L4之正屈光力的光學特性搭配修正該小型化鏡頭3可能出現的色差問題。
另外，除上述該等鏡片L1~L5之結構設計外，第三實施例之該小型化鏡頭3同樣滿足有下列條件，而可使得該小型化鏡頭能具有廣角、短系統總長、可有效地控制整個光學系統主要的屈光力、以及有效地消除該小型化鏡頭3之像差的效果：1.)0.1<f/TTL<0.2；2.)0.5<f/f3<2；3.)vd4-vd5>20；其中，f為該小型化鏡頭3之系統焦距；TTL為該小型化鏡頭3之系統總長；f3為該第三鏡片L3之焦距；vd4為該第四鏡片L4之色散係數；vd5為該第五鏡片L5之色散係數。
為達上述目的並有效提升該小型化鏡頭3之光學效能，本發明第三較佳實施例之小型化鏡頭3的系統焦距f、系統總長TTL、各個鏡片表面的光軸Z通過處的曲率半徑R、各鏡面與下一鏡面(或成像面Im)於光軸Z上之距離D、各鏡片之折射率Nd、各鏡片之阿貝係數Vd、與各鏡片之焦距f1~f5，如表三所示：
本實施例的各個透鏡中，該等非球面表面S1、S2、S3、S4、S8、S9、S10及S11之表面凹陷度z由下列公式所得到：
其中， z：非球面表面之凹陷度；c：曲率半徑之倒數；h：表面之孔徑半徑；k：圓錐係數；α2~α8：表面之孔徑半徑h的各階係數。
在本實施例中，各個非球面表面的非球面係數k及各階係數α2~α8，如表六所示：
藉由上述的鏡片L1~L5及光圈ST配置，使得本實施例之小型化鏡頭3在成像品質上也可達到要求，這可從圖6A至圖6C看出，其中，由圖6A可看出，本實施例之小型化鏡頭3於0℃時的最大場曲不超過-0.08mm及0.02mm，於25℃時的最大場曲不超過-0.10mm及0.02mm，於50℃時的最大場曲不超過-0.10mm及0.02mm；由圖6B可看出，本實施例之小型化鏡頭3的最大畸變量不超過-2%及1%；由圖6C可看出，本實施例之小型化鏡頭3的橫向色差不超過-1.5μm及4.5μ m，顯見本實施例之小型化鏡頭3的光學效能是符合標準的。
綜合以上所可得知，本發明之小型化鏡頭1~3不僅體積小，更同時具有廣角、光學畸變小、以及高光學效能之效果。另外，以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效結構變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
1‧‧‧小型化鏡頭
L1‧‧‧第一鏡片
L2‧‧‧第二鏡片
L3‧‧‧第三鏡片
L4‧‧‧第四鏡片
L5‧‧‧第五鏡片
ST‧‧‧光圈
Z‧‧‧光軸
CF‧‧‧濾光片
Im‧‧‧成像面
S1~S13‧‧‧面
2‧‧‧小型化鏡頭
L1‧‧‧第一鏡片
L2‧‧‧第二鏡片
L3‧‧‧第三鏡片
L4‧‧‧第四鏡片
L5‧‧‧第五鏡片
ST‧‧‧光圈
Z‧‧‧光軸
CF‧‧‧濾光片
Im‧‧‧成像面
S1~S13‧‧‧面
3‧‧‧小型化鏡頭
L1‧‧‧第一鏡片
L2‧‧‧第二鏡片
L3‧‧‧第三鏡片
L4‧‧‧第四鏡片
L5‧‧‧第五鏡片
ST‧‧‧光圈
Z‧‧‧光軸
CF‧‧‧濾光片
Im‧‧‧成像面
S1~S13‧‧‧面
圖1為本發明第一較佳實施例之鏡片圖；圖2A為本發明第一較佳實施例之場曲圖；圖2B為本發明第一較佳實施例之畸變圖；圖2C為本發明第一較佳實施例之橫向色差圖；圖3為本發明第二較佳實施例之鏡片圖；圖4A為本發明第二較佳實施例之場曲圖；圖4B為本發明第二較佳實施例之畸變圖；圖4C為本發明第二較佳實施例之橫向色差圖；圖5為本發明第三較佳實施例之鏡片圖；圖6A為本發明第三較佳實施例之場曲圖；圖6B為本發明第三較佳實施例之畸變圖；圖6C為本發明第三較佳實施例之橫向色差圖。
1‧‧‧小型化鏡頭
L1‧‧‧第一鏡片
L2‧‧‧第二鏡片
L3‧‧‧第三鏡片
L4‧‧‧第四鏡片
L5‧‧‧第五鏡片
ST‧‧‧光圈
Z‧‧‧光軸
CF‧‧‧濾光片
Im‧‧‧成像面
S1~S13‧‧‧面

Claims (18)

  1. 一種小型化鏡頭，包含有由一物側至一成像面且沿一光軸依序排列之：一第一鏡片，為具有負屈光力之凸凹透鏡者，且其凸面朝向該物側，而凹面朝向該成像面，且其兩面皆為非球面表面；一第二鏡片，其朝向該物側之表面為凸面，且其兩面皆為非球面表面；一光圈；一第三鏡片，為具有正屈光力之雙凸透鏡者；一第四鏡片，為具有正屈光力之雙凸透鏡者；以及一第五鏡片，為具有負屈光力，且朝向該物側之表面為凹面者。
  2. 如請求項1所述小型化鏡頭，更滿足有下列條件：0.1<f/TTL<0.2；其中，f為該小型化鏡頭之系統焦距；TTL為該小型化鏡頭之系統總長。
  3. 如請求項1所述小型化鏡頭，更滿足有下列條件：0.5<f/f3<2；其中，f為該小型化鏡頭之系統焦距；f3為該第三鏡片之焦距。
  4. 如請求項1所述小型化鏡頭，更滿足有下列條件：Vd4-vd5>20；其中，Vd4為該第四鏡片之色散係數；vd5為該第五鏡片之色散係數。
  5. 如請求項1所述小型化鏡頭，其中，該第二鏡片具有正屈光力。
  6. 如請求項1所述小型化鏡頭，其中，該第二鏡片具有負屈光力。
  7. 如請求項1所述小型化鏡頭，其中，該第二鏡片為凸凹透鏡。
  8. 如請求項1所述小型化鏡頭，其中，該第一鏡片與該第二鏡片係以塑膠材料製成。
  9. 如請求項1所述小型化鏡頭，其中，該第三鏡片至少一表面為非球面表面。
  10. 如請求項1所述小型化鏡頭，其中，該第三鏡片係以玻璃材料製成。
  11. 如請求項1所述小型化鏡頭，其中，該第三鏡片係以塑膠材料製成。
  12. 如請求項1所述小型化鏡頭，其中，該第四鏡片至少一表面為非球面表面。
  13. 如請求項1所述小型化鏡頭，其中，該第五鏡片為一雙凹透鏡。
  14. 如請求項1所述小型化鏡頭，其中，該第五鏡片為一凸凹透鏡。
  15. 如請求項1所述小型化鏡頭，其中，該第五鏡片至少一表面為非球面表面。
  16. 如請求項1所述小型化鏡頭，其中，該第四鏡片朝向該成像面之表面與該第五鏡片朝向該物側之表面膠黏。
  17. 如請求項16所述小型化鏡頭，其中，該第四鏡片與該第五鏡片係以玻璃材料製成。
  18. 如請求項1所述小型化鏡頭，其中，該第四鏡片與該第五鏡片係以塑膠材料製成。
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