TW201508313A - 定焦鏡頭 - Google Patents

Abstract

一種定焦鏡頭，其包括第一透鏡群以及第二透鏡群。具有負屈光度的第一透鏡群包括從物側至像側依序排列的第一透鏡、第二透鏡以及第三透鏡，其中第一、第二以及第三透鏡的屈光度依序為負、負、正。具有正屈光度的第二透鏡群配置於第一透鏡群與像側之間，且第二透鏡群包括從物側至像側依序排列的第四透鏡、第五透鏡以及第六透鏡，其中第四、第五以及第六透鏡的屈光度依序為正、負、正。第一、第二、第三、第四、第五以及第六透鏡彼此分離。

Description

定焦鏡頭

本發明是有關於一種鏡頭，且特別是有關於一種定焦鏡頭。

隨著光電技術的進步，數位攝影機(digital video camera,DVC)及數位相機(digital camera,DC)等影像裝置(image apparatus)已普遍地應用於日常生活的各領域中。這些影像裝置中的核心元件之一為鏡頭，其用以將影像清晰地成像於螢幕或是電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)上，且當影像裝置應用於某些特定領域中時，其會採用廣角鏡頭(wide angle lens)以增加視場角(field of view,FOV)。舉例來說，車用倒車攝影機、行車輔助攝影機或是安全監控攝影機等就需採用廣角鏡頭。一般而言，車用或安全監控攝影機通常是在室外操作，因此其所使用的鏡頭除了要廣角之外，還要有一定的溫度容受性。

美國專利第7301578號、第7869141號、第7283312號、第7023628號、第20120113532號以及日本專利第2007139985號 分別公開了不同的廣角鏡頭，且這些廣角鏡頭大部分使用至少一組膠合透鏡。膠合透鏡雖有助於降低廣角鏡頭的像差(aberration)及色差(chromatic aberration)，然而其成本相對高，且在高溫的環境下，膠合透鏡有開膠的風險，使其不利於在室外操作。由上述可知，如何設計一種鏡頭，使其能夠兼顧低的製造成本以及高的溫度容受性便成為相關從業人員所亟欲研究的重點之一。

本發明提供一種定焦鏡頭，其具有低的製造成本以及高的溫度容受性。

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。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明之一實施例提供一種定焦鏡頭，其包括第一透鏡群以及第二透鏡群。第一透鏡群具有負屈光度。第一透鏡群包括從物側至像側依序排列的第一透鏡、第二透鏡以及第三透鏡，其中第一透鏡、第二透鏡以及第三透鏡的屈光度依序為負、負、正。配置於第一透鏡群與像側之間的第二透鏡群具有正屈光度。第二透鏡群包括從物側至像側依序排列的第四透鏡、第五透鏡以及第六透鏡，其中第四透鏡、第五透鏡以及第六透鏡的屈光度依序為正、負、正。第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡以及第六透鏡彼此分離。

基於上述，本發明實施例之定焦鏡頭以彼此分離的多個透鏡取代膠合透鏡，因此，除了可有效地降低製造成本之外，還可避免膠合透鏡之開膠的風險，從而使定焦鏡頭具有高的溫度容受性。

除上述之外，本發明同時具有廣視角，大光圈，可見光/紅外光共焦且體積小、低成本的特性。

為讓本發明的上述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。

100、200‧‧‧定焦鏡頭

110‧‧‧第一透鏡群

112‧‧‧第一透鏡

114‧‧‧第二透鏡

116‧‧‧第三透鏡

120‧‧‧第二透鏡群

122‧‧‧第四透鏡

124‧‧‧第五透鏡

126‧‧‧第六透鏡

130‧‧‧感光元件

140‧‧‧保護蓋

A‧‧‧光軸

AS‧‧‧孔徑光欄

B‧‧‧光束

ω‧‧‧半角

L‧‧‧距離

H‧‧‧最大成像高度

L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、S、T‧‧‧曲線

S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S130‧‧‧表面

圖1是依照本發明之第一實施例的一種定焦鏡頭的示意圖。

圖2是依照本發明之第一實施例的光學傳遞函數曲線圖。

圖3A至圖3C是依照本發明之第一實施例的橫向光束扇形圖。

圖4及圖5分別是依照本發明之第一實施例的像散場曲及畸變圖。

圖6是依照本發明之第二實施例的一種定焦鏡頭的示意圖。

圖7是依照本發明之第二實施例的光學傳遞函數曲線圖。

圖8A至圖8C是依照本發明之第二實施例的橫向光束扇形圖。

圖9及圖10分別是依照本發明之第二實施例的像散場曲及畸 變圖。

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多個實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」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，而非用來限制本發明。

第一實施例

圖1是依照本發明的第一實施例的一種定焦鏡頭的示意圖。請參照圖1，本實施例的定焦鏡頭100包括第一透鏡群110以及第二透鏡群120，其中第一透鏡群110以及第二透鏡群120沿著定焦鏡頭100的光軸A排列，且位於物側與像側之間。

第一透鏡群110包括從物側至像側依序排列的第一透鏡112、第二透鏡114以及第三透鏡116，其中第一透鏡112、第二透鏡114以及第三透鏡116的屈光度依序為負、負、正，以使第一透鏡群110具有負屈光度。如此一來，第一透鏡群110除了能夠接收視場角(2 ω，圖1繪示視場角的半角ω)大於180度甚至超過210度的光束B之外，還有助於使偏離光軸A之光束B(即半角ω大的光束B)以相對平緩的角度進入第二透鏡群120，從而達到廣視角之目的，並提升定焦鏡頭100的成像品質。進一步而言，本實施例的第一透鏡112為凸面朝向物側的凸凹透鏡(negative meniscus lens)，第二透鏡114為凹面朝向像側的平凹透鏡(plano-concave lens)，而第三透鏡116為凹面朝向物側的凹凸透鏡(positive meniscus lens)。定義為以光軸為中心軸，透鏡中間的厚度較透鏡邊緣的厚度厚的透鏡叫凸透鏡，透鏡中間的厚度較透鏡邊緣的厚度薄的透鏡叫凹透鏡。

第二透鏡群120配置於第一透鏡群110與像側之間，且第二透鏡群120包括從物側至像側依序排列的第四透鏡122、第五透鏡124以及第六透鏡126，其中第四透鏡122、第五透鏡124以及第六透鏡126的屈光度依序為正、負、正，以使第二透鏡群120具有正屈光度，從而適於校正像差，並有助於提升成像品質。進一步而言，本實施例的第四透鏡122及第六透鏡126分別為雙凸透鏡(double convex lens)，而第五透鏡124為雙凹透鏡(biconcave lens)。

第二透鏡群120的第四透鏡122用以接收來自第一透鏡群110的光束B，因此，第四透鏡122較佳是採用低色散的玻璃材質，例如是阿貝數大於70之球面透鏡，以提高可見光/紅外光的共焦效果。如此一來，採用定焦鏡頭100的影像感測裝置無論是在白天偵測可見光影像光束或是在夜間偵測紅外光影像光束，皆能夠偵測到對焦良好的清晰影像。

此外，本實施例可透過調變第五透鏡124以及第六透鏡126之焦距f5、f6，以權衡熱漂移(thermal drift)與球差(spherical aberration)。進一步而言，當| f5/F+f6/F |<0.01時(F為定焦鏡 頭100的有效焦距)，雖可明顯地改善定焦鏡頭100的熱漂移現象，但球差相對大，而當| f5/F+f6/F |>0.2時，雖可明顯地改善球差，但抑制熱漂移現象的效果相對差。有鑒於此，本實施例使定焦鏡頭100符合0.01<| f5/F+f6/F |<0.2，以有效地改善熱漂移現象，並同時改善球差。

另外，本實施例還可透過調變在定焦鏡頭100之光軸A上從第一透鏡112朝向物側之表面S1至像側的距離L與定焦鏡頭100的最大成像高度H的比值，以控制像差並維持定焦鏡頭100之小體積。進一步而言，當L/H<6時，定焦鏡頭100的長度相對短、體積相對小，然而像差不易控制，而當L/H>8時，定焦鏡頭100的長度相對長，但像差較好控制。有鑒於此，本實施例使定焦鏡頭100符合6<L/H<8，以有效控制定焦鏡頭100的像差及體積。

在本實施例中，第一透鏡112、第二透鏡114、第三透鏡116、第四透鏡122、第五透鏡124以及第六透鏡126可以是球面透鏡或非球面透鏡。舉例而言，本實施例的第一透鏡112、第二透鏡114以及第三透鏡116例如包括一個以上的非球面透鏡，且第四透鏡122、第五透鏡124以及第六透鏡126例如包括兩個以上的非球面透鏡，而其餘則例如是使用球面透鏡。

此外，第一透鏡112、第二透鏡114、第三透鏡116、第四透鏡122、第五透鏡124以及第六透鏡126的材質可以是塑膠或是玻璃。在本實施例中，第一透鏡112、第二透鏡114以及第三透鏡116至少一者的材質為塑膠，且其餘的材質為玻璃，而第四透 鏡122、第五透鏡124以及第六透鏡126至少一者的材質為塑膠，且其餘的材質為玻璃。

再者，第一透鏡112、第二透鏡114、第三透鏡116、第四透鏡122、第五透鏡124以及第六透鏡126彼此分離。也就是說，本實施例的第一透鏡112、第二透鏡114、第三透鏡116、第四透鏡122、第五透鏡124以及第六透鏡126皆非膠合透鏡，且上述任兩者未形成雙膠合透鏡，即定義定焦鏡頭100的任一透鏡之間皆具有間距，間距皆小於3.0mm，使得整體定焦鏡頭100的長度較短、體積縮小，以符合在使用上的設置。

由於定焦鏡頭100僅具有六片透鏡(即第一透鏡112、第二透鏡114、第三透鏡116、第四透鏡122、第五透鏡124以及第六透鏡126)，因此定焦鏡頭100的長度較短且體積較小，而可符合車用攝影機之輕薄短小的需求，以便置入汽車的保險桿中或車身的其他位置。此外，由於定焦鏡頭100同時採用玻璃質及塑膠質的透鏡，並同時使用球面及非球面透鏡，因此，定焦鏡頭100除了可具有相對低的製造成本之外，還可有效地改善定焦鏡頭100的彗形像差(coma)、像散(astigmatism)或畸變(distortion)等。並且，由於定焦鏡頭100以彼此分離的多個透鏡取代膠合透鏡，因此，本實施例的定焦鏡頭100可避免膠合透鏡之開膠的風險，從而使定焦鏡頭具有高的溫度容受性，也就是定焦鏡頭100可適用於相對大的操作溫度範圍。在本實施例中，定焦鏡頭100例如可操作於攝氏-40度至85度的溫度範圍內。另外，定焦鏡頭100 的視場角可大於180度，因而可使倒車或行車的視野更廣。換言之，定焦鏡頭100可為一廣角鏡頭。再者，定焦鏡頭100的光圈值可小至接近2.0，以使進光量更大，而便於在較暗的環境下使用。

一般而言，像側可配置感光元件130以及保護蓋140，其中感光元件130適於感測來自物側的影像光束B，且感光元件130朝向物側的表面S130即成像面。保護蓋140則設置在感光元件130之成像面的一側，以保護感光元件130。在本實施例中，感光元件130例如為電荷耦合元件或互補式金氧半導體感測器(complementary metal oxide semiconductor sensor,CMOS sensor)。然而，在其他實施例中，感光元件130亦可以是底片或其他適當的感光元件。另外，定焦鏡頭100可進一步包括孔徑光欄(aperture stop)AS，其配置於第一透鏡群110與第二透鏡群120之間，亦即配置於第三透鏡116與第四透鏡122之間。

以下內容將列舉定焦鏡頭100的較佳參數值，然而，下文中所列舉的數據資料並非用以限定本發明，任何所屬技術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之範疇內。

在表一中，曲率半徑指每一表面的曲率半徑。間距指兩相鄰表面間於光軸A上的直線距離。舉例來說，表面S1之間距，即表面S1至表面S2間於光軸A的直線距離。此外，在表一中，表面S1、S2為第一透鏡112的相對兩表面。表面S3、S4為第二透鏡114的相對兩表面。表面S5、S6為第三透鏡116的相對兩表面。表面S7、S8為第四透鏡122的相對兩表面。表面S9、S10為第五透鏡222的相對兩表面。表面S11、S12為第六透鏡224的相對兩表面。表面S12那列中所填的間距為表面S12到感光元件130遠離物側之表面的間距。有關於各表面之曲率半徑、間距等參數值，請參照表一，在此不再重述。

在本實施例中，定焦鏡頭100的有效焦距F為1.57mm，光圈值(f-number)為2.0，視場角(圖1中半角ω的兩倍)為228度，定焦鏡頭100的長度L為17.9mm，最大成像高度H為2.61mm， | f5/F+f6/F |=0.14，而L/H=6.85。

此外，本實施例的第一透鏡112、第三透鏡116以及第四透鏡122為玻璃質的球狀透鏡，而第二透鏡114、第五透鏡124以及第六透鏡126為塑膠質的非球面透鏡，其中非球面透鏡可用下列公式表示：

在上式中，Z為光軸A方向之偏移量(sag)，c接近光軸A處的曲率半徑的倒數，k是二次曲線常數(conic)，r是非球面高度，即透鏡任一點至光軸A的距離，而A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂及A₁₄為非球面係數(aspheric coefficient)，在本實施例中係數A₂為0。表二所列出的是表面S3、S4、S9、S10、S11及S12的非球面參數值。

以下以光學模擬數據來驗證定焦鏡頭100的成像品質。圖2是依照本發明之第一實施例的光學傳遞函數(Modulation Transfer Function,MTF)曲線圖。圖3A至圖3C是依照本發明之第一實施例的橫向光束扇形圖(transverse ray fan plot)。圖4及圖 5分別是依照本發明之第一實施例的像散場曲(Astigmatism field curves)及畸變圖。

圖2是用以驗證第一實施例的定焦鏡頭之可見光/紅外光之共焦效果以及熱漂移現象。在圖2中，曲線L1為攝氏25度下可見光的光學傳遞函數曲線。曲線L2是在攝氏25度下以可見光調焦後，在攝氏25度下紅外光的光學傳遞函數曲線。曲線L3及L4也是在攝氏25度下以可見光調焦後，分別在攝氏-40度及85度下可見光的光學傳遞函數曲線。圖3A至圖3C是用以驗證第一實施例的定焦鏡頭的球差。在圖3A至圖3C中，橫軸為光束通過孔徑光欄的位置，而縱軸為光束傳遞至像平面的位置。此外，曲線L5、曲線L6及曲線L7分別是波長在486nm、588nm及656nm下的光學特性曲線，並且圖3A、圖3B及圖3C分別為圖1中半角ω為113度、60度及0度之光學特性曲線。另外，在圖4中，曲線S為弧矢(sagittal)方向的數據，而曲線T為子午(tangential)方向的數據。承上述，圖2至圖5所顯示出的圖形均在標準的範圍內，由此可驗證本實施例的定焦鏡頭100具有良好的成像品質。

第二實施例

圖6是依照本發明之第二實施例的一種定焦鏡頭的示意圖。請參照圖6，本實施例的定焦鏡頭200相似於圖1的定焦鏡頭100，而兩者的主要差異在於上述透鏡的曲率半徑、間距及球狀/非球狀透鏡之選擇。以下以表三及表四舉出定焦鏡頭200的較佳 參數值，然而，下文中所列舉的數據資料並非用以限定本發明，任何所屬技術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之範疇內。

在本實施例中，定焦鏡頭200的有效焦距F為1.57mm，光圈值為2.0，視場角2 ω為226度，定焦鏡頭100的長度L為18.18mm，最大成像高度H為2.62mm，| f5/F+f6/F |=0.12，而L/H=6.95。

此外，本實施例的第一透鏡112以及第四透鏡122例如 為玻璃質的球狀透鏡，而第二透鏡114、第三透鏡116、第五透鏡124以及第六透鏡126為塑膠質的非球面透鏡，其中非球面透鏡的公式可參照上述。表四所列出的是表面S3、S4、S5、S6、S9、S10、S11及S12的非球面參數值。

以下以光學模擬數據來驗證定焦鏡頭200的成像品質。圖7是依照本發明之第二實施例的光學傳遞函數曲線圖。圖8A至圖8C是依照本發明之第二實施例的橫向光束扇形圖。圖9及圖10分別是依照本發明之第二實施例的像散場曲及畸變圖。在圖7、圖8A、圖8B、圖8C及圖9中各曲線所代表的意義可參照圖2至圖4，於此便不再贅述。承上述，圖7至圖10所顯示出的圖形均在標準的範圍內，由此可驗證本實施例的定焦鏡頭200具有良好的成像品質。

在上述第一及第二實施例中，第一實施例以三個塑膠質的透鏡及三個玻璃質的透鏡舉例說明，而第二實施例以四個塑膠質的透鏡及兩個玻璃質的透鏡舉例說明，但本發明並不限於此。在其他實施例中，定焦鏡頭也可以是由一個塑膠質的透鏡及五個 玻璃質的透鏡所組成，或是由兩個塑膠質的透鏡及四個玻璃質的透鏡所組成。又或者，當定焦鏡頭是應用於室內的攝影機，如安全監控攝影機時，由於第一透鏡不需要以耐衝擊作為第一考量，第一透鏡也可選用塑膠質的透鏡，而使得定焦鏡頭由五個塑膠質的透鏡及一個玻璃質的透鏡(第四透鏡)所組成，從而進一步降低定焦鏡頭的製造成本。

綜上所述，本發明實施例的定焦鏡頭以彼此分離的多個透鏡取代膠合透鏡，因此，定焦鏡頭除了可有效地降低製造成本之外，還可避免膠合透鏡之開膠的風險，從而使定焦鏡頭具有高的溫度容受性。

惟以上所述者，僅為本發明的較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利含蓋之範圍內。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的全部目的或優點或特點。此外，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的權利範圍。再者，說明書中提及的第一透鏡、第二透鏡等，僅用以表示元件的名稱，並非用來限制元件數量上的上限或下限。

100‧‧‧定焦鏡頭

110‧‧‧第一透鏡群

112‧‧‧第一透鏡

114‧‧‧第二透鏡

116‧‧‧第三透鏡

120‧‧‧第二透鏡群

122‧‧‧第四透鏡

124‧‧‧第五透鏡

126‧‧‧第六透鏡

130‧‧‧感光元件

140‧‧‧保護蓋

A‧‧‧光軸

AS‧‧‧孔徑光欄

B‧‧‧光束

ω‧‧‧半角

L‧‧‧距離

H‧‧‧最大成像高度

S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S130‧‧‧表面

Claims (10)

1. 一種定焦鏡頭，包括：一第一透鏡群，具有負屈光度，該第一透鏡群包括從一物側至一像側依序排列的一第一透鏡、一第二透鏡以及一第三透鏡，且該第一透鏡、該第二透鏡以及該第三透鏡的屈光度依序為負、負、正；以及一第二透鏡群，具有正屈光度，配置於該第一透鏡群與該像側之間，該第二透鏡群包括從該物側至該像側依序排列的一第四透鏡、一第五透鏡以及一第六透鏡，且該第四透鏡、該第五透鏡以及該第六透鏡的屈光度依序為正、負、正，其中該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡、該第四透鏡、該第五透鏡以及該第六透鏡彼此分離。
2. 如申請專利範圍第1項所述的定焦鏡頭，其中該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡、該第四透鏡、該第五透鏡以及該第六透鏡皆非膠合透鏡，且上述任兩者未形成雙膠合透鏡。
3. 如申請專利範圍第1項所述的定焦鏡頭，其中該定焦鏡頭符合0.01<| f5/F+f6/F |<0.2，其中，f5為該第五透鏡的有效焦距，f6為該第六透鏡的有效焦距，且F為該定焦鏡頭的有效焦距。
4. 如申請專利範圍第1項所述的定焦鏡頭，其中該第一透鏡、該第二透鏡以及該第三透鏡至少一者的材質為塑膠，且其餘的材質為玻璃，而該第四透鏡、該第五透鏡以及該第六透鏡至少一者的材質為塑膠，且其餘的材質為玻璃。
5. 如申請專利範圍第1項所述的定焦鏡頭，其中該第四透鏡的材質為玻璃。
6. 如申請專利範圍第5項所述的定焦鏡頭，其中該第四透鏡的阿貝數大於70。
7. 如申請專利範圍第1項所述的定焦鏡頭，其中該第一透鏡、該第二透鏡以及該第三透鏡包括一個以上的非球面透鏡，且該第四透鏡、該第五透鏡以及該第六透鏡包括兩個以上的非球面透鏡。
8. 如申請專利範圍第1項所述的定焦鏡頭，其中該定焦鏡頭符合6<L/H<8，其中，L為在該定焦鏡頭之光軸上從該第一透鏡朝向該物側之表面至該像側的距離，H為該定焦鏡頭的最大成像高度。
9. 如申請專利範圍第1項所述的定焦鏡頭，更包括一孔徑光欄，配置於該第一透鏡群與該第二透鏡群之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述的定焦鏡頭，其中該第一透鏡為一凸面朝向該物側的凸凹透鏡，該第二透鏡為一凹面朝向該像側的平凹透鏡，該第三透鏡為凹面朝向該物側的凹凸透鏡，該第四透鏡及該第六透鏡分別為一雙凸透鏡，而該第五透鏡為一雙凹透鏡。