TW201543071A - 光學取像鏡頭 - Google Patents

Abstract

本發明係揭示一種光學取像鏡頭，包含四片透鏡，由物側至像側依序為第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡及第四透鏡。第一透鏡具有正光焦度。第二透鏡具有負光焦度。第三透鏡具有正光焦度。第四透鏡具有負光焦度，其像側光學面設有至少一反曲點。其中，第一至第四透鏡皆包含至少一非球面表面。光學取像鏡頭另包含光圈及影像感測元件。光圈設置於被攝物與第二透鏡之間，影像感測元件設置於成像面。第一透鏡物側光學面到成像面於光軸上的距離為TTL，光學取像鏡頭之整體光學系統焦距為f，從物側方向以相對於光軸為45度之入射角通過該光圈中心後之光線，其投射於成像面之交點與光軸之垂直距離為Y1，光學取像鏡頭滿足關係式：1.3<TTL/f<1.8、0.8<Y1/f<0.98。

Description

光學取像鏡頭 【0001】

本發明係關於一種取像鏡頭組，特別是關於一種由四個透鏡構成的取像鏡頭組，以應用於手機等電子產品上的光學取像鏡頭。

【0002】

藉由科技的進步，現在的電子產品發展的趨勢主要為朝向小型化，例如數位相機（Digital Still Camera）、網路相機（Web camera）、行動電話鏡頭（mobile phone camera）等，使用者需求較小型且低成本的取像鏡頭組外，同時也希望能達到具有良好的像差修正能力，具高解析度、高成像品質的取像鏡頭組。

【0003】

早期手機鏡頭大多採用玻璃鏡片與塑膠鏡片混合，如1G（G:玻璃）、2P（P:塑膠）或1G3P，其中1G2P例如美國專利US6,441,971，其第一透鏡採用玻璃鏡片，第二與第三透鏡採用塑膠鏡片，此設計較難達成目前所要求的小型化與低成本的目標。

【0004】

此外，在小型電子產品的光學取像鏡頭，習知上有二鏡片式、三鏡片式、四鏡片式及五鏡片式以上之不同設計，然而以成像品質考量，四鏡片式及五鏡片式取像鏡頭組在像差修正、光學傳遞函數MTF（modulation transfer function）性能上較具優勢；其中，又以四鏡片式相較五鏡片式的鏡片數量較少，製造成本較低，可使用於高畫素（pixel）要求的電子產品。

【0005】

再者，在半導體技術日新月異的發展中，有越來越小的像素尺寸（pixel size）被使用在可攜試影像系統中，如此一來感測器（CCD/CMOS）畫素不斷提高導致光學鏡頭解析度必須隨之提升，如此一來原有的三片組成的鏡頭解析度已不敷使用，另外例如US7,365,920使用膠合玻璃鏡片來降低色像差以提高解析度之設計雖可提升性能但卻不易縮小體積。

【0006】

近期塑膠鏡片製造技術提升後，已有3P結構使用在小型化手機鏡頭中，如美國專利US7,394,602，其組成為全塑膠三片式鏡頭，但在影像越來越往高畫素要求的提升之下，3P結構還是有其極限存在而使的無法滿足現況感光原件縮小畫素提升的影像品質要求。

【0007】

另外，4P結構的手機鏡頭設計也已經有部分應用於目前市場上，例如美國專利US7,453,654，其使用四片式塑膠鏡片結構之專利，但一般四片結構之鏡頭FOV角度一般約60°~70°左右，其針對超廣角的需求仍然有限。

【0008】

為此，本發明提出更實用性的設計，在縮短光學取像鏡頭同時，利用四個透鏡的光焦度、凸面與凹面的組合，除有效縮短光學取像鏡頭的總長度外，進一步可提高成像品質，並以簡單的透鏡面型以降低製造成本，以應用於手機等電子產品上。

【0009】

本發明主要目的為提供一種光學取像鏡頭，其包含四片透鏡，其由物側至像側依序為：第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡。其中，第一透鏡具有正光焦度；第二透鏡具有負光焦度；第三透鏡具有正光焦度；第四透鏡具有負光焦度，其像側光學面設置有至少一反曲點；其中，第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡及第四透鏡皆包含至少一非球面表面，光學取像鏡頭另包含一光圈及一影像感測元件，光圈設置於被攝物與第二透鏡之間，影像感測元件設置於成像面；光學取像鏡頭並滿足下列關係式：
1.3<TTL/f<1.8    （1）
0.8<Y1/f<0.98    （2）
其中，TTL為第一透鏡物側光學面到成像面於光軸上的距離（如第7圖所示），f為光學取像鏡頭之整體光學系統焦距，Y1為由物側方向相對於光軸為45度之入射角通過光圈中心後之光線，其投射於成像面之交點與光軸之垂直距離（如第7圖所示）。

【0010】

另一方面，本發明提供一種光學取像鏡頭，如前所述，其中，各透鏡為塑膠材質所製成，第一透鏡之物側光學面為凸面，第二透鏡與第四透鏡係為負光焦度之透鏡，且較佳地，第四透鏡之像側光學面可為凹面，而光圈設置於第一透鏡之物側，光學取像鏡頭除滿足式（1）及（2）外並進一步滿足下列關係式：
0.5<f1/f3<2    （3）
2.8<│v1-v2│<42 （4）
其中，f1為第一透鏡之焦距，f3為第三透鏡之焦距，v1為第一透鏡之色散係數，v2為第二透鏡之色散係數。

【0011】

本發明藉由上述的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡與第四透鏡，在光軸上以適當的間距組合配置，可有效縮短光學取像鏡頭的全長，兼具有良好得像差修正與具有優勢的光學傳遞函數MTF（Modulation Transfer Function）。

【0012】

本發明光學取像鏡頭中，第一透鏡具正光焦度，提供系統所需的大部分光焦度，有助於縮短系統的總長度；第二透鏡可為負光焦度的雙凹透鏡，其主要可與第一透鏡補正色像差與部分軸外像差；藉由具正光焦度的第三透鏡的配置，可提升系統所需的正光焦度，以分散部分第一透鏡的光焦度而降低系統對於誤差的敏感度，有利於製造；進一步，第四透鏡具有負光焦度，其主要可使光線匯聚於成像面上使成像面不彎曲而達成高解析度的目的，並且達成在一定角度內入射在影像感測元件上之要求。

【0013】

又本發明光學取像鏡頭中，將光圈設置於第一透鏡之物側稱為前置光圈，光圈之配置，可將光學取像鏡頭的出射瞳（exit pupil）與成像面產生較長的距離，影像可採取直接入射的方式由影像感測元件所接收，除避免暗角發生外，如此即為像側的遠心（telecentric）效果；通常遠心效果可提高成像面的亮度，可增加影像感測元件的CCD或CMOS接收影像的效率。

【0014】

另外，第一透鏡之物側光學面可為凸面，可有助於擴大光學取像鏡頭的場視角，且對於入射光線的折射較為緩和，可避免像差過度增大，因此較有利於在擴大光學取像鏡頭的場視角與修正像差中取得良好的平衡。若第二透鏡之像側光學面為凹面，可有效增大光學取像鏡頭的後焦距，以確保光學取像鏡頭有足夠的後焦距可放置其他的構件，較佳地，第二透鏡之物側光學面亦可為凹面。再者，第四透鏡之像側光學面可為凹面，可使光學取像鏡頭的主點遠離成像面，有利於縮短光學取像鏡頭的光學總長度，以促進鏡頭的小型化。

【0015】

此外，藉由各透鏡可為塑膠材質所製成，有利於製造及降低成本。

【0037】

100、200‧‧‧光圈

110、210‧‧‧第一透鏡

111、211‧‧‧第一透鏡之物側光學面

112、212‧‧‧第一透鏡之像側光學面

120、220‧‧‧第二透鏡

121、221‧‧‧第二透鏡之物側光學面

122、222‧‧‧第二透鏡之像側光學面

130、230‧‧‧第三透鏡

131、231‧‧‧第三透鏡之物側光學面

132、232‧‧‧第三透鏡之像側光學面

140、240‧‧‧第四透鏡

141、241‧‧‧第四透鏡之物側光學面

142、242‧‧‧第四透鏡之像側光學面

150、250‧‧‧紅外線濾除濾光片

160、260‧‧‧影像感測元件

170、270‧‧‧成像面

f‧‧‧光學取像鏡頭之焦距

f1‧‧‧第一透鏡之焦距

f3‧‧‧第三透鏡之焦距

v1‧‧‧第一透鏡之色散係數

v2‧‧‧第二透鏡之色散係數

Y1‧‧‧從物側方向以相對於光軸為45度之入射角通過光圈中心後之光線，其投射於成像面之交點與光軸之垂直距離

TTL‧‧‧第一透鏡之物側光學面至該成像面在光軸上之距離

Fno‧‧‧光圈值

HFOV‧‧‧最大場視角的一半

【0016】

第1圖 係為本發明之光學取像鏡頭之第一實施例之光學系統示意圖。

第2圖 係為本發明之光學取像鏡頭之第一實施例之像散及歪曲曲線圖。

第3圖 係為本發明之光學取像鏡頭之第一實施例之球差曲線圖。

第4圖 係為本發明之光學取像鏡頭之第二實施例之光學系統示意圖。

第5圖 係為本發明之光學取像鏡頭之第二實施例之像散及歪曲曲線圖。

第6圖 係為本發明之光學取像鏡頭之第二實施例之球差曲線圖。

第7圖 係為本發明之光學取像鏡頭之TTL及Y1示意圖。

【0017】

本發明提供一種光學取像鏡頭。請參閱第1圖，光學取像鏡頭包含四片透鏡，其沿著光軸排列由物側至像側依序為：第一透鏡110、第二透鏡120、第三透鏡130及第四透鏡140。其中，第一透鏡110具有正光焦度；第二透鏡120具有負光焦度；第三透鏡130具有正光焦度；第四透鏡140具有負光焦度，其像側光學面142設置有至少一反曲點。光學取像鏡頭另包含一光圈100、一紅外線濾除濾光片150及一影像感測元件160，光圈100設置於第二透鏡120與被攝物之間，其可為前置光圈或中置光圈；紅外線濾除濾光片150設置於第四透鏡140與成像面170之間，通常為平板光學材料製成，不影響本發明光學取像鏡頭之焦距f；影像感測元件160，設置於成像面170上，可將被攝物成像。第一透鏡110、第二透鏡120、第三透鏡130及第四透鏡140各包含至少一非球面光學面，且其非球面之方程式（Aspherical Surface Formula）為式（5）所構成，

（5）

其中，X：非球面上距離光軸為Y的點，其與相切於非球面光軸上頂點之切面的相對高度；Y：非球面曲線上的點與光軸的距離；R：光學面在近軸上的曲率半徑；K：錐面係數；以及Ai：第i階非球面係數。

【0018】

如上所述，在本發明光學取像鏡頭中，第一透鏡110、第二透鏡120、第三透鏡130及第四透鏡140之光學面可包含球面或非球面，而使用非球面的光學面，可藉由光學面的面型改變其光焦度，用以消減像差以有效降低光學取像鏡頭的總長度。由此，本發明之光學取像鏡頭藉由前述之第一透鏡110、第二透鏡120、第三透鏡130及第四透鏡140配置，滿足關係式：式（1）至（4）。

【0019】

當滿足式（1）時，可有效縮小光學取像鏡頭體積大小；若當超出式（1）之上限時，光學取像鏡頭體積不利於小型化；若當超出（1）之下限時，光學取像鏡頭結構則有可能不利於成型與生產加工。另外，當進一步地滿足式（2）時，可確保光學取像鏡頭具有足夠的視場角以滿足超廣角需求。

【0020】

為達到小型化與降低敏感度較佳的需滿足式（3），如此一來，可有效分配第一透鏡的光焦度進而達成小型化且高量產性的目標，若當超出（3）之上限時會造成第一透鏡敏感度增加，而當超出（3）之下限時其鏡頭體積不易縮小。

【0021】

當滿足式（4）時，使第一透鏡110的色散係數(Abbe number)v1與第二透鏡120的色散係數(Abbe number)v2的差值介於適當範圍，可以有效修正第一透鏡110與第二透鏡120產生的色像差，從而可有效補正色差近而提高光學性能之目的。

【0022】

本發明光學取像鏡頭將藉由以下具體實施例配合圖式予以詳細說明。

【0023】

請參閱第1圖，其係為本發明之光學取像鏡頭之第一實施例之光學系統示意圖。如圖所示，光學取像鏡頭其沿著光軸排列由物側至像側依序為：第一透鏡110、第二透鏡120、第三透鏡130及第四透鏡140。其中，第一透鏡110具有正光焦度，其由塑膠材質所製成，其物側光學面111為凸面，其像側光學面112為凸面。第二透鏡120具有負光焦度，其由塑膠材質所製成，其物側光學面121為凹面，其像側光學面122為凹面。第三透鏡130具有正光焦度，其由塑膠材質所製成，其物側光學面131為凹面，其像側光學面132為凸面。第四透鏡140具有負光焦度，其由塑膠材質所製成，其物側光學面141為凹面、其像側光學面142為凹面。光圈100設置於第一透鏡110之物側；紅外線濾除濾光片150設置於第四透鏡140與成像面170之間；影像感測元件160，設置於成像面170上。

【0024】

本實施例之光學取像鏡頭之光學數據如下列「表1-1」所示：

表1-1

【0025】

於本實施例中係以各透鏡之各光學面皆為非球面作為示範態樣，但並不以此為限。其中，第一透鏡210至第四透鏡240之物側光學面及像側光學面均使用式（5）之非球面方程式所構成，其非球面係數如下列「表1-2」所示：

表1-2

【0026】

本實施例光學取像鏡頭中，各變數（f、f1、f3、TTL、Y1、v1及v2）之關係式定義如前述，於此實施例不再贅述，相關關係式數據資料請參見下列「表1-3」所述之內容：

表1-3

【0027】

由表1-1至1-3及由第2及3圖可知，藉由本發明之光學取像鏡頭之本實施例，在球差（longitudinal spherical aberration）、像散（astigmatic field curving）與歪曲（distortion）有良好的補償效果。

【0028】

請參閱第4圖，其係為本發明之光學取像鏡頭之第二實施例之光學系統示意圖。如圖所示，光學取像鏡頭具有光焦度之透鏡數為四片，其沿著光軸排列由物側至像側依序為：第一透鏡210、第二透鏡220、第三透鏡230及第四透鏡240。其中，第一透鏡110具有正光焦度，其由塑膠材質所製成，其物側光學面211為凸面，其像側光學面212為凸面。第二透鏡220具有負光焦度，其由塑膠材質所製成，其物側光學面221為凹面，其像側光學面222為凹面。第三透鏡230具有正光焦度，其由塑膠材質所製成，其物側光學面231為凹面，其像側光學面232為凸面。第四透鏡240具有負光焦度，其由塑膠材質所製成，其物側光學面241為凹面、其像側光學面242為凹面。光圈200設置於第一透鏡210之物側；紅外線濾除濾光片250設置於第四透鏡240與成像面270之間；影像感測元件260，設置於成像面270上。

【0029】

本實施例之光學取像鏡頭之光學數據如下列「表2-1」所示：

表2-1

【0030】

於本實施例中係以各透鏡之各光學面皆為非球面作為示範態樣，但並不以此為限。其中，第一透鏡210至第四透鏡240之物側光學面及像側光學面均使用式（5）之非球面方程式所構成，其非球面係數如下列「表2-2」所示：

表2-2

【0031】

本實施例光學取像鏡頭中，各變數（f、f1、f3、TTL、Y1、v1及v2）之關係式定義如前述，於此實施例不再贅述，相關關係式數據資料請參見下列「表2-3」所述之內容：

表2-3

【0032】

由表2-1至2-3及由第5及6圖可知，藉由本發明之光學取像鏡頭之本實施例，在球差（longitudinal spherical aberration）、像散（astigmatic field curving）與歪曲（distortion）有良好的補償效果。

【0033】

此外，若在第四透鏡設置有反曲點，可導引射出第四透鏡邊緣的影像光線的角度，使離軸視場的影像光線的角度導引至影像感測元件，由影像感測元件所接收。

【0034】

本發明光學取像鏡頭中，透鏡的材質可為玻璃或塑膠，若透鏡的材質為玻璃，則可以增加光學取像鏡頭光焦度配置的自由度，若透鏡材質為塑膠，則可以有效降低生產成本。此外，可於透鏡光學面上設置非球面，可以容易製作成球面以外的形狀，獲得較多的控制變數，用以消減像差，進而縮減透鏡使用的數目，因此可以有效降低本發明光學取像鏡頭的總長度。

【0035】

本發明光學取像鏡頭中，若透鏡表面係為凸面，則表示該透鏡表面於近軸處為凸面；若透鏡表面係為凹面，則表示該透鏡表面於近軸處為凹面。

【0036】

表1-1至表2-3所示為本發明光學取像鏡頭實施例的不同數值變化表，然本發明各個實施例的數值變化皆屬具體實驗所得，即使使用不同數值，相同結構的產品仍應屬於本發明的保護範疇，故以上的說明所描述及圖式中所說明僅做為例示性，非用以限制本發明的申請專利範圍。

國內寄存資訊【請依寄存機構、日期、號碼順序註記】

無

國外寄存資訊【請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記】

無

無

100‧‧‧光圈

110‧‧‧第一透鏡

111‧‧‧第一透鏡之物側光學面

112‧‧‧第一透鏡之像側光學面

120‧‧‧第二透鏡

121‧‧‧第二透鏡之物側光學面

122‧‧‧第二透鏡之像側光學面

130‧‧‧第三透鏡

131‧‧‧第三透鏡之物側光學面

132‧‧‧第三透鏡之像側光學面

140‧‧‧第四透鏡

141‧‧‧第四透鏡之物側光學面

142‧‧‧第四透鏡之像側光學面

150‧‧‧紅外線濾除濾光片

160‧‧‧影像感測元件

170‧‧‧成像面

Claims (9)

1. 【第1項】

   一種光學取像鏡頭，包含四片透鏡，由物側至像側依序為：
   一第一透鏡，係具有正光焦度；
   一第二透鏡，係具有負光焦度；
   一第三透鏡，係具有正光焦度；以及
   一第四透鏡，係具有負光焦度，其像側光學面設置有至少一反曲點；
   其中，該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡及該第四透鏡皆包含至少一非球面表面，該光學取像鏡頭另包含一光圈及一影像感測元件，該光圈設置於被攝物與該第二透鏡之間，該影像感測元件設置於一成像面，該第一透鏡之物側光學面到該成像面於光軸上的距離為TTL，該光學取像鏡頭之整體光學系統焦距為f，從物側方向以相對於光軸為45度之入射角通過該光圈中心後之光線，其投射於該成像面之交點與光軸之垂直距離為Y1；係滿足下列關係式：
   1.3<TTL/f<1.8
   0.8<Y1/f<0.98。
2. 【第2項】

   如申請專利範圍第1項所述之光學取像鏡頭，其中該第四透鏡之像側光學面為凹面。
3. 【第3項】

   如申請專利範圍第1項所述之光學取像鏡頭，其中該第一透鏡之物側光學面為凸面。
4. 【第4項】

   如申請專利範圍第3項所述之光學取像鏡頭，其中該光圈係設置於該第一透鏡之物側。
5. 【第5項】

   如申請專利範圍第1項所述之光學取像鏡頭，其中該第二透鏡之像側光學面為凹面。
6. 【第6項】

   如申請專利範圍第5項所述之光學取像鏡頭，其中該第二透鏡之物側光學面為凹面。
7. 【第7項】

   如申請專利範圍第1項所述之光學取像鏡頭，其中該第一透鏡之焦距為f1，該第三透鏡之焦距為f3，該光學取像鏡頭係滿足下列關係式：
   0.5<f1/f3<2。
8. 【第8項】

   如申請專利範圍第1項所述之光學取像鏡頭，其中該第一透鏡之色散係數為v1，該第二透鏡之色散係數為v2，該光學取像鏡頭係滿足下列關係式：
   28 <│v1-v2│<42。
9. 【第9項】

   如申請專利範圍第1項所述之光學取像鏡頭，其中該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡及該第四透鏡係由塑膠材質所製成。