TW201706664A - 成像鏡頭系統 - Google Patents

Abstract

一種小型化的成像鏡頭系統，與小畫素尺寸的影像感測器結合，能夠做成高解析度的相機。成像鏡頭系統包括：一光圈、具有正屈光力的第一透鏡、具有負屈光力的第二透鏡、具有正屈光力的第三透鏡，以及具有負屈光力的第四透鏡。第一透鏡面向物體的一側為凸面。第二透鏡面向物體的一側為一平面，平面位於一光軸上，第二透鏡面向成像的一側為非球面。第三透鏡面向物體的一側為彎月形凹面。第四透鏡面向物體的一側為凸面，其中第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡的阿貝數介於40至50。

Description

成像透鏡系統

本發明可運用於成像透鏡系統，作為智慧型手機或行動式終端機的相機，或是作為數位相機。

本發明依據35 U.S.C.§119主張申請於韓國智慧財產局，韓國專利公開號10-2015-0067450的申請日2015年5月14日為優先權日，上述專利參考文獻全文皆引用作為本說明書的揭示內容。

本發明可運用於成像透鏡系統，作為智慧型手機或行動式終端機的相機，或是作為數位相機。

近來，因為智慧型手機和行動式終端機的便攜性逐漸被重視，故會需要具有高解析度的小型化成像鏡頭系統。四透鏡組常藉由色差調整而用於確保鏡頭系統的高性能。習知的四透鏡鏡頭系統係使用非球面透鏡來達成光學系統的小型化和高性能。然而，非球面透鏡較難進行精密加工，因此會降低生產力。

此外，拍攝廣角影像時注重的是鏡頭系統的光學性能。但是，習知的技術所能達到的視角較窄，僅為61°，而F值(F number)也只能達到2.7至2.8，因此所攝得的影像會比較暗。

依據一個例示性的實施例，本發明提供了一個微型尺寸的成像鏡頭系統，其具有高解析度透鏡組且易於操作。

依據另一個例示性的實施例，本發明提供了一個具有優異光學表現的成像鏡頭系統。

依據此發明例示性的一個實施例，一種成像鏡頭系統包括：一光圈。一第一透鏡具有正屈光力，第一透鏡面向物體的一側為凸面。一第二透鏡具有負屈光力，第二透鏡面向物體的一側為一平面，平面位於一光軸上，第二透鏡面向成像的一側為非球面。一第三透鏡具有正屈光力，第三透鏡面向物體的一側為彎月形凹面。以及一第四透鏡具有負屈光力，第四透鏡面向物體的一側為凸面，其中第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡的阿貝數介於40至50。

當第一透鏡L1的阿貝數是Vd1且第二透鏡L2的阿貝數是Vd22時，以下狀態函數被滿足：19<Vd1-Vd2<29----------------------(1)

第一透鏡滿足以下狀態函數：1.68<TTL/2y<1.73--------------------(2)

其中TTL表示自第一透鏡面向物體的一側的表面到成像表面的距離，y表示在成像表面上之一感應器對角線長度的一半。

而且，第四透鏡面向物體的表面具有正屈光的一光軸以及在遠離光軸的一方向上具有一凸面構形的反曲點。

此外，第三透鏡滿足以下狀態函數：1.40<|K3/Kt|<1.85-------------------(3)

其中第三透鏡的屈光力為K3，整個成像鏡頭系統的屈光力為Kt。

第一透鏡滿足以下狀態函數：0.75<|K1/Kt|<0.90--------------------(4)

其中第一透鏡的屈光力為K1，整個成像鏡頭系統的屈光力為Kt。

且第二透鏡滿足以下狀態函數：0.45<|K2/Kt|<0.65--------------------(5)

其中第二透鏡的屈光力為K2，整個成像鏡頭系統的屈光力為Kt。

於此時，第四透鏡滿足以下狀態函數： 0.85<|K4/Kt|<1.40--------------------(6)

其中第四透鏡的屈光力為K4，整個成像鏡頭系統的屈光力為Kt。

依據此發明概念，一個成像鏡頭系統可被設計成具有微型尺寸、高表現和對於製造過程的低敏感度，所以此系統可用在具有高解析度小型影像感測器的行動式終端機。

10、20、30‧‧‧成像鏡頭系統

D1~D12‧‧‧距離(寬度)

L1‧‧‧第一透鏡

L2‧‧‧第二透鏡

L3‧‧‧第三透鏡

L4‧‧‧第四透鏡

LF‧‧‧光學濾鏡

R2~R11‧‧‧曲率半徑

Si‧‧‧成像表面

ST‧‧‧光圈

藉由以下詳細說明連同所附之圖式，將會更清楚瞭解此發明的例示性實施例：

圖1是本發明的例示性實施例的成像鏡頭系統的結構圖。

圖2是本發明的另一個例示性實施例的成像鏡頭系統的結構圖。

圖3是本發明的再一例示性實施例的成像鏡頭系統的結構圖。

圖4是圖1所示之成像鏡頭組的縱向色差、像散和變形量的示意圖。

圖5是圖2所示之成像鏡頭組的縱向色差、像散和變形量的示意圖。

圖6是圖3所示之成像鏡頭組的縱向色差、像散和變形量的示意圖。

以下將參考有顯示實施態樣的附加圖示，來更完整地說明各種的實施例。然而，本發明概念會例示於不同形式的實施例中，但在本發明不應該被限制於以下所描述的實施態樣。更確切地說，所提供的例示實施例係用以讓本說明書全面並完整揭露，並向本發明所屬技術領域具有通常知識者完整地表達本發明的範圍。在圖示中，各層和各區域的尺寸和相對大小可能會為了清楚表明而誇大表示。說明書中，相似的標號指的是相似的元件。

本發明所屬技術領域具有通常知識者均可了解，雖然本文以第一、第二或第三等名稱來表示各種元件，但這些元件不該被這些用語所限制。這些用語是用來分辨不同的元件。因此，以下所敘述的第一元件可以被稱為第二元件而仍不脫離本發明概念的教示。在本說明書中，「和/或」包括 一個或多個相關所列項目的任何和所有組合。

本發明所屬技術領域具有通常知識者均可了解，當一個元件被論及「連接」或「耦接」另一元件，可以是直接連接或是耦接，或是兩者之間仍有其有他元件。相反地，當一個元件被論及被「直接地連接」或「直接地耦接」另一個元件，表示兩者之間沒有其他元件。其他用以形容元件彼此關係的字詞應亦以類似方式解釋(例如：「在...之間」與「正好在...之間」、「相鄰」與「直接相鄰」等等)。

本文的所用字詞僅是為了描述所舉之特定的實施例，而非用以限制本發明。於本文中，以「一」、「該」所表示之單數形式，除非有明文排除，否則亦包含多數形式之意涵。此外，本發明所屬技術領域具有通常知識者均可了解，說明書中的「包含」、「包括」和/或「具有」，是說明具有所指之特徵、整數、步驟、操作、元件和/或組成，但並不排除存在或添加其他一或多個的特徵、整數、步驟、操作、元件和/或組成。

除非有不同的定義，所有本文所用用語(包含技術或科學用語)之意涵等同於本發明所屬技術領域具有通常知識者所明瞭之通常意涵。此外，本發明所屬技術領域具有通常知識者更可明瞭，本文之用語，例如在一般常用字典中所定義者，應當以相關技術領域之脈絡來了解該用語的意義，且不應以太理想化或過於拘謹的理解來解釋，除非在本文明文有如此定義。

圖1至3分別是依據本發明第一、第二和第三例示性實施例的成像鏡頭系統。R1、R2和R3...等等分別表示是光圈、透鏡或光學濾鏡面向所攝物體/成像的表面的曲率半徑。而D1、D2和D3...等等分別是光圈、透鏡和光學濾鏡彼此之間距，以及光圈、透鏡和光學濾鏡的中央寬度。

請參照圖1、2和3，依據本發明第一、第二和第三例示性實施例，成像鏡頭系統10、20、30，自所攝物體到所成影像的順序，依序包括一光圈St、一第一透鏡L1、一第二透鏡L2、一第三透鏡L3和一第四透鏡L4。第四透鏡L4和成像表面Si之間可包含一個光學元件，例如光學濾鏡LF。

第一透鏡L1具有正屈光力，且其面向所攝物體的一側為凸 面。該透鏡可為一雙凸透鏡。

第二透鏡L2具有負屈光力。於本實施例中，第二透鏡L2面向所攝物體的一側為一平面，此平面位於一光軸上，且第二透鏡L2面向所成影像的一側為彎月形凸面。實際上，第一透鏡和第二透鏡決定了具有四個透鏡的鏡頭系統的性能。第二透鏡L2的靈敏度很高，因此，第二透鏡L2的置中很重要。於本發明中，第二透鏡L2至少在光軸附近面向所攝物體的一側為一平面。換句話說，第二透鏡L2在該至少一光軸附近面向所攝物體一側的曲率是無限大。因此，該透鏡因偏心而產生的傾斜值(亦即自一光學軸至一機械軸的物理位移量)是0。過程中，由於成像表面的曲線傾斜和變異值產生的像散會很顯著地下降。據此，可得到一個對於製造過程的低敏感的微型尺寸成像鏡頭系統，並且可以簡單又快速地組裝其透鏡。

第二透鏡面L2向所攝物體的一側可全部為一平面，或者，如圖1所示，在光軸的部分為平面而在光軸的周緣部分為非平面，例如凹面或凸面。

第三透鏡L3具有正屈光力，且其面向所攝物體的一側為彎月形凹面。

第四透鏡L4具有負屈光力，且其面向所成影像的表面具有一反曲點。舉例而言具有一反曲點，第四透鏡L4面向所成影像的表面在光軸部分是凹面，而遠離該光軸的部分為彎月形凸面。據此，可降低主光線的入射角、球面像差和像散，以增加透鏡的解析度。

第四透鏡L4面向所攝物體的表面具有一反曲點。也就是說，第四透鏡L4面向所攝物體的表面在光軸部分是凸面，而遠離該光軸的部分為彎月形凹面。

光圈被設置於第一透鏡面向所攝物體一側的表面和面向所成影像一側的表面之間，且位於光軸上同時，光圈被設置面向所攝物體，而非設置在第一透鏡面向所攝物體的一側表面並遠離光軸的區域上。藉此，成像鏡頭系統的整體長度被縮短，並藉由縮短透鏡的外緣直徑達成小型化。

第一透鏡L1具有雙凸面形狀，因此第一透鏡L1可簡單地製得。此外，第二透鏡L2具有負屈光度，因此光程總長度可被縮短，並且 可以提升沿主光線向邊緣方向上的有效影像高度。

本實施例中，第一、第三和第四透鏡L1、L3、L4的阿貝數可介於40至50。習知的第一、第三和第四透鏡的阿貝數大約為55。本例示性實施例中，第一、第三和第四透鏡的阿貝數介於40至50。因此，第二透鏡L2面向所成影像一側的表面可被製成在光軸上的平面，以擴大視角。

若阿貝數小於40，可能會加重縱向色差和像散；而阿貝數高過50，可以減低縱向色差，但可能會加重像散。

於本實施例中，阿貝數較佳是介於40至50。如此，焦點的景深會較高，且像散修正值良好，而使在中央和邊緣有較好的調制轉換函數(Modulation Transfer Function，MTF)平衡，並且縱向色差值可等同於阿貝數為55時的情形。

於本發明的一例示性實施例中，當第一透鏡L1的阿貝數是Vd1，且第二透鏡的阿貝數是Vd22，第一透鏡L1和第二透鏡L2較佳的是滿足下列狀態函數：19<Vd1-Vd2<29----------------------(1)

若狀態函數的值低於最低值，焦距會較長，且視角會變小，因而加重變形和縱向色差值。同時，若狀態函數的值大於最高值，球面像差和縱向色差會變大，導致整體距離會變長。

同時，第一透鏡L1的阿貝數會介於40至50，第二透鏡的阿貝數L2會介於20至30。如此一來，伴隨焦距增加而產生的縱向色差加重情形可被有效地校正。第一透鏡L1和第二透鏡L2間的阿貝數差調整為大於20時，將有助於減少因色彩耀斑(color flare)所導致的對比度降低。於本實施例中，第二透鏡L2的阿貝數可介於20至25，較佳則介於21至23。

於本發明的一例示性實施例中，第一透鏡L1較佳是滿足下列狀態函數2：1.68<TTL/2y<1.73-------------------(2)

其中，TTL表示自第一透鏡面向所攝物體的一側的表面至成像表面的距離，y表示該成像表面之最大成像高度(換句話說，就是成像 表面上的感測器對角線長度的一半)，並且2y表示成像表面的感測器對角線長度。

若TTY/2y大於1.73時，光學系統的全長會變增加，因而無法達成光學系統的小型化。此外，若該值大於1.68，透鏡的屈光力會太大，導致不易透過第二透鏡和第三透鏡修正像差，無法使成像鏡頭系統具有高性能。

此時，第三透鏡L3可滿足下列狀態函數3：1.40<|K3/Kt|<1.85--------------------(3)

其中K3為第三透鏡L3的屈光力，Kt為整個成像鏡頭系統的總屈光力。

此外，下列狀態函數亦可被滿足：0.75<|K1/Kt|<0.90--------------------(4)

0.45<|K2/Kt|<0.65--------------------(5)

0.85<|K4/Kt|<1.40--------------------(6)

其中，第四透鏡L4的屈光力為K1，第二透鏡L2的屈光力為K2。

上述狀態函數值表示各透鏡的屈光率對整個成像鏡頭系統的總屈光率的比值。因此，當該比值大於最大值時，像散會較大；當該比值低於最低值時，變形會較嚴重。

光圈St被設置更為靠近所攝物體，而非較靠近第一透鏡L1面像所攝物體的表面。因此，成像透鏡系統的總長度可被縮短，並藉由縮減透鏡的外緣直徑，以達成小型化之目的。

於本實施例中，第一、第三和第四透鏡L1、L3、L4是以同樣的塑膠材料所製成。並且，第二透鏡也是以塑膠材料所製成。

根據本發明的一例示性實施例，非球面(aspheric surface)可定義如下。

根據本發明的一例示性實施例，當z是光軸、h是光軸的垂直方向，且光的路徑方向為正值時，非球面可以方程式1表示。其中，k是一個圓錐常數(conic constant)，即為在一非球面之椎尖上的垂直平面到在 非球面的座標點(coordinate point)距離，c是於非球面上該椎尖處的透鏡曲率，而A4、A6、A8、A10、A12、A14...是非球面的係數。

以下描述成像鏡頭系統的設計數據

表1顯示圖1的成像鏡頭系統10的設計數據，表2是非球面的數據。於表1中，曲率半徑是圖1中的R1、R2...，寬度或距離是圖1中的D1、D2...。光圈到第一透鏡L1面向所攝物體一側表面的距離D1被設定為負值-0.02，原因在於光圈是設置在第一透鏡L1面向所攝物體一側的表面和第一透鏡L1面向成像一側的表面之間的光軸區域。因此，光圈的所在平面相對第一透鏡L1的所攝物體，較靠近所成影像。

焦距為2.042mm、視角是82.08°、波長546nm、總長度3.05。*表示為非球面。

圖4繪示圖1中小型化的成像鏡頭系統10的縱向色差、像散和變形量。

其縱球面像差是以波長為650nm、610nm、555nm、510nm和470nm的光進行測量。像散和變形量是以波長為555nm的光進行測量。

表3顯示圖2的成像鏡頭系統20的設計數據，表4是非球面的數據。於表3中，曲率半徑是圖2中的R1、R2...，寬度或距離是圖2中的D1、D2...。光圈到第一透鏡L1面向所攝物體一側表面的距離D1被設定為負值-0.02，原因在於光圈是設置在第一透鏡L1面向所攝物體一側的表面和第一透鏡L1面向成像一側的表面之間的光軸區域。因此，光圈的所在平面相對第一透鏡L1的所攝物體，較靠近所成影像。

焦距為1.920mm、視角是85.92°、波長546nm、總長度3.03。*表示為非球面。

圖5表示圖2中小型化的成像鏡頭系統20的縱向色差、像散和變形量。

其縱球面像差是以波長為656.28nm、587.56nm、546.07nm、486.13nm和587.56nm的光進行測量。像散和變形量是以波長為587.56nm的光所進行測量。

表5顯示圖3的成像鏡頭系統30的設計數據，表6是非球面的數據。於表5中，曲率半徑是圖3中的R1、R2...，寬度或距離是圖3中的D1、D2...。光圈到第一透鏡L1面向所攝物體一側表面的距離D1被設定為負值-0.02，原因在於光圈是設置在第一透鏡L1面向所攝物體一側的表面和第一透鏡L1面向成像一側的表面之間的光軸區域。因此，光圈的所在平面相對第一透鏡L1的所攝物體，較靠近所成影像。

焦距為2.081mm、F值2.42、視角是80.96°、波長546nm、總長度3.08。*表示一非球面。

圖6繪示圖3中小型化的成像鏡頭系統30的縱向色差、像散和變形量。

其縱球面像差是以波長為650nm、610nm、555nm、510nm和470nm的光進行測量。像散和變形量是以波長為555nm的光進行測量。

表7表示各個例示性實施例中狀態函數值。

本發明係以上述例示實施例為例進行說明。應明瞭的是，任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行形式上或細節上之變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

10‧‧‧成像鏡頭系統

D1~D12‧‧‧距離(寬度)

L1‧‧‧第一透鏡

L2‧‧‧第二透鏡

L3‧‧‧第三透鏡

L4‧‧‧第四透鏡

LF‧‧‧光學濾鏡

R2~R11‧‧‧曲率半徑

Si‧‧‧成像表面

ST‧‧‧光圈

Claims (8)

1. 一種成像鏡頭系統，其從一物體依次包括：一光圈；一第一透鏡，具有正屈光力，該第一透鏡面向物體的一側為凸面；一第二透鏡，具有負屈光力，該第二透鏡面向物體的一側為一平面，該平面位於一光軸上，該第二透鏡面向成像的一側為非球面；一第三透鏡，具有正屈光力，該第三透鏡面向物體的一側為彎月形凹面；以及一第四透鏡，具有負屈光力，該第四透鏡面向物體的一側為凸面，其中該第一透鏡、該第二透鏡、該第三透鏡和該第四透鏡的阿貝數介於40至50。
2. 如申請專利範圍第1項所述之成像鏡頭系統，其中當該第一透鏡的阿貝數是Vd1且該第二透鏡的阿貝數是Vd2，該成像鏡頭系統滿足以下狀態函數：19<Vd1-Vd2<29--------------------------------(1)
3. 如申請專利範圍第1項所述之成像鏡頭系統，其中該成像鏡頭系統滿足以下狀態函數：1.68<TTL/2y<1.73-----------------------------(2)其中TTL表示自該第一面到該第一透鏡面向物體的一側的表面的距離，y表示在該成像表面上之一對角線長度的一半。
4. 如申請專利範圍第1項所述之成像鏡頭系統，其中該第四透鏡面向物體的該表面具有正屈光力以及在遠離一光軸的一方向上具有一凸反曲點。
5. 如申請專利範圍第1項所述之成像鏡頭系統，其中該第三透鏡滿足以下狀態函數：1.40<|K3/Kt|<1.85-----------------------------(3)其中該第三透鏡的屈光力為K3，整個該成像鏡頭系統的屈光力為Kt。
6. 如申請專利範圍第5項所述之成像鏡頭系統，其中該第一透鏡滿足以下狀態函數：0.75<|K1/Kt|<0.90-----------------------------(4) 其中該第一透鏡的屈光力為K1，整個該成像鏡頭系統的屈光力為Kt。
7. 如申請專利範圍第5項所述之成像鏡頭系統，其中該第二透鏡滿足以下狀態函數：0.45<|K2/Kt|<0.65-----------------------------(5)其中該第二透鏡的屈光力為K2，整個該成像鏡頭系統的屈光力為Kt。
8. 如申請專利範圍第5到7項所述之成像鏡頭系統，其中該第四透鏡滿足以下狀態函數：0.85<|K4/Kt|<1.40----------------------------(6)其中該第四透鏡的屈光力為K4，整個該成像鏡頭系統的屈光力為Kt。