TW202022428A - 鏡頭及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種鏡頭，包含第一透鏡組、第二透鏡組和光圈。第一透鏡組包含至少三片具有屈光度的透鏡，其中有一片球面透鏡和一片非球面透鏡。屈光度為正的第二透鏡組包含至少兩片具有屈光度的透鏡，其中有一片非球面透鏡。光圈設於第一透鏡組與第二透鏡組之間。鏡頭包含具屈光度的透鏡總數小於9，DL為第二透鏡組最遠離第一透鏡組的透鏡表面直徑，LT為鏡頭兩端最外側的透鏡表面，在鏡頭光軸上的長度，且鏡頭滿足下列條件：2 mm＜DL＜6mm，LT＜15mm且0.2＜DL/LT＜0.38。

Description

鏡頭及其製造方法
本發明關於一種鏡頭及其製造方法。
近年來隨科技的進展，鏡頭的種類日漸多元，應用於安控、車輛和運動攝影機上的取像鏡頭是一種常見的鏡頭。目前對於小型化及光學性能的要求也越來越高，要滿足這樣需求的鏡頭，大致上需要具低成本、高解析度、大光圈、廣視角、低熱飄移量和小型化等特點。因此，目前需要一種兼顧小型化、廣視角、低熱飄移量，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。
「先前技術」段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在「先前技術」段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在「先前技術」段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。
本發明的其他目的和優點可以從本發明實施例所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
根據本發明的一個觀點，提供一種鏡頭，包含第一透鏡組、第二透鏡組和光圈。第一透鏡組包含至少三片具有屈光度的透鏡，其中有一片球面透鏡和一片非球面透鏡。屈光度為正的第二透鏡組包含至少兩片具有屈光度的透鏡，其中有一片非球面透鏡。光圈設於第一透鏡組與第二透鏡組之間。鏡頭包含具屈光度的透鏡總數小於9，DL為第二透鏡組最遠離第一透鏡組的透鏡表面直徑，LT為鏡頭兩端最外側的透鏡表面，在鏡頭光軸上的長度，且鏡頭滿足下列條件：2 mm＜DL＜6mm，LT＜15mm且0.2＜DL/LT＜0.38。藉由本實施例兩個透鏡組和包含多片非球面透鏡，且鏡頭的透鏡數介於5~8片，達到小型化、低熱飄移量、較低的製造成本、廣視角及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。
根據本發明的另一個觀點，提供一種鏡頭，沿鏡頭的影像放大側至影像縮小側依序設置第一、第二、第三、第四和第五透鏡，其中第二透鏡和第五透鏡為非球面透鏡，且鏡頭包括具有屈光度的透鏡總數小於9，鏡頭的有效焦距(EFL)介於0.5和1.5之間，其中D1為第一透鏡遠離第二透鏡的透鏡表面直徑，LT為鏡頭兩端最外側的透鏡表面，在鏡頭光軸上的長度，且鏡頭滿足下列條件：D1＜13.3mm，LT＜15mm且0.05＜EFL/LT＜0.1。藉由本實施例包含球面透鏡和多片非球面塑膠透鏡，且鏡頭的透鏡數介於5~8片，達到小型化、低熱飄移量、較低的製造成本、廣視角及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。
藉由本發明實施例的設計，可提供一種能兼顧可使光學鏡頭兼具良好的光學成像品質、低熱飄移量與廣視角的特性，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。再者，本發明實施例光學鏡頭5~8片鏡片、鏡頭到感測器(Sensor)的距離(TTL)小於18 mm，因此能夠提供具大光圈、高解析度、小型化、低熱飄移量與廣視角等特點，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的光學鏡頭設計。
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。為讓本發明之上述和其他目的、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。
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實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，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並非用來限制本發明。另外，下列實施例中所使用的用語“第一”、“第二”是爲了辨識相同或相似的元件而使用，幷非用以限定該元件。
本發明所謂的光學元件，係指元件具有部份或全部可反射或穿透的材質所構成，通常包含玻璃或塑膠所組成。例如是透鏡、稜鏡或是光圈。
當鏡頭應用在取像系統中時，影像放大側係指在光路上靠近被拍攝物所處的一側，影像縮小側則係指在光路上較靠近感光元件的一側。
一透鏡的物側面(或像側面)具有位於某區域的凸面部(或凹面部)，是指該區域相較於徑向上緊鄰該區域的外側區域，朝平行於光軸的方向更為「向外凸起」(或「向內凹陷」)而言。
圖1是本發明第一實施例的鏡頭架構示意圖。請參照圖1，在本實施例中，鏡頭10a有一鏡筒(未繪示)，鏡筒裡由第一側(影像放大側OS)往第二側(影像縮小側IS)排列包含了第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、光圈14、第五透鏡L5和第六透鏡L6。第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3和第四透鏡L4構成具有負屈光度的第一透鏡組(例如為前組)20，第五透鏡L5和第六透鏡L6構成具有正屈光度的第二透鏡組(例如為後組)30。再者，影像縮小側IS可設置濾光片16、玻璃蓋18以及影像感測器(圖中未顯示)，鏡頭10a的可見光有效焦距(EFL)上成像面標示為19，濾光片16和玻璃蓋18位於第二透鏡組30與可見光有效焦距上成像面19之間。於本實施例中，第一透鏡L1至第六透鏡L6屈光度分別為負、負、負、正、負、正，且第二、第三、第五和第六透鏡為非球面塑膠透鏡。在一實施例中，非球面塑膠透鏡可以用非球面玻璃透鏡取代。另外，兩透鏡相鄰的兩面有大致相同(曲率半徑差異小於0.005mm)或完全相同(實質相同)的曲率半徑且形成結合透鏡、膠合透鏡、雙合透鏡(doublet)或三合透鏡(triplet)，例如本實施例的第五透鏡L5及第六透鏡L6可構成膠合透鏡，且相鄰兩非球面的膠層厚度約為0.008mm，但本發明實施例並不以此為限制。又本實施例的第四透鏡L4可由兩透鏡以膠合方式形成雙合透鏡，也可由三透鏡以膠合方式形成三合透鏡，使得本實施例的鏡頭的具屈光度的透鏡總數為8片，但本發明實施例並不以此為限制。本發明各具體實施例之影像放大側OS均分別設於各圖之左側，而影像縮小側IS均設於各圖之右側，將不予重覆說明之。
本發明所指光圈14是指一孔徑光欄(Aperture Stop)，光圈為一獨立元件或是整合於其他光學元件上。於本實施例中，光圈是利用機構件擋去周邊光線並保留中間部份透光的方式來達到類似的效果，而前述所謂的機構件可以是可調整的。所謂可調整，是指機構件的位置、形狀或是透明度的調整。或是，光圈也可以在透鏡表面塗佈不透明的吸光材料，並使其保留中央部份透光以達限制光路的效果。
各透鏡係定義有表面直徑。舉例而言，如圖1所示，表面直徑是指該於光軸12兩端的鏡面轉折點P、Q於垂直光軸12方向上的距離(例如表面直徑D)。再者，於本實施例中，表面S1的直徑(D1)為12.06mm，表面S13的直徑(DL)為3.274mm。
鏡頭10a的透鏡設計參數、外形及非球面係數分別如表一及表二所示，於本發明設計實例中，非球面多項式可用下列公式表示：
Figure 02_image001
(1) 上述的公式(1)中，Z為光軸方向之偏移量（sag），c是密切球面（osculating sphere）的半徑之倒數，也就是接近光軸處的曲率半徑的倒數，k是二次曲面係數（conic），r是非球面高度，即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度。表二的A-I分別代表非球面多項式的 4、6、8、10、12、14、16、18、20階項係數值。然而，下文中所列舉的資料並非用以限定本發明，任何所屬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的範疇內。
表一
Figure 107145161-A0304-0001
表二
Figure 107145161-A0304-0002
S1的間距為表面S1到S2在光軸12的距離，S2的間距為表面S2到S3在光軸12的距離，S17間距為表面S17到可見光有效焦距上成像面19在光軸12的距離。
表中表面有出現的＊係指該表面為非球面表面，而若未標示即為球面之意。
曲率半徑是指曲率的倒數。曲率半徑為正時，透鏡表面的球心在透鏡的影像縮小側方向。曲率半徑為負時，透鏡表面的球心在透鏡的影像放大側方向。而各透鏡之凸凹可見上表。
本發明的光圈值係以F/#來代表，如上表所標示者。本發明鏡頭應用在投影系統時，成像面是光閥表面。而當鏡頭應用在取像系統中時，成像面則係指感光元件表面。
當鏡頭應用在取像系統中時，影像高度IMH係指在成像面的影像對角線(image circle)長度的1/2，如上表所標示者。
本發明中，鏡頭的總長係以LT來表示，如上表所標示者。更明確的說，本實施例的總長是指鏡頭10a最接近影像放大側的光學表面S1與最接近影像縮小側的光學表面S13之間，沿光軸12量測的距離。鏡頭的鏡頭總長(LT)小於15mm。本發明中，鏡頭到成像面19的總長係以TTL來表示，如上表所標示者。更明確的說，本實施例鏡頭到成像面19的總長是指鏡頭10a最接近影像放大側的光學表面S1與鏡頭成像面19之間，沿光軸12量測的距離。
於本實施例中，全視場角FOV是指最接近影像放大端的光學表面S1的收光角度，亦即以對角線量測所得之視野 (field of view)，如上表所標示者。本發明實施例中，190度＜FOV＜230度。
本發明一實施例之鏡頭包含兩透鏡組，前組例如可使用兩個負屈光度(Power)透鏡，其中有一非球面透鏡，達到廣角收光能力，但其並不限定。鏡頭的光圈數值約大於等於1.8。後組包含結合透鏡(膠合透鏡、雙合透鏡)及非球面透鏡以修正像差和色差，雙合透鏡的兩個透鏡間沿光軸的最小距離小於等於0.01mm。雙合透鏡(doublet lens)例如可為三合透鏡(triplet lens)取代而不限定。雙合透鏡、膠合透鏡、結合透鏡、三合透鏡都包含曲率半徑實質相同或相近的對應鄰近表面。鏡頭具屈光度的透鏡總片數為5~8片，且鏡頭具有至少阿貝數大於50的三片透鏡，其中後組中的膠合透鏡至少包含一片阿貝數大於50的透鏡。
於一實施例中，鏡頭的透鏡表面可符合0.2＜DL/LT＜0.38，於另一實施例可符合0.21＜DL/LT＜0.36，於又另一實施例可符合0.22＜DL/LT＜0.34，其中DL為最靠近鏡頭成像面的透鏡表面直徑，LT 為鏡頭最接近影像放大側的光學表面與最接近影像縮小側的光學表面之間，沿光軸量測的距離，藉以讓進入鏡頭的影像光收斂到接近影像感測器的大小，以在有限空間中取得較佳的光學效果。
於一實施例中，鏡頭可符合0.05＜EFL/LT＜0.1，於另一實施例可符合0.054＜EFL/LT＜0.098，於又另一實施例可符合0.058＜EFL/LT＜0.096，藉以提供影像感測器對應鏡頭總長的較佳設計範圍，其中EFL為鏡頭的可見光有效焦距， LT 為鏡頭兩端最外側的鏡頭表面，沿光軸量測的距離。
以下將說明本發明的鏡頭的第二實施例的設計。圖3是本發明第二實施例的鏡頭10b架構示意圖。第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、光圈14及第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6。第一透鏡L1、第二透鏡L2和第三透鏡L3構成具有負屈光度的第一透鏡組(例如為前組)20，第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6構成具有正屈光度的第二透鏡組(例如為後組)30。於本實施例中，鏡頭10b的第一透鏡L1至第六透鏡L6的屈光度分別為負、負、正、正、負、正，且第二、第四、第五和第六透鏡為非球面塑膠透鏡。在一實施例中，非球面塑膠透鏡可以用非球面玻璃透鏡取代。再者，於本實施例中，表面S1的直徑(D1)為11.36mm，表面S13的直徑(DL)為3.276mm。鏡頭10b中的透鏡及其周邊元件的設計參數如表三所示。
表三
Figure 107145161-A0304-0003
表四列出本發明的第二實施例中，鏡頭的非球面透鏡表面的各階非球面係數及二次曲面係數值。
表四
Figure 107145161-A0304-0004
S1的間距為表面S1到S2在光軸12的距離，S2的間距為表面S2到S3在光軸12的距離，S17間距為表面S17到可見光有效焦距上成像面19在光軸12的距離。鏡頭具有至少阿貝數大於50的三片塑膠透鏡。
以下將說明本發明的鏡頭的第三實施例的設計。圖5是本發明第三實施例的鏡頭10c架構示意圖。第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、光圈14及第四透鏡L4和第五透鏡。第一透鏡L1、第二透鏡L2和第三透鏡L3構成具有負屈光度的第一透鏡組(例如為前組)20，第四透鏡L4和第五透鏡L5構成具有正屈光度的第二透鏡組(例如為後組)30。於本實施例中，鏡頭10c的第一透鏡L1至第五透鏡L5的屈光度分別為負、負、正、負、正，且第二、第三、第四和第五透鏡為非球面塑膠透鏡。在一實施例中，非球面塑膠透鏡可以用非球面玻璃透鏡取代。再者，於本實施例中，表面S1的直徑(D1)12.92mm，表面S11的直徑(DL)為2.76mm。鏡頭10c中的透鏡及其周邊元件的設計參數如表五所示。
表五
Figure 107145161-A0304-0005
表六列出本發明的第三實施例中，鏡頭的非球面透鏡表面的各階非球面係數及二次曲面係數值。
表六
Figure 107145161-A0304-0006
S1的間距為表面S1到S2在光軸12的距離，S2的間距為表面S2到S3在光軸12的距離，S15間距為表面S15到可見光有效焦距上成像面19在光軸12的距離。鏡頭具有至少阿貝數大於55的三片透鏡。
以下將說明本發明的鏡頭的第四到第十實施例的設計。圖7、9、11、13、15、17和圖19分別為依本發明第四到第十實施例之鏡頭10d、10e、10f、10g、10h、10i和鏡頭10j的架構示意圖。鏡頭10d、10e、10f、10g、10h、10i和鏡頭10j中的透鏡及其周邊元件的設計參數如表七、九、十一、十三、十五、十七和表十九所示。表八、十、十二、十四、十六、十八和表二十分別列出本發明的第四到第十實施例中，鏡頭10d、10e、10f、10g、10h、10i和鏡頭10j的非球面透鏡表面的各階非球面係數及二次曲面係數值。
表七
Figure 107145161-A0304-0007
表八
Figure 107145161-A0304-0008
表九
Figure 107145161-A0304-0009
表十
Figure 107145161-A0304-0010
表十一
Figure 107145161-A0304-0011
表十二
Figure 107145161-A0304-0012
表十三
Figure 107145161-A0304-0013
表十四
Figure 107145161-A0304-0014
表十五
Figure 107145161-A0304-0015
表十六
Figure 107145161-A0304-0016
表十七
Figure 107145161-A0304-0017
表十八
Figure 107145161-A0304-0018
表十九
Figure 107145161-A0304-0019
表二十
Figure 107145161-A0304-0020
表二十一為本發明第一至第十實施例的鏡頭10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h、10i和鏡頭10j的各項參數，參數所代表的意義已於之前段落陳述，此處不再重複。
表二十一
Figure 107145161-A0304-0021
Figure 107145161-A0304-0022
 D1為鏡頭最遠離成像面的透鏡表面直徑，DL為鏡頭最靠近成像面的透鏡表面直徑。
圖2、4、6、8、10、12、14、16、18和圖20分別為依本發明實施例之鏡頭10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h、10i和鏡頭10j的軸向球差、場曲以及光學畸變之曲線圖。圖2、4、6、8、10、12、14、16、18和圖20模擬數據圖所顯示出的圖形均在標準的範圍內，由此可驗證本實施例之鏡頭10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h、10i和鏡頭10j確實能夠兼具良好的光學成像品質的特性。
藉由本發明實施例的設計，可提供一種能兼顧可使光學鏡頭兼具良好的光學成像品質、低熱飄移量與廣視角的特性，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。再者，本發明實施例光學鏡頭5~8片鏡片、鏡頭到感測器(Sensor)的距離(TTL)小於18 mm，因此能夠提供具大光圈、高解析度、小型化、低熱飄移量與廣視角等特點，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的光學鏡頭設計。
以上各具體實施例中所列出的表格中的參數僅為例示之用，而非限制本發明。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。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之全部目的或優點或特點。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之權利範圍。
10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h、10i、10j:鏡頭12:光軸14:光圈16:濾光片18:玻璃蓋19:成像面20:第一透鏡組30:第二透鏡組L1-L6:透鏡S1-S18:表面P、Q:轉折點D:表面直徑OS:影像放大側IS:影像縮小側
圖1為依本發明一實施例之鏡頭10a的示意圖。
圖2自左而右分別為鏡頭10a的軸向球差、場曲以及光學畸變之曲線圖。
圖3為依本發明一實施例之鏡頭10b的示意圖。
圖4自左而右分別為鏡頭10b的軸向球差、場曲以及光學畸變之曲線圖。
圖5、7、9、11、13、15、17和圖19分別為依本發明實施例之鏡頭10c、10d、10e、10f、10g、10h、10i和鏡頭10j的示意圖。
圖6、8、10、12、14、16、18和圖20分別為依本發明實施例之鏡頭10c、10d、10e、10f、10g、10h、10i和鏡頭10j的軸向球差、場曲以及光學畸變之曲線圖。
無
10a:鏡頭
12:光軸
14:光圈
16:濾光片
18:玻璃蓋
19:成像面
20:第一透鏡組
30:第二透鏡組
L1-L6:透鏡
S1-S18:表面
P、Q:轉折點
D:表面直徑
OS:影像放大側
IS:影像縮小側

Claims (10)

  1. 一種鏡頭，包含： 一第一透鏡組，包含三片具有屈光度的透鏡，其中有一片球面透鏡和一片非球面透鏡； 一屈光度為正的第二透鏡組，包含兩片具有屈光度的透鏡，其中有一片非球面透鏡；以及 一光圈，設於該第一透鏡組與該第二透鏡組之間； 其中該鏡頭包含具屈光度的透鏡總數小於9，DL為該第二透鏡組最遠離該第一透鏡組的透鏡表面直徑，LT為該鏡頭兩端最外側的透鏡表面，在該鏡頭光軸上的長度，且該鏡頭滿足下列條件： 2 mm＜DL＜6mm，LT＜15mm且0.2＜DL/LT＜0.38。
  2. 一種鏡頭，包含： 沿該鏡頭的影像放大側至影像縮小側依序設置一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡和一第五透鏡，其中該第二透鏡和該第五透鏡為非球面透鏡，且該鏡頭包括具有屈光度的透鏡總數小於9，該鏡頭的有效焦距(EFL)介於0.5和1.5之間，其中D1為該第一透鏡遠離該第二透鏡的透鏡表面直徑，LT為該鏡頭兩端最外側的透鏡表面，在該鏡頭光軸上的長度，且該鏡頭滿足下列條件： D1＜13.3mm，LT＜15mm且0.05＜EFL/LT＜0.1。
  3. 如申請專利範圍第1至2項任一項所述之鏡頭，其中該鏡頭的光圈值(F/#)大於等於1.8。
  4. 如申請專利範圍第1至2項任一項所述之鏡頭，其中該鏡頭的視場角(FOV)介於190和230度之間。
  5. 如申請專利範圍第1至2項任一項所述之鏡頭，其中該鏡頭滿足下列條件之一：(1)包含3片阿貝數大於50的透鏡，(2)膠合透鏡包含一片阿貝數大於50的透鏡，(3)包含3片阿貝數大於55的透鏡，(4)包含3片阿貝數大於50的塑膠透鏡，(5)膠合鏡片的膠合面為非球面。
  6. 如申請專利範圍第1至2項任一項所述之鏡頭，其中該鏡頭滿足下列條件之一：(1)包含一雙合透鏡(doublet)，(2)包含一三合透鏡(triplet)，(3)該鏡頭最遠離一成像面的透鏡的材料由玻璃所構成。
  7. 如申請專利範圍第1至2項任一項所述之鏡頭，其中該鏡頭滿足下列條件之一：(1)該鏡頭的鏡頭總長(LT)小於15mm，(2)該鏡頭最遠離一成像面的透鏡表面到成像面的總長(TTL)小於18mm。
  8. 如申請專利範圍第1至2項任一項所述之鏡頭，其中該鏡頭滿足下列條件之一：(1)自影像放大側至影像縮小側依序為凸凹、非球面、非球面、雙凸、非球面和非球面透鏡，(2)自影像放大側至影像縮小側依序為凸凹、非球面、雙凸、非球面、非球面和非球面透鏡，(3)自影像放大側至影像縮小側依序為凸凹、非球面、非球面、非球面和非球面透鏡，(4)自影像放大側至影像縮小側依序為凸凹、非球面、非球面、非球面、非球面和非球面透鏡，(5)自影像放大側至影像縮小側依序為凸凹、非球面、非球面、雙凸和非球面透鏡，(6)自影像放大側至影像縮小側依序為凸凹、非球面、雙凸、非球面和非球面透鏡。
  9. 如申請專利範圍第1至2項任一項所述之鏡頭，其中該鏡頭滿足下列條件之一：(1)自影像放大側至影像縮小側的透鏡屈光度依序為負、負、負、正、負、正，(2)自影像放大側至影像縮小側的透鏡屈光度依序為負、負、正、正、負、正，(3)自影像放大側至影像縮小側的透鏡屈光度依序為負、負、正、負、正，(4)自影像放大側至影像縮小側的透鏡屈光度依序為負、負、正、正、正。
  10. 一種鏡頭製造方法，包含： 提供一鏡筒；以及 將一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡和一第五透鏡，置入並固定於該鏡筒內，其中該第二透鏡和該第五透鏡為非球面透鏡，該鏡頭具屈光度的透鏡數為小於9，該鏡頭的有效焦距(EFL)介於0.5和1.5之間，其中D1為該第一透鏡遠離該第二透鏡的透鏡表面直徑，LT為該鏡頭兩端最外側的透鏡表面，在該鏡頭光軸上的長度，且該鏡頭滿足下列條件： D1＜13.3mm，LT＜15mm且0.05＜EFL/LT＜0.1。
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