TW202131047A - 光學成像鏡頭 - Google Patents

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Abstract

一種光學成像鏡頭，包含有第一透鏡至第四透鏡共四片透鏡。第一透鏡，具有負屈光率、第二透鏡的物側面的圓周區域為凹面、以及第三透鏡的物側面的光軸區域為凹面。此光學成像鏡頭只有上述第一透鏡至第四透鏡共四片透鏡具有屈光率，υ1為第一透鏡的阿貝係數、υ2為第二透鏡的阿貝係數、υ3為第三透鏡的阿貝係數、υ4為第四透鏡的阿貝係數，且符合條件式：υ1+υ2+υ3+υ4≦150.000。

Description

光學成像鏡頭
本發明大致上關於一種光學成像鏡頭。具體而言，本發明特別是指一種主要用於拍攝影像及錄影之光學成像鏡頭，並可以應用於例如：行動電話、相機、平板電腦、個人數位助理（Personal Digital Assistant, PDA）等可攜式電子產品中，或是車用攝影裝置中，還可適用於3D感測應用。
消費性電子產品的規格日新月異，追求輕薄短小的腳步也未曾放慢，因此光學鏡頭等電子產品的關鍵零組件在規格上也必須持續提升，以符合消費者的需求。而光學鏡頭最重要的特性不外乎就是成像品質與體積。其中，就成像品質而言，隨著影像感測技術之進步，消費者對於成像品質等的要求也將更加提高，因此在光學鏡頭設計領域中，除了追求鏡頭薄型化，同時也必須兼顧鏡頭成像品質及性能，甚至為了因應行車與光線不足的環境，鏡頭的視場角與光圈大小的提升或是維持也是必須要考量之課題。以一種四片式透鏡結構而言，以往之發明，第一透鏡物側面至成像面在光軸上的距離大，將不利手機和數位相機的薄型化。
然而，光學鏡頭設計並非單純將成像品質佳的鏡頭等比例縮小就能製作出兼具成像品質與微型化的光學鏡頭，設計過程不僅牽涉到材料特性，還必須考量到製作、組裝良率等生產面的實際問題。
因此，微型化鏡頭的技術難度明顯高出傳統鏡頭，故如何製作出符合消費性電子產品需求的光學鏡頭，並持續提升其成像品質，長久以來一直是本領域產、官、學界所持續精進的目標。
於是，本發明的實施例提出一種縮減光學鏡頭之系統長度、確保成像品質、維持或提升視場角度、維持光圈大小、具備良好光學性能以及技術上可行的四片式光學成像鏡頭。本發明四片式光學成像鏡頭從物側至像側，在光軸上依序安排有第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡。第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡，都分別具有朝向物側且使成像光線通過的物側面，以及朝向像側且使成像光線通過的像側面。
在本發明的一實施例中，第一透鏡具有負屈光率、第二透鏡的物側面的圓周區域為凹面、還有第三透鏡的物側面的光軸區域為凹面。其中，光學成像鏡頭只有上述第一透鏡至第四透鏡共四片透鏡具有屈光率。另外，υ1為第一透鏡的阿貝係數（Abbe number）、υ2為第二透鏡的阿貝係數、υ3為第三透鏡的阿貝係數、υ4為第四透鏡的阿貝係數，且符合條件式：υ1+υ2+υ3+υ4≦150.000。
在本發明的另一實施例中，第一透鏡具有負屈光率、第二透鏡的物側面的圓周區域為凹面、第四透鏡的物側面的光軸區域為凸面。其中，此光學成像鏡頭只有上述第一透鏡至第四透鏡共四片透鏡具有屈光率。另外，υ1為第一透鏡的阿貝係數、υ2為第二透鏡的阿貝係數、υ3為第三透鏡的阿貝係數、υ4為第四透鏡的阿貝係數，且符合條件式：υ1+υ2+υ3+υ4≦150.000。
在本發明的又一實施例中，第一透鏡具有負屈光率、第二透鏡的物側面的圓周區域為凹面、第四透鏡的像側面的光軸區域為凹面。其中，光學成像鏡頭只有上述第一透鏡至第四透鏡共四片透鏡具有屈光率。另外，υ1為第一透鏡的阿貝係數、υ2為第二透鏡的阿貝係數、υ3為第三透鏡的阿貝係數、υ4為第四透鏡的阿貝係數，且符合條件式：υ1+υ2+υ3+υ4≦150.000。
在本發明光學成像鏡頭中，實施例還滿足以下任一條件：
1. （G12+T2）/（T1+G23）≦2.500；
2. TL/（T1+G23）≦5.500；
3. TTL/（G23+T4）≦5.000；
4. TL/（G23+T4）≦3.500；
5. TTL/（T1+G23）≦5.500；
6. TL/T3≦5.500；
7. （G12+T2）/（T1+G34）≦2.500；
8. TL/（G34+T4）≦5.000；
9. TL/（T1+G34）≧4.500；
10. TL/T4≦6.500；
11. TTL/T1≦8.000；
12. ALT/T1≦5.600；
13. （G12+T2）/T1≦2.500；
14. TTL/（G34+T4）≦4.500；
15. ALT/（G34+T4）≦3.000；
16. TTL/BFL≧5.000；
17. ALT/AAG≧4.000。
其中，T1定義為第一透鏡在光軸上的厚度、T2定義為第二透鏡在光軸上的厚度、T3定義為第三透鏡在光軸上的厚度、T4定義為第四透鏡在光軸上的厚度、G12定義為第一透鏡與第二透鏡間在光軸上的空氣間隙、G23定義為第二透鏡與第三透鏡間在光軸上的空氣間隙、G34定義為第三透鏡與第四透鏡間在光軸上的空氣間隙、TL定義為第一透鏡的物側面到第四透鏡的像側面在光軸上的距離、TTL定義為第一透鏡的物側面至成像面在光軸上的距離、ALT定義為第一透鏡到第四透鏡在光軸上的四個透鏡之厚度總和、BFL定義為第四透鏡的像側面至成像面在光軸上的距離、AAG定義為第一透鏡到第四透鏡在光軸上的三個空氣間隙總和。
本說明書之光學系統包含至少一透鏡，接收入射光學系統之平行於光軸至相對光軸呈半視角（HFOV）角度內的成像光線。成像光線通過光學系統於成像面上成像。所言之「一透鏡具有正屈光率（或負屈光率）」，是指所述透鏡以高斯光學理論計算出來之近軸屈光率為正（或為負）。所言之「透鏡之物側面（或像側面）」定義為成像光線通過透鏡表面的特定範圍。成像光線包括至少兩類光線：主光線（chief ray）Lc及邊緣光線（marginal ray）Lm（如圖1所示）。透鏡之物側面（或像側面）可依不同位置區分為不同區域，包含光軸區域、圓周區域、或在部分實施例中的一個或多個中繼區域，該些區域的說明將於下方詳細闡述。
圖1為透鏡100的徑向剖視圖。定義透鏡100表面上的二參考點：中心點及轉換點。透鏡表面的中心點為該表面與光軸I的一交點。如圖1所例示，第一中心點CP1位於透鏡100的物側面110，第二中心點CP2位於透鏡100的像側面120。轉換點是位於透鏡表面上的一點，且該點的切線與光軸I垂直。定義透鏡表面之光學邊界OB為通過該透鏡表面徑向最外側的邊緣光線Lm與該透鏡表面相交的一點。所有的轉換點皆位於光軸I與透鏡表面之光學邊界OB之間。除此之外，若單一透鏡表面有複數個轉換點，則該些轉換點由徑向向外的方向依序自第一轉換點開始命名。例如，第一轉換點TP1（最靠近光軸I）、第二轉換點TP2（如圖4所示）及第N轉換點（距離光軸I最遠）。
定義從中心點至第一轉換點TP1的範圍為光軸區域，其中，該光軸區域包含中心點。定義距離光軸I最遠的第N轉換點徑向向外至光學邊界OB的區域為圓周區域。在部分實施例中，可另包含介於光軸區域與圓周區域之間的中繼區域，中繼區域的數量取決於轉換點的數量。
當平行光軸I之光線通過一區域後，若光線朝光軸I偏折且與光軸I的交點位在透鏡像側A2，則該區域為凸面。當平行光軸I之光線通過一區域後，若光線的延伸線與光軸I的交點位在透鏡物側A1，則該區域為凹面。
除此之外，參見圖1，透鏡100還可包含一由光學邊界OB徑向向外延伸的組裝部130。組裝部130一般來說用以供該透鏡100組裝於光學系統之一相對應元件（圖未示）。成像光線並不會到達該組裝部130。組裝部130之結構與形狀僅為說明本發明之示例，不以此限制本發明的範圍。下列討論之透鏡的組裝部130可能會在圖式中被部分或全部省略。
參見圖2，定義中心點CP與第一轉換點TP1之間為光軸區域Z1。定義第一轉換點TP1與透鏡表面的光學邊界OB之間為圓周區域Z2。如圖2所示，平行光線211在通過光軸區域Z1後與光軸I在透鏡200的像側A2相交，即平行光線211通過光軸區域Z1的焦點位於透鏡200像側A2的R點。由於光線與光軸I相交於透鏡200像側A2，故光軸區域Z1為凸面。反之，平行光線212在通過圓周區域Z2後發散。如圖2所示，平行光線212通過圓周區域Z2後的延伸線EL與光軸I在透鏡200的物側A1相交，即平行光線212通過圓周區域Z2的焦點位於透鏡200物側A1的M點。由於光線的延伸線EL與光軸I相交於透鏡200物側A1，故圓周區域Z2為凹面。於圖2所示的透鏡200中，第一轉換點TP1是光軸區域與圓周區域的分界，即第一轉換點TP1為凸面轉凹面的分界點。
另一方面，光軸區域的面形凹凸判斷還可依該領域中通常知識者的判斷方式，即藉由近軸的曲率半徑（簡寫為R值）的正負號來判斷透鏡之光軸區域面形的凹凸。R值可常見被使用於光學設計軟體中，例如Zemax或CodeV。R值亦常見於光學設計軟體的透鏡資料表（lens data sheet）中。以物側面來說，當R值為正時，判定為物側面的光軸區域為凸面；當R值為負時，判定物側面的光軸區域為凹面。反之，以像側面來說，當R值為正時，判定像側面的光軸區域為凹面；當R值為負時，判定像側面的光軸區域為凸面。此方法判定的結果與前述藉由光線／光線延伸線與光軸的交點判定方式的結果一致，光線／光線延伸線與光軸交點的判定方式即為以一平行光軸之光線的焦點位於透鏡之物側或像側來判斷面形凹凸。本說明書所描述之「一區域為凸面（或凹面）」、「一區域為凸（或凹）」或「一凸面（或凹面）區域」可被替換使用。
圖3至圖5提供了在各個情況下判斷透鏡區域的面形及區域分界的範例，包含前述之光軸區域、圓周區域及中繼區域。
圖3為透鏡300的徑向剖視圖。參見圖3，透鏡300的像側面320在光學邊界OB內僅存在一個轉換點TP1。透鏡300的像側面320的光軸區域Z1及圓周區域Z2如圖3所示。此像側面320的R值為正（即R＞0），因此，光軸區域Z1為凹面。
一般來說，以轉換點為界的各個區域面形會與相鄰的區域面形相反，因此，可用轉換點來界定面形的轉變，即自轉換點由凹面轉凸面或由凸面轉凹面。於圖3中，由於光軸區域Z1為凹面，面形於轉換點TP1轉變，故圓周區域Z2為凸面。
圖4為透鏡400的徑向剖視圖。參見圖4，透鏡400的物側面410存在一第一轉換點TP1及一第二轉換點TP2。定義光軸I與第一轉換點TP1之間為物側面410的光軸區域Z1。此物側面410的R值為正（即R＞0），因此，光軸區域Z1為凸面。
定義第二轉換點TP2與透鏡400的物側面410的光學邊界OB之間為圓周區域Z2，該物側面410的該圓周區域Z2亦為凸面。除此之外，定義第一轉換點TP1與第二轉換點TP2之間為中繼區域Z3，該物側面410的該中繼區域Z3為凹面。再次參見圖4，物側面410由光軸I徑向向外依序包含光軸I與第一轉換點TP1之間的光軸區域Z1、位於第一轉換點TP1與第二轉換點TP2之間的中繼區域Z3，及第二轉換點TP2與透鏡400的物側面410的光學邊界OB之間的圓周區域Z2。由於光軸區域Z1為凸面，面形自第一轉換點TP1轉變為凹，故中繼區域Z3為凹面，又面形自第二轉換點TP2再轉變為凸，故圓周區域Z2為凸面。
圖5為透鏡500的徑向剖視圖。透鏡500的物側面510無轉換點。對於無轉換點的透鏡表面，例如透鏡500的物側面510，定義自光軸I起算至透鏡表面光學邊界OB之間距離的0~50%為光軸區域，自光軸I起算至透鏡表面光學邊界OB之間距離的50~100%為圓周區域。參見圖5所示之透鏡500，定義光軸I至自光軸I起算到透鏡500表面光學邊界OB之間距離的50%為物側面510的光軸區域Z1。此物側面510的R值為正（即R＞0），因此，光軸區域Z1為凸面。由於透鏡500的物側面510無轉換點，因此物側面510的圓周區域Z2亦為凸面。透鏡500更可具有組裝部（圖未示）自圓周區域Z2徑向向外延伸。
如圖6所示，本發明光學成像鏡頭1，從放置物體（圖未示）的物側2至成像的像側3，沿著光軸（optical axis）4，依序包含有光圈80、第一透鏡10、第二透鏡20、第三透鏡30、第四透鏡40、濾光片70及成像面（image plane）71。一般說來，第一透鏡10、第二透鏡20、第三透鏡30、第四透鏡40都可以是由透明的塑膠材質所製成，但本發明不以此為限。各鏡片都有適當的屈光率。在本發明光學成像鏡頭1中，具有屈光率的鏡片總共只有第一透鏡10、第二透鏡20、第三透鏡30、第四透鏡40這四片透鏡而已。光軸4為整個光學成像鏡頭1的光軸，所以每個透鏡的光軸和光學成像鏡頭1的光軸都是相同的。
此外，本光學成像鏡頭1還包含光圈（aperture stop）80，設置於適當之位置。在圖6中，光圈80是設置在物側2與第一透鏡10之間。當由位於物側2之待拍攝物（圖未示）所發出的光線（圖未示）進入本發明光學成像鏡頭1時，即會依序經由光圈80、第一透鏡10、第二透鏡20、第三透鏡30、第四透鏡40與濾光片70之後，會在像側3的成像面71上聚焦而形成清晰的影像。在本發明的各實施例中，濾光片70是設於第四透鏡40朝向像側3的一面42與成像面71之間，其可以是具有各種合適功能之濾鏡，而可濾除特定波長的光線。
本發明光學鏡片組1中之各個透鏡，都分別具有朝向物側2且使成像光線通過的物側面，與朝向像側3且使成像光線通過的像側面。另外，本發明光學成像鏡頭1中之各個透鏡，亦都具有光軸區域與圓周區域。例如，第一透鏡10具有物側面11與像側面12；第二透鏡20具有物側面21與像側面22；第三透鏡30具有物側面31與像側面32；第四透鏡40具有物側面41與像側面42。各物側面與像側面又分別有光軸區域以及圓周區域。
本發明光學成像鏡頭1中之各個透鏡，還都分別具有位在光軸4上的厚度T。例如，第一透鏡10具有第一透鏡厚度T1、第二透鏡20具有第二透鏡厚度T2、第三透鏡30具有第三透鏡厚度T3、第四透鏡40具有第四透鏡厚度T4。所以，在光軸4上光學成像鏡頭1中透鏡的厚度總和稱為ALT。也就是，ALT = T1 + T2 + T3 + T4。
另外，本發明光學成像鏡頭1中，在各個透鏡之間又具有位在光軸4上的空氣間隙（air gap）。例如，第一透鏡10到第二透鏡20之間的空氣間隙寬度稱為G12、第二透鏡20到第三透鏡30之間的空氣間隙寬度稱為G23、第三透鏡30到第四透鏡40之間的空氣間隙寬度稱為G34。所以，在第一透鏡10到第四透鏡40之間，位於光軸4上各透鏡間的三個空氣間隙寬度之總和即稱為AAG。亦即，AAG = G12 + G23 + G34。
另外，第一透鏡10的物側面11至成像面71在光軸上的距離為TTL。光學成像鏡頭的有效焦距為EFL，第四透鏡40的像側面42至成像面71在光軸4上的距離為BFL，TL為第一透鏡10的物側面11至第四透鏡40的像側面42在光軸4上的距離。G4F代表第四透鏡40的像側面42到濾光片70之間在光軸4上的間隙寬度、TF代表濾光片70在光軸4上的厚度、GFP代表濾光片70到成像面71之間在光軸4上的間隙寬度、BFL為第四透鏡40的像側面42到成像面71在光軸4上的距離，即BFL = G4F + TF + GFP。
另外，再定義：f1為第一透鏡10的焦距；f2為第二透鏡20的焦距；f3為第三透鏡30的焦距；f4為第四透鏡40的焦距；n1為第一透鏡10的折射率；n2為第二透鏡20的折射率；n3為第三透鏡30的折射率；n4為第四透鏡40的折射率；υ1為第一透鏡10的阿貝係數（Abbe number）；υ2為第二透鏡20的阿貝係數；υ3為第三透鏡30的阿貝係數；υ4為第四透鏡40的阿貝係數。
第一實施例
請參閱圖6，例示本發明光學成像鏡頭1的第一實施例。第一實施例在成像面71上的縱向球差（longitudinal spherical aberration）請參考圖7A、弧矢（sagittal）方向的場曲像差（filed curvature aberration）請參考圖7B、子午（tangential）方向的場曲像差請參考圖7C、以及畸變像差（distortion aberration）請參考圖7D。所有實施例中各球差圖之Y軸代表視場，其最高點均為1.0，實施例中各場曲圖及畸變圖之Y軸代表像高，系統像高為0.979公厘。
第一實施例之光學成像鏡頭系統1主要由四枚具有屈光率之透鏡、加上光圈80、濾光片70、與成像面71所構成。光圈80是設置在物側2與第一透鏡10之間。濾光片70可以防止特定波長的光線，投射至成像面而影響成像品質。
第一透鏡10具有負屈光率。朝向物側2的物側面11的光軸區域13為凸面以及其圓周區域14為凸面，朝向像側3的像側面12的光軸區域16為凹面以及其圓周區域17為凸面。第一透鏡10之物側面11及像側面12均為非球面。
第二透鏡20具有正屈光率。朝向物側2的物側面21的光軸區域23為凸面以及其圓周區域24為凹面，朝向像側3的像側面22的光軸區域26為凹面以及其圓周區域27為凸面。第二透鏡20之物側面21及像側面22均為非球面。
第三透鏡30具有正屈光率，朝向物側2的物側面31的光軸區域33為凹面以及其圓周區域34為凸面，而朝向像側3的像側面32的光軸區域36為凸面以及其圓周區域37為凹面。第三透鏡30之物側面31及像側面32均為非球面。
第四透鏡40具有負屈光率，朝向物側2的物側面41的光軸區域43為凸面以及其圓周區域44為凹面，而朝向像側3的像側面42的光軸區域46為凹面以及其圓周區域47為凸面。第四透鏡40之物側面41及像側面42均為非球面。
在本發明光學成像鏡頭1中，從第一透鏡10到第四透鏡40中，所有的物側面11/21/31/41與像側面12/22/32/42共計八個曲面。若為非球面，則此等非球面係經由下列公式所定義：
Figure 02_image001
其中：
R 表示透鏡表面近光軸4處的曲率半徑；
Z 表示非球面之深度（非球面上距離光軸4為Y的點，與相切於非球面光軸4上頂點之切面，兩者間的垂直距離）；
Y 表示非球面曲線上的點與光軸4的距離；
K 為錐面係數（conic constant）；
ai 為第i階非球面係數。
第一實施例光學透鏡系統的光學數據如圖26所示，非球面數據如圖27所示。在以下實施例之光學透鏡系統中，整體光學透鏡系統的光圈值（f-number）為Fno、系統的整體焦距為（EFL）、半視角（Half Field of View，簡稱HFOV）為整體光學透鏡系統中最大視角（Field of View）的一半，又曲率半徑、厚度及焦距的單位均為公厘（mm）。本實施例中，TTL=2.737公厘；EFL=1.440公厘；HFOV= 37.500度；像高=0.979公厘；Fno=1.526。
第二實施例
請參閱圖8，例示本發明光學成像鏡頭1的第二實施例。請注意，從第二實施例開始，為簡化並清楚表達圖式，僅在圖上特別標示各透鏡與第一實施例不同之面型，而其餘與第一實施例的透鏡相同的面型，例如凹面或是凸面則不另外標示。第二實施例在成像面71上的縱向球差請參考圖9A、弧矢方向的場曲像差請參考圖9B、子午方向的場曲像差請參考圖9C、畸變像差請參考圖9D。第二實施例之設計與第一實施例類似，僅透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別。
第二實施例詳細的光學數據如圖28所示，非球面數據如圖29所示。本實施例中，TTL=2.652公厘；EFL=1.466公厘；HFOV=37.500度；像高=0.985公厘；Fno=1.553。特別是：1. 第二實施例的TTL較第一實施例更短， 2. 第二實施例比第一實施例易於製造，因此良率較高。
第三實施例
請參閱圖10，例示本發明光學成像鏡頭1的第三實施例。第三實施例在成像面71上的縱向球差請參考圖11A、弧矢方向的場曲像差請參考圖11B、子午方向的場曲像差請參考圖11C、畸變像差請參考圖11D。第三實施例之設計與第一實施例類似，僅透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別。此外在本實施例中，第二透鏡20朝向像側3的像側面22的光軸區域26為凸面。
第三實施例詳細的光學數據如圖30所示，非球面數據如圖31所示，本實施例中，TTL=2.700公厘；EFL=1.597公厘；HFOV= 37.500度；像高=1.212 公厘；Fno=1.692。特別是：1. 第三實施例的TTL較第一實施例更短，2. 第三實施例的畸變像差成像品質優於第一實施例的畸變像差成像品質，3. 第三實施例比第一實施例易於製造，因此良率較高。
第四實施例
請參閱圖12，例示本發明光學成像鏡頭1的第四實施例。第四實施例在成像面71上的縱向球差請參考圖13A、弧矢方向的場曲像差請參考圖13B、子午方向的場曲像差請參考圖13C、畸變像差請參考圖13D。第四實施例之設計與第一實施例類似，僅透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別。此外本實施例中，第三透鏡30朝向物側2的物側面31的圓周區域34為凹面。
第四實施例詳細的光學數據如圖32所示，非球面數據如圖33所示。本實施例中，TTL=2.654公厘；EFL=1.539公厘；HFOV=37.500度；像高=0.984公厘；Fno=1.630。特別是：1. 第四實施例的TTL較第一實施例更短， 2. 第四實施例比第一實施例易於製造，因此良率較高。
第五實施例
請參閱圖14，例示本發明光學成像鏡頭1的第五實施例。第五實施例在成像面71上的縱向球差請參考圖15A、弧矢方向的場曲像差請參考圖15B、子午方向的場曲像差請參考圖15C、畸變像差請參考圖15D。第五實施例之設計與第一實施例類似，僅透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別。此外在本實施例中，第二透鏡20朝向像側3的像側面22的光軸區域26為凸面，第三透鏡30朝向物側2的物側面31的圓周區域34為凹面，而第三透鏡30朝向像側3的像側面32的圓周區域37為凸面。
第五實施例詳細的光學數據如圖34所示，非球面數據如圖35所示，本實施例中，TTL=2.901公厘；EFL=1.654公厘；HFOV=37.500度；像高=1.210公厘；Fno=1.753。特別是：1. 第五實施例的縱向球差、子午方向的場曲像差與畸變像差成像品質優於第一實施例的縱向球差、子午方向的場曲像差與畸變像差成像品質，2. 第五實施例比第一實施例易於製造，因此良率較高。
第六實施例
請參閱圖16，例示本發明光學成像鏡頭1的第六實施例。第六實施例在成像面71上的縱向球差請參考圖17A、弧矢方向的場曲像差請參考圖17B、子午方向的場曲像差請參考圖17C、畸變像差請參考圖17D。第六實施例之設計與第一實施例類似，不同之處在於，僅透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別。此外本實施例中，第三透鏡30朝向物側2的物側面31的圓周區域34為凹面，而第三透鏡30朝向像側3的像側面32的圓周區域37為凸面。
第六實施例詳細的光學數據如圖36所示，非球面數據如圖37所示，本實施例中，TTL=2.642公厘；EFL=1.465公厘；HFOV=37.500度；像高=0.979公厘；Fno=1.552。特別是：1. 第六實施例的TTL較第一實施例更短，2. 第六實施例的縱向球差與子午方向的場曲像差成像品質優於第一實施例的縱向球差與子午方向的場曲像差成像品質，3. 第六實施例比第一實施例易於製造，因此良率較高。
第七實施例
請參閱圖18，例示本發明光學成像鏡頭1的第七實施例。第七實施例在成像面71上的縱向球差請參考圖19A、弧矢方向的場曲像差請參考圖19B、子午方向的場曲像差請參考圖19C、畸變像差請參考圖19D。第七實施例之設計與第一實施例類似，不同之處在於，僅透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別。此外本實施例中，第三透鏡30朝向像側3的像側面32的圓周區域37為凸面。
第七實施例詳細的光學數據如圖38所示，非球面數據如圖39所示，本實施例中，TTL=2.653公厘；EFL=1.475公厘；HFOV=37.500度；像高=0.984公厘；Fno=1.563。特別是：1. 第七實施例的TTL較第一實施例更短，2. 第七實施例的縱向球差與弧矢方向的場曲像差成像品質優於第一實施例的縱向球差與弧矢方向的場曲像差成像品質，3. 第七實施例比第一實施例易於製造，因此良率較高。
第八實施例
請參閱圖20，例示本發明光學成像鏡頭1的第八實施例。第八實施例在成像面71上的縱向球差請參考圖21A、弧矢方向的場曲像差請參考圖21B、子午方向的場曲像差請參考圖21C、畸變像差請參考圖21D。第八實施例之設計與第一實施例類似，不同之處在於，僅透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別。此外本實施例中，第一透鏡10朝向物側2的物側面11的圓周區域14為凹面，第二透鏡20朝向像側3的像側面22的光軸區域26為凸面，第三透鏡30具有負屈光率，第三透鏡30朝向物側2的物側面31的圓周區域34為凹面，而第三透鏡30朝向像側3的像側面32的圓周區域37為凸面。
第八實施例詳細的光學數據如圖40所示，非球面數據如圖41所示，本實施例中，TTL=2.810公厘；EFL=1.618公厘；HFOV=37.500度；像高=1.022公厘；Fno=1.714。特別是：1. 第八實施例的縱向球差與子午方向的場曲像差成像品質優於第一實施例的縱向球差與子午方向的場曲像差成像品質，2. 第八實施例比第一實施例易於製造，因此良率較高。
第九實施例
請參閱圖22，例示本發明光學成像鏡頭1的第九實施例。第九實施例在成像面71上的縱向球差請參考圖23A、弧矢方向的場曲像差請參考圖23B、子午方向的場曲像差請參考圖23C、畸變像差請參考圖23D。第九實施例之設計與第一實施例類似，不同之處在於，僅透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別。
第九實施例詳細的光學數據如圖42所示，非球面數據如圖43所示，本實施例中，TTL=2.654公厘；EFL=1.504公厘；HFOV=37.500度；像高=0.984公厘；Fno=1.593。特別是：1. 第九實施例的TTL較第一實施例更短，2. 第九實施例的縱向球差與弧矢方向的場曲像差成像品質優於第一實施例的縱向球差與弧矢方向的場曲像差成像品質，3. 第九實施例比第一實施例易於製造，因此良率較高。
第十實施例
請參閱圖24，例示本發明光學成像鏡頭1的第十實施例。第十實施例在成像面71上的縱向球差請參考圖25A、弧矢方向的場曲像差請參考圖25B、子午方向的場曲像差請參考圖25C、畸變像差請參考圖25D。第十實施例之設計與第一實施例類似，不同之處在於，僅透鏡屈光率、透鏡曲率半徑、透鏡厚度、透鏡非球面係數或是後焦距等相關參數有別。
第十實施例詳細的光學數據如圖44所示，非球面數據如圖45所示，本實施例中，TTL=2.658公厘；EFL=1.504公厘；HFOV=37.500度；像高=0.985公厘；Fno=1.594。特別是：1. 第十實施例的TTL較第一實施例更短，2. 第十實施例的縱向球差與弧矢方向的場曲像差成像品質優於第一實施例的縱向球差與弧矢方向的場曲像差成像品質，3. 第十實施例比第一實施例易於製造，因此良率較高。
另外，各實施例之重要參數則分別整理於圖46與圖47中。
申請人發現，本案的透鏡配置，透過以下設計之相互搭配可有效提升視場角同時擴大光圈，且縮短鏡頭長度並加強物體清晰度以及達到良好的成像品質：
1. 第一透鏡10具有負屈光率，搭配第二透鏡20物側面21圓周區域24為凹面，有利於收復較大角度的光線。第三透鏡30物側面31光軸區域33為凹面，或第四透鏡40之物側面41光軸區域43為凸面，或第四透鏡40之像側面42光軸區域46為凹面，則有利於修正前兩片透鏡（第一透鏡10、第二透鏡20）所產生的像差。
2. 要知道的是，透過第一透鏡10具有負屈光率，搭配第二透鏡20物側面21圓周區域24為凹面，可更加有效地達到縮短鏡頭長度的需求。再另外搭配「第三透鏡30物側面31光軸區域33為凹面」、「第四透鏡40之物側面41光軸區域43為凸面」與「第四透鏡40之像側面42光軸區域46為凹面」這三組特徵其中之任何一者，即可滿足本發明所希望的良好光學性能及有效縮短鏡頭長度的有利功效。再者，若以上三組特徵中至少兩組特徵同時並存時，則本發明所希望的有利功效可更加優異地展現出來。
此外，透過以下各參數之數值控制，可協助設計者設計出具備良好光學性能、整體長度有效縮短、且視場角可有效維持或擴大的光學成像鏡頭。
a）為了達成縮短透鏡系統長度且視場角有效維持或擴大的功效，本發明適當的縮短透鏡厚度和透鏡間的空氣間隙，但考量到透鏡組裝過程的難易度以及必須兼顧成像品質的前提下，透鏡厚度及透鏡間的空氣間隙彼此需互相調配，故在滿足以下條件式的數值限定之下，光學成像系統能達到較佳的配置。
1. （G12+T2）/（T1+G23）≦2.500，較佳的範圍介於0.500≦（G12+T2）/（T1+G23）≦2.500之間，更佳的範圍介於0.500≦（G12+T2）/（T1+G23）≦2.000之間；
2. TL/（T1+G23）≦5.500，較佳的範圍介於3.000≦TL/（T1+G23）≦5.500之間，更佳的範圍介於3.000≦TL/（T1+G23）≦5.000之間；
3. TTL/（G23+T4）≦5.000，較佳的範圍介於2.500≦TTL/（G23+T4）≦5.000之間，更佳的範圍介於2.500≦TTL/（G23+T4）≦4.500之間；
4. TL/（G23+T4）≦3.500，較佳的範圍介於2.000≦TL/（G23+T4）≦3.500之間；
5. TTL/（T1+G23）≦5.500，較佳的範圍介於3.500≦TTL/（T1+G23）≦5.500之間；
6. TL/T3≦5.500，較佳的範圍介於3.500≦TL/T3≦5.500之間；
7. （G12+T2）/（T1+G34）≦2.500，較佳的範圍介於0.500≦（G12+T2）/（T1+G34）≦2.500之間，更佳的範圍介於0.500≦（G12+T2）/（T1+G34）≦2.000之間；
8. TL/（G34+T4）≦5.000，較佳的範圍介於2.500≦TL/（G34+T4）≦5.000之間，更佳的範圍介於2.500≦TL/（G34+T4）≦4.000之間；
9. TL/（T1+G34）≧4.500，較佳的範圍介於4.500≦TL/（T1+G34）≦6.000之間；
10. TL/T4≦6.500，較佳的範圍介於2.500≦TL/T4≦6.500之間，更佳的範圍介於2.500≦TL/T4≦5.500之間；
11. TTL/T1≦8.000，較佳的範圍介於6.000≦TTL/T1≦8.000之間；
12. ALT/T1≦5.600，較佳的範圍介於4.000≦ALT/T1≦5.600之間，更佳的範圍介於4.000≦ALT/T1≦6.000之間；
13. （G12+T2）/T1≦2.500，較佳的範圍介於0.500≦（G12+T2）/T1≦2.500之間；
14. TTL/（G34+T4）≦4.500，較佳的範圍介於3.000≦TTL/（G34+T4）≦4.500之間；
15. ALT/（G34+T4）≦3.000，較佳的範圍介於2.000≦ALT/（G34+T4）≦3.000之間；
16. TTL/BFL≧5.000，較佳的範圍介於5.000≦TTL/BFL≦7.500之間；
17. ALT/AAG≧4.000，較佳的範圍介於4.000≦ALT/AAG≦7.000之間。
b）有效地配置透鏡材料的組成，以修正整個光學系統的色差，且選用滿足以下條件式的數值所限定之下的材質限制的搭配，因有較高的折射率而可有效幫助光線在有限長度內快速聚焦，以達到縮短光學系統長度的目的，且達到優良的光學成像品質。
ʋ1+ ʋ2+ ʋ3+ ʋ4≦150，較佳的範圍介於80.000≦ʋ1+ ʋ2+ ʋ3+ ʋ4≦150.000之間，更佳的範圍介於80.000≦ʋ1+ ʋ2+ ʋ3+ ʋ4≦120.000之間。
有鑑於光學系統設計的不可預測性，在本發明的架構之下，符合上述條件式能較佳地使本發明鏡頭長度縮短、可用光圈加大、視場角維持或增大、成像品質提升，或組裝良率提升而改善先前技術的缺點。
透過本發明各實施例的縱向球差、場曲像差、畸變皆符合使用規範。另外，近紅外光波段的波長在不同高度的離軸光線皆集中在成像點附近，由每一曲線的偏斜幅度可看出不同高度的離軸光線的成像點偏差皆獲得控制而具有良好的球差、像差、畸變抑制能力。進一步參閱成像品質數據，近紅外光的三種代表波長（930nm、940nm、950nm）彼此間的距離亦相當接近，顯示本發明的光學成像鏡頭在各種狀態下，對於不同波長光線的集中性能佳而具有優良的色散抑制能力，故透過上述各實施例之光學數據可知本發明具備良好的光學性能。
當本產品的光學成像鏡頭應用於近紅外光的波段時，可做為對紅外光成像的夜視鏡頭或是瞳孔識別鏡頭。本產品的光學成像鏡頭也可做為3D感測器的接收端鏡頭。
本發明之各個實施例所揭露之光學參數的組合比例關係所得的包含最大最小值以內的數值範圍皆可據以實施。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1:光學成像鏡頭 2:物側 3:像側 4:光軸 10:第一透鏡 11:物側面 12:像側面 13:光軸區域 14:圓周區域 16:光軸區域 17:圓周區域 20:第二透鏡 21:物側面 22:像側面 23:光軸區域 24:圓周區域 26:光軸區域 27:圓周區域 30:第三透鏡 31:物側面 32:像側面 33:光軸區域 34:圓周區域 36:光軸區域 37:圓周區域 40:第四透鏡 41:物側面 42:像側面 43:光軸區域 44:圓周區域 46:光軸區域 47:圓周區域 70:濾光片 71:成像面 80:光圈 100:透鏡 110:物側面 120:像側面 130:組裝部 200:透鏡 211:平行光線 212:平行光線 300:透鏡 320:像側面 400:透鏡 410:物側面 500:透鏡 510:物側面 A1:物側 A2:像側 CP:中心點 CP1:第一中心點 CP2:第二中心點 TP1:第一轉換點 TP2:第二轉換點 OB:光學邊界 I:光軸 Lc:主光線 Lm:邊緣光線 EL:延伸線 Z1:光軸區域 Z2:圓周區域 Z3:中繼區域 M:相交點 R:相交點 T1、T2、T3、T4:各透鏡在光軸上的厚度
圖1至圖5繪示本發明光學成像鏡頭判斷曲率形狀方法之示意圖。 圖6繪示本發明光學成像鏡頭的第一實施例之示意圖。 圖7A繪示第一實施例在成像面上的縱向球差。 圖7B繪示第一實施例在弧矢方向的場曲像差。 圖7C繪示第一實施例在子午方向的場曲像差。 圖7D繪示第一實施例的畸變像差。 圖8繪示本發明光學成像鏡頭的第二實施例之示意圖。 圖9A繪示第二實施例在成像面上的縱向球差。 圖9B繪示第二實施例在弧矢方向的場曲像差。 圖9C繪示第二實施例在子午方向的場曲像差。 圖9D繪示第二實施例的畸變像差。 圖10繪示本發明光學成像鏡頭的第三實施例之示意圖。 圖11A繪示第三實施例在成像面上的縱向球差。 圖11B繪示第三實施例在弧矢方向的場曲像差。 圖11C繪示第三實施例在子午方向的場曲像差。 圖11D繪示第三實施例的畸變像差。 圖12繪示本發明光學成像鏡頭的第四實施例之示意圖。 圖13A繪示第四實施例在成像面上的縱向球差。 圖13B繪示第四實施例在弧矢方向的場曲像差。 圖13C繪示第四實施例在子午方向的場曲像差。 圖13D繪示第四實施例的畸變像差。 圖14繪示本發明光學成像鏡頭的第五實施例之示意圖。 圖15A繪示第五實施例在成像面上的縱向球差。 圖15B繪示第五實施例在弧矢方向的場曲像差。 圖15C繪示第五實施例在子午方向的場曲像差。 圖15D繪示第五實施例的畸變像差。 圖16繪示本發明光學成像鏡頭的第六實施例之示意圖。 圖17A繪示第六實施例在成像面上的縱向球差。 圖17B繪示第六實施例在弧矢方向的場曲像差。 圖17C繪示第六實施例在子午方向的場曲像差。 圖17D繪示第六實施例的畸變像差。 圖18繪示本發明光學成像鏡頭的第七實施例之示意圖。 圖19A繪示第七實施例在成像面上的縱向球差。 圖19B繪示第七實施例在弧矢方向的場曲像差。 圖19C繪示第七實施例在子午方向的場曲像差。 圖19D繪示第七實施例的畸變像差。 圖20繪示本發明光學成像鏡頭的第八實施例之示意圖。 圖21A繪示第八實施例在成像面上的縱向球差。 圖21B繪示第八實施例在弧矢方向的場曲像差。 圖21C繪示第八實施例在子午方向的場曲像差。 圖21D繪示第八實施例的畸變像差。 圖22繪示本發明光學成像鏡頭的第九實施例之示意圖。 圖23A繪示第九實施例在成像面上的縱向球差。 圖23B繪示第九實施例在弧矢方向的場曲像差。 圖23C繪示第九實施例在子午方向的場曲像差。 圖23D繪示第九實施例的畸變像差。 圖24繪示本發明光學成像鏡頭的第十實施例之示意圖。 圖25A繪示第十實施例在成像面上的縱向球差。 圖25B繪示第十實施例在弧矢方向的場曲像差。 圖25C繪示第十實施例在子午方向的場曲像差。 圖25D繪示第十實施例的畸變像差。 圖26表示第一實施例詳細的光學數據。 圖27表示第一實施例詳細的非球面數據。 圖28表示第二實施例詳細的光學數據。 圖29表示第二實施例詳細的非球面數據。 圖30表示第三實施例詳細的光學數據。 圖31表示第三實施例詳細的非球面數據。 圖32表示第四實施例詳細的光學數據。 圖33表示第四實施例詳細的非球面數據。 圖34表示第五實施例詳細的光學數據。 圖35表示第五實施例詳細的非球面數據。 圖36表示第六實施例詳細的光學數據。 圖37表示第六實施例詳細的非球面數據。 圖38表示第七實施例詳細的光學數據。 圖39表示第七實施例詳細的非球面數據。 圖40表示第八實施例詳細的光學數據。 圖41表示第八實施例詳細的非球面數據。 圖42表示第九實施例詳細的光學數據。 圖43表示第九實施例詳細的非球面數據。 圖44表示第十實施例詳細的光學數據。 圖45表示第十實施例詳細的非球面數據。 圖46表示各實施例之重要參數。 圖47表示各實施例之重要參數。
1:光學成像鏡頭
2:物側
3:像側
4:光軸
10:第一透鏡
11:物側面
12:像側面
13:光軸區域
14:圓周區域
16:光軸區域
17:圓周區域
20:第二透鏡
21:物側面
22:像側面
23:光軸區域
24:圓周區域
26:光軸區域
27:圓周區域
30:第三透鏡
31:物側面
32:像側面
33:光軸區域
34:圓周區域
36:光軸區域
37:圓周區域
40:第四透鏡
41:物側面
42:像側面
43:光軸區域
44:圓周區域
46:光軸區域
47:圓周區域
70:濾光片
71:成像面
80:光圈
T1、T2、T3、T4:各透鏡在光軸上的厚度

Claims (20)

  1. 一種光學成像鏡頭，從一物側至一像側沿一光軸依序包含一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡以及一第四透鏡，各透鏡分別具有朝向該物側且使成像光線通過的一物側面以及朝向該像側且使成像光線通過的一像側面，其中： 該第一透鏡，具有負屈光率； 該第三透鏡的該物側面的一圓周區域為凸面； 該第四透鏡，具有負屈光率；以及 該光學成像鏡頭只有上述該第一透鏡至該第四透鏡共四片透鏡；且 該光學成像鏡頭符合條件式：4.000≦ALT/AAG≦7.000，ALT定義為該第一透鏡到該第四透鏡在該光軸上的四個透鏡之厚度總和、AAG定義為該第一透鏡到該第四透鏡在該光軸上的三個空氣間隙總和。
  2. 如請求項1所述的光學成像鏡頭，其中TL定義為該第一透鏡的該物側面到該第四透鏡的該像側面在該光軸上的距離、T3定義為該第三透鏡在該光軸上的厚度，且該光學成像鏡頭滿足以下條件：TL/T3≦5.500。
  3. 一種光學成像鏡頭，從一物側至一像側沿一光軸依序包含一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡以及一第四透鏡，各透鏡分別具有朝向該物側且使成像光線通過的一物側面以及朝向該像側且使成像光線通過的一像側面，其中： 該第三透鏡的該物側面的一圓周區域為凸面； 該第四透鏡，具有負屈光率以及該物側面的一光軸區域為凸面；以及 該光學成像鏡頭只有上述該第一透鏡至該第四透鏡共四片透鏡；且 該光學成像鏡頭符合條件式：TL/(G34+T4)≦5.000，TL定義為該第一透鏡的該物側面到該第四透鏡的該像側面在該光軸上的距離、T4定義為該第四透鏡在該光軸上的厚度、G34定義為該第三透鏡與該第四透鏡在該光軸上的空氣間隙。
  4. 如請求項3所述的光學成像鏡頭，其中T1定義為該第一透鏡在該光軸上的厚度、G23定義為該第二透鏡與該第三透鏡在該光軸上的空氣間隙，且該光學成像鏡頭滿足以下條件：TL/（T1+G23）≦5.500。
  5. 如請求項3所述的光學成像鏡頭，其中G23定義為該第二透鏡與該第三透鏡在該光軸上的空氣間隙，且該光學成像鏡頭滿足以下條件：TL/（G23+T4）)≦3.500。
  6. 如請求項3所述的光學成像鏡頭，T1定義為該第一透鏡在該光軸上的厚度、T2定義為該第二透鏡在該光軸上的厚度、G12定義該第一透鏡與該第二透鏡在該光軸上的空氣間隙，且該光學成像鏡頭滿足以下條件：（G12+T2）/（T1+G34）≦2.500。
  7. 如請求項3所述的光學成像鏡頭，其中ALT定義為該第一透鏡到該第四透鏡在該光軸上的四個透鏡之厚度總和、T1定義為該第一透鏡在該光軸上的厚度，且該光學成像鏡頭滿足以下條件：ALT/T1≦5.600。
  8. 一種光學成像鏡頭，從一物側至一像側沿一光軸依序包含一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡以及一第四透鏡，各透鏡分別具有朝向該物側且使成像光線通過的一物側面以及朝向該像側且使成像光線通過的一像側面，其中： 該第三透鏡的該物側面的一光軸區域為凹面以及該物側面的一圓周區域為凸面； 該第四透鏡，具有負屈光率；以及 該光學成像鏡頭只有上述該第一透鏡至該第四透鏡共四片透鏡。
  9. 如請求項1或請求項8所述的光學成像鏡頭，其中TL定義為該第一透鏡的該物側面到該第四透鏡的該像側面在該光軸上的距離、T1定義為該第一透鏡在該光軸上的厚度、G34定義為該第三透鏡與該第四透鏡在該光軸上的空氣間隙，且該光學成像鏡頭滿足以下條件：TL/（T1+G34）≧4.500。
  10. 如請求項1或請求項3或請求項8所述的光學成像鏡頭，其中該第二透鏡的該像側面的一圓周區域為凸面。
  11. 如請求項1或請求項3或請求項8所述的光學成像鏡頭，其中該第四透鏡的該像側面的一光軸區域為凹面。
  12. 如請求項1或請求項3或請求項8所述的光學成像鏡頭，其中該第四透鏡的該物側面的一圓周區域為凹面。
  13. 如請求項1或請求項3或請求項8所述的光學成像鏡頭，其中該第四透鏡的該像側面的一圓周區域為凸面。
  14. 如請求項1或請求項3或請求項8所述的光學成像鏡頭，其中TTL定義該第一透鏡的該物側面至一成像面在該光軸上的距離、T1定義為該第一透鏡在該光軸上的厚度、G23定義為該第二透鏡與該第三透鏡在該光軸上的空氣間隙，且該光學成像鏡頭滿足以下條件：TTL/（T1+G23）≦5.500。
  15. 如請求項1或請求項3或請求項8所述的光學成像鏡頭，其中該第三透鏡具有正屈光率。
  16. 如請求項1或請求項3或請求項8所述的光學成像鏡頭，其中該第三透鏡的該像側面的一光軸區域為凸面。
  17. 如請求項1或請求項3或請求項8所述的光學成像鏡頭，其中υ1為該第一透鏡的阿貝係數，υ2為該第二透鏡的阿貝係數，υ3為該第三透鏡的阿貝係數，且υ4為該第四透鏡的阿貝係數，且該光學成像鏡頭滿足以下條件：υ1+υ2+υ3+υ4≦150.000。
  18. 如請求項1或請求項3或請求項8所述的光學成像鏡頭，其中TTL定義該第一透鏡的該物側面至一成像面在該光軸上的距離、T1定義為該第一透鏡在該光軸上的厚度，且該光學成像鏡頭滿足以下條件：TTL/T1≦8.000。
  19. 如請求項1或請求項3或請求項8所述的光學成像鏡頭，其中T1定義為該第一透鏡在該光軸上的厚度、T2定義為該第二透鏡在該光軸上的厚度、G12定義為該第一透鏡與該第二透鏡在該光軸上的空氣間隙，且該光學成像鏡頭滿足以下條件：（G12+T2）/T1≦2.500。
  20. 如請求項1或請求項3或請求項8所述的光學成像鏡頭，其中T1定義為該第一透鏡在該光軸上的厚度、T2定義為該第二透鏡在該光軸上的厚度、G12定義為該第一透鏡與該第二透鏡在該光軸上的空氣間隙、G23定義為該第二透鏡與該第三透鏡在該光軸上的空氣間隙，且該光學成像鏡頭滿足以下條件：（G12+T2）/（T1+G23）≦2.500。
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