TWI395990B - 攝影用透鏡組 - Google Patents

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Description

攝影用透鏡組
本發明係關於一種攝影用透鏡組，特別是指一種應用於照相手機的小型化攝影用透鏡組。
最近幾年來，隨著手機相機的興起，小型化攝影鏡頭的需求日漸提高，而一般攝影鏡頭的感光元件不外乎是感光耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)或互補性氧化金屬半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)兩種，且由於半導體製程技術的進步，使得感光元件的畫素面積縮小，小型化攝影鏡頭逐漸往高畫素領域發展。
習見的手機鏡頭多採用三片式透鏡組，透鏡組從物側至像側依序為一具正屈折力的第一透鏡、一具負屈折力的第二透鏡及一具正屈折力的第三透鏡，構成所謂的Triplet型式，如USP7,145,736所示。但是當感光元件的畫素面積逐漸縮小，且系統對成像品質的要求提高，習見的三片式透鏡組將無法滿足更高階的攝影鏡頭模組使用。
為了提升光學系統的成像品質，並有效控制鏡頭的光學總長度，使其兼具小型化的特性，本發明提供一種由四片透鏡構成之攝影用透鏡組，其要旨如下：一種攝影用透鏡組，由物側至像側依序包含：一具正屈折力的第一透鏡，其前表面為凸面；一具負屈折力的第二透鏡，其後表面為凹面，第二透鏡前表面與第一透鏡後表面互相膠合；一具負屈折力的第三透鏡；以及一第四透鏡，其後表面為凹面；一光圈，其置於被攝物與第三透鏡之間；攝影用透鏡組中，具屈折力的透鏡數限制為四片；藉由上述配置，可有效提升系統的成像品質，並兼具小型化的特性。
本發明攝影用透鏡組的屈折力主要係由具正屈折力的第一透鏡提供，具負屈折力的第二透鏡其功用主要為修正系統的色差，且第一透鏡與第二透鏡可為一正負兩片膠合之透鏡型式，更可有效加強系統對於色差的修正；而第三透鏡與第四透鏡作用如同補正透鏡，其功能為平衡及修正系統所產生的各項像差，若第三透鏡與第四透鏡皆為負透鏡，可使得系統的主點(Principal Point)遠離成像面，可有利於縮短系統的光學總長度，而若第三透鏡與第四透鏡的屈折力配置呈現一負一正狀態，則可藉以修正慧差，並可同時避免其他像差的過度增大。
藉由第一透鏡提供主要的正屈折力，並將光圈置於接近攝影用透鏡組的物體側，可有效縮短攝影用透鏡組的光學總長度，另外，上述的配置可使攝影用透鏡組的出射瞳(Exit Pupil)遠離成像面，因此，光線將以接近垂直入射的方式入射在感光元件上，此即為成像側的遠心(Telecentric)特性，遠心特性對於時下固態電子感光元件的感光能力是極為重要的，將使得電子感光元件的感光敏感度提高，減少系統產生暗角的可能性。此外，在第四透鏡設置有反曲點，將更有效地壓制離軸視場的光線入射感光元件上的角度。
除此之外，在廣角光學系統中，特別需要對歪曲(Distortion)以及倍率色收差(Chromatic Aberration of Magnification)做修正，其方法為將光圈置於系統光屈折力的平衡處。本發明將光圈置於第一透鏡之前，則著重於遠心的特性，系統的光學總長度可以更短；若將光圈置於第二透鏡與第三透鏡之間，則較著重於廣視場角的特性，同時，如此的光圈位置配置，可以有效降低系統的敏感度。
本發明攝影用透鏡組中，透鏡的材質可為玻璃或塑膠，若透鏡材質為玻璃，則可以增加系統屈折力配置的自由度，且玻璃材質較有利於系統抵抗環境因子變化，使光學系統的成像品質較為穩定；若透鏡材質為塑膠，則可藉由射出成型的方式製作鏡片，有效降低生產成本。
本發明攝影用透鏡組中，可於鏡面上設置非球面，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，進而縮減鏡片使用的數目，藉此可以有效縮短攝影用透鏡組的光學總長度。
本發明攝影用透鏡組中，整體攝影用透鏡組的焦距為f，第一透鏡的焦距為f1，其關係為：
0.8<f/f1<2.1；
當f/f1滿足上述關係式時，第一透鏡的屈折力大小配置較為平衡，可較有效控制系統的光學總長度，維持小型化的目標，並且較有利於修正系統的高階像差，提升成像品質。
本發明攝影用透鏡組中，整體攝影用透鏡組的焦距為f，第一透鏡與第二透鏡的合成焦距f12，其關係為：
0.6<f/f12<1.3；
當f/f12滿足上述關係式時，可使具一正一負屈折力互相膠合的第二透鏡與第二透鏡較有利於修正系統的色差，且可在像差的修正與光學總長度的壓縮中取得平衡；且若第一透鏡與第二透鏡採以互相膠合之玻璃透鏡，則可有利於加強系統抵抗環境因子變化的能力，可使系統的成像品質較為穩定；進一步來說，使f/f12滿足下記關係式較為理想：
0.9<f/f12<1.1。
本發明攝影用透鏡組中，整體攝影用透鏡組的焦距為f，第三透鏡的焦距為f3，其關係為：
0<∣f/f3∣<0.2；
當f/f3滿足上述關係式時，第三透鏡作用如同補正透鏡，其功能為平衡及修正系統所產生的各項像差，可較有利於修正攝影用透鏡組的像散(Astigmatism)及歪曲(Distortion)，提高攝影用透鏡組的解像力。
本發明攝影用透鏡組中，整體攝影用透鏡組的焦距為f，第四透鏡的焦距為f4，其關係為：
0<∣f/f4∣<0.4；
當f/f4滿足上述關係式時，第四透鏡作用如同補正透鏡，可較有利於修正系統的像差，提升系統成像品質；進一步來說，f/f4滿足下記關係則較為理想：
0<∣f/f4∣<0.2。
本發明攝影用透鏡組中，整體攝影用透鏡組的焦距為f，第三透鏡與第四透鏡於光軸上的距離為T34，其關係為：
0.05<T34/f<0.20；
當T34/f滿足上述關係時，可較有利於修正攝影用透鏡組的高階像差。
本發明攝影用透鏡組中，第一透鏡色散係數(Abbe Number)為V1，第二透鏡色散係數為V2，其關係為：
25<V1-V2<40；
當V1-V2滿足上述關係式時，可較有利於攝影用透鏡組中色差的修正。
本發明攝影用透鏡組中，另設置有一電子感光元件供被攝物成像，攝影用透鏡組的光學總長度為TTL，TTL定義為攝影用透鏡組中第一透鏡前表面至成像面於光軸上的距離，攝影用透鏡組的最大成像高度為ImgH，ImgH定義為電子感光元件有效畫素區域對角線長的一半，其關係為：
TTL/ImgH<2.15；
當TTL/ImgH滿足上述關係式可以維持攝影用透鏡組小型化的特性。
本發明第一實施例請參閱第1A圖，第一實施例之像差曲線請參閱第1B圖，第一實施例由物側至像側依序包含：一具正屈折力的第一透鏡10，其材質為玻璃，第一透鏡10的前表面11為凸面，後表面12為凸面；一具負屈折力的第二透鏡20，其材質為玻璃，第二透鏡20的前表面21為凹面，後表面22為凹面，且第二透鏡20的前表面21與第一透鏡10的後表面12互相膠合；一具負屈折力的第三透鏡30，其材質為塑膠，第三透鏡30的前表面31為凹面，後表面32為凸面，另第三透鏡30的前表面31與後表面32皆設置為非球面；一具正屈折力的第四透鏡40，其材質為塑膠，第四透鏡40的前表面41為凸面，後表面42為凹面，另第四透鏡40的前表面41與後表面42皆設置為非球面，且第四透鏡40的前表面41與後表面42皆設置有反曲點；一光圈50，置於第一透鏡10之前；一紅外線濾除濾光片(IR Filter)60，置於第四透鏡40之後，其不影響系統的焦距；一成像面70，置於紅外線濾除濾光片60之後。
上述非球面曲線的方程式表示如下：
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；k：錐面係數；Ai：第i階非球面係數。
第一實施例中，整體攝影用透鏡組的焦距為f，第一透鏡的焦距為f1，第一透鏡與第二透鏡的合成焦距為f12，第三透鏡的焦距為f3，第四透鏡的焦距為f4，其關係為：
f=4.70mm；
f/f1=1.78；
f/f12=0.95；
∣f/f3∣=0.10；
∣f/f4∣=0.05。
第一實施例中，第一透鏡色散係數(Abbe Number)為V1，第二透鏡色散係數為V2，其關係為：V1-V2=32.8。
第一實施例中，整體攝影用透鏡組的焦距為f，第三透鏡與第四透鏡於光軸上的距離為T34，其關係為：T34/f=0.08。
第一實施例中，攝影用透鏡組另設置有一電子感光元件供被攝物成像，攝影用透鏡組的光學總長度為TTL，攝影用透鏡組的最大成像高度為ImgH，其關係為：TTL/ImgH=2.08。
第一實施例詳細的結構數據如同表1所示，其非球面數據如同表2所示，其中，曲率半徑、厚度及焦距的單位為mm，HFOV定義為最大視角的一半。
本發明第二實施例請參閱第2A圖，第二實施例之像差曲線請參閱第2B圖，第二實施例由物側至像側依序包含：一具正屈折力的第一透鏡10，其材質為玻璃，第一透鏡10的前表面11為凸面，後表面12為凸面；一具負屈折力的第二透鏡20，其材質為玻璃，第二透鏡20的前表面21為凹面，後表面22為凹面，且第二透鏡20的前表面21與第一透鏡10的後表面12互相膠合；一具負屈折力的第三透鏡30，其材質為塑膠，第三透鏡30的前表面31為凹面，後表面32為凸面，另第三透鏡30的前表面31與後表面32皆設置為非球面；一具負屈折力的第四透鏡40，其材質為塑膠，第四透鏡40的前表面41為凸面，後表面42為凹面，另第四透鏡40的前表面41與後表面42皆設置為非球面，且第四透鏡40的前表面41與後表面42皆設置有反曲點；一光圈50，置於第一透鏡10之前；一紅外線濾除濾光片(IR Filter)60，置於第四透鏡40之後，其不影響系統的焦距；一成像面70，置於紅外線濾除濾光片60之後。
第二實施例非球面曲線方程式的表示式如同第一實施例的型式。
第二實施例中，整體攝影用透鏡組的焦距為f，第一透鏡的焦距為f1，第一透鏡與第二透鏡的合成焦距為f12，第三透鏡的焦距為f3，第四透鏡的焦距為f4，其關係為：
f=4.72mm；
f/f1=1.82；
f/f12=0.97；
∣f/f3∣=0.05；
∣f/f4∣=0.03。
第二實施例中，第一透鏡色散係數(Abbe Number)為V1，第二透鏡色散係數為V2，其關係為：V1-V2=32.5。
第二實施例中，整體攝影用透鏡組的焦距為f，第三透鏡與第四透鏡於光軸上的距離為T34，其關係為：T34/f=0.08。
第二實施例中，攝影用透鏡組另設置有一電子感光元件供被攝物成像，攝影用透鏡組的光學總長度為TTL，攝影用透鏡組的最大成像高度為ImgH，其關係為：TTL/ImgH=2.08。
第二實施例詳細的結構數據如同表3所示，其非球面數據如同表4所示，其中，曲率半徑、厚度及焦距的單位為mm，HFOV定義為最大視角的一半。
在此先行述明，表1至表4所示為攝影用透鏡組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，表5為各個實施例對應本發明相關方程式的數值資料。
綜上所述，本發明為一種攝影用透鏡組，藉此透鏡結構、排列方式與鏡片配置可以有效縮小鏡組體積，更能同時獲得較高的解像力；所以本發明之『具有產業之可利用性』應已毋庸置疑，除此之外，在本案實施例所揭露出的特徵技術，於申請之前並未曾見於諸刊物，亦未曾被公開使用，不但具有如上所述功效增進之事實，更具有不可輕忽的附加功效，是故，本發明的『新穎性』以及『進步性』都已符合專利法規，爰依法提出發明專利之申請，祈請惠予審查並早日賜准專利，實感德便。
10．．．第一透鏡
11．．．前表面
12．．．後表面
20．．．第二透鏡
21．．．前表面
22．．．後表面
30．．．第三透鏡
31．．．前表面
32．．．後表面
40．．．第四透鏡
41．．．前表面
42．．．後表面
50．．．光圈
60‧‧‧紅外線濾除濾光片
70‧‧‧成像面
f‧‧‧整體攝影用透鏡組的焦距
f1‧‧‧第一透鏡的焦距
f3‧‧‧第三透鏡的焦距
f4‧‧‧第四透鏡的焦距
f12‧‧‧第一透鏡與第二透鏡的合成焦距
T34‧‧‧第三透鏡與第四透鏡於光軸上的距離
V1‧‧‧第一透鏡色散係數
V2‧‧‧第二透鏡色散係數
TTL‧‧‧攝影用透鏡組的光學總長度
ImgH‧‧‧攝影用透鏡組的最大成像高度
第1A圖本發明第一實施例光學系統示意圖。
第1B圖本發明第一實施例之像差曲線圖。
第2A圖本發明第二實施例光學系統示意圖。
第2B圖本發明第二實施例之像差曲線圖。
【表簡單說明】
表1本發明第一實施例結構數據。
表2本發明第一實施例非球面數據。
表3本發明第二實施例結構數據。
表4本發明第二實施例非球面數據。
表5本發明各個實施例對應相關方程式的數值資料。
10．．．第一透鏡
11．．．前表面
12．．．後表面
20．．．第二透鏡
21．．．前表面
22．．．後表面
30．．．第三透鏡
31．．．前表面
32．．．後表面
40．．．第四透鏡
41．．．前表面
42．．．後表面
50．．．光圈
60．．．紅外線濾除濾光片
70．．．成像面

Claims (18)

  1. 一種攝影用透鏡組，由物側至像側依序包含：一具正屈折力的第一透鏡，其前表面為凸面；一具負屈折力的第二透鏡，其前表面與後表面皆為凹面，且該第二透鏡前表面與該第一透鏡後表面互相膠合；一具負屈折力的第三透鏡；一具正屈折力的第四透鏡，其後表面為凹面，且該第四透鏡至少一表面設置有反曲點；以及一光圈，其置於被攝物與該第三透鏡之間；該攝影用透鏡組中，具屈折力的透鏡數限制為四片；整體攝影用透鏡組的焦距為f，該第一透鏡的焦距為f1，其關係為：0.8<f/f1<2.1；該第三透鏡與該第四透鏡於光軸上的距離為T34，整體攝影用透鏡組的焦距為f，其關係為：0.05<T34/f<0.2。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之攝影用透鏡組，其中，該第三透鏡前表面為凹面、後表面為凸面。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之攝影用透鏡組，其中，該第三透鏡為塑膠材質，該第三透鏡至少一表面設置有非球面，該第四透鏡為塑膠材質。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之攝影用透鏡組，其 中，該光圈置於該第一透鏡之前。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之攝影用透鏡組，其中，整體攝影用透鏡組的焦距為f，該第一透鏡與該第二透鏡的合成焦距為f12，其關係為：0.6<f/f12<1.3。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之攝影用透鏡組，其中，整體攝影用透鏡組的焦距為f，該第四透鏡的焦距為f4，其關係為：0<| f/f4 |<0.4。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之攝影用透鏡組，其中，該第一透鏡色散係數為V1，該第二透鏡色散係數為V2，其關係為：25<V1-V2<40。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之攝影用透鏡組，其中，整體攝影用透鏡組的焦距為f，該第一透鏡與該第二透鏡的合成焦距為f12，其關係為：0.9<f/f12<1.1；整體攝影用透鏡組的焦距為f，該第三透鏡的焦距為f3，其關係為：0<| f/f3 |<0.2；整體攝影用透鏡組的焦距為f，該第四透鏡的焦距為f4，其關係為：0<| f/f4 |<0.2。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之攝影用透鏡組，其 中，該攝影用透鏡組另設置一電子感光元件供該被攝物成像，該攝影用透鏡組的光學總長度為TTL，該攝影用透鏡組的最大成像高度為ImgH，其關係為：TTL/ImgH<2.15。
  10. 一種攝影用透鏡組，由物側至像側依序包含：一具正屈折力的第一透鏡，其前表面為凸面；一具負屈折力的第二透鏡，其前表面與後表面皆為凹面，且該第二透鏡前表面與該第一透鏡後表面互相膠合；一具負屈折力的第三透鏡，其前表面為凹面；一具負屈折力的第四透鏡，其前表面為凸面，後表面為凹面，且該第四透鏡至少一表面設置有反曲點；以及一光圈，其置於被攝物與該第三透鏡之間；該攝影用透鏡組中，具屈折力的透鏡數限制為四片；該第三透鏡與該第四透鏡於光軸上的距離為T34，整體攝影用透鏡組的焦距為f，其關係為：0.05<T34/f<0.2。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之攝影用透鏡組，其中，該第三透鏡後表面為凸面。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之攝影用透鏡組，其中，該第三透鏡為塑膠材質，該第三透鏡至少一表面設置有非球面，該第四透鏡為塑膠材質。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之攝影用透鏡組，其中，該光圈置於該第一透鏡之前。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之攝影用透鏡組，其中，整體攝影用透鏡組的焦距為f，該第一透鏡與該第二透鏡的合成焦距為f12，其關係為：0.6<f/f12<1.3。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之攝影用透鏡組，其中，該第一透鏡色散係數為V1，該第二透鏡色散係數為V2，其關係為：25<V1-V2<40。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之攝影用透鏡組，其中，整體攝影用透鏡組的焦距為f，該第一透鏡與該第二透鏡的合成焦距為f12，其關係為：0.9<f/f12<1.1。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之攝影用透鏡組，其中，整體攝影用透鏡組的焦距為f，該第三透鏡的焦距為f3，其關係為：0<| f/f3 |<0.2；整體攝影用透鏡組的焦距為f，該第四透鏡的焦距為f4，其關係為：0<| f/f4 |<0.2。
  18. 如申請專利範圍第10項所述之攝影用透鏡組，其中，該攝影用透鏡組另設置一電子感光元件供該被攝物成像，該攝影用透鏡組的光學總長度為TTL，該攝影用透鏡組的最大成像高度為ImgH，其關係為：TTL/ImgH<2.15。
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