TWI401466B - 二片式攝影光學鏡組 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種光學鏡組，特別是指一種應用於小型化攝影鏡頭的二片式攝影光學鏡組。
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，感光元件的畫素大小由早期的7.4um減少至目前的1.4um，這使得小型化攝影鏡頭的需求更為殷切。
習見的手機鏡頭，為考量像差的補正，多採用三枚式透鏡結構，其中最普遍的為正負正Triplet型式，如USP 7,145,736所示。但是，當鏡頭的長度由5mm縮小至3mm以下時，光學系統空間緊縮，使得三枚透鏡欲置入此空間變得困難，而透鏡厚度也必須縮小，將使得以塑膠射出成型製作的透鏡其材質的均勻度不良。
本發明為提升光學系統的成像品質，並有效縮短鏡頭體積，將提供一種由二枚透鏡構成之二片式攝影光學鏡組，其要旨如下：一種二片式攝影光學鏡組，由物側至像側依序為：一具正屈折力的第一透鏡，其前表面為凸面，後表面為凹面，且前表面及後表面皆為非球面；以及一具正屈折力的第二透鏡，其前表面為凸面，後表面為凹面，且前表面及後表面皆為非球面；藉由上述配置，可以有效提升系統的成像品質。
本發明二片式攝影光學鏡組中，系統的屈折力主要由第一透鏡提供，而第二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。
藉由第一透鏡提供主要的正屈折力，並使光圈靠近二片式攝影光學鏡組的物體側，可以有效縮短二片式攝影光學鏡組的光學總長度，另外，上述的配置可使二片式攝影光學鏡組的出射瞳(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，減少二片式攝影光學鏡組產生暗角的可能性。
隨著照相手機鏡頭小型化的趨勢，以及系統需涵蓋廣泛的視角，使得光學系統的焦距變得很短，在這種情況下，鏡片的曲率半徑以及鏡片的尺寸皆變得很小，以傳統玻璃研磨的方式將難以製造出上述的鏡片，因此，在鏡片上可採用塑膠材質，藉由射出成型的方式製作鏡片，用較低廉的成本生產高精密度的鏡片；並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。
本發明二片式攝影光學鏡組中，第一透鏡的折射率為N1，第二透鏡的折射率為N2，將滿足下記關係式：
1.52<N1<1.59；
1.52<N2<1.59；
若第一透鏡與第二透鏡的折射率介於上述範圍，較容易找到適合的塑膠材質與二片式攝影光學鏡組匹配，進一步來說，使N1及N2滿足下記關係式則較為理想：
1.54<N1<1.59；
1.54<N2<1.59。
本發明二片式攝影光學鏡組中，整體二片式攝影光學鏡組的焦距為f，第一透鏡的焦距f1，將滿足下記關係式：
0.5<f/f1<1.0；
若f/f1滿足上述關係式，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，並且有利於修正系統的高階像差，提升成像品質。
本發明二片式攝影光學鏡組中，整體二片式攝影光學鏡組的焦距為f，第二透鏡的焦距f2，將滿足下記關係式：
0.15<f/f2<0.45；
若f/f2滿足上述關係式，第二透鏡作用如同補正透鏡，其功能為平衡及修正二片式攝影光學鏡組所產生的各項像差；進一步來說，使f/f1與f/f2滿足下記關係式較為理想：
0.35<(f/f1)-(f/f2)<0.72。
本發明二片式攝影光學鏡組中，第二透鏡的前表面曲率半徑為R3，第二透鏡的後表面曲率半徑為R4，將滿足下記關係式：
0.4＜R3/R4＜1.15；
若第二透鏡的曲率半徑介於上述範圍，將有利於修正二片式攝影光學鏡組的高階像差，進一步來說，使R3及R4滿足下記關係式則較為理想：
0.6＜R3/R4＜0.9；
更進一步來說，使R3及R4滿足下記關係式則更為理想：
0.7＜R3/R4＜0.85。
本發明二片式攝影光學鏡組中，第一透鏡的前表面曲率半徑為R1，將滿足下記關係式：
0.76mm-1
<1/R1<2.0mm-1
；
若1/R1滿足上述關係式，可使第一透鏡的屈折力大小配置較為平衡，較有利於控制系統的光學總長度，維持小型化的目標，且不至於產生過多的高階像差；進一步來說，使1/R1滿足下記關係式則較為理想：
0.8mm - 1
<1/R1<1.4mm- 1
；
更進一步來說，使1/R1滿足下記關係式則更為理想：
0.8mm-1
<1/R1<1.2mm-1
。
本發明二片式攝影光學鏡組中，第一透鏡與第二透鏡於光軸上的距離為T12，第二透鏡的中心厚度為CT2，將滿足下記關係式：
T12/CT2>1.0；
若T12/CT2滿足上述關係式，將有效修正軸外視場的像差；進一步來說，使T12/CT2滿足下記關係式則較為理想：
T12/CT2>1.2；
更進一步來說，使T12/CT2滿足下記關係式則更為理想：
T12/CT2>1.45。
本發明二片式攝影光學鏡組中，二片式攝影光學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，入射瞳開口直徑為EPD，最大視場角的一半為HFOV，將滿足下記關係式：
ImgH/[(EPD)×tan(HFOV)]<3.35；
若二片式攝影光學鏡組滿足上述關係式，將可有效增強系統的亮度，加快二片式攝影光學鏡組取像的反應時間。
本發明二片式攝影光學鏡組中，第二透鏡的後表面於有效徑位置之鏡面角度為ANG22，將滿足下記關係式：
ANG22<-35deg.；
其鏡面角度的方向定義為『當周邊有效徑位置的鏡面角度向像側傾斜則定義為正、當周邊有效徑位置的鏡面角度向物側傾斜則定義為負』；有效徑位置之鏡面角度詳細說明如下：介於切平面Plane Tan及一平面Plane Norm所形成的角度，該切平面Plane Tan經過該有效徑位置的點，該平面Plane Norm也經過該點且垂直於光軸，令T與N分別為切平面Plane Tan及平面Plane Norm與光軸的交點，若N相較於T接近物體側，則鏡面上有效徑位置的鏡面角度為負，反之為正，且鏡面上有效徑位置的鏡面角度的絕對值小於90 deg.；前述關係可以有效縮小光線入射感光元件的角度，並且可以增強二片式攝影光學鏡組修正軸外像差的能力。
本發明二片式攝影光學鏡組中，另設一電子感光元件供被攝物成像，且二片式攝影光學鏡組的光學總長度為TTL，TTL定義為二片式攝影光學鏡組中第一透鏡前表面至成像面於光軸上的距離，二片式攝影光學鏡組的最大成像高度為ImgH，將滿足下記關係式：
TTL/ImgH<2.4；
上述關係式可以維持二片式攝影光學鏡組小型化的特性。
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，其材質為塑膠，第一透鏡10的前表面11為凸面，且後表面12為凹面，另第一透鏡10的前表面11與後表面12皆設為非球面；一具正屈折力的第二透鏡20，其材質為塑膠，第二透鏡20的前表面21為凸面，且後表面22為凹面，另第二透鏡20的前表面21與後表面22皆設為非球面；一光圈30，置於該第一透鏡10之前；一紅外線濾除濾光片(IR Filter)40，置於第二透鏡20之後，其不影響系統的焦距；一感光元件保護玻璃(Sensor Cover Glass)50，置於紅外線濾除濾光片40之後，其不影響系統的焦距；一成像面60，置於感光元件保護玻璃50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，整體二片式攝影光學鏡組的焦距為f，第一透鏡的焦距為f1，第二透鏡的焦距為f2，其關係式為：
f=2.53mm；
f/f1=0.84；
f/f2=0.21；
(f/f1)-(f/f2)=0.63。
第一實施例中，第一透鏡折射率N1=1.543。
第一實施例中，第二透鏡折射率N2=1.543。
第一實施例中，第一透鏡的前表面曲率半徑為R1，第二透鏡的前表面曲率半徑為R3，第二透鏡的後表面曲率半徑為R4，其關係式為：
1/R1=1.11mm-1
；
R3/R4=0.78。
第一實施例中，第一透鏡與第二透鏡於光軸上的距離為T12，第二透鏡的中心厚度為CT2，其關係式為：
T12/CT2=1.49。
第一實施例中，二片式攝影光學鏡組的最大成像高度為ImgH，入射瞳開口直徑為EPD，最大視場角的一半為HFOV，其關係式為：
ImgH/[(EPD)×tan(HFOV)]=2.89。
第一實施例中，第二透鏡的後表面於有效徑位置之鏡面角度ANG22=-42.1 deg.，其鏡面角度的方向定義為『當周邊有效徑角度向像側傾斜則定義為正、當周邊有效徑角度向物側傾斜則定義為負』。
第一實施例中，二片式攝影光學鏡組的光學總長度為TTL，二片式攝影光學鏡組的最大成像高度為ImgH，其關係式為：TTL/ImgH=2.09。
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，其材質為塑膠，第一透鏡10的前表面11為凸面，且後表面12為凹面，另第一透鏡10的前表面11與後表面12皆設為非球面；一具正屈折力的第二透鏡20，其材質為塑膠，第二透鏡20的前表面21為凸面，且後表面22為凹面，另第二透鏡20的前表面21與後表面22皆設為非球面；一光圈30，置於該第一透鏡10之前；一紅外線濾除濾光片(IR Filter)40，置於第二透鏡20之後，其不影響系統的焦距；一感光元件保護玻璃(Sensor Cover Glass)50，置於紅外線濾除濾光片40之後，其不影響系統的焦距；一成像面60，置於感光元件保護玻璃50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，整體二片式攝影光學鏡組的焦距為f，第一透鏡的焦距為f1，第二透鏡的焦距為f2，其關係式為：
f=2.71mm；
f/f1=0.74；
f/f2=0.36；
(f/f1)-(f/f2)=0.38。
第二實施例中，第一透鏡折射率N1=1.543。
第二實施例中，第二透鏡折射率N2=1.543。
第二實施例中，第一透鏡的前表面曲率半徑為R1，第二透鏡的前表面曲率半徑為R3，第二透鏡的後表面曲率半徑為R4，其關係式為：
1/R1=0.85mm-1
；
R3/R4=0.79。
第二實施例中，第一透鏡與第二透鏡於光軸上的距離為T12，第二透鏡的中心厚度為CT2，其關係式為：
T12/CT2=1.29。
第二實施例中，二片式攝影光學鏡組的最大成像高度為ImgH，入射瞳開口直徑為EPD，最大視場角的一半為HFOV，其關係式為：
ImgH/[(EPD)×tan(HFOV)]=2.89。
第二實施例中，第二透鏡的後表面於有效徑位置之鏡面角度ANG22=-43.3deg.，其鏡面角度的方向定義為『當周邊有效徑角度向像側傾斜則定義為正、當周邊有效徑角度向物側傾斜則定義為負』。
第二實施例中，二片式攝影光學鏡組的光學總長度為TTL，二片式攝影光學鏡組的最大成像高度為ImgH，其關係式為：TTL/ImgH=2.33。
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。
本發明二片式攝影光學鏡組中，透鏡的材質可為玻璃或塑膠，若透鏡的材質為玻璃，則可以增加系統屈折力配置的自由度，若透鏡材質為塑膠，則可以有效降低生產成本。
在此先行述明，表1至表4所示為二片式攝影光學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，本發明為一種二片式攝影光學鏡組，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．．．光圈
40．．．紅外線濾除濾光片
50．．．感光元件保護玻璃
60．．．成像面
f‧‧‧整體二片式攝影光學鏡組的焦距
f1‧‧‧第一透鏡的焦距
f2‧‧‧第二透鏡的焦距
N1‧‧‧第一透鏡的折射率
N2‧‧‧第二透鏡的折射率
R1‧‧‧第一透鏡的前表面曲率半徑
R3‧‧‧第二透鏡的前表面曲率半徑
R4‧‧‧第二透鏡的後表面曲率半徑
T12‧‧‧第一透鏡與第二透鏡於光軸上的距離
CT2‧‧‧第二透鏡的中心厚度
ImgH‧‧‧二片式攝影光學鏡組的最大成像高度
EPD‧‧‧入射瞳開口直徑
HFOV‧‧‧最大視場角的一半
ANG22‧‧‧第二透鏡的後表面於有效徑位置之鏡面角度
TTL‧‧‧二片式攝影光學鏡組的光學總長度
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．．．光圈
40．．．紅外線濾除濾光片
50．．．感光元件保護玻璃
60．．．成像面
Claims (14)
- 一種二片式攝影光學鏡組，係由二片透鏡所構成，由物側至像側依序為：一具正屈折力的第一透鏡，其前表面為凸面，後表面為凹面，且第一透鏡的前表面及後表面皆為非球面；一具正屈折力的第二透鏡，其前表面為凸面，後表面為凹面，且第二透鏡的前表面及後表面皆為非球面；第一透鏡的前表面曲率半徑為R1，第二透鏡的前表面曲率半徑為R3，第二透鏡的後表面曲率半徑為R4，整體二片式攝影光學鏡組的焦距為f，第一透鏡的焦距為f1，第二透鏡的焦距為f2，第一透鏡與第二透鏡於光軸上的距離為T12，第二透鏡的中心厚度為CT2，其關係式為：0.76 mm-1 <1/R1<2.0 mm-1 ；0.6<R3/R4≦0.79；0.35<(f/f1)-(f/f2)<0.72；T12/CT2>1.0。
- 如申請專利範圍第1項所述之二片式攝影光學鏡組，其中，第一透鏡與第二透鏡皆為塑膠材質。
- 如申請專利範圍第2項所述之二片式攝影光學鏡組，其中，一光圈設置於被攝物與第一透鏡之間。
- 如申請專利範圍第3項所述之二片式攝影光學鏡組，其中，整體二片式攝影光學鏡組的焦距為f，第一透鏡的焦距為f1，第二透鏡的焦距為f2，其關係式為：0.5<f/f1<1.0；0.15<f/f2<0.45。
- 如申請專利範圍第4項所述之二片式攝影光學鏡組，其中，第一透鏡的折射率為N1，第二透鏡的折射率為N2，其關係式為：1.52<N1<1.59；1.52<N2<1.59。
- 如申請專利範圍第5項所述之二片式攝影光學鏡組，其中，第一透鏡的折射率為N1，第二透鏡的折射率為N2，其關係式為：1.54<N1<1.59； 1.54<N2<1.59。
- 如申請專利範圍第5項所述之二片式攝影光學鏡組，其中，第二透鏡的前表面曲率半徑為R3，第二透鏡的後表面曲率半徑為R4，其關係式為：0.7<R3/R4≦0.79。
- 如申請專利範圍第5項所述之二片式攝影光學鏡組，其中，第一透鏡的前表面曲率半徑為R1，其關係式為：0.8 mm-1 <1/R1<1.4 mm-1 。
- 如申請專利範圍第6項所述之二片式攝影光學鏡組，其中，第一透鏡的前表面曲率半徑為R1，其關係式為：0.8 mm-1 <1/R1<1.2 mm-1 。
- 如申請專利範圍第5項所述之二片式攝影光學鏡組，其中，第一透鏡與第二透鏡於光軸上的距離為T12，第二透鏡的中心厚度為CT2，其關係式為： T12/CT2>1.2。
- 如申請專利範圍第6項所述之二片式攝影光學鏡組，其中，第一透鏡與第二透鏡於光軸上的距離為T12，第二透鏡的中心厚度為CT2，其關係式為：T12/CT2>1.45。
- 如申請專利範圍第1項所述之二片式攝影光學鏡組，其中，二片式攝影光學鏡組的最大成像高度為ImgH，入射瞳開口直徑為EPD，最大視場角的一半為HFOV，其關係式為：ImgH/[(EPD)×tan(HFOV)]<3.35。
- 如申請專利範圍第1項所述之二片式攝影光學鏡組，其中，第二透鏡的後表面於有效徑位置之鏡面角度為ANG22，其關係式為：-90 deg.<ANG22<-35 deg.。
- 如申請專利範圍第1項所述之二片式攝影光學鏡組，其中，二片式攝影光學鏡組另設一電子感光元件供被攝物成像，二片式攝影光學鏡組的光學總長度為TTL，二片式攝影光學鏡組的最大成像高度為ImgH，其關係式為：TTL/ImgH<2.4。
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