TWI404972B - 成像光學鏡組 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種成像光學鏡組，特別是指一種應用於照相手機的小型化成像光學鏡組。
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，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，因此，對成像品質的要求也日益增加。
習見搭載於手機的攝影鏡頭，多採用三枚式透鏡結構，其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USP 7,436,603所示。雖然這樣的型式能夠修正該光學系統產生的大部份像差，同時也具有較為廣泛的視角，但其對於光學總長度的需求較大，造成鏡頭結構必須配合光學總長度而增長，以致難以滿足更輕薄、小型化的攝影鏡頭使用。
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，本發明提供一種由三片透鏡構成之成像光學鏡組，其要旨如下：一種成像光學鏡組，由物側至像側依序包含：一光圈；一具正屈折力的第一透鏡，其前表面為凸面後表面為凸面；一具負屈折力的第二透鏡，其前表面為凹面後表面為凸面；一具負屈折力的第三透鏡，其前表面為凸面後表面為凹面；成像光學鏡組中，具屈折力的透鏡數限制為三片；藉由上述配置，可以有效提升系統的成像品質，並兼具小型化的特性。
本發明成像光學鏡組的屈折力主要係由具正屈折力的第一透鏡提供，第一透鏡係為一雙凸透鏡，可有效加強第一透鏡的屈折力配置，進而可使成像光學鏡組的光學總長度變得較短；具負屈折力的第二透鏡其功用主要為修正系統的色差(Chromatic Aberration)；而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，且第三透鏡具負屈折力，可使光學系統的主點(Principal Point)更遠離成像面，而有利於縮短系統的光學總長度，以維持鏡頭的小型化。
藉由第一透鏡提供主要的正屈折力，並將光圈置於接近成像光學鏡組的物體側，可有效縮短成像光學鏡組的光學總長度，另外，上述的配置可使成像光學鏡組的出射瞳(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，減少系統產生暗角的可能性。此外，在第三透鏡表面設置有反曲點(Inflection Point)，將更有效地壓制離軸視場的光線入射感光元件上的角度。
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，可以用較低廉的成本生產高精密度的鏡片；並可於鏡片表面設置非球面，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，藉此可以有效縮短成像光學鏡組的光學總長度。
本發明成像光學鏡組中，整體成像光學鏡組的焦距為f，第一透鏡的焦距為f1，其關係為：
0.8<f/f1<1.8；
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，進而提升成像品質；進一步來說，f/f1滿足下記關係則較為理想：
1.2<f/f1<1.6。
本發明成像光學鏡組中，整體成像光學鏡組的焦距為f，第二透鏡的焦距為f2，其關係為：
0<|f/f2|<0.8；
當f/f2滿足上述關係式時，可較有利於本發明成像光學鏡組中色差的修正；進一步來說，f/f2滿足下記關係則較為理想：
0.2<|f/f2|<0.6。
本發明成像光學鏡組中，整體成像光學鏡組的焦距為f，第三透鏡的焦距為f3，其關係為：
0<|f/f3|<0.7；
當f/f3滿足上述關係式時，具負屈折力的第三透鏡，可使光學系統的主點遠離成像面，而有較利於縮短系統的光學總長度，以維持鏡頭的小型化；進一步來說，f/f3滿足下記關係則較為理想：
0.14<|f/f3|<0.7。
本發明成像光學鏡組中，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：
20<V1-V2<38；
當V1及V2滿足上述關係式時，可較有利於成像光學鏡組中色差的修正，提高成像光學鏡組的成像品質；進一步來說，V1及V2滿足下記關係則較為理想：
28<V1-V2<35；
V2<25。
本發明成像光學鏡組中，第一透鏡與第二透鏡於光軸上的距離為T12，第二透鏡與第三透鏡於光軸上的距離為T23，整體成像光學鏡組的焦距為f，其關係為：
0.08<T12/f<0.13；
0<T23/f<0.21；
當T12/f與T23/f滿足上述關係式時，可有效提升成像光學鏡組修正高階像差的能力；進一步來說，T23/f滿足下記關係則較為理想：0.13<T23/f<0.21；更進一步來說，使T23/f滿足下記關係則更為理想：
0.15<T23/f<0.18。
本發明成像光學鏡組中，第一透鏡的前表面曲率半徑為R1，第一透鏡的後表面曲率半徑為R2，其關係為：
-0.8<R1/R2<0；
當R1/R2滿足上述關係式時，可較有利於成像光學鏡組中球差(Spherical Aberration)的修正。
本發明成像光學鏡組中，整體成像光學鏡組的焦距為f，第三透鏡的焦距為f3，其關係為：
0<|f/f3|<0.4；
當f/f3滿足上述關係式時，第三透鏡作用則如同補正透鏡，其功能為平衡及修正系統所產生的各項像差，可較有利於修正成像光學鏡組的像散(Astigmatism)及歪曲(Distortion)，提升成像光學鏡組的解像力；進一步來說，f/f3滿足下記關係則較為理想：
0<|f/f3|<0.2。
本發明成像光學鏡組中，另設置有一電子感光元件供被攝物成像，成像光學鏡組的光學總長度為TTL，TTL定義為成像光學鏡組中第一透鏡的前表面至成像面於光軸上的距離，成像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，其關係為：
TTL/ImgH<2.3；
當TTL/ImgH滿足上述關係式時，可以維持成像光學鏡組小型化的特性。
本發明第一實施例請參閱第1圖，第一實施例之像差曲線請參閱第2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，後表面12為凸面，另第一透鏡10的前表面11與後表面12皆設置有非球面；一具負屈折力的第二透鏡20，其材質為塑膠，第二透鏡20的前表面21為凹面，後表面22為凸面，另第二透鏡20的前表面21與後表面22皆設置有非球面；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為凸面，後表面32為凹面，另第三透鏡30的前表面31與後表面32皆設置有非球面，且第三透鏡30的前表面31與後表面32皆設置有反曲點；一光圈40，置於第一透鏡10之前；一紅外線濾除濾光片(IR Filter)50，置於第三透鏡30之後，其不影響系統的焦距；一感光元件保護玻璃(Sensor Cover Glass)60，置於紅外線濾除濾光片50之後；一成像面70，置於感光元件保護玻璃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，整體成像光學鏡組的焦距為f，第一透鏡的焦距為f1，第二透鏡的焦距為f2，第三透鏡的焦距為f3，其關係為：
f=2.85mm；
f/f1=1.45；
|f/f2|=0.54；
|f/f3|=0.01。
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：
V2=23.4；
V1-V2=33.1。
第一實施例中，整體成像光學鏡組的焦距為f，第一透鏡與第二透鏡於光軸上的距離為T12，第二透鏡與第三透鏡於光軸上的距離為T23，其關係為：
T12/f=0.10；
T23/f=0.17。
第一實施例中，第一透鏡的前表面曲率半徑為R1，第一透鏡的後表面曲率半徑為R2，其關係為：R1/R2=-0.24。
第一實施例中，成像光學鏡組另設置有一電子感光元件供被攝物成像，成像光學鏡組的光學總長度為TTL，成像光學鏡組的最大成像高度為ImgH，其關係為：TTL/ImgH=2.19。
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3圖，第二實施例之像差曲線請參閱第4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，後表面12為凸面，另第一透鏡10的前表面11與後表面12皆設置有非球面；一具負屈折力的第二透鏡20，其材質為塑膠，第二透鏡20的前表面21為凹面，後表面22為凸面，另第二透鏡20的前表面21與後表面22皆設置有非球面；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為凸面，後表面32為凹面，另第三透鏡30的前表面31與後表面32皆設置有非球面，且第三透鏡30的前表面31與後表面32皆設置有反曲點；一光圈40，置於第一透鏡10之前；一紅外線濾除濾光片(IR Filter)50，置於第三透鏡30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，整體成像光學鏡組的焦距為f，第一透鏡的焦距為f1，第二透鏡的焦距為f2，第三透鏡的焦距為f3，其關係為：
f=2.98mm；
f/f1=1.38；
|f/f2|=0.44；
|f/f3|=0.01。
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：
V2=23.4；
V1-V2=33.1。
第二實施例中，整體成像光學鏡組的焦距為f，第一透鏡與第二透鏡於光軸上的距離為T12，第二透鏡與第三透鏡於光軸上的距離為T23，其關係為：
T12/f=0.12；
T23/f=0.16。
第二實施例中，第一透鏡的前表面曲率半徑為R1，第一透鏡的後表面曲率半徑為R2，其關係為：R1/R2=-0.07。
第二實施例中，成像光學鏡組另設置有一電子感光元件供被攝物成像，成像光學鏡組的光學總長度為TTL，成像光學鏡組的最大成像高度為ImgH，其關係為：TTL/ImgH=1.99。
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。
本發明第三實施例請參閱第5圖，第三實施例之像差曲線請參閱第6圖，第三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，後表面12為凸面，另第一透鏡10的前表面11與後表面12皆設置有非球面；一具負屈折力的第二透鏡20，其材質為塑膠，第二透鏡20的前表面21為凹面，後表面22為凸面，另第二透鏡20的前表面21與後表面22皆設置有非球面；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為凸面，後表面32為凹面，另第三透鏡30的前表面31與後表面32皆設置有非球面，且第三透鏡30的前表面31與後表面32皆設置有反曲點；一光圈40，置於第一透鏡10之前；一紅外線濾除濾光片(IR Filter)50，置於第三透鏡30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50之後。
第三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。
第三實施例中，整體成像光學鏡組的焦距為f，第一透鏡的焦距為f1，第二透鏡的焦距為f2，第三透鏡的焦距為f3，其關係為：
f=5.58mm；
f/f1=1.47；
|f/f2|=0.41；
|f/f3|=0.29。
第三實施例中，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：
V2=23.4；
V1-V2=33.1。
第三實施例中，整體成像光學鏡組的焦距為f，第一透鏡與第二透鏡於光軸上的距離為T12，第二透鏡與第三透鏡於光軸上的距離為T23，其關係為：
T12/f=0.10；
T23/f=0.17。
第三實施例中，第一透鏡的前表面曲率半徑為R1，第一透鏡的後表面曲率半徑為R2，其關係為：R1/R2=-0.03。
第三實施例中，成像光學鏡組另設置有一電子感光元件供被攝物成像，成像光學鏡組的光學總長度為TTL，成像光學鏡組的最大成像高度為ImgH，其關係為：TTL/ImgH=1.87。
第三實施例詳細的結構數據如同表5所示，其非球面數據如同表6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。
本發明成像光學鏡組中，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。
本發明成像光學鏡組中，若透鏡表面係為凸面，則表示該透鏡表面於近軸處為凸面；若透鏡表面係為凹面，則表示該透鏡表面於近軸處為凹面。
在此先行述明，表1至表6所示為成像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7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，本發明為一種成像光學鏡組，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．．．第三透鏡
31．．．前表面
32．．．後表面
40．．．光圈
50．．．紅外線濾除濾光片
60．．．感光元件保護玻璃
70．．．成像面
f．．．整體成像光學鏡組的焦距
f1．．．第一透鏡的焦距
f2．．．第二透鏡的焦距
f3．．．第三透鏡的焦距
V1．．．第一透鏡色散係數
V2．．．第二透鏡色散係數
T12．．．第一透鏡與第二透鏡於光軸上的距離
T23．．．第二透鏡與第三透鏡於光軸上的距離
R1．．．第一透鏡的前表面曲率半徑
R2．．．第一透鏡的後表面曲率半徑
TTL．．．成像光學鏡組的光學總長度
ImgH．．．成像光學鏡組的最大成像高度
第1圖本發明第一實施例光學系統示意圖。
第2圖本發明第一實施例之像差曲線圖。
第3圖本發明第二實施例光學系統示意圖。
第4圖本發明第二實施例之像差曲線圖。
第5圖本發明第三實施例光學系統示意圖。
第6圖本發明第三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本發明第三實施例結構數據。
表6本發明第三實施例非球面數據。
表7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．．．光圈
50．．．紅外線濾除濾光片
60．．．感光元件保護玻璃
70．．．成像面
Claims (18)
- 一種成像光學鏡組，由物側至像側依序包含：一光圈；一具正屈折力的第一透鏡，其前表面為凸面，後表面為凸面；一具負屈折力的第二透鏡，其前表面為凹面，後表面為凸面，第二透鏡至少一表面設置有非球面，且第二透鏡為塑膠材質；以及一具負屈折力的第三透鏡，其前表面為凸面，後表面為凹面，第三透鏡至少一表面設置有非球面，且第三透鏡為塑膠材質；成像光學鏡組中，具屈折力的透鏡數限制為三片；整體成像光學鏡組的焦距為f，第一透鏡的焦距為f1，第二透鏡的焦距為f2，第三透鏡的焦距為f3，第一透鏡色散係數為V1，第二透鏡色散係數為V2，第二透鏡與第三透鏡於光軸上的距離為T23，其關係為：0.8<f/f1<1.8；0<|f/f2|<0.8；0<|f/f3|<0.7；20<V1-V2<38；0.13<T23/f<0.21。
- 如申請專利範圍第1項所述之成像光學鏡組，其中，第二透鏡前表面與後表面皆設置有非球面，第三透鏡前表面與後表面皆設置有非球面，且第三透鏡至少一表面設置有反曲點。
- 如申請專利範圍第2項所述之成像光學鏡組，其中，第一透鏡前表面與後表面皆設置有非球面，且第一透鏡為塑膠材質。
- 如申請專利範圍第1項所述之成像光學鏡組，其中，整體成像光學鏡組的焦距為f，第二透鏡的焦距為f2，第三透鏡的焦距為f3，其關係為：0.2<|f/f2|<0.6；0<|f/f3|<0.4。
- 如申請專利範圍第4項所述之成像光學鏡組，其中，整體成像光學鏡組的焦距為f，第一透鏡的焦距為f1，第三透鏡的焦距為f3，第一透鏡的前表面曲率半徑為R1，第一透鏡的後表面曲率半徑為R2，其關係為：1.2<f/f1<1.6；0<|f/f3|<0.2；-0.8<R1/R2<0。
- 如申請專利範圍第3項所述之成像光學鏡組，其中，整體成像光學鏡組的焦距為f，第二透鏡的焦距為f2，其關係為：0.2<|f/f2|<0.6。
- 如申請專利範圍第6項所述之成像光學鏡組，其中，整體成像光學鏡組的焦距為f，第一透鏡的焦距為f1，第三透鏡的焦距為f3，其關係為：1.2<f/f1<1.6；0<|f/f3|<0.4。
- 如申請專利範圍第7項所述之成像光學鏡組，其中，第一透鏡色散係數為V1，第二透鏡色散係數為V2，其關係為：28<V1-V2<35；V2<25。
- 如申請專利範圍第8項所述之成像光學鏡組，其中，整體成像光學鏡組的焦距為f，第三透鏡的焦距為f3，第一透鏡的前表面曲率半徑為R1，第一透鏡的後表面曲率半徑為R2，其關係為：0<|f/f3|<0.2；-0.8<R1/R2<0。
- 如申請專利範圍第5項所述之成像光學鏡組，其中，第一透鏡與第二透鏡於光軸上的距離為T12，第二透鏡與第三透鏡於光軸上的距離為T23，整體成像光學鏡組的焦距為f，第二透鏡色散係數為V2，其關係為：0.08<T12/f<0.13；0.15<T23/f<0.18；V2<25。
- 如申請專利範圍第9項所述之成像光學鏡組，其中，第一透鏡與第二透鏡於光軸上的距離為T12，第二透鏡與第三透鏡於光軸上的距離為T23，整體成像光學鏡組的焦距為f，其關係為：0.08<T12/f<0.13；0.15<T23/f<0.18。
- 如申請專利範圍第1項所述之成像光學鏡組，其中，成像光學鏡組另設置一電子感光元件供被攝物成像，成像光學鏡組的光學總長度為TTL，成像光學鏡組的最大成像高度為ImgH，其關係為：TTL/ImgH<2.3。
- 一種成像光學鏡組，由物側至像側依序包含：一光圈；一具正屈折力的第一透鏡，其前表面為凸面，後表面為凸面，第一透鏡至少一表面設置有非球面，且第一透鏡為塑膠材質；一具負屈折力的第二透鏡，其前表面為凹面，後表面為凸面，第二透鏡至少一表面設置有非球面，且第二透鏡為塑膠材質；以及一具負屈折力的第三透鏡，其前表面為凸面，後表面為凹面，第三透鏡至少一表面設置有非球面，且第三透鏡為塑膠材質；成像光學鏡組中，具屈折力的透鏡數限制為三片；整體成像光學鏡組的焦距為f，第一透鏡的焦距為f1，第三透鏡的焦距為f3，第一透鏡色散係數為V1，第二透鏡色散係數為V2，第二透鏡與第三透鏡於光軸上的距離為T23，其關係為：0.8<f/f1<1.8；0.14<|f/f3|<0.7；20<V1-V2<38；0.13<T23/f<0.21。
- 如申請專利範圍第13項所述之成像光學鏡組，其中，第二透鏡前表面與後表面皆設置有非球面，第三透鏡前表面與後表面皆設置有非球面，且第三透鏡至少一表面設置有反曲點。
- 如申請專利範圍第14項所述之成像光學鏡組，其中，整體成像光學鏡組的焦距為f，第一透鏡的焦距為f1，第二透鏡的焦距為f2，其關係為：1.2<f/f1<1.6；0.2<|f/f2|<0.6。
- 如申請專利範圍第15項所述之成像光學鏡組，其中，第一透鏡色散係數為V1，第二透鏡色散係數為V2，其關係為：28<V1-V2<35；V2<25。
- 如申請專利範圍第16項所述之成像光學鏡組，其中，第一透鏡與第二透鏡於光軸上的距離為T12，第二透鏡與第三透鏡於光軸上的距離為T23，整體成像光學鏡組的焦距為f，第一透鏡的前表面曲率半徑為R1，第一透鏡的後表面曲率半徑為R2，其關係為：0.08<T12/f<0.13；0.15<T23/f<0.18；-0.8<R1/R2<0。
- 如申請專利範圍第13項所述之成像光學鏡組，其 中，成像光學鏡組另設置一電子感光元件供被攝物成像，成像光學鏡組的光學總長度為TTL，成像光學鏡組的最大成像高度為ImgH，其關係為：TTL/ImgH<2.3。
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