TWI460467B

TWI460467B - 變焦鏡頭

Info

Publication number: TWI460467B
Application number: TW102108300A
Authority: TW
Inventors: Kuo Chuan Wang; Chien Hsiung Tseng; Kai Yun Chen
Original assignee: Young Optics Inc
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2014-11-11
Also published as: CN105842829B; CN104035189B; CN104035189A; CN105842829A; TW201435385A

Description

變焦鏡頭

本發明是有關於一種光學鏡頭，且特別是有關於一種變焦鏡頭。

隨著光電技術的進步，影像感測裝置(例如相機、攝影機等)已普遍地應用於日常生活的各領域中，或工廠的產線中，以取代原本人眼或人工所能作的事情。如此一來，人類便能夠擁有更充裕的時間與人力，去從事更為重要的事。另一方面，影像感測裝置的使用更可以讓人們去注意到平時人眼所不容易注意到的地方，或在無人的狀況下仍達成有效的監控效果。

在影像感測裝置中，除了影像感測器(如電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)或互補式金氧半導體感測元件(complementary metal oxide semiconductor sensor,CMOS sensor)等)的品質會對所偵測到的影像品質產生決定性的影響之外，光學鏡頭的品質亦是關鍵所在。因此，如何適當地設計鏡頭以達到良好的影像品質，一直是鏡頭設計者所關注的。

美國專利第5155629號、第5329402號、第7933075號、第7557839號、第6839183號、第7944620號、第7184220號、第6917477號及第6809882號提出了變焦鏡頭。此外，美國專利第7075719號提出了一種投影鏡頭。

本發明提供一種變焦鏡頭，具有體積小、廣視角、高解晰度、大光圈及良好的紅外矯正等優點。

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。

為達上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明的一實施例提出一種變焦鏡頭，用以配置於放大側與縮小側之間。此變焦鏡頭包括第一透鏡群及第二透鏡群。第一透鏡群配置於放大側與縮小側之間，且具有負屈光度(refractive power)。第一透鏡群包括由放大側往縮小側依序排列之第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡及第四透鏡，且第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡及第四透鏡的屈光度依序為負、負、負及正。第二透鏡群配置於第一透鏡群與縮小側之間，且具有正屈光度。第二透鏡群包括由放大側往縮小側依序排列之第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡及第九透鏡，且第五透鏡、第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡及第九透鏡的屈光度依序為正、負、正、負及正。變焦鏡頭符合-2.8<f1/fw<-2.3及0.6<| f1/f2 |<0.9，其中f1為第一透鏡群的有效焦距(effective focal length,EFL)，f2為第二透鏡群的有效焦距，且fw為變焦鏡頭於廣角端時的有效焦距。

基於上述，由於本發明之實施例之變焦鏡頭具有屈光度由放大側往縮小側依序為負、負、負、正、正、負、正、負及正的透鏡組合，且符合-2.8<f1/fw<-2.3及0.6<| f1/f2 |<0.9，因此本發明之實施例之變無鏡頭兼具廣視角與良好的成像品質。

為讓本發明的上述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。

50‧‧‧玻璃蓋

60‧‧‧影像感測器

70‧‧‧紅外光截止濾光器

80‧‧‧透光基板

100、100a‧‧‧變焦鏡頭

110‧‧‧第一透鏡群

111‧‧‧第一透鏡

112‧‧‧第二透鏡

113‧‧‧第三透鏡

114‧‧‧第四透鏡

115、126‧‧‧雙膠合透鏡

120、120a‧‧‧第二透鏡群

121‧‧‧第五透鏡

122‧‧‧第六透鏡

123‧‧‧第七透鏡

124、124a‧‧‧第八透鏡

125、125a‧‧‧第九透鏡

130‧‧‧孔徑光闌

A‧‧‧光軸

S1~S18‧‧‧表面

圖1A至圖1C為本發明之一實施例之變焦鏡頭分別於廣角端、中間位置與望遠端的結構示意圖。

圖2A至圖2C為圖1A之變焦鏡頭於廣角端時的光學模擬數據圖。

圖3A至圖3C為圖1B之變焦鏡頭於中間位置時的光學模擬數據圖。

圖4A至圖4C為圖1C之變焦鏡頭於望遠端時的光學模擬數據圖。

圖5A至圖5C為本發明之另一實施例之變焦鏡頭分別於廣角端、中間位置與望遠端的結構示意圖。

圖6A至圖6C為圖5A之變焦鏡頭於廣角端時的光學模擬數據圖。

圖7A至圖7C為圖5B之變焦鏡頭於中間位置時的光學模擬數據圖。

圖8A至圖8C為圖5C之變焦鏡頭於望遠端時的光學模擬數據圖。

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一較佳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。

圖1A至圖1C為本發明之一實施例之變焦鏡頭分別於廣角端、中間位置與望遠端的結構示意圖。請參照圖1A至圖1C，本實施例之變焦鏡頭100用以配置於放大側與縮小側之間。變焦鏡頭100包括第一透鏡群110及第二透鏡群120。第一透鏡群110配置於放大側與縮小側之間，且具有負屈光度。第一透鏡群110包括由放大側往縮小側依序排列之第一透鏡111、第二透鏡112、第三透鏡113及第四透鏡114，且第一透鏡111、第二透鏡112、第三透鏡113及第四透鏡114的屈光度依序為負、負、負及正。第二透鏡群120配置於第一透鏡群110與縮小側之間，且具有正屈光度。第二透鏡群120包括由放大側往縮小側依序排列之第五透鏡121、第六透鏡122、第七透鏡123、第八透鏡124及第九透鏡125，且第五透鏡121、第六透鏡122、第七透鏡123、第八透鏡124及第九透鏡125的屈光度依序為正、負、正、負及正。

在本實施例中，變焦鏡頭100符合-2.8<f1/fw<-2.3及0.6<| f1/f2 |<0.9，其中f1為第一透鏡群110的有效焦距，f2為第二透鏡群120的有效焦距，且fw為變焦鏡頭100於廣角端時的有效焦距。

在本實施例中，第一透鏡111、第二透鏡112、第三透鏡113及第四透鏡114均為球面透鏡(spherical lens)，且第五透鏡121、第六透鏡122、第七透鏡123、第八透鏡124及第九透鏡125中至少有二者為非球面透鏡(aspheric lens)。具體而言，在本實施例中，第五透鏡121例如為非球面透鏡，而第九透鏡125例如為非球面透鏡，且第六透鏡122、第七透鏡123及第八透鏡124例如為球面透鏡。

在本實施例中，變焦鏡頭100更包括孔徑光闌(aperture stop)130，其配置於第一透鏡群110與第二透鏡群120之間。在本實施例中，第二透鏡群120為變焦群，且第一透鏡群110為對焦群。此外，在本實施例中，當變焦鏡頭100由廣角端往望遠端變化時，孔徑光闌130的位置相對於縮小側維持不變，且第一透鏡群110與第二透鏡群120往孔徑光闌130靠近，例如由圖1A的狀態變化到圖1B的狀態，然後再變化到圖1C的狀態。

在本實施例中，第三透鏡113與第四透鏡114形成雙膠合透鏡(double cemented lens)115，且第六透鏡122與第七透鏡 123形成雙膠合透鏡126。此外，在本實施例中，第一透鏡111例如為凸面朝向放大側的凸凹透鏡(convex concave lens)，第二透鏡112例如為雙凹透鏡(biconcave lens)，第三透鏡113例如為凸面朝向放大側的凸凹透鏡，第四透鏡114例如為凸面朝向放大側的凹凸透鏡(concave convex lens)，第五透鏡121例如為雙凸透鏡(biconvex lens)，第六透鏡122例如為凸面朝向放大側的凸凹透鏡，第七透鏡123例如為雙凸透鏡，第八透鏡124例如為凸面朝向放大側的凸凹透鏡，且第九透鏡125例如為雙凸透鏡。此外，在本實施例中，縮小側可配置有影像感測器60，而位於放大側的景物可被變焦鏡頭100成像於影像感測器60上。影像感測器60例如為數位微鏡元件或互補式金氧半導體感測元件。當變焦鏡頭100變焦時，孔徑光闌130的位置相對於影像感測器60的位置維持不變。

本實施例之變焦鏡頭100採用屈光度由放大側往縮小側依序為負、負、負、正、正、負、正、負及正的透鏡組合，第一透鏡群110與第二透鏡群120的屈光度分別為負與正，且變焦時第一透鏡群110與第二透鏡群120皆相對於縮小側移動(即相對於孔徑光闌130移動)，因此本實施例之變焦鏡頭100可達到小型化、畫面無暗角及廣視角的效果。舉例而言，本實施例之變焦鏡頭100可使在影像感測器60的對角線方向的視場角(2ω)(field of view,FOV)高達143.2度。此外，本實施例之變焦鏡頭100可達到三百萬像素級的解析度。另外，本實施例之變焦鏡頭100的部分透鏡(例如第七透鏡123)可採用低色散的玻璃材質，以提高可見光與紅外光的共焦效果。換言之，採用變焦鏡頭100的影像感測裝置在白天偵測可見光影像與夜間偵測紅外光影像時，皆能夠偵測到對焦良好的清晰影像。再者，本實施例之變焦鏡頭100可具有大光圈，在一實施例中，變焦鏡頭的光圈值(f-number)可小至1.4。本實施例之變焦鏡頭100適於與較大尺寸的影像感測器60作搭配。然而，當本實施例之變焦鏡頭100與較小尺寸的影像感測器60作搭配時，依然可提供良好的可視範圍。

以下內容將舉出變焦鏡頭100之一實施例。需注意的是，下述之表一、表二及表三中所列的數據資料並非用以限定本發明，任何所屬技術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之範疇內。

在表一中，間距是指兩相鄰表面間於光軸A上之直線距離，舉例來說，表面S1之間距，即表面S1至表面S2間於光軸A 上之直線距離。備註欄中各透鏡所對應之厚度、折射率與阿貝數請參照同列中各間距、折射率與阿貝數對應之數值。此外，在表一中，表面S1、S2為第一透鏡111的兩表面，表面S3、S4為第二透鏡112之兩表面，表面S5為第三透鏡113之面向放大側的表面，表面S6為第三透鏡113與第四透鏡114相連的表面，且表面S7為第四透鏡114之面向縮小側的表面。表面S8為紅外光截止濾光器(infrared cut filter)70(例如是紅外光截止膜)的所在位置，表面S9是孔徑光闌130的所在位置，其中透光基板80用以承載紅外光截止濾光器70，表面S8為透光基板80之面向放大側的表面，且表面S9為透光基板80之面向縮小側的表面。表面S10、S11為第五透鏡121的兩表面，表面S12為第六透鏡122之面向放大側的表面，表面S13為第六透鏡122與第七透鏡123相連的表面，且表面S14為第七透鏡123之面向縮小側的表面。表面S15、S16為第八透鏡124的兩表面，且表面S17、S18為第九透鏡125的兩表面。表面S18與影像感測器60之間可設有玻璃蓋(cover glass)50，以保護影像感測器60。表面S18那列(row)中所填的間距為表面S18到影像感測器60的間距。

此外，表二列出了變焦鏡頭100於廣角端、中間位置及望遠端時的有效焦距、光圈值(F/#)、視場角及可變間距d1、d2及d3等數值。

上述之表面S10、S11、S17及S18為偶次項非球面，而其可用下列公式表示：

式中，Z為光軸A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A處的曲率半徑(如表一內S10、S11、S17及S18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，而A₂ 、A₄ 、A₆ 、A₈ 及A₁₀ 為非球面係數(aspheric coefficient)，在本實施例中係數A₂ 為0。下列表三所列出的是表面S10、S11、S17及S18的非球面參數值。

圖2A至圖2C為圖1A之變焦鏡頭於廣角端時的光學模擬數據圖，圖3A至圖3C為圖1B之變焦鏡頭於中間位置時的光學模擬數據圖，而圖4A至圖4C為圖1C之變焦鏡頭於望遠端時的光學模擬數據圖。請參照圖2A至圖4C，其中圖2A、圖3A及圖4A為以波長588奈米作模擬的縱向像差(longitudinal aberration)的模擬數據圖，其中圖2A的光瞳半徑(pupil radius)為1.0135毫米，圖3A的光瞳半徑為1.4449毫米，而圖4A的光瞳半徑為1.5338毫米(即在圖2A、圖3A及圖4A中，縱軸的最大刻度(最頂部的那個刻度)分別為1.0135毫米、1.4449毫米及1.5338毫米)。圖2B、圖3B及圖4B為以波長588奈米作模據的場曲(field curvature)與畸變(distortion)的光學模擬數據圖，其中圖2B的最大視場角(半角)為71.588度，圖3B的最大視場角(半角)為37.952度，而圖4B的最大視場角(半角)為25.835度。此外，在場曲的圖形中，S代表弧矢(sagittal)方向的數據，而T代表子午(tangential)方向的數據。圖2C、圖3C及圖4C為以波長486、588及656奈米作模擬的橫向色差的光學模擬數據圖，其中圖2C、圖3C及圖4C的最大像高(即位於縮小側的最大像高)均為3.41毫米。圖2A至圖4C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變焦鏡頭100確實能夠具有良好的光學成像品質。

圖5A至圖5C為本發明之另一實施例之變焦鏡頭分別於廣角端、中間位置與望遠端的結構示意圖。請參照圖5A至圖5C，本實施例之變焦鏡頭100a類似於圖1A至圖1C之變焦鏡頭100，而兩者的主要差異如下所述。請參照圖5A至圖5C，在本實施例之變焦鏡頭100a的第二透鏡群120a中，第八透鏡124a為雙凹透鏡，且第九透鏡125a為凸面朝向放大側的凹凸透鏡。本實施例之變焦鏡頭100a亦可達到上述變焦鏡頭100的優點與功效，在此不再重述。

以下內容將舉出變焦鏡頭100a之一實施例。需注意的是，下述之表四、表五及表六中所列的數據資料並非用以限定本發明，任何所屬技術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之範疇內。

在表四中的各參數之物理意義可參照對表一的說明，在此不再重述。此外，表五列出了變焦鏡頭100a於廣角端、中間位置及望遠端時的有效焦距、光圈值(F/#)、視場角及可變間距d1、d2及d3等數值。

上述之表面S10、S11、S17及S18為偶次項非球面，其公式相同於上述表三所適用的公式。在本實施例中係數A₂ 為0。下列表六所列出的是變焦鏡頭100a的表面S10、S11、S17及S18的非球面參數值。

圖6A至圖6C為圖5A之變焦鏡頭於廣角端時的光學模擬數據圖，圖7A至圖7C為圖5B之變焦鏡頭於中間位置時的光學模擬數據圖，而圖8A至圖8C為圖5C之變焦鏡頭於望遠端時的光學模擬數據圖。請參照圖6A至圖8C，其中圖6A、圖7A及圖8A為以波長588奈米作模擬的縱向像差的模擬數據圖，其中圖6A的光瞳半徑為1.0033毫米，圖7A的光瞳半徑為1.4024毫米，而圖8A的光瞳半徑為1.4714毫米(即在圖6A、圖7A及圖8A中，縱軸的最大刻度(最頂部的那個刻度)分別為1.0033毫米、1.4024毫米及1.4714毫米)。圖6B、圖7B及圖8B為以波長588奈米作模據的場曲與畸變的光學模擬數據圖，其中圖6B的最大視場角(半角)為71.761度，圖7B的最大視場角(半角)為38.324度，而圖8B的最大視場角(半角)為25.908度。此外，在場曲的圖形中，S代表弧矢方向的數據，而T代表子午方向的數據。圖6C、圖7C及圖8C為以波長486、588及656奈米作模擬的橫向色差的光學模擬數據圖，其中圖6C、圖7C及圖8C的最大像高(即位於縮小側的最大像高)均為3.41毫米。圖6A至圖8C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變焦鏡頭100a確實能夠具有良好的光學成像品質。

綜上所述，由於本發明之實施例之變焦鏡頭具有屈光度由放大側往縮小側依序為負、負、負、正、正、負、正、負及正的透鏡組合，且符合-2.8<f1/fw<-2.3及0.6<| f1/f2 |<0.9，因此本發明之實施例之變焦鏡頭兼具廣視角與良好的成像品質。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。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。此外，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。