TWI476472B - 成像鏡頭 - Google Patents

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Description

成像鏡頭
本發明是有關於一種鏡頭，且特別是有關於一種成像鏡頭(imaging lens)。
受惠於科技的進步，近年來可攜式的電子產品、如輕薄型數位相機、手機或者平板電腦的市場正蓬勃發展。對於此類產品，照相或者攝影早已是不可或缺的功能之一。在這樣的情況下，對於小型化成像鏡頭的需求越來越高。
對於入門型的低畫素相機模組而言，兩片以下的鏡片即可組成合適的成像鏡頭，以滿足解析影像的需求。隨著畫素的增加，成像鏡頭的鏡片需求量也會增加，如：兩百萬畫素以上的相機模組需要四片鏡片來組成成像鏡頭；若是要滿足八百萬畫素以上的相機模組，一般需採用五片鏡片來組成成像鏡頭。換言之，當相機模組的成像鏡頭使用的鏡片數越多，則成像鏡頭的整體光學長度會變長，這反而會造成以下的問題：無法滿足相機模組輕薄化的需求。
在現階段電子產品不斷往輕薄化、高性能發展的趨勢之下，如何在有限的鏡片數量的前提之下(如五片鏡片的架構)來設計出光學長度較短、且具有良好光圈的成像鏡頭，便成了該技術領域中的一項重要課題。
本發明提供一種成像鏡頭，達到較佳的光學性能並兼具有較短的光學長度。
本發明提供一種成像鏡頭，從物側(object side)到像側(image side)依序包括：第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡以及第五透鏡。第一透鏡含有一面以上的非球面。第二透鏡具有負光學能力，第二透鏡的凸面朝向物側、且含有一面以上的非球面。第三透鏡具有正光學能力，第三透鏡的凹面朝向物側、且含有一面以上的非球面。第四透鏡具有負光學能力，第四透鏡的凹面朝向像側、且含有一面以上的非球面。第五透鏡具有正光學能力，第五透鏡的凸面朝向物側、且含有一面以上的非球面。
在本發明的一實施例中，上述的成像鏡頭更包括：光圈，設置於：從第一透鏡的物側的表面、到第一透鏡的像側的表面之間的位置。
在本發明的一實施例中，上述的第五透鏡具有至少兩個反曲點。
在本發明的一實施例中，上述的成像鏡頭具有：鏡頭後焦長度Dbf ，且從第一透鏡的物側的表面到像面的距離設為光學全長D，滿足：0.25<Dbf /D。
在本發明的一實施例中，從第一透鏡的物側表面到像面的距離設為光學全長D，且位於像面的影像的半像高為 ImaH，滿足：ImaH/D>0.59。
在本發明的一實施例中，上述第四透鏡的焦距為f4，第五透鏡的焦距為f5，滿足：0.1<<0.3。
在本發明的一實施例中，上述成像鏡頭具有焦距f，且第一透鏡具有焦距f1，滿足：0.65<<0.85。
在本發明的一實施例中，上述成像鏡頭具有焦距f，且第一透鏡與第二透鏡之間的間隔為D12，滿足：27<<195。
在本發明的一實施例中，上述第一透鏡與第二透鏡之間的間隔為D12，第三透鏡與第四透鏡之間的間隔為D34，滿足：1<<7。
在本發明的一實施例中，上述成像鏡頭具有焦距f，第四透鏡與第五透鏡之間的間隔為D45，滿足：16<<26。
基於上述，本發明的成像鏡頭包括：第一~第五透鏡，且各自具有一面以上的非球面表面。另外，成像鏡頭還可具有：光圈、以及透光元件。藉由滿足各光學元件的光學參數設計，使得成像鏡頭得到優異的光學性能、較短的光學長度與光圈較大的特性，進而能夠應用在高畫素的薄型化的各種相機模組中。
為讓本發明之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。
 [第一實施例]
圖1A為本發明第一實施例的成像鏡頭100的示意圖。請參照圖1A，成像鏡頭100從物側到像側依序包括：第一透鏡110、第二透鏡120、第三透鏡130、第四透鏡140以及第五透鏡150，其中，第一透鏡110含有一面以上的非球面。第二透鏡120具有負光學能力，第二透鏡120的凸面S3朝向物側、且含有一面以上的非球面。第三透鏡130具有正光學能力，第三透鏡130的凹面S5朝向物側、且含有一面以上的非球面。第四透鏡140具有負光學能力，第四透鏡140的凹面S8朝向像側、且含有一面以上的非球面。第五透鏡150具有正光學能力，第五透鏡150的凸面S9朝向物側、且含有一面以上的非球面。
請參照圖1A，第一透鏡110可具有正的屈光力，第一透鏡110具有：面對物側的表面S1、與面對像側的表面S2，且表面S1、S2當中至少有一面為非球面。第一透鏡110例如可為雙凸透鏡。
第二透鏡120配置於第一透鏡110與像側之間，第二透鏡120可具有負的屈光力。第二透鏡120具有：面對物側且成為凸面的表面S3、與面對像側的表面S4，且表面S3、S4當中至少有一面為非球面。第二透鏡120例如可為新月形負透鏡。
第三透鏡130配置於第二透鏡120與像側之間，第三透鏡130可具有正的屈光力。第三透鏡130具有：面對物側且成為凹面的表面S5、與面對像側的表面S6，且表面S5、S6當中至少有一面為非球面。第三透鏡130例如可為新月形正透鏡。
第四透鏡140配置於第三透鏡130與像側之間，第四透鏡140可具有負的屈光力。第四透鏡140具有：面對物側的表面S7、與面對像側且成為凹面的表面S8，且表面S7、S8當中至少有一面為非球面。第四透鏡140例如可為負透鏡。
第五透鏡150配置於第四透鏡140與像側之間。第五透鏡150可具有正的屈光力。第五透鏡150具有：面對物側且成為凸面的表面S9、與面對像側的表面S10，且表面S9、S10當中至少有一面為非球面。第五透鏡150例如可為正透鏡。
藉由上述的鏡片排列方式，即使在五片鏡片的架構之下，仍可使得成像鏡頭100的光學長度有效縮短、且成像鏡頭100可具有較長的鏡頭後焦長度。如此一來，成像鏡頭100能夠輕易地被組裝到高畫素、薄型化的相機模組中。
請再參照圖1A，成像鏡頭100還可包括：光圈115，設置於：從第一透鏡110的物側的表面S1、到第一透鏡110的像側的表面S2之間的位置。光圈115是用來控制進入成像鏡頭100的光總量。藉由上述光圈115的設置方式，可使成像鏡頭100的光圈115變得較大，而可減少快門(shutter)的時間，以得到進而較佳的影像品質。
成像鏡頭100還可包括：透光元件160，位於第五透鏡150的像側的一側。透光元件160具有：面對物側的表面S11、與面對像側的表面S12。可視所需的光學效果，而在第五透鏡150的像側的一側設置透光元件160。詳細而言，透光元件160可為平板玻璃或是濾光元件(如紅外線濾光元件)，使得成像光線能順利通過、並濾除會干擾影像清晰度的光線。透光元件160的材料可為塑膠或其他適用於製作透光元件160的材料。
在成像鏡頭100中，第一透鏡110、第二透鏡120、第三透鏡130、第四透鏡140以及第五透鏡150的至少任一個，其材料可以使用塑膠、或者其它適用於製造透鏡的材質。另外，當所有的第一透鏡110、第二透鏡120、第三透鏡130、第四透鏡140以及第五透鏡150都使用塑膠來製作時，可減輕成像鏡頭100的重量，並能降低成像鏡頭100的製作成本。
承上所述，第一透鏡110、第二透鏡120、第三透鏡130、第四透鏡140以及第五透鏡150都含有至少一面以上的非球面，藉此可獲得足夠的光學控制參數，進而達到成像鏡頭100的光學長度較短的設計目的。
舉例來說，請參照圖1A，在光學設計上，可使第五透鏡150具有至少兩個反曲點；換言之，第五透鏡150可從中心往邊緣進行一次或兩次的轉折。藉此能夠有效地控制光線的行進路徑。再者，第五透鏡150可具有均勻的厚度，如此一來，使第五透鏡150易於成型。另外，藉由此第五透鏡150的形狀，使得成像鏡頭100可具有較小的主光線夾角。
一般而言，透過成像鏡頭100使被攝物體(未繪示)的影像光線成像於像側端的像面170上。於像面170可以設置感光元件(未繪示)，例如：電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)、互補式金氧半導體感測元件(complementary metal-oxide-semiconductor sensor,CMOS sensor)等，用來感測影像光線。藉由上述成像鏡頭100的優異光學性能，能夠在像面170上形成清晰的影像。
以下將進一步說明關於成像鏡頭100的第一透鏡110、第二透鏡120、第三透鏡130、第四透鏡140以及第五透鏡150的光學設計參數及各種可能的實施型態。藉由滿足下述式(1)～(7)的條件，可使成像鏡頭100得到優異的光學性能、較短的光學長度與光圈較大的特性。
請參照圖1A，在成像鏡頭100中，從第一透鏡110的物側的表面S1到像面170、沿著光軸OA的距離設為光學全長D；並且，從第五透鏡150的像側的表面S10到像面170、沿著光軸OA的距離設為鏡頭後焦長度Dbf。也就是說，成像鏡頭100具有：鏡頭後焦長度Dbf，且從第一透鏡110的物側的表面S1到像面170的距離設為光學全長D，滿足式(1)的條件：
0.25<Dbf /D......(1)
藉由滿足式(1)的條件，可使成像鏡頭100具有較長的光學後焦。
請再參照圖1A，在成像鏡頭100中，當在像面170形成影像時，影像的半像高為ImaH，且從第一透鏡110的物側的表面S1到像面170的距離設為光學全長D時，滿足式(2)的條件：
ImaH/D>0.59......(2)
藉由滿足式(2)的條件，有利於使成像鏡頭100具有較小的體積，方便運用在小體積的相機模組中。
此外，請參照圖1A，在成像鏡頭100中，使第四透鏡140的焦距為f4、第五透鏡150的焦距為f5，且滿足式(3)的條件：
藉由滿足式(3)的條件，可使第四透鏡140與第五透鏡150之間的光學配置關係達到最佳化。
再者，將成像鏡頭100的焦距設為f、且第一透鏡110的焦距為fl，且滿足式(4)的條件：
藉由滿足式(4)的條件，可使第一透鏡110在成像鏡頭100內的光學配置關係達到最佳化。
此外，將成像鏡頭100的焦距設為f，且使第一透鏡110與第二透鏡120之間的間隔設為D12，且滿足式(5)的條件：
藉由滿足式(5)的條件，使第一透鏡110與第二透鏡120在成像鏡頭100內的光學配置關係達到最佳化。
另外，將第一透鏡110與第二透鏡120之間的間隔設為D12，且將第三透鏡130與第四透鏡140之間的間隔設為D34，滿足式(6)的條件：
藉由滿足式(6)的條件，使第一透鏡110與第二透鏡120的群組、和第三透鏡130與第四透鏡140的群組之間，在成像鏡頭100內的光學配置關係達到最佳化。
再者，使成像鏡頭100具有焦距f，第四透鏡140與第五透鏡150之間的間隔為D45，滿足式(7)的條件：
按照光學設計需求來滿足上述式(1)～式(7)的光學條件時，可使成像鏡頭100得到優異的光學性能、較短的光學長度與光圈較大的特性。例如，成像鏡頭100可具有70度～75度的視野範圍；成像鏡頭100可具有0～27.5度的主光線夾角；且成像鏡頭100可具有2～3的光圈數。
以下將例示第一實施例的成像鏡頭100的各光學元件的相關光學參數。需注意的是，下述及表一、表二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，當可對這些參數或設定進行適當的更動，惟其仍應屬於本發明之範疇內。
在表一中，間距是指：兩相鄰表面之間、於光軸OA上的直線距離。舉例來說，表面S1的間距即表示：表面S1至表面S2之間、於光軸OA上的直線距離(即為第一透鏡110沿著光軸OA的厚度)。
在表一中，成像鏡頭100的焦距長度為3.828(mm)，且光圈數為2.05。在表一的備註欄中，各光學元件(光圈115、第一透鏡110、第二透鏡120、第三透鏡130、第四透鏡140、第五透鏡150、透光元件160)所對應之間距、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。在成像鏡頭100的設計上，各光學元件的折射率與阿貝數亦為重要的光學參數，於表一中一併列出以作為設計參考。並且，按照上述間距的定義的同樣原則，可類推其他光學元件的沿著光軸OA的厚度。
可同時參照圖1A，在表一中，STOP代表光圈115；表面S1、S2為第一透鏡110的兩表面；表面S3、S4為第二透鏡120的兩表面；表面S5、S6為第三透鏡130的兩表面；表面S7、S8為第四透鏡140的兩表面；表面S9、S10為第五透鏡150的兩表面；且表面S11、S12為透光元件160的兩表面，其中，表面S12的間距為表面S12到像面170的間距。
如同前述，成像鏡頭100中的第一透鏡110、第二透鏡120、第三透鏡130、第四透鏡140、第五透鏡150為：可具有一面以上的非球面的光學元件。於第一實施例中，S1~S10皆可為非球面，且可用式(8)來定義非球面：
在式(8)中，Z為在光軸OA方向的偏移量(sag)，c是密切球面(osculating sphere)的半徑的倒數，也就是接近光軸OA處的曲率半徑(如表一內S1~S10的曲率半徑)的倒數。k是二次曲面係數。h是非球面高度，即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度。A~G為非球面係數(aspheric coefficient)。表二所列出的是表面S1~S10的參數值。
利用圖1A的成像鏡頭100進行光學模擬，可得到圖1B～圖1E的光學表現的相關圖形。圖1B為成像鏡頭100的場曲(Field curvature)的曲線圖。圖1C為成像鏡頭100的畸變(distortion)的曲線圖。圖1D為成像鏡頭100的橫向色差(lateral color)的曲線圖。圖1E為成像鏡頭100的縱向色差(longitudinal color)的曲線圖。可注意到，圖1E的縱向色差的曲線圖中繪示了五條曲線，分別代表五個不同波長光經過成像透鏡100所產生的縱向色差。由上述圖1B～圖1E所顯示出的圖形，可知：第一實施例的成像鏡頭100可表現出良好的成像品質。
[第二實施例]
圖2A為本發明第二實施例的成像鏡頭200的示意圖。請參照圖2A，成像鏡頭200與圖1A的成像鏡頭100具有相似的結構。
同樣地，圖2A的成像鏡頭200從物側到像側依序包括：第一透鏡210、第二透鏡220、第三透鏡230、第四透鏡240以及第五透鏡250，其中，第一透鏡210含有一面以上的非球面。第二透鏡220的凸面S3朝向物側、且含有一面以上的非球面。第三透鏡230的凹面S5朝向物側、且含有一面以上的非球面。第四透鏡240的凹面S8朝向像側、且含有一面以上的非球面。第五透鏡250的凸面S9朝向物側、且含有一面以上的非球面。也可設置光圈215與透光元件260。
並且，關於成像鏡頭200的各光學元件(光圈215、第一透鏡210、第二透鏡220、第三透鏡230、第四透鏡240、第五透鏡250、透光元件260、像面270等)的光學參數與設置關係，可參考第一實施例的相關敘述(如式(1)～式(7)的條件)，在此即不予以重述。
以下將例示第二實施例的成像鏡頭200的各光學元件的相關光學參數。需注意的是，下述及表三、表四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，當可對這些參數或設定進行適當的更動，惟其仍應屬於本發明之範疇內。
在表三中，間距是指：兩相鄰表面之間、於光軸OA上的直線距離。舉例來說，表面S1的間距即表示：表面S1至表面S2之間、於光軸OA上的直線距離(即為第一透鏡210沿著光軸OA的厚度)。
在表二中，成像鏡頭200的焦距長度為3.807(mm)，且光圈數為2.09。在表三的備註欄中，各光學元件(光圈215、第一透鏡210、第二透鏡220、第三透鏡230、第四透鏡240、第五透鏡250、透光元件260)所對應之間距、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。在成像鏡頭200的設計上，各光學元件的折射率與阿貝數亦為重要的光學參數，於表三中一併列出以作為設計參考。並且，按照上述間距的定義的同樣原則，可類推其他光學元件的沿著光軸OA的厚度。
可同時參照圖2A，在表三中，STOP代表光圈215；表面S1、S2為第一透鏡210的兩表面；表面S3、S4為第二透鏡220的兩表面；表面S5、S6為第三透鏡230的兩表面；表面S7、S8為第四透鏡240的兩表面；表面S8、S10為第五透鏡250的兩表面；且表面S11、S12為透光元件260的兩表面，其中，表面S12的間距為表面S12到像面270的間距。
如同前述，成像鏡頭200中的第一透鏡210、第二透鏡220、第三透鏡230、第四透鏡240、第五透鏡250為：可具有一面以上的非球面的光學元件。於第二實施例中，S1~S10皆可為非球面，且可式(9)來定義非球面：
在式(9)中，Z為光軸OA方向的偏移量，c是密切球面的半徑的倒數，也就是接近光軸OA處的曲率半徑(如表三內S1~S10的曲率半徑)的倒數。k是二次曲面係數。h是非球面高度，即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度。A~G為非球面係數。表四所列出的是表面S1~S10的參數值。
利用圖2A的成像鏡頭200進行光學模擬，可得到圖2B～圖2E的光學表現的相關圖形。圖2B為成像鏡頭200的場曲的曲線圖。圖2C為成像鏡頭200的畸變的曲線圖。圖2D為成像鏡頭200的橫向色差的曲線圖。圖2E為成像鏡頭200的縱向色差的曲線圖。可注意到，圖2E的縱向色差的曲線圖中繪示了五條曲線，分別代表五個不同波長光經過成像透鏡200所產生的縱向色差。由上述圖2B～圖2E所顯示出的圖形，可知：第二實施例的成像鏡頭200可表現出良好的成像品質。
綜上所述，本發明的成像鏡頭至少具有以下的優點：
成像鏡頭包括：第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡及第五透鏡，且各自具有一面以上的非球面表面。並且，成像鏡頭還可具有：光圈以及透光元件。藉由滿足各光學元件的光學參數設計，以及遵循上述各光學元件的排列方式，可使得成像鏡頭得到優異的光學性能、較短的光學長度與光圈較大的特性，進而能夠應用在高畫素的薄型化的各種相機模組中，並達到理想的成像品質。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200‧‧‧成像鏡頭
110、210‧‧‧第一透鏡
115、215‧‧‧光圈
120、220‧‧‧第二透鏡
130、230‧‧‧第三透鏡
140、240‧‧‧第四透鏡
150、250‧‧‧第五透鏡
160、260‧‧‧透光元件
170、270‧‧‧像面
D‧‧‧光學全長
D12、D34、D45‧‧‧間隔
Dbf ‧‧‧鏡頭後焦長度
OA‧‧‧光軸
S1~S12‧‧‧表面
圖1A為本發明第一實施例的成像鏡頭100的示意圖。
圖1B為成像鏡頭100的場曲的曲線圖。
圖1C為成像鏡頭100的畸變的曲線圖。
圖1D為成像鏡頭100的橫向色差的曲線圖。
圖1E為成像鏡頭100的縱向色差的曲線圖。
圖2A為本發明第二實施例的成像鏡頭200的示意圖。
圖2B為成像鏡頭200的場曲的曲線圖。
圖2C為成像鏡頭200的畸變的曲線圖。
圖2D為成像鏡頭200的橫向色差的曲線圖。
圖2E為成像鏡頭200的縱向色差的曲線圖。
100．．．成像鏡頭
110．．．第一透鏡
115．．．光圈
120．．．第二透鏡
130．．．第三透鏡
140．．．第四透鏡
150．．．第五透鏡
160．．．透光元件
170．．．像面
D．．．光學全長
D12、D34、D45．．．間隔
Dbf ．．．鏡頭後焦長度
OA．．．光軸
S1~S12．．．表面

Claims (9)

  1. 一種成像鏡頭，從一物側到一像側依序包括：一第一透鏡，含有一面以上的非球面；一第二透鏡，具有負光學能力，該第二透鏡的凸面朝向該物側、且含有一面以上的非球面；一第三透鏡，具有正光學能力，該第三透鏡的凹面朝向該物側、且含有一面以上的非球面；一第四透鏡，具有負光學能力，該第四透鏡的凹面朝向該像側、且含有一面以上的非球面；以及一第五透鏡，具有正光學能力，該第五透鏡的凸面朝向該物側、且含有一面以上的非球面，其中該成像鏡頭具有焦距f，該第一透鏡具有焦距f1，且該成像鏡頭滿足：0.65<<0.85。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的成像鏡頭，更包括：一光圈，設置於：從該第一透鏡的該物側的表面、到該第一透鏡的該像側的表面之間的位置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的成像鏡頭，其中，該第五透鏡具有至少兩個反曲點。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的成像鏡頭，其中，該成像鏡頭具有：一鏡頭後焦長度Dbf ，且從該第一透鏡的該物側的表面到一像面的距離設為光學全長D，滿足：0.25<Dbf /D。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的成像鏡頭，其中，從 該第一透鏡的該物側表面到一像面的距離設為光學全長D，且位於該像面的影像的半像高為ImaH，滿足：ImaH/D>0.59。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的成像鏡頭，其中，該第四透鏡的焦距為f4，該第五透鏡的焦距為f5，滿足：0.1<<0.3。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的成像鏡頭，其中，該成像鏡頭具有焦距f，該第一透鏡與該第二透鏡之間的間隔為D12，滿足：27<<195。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的成像鏡頭，其中，該第一透鏡與該第二透鏡之間的間隔為D12，該第三透鏡與該第四透鏡之間的間隔為D34，滿足：1<<7。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的成像鏡頭，其中，該成像鏡頭具有焦距f，該第四透鏡與該第五透鏡之間的間隔為D45，滿足：16<<26。
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