TWI588521B - 成像鏡頭 - Google Patents

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陳慧卿
陳堅美
魏健
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成像鏡頭
本發明係有關於一種成像鏡頭。
現今的測距裝置之發展趨勢是不斷的朝向小型化發展，使得測距裝置所使用的成像鏡頭也需往小型化發展，習知的測距裝置之成像鏡頭體機較大，已經無法滿足現今的需求，需要有另一種新架構的成像鏡頭，才能同時滿足小型化、高解析度的需求。
有鑑於此，本發明之主要目的在於提供一種成像鏡頭，其鏡頭總長度短小、具備高解析度，但是仍具有良好的光學性能。
本發明之成像鏡頭沿著光軸從物側至像側依序包括一光圈、一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡。第一透鏡為一平凸透鏡具有正屈光力且包括一凸面，此凸面朝向物側。第二透鏡具有負屈光力。第三透鏡具有正屈光力且包括一凸面，此凸面朝向物側，並滿足以下條件：0<f3/f<1，其中f3為第三透鏡之有效焦距，f為成像鏡頭之有效焦距。
其中第一透鏡滿足以下條件：0<f1/f<1；其中，f1為第一透鏡之有效焦距，f為成像鏡頭之有效焦距。
其中第二透鏡群滿足以下條件：f2/f<0；其中，f2為第二透鏡之有效焦距，f為成像鏡頭之有效焦距。
其中成像鏡頭滿足以下條件：0<BFL/TTL<1；其中，BFL 為第三透鏡之像側面至一成像面於光軸上之距離，TTL為第一透鏡之物側面至成像面於光軸上之距離。
其中第一透鏡及第二透鏡為球面透鏡。
其中第三透鏡為非球面透鏡。
其中第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡係由塑膠材質製成。
本發明之成像鏡頭可更包括一濾光片，設置於第三透鏡與像側之間。
其中第二透鏡為一雙凹透鏡，第三透鏡為一雙凸透鏡。
為使本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例並配合所附圖式做詳細說明。
1、2‧‧‧成像鏡頭
ST1、ST2‧‧‧光圈
L11、L21‧‧‧第一透鏡
L12、L22‧‧‧第二透鏡
L13、L23‧‧‧第三透鏡
OA1、OA2‧‧‧光軸
OF1、OF2‧‧‧濾光片
IMA1、IMA2‧‧‧成像面
S11、S12、S13、S14、S15‧‧‧面
S16、S17、S18、S19‧‧‧面
S21、S22、S23、S24、S25‧‧‧面
S26、S27、S28、S29‧‧‧面
第1圖係依據本發明之成像鏡頭之第一實施例的透鏡配置與光路示意圖。
第2A圖係第1圖之成像鏡頭之縱向像差圖。
第2B圖係第1圖之成像鏡頭之場曲圖。
第2C圖係第1圖之成像鏡頭之畸變圖。
第2D圖係第1圖之成像鏡頭之橫向光扇圖。
第2E圖係第1圖之成像鏡頭之橫向光扇圖。
第2F圖係第1圖之成像鏡頭之橫向光扇圖。
第2G圖係第1圖之成像鏡頭之橫向色差圖。
第2H圖係第1圖之成像鏡頭之調變轉換函數圖。
第2I圖係第1圖之成像鏡頭之光點圖。
第2J圖係第1圖之成像鏡頭之光點圖。
第2K圖係第1圖之成像鏡頭之光點圖。
第3圖係依據本發明之成像鏡頭之第二實施例的透鏡配置與光路示意圖。
第4A圖係第3圖之成像鏡頭之縱向像差圖。
第4B圖係第3圖之成像鏡頭之場曲圖。
第4C圖係第3圖之成像鏡頭之畸變圖。
第4D圖係第3圖之成像鏡頭之橫向光扇圖。
第4E圖係第3圖之成像鏡頭之橫向光扇圖。
第4F圖係第3圖之成像鏡頭之橫向光扇圖。
第4G圖係第3圖之成像鏡頭之橫向色差圖。
第4H圖係第3圖之成像鏡頭之調變轉換函數圖。
第4I圖係第3圖之成像鏡頭之光點圖。
第4J圖係第3圖之成像鏡頭之光點圖。
第4K圖係3圖之成像鏡頭之光點圖。
請參閱第1圖，第1圖係依據本發明之成像鏡頭之第一實施例的透鏡配置與光路示意圖。成像鏡頭1沿著光軸OA1從物側至像側依序包括一光圈ST1、一第一透鏡L11、一第二透鏡L12、一第三透鏡L13及一濾光片OF1。成像時，來自物側之光線最後成像於一成像面IMA1上。第一透鏡L11為平凸透鏡具有正屈光力由塑膠材質製成，其物側面S12為凸面，像側面S13為平面，物側面S12為球面表面。第二透鏡L12為雙凹透鏡具有負屈光力由塑膠材質製成，其物側面S14與像側面S15皆為球面表面。第三透鏡L13為雙凸透鏡具有正屈光力由塑膠材質製成，其物側面S16與像側面S17皆為非球面表面。濾光片OF1其物側面S18與像側面S19皆 為平面。
另外，為使本發明之成像鏡頭能保持良好的光學性能，本實施例中的成像鏡頭1需滿足底下四條件：0<f11/f1<1 (1)
f12/f1<0 (2)
0<f13/f1<1 (3)
0<BFL1/TTL1<1 (4)
其中，f1為成像鏡頭1之有效焦距，f11為第一透鏡L11之有效焦距，其滿足下列條件：0<f11/f1<1。因此，藉由適當調整第一透鏡L11之正屈光力，有助於縮短成像鏡頭1之總長度。
f1為成像鏡頭1之有效焦距，f12為第二透鏡L12之有效焦距，其滿足下列條件：f12/f1<0。藉此適當調整第二透鏡L12之負屈光力，可有效對於具有正屈光力的第一透鏡所產生的像差作補正。
f1為成像鏡頭1之有效焦距，f13為第三透鏡L13之有效焦距，其滿足下列條件：0<f13/f1<1。藉由適當調整第三透鏡L13之正屈光力，使得該成像鏡頭1具有更短的總長度，讓光線經透鏡後的折射變化較為和緩，可有效減緩像差的產生與周邊亮度的損失。
BFL1為第三透鏡L13之像側面S17至成像面IMA1於光軸OA1上之距離，TTL1為第一透鏡L11之物側面S12至成像面IMA1於光軸OA1上之距離，其滿足下列條件：0<BFL1/TTL1<1。可確保光學系統具有足夠的後焦距供成像鏡頭1組裝及調焦。
利用上述透鏡、光圈ST1之設計，使得成像鏡頭1能縮短鏡頭總長度、有效的修正像差、提升鏡頭解析度。
表一為第1圖中成像鏡頭1之各透鏡之相關參數表，其中 曲率半徑、間距的單位為mm，且表面序號11-19依序表示由物側至像側的表面。表一資料顯示本實施例之成像鏡頭1之有效焦距等於9.984mm、光圈值等於3.0、鏡頭總長度等於15.4647mm。
表一中各個透鏡之非球面表面凹陷度z由下列公式所得到：z=ch2/{1+[1-(k+1)c2h2]1/2}+Ah4+Bh6+Ch8+Dh10+Eh12+Fh14
其中：c：曲率；h：透鏡表面任一點至光軸之垂直距離； k：圓錐係數；A~F：非球面係數。
表二為表一中各個透鏡之非球面表面之相關參數表，其中k為圓錐係數(Conic Constant)、A~F為非球面係數。
第一實施例之成像鏡頭1，其有效焦距f1=9.984mm，第一透鏡L11之有效焦距f11=9.7315mm，第二透鏡L12之有效焦距f12=-3.6720mm，第三透鏡L13之有效焦距f13=4.7707mm，第三透鏡L13之像側面S17至成像面IMA1於光軸OA1上之距離BFL1=9.9921mm，第一透鏡L11之物側面S12至成像面IMA1於光軸OA1上之距離TTL1=15.4647mm，關於BFL1，0(S17的間距)+0.4(S18的間距)+9.5921(S19的間距)=9.9921mm，其中S17的間距是由第三透鏡L13的像側到濾光片(OF1)的物側，S18的間距是由濾光片(OF1)的物側到濾光片(OF1)的像側，以及S19的間距是由濾光片(OF1)的像側到成像面(IMA1)，由上述資料可得到f11/f1=0.975、f12/f1=-0.368、f13/f1=0.478、BFL1/TTL1=0.646，皆能滿足上述條件(1)至條件(4)之要求。
另外，第一實施例之成像鏡頭1的光學性能也可達到要求，這可從第2A至第2K圖看出。第2A圖所示的，是第一實施例之成像鏡頭1 的縱向像差(Longitudinal Aberration)圖。第2B圖所示的，是第一實施例之成像鏡頭1的場曲(Field Curvature)圖。第2C圖所示的，是第一實施例之成像鏡頭1的畸變(Distortion)圖。第2D、2E、2F圖所示的，是第一實施例之成像鏡頭1的橫向光扇(Transverse Ray Fan)圖。第2G圖所示的，是第一實施例之成像鏡頭1的橫向色差(Lateral Color)圖。第2H圖所示的，是第一實施例之成像鏡頭1的調變轉換函數(Modulation Transfer Function)圖。第2I、2J、2K圖所示的，是第一實施例之成像鏡頭1的光點圖(Spot Diagram)。
由第2A圖可看出，第一實施例之成像鏡頭1對波長為0.486μm、0.588μm、0.656μm、0.750μm之光線所產生的縱向像差值介於-0.15mm至0.12mm之間。由第2B圖可看出，第一實施例之成像鏡頭1對波長為0.486μm、0.588μm、0.656μm、0.750μm之光線，於子午(Tangential)方向與弧矢(Sagittal)方向之場曲介於-0.08mm至0.12mm之間。由第2C圖(圖中的四條線幾乎重合，以致於看起來只有一條線)可看出，第一實施例之成像鏡頭1對波長為0.486μm、0.588μm、0.656μm、0.750μm之光線所產生的畸變介於-0.7%至0%之間。由第2D圖、第2E圖、第2F圖可看出，第一實施例之成像鏡頭1對波長為0.486μm、0.588μm、0.656μm、0.750μm之光線於視場高度分別為0.0000mm、0.9000mm、1.5000mm所產生的橫向像差值介於-56.5μm至51.2μm。由第2G圖可看出，第一實施例之成像鏡頭1以波長等於0.588μm為參考波長，對波長為0.486μm、0.588μm、0.656μm、0.750μm之光線於不同視場高度所產生的橫向色差值介於-3.5μm至4.0μm之間。由第2H圖可看出，第一實施例之成像鏡頭1對波長範圍介於0.486μm至0.750μm之光線，分別於子午(Tangential)方向與弧矢(Sagittal)方向，視場高度分別為0.0000mm、0.6000mm、0.9000mm、1.2000mm、1.5000mm，空間頻率介於0 lp/mm至138 lp/mm， 其調變轉換函數值介於0.07至1.0之間。由第2I圖、第2J圖、第2K圖可看出，第一實施例之成像鏡頭1對波長為0.486μm、0.588μm、0.656μm、0.750μm之光線，於視場高度分別為0.000mm、0.900mm、1.502mm處，其所對應之光點的均方根(Root Mean Square)半徑分別為6.761μm、9.945μm、10.264μm，其所對應之光點的幾何(Geometrical)半徑分別為17.258μm、44.416μm、37.688μm。顯見第一實施例之成像鏡頭1之縱向像差、場曲、畸變、橫向像差、橫向色差都能被有效修正，影像解析度也能滿足要求，從而得到較佳的光學性能。
請參閱第3圖，第3圖係依據本發明之成像鏡頭之第二實施例的透鏡配置與光路示意圖。成像鏡頭2沿著光軸OA2從物側至像側依序包括一光圈ST2、一第一透鏡L21、一第二透鏡L22、一第三透鏡L23及一濾光片OF2。成像時，來自物側之光線最後成像於一成像面IMA2上。第一透鏡L21為平凸透鏡具有正屈光力由塑膠材質製成，其物側面S22為凸面，像側面S23為平面，物側面S22與像側面S23皆為球面表面。第二透鏡L22為雙凹透鏡具有負屈光力由塑膠材質製成，其物側面S24與像側面S25皆為球面表面。第三透鏡L23為雙凸透鏡具有正屈光力由塑膠材質製成，其物側面S26與像側面S27皆為非球面表面。濾光片OF2其物側面S28與像側面S29皆為平面。
另外，為使本發明之成像鏡頭能保持良好的光學性能，第二實施例中的成像鏡頭2需滿足底下四條件：0<f21/f2<1 (5)
f22/f2<0 (6)
0<f23/f2<1 (7)
0<BFL2/TTL2<1 (8)
其中，f2為成像鏡頭2之有效焦距，f21為第一透鏡L21之有效焦距，其滿足下列條件：0<f21/f2<1。因此，藉由適當調整第一透鏡L21之正屈光力，有助於縮短成像鏡頭1之總長度。
f2為成像鏡頭2之有效焦距，f22為第二透鏡L22之有效焦距，其滿足下列條件：f22/f2<0。藉此適當調整第二透鏡L22之負屈光力，可有效對於具有正屈光力的第一透鏡L21所產生的像差作補正。
f2為成像鏡頭2之有效焦距，f23為第三透鏡L23之有效焦距，其滿足下列條件：0<f23/f2<1。藉由適當調整第三透鏡L23之正屈光力，使得該成像鏡頭1具有更短的總長度，讓光線經透鏡後的折射變化較為和緩，可有效減緩像差的產生與周邊亮度的損失。
BFL2為第三透鏡L23之像側面S27至成像面IMA2於光軸OA2上之距離，TTL2為第一透鏡L21之物側面S22至成像面IMA2於光軸OA2上之距離，其滿足下列條件：0<BFL2/TTL2<1。可確保光學系統具有足夠的後焦距供成像鏡頭2組裝及調焦。
利用上述透鏡、光圈ST2之設計，使得成像鏡頭2能縮短鏡頭總長度、有效的修正像差、提升鏡頭解析度。
表三為第3圖中成像鏡頭2之各透鏡之相關參數表，其中曲率半徑、間距的單位為mm，且表面序號21-29依序表示由物側至像側的表面。表三資料顯示本實施例之成像鏡頭2之有效焦距等於9.4848mm、光圈值等於3.0、鏡頭總長度等於14.7115mm。
表三中各個透鏡之非球面表面凹陷度z由下列公式所得到：z=ch2/{1+[1-(k+1)c2h2]1/2}+Ah4+Bh6+Ch8+Dh10+Eh12+Fh14
其中：c：曲率；h：透鏡表面任一點至光軸之垂直距離；k：圓錐係數；A~F：非球面係數。
表四為表三中各個透鏡之非球面表面之相關參數表，其中k為圓錐係數(Conic Constant)、A~F為非球面係數。
第二實施例之成像鏡頭2，其有效焦距f2=9.4848mm，第一透鏡L21之有效焦距f21=9.2449mm，第二透鏡L22之有效焦距f22=-3.4884mm，第三透鏡L23之有效焦距f23=4.5322mm，第三透鏡L23之像側面S27至成像面IMA2於光軸OA2上之距離BFL2=9.5130mm，第一透鏡L21之物側面S22至成像面IMA2於光軸OA2上之距離TTL2=14.7115mm，關於BFL2，0(S27的間距)+0.4(S28的間距)+9.113(S29的間距)=9.5130mm，其中S27的間距是由第三透鏡L23的像側到濾光片(OF2)的物側，S28的間距是由濾光片(OF2)的物側到濾光片(OF2)的像側，以及S29的間距是由濾光片(OF2)的像側到成像面(IMA2)，由上述資料可得到f21/f2=0.975、f22/f2=-0.368、f23/f2=0.478、BFL2/TTL2=0.647，皆能滿足上述條件(5)至條件(8)之要求。
另外，第二實施例之成像鏡頭2的光學性能也可達到要求，這可從第4A至第4K圖看出。第4A圖所示的，是第二實施例之成像鏡頭2的縱向像差(Longitudinal Aberration)圖。第4B圖所示的，是第二實施例之成像鏡頭2的場曲(Field Curvature)圖。第4C圖所示的，是第二實施例之成像鏡頭2的畸變(Distortion)圖。第4D、4E、4F圖所示的，是第二實施例之成像鏡頭2的橫向光扇(Transverse Ray Fan)圖。第4G圖所示的，是第二實施例之成像鏡頭2的橫向色差(Lateral Color)圖。第4H圖所示的，是第二實施例之成像鏡頭2的調變轉換函數(Modulation Transfer Function)圖。第4I、4J、 4K圖所示的，是第二實施例之成像鏡頭2的光點圖(Spot Diagram)。
由第4A圖可看出，第二實施例之成像鏡頭2對波長為0.486μm、0.588μm、0.656μm、0.750μm之光線所產生的縱向像差值介於-0.16mm至0.10mm之間。由第4B圖可看出，第二實施例之成像鏡頭2對波長為0.486μm、0.588μm、0.656μm、0.750μm之光線，於子午(Tangential)方向與弧矢(Sagittal)方向之場曲介於-0.10mm至0.10mm之間。由第4C圖(圖中的四條線幾乎重合，以致於看起來只有一條線)可看出，第二實施例之成像鏡頭2對波長為0.486μm、0.588μm、0.656μm、0.750μm之光線所產生的畸變介於-0.8%至0%之間。由第4D圖、第4E圖、第4F圖可看出，第二實施例之成像鏡頭2對波長為0.486μm、0.588μm、0.656μm、0.750μm之光線於視場高度分別為0.0000mm、0.9000mm、1.5000mm所產生的橫向像差值介於-54.4μm至71.3μm。由第4G圖可看出，第二實施例之成像鏡頭2以波長等於0.588μm為參考波長，對波長為0.486μm、0.588μm、0.656μm、0.750μm之光線於不同視場高度所產生的橫向色差值介於-3.1μm至4.0μm之間。由第4H圖可看出，第二實施例之成像鏡頭2對波長範圍介於0.486μm至0.750μm之光線，分別於子午(Tangential)方向與弧矢(Sagittal)方向，視場高度分別為0.0000mm、0.6000mm、0.9000mm、1.2000mm、1.5000mm，空間頻率介於0 lp/mm至138 lp/mm，其調變轉換函數值介於0.15至1.0之間。由第4I圖、第4J圖、第4K圖可看出，第二實施例之成像鏡頭2對波長為0.486μm、0.588μm、0.656μm、0.750μm之光線，於視場高度分別為0.000mm、0.898mm、1.503mm處，其所對應之光點的均方根(Root Mean Square)半徑分別為10.488μm、15.797μm、15.348μm，其所對應之光點的幾何(Geometrical)半徑分別為18.625μm、42.478μm、44.617μm。顯見第二實施例之成像鏡頭2之縱 向像差、場曲、畸變、橫向像差、橫向色差都能被有效修正，影像解析度也能滿足要求，從而得到較佳的光學性能。
1‧‧‧成像鏡頭
ST1‧‧‧光圈
L11‧‧‧第一透鏡
L12‧‧‧第二透鏡
L13‧‧‧第三透鏡
OF1‧‧‧濾光片
OA1‧‧‧光軸
IMA1‧‧‧成像面
S11、S12、S13、S14、S15‧‧‧面
S16、S17、S18、S19‧‧‧面

Claims (9)

  1. 一種成像鏡頭，沿著光軸從物側至像側依序包括：一光圈；一第一透鏡，該第一透鏡為一平凸透鏡具有正屈光力，該第一透鏡包括一凸面，該凸面朝向該物側；一第二透鏡，該第二透鏡具有負屈光力；以及一第三透鏡，該第三透鏡具有正屈光力，該第三透鏡包括一凸面，該凸面朝向該物側；其中該第三透鏡滿足以下條件：0<f3/f<1其中，f3為該第三透鏡之有效焦距，f為該成像鏡頭之有效焦距。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之成像鏡頭，其中該第一透鏡滿足以下條件：0<f1/f<1其中，f1為該第一透鏡之有效焦距，f為該成像鏡頭之有效焦距。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之成像鏡頭，其中該第二透鏡滿足以下條件：f2/f<0其中，f2為該第二透鏡之有效焦距，f為該成像鏡頭之有效焦距。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之成像鏡頭，其中該成像鏡頭滿足以下條件：0<BFL/TTL<1 其中，BFL為該第三透鏡之像側面至一成像面於該光軸上之距離，TTL為該第一透鏡之物側面至該成像面於該光軸上之距離。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之成像鏡頭，其中該第一透鏡以及該第二透鏡為球面透鏡。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之成像鏡頭，其中該第三透鏡為非球面透鏡。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之成像鏡頭，其中該第一透鏡、該第二透鏡以及該第三透鏡係由塑膠材質製成。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之成像鏡頭，其更包括一濾光片，設置於該第三透鏡與該像側之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之成像鏡頭，其中該第二透鏡為一雙凹透鏡，該第三透鏡為一雙凸透鏡。
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