TWI620956B

TWI620956B - 廣角成像鏡片組

Info

Publication number: TWI620956B
Application number: TW106135807A
Authority: TW
Inventors: 廖陳成
Original assignee: 聲遠精密光學股份有限公司
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2018-04-11
Also published as: TW201917440A

Abstract

一種廣角成像鏡片組，其從物側至像側沿光軸依序包括第一透鏡、光圈、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡。第一透鏡至第四透鏡的屈光度依序為負、正、正、負。第一透鏡的物側面的光軸附近區域具有凸面部，其像側面的光軸附近區域具有凹面部。第三透鏡的像側面的光軸附近區域具有凸面部。第四透鏡的物側面的光軸附近區域具有凹面部，其像側面的光軸附近區域以及圓周附近區域分別具有凹面部與凸面部。廣角成像鏡片組滿足：0.25≦|f4/EFL|≦0.5，其中f4為第四透鏡的焦距，EFL為廣角成像鏡片組的有效焦距，|f4/EFL|為f4以及EFL兩者比例的絕對值。

Description

廣角成像鏡片組

本發明是有關於一種光學鏡片組，且特別是有關於一種廣角成像鏡片組。

近年來，除了可攜式電子產品的普及使得影像模組相關技術蓬勃發展之外，一些行車紀錄器、手機或者是遊戲機等也會搭配影像模組來提供攝像功能。

由於現行的電子裝置逐漸微型化，故裝載於影像模組上的光學鏡片組也需要符合體積小或重量輕等限制。然而，為了避免成像效果與品質下降，在縮減系統體積以及長度時仍要兼顧良好的光學性能。而目前具有廣角功能的光學鏡片組具有體積大以及長度長等缺點。因此，如何在縮短系統體積以及長度的同時，使具有廣角功能的光學鏡片組仍能保有良好的光學性能，便成為此領域研發人員亟欲解決的問題之一。

本發明提供一種廣角成像鏡片組，其具有體積小、廣視角以及良好的光學品質。

本發明的實施例提出一種廣角成像鏡片組，其從物側至像側沿一光軸依序包括第一透鏡、光圈、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡。第一透鏡至第四透鏡各自包括朝向物側且使成像光線通過的物側面及朝向像側且使成像光線通過的像側面。第一透鏡具有負屈光度。第一透鏡的物側面的光軸附近區域具有凸面部，且第一透鏡的像側面的光軸附近區域具有凹面部。第二透鏡具有正屈光度。第三透鏡具有正屈光度。第三透鏡的像側面的光軸附近區域具有凸面部。第四透鏡具有負屈光度。第四透鏡的物側面的光軸附近區域具有凹面部。第四透鏡的像側面的光軸附近區域具有凹面部。第四透鏡的像側面的圓周附近區域具有凸面部。廣角成像鏡片組滿足以下的條件：0.25≦|f4/EFL|≦0.5，其中f4為第四透鏡的焦距，EFL為廣角成像鏡片組的有效焦距，|f4/EFL|第四透鏡的焦距與廣角成像鏡片組的有效焦距比例的絕對值。

在本發明的一實施例中，上述的廣角成像鏡片組更滿足以下的條件：0.4≦f3/EFL≦0.8，其中f3為第三透鏡的焦距。

在本發明的一實施例中，上述的廣角成像鏡片組更滿足以下的條件：17≦V4≦30，其中V4為第四透鏡的色散係數。

在本發明的一實施例中，上述的第一透鏡至第四透鏡的材料為塑膠。

在本發明的一實施例中，上述的第一透鏡至第四透鏡中的這些物側面與這些像側面為非球面。

在本發明的一實施例中，上述的第一透鏡的物側面具有一位於圓周附近區域的凸面部，且第一透鏡的像側面具有一位於圓周附近區域的凹面部。

在本發明的一實施例中，上述的第二透鏡的物側面具有一位於光軸附近區域的凸面部，第二透鏡的物側面具有一位於圓周附近區域的凸面部，第二透鏡的像側面具有一位於光軸附近區域的凸面部，且第二透鏡的像側面具有一位於圓周附近區域的凸面部。

在本發明的一實施例中，上述的第四透鏡的物側面具有一位於光軸附近區域的凹面部與一位於圓周附近區域的凹面部，且第四透鏡的像側面具有一位於光軸附近區域的凹面部與一位於圓周附近區域的凸面部。

在本發明的一實施例中，上述的廣角成像鏡片組更包括濾光片。濾光片位於第四透鏡與廣角成像鏡片組的成像面之間。

基於上述，本發明的實施例的廣角成像鏡片組的有益效果在於：藉由上述透鏡的物側面或像側面的凹凸形狀設計與排列以及上述透鏡的屈光度組合，可使廣角成像鏡片組在縮短系統體積以及長度的同時，且能夠達到廣視角的效果，仍能保有良好的光學性能，並提供良好的成像品質。

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。

2‧‧‧光圈

3‧‧‧第一透鏡

4‧‧‧第二透鏡

5‧‧‧第三透鏡

6‧‧‧第四透鏡

9‧‧‧濾光片

31、41、51、61、91‧‧‧物側面

32、42、52、62、92‧‧‧像側面

311、313、411、421、423、511、513、521、523、623‧‧‧凸面部

322、324、514、612、614、622‧‧‧凹面部

10‧‧‧廣角成像鏡片組

100‧‧‧成像面

I‧‧‧光軸

圖1A是依照本發明的第一實施例的一種廣角成像鏡片組的示意圖。

圖1B是圖1A中的廣角成像鏡片組的橫向光線扇形圖。

圖1C是圖1A中的廣角成像鏡片組在弧矢方向以及子午方向上的場曲像差。

圖1D是圖1A中的廣角成像鏡片組在波長550奈米時在成像面上的畸變像差。

圖1E為圖1A中的廣角成像鏡片組的光學轉移函數曲線圖。

圖2A是依照本發明的第二實施例的一種廣角成像鏡片組的示意圖。

圖2B是圖2A中的廣角成像鏡片組的橫向光線扇形圖。

圖2C是圖2A中的廣角成像鏡片組在弧矢方向以及子午方向上的場曲像差。

圖2D是圖2A中的廣角成像鏡片組在波長550奈米時在成像面上的畸變像差。

圖2E為圖2A中的廣角成像鏡片組的光學轉移函數曲線圖。

圖3A是依照本發明的第三實施例的一種廣角成像鏡片組的示意圖。

圖3B是圖3A中的廣角成像鏡片組的橫向光線扇形圖。

圖3C是圖3A中的廣角成像鏡片組在弧矢方向以及子午方向上的場曲像差。

圖3D是圖3A中的廣角成像鏡片組在波長550奈米時在成像面上的畸變像差。

圖3E為圖3A中的廣角成像鏡片組的光學轉移函數曲線圖。

在本說明書中，「透鏡具有正屈光力(或負屈光力)」是指所述透鏡以高斯光學理論計算出來之光軸上的屈光力為正(或為負)。在廣角成像鏡片組中，每一透鏡以光軸為對稱軸徑向地相互對稱。每一透鏡具有物側面及相對於物側面的像側面。物側面及像側面定義為成像光線通過的範圍，其中成像光線包括了主光線(Chief Ray)及邊緣光線(Marginal Ray)。物側面(或像側面)具有光軸附近區域以及連接且環繞光軸附近區域的圓周附近區域。光軸附近區域為成像光線通過光軸上的區域。圓周附近區域為被邊緣光線通過的區域。

「透鏡的一表面(物側面或像側面)為凸面或凹面」是以所述表面在光軸附近區域的R值(指近軸的曲率半徑)的正負來判斷。以物側面來說，當R值為正時，判定物側面為凸面，亦即物側面在光軸附近區域具有凸面部(convex portion)。當R值為負時，判定物側面為凹面，亦即物側面在光軸附近區域具有凹面部(concave portion)。以像側面來說，當R值為正時，判定像側面為凹面，亦即像側面在光軸附近區域具有凹面部；當R值為負時，判定像側面為凸面，亦即像側面在光軸附近區域具有凸面部。

透鏡的一表面(物側面或像側面)可具有一個以上的凸面部、一個以上的凹面部或上述兩者的組合。當所述表面具有凸面部以及凹面部時，所述表面具有反曲點。反曲點即凸面部與凹面部之間的轉換點。也就是說，所述表面在反曲點由凸轉凹，或由凹轉凸。另一方面，當所述表面僅具有凸面部或僅具有凹面部時，所述表面不具有反曲點。

圖1A是依照本發明的第一實施例的一種廣角成像鏡片組的示意圖。圖1B是圖1A中的廣角成像鏡片組的橫向光線扇形圖(Transverse Ray Fan Plot)。圖1C是圖1A中的廣角成像鏡片組在弧矢(Sagittal)方向以及子午(Tangential)方向上的場曲(Field Curvature)像差。圖1D是圖1A中的廣角成像鏡片組在波長550奈米時在成像面上的畸變像差(Distortion Aberration)。圖1E為圖1A中的廣角成像鏡片組的光學轉移函數曲線圖(Modulation transfer function,MTF)。

請參照圖1A，本發明的第一實施例的廣角成像鏡片組10從物側至像側沿光軸I依序包括第一透鏡3、光圈2、第二透鏡4、第三透鏡5以及第四透鏡6以及濾光片9。物側是朝向待拍攝物的一側，而像側是朝向成像面(Image Plane)100的一側。由待拍攝物所發出的光線進入廣角成像鏡片組10之後，會依序通過第一透鏡3、光圈2、第二透鏡4、第三透鏡5、第四透鏡6以及濾光片9，然後在成像面100形成影像。濾光片9例如為紅外線截止片(IR cut filter)，用於防止光線中的部分波段的紅外線透射至成像面100而影響成像品質，但本發明並不以此為限。

第一透鏡3、第二透鏡4、第三透鏡5、第四透鏡6以及濾光片9各自包括朝向物側且使成像光線通過的物側面31、41、51、61、91及朝向像側且使成像光線通過的像側面32、42、52、62、92。

第一透鏡3具有負屈光度。第一透鏡3的物側面31為凸面，且具有一位於光軸附近區域的凸面部311與一位於圓周附近區域的凸面部313。第一透鏡3的像側面32為凹面，且具有一位於光軸附近區域的凹面部322以及一位於圓周附近區域的凹面部324。

光圈2設置於第一透鏡3與第二透鏡4之間。

第二透鏡4具有正屈光度。第二透鏡4的物側面41具有一位於光軸附近區域的凸面部411與一位於圓周附近區域的凸面部。第二透鏡4的像側面42為凸面，且具有一位於光軸附近區域的凸面部421與一位於圓周附近區域的凸面部423。

第三透鏡5具有正屈光度。第三透鏡5的物側面51具有一位於光軸附近區域的凸面部511與一位於圓周附近區域的凹面部514。第三透鏡5的像側面52具有一位於光軸附近區域的凸面部521以及一位於圓周附近區域的凸面部523。

第四透鏡6具有負屈光度。第四透鏡6的物側面61具有一位於光軸附近區域的凹面部612與一位於圓周附近區域的凹面部614。第四透鏡6的像側面62具有一位於光軸附近區域的凹面部622與一位於圓周附近區域的凸面部623。

為了進一步降低廣角成像鏡片組10的整體重量，第一透鏡1至第四透鏡6的材料例如皆是塑膠。於一實施例中，第一透鏡1至第四透鏡6的材料也可以是一部分為玻璃而另一部分為塑膠，可以更進一步提升整體廣角成像鏡片組10熱穩定的效果。於又一實施例中，第一透鏡3至第四透鏡6的材料可以是玻璃。

第一實施例的其他詳細光學數據如下方表一所示。於表一中，第一透鏡3的物側面31所對應的距離(毫米，mm)為0.300代表第一透鏡3的物側面31到下一個面(即像側面32)在光軸I上的距離，即第一透鏡3在光軸I上的厚度。同理，第一透鏡3的像側面32所對應的距離(mm)為0.231代表第一透鏡3的像側面32到第二透鏡4的物側面41在光軸I上的距離為0.700mm。距離(mm)的其它欄位可依此類推，下文便不再重述。

在本實施例中，第一透鏡3、第二透鏡4、第三透鏡5以及第四透鏡6的物側面31、41、51、61及像側面32、42、52、62共計八個面均是非球面，而這些非球面是依公式(1)定義：

在公式(1)中，Y為非球面曲線上的點與光軸I的距離。Z為非球面之深度。R為透鏡表面近光軸I處的曲率半徑。K為錐面係數(Conic Constant)。A _i為第i階非球面係數。

第一透鏡3的物側面31到第四透鏡6的像側面62在公式(1)中的各項非球面係數如表二所示。其中，表二中欄位編號31表示其為第一透鏡3的物側面31的非球面係數，其它欄位可依此類推。

第一實施例的廣角成像鏡片組10中各重要參數間的關係如表三所示。

第一實施例的廣角成像鏡片組10的整體系統焦距(Focal Length)為2.56毫米，F值(F number/或稱光圈值)為2.8，系統總長(TTL)代表的是第一透鏡3的物側面31沿著光軸I至成像面100的距離，且第一實施例的廣角成像鏡片組10的系統總長4.47毫米。視場角(FOV)為120度。

請參照圖1B，其中橫軸為光線通過光圈2的位置，縱軸為光線投射至像平面100的位置。請參照圖1C，可看出在弧矢(以S標記)方向上以及子午(以T標記)方向上的場曲在整個視場範圍內的焦距變化量落在±0.04毫米內，說明本第一實施例的廣角成像鏡片組能夠有效消除像差。請參照圖1D，由圖1D的畸變像差圖式則顯示本第一實施例的畸變像差維持在±50%的範圍內，說明本第一實施例的畸變像差已符合光學系統的成像品質要求。請參照圖1E，其橫軸為每週期/毫米之空間頻率(Spatial Frequency in Cycles Per Millimeter)，縱軸是光學轉移函數的模數(modulus of the OTF)，且在圖1E中是以波長介於470奈米與650奈米之間的光所做的模擬數據圖。由上述的圖形結果可知，其所顯示的圖形均在標準的範圍內，並且根據表三可知，本第一實施例的廣角成像鏡片組10相較於現有光學鏡頭，在系統長度縮短至4.47毫米左右的條件下，仍然具有良好的光學成像品質。此外，本第一實施例的廣角成像鏡片組10的視場角可以達到120度，具有廣視角的效果。

圖2A為本發明的第二實施例的廣角成像鏡片組的示意圖。圖2B是圖2A中的廣角成像鏡片組的橫向光線扇形圖。圖2C是圖2A中的廣角成像鏡片組在弧矢方向以及子午方向上的場曲像差。圖2D是圖2A中的廣角成像鏡片組在波長550奈米時在成像面上的畸變像差。圖2E為圖2A中的廣角成像鏡片組的光學轉移函數曲線圖。

請先參照圖2A，本發明廣角成像鏡片組10的一第二實施例，其與第一實施例大致相似，而兩者的差異如下所述，各光學數據、非球面係數及這些透鏡3、4、5及6間的參數或多或少有些不同。此外，在本實施例中，第三透鏡5的物側面51為凸面，且具有一位於光軸附近區域的凸面部511以及圓周附近區域的凸面部513。在此需注意的是，為了清楚地顯示圖面，圖2中省略與第一實施例相同的凹面部與凸面部的標號。

第二實施例的其他詳細光學數據如下方表四所示。第二實施例的第一透鏡3的物側面31到第四透鏡6的像側面62在公式(1)中的各項非球面係數如表五所示。

第二實施例的廣角成像鏡片組10中各重要參數間的關係如表六所示。

第二實施例的廣角成像鏡片組10的整體系統焦距(Focal Length)為2.09毫米，F值(F number/或稱光圈值)為2.7，系統總長(TTL)3.84毫米。視場角(FOV)為120度。

請參照圖2C，可看出在弧矢(以S標記)方向上以及子午(以T標記)方向上的場曲在整個視場範圍內的焦距變化量落在±0.04毫米內，說明本第二實施例的廣角成像鏡片組能夠有效消除像差。請參照圖2D，由圖2D的畸變像差圖式則顯示本第二實施例的畸變像差維持在±50%的範圍內，說明本第二實施例的畸變像差已符合光學系統的成像品質要求。由圖2A至圖2E的圖形結果可知，其所顯示的圖形均在標準的範圍內，並且根據表六可知，本第二實施例的廣角成像鏡片組10相較於現有光學鏡頭，在系統長度縮短至3.84毫米左右的條件下，仍然具有良好的光學成像品質。此外，本第二實施例的廣角成像鏡片組10的視場角可以達到120度，具有廣視角的效果。

圖3A為本發明的第三實施例的廣角成像鏡片組的示意圖。圖3B是圖3A中的廣角成像鏡片組的橫向光線扇形圖。圖3C是圖3A中的廣角成像鏡片組在弧矢方向以及子午方向上的場曲像差。圖3D是圖3A中的廣角成像鏡片組在波長550奈米時在成像面上的畸變像差。圖3E為圖3A中的廣角成像鏡片組的光學轉移函數曲線圖。

請先參照圖3A，本發明廣角成像鏡片組10的一第三實施例，其與第一實施例大致相似，而兩者的差異如下所述，各光學數據、非球面係數及這些透鏡3、4、5及6間的參數或多或少有些不同。此外，在本第三實施例中，第三透鏡5的物側面51為凸面，且具有一位於光軸附近區域的凸面部511以及圓周附近區域的凸面部513。在此需注意的是，為了清楚地顯示圖面，圖3中省略與第一實施例相同的凹面部與凸面部的標號。

第三實施例的其他詳細光學數據如下方表七所示。第三實施例的第一透鏡3的物側面31到第四透鏡6的像側面62在公式(1)中的各項非球面係數如表八所示。

第三實施例的廣角成像鏡片組10中各重要參數間的關係如表八所示。

第三實施例的廣角成像鏡片組10的整體系統焦距(Focal Length)為2.09毫米，F值(F number/或稱光圈值)為2.7，系統總長(TTL)4毫米。視場角(FOV)為120度。

請參照圖3C，可看出在弧矢(以S標記)方向上以及子午(以T標記)方向上的場曲在整個視場範圍內的焦距變化量落在±0.04毫米內，說明本第三實施例的廣角成像鏡片組能夠有效消除像差。請參照圖3D，由圖3D的畸變像差圖式則顯示本第三實施例的畸變像差維持在±43%的範圍內，說明本第三實施例的畸變像差已符合光學系統的成像品質要求。由圖3A至圖3E的圖形結果可知，其所顯示的圖形均在標準的範圍內，並且根據表八可知，本第三實施例的廣角成像鏡片組10相較於現有光學鏡頭，在系統長度縮短至4毫米左右的條件下，仍然具有良好的光學成像品質。此外，本第三實施例的廣角成像鏡片組10的視場角可以達到120度，具有廣視角的效果。

有鑑於光學系統設計的不可預測性，在本發明的架構之下，符合下述條件式的其中至少一者能較佳地使系統的成像品質提升而改善先前技術的缺點。

接著，在上述的實施例中，廣角成像鏡片組10滿足以下的條件：0.4≦f3/EFL≦0.8。f3為第三透鏡5的焦距。於上述的範圍內，上述的實施例的廣角成像鏡片組10可以構成系統主焦距。倘若f3/EFL高於上限值0.8，則會使系統長度過長。倘若f3/EFL低於下限值0.4容易造成場曲嚴重。

另外，在上述的實施例中，廣角成像鏡片組10滿足以下的條件：17<V4≦30。V4為第四透鏡6的色散係數。於上述的範圍內，上述的實施例的廣角成像鏡片組10可以適當地矯正色差。倘若V4高於上限值30，則光學系統的色差無法矯正。倘若V4低於下限值17則會使光學系統的色差過度矯正。

綜上所述，本發明的實施例的廣角成像鏡片組至少可獲致以下的功效以及優點：藉由上述透鏡的物側面或像側面的凹凸形狀設計與排列以及上述透鏡的屈光度組合，可使廣角成像鏡片組在縮短系統體積以及長度的同時，仍能保有良好的光學性能，且能夠達到廣視角的效果，並提供良好的成像品質。進一步來說，當滿足條件式：0.25≦|f4/EFL|≦0.5時，可有效平衡光學系統中的場曲與色差。當滿足條件式：0.4≦f3/EFL≦0.8時，可以提供系統主焦距，並且可以使系統長度不會過長以及場曲的現象較不明顯。當滿足條件式：17<V4≦30時，可以適當地矯正色差。

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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種廣角成像鏡片組，從物側至像側沿一光軸依序包括一第一透鏡、一光圈、一第二透鏡、一第三透鏡以及一第四透鏡，其中該第一透鏡至該第四透鏡各自包括一朝向物側且使成像光線通過的物側面及一朝向像側且使成像光線通過的像側面；該第一透鏡，具有負屈光度，該第一透鏡的該物側面的光軸附近區域具有一凸面部，且該第一透鏡的該像側面的光軸附近區域具有一凹面部；該第二透鏡，具有正屈光度；該第三透鏡，具有正屈光度，該第三透鏡的該物側面具有一位於光軸附近區域的凸面部，該第三透鏡的該像側面的光軸附近區域具有一凸面部；以及該第四透鏡，具有負屈光度，該第四透鏡的該物側面的光軸附近區域具有一凹面部，該第四透鏡的該像側面的光軸附近區域具有一凹面部，該第四透鏡的該像側面的圓周附近區域具有一凸面部，且該廣角成像鏡片組滿足以下的條件：0.25≦|f4/EFL|≦0.5，其中，f4為該第四透鏡的焦距，EFL為該廣角成像鏡片組的有效焦距，|f4/EFL|該第四透鏡的焦距與該廣角成像鏡片組的有效焦距比例的絕對值。
如申請專利範圍第1項所述的廣角成像鏡片組，其中該廣角成像鏡片組更滿足以下的條件：0.4≦f3/EFL≦0.8，其中，f3為該第三透鏡的焦距。
如申請專利範圍第1項所述的廣角成像鏡片組，其中該該廣角成像鏡片組更滿足以下的條件：17≦V4≦30，其中，V4為該第四透鏡的色散係數。
如申請專利範圍第1項所述的廣角成像鏡片組，其中該第一透鏡至該第四透鏡的材料為塑膠。
如申請專利範圍第1項所述的廣角成像鏡片組，其中該第一透鏡至該第四透鏡中的該些物側面與該些像側面為非球面。
如申請專利範圍第1項所述的廣角成像鏡片組，其中該第一透鏡的該物側面具有一位於圓周附近區域的凸面部，且該第一透鏡的該像側面具有一位於圓周附近區域的凹面部。
如申請專利範圍第1項所述的廣角成像鏡片組，其中該第二透鏡的該物側面具有一位於光軸附近區域的凸面部，該第二透鏡的該物側面具有一位於圓周附近區域的凸面部，該第二透鏡的該像側面具有一位於光軸附近區域的凸面部，且該第二透鏡的該像側面具有一位於圓周附近區域的凸面部。
如申請專利範圍第1項所述的廣角成像鏡片組，其中該第三透鏡的該像側面具有一位於光軸附近區域的凸面部以及一位於圓周附近區域的凸面部。
如申請專利範圍第1項所述的廣角成像鏡片組，其中該第四透鏡的該物側面具有一位於圓周附近區域的凹面部。
如申請專利範圍第1項所述的廣角成像鏡片組，更包括一濾光片，位於該第四透鏡與該廣角成像鏡片組的成像面之間。