TWI628458B - 光學鏡頭 - Google Patents
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Abstract
一種光學鏡頭,包括分別具有負屈光度的第一透鏡群和正屈光度的第二透鏡群及設於二透鏡群之間的光圈,第一透鏡群的透鏡數目少於3,第二透鏡群的透鏡數目少於5且包括依序排列的第一透鏡、第二透鏡與第三透鏡,第一透鏡與第二透鏡為非球面透鏡,且第一透鏡與第二透鏡其中之一具有繞射面。
Description
本發明關於一種具繞射元件及日夜共焦表現的光學鏡頭。
近年來智慧家庭監視用攝影機有越來越蓬勃發展的趨勢,人們對於薄型化及光學性能的要求也越來越高。要滿足這樣需求的鏡頭,大致上需要具低成本、大光圈、廣視角、輕量化和日夜共焦(IR Correction)等特點。尤其是日夜共焦部分,傳統的方法必須使用低色散材質(萤石),但萤石材質的重量較重(約為一般玻璃的1.5倍),且成本較高(約為一般玻璃的18倍),如此就與低成本和輕型化的趨勢相牴觸了。因此,目前亟需一種能兼顧輕量化及日夜共焦,且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。
依據本發明之一觀點,提出一種光學鏡頭,包括分別具有負屈光度和正屈光度的二透鏡群及設於二透鏡群之間的光圈,具有負屈光度透鏡群的透鏡數目少於3,具有正屈光度透鏡群的透鏡數目少於5。具有正屈光度透鏡群包括依序排列的第一透鏡、第二透鏡與第三透鏡,第一透鏡與第二透鏡為非球面透鏡,且第一透鏡與第二透鏡其中之一具有繞射
面。
根據本發明提出之另一觀點,提出一種光學鏡頭,包括:第一透鏡群與第二透鏡群,以及設於第一透鏡群和第二透鏡群之間的光圈。其中,第一透鏡群包含具負屈光度的一透鏡。而第二透鏡群具有正屈光度,且第二透鏡群包括遠離光圈方向依序排列的第一透鏡、第二透鏡與第三透鏡。第一透鏡為非球面透鏡,且第一透鏡與第二透鏡其中之一具有一繞射面。光學鏡頭並符合下列條件:以587奈米光線通過光學鏡頭所形成的第一焦平面與光學鏡頭的光軸所形成之交點,稱為第一交點,以850奈米光線通過光學鏡頭所形成的第二焦平面與光學鏡頭光軸的交點,稱為第二交點,而第二交點相對於第一交點的偏移量小於10微米。
藉由本發明實施例的設計,可提供一種能兼顧輕量化及日夜共焦,且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的光學鏡頭設計。
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。為讓本發明之上述和其他目的、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。
10a-10b‧‧‧光學鏡頭
12‧‧‧光軸
14‧‧‧光圈
16‧‧‧玻璃蓋
18‧‧‧成像平面
19‧‧‧繞射光學元件結構
20‧‧‧第一透鏡群
30‧‧‧第二透鏡群
L1-L5‧‧‧透鏡
S1-S13‧‧‧表面
圖1為依本發明一實施例之光學鏡頭10a的示意圖。
圖2至圖5為圖1的光學鏡頭的成像光學模擬數據圖,其中圖2-3分別為可見光和850奈米光線之光線扇形圖,圖4-5分別為587奈米光線和850奈米光線之繞射光學傳遞函數曲線圖。
圖6為依本發明另一實施例之光學鏡頭10b的示意圖。
圖7至圖10為圖6的光學鏡頭的成像光學模擬數據圖,其中圖7-8分別為可見光和850奈米光線之光線扇形圖,圖9-10分別為587奈米光線和850奈米光線之繞射光學傳遞函數曲線圖。
圖11為本發明一實施例之繞射面深度示意圖。
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1為顯示依本發明一實施例之光學鏡頭10a的示意圖。光學鏡頭10a設置於放大側(圖1的左側;例如為物側)與縮小側(圖1的右側;例如為像側)之間。如圖1所示,光學鏡頭10a包含具有負屈光度且位於放大側與縮小側之間的第一透鏡群(例如為前群)20、具有正屈光度且位於第一透鏡群20與縮小側之間的第二透鏡群(例如為後群)30以及位於第一透鏡群20和第二透鏡群30之間的光圈14。再者,縮小側可設置玻璃蓋16以及影像感測器(圖中未顯示),其成像平面標示為18,且玻璃蓋16位於第二透鏡群30與成像平面18之間。第一透鏡群20可包含沿光學鏡頭10a的光軸12從放大側至縮小側依序排列的第一透鏡L1及第二透鏡L2,且第二透鏡群30可包含沿光學鏡頭10a的光軸12從放大側至縮小側依序排列的第三透鏡L3、第四透鏡L4及第五透鏡L5,第一透鏡L1至第五透鏡L5的屈光度分別為負、正、正、負、正。於本實施例中,第三透鏡L3可為包含一繞射面的非球面透鏡,第一透鏡L1、第二透鏡L2及第四透鏡L4為非球面透鏡,
且第五透鏡L3為雙凸球面透鏡。在一實施例中,非球面透鏡也可以使用塑膠射出或玻璃模造的方式製成,本發明實施例並不以此為限制。球面透鏡是指透鏡前面和後面的表面都分別是球形表面的一部份,而球形表面的曲率是固定的。非球面透鏡則是指透鏡前後表面中,至少一表面的曲率半徑會隨著中心軸而變化,可以用來修正像差。再者,本發明一實施例之繞射面可以包含如圖11所示的二元光學元件(binary Optics)19示意圖。另外,第一透鏡L1至第五透鏡L5兩兩彼此分離。在一實施例中,其中兩透鏡相鄰的兩面有相同或相近的曲率半徑且形成雙合透鏡(doublet lens),本發明實施例並不以此為限制。值得注意的是,雙合透鏡的相鄰兩面可利用不同的方式貼合,例如以光學膠塗佈在相鄰兩面間膠合、以機構件將相鄰兩面壓合等方式。光學鏡頭10a的透鏡設計參數、外形、非球面係數及繞射面分別如表一、表二及表三所示,於本發明如下的各個設計實例中,非球面多項式可用下列公式表示:
上述的公式(1)中,Z為光軸方向之偏移量(sag),c是密切球面(osculating sphere)的半徑之倒數,也就是接近光軸處的曲率半徑的倒數,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。表二的A-B分別代表非球面多項式的4階項、6階項係數值。於本發明如下的各個設計實例中,繞射面多項式可用下列公式表示:
上述的公式(2)中,(r)為繞射元件(diffractice optical element)的相位函數(phase),r是與光學鏡頭光軸的徑向距離(radial distance),λ 0是參考波長(reference wavelength),也就是說繞射面(diffractice optical surface)為透鏡表面加上相位函數(phase)。表三的C1-C2分別代表繞射面多項式的2階項、4階項係數值。
圖6為顯示依本發明一實施例之光學鏡頭10b的示意圖。光學鏡頭10b設置於放大側(圖6的左側;例如為物側)與縮小側(圖6的右側;例如為像側)之間。如圖6所示,光學鏡頭10b包含具有負屈光度且位於放大側與縮小側之間的第一透鏡群(例如為前群)20、具有正屈光度且位於第一透鏡群20與縮小側之間的第二透鏡群(例如為後群)30以及位於第一透鏡群20和第二透鏡群30之間的光圈14。再者,縮小側可設置玻璃蓋16以及影像感測器(圖
中未顯示),其成像平面標示為18,且玻璃蓋16位於第二透鏡群30與成像平面18之間。第一透鏡群20可包含沿光學鏡頭10b的光軸12從放大側至縮小側依序排列的第一透鏡L1及第二透鏡L2,且第二透鏡群30可包含沿光學鏡頭10a的光軸12從放大側至縮小側依序排列的第三透鏡L3、第四透鏡L4及第五透鏡L5,第一透鏡L1至第五透鏡L5的屈光度分別為負、正、正、負、正。於本實施例中,第三透鏡L3可為包含一繞射面的非球面透鏡,第一透鏡L1、第二透鏡L2及第四透鏡L4為非球面透鏡,且第五透鏡L3為雙凸球面透鏡。在一實施例中,非球面透鏡也可以使用塑膠射出或玻璃模造的方式製成,本發明實施例並不以此為限制。另外,第一透鏡L1至第五透鏡L5兩兩彼此分離。在一實施例中,其中兩透鏡相鄰的兩面有相同或相近的曲率半徑且形成雙合透鏡,本發明實施例並不以此為限制。值得注意的是,雙合透鏡的相鄰兩面可利用不同的方式貼合,例如以光學膠塗佈在相鄰兩面間膠合、以機構件將相鄰兩面壓合等方式。光學鏡頭10b的透鏡設計參數、外形、非球面係數及繞射面分別如表四、表五及表六所示,其中表五的A-B分別代表非球面多項式(如公式1所示)的4階項、6階項係數值。表六的C1-C2分別代表繞射面多項式(如公式2所示)的2階項、4階項係數值。
圖2-3與7-8分別為實施例之光學鏡頭10a與10b的可見光和850奈米紅外光之光線扇形圖(ray fan plot),其中X軸為光線通過入瞳的位置,Y軸為主光線投射至像平面(例如成像平面18)的位置的相對數值。圖4-5與9-10分別為實施例之光學鏡頭10a與10b的成像光學模擬數據圖,其中圖4-5分別為光學鏡頭10a在587奈米光線和850奈米光線之繞射光學傳遞函數曲線圖(modulation transfer function,MTF),以圖4的曲線頂點投射在X軸上的點為A,圖5的曲線頂點投射在X軸上的點為B,兩者的焦平面偏移量為約3微米(um),圖9-10分別為光學鏡頭10b在587奈米光線和850奈米光線之繞射光學傳遞函數曲線圖,以圖9的曲線頂點投射在X軸上的點為A’,圖10的曲線頂點投射在X軸上的點為B’,兩者的焦平面偏移量為約2微米。也就是,如果以587奈米光線通過光學鏡頭所形成的第一焦平面與光學鏡頭的光軸所形成之交點,稱為第一交點。另外以850奈米光線通過該光學鏡頭所形成的第二焦平面與光學鏡頭光軸的交點,稱為第二交點。第二交點相對於第一交點的偏移量可小於10微米,但本發明實施例並不以此為限制。另一實施例之第一焦平面和第二焦平面的偏移量,兩者可小於8微米,而又一實施例之第一焦平面和第二焦平面的偏移量,兩者可小於6微米。要注意的是,也可以使用555奈米光線或其它波長的光線取代587奈米光線來畫出成像光學模擬數據圖。此光線只是作為一種測量焦平面偏移量的參考基準,並非一定的波長限制。圖2-5與7-10模擬數據圖所顯示出
的圖形均在標準的範圍內,由此可驗證實施例之光學鏡頭10a與10b確實能夠兼具良好的光學成像品質及日夜共焦的特性。
實施例之光學鏡頭10a與10b分別包含兩透鏡群且光圈值可為2.0,光學鏡頭10a與10b也分別包含具一繞射面的一片非球面透鏡以修正像差及色差。再者,可滿足下列條件:0<|(Φd*V)/Φr |<2---(3)
20<V<60---(4)
|(0.5*IMA)/(EFL*TAN(X))-1 |<0.45---(5)
TTL/IMA<3.5---(6)
-0.006<Φd/Φall<0,Φall=1/EFL---(7)
其中Φd為繞射面屈光度,分別各為表三與表六中的C1/(-0.5),Φr分別為包含繞射面的非球面透鏡的折射屈光度,V分別為包含繞射面的非球面透鏡的阿貝數,EFL為光學鏡頭可見光有效焦距,Φall為光學鏡頭EFL的倒數,IMA為可見光有效焦距上成像平面的最大成像圓直徑,X為最大視場角的1/2,TTL為鏡頭總長(S1到可見光有效焦距上成像平面的距離)。具體而言,假設光學鏡頭被設計為符合(Φd*V)/Φr>2,此時可見光和紅外光兩者色差矯正過度,紅外光的焦平面變短。假設光學鏡頭被設計為符合(Φd*V)/Φr<-2,此時繞射屈光度大,繞射微結構的圈數多,製造難度高。再者,若光學鏡頭被設計為符合|(0.5*IMA)/(EFL*TAN(X))-1 |>0.45,則可見光有效焦距上成像平面上的影像變形量大。若光學鏡頭被設計為符合TTL/IMA>3.5,則鏡頭體積相對較大,不利小型化。因此,實施例之光學鏡頭10a與10b設計為符合公式(3)、(4)、(5)、(6)和(7)的條件,可使光學鏡頭兼具良好的光學成像品質、微型化、製造難度低及日夜共焦的特性。圖11為本發明一實施例之繞射面(二元光學元件)19深度示意圖,繞射面深度d是指在繞射面頂點連線上任取一點C到繞射面底部連
線的最短距離(相對應點D)。當繞射面深度d介於0.29um~2.5um,可以獲得較佳繞射效率,但本發明實施例並不以此為限制。另一實施例之繞射面深度d可介於0.5um~2.0um之間,而又一實施例之繞射面深度d可介於0.8um~1.8um之間。本發明一實施例之光學鏡頭的非球面透鏡數目多於球面透鏡數目。本發明一實施例之光學鏡頭的光圈到繞射面為固定距離。
本發明之一實施例光學鏡頭包含分別具有負屈光度和正屈光度的二透鏡群及設於二透鏡群之間的光圈,具有負屈光度透鏡群的透鏡數目少於3,具有正屈光度透鏡群的透鏡數目少於5。具有正屈光度透鏡群包括遠離該光圈方向依序排列的第一透鏡、第二透鏡與第三透鏡,第一透鏡與第二透鏡為非球面透鏡,且第一透鏡與第二透鏡其中之一具有一繞射面。
本發明之一實施例光學鏡頭包含兩透鏡群以及設置於兩透鏡群之間的光圈,第一透鏡群包含具有負屈光度的一透鏡和第二透鏡群具有正屈光度且包含遠離該光圈方向依序排列的第一透鏡、第二透鏡與第三透鏡,第一透鏡為非球面透鏡,且第一透鏡與第二透鏡其中之一具有一繞射面。光學鏡頭符合下列條件:以587奈米光線通過光學鏡頭的一焦平面為量測基準,850奈米光線通過光學鏡頭的焦平面位移量小於8微米。
藉由實施例10a與10b的設計,可提供一種能兼顧輕量化及日夜共焦的特性,且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上,然其並非用以
限定本發明,任何熟習此技藝者,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,因此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。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。
Claims (12)
- 一種光學鏡頭,包括:分別具有負屈光度的第一透鏡群和正屈光度的第二透鏡群,該第一透鏡群的透鏡數目少於3,該第二透鏡群的透鏡數目少於5;以及一光圈,設於該第一透鏡群和該第二透鏡群之間,其中該第二透鏡群包括遠離該光圈方向依序排列的一第一透鏡、一第二透鏡與一第三透鏡,該第一透鏡與該第二透鏡為非球面透鏡,且該第一透鏡與該第二透鏡其中之一具有一繞射面。
- 一種光學鏡頭,包括:一第一透鏡群,包含具負屈光度的一透鏡;一第二透鏡群,具有正屈光度;以及一光圈,設於該第一透鏡群和該第二透鏡群之間,其中該第二透鏡群包括遠離一光圈方向依序排列的一第一透鏡、一第二透鏡與一第三透鏡,該第一透鏡為非球面透鏡,且該第一透鏡與該第二透鏡其中之一具有一繞射面,其中以587奈米光線通過該光學鏡頭所形成的一第一焦平面與該光學鏡頭的光軸所形成之交點,稱為第一交點,以850奈米光線通過該光學鏡頭所形成的一第二焦平面與該光學鏡頭的光軸所形成之交點,稱為第二交點,而該第二交點相對於該第一交點的偏移量小於10微米。
- 如申請專利範圍第1-2項中任一項所述之光學鏡頭,其中該第一透鏡符合下列條件:0<|(Φd*V)/Φr|<2,其中Φd為該繞射面屈光度,Φr為該第一透鏡的折射屈光度,V為該第一透鏡的阿貝數。
- 如申請專利範圍第1-2項中任一項所述之光學鏡頭,其中該第一透鏡符合下列條件:20<V<60,其中V為該第一透鏡的阿貝數。
- 如申請專利範圍第1-2項中任一項所述之光學鏡頭,其中該繞射面的深度介於0.29um~2.5um之間。
- 如申請專利範圍第1-2項中任一項所述之光學鏡頭,其中該第二透鏡群包括一具負屈光度的非球面透鏡、一具正屈光度的非球面透鏡及一具正屈光度的球面透鏡。
- 如申請專利範圍第1-2項中任一項所述之光學鏡頭,其中沿一光軸依序排列的五個透鏡的屈光度分別為負、正、正、負、正。
- 如申請專利範圍第1-2項中任一項所述之光學鏡頭,其中該光學鏡頭符合下列條件:|(0.5*IMA)/(EFL*TAN(X))-1 |<0.45其中EFL為該光學鏡頭可見光有效焦距,IMA為可見光有效焦距上成像平面的最大成像圓直徑,X為最大視場角的1/2。
- 如申請專利範圍第1-2項中任一項所述之光學鏡頭,其中該光學鏡頭符合下列條件:TTL/IMA<3.5其中IMA為該光學鏡頭可見光有效焦距上成像平面的最大成像圓直徑,TTL為鏡頭總長。
- 如申請專利範圍第1-2項中任一項所述之光學鏡頭,其中該光學鏡頭符合下列條件:-0.006<Φd/Φall<0,Φall=1/EFL其中Φd為該繞射面屈光度,EFL為該光學鏡頭可見光有效焦距。
- 如申請專利範圍第1-2項中任一項所述之光學鏡頭,其中該光圈到該繞射面為固定距離。
- 如申請專利範圍第1-2項中任一項所述之光學鏡頭,其中該光學鏡頭的非球面透鏡數目多於球面透鏡數目。
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