TWI684784B - 光學鏡頭 - Google Patents

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Abstract

一種光學鏡頭，包括第一透鏡群、第二透鏡群與設於第一透鏡群與第二透鏡群之間的光圈。第一透鏡群具有具有負屈光度且包含具屈光度的透鏡數目小於3，第二透鏡群具有正屈光度且包含具屈光度的透鏡數目小於5和第二透鏡群具有繞射面的非球面透鏡。具有繞射面的非球面透鏡符合下列條件：0<|(
Figure 105120674-A0305-02-0001-12
d*V)/

Description

光學鏡頭
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、輕量化和日夜共焦等特點。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。
本發明的其他目的和優點可以從本發明實施例所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
本發明一實施例提出一種光學鏡頭，包括具有負屈光度的第一透鏡群和具有正屈光度的第二透鏡群，設置於第一透鏡群與第二透鏡群之間的光圈，第一透鏡群與第二透鏡群係由一方向依序設置，其中第一透鏡群包含具屈光度的透鏡數目小於3，第二透鏡群包含具屈光度的透鏡數目小於5且第二透鏡群包括具繞射面的透鏡以及繞射面的透鏡符合下列條件： 0<|(
Figure 105120674-A0305-02-0004-27
d*V)/
Figure 105120674-A0305-02-0004-28
r|<2其中Φd、Φr與V分別為具有繞射面透鏡的繞射面屈光度、折射屈光度，與阿貝數。
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
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奈米紅外光之光線扇形圖，圖4-5分別為587奈米綠光和850奈米紅外光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奈米紅外光之光線扇形圖，圖9-10分別為587奈米綠光和850奈米紅外光之繞射光學傳遞函數曲線圖。
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設置於一放大側(圖1的左側；例如為物側)與一縮小側(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以及位於第二透鏡群30內的一光圈14。再者，縮小側可設置玻璃蓋16以及影像感測器，光學鏡頭10a的可見光有效焦距上成像平面標示為18，且玻璃蓋16位於第二透鏡群30與可見光有效焦距上成像平面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一第一透鏡L1及一第二透鏡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一第三透鏡L3、一第四透鏡L4及一第五透鏡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，第四透鏡L4可為包含一繞射面的非球面透鏡，第一透鏡L1、第二透鏡L2及第五透鏡L5為非球面透鏡，且第三透鏡L3為雙凸透鏡。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的曲率半徑且形成膠合透鏡，本發明實施例並不以此為限制。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：
Figure 105120674-A0305-02-0005-1
 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-D分別代表非球面多項式的4階項、6階項、8階項、10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：
Figure 105120674-A0305-02-0006-2
 上述的公式(2)中，
Figure 105120674-A0305-02-0006-16
(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)，λ0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。
Figure 105120674-A0305-02-0006-3
Figure 105120674-A0305-02-0007-29
S1的間距為表面S1到S2在光軸12的距離，S2的間距為表面S2到S3在光軸12的距離，S13間距為玻璃蓋S13表面到可見光有效焦距上成像平面18在光軸12的距離
可見光有效焦距(EFL of visible light)=3.984mm
紅外光有效焦距(EFL of NIR 850nm light)=3.981mm
光圈值(F-Number)=2.0
最大視場角(Max.field of view,FOV)=103.2度
可見光有效焦距上成像平面的最大成像圓直徑(Max.Image Circle diameter,IMA)=7.54mm
鏡頭總長(total track length,TTL,S1到可見光有效焦距上成像平面的距離)=23.5mm
Figure 105120674-A0305-02-0007-5
Figure 105120674-A0305-02-0008-6
Figure 105120674-A0305-02-0008-7
圖2-3分別為可見光和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至圖5為本實施例光學鏡頭10a的成像光學模擬數據圖，其中圖4-5分別為587奈米綠光和850奈米紅外光之繞射光學傳遞函數曲線圖(modulation transfer function,MTF)，兩者的焦平面偏移量為約7微米。要注意的是，也可以使用555奈米的綠光取代587奈米的綠光來畫出成像光學模擬數據圖。圖2-5模擬數據圖所顯示出的圖形均在標準的範圍內，由此可驗證本實施例之光學鏡頭10a確實能夠兼具良好的光學成像品質及日夜共焦的特性。
本實施例之光學鏡頭可包含兩透鏡群且光圈值可為2.0，光學鏡頭可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：-2<(
Figure 105120674-A0305-02-0008-23
d*V)/
Figure 105120674-A0305-02-0008-24
r<0---(3)
20<V<60---(4)
|(0.5*IMA)/(EFL*TAN(X))-1 |<0.3---(5)
TTL/IMA<3.3---(6)
其中Φd為繞射面(S8)屈光度，其為表三中的C1/(-0.5)，Φr為非球面透鏡(L4)的折射屈光度，V為非球面透鏡(L4)的阿貝數，EFL為 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，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，假設本實施例之光學鏡頭被設計為符合(
Figure 105120674-A0305-02-0009-17
d*V)/
Figure 105120674-A0305-02-0009-18
r<-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，若本實施例之光學鏡頭被設計為符合|(0.5*IMA)/(EFL*TAN(X))-1 |>0.3，則可見光有效焦距上成像平面上的影像變形量大。若本實施例之光學鏡頭被設計為符合TTL/IMA>3.3，則鏡頭體積相對較大，不利小型化。因此，本實施例之光學鏡頭設計為符合公式(3)、(4)、(5)和(6)的條件，可使光學鏡頭兼具良好的光學成像品質、製造難度低及日夜共焦的特性。
圖6為顯示依本發明另一實施例之光學鏡頭10b的示意圖。光學鏡頭10b設置於一放大側(圖6的左側；例如為物側)與一縮小側(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以及位於第二透鏡群30內的一光圈14。再者，縮小側可設置玻璃蓋16以及影像感測器，光學鏡頭10b的可見光有效焦距上成像平面標示為18，且玻璃蓋16位於第二透鏡群30與可見光有效焦距上成像平面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一第一透鏡L1及一第二透鏡L2，且第二透鏡群30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一第三透鏡L3、一第四透鏡L4及一第五透鏡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，第五透鏡L5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，且第三透鏡L3為雙凸透鏡。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的曲率半徑且形成膠合透鏡，本發明實施例並不以此為限制。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-D分別代表非球面多項式(如公式1所示)的4階項、6階項、8階項、10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。
Figure 105120674-A0305-02-0010-30
S1的間距為表面S1到S2在光軸12的距離，S2的間距為表面S2到 S3在光軸12的距離，S13間距為玻璃蓋S13表面到成像平面18在光軸12的距離
可見光有效焦距(EFL of visible light)=3.883mm
紅外光有效焦距(EFL of NIR 850nm.light)=3.876mm
光圈值(F-Number)=2.0
最大視場角(Max.field of view,FOV)=104.9度
可見光有效焦距上成像平面的最大成像圓直徑(Max.Image eircle diameter,IMA)=7.54mm
鏡頭總長(total track length,TTL,S1到可見光有效焦距上成像平面的距離)=23.5mm
Figure 105120674-A0305-02-0011-9
Figure 105120674-A0305-02-0011-10
圖7-8分別為可見光和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9至圖10為本 實施例光學鏡頭10b的成像光學模擬數據圖，其中圖9-10分別為587奈米綠光和850奈米紅外光之繞射光學傳遞函數曲線圖(modulation tranafer function,MTF)，兩者的焦平面偏移量為約1微米。要注意的是，也可以使用555奈米的綠光取代587奈米的綠光來畫出成像光學模擬數據圖。圖7-10模擬數據圖所顯示出的圖形均在標準的範圍內，由此可驗證本實施例之光學鏡頭10b確實能夠兼具良好的光學成像品質及日夜共焦的特性。
本實施例之光學鏡頭可包含兩透鏡群且光圈值可為2.0，光學鏡頭可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<(
Figure 105120674-A0305-02-0012-19
d*V)/
Figure 105120674-A0305-02-0012-20
r<2---(7)
20<V<60---(4)
|(0.5*IMA)/(EFL*TAN(X))-1 |<0.3---(5)
TTL/IMA<3.3---(6)
其中Φd為繞射面(S11)屈光度，其為表六中的C1/(-0.5)，Φr為非球面透鏡(L5)的折射屈光度，V為非球面透鏡(L5)的阿貝數，EFL為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，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，假設本實施例之光學鏡頭被設計為符合(
Figure 105120674-A0305-02-0012-21
d*V)/
Figure 105120674-A0305-02-0012-22
r>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，若本實施例之光學鏡頭被設計為符合|(0.5*IMA)/(EFL*TAN(X))-1 |>0.3，則可見光有效焦距成像平面上的影像變形量大。若本實施例之光學鏡頭被設計為符合TTL/IMA>3.3，則鏡頭體積相對較大，不利小型化。因此，本實施例之光學鏡頭設計為符合公式(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、製造難度低及日夜共焦的特性。
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，再者，本發明實施例之視場角可介於80度至110度之間。
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。
10a‧‧‧光學鏡頭
12‧‧‧光軸
14‧‧‧光圈
16‧‧‧玻璃蓋
18‧‧‧成像平面
20‧‧‧第一透鏡群
30‧‧‧第二透鏡群
L1-L5‧‧‧透鏡
S1-S13‧‧‧表面

Claims (10)

  1. 一種光學鏡頭，包括：一具有負屈光度的第一透鏡群及一具有正屈光度的第二透鏡群，其中該第一透鏡群包含二片透鏡且該第二透鏡群包含三片透鏡；一光圈，設置於該第一透鏡群與該第二透鏡群之間，其中該第二透鏡群包括一具有一繞射面的透鏡；以及該具有該繞射面的透鏡符合下列條件：0<|(
    Figure 105120674-A0305-02-0014-25
    d*V)/
    Figure 105120674-A0305-02-0014-26
    r|<2其中Φd、Φr與V分別為該繞射面的屈光度、具有該繞射面的該透鏡的折射屈光度，與具有該繞射面的該透鏡的阿貝數。
  2. 如申請專利範圍第1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 |<0.3其中，EFL為該光學鏡頭可見光有效焦距，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，X為該光學鏡頭最大視場角的1/2。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光學鏡頭，其中該光學鏡頭符合下列條件：TTL/IMA<3.3其中TTL為該光學鏡頭總長，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。
  4. 如申請專利範圍第1-3項中任一項所述之光學鏡頭，其中具該繞射面的該透鏡符合下列條件：20<V<60。
  5. 如申請專利範圍第1-3項中任一項所述之光學鏡頭，其中該第一透鏡群包括一具正屈光度的非球面透鏡及一具負屈光度的非球面透鏡。
  6. 如申請專利範圍第1-3項中任一項所述之光學鏡頭，其中該第二透鏡群包括一具正屈光度的非球面透鏡及一具負屈光度的非球面透鏡。
  7. 如申請專利範圍第1-3項中任一項所述之光學鏡頭，其中具有該繞射面的該透鏡為非球面透鏡。
  8. 如申請專利範圍第1-3項中任一項所述之光學鏡頭，其中該第二透鏡群最靠近該光圈的透鏡為一球面透鏡。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之光學鏡頭，其中該球面透鏡符合下列條件：V>70。
  10. 如申請專利範圍第1-3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：若以555奈米或587奈米綠光通過該光學鏡頭的一焦平面為量測基準，該光學鏡頭可滿足850奈米紅外光在該焦平面位移量，離該量測基準小於8微米。
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