TWI756512B

TWI756512B - 定焦鏡頭及其製造方法

Info

Publication number: TWI756512B
Application number: TW108104182A
Authority: TW
Inventors: 張碩傑; 陳怡學
Original assignee: 揚明光學股份有限公司
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2022-03-01
Also published as: US11988890B2; TW202030514A; US20200249418A1; CN111522131A

Abstract

提供一種定焦鏡頭，定焦鏡頭由放大側往縮小側依序排列有負屈光度的第一透鏡組、光圈以及正屈光度的第二透鏡組。第一透鏡組包括兩枚以上透鏡，其中更包括一枚以上非球面透鏡，而第一透鏡組中最靠近該第一側的具有屈光度的透鏡之屈光度為負。而第二透鏡組的總屈光度為正，且包括五枚以上透鏡，而其中包括兩枚兩雙合透鏡，而各雙合透鏡分別可為一雙膠合透鏡，而前述的兩枚雙合透鏡中兩枚透鏡的阿貝數差值分別為大於50以及大於45且均小於100，定焦鏡頭為整群對焦。

Description

定焦鏡頭及其製造方法

本發明關於一種定焦鏡頭及其製造方法。

在傳統的投影鏡頭中，一般架構約使用6至8枚具有屈光度的透鏡。而為了在有限的長度要求中達到大光圈、低畸變(distortion)及低色差(chromatic aberration)等光學需求，傳統會使用多片非球面透鏡。

然而，鏡頭中包括多片非球面透鏡時，考量非球面透鏡的複雜性以及工差，各非球面透鏡的各個表面的配對要求極高，故非球面透鏡的數量會反比於良率，會對組裝成本造成負面影響。

「先前技術」段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在「先前技術」段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在「先前技術」段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。

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。

根據本發明的一個觀點，提供一種定焦鏡頭，鏡頭在對焦時，前、後透鏡組的距離為固定而為整群對焦。再者，定焦鏡頭中包括10枚或以下有屈光度的透鏡，且定焦鏡頭中的非球面透鏡數量不多於三枚。而定焦鏡頭中，由放大側/第一側往縮小側/第二側，依序排列有第一透鏡組、光圈以及第二透鏡組。第一透鏡組的總屈光度為負，且包括兩枚以上透鏡，其中更包括一枚以上非球面透鏡，而第一透鏡組中最靠近該第一側的具有屈光度的透鏡之屈光度為負。而第二透鏡組的總屈光度為正，且包括五枚以上透鏡，而其中包括兩枚兩雙合透鏡，而各雙合透鏡分別可為一雙膠合透鏡，而前述的兩枚雙合透鏡中兩枚透鏡的阿貝數差值分別為大於50以及大於45且均小於100。

藉由控制定焦鏡頭中的非球面透鏡數量，可在不影響影像品質的前提下降低組裝成本。

根據本發明的另一觀點，提供一種定焦鏡頭，定焦鏡頭由放大側往縮小側，依序包括九枚透鏡，而靠近放大側的第一枚透鏡為非球面透鏡，而前述九枚透鏡中的任意兩枚透鏡在光軸上的距離為固定；再者定焦鏡頭中具屈光度的透鏡數量不多於10，而其中包括的塑膠透鏡數量不多於3片；而由放大側起算第四枚至第九枚透鏡之間包括至少兩枚雙膠合透鏡。

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。

1A、1B、1C:鏡頭

AX:光軸

CG:玻璃蓋

G1:第一透鏡組

G2:第二透鏡組

IS:影像放大側

IP:成像面

L1-L10:透鏡

LV:光閥

S1-S20:表面

OS:影像縮小側

S:光圈

TSP:穿透式平順圖像裝置

TR:全反射稜鏡

圖1為依本發明第一實施例的定焦鏡頭的架構示意圖。

圖2為依本發明第二實施例的定焦鏡頭的架構示意圖。

圖3為依本發明第三實施例的定焦鏡頭的架構示意圖。

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。另外，下列實施例中所使用的用語“第一”、“第二”是為了辨識相同或相似的元件而使用，幷非用以限定該元件。而當文字陳述與參數表數值衝突時，應優先參酌參數表中內容。

本發明所謂的光學元件，係指元件具有部份或全部可反射或穿透的材質所構成，通常包含玻璃或塑膠所組成。例如是透鏡、稜鏡或是光圈。

當鏡頭應用在投影系統中時，影像放大側或稱放大側，係指在光路上較靠近光閥或空間光調變器一側，而影像縮小側或稱縮小側，係指相對於放大側的另一側。

一透鏡的物側面(或像側面)具有位於某區域的凸面部(或凹面部)，是指該區域相較於徑向上緊鄰該區域的外側區域，朝平行於光軸的方向更為「向外凸起」(或「向內凹陷」)而言。

圖1是本發明第一實施例的鏡頭架構示意圖。以下將就本發明的第一具體實施例的定焦鏡頭1A進行說明。請參照圖1，在本實施例中，定焦鏡頭1A為一定焦鏡頭，其包括有一鏡筒(未繪示)，鏡筒裡包括了多枚透鏡。

更明確的說，於本例中，定焦鏡頭1A中，具有屈光度的透鏡總片數在20、15及10片或以下時，其成本效益分別為佳、較佳及最佳。而於本例中，由第一側(影像放大側IS)往第二側(影像縮小側OS)排列包含了九枚具屈光度的透鏡L1~L9。

以光圈S為分界，定焦鏡頭1A可分為具負屈光度的第一透鏡組(例如為前組)G1以及具正屈光度的第二透鏡組(例如為後組)G2，而第一透鏡組包括3枚透鏡，而第二透鏡組包括6枚透鏡。於本實施例中，透鏡L1至透鏡L9屈光度分別為負、負、正、負、正、負、負、正、正。而其形狀分別為凸凹、凹凸、凸凸、凸凹，凹凸、凹凸、凸凹、凸凸以及凸凸。而其中，透鏡L1及透鏡L2為非球面塑膠透鏡，其餘均為玻璃球面透鏡。在一實施例中，非球面塑膠透鏡可以用非球面玻璃透鏡取代，反之亦然。另外，球面玻璃透鏡可以用球面塑膠透鏡取代。

由圖可見，第二透鏡組G2包括兩枚雙合透鏡，每一雙合透鏡是由2枚具屈光度的透鏡組合而成的。無論是球面或非球面，當兩透鏡相鄰的兩面有大致相同(曲率半徑差異小於0.005mm)或完全相同(實質相同)的曲率半徑，且可藉由膠合或是機構件等方式相互固定時，其即為雙合透鏡(doublet)。而當相互固定的透鏡有三枚時，即為三合透鏡(triplet)。而於本例中，第二透鏡組G2包括的兩枚雙合透鏡均分別為雙膠合透鏡，即各透鏡之間係藉由黏膠黏合而成。

再者，定焦鏡頭1A在對焦時，為整群對焦，即透鏡L1~L9及光圈S的任二者距離在對焦時係固定的。又或者，可理解為透鏡L1~L9及光圈S在對焦時是一起移動且無相對位移的。再者，定焦鏡頭1A的影像縮小側IS可依序設置TSP、稜鏡PM、玻璃保護蓋CG以及光閥LV。

定焦鏡頭1A的可見光有效焦距(EFL)上成像面在光閥LV的表面。

本發明所指光圈S是指一孔徑光欄(Aperture Stop)，光圈為一獨立元件或是整合於其他光學元件上。於本實施例中，光圈S是利用機構件擋去周邊光線並保留中間部份透光的方式來達到類似的效果，而前述所謂的機構件可以是可調整的。所謂可調整，是指機構件的位置、形狀或是透明度的調整。或是，光圈也可以在透鏡表面塗佈不透明的吸光材料，並使其保留中央部份透光以達限制光路的效果。

定焦鏡頭1A的透鏡設計參數、外形及非球面係數分別如表1及表2所示。

舉例來說，表1中所示的S1的間距為表面S1到S2在光軸AX的距離，S2的間距為表面S2到S3沿光軸AX量測的距離，如此類推。

表1中，表面有出現＊符號係指該表面為非球面表面，而若未標示即為球面之意。

表1中，曲率半徑是指曲率的倒數。曲率半徑為正時，透鏡表面的球心在透鏡的影像縮小側方向。曲率半徑為負時，透鏡表面的球心在透鏡的影像放大側方向。而各透鏡之凸凹可見上表。

表1中的F/#是指本例的鏡頭的光圈值(F-number)。

表1中提及的像面IP，係指本例的鏡頭應用在投影系統時是指光閥的反應表面。而玻璃蓋則係指光閥上方用於保護反應表面而設的玻璃蓋。

表1中的影像高度IMH係指本例的定焦鏡頭1A在像面IP的影像對角線(image circle)長度的1/2。

表1中的LT係指本例的鏡頭的鏡頭總長，更明確的說，是指定焦鏡頭1A最接近影像放大側的光學表面S1與最接近影像縮小側的光學表面S17之間，沿光軸AX量測的距離。在鏡頭總長小於1000mm、300mm、110mm及90mm且大於5mm時，鏡頭分別具有基本、佳、較佳及最佳的成本效益。由表1可見，本例中鏡頭的鏡頭總長(LT)為88.3。

表1中的TTL是指本例中的鏡頭到像面IP的光程總長，更明確的說，本實施例鏡頭到像面IP的總長是指定焦鏡頭1A最接近影像放大側的光學表面S1與鏡頭像面IP之間，沿光軸AX量測的距離。在光程總長小於1000mm、300mm、200mm及130mm且大於5mm時，鏡頭分別具有基本、佳、較佳及最佳的成本效益。由表1可見，本例中鏡頭的鏡頭總長(TTL)為114.7。

表1中的TR係指本例的鏡頭的投影比(THROWRATIO)，更明確的說，投射比係指投影鏡頭最靠近放大側的光學表面至螢幕的距離和螢幕上投影畫面寬度的比例。鏡頭的投影比數值與鏡頭放大畫面的能力呈反比。表2列出本發明的第一實施例中，鏡頭的非球面透鏡表面的各階非球面係數及二次曲面係數值。

於本發明設計實例中，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2的A-F分別代表非球面多項式的4、6、8、10、12、14階項係數值。然而，本文中所列舉的資料並非用以限定本發明，任何所屬領域中具有通常知識者在參照本發明之後，當可對其參數或設定作適當的更動，惟其仍應屬於本發明的範疇內。

於本例中，定焦鏡頭1A中的雙合透鏡C1中的2個透鏡的阿貝數差值在大於50、55、60且小於70時，有佳、較佳及更佳的解色差效果。又或者說，前述的阿貝數差值在介於50~70、55至65及55至60時，有佳、較佳及更佳的解色差效果。於本例中，定焦鏡頭1A在後組20中的雙合透鏡C1的阿貝數差異約為56。

於本例中，定焦鏡頭1A中的雙合透鏡C1中的各透鏡的阿貝數的最大值和最小值的差值在大於35、40、45且小於70時，有佳、較佳及更佳的解色差效果。又或者說，前述的阿貝數差值在介於35至70、40至60及45至50時，有佳、較佳及更佳的解色差效果。於本例中，定焦鏡頭1A在後組20中的雙合透鏡C2的阿貝數差異約為45.3。

由於非球面的數量會使透鏡的各表面的匹配、組裝難度以指數上升，於本例中，定焦鏡頭1A中的非球面在少於等於或是不多於10、8、6、3枚時，其分別具有普通、佳、較佳、更佳及最佳的生產效益及良率。於本例中，透鏡1A中的非球面透鏡數量為2。又或者，定焦鏡頭1A中的非球面透鏡數量在占透鏡中具屈光度的透鏡總量的百份之60、50、40、30或20以下時，其分別具有普通、佳、較佳、更佳及最佳的生產效益及良率。本例中的定焦鏡頭1A藉由減少非球面的用量來在維持光學表現的前提下，簡化程序，僅於關鍵部份應用非球面，提高鏡頭的製造良率，減少成本。

下將說明本發明的鏡頭的第二實施例的設計。圖2是本發明第二實施例的鏡頭10B架構示意圖。以光圈S為分界，定焦鏡頭1B可分為具負屈光度的第一透鏡組(例如為前組)G1以及具正屈光度的第二透鏡組(例如為後組)G2，而第一透鏡組包括3枚透鏡，而第二透鏡組包括7枚透鏡。於本實施例中，透鏡L1至透鏡L10屈光度分別為負、負、正；負、正、負、正、負、正、正。而其形狀分別為凸凹、凹凸、凸凸、凸凹，凹凸、凹凸、凸凹、凸凸、凹凹以及凸凸。而其中，透鏡L1及透鏡L2為非球面塑膠透鏡，其餘均為玻璃球面透鏡。

由圖可見，第二透鏡組G2包括雙合透鏡C1及三合透鏡C2，雙合透鏡及三合透鏡分別由2枚及3枚具屈光度的透鏡組合而成的。無論是球面或非球面，當兩透鏡相鄰的兩面有大致相同(曲率半徑差異小於0.005mm)或完全相同(實質相同)的曲率半徑。而於本例中，第二透鏡組G2包括的雙合透鏡及三合透鏡係分別為雙膠合及三膠合透鏡，即各透鏡之間係藉由黏膠黏合而成。

再者，定焦鏡頭1B在對焦時，其前組G1及後組G2的作動與定焦鏡頭1A同樣為整群對焦。

定焦鏡頭1B的透鏡設計參數、外形及非球面係數分別如表3及表4所示。各代號沿用表1及表2之說明，將於不予贅述。

由上表可見，由透鏡L5及透鏡L6組合而成的雙合透鏡C1中的各透鏡的最大阿貝數及最小阿貝數的差值約為54.04，由透鏡L7、透鏡L8及透鏡L9所組成的雙合透鏡C2中的各透鏡的最大阿貝收及最小阿貝數的差值為53.28。

表4列出本發明的第二實施例中，鏡頭的非球面透鏡表面的各階非球面係數及二次曲面係數值。

下將說明本發明的鏡頭的第三實施例的設計。圖3是本發明第三實施例的鏡頭1C架構示意圖。以光圈S為分界，定焦鏡頭1C可分為具負屈光度的第一透鏡組(例如為前組)G1以及具正屈光度的第二透鏡組(例如為後組)G2，而第一透鏡組包括4枚透鏡，而第二透鏡組包括6枚透鏡。於本實施例中，透鏡L1至透鏡L10屈光度分別為負、負、正、正；負、正、負、負、正、正。而其形狀分別為凸凹、凹凸、凸凸、凸凸；凸凹、凸凸、凹凹、凸凹、凸凸以及凸凸。而其中，透鏡L1及透鏡L2為非球面塑膠透鏡，其餘均為玻璃球面透鏡。

由圖可見，第二透鏡組G2包括兩枚雙合透鏡C1、C2，雙合透鏡由2枚具屈光度的透鏡組合而成的。無論是球面或非球面，當兩透鏡相鄰的兩面有大致相同(曲率半徑差異小於0.005mm)或完全相同(實質相同)的曲率半徑。而於本例中，第二透鏡組G2包括的各雙合透鏡分別為雙膠合透鏡，即各透鏡之間係藉由黏膠黏合而成。

再者，定焦鏡頭1C在對焦時，其前組G1及後組G2的作動與定焦鏡頭1A同樣為整群對焦。

定焦鏡頭1C的透鏡設計參數、外形及非球面係數分別如表5及表6所示。各代號沿用表1及表2之說明，將於不予贅述。

由上表可見，由透鏡L5及透鏡L6組合而成的雙入透鏡C1中的各透鏡的最大阿貝數及最小阿貝數的差值約為55，由透鏡L8及透鏡L9所組成的雙合透鏡C2中的各透鏡的最大阿貝收及最小阿貝數的差值為30.8。

表6列出本發明的第三實施例中，鏡頭的非球面透鏡表面的各階非球面係數及二次曲面係數值。

表7整理了第一至第三實施例的規格參數及其對應比值。於本發明的一例中，LT/EFL的比例在大於1、3、5、6且小於30時分別有基本、佳、較佳及最佳的效益。而於一例中，EFL/IMH在小於10、7、5及3時，分別有基本、佳、較佳及最佳的效益。

藉由本發明實施例中僅於關鍵部份應用非球面透鏡的設計，可最小化非球面透鏡的數量，可提供一種能兼顧良好的光學成像品質，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。

以上各具體實施例中所列出的表格中的參數僅為例示之用，而非限制本發明。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。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。

1A、1B、1C‧‧‧鏡頭

AX‧‧‧光軸

CG‧‧‧玻璃蓋

G1‧‧‧第一透鏡組

G2‧‧‧第二透鏡組

IS‧‧‧影像放大側

IP‧‧‧成像面

L1-L10‧‧‧透鏡

LV‧‧‧光閥

S1-S20‧‧‧表面

OS‧‧‧影像縮小側

S‧‧‧光圈

TSP‧‧‧穿透式平順圖像裝置

TR‧‧‧全反射稜鏡

Claims

一定焦鏡頭，包括：依序由一第一側往一第二側排列的第一透鏡組、光圈以及第二透鏡組；該第一透鏡組的總屈光度為負，該第一透鏡組中包括至少二個透鏡，該第一透鏡組中包括至少一非球面透鏡，該第一透鏡組中最靠近該第一側的具有屈光度的透鏡之屈光度為負；以及該第二透鏡組的總屈光度為正，該第二透鏡組包括至少五個透鏡，該第二透鏡組包括一第一雙合透鏡及一第二雙合透鏡，該第一雙合透鏡中的各透鏡的最大阿貝數及最小阿貝數的差值大於50，該第二雙合透鏡中的各透鏡的最大阿貝數及最小阿貝數的差值大於45；其中，該定焦鏡頭為整群對焦，該定焦鏡頭中具有屈光度的透鏡數量小於等於10，該定焦鏡頭中的非球面透鏡數量為3或以下。
如申請專利範圍第1項所述之定焦鏡頭，其中該第一雙合透鏡及該第二雙合透鏡分別為雙膠合透鏡。
一定焦鏡頭，包括：由放大側往縮小側依序排列的一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡、一第五透鏡、一第六透鏡、一第七透鏡、一第八透鏡、以及一第九透鏡；其中，該第一透鏡包括至少一非球面表面；在對焦時，該定焦鏡頭中的任意兩枚透鏡在光軸上的距離為固定；該定焦鏡頭中具屈光度的透鏡數量不多於10；該定焦鏡頭中的塑膠透鏡數量不多於3片；以及該第四透鏡、該第五透鏡、該第六透鏡、該第七透鏡、該第八透鏡以及該第九透鏡中包括至少兩枚膠合透鏡。
如申請專利範圍第2項或第3項任一項所述之定焦鏡頭，其中的一雙合透鏡中的各透鏡的最大阿貝數及最小阿貝數的差值介於50至70之間；且另一雙合透鏡中各透鏡的最大阿貝數及最小阿貝數的差值介於45至70之間。
如申請專利範圍第1項或第2項任一項所述之定焦鏡頭，其中該定焦鏡頭的光圈值(F/#)小於等於2.4。
如申請專利範圍第5項任一項所述之定焦鏡頭，其中該定焦鏡頭中的玻璃球面透鏡數量為6以上。
如申請專利範圍第5項任一項所述之定焦鏡頭，其中該定焦鏡頭中的非球面透鏡數量為2。
如申請專利範圍第6項任一項所述之定焦鏡頭，其中該定焦鏡頭滿足下列條件之一：(1)該定焦鏡頭的鏡頭總長(LT)介於5mm及110mm之間；(2)該定焦鏡頭最遠離一像面的透鏡表面到像面的總長(TTL)介於5mm及130mm之間。
如申請專利範圍第7項所述之定焦鏡頭，其中該定焦鏡頭滿足下列條件之一：(1)自影像放大側至影像縮小側的透鏡屈光度依序為負、負、正、負、正、負、負、正、正；(2)自影像放大側至影像縮小側的透鏡屈光度依序為負、負、正；負、正、負、正、負、正、正；以及 (3)自影像放大側至影像縮小側的透鏡屈光度依序為負、負、正、正、負、正、負、負、正、正。
一種定焦鏡頭製造方法，包含：提供一鏡筒；以及將多個透鏡設置入並固定於該鏡筒內以形成由一第一側往一第二側排列的具負屈光度的第一透鏡組及具正屈光度的第二透鏡組，該第一透鏡組中包括至少二個透鏡，該第一透鏡組中包括至少一非球面透鏡，該第一透鏡組中最靠近該第一側的具有屈光度的透鏡之屈光度為負，該第二透鏡組包括至少五個透鏡，該第二透鏡組包括一第一雙合透鏡及一第二雙合透鏡，該第一雙合透鏡中的各透鏡的最大阿貝數及最小阿貝數的差值大於50，且該第二雙合透鏡中的各透鏡的最大阿貝數及最小阿貝數的差值大於45，其中該定焦鏡頭為整群對焦，該鏡筒中具屈光度的透鏡的數量為小於等於10，且該鏡筒中的非球面透鏡數量為小於等於3。