TWI808516B - 光學鏡頭 - Google Patents

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TWI808516B TW110140059A TW110140059A TWI808516B TW I808516 B TWI808516 B TW I808516B TW 110140059 A TW110140059 A TW 110140059A TW 110140059 A TW110140059 A TW 110140059A TW I808516 B TWI808516 B TW I808516B
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Abstract

一種光學鏡頭，在一方向上依序包括光圈、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡。第一透鏡與第二透鏡其中之一者具有正屈光度，另一者具有負屈光度。第三透鏡具有屈光度，且為光學鏡頭中外徑最大的透鏡。第四透鏡具有屈光度。該四片透鏡的材質均為玻璃。且光學鏡頭對於波長為1315奈米的光，穿透率大於百分之九十。

Description

光學鏡頭
本發明是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種光學鏡頭。
隨著光學鏡頭的應用愈來愈廣泛，將光學鏡頭裝置於各種智慧型電子產品、車用裝置、辨識系統等智能輔助系統，為未來科技發展的一大趨勢。為了因應不同的應用需求，更發展出不同特性的光學鏡頭。
舉例來說，在自動駕駛或駕駛輔助等系統中，結合感測器、雷達和機器視覺技術，可以感測車外環境的變化、並進行分析。在配置上，如何為光源提供適當的光學鏡頭，且與相關設備整合，是待解決的問題。
本發明提供一種光學鏡頭，可在較少鏡片數量、較短系統長度的情況下，維持良好的光學性能。
本發明實施例的一種光學鏡頭，在一方向上依序包括光圈、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡。第一透鏡與第二透鏡其中之一者具有正屈光度，另一者具有負屈光度。第三透鏡具有屈光度，且為光學鏡頭中外徑最大的透鏡。 第四透鏡具有屈光度。光學鏡頭符合條件：EFL與LT的比值介於0.45至0.65之間，其中，EFL為光學鏡頭的光學有效焦距，LT為光學鏡頭在光軸上的長度。光圈的內徑與第三透鏡的外徑的比值介於0.3至0.5之間。該四片透鏡的材質均為玻璃。且光學鏡頭對於波長為1315奈米（nanometer，nm）的光，穿透率大於百分之九十。
一種光學鏡頭，沿著一方向依序包括光圈、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡與第四透鏡。該四片透鏡的材質都為玻璃，且都具有屈光度。而第一透鏡與第二透鏡兩者之一具有正屈光度，另一者具有負屈光度。光圈至第一透鏡的距離大於7毫米。光圈的內徑與第三透鏡的外徑的比值介於0.3至0.5之間。且光學鏡頭對於波長為1315奈米的光，穿透率大於百分之九十。
基於上述，本發明的實施例的光學鏡頭，藉由符合上述的元件特性及配置條件，可在鏡片數量減少且系統長度縮短的情況下，仍提供良好的光學性能。本發明的實施例的光學鏡頭可因此具有較低的公差敏感度，較短的系統長度也可有利於光學鏡頭的配置。
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。
圖1為本發明的第一實施例的光學鏡頭的示意圖。圖2A及圖2B為第一實施例的光學鏡頭的各項像差圖。請先參照圖1，光學鏡頭OL沿著一方向D依序包括光圈0、第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4。其中，方向D可以是從光學鏡頭OL的放大側朝向縮小側的方向。本實施例的光學鏡頭OL可與設置在第四透鏡4的縮小側的光源E搭配使用。光源E可設置在光學鏡頭OL的成像面IP上。光學鏡頭OL可同時搭配設置在第四透鏡4與光源E間的稜鏡5，但本發明不以此為限。在本實施例中，第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4及稜鏡5都各自具有一朝向放大側且使光線通過的放大側表面12、22、32、42、52及一朝向縮小側且使光線通過的縮小側表面14、24、34、44、54。
光源E可發出帶有角度的發散光。在本實施例中，光源E可以為雷射光源，例如為紅外光雷射光源，但本發明不以此為限。光源E也可以是其它適當形式的光閥模組或光源模組。自光源E發出的光，可依序經過稜鏡5、第四透鏡4、第三透鏡3、第二透鏡2、第一透鏡1、光圈0，沿一與方向D相反的方向，朝向光學鏡頭OL的放大側投射。本實施例的光學鏡頭OL對於波長為1315奈米的光，穿透率大於百分之九十。
詳細而言，第一透鏡1為玻璃鏡片且為球面透鏡。第一透鏡1具有負屈光度且為凸凹透鏡，其中第一透鏡1中放大側表面12為凹面，縮小側表面14為凸面。第一透鏡1的放大側表面12與縮小側表面14皆為球面（spheric surface），但本發明不以此為限。
第二透鏡2為玻璃鏡片且為球面透鏡。第二透鏡2具有正屈光度且為凹凸透鏡，其中第二透鏡2中放大側表面22為凹面，縮小側表面24為凸面。第二透鏡2的放大側表面22與縮小側表面24皆為球面（spheric surface），但本發明不以此為限。
第三透鏡3為玻璃鏡片且為球面透鏡。第三透鏡3具有正屈光度且為雙凸透鏡，其中第三透鏡3中放大側表面32為凸面，縮小側表面34為凸面。第三透鏡3的放大側表面32與縮小側表面34皆為球面（spheric surface），但本發明不以此為限。
第四透鏡4為玻璃鏡片且為球面透鏡。第四透鏡4具有正屈光度且為凹凸透鏡，其中第四透鏡4中放大側表面42為凸面，縮小側表面44為凹面。第四透鏡4的放大側表面42與縮小側表面44皆為球面（spheric surface），但本發明不以此為限。然而，在另一實施例中，第四透鏡可依設計需求而具有負屈光度，仍能達成一定光學性能。
在本實施例中，光學鏡頭OL實質上由四片透鏡所組成。在本實施例中，第一透鏡1與第二透鏡2其中之一者具有正屈光度，另一者具有負屈光度。第三透鏡3具有屈光度，且為光學鏡頭OL中外徑最大的透鏡。第四透鏡4具有屈光度。第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3及第四透鏡4的材質均為玻璃。在本實施例中，光圈0設置在第一透鏡1的放大側。
本發明第一實施例的光學鏡頭OL的光學有效焦距（Effective Focal Length，EFL）為16.75毫米（millimeter，mm），光圈數（F-number，F#）為1.40，視場角（field of view，FOV）為30.8度，系統總長（TTL）為60.0毫米，最大像高為4.4毫米。其中，上述的光學有效焦距為光學鏡頭OL在波長為1315奈米下的焦距，系統總長為光圈0至光學鏡頭OL的成像面IP在光軸I上的距離。
本實施例的光學鏡頭OL符合以下條件：光學鏡頭OL的光圈數小於或等於1.4；光學鏡頭OL的視場角大於或等於30度；光學鏡頭OL的系統總長（TTL）介於55毫米至65毫米之間；光學鏡頭OL在波長為1315奈米的焦距介於16毫米至25毫米之間。光學鏡頭OL在波長為1315奈米的焦距較佳為介於16毫米至20毫米之間；光學鏡頭OL在波長為1315奈米的焦距最佳為介於16.5毫米至17毫米之間。此外，本實施例的光學鏡頭OL為遠心鏡頭。
本發明第一實施例的光學鏡頭OL的其他詳細光學數據如下表1所示。其中，「間距/厚度」欄列出各表面之間的距離，該距離表示各光學元件在光軸I上的厚度，或是各光學元件與下一光學元件的表面之間在光軸I上的距離。舉例來說，在列「12」中，「間距/厚度」表示第一透鏡1在光軸I上的厚度，而在列「14」中，「間距/厚度」表示第一透鏡1與第二透鏡2之間在光軸I上的距離，以此類推。「半徑」欄則列出光學元件的各表面的半徑。舉例來說，在「光圈0」列中，「半徑」表示光圈0的內徑的一半。在列「12」中，「半徑」表示第一透鏡1的放大側表面12的直徑的一半；而在列「14」中，「半徑」表示第一透鏡1的縮小側表面14的直徑的一半，以此類推。本文中所述的「直徑」是指光學中心兩側的轉折點之間的距離。在本實施例中，第一透鏡1的放大側表面12的直徑，即為放大側表面12的曲面從光學中心往兩側透鏡邊緣延伸而發生轉折的轉折點P1、Q1之間的距離。
表1
第一實施例
表面 編號 曲率半徑 (mm) 間距/厚度 (mm) 折射率 阿貝數 半徑 (mm) 備註
  無限大 10.679     6.000 光圈0
12 -11.838 4.894 1.70 55.50 8.067 第一透鏡1
14 -69.793 1.916 11.670
22 -32.672 6.812 2.00 29.10 12.134 第二透鏡2
24 -20.810 0.100 14.232
32 80.145 5.846 2.00 29.10 16.712 第三透鏡3
34 -68.865 0.100 16.814
42 24.427 6.909 2.00 29.10 15.670 第四透鏡4
44 41.268 15.536 14.007
52 無限大 7.157     6.827 稜鏡5
54 無限大 0.050 4.707
IP 無限大 0.000 4.402 光源E
本實施例的光學鏡頭OL符合條件：光學有效焦距（EFL）與鏡頭長度（LT）的比值介於0.45至0.65之間。其中，LT為光學鏡頭OL在光軸I上的長度，即是自第一透鏡1的放大側表面12計算至第四透鏡4的縮小側表面44在光軸I上的總長度。在本實施例中，鏡頭長度（LT）為26.577毫米，光學有效焦距（EFL）與鏡頭長度（LT）的比值為0.630。本實施例的光學鏡頭OL還符合條件：鏡頭長度（LT）介於25毫米至35毫米之間。
在本實施例中，光圈0的內徑與第三透鏡3的外徑的比值介於0.3至0.5之間。其中，以第三透鏡3的放大側表面32與縮小側表面34的直徑中較大者作為第三透鏡3的外徑。在本實施例中，光圈0的內徑與第三透鏡3的外徑的比值為0.357。此外，在本實施例中，光圈0至第一透鏡1的距離（FWD）大於7毫米。其中，光圈0至第一透鏡1的距離是光圈0至第一透鏡1的放大側表面12在光軸I上的距離。本實施例的光學鏡頭OL還符合條件：光圈0至第一透鏡1的距離（FWD）與鏡頭長度（LT）的比值介於0.2至0.6之間，該比值較佳為介於0.24至0.42之間，更佳為介於0.4至0.42之間。在本實施例中，光圈0至第一透鏡1的距離（FWD）為10.679毫米，光圈0至第一透鏡1的距離（FWD）與鏡頭長度（LT）的比值為0.402。
本實施例的光學鏡頭OL還符合條件：第四透鏡4至光學鏡頭OL的成像面IP的距離（BFL）大於7毫米。其中，第四透鏡4至光學鏡頭OL的成像面IP的距離是第四透鏡4的縮小側表面44至成像面IP在光軸I上的距離。在本實施例中，第四透鏡4至光學鏡頭OL的成像面IP的距離為22.743毫米。
本實施例的光學鏡頭OL符合條件：光學鏡頭OL的四片透鏡（第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3及第四透鏡4）包括三枚折射率大於1.6的透鏡。在本實施例中，第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3及第四透鏡4的折射率皆大於1.6。進一步說，光學鏡頭OL的四片透鏡包括三枚折射率大於1.9的透鏡。在本實施例中，第二透鏡2、第三透鏡3及第四透鏡4的折射率皆大於1.9。
請參照圖2A及圖2B。圖2A及圖2B為第一實施例的光學鏡頭的各項像差圖。圖2A說明第一實施例當其波長為1315奈米時在成像面IP上有關弧矢（Sagittal）方向的場曲（Field Curvature）像差（標註S）及子午（Tangential）方向的場曲像差（標註T）。圖2B的圖式則說明第一實施例當其波長為1315奈米時在成像面IP上的畸變像差（Distortion Aberration）。
在圖2A的場曲像差圖式中，代表波長在整個視場範圍內的場曲像差落在±18微米（micrometer，μm）內。圖2B的畸變像差圖式則顯示本第一實施例的畸變像差維持在±5%的範圍內。由此可見，本實施例在將鏡片數量減少為4片、系統長度縮短至60.0毫米的情況下，仍具有良好的光學性能。
本實施例的光學鏡頭OL的相關光學數值詳列於後附的表4中。
圖3為本發明的第二實施例的光學鏡頭的示意圖。圖4A及圖4B為第二實施例的光學鏡頭的各項像差圖。請先參照圖3。本發明的光學鏡頭OL的第二實施例，其與第一實施例大致相似，兩者的差異在於：第一透鏡1具有正屈光度且為凹凸透鏡，其中第一透鏡1中放大側表面12為凹面，縮小側表面14為凸面。第二透鏡2具有負屈光度且為凸凹透鏡，其中第二透鏡2中放大側表面22為凹面，縮小側表面24為凸面。此外，第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4的各光學數據及各元件的間距等參數不完全相同。
本發明第二實施例的光學鏡頭OL的光學有效焦距（EFL）為16.86毫米，光圈數（F#）為1.41，視場角（FOV）為30.8度，系統總長（TTL）為60.2毫米，最大像高為4.4毫米。本發明第二實施例的光學鏡頭OL的其他詳細光學數據如下表2所示。
表2
第二實施例
表面 編號 曲率半徑 (mm) 間距/厚度 (mm) 折射率 阿貝數 半徑 (mm) 備註
  無限大 8.440     6.000 光圈0
12 -10.328 7.000 2.00 29.10 7.450 第一透鏡1
14 -12.948 3.173 10.413
22 -12.427 3.285 1.73 22.60 10.625 第二透鏡2
24 -18.218 0.100 12.910
32 110.188 5.686 2.00 29.10 15.216 第三透鏡3
34 -46.501 7.747 15.414
42 20.987 7.000 2.00 29.10 13.213 第四透鏡4
44 33.383 10.561 11.309
52 無限大 7.155     6.763 稜鏡5
54 無限大 0.050 4.707
IP 無限大 0.000 4.399 光源E
在本實施例中，鏡頭長度（LT）為33.992毫米，光學有效焦距（EFL）與鏡頭長度（LT）的比值為0.496。在本實施例中，光圈0的內徑與第三透鏡3的外徑的比值為0.389。此外，在本實施例中，第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3及第四透鏡4的折射率皆大於1.6；第一透鏡1、第三透鏡3及第四透鏡4的折射率皆大於1.9。
請參照圖4A及圖4B。在圖4A的場曲像差圖式中，代表波長在整個視場範圍內的場曲像差落在±20微米內。圖4B的畸變像差圖式則顯示本第二實施例的畸變像差維持在±6%的範圍內。由此可見，本實施例在將鏡片數量減少為4片、系統長度縮短至60.2毫米的情況下，仍具有良好的光學性能。
本實施例的光學鏡頭OL的相關光學數值詳列於後附的表4中。
圖5為本發明的第三實施例的光學鏡頭的示意圖。圖6A及圖6B為第三實施例的光學鏡頭的各項像差圖。請先參照圖5。本發明的光學鏡頭OL的第三實施例，其與第一實施例大致相似，兩者的差異在於：第三透鏡3具有負屈光度且為凸凹透鏡，其中第三透鏡3中放大側表面32為凹面，縮小側表面34為凸面。此外，第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4的各光學數據及各元件的間距等參數不完全相同。
本發明第三實施例的光學鏡頭OL的光學有效焦距（EFL）為16.80毫米，光圈數（F#）為1.40，視場角（FOV）為30.8度，系統總長（TTL）為60.2毫米，最大像高為4.4毫米。本發明第三實施例的光學鏡頭OL的其他詳細光學數據如下表3所示。
表3
第三實施例
表面 編號 曲率半徑 (mm) 間距/厚度 (mm) 折射率 阿貝數 半徑 (mm) 備註
  無限大 11.212     6.00 光圈0
12 -9.500 7.000 2.00 29.10 7.92 第一透鏡1
14 -13.379 0.100 11.48
22 -715.363 4.247 2.00 29.10 12.77 第二透鏡2
24 -36.924 2.902 12.99
32 -19.899 6.620 2.00 29.10 12.92 第三透鏡3
34 -26.905 0.100 15.09
42 24.366 6.088 2.00 29.10 15.24 第四透鏡4
44 84.210 14.761 14.52
52 無限大 7.157     6.898 稜鏡5
54 無限大 0.050 4.707
IP 無限大 0.000 4.404 光源E
在本實施例中，鏡頭長度（LT）為27.057毫米，光學有效焦距（EFL）與鏡頭長度（LT）的比值為0.621。在本實施例中，光圈0的內徑與第三透鏡3的外徑的比值為0.398。此外，在本實施例中，第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3及第四透鏡4的折射率皆大於1.6；第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3及第四透鏡4的折射率皆大於1.9。
請參照圖6A及圖6B。在圖6A的場曲像差圖式中，代表波長在整個視場範圍內的場曲像差落在±35微米內。圖6B的畸變像差圖式則顯示本第三實施例的畸變像差維持在±5%的範圍內。由此可見，本實施例在將鏡片數量減少為4片、系統長度縮短至60.2毫米的情況下，仍具有良好的光學性能。
本實施例的光學鏡頭OL的相關光學數值詳列於後附的表4中。
表4列出第一實施例至第三實施例的光學鏡頭OL的相關光學數值。其中，列「EFL」、列「TTL」至列「最大像高」以及列「FWD」至列「LT」的各參數的單位為毫米（mm）。列「FOV」的單位為度。
表4
第一實施例 第二實施例 第三實施例
EFL 16.75 16.86 16.80
F# 1.40 1.41 1.40
FOV 30.8 30.8 30.8
TTL 60.0 60.2 60.2
最大像高 4.4 4.4 4.4
鏡片配置 負、正、正、正 正、負、正、正 負、正、負、正
FWD 10.679 8.440 11.212
BFL 22.743 17.766 21.968
LT 26.577 33.992 27.057
EFL/LT 0.630 0.496 0.621
FWD/LT 0.402 0.248 0.414
本發明各實施例的光學鏡頭OL可具有遠心特性，可作為準直鏡或光連接器使用，將發散光源準直化以投射影像。光學鏡頭OL可例如是使用在車載應用裝置，但本發明不以此為限。本發明各實施例的光學鏡頭OL，可做為長波段（例如：紅外光）的光源的準直鏡使用，而可為應用於環境感測的光源提供適當的光學鏡頭，但本發明不以此為限。
綜上所述，本發明各實施例的光學鏡頭，實質上由四片透鏡所組成，減少了所需鏡片的數量，但仍維持良好的光學性能。可因此達成輕量化的效果，也可提高耦合效率並降低公差敏感度。本發明各實施例的光學鏡頭，可具有較短的系統長度，以利於與相關設備整合配置。本發明各實施例的光學鏡頭皆由玻璃透鏡組成，可以因應較高的溫度及強度需求。此外，本發明各實施例的光學鏡頭具有較大光圈數，可接收以及傳遞更多的能量。
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。
0:光圈 1:第一透鏡 2:第二透鏡 3:第三透鏡 4:第四透鏡 5:稜鏡 12、14、22、24、32、34、42、44、52、54:表面 D:方向 E:光源 I:光軸 IP:成像面 OL:光學鏡頭 P1、Q1:轉折點
圖1為本發明的第一實施例的光學鏡頭的示意圖。 圖2A及圖2B為第一實施例的光學鏡頭的各項像差圖。 圖3為本發明的第二實施例的光學鏡頭的示意圖。 圖4A及圖4B為第二實施例的光學鏡頭的各項像差圖。 圖5為本發明的第三實施例的光學鏡頭的示意圖。 圖6A及圖6B為第三實施例的光學鏡頭的各項像差圖。
0:光圈
1:第一透鏡
2:第二透鏡
3:第三透鏡
4:第四透鏡
5:稜鏡
12、14、22、24、32、34、42、44、52、54:表面
D:方向
E:光源
I:光軸
IP:成像面
OL:光學鏡頭
P1、Q1:轉折點

Claims (15)

  1. 一種光學鏡頭，在一方向上依序包括： 一光圈； 一第一透鏡； 一第二透鏡，該第一透鏡與該第二透鏡其中之一者具有正屈光度，另一者具有負屈光度； 一第三透鏡，具有屈光度，且為該光學鏡頭中外徑最大的透鏡；以及 一第四透鏡，具有屈光度； 該光學鏡頭符合條件：EFL與LT的比值介於0.45至0.65之間，其中，EFL為該光學鏡頭的光學有效焦距，LT為該光學鏡頭在光軸上的長度； 該光圈的內徑與該第三透鏡的外徑的比值介於0.3至0.5之間； 該四片透鏡的材質均為玻璃；且 該光學鏡頭對於波長為1315奈米的光，穿透率大於百分之九十。
  2. 如請求項1所述的光學鏡頭，其中該光圈至該第一透鏡的距離大於7毫米。
  3. 一種光學鏡頭，沿著一方向依序包括： 一光圈、一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡與一第四透鏡； 該四片透鏡的材質都為玻璃，且都具有屈光度；而該第一透鏡與該第二透鏡兩者之一具有正屈光度，另一者具有負屈光度； 該光圈至該第一透鏡的距離大於7毫米； 該光圈的內徑與該第三透鏡的外徑的比值介於0.3至0.5之間；且 該光學鏡頭對於波長為1315奈米的光，穿透率大於百分之九十。
  4. 如請求項3所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭符合條件：EFL與LT的比值介於0.45至0.65之間，其中EFL為該光學鏡頭的光學有效焦距，LT為該光學鏡頭在光軸上的長度。
  5. 如請求項1或3所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭符合條件：該光圈至該第一透鏡的距離與LT的比值介於0.2至0.6之間，其中LT為該光學鏡頭在光軸上的長度。
  6. 如請求項1或3所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭符合條件：LT介於25毫米至35毫米之間，其中LT為該光學鏡頭在光軸上的長度。
  7. 如請求項1或3所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭符合條件：TTL介於55毫米至65毫米之間，其中TTL為該光圈至該光學鏡頭的成像面的距離。
  8. 如請求項1或3所述的光學鏡頭，其中該第四透鏡至該光學鏡頭的成像面的距離大於7毫米。
  9. 如請求項1或3所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭符合條件：光圈數大於或等於1.4。
  10. 如請求項1或3所述的光學鏡頭，其中該四片透鏡包括三枚折射率大於1.6的透鏡。
  11. 如請求項1或3所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭的最大像高為4.4毫米。
  12. 如請求項1或3所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭的視場角（FOV）大於或等於30度。
  13. 如請求項1或3所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭為遠心鏡頭。
  14. 如請求項1或3所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭在波長為1315奈米的焦距介於16毫米至25毫米之間。
  15. 如請求項1或3所述的光學鏡頭，其中該光學鏡頭實質上由四片透鏡所組成。
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TWI717161B (zh) * 2019-12-20 2021-01-21 大立光電股份有限公司 光學鏡頭組、取像裝置及電子裝置

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