TWI814433B

TWI814433B - 鏡頭組件

Info

Publication number: TWI814433B
Application number: TW111121494A
Authority: TW
Inventors: 陳皇昌; 涂智信; 陳維倫; 連崇傑
Original assignee: 一品光學工業股份有限公司
Priority date: 2022-06-09
Filing date: 2022-06-09
Publication date: 2023-09-01
Also published as: TW202349048A

Abstract

一種鏡頭組件，包括透鏡、孔徑光闌以及鏡筒。透鏡具有朝向物側的第一表面和朝向像側的第二表面。第一表面的頂點部分和第二表面的頂點部分均爲凸面。透鏡的材料為低溫可模制玻璃或可模制材料。透鏡的厚度小於4毫米。孔徑光闌遠離透鏡。鏡筒保持透鏡和孔徑光闌。鏡頭組件的系統光學總長小於10毫米。鏡頭組件的工作波長帶落在7微米至14微米之間。

Description

鏡頭組件

本發明是有關於一種光學組件，且特別是有關於一種鏡頭組件且應用於長波紅外（Long Wave Infrared, LWIR）波段或熱成像或熱感（thermal imaging/sensing）。

在消費者導向的產品領域中，鏡頭（lens module）被廣泛使用，可謂是一必要標準配備。現今的商務應用多以塑膠為主，以達輕、薄、短、小與大量生產所需。但是由於材料吸收限制，長波長應用仍以玻璃為主，加上製造工藝傳統故球面玻璃多為鏡片選項或甚至於為單一選項。因緣於近代製造工藝的開發，讓低溫的模造或模制玻璃可以提供有效的方案使得產品尺寸更縮小或鏡頭品質更提升。其中硫屬玻璃（chalcogenide glasses）的模制透鏡可應用在長波長的熱成像（thermal imaging）、熱光譜或熱感測的裝置中。但在商業應用中，降低透鏡的成本是極其重要的。因此，在批量生產時，如何更有效地提升製造良率與可使用硫屬玻璃的模制光學元件乃至或其他可模制材料來降低此等裝置的單位成本實為一重要議題。

現行符合成本效益的紅外線（Infrared，IR）或長波紅外（LWIR）定焦成像鏡頭的設計，多需要多於一個或多於兩個的球面透鏡。但在消費者導向的產品領域中，對於鏡頭的體積和直徑等尺寸要求多有限制，因此如何在有限體積要求下遂行應用需求也是至關重要。如此使用越少數目的鏡片是產品目標。如何使用非球面（non-spherical）來替代多個球面的使用自是產品趨勢。另一方面現實應用上鏡片需置於鏡筒內以成鏡頭或鏡組，所以部件需達緊配於設計的要求，以降低各項公差累積，有效避免品質快速變異。因此如何讓部件具有更優勢的組立狀態，進而可以有效快速組立，從而良率提升，也是一項重要課題。

本發明提供一種鏡頭組件，可減少鏡頭組件中的透鏡數量，可具有較短的系統總長，且可以提升鏡片組立的穩定性，進一步提升良率以降低製造成本。

本發明實施例的一種鏡頭組件，包括透鏡、孔徑光闌以及鏡筒。透鏡具有朝向物側的第一表面和朝向像側的第二表面。第一表面的中心部分和第二表面的中心部分均爲凸面。透鏡的材料為可模制材料。透鏡的厚度小於4毫米。孔徑光闌遠離透鏡。鏡筒保持透鏡和孔徑光闌。鏡頭組件的系統光學總長optical total track length，OTTL）小於10毫米。鏡頭組件的工作波長帶落在7微米至14微米之間。其中，系統光學總長為孔徑光闌到鏡頭組件的成像面在光軸上的距離。

基於上述，本發明實施例的鏡頭組件，可提供新穎且進步的應用於長波紅外線中的成像和/或感測的鏡頭。本發明的實施例的鏡頭組件，可在提供符合要求的影像品質的同時，減少透鏡的總數，且可提升鏡片於組立的良率從而進一步降低成本。此外，本發明的實施例的鏡頭組件，也可在提供較高品質的影像的同時，仍可具有較短的系統總長，以符合消費者導向的產品領域中對於鏡頭尺寸的要求。

圖1是一實例的一種鏡頭組件的示意圖。圖2是依照本發明的一實施例的一種鏡片的示意圖。

請參照圖1及圖2。圖1為一實例的鏡頭組件1，其鏡片G1、G2為凹凸或凸凹且無外延之有效承靠，故組立時易發生錯位與偏心。而此凹凸或凸凹鏡片於研磨製造也易有鏡面偏心或錯位。如以模造工藝進行該鏡片製造則鏡面偏心或錯位更易發生。本發明提議的鏡片GA（見圖2）為雙凸且鏡片GA周緣有有效的外延承靠（flange）FL。此一鏡片架構因為雙凸加上有效外沿的承靠，故模具定位與平準度均較高，故鏡片生成良率高且用於組立時對位可較準。故組立良率可以提升且鏡頭穩定度高。

圖3是依照本發明的一實施例的一種鏡頭組件的側視示意圖。圖4是圖3的實施例的鏡頭組件的俯視示意圖。圖5是圖4的實施例的鏡頭組件的剖視示意圖。

請參照圖3。鏡頭組件100包括透鏡10、孔徑光闌ST以及蓋板20。孔徑光闌ST遠離透鏡10。在本實施例中，孔徑光闌ST設置於透鏡10的物側A1，蓋板20設置於透鏡10的像側A2。來自待測物的光束依序經由孔徑光闌ST、透鏡10、蓋板20之後，在成像面IMP上形成影像。本文中，物側A1是指朝向待測物的一側，而像側A2是朝向成像面IMP的一側。

在本發明的實施例中，遠離透鏡10的孔徑光闌ST作為準光學元件使用。儘管該非接觸式的孔徑光闌ST會為鏡頭組件整體帶來像差，在本實施例中，孔徑光闌ST被用於將視場（FOV）限制在目標值，並且可搭配位於孔徑光闌ST物側A1的鏡筒設計，減少目標視場以外的雜散光入射到鏡頭組件100，而能夠提升成像品質。

透鏡10具有正屈光率。透鏡10具有朝向物側A1且使成像光線通過的第一表面12及朝向像側A2且使成像光線通過的第二表面14。第一表面12的頂點部分和第二表面14的頂點部分均爲凸面。本文中，頂點是指透鏡表面（例如第一表面12、第二表面14）與光軸I的交點，頂點部分是指頂點及環繞頂點的且最鄰近頂點的部分。在本實施例中，第一表面12及第二表面14皆為非球面（aspheric surface），但本發明不限於此。在其他的實施例中，第一表面12及第二表面14也可以是非球面繞射表面（aspheric diffractive surface），或分別是球面和非球面，或分別是非球面和非球面繞射表面和/或自由曲面（free-form surfaces）。

透鏡10的材料為低溫可模制玻璃或其他可模制材料，例如聚酯材料（Polyester）或高密度聚乙烯聚合物（high-density polyethylene (HDPE) polymer），但本發明不限於此。在本實施例中，透鏡10的材料為硫屬玻璃，但本發明不限於此。透鏡10的厚度小於4毫米。在本實施例中，透鏡10的厚度小於3毫米，但本發明不限於此。本文中，透鏡的厚度是指透鏡的中心厚度。

蓋板20可以為任何適合的透光材質的平板。蓋板20具有朝向物側A1且使成像光線通過的物側面22及朝向像側A2且使成像光線通過的像側面24。蓋板20可調整鏡頭組件的長度，也可為設置在其像側A2上的感測器提供保護，但本發明不限於此。

在本實施例中，透鏡10具有鏡頭組件100整體的屈光率。也就是說，鏡頭組件100中具有屈光率的透鏡10只有一片。因此，鏡頭組件100可在提供符合要求的影像品質的同時，減少透鏡的總數，且可進一步降低成本。此外，鏡頭組件100也因此可降低整體尺寸，在提供較高的影像品質的同時，仍能夠具有足夠小的鏡頭長度，符合消費者導向的產品領域中對於鏡頭尺寸的要求。但本發明不限於此。在其他的實施例中，鏡頭組件100可更包括設置在透鏡10的物側A1的另一蓋板（圖未示出）。

請同時參照圖3至圖5。圖5是圖4的鏡頭組件100沿線B-B’的剖視示意圖。鏡頭組件100還包括鏡筒30。鏡筒30保持透鏡10和孔徑光闌ST。在本實施例中，透鏡10可包括承靠部16，鏡筒30通過與承靠部16接合以保持透鏡10，但本發明不限於此。此外，鏡筒30的不同部份可具有不同的內直徑。在本實施例中，鏡筒30的最小孔徑處30N定義出孔徑光闌ST，但本發明不限於此。

在本實施例中，鏡頭組件100的系統光學總長（optical total track length，OTTL）小於10毫米。其中系統光學總長為孔徑光闌ST到鏡頭組件100的成像面IMP在光軸I上的距離。因此，鏡頭組件100可具有較短的系統總長，以符合消費者導向的產品領域中對於鏡頭尺寸的要求。此外，在本實施例中，透鏡10的有效焦距（Effective Focal Length，EFL）大約等同於鏡頭組件100的系統光學總長（OTTL）。本發明實施例的鏡頭組件100的f數（f-number）落在小於2.0的範圍內。在本實施例中，鏡頭組件100的f數小於1.0，但本發明不限於此。

此外，在本實施例中，鏡頭組件100的工作波長帶落在7微米至14微米之間。也就是說，本系列實施例的光學設計是針對使用於長波紅外線（longwave infrared，LWIR）中的波長帶的成像和/或感測應用的紅外線鏡頭。因此，鏡頭組件100可被使用於波長範圍從7微米到14微米的任何部分波長帶的紅外光譜應用中。

進一步地，本發明實施例的鏡頭組件100的各參數，例如系統模組總長（module total track length，MTTL）、系統總長（total track length，TTL）等可符合以下條件，因此，鏡頭組件100可在提供較高品質的影像的同時，仍能夠具有足夠小的鏡頭長度，符合消費者導向的產品領域中對於鏡頭尺寸的要求： 0.3＜(MIC/MTTL)＜0.5； 0.1＜(G1/MTTL)＜0.3； 0.2＜(G2/MTTL)； 0.1＜(G3/MTTL)＜0.25； 0.5＜(MIC/TTL)＜1.0。

上述條件式中， MIC為鏡頭組件100的像高的二倍； MTTL為鏡筒30的物側端30T到成像面IMP在光軸I上的距離（鏡筒30的物側端30T是鏡筒30最靠近物側A1的端部）； TTL為第一表面12到成像面IMP在光軸I上的距離； G1為孔徑光闌ST到第一表面12在光軸I上的距離； G2為第二表面14到成像面IMP在光軸I上的距離； G3為鏡筒30的物側端30T到孔徑光闌ST在光軸I上的距離。

此外，請再參照圖5。在本實施例中，鏡筒30還可包括自鏡筒30的最小孔徑處30N（即孔徑光闌ST所在位置）向鏡筒30的物側端30T延伸的擋板凸緣32。擋板凸緣32的內側可具有傾斜側壁32W，但本發明不限於此。如圖5所示，在本實施例中，傾斜側壁32W與光軸I之間可具有相當於半視場角（HFOV）的夾角θ。因此，傾斜側壁32W可阻擋目標視場以外的雜散光入射到鏡頭組件100，而能夠提升成像品質。在本實施例中，鏡筒30的材質為塑膠，例如為熱傳導塑膠，但本發明不限於此。

如圖5所示，鏡頭組件100可更包括設置在成像面IMP上的感測器40，蓋板20位於感測器40和第二表面14之間。感測器40可將在成像面IMP上形成的影像轉化為電訊號。

請參照圖4及圖5。在本實施例中，鏡頭組件100還包括基板50及殼體60。基板50可例如是印刷電路板（Printed circuit board，PCB）或其他適合的板體。感測器40可設置於基板50上。在一些實施例中，感測器40可與基板50電性連接。殼體60可設置於基板50上。在本實施例中，鏡筒30上設置有外螺紋，殼體60上設置有可與該外螺紋配合的內螺紋，使鏡筒30可相對於殼體60及基板50移動。因此，可調整透鏡10與設置在基板50上的感測器40之間的距離，但本發明不限於此。

進一步地，本發明實施例的鏡片在採用自由面（free-form）型後其解析特性可以大幅提升。實施例可以如圖6。其中透鏡10’的f數為1.7、有效焦距為3.67 mm、鏡片材質為IRG206。在成像面（image plane）IMP或感測器（sensor）前有一個矽的蓋板（cover plate）20’。在此例中感測器的像素尺寸（pixel size）為35 μm。自由型（freeform）由一般的xy 多項式所描述（但可以不限於xy 多項式）。如圖7所示其調製傳遞函數（Modulation Transfer Function，MTF）的表現在優化後可以近乎繞射極限曲線C。可以看到它的解析度遠超過感測器（sensor）的空間截止頻率。本發明不限於此特定實施例亦不限於特定鏡片材質。

綜上所述，本發明的實施例的鏡頭組件，在符合以上所述的一個或多個條件時，可提供新穎且進步的應用於長波紅外線中的成像和/或感測的鏡頭。本發明的實施例的鏡頭組件，可在提供符合要求的影像品質的同時，減少透鏡的總數，且可進一步降低成本。此外，本發明的實施例的鏡頭組件，可在提供較高品質的影像的同時，仍可具有較短的系統總長，以符合消費者導向的產品領域中對於鏡頭尺寸的要求。

10,10’:透鏡 12:第一表面 14:第二表面 16:承靠部 20,20’:蓋板 22:物側面 24:像側面 30:鏡筒 30T:物側端 30N:最小孔徑處 32:擋板凸緣 32W:側壁 40:感測器 50:基板 60:殼體 1,100:鏡頭組件 A1:物側 A2:像側 B-B’:線 C:繞射極限曲線 FL:承靠 G1,G2,GA:鏡片 I:光軸 IMP:成像面 ST:孔徑光闌 θ:夾角

圖1是一實例的一種鏡頭組件的示意圖。圖2是依照本發明的一實施例的一種鏡片的示意圖。圖3是依照本發明的一實施例的一種鏡頭組件的側視示意圖。圖4是圖3的實施例的鏡頭組件的俯視示意圖。圖5是圖4的實施例的鏡頭組件的剖視示意圖。圖6是依照本發明的一實施例的一種鏡頭組件的側視示意圖。圖7示出依照本發明的實施例的調製傳遞函數。

10:透鏡

16:承靠部

20:蓋板

30:鏡筒

30T:物側端

30N:最小孔徑處

32:擋板凸緣

32W:側壁

40:感測器

50:基板

60:殼體

100:鏡頭組件

I:光軸

θ:夾角

Claims

一種鏡頭組件，包括：透鏡，具有朝向物側的第一表面和朝向像側的第二表面，所述第一表面的頂點部分和所述第二表面的頂點部分均為凸面，所述透鏡的材料為可模制材料，且所述透鏡的厚度小於4毫米；孔徑光闌，所述孔徑光闌遠離所述透鏡；以及鏡筒，所述鏡筒保持所述透鏡和所述孔徑光闌；所述鏡頭組件的系統光學總長(OTTL)小於10毫米，且所述鏡頭組件的工作波長帶落在7微米至14微米之間；其中，系統光學總長為所述孔徑光闌到所述鏡頭組件的成像面在光軸上的距離，所述透鏡為最靠近所述物側且在所述光軸上具有厚度的光學元件。
如請求項1所述的鏡頭組件，其中所述鏡頭組件中具有屈光率的透鏡只有一片。
如請求項1所述的鏡頭組件，其中所述孔徑光闌設置於所述透鏡的所述物側。
如請求項1所述的鏡頭組件，其中所述鏡頭組件符合條件：0.3<(MIC/MTTL)<0.5；其中，MIC為所述鏡頭組件的像高的二倍，MTTL為所述鏡筒的物側端到所述成像面在所述光軸上的距離。
如請求項1所述的鏡頭組件，其中所述鏡頭組件符合條件：0.1<(G1/MTTL)<0.3；其中，G1為所述孔徑光闌到所述第一表面在所述光軸上的距離，MTTL為所述鏡筒的物側端到所述成像面在所述光軸上的距離。
如請求項1所述的鏡頭組件，其中所述鏡頭組件符合條件：0.2<(G2/MTTL)；其中，G2為所述第二表面到所述成像面在所述光軸上的距離，MTTL為所述鏡筒的物側端到所述成像面在所述光軸上的距離。
如請求項1所述的鏡頭組件，其中所述鏡頭組件符合條件：0.1<(G3/MTTL)<0.25；其中，G3為所述鏡筒的物側端到所述孔徑光闌在所述光軸上的距離，MTTL為所述鏡筒的物側端到所述成像面在所述光軸上的距離。
如請求項1所述的鏡頭組件，其中所述鏡頭組件符合條件：0.5<(MIC/TTL)<1.0；其中，MIC為所述鏡頭組件的像高的二倍，TTL為所述第一表面到所述成像面在所述光軸上的距離。
如請求項1所述的鏡頭組件，其中所述鏡筒還包括自所述鏡筒的最小孔徑處向所述鏡筒的物側端延伸的擋板凸緣，所述擋板凸緣具有傾斜側壁。
如請求項1所述的鏡頭組件，其中所述鏡頭組件還包括設置在所述成像面上的感測器。
如請求項10所述的鏡頭組件，其中所述鏡頭組件還包設置在所述感測器上的蓋板，所述蓋板位於所述感測器和所述第二表面之間。
如請求項1所述的鏡頭組件，其中所述可模制材料為低溫可模制玻璃。