TWI821225B

TWI821225B - 鏡頭及其製造方法

Info

Publication number: TWI821225B
Application number: TW107145160A
Authority: TW
Inventors: 林盈秀; 王國權
Original assignee: 光芒光學股份有限公司
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2023-11-11
Also published as: CN111323893B; TW202022424A; CN111323893A; US11307383B2; US20200192062A1

Abstract

一種鏡頭，包含第一透鏡組、第二透鏡組和光圈。第一透鏡組包含至少兩片具有屈光度的透鏡，屈光度為正的第二透鏡組包含至少兩片具有屈光度的透鏡，光圈設於第一透鏡組與第二透鏡組之間，其中鏡頭包含具屈光度的透鏡總數為大於4且小於9，D1為第一透鏡組最遠離第二透鏡組的透鏡表面直徑，LT為鏡頭兩端最外側的透鏡表面，在鏡頭光軸上的長度，IMH為鏡頭在一成像面的最大影像高度且鏡頭滿足下列條件：3.5 ＜LT/IMH＜6且0.65＜D1/LT＜0.9。

Description

鏡頭及其製造方法

本發明關於一種鏡頭及其製造方法。

近年來隨科技的進展，鏡頭的種類日漸多元，應用於智慧家庭監視用鏡頭是一種常見的鏡頭。目前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、短總長和日夜共焦（IR Correction)等特點。因此，目前亟需一種能兼顧輕量化、短總長及日夜共焦，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。

「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，提供一種鏡頭，包含第一透鏡組、第二透鏡組和光圈。第一透鏡組包含至少兩片具有屈光度的透鏡，屈光度為正的第二透鏡組包含至少兩片具有屈光度的透鏡，光圈設於第一透鏡組與第二透鏡組之間，其中鏡頭包含具屈光度的透鏡總數為大於4且小於9，D1為第一透鏡組最遠離第二透鏡組的透鏡表面直徑，LT為鏡頭兩端最外側的透鏡表面，在鏡頭光軸上的長度，IMH為鏡頭在一成像面的最大影像高度且鏡頭滿足下列條件：3.5 ＜LT/IMH＜6且0.65＜D1/LT＜0.9。藉由本實施例兩個透鏡組和包含多片非球面透鏡，且鏡頭的透鏡數介於5~8片，達到輕量化、短總長、較低的製造成本、日夜共焦及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。

根據本發明的另一個觀點，提供一種鏡頭，沿鏡頭的影像放大側至影像縮小側依序設置第一、第二、第三、第四和第五透鏡，其中第二、第三、第四和第五透鏡為非球面透鏡，且鏡頭包括具有屈光度的透鏡總數小於9，視場角介於180度和220度之間，其中以555奈米光線通過該鏡頭所形成的一第一焦平面與該鏡頭的光軸所形成之交點，稱為第一交點，以850奈米光線通過該鏡頭所形成的一第二焦平面與該鏡頭的光軸所形成之交點，稱為第二交點，且該第二交點相對於該第一交點的距離小於20μm。藉由本實施例包含球面透鏡和多片非球面塑膠透鏡，且鏡頭的透鏡數介於5~8片，達到輕量化、較低的製造成本、短總長、日夜共焦及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。

藉由本發明實施例的設計，可提供一種能兼顧可使光學鏡頭兼具良好的光學成像品質與日夜共焦的特性，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，本發明實施例光學鏡頭5~8片鏡片、鏡頭到感測器(Sensor)的距離(TTL)小於15 mm，因此能夠提供具大光圈、高解析度、輕量化、短總長和日夜共焦(偏移量可小於20微米)等特點，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。

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。

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。

當鏡頭應用在取像系統中時，影像放大側係指在光路上靠近被拍攝物所處的一側，影像縮小側則係指在光路上較靠近感光元件的一側。

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。請參照圖1，在本實施例中，鏡頭10a有一鏡筒(未繪示)，鏡筒裡由第一側(影像放大側OS)往第二側(影像縮小側IS)排列包含了第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、光圈14及第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6。第一透鏡L1、第二透鏡L2和第三透鏡L3構成具有負屈光度的第一透鏡組(例如為前組)20，第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6構成具有正屈光度的第二透鏡組(例如為後組)30。再者，影像縮小側IS可設置玻璃蓋16以及影像感測器(圖中未顯示)，鏡頭10a的可見光有效焦距上成像面標示為19，玻璃蓋16位於第二透鏡組30與可見光有效焦距上成像面19之間。於本實施例中，第一透鏡L1至第六透鏡L6屈光度分別為負、負、正、正、負、正，且第二、第三、第五和第六透鏡為非球面塑膠透鏡。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，且最遠離成像面19的透鏡的材料可由玻璃構成。另外，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)的曲率半徑且形成結合透鏡、膠合透鏡、雙合透鏡(doublet)或三合透鏡(triplet)，例如本實施例的第四透鏡L4可由兩透鏡以膠合方式形成雙合透鏡，也可由三透鏡以膠合方式形成三合透鏡，使得本實施例的鏡頭的具屈光度的透鏡總數為8片，但本發明實施例並不以此為限制。本發明各具體實施例之影像放大側OS均分別設於各圖之左側，而影像縮小側IS均設於各圖之右側，將不予重覆說明之。

本發明所指光圈14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。

各透鏡係定義有表面直徑。舉例而言，如圖1所示，表面直徑是指該於光軸12兩端的鏡面轉折點P、Q於垂直光軸12方向上的距離(例如表面直徑D)。再者，於本實施例中，表面S1的直徑為8.6mm，表面S13的直徑為3.3mm。

鏡頭10a的透鏡設計參數、外形及非球面係數分別如表一及表二所示，於本發明設計實例中，非球面多項式可用下列公式表示：(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-G分別代表非球面多項式的 4、6、8、10、12、14、16階項係數值。然而，下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。

表一

表二

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，S15間距為表面S15到可見光有效焦距上成像面19在光軸12的距離。

表中表面有出現的＊係指該表面為非球面表面，而若未標示即為球面之意。

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。

本發明的光圈值係以F/#來代表，如上表所標示者。本發明鏡頭應用在投影系統時，成像面是光閥表面。而當鏡頭應用在取像系統中時，成像面則係指感光元件表面。

當鏡頭應用在取像系統中時，影像高度IMH係指在成像面的影像對角線(image circle)長度的1/2，如上表所標示者。

本發明中，鏡頭的總長係以LT來表示，如上表所標示者。更明確的說，本實施例的總長是指鏡頭10a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S13之間，沿光軸12量測的距離，如上表所標示者。鏡頭的鏡頭總長(LT)小於11mm。本發明中，鏡頭到成像面19的總長係以TTL來表示，如上表所標示者。更明確的說，本實施例鏡頭到成像面19的總長是指鏡頭10a最接近影像放大側的光學表面S1與鏡頭成像面19之間，沿光軸12量測的距離。

於本實施例中，視場角DFOV是指最接近影像放大端的光學表面S1的收光角度，亦即量測所得之最大視野 (field of view)，如上表所標示者。

圖2至圖3為本實施例鏡頭10a的成像光學模擬數據圖。圖2為鏡頭10a的相對不同光波長的焦距偏移圖，而圖中555奈米可見光通過該鏡頭所形成的一第一焦平面與該鏡頭的光軸所形成之交點，稱為第一交點，以850奈米紅外光通過該鏡頭所形成的一第二焦平面與該鏡頭的光軸所形成之交點，稱為第二交點，兩者的距離即光學鏡頭10a相對於可見光以及近紅外光的焦距偏移量。本實施例第二交點相對於第一交點的偏移量約為5微米。要注意的是，使用555奈米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3為可見光之光線扇形圖(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（例如成像面19）的位置的相對數值。圖2至圖3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。

本發明一實施例之鏡頭包含兩透鏡組，前組例如可使用兩個透鏡，以具有收光能力，但其並不限定。鏡頭的光圈值約大於等於2.0。鏡頭包含多片非球面透鏡以達到輕量化和低總長。鏡頭具屈光度的透鏡總片數為5~8片，且鏡頭具有至少阿貝數大於55的三片透鏡。

於一實施例中，鏡頭的透鏡表面可符合0.65＜D1/LT＜0.98，於另一實施例可符合0.67＜D1/LT＜0.98，於又另一實施例可符合0.7＜D1/LT＜0.98，其中D1為最遠離鏡頭成像面的透鏡表面直徑，LT 為鏡頭最接近影像放大側的光學表面與最接近影像縮小側的光學表面之間，沿光軸量測的距離，藉以讓進入鏡頭的影像光收斂到接近影像感測器的大小，以在有限空間中取得較佳的光學效果。

於一實施例中，鏡頭可符合3.5＜LT/IMH＜6，於另一實施例可符合3.6＜LT/IMH＜5.9，於又另一實施例可符合3.7＜LT/IMH＜5.8，藉以提供影像感測器對應鏡頭總長的較佳設計範圍，其中IMH為在成像面的影像對角線(image circle)長度的1/2， LT 為鏡頭最接近影像放大側的光學表面與最接近影像縮小側的光學表面之間，沿光軸量測的距離。

以下將說明本發明的鏡頭的第二實施例的設計。圖4是本發明第二實施例的鏡頭10b架構示意圖。第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、光圈14及第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6。第一透鏡L1、第二透鏡L2和第三透鏡L3構成具有負屈光度的第一透鏡組(例如為前組)20，第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6構成具有正屈光度的第二透鏡組(例如為後組)30。於本實施例中，鏡頭10b的第一透鏡L1至第六透鏡L6的屈光度分別為負、負、正、正、負、正，且第二、第三、第五和第六透鏡為非球面塑膠透鏡。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。再者，於本實施例中，表面S1的直徑為9.04mm，表面S13的直徑為3.3mm。鏡頭10b中的透鏡及其周邊元件的設計參數如表三所示。

表三

表四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。

表四

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，S15間距為表面S15到可見光有效焦距上成像面19在光軸12的距離。鏡頭具有至少阿貝數大於55的兩片塑膠透鏡。

圖5至圖6為本實施例鏡頭10b的成像光學模擬數據圖。圖5為鏡頭10b的相對不同光波長的焦距偏移圖，本實施例第二交點相對於第一交點的偏移量約為6微米。圖6為可見光之光線扇形圖(ray fan plot)。圖5至圖6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。

以下將說明本發明的鏡頭的第三實施例的設計。圖7是本發明第三實施例的鏡頭10c架構示意圖。第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、光圈14及第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6。第一透鏡L1、第二透鏡L2和第三透鏡L3構成具有負屈光度的第一透鏡組(例如為前組)20，第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6構成具有正屈光度的第二透鏡組(例如為後組)30。於本實施例中，鏡頭10c的第一透鏡L1至第六透鏡L6的屈光度分別為負、負、正、正、負、正，且第二、第三、第五和第六透鏡為非球面塑膠透鏡。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。再者，於本實施例中，表面S1的直徑為8.9mm，表面S13的直徑為3.36mm。鏡頭10c中的透鏡及其周邊元件的設計參數如表五所示。

表六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。

表六

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，S15間距為表面S15到可見光有效焦距上成像面19在光軸12的距離。鏡頭具有至少阿貝數大於50的三片透鏡。

圖8至圖9為本實施例鏡頭10c的成像光學模擬數據圖。圖8為鏡頭10c的相對不同光波長的焦距偏移圖，本實施例第二交點相對於第一交點的偏移量約為7微米。圖9為可見光之光線扇形圖(ray fan plot)。圖8至圖9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鏡頭10c確實能夠兼具良好的光學成像品質及日夜共焦的特性。

藉由本發明實施例的設計，可提供一種能兼顧可使光學鏡頭兼具良好的光學成像品質與日夜共焦的特性，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，本發明實施例光學鏡頭5~8片鏡片、鏡頭到感測器(Sensor)的距離(TTL)小於15mm，因此能夠提供具大光圈、高解析度、輕量化、短總長和日夜共焦(偏移量可小於20微米)等特點，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。

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。

10a、10b、10c:鏡頭12:光軸14:光圈16:玻璃蓋19:成像面20:第一透鏡組30:第二透鏡組L1-L6:透鏡S1-S16:表面P、Q:轉折點D:表面直徑OS:影像放大側IS:影像縮小側

圖1為依本發明一實施例之鏡頭10a的示意圖。

圖2至圖3分別為鏡頭10a的相對不同光波長的焦距偏移圖和光線扇形圖。

圖4為依本發明一實施例之鏡頭10b的示意圖。

圖5至圖6分別為鏡頭10b的相對不同光波長的焦距偏移圖和光線扇形圖。

圖7為依本發明一實施例之鏡頭10c的示意圖。

圖8至圖9分別為鏡頭10c的相對不同光波長的焦距偏移圖和光線扇形圖。

無

10a:鏡頭

12:光軸

14:光圈

16:玻璃蓋

19:成像面

20:第一透鏡組

30:第二透鏡組

L1-L6:透鏡

S1-S16:表面

P、Q:轉折點

D:表面直徑

OS:影像放大側

IS:影像縮小側

Claims

一種鏡頭，包含：一第一透鏡組，包含至少兩片具有屈光度的透鏡；一屈光度為正的第二透鏡組，包含至少兩片具有屈光度的透鏡；以及一光圈，設於該第一透鏡組與該第二透鏡組之間，其中該鏡頭包含具屈光度的透鏡總數為大於4且小於9，D1為該第一透鏡組最遠離該第二透鏡組的透鏡表面直徑，LT為該鏡頭兩端最外側透鏡表面，在該鏡頭光軸上的長度，IMH為該鏡頭在一成像面的最大影像高度且該鏡頭滿足下列條件：3.5<LT/IMH<6且0.65<D1/LT<0.98；並且以555奈米光線通過該鏡頭所形成的一第一焦平面與該鏡頭的光軸所形成之交點，稱為第一交點，以850奈米光線通過該鏡頭所形成的一第二焦平面與該鏡頭的光軸所形成之交點，稱為第二交點，且該第二交點相對於該第一交點的距離小於20μm。
一種鏡頭，包含：沿該鏡頭的影像放大側至影像縮小側依序設置一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡和一第五透鏡，其中該第二透鏡、該第三透鏡、該第四透鏡和該第五透鏡為非球面透鏡，且該鏡頭包括具有屈光度的透鏡總數小於9，視場角介於180度和220度之間，其中以555奈米光線通過該鏡頭所形成的一第一焦平面與該鏡頭的光軸所形成之交點，稱為第一交點，以850奈米光線通過該鏡頭所形成的一第二焦平面與該鏡頭的光軸所形成之交點，稱為第二交點，且該第二交點相對於該第一交點的距離小於20μm，且D1為該第一透鏡上最遠離該影像縮小側的表面的直徑，LT為該鏡頭兩端最外側透鏡表面，在該鏡頭光軸上的長度，而該鏡頭滿足下列條件：0.65<D1/LT<0.98。
如申請專利範圍第1至2項任一項所述之鏡頭，其中該鏡頭的光圈值(F/#)大於等於2.0。
如申請專利範圍第1項所述之鏡頭，其中該鏡頭最遠離該成像面的透鏡表面到成像面的距離(TTL)小於15mm。
如申請專利範圍第1至2項任一項所述之鏡頭，其中該鏡頭滿足下列條件之一：(1)包含至少3片阿貝數大於55的透鏡，(2)包含至少2片阿貝數大於55的塑膠透鏡，(3)包含至少3片阿貝數大於50的透鏡。
如申請專利範圍第1項所述之鏡頭，其中該鏡頭最遠離該成像面的透鏡的材料由玻璃所構成。
如申請專利範圍第1至2項任一項所述之鏡頭，其中該鏡頭的鏡頭總長(LT)小於11mm。
如申請專利範圍第1至2項任一項所述之鏡頭，其中該鏡頭自影像放大側至影像縮小側依序為凸凹、非球面、非球面、雙凸、非球面和非球面透鏡。
如申請專利範圍第1至2項任一項所述之鏡頭，其中該鏡頭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。