TWI845367B - 光學成像鏡頭 - Google Patents

Abstract

一種光學成像鏡頭，用於有限的工作距離，從物側至像側沿光軸依序包括第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡以及影像感測元件，且第一透鏡至第六透鏡各自包括朝向物側的物側面及朝向像側的像側面。其中，第一透鏡為廣角透鏡。第二透鏡至第六透鏡為非球面透鏡、模造玻璃透鏡與自由曲面透鏡的組合。光學成像鏡頭的視場角大於等於100度，且光學成像鏡頭為廣角鏡頭。

Description

光學成像鏡頭

本發明是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種光學成像鏡頭。

近年來，光學成像鏡頭不斷演進，所要應用的範圍更為廣泛，除了要求鏡頭輕薄短小以外，大的視場角也逐漸成為趨勢。在目前的光學鏡頭中，一般鏡片組其工作距離多為無限遠，或自200毫米(20公分)到1000毫米(1公尺)遠。在手機市場中，常用的手機後攝像鏡頭多為60公分到無限遠或30公分到無限遠。因此，如有其他特殊需求，則常以多鏡頭搭配。然而，一旦應用場景改變，特別是有效工作距離為近距(如60公分內或甚至30公分內)則鏡頭要求截然不同。本發明是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種近距離應用場景的光學成像鏡頭。

此外，在一般的光學鏡頭中，鏡片組的視場角(field of view)通常介於60度至70度之間，而其光學畸變通常落在10%至20%之間。因此，如何在提高視場角之下同時兼具較低光學畸變是本領域的發展目標之一。另一方面，為達到有效的可視範圍 (或工作距離)，一般鏡片組常利用音圈馬達(voice coil motor,VCM)或其他變焦手法調整鏡片，來達到改變有效的可視範圍(或工作距離)。因此，如何不透過額外構件達成有限可視範圍(或工作距離)以在商業上利用亦是本領域的發展目標之一。本發明是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種大廣角、高光效(無額外構件)、近距離應用場景的光學成像鏡頭。

在應用上，本實施例所提供的光學成像鏡頭可應用於非接觸式光學感測裝置，例如是掌紋辨識感應器，或者是應用於非接觸式門禁系統與健康應用監測領域等有限工作距離光學裝置。

本發明提供一種光學成像鏡頭，具有大視場角及良好的光學成像效果，且可用於有限的工作距離。

本發明提供一種光學成像鏡頭，用於有限的工作距離，從物側至像側沿光軸依序包括第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡以及影像感測元件，且第一透鏡至第六透鏡各自包括朝向物側的物側面及朝向像側的像側面。其中，第一透鏡為廣角透鏡。第二透鏡至第六透鏡為非球面透鏡、模造玻璃透鏡與自由曲面透鏡的組合。光學成像鏡頭的視場角大於等於100度，且光學成像鏡頭為廣角鏡頭。

在本發明的一實施例中，上述的光學成像鏡頭僅有六片透鏡。

在本發明的一實施例中，上述的第二透鏡、第三透鏡及第五透鏡為非球面透鏡，第四透鏡為模造玻璃透鏡，第六透鏡為自由曲面透鏡。

在本發明的一實施例中，上述的光學成像鏡頭的視場角小於150度。

在本發明的一實施例中，上述的光學成像鏡頭的有效工作距離大於等於20毫米且小於等於200毫米。

在本發明的一實施例中，上述的光學成像鏡頭的有效工作距離大於等於100毫米且小於等於500毫米。

在本發明的一實施例中，上述的光學成像鏡頭的有效工作距離大於等於200毫米且小於等於1000毫米。

在本發明的一實施例中，上述的光學成像鏡頭滿足以下條列式：CA1/TTL>0.7，其中CA1為第一透鏡的光學有效徑，且TTL為第一透鏡的物側面至影像感測元件的成像面在光軸上的距離。

在本發明的一實施例中，上述的光學成像鏡頭滿足以下條列式：SD/TTL>0.42，其中SD為影像感測元件的成像面的對角線長度，且TTL為第一透鏡的物側面至影像感測元件在光軸上的距離。

在本發明的一實施例中，上述的光學成像鏡頭滿足以下條列式：60>RWD/TTL>30，其中RWD為光學成像鏡頭的最大工作距離與最小工作距離的相差，且TTL為第一透鏡的物側面至影 像感測元件在光軸上的距離。

在本發明的一實施例中，上述的光學成像鏡頭還包括濾光元件，配置於第六透鏡與影像感測元件之間。

在本發明的一實施例中，上述的光學成像鏡頭具有對可見光波段的抗全反射鍍膜或具有對不可見光波段的抗全反射鍍膜。

在本發明的一實施例中，上述的光學成像鏡頭的光學形變曲線變化與θ正切函數的誤差值小於5%且成正比，其中θ為光學成像鏡頭的視場角。

基於上述，在本發明的光學成像鏡頭中，從物側至像側沿光軸依序包括第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡，其中第一透鏡為廣角透鏡，且第二透鏡至第六透鏡為非球面透鏡、模造玻璃透鏡與自由曲面透鏡的組合。光學成像鏡頭為廣角鏡頭且具有大視場角。此外，光學成像鏡頭用於有限的工作距離。如此一來，藉由滿足上述透鏡的種類排列設計以及表面的條件，可使光學成像鏡頭具有較大視場角、可改善像差且成像品質優良，且可用於有限的工作距離。

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。

0:光圈

1:第一透鏡

2:第二透鏡

3:第三透鏡

4:第四透鏡

5:第五透鏡

6:第六透鏡

8:濾光元件

9:影像感測元件

10:光學成像鏡頭

15,25,35,45,55,65,85:物側面

16,26,36,46,56,66,86:像側面

99:成像面

A1:物側

A2:像側

D:距離

I:光軸

WD1,WD2:工作距離

WDR:工作距離範圍

圖1為本發明一實施例的光學成像鏡頭的示意圖。

圖2為圖1的光學成像鏡頭的工作距離示意圖。

圖3為圖1的光學成像鏡頭的詳細光學數據。

圖4為圖1的光學成像鏡頭的非球面參數。

圖5為圖1的光學成像鏡頭的自由曲面參數。

圖6為圖1的光學成像鏡頭的場曲像差曲線圖。

圖7為圖1的光學成像鏡頭的畸變像差曲線圖。

圖1為本發明一實施例的光學成像鏡頭的示意圖。請參考圖1。本實施例提供一種光學成像鏡頭10，用於有限的工作距離。光學成像鏡頭10的視場角大於等於100度，且光學成像鏡頭10為廣角鏡頭。在較佳的實施例中，光學成像鏡頭10的視場角大於等於100度且小於150度。在應用上，本實施例所提供的光學成像鏡頭10可應用於非接觸式光學感測裝置，例如是掌紋辨識感應器，或者式應用於非接觸式門禁系統等有限工作距離光學裝置，本發明並不限於此。

光學成像鏡頭10從物側A1至像側A2沿光軸I依序包括第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4、第五透鏡5、第六透鏡6以及影像感測元件9。當由一待拍攝物所發出的光線進入光學成像鏡頭10，並經由第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、光圈0、第四透鏡4、第五透鏡5、第六透鏡6及濾光元件8之後，會在影像感測元件9的一成像面99(Image Plane)形成一 影像。濾光元件8則設置於第六透鏡6的像側面66與成像面99之間。補充說明的是，物側A1是朝向待拍攝物的一側，而像側A2是朝向成像面IP的一側。在本實施例中，濾光元件8例如為紅外線濾除濾光片(IR Cut Filter)，但本發明並不限於此。在本實施例中，光學成像鏡頭10具有對可見光波段的抗全反射鍍膜或具有對不可見光波段的抗全反射鍍膜。

詳細而言，在本實施例中，第一透鏡1為廣角透鏡。第二透鏡2至第六透鏡6為非球面透鏡、模造玻璃透鏡與自由曲面透鏡的組合。第一透鏡1至第六透鏡6及濾光元件8各自包括朝向物側A1且使成像光線通過的物側面15、25、35、45、55、65、85及朝向像側A2且使成像光線通過的像側面16、26、36、46、56、66、86。在本實施例中，光圈0置於第三透鏡3及第四透鏡4之間。

詳細而言，在本實施例中，第一透鏡1為廣角透鏡。第一透鏡1具有負屈光率。第一透鏡1的物側面15為凸面，且第一透鏡1的像側面16為凹面。在本實施例中，第一透鏡1的物側面15與像側面16皆為非球面(aspheric surface)，但本發明並不以此為限。

第二透鏡2為非球面透鏡。第二透鏡2具有正屈光率。第二透鏡2的物側面25為凸面，且第二透鏡2的像側面26為凹面。在本實施例中，第二透鏡2的物側面25與像側面26皆為非球面，但本發明並不以此為限。

第三透鏡3為非球面透鏡。第三透鏡3具有負屈光率。第三透鏡3的物側面35為凸面，且第三透鏡3的像側面36為凹面。在本實施例中，第三透鏡3的物側面35與像側面36皆為非球面，但本發明並不以此為限。

第四透鏡4為模造玻璃透鏡。第四透鏡4具有正屈光率。第四透鏡4的物側面45為凸面，且第四透鏡4的像側面46為凸面。在本實施例中，第四透鏡4的物側面45與像側面46皆為非球面，但本發明並不以此為限。

第五透鏡5為非球面透鏡。第五透鏡5具有正屈光率。第五透鏡5的物側面55為凸面，且第五透鏡5的像側面56為凸面。在本實施例中，第五透鏡5的物側面55與像側面56皆為非球面，但本發明並不以此為限。

第六透鏡6為自由曲面透鏡。第六透鏡6具有負屈光率。第六透鏡6的物側面65為凹面，且第六透鏡6的像側面66為凹面。在本實施例中，第六透鏡6的物側面65與像側面66皆為自由曲面，但本發明並不以此為限。在本實施例中，光學成像鏡頭10僅有上述六片透鏡。

圖2為圖1的光學成像鏡頭的工作距離示意圖。請參考圖1及圖2。值得一提的是，在本實施例中，光學成像鏡頭10具有最近工作距離WD1以及非無限遠的最遠工作距離WD2，而最遠工作距離WD2至最近工作距離WD1可被定義為工作距離範圍WDR。在本實施例中，光學成像鏡頭10的有效工作距離大於等於 20毫米且小於等於200毫米。意即，最近工作距離WD1為20毫米，最遠工作距離WD2為200毫米，且工作距離範圍WDR為180毫米。在另一實施例中，光學成像鏡頭的有效工作距離也可設計為大於等於100毫米且小於等於500毫米，本發明並不限於此。意即，最近工作距離WD1為100毫米，最遠工作距離WD2為500毫米，且工作距離範圍WDR為400毫米。又在另一實施例中，光學成像鏡頭的有效工作距離也可設計為大於等於200毫米且小於等於1000毫米，本發明並不限於此。意即，最近工作距離WD1為200毫米，最遠工作距離WD2為1000毫米，且工作距離範圍WDR為800毫米。

此外，當光學成像鏡頭10滿足以下條列式時，可進一步提升良好的成像效果，其中，光學成像鏡頭10可符合CA1/TTL>0.7；光學成像鏡頭10可符合SD/TTL>0.42；以及光學成像鏡頭10可符合60>RWD/TTL>30。

其中，CA1為第一透鏡1的光學有效徑；TTL為第一透鏡1的物側面15至影像感測元件9的成像面99在光軸I上的距離D；SD為影像感測元件9的成像面99的對角線長度；RWD為光學成像鏡頭10的最大工作距離WD1與最小工作距離WD2的相差(即工作距離範圍WDR)。

圖3為圖1的光學成像鏡頭的詳細光學數據。請參考圖1及圖3。本實施例的光學成像鏡頭10有效焦距(Effective Focal Length,EFL)為0.806毫米(Millimiter,mm)，水平視場角(horizontal field of view,HFOV)為130度，垂直視場角(vertical field of view,VFOV)為120度，系統長度為48.35毫米，光圈值(F-number,Fno)為f/2，像高為4.05毫米，其中系統長度是指由第一透鏡1的物側面15到成像面99在光軸I上的距離。

圖4為圖1的光學成像鏡頭的非球面參數。請參考圖1及圖4。此外，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以及第五透鏡5的物側面15、25、35、45、55及像側面16、26、36、46、56共計十個面均是非球面，其中物側面15、25、35、45、55像側面16、26、36、46、56為一般的偶次非球面(even asphere surface)。而這些非球面是依下列公式(1)定義：

其中：z：非球面之深度(非球面上距離光軸I為Y的點，其與相切於非球面光軸I上頂點之切面，兩者間的垂直距離)；c：曲面頂點的曲率；k：圓錐係數(conic constant)；r：徑向距離；ARn：rⁿ的非球面係數(1≦n≦30)。

第一透鏡1的物側面15到第五透鏡5的像側面56在公式(1)中的各項非球面係數如圖4所示。其中，圖4中欄位編號15表示其為第一透鏡1的物側面15的非球面係數，其它欄位依此類推。在本實施例及以下各實施例中，第2階非球面係數a₂皆為0。

圖5為圖1的光學成像鏡頭的自由曲面參數。請參考圖1及圖5。此外，在本實施例中，第六透鏡6的物側面65及像側面66共計兩個面是自由曲面，而這些自由曲面是依下列公式(2)定義：

其中：z：非球面之深度(非球面上距離光軸I為Y的點，其與相切於非球面光軸I上頂點之切面，兩者間的垂直距離)；c：曲面頂點的曲率；k：圓錐係數(conic constant)；C_j：x^myⁿ單項式的係數。第六透鏡6的物側面65及像側面66在公式(2)中的各項自由曲面係數如圖5所示。

圖6為圖1的光學成像鏡頭的場曲像差曲線圖。圖7為圖1的光學成像鏡頭的畸變像差曲線圖。再配合參閱圖6及圖7，圖6的圖式說明本實施例當其波長為435nm、486nm、546nm、587nm及656nm時在成像面99上有關弧矢(Sagittal)方向的場 曲(Field Curvature)像差及子午(Tangential)方向的場曲像差，圖7的圖式則說明本實施例當其波長為435nm、486nm、546nm、587nm及656nm時在成像面99上的畸變像差(Distortion Aberration)。在圖6的場曲像差圖式中，五種代表波長在整個視場範圍內的焦距變化量落在±0.2毫米的範圍內，且在半視場角小於50度範圍內的場曲像差可進一步維持在±0.03毫米的範圍內，說明本實施例的光學系統能有效消除像差。而圖7的畸變像差圖式則顯示本實施例的畸變像差維持在±20%的範圍內，且在半視場角小於50度範圍內的畸變像差可進一步維持在±3%的範圍內，說明本實施例的畸變像差在大視場角下也已符合光學系統的成像品質要求。據此說明本實施例相較於現有光學鏡頭，在具有大視場角的條件下，仍能提供良好的成像品質，故本實施例能在具有有限的工作距離的條件下，能夠具有較寬視場角、較小的光學畸變，以及良好的成像效果。值得一題的是，在本實施例中，光學成像鏡頭10的光學形變曲線變化與θ正切函數的誤差值小於5%且成正比，其中θ為光學成像鏡頭10的視場角。

本發明之實施例皆可實施，且可於同一實施例中擷取部分特徵組合，該特徵組合相較於先前技術而言亦能達成無法預期之本案功效，該特徵組合包括但不限於面形、屈光率及條件式等特徵之搭配。本發明實施方式之揭露為闡明本發明原則之具體實施例，應不拘限本發明於所揭示的實施例。進一步言之，實施例及其附圖僅為本發明示範之用，並不受其限囿。

綜上所述，在本發明的光學成像鏡頭中，從物側至像側沿光軸依序包括第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡，其中第一透鏡為廣角透鏡，且第二透鏡至第六透鏡為非球面透鏡、模造玻璃透鏡與自由曲面透鏡的組合。光學成像鏡頭為廣角鏡頭且具有大視場角。此外，光學成像鏡頭用於有限的工作距離。如此一來，藉由滿足上述透鏡的種類排列設計以及表面的條件，可使光學成像鏡頭具有較大視場角、可改善像差且成像品質優良，且可用於有限的工作距離。

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:第五透鏡

6:第六透鏡

8:濾光元件

9:影像感測元件

10:光學成像鏡頭

15,25,35,45,55,65,85:物側面

16,26,36,46,56,66,86:像側面

99:成像面

A1:物側

A2:像側

I:光軸

Claims (12)

1. 一種光學成像鏡頭，用於有限工作距離，從物側至像側沿光軸依序包括第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第六透鏡以及影像感測元件，且所述第一透鏡至所述第六透鏡各自包括朝向所述物側的物側面及朝向所述像側的像側面，其中：所述第一透鏡為廣角透鏡；所述第二透鏡至所述第六透鏡為非球面透鏡、模造玻璃透鏡與自由曲面透鏡的組合；以及所述光學成像鏡頭的視場角大於等於100度，且所述光學成像鏡頭為廣角鏡頭，所述光學成像鏡頭的有效工作距離大於等於20毫米且小於等於200毫米、大於等於100毫米且小於等於500毫米或大於等於200毫米且小於等於1000毫米。
2. 如請求項1所述的光學成像鏡頭，其中所述光學成像鏡頭僅有六片透鏡。
3. 如請求項1所述的光學成像鏡頭，其中所述第二透鏡、所述第三透鏡及所述第五透鏡為非球面透鏡，所述第四透鏡為模造玻璃透鏡，所述第六透鏡為自由曲面透鏡。
4. 如請求項1所述的光學成像鏡頭，其中所述光學成像鏡頭的視場角小於150度。
5. 如請求項1所述的光學成像鏡頭，其中所述光學成像鏡頭滿足以下條列式：CA1/TTL>0.7，其中CA1為所述第一透鏡的光學有效徑，且TTL為所述第一透鏡的所述物側面至所述影像感測元件的成像面在所述光軸上的距離。
6. 如請求項1所述的光學成像鏡頭，其中所述光學成像鏡頭滿足以下條列式：SD/TTL>0.42，其中SD為所述影像感測元件的成像面的對角線長度，且TTL為所述第一透鏡的所述物側面至所述影像感測元件在所述光軸上的距離。
7. 如請求項1所述的光學成像鏡頭，其中所述光學成像鏡頭滿足以下條列式：60>RWD/TTL>30，其中RWD為所述光學成像鏡頭的最大工作距離與最小工作距離的相差，且TTL為所述第一透鏡的所述物側面至所述影像感測元件在所述光軸上的距離。
8. 如請求項1所述的光學成像鏡頭，還包括：濾光元件，配置於所述第六透鏡與所述影像感測元件之間。
9. 如請求項1所述的光學成像鏡頭，其中所述光學成像鏡頭具有對可見光波段的抗全反射鍍膜或具有對不可見光波段的抗全反射鍍膜。
10. 如請求項1所述的光學成像鏡頭，其中所述光學成像鏡頭的光學形變曲線變化與θ正切函數的誤差值小於5%且成正比，其中θ為所述光學成像鏡頭的視場角。
11. 如請求項1所述的光學成像鏡頭，還包括：光圈，配置於所述第三透鏡及所述第四透鏡之間，所述光圈 的開口為方形。
12. 如請求項1所述的光學成像鏡頭，還包括：光圈，配置於所述第三透鏡及所述第四透鏡之間，所述光圈的開口為多邊形。

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