CN101320123A - 定焦镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定焦镜头，由物端到成像端于光轴上依次包括有孔径光阑、第一正透镜、第二负透镜、第三新月形正透镜与第四负透镜。所述定焦镜头满足下列条件：0.1＜R_S32/f＜0.3，其中，f为所述定焦镜头的有效焦距，R_S32为所述第三新月形正透镜靠近所述成像端的面的曲率半径。本发明的定焦镜头对有效焦距进行设限，通过设定适当的有效焦距，可以避免***总长过长，并提供良好画质与足够的成像高度。

Description

定焦镜头

技术领域

本发明涉及一种镜头，尤其涉及一种定焦镜头。

背景技术

近年来，数码相机装置快速发展，感光元件的像素也随之增高，数码相机上的光学镜头设计也就越趋重要。一般相机镜头可分为定焦镜头与变焦镜头，定焦镜头的特性较为单纯，可以用较低的成本提供数码相机良好的成像质量。

虽然定焦镜头设计已经发展了一段时日，但随着感光元件像素的增长，常见的定焦镜头在成像范围、成像比及镜头总长上，总是难以取得平衡，使定焦镜头目前有着发展空间来满足各种不同的使用考虑。

因此，如何降低定焦镜头的光学***成本及总长，并提供良好的成像质量并有着足够的成像范围，使高像素相机装置可以缩小整体体积与成本，为目前各厂商所努力的目标。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种定焦镜头，用以降低成本，并提供良好的成像质量与足够的成像范围。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种定焦镜头，由物端至成像端于光轴上依次包含：孔径光阑；第一正透镜；第二负透镜；第三新月形正透镜；以及第四负透镜，所述第四负透镜的屈光率于所述光轴上为负，并随着远离所述光轴而逐渐增加；其中所述定焦镜头满足下列条件：0.1＜R_S32/f＜0.3，f为所述定焦镜头的有效焦距，R_S32为所述第三新月形正透镜靠近所述成像端的面的曲率半径。

上述定焦镜头中，所述第一正透镜靠近所述物端的面朝向所述物端凸出。所述第二负透镜具有物端面及成像端面，所述物端面的曲率为正或负，所述成像端面朝向所述物端凸出，且所述物端面及所述成像端面至少有一面为非球面。所述第三新月形正透镜的两曲面皆朝向所述成像端凸出，且至少有一面为非球面。所述第四负透镜至少有一面为非球面，使所述第四负透镜表面产生反曲点。

上述定焦镜头还满足下列条件：1＜f12/f＜2.2，其中f为所述定焦镜头的有效焦距，f12为所述第一正透镜与所述第二负透镜的合成焦距。

上述定焦镜头还满足下列条件：0.07＜D23/L＜2.8，其中L为所述定焦镜头的光学镜片总长度，D23为所述第二负透镜至所述第三新月形正透镜间的特定距离。

上述定焦镜头还包含滤波器，所述滤波器设置在所述第四负透镜与所述成像端之间。

上述定焦镜头中，所述第二负透镜、所述第三新月形正透镜与所述第四负透镜由塑胶材质制成。

本发明实施例的定焦镜头对有效焦距进行设限，通过设定适当的有效焦距，可以避免***总长过长，并提供良好画质与足够的成像高度。此外，该定焦镜头中的部份镜片使用塑胶镜片及非球面透镜，平均分配公差，可在低成本下提供良好的成像质量。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一个实施例的定焦镜头的示意图；

图2是本发明定焦镜头第一实施例的纵向球差图；

图3是本发明定焦镜头第一实施例的横向色差图；

图4A是本发明定焦镜头第一实施例的场曲图；

图4B是本发明定焦镜头第一实施例的畸变图；

图5是本发明定焦镜头第二实施例的纵向球差图；

图6是本发明定焦镜头第二实施例的横向色差图；

图7A是本发明定焦镜头第二实施例的场曲图；

图7B是本发明定焦镜头第二实施例的畸变图；

图8是本发明定焦镜头第三实施例的纵向球差图；

图9是本发明定焦镜头第三实施例的横向色差图；

图10A是本发明定焦镜头第三实施例的场曲图；

图10B是本发明定焦镜头第三实施例的畸变图。

主要组件符号说明：

100：定焦镜头      110：第一正透镜

120：第二负透镜    122：物端面

124：成像端面      130：第三新月形正透镜

140：第四负透镜    142：反曲点

160：成像端        150：滤波器

180：光轴          170：物端

190：孔径光阑

具体实施方式

本发明实施例中，部份透镜使用塑胶材质的非球面镜片，使公差敏感度均匀分配，并降低整体成本，提高成像质量。本发明在整体***的有效焦距上作限制，以满足***总长与成像高度上的要求。任何本领域的普通技术人员可知在不脱离本发明的精神和范围内，可变更其中的光学参数与部份透镜的材质，以符合实际应用的情形。

本发明实施例的定焦镜头包括有收光正透镜、新月形正透镜、物端负透镜、成像端负透镜与孔镜光阑。新月形正透镜设置在收光正透镜与成像端之间，新月形正透镜的两曲面皆朝向成像端凸出，并至少有一面为非球面。物端负透镜设置于收光正透镜与新月形正透镜之间。物端负透镜具有物端面与成像端面，物端面的曲率可以为正或负值，成像端面的凹口朝向成像端。此外，物端负透镜的物端面与成像端面至少有一面为非球面。

该定焦透镜还包含成像端负透镜，设置于新月形正透镜与成像端之间。成像端负透镜的屈光率在光轴上为负，并随着远离光轴而逐渐增加。成像端负透镜至少有一面为非球面，使成像端负透镜表面产生反曲点。此外，孔径光阑设置于正透镜与物端之间。

为了更加仔细描述各透镜间的相对关系及作用，以及整个定焦镜头光学***的相关条件，请参照图1所示的本发明一个实施例的定焦镜头100。为了更清楚各透镜间的相对位置，此处以物端170到成像端160的排列顺序为透镜命名。当定焦镜头100装设于相机内时，成像端160则为相机内的感光元件。

定焦镜头100由物端170到成像端160在光轴180上依次包含有孔径光阑190、第一正透镜110、第二负透镜120、第三新月形正透镜130与第四负透镜140。

其中，第一正透镜110即为上述的收光正透镜，第二负透镜120即为上述的物端负透镜，第三新月形正透镜130即为上述的新月形正透镜，第四负透镜140则为上述的成像端负透镜。

第一正透镜110为定焦镜头100中具有最高聚焦力的镜片，且靠近物端170的面朝向物端170凸出。第二负透镜120具有物端面122与成像端面124。物端面122的曲率可为正或负值，而成像端面124朝向物端170凸出，具有拉大成像高度与补偿的功能，且物端面122与成像端面124至少有一面为非球面。

第三新月形正透镜130的两曲面皆朝向成像端160凸出。且第三新月形正透镜130与第二负透镜120保持一特定距离D23，使成像高度增加到足够的高度，再加以修正光束角度。第三新月形正透镜130至少有一面为非球面。

第四负透镜140至少有一面为非球面，使第四负透镜产生反曲点142，亦即镜面的表面法向量(Normal Vector)会由正变到负或由负变到正，而使镜面产生特殊形状。第四负透镜140的主要功能为修正主光角(Chief Ray Angle，CRA)与离轴像差。

为了避免定焦镜头100的***总长过长，并提供良好画质与足够的成像高度，定焦镜头100的部份光学参数符合下列条件：

1＜f12/f＜2.2                                ……(1)

其中，f为定焦镜头100的有效焦距(Effective focal length)，f12为第一正透镜110与第二负透镜120的合成焦距。当f12/f大于上限值时，***总长会过长，不满足紧密性(compact)的要求。当f12/f小于下限值时，成像高度不足，无法满足高像素感光元件的需求。

定焦镜头100需符合的另一条件为：

0.1＜R_S32/f＜0.3                            ……(2)

其中，f为定焦镜头100的有效焦距，R_S32为第三新月形正透镜130靠近成像端的面的曲率半径。当R_S32/f大于上限值时，彗星像差(Coma aberration)会难以矫正。当R_S32/f小于下限值时，像散(Astigmatism)会快速变大。

此外，第三新月形正透镜130与第二负透镜120间的特定距离D23满足下列条件：

0.07＜D23/L＜2.8                            ……(3)

其中，L为定焦镜头100的光学镜片总长度。当D23/L大于上限值时，***总长会过长，不满足紧密性(compact)的要求。当D23/L小于下限值时，成像高度不足，无法满足高像素感光元件的需求。

此外，定焦镜头100还包含孔径光阑190，孔径光阑190设置在物端170与第一正透镜110之间。孔径光阑190设置在第一正透镜110之前可以增加出瞳(ExitPupil)位置，提高定焦镜头100的望远度(Telecentricity)。

定焦镜头100还包含滤波器150，设置在第四负透镜140与成像端160之间。定焦镜头100中的第二负透镜120、第三新月形正透镜130与第四负透镜140皆可使用塑胶材质制成。

为了显示定焦镜头100的实用性与优点，以下将依据上述条件设计出多个实施例，并揭露出各实施例中的光学参数及光学特性图表。

第一实施例

表1依次列举出了该定焦镜头的光学***各面的参数，其中STO.为孔径光阑，FS为滤波器。S11和S12分别表示第一正透镜的物端面和成像端面，S21和S22分别表示第二负透镜的物端面和成像端面，S31和S32分别表示第三新月形正透镜的物端面和成像端面，S41和S42分别表示第四负透镜的物端面和成像端面。

第一实施例的定焦镜头的其它光学特性则列于表2中：

由表2可知，定焦镜头的f12/f参数值为1.608，符合条件(1)。R_S32/f参数值为0.17，符合条件(2)。D23/L参数值为0.13，符合条件(3)。

此外，第二负透镜、第三新月形正透镜与第四负透镜有非球面设计，非球面透镜系数方程式如下：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{[1-(k+1)c^2{h}^2]}^{1/2}}+{\mathrm{Ah}}^4+{\mathrm{Bh}}^6+{\mathrm{Ch}}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}+{\mathrm{Eh}}^{12}+{\mathrm{Fh}}^{12}+{\mathrm{Gh}}^{16}$

其中z为透镜的sag值，亦即透镜面的凹陷度，c为曲率半径的倒数，h为透镜面到光轴间的距离，k为圆锥系数(Conic Coefficient)，A到G则分别为高阶非球面系数。圆锥系数与各非球面的高阶非球面系数依次列于表3及表4中：

接着请参照图2，此图为定焦镜头的纵向球差图，图中的三条线分别代表红光(Red)、绿光(Green)与蓝光(Blue)的纵向球差。由图中可知定焦镜头具有良好的成像效果。图3则为第一实施例的横向色差图。图中的主横向色差(Primarylateral color)及二级横向色差(Secondary lateral color)曲线均显示出定焦镜头具有好的色差补偿效果。

图4A及图4B为本实施例的场曲/畸变图。图4A为红光(Red)、绿光(Green)与蓝光(Blue)的场曲图，图中的T代表入射光的子午光线(Tangential Ray)，S代表入射光的弧矢光线(Sagittal Ray)，横坐标表示成像点到理想像面的距离，纵坐标为理想像高或入射角度。图4B为畸变图，横坐标表示成像点到理想点的百分比差，纵坐标为理想像高或入射角度。根据图4A与图4B所示，第一实施例的定焦镜头的场曲及畸变情况并不严重。

第二实施例

第二实施例讨论将第二负透镜的物端面曲率设计为负值的情况。表5依次列举出了第二实施例的定焦镜头的光学***各面的参数，其中STO.为孔径光阑，FS为滤波器。S11和S12分别表示第一正透镜的物端面和成像端面，S21和S22分别表示第二负透镜的物端面和成像端面，S31和S32分别表示第三新月形正透镜的物端面和成像端面，S41和S42分别表示第四负透镜的物端面和成像端面。

定焦镜头的其它光学特性则列于表6中：

由表6可知，定焦镜头的f12/f参数值为1.654，符合条件(1)。R_S32/f参数值为0.156，符合条件(2)。D23/L参数值为0.116，符合条件(3)。

此外，第二负透镜、第三新月形正透镜与第四负透镜有非球面设计，非球面透镜系数方程式中的各项参数依次列于表7及表8中：

接着请参照图5，此图为定焦镜头的纵向球差图，图中的三条线分别代表红光(Red)、绿光(Green)与蓝光(Blue)的纵向球差。由图中可知定焦镜头具有良好的成像效果。图6则为第二实施例的横向色差图。图中的主横向色差(Primarylateral color)及二级横向色差(Secondary lateral color)曲线均显示出定焦镜头具有好的色差补偿效果。

图7A及图7B为本实施例的场曲/畸变图。图7A为红光(Red)、绿光(Green)与蓝光(Blue)的场曲图，图中的T代表入射光的子午光线(Tangential Ray)，S代表入射光的弧矢光线(Sagittal Ray)，横坐标表示成像点到理想像面的距离，纵坐标为理想像高或入射角度。图7B为畸变图，横坐标表示成像点到理想点的百分比差，纵坐标为理想像高或入射角度。根据图7A与7B所示，第二实施例的定焦镜头的场曲及畸变情况并不严重。

第三实施例

本实施例的第二负透镜的物端面曲率不但为负值，更远小于第二实施例。表9依次列举出第三实施例的定焦镜头的光学***各面的参数，其中STO.为孔径光阑，FS为滤波器。S11和S12分别表示第一正透镜的物端面和成像端面，S21和S22分别表示第二负透镜的物端面和成像端面，S31和S32分别表示第三新月形正透镜的物端面和成像端面，S41和S42分别表示第四负透镜的物端面和成像端面。

定焦镜头的其它光学特性则列于表10中：

由表10可知，定焦镜头的f12/f参数值为1.642，符合条件(1)。R_S32/f参数值为0.17，符合条件(2)。D23/L参数值为0.128，符合条件(3)。

此外，第二负透镜、第三新月形正透镜与第四负透镜有非球面设计，非球面透镜系数方程式中的各项参数依次列于表11及表12中：

接着请参照图8，此图为第三实施例的定焦镜头的纵向球差图，图中的三条线分别代表红光(Red)、绿光(Green)与蓝光(Blue)的纵向球差。由图中可知定焦镜头具有良好的成像效果。图9则为第三实施例的横向色差图。图中的主横向色差(Primary lateral color)及二级横向色差(Secondary lateral color)曲线均显示出定焦镜头具有好的色差补偿效果。

图10A及图10B为本实施例的场曲/畸变图。图10A为红光(Red)、绿光(Green)与蓝光(Blue)的场曲图，图中的T代表入射光的子午光线(Tangential Ray)，S代表入射光的弧矢光线(Sagittal Ray)，横坐标表示成像点到理想像面的距离，纵坐标为理想像高或入射角度。图10B为畸变图，横坐标表示成像点到理想点的百分比差，纵坐标为理想像高或入射角度。根据图7A与图7B所示，第三实施例的定焦镜头的场曲及畸变情况并不严重。

第三实施例藉由光学参数的调整，降低第二实施例中定焦镜头的光学镜片总长度L，使第一实施例及第三实施例的光学镜片总长度更为接近，在实际应用上可以达成***的紧密性。

本发明各实施例中利用多枚的塑胶镜片设计来提高误差容忍度，以降低制造成本。此外，透过光学参数设计，可同时矫正像差，获得良好的成像质量，并获得足够的成像高度以及降低主光角的大小，成像范围达到约9毫米以上，因此可与高像素感光元件搭配使用。本发明各实施例的光学镜片总长度可控制在约8毫米以下，具有良好的紧密性。

虽然本发明已以多个实施例揭露如上，然而以上各个实施例并非是对本发明的限制，任何本领域的普通技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可对各实施例作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围由权利要求书中所界定者为准。

Claims (9)

1、一种定焦镜头，其特征在于，由物端至成像端于光轴上依次包含：

孔径光阑；

第一正透镜；

第二负透镜；

第三新月形正透镜；以及

第四负透镜，所述第四负透镜的屈光率于所述光轴上为负，并随着远离所述光轴而逐渐增加；

其中所述定焦镜头满足下列条件：

0.1＜R_S32/f＜0.3

f为所述定焦镜头的有效焦距，R_S32为所述第三新月形正透镜靠近所述成像端的面的曲率半径。

2、如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于，所述第一正透镜靠近所述物端的面朝向所述物端凸出。

3、如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于，所述第二负透镜具有物端面及成像端面，所述物端面的曲率为正或负，所述成像端面朝向所述物端凸出，且所述物端面及所述成像端面至少有一面为非球面。

4、如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于，所述第三新月形正透镜的两曲面皆朝向所述成像端凸出，且至少有一面为非球面。

5、如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于，所述第四负透镜至少有一面为非球面，使所述第四负透镜表面产生反曲点。

6、如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于，所述定焦镜头还满足下列条件：

1＜f12/f＜2.2

其中，f为所述定焦镜头的有效焦距，f12为所述第一正透镜与所述第二负透镜的合成焦距。

7、如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于，所述定焦镜头还满足下列条件：

0.07＜D23/L＜2.8

其中，L为所述定焦镜头的光学镜片总长度，D23为所述第二负透镜至所述第三新月形正透镜间的特定距离。

8、如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于，所述定焦镜头还包含滤波器，所述滤波器设置在所述第四负透镜与所述成像端之间。

9、如权利要求1所述的定焦镜头，其特征在于，所述第二负透镜、所述第三新月形正透镜与所述第四负透镜由塑胶材质制成。

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