CN113791487A - 光学镜头及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光学镜头及其制造方法，该光学镜头包括一第一透镜、一第二透镜、一第三透镜、一第四透镜与一胶合透镜。光学镜头的最大视场角介于150度和180度之间，且具有屈光度的透镜片不超过8片，并最多包含两片塑料透镜。第一透镜的镜片直径为D1，第四透镜的镜片直径为DL，且光学镜头符合下列条件：1.0<D1/DL<4.0。本发明可提供一种能兼顾可使光学镜头兼具良好的光学成像品质、低热飘移量、广工作温度范围(‑40度到105度)、与广视角的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的取像镜头设计。

Description

光学镜头及其制造方法
技术领域
本发明关于一种光学镜头及其制造方法。
背景技术
近年来随科技的进展，镜头的种类日渐多元，应用于车辆自动驾驶和机器视觉判断的取像镜头是一种常见的镜头。目前对于光学性能的要求也越来越高，要满足这样需求的镜头，大致上需要具低成本、高解析度、大光圈、低热飘移量和广视角等特点。因此，目前需要一种兼顾广视角、低热飘移量，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的光学取像镜头设计。
发明内容
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例并配合所附图式，作详细说明如下。
根据本发明的一个观点，一种光学镜头包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、胶合透镜与光圈。第一透镜为最靠近光学镜头图像放大侧的透镜。第二透镜与该第三透镜其中之一，为第一非球面透镜。第四透镜为第二非球面透镜，且设于胶合透镜与光学镜头图像缩小侧之间。光圈设于第二透镜与胶合透镜之间，且光圈相邻第一非球面透镜，胶合透镜设于第四透镜和光圈之间。光学镜头的最大视场角介于150度和180度之间，且具有屈光度的透镜片不超过8片，并最多包含两片塑料透镜。第一透镜的镜片直径为D1，第四透镜的镜片直径为DL，光学镜头符合下列条件：1.0<D1/DL<4.0。
通过本实施例的设计，可提供一种使光学镜头兼具良好的光学成像品质、低热飘移量、广工作温度范围(-40度到105度)、与广视角的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的取像镜头设计。
根据本发明的一个观点，一种光学镜头包括第一透镜组、第二透镜组与光圈。第一透镜组包含两片球面透镜。第二透镜组包含一胶合透镜和一非球面透镜。光圈设于第一透镜组与第二透镜组之间。光学镜头的光圈值小于等于2.0，最大视场角介于150度和180度之间，且具有屈光度的透镜片为6片至8片，并包括二片非球面透镜，且最多包含两片塑料透镜，光学镜头可见光波长450nm与可见光波长550nm的焦平面距离小于等于15um。通过本实施例的设计，可提供一种使光学镜头兼具良好的光学成像品质、低热飘移量、广工作温度范围(-40度到105度)、与广视角的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的取像镜头设计。
根据本发明的一个观点，一种光学镜头包括自一方向依序排列的屈光度为负的第一透镜、屈光度为负的第二透镜、屈光度为正的第三透镜、屈光度为正的第四透镜、屈光度为负的第五透镜和屈光度为正的第六透镜。第一透镜、第二透镜和第三透镜之中，包含两片玻璃球面透镜和一片非球面透镜。第四透镜和第五透镜组合为一胶合透镜。第六透镜为一非球面透镜。光圈设于第二透镜与第四透镜之间。光学镜头具有屈光度的透镜片不超过8片，并最多包含两片塑料透镜。通过本实施例的设计，可提供一种使光学镜头兼具良好的光学成像品质、低热飘移量、广工作温度范围(-40度到105度)、与广视角的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的取像镜头设计。
根据本发明的上述观点，可提供一种使光学镜头兼具良好的光学成像品质、低热飘移量、广工作温度范围(-40度到105度)、与广视角的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的取像镜头设计。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1是本发明第一实施例的光学镜头示意图。
图4是本发明第二实施例的光学镜头示意图。
图7是本发明第三实施例的光学镜头示意图。
图2、图5及图8分别为依本发明实施例的镜头10a、10b及10c的光线扇形图，图3、图6及图9分别为依本发明实施例的镜头10a、10b及10c于不同波长下的焦平面相对于参考点偏移量曲线图。
附图标记：
10a-10c 光学镜头
12 光轴
14 光圈
16 滤光片
17 玻璃盖
19 成像面
20 第一透镜组
30 第二透镜组
L1-L7 透镜
S1-S19 表面
OS 放大侧
IS 缩小侧
P、Q 转折点
D1、DL 镜片直径
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
当镜头应用在取像***中时，图像放大侧是指在光路上靠近被拍摄物所处的一侧，图像缩小侧则是指在光路上较靠近感光元件的一侧。
一透镜的物侧面(或像侧面)具有位于某区域的凸面部(或凹面部)，是指该区域相较于径向上紧邻该区域的外侧区域，朝平行于光轴的方向更为“向外凸起”(或“向内凹陷”)而言。
图1是本发明第一实施例的光学镜头示意图。请参照图1，在本实施例中，光学镜头10a有一镜筒(未绘示)，镜筒里由第一侧(图像放大侧OS、物侧)往第二侧(图像缩小侧IS、像侧)排列包含了第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、光圈14、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6和第七透镜L7，屈光度分别为负、负、正、正、正、负和正。第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3构成具有负屈光度的第一透镜组(例如为前组)20，第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6和第七透镜L7构成具有正屈光度的第二透镜组(例如为后组)30。再者，图像缩小侧IS可设置滤光片16、玻璃盖17以及图像传感器(图中未显示)，镜头10a的可见光有效焦距(EFL)上成像面(可见光焦平面)标示为19，滤光片16位于第二透镜组30与可见光有效焦距上成像面19之间。于本实施例中，所有透镜均为玻璃透镜，且第三透镜L3、第七透镜L7为非球面透镜。在一实施例中，至少部分玻璃透镜可以用塑料透镜取代。另外，两透镜相邻的两面有大致相同(曲率半径差异小于0.005mm)或完全相同(实质相同)的曲率半径且形成结合透镜(compound lens)，结合透镜例如可为胶合透镜(cemented lens)、双合透镜(doublet)或三合透镜(triplet)等而不限定，例如本实施例的第五透镜L5及第六透镜L6可构成胶合透镜，但本发明实施例并不以此为限制。本发明各具体实施例的图像放大侧OS均分别设于各图的左侧，而图像缩小侧IS均设于各图的右侧，将不予重复说明。
本发明所指光圈14是指一孔径光栏(Aperture Stop)，光圈为一独立元件或是整合于其他光学元件上。于本实施例中，光圈是利用机构件挡去周边光线并保留中间部份透光的方式来达到类似的效果，而前述所谓的机构件可以是可调整的。所谓可调整，是指机构件的位置、形状或是透明度的调整。或是，光圈也可以在透镜表面涂布不透明的吸光材料，并使其保留中央部份透光以达限制光路的效果。
各透镜定义有镜片直径，镜片直径是指于光轴12两端的最外侧的转折点于垂直光轴12方向上的距离。举例而言，如图1所示，第一透镜组20最远离光圈14的第一透镜L1的直径D1为最外侧转折点P、Q于垂直光轴12方向上的距离，同理第二透镜组30最远离光圈14的第七透镜L7的直径DL为光轴12两端的最外侧转折点P、Q于垂直光轴12方向上的距离。于本实施例中，第一透镜组20最远离光圈14的第一透镜L1(最靠近放大侧的透镜)的直径D1为17.2mm，第二透镜组30最远离光圈14的第七透镜L7(最靠近缩小侧的透镜)的直径DL为10.8mm。
球面透镜是指透镜前面和后面的表面都分别是球形表面的一部份，而球形表面的曲率是固定的。非球面透镜则是指透镜前后表面中，至少一表面的曲率半径会随着中心轴而变化，可以用来修正像差。光学镜头10a的透镜设计参数、外形及非球面系数分别如表1及表2所示，于本发明如下的各个设计实例中，非球面多项式可用下列公式表示：
Figure BDA0002607365070000051
上述的公式中，Z为光轴方向的偏移量(sag)，c是密切球面(osculating sphere)的半径的倒数，也就是接近光轴处的曲率半径的倒数，k是二次曲面系数(conic)，r是非球面高度，即为从透镜中心往透镜边缘的高度。公式的A-G分别代表非球面多项式的4阶项、6阶项、8阶项、10阶项、12阶项、14阶项、16阶项系数值。然而，下文中所列举的资料并非用以限定本发明，任何所属领域中技术人员在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更动，只是其仍应属于本发明的范畴内。
<表1>
Figure BDA0002607365070000052
S1的间距为表面S1到S2在光轴12的距离，S2的间距为表面S2到S3在光轴12的距离，S18间距为表面S18到成像面19在光轴12的距离。
表2列出本发明的第一实施例中，镜头的非球面透镜表面的各阶非球面系数及二次曲面系数值。
<表2>
表面 K A B C D E
S5 0.00E+00 -1.74E-04 -5.24E-07 -2.79E-07 - -
S6 -2.57E+00 -1.19E-04 1.07E-06 -2.76E-07 - -
S13 -2.26E-01 -6.94E-04 -9.70E-06 2.55E-07 -1.57E-08 4.45E-10
S14 0.00E+00 -4.89E-04 -2.09E-05 8.41E-07 -2.49E-08 4.14E-10
表中表面有出现的*是指该表面为非球面表面，而若未标示即为球面之意。
曲率半径是指曲率的倒数。曲率半径为正时，透镜表面的球心在透镜的图像缩小侧方向。曲率半径为负时，透镜表面的球心在透镜的图像放大侧方向。而各透镜的凸凹可见上表。
本发明的光圈值以F/#来代表。本发明镜头应用在投影***时，成像面是光阀表面。而当镜头应用在取像***中时，成像面则是指感光元件表面。本发明实施例中，F/#小于或等于2.0。
最大视场角是指最接近图像放大端的光学表面S1的收光角度，亦即以对角线量测所得的视野(field of view)。本发明实施例中，最大视场角可介于150度和180度之间。于一实施例中，最大视场角可介于160度和180度之间。于另一实施例中，最大视场角可介于170度和180度之间。
本发明一实施例的镜头包含两透镜组，前组例如可使用至少一个负屈光度(Power)透镜，达到广角收光能力，但其并不限定。镜头的光圈数值约小于等于2.0。后组可包含结合透镜(胶合透镜、双合透镜、三合透镜)以修正像差，且结合透镜的两个透镜间沿光轴的最小距离小于等于0.01mm。结合透镜(胶合透镜、双合透镜、三合透镜)包含曲率半径实质相同或相近的对应邻近表面。另后组的胶合透镜两者的阿贝数相差大于40以修正色差。于一实施例中，后组的胶合透镜两者的阿贝数相差大于50以修正色差。再者，光学镜头具屈光度的透镜总片数为6-8片，前组可包含至少一非球面透镜，且后组可包含至少一非球面透镜以修正像差。本发明实施例透过至少两片正屈光度的玻璃镜片dn/dt小于0(低色散镜片、阿贝数大于70)的搭配，达成光学镜头在25度的焦平面和105度的焦平面距离小于等于10um，且光学镜头至多包含两片塑料透镜。本发明实施例光学镜头适用于至少-40到105度的工作温度范围。光学镜头为提升光学图像品质，即可见光波长450nm与可见光波长550nm的焦平面位移量小于等于15um。于一实施例中，可见光波长450nm与可见光波长550nm的焦平面位移量小于等于11um。
于一实施例中，镜头可符合1.0<D1/DL<4.0，于另一实施例可符合1.05<D1/DL<3.9，于又另一实施例可符合1.1<D1/DL<3.8，藉以配合感光元件提供大角度收光能力，其中D1为最靠近镜头放大侧的镜片直径，DL为最靠近镜头缩小侧的镜片直径。
图4是本发明第二实施例的光学镜头架构示意图。如图4所示，光学镜头10b包含第一透镜L1、第二透镜L2、光圈14、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6。第一透镜L1和第二透镜L2构成具有负屈光度的第一透镜组20，第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6构成具有正屈光度的第二透镜组30，屈光度分别为负、负、正、正、负和正。于本实施例中，所有透镜均为玻璃透镜，在另一实施例中，至少部分玻璃透镜可以用塑料透镜取代。本实施例的第三透镜L3及第六透镜L6为非球面透镜，且第四透镜L4及第五透镜L5可构成胶合透镜。于本实施例中，第一透镜组20最远离光圈14的镜片L1的直径D1为15.5mm，第二透镜组30最远离光圈14的镜片L6的直径DL为10.7mm。光学镜头10b的透镜及其周边元件的设计参数如表3所示。
<表3>
Figure BDA0002607365070000071
Figure BDA0002607365070000081
S1的间距为表面S1到S2在光轴12的距离，S2的间距为表面S2到S3在光轴12的距离，S16间距为表面16到成像面19在光轴12的距离。
表4列出本发明的第二实施例中，镜头的非球面透镜表面的各阶非球面系数及二次曲面系数值。
<表4>
表面 K A B C D E
S6 -4.68E-01 4.65E-06 6.80E-07 - - -
S7 0.00E+00 4.31E-05 4.41E-07 - - -
S11 5.99E-01 -8.27E-04 -1.35E-06 -5.17E-07 1.66E-09 3.04E-10
S12 0.00E+00 -4.00E-04 -1.34E-05 -6.40E-08 3.88E-10 1.62E-10
图7是本发明第三实施例的光学镜头架构示意图。如图7所示，光学镜头10c包含第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、光圈14、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6。第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3构成具有负屈光度的第一透镜组20，第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6构成具有正屈光度的第二透镜组30，屈光度分别为负、负、正、正、负和正。于本实施例中，所有透镜均为玻璃透镜，在另一实施例中，至少部分玻璃透镜可以用塑料透镜取代。本实施例的第二透镜L2及第六透镜L6为非球面透镜，第四透镜L4及第五透镜L5可构成胶合透镜。于本实施例中，第一透镜组20最远离光圈14的镜片L1的直径D1为16.3mm，第二透镜组30最远离光圈14的镜片L6的直径DL为10.8mm。光学镜头10c的透镜及其周边元件的设计参数如表5所示。
<表5>
Figure BDA0002607365070000082
Figure BDA0002607365070000091
S1的间距为表面S1到S2在光轴12的距离，S2的间距为表面S2到S3在光轴12的距离，S16间距为表面16到成像面19在光轴12的距离。
表6列出本发明的第三实施例中，镜头的非球面透镜表面的各阶非球面系数及二次曲面系数值。
<表6>
表面 K A B C D E F G
S3 0 6.49E-04 -5.09E-07 1.61E-06 -8.30E-08 1.85E-09 2.61E-11 -1.07E-12
S4 0 2.36E-04 -2.30E-06 4.83E-07 -2.86E-08 1.00E-09 -1.80E-11 1.27E-13
S11 0 -6.37E-04 -2.75E-05 3.27E-06 -2.84E-07 1.32E-08 -3.19E-10 3.20E-12
S12 0 -6.67E-04 -2.82E-05 2.60E-06 -1.77E-07 7.13E-09 -1.52E-10 1.32E-12
图2、图5及图8分别为依本发明实施例的镜头10a、10b及10c的光线扇形图，图3、图6及图9分别为依本发明实施例的镜头10a、10b及10c于不同波长下的焦平面相对于参考点偏移量曲线图。图2-图3、图5-图6至图8-图9的模拟数据图显示本发明实施例的镜头确实能够兼具良好的光学成像品质，且可见光波长450nm与可见光波长550nm的焦平面位移量可小于等于12um。
通过本发明实施例的设计，可提供一种能兼顾可使光学镜头兼具良好的光学成像品质、低热飘移量、广工作温度范围(-40度到105度)、与广视角的特性，且能提供较低的制造成本及较佳的成像品质的取像镜头设计。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰。例如，为了降低成本，可将两片球面玻璃镜片以一片塑料非球面镜片取代，使得镜头总片数减少。或是为了减轻重量，可将两片球面镜片以一片非球面镜片取代，使得镜头总片数减少。或是增加镜片以提升解析度，使得镜头总片数增加。或是为了减少色差，可将一片透镜改以一胶合透镜取代，使得镜头总片数增加。因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。另外，本发明的任一实施例或申请专利范围不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利要求范围。

Claims (10)

1.一种光学镜头，其特征在于，包括：
一第一透镜、一第二透镜、一第三透镜、一第四透镜与一胶合透镜，该第一透镜为最靠近该光学镜头的图像放大侧的透镜，该第二透镜与该第三透镜的其中之一为第一非球面透镜，该第四透镜为第二非球面透镜，且设于该光学镜头的图像缩小侧和该胶合透镜之间；以及
一光圈，设于该第二透镜与该胶合透镜之间，且该光圈相邻该第一非球面透镜，该胶合透镜设于该第四透镜和该光圈之间，该光学镜头的最大视场角介于150度和180度之间，且具有屈光度的透镜片不超过8片，并最多包含两片塑料透镜，该第一透镜的镜片直径为D1，该第四透镜的镜片直径为DL，该光学镜头符合下列条件：1.0<D1/DL<4.0。
2.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，该第一透镜为球面透镜，该第二透镜为该第一非球面透镜且该第三透镜为球面透镜、或者该第二透镜为球面透镜且该第三透镜为该第一非球面透镜。
3.一种光学镜头，其特征在于，包括：
一第一透镜组，包含一第一球面透镜及一第二球面透镜；
一第二透镜组，包含一胶合透镜和一第一非球面透镜；以及
一光圈，设于该第一透镜组与该第二透镜组之间，该光学镜头的光圈值小于等于2.0，最大视场角介于150度和180度之间，且具有屈光度的透镜片为6片至8片，并包括二片非球面透镜，且最多包含两片塑料透镜，该光学镜头可见光波长450nm与可见光波长550nm的焦平面距离小于等于15um。
4.如权利要求3所述的光学镜头，其特征在于，
该第一透镜组包含自该光学镜头的图像放大侧到图像缩小侧排列的一第一透镜、一第二透镜、一第三透镜，一第四透镜与一胶合透镜，该第一透镜为该第一球面透镜，该第四透镜为该第一非球面透镜，该第二透镜为该第二球面透镜且该第三透镜为一第二非球面透镜、或者该第二透镜为一第二非球面透镜且该第三透镜为该第二球面透镜。
5.如权利要求2或4所述的光学镜头，其特征在于，该光学镜头还满足下列条件之一：(1)包含一第五透镜，设于该第三透镜与该胶合透镜之间，(2)该胶合透镜为双胶合透镜，(3)该光学镜头的所有透镜的材质均为玻璃。
6.如权利要求2或4所述的光学镜头，其特征在于，该光学镜头还满足下列条件之一：(1)包含一第五透镜，设于该第三透镜与该胶合透镜之间，且自该图像放大侧到该图像缩小侧，各透镜的屈光度依序为负、负、正、正、正、负、正，(2)自该图像放大侧到该图像缩小侧，各透镜的屈光度依序为负、负、正、正、负、正。
7.如权利要求2或4所述的光学镜头，其特征在于，该光学镜头还满足下列条件之一：(1)包含一第五透镜，设于该第三透镜与该胶合透镜之间，且自该图像放大侧到该图像缩小侧，各透镜的形状依序为新月、新月、非球面、双凸、双凸、新月、非球面，(2)自该图像放大侧到该图像缩小侧，各透镜的形状依序为新月、新月、非球面、双凸、双凹、非球面，(3)自该图像放大侧到该图像缩小侧，各透镜的形状依序为新月、非球面、新月、双凸、新月、非球面。
8.如权利要求1到4任一所述光学镜头，其特征在于，该光学镜头还满足下列条件之一：(1)该胶合透镜的两镜片的阿贝数相差大于40，(2)该胶合透镜的两镜片的阿贝数相差大于50，(3)该光学镜头在25度的焦平面和105度的焦平面的距离小于等于10um。
9.一种光学镜头，其特征在于，包括：
自一方向依序排列的一屈光度为负的第一透镜、一屈光度为负的第二透镜、一屈光度为正的第三透镜、一屈光度为正的第四透镜、一屈光度为负的第五透镜和一屈光度为正的第六透镜，该第一透镜、该第二透镜和该第三透镜之中，包含两片玻璃球面透镜和一片非球面透镜，该第四透镜和该第五透镜组合为一胶合透镜，该第六透镜为一非球面透镜；以及
一光圈，设于该第二透镜与该第四透镜之间，且该光学镜头具有屈光度的透镜片不超过8片，并最多包含两片塑料透镜。
10.一种光学镜头的制造方法，其特征在于，包括：
提供一镜筒；以及
组装并固定一第一透镜、一第二透镜、一第三透镜、一第四透镜、一胶合透镜与一光圈在该镜筒内，其中该第一透镜为最靠近该光学镜头图像放大侧的透镜，该第二透镜与该第三透镜其中之一，为第一非球面透镜，该第四透镜为第二非球面透镜，且设于该胶合透镜与该光学镜头图像缩小侧之间，该光圈设于该第二透镜与该胶合透镜之间，且该光圈相邻该第一非球面透镜，该胶合透镜设于该第四透镜和该光圈之间，该光学镜头的最大视场角介于150度和180度之间，且具有屈光度的透镜片不超过8片，并最多包含两片塑料透镜，该第一透镜的镜片直径为D1，该第四透镜的镜片直径为DL，该光学镜头符合下列条件：1.0<D1/DL<4.0。
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