TW201741712A

TW201741712A - 光學鏡頭

Info

Publication number: TW201741712A
Application number: TW105115072A
Authority: TW
Inventors: 賴聖棠
Original assignee: 揚明光學股份有限公司
Priority date: 2016-05-16
Filing date: 2016-05-16
Publication date: 2017-12-01
Also published as: TWI801326B

Abstract

一種光學鏡頭，包括一第一透鏡群、一第二透鏡群與設於第一透鏡群與第二透鏡群之間的光圈。第一透鏡群具有負屈光度且包含具屈光度的透鏡數目小於3。第二透鏡群具有正屈光度且包含具屈光度的透鏡數目小於5和具繞射面的非球面透鏡；以及光學鏡頭符合下列條件：2<(Ød*V)/Ør<5其中Φ d為繞射面屈光度，Φ r為具繞射面的透鏡的折射屈光度，V為具繞射面的透鏡的阿貝數。

Description

光學鏡頭

本發明關於一種具繞射元件及日夜共焦表現的光學鏡頭。

近年來智慧家庭監視用攝影機有越來越蓬勃發展的趨勢，人們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、輕量化和日夜共焦等特點。尤其是日夜共焦部分，傳統的方法必須使用低色散材質(萤石)，但萤石材質的重量較重(約為一般玻璃的1.5倍)，且成本較高(約為一般玻璃的18倍)，如此就與低成本和輕型化的趨勢相牴觸了。因此，目前亟需一種能兼顧輕量化及日夜共焦，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。

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。

本發明之一實施例提出一種光學鏡頭，包括由一方向依序設置的第一透鏡群與第二透鏡群，設於第一透鏡群與第二透鏡群之間的光圈。第一透鏡群具有負屈光度且包含具屈光度的透鏡數目小於3。第二透鏡群具有正屈光度且包含具屈光度的透鏡數目小於5和具繞射面的非球面透鏡；以及光學鏡頭符合下列條件：2<(Ød*V)/Ør<5其中Φ d為繞射面屈光度，Φ r為具繞射面的透鏡的折射屈光度，V為具繞射面的透鏡的阿貝數。

藉由本發明實施例的設計，可提供一種能兼顧輕量化及日夜共焦，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。

10a-10d‧‧‧光學鏡頭

12‧‧‧光軸

14‧‧‧光圈

16‧‧‧玻璃蓋

18‧‧‧成像平面

20‧‧‧第一透鏡群

30‧‧‧第二透鏡群

L1-L7‧‧‧透鏡

S1-S15‧‧‧表面

圖1為依本發明一實施例之光學鏡頭10a的示意圖。

圖2至圖5為圖1的光學鏡頭的成像光學模擬數據圖，其中圖2-3分別為可見光和850奈米紅外光之光線扇形圖，圖4-5分別為587奈米綠光和850奈米紅外光之繞射光學傳遞函數曲線圖。

圖6為依本發明另一實施例之光學鏡頭10b的示意圖。

圖7至圖10為圖6的光學鏡頭的成像光學模擬數據圖，其中圖7-8分別為可見光和850奈米紅外光之光線扇形圖，圖9-10分別為587奈米綠光和850奈米紅外光之繞射光學傳遞函數曲線圖。

圖11為依本發明另一實施例之光學鏡頭10c的示意圖。

圖12至圖15為圖11的光學鏡頭的成像光學模擬數據圖，其中圖12-13分別為可見光和850奈米紅外光之光線扇形圖，圖14-15分別為587奈米綠光和850奈米紅外光之繞射光學傳遞函數曲線圖。

圖16為依本發明另一實施例之光學鏡頭10d的示意圖。

圖17至圖20為圖16的光學鏡頭的成像光學模擬數據圖，其中圖17-18分別為可見光和850奈米紅外光之光線扇形圖，圖19-20分別為587奈米綠光和850奈米紅外光之繞射光學傳遞函數曲線圖。

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。

圖1為顯示依本發明一實施例之光學鏡頭10a的示意圖。光學鏡頭10a設置於一放大側(圖1的左側；例如為物側)與一縮小側(圖1的右側；例如為像側)之間。如圖1所示，光學鏡頭10a包含具有負屈光度且位於放大側與縮小側之間的第一透鏡群(例如為前群)20、具有正屈光度且位於第一透鏡群20與縮小側之間的第二透鏡群(例如為後群)30以及位於第二透鏡群30內的一光圈14。再者，縮小側可設置玻璃蓋16以及影像感測器，其成像平面標示為18，且玻璃蓋16位於第二透鏡群30與成像平面18之間。第一透鏡群20可包含沿光學鏡頭10a的光軸12從放大側至縮小側依序排列的一第一透鏡L1及一第二透鏡L2，且第二透鏡群30可包含沿光學鏡頭10a的光軸12從放大側至縮小側依序排列的一第三透鏡L3、一第四透鏡L4、一第五透鏡L5及一第六透鏡L6，第一透鏡L1至第六透鏡L6的屈光度分別為負、負、正、正、負、正。於本實施例中，第六透鏡L6可為包含一繞射面的非球面透鏡，第一透鏡L1、第二透鏡L2及第五透鏡L5為新月形透鏡，且第三透鏡L3及第四透鏡L4為雙凸透鏡。另外，第四透鏡L4及第五透鏡L5形成具正屈光度的膠合透鏡。值得注意的是，第四透鏡L4及第五透鏡L5相鄰的兩面有相同的曲率半徑，而且膠合透鏡的相鄰兩面可利用不同的方式貼合，例如以光學膠塗佈在相鄰兩面間膠合、以機構件將相鄰兩面壓合等方式。光學鏡頭10a的透鏡設計參數、外形、非球面係數及繞射面分別如表一、表二及表三所示，於本發明如下的各個設計實例中，非球面多項式可用下列公式表示：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-D分別代表非球面多項式的4階項、6階項、8階項、10階項係數值。於本發明如下的各個設計實例中，繞射面多項式可用下列公式表示：上述的公式(2)中，(r)為繞射元件(diffractice optical element)的相位函數(phase)，r是與光學鏡頭光軸的徑向距離(radial distance)，λ ₀是參考波長(reference wavelength)，也就是說繞射面(diffractice optical surface)為透鏡表面加上相位函數(phase)。表三的C1-C4分別代表繞射面多項式的2階項、4階項、6階項、8階項係數值。

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，S13間距和下一個間距的和為玻璃蓋S13表面到成像平面18在光軸12的距離

可見光有效焦距(EFL of visible light)=3.976mm

紅外光有效焦距(EFL of NIR 850nm light)=3.984mm

光圈值(F-Number)=1.8

最大視場角(Max.field of view,FOV)=163.8度

成像平面的最大成像高度(Max.Image Height)=8.914mm

鏡頭總長(total track length,TTL,S1到成像平面的距離)=28.83mm

圖2-3分別為可見光和850奈米紅外光之光線扇形圖(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(例如成像平面18)的位置的相對數值。圖4至圖5為本實施例光學鏡頭10a的成像光學模擬數據圖，其中圖4-5分別為587奈米綠光和850奈米紅外光之繞射光學傳遞函數曲線圖(modulation transfer function,MTF)，兩者的焦平面偏移量為約1微米。要注意的是，也可以使用555奈米的綠光取代587奈米的綠光來畫出成像光學模擬數據圖。圖2-5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光學鏡頭10a確實能夠兼具良好的光學成像品質及日夜共焦的特性。

本實施例之光學鏡頭可包含兩透鏡群且光圈值可為1.8，光學鏡頭可包含具一繞射面的一片非球面透鏡以修正像差及色差。再者，可滿足下列條件：2<(Ød*V)/Ør<5---(3)

20<V<60---(4)

其中Φ d為繞射面屈光度，其為表三中的C1/(-0.5)，Φ r為非球面透鏡的折射屈光度，V為非球面透鏡的阿貝數。具體而言，假設光學鏡頭被設計為符合(Ød*V)/Ør>5，此時可見光和紅外光兩者色差矯正過度，紅外光的焦平面變短。另一方面，假設光學鏡頭被設計為符合(Ød*V)/Ør<2，此時可見光和紅外光兩者色差矯正不足，紅外光的焦平面變長。因此，本實施例之光學鏡頭設計為符合2<(Ød*V)/Ør<5的條件，可使光學鏡頭兼具良好的光學成像品質及日夜共焦的特性。

圖6為顯示依本發明另一實施例之光學鏡頭10b的示意圖。光學鏡頭10b設置於一放大側(圖6的左側；例如為物側)與一縮小側(圖6的右側；例如為像側)之間。如圖6所示，光學鏡頭10b包含具有負屈光度且位於放大側與縮小側之間的第一透鏡群(例如為前群)20、具有正屈光度且位於第一透鏡群20與縮小側之間的第二透鏡群(例如為後群)30以及位於第二透鏡群30內的一光圈14。再者，縮小側可設置玻璃蓋16以及影像感測器，其成像平面標示為18，且玻璃蓋16位於第二透鏡群30與成像平面18之間。第一透鏡群20可包含沿光學鏡頭10b的光軸12從放大側至縮小側依序排列的一第一透鏡L1及一第二透鏡L2，且第二透鏡群30可包含沿光學鏡頭10b的光軸12從放大側至縮小側依序排列的一第三透鏡L3、一第四透鏡L4、一第五透鏡L5及一第六透鏡L6，第一透鏡L1至第六透鏡L6的屈光度分別為負、負、正、正、正、負。於本實施例中，第四透鏡L4可為包含一繞射面的非球面透鏡，第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3及第六透鏡L6為新月形透鏡，且第五透鏡L5雙凸透鏡。另外，第五透鏡L5及第六透鏡L6形成具正屈光度的膠合透鏡。值得注意的是，第五透鏡L5及第六透鏡L6相鄰的兩面有相同的曲率半徑，而且膠合透鏡的相鄰兩面可利用不同的方式貼合，例如以光學膠塗佈在相鄰兩面間膠合、以機構件將相鄰兩面壓合等方式。光學鏡頭10b的透鏡設計參數、外形、非球面係數及繞射面分別如表四、表五及表六所示，其中表五的A-D分別代表非球面多項式(如公式1所示)的4階項、6階項、8階項、10階項係數值。表六的C1-C4分別代表繞射面多項式(如公式2所示)的2階項、4階項、6階項、8階項係數值。

可見光有效焦距(EFL of visible light)=4.04mm

紅外光有效焦距(EFL of NIR 850nm light)=4.054mm

光圈值(F-Number)=1.8

最大視場角(Max.field of view,FOV)=138.5度

成像平面的最大成像高度(Max.Image Height)=8.914mm

鏡頭總長(total track length,TTL,S1到成像平面的距離)=30mm

圖7-8分別為可見光和850奈米紅外光之光線扇形圖(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(例如成像平面18)的位置的相對數值。圖9至圖10為本實施例光學鏡頭10b的成像光學模擬數據圖，其中圖9-10分別為587奈米綠光和850奈米紅外光之繞射光學傳遞函數曲線圖(modulation transfer function,MTF)，兩者的焦平面偏移量為約4微米。要注意的是，也可以使用555奈米的綠光取代587奈米的綠光來畫出成像光學模擬數據圖。圖7-10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光學鏡頭10b確實能夠兼具良好的光學成像品質及日夜共焦的特性。

20<V<60---(4)

其中Φ d為繞射面屈光度，其為表六中的C1/(-0.5)，Φ r為非球面透鏡的折射屈光度，V為非球面透鏡的阿貝數。具體而言，假設光學鏡頭被設計為符合(Ød*V)/Ør>5，此時可見光和紅外光兩者色差矯正過度，紅外光的焦平面變短。另一方面，假設光學鏡頭被設計為符合(Ød*V)/Ør<2，此時可見光和紅外光兩者色差矯正不足，紅外光的焦平面變長。因此，本實施例之光學鏡頭設計為符合2<(Ød*V)/Ør<5的條件，可使光學鏡頭兼具良好的光學成像品質及日夜共焦的特性。

圖11為顯示依本發明一實施例之光學鏡頭10c的示意圖。光學鏡頭10c設置於一放大側(圖11的左側；例如為物側)與一縮小側(圖11的右側；例如為像側)之間。如圖11所示，光學鏡頭10c包含位於放大側與縮小側之間的第一透鏡群20、具有正屈光度且位於第一透鏡群20與縮小側之間的第二透鏡群30以及位於第一透鏡群20與第二透鏡群30之間的一光圈14。再者，縮小側可設置玻璃蓋16以及影像感測器，其成像平面標示為18，且玻璃蓋位於第二透鏡群30與成像平面18之間。第一透鏡群20可包含沿光學鏡頭10c的光軸12從放大側至縮小側依序排列的一第一透鏡L1、一第二透鏡L2及一第三透鏡L3，且第二透鏡群30可包含沿光學鏡頭10c的光軸12從放大側至縮小側依序排列的一第四透鏡L4、一第五透鏡L5及一第六透鏡L6，第一透鏡L1至第六透鏡L6的屈光度分別為負、負、正、正、負、正。於本實施例中，第六透鏡L6可為包含一繞射面的非球面透鏡，第一透鏡L1、第二透鏡L2及第五透鏡L5為新月形透鏡，且第三透鏡L3及第四透鏡L4為雙凸透鏡。另外，第四透鏡L4與第五透鏡L5形成具正屈光度的膠合透鏡。值得注意的是，第四透鏡L4與第五透鏡L5相鄰的兩面有相同的曲率半徑，而且膠合透鏡的相鄰兩面可利用不同的方式貼合，例如以光學膠塗佈在相鄰兩面間膠合、以機構件將相鄰兩面壓合等方式。光學鏡頭10c的透鏡設計參數、外形、非球面係數及繞射面分別如表七、表八及表九所示，其中表七的A-D分別代表非球面多項式的4階項、6階項、8階項、10階項係數值。光學鏡頭10c的透鏡設計參數、外形、非球面係數及繞射面分別如表七、表八及表九所示，其中表八的A-D分別代表非球面多項式(如公式1所示)的4階項、6階項、8階項、10階項係數值。表九的C1-C4分別代表繞射面多項式(如公式2所示)的2階項、4階項、6階項、8階項係數值。

可見光有效焦距(EFL of visible light)=3.964mm

紅外光有效焦距(EFL of NIR 850nm light)=3.959mm

光圈值(F-Number)=1.8

最大視場角(Max.field of view,FOV)=154.8度

成像平面的最大成像高度(Max.Image Height)=8.914mm

鏡頭總長(total track length,TTL,S1到成像平面的距離)=29.6mm

圖12-13分別為可見光和850奈米紅外光之光線扇形圖(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(例如成像平面18)的位置的相對數值。圖14至圖15為本實施例光學鏡頭10c的成像光學模擬數據圖，其中圖14-15分別為587奈米綠光和850奈米紅外光之繞射光學傳遞函數曲線圖(modulation transfer function,MTF)，兩者的焦平面偏移量為約4微米。要注意的是，也可以使用555奈米的綠光取代587奈米的綠光來畫出成像光學模擬數據圖。圖12-15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光學鏡頭10c確實能夠兼具良好的光學成像品質及日夜共焦的特性。

20<V<60---(4)

其中Φ d為繞射面屈光度，其為表九中的C1/(-0.5)，Φ r為非球面透鏡的折射屈光度，V為非球面透鏡的阿貝數。具體而言，假設光學鏡頭被設計為符合(Ød*V)/Ør>5，此時可見光和紅外光兩者色差矯正過度，紅外光的焦平面變短。另一方面，假設光學鏡頭被設計為符合(Ød*V)/Ør<2，此時可見光和紅外光兩者色差矯正不足，紅外光的焦平面變長。因此，本實施例之光學鏡頭設計為符合2<(Ød*V)/Ør<5的條件，可使光學鏡頭兼具良好的光學成像品質及日夜共焦的特性。

圖16為顯示依本發明一實施例之光學鏡頭10d的示意圖。光學鏡頭10d設置於一放大側(圖16的左側；例如為物側)與一縮小側(圖16的右側；例如為像側)之間。如圖16所示，光學鏡頭10d位於放大側與縮小側之間的第一透鏡群20、具有正屈光度且位於第一透鏡群20與縮小側之間的第二透鏡群30以及位於第一透鏡群20與第二透鏡群30之間的一光圈14。再者，縮小側可設置玻璃蓋16以及影像感測器，其成像平面標示為18，且玻璃蓋位於第二透鏡群30與成像平面18之間。第一透鏡群20可包含沿光學鏡頭10d的光軸12從放大側至縮小側依序排列的一第一透鏡L1、一第二透鏡L2、一第三透鏡L3及一第四透鏡L4，且第二透鏡群30可包含沿光學鏡頭10a的光軸12從放大側至縮小側依序排列的一第五透鏡L5、一第六透鏡L6及一第七透鏡L7，第一透鏡L1至第六透鏡L7的屈光度分別為負、負、正、正、正、負、正。於本實施例中，第四透鏡L4可為包含一繞射面的非球面透鏡，第一透鏡L1及第六透鏡L6為新月形透鏡，第二透鏡L2為雙凹透鏡且第三透鏡L3、第五透鏡L5及第七透鏡L7為雙凸透鏡。另外，第五透鏡L5及第六透鏡L6形成具正屈光度的膠合透鏡。值得注意的是，第五透鏡L5及第六透鏡L6相鄰的兩面有相同的曲率半徑，而且膠合透鏡的相鄰兩面可利用不同的方式貼合，例如以光學膠塗佈在相鄰兩面間膠合、以機構件將相鄰兩面壓合等方式。光學鏡頭10d的透鏡設計參數、外形、非球面係數及繞射面分別如表十、表十一及表十二所示，其中表十一的A-D分別代表非球面多項式(如公式1所示)的4階項、6階項、8階項、10階項係數值。表十二的C1-C4分別代表繞射面多項式(如公式2所示)的2階項、4階項、6階項、8階項係數值。

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間距和下一個間距的和為玻璃蓋S15表面到成像平面18在光軸12的距離

可見光有效焦距(EFL of visible light)=4.02mm

紅外光有效焦距(EFL of NIR 850nm light)=4.03mm

光圈值(F-Number)=1.8

最大視場角(Max.field of view,FOV)=163.6度

成像平面的最大成像高度(Max.Image Height)=8.914mm

鏡頭總長(total track length,TTL,S1到成像平面的距離)=29.1mm

圖17-18分別為可見光和850奈米紅外光之光線扇形圖(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(例如成像平面18)的位置的相對數值。圖19至圖20為本實施例光學鏡頭10d的成像光學模擬數據圖，其中圖19-20分別為587奈米綠光和850奈米紅外光之繞射光學傳遞函數曲線圖(modulation transfer function,MTF)，兩者的焦平面偏移量為約53微米。要注意的是，也可以使用555奈米的綠光取代587奈米的綠光來畫出成像光學模擬數據圖。

藉由實施例10a、10b與10c的設計，可提供一種能兼顧輕量化及日夜共焦的特性，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。

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。此外，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‧‧‧光學鏡頭

12‧‧‧光軸

14‧‧‧光圈

16‧‧‧玻璃蓋

18‧‧‧成像平面

20‧‧‧第一透鏡群

30‧‧‧第二透鏡群

L1-L6‧‧‧透鏡

S1-S13‧‧‧表面

Claims

一種光學鏡頭，包括：一第一透鏡群與一第二透鏡群，該第一透鏡群與該第二透鏡群係由一方向依序設置；一光圈，設於該第一透鏡群與該第二透鏡群之間，其中該第二透鏡群具有正屈光度且包括具一繞射面的一透鏡；以及該光學鏡頭符合下列條件：2<(Ød*V)/Ør<5其中Φ d為該繞射面屈光度，Φ r為該透鏡的折射屈光度，V為該透鏡的阿貝數。
一種光學鏡頭，包括：一具有負屈光度的第一透鏡群與一具有正屈光度的第二透鏡群，其中該第一透鏡群與該第二透鏡群係由一方向依序設置，並以該第一透鏡群屈光度與該第二透鏡群的屈光度區隔，該第二透鏡群包括具一繞射面的一透鏡；以及該光學鏡頭符合下列條件：2<(Ød*V)/Ør<5其中Φ d為該繞射面屈光度，Φ r為該透鏡的折射屈光度，V為該透鏡的阿貝數。
如申請專利範圍第1-2項中任一項所述之光學鏡頭，其中該第一透鏡群包含具屈光度的透鏡數目小於3。
如申請專利範圍第1-2項中任一項所述之光學鏡頭，其中該第二透鏡群包含具屈光度的透鏡數目小於5。
一種光學鏡頭，包括：一第一透鏡群；一具有正屈光度的第二透鏡群，該第一透鏡群與該第二透鏡群係由一方向依序設置；一光圈，設置於該第一透鏡群與該第二透鏡群之間，其中該第一透鏡群包含具屈光度的透鏡數目小於3，該第二透鏡群包含具屈光度的透鏡數目小於5且包括具一繞射面的一透鏡；以及該光學鏡頭符合下列條件：若以555奈米或587奈米綠光通過該光學鏡頭的一焦平面為量測基準，該光學鏡頭可滿足850奈米紅外光在該焦平面位移量，離該量測基準小於5微米。
如申請專利範圍第1、2或5項中任一項所述之光學鏡頭，其中具該繞射面的該透鏡符合下列條件：20<V<60。
如申請專利範圍第1、2或5項中任一項所述之光學鏡頭，其中該第一透鏡群包括一具負屈光度的第一透鏡及一具負屈光度的第二透鏡。
如申請專利範圍第1、2或5項中任一項所述之光學鏡頭，其中該透鏡為非球面透鏡。
如申請專利範圍第1、2或5項中任一項所述之光學鏡頭，其中該透鏡的屈光度為正且第二透鏡群進一步還包括一具正屈光度的膠合透鏡和具正屈光度的另一透鏡。
如申請專利範圍第9項所述之光學鏡頭，其中該透鏡比該另一透鏡更遠離該第一透鏡群。