TW202111414A - 取像鏡頭與遮光元件的製作方法 - Google Patents
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Abstract
一種取像鏡頭，包括從放大側往縮小側沿光軸排列的光圈與具有屈光度的透鏡。光圈包括基材與遮光層。基材包括第一中間區域與包圍第一中間區域的第一外緣區域。第一外緣區域允許可見光及紅外光實質通過。遮光層包括第二中間區域與包圍第二中間區域的第二外緣區域。第二外緣區域允許紅外光實質通過並實質阻擋可見光。光圈沿光軸方向的厚度藉於0.01mm~0.3mm之間。另，一種取像鏡頭與遮光元件的製作方法亦被提出。
Description
本發明是有關於一種鏡頭與遮光元件的製作方法，且特別是有關於一種取像鏡頭與應用於取像鏡頭的遮光元件的製作方法。
在一般取像鏡頭中，環境光線進入到取像鏡頭後，會通過其內的透鏡組及光圈，最後傳遞至影像感測器上成像。隨著使用者的需求多樣化，為了達成不同的拍照效果，可變光圈已廣為應用於電子產品中。
為了要實現可變光圈，一種可能的做法是：在取像鏡頭內採用動件以調整光圈大小。然而，這樣的方式卻造成取像鏡頭的體積過大，而不符合電子產品微型化的趨勢。
本發明的一示例中，提供了一種在取像鏡頭中以無動件方式實現可變光圈的設計及遮光元件的製造方法。
本發明的一實施例的取像鏡頭包括光圈與具屈光度的鏡片。
於一實例中，光圈(或稱孔徑光欄)包括基材與遮光件，且為雙元件形式的光圈。基材材料選用為可使紅外光、可見光實質通過的材料，而遮光件材料選用為可使紅外光實質通過並實質阻擋可見光的材料。並且，基材與遮光件的形狀設計上為具有中間區域與包圍中間區域的外緣區域。
另一實例中，光圈為單一元件形式(one piece formed)，即其非由多元件連接而成。光圈的材料可為：由上述基材材料與遮光件材料混合後所形成的一混合材料。混合材料亦具有紅外光實質通過並實質阻擋可見光的能力。再一實例中，光圈可僅由遮光件的材料製成，而不混入上述基材材料。上述光圈亦具有中間區域與包圍中間區域的外緣區域的設計。
由於上述的光圈的至少一部分包括具有遮光能力的材料，而可被視為一種遮光元件。由另一觀點觀之，本實例的取像鏡頭以允許紅外光實質通過並實質阻擋可見光的遮光元件作為光圈(孔徑光欄)。
本發明的一實施例提出了製造上述遮光元件的製作方法。
針對雙元件式的遮光元件，可先在基材上以噴塗或印刷的方式提供遮光層，以使其附著於基材上。接著，再用裁切的方式對基材及遮光層裁切出中間與外環區域，至此，雙元件式的遮光元件已製造完成。
針對單元件式的遮光元件，一種方式是可先把基材與遮光層的材料混合後，形成一材料層。或者是，另一方式是：可僅將遮光層的材料形成一材料層。接著，再用裁切或打印的方式對上述材料層進行外觀處理，以形成一體成型的中空圓環狀遮光元件。至此，單一元件式的遮光元件已製造完成。
值得一提的是，上述光圈(遮光元件)在光軸方向上的厚度落於0.01~0.3毫米(mm)的範圍內，可避免取像鏡頭焦距偏移量過大的問題，而使其具有良好的成像品質。
基於上述，在本發明實施例的取像鏡頭中，由於其內的光圈(或遮光元件)針對不同波長範圍的成像光線具有不同穿透能力，而可以無動件方式控制進光量。取像鏡頭在不同波長範圍下可具有不同的光圈值，並維持較小的體積。並且，光圈在光軸方向上的厚度設計為0.01~0.3毫米，於此範圍內取像鏡頭可避免焦距偏移量過大的問題，而具有良好的光學品質。此外，本發明實施例提供一種遮光元件製造方法，其所製造的遮光元件可應用於上述的光圈，其製造方法簡易，且設計自由度高。
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。
圖1為本發明的一實施例的取像鏡頭的外觀示意圖。圖2為圖1的取像鏡頭內部示意圖。圖3為圖1、2中的光圈的上視示意圖與剖面示意圖。圖4A與圖4B分別為取像鏡頭內的光圈在不同波長範圍的成像光線的視角下的等效光學示意圖。為求簡要，圖2省略示出鏡筒，圖4僅示出鏡頭內部的光圈與鏡筒。
請參照圖1與圖2，於本例中，取像鏡頭100具有光軸I，其包括鏡筒110、透鏡L1~L7及光圈120。於以下段落中將分別對取像鏡頭100的各元件進行說明。
在本例中，鏡筒(Barrel)110係指取像鏡頭100中用以裝設鏡片(或稱透鏡)、光圈等光學元件的元件。
在本例中，透鏡L係指其入、出光表面的任一者非為平面，或者入、出光表面的至少一者具有光線屈折能力(或稱屈光度(Refractive Power)的光學元件。於本例中，取像鏡頭100中的透鏡L數量為7。於他例中，設取像鏡頭100中的具有屈光度的透鏡的數量為N，N在大於3且小於7、10、15時，有最佳、較佳和佳的性價比，惟取像鏡頭100中透鏡的數量不以此為限。而取像鏡頭100中的非球面透鏡的數量可選擇性的為0或N，又或是大於0.2N、0.4N、0.6N、0.8N的正整數。
在本例中，光圈120(或稱孔徑光欄)係指鏡頭中對光束起限制作用的元件，用以控制鏡頭孔徑大小或通光量。本發明中各實施例中提及的光圈120可設於兩片透鏡之間，惟本發明不以此為限，需要時，光圈120可設於入光方向的第一片具有屈光度的透鏡的光學上游，亦可設於出光方向的最後一片具有屈光度的透鏡的光學下游，即最後一片透鏡和感光元件之間之處。
請參照圖3，在本例中，光圈120是由二材料相互結合而成的雙元件形式，其包括基材122以及遮光層124。基材122包括中間區域MR1(或稱第一中間區域)與包圍中間區域MR1的外緣區域OER1(或稱第一外緣區域)。外緣區域OER1允許可見光及紅外光實質通過。遮光層124設於基材122上，且包括中間區域MR2(或稱第二中間區域)與包圍中間區域MR2的外緣區域OER2(或稱第二外緣區域)。外緣區域OER2允許具紅外光實質通過並實質阻擋可見光。中間區域MR1、MR2皆為通孔且不包括任何固態材料。並且，基材122外緣區域ORE1的外輪廓OP1與內輪廓IP1分別與遮光層124外緣區域ORE2的外輪廓OP2與內輪廓IP2實質上切齊。換言之，光圈120可被視為中空圓環狀的遮光元件。
承上述，可見光波長區間例如是在波長400奈米至波長800(不含)奈米之間，紅外光波長區間例如是波長大於800奈米至940奈米的波長區間。此外，在缺乏其他說明時，可讓某光線實質通過和實質阻擋某光線可指對某光線而言透光率大於等於70%和小於等於30%。另外，紅外光可理解為光線波長為800~940奈米的光線，而可見光則可理解為光線波長為400~800(不含)奈米的光線。
亦即，若稱某元件的某區域允許實質阻擋可見光，則其可指某元件的某區域對波長為400~800(不含)奈米中至少一波長值(例如530奈米)的光束的透光率小於30%。若稱某元件的某區域可讓紅外光實質通過，則其可指某元件的某區域對波長為800~940奈米中至少一波長值(例如800奈米)的光束的透光率大於70%。
此外，於本發明的實施例中，基材122的材料(或稱第一材料)在0.3毫米厚度時對波長為800奈米的光束及波長530奈米的可見光束的透光率均大於70%。惟藉由材料的調整，基材122的材料(或稱第一材料)在0.3毫米厚度時對波長為800奈米的光束及波長530奈米的光束的透光率均可分別選擇性地大於80%、85%及90%。
基材122的材料非為玻璃或其他的脆性材料，基材122的成份可實質由聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide, PPS)、聚碳酸酯(Polycarbonate, PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate), PMMA)或聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate, PET)、透明樹脂材質等基底材料或其他塑膠基底材料的任一者或其混合物所組成。於本例中，基材122為透明樹脂材質。遮光層124的材料(或稱第二材料)可以採用厚度為0.3mm時可以對波長為800奈米的光束的透光率大於70%且對波長為530奈米的光束的透光率小於30%的材料，符合上開條件的材料，例如是IR穿透專用油墨，可從市場上取得。舉例來說，遮光層124的材料例如是彩銘實業股份有限公司販售的IR-725/P號黑色油墨、啟士達科技股份有限公司所販售的50513型、41204型或6212型黑色油墨。於本例中，基材122與遮光層124的材料分別為一透明樹脂材料及彩銘實業股份有限公司販售的IR-725/P號黑色油墨，即為其例。惟藉由材料的調整，遮光層124在0.3毫米厚度時對波長為800奈米的光束透光率可選擇性地大於70%、80%、85%及90%；同時，遮光層124在0.3毫米厚度時對波長為530奈米的光束透光率可選擇性地小於30%、20%及10%。
於以下的段落中會搭配上述圖式以詳細說明上述元件之間的配置關係與取像鏡頭100的光學效果。
請參照圖2，取像鏡頭100從放大側MS至縮小側RS沿光軸I依序設置透鏡L1~L3、光圈120、透鏡L4~L7。透鏡L1~L7與光圈120乘載於鏡筒110內。當由一待拍攝物(未示出)所發出的成像光線進入光學成像鏡頭10後，其依序經由透鏡L1~L3、光圈120、透鏡L4~L7及玻璃蓋F之後，並在一成像面IP(Image Plane)形成一影像，其中成像光線中的主光線(chief ray)、邊緣光線(marginal ray)分別以實粗黑線與虛線表示，成像面IP上可設置例如是影像感測器(未示出)的感測面。應注意的是，於圖2中所示出的各鏡片數量、面形、間距或厚度皆為示意，本發明不以此為限。
請參照圖2、圖3與圖4A，由於在光圈120中，基材122的中間部份為不設有材料的穿孔，光線可自由通過。而圍繞中間部份的外緣區域OER1允許可見光及紅外光實質通過，並且，遮光層124的外緣區域OER2允許紅外光實質通過並實質阻擋可見光。當成像光線的波長落在可見光的波長區間時，成像光線會被遮光層124的外緣區域OER2實質阻擋。因此，對於可見光來說，光圈120遮光面積較紅外光大，遮光能力較強，能通過光圈120的可見光較少。由另一觀點來看，如圖4A所示，對於可見光來說，光圈120形成的等效光學孔徑較小。
請參照圖2、圖3與圖4B，當成像光線的波長落在紅外光的波長區間時，成像光線可依序實質通過基材122的外緣區域OER1與遮光層124的外緣區域OER2，對於紅外光來說，光圈120的遮光面積相對可見光小，實質能夠遮光的能力較可見光弱，可通過較多的紅外光。由另一觀點來看，如圖4B所示，對於紅外光來說，光圈120形成的等效光學孔徑較大。
在本例的取像鏡頭100的光圈120中，由於遮光層124的外緣區域OER2允許紅外光實質通過並實質阻擋可見光，即可在可見光、紅外光波長範圍下有不同穿透能力。藉此，光圈120在不同的波長範圍下可以控制進入其光路下游鏡組的入光量，而使取像鏡頭100具有不同光圈值。因此，取像鏡頭100以無動件方式實現可變光圈，其體積較小並符合微型化趨勢。
於以下的段落中會詳細說明製造光圈120的製造方法，分為以下步驟A~D。
步驟A：提供基材122。
步驟B：準備遮光層124的材料。遮光層122與基材124的材料於上述段落已提過，於此不再贅述。
步驟C：將遮光層124以噴塗、塗佈、印刷、沉積等方式形成於基材上，並固化遮光層124。
步驟D：最後，對基材122與遮光層124以裁切方式移除不必要的部分，以依序基材122與遮光層124的中間區域以及基材122與遮光層124的外緣區域，其中裁切方式可例如是利用剪刀(scissors)、裁刀(cutter)等刀具、高壓水柱(水刀)或高能輻射(如雷射)等方式進行裁切亦可，但不以此為限。至此，光圈120(遮光元件)大致上已製作完成。
由上述可知，本實例的光圈120(遮光元件)的製造方法簡單，且可以簡單裁切的方式設計出不同的形狀，其設計自由度高。
在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的部分內容，省略了相同技術內容的說明，關於相同的元件名稱可以參考前述實施例的部分內容，下述實施例不再重複贅述。
圖5為本發明另一實施例的光圈的上視示意圖與剖面示意圖。
圖5的光圈120a大致上與圖3光圈120相同，其主要差異在於：圖3的光圈120為雙元件形式，而圖5的光圈120a為單一元件形式。詳言之，光圈120a包括中間區域MRa與包圍中間區域MRa的外緣區域OERa。於本例中，外緣區域OERa的材料例如是包括上述基材122與遮光層124的材料。換言之，外緣區域OERa的材料可以選擇性的由基材122與遮光層124的材料混合而成。
值得一提的是，於他例中，上述單一元件形式的光圈亦可僅由遮光層124的材料形成。換言之，光圈可不包括基材122的材料。
於以下的段落中會詳細說明製造光圈120a(遮光元件)的製造方法，分為以下步驟E~F。
步驟E：準備第一材料，其在0.3毫米厚度時對波長為800奈米光束的透光率大於70%且對波長530奈米的光束的透光率亦大於70%，其材料可參照上述段落中所提到的基材120的材料。
步驟F：準備第二材料，其在0.3毫米厚度時對波長為800奈米光束的透光率大於70%且對波長為530奈米光束的透光率小於30%，其材料可參照上述段落中所提到的遮光層124的材料。
步驟G：混合第一、第二材料以為一第三材料。
步驟F：將第三材料形成一厚度介於0.01毫米至0.3毫米的範圍內的材料層後，可由前述各種方式以切裁、打印等方式形成中空圓環狀且為一體成型的遮光元件。
另一種方式為：可藉由將第三材料打印的方式來形成遮光元件，其中打印的過程例如是分為以下步驟F-1~F-3。
步驟F-1：準備二半徑不同的圓環件。
步驟F-2：在二圓環件中取半徑較大的圓環件，以對第三材料進行裁切，而形成外緣區域OERa的外輪廓OPa。
步驟F-3：在二圓環件中取半徑較小的圓環件，以對第三材料進行裁切，而形成外緣區域OERa的內輪廓IPa。至此，光圈120a大致上已製作完成。
應注意的是，上述的步驟F-2、F-3可調換或同時進行，本發明不以此為限。同時，上開所述的圓環件僅為示例，需要時亦可以雷射切割或其他已知的切裁方式進行，本發明不對其多加限制。
另外，若要製作不含有基材材料(第一材料)的光圈，則可省略上述的步驟E、G，而直接將第二材料形成一厚度介於0.01毫米至0.3毫米的範圍內的材料層後，再藉由上述裁切或打印的方式形成中空圓環狀且為一體成型的遮光元件，於此不再贅述。
圖6A與圖6B分別為取像鏡頭使用不同厚度的光圈的光學模擬示意圖。
值得一提的是，在本發明實施例的光圈120、120a中，在光軸I方向上的厚度設計為在0.01毫米至0.3毫米的範圍內，若取像鏡頭採用此厚度範圍設計的光圈，其焦距偏移量不致偏移過多，而具有良好的光學品質的同時具有足夠的機械強度。圖6A、6B分別為取像鏡頭使用光圈在光軸I方向上的厚度為0.03毫米、0.1毫米的光學模擬圖，其中橫軸為焦距偏移量，單位為毫米(mm)，縱軸為調制轉換函數(Modulation Transfer Function, MTF)的函數值，實線代表的是主光線的函數曲線，虛線代表的是邊緣光線的函數曲線。由圖6A可見，主光線在縱軸上的峰值約相對的焦距位移量約位於0.02mm；而圖6B主光線在縱軸上的峰值(解析對最佳處)相對的焦距位移量約位於0.035mm。意即，圖6A的0.03毫米厚度的設計中，焦距位移量表現較佳。一般來說，取像鏡頭的焦距偏移量越小越好，可看出在上述厚度設計下，取像鏡頭的焦距偏移量不會太大，而具有較良好的光學品質。請回頭參照圖3、5，於上述的實施例中，光圈120、120a的厚度t、ta
為0.22毫米。
應注意的是，於本發明上述的實施例中，可選擇性但非必要地藉由設於光圈的外沿，框架(未示出, frame)可用於將光圈120或120a框設於其中，再經由框架與鏡筒連接。惟於本例中，光圈120、120a均直接固設於鏡筒內部而不包括框架。
綜上所述，在本發明實施例的取像鏡頭中，由於光圈遮光層(或遮光元件)的外緣區域可允許紅外光實質通過並實質阻擋可見光，因此，當成像光線為紅外光時，光圈可允許較多的紅外光通過，即對於紅外光來說光圈所形成的等效光學孔徑較大。當成像光線為可見光時，光圈會阻絕部分的可見光進入其光路下游，即對於可見光來說光圈所形成的等效光學孔徑較小。取像鏡頭可以以無動件方式在不同波長範圍下具有不同光圈表現，且體積較小並符合微型化趨勢。此外，本發明實施例提供一種遮光元件製造方法，其所製造的遮光元件可應用於上述的光圈(或遮光元件)，其製造方法簡易，且設計自由度高。
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。
100:取像鏡頭
110:鏡筒
120、120a:光圈
122:基材
124:遮光層
F:玻璃蓋
L、L1~L7:透鏡
I:光軸
IP:成像面
IP1、IP2、IPa:內輪廓
OER1、OER2、OERa:外緣區域
OP1、OP2、OPa:外輪廓
t、ta
:厚度
MR1、MR2、MRa:中間區域
圖1為本發明的一實施例的取像鏡頭的外觀示意圖。
圖2為圖1的取像鏡頭內部示意圖。
圖3為圖1、2中的光圈的上視示意圖與剖面示意圖。
圖4A與圖4B分別為取像鏡頭內的光圈在不同波長範圍的成像光線的視角下的等效光學示意圖。
圖5為本發明另一實施例的光圈的上視示意圖與剖面示意圖。
圖6A與圖6B分別為取像鏡頭使用不同厚度的光圈的光學模擬圖。
120:光圈
122:基材
124:遮光層
IP1、IP2:內輪廓
OER1、OER2:外緣區域
OP1、OP2:外輪廓
t:厚度
MR1、MR2:中間區域
Claims (10)
- 一種取像鏡頭，包括，從一放大側往一縮小側沿一光軸依序排列的： 一光圈，包括： 一基材，包括一第一外緣區域及一第一中間區域，第一外緣區域包圍該第一中間區域，該第一外緣區域允許可見光及紅外光實質通過；以及 一遮光層，設於該基材上，包括一第二外緣區域及一第二中間區域，該第二外緣區域包圍該第二中間區域，該第二外緣區域允許紅外光實質通過並實質阻擋可見光；以及 一具有屈光度的透鏡； 其中，該光圈沿一光軸方向的厚度介於0.01mm和0.3mm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的取像鏡頭，其中該基材對波長為800奈米及波長為530奈米的光線的穿透率大於70%，該遮光層對波長為800奈米穿透率大於70%並對波長為530奈米的光線的穿透率小於30%。
- 如申請專利範圍第1項所述的取像鏡頭，其中該基材的該第一外緣區域的外輪廓與內輪廓分別與該遮光層的該第二外緣區域的外輪廓與內輪廓實質上切齊。
- 如申請專利範圍第1項所述的取像鏡頭，其中該第一中間區域與該第二中間區域為通孔，且不包括任何固態材料。
- 一種取像鏡頭，包括： 一鏡筒； 一透鏡，承載於該鏡筒內；以及 一遮光元件，包括： 一第一外緣區域，對一紅外光光束的透光率大於70%、且對可見光束的透光率小於30%；及 一第一中間區域，第一外緣區域包圍該第一中間區域，該第一中間區域為一通孔且不包括任何固態材料； 其中， 該遮光元件的厚度落在0.01~0.3 mm的範圍內； 該遮光元件為單一元件形式(one piece formed)； 該遮光元件為一孔徑光欄。
- 如申請專利範圍第5項的取像鏡頭，其中該遮光元件直接承載於該鏡筒內。
- 如申請專利範圍第1項或第5項的取像鏡頭，其中該取像鏡頭在紅外光波段下與在可見光波段下所具有的光圈值彼此不同。
- 如申請專利範圍第1項或第5項的取像鏡頭，其中該遮光元件對波長為800奈米的光線之穿透率大於70%，並對波長為530奈米的光線的穿透率小於30%。
- 如申請專利範圍第1項或第5項的取像鏡頭，其中該光圈或該遮光元件為中空圓環狀。
- 一種遮光元件的製造方法，包括： 準備一第一材料，該第一材料在0.3mm厚度時對波長為800nm的光束的透光率大於70%； 準備一第二材料，該第二材料在0.3mm厚度時對波長為800nm的光束的透光率大於70%且對波長為530nm的光束的透光率小於30%； 混合一第一材料及一第二材料以為一第三材料；以及 將該第三材料形成為一厚度介於0.01~0.3 mm的材料層後、切裁為中空圓環狀且為一體成型的遮光元件。
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