TWI258596B - Single focus wide-angle lens - Google Patents

Description

1258596 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於適合搭載於如附相機行動電話、 PDA(Personal Digital Assistant)等的小型資訊終端裝置的 廣角單焦點透鏡。 【先前技術】 近年來，隨著電腦在一般家庭的普及，使攝影之風景及 人物像等的影像資訊輸入電腦的數位相機（以下簡稱爲數位 • 相機）得到迅速的普及。另外，隨著行動電話的高功能化， 搭載有小型攝像模組的附相機行動電話也迅速普及。除此之 外，在PDA等的小型資訊終端裝置中搭載的攝像模組也得 到普及。 此等具備攝像功能之裝置中，使用CCD(電耦合元件）及 CMOS (互補金氧半導體）等的攝像元件。此等攝像元件在近 年已發展至非常小型。因此在使用C C D等的攝像元件的攝 像裝置中，對裝置本體及搭載於該本體上的透鏡，也要求能 鲁夠小型輕量化。另外’近年來爲達成高畫質，已開發出畫素 數大的攝像元件，伴隨於此，越來越要求透鏡系統具有更高 之解析度且高對比之性能。 作爲用於此種攝像裝置的攝像透鏡，例如，具有以下的 專利文獻1所記載者。在該專利文獻1記載有從物體側依序 由第1〜第3透鏡構成之3片構成之攝像透鏡。在該攝像透 鏡中，第3透鏡成爲雙凸面形狀。開口光圈係配置於第2透 鏡與第3透鏡之間。 •1258596 [專利文獻1]日本特開平10-48 5 1 6號公報 【發明內容】 (發明所欲解決之問題） 如上述，近年來的攝像元件已發展成爲小型化及高畫素 化’伴隨於此，尤其是對數位相機用攝像透鏡，不斷要求具 有高的解析性能及達成構成之小型化。另一方面，雖然以往 對附相機行動電話等的小型資訊終端裝置用攝像透鏡，主要 要求在成本面及小型化方面，但是最近在附相機行動電話等 φ 中，也趨向於要求攝像元件的高畫素化，例如，1 00萬畫素 以上的對應百萬畫素級者已經達成實用化，且對性能面的要 求也不斷增高。因此，因應於使用者之各種需求，期望能開 發出一種綜合考慮成本面、性能面及小型性的多種型態的透 '鏡。例如，期望能開發出一種不僅能滿足可搭載於攜帶用模 組相機的小型性，而且在性能方面亦可將搭載於數位相機放 入視野，的低成本且高性能的攝像透鏡。 對於此種要求，例如，爲達成小型且低成本化，考慮將 φ透鏡數設爲3片或4片的構成，而爲達成高性能化，而考慮 積極使用非球面。該情況，非球面雖能貢獻小型化及高性能 化，但在製造上並不有利，且容易增加成本，因此希望該使 用爲能充分兼顧製造性。上述專利文獻記載之透鏡，係3片 構成且使用非球面的構成，但上述綜合性能不足，例如，即 使性能上良好，但缺乏小型化的性能。一般，3片構成之透 鏡中，即使對攜帶用模組相機而言性能充分，但作爲數位相 機用，則其性能容易變得不夠充分。另外，4片構成之透鏡 ♦1258596 中，雖可較3片構成提高其性能，但在成本面及小型化上卻 容易變得不利。 本發明係鑒於上述問題點而完成者，其目的在於，提供 一種藉由以少片數之透鏡’同時有效地使用非球面，而可實 現高性能且小型的廣角透鏡系統的廣角單焦點透鏡。 (解決問題之手段） 本發明之廣角單焦點透鏡，係從物體側依序地具備有： 將物體側之面形成爲凸面形狀的具有正折射力（refractive φ power)的凹凸形狀的第1透鏡；光圈；由塑膠材料所形成， 將至少一面形成爲非球面形狀，且將物體側之面形成爲凹面 形狀的具有正折射力的凹凸形狀的第2透鏡；及由塑膠材料 所形成，將兩面形成爲非球面形狀’且在近軸附近將像側之 面形成爲凹面形狀的具有負折射力的凹凸形狀的第3透鏡； 且爲滿足以下條件式的構成。 0.8 < Rl/f < 1.0 (1) -2.0 < f3/f< -1.0 (2) • 0.70 < tanG <0.80 (3) 其中，f表示透鏡系統全體的近軸焦點距離，f3表示第 3透鏡的近軸焦點距離，R 1表示第1透鏡的物體側的面的 曲率半徑，Θ表示最大像高之半畫角。 該廣角單焦點透鏡中，第3透鏡最好係在有效半徑範圍 內，其物體側之面爲隨著越朝向周邊其負折射力變成越強的 非球面形狀，且，其像側之面爲隨著越朝向周邊其正折射力 變成越強的非球面形狀。 1258596 在根據本發明之廣角單焦點透鏡中，係從物體側依序地 配設有：將物體側之面形成爲凸面形狀的具有正折射力的凹 凸形狀的第1透鏡；由塑膠材料所形成，將至少一面形成爲 非球面形狀，且將物體側之面形成爲凹面形狀的具有正折射 力的凹凸形狀的第2透鏡；及由塑膠材料所形成，將兩面形 成爲非球面形狀，且在近軸附近將像側之面形成爲凹面形狀 的具有負折射力的凹凸形狀的第3透鏡；且將光圏配設於第 1透鏡與第2透鏡之間，利用滿足指定條件式（1)〜（3)而適 φ 宜地配置各透鏡的形狀、折射力分配等，不僅可使透鏡片數 爲極少的3片以達成低成本化，同時有效地使用非球面，可 獲得：不僅可對應攜帶用模組相機，亦可對應數位相機的高 光學性能。 另外，藉由依需要而適宜採用此等較佳構成，可實現更 高性能且小型的廣角透鏡系統。 (發明效果） 根據本發明之廣角單焦點透鏡，從物體側依序地配設： •將物體側之面形成爲凸面形狀的具有正折射力的凹凸形狀 的第1透鏡；由塑膠材料所形成，將至少一面形成爲非球面 形狀，且將物體側之面形成爲凹面形狀的具有正折射力的凹 凸形狀的第2透鏡；及由塑膠材料所形成，將兩面形成爲非 球面形狀，且在近軸附近將像側之面形成爲凹面形狀的具有 負折射力的第3透鏡；且將光圈配設於第1透鏡與第2透鏡 之間，利用滿足指定條件式（1)〜（3)而適宜地配置各透鏡的 形狀、折射力分配等，不僅可以少數量之透鏡達成低成化’ 1258596 同時有效地使用非球面’可獲得高性能且小型的透鏡系統。 【實施方式】 以下，參照圖面詳細說明本發明之實施形態。 第1圖是顯示本發明之一實施形態之廣角單焦點透鏡的 構成例。該構成例對應於後述之第1數値實施例（第3 (A)、 (B)圖）的透鏡構成。另外’第2圖是顯示其他構成例。第2 圖之構成例是對應於後述之第2數値實施例（第4(A)、（B)圖） 的透鏡構成。又，第1圖、第2圖中，符號Ri表示將最靠 φ 近物體側之透鏡要素的面設爲第1號，並以隨著朝向像側（成 像側）順序增加的方式而賦予符號的第i號（i=l〜8)的面的曲 率半徑。符號Di表示第i號面與第i+Ι號面的光軸Z1上的 面間隔。又，各構成例之基本構成均相同，故在以下以第1 圖所示單焦點透鏡的構成爲基本而進行說明。 該廣角單焦點透鏡係用於如附相機行動電話等的小型 資訊終端裝置或數位相機等，尤其是搭載於使用小型攝像元 件的攝像裝置者。該廣角單焦點透鏡係爲沿光軸Z 1，從物 φ體側依序地配設第1透鏡G1、光圈S t、第2透鏡G2及第3 透鏡G3的構成。在該廣角單焦點透鏡之成像面（攝像面）配 置有未圖示的CCD等的攝像元件。在攝像元件的攝像面附 近配置有保護攝像面用的遮護玻璃CG。在第3透鏡G3與成 像面（攝像面）之間，除遮護玻璃CG外，亦可配置紅外線濾 色器或低通濾色器等的其他光學元件。 第1透鏡G1如係由玻璃材料所構成，形成爲將凸面朝 向物體側之物體側面設爲凸面形狀的具有正折射力的凹凸 -10- 1258596 形狀。 第2透鏡G2係由塑膠材料所構成，至少一面形成爲非 球面形狀。另外’形成爲將物體側之面形成爲凹面形狀的具 有正折射力的凹凸形狀。 第3透鏡G3以往多具有正折射力，但在本廣角單焦點 透鏡中，第3透鏡G3係在近軸附近將像側之面形成爲凹面 形狀的具有負折射力的構成。第3透鏡G3如係在近軸附近 形成爲凹凸形狀。 φ 另外，第3透鏡G3係由塑膠材料所形成，將兩面形成 爲非球面形狀。第3透鏡G3之非球面形狀，最好如在有效 半徑範圍內，其物體側之面爲隨著越朝向周邊其負折射力變 成越強的非球面形狀，且’其像側之面爲隨著越朝向周邊其 - 正折射力逐漸變強的非球面形狀。藉此，第3透鏡G3最好 如其像側面係在近軸附近爲凸面形狀而在周邊成爲凹面形 狀。另外，像側之面係在近軸附近爲凹面形狀而在周邊成爲 凸面形狀。 φ 又，本實施形態中，近軸附近之透鏡形狀，例如，係於 後述之非球面式（A)中，利用係數K的部分（除有關係數A i 的多項式部分以外的部分）而表示。 該廣角單焦點透鏡滿足以下的條件式（1)〜（3)。在條件 式（1)〜（3)中，f表示透鏡系統全體的近軸焦點距離，f3表 示第3透鏡G 3的近軸焦點距離，R1表示第1透鏡G1的 物體側的面的曲率半徑，Θ表示最大像高之半畫角。 0.8 < Rl/f < 1.0 1258596 -2.0 < f3/f < - 1.0 (2) 0.70 < tan0 < 0.80 (3) 其次，將說明如上述構成的單焦點透鏡的作用及效果。 該廣角單焦點透鏡中，係從物體側依序地配設：如玻璃 材料構成的具有正折射力的第1透鏡G 1 ;由塑膠材料之非 球面透鏡所形成的具有正折射力的第2透鏡G2 ;及由塑膠 材料之非球面透鏡所形成的具有負折射力的第3透鏡G3 ; 且將光圏St配設於第1透鏡G1與第2透鏡G2之間，利用 φ 滿足指定條件式（1)〜（3)而適宜地配置各透鏡的形狀、折射 力分配等之時，不僅可以3片之少數量透鏡達成低成本化， 同時，可獲得高性能且小型的廣角透鏡系統。 該廣角單焦點透鏡中，主要爲了提高軸上的性能，因此 將光圈S t配設於第1透鏡G1與第2透鏡G2之間，將第1 透鏡G 1之物體側的面設爲凸面形狀。 另外，該廣角單焦點透鏡中，利用將非球面用於第2透 鏡G2及第3透鏡G3，可獲得大的像差修正效果。該情況， •因爲將第2透鏡G2及第3透鏡G3爲塑膠材料所製成，因 此加工容易且在製造上相當有利。尤其是，在近軸附近與周 邊部將第3透鏡G3之非球面形狀設爲形狀及折射力各異的 特殊形狀的情況，以像面彎曲之修正爲開始，可獲得有關像 差修正之更大效果。 各條件式的作用如下。條件式（1)係有關第1透鏡G 1的 物體側的面的曲率半徑者。若超出條件式（1)的上限，則全 長增長，若低於下限時，會使像面彎曲及球面像差等的修正 1258596 變得困難，故較不理想。條件式（2)係有關第3透鏡G 3之折 射力者，若超出該數値範圍的話，尤其是像面彎曲之修正變 得困難，故較不理想。條件式（3)係有關最大像高之半畫角、 亦即主光線之最大入射角者’是規定該廣角單焦點透鏡之畫 角範圍者。 如此般，根據本實施形態之廣角單焦點透鏡，藉由以透 鏡片數少的3片，且有效使用非球面，可實現：不僅可滿足 亦能搭載於攜帶用模組相機的小型化，而且在性能方面亦將 φ 搭載於數位相機放入視野，的低成本且高性能的攝像透鏡。 [實施例] 其次，說明本實施形態之廣角單焦點透鏡的具體數値實 施例。以下，將綜合地說明第1及第2數値實施例（實施例1、 2)。第3(A)、（B)圖是顯示對應第1圖所示廣角單焦點透鏡 的構成的具體透鏡資料（實施例1)。另外，第4(A)、（B)圖顯 示對應第2圖所示廣角單焦點透鏡的構成的具體透鏡資料 (實施例2)。第3(A)圖及第4(A)圖是顯示該實施例之透鏡資 鲁料中基本的資料部分，第3(B)圖及第4(B)圖顯示該實施例 之透鏡資料中有關非球面形狀的資料部分。 在各透鏡資料的面序號Si欄，針對各實施例的廣角單 焦點透鏡’表示將最靠近物體側之透鏡要素的面設爲第1 號’並以隨著朝向像側順序增加的方式而賦予符號的第i號 (i = l〜8)的面的序號。在曲率半徑Ri欄，表示對應第1、2 圖中所附符號Ri，而從物體側開始之第i號面的曲率半徑的 値。針對面間隔Di的欄，亦對應於第1、2圖中所附符號， 1258596 而表示從物體側開始之第i號面S i與i + 1號面S i + 1的光軸 上的間隔。曲率半徑Ri及面間隔Di的値的單位係毫米 (mm)。在Ndj、2； dj的欄是分別表示：包含遮護玻璃CG在 內，從物體側開始之第j號ϋ = 1〜4)透鏡要素的相對d線 (5 8 7.6nm)的折射率及阿貝數的値。 第3(A)圖及第4(A)圖中，亦同時顯示全系統的近軸焦 點距離f(mm)、F編號（FNO.)及畫角2ω(ω :半畫角）的値等諸 資料。 • 在第3(A)圖及第4(A)圖之各透鏡資料中，附於面序號 左側的記號「*」，表示該透鏡面爲非球面形狀。各實施例 均將第2透鏡G 2的兩面S 3、S 4與第3透鏡G 3的兩面S 5、 S 6形成爲非球面形狀。在基本透鏡資料，作爲此等非球面 之曲率半徑，表示光軸附近（近軸附近）的曲率半徑的數値。 從資料中可知，第3透鏡G3係在近軸附近形成爲凹凸形狀。 在第3(B)圖及第4(B)圖之各非球面資料之數値中，記 號“Ε”表示其後之接續數値係以1 〇爲底的“冪指數”，且表示 II將由以1 0爲底的指數函數所表示的數値乘於“Ε”前的數値。 例如，若爲「1.0Ε-02」，則表示「l.〇xl〇_2」。 在各非球面資料中是記載著由以下的式（A)所表示的非 球面形狀的式中的各係數Ai、K之値。更詳細地言之，Z表 示從光軸至位於高度爲h之位置的非球面上的點開始，沿非 球面的頂點的切平面（垂直光軸的平面）朝下所引的垂線長 度（mm)。 Z = C · h2/{l+(卜K · C2 · h2)1/2}+A3 · h3 + A4 . h4 + A5 · h5 + A6 · -14- 1258596 h6 +A7 · h7 +Ag · h8 +A9 . h9 +Αι〇 . h10 ... (A) 其中， Z :非球面深度（m m) h:從光軸至透鏡面的距離（高度）（mm) K :離心率 C :近軸曲率=1/R (R :近軸曲率半徑）

Ai :第i次（U3〜10)非球面係數 各實施例均表示，該第2透鏡G2的兩面S3、S4的非球 Φ 面形狀，僅有效地使用偶數次的係數A4、A6、A8、A1Q，以 作爲非球面係數。該第3透鏡G3的兩面S 5、S 6的非球面形 狀，更有效地使用奇數次的非球面係數A3、A7、A9。 第5圖係針對各實施例綜合地表示有關上述條件式（1) 〜（3)的値。如第5圖所示，各實施例的値形成於各條件式（1) 〜（3 )的數値範圍內。 第6(A)〜（C)圖是顯示實施例1之廣角單焦點透鏡的球 面像差、非點像差及畸變（畸變像差）。雖然各像差圖中表示 II將d線作爲基準波長的像差，但是在球面像差圖及倍率色像 差圖中，亦表示針對g線（波長435.8nm)、C線（波長65 6.3nm) 的像差。在非點像差圖中，實線是表示徑向的像差，虛線是 表示切線方向的像差。ω表示半畫角。同樣，第7(A)〜（C) 圖是顯示實施例2之諸像差。 從以上的各數値資料及各像差圖可知，有關各實施例， 實現：透鏡片數少，達成良好的像差修正，且極爲小型的透 鏡系統。 1258596 又’本發明並不限定於上述實施形態及各實施例，其可 作種種變化。例如，各透鏡成分的曲率半徑、面間隔及折射 率的値等’並不限定於上述各數値實施例所示之値，亦可使 用其他的値。 【圖式簡單說明】 第1圖顯示本發明之一實施形態之廣角單焦點透鏡的構 成例，爲對應實施例1之透鏡剖面圖。 第2圖顯示本發明之一實施形態之廣角單焦點透鏡的其 他構成例，爲對應實施例2之透鏡剖面圖。 ^ 第3圖爲實施例1之廣角單焦點透鏡的透鏡資料的示意 圖。 第4圖爲實施例2之廣角單焦點透鏡的透鏡資料的示意 圖。 第5圖爲顯示各實施例之廣角單焦點透鏡所滿足的條件 式的値的示意圖。 第6圖爲顯示實施例1之廣角單焦點透鏡的球面像差、 非點像差及畸變的像差圖。 φ 第7圖爲顯示實施例2之廣角單焦點透鏡的球面像差、 非點像差及畸變的像差圖。 【元件符號說明】 CG 遮護玻璃

St 光圈

Gj 從物體側開始的第j號透鏡

Ri 從物體側開始的第i號透鏡面的曲率半徑

Di 從物體側開始的第i號面與第i+ 1號透鏡面的面間隔 Z1 光軸 -16-

Claims (1)

1258596 十、申請專利範圍： 1. 一種廣角單焦點透鏡，其特徵爲： 從物體側依序地具備有： 將物體側之面形成爲凸面形狀的具有正折射力的凹凸 形狀的第1透鏡； 光圈； 由塑膠材料所形成，將至少一面形成爲非球面形狀’且 將物體側之面形成爲凹面形狀的具有正折射力的凹凸形 狀的第2透鏡；及 由塑膠材料所形成，將兩面形成爲非球面形狀’且在近 軸附近將像側之面形成爲凹面形狀的具有負折射力的凹 凸形狀的第3透鏡； 且滿足以下條件式， 0.8 < Rl/f < 1.0 (1) -2.0< f3/f < -1.0 (2) 0.70 < tan0 < 0.80 (3) 其中， f :透鏡系統全體的近軸焦點距離’ f3 :第3透鏡的近軸焦點距離， R 1 :第1透鏡的物體側的面的曲率半徑’ Θ:最大像高之半畫角。 2.如申請專利範圍第1項之廣角單焦點透鏡，其中第3透鏡 係在有效半徑範圍內，其物體側之面爲隨著越朝向周邊其 負折射力變成越強的非球面形狀，且，其像側之面爲隨越 朝向周邊其正折射力逐漸變強的非球面形狀。