TWI487968B

TWI487968B - 成像鏡頭

Info

Publication number: TWI487968B
Application number: TW099146197A
Authority: TW
Inventors: Chun Cheng Ko
Original assignee: Hon Hai Prec Ind Co Ltd
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2015-06-11
Also published as: US8456760B2; US20120162785A1; TW201227039A

Description

成像鏡頭

本發明涉及成像技術，尤其涉及一種成像鏡頭。

隨著互補金屬氧化物半導體(CMOS)生產製程的提升，CMOS中單個畫素的尺寸(Pixel Size)可以製作得越來越小，例如，對於兩百萬畫素(2M Pixels)的CMOS，其畫素先由原先的2.25μm減小到1.75μm，再進一步減小到目前普遍使用的1.4μm，相應地，CMOS的尺寸，也由原先的1/4〃(2.25μm)減小到1/5〃(1.75μm)，再進一步減小到目前普遍使用的1/6〃(1.4μm)。由於製程的提升，切割同樣尺寸大小的單個晶圓(Wafer)可獲得更多數目的晶粒(Die)，因此廠商可以有效降低CMOS的價格，增加產品競爭力。

在CMOS尺寸逐漸縮小的情形下，對鏡頭的設計也相應提出了更高的要求，以使得鏡頭可以與具有較小尺寸的CMOS相匹配，從而獲得較佳的成像品質。為了獲得較佳的成像品質，所述鏡頭需要滿足：(1)高解析度；(2)低色差；(3)長背凸(flange back,FB)，其中，長背凸係使所設計鏡頭的最後一鏡片可以遠離CMOS，以避免該鏡片刮傷(scratches)並沾上灰塵(particles)，從而導致鏡頭的成像品質降低。

有鑒於此，有必要提供一種具有高解析度、低色差和長背凸的成像鏡頭。

下面將以具體實施例說明一種具有高解析度、低色差和長背凸成像鏡頭。

一種成像鏡頭，其從物側至像側依次包括一具有正光焦度的第一透鏡、一具有正光焦度的第二透鏡、以及一具有負光焦度的第三透鏡，該第一透鏡包括一面向物體一側的第一表面及一面向成像面一側的第二表面，該第二透鏡包括一面向物體一側的第三表面及一面向成像面一側的第四表面，該第三透鏡包括一面向物體一側的第五表面及一面向成像面一側的第六表面，其中，該成像鏡頭滿足關係式：FB/TTL>0.30；G1R2/F1>19.54 D1/D2<1.62；其中，FB上第六表面與成像面沿光軸方向上的最短距離，TTL為成像鏡頭的全長，G1R2為第二表面的曲率半徑，F1為第一透鏡的焦距，D1為第四表面有效徑端點與第四表面中心之間沿垂直鏡頭光軸的方向上的距離，D2為第四表面有效徑端點與第四表面中心之間在平行於成像鏡頭光軸方向上的距離。

相對於習知技術，本發明所提供的成像鏡頭中，關係式FB/TTL>0.30的限制使得第三透鏡具有長背凸，關係式G1R2/F1>19.54的限制可使第一透鏡具有較小的光焦度，並可相應地減少第一透鏡的偏心敏感度，關係式D1/D2<1.62的限制可使成像鏡頭具有較佳的像差補正效果，使得成像鏡頭維持低色差及較高的解析度，從而保證成像鏡頭具有較佳的成像品質。

100‧‧‧成像鏡頭

G1‧‧‧第一透鏡

G2‧‧‧第二透鏡

G3‧‧‧第三透鏡

11‧‧‧第一表面

12‧‧‧第二表面

13‧‧‧第三表面

14‧‧‧第四表面

15‧‧‧第五表面

16‧‧‧第六表面

20‧‧‧光闌

98‧‧‧濾光片

99‧‧‧成像面

圖1係本發明提供的成像鏡頭的結構示意圖。

圖2係本發明第一實施例提供的成像鏡頭的球面像差特性曲線圖。

圖3係本發明第一實施例提供的成像鏡頭的場曲特性曲線圖。

圖4係本發明第一實施例提供的成像鏡頭的畸變特性曲線圖。

圖5係本發明第一實施例提供的成像鏡頭的色差特性曲線圖。

圖6係本發明第一實施例提供的成像鏡頭的調製傳遞函數(modulation transfer function,MTF)特性曲線圖。

圖7係本發明第二實施例提供的成像鏡頭的球面像差特性曲線圖。

圖8係本發明第二實施例提供的成像鏡頭的場曲特性曲線圖。

圖9係本發明第二實施例提供的成像鏡頭的畸變特性曲線圖。

圖10係本發明第二實施例提供的成像鏡頭的色差特性曲線圖。

圖11係本發明第二實施例提供的成像鏡頭的調製傳遞函數(modulation transfer function,MTF)特性曲線圖。

下面將結合附圖，以對本發明作進一步詳細說明。

請參閱圖1，本發明提供的一種成像鏡頭100，其從物側至像側依次包括：一具有正光焦度的第一透鏡G1、一具有正光焦度的一第二透鏡G2、以及一具有負光焦度的第三透鏡G3。具體地，該第一透鏡G1包括一面向物體一側的第一表面11、以及一面向成像面一側的第二表面12。該第二透鏡G2包括一面向物體一側的第三表面13、以及一面向成像面一側的第四表面14。該第三透鏡G3包括一面向物體一側的第五表面15、以及一面向成像面一側的第六表面16。

本實施例中，該成像鏡頭100還包括一設置於該第二透鏡G2遠離該第一透鏡G1一側的光闌(Aperture stop)20，其用於控制通過第一透鏡G1的光通量。

該第一、第二、第三透鏡G1、G2、G3的位置固定不變，成像時，光線自物側入射至光闌20，並依次經第一透鏡G1、第二透鏡G2、以及第三透鏡G3後彙聚(成像)於成像面99。可以理解的係，可通過設置影像感測器，如電荷耦合元件(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)的感測面(圖未示)於成像面99處以組成一成像系統。

所述成像鏡頭100滿足以下關係式：(1)FB/TTL>0.30；(2)G1R2/F1>19.54；(3)D1/D2<1.62；其中，FB(flange back，背凸)為第六表面16與成像面99沿光軸M所在方向上的最短距離(詳見圖1)，TTL(Total track length)為成像鏡頭100的全長，G1R2為第二表面12的曲率半徑，F1為第一透鏡G1的焦距。另外，如圖1所示，D1為第四表面14有效徑端點與第四表面14中心之間沿垂直鏡頭光軸M的方向上的距離(詳見圖1)，D2為第四表面14有效徑端點與第四表面14中心之間在平行於成像鏡頭100光軸M方向上的距離，需要指明，此處所指“有效徑端點”，為第四表面14相對光軸M距離最遠處的端點。

本發明所提供的成像鏡頭100關係式中，關係式(1)的限制使得第三透鏡G3具有長背凸，關係式(2)的限制可使第一透鏡G1具有較小的光焦度(power)，並可相應地減少第一透鏡G1的偏心敏感度，關係式(3)的限制可使成像鏡頭100具有較佳的像差補正效果，使得成像鏡頭100維持低色差及較高的解析度，從而保證成像鏡頭100具有較佳的成像品質。

所述第一、第二、第三透鏡G1、G2、G3的材料可分別選自塑膠、聚合物、以及玻璃中任意一者。優選地，為節約成本，本發明的第一、第二、第三透鏡G1、G2、G3均採用塑膠製成。

在該第三透鏡G3與該成像面99之間可設置一濾光片98，該濾光片98用於選擇性地對部分光進行過濾，從而優化成像效果。例如，所述濾光片98可為一紅外截止濾光片(IR-Cut Filter)，以將人眼無法檢測的紅外光濾除。

所述成像鏡頭100可運用在可擕式電子裝置，例如手機中。

為了進一步保證上述限制條件下成像鏡頭100所具有的成像品質，所述成像鏡頭100可進一步滿足以下關係式：(4)-0.34>G1R2/F2>G2R1/F2>-0.68；(5)-0.42>G3R2/F3>G3R1/F3>-1.92；其中，G2R1為第三表面13的曲率半徑，G2R2為第四表面14的曲率半徑，G3R1為第五表面15的曲率半徑，G3R2為第六表面16的曲率半徑，F2為第二透鏡G2的焦距，F3為第三透鏡G3的焦距。關係式(4)的限制可確保成像鏡頭100的光焦度分配合理，使得成像鏡頭100具有良好的像差補正效果。關係式(5)的限制可確保第三透鏡G3的周邊凹陷量(sag)較小，且該第三透鏡G3的第六表面16的中心到成像面99的距離(背凸)較長。另外，在滿足以下關係式：(6)Vd2>53、Vd3<33；的條件下，本發明所述的成像鏡頭100還可有效消除色差，其中，Vd2為第二透鏡G2的阿貝數，Vd3為第三透鏡G3的阿貝數。

以透鏡表面中心為原點，光軸為x軸，透鏡表面的非球面面型運算式為：

其中，c為鏡面表面中心的曲率，為從光軸到透鏡表面的高度，k係二次曲面係數，A _i為第i階的非球面面型係數。

通過將表1、表2、表3(請參閱下文)的資料代入上述運算式，可獲得本發明第一實施例的成像鏡頭100中各透鏡表面的非球面形狀，另外，通過將表4、表5、表6(請參閱下文)的資料代入上述運算式，可獲知本發明第二實施例的成像鏡頭100中各透鏡表面的非球面形狀。

下列各表中分別列有由物端到像端依序排列的光學表面，其中，約定F/No為成像鏡頭100的光圈數，2ω為成像鏡頭100的視場角，R為各透鏡的光學表面的曲率半徑，D為對應的光學表面到後一光學表面的軸上距離(兩個光學表面截得光軸的長度)，Nd為對應透鏡組對d光(波長為587納米)的折射率，Vd為d光在對應透鏡組的阿貝數(Abbe number)，k為二次曲面係數。以下第一和第二實施例的成像鏡頭100的第一透鏡G1和第二透鏡G2的光學參數滿足上述關係式(1)~(6)。

第一實施例

本發明第一實施例所提供的成像鏡頭100的各光學元件滿足表1及表2的條件。

表1

本實施例所提供的成像鏡頭100的球差、場曲、畸變、色差、以及MTF分別如圖2到圖6所示。具體地，圖2所示出的六條曲線分別為針對F線(波長為486.1納米(nm))，d線(波長為587.6nm)，C線(波長為656.3nm)，e線(波長為546.1nm)，g線(波長為435.8nm)，h線(波長為404.7nm)而觀察到的像差值曲線。由該三條曲線可看出第一實施例的成像鏡頭100對可見光(波長範圍在400nm-700nm之間)產生的像差值控制在-0.05mm~0.05mm範圍內。如圖3所示，曲線T及S分別為子午場曲(tangential field curvature)特性曲線及弧矢場曲(sagittal field curvature)特性曲線。由圖3可看出該成像鏡頭100的子午場曲值和弧矢場曲值被控制在-0.10mm~0.10mm範圍內。進一步地，圖4示出的曲線為成像鏡頭100的畸變特性曲線，由圖4可知，該成像鏡頭100的光學畸變量被控制在-2.00%~2.00%的範圍內。另外，圖5所示出的六條曲線分別為針對F線(波長為486.1納米(nm))，d線(波長為587.6nm)，C線(波長為656.3nm)，e線(波長為546.1nm)，g線(波長為435.8nm)，h線(波長為404.7nm)而觀察到的色差值曲線。由該六條曲線可看出第一實施例的成像鏡頭100對可見光(波長範圍在400nm-700nm之間)產生的像差值控制在-5.00μm~5.00μm範圍內。本實施例中，該六條曲線中對應於h線的色差具有最大範圍值，具體為在-2.8μm~2.8μm之間。進一步地，如圖6所示，在1/2頻(Nyquist frequency)條件下(本實施例的1/2頻(半頻)為180lp/mm)，中心視場的MTF>50%(如曲線mc所示)，0.8視場的MTF>30%(如曲線mp所示)，其餘介於中心視場和0.8視場之間視場的MTF，則介於30%~50%之間(如曲線mt所示)。綜上所述，本發明第一實施例所提供的成像鏡頭100可具有高成像品質(2ω>61.69°)。

第二實施例

本發明第二實施例所提供的成像鏡頭100的各光學元件滿足表4、表5、以及表6的條件。

表4

表5

本實施例所提供的成像鏡頭100的球差、場曲、畸變、色差、以及MTF分別如圖7到圖11所示。具體地，圖7所示出的六條曲線分別為針對F線(波長為486.1納米(nm))，d線(波長為587.6nm)，C線(波長為656.3nm)，e線(波長為546.1nm)，g線(波長為435.8nm)，h線(波長為404.7nm)而觀察到的像差值曲線。由該三條曲線可看出第一實施例的成像鏡頭100對可見光(波長範圍在400nm-700nm之間)產生的像差值控制在-0.05mm~0.05mm範圍內。如圖8所示，曲線T及S分別為子午場曲(tangential field curvature)特性曲線及弧矢場曲(sagittal field curvature)特性曲線。由圖3可看出該成像鏡頭100的子午場曲值和弧矢場曲值被控制在-0.10mm~0.10mm範圍內。進一步地，圖9示出的曲線為成像鏡頭100的畸變特性曲線，由圖9可知，該成像鏡頭100的光學畸變量被控制在-2.00%~0%的範圍內。另外，圖10所示出的六條曲線分別為針對F線(波長為486.1納米(nm))，d線(波長為587.6nm)，C線(波長為656.3nm)，e線(波長為546.1nm)，g線(波長為435.8nm)，h線(波長為404.7nm)而觀察到的色差值曲線。由該六條曲線可看出第二實施例的成像鏡頭100對可見光(波長範圍在400nm-700nm之間)產生的像差值控制在-5.00μm~5.00μm範圍內。本實施例中，該六條曲線中對應於h線的色差具有最大範圍值，具體為在-2.8μm~2.8μm之間。進一步地，如圖11所示，在1/2頻(Nyquist frequency)條件下(本實施例的1/2頻(半頻)為180lp/mm)，中心視場的MTF>50%(如曲線mc所示)，0.8視場的MTF>30%(如曲線mp所示)，其餘介於中心視場和0.8視場之間視場的MTF，則介於30%~50%之間(如曲線mt所示)。綜上所述，本發明第二實施例所提供的成像鏡頭100可具有高成像品質(2ω>61.67°)。

綜上所述，本發明確已符合發明專利的要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明的較佳實施方式，自不能以此限制本案的申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝的人士援依本發明的精神所作的等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。