TWI598620B

TWI598620B - Optical lens

Info

Publication number: TWI598620B
Application number: TW101151173A
Authority: TW
Inventors: Si-Han Chen
Original assignee: Genius Electronic Optical Co Ltd
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2017-09-11
Also published as: US8711493B2; TW201329500A; CN103076667B; US20140092293A1; US20140177078A1; US8908296B2; CN103076667A

Description

光學鏡頭

本發明是有關於一種光學鏡頭及應用該鏡頭的成像系統，特別是指一種具有四個透鏡單元的光學鏡頭及應用該鏡頭的成像系統。

近年來，許多電子產品都配備了光學鏡頭及感測器，以提供照相及錄影的功能。為了增進可攜帶性及影像品質且同時減少電子產品的尺寸及重量，目前已有不同的透鏡組合搭配具有感光耦合元件(CCD)或是互補性金屬氧化物半導體元件(CMOS)的感測器使用。對於小型化且能提供高品質的光學鏡頭及成像系統之需求便因而產生。光學鏡頭要達成小型化，是由系統中每一透鏡單元的光學有效徑(clear aperture diameters或是clear aperture)決定。在以下的說明中，將簡稱為透鏡單元的直徑(diameter)。

在美國專利U.S.7453654中，揭露了一種包含四個透鏡單元的光學鏡頭，每一透鏡單元皆有不同形狀，藉由特殊的組合以達成預定的光學特性。然而，為了達成某項光學特性，某些其他光學上的品質就被犧牲了。因此，市場上仍然在尋找具有更好光學性能的光學鏡頭。

因此，本發明之目的，即在提供具有良好光學特性的光學鏡頭及其成像系統。

於是，本發明之光學鏡頭，包含依序從物側至像側排列的一第一透鏡單元、一第二透鏡單元、一第三透鏡單元，及一第四透鏡單元。每一透鏡單元具有一面向物側的物側面，及一面向像側的像側面，且該第一透鏡單元的阿貝數(abbe number)大於該第二透鏡單元的阿貝數且相對的差大於30，即vd1-vd2>30，vd1為該第一透鏡單元的阿貝數，vd2為該第二透鏡單元的阿貝數。該第一透鏡單元的平均直徑相對於該第二透鏡單元的平均直徑比值介於0.5到0.9之間，即0.5<d1avg/d2avg<0.9，d1avg為該第一透鏡單元的平均直徑，d2avg為該第二透鏡單元的平均直徑。該第三透鏡單元的平均直徑相對於該第四透鏡單元的平均直徑比值介於0.4到0.7之間，即0.4<d3avg/d4avg<0.7，d3avg為該第三透鏡單元的平均直徑，d4avg為該第四透鏡單元的平均直徑。其中，定義平均直徑是其中一透鏡單元的物側面及像側面的光學有效徑的平均值。

本發明另一種光學鏡頭，包含依序從物側至像側排列的一光圈、一第一透鏡單元、一第二透鏡單元、一第三透鏡單元，及一第四透鏡單元。其中，該光圈具有一供來自物側的光通過的圓形開孔，每一透鏡單元具有一面向物側的物側面，及一面向像側的像側面，該物側面的光學有效徑為物側直徑，該像側面的光學有效徑為像側直徑，任一透鏡單元的物側直徑小於或等於像側直徑。其中，該光圈的圓形開孔的直徑小於該第一透鏡單元的物側直徑，且該第一透鏡的阿貝數大於該第二透鏡的阿貝數且相對的差大於30，該等透鏡單元的物側面及像側面都可以覆蓋一抗反射膜。

本發明另一種光學鏡頭，包含依序從物側至像側並沿一光軸排列的一第一透鏡單元、一第二透鏡單元、一第三透鏡單元、一第四透鏡單元，及一濾光鏡設置在一感測器和該第四透鏡單元之間。其中，每一透鏡單元具有一面向物側的物側面，及一面向像側的像側面。該第一透鏡單元沿該光軸的厚度為0.42mm，該第二透鏡單元沿該光軸的厚度為0.26mm，該第三透鏡單元沿該光軸的厚度為0.435mm，該第四透鏡單元沿該光軸的厚度為0.3mm，該濾光鏡沿該光軸的厚度為0.3mm，該第一、第二透鏡單元在光軸上的氣隙為0.07mm，該第二、第三透鏡單元在光軸上的氣隙為0.34mm，該第三、第四透鏡單元在光軸上的氣隙為0.06mm，該第四透鏡單元和該濾光鏡在光軸上的氣隙為0.4mm。

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的詳細說明中，將可清楚的呈現。

透鏡單元在此處的定義為透光材質製成的單體，可折射光線且具有分別設置於該單體兩側兩折射面(即物側面及像側面)。直徑的定義是指光學有效徑(clear aperture diameter)，而總光程長度(total track length)代表從第一個透鏡單元的物側面(面向物側的折射面)直到成像平面的距離在光軸上的距離。垂度(sag)定義為透鏡單元表面之任一點與一垂直於光軸的平面之間的最短距離，垂度可以在距光軸不同徑向高度的點測量。參閱圖1，例如以透鏡單元的光學有效徑上離光軸最遠處至光軸的徑向距離為100%，垂度sag(25)表示距離光軸25%長度的點的垂度，垂度sag(50)表示距離光軸50%長度的點的垂度，垂度sag(75)表示距離光軸75%長度的點的垂度，以此類推，垂度(N)表示距離光軸N%長度的表面的垂度，N為0至100間的任一數值。圖1中列舉兩個各具有不同垂度的透鏡單元。

參閱圖2，一光學鏡頭包含依序從一物側至一像側排列的一保護鏡2、一第一透鏡單元3、一第二透鏡單元4、一第三透鏡單元5及一第四透鏡單元6及一濾光鏡7。保護鏡2及該等透鏡單元3、4、5、6分別包括一面向物側的物側面31、物側面41、物側面51、物側面61，及一面向像側的像側面32、像側面42、像側面52、像側面62。在其它實施態樣中，可再包含一光圈置該保護鏡2的物側面21之前。來自物側的光將依序穿過光圈1、保護鏡2、該等透鏡單元3~6、濾光鏡7，並在一成像平面8上成像，該成像平面8可設置一影像感測器，用以接收穿過該濾光鏡7的光線。

光圈1是由不透光材料製成，且具有一圓形開孔11，供來自物側的光線通過。該圓形開孔11的直徑小於該第一透鏡單元物側面31的物側直徑，於本較佳實施例中，該圓形開孔11的直徑為0.91mm，該第一透鏡單元物側面31的物側直徑為1.01mm。該光圈1也可設置於該保護鏡2及第一透鏡單元3之間。

每一透鏡單元是由透光材質例如玻璃或塑膠材料製成，其可用於聚光或散光，光的折射程度是由兩表面(即物側面與像側面)的形狀及材料折射率而定。透鏡單元的表面形狀可用一組垂度的數值來定義，該組垂度值可以表格形式儲存於電腦的資料庫中，以用來製作透鏡。

該濾光鏡7包括一面向物側的物側面71，及一面向像側的像側面72。該濾光鏡7為一紅外線濾光鏡，用於濾除波長0.8μm以上的光。該等透鏡單元3、4、5、6的折射率皆在1.5以上，且該等物側面31、41、51、61及像側面32、42、52、62皆分別覆蓋一抗反射層(anti-reflective coating)。

該等透鏡單元3、4、5、6之間的距離、每一透鏡單元直徑對厚度的比值、透鏡單元間的氣隙對總光程長度的比值是達成優良光學品質的關鍵。氣隙是用於讓入射光線適當聚焦。參閱圖4，該光學鏡頭還包含多數分別設置於該等透鏡單元3、4、5、6、濾光鏡7及該成像平面8之間的氣隙s1、氣隙s2、氣隙s3、氣隙s4及氣隙s5。s1是該第一、第二透鏡單元的間的氣隙，s2是該第二、第三透鏡單元的間的氣隙，s3是該第三、第四透鏡單元的間的氣隙，s4是該第四透鏡單元與該濾光鏡7的氣隙，s5是該濾光鏡7與該成像平面8的氣隙。如果該濾光鏡7與該成像平面8的氣隙s5的長度大於0.4mm，由於主光線角度(chief ray angle,CRA)是給定的，可能會使影像感測器因為光線遺漏而產生不精準的影像。在部份實施態樣中，主光線角度小於28度。

沿著光軸，從第一透鏡單元3的物側面31到像側面32的長度稱為第一透鏡單元3的厚度t1，從第二透鏡單元4的物側面41到像側面42的長度稱為第二透鏡單元4的厚度t2，從第三透鏡單元5的物側面51到像側面52的長度稱為第三透鏡單元5的厚度t3，從第四透鏡單元6的物側面61到像側面62的長度稱為第四透鏡單元6的厚度t4，每一透鏡單元皆包括一環繞著其周圍且向遠離光軸方向延伸的凸緣(flange)，用於與鏡筒(圖未示)相接。第一透鏡單元3的物側面31具有一物側直極d1，第一透鏡單元3的像側面32具有一像側直徑d2。該等直徑用於劃分透鏡單元3表面能夠影響光學品質的區域，因此通常不涵蓋凸緣。同樣地，第二透鏡單元4的物側面41具有一物側直徑d3，第二透鏡單元4的像側面42具有一像側直徑d4。第三透鏡單元5的物側面51具有一物側直徑d5，第三透鏡單元5的像側面52具有一像側直徑d6。第四透鏡單元6的物側面61具有一物側直徑d7，第四透鏡單元6的像側面62具有一像側直徑d8。

圖3為本較佳實施例的參數，該濾光鏡7的厚度為0.3mm，且距離該成像平面8的距離為0.3到0.4mm之間。該等透鏡單元的厚度製造公差在±0.2到±0.6μm以下，依據透鏡屈光率不同而有不同的公差，該等透鏡單元的傾斜度在±0.1度以下。

參閱圖4，該等透鏡單元3~6環繞著該光軸對稱，光學鏡頭的光學特性由每個透鏡單元的物側面及像側面的形狀決定，而該等物側面及像側面的形狀可由距離該光軸不同高度的垂度來定義。

圖5至圖15分別列出該等透鏡單元3~6的垂度，單位為mm。其中，規一化(Normalized)透鏡高度代表距離光軸的規一化距離，即透鏡表面上的點到光軸的徑向距離，0%代表位於光軸上，100%代表位於透鏡單元的光學有效徑離光軸最遠處，50%則位於中間位置。因為透鏡單元3~6環繞著該光軸對稱，因此以不同規一化透鏡高度的垂度即可表示透鏡單元表面的形狀。利用圖5至圖15即足夠以一般數值控制的機台製造該等透鏡單元3~6。所製造的垂度公差為±0.2到±0.6μm以下，依據透鏡屈光率不同而有不同的公差。值得注意的是，製造時還使用了一斜率函數以保證表面的斜度變化不會形成階梯狀。相鄰兩位置的垂度公差可為正值或負值以避免造成階梯狀。

圖5及圖6為該第一透鏡單元3的資料，最小垂度及最大垂度代表該第一透鏡單元3物側面31及像側面32最小及最大的垂度，製造時需保持在此區間內，sag3表示該第一透鏡單元3物側面31的垂度，sag4表示該第一透鏡單元3像側面32的垂度(單位mm)。

該第一透鏡單元3物側面31在50%位置的平均垂度是20μm，在100%位置的平均垂度是65μm。這兩個位置的垂度比值符合下列情況：0.2<sag3(50)/sag3(100)<0.6或較佳地0.25<sag3(50)/sag3(100)<0.5。

圖7及圖8為該第二透鏡單元4的資料，最小垂度及最大垂度代表該第二透鏡單元4物側面41及像側面42最小及最大的垂度，製造時需保持在此區間內。sag5表示該第二透鏡單元4物側面41的垂度，sag6表示該第二透鏡單元4像側面42的垂度(單位mm)。

圖9至圖11為該第三透鏡單元5的資料，最小垂度及最大垂度代表該第三透鏡單元5物側面51及像側面52最小及最大的垂度，製造時需保持在此區間內。sag7表示該第三透鏡單元5物側面51的垂度，sag8表示該第三透鏡單元5像側面52的垂度(單位mm)。

圖12至圖15為該第四透鏡單元6的資料，最小垂度及最大垂度代表該第四透鏡單元6物側面61及像側面62最小及最大的垂度，製造時需保持在此區間內。sag9表示該第四透鏡單元6物側面61的垂度，sag10表示該第四透鏡單元6像側面62的垂度(單位mm)。

該第三透鏡單元5像側面52在75%位置的垂度及在25%位置的垂度其比值符合下列情況：5.0<sag8(75)/sag8(25)<7.0或較佳地5.5<sag8(75)/sag8(25)<6.5。

在本較佳實施例中，該第三透鏡單元5像側面52在25%位置的垂度絕對值為38μm，在75%位置的垂度絕對值為245μm。若sag8(75)/sag8(25)超過上限7.0，該第三透鏡單元5及光學鏡頭的屈光率會增加。若sag8(75)/sag8(25)低於下限5.0，光學鏡頭的小型化會受影響。

除此之外，參閱圖16，該第四透鏡單元6物側面61在100%位置的垂度sag9(100)需大於167μm。該第四透鏡單元6像側面62在某一點會達到垂度絕對值的極大值，於本較佳實施例中，該極大值產生在75%的位置，即sag10(75)，其絕對值為235μm，實際上該絕對值極大值需大於235μm。如果未大於235μm，光學鏡頭可能有像散及像差產生。上述三段的條件使光學鏡頭可架設於一目標總光程長度內，該目標總光程長度可是一較小的總光程長度。

該等透鏡單元3、4、5、6可由塑膠或玻璃製造且阿貝數分別為56、23、56、56。實際上應滿足下列條件：該第一透鏡單元3的阿貝數大於該第二透鏡單元4的阿貝數且相對於的差大於30，該第一透鏡單元3的平均直徑相對於該第二透鏡單元4的平均直徑比值介於0.5到0.9之間，該第三透鏡單元5的平均直徑相對於該第四透鏡單元6的平均直徑比值介於0.4到0.7之間。

為了配合百萬畫素的影像感測器，較佳地，該第三透鏡單元5的平均直徑相對於該第四透鏡單元6的平均直徑比值介於0.45到0.65之間，或是更佳地0.50到0.60之間。

介於該等透鏡單元3~6及濾光鏡7之間的氣隙可以減少像差。於本較佳實施例中，從該第一透鏡單元3及該濾光鏡7之間的氣隙s1~s4長度總和相對於總光程長度(TTL)的比值小於0.4，即[(s1+s2+s3+s4)/TTL]<0.4，如此可使該透鏡系統將無限遠的光線聚焦於成像面上。如要使系統更為小型化，該比值可小於0.35或更佳地0.3。

從該第一透鏡單元3的物側面31至該第四透鏡單元6的像側面62之間的氣隙s1~s3長度總和約為0.5mm。該等透鏡單元3~6之間的氣隙s1~s3長度總和相對於總光程長度的比值小於0.25，即[(s1+s2+s3)/TTL]<0.25，或更佳地小於0.2。

各個透鏡單元的相對位置接對光學品質產生影響。較佳地，各個氣隙依下列條件設置：0<s1/s2<0.4

0<s3/s4<0.2

更進一步，各透鏡單元3~6的直徑和其厚度有如下關係：2<d1avg/t1<3

4<d2avg/t2<6

3<d3avg/t3<4

8<d4avg/t4<10

其中d1avg、d2avg、d3avg、d4avg分別為該第一、第二、第三、第四透鏡單元的平均直徑。(平均直徑為物側直徑及像側直徑的平均值)

圖17為一顯示光學鏡頭畸變(TV distortion)的示意圖，畸變使得理想上矩形的影像500變形，產生一內縮影像502或一外擴影像504。畸變程度可由下式描述：TV distortion=△h/h

其中h為影像500的長度，△h為該內縮影像502或外擴影像504相對於影像500的長度變化量。在部份的實施態樣中，上述的光學鏡頭實現的成像系統會具有達到良好的光學特性，即達到特定像差及像散目標的性能，該成像系統所產生的影像置於電視螢幕觀賞時其畸變程度小於1%。

圖18為一示意圖，說明影像感測器602(例如CMOS)、感測影像範圍600及最大影像範圍604。感測影像範圍600定義為一圍繞著影像感測器602的圓形範圍。換句話說，感測影像範圍600的直徑為影像感測器602的對角線603。最大影像範圍604定義為成像系統產生之影像範圍。在部份的實施態樣中，感測影像範圍600相對於最大影像範圍604的比值大於0.9。例如影像感測器602的對角線長為3.22mm，代表感測影像範圍600的直徑為3.22mm，而最大影像範圍604的直徑為3.44mm。該透鏡系統的主光線角度小於28度，而對角線最高處的影像與中心影像的相對照度要大於40%。本較佳實施例為一小型化的光學鏡頭，其感測影像範圍600的直徑相對於總光程長度的比值大於或等於1.0。例如總光程長度可為3.10mm。

該影像感測器表面的照度依照光學鏡頭的表現而定。一般而言，即使接收一平面光，光學鏡頭也很難使光線均勻照射到影像感測器上。以一定角度入射光學鏡頭的光只有部份可以穿透，只有平行於光軸才可能完全穿透。因此，該影像感測器可能在中心接收的光比周圍多，可用相對照度衡量該光學鏡頭的特性。如果影像感測器表面上的最大照度(例如中心點)為100%，相對照度隨著遠離中心點而減小。於本較佳實施例中，在影像感測器周圍處可提供40%以上的相對照度。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧光圈

11‧‧‧圓形開孔

2‧‧‧保護鏡

3‧‧‧第一透鏡單元

31‧‧‧物側面

32‧‧‧像側面

4‧‧‧第二透鏡單元

41‧‧‧物側面

42‧‧‧像側面

5‧‧‧第三透鏡單元

502‧‧‧內縮影像

504‧‧‧外擴影像

51‧‧‧物側面

52‧‧‧像側面

6‧‧‧第四透鏡單元

600‧‧‧感測影像範圍

602‧‧‧影像感測器

604‧‧‧最大影像範圍

61‧‧‧物側面

62‧‧‧像側面

7‧‧‧濾光鏡

8‧‧‧成像平面

s1~s5‧‧‧氣隙

t1~t4‧‧‧厚度

d1、3、5、7‧‧‧物側直徑

d2、4、6、8‧‧‧像側直徑

h‧‧‧長度

△h‧‧‧長度變化量

圖1是一示意圖，說明本發明光學鏡頭所使用的名詞；圖2是一示意圖，說明光學鏡頭架構圖；圖3為多個透鏡單元的參數表；圖4是一示意圖，說明多個直徑、厚度及氣隙的定義；圖5為一第一透鏡單元的垂度資料表；圖6為該第一透鏡單元的垂度資料表；圖7為一第二透鏡單元的垂度資料表；圖8為該第二透鏡單元的垂度資料表；圖9為一第三透鏡單元的垂度資料表；圖10為該第三透鏡單元的垂度資料表；圖11為該第三透鏡單元的垂度資料表；圖12為一第四透鏡單元的垂度資料表；圖13為該第四透鏡單元的垂度資料表；圖14為該第四透鏡單元的垂度資料表；圖15為該第四透鏡單元的垂度資料表；圖16是該第四透鏡單元的剖面示意圖；圖17一示意圖，說明畸變的定義；及圖18是一示意圖，說明影像感測器、感測影像範圍及最大影像範圍的定義。