TWI629501B - 廣角成像鏡片組 - Google Patents

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Abstract

一種廣角成像鏡片組，其從物側至像側沿光軸依序包括第一透鏡、光圈、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡以及第五透鏡。第一透鏡至第五透鏡各自包括朝向物側的物側面及朝向像側的像側面。廣角成像鏡片組滿足1.25 ≦ f/f2 ≦ 2.1以及(R5+R6)/(R5-R6) ＞ 0.25，其中f為廣角成像鏡片組的有效焦距，f2為第二透鏡的焦距，R5為第三透鏡的物側面的曲率半徑，且R6為第三透鏡的像側面的曲率半徑。

Description

廣角成像鏡片組
本發明是有關於一種光學鏡片組，且特別是有關於一種廣角成像鏡片組。
近年來，可攜式電子產品的普及使得影像模組相關技術蓬勃發展。影像模組主要包括光學鏡片組與光感測器等元件。隨著可攜式電子產品的薄型化趨勢，光學鏡片組與光感測器等元件的小型化需求也愈來愈高。然而，為了避免取像效果與品質下降，在縮減系統體積以及長度時仍然要兼顧良好的光學性能。目前具有廣角功能的光學鏡片組具有體積大以及長度長等缺點。因此，如何能在縮短系統體積以及長度的同時，使具有廣角功能的光學鏡片組仍能保有良好的光學性能，便成為此領域研發人員亟欲解決的問題之一。
本發明提供一種廣角成像鏡片組，其在縮短系統體積以及長度的同時，仍能保有良好的光學性能。
本發明的一種廣角成像鏡片組，其從物側至像側沿光軸依序包括第一透鏡、光圈、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡以及第五透鏡。第一透鏡至第五透鏡各自包括朝向物側且使成像光線通過的物側面及朝向像側且使成像光線通過的像側面。廣角成像鏡片組滿足1.25≦f/f2≦2.1以及(R5+R6)/(R5-R6)>0.25，其中f為廣角成像鏡片組的有效焦距，f2為第二透鏡的焦距，R5為第三透鏡的物側面的曲率半徑，且R6為第三透鏡的像側面的曲率半徑。
在本發明的一實施例中，第一透鏡至第五透鏡的屈光力(refractive power)依序為負、正、負、正、負。
在本發明的一實施例中，第一透鏡的像側面為凹面，第二透鏡的物側面為凸面，第二透鏡的像側面為凸面，第三透鏡的像側面為凹面，第四透鏡的像側面為凸面，第五透鏡的物側面為凸面，第五透鏡的像側面為凹面，且第五透鏡的物側面以及像側面皆具有反曲點(inflection point)。
在本發明的一實施例中，廣角成像鏡片組還滿足：0.6≦｜f/f1｜≦1.0，其中f1為第一透鏡的焦距。
在本發明的一實施例中，廣角成像鏡片組還滿足：1.2≦tan(HFOV)≦2.15，其中HFOV為廣角成像鏡片組的半視角。
在本發明的一實施例中，廣角成像鏡片組還滿足：1.6≦TTL/ImgH≦2.5，其中TTL為第一透鏡至一成像面在光軸上的距離，且ImgH為成像高度。
在本發明的一實施例中，廣角成像鏡片組還滿足：0.6≦｜f3/f4｜≦2.0，其中f3為第三透鏡的焦距，且f4為第四透鏡的焦距。
在本發明的一實施例中，廣角成像鏡片組還滿足：｜V1-V2｜<10，其中V1為第一透鏡的色散係數，且V2為第二透鏡的色散係數。
基於上述，本發明的實施例的廣角成像鏡片組的有益效果在於：藉由上述透鏡的物側面或像側面的凹凸形狀設計與排列，使廣角成像鏡片組在縮短系統體積以及長度的同時，仍能保有良好的光學性能，並提供良好的成像品質。
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。
1‧‧‧第一透鏡
2‧‧‧第二透鏡
3‧‧‧第三透鏡
4‧‧‧第四透鏡
5‧‧‧第五透鏡
9‧‧‧濾光片
10‧‧‧廣角成像鏡片組
11、21、31、41、51、91‧‧‧物側面
12、22、32、42、52、92‧‧‧像側面
100‧‧‧成像面
A‧‧‧光圈
I‧‧‧光軸
圖1是依照本發明的第一實施例的一種廣角成像鏡片組的示意圖。
圖2A至圖2C分別是第一實施例的廣角成像鏡片組的縱向球差(longitudinal spherical aberration)圖、像散像差(astigmatism aberration)圖及畸變像差(distortion aberration)圖。
圖3是依照本發明的第二實施例的一種廣角成像鏡片組的示意圖。
圖4A至圖4C分別是第二實施例的廣角成像鏡片組的縱向球差圖、像散像差圖及畸變像差圖。
圖5是依照本發明的第三實施例的一種廣角成像鏡片組的示意圖。
圖6A至圖6C分別是第三實施例的廣角成像鏡片組的縱向球差圖、像散像差圖及畸變像差圖。
圖7是依照本發明的第四實施例的一種廣角成像鏡片組的示意圖。
圖8A至圖8C分別是第四實施例的廣角成像鏡片組的縱向球差圖、像散像差圖及畸變像差圖。
在本說明書中，「透鏡具有正屈光力(或負屈光力)」是指所述透鏡以高斯光學理論計算出來之光軸上的屈光力為正(或為負)。在廣角成像鏡片組中，每一透鏡以光軸為對稱軸徑向地相互對稱。每一透鏡具有物側面及相對於物側面的像側面。物側面及像側面定義為成像光線通過的範圍，其中成像光線包括了主光線(chief ray)及邊緣光線(marginal ray)。物側面(或像側面)具有光軸附近區域以及連接且環繞光軸附近區域的邊緣區域。光軸附近區域為成像光線通過光軸上的區域。邊緣區域為被邊緣光線通過的區域。
「透鏡的一表面(物側面或像側面)為凸面或凹面」是 以所述表面在光軸附近區域的R值(指近軸的曲率半徑)的正負來判斷。以物側面來說，當R值為正時，判定物側面為凸面，亦即物側面在光軸附近區域具有凸面部(convex portion)；當R值為負時，判定物側面為凹面，亦即物側面在光軸附近區域具有凹面部(concave portion)。以像側面來說，當R值為正時，判定像側面為凹面，亦即像側面在光軸附近區域具有凹面部；當R值為負時，判定像側面為凸面，亦即像側面在光軸附近區域具有凸面部。
透鏡的一表面(物側面或像側面)可具有一個以上的凸面部、一個以上的凹面部或上述兩者的組合。當所述表面具有凸面部以及凹面部時，所述表面具有反曲點。反曲點即凸面部與凹面部之間的轉換點。也就是說，所述表面在反曲點由凸轉凹，或由凹轉凸。另一方面，當所述表面僅具有凸面部或僅具有凹面部時，所述表面不具有反曲點。
圖1是依照本發明的第一實施例的一種廣角成像鏡片組的示意圖。請參照圖1，本發明的第一實施例的廣角成像鏡片組10從物側至像側沿光軸I依序包括第一透鏡1、光圈A、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4、第五透鏡5以及濾光片9。物側是朝向待拍攝物的一側，而像側是朝向成像面(image plane)100的一側。由待拍攝物所發出的光線進入廣角成像鏡片組10之後，會依序通過第一透鏡1、光圈A、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4、第五透鏡5以及濾光片9，然後在成像面100形成影像。濾光片9例如為紅外線截止片(IR cut filter)，用於防止光線中的部分 波段的紅外線透射至成像面100而影響成像品質，但不以此為限。
第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4、第五透鏡5各自包括朝向物側且使成像光線通過的物側面11、21、31、41、51及朝向像側且使成像光線通過的像側面12、22、32、42、52。
為了滿足輕量化的需求，第一透鏡1至第五透鏡5可皆由塑膠材質所製成，但不以此為限。
第一透鏡1具有負屈光力。第一透鏡1的物側面11為凸面，且第一透鏡1的像側面12為凹面。第二透鏡2具有正屈光力。第二透鏡2的物側面21為凸面，且第二透鏡2的像側面22為凸面。第三透鏡3具有負屈光力。第三透鏡3的物側面31為凹面，且第三透鏡3的像側面32為凹面。第四透鏡4具有正屈光力。第四透鏡4的物側面41為凹面，且第四透鏡4的像側面42為凸面。第五透鏡5具有負屈光力。第五透鏡5的物側面51為凸面，且第五透鏡5的像側面52為凹面。此外，第五透鏡5的物側面51以及像側面52皆具有反曲點。
第一透鏡1適於提供收光功能，其負屈光力能夠將大角度的成像光線收進光圈A。第二透鏡2適於將通過光圈A的成像光線聚焦成像，且第二透鏡2搭配第三透鏡3以及第四透鏡4適於修正色差。第五透鏡5的反曲點設計適於縮短系統的長度以及修正成像光線入射成像面100的角度。
在第一實施例中，只有上述透鏡具有屈光力，也就是說， 在廣角成像鏡片組10中，具有屈光力的透鏡只有五片。
第一實施例的其他詳細光學數據如表一所示。在表一中，第一透鏡1的物側面11所對應的距離(mm)為0.288代表第一透鏡1的物側面11到像側面12在光軸I上的距離(即為第一透鏡1在光軸I上的厚度)為0.288mm。同理，第一透鏡1的像側面12所對應的距離(mm)為0.425代表第一透鏡1的像側面12到光圈A在光軸I上的距離為0.425mm。同理，光圈A所對應的距離(mm)為0.001代表光圈A到第二透鏡2的物側面21在光軸I上的距離為0.001mm。當光圈A所對應的距離(mm)為負值時，代表第二透鏡2的物側面21比光圈A更靠近物側。距離(mm)的其它欄位可依此類推，下文便不再重述。
在本實施例中，第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4以及第五透鏡5的物側面11、21、31、41、51及像側面12、22、32、42、52共計十個面均是非球面，而這些非球面是依公式(1)定義：
在公式(1)中，Y為非球面曲線上的點與光軸I的距離。Z為非球面之深度。R為透鏡表面近光軸I處的曲率半徑。K為錐面係數(conic constant)。A i 為第i階非球面係數。
第一透鏡1的物側面11到第五透鏡5的像側面52在公式(1)中的各項非球面係數如表二所示。其中，表二中欄位編號11表示其為第一透鏡1的物側面11的非球面係數，其它欄位可依此類推。由於該十個面的第2階非球面係數A2與A16皆為0，故省略示出。
有鑑於光學系統設計的不可預測性，在本發明的架構之下，符合下述條件式的其中至少一者能較佳地使系統的長度縮短、成像品質提升，或製造良率提升而改善先前技術的缺點。
藉由滿足1.25≦f/f2≦2.1可有效改善色差，其中f為廣角成像鏡片組10的有效焦距(Effective Focal Length,EFL)，且f2為第二透鏡2的焦距。當f/f2超出上述條件式的上、下限時，會導致第二透鏡2和第四透鏡4的屈折力差異變大，使得像差集中在其中一個鏡片，因此光學系統的公差會變敏感。此外，當靠近下限時，第四透鏡4的屈折力會變大，造成離軸色差變差。
藉由滿足(R5+R6)/(R5-R6)>0.25，可控制第三透鏡3的形狀，使第三透鏡3朝向像側彎曲。R5為第三透鏡3的物側面31的曲率半徑。R6為第三透鏡3的像側面32的曲率半徑。
藉由滿足0.6≦｜f/f1｜≦1.0可在控制系統長度的同時控制收光角度，其中f1為第一透鏡1的焦距。當｜f/f1｜超出上限時，第一透鏡1的負屈折力大，大角度的成像光線被轉成較小的角度進入光圈A，但系統的長度(TTL)會變長。當｜f/f1｜超出下限時，系統的長度(TTL)可以變短，但第二透鏡2的收 光角度太大會使得光學系統變敏感。
此外，廣角成像鏡片組10滿足1.2≦tan(HFOV)≦2.15，其中HFOV為廣角成像鏡片組10的半視角(Half Field Of View,HFOV)。具體地，廣角成像鏡片組10的視角(即HFOV的兩倍)落在100度至130度的範圍內。相較於現有的廣角成像鏡片組(視角約落在70度至80度的範圍內)，本實施例的廣角成像鏡片組10可具有較大的收光角度。
藉由滿足1.6≦TTL/ImgH≦2.5，可兼顧製造良率以及系統的長度及體積。TTL為第一透鏡1至成像面100在光軸I上的距離(即系統的長度)。ImgH為成像高度。當TTL/ImgH超出上限時，系統的長度(TTL)過長，導致系統的體積過大。當TTL/ImgH超出下限時，系統的長度(TTL)過短，使得光學系統的公差變敏感，而導致製造良率低。
藉由滿足0.6≦｜f3/f4｜≦2.0以及｜V1-V2｜<10的其中至少一者，可有效修正色差，其中f3為第三透鏡3的焦距，f4為第四透鏡4的焦距，V1為第一透鏡的色散係數，且V2為第二透鏡的色散係數。色散係數亦稱作阿貝係數(Abbe number)。
第一實施例的廣角成像鏡片組10中各重要參數間的關係如表三所示。
圖2A至圖2C分別是第一實施例的廣角成像鏡片組的縱向球差圖、像散像差圖及畸變像差圖。在圖2A中，每一種波長所成的曲線皆很靠近並向中間靠近，說明不同高度的離軸光線皆集中在成像點附近。由每一波長的曲線的偏斜幅度可看出，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在±0.02mm範圍內，故本實施例確實明顯改善縱向球差。此外，五種代表波長彼此間的距離相當接近，代表不同波長光線的成像位置已相當集中，因而使色差也獲得明顯改善。圖2B說明第一實施例在成像面100上有關弧矢(sagittal)方向的像散像差及子午(tangential)方向的像散像差。在圖2B中，波長為555nm的光線在整個視場範圍內的焦距變化量落在±0.03mm內，說明第一實施例的廣角成像鏡片組10能有效消除像差。圖2C的圖式說明第一實施例在成像面100上的畸變像差。在圖2C中，波長為555nm的光線的畸變像差維持在±25%的範圍內，說明第一實施例的畸變像差已符合光學系統的成像品質要求。
由上述，第一實施例相較於現有光學鏡頭，在縮短系統體積以及長度的同時，仍能保有良好的光學性能，並提供良好的成像品質。
圖3是依照本發明的第二實施例的一種廣角成像鏡片組 的示意圖。請參照圖3，本發明的廣角成像鏡片組10的一第二實施例，其與第一實施例大致相似。主要差異在於：各光學數據、非球面係數及這些透鏡(第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4以及第五透鏡5)間的參數或多或少有些不同。此外，第四透鏡4的物側面41為凸面。
第二實施例的廣角成像鏡片組10詳細的光學數據如表四所示。第二實施例的第一透鏡1的物側面11到第五透鏡5的像側面52在公式(1)中的各項非球面係數如表五所示。第二實施例的廣角成像鏡片組10中各重要參數間的關係如表六所示。
圖4A至圖4C分別是第二實施例的廣角成像鏡片組的縱向球差圖、像散像差圖及畸變像差圖。在圖4A中，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在±0.02mm範圍內。在圖4B中，波長 為555nm的光線在整個視場範圍內的焦距變化量落在±0.03mm內。在圖4C中，畸變像差維持在±26%的範圍內。據此說明第二實施例相較於現有光學鏡頭，在縮短系統體積以及長度的同時，仍能保有良好的光學性能，並提供良好的成像品質。
圖5是依照本發明的第三實施例的一種廣角成像鏡片組的示意圖。請參照圖5，本發明的廣角成像鏡片組10的一第三實施例，其與第一實施例大致相似。主要差異在於：各光學數據、非球面係數及這些透鏡(第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4以及第五透鏡5)間的參數或多或少有些不同。
第三實施例的廣角成像鏡片組10詳細的光學數據如表七所示。第三實施例的第一透鏡1的物側面11到第五透鏡5的像側面52在公式(1)中的各項非球面係數如表八所示。第三實施例的廣角成像鏡片組10中各重要參數間的關係如表九所示。
圖6A至圖6C分別是第三實施例的廣角成像鏡片組的縱向球差圖、像散像差圖及畸變像差圖。在圖6A中，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在±0.03mm範圍內。在圖6B中，波長 為555nm的光線在整個視場範圍內的焦距變化量落在±0.04mm內。在圖6C中，畸變像差維持在±25%的範圍內。據此說明第三實施例相較於現有光學鏡頭，在縮短系統體積以及長度的同時，仍能保有良好的光學性能，並提供良好的成像品質。
圖7是依照本發明的第四實施例的一種廣角成像鏡片組的示意圖。請參照圖7，本發明的廣角成像鏡片組10的一第四實施例，其與第一實施例大致相似。主要差異在於：各光學數據、非球面係數及這些透鏡(第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4以及第五透鏡5)間的參數或多或少有些不同。
第四實施例的廣角成像鏡片組10詳細的光學數據如表十所示。第四實施例的第一透鏡1的物側面11到第五透鏡5的像側面52在公式(1)中的各項非球面係數如表十一所示。第四實施例的廣角成像鏡片組10中各重要參數間的關係如表十二所示。
圖8A至圖8C分別是第四實施例的廣角成像鏡片組的縱向球差圖、像散像差圖及畸變像差圖。在圖8A中，不同高度的離軸光線的成像點偏差控制在±0.03mm範圍內。在圖8B中，波長 為555nm的光線在整個視場範圍內的焦距變化量落在±0.03mm內。在圖8C中，畸變像差維持在±26%的範圍內。據此說明第四實施例相較於現有光學鏡頭，在縮短系統體積以及長度的同時，仍能保有良好的光學性能，並提供良好的成像品質。
綜上所述，本發明的實施例的廣角成像鏡片組可獲致下述的功效及優點：第一透鏡適於提供收光功能，其負屈光力能夠將大角度的成像光線收進光圈。第二透鏡適於將通過光圈的成像光線聚焦成像，且第二透鏡搭配第三透鏡以及第四透鏡適於修正色差。第五透鏡的反曲點設計適於縮短系統的長度以及修正成像光線入射成像面的角度。當滿足1.25≦f/f2≦2.1時，可有效改善色差。當滿足(R5+R6)/(R5-R6)>0.25時，可控制第三透鏡的形狀，使第三透鏡朝向像側彎曲。當滿足0.6≦｜f/f1｜≦1.0時，可在控制系統長度的同時控制收光角度。相較於現有的廣角成像鏡片組(視角約落在70度至80度的範圍內)，本發明的實施例的廣角成像鏡片組可具有較大的收光角度。當滿足1.6≦TTL/ImgH≦2.5時，可兼顧製造良率以及系統的長度及體積。當滿足0.6≦｜f3/f4｜≦2.0以及｜V1-V2｜<10的其中至少一者時，可有效修正色差。
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。

Claims (7)

  1. 一種廣角成像鏡片組，從物側至像側沿一光軸依序包括一第一透鏡、一光圈、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡以及一第五透鏡，其中該第一透鏡至該第五透鏡各自包括一朝向物側且使成像光線通過的物側面及一朝向像側且使成像光線通過的像側面，該廣角成像鏡片組滿足：1.25≦f/f2≦2.1；(R5+R6)/(R5-R6)>0.25；以及0.6≦｜f/f1｜≦1.0；其中f為該廣角成像鏡片組的有效焦距，f1為該第一透鏡的焦距，f2為該第二透鏡的焦距，R5為該第三透鏡的該物側面的曲率半徑，且R6為該第三透鏡的該像側面的曲率半徑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的廣角成像鏡片組，其中該第一透鏡至該第五透鏡的屈光力依序為負、正、負、正、負。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的廣角成像鏡片組，其中該第一透鏡的該像側面為凹面，該第二透鏡的該物側面為凸面，該第二透鏡的該像側面為凸面，該第三透鏡的該像側面為凹面，該第四透鏡的該像側面為凸面，該第五透鏡的該物側面為凸面，該第五透鏡的該像側面為凹面，且該第五透鏡的該物側面以及該像側面皆具有反曲點。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的廣角成像鏡片組，還滿足：1.2≦tan(HFOV)≦2.15；其中HFOV為該廣角成像鏡片組的半視角。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的廣角成像鏡片組，還滿足：1.6≦TTL/ImgH≦2.5；其中TTL為該第一透鏡至一成像面在該光軸上的距離，且ImgH為成像高度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的廣角成像鏡片組，還滿足：0.6≦｜f3/f4｜≦2.0；其中f3為該第三透鏡的焦距，且f4為該第四透鏡的焦距。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的廣角成像鏡片組，還滿足：｜V1-V2｜<10；其中V1為該第一透鏡的色散係數，且V2為該第二透鏡的色散係數。
TW106114165A 2017-04-28 2017-04-28 廣角成像鏡片組 TWI629501B (zh)

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