TWI688788B - 取像鏡頭及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種取像鏡頭，包含沿第一側至第二側依序設置具負屈光度玻璃的第 一透鏡、具正屈光度玻璃的第二透鏡、具正屈光度玻璃的第三透鏡和具屈光度玻璃的第四透鏡，以及設於第一透鏡與第三透鏡之間的光圈。取像鏡頭包含具屈光度的透鏡數為小於5，第二透鏡或第三透鏡為非球面玻璃透鏡。取像鏡頭滿足視場角(FOV)大於120度。

Description

取像鏡頭及其製造方法
本發明關於一種取像鏡頭及其製造方法。
近年來隨科技的進展，取像鏡頭的種類日漸多元，應用於車輛上的車載鏡頭是一種常見的取像鏡頭。目前對於低成本及光學性能的要求也越來越高，要滿足這樣需求的取像鏡頭，大致上需要具低成本、高解析度、大光圈、廣視角、廣工作溫度範圍和輕量化等特點。因此，目前需要一種兼顧輕量化，且能提供較低的製造成本、廣工作溫度範圍及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。
「先前技術」段落只是用來幫助了解本發明內容，因此在「先前技術」段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在「先前技術」段落所揭露的內容，不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。
本發明的其他目的和優點可以從本發明實施例所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
根據本發明的一個觀點，提供一種取像鏡頭，包含沿第一側至第二側依序設置具負屈光度玻璃的第一透鏡、具正屈光度玻璃的第二透鏡、具正屈光度玻璃的第三透鏡和具屈光度玻璃的第四透鏡，以及設於第一透鏡與第三透鏡之間的光圈。取像鏡頭包含具屈光度的透鏡數為小於5，第二透鏡或第三透鏡為非球面玻璃透鏡。取像鏡頭滿足視場角(FOV)大於120度。藉由本實施例負屈光度玻璃的第一透鏡、具正屈光度玻璃的第二透鏡、具正屈光度玻璃的第三透鏡和具屈光度玻璃的第四透鏡，達到輕量化、較低的製造成本、廣工作溫度範圍及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。
根據本發明的另一個觀點，提供一種取像鏡頭，包含沿影像放大側至影像縮小側依序設置負屈光度玻璃的第一透鏡、正屈光度玻璃的第二透鏡和屈光度玻璃的第三透鏡，以及設於第一透鏡與第三透鏡之間的光圈。取像鏡頭為廣角鏡頭且至多二片具屈光度玻璃的透鏡設置於光圈和影像縮小側之間。取像鏡頭滿足下列條件：包含具屈光度的透鏡數為小於5，且至多二片非球面玻璃透鏡設置於該光圈和該影像縮小側之間。藉由本實施例包含取像鏡頭為廣角鏡頭，至多二片具屈光度玻璃的透鏡設置於光圈和影像縮小側之間，且至多二片非球面玻璃透鏡設置於該光圈和該影像縮小側之間，達到輕量化、較低的製造成本、廣工作溫度範圍及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。
根據本發明的又一個觀點，提供一種取像鏡頭，包含具屈光度的第一透鏡組，包含至少一片具有負屈光度的透鏡，屈光度為正的第二透鏡組，包含至少一片具有正屈光度的非球面透鏡，以及設於第一透鏡組與第二透鏡組之間的光圈。取像鏡頭包含具屈光度的透鏡數小於5，且透鏡的材質均為玻璃，且取像鏡頭滿足下列條件：視場角(FOV)大於120度且光圈值(F/#)介於1.1和1.6之間。藉由本實施例具屈光度的第一透鏡組和屈光度為正的第二透鏡組，且取像 鏡頭的透鏡數介於3~4片，達到輕量化、較低的製造成本、廣工作溫度範圍及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。
藉由本發明實施例的設計，可提供一種能兼顧可使取像鏡頭兼具良好的光學成像品質、廣視角與輕量化的特性，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。再者，本發明實施例之工作溫度範圍可從-40℃到125℃之間與取像鏡頭3~4片鏡片的設計，因此能夠提供具低成本、大光圈、廣視角、高解析度、輕量化、廣工作溫度範圍等特點，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。為讓本發明之上述和其他目的、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。
10a、10b、10c:取像鏡頭
12:光軸
14:光圈
16:濾光片
18:玻璃蓋
19:成像面
20:第一透鏡組
22:間隔片
24:底座
30:第二透鏡組
L1-L4:透鏡
S1-S14:表面
OS:影像放大側
IS:影像縮小側
圖1為依本發明一實施例之取像鏡頭10a的示意圖。
圖2、圖3、圖4A、圖4B分別為取像鏡頭10a的光線扇形圖、成像面上影像高度位置的照明數值，與成像面上光軸位置的照明數值的比值圖、以及場曲和畸變圖。
圖5為依本發明一實施例之取像鏡頭10b的示意圖。
圖6、圖7、圖8A、圖8B分別為取像鏡頭10b的光線扇形圖、成像面上影像高度位置的照明數值，與成像面上光軸位置的照明數值的比值圖、以及場曲和畸變圖。
圖9為依本發明一實施例之取像鏡頭10c的示意圖。
圖10、圖11、圖12A、圖12B分別為取像鏡頭10c的光線扇形圖、成像面上影像高度位置的照明數值，與成像面上光軸位置的照明數值的比值圖、以及場曲和畸變圖。
圖13為依本發明包含間隔片及底座的一鏡筒實施例示意圖。
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之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。另外，下列實施例中所使用的用語“第一”、“第二”是為了辨識相同或相似的元件而使用，幷非用以限定該元件。
本發明所謂的光學元件，係指元件具有部份或全部可反射或穿透的材質所構成，通常包含玻璃或塑膠所組成。例如是透鏡、稜鏡或是光圈。
當鏡頭應用在取像系統中時，影像放大側係指在光路上靠近被拍攝物所處的一側，影像縮小側則係指在光路上較靠近感光元件的一側。
圖1是本發明第一實施例的取像鏡頭架構示意圖。請參照圖1，在本實施例中，取像鏡頭10a有一鏡筒(未繪示)，鏡筒裡由第一側(影像放大側OS)往第二側(影像縮小側IS)排列包含了第一透鏡L1、第二透鏡L2、光圈14、第三透鏡L3及第四透鏡L4。第一透鏡L1和第二透鏡L2構成具有正屈光度的第一透鏡組20，第三透鏡L3和第四透鏡L4構成具有正屈光度的第二透鏡組30。再者，影像縮小側IS可設置濾光片16、玻璃蓋18以及影像感測器(圖中未顯示)，取像鏡頭10a的紅外線有效焦距上成像面標示為19，濾光片16和玻璃蓋18位於第二透鏡組20與紅外線有效焦距上成像面19之間。於本實施例中，第一透鏡L1至第四透鏡L4的材質均為玻璃，屈光度分別為負、正、正、正，且第三透鏡為非球面玻璃透鏡。在一實施例中，非球面玻璃透鏡可以用非球面塑膠透鏡取代。另外，本發 明各具體實施例之影像放大側OS均分別設於各圖之左側，而影像縮小側IS均設於各圖之右側，將不予重覆說明之。
本發明所指光圈14是指一孔徑光欄(Aperture Stop)，光圈為一獨立元件或是整合於其他光學元件上。於本實施例中，光圈是利用機構件擋去周邊光線並保留中間部份透光的方式來達到類似的效果，而前述所謂的機構件可以是可調整的。所謂可調整，是指機構件的位置、形狀或是透明度的調整。或是，光圈也可以在透鏡表面塗佈不透明的吸光材料，並使其保留中央部份透光以達限制光路的效果。
本實施例的濾光片16為一可見光濾光片(visible light filter)，是用以過濾掉可見光波段或波長約700nm以下之波段等等，可抑制其他光源的干擾，提升人眼看不到的紅外線波段的波長於成像面19上的成像效果。在本實施例中，濾光片16設於第四透鏡L4與成像面19之間且為可見光濾光片。雖然此處顯示之濾光片16為單一元件，然而在其他實施例中，亦可將濾光片設置在他處或設置多個可見光濾光片。另外，在另一實施例中，濾光片16為一紅外線濾光片(IR filter)，是用以過濾掉紅外線波段或波長約700nm以上之波段等等，可抑制其他光源的干擾，提升人眼可視的可見光波段的波長於成像面19上的成像效果。
取像鏡頭10a的透鏡設計參數、外形及非球面係數分別如表一及表二所示，於本發明設計實例中，非球面多項式可用下列公式表示：
Figure 108114936-A0305-02-0007-1
上述的公式(1)中，Z為光軸方向之偏移量(sag)，c是密切球面(osculating sphere)的半徑之倒數，也就是接近光軸處的曲率半徑的倒數，k是二次曲面係數(conic)，r是非球面高度，即為從透鏡中心往透鏡邊緣的高度。表二的 A-D分別代表非球面多項式的4、6、8、10階項係數值。然而，下文中所列舉的資料並非用以限定本發明，任何所屬領域中具有通常知識者在參照本發明之後，當可對其參數或設定作適當的更動，惟其仍應屬於本發明的範疇內。
Figure 108114936-A0305-02-0008-2
Figure 108114936-A0305-02-0008-3
S1的間距為表面S1到S2在光軸12的距離，S2的間距為表面S2到S3在光軸12的距離，S13間距為表面S13到紅外線有效焦距上成像平面19在光軸12的距離。
表中表面有出現的＊係指該表面為非球面表面，而若未標示即為球面之意。
曲率半徑是指曲率的倒數。曲率半徑為正時，透鏡表面的球心在透鏡的影像縮小側方向。曲率半徑為負時，透鏡表面的球心在透鏡的影像放大側方向。而各透鏡之凸凹可見上表。
本發明的光圈值係以F/#來代表，如上表所標示者。本發明取像鏡頭應用在取像系統中時，成像面則係指感光元件表面。
當取像鏡頭應用在取像系統中時，影像高度IMH係指在成像面的影像對角線(image circle)長度的1/2，如上表所標示者。
本發明中，取像鏡頭的總長係以LT來表示，如上表所標示者。更明確的說，本實施例的總長是指取像鏡頭10a最接近影像放大側的光學表面S1與最接近影像縮小側的光學表面S9之間，沿光軸12量測的距離，如上表所標示者。取像鏡頭的鏡頭總長(LT)小於32mm。
於本實施例中，視場角FOV是指最接近影像放大端的光學表面S1的收光角度，亦即以對角線量測所得之視野(field of view)，如上表所標示者。
於本實施例中，IMH60為取像鏡頭半視場角(FOV)60度在成像面19的影像高度，如上表所標示者。
本實施例中，取像鏡頭第一透鏡(L1)的折射率溫度係數(dN/dT)為4.9*10-6，第四透鏡(L4)的折射率溫度係數(dN/dT)為4.9*10-6。本實施例中，取像鏡頭的有效焦距與第一透鏡(L1)的有效焦距的比值為-0.4，取像鏡頭的有效焦距與第四透鏡(L4)的有效焦距的比值為0.22。
於一實施例中，取像鏡頭的設計可符合FOV>120度，於另一實施例可符合FOV>125度，於又另一實施例可符合FOV>130度，本發明取像鏡頭的廣角設計藉以讓進入取像鏡頭的影像範圍更大，以取得較佳的監視效果。
於一實施例中，取像鏡頭的設計可符合主光線入射成像面與成像面法線的夾角(CRA)小於15度，藉以配合影像感測器的微透鏡(macro lens)排列，以取得較佳的亮度效果。
於一實施例中，取像鏡頭的設計可符合1.1<=F/#<=1.8，於另一實施例可符合1.1<=F/#<=1.7，於又另一實施例可符合1.1<=F/#<=1.6，藉以提供影像感測器在微光環境下拍攝畫面無雜訊。
於一實施例中，取像鏡頭成像面上視場角大於120度位置的照明數值，與該成像面上光軸位置的照明數值的比值，大於50%。於另一實施例中，取像鏡頭成像面上視場角大於120度位置的照明數值，與該成像面上光軸位置的照明數值的比值，大於55%。於又一實施例中，取像鏡頭成像面上視場角大於120度位置的照明數值，與該成像面上光軸位置的照明數值的比值，大於60%。
以下將說明本發明的取像鏡頭的第二實施例的設計。圖5是本發明第二實施例的取像鏡頭10b架構示意圖。取像鏡頭10b有一鏡筒(未繪示)，鏡筒裡由第一側(影像放大側OS)往第二側(影像縮小側IS)排列包含了第一透鏡L1、光圈14、第二透鏡L2及第三透鏡L3。第一透鏡L1構成具有負屈光度的第一透鏡組20，第二透鏡L2和第三透鏡L3構成具有正屈光度的第二透鏡組30。於本實施例中，取像鏡頭10b的第一透鏡L1至第三透鏡L3的屈光度分別為負、正、正，全部透鏡均為玻璃透鏡，且第二透鏡L2為非球面透鏡，於本實施例中，非球面透鏡可由玻璃模造所製成。在一實施例中，非球面玻璃透鏡可以用非球面塑膠透鏡取代。再者，取像鏡頭10b中的透鏡及其周邊元件的設計參數如表三所示。
Figure 108114936-A0305-02-0010-4
Figure 108114936-A0305-02-0011-5
表四列出本發明的第二實施例中，取像鏡頭的非球面透鏡表面的各階非球面係數及二次曲面係數值。
Figure 108114936-A0305-02-0011-6
S1的間距為表面S1到S2在光軸12的距離，S2的間距為表面S2到S3在光軸12的距離，S11間距為表面S11到紅外線有效焦距上成像平面19在光軸12的距離。
本實施例中，取像鏡頭第一透鏡(L1)的折射率溫度係數(dN/dT)為4.9*10-6，第三透鏡(L3)的折射率溫度係數(dN/dT)為4.9*10-6。本實施例中，取像鏡頭的有效焦距與第一透鏡(L1)的有效焦距的比值為-0.38，取像鏡頭的有效焦距與第三透鏡(L3)的有效焦距的比值為0.3。
以下將說明本發明的取像鏡頭的第三實施例的設計。取像鏡頭10c中的透鏡及其周邊元件的設計參數如表五所示。圖9是本發明第三實施例的取像鏡頭10c架構示意圖。取像鏡頭10c有一鏡筒(未繪示)，鏡筒裡由第一側(影像放大側OS)往第二側(影像縮小側IS)排列包含了第一透鏡L1、光圈14、第二透鏡L2及 第三透鏡L3。第一透鏡L1構成具有負屈光度的第一透鏡組20，第二透鏡L2和第三透鏡L3構成具有正屈光度的第二透鏡組30。於本實施例中，取像鏡頭10c的第一透鏡L1至第三透鏡L3的屈光度分別為負、正、正，全部透鏡均為玻璃透鏡，且第二透鏡L2和第三透鏡L3為非球面透鏡，於本實施例中，非球面透鏡可由玻璃模造所製成。在一實施例中，非球面玻璃透鏡可以用非球面塑膠透鏡取代。再者，取像鏡頭10c中的透鏡及其周邊元件的設計參數如表五所示。
Figure 108114936-A0305-02-0012-7
表六列出本發明的第三實施例中，取像鏡頭的非球面透鏡表面的各階非球面係數及二次曲面係數值。
Figure 108114936-A0305-02-0012-8
S1的間距為表面S1到S2在光軸12的距離，S2的間距為表面S2到S3在光軸12的距離，S11間距為表面S11到紅外線有效焦距上成像平面19在光軸12的距離。
本實施例中，取像鏡頭第一透鏡(L1)的折射率溫度係數(dN/dT)為4.5*10-6，第三透鏡(L3)的折射率溫度係數(dN/dT)為-1.0*10-6。本實施例中，取像鏡頭的有效焦距與第一透鏡(L1)的有效焦距的比值為-0.55，取像鏡頭的有效焦距與第三透鏡(L3)的有效焦距的比值為0.41。
圖2~4B、圖6~8B和圖10~12B分別為實施例取像鏡頭10a、10b和10c的成像光學模擬數據圖。圖2、6和10分別為實施例取像鏡頭10a、10b和10c的紅外線之光線扇形圖(ray fan plot)，其中X軸為光線通過光圈的橫向位置，Y軸為光線通過光圈的縱向位置。圖3、7和11分別為實施例取像鏡頭10a、10b和10c的成像面上影像高度位置的照明數值，與成像面上光軸位置的照明數值的比值模擬數據圖。圖4A和4B、圖8A和8B和圖12A和12B分別為實施例取像鏡頭10a、10b和10c的紅外線之場曲(field curve)和畸變(distortion)圖。圖2~4B、圖6~8B和圖10~12B的模擬數據圖所顯示出的圖形均在標準的範圍內，由此可驗證實施例取像鏡頭10a、10b和10c確實能夠兼具良好的光學成像品質的特性。圖13為本發明包含間隔片及底座的一鏡筒實施例示意圖。藉由將間隔片(spacer)22設置於最遠離該第一透鏡組、該第二側或最靠近該影像縮小側的兩片透鏡(L3和L4)之間，且間隔片22的熱膨脹係數大於底座24的熱膨脹係數，由此可使得取像鏡頭在105度的對焦位置與25度的對焦位置的距離小於0.015mm，實施例取像鏡頭10a、10b和10c確實能夠具備良好的熱飄移控制的特性。
藉由本發明實施例的設計，可提供一種能兼顧可使取像鏡頭兼具良好的光學成像品質、廣視角與輕量化的特性，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。再者，本發明實施例之工作溫度範圍可從-40℃ 到125℃之間與取像鏡頭3~4片鏡片的設計，因此能夠提供具低成本、大光圈、廣視角、高解析度、輕量化、廣工作溫度範圍等特點，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的取像鏡頭設計。
以上各具體實施例中所列出的表格中的參數僅為例示之用，而非限制本發明。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
10a‧‧‧取像鏡頭
12‧‧‧光軸
14‧‧‧光圈
16‧‧‧濾光片
18‧‧‧玻璃蓋
19‧‧‧成像面
20‧‧‧第一透鏡組
30‧‧‧第二透鏡組
L1-L4‧‧‧透鏡
S1-S14‧‧‧表面
OS‧‧‧影像放大側
IS‧‧‧影像縮小側

Claims (10)

  1. 一種取像鏡頭，包含：沿一第一側至一第二側依序設置一負屈光度玻璃的第一透鏡、一正屈光度玻璃的第二透鏡、一正屈光度玻璃的第三透鏡和一屈光度玻璃的第四透鏡；以及一光圈，設於該第一透鏡與該第三透鏡之間；其中該取像鏡頭包含具屈光度的透鏡數為小於5，第二透鏡或第三透鏡為非球面玻璃透鏡，該取像鏡頭滿足視場角(FOV)大於120度，且該取像鏡頭的工作溫度範圍為-40℃到125℃。
  2. 一種取像鏡頭，包含：沿一影像放大側至一影像縮小側依序設置一負屈光度玻璃的第一透鏡、一正屈光度玻璃的第二透鏡和一屈光度玻璃的第三透鏡；以及一光圈，設於該第一透鏡與該第三透鏡之間，且至多二片具屈光度玻璃的透鏡設置於該光圈和該影像縮小側之間；其中該取像鏡頭包含具屈光度的透鏡數為小於5，至多二片非球面玻璃透鏡設置於該光圈和該影像縮小側之間，且該取像鏡頭滿足下列條件之一：(1)該取像鏡頭最靠近該影像放大側的透鏡的折射率溫度係數(dN/dT)大於0，且該取像鏡頭有效焦距與最靠近該影像放大側的該透鏡的有效焦距的比值介於-0.3與-0.6之間，(2)該取像鏡頭最靠近該影像縮小側的透鏡的折射率溫度係數(dN/dT)小於0，且該取像鏡頭有效焦距與最靠近該影像縮小側的該透鏡的有效焦距的比值介於介於0.1與0.5之間。
  3. 一種取像鏡頭，包含：一具屈光度的第一透鏡組，包含至少一片具有負屈光度的第一透鏡；一屈光度為正的第二透鏡組，包含至少一片具有正屈光度的非球面透鏡；以及 一光圈，設於該第一透鏡組與該第二透鏡組之間；其中該取像鏡頭包含具屈光度的透鏡數小於5，且透鏡的材質均為玻璃，且該取像鏡頭滿足下列條件：視場角(FOV)大於120度且光圈值(F/#)介於1.1和1.6之間。
  4. 如申請專利範圍第1至3項任一項所述之取像鏡頭，其中該取像鏡頭還包含：一間隔片(spacer)，設置於最遠離該第一透鏡的兩片透鏡之間；以及一底座(holder)，其中該取像鏡頭滿足下列條件：該間隔片的熱膨脹係數大於該底座的熱膨脹係數。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之取像鏡頭，其中該取像鏡頭滿足下列條件之一：(1)該取像鏡頭最遠離該第二透鏡組的透鏡的折射率溫度係數(dN/dT)大於0，且該取像鏡頭有效焦距與最遠離該第二透鏡組的該透鏡的有效焦距的比值介於-0.3與-0.6之間，(2)該取像鏡頭最遠離該第一透鏡組的透鏡的折射率溫度係數(dN/dT)小於0，且該取像鏡頭有效焦距與最遠離該第一透鏡組的該透鏡的有效焦距的比值介於0.1與0.5之間。
  6. 如申請專利範圍第1至3項任一項所述之取像鏡頭，其中該取像鏡頭還包含一可見光濾光片。
  7. 如申請專利範圍第1至3項任一項所述之取像鏡頭，其中該取像鏡頭成像面上視場角大於120度位置的照明數值，與該成像面上光軸位置的照明數值的比值，大於50%。
  8. 如申請專利範圍第1至3項任一項所述之取像鏡頭，其中該取像鏡頭滿足下列條件之一：自該第一透鏡起算的各個透鏡依序為(1)凸凹、 雙凸、非球面和凹凸透鏡，(2)凸凹、非球面和凹凸透鏡，(3)凸凹、非球面和非球面透鏡。
  9. 如申請專利範圍第1至3項任一項所述之取像鏡頭，其中該取像鏡頭滿足下列條件之一：(1)主光線入射成像面與成像面法線的夾角(CRA)小於15度，(2)105度的對焦位置與25度的對焦位置的距離小於0.015mm，(3)光圈值(F/#)介於1.1和1.6之間。
  10. 一種取像鏡頭的製造方法，包含：提供一鏡筒；將一負屈光度的第一透鏡、一正屈光度的第二透鏡和一第三透鏡置入並固定於該鏡筒內，其中該第一透鏡、該第二透鏡和該第三透鏡係沿一影像放大側至一影像縮小側依序設置；以及一光圈，設於該第一透鏡與該第三透鏡之間，且至多二片具屈光度的透鏡設置於該光圈和該影像縮小側之間，其中該取像鏡頭包含具屈光度的透鏡數為小於5，透鏡的材質均為玻璃，且至多二片非球面透鏡設置於該光圈和該影像縮小側之間，其中該取像鏡頭的視場角(FOV)大於120度且光圈值(F/#)介於1.1和1.6之間。
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