TWI705266B - 光學系統及其光學鏡頭 - Google Patents

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Abstract

本發明為一種光學系統及其光學鏡頭，光學鏡頭得包括五個透鏡群，各個透鏡群均具有屈光度。第二透鏡群及第四透鏡群由廣角端切換為一望遠端的過程中得為可動，惟第一透鏡群、第三透鏡群以及第五透鏡群分別得為相互固定。而第二透鏡群得包括一非球面透鏡；其中，第二透鏡群與第三透鏡群之間得具有一光圈(aperture stop)且於前述之切換過程中得為不可動。

Description

光學系統及其光學鏡頭
本發明是有關於一種光學鏡頭，且特別是有關於一種有可動群之光學鏡頭。
近年來隨科技的進展，光學鏡頭的種類日漸多元，安控監視用的鏡頭即是其中之一者。例如是美國第2015/024167號專利(下稱167案)申請案或是美國第4,844,599(下稱599案)號專利，即為其例。 以前述的167案為例，當高倍率變焦鏡頭進行對焦及變焦時，其複數個透鏡群需相互連動。然而，此方式不但讓光學系統的設計困難度提高，而且其製造過程中對公差及精度的要求亦直接地增加其製作成本。 另外，如599案為例，鏡頭在進行對焦及變焦時，其光圈會隨之而移動以增加光學設計時的自由度，然而，在實際應用時往往會因為其機構件設計的複雜度而影響良率，進而影響其製作成本。
根據本發明的一個觀點，其係關係於一種光學鏡頭，光學鏡頭大致得包括五個透鏡群，而每個透鏡群係至少包括一枚具有屈光度的透鏡。另外，光圈得設置或是固定於，由放大側往縮小側起算，第二個透鏡群以及第三個透鏡群之間的位置。另外，依前述之排序，第一個透鏡群及第五個透鏡群之間的距離在變焦或是對焦時均得固定，而第二個透鏡群及第四個透鏡群在變焦或是對焦時，其相對於第五個透鏡群的距離則得分別地被變更。藉此，在效果及光學品質之間取得平衡。 為讓本發明更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
以下實施例中所提到的方向用語，例如「前」、「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，而非用來限制本發明。 本發明關於一種光學系統及其所使用的光學鏡頭。請參閱第1圖，第1圖繪示了本發明的第一實施例的光學系統的示意圖。於本例中，光學系統A包括有一光學鏡頭1以及一感光元件2。光學鏡頭1能於一成像表面/成像平面成像，而成像表面於本例中，得與感光元件B之感光表面成共平面且其形狀係與感光元件B之感光表面大致相同。 感光元件2得指一例如是CCD、CMOS或是化學式感光底片，並得以將影像光束轉化成影像。感光元件2的感光表面得為一矩型；而其尺吋規格得例如為1/2.5吋(長5.76mm、寬4.29 mm)，惟其不以此為限。而感光表面得具有一對角線長度L，對角線長度L得指感光表面上之任意兩個最遠點之直線距離。而感光表面亦得設定有一像圓或是像高Ic，其長度得為前述對角線長度L之一半。舉例而言，L得介於5mm~43mm之間，而1/2.5吋規格之感光元件2之L即約為7.182mm。 於本例中，光學鏡頭10得設於放大側OS以及縮小側IS之間。而當本例的光學鏡頭10被應用為取像鏡頭時，其放大側係指被拍攝物之一端，反之，縮小側則係指感光元件2之一端且感光元件2係被設於光學鏡頭10之縮小側。如圖所繪述，光學鏡頭10得包括，依放大側OS往縮小側IS沿光軸排列之，第一透鏡群11、第二透鏡群12、一光圈S(STOP)、第三透鏡群13、第四透鏡群14、第五透鏡群15以及玻璃蓋(Cover glass)CG等光學元件。在設計時，在將光程差等參數納入計算後，可進一步的選擇性地，視需求於放大側及縮小側之間設置有屈光度為零之濾色元件或是玻璃蓋(Cover glass)CG等光學元件。再者，光圈S得視設計之需要而獨立設置感是整合於透鏡之表面，本發明不對其多加限制。 於本例中，第一透鏡群11、第三透鏡群13及第五透鏡群15分別為一固定群，亦即在鏡頭10進行變焦(Zooming)或是對焦(Focusing)時，其得靜置且各個固定群之間的相互距離為相同。再者，固定群亦可理解為鏡頭10在變焦或是對焦時，其與感光元件2之距離為固定。另外，光圈之特性得與固定群相同，亦即在前述的變焦或是對焦時得相對於其他固定群靜置且不會移動。 反之，第二透鏡群12及第四透鏡群14為可動群，亦即鏡頭10在變焦或是對焦時，其得相對於第五透鏡群15、第一透鏡群11感是感光元件2等屬固定群或為固定之元件移動並改變其間之距離。 另外，請參閱第1圖，由圖可見，本例中的第二透鏡群12及第四透鏡群14下方係設有一方向示意線，其分別表示了各第二透鏡群在鏡頭10從廣角端經由中間端切換至望遠端時的移動方式。更明確的說，本例中的第二透鏡群12在鏡頭10從廣角端經由中間端切換至望遠端時，第二透鏡群12的移動方向僅為單向地往第五透鏡群15移動；而第四透鏡群14在鏡頭10從廣角端切換至中間端時，第四透鏡群14係往第五透鏡群15或是感光元件2方向移動，而由中間端切換至望遠端時，第四透鏡群14則係往第一透鏡群11或是往遠離感光元件2之方向移動。而當由望遠端切換至廣角端時，各鏡群之移動方向為相反。 於本例中，第一透鏡群11至第五透鏡群15之屈光度分別為正、負、正、負、正；而各群合共包括16片具有屈光度之透鏡。而本例之光學系統A中各元件之細部參數，可參閱下列表一至表三。 表一
Figure 105118285-A0304-0001
 表一係記載了光學系統A中各透鏡之光學參數之值，所述之表面編號中之* 號是代表該表面為非球面；反之，則為球面。而表面編號則係指鏡頭1由放大側往縮小側排列之光學元件之表面的排列順序。 另外，表一中之半徑及厚度/距離的單位為毫米(mm)。由前述表格可得悉，第二透鏡群12中的第四片之兩個表面均為非球面表面。同時，第三透鏡群13的第一片之兩個表面均為非球面表面。同時，第一透鏡群11、第二透鏡群12、第三透鏡群13以及第四透鏡群14係分別包含一枚膠合鏡片，而除第三透鏡群13之膠合鏡片由三枚透鏡組合而成外，其餘均由兩片透鏡所組成。而第四透鏡群14則包含一片負屈光度之透鏡。藉由將非球面透鏡設置於第二透鏡群12、第三透鏡群13或是第四透鏡群14，各焦段之解析度(Resolution)得以被提升；而於各透鏡群設置膠合透鏡以及於第四透鏡群14設置一負屈光度透鏡之用意在於改善鏡頭10整體之色差表現。 而就各非球面表面之設計參數，可見表二如下： 表二
Figure 105118285-A0304-0002
 而其相對應的運算公式為公式1，如下：
Figure 02_image001
-公式1(1) 另外，表一中所標示之變數的數值係記載於表三當中。表三中的各數值分別代表了鏡頭10在廣角端；中間端以及望遠端時各鏡片表面與下一表面之間的距離或是厚度的不同數值。而於本例中，廣角端、中間端及望遠端是分別指鏡頭10的有效焦距(EFL)於5mm、61mm及200mm時之狀態，而遠端、中間端及望遠端相對應於有效焦距的數值視鏡頭設計的不同會有相對應的調整。另外，鏡片10處於廣角端時及望遠端時，其放大倍率通常分別處於最小及最大的狀態，以本例而言，放大倍率係分別為1倍以及40倍。相對應地，鏡頭10在廣角端及望遠端時的光圈(F/#)值大多為相異，以本例而言，鏡頭10的光圈值係介於廣角端的1.7至望遠端的5.1之間。而當稱光圈大於一值時，其光圈值係較小。例如，當光圈大於2時，其光圈值可能為1.7。 表三
Figure 105118285-A0304-0003
 另外，於本例中，鏡頭10之總長(TTL)為92.78mm。鏡頭總長(Total Track Length, TTL)的其中一種計算方法為光學總長，亦即由鏡頭10於放大側起算第一片具有屈光度的透鏡面向放大側的表面與光軸上的交點，與鏡頭10於感光元件上的成像面和光軸上的交點之間，兩個交點的距離。而於本例中，TTL之計算方式為光學總長。而鏡頭10的另一種計算方式為機構總長，亦即鏡頭10中於光軸上相距最遠的兩枚具有屈光度的透鏡與光軸之交點，亦即當鏡頭10自放大側起算的第一個透鏡群及最後一個透鏡群為固定時，則鏡頭總長TTL將不因鏡頭之焦段而受影響且應為定值。 有鑑以下各表格之格式與表一至表三為相同，故以下對表格各項代表之意思將不予贅述以維持說明書之簡潔。同樣地，說明以下各具體實施例時，將選擇性地對其與第一實施例相異之處進行說明，就未提及之部份，可參酌第一實施例之內容，於下將不予贅述。 請參閱第2圖，第2圖繪述了本發明的第二實施例的光學系統概要示意圖。而本例之光學系統A中各元件之細部參數，可參閱下列表四至表六。 表四
Figure 105118285-A0304-0004
 表五
Figure 105118285-A0304-0005
 表六
Figure 105118285-A0304-0006
 由表可見，於本例中，各群合共包括15片具有屈光度之透鏡，而第四透鏡群14係由單一透鏡所組成。第一透鏡群11至第五透鏡群15之各群的屈光度分別為正、負、正、負、正。本例中，第二透鏡群12的最後一枚透鏡、第三透鏡群13的第一枚透鏡、第四透鏡群14的第一枚透鏡均分別包括至少一非球面。而第一透鏡群11、第二透鏡群12及第三透鏡群13則分別包括有至少一膠合透鏡，且係依序分別由兩枚、兩枚及三枚透鏡所膠合而成。另外，於本例中，鏡頭10之總長(TTL)為92.78mm；而光圈(F/#)值則係由廣角端的1.6至望遠端的4.8。同時，本例鏡頭10之最大放大倍率約為40倍。而各透鏡群在對焦或變焦時的作動方式與第一具體實施例大致相同，故不予贅述。 請參閱第3圖，第3圖繪述了本發明的第三實施例的光學系統概要示意圖。而本例之光學系統A中各元件之細部參數，可參閱下列表七至表九。 表七
Figure 105118285-A0304-0007
 表八
Figure 105118285-A0304-0008
 表九
Figure 105118285-A0304-0009
 由表可見，於本例中，各群合共包括16片具有屈光度之透鏡。第一透鏡群至第五透鏡群11~15之屈光度分別為正、負、正、負、正。第二透鏡群11、第三透鏡群12及第四透鏡群14的第一枚透鏡均分別包括至少一非球面。第一透鏡群11、第二透鏡群12、第三透鏡群13及第四透鏡群分別包含一組膠合鏡片，而各膠合鏡片均分別由兩片透鏡組合而成。另外，本例中，鏡頭10之總長(TTL)為92.78mm；而光圈(F/#)值則係由廣角端的1.6至望遠端的4.8。同時，本例鏡頭10之最大放大倍率約為40倍。而各透鏡群在對焦或變焦時的作動方式與第一具體實施例大致相同，故不予贅述。 請參閱第4圖，第4圖繪述了本發明的第四實施例的光學系統概要示意圖。而本例之光學系統A中各元件之細部參數，可參閱下列表十至表十二。 表十
Figure 105118285-A0304-0010
 表十一
Figure 105118285-A0304-0011
 表十二
Figure 105118285-A0304-0012
 由表可見，於本例中，各群合共包括16片具有屈光度之透鏡。第一透鏡群11至第五透鏡群15之屈光度分別為正、負、正、正、正。而其第三透鏡群13及第四透鏡群14係分別包括三枚透鏡。第二透鏡群11、第三透鏡群12及第四透鏡群14的第一枚透鏡均分別包括至少一非球面。第一透鏡群11則包含一組膠合鏡片，而膠合鏡片由兩片透鏡組合而成。另外，本例中，鏡頭10之總長(TTL)為91.31mm；而光圈(F/#)值則係由廣角端的1.6至望遠端的3.3。同時，本例鏡頭10之最大放大倍率約為28.75倍。而就各群作動方式部份，在鏡頭10從廣角端往中間端切換時，第四透鏡群14往第一透鏡群11之方向；或是往第五透鏡群15及感光元件2之反方向移動；而由中間端切換為望遠端時，第四透鏡群14則係往第一透鏡群11之反方向；或是往第五透鏡群15及感光元件2之方向移動。而除第四透鏡群14以外之其他透鏡群之作動方式與第一實施例中所述者類似，故將不予贅述。 請參閱第5圖，第5圖繪述了本發明的第五實施例的光學系統概要示意圖。而本例之光學系統A中各元件之細部參數，可參閱下列表十三至表十五。 表十三
Figure 105118285-A0304-0013
 表十四
Figure 105118285-A0304-0014
 表十五
Figure 105118285-A0304-0015
 由表可見，於本例中，各群合共包括16片具有屈光度之透鏡。第一透鏡群至第五透鏡群11~15之屈光度分別為正、負、正、正、正。第二透鏡群11的第一枚及最後一枚透鏡的二表面均分別為非球面；而第五透鏡群15的第一枚透鏡的兩個表面均分別為一非球面。另外，第一透鏡群11包含一組膠合鏡片，而膠合鏡片係由兩片透鏡組合而成。另外，本例中，鏡頭10之總長(TTL)為93mm；而光圈(F/#)值則係由廣角端的1.6至望遠端的3.6。同時，本例鏡頭10之最大放大倍率約為30倍。而各透鏡群在對焦或變焦時的作動方式與第四具體實施例大致相同，故不予贅述。 而藉由上開各實施例的設計，於本發明的一觀點中，光學系統A或其中之光學鏡頭1的焦距在廣角端、中間端及望遠端時係分別介於3mm~7mm、40~90mm以及100~250mm之間；而較佳者，分別為4.5~4.8mm、56~71mm以及136mm至200mm之間。 綜合而言，本發明於一觀點中，鏡頭1於廣角端時的最小放大倍率得介於1至3倍之間；而其於1倍時，其效果較佳。而鏡頭1於望遠端時的最大放大倍率得介於10~45倍之間，而最大放大倍率在28.75~40倍時，其效果較佳。另外，鏡頭1的光圈F/#得約介於1.2(廣角)至6(望遠)之間，其範圍又分別以1.2~2以及4~5時較佳。 另外，在廣角端時，鏡頭總長(TTL)得於120mm以下，其範圍又以在91.39~93mm之間時，效果較佳。 另外，光學系統A有D/L的指標，D為鏡頭總長，得與TTL為相同；L為感光元件2中感光表面之對角線的距離。當光學系統A的D/L大於等於8時，其光學效果得被改善；而當D/L大於等於10時其效果更佳，而當D/L大於12時，其效果更佳。另外，當系統的D/L小於40時，其性能價格比相對較高。以第一具體實施例為說明，其D約為92.78mm，而L約為7.182mm，則其D/L約為12.9，即為一例。 另外，當光學系統A之IC /TTLw 值小於約0.07時，其光學品質得以被提升，其中又以0.03~0.05 或0.03~0.045時，效果更佳，又以介於0.035~0.04時為最佳。IC 得指感光元件2之感光表面之對角線L除二之距離，或稱像圓或是像高。以第一具體實施例為說明，其Ic約為3.6mm，而TTL約為92.8，則其IC /TTLw 約為0.04，即為其例。 再者，本發明之一觀點中的光學鏡頭10之相對照度(Ri，Relative Illumination)係介於30%至90%之間；而其在大於33%時，其暗角現象已大致被改善，而其大於50%時其效果更佳。藉此，其較不會出現中間亮、週邊暗的暗角(Shading)現象。 依據上述說明可知，本發明實施例可克服上開問題，達到發明目的。 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，在不脫離本發明的精神和範圍內，仍可修改或變更，例如改變各群鏡片的片數、調整各鏡片的光學參數(如屈光度, POWER) 或***不影響光學性質的鏡片等，本發明的保護範圍仍以申請專利範圍為準。
A‧‧‧光學系統1‧‧‧光學鏡頭2‧‧‧感光元件11‧‧‧第一透鏡群12‧‧‧第二透鏡群13‧‧‧第三透鏡群14‧‧‧第四透鏡群15‧‧‧第五透鏡群S‧‧‧光圈OS‧‧‧放大側IS‧‧‧縮小側CG‧‧‧玻璃蓋
第1圖繪示本發明的第一實施例的光學系統的示意圖。 第2圖繪示本發明的第二實施例的光學系統的示意圖。 第3圖繪示本發明的第三實施例的光學系統的示意圖。 第4圖繪示本發明的第四實施例的光學系統的示意圖。 第5圖繪示本發明的第五實施例的光學系統的示意圖。
A‧‧‧光學系統
1‧‧‧光學鏡頭
2‧‧‧感光元件
11‧‧‧第一透鏡群
12‧‧‧第二透鏡群
13‧‧‧第三透鏡群
14‧‧‧第四透鏡群
15‧‧‧第五透鏡群
S‧‧‧光圈
OS‧‧‧放大側
IS‧‧‧縮小側
CG‧‧‧玻璃蓋

Claims (10)

  1. 一種光學鏡頭，由放大側至縮小側，依序包括：一第一透鏡群，具有屈光度，包括一第一透鏡；一第二透鏡群，具有屈光度，包括一非球面透鏡；一第三透鏡群，具有屈光度且具有兩個膠合面；一第四透鏡群，具有屈光度，包括有一具有負屈光度的透鏡；以及一第五透鏡群，具有屈光度，與該第一透鏡群及該第三透鏡群之距離為固定；其中，該第二透鏡群與第三透鏡群之間具有一光圈(aperture stop)，該第二透鏡群及該第四透鏡群相對於該第五透鏡群之距離分別為可變。
  2. 如請求項1所述之光學鏡頭，該第四透鏡群具有負屈光度的該透鏡，該透鏡包含一表面為非球面。
  3. 如請求項1所述之光學鏡頭，該光學鏡頭由一廣角端切換為一望遠端的過程中，該第二透鏡群僅往該第五透鏡群方向移動。
  4. 如請求項1所述之光學鏡頭，該光學鏡頭由一廣角端切換為一望遠端的過程中，該第四透鏡群需包括往該第五透鏡群方向及該第一透鏡群方向之作動。
  5. 如請求項1所述之光學鏡頭，該第三透鏡群具有一膠合透鏡。
  6. 如請求項1所述之光學鏡頭，該第一透鏡群、該第二透鏡群、該第三透鏡群及該第五透鏡群之屈光度分別為正、負、正以及正。
  7. 一光學鏡頭，具有一成像表面，該光學鏡頭自一放大側起往一縮小側，依序包括一第一透鏡群、一第二透鏡群、一第三透鏡群、一第四透鏡群以及一第五透鏡群，該第三透鏡群具有兩個膠合面；該光學鏡頭係具有至少一包括非球面表面之透鏡且符合以下條件：D/L≧10；D為該鏡頭的一光學總長；L為代表該成像表面之對角線的長度。
  8. 如請求項7所述之光學鏡頭，其中，該光學鏡頭之最大光圈係大於2。
  9. 如請求項7所述之光學鏡頭，其中，該光學鏡頭之光學放大倍率為26倍至40倍。
  10. 如請求項7所述之光學鏡頭，其中該第一透鏡群、該第二透鏡群、該第三透鏡群及該第五透鏡群之屈光度排列分別為正、負、正以及正。
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