TWI797452B - 光學鏡頭及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種光學鏡頭包括一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡與一膠合透鏡。光學鏡頭的最大視場角介於150度和180度之間，且具有屈光度的透鏡片不超過8片，並最多包含兩片塑膠透鏡。第一透鏡的鏡片直徑為D1，第四透鏡的鏡片直徑為DL，且光學鏡頭符合下列條件：1.0<D1/DL<4.0。

Description

光學鏡頭及其製造方法
本發明關於一種光學鏡頭及其製造方法。
近年來隨科技的進展，鏡頭的種類日漸多元，應用於車輛自動駕駛和機器視覺判斷的取像鏡頭是一種常見的鏡頭。目前對於光學性能的要求也越來越高，要滿足這樣需求的鏡頭，大致上需要具低成本、高解析度、大光圈、低熱飄移量和廣視角等特點。因此，目前需要一種兼顧廣視角、低熱飄移量，且能提供較低的製造成本及較佳的成像品質的光學取像鏡頭設計。
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。
根據本發明的一個觀點，一種光學鏡頭包括第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡、膠合透鏡與光圈。第一透鏡為最靠近光學鏡頭影像放大側的透鏡。第二透鏡與該第三透鏡其中之一，為第一非球面透鏡。第四透鏡為第二非球面透鏡，且設於膠合透鏡與光學鏡頭影像縮小側之間。光圈設於第二透鏡與膠合透鏡之間，且光圈相鄰第一非球面透鏡，膠合透鏡設於第四透鏡和光圈之間。光學鏡頭的最大視場角介於150度和180度之間，且具有屈光度的透鏡片不超過 8片，並最多包含兩片塑膠透鏡。第一透鏡的鏡片直徑為D1，第四透鏡的鏡片直徑為DL，光學鏡頭符合下列條件：1.0<D1/DL<4.0。藉由本實施例的設計，可提供一種使光學鏡頭兼具良好的光學成像品質、低熱飄移量、廣工作溫度範圍(-40度到105度)、與廣視角的特性，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。
根據本發明的一個觀點，一種光學鏡頭包括第一透鏡組、第二透鏡組與光圈。第一透鏡組包含兩片球面透鏡。第二透鏡組包含一膠合透鏡和一非球面透鏡。光圈設於第一透鏡組與第二透鏡組之間。光學鏡頭的光圈值小於等於2.0，最大視場角介於150度和180度之間，且具有屈光度的透鏡片為6片至8片，並包括二片非球面透鏡，且最多包含兩片塑膠透鏡，光學鏡頭可見光波長450nm與可見光波長550nm的焦平面距離小於等於15μm。藉由本實施例的設計，可提供一種使光學鏡頭兼具良好的光學成像品質、低熱飄移量、廣工作溫度範圍(-40度到105度)、與廣視角的特性，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。
根據本發明的一個觀點，一種光學鏡頭包括自一方向依序排列的屈光度為負的第一透鏡、屈光度為負的第二透鏡、屈光度為正的第三透鏡、屈光度為正的第四透鏡、屈光度為負的第五透鏡和屈光度為正的第六透鏡。第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡之中，包含兩片玻璃球面透鏡和一片非球面透鏡。第四透鏡和第五透鏡組合為一膠合透鏡。第六透鏡為一非球面透鏡。光圈設於第二透鏡與第四透鏡之間。光學鏡頭具有屈光度的透鏡片不超過8片，並最多包含兩片塑膠透鏡。藉由本實施例的設計，可提供一種使光學鏡頭兼具良好的光學成像品質、低熱飄移量、廣工作溫度範圍(-40度到105度)、與廣視角的特性，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。
根據本發明的上述觀點，可提供一種使光學鏡頭兼具良好的光學成像品質、低熱飄移量、廣工作溫度範圍(-40度到105度)、與廣視角的特性，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。
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-10c:光學鏡頭
12:光軸
14:光圈
16:濾光片
17:玻璃蓋
19:成像面
20:第一透鏡組
30:第二透鏡組
L1-L7:透鏡
S1-S19:表面
OS:放大側
IS:縮小側
P、Q:轉折點
D1、DL:鏡片直徑
圖1是本發明第一實施例的光學鏡頭示意圖。
圖4是本發明第二實施例的光學鏡頭示意圖。
圖7是本發明第三實施例的光學鏡頭示意圖。
圖2、圖5及圖8分別為依本發明實施例之鏡頭10a、10b及10c的光線扇形圖，圖3、圖6及圖9分別為依本發明實施例之鏡頭10a、10b及10c於不同波長下的焦平面相對於參考點偏移量曲線圖。
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。
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。
一透鏡的物側面(或像側面)具有位於某區域的凸面部(或凹面部)，是指該區域相較於徑向上緊鄰該區域的外側區域，朝平行於光軸的方向更為「向外凸起」(或「向內凹陷」)而言。
圖1是本發明第一實施例的光學鏡頭示意圖。請參照圖1，在本實施例中，光學鏡頭10a有一鏡筒(未繪示)，鏡筒裡由第一側(影像放大側OS、物側)往第二側(影像縮小側IS、像側)排列包含了第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、光圈14、第四透鏡L4、第五透鏡L5、第六透鏡L6和第七透鏡L7，屈光度分別為負、負、正、正、正、負和正。第一透鏡L1、第二透鏡L2和第三透鏡L3構成具有負屈光度的第一透鏡組(例如為前組)20，第四透鏡L4、第五透鏡L5、第六透鏡L6和第七透鏡L7構成具有正屈光度的第二透鏡組(例如為後組)30。再者，影像縮小側IS可設置濾光片16、玻璃蓋17以及影像感測器(圖中未顯示)，鏡頭10a的可見光有效焦距(EFL)上成像面(可見光焦平面)標示為19，濾光片16位於第二透鏡組30與可見光有效焦距上成像面19之間。於本實施例中，所有透鏡均為玻璃透鏡，且第三透鏡L3、第七透鏡L7為非球面透鏡。在一實施例中，至少部分玻璃透鏡可以用塑膠透鏡取代。另外，兩透鏡相鄰的兩面有大致相同(曲率半徑差異小於0.005mm)或完全相同(實質相同)的曲率半徑且形成結合透鏡(compound lens)，結合透鏡例如可為膠合透鏡(cemented lens)、雙合透鏡(doublet)或三合透鏡(triplet)等而不限定，例如本實施例的第五透鏡L5及第六透鏡L6可構成膠合透鏡，但本發明實施例並不以此為限制。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。
各透鏡係定義有鏡片直徑，鏡片直徑是指於光軸12兩端的最外側的轉折點於垂直光軸12方向上的距離。舉例而言，如圖1所示，第一透鏡組20最遠離光圈14的第一透鏡L1的直徑D1為最外側轉折點P、Q於垂直光軸12方向上的距離，同理第二透鏡組30最遠離光圈14的第七透鏡L7的直徑DL為光軸12兩端的最外側轉折點P、Q於垂直光軸12方向上的距離。於本實施例中，第一透鏡組20最遠離光圈14的第一透鏡L1(最靠近放大側的透鏡)的直徑D1為17.2mm，第二透鏡組30最遠離光圈14的第七透鏡L7(最靠近縮小側的透鏡)的直徑DL為10.8mm。
球面透鏡是指透鏡前面和後面的表面都分別是球形表面的一部份，而球形表面的曲率是固定的。非球面透鏡則是指透鏡前後表面中，至少一表面的曲率半徑會隨著中心軸而變化，可以用來修正像差。光學鏡頭10a的透鏡設計參數、外形及非球面係數分別如表1及表2所示，於本發明如下的各個設計實例中，非球面多項式可用下列公式表示：
Figure 109118104-A0305-02-0007-1
上述的公式中，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。公式的A-G分別代表非球面多項式的4階項、6階項、8階項、10階項、12階項、14階項、16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 109118104-A0305-02-0008-5
Figure 109118104-A0305-02-0009-3
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，S18間距為表面S18到成像面19在光軸12的距離。
表2列出本發明的第一實施例中，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 109118104-A0305-02-0009-4
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。本發明鏡頭應用在投影系統時，成像面是光閥表面。而當鏡頭應用在取像系統中時，成像面則係指感光元件表面。本發明實施例中，F/#小於或等於2.0。
最大視場角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)。本發明實施例中，最大視場角可介於150度和180度之間。於一實施例中，最大視場角可介於160度和180度之間。於另一實施例中，最大視場角可介於170度和180度之間。
本發明一實施例之鏡頭包含兩透鏡組，前組例如可使用至少一個負屈光度(Power)透鏡，達到廣角收光能力，但其並不限定。鏡頭的光圈數值約小於等於2.0。後組可包含結合透鏡(膠合透鏡、雙合透鏡、三合透鏡)以修正像差，且結合透鏡的兩個透鏡間沿光軸的最小距離小於等於0.01mm。結合透鏡(膠合透鏡、雙合透鏡、三合透鏡)包含曲率半徑實質相同或相近的對應鄰近表面。另後組的膠合透鏡兩者的阿貝數相差大於40以修正色差。於一實施例中，後組的膠合透鏡兩者的阿貝數相差大於50以修正色差。再者，光學鏡頭具屈光度的透鏡總片數為6-8片，前組可包含至少一非球面透鏡，且後組可包含至少一非球面透鏡以修正像差。本發明實施例透過至少兩片正屈光度的玻璃鏡片dn/dt小於0(低色散鏡片、阿貝數大於70)的搭配，達成光學鏡頭熱飄移(相對於105度的焦平面)位移量小於等於10μm，且光學鏡頭至多包含兩片塑膠透鏡。本發明實施例光學鏡頭適用於至少-40到105度的工作溫度範圍。光學鏡頭為提升光學影像品質，即可見光波長450nm與可見光波長550nm的焦平面位移量小於等於15μm。於一實施例中，可見光波長450nm與可見光波長550nm的焦平面位移量小於等於11μm。
於一實施例中，鏡頭可符合1.0<D1/DL<4.0，於另一實施例可符合1.05<D1/DL<3.9，於又另一實施例可符合1.1<D1/DL<3.8，藉以配合感光元件提供大角度收光能力，其中D1為最靠近鏡頭放大 側的鏡片直徑，DL為最靠近鏡頭縮小側的鏡片直徑。
圖4是本發明第二實施例的光學鏡頭架構示意圖。如圖4所示，光學鏡頭10b包含第一透鏡L1、第二透鏡L2、光圈14、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6。第一透鏡L1和第二透鏡L2構成具有負屈光度的第一透鏡組20，第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6構成具有正屈光度的第二透鏡組30，屈光度分別為負、負、正、正、負和正。於本實施例中，所有透鏡均為玻璃透鏡，在另一實施例中，至少部分玻璃透鏡可以用塑膠透鏡取代。本實施例的第三透鏡L3及第六透鏡L6為非球面透鏡，且第四透鏡L4及第五透鏡L5可構成膠合透鏡。於本實施例中，第一透鏡組20最遠離光圈14的鏡片L1的直徑D1為15.5mm，第二透鏡組30最遠離光圈14的鏡片L6的直徑DL為10.7mm。光學鏡頭10b的透鏡及其周邊元件的設計參數如表3所示。
Figure 109118104-A0305-02-0011-6
Figure 109118104-A0305-02-0012-22
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，S16間距為表面16到成像面19在光軸12的距離。
表4列出本發明的第二實施例中，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 109118104-A0305-02-0012-8
圖7是本發明第三實施例的光學鏡頭架構示意圖。如圖7所示，光學鏡頭10c包含第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、光圈14、第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6。第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3構成具有負屈光度的第一透鏡組20，第四透鏡L4、第五透鏡L5和第六透鏡L6構成具有正屈光度的第二透 鏡組30，屈光度分別為負、負、正、正、負和正。於本實施例中，所有透鏡均為玻璃透鏡，在另一實施例中，至少部分玻璃透鏡可以用塑膠透鏡取代。本實施例的第二透鏡L2及第六透鏡L6為非球面透鏡，第四透鏡L4及第五透鏡L5可構成膠合透鏡。於本實施例中，第一透鏡組20最遠離光圈14的鏡片L1的直徑D1為16.3mm，第二透鏡組30最遠離光圈14的鏡片L6的直徑DL為10.8mm。光學鏡頭10c的透鏡及其周邊元件的設計參數如表5所示。
Figure 109118104-A0305-02-0013-9
Figure 109118104-A0305-02-0014-11
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，S16間距為表面16到成像面19在光軸12的距離。
表6列出本發明的第三實施例中，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 109118104-A0305-02-0014-12
圖2、圖5及圖8分別為依本發明實施例之鏡頭10a、10b及10c的光線扇形圖，圖3、圖6及圖9分別為依本發明實施例之鏡頭10a、10b及10c於不同波長下的焦平面相對於參考點偏移量曲線圖。圖2-3、圖5-6至圖8-9之模擬數據圖顯示本發明實施例之鏡頭確實能夠兼具良好的光學成像品質，且可見光波長450nm與可見光波長550nm的焦平面位移量可小於等於12μm。
藉由本發明實施例的設計，可提供一種能兼顧可使光學鏡頭兼具良好的光學成像品質、低熱飄移量、廣工作溫度範圍(-40度到105度)、與廣視角的特性，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。
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。例如，為了降低成本，可將兩片球面玻璃鏡片以一片塑膠非球面鏡片取代，使得鏡頭總片數減少。或是為了減輕重量，可將兩片球面鏡片以一片非球面鏡片取代，使得鏡頭總片數減少。或是增加鏡片以提升解析度，使得鏡頭總片數增加。或是為了減少色差，可將一片透鏡改以一膠合透鏡取代，使得鏡頭總片數增加。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。此外，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:光學鏡頭
12:光軸
14:光圈
16:濾光片
17:玻璃蓋
19:成像面
20:第一透鏡組
30:第二透鏡組
L1-L7:透鏡
S1-S19:表面
OS:放大側
IS:縮小側
P、Q:轉折點
D1、DL:鏡片直徑

Claims (10)

  1. 一種光學鏡頭，包括：一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡與一膠合透鏡，該第一透鏡為最靠近該光學鏡頭影像放大側的透鏡，該第二透鏡與該第三透鏡其中之一，為第一非球面透鏡，該第四透鏡為第二非球面透鏡，且設於該光學鏡頭影像縮小側和該該膠合透鏡之間；以及一光圈，設於該第二透鏡與該膠合透鏡之間，且該光圈相鄰該第一非球面透鏡，該膠合透鏡設於該第四透鏡和該光圈之間；該光學鏡頭的可見光波長450nm與可見光波長550nm的焦平面距離小於等於15μm，該光學鏡頭的最大視場角介於150度和180度之間，且具有屈光度的透鏡片不超過8片，並最多包含兩片塑膠透鏡，該第一透鏡的鏡片直徑為D1，該第四透鏡的鏡片直徑為DL，該光學鏡頭符合下列條件：1.0<D1/DL<4.0。
  2. 如請求項1所述之光學鏡頭，其中該第一透鏡為球面透鏡，該第二透鏡與該第三透鏡其中之另一為球面透鏡。
  3. 一種光學鏡頭，包括：一第一透鏡組，包含兩片球面透鏡；一第二透鏡組，包含一膠合透鏡和一第一非球面透鏡；以及一光圈，設於該第一透鏡組與該第二透鏡組之間，該光學鏡頭的光圈值小於等於2.0，最大視場角介於150度和180度之間，且具有屈光度的透鏡片為6片至8片，並包括二片非球面透鏡，且最多包含兩片塑膠透鏡，該光學鏡頭的可見光波長450nm與可見光波長550nm的焦平面距離小於等於15μm。
  4. 如請求項3所述之光學鏡頭，其中該兩片球面透鏡中最靠近該光學鏡頭影像放大側的透鏡為第一透鏡，另一片球面透鏡為第二透 鏡和第三透鏡其中之一，一第二非球面透鏡為第二透鏡和第三透鏡其中之另一，該第一非球面透鏡為第四透鏡，且設於該膠合透鏡與該光學鏡頭影像縮小側之間。
  5. 如請求項2或4所述之光學鏡頭，其中該光學鏡頭還滿足下列條件之一：(1)包含一第五透鏡，設於該第三透鏡與該膠合透鏡之間，(2)該膠合透鏡為雙膠合透鏡，(3)該光學鏡頭的所有透鏡的材質均為玻璃。
  6. 如請求項2或4所述之光學鏡頭，其中該光學鏡頭還滿足下列條件之一：(1)包含一第五透鏡，設於該第三透鏡與該膠合透鏡之間，且自影像放大側到影像縮小側，各透鏡的屈光度依序為負、負、正、正、正、負、正，(2)自影像放大側到影像縮小側，各透鏡的屈光度依序為負、負、正、正、負、正。
  7. 如請求項2或4所述之光學鏡頭，其中該光學鏡頭還滿足下列條件之一：(1)包含一第五透鏡，設於該第三透鏡與該膠合透鏡之間，且自影像放大側到影像縮小側，各透鏡的形狀依序為新月、新月、非球面、雙凸、雙凸、新月、非球面，(2)自影像放大側到影像縮小側，各透鏡的形狀依序為新月、新月、非球面、雙凸、雙凹、非球面，(3)自影像放大側到影像縮小側，各透鏡的形狀依序為新月、非球面、新月、雙凸、新月、非球面。
  8. 如請求項1到4任一項所述之光學鏡頭，其中該光學鏡頭還滿足下列條件之一：(1)該膠合透鏡之兩鏡片的阿貝數相差大於40，(2)該膠合透鏡之兩鏡片的阿貝數相差大於50，(3)該光學鏡頭的熱飄移(相對於105度的焦平面)位移量小於等於10μm。
  9. 一種光學鏡頭，包括： 自一方向依序排列的一屈光度為負的第一透鏡、一屈光度為負的第二透鏡、一屈光度為正的第三透鏡、一屈光度為正的第四透鏡、一屈光度為負的第五透鏡和一屈光度為正的第六透鏡，該第一透鏡、該第二透鏡和該第三透鏡之中，包含兩片玻璃球面透鏡和一片非球面透鏡，該第四透鏡和該第五透鏡組合為一膠合透鏡，該第六透鏡為一非球面透鏡，其中該光學鏡頭的可見光波長450nm與可見光波長550nm的焦平面距離小於等於15μm，該第一透鏡的鏡片直徑為D1，該第四透鏡的鏡片直徑為DL，且該光學鏡頭符合下列條件：1.0<D1/DL<4.0；以及一光圈，設於該第二透鏡與該第四透鏡之間，且該光學鏡頭具有屈光度的透鏡片不超過8片，並最多包含兩片塑膠透鏡。
  10. 一種光學鏡頭的製造方法，包括：提供一鏡筒；以及組裝並固定一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡、一第四透鏡、一膠合透鏡與一光圈在該鏡筒內，其中該第一透鏡為最靠近該光學鏡頭影像放大側的透鏡，該第二透鏡與該第三透鏡其中之一，為第一非球面透鏡，該第四透鏡為第二非球面透鏡，且設於該膠合透鏡與該光學鏡頭影像縮小側之間，該光圈設於該第二透鏡與該膠合透鏡之間，且該光圈相鄰該第一非球面透鏡，該膠合透鏡設於該第四透鏡和該光圈之間，該光學鏡頭的可見光波長450nm與可見光波長550nm的焦平面距離小於等於15μm，該光學鏡頭的最大視場角介於150度和180度之間，且具有屈光度的透鏡片不超過8片，並最多包含兩片塑膠透鏡，該第一透鏡的鏡片直徑為D1，該第四透鏡的鏡片直徑為DL，該光學鏡頭符合下列條件：1.0<D1/DL<4.0。
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