三鏡片光學取像鏡頭的製作方法

2023-09-18 20:05:30

專利名稱：三鏡片光學取像鏡頭的製作方法
技術領域：
本實用新型有關一種三鏡片光學取像鏡頭，尤指一種針對行動電話或使用 CCD(電荷藕合裝置)或CMOS(互補型金屬氧化物半導體)等影像傳感器的光學取像鏡頭。
背景技術：
隨著科技的進步，電子產品不斷地朝向輕薄短小以及多功能的方向發展，而電子 產品中如數字相機(Digital Still Camera)、電腦相機(PC camera)、網絡相機(Network camera)、行動電話(手機)等已具備取像裝置(鏡頭)之外，甚至個人數字輔助器(PDA) 等裝置也有加上取像裝置(鏡頭)的需求；而為了攜帶方便及符合人性化的需求，取像裝置 不僅需要具有良好的成像質量，同時也需要有較小的體積與較低的成本，才能有效提升該 取像裝置的應用性，尤其是應用於行動電話上，上述需要或條件更為重要。而由於傳統的球面研磨玻璃透鏡的材質選擇性較多，且對於修正色差較為有利， 已廣為業界所使用，但球面研磨玻璃透鏡應用在焦數(F number)較小以及視場角(field angle)較大的情況時，球差及像散等像差的修正仍較困難；而為了改善上述傳統的球面 研磨玻璃透鏡的缺點，目前的取像裝置已有使用非球麵塑料透鏡或使用非球面模造玻璃 透鏡，以獲得較佳的成像質量，如美國實用新型專利US 2007/0091457、US 6，515，809、 US 7，262，925、US 2007/0195432、US 2005/0128334，或如日本專利 JP 2007-121820、 JP 2005-352317、 JP2004-163786, JP 2007-094113、 JP 2005-338234JP 2007-047513、 JP 2006-098976等，多件包含三片式透鏡(lens elements)的光學取像鏡頭結構設計； 而上述多件實用新型專利的結構設計之間的差異處或技術特徵則決定於以下各種因素的 變化或組合而已各件專利中該三透鏡之間對應配合的形狀設計不同，如第一、二、三等三 透鏡皆為新月型(meniscus shape)透鏡，或第一、二透鏡為新月型而第三透鏡為平凹型 (plano-concave shape)或平凸型(plano-convex shape)；及/或各件專禾[I中該三透鏡之 間對應配合的凸面/凹面方向不同，如第一 / 二 /三等三透鏡的凸面/凹面可安排在物側 /像側等多種變化組合；及/或各件專利中該三透鏡之間對應配合的屈光度(refractive power)正/負不同，如日本特許第3717488號專利等。由上可知，就三透鏡的光學取像鏡頭的設計而論，其現有技術在設計光學取像鏡 頭技術領域，是為各種不同光學目的的應用，而產生不同的變化或組合，因其使用透鏡形 狀、組合、作用或功效不同，即可視為具有新穎性(novelty)或創造性(inventive step) 0近年為應用於小型相機、照像手機、PDA等產品，其取像鏡頭要求小型化、焦距短、 像差調整良好，在各種小型化的三透鏡取像鏡頭設計中，以正屈光度的第一透鏡、負屈光度 的第二透鏡、具有反曲點變化正負屈光度的第三鏡片(稱為M型鏡片、M-shaped lens)，最 可能達到小型化的需求。對於不同的成像方法在第一片為正屈光度、第二片為負屈光度、第三片為正屈光 度M型鏡片，如歐洲專利EP 1830210、日本專利公開號JP2008-139853、JP 2006-178328、 美國專利 US 7，397，613、US 7，486，328、US7, 423，817、US 7，468，847、US 7，515，358、美國專利公開號 US 2007/0195426、US 2007/0217034、US 2007/0229986, US 2008/0239510、 中國臺灣專利TWM343167、中國臺灣專利公開號TW 200639432、中國專利公開號CN 1670560、CN 1873460等；在第一片為正屈光度、第二片為負屈光度、第三片為負屈光度 M 型鏡片，如歐洲專利 EP 1840618、EP 1942363、美國專利 US 7，460，315、US7, 460，314、 US 7，450，323、US 7，511，899、美國專利公開號 US 2007/0229987、US 2008/0225401、US 2008/0266679、US 2008/0225401、US 2007/0195426、日本專利 JP 3816093、日本專利公 開號 JP 2008-276200、JP 2008-233222、JP2008-276200、JP2007-010773、WIPO 專利 WO 2007039980、中國專利公開號CN 1945372等。然而，在應用於光學取像鏡頭上，尤其使用於小型(薄形)裝置如行動電話的取像 鏡頭、網絡相機取像鏡頭等，鏡頭直徑小(鏡片有效半徑小)、取像鏡頭全長短(鏡片總長 短)、影像傳感器與鏡片距離短(短後焦)及具有良好像差修正的光學取像鏡頭為使用者迫 切的需求。先前技術在解決此問題上，使用不同的透鏡組成、使用不同鏡片形狀或使用不同 相關光學參數等。
實用新型內容本實用新型的目的在於克服現有技術的不足，提供一種三鏡片光學取像鏡頭，其 可有效縮短後焦距長度及增廣視角，以運用於小型薄型的行動電話或光學系統上。為解決上述問題，本實用新型提供一種三鏡片光學取像鏡頭，沿著光軸由一物側 至一像側排列依序包含一孔徑光闌；一第一透鏡，為一新月型透鏡，具有正屈光度；一第 二透鏡，具有一物側面及一像側面，於近光軸處可為正屈光度或負屈光度，所述物側面及像 側面各具有至少一個反曲點，位於第二透鏡中心向邊緣處；以及一第三透鏡，具有一物側面 及一像側面，於近光軸處為正屈光度，所述物側面及像側面各具有至少一個反曲點，位於第 三透鏡中心向邊緣處。本實用新型的三鏡片光學取像鏡頭進一步滿足下列(1)與( 式條件0. 29≤ BFL/TL ≤ 0. 36(1)59. 0° ≤ 2ω ≤ 72. 0° (2)其中，第二透鏡可為自透鏡中心向透鏡邊緣為負屈光度逐漸變成正屈光度，或為 透鏡中心向透鏡邊緣為正屈光度逐漸變成負屈光度的不同鏡片型式；當第二透鏡為負屈光 度逐漸變成正屈光度時滿足下列式( 條件0. 700 ( H2VH2t ( 0. 995 (3)當第二透鏡為正屈光度逐漸變成負屈光度時滿足下列式(4)條件0. 755 ( H2+/H2t ( 0. 955 (4)其中，第三透鏡滿足下列式( 條件0. 590 ( H3+/H3t ( 0. 790 (5)其中，第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡的焦距分別滿足下列式(6) (8)條件1. 21 ≤ fjf ≤ 1. 66(6) -2. 40 ≤ f2/f ≤ 6. 34 (7)0. 81 ≤ f3/f ≤ 2. 95(8)其中，[0024]BFL為三鏡片光學取像鏡頭的後焦距，TL為光軸上所述孔徑光闌至影像傳感器物側面的距離，2 ω為三鏡片光學取像鏡頭的最大場視角，Η2_為第二透鏡負屈光度變成正屈光度界面點以垂直於光軸與光軸交點的長度，H2+為第二透鏡正屈光度變成負屈光度界面點以垂直於光軸與光軸交點的長度，H2t為第二透鏡L2像側面R4最大光學有效點以垂直於光軸Z與光軸Z交點的長度，H3+為第三透鏡L3像側面&反曲點以垂直於光軸Z與光軸Z交點的長度，[0031 ]H3t為第三透鏡L3像側面&最大光學有效點以垂直於光軸Z與光軸Z交點的長度，f為三鏡片光學取像鏡頭1的有效焦距，f,為第一透鏡L1的有效焦距，f2為第二透鏡L2的有效焦距，以及f3為第三透鏡L3的有效焦距。採用上述技術方案，使本實用新型可有效修正像差，使取像鏡頭具有高解析度而 又能有效縮小鏡頭長度，達成小型化且較低成本的功效，從而提升取像鏡頭的應用性。
圖1為本實用新型三鏡片光學取像鏡頭光學結構示意圖；圖2為圖1的第二透鏡像側面的反曲點、H2_及H2t的示意圖；圖3為圖1的第三透鏡像側面的反曲點、H3_及H3t的示意圖；圖4為本實用新型三鏡片光學取像鏡頭另一光學結構示意圖；圖5為圖4的第二透鏡像側面的反曲點、H2+及H2t的示意圖；圖6為本實用新型三鏡片光學取像鏡頭第一實施例的光路結構示意圖；圖7為本實用新型三鏡片光學取像鏡頭第一實施例的場曲圖；圖8為本實用新型三鏡片光學取像鏡頭第一實施例的畸變圖；圖9為本實用新型三鏡片光學取像鏡頭第二實施例的光路結構示意圖；圖10為本實用新型三鏡片光學取像鏡頭第二實施例的場曲圖；圖11為本實用新型三鏡片光學取像鏡頭第二實施例的畸變圖；圖12為本實用新型三鏡片光學取像鏡頭第三實施例的光路結構示意圖；圖13為本實用新型三鏡片光學取像鏡頭第三實施例的場曲圖；圖14為本實用新型三鏡片光學取像鏡頭第三實施例的畸變圖；圖15為本實用新型三鏡片光學取像鏡頭第四實施例的光路結構示意圖；圖16為本實用新型三鏡片光學取像鏡頭第四實施例的場曲圖；以及圖17為本實用新型三鏡片光學取像鏡頭第四實施例的畸變圖。主要元件符號說明Z 光軸；L1 第一透鏡；L2:第二透鏡；L3:第三透鏡；11 孔徑光闌；12 紅外線濾光片；13 影像傳感器； R1 第一透鏡物側面；[0060]R4 第二透鏡像側面出5 第三透鏡物側面；R6 第三透鏡像側面；Cl1 光軸上物至第一透鏡物側面距離；d2 光軸上第--透鏡物側面至像側面距離；d3光軸上第--透鏡像側面至第二透鏡物側面距離；d4 光軸上第二二透鏡物側面至像側面距離；d5 光軸上第二二透鏡像側面至第三透鏡物側面距離；d6 光軸上第三三透鏡物側面至像側面距離；d7:光軸上第三三透鏡像側面至紅外線濾光片物側面距離；d8 光軸上紅外線濾光片物側面至像側面距離；d9 光軸上紅外線濾光片像側面至影像傳感器物側面距離；H2-第二透鏡負屈光度變成正屈光度界面點以垂直於光軸與光軸交點的長度；H2+第二透鏡正屈光度變成負屈光度界面點以垂直於光軸與光軸交點的長度；H2t第二透鏡像側面最大光學有效點以垂直於光軸與光軸交點的長度；H3+第三透鏡像側面的反曲點以垂直於光軸與光軸交點的長度；以及H3t第三透鏡像側面最大光學有效點以垂直於光軸與光軸交點的長度。
具體實施方式
為使本實用新型更加明確詳實，茲列舉較佳實施例並配合下列附圖，將本實用新 型的結構及技術特徵詳述如後參照圖1所示，本實用新型是三鏡片光學取像鏡頭1，其沿著光軸Z由物側至像側 依序排列，包含一孔徑光闌(aperture stop) 11、一第一透鏡L1、一第二透鏡L2、一第三透 鏡L3、一紅外線濾光片(IR cut-off filter) 12及一影像傳感器(image sensing chip) 13。 取像時，物(object)的光線是先經過第一透鏡L1、第二透鏡L2及第三透鏡L3後，再經過紅 外線濾光片12而成像於影像傳感器13上。所述孔徑光闌11屬於一種前置光圈，其設於第一透鏡L1的物側面R1前。所述第一透鏡L1為具有正屈光度的新月型透鏡，可利用折射率(Nd1)大於1. 5、阿 貝數(vdl)大於陽的玻璃或塑料材質製成。第一透鏡L1的物側面R1為凸面，而像側面& 為凹面，並且其物側面R1及像側面&至少有一面為非球面或雙面均為非球面。所述第二透鏡L2為透鏡中心的物側面民是凸面、像側面R4是凹面，且物側面R3及 像側面R4為各具有至少一個反曲點(inflection point)的非球面透鏡，可利用折射率Nd2 大於1.6、阿貝數vd2大於沈的玻璃或塑料材質製成。第二透鏡L2的物側面R3及像側面 R4自透鏡中心向透鏡邊緣為負屈光度經過反曲點變成正屈光度，其斷面自透鏡中心至兩邊 緣呈現如M字型的形狀，如圖2所示，也就是在物側面&及像側面R4在近光軸的凸面/或 凹面是向透鏡邊緣逐漸變化弧度(曲率)而轉變成凹面/或凸面，因此在物側面民及像側 面R4分別各形成一反曲點。當反曲點的切線與光軸Z垂直交叉，在像側面R4自反曲點至光軸Z的垂直距離為 第二透鏡L2的相當負屈光度(equivalent negative refractive power)範圍高度,記為 H2_，如圖2所示；第二透鏡L2像側面R4的最大光學有效點(意即第二透鏡L2可供光線通過的最大區域)至光軸Z的垂直距離，記為H2t。H2_與H2t的比值為相當負屈光度佔最大光學 有效點的範圍大小。為能有良好的成像效果，H2_與H2t的比值在70% 99. 5%為較佳。所述第三透鏡L3為透鏡中心的物側面&是凸面，而像側面&是凹面，於近光軸處 為正屈光度，且物側面&及像側面&為各具有至少一個反曲點(inflection point)的非 球面透鏡，可利用折射率Nd3大於1.5、阿貝數vd3大於55的玻璃或塑料材質製成。第三透 鏡「的物側面&及像側面&自透鏡中心向透鏡邊緣為正屈光度逐漸變成負屈光度，其斷 面自透鏡中心至兩邊緣呈現如M字型的形狀，如圖3所示，也就是在物側面&及像側面& 在近光軸的凸面/或凹面是向透鏡邊緣逐漸變化弧度(曲率)而轉變成凹面/或凸面，因 此在物側面R5及像側面&分別各形成一反曲點。當反曲點的切線與光軸Z垂直交叉，在像側面&自反曲點至光軸Z的垂直距離為 第三透鏡L3的相當正屈光(equivalent positive refractive power)度範圍高度,記為 H3+,如圖3所示；第三透鏡L3像側面&的最大光學有效點(意即第三透鏡L3可供光線通過 的最大區域)至光軸Z的垂直距離，記為H3t。H3+與Hm的比值為相當正屈光度佔最大光學 有效點的範圍大小。為能有良好的成像效果，H3+與H3t的比值在59% 79%為較佳。所述紅外線濾光片12可為一玻璃鏡片，或利用鍍膜技術形成一具有紅外線濾光 功能的薄膜。所述影像傳感器13可為CXD (電荷藕合裝置)或CMOS (互補型金屬氧化物半導 體)。本實用新型三鏡片光學取像鏡頭1滿足下列式⑴ (3)及(5) ⑶條件0. 29 彡 BFL/TL 彡 0. 36 (1)59. 0° 彡 2ω 彡 72. 0° (2)0. 700 ( H2VH2t ( 0. 995 (3)0. 590 ( H3+/H3t ( 0. 790 (5)1. 21 ^ fjf ^ 1. 66(6)-2. 40 彡 f2/f 彡 6. 34 (7)0. 81 ^ f3/f ^ 2. 95(8)其中，BFL為三鏡片光學取像鏡頭1的後焦距，TL為光軸上孔徑光闌11至影像傳感器13物側面的距離，2 ω為三鏡片光學取像鏡頭1的最大場視角，Η2_為第二透鏡L2負屈光度變成正屈光度界面點以垂直於光軸Z與光軸Z交點的 長度，H2t為第二透鏡L2像側面R4最大光學有效點以垂直於光軸Z與光軸Z交點的長度，H3+為第三透鏡L3像側面&的反曲點以垂直於光軸Z與光軸Z交點的長度，[0101 ] H3t為第三透鏡L3像側面&最大光學有效點以垂直於光軸Z與光軸Z交點的長度，f為三鏡片光學取像鏡頭1的有效焦距，f,為第一透鏡L1的有效焦距，f2為第二透鏡L2的有效焦距，以及f3為第三透鏡L3的有效焦距。[0106]本實用新型三鏡片光學取像鏡頭1的第二透鏡L2的透鏡中心及透鏡邊緣的屈光 度並不限於上述。參照圖4，第二透鏡L2的物側面R3及像側面R4自透鏡中心向透鏡邊緣為 正屈光度逐漸變成負屈光度，其斷面自透鏡中心至兩邊緣呈現如M字型的形狀，也就是在 物側面&及像側面R4在近光軸的凸面/或凹面是向透鏡邊緣逐漸變化弧度(曲率)而轉 變成凹面/或凸面，因此使屈光度正/負轉變之間形成一反曲點。當反曲點的切線與光軸Z垂直交叉，在像側面R4自反曲點至光軸Z的垂直距離為 第二透鏡L2的相當正屈光度範圍高度，記為H2+，如圖5所示；第二透鏡L2像側面R4的最大 光學有效點(意即第二透鏡L2可供光線通過的最大區域)至光軸Z的垂直距離，記為H2t。 H2+與H2t的比值為正屈光度佔最大光學有效點的範圍大小。為能有良好的成像效果，H2+與 H2t的比值在76% 76%為較佳。如此，本實用新型三鏡片光學取像鏡頭1滿足下列式(1) (2)及(4) (8)條 件0. 29 彡 BFL/TL 彡 0. 36 (1)59. 0° 彡 2ω 彡 72. 0° (2)0. 755 ( H2+/H2t ( 0. 955 (4)0. 590 ( H3+/H3t ( 0. 790 (5)1. 21 ^ fjf ^ 1. 66(6)-2. 40 ^ f2/f ^ 6. 34(7)0. 81 ^ f3/f ^ 2. 95(8)其中，H2+為第二透鏡L2正屈光度變成負屈光度界面點以垂直於光軸與光軸交點 的長度，其餘各項參數的定義皆與上述相同。為達到本實用新型目的，第一透鏡L1、第二透鏡L2及第三透鏡L3的光學面均 為非球面為較佳，但第一透鏡L1F以此為限，也可以採用球面設計。非球面的方程式 (Aspherical Surface Formula)為式(9)
權利要求1.一種三鏡片光學取像鏡頭，其特徵在於，沿著光軸由一物側至一像側排列依序包含一孔徑光闌；一第一透鏡，為一新月型透鏡，具有正屈光度；一第二透鏡，具有一物側面及一像側面，所述物側面及像側面各具有至少一個反曲點， 位於所述第二透鏡中心向邊緣處；以及一第三透鏡，具有一物側面及一像側面，於近光軸處為正屈光度，所述物側面及像側面 各具有至少一個反曲點，位於所述第三透鏡中心向邊緣處。
2.如權利要求1所述的三鏡片光學取像鏡頭，其特徵在於，所述三鏡片光學取像鏡頭 滿足以下條件.0. 29 ≤ BFL/TL ≤ 0. 36 其中，BFL為三鏡片光學取像鏡頭的後焦距，TL為光軸上所述孔徑光闌至影像傳感器物側面的距離。
3.如權利要求1所述的三鏡片光學取像鏡頭，其特徵在於，所述三鏡片光學取像鏡頭 滿足以下條件59° ≤ 2ω ≤ 72°其中，2 ω為三鏡片光學取像鏡頭的最大場視角。
4.如權利要求1所述的三鏡片光學取像鏡頭，其特徵在於，所述第二透鏡近軸中心為 負屈光度，向所述第二透鏡邊緣逐漸增加變成正屈光度。
5.如權利要求4所述的三鏡片光學取像鏡頭，其特徵在於，所述第二透鏡滿足以下條件.0. 700 ≤ H2/H2t ≤ 0. 995 其中，H2_為所述第二透鏡負屈光度變成正屈光度界面點以垂直於光軸與光軸交點的長度，以及H2t為所述第二透鏡像側光學面最大光學有效點以垂直於光軸與光軸交點的長度。
6.如權利要求1所述的三鏡片光學取像鏡頭，其特徵在於，所述第二透鏡近軸中心為 正屈光度，向所述第二透鏡邊緣逐漸減少變成負屈光度。
7.如權利要求6所述的三鏡片光學取像鏡頭，其特徵在於，所述第二透鏡滿足以下條件.0. 755 ≤ H2+/H2t ≤ 0. 955 其中，H2+為所述第二透鏡正屈光度變成負屈光度界面點以垂直於光軸與光軸交點的長度，以及H2t為所述第二透鏡像側光學面最大光學有效點以垂直於光軸與光軸交點的長度。
8.如權利要求1所述的三鏡片光學取像鏡頭，其特徵在於，所述三鏡片光學取像鏡頭 滿足以下條件.0. 590 ≤ H3+/H3t ≤ 0. 790其中，H3+為所述第三透鏡像側光學面的所述反曲點以垂直於光軸與光軸交點的長度，以及 HmS所述第三透鏡像側光學面最大光學有效點以垂直於光軸與光軸交點的長度。
9.如權利要求1所述的三鏡片光學取像鏡頭，其特徵在於，所述三鏡片光學取像鏡頭 滿足以下條件
10.如權利要求1所述的三鏡片光學取像鏡頭，其特徵在於，所述第一透鏡的所述物側 面及像側面至少有一面為非球面。
11.如權利要求1所述的三鏡片光學取像鏡頭，其特徵在於，所述第一透鏡、第二透鏡 及第三透鏡由塑料材質製成。
12.如權利要求1所述的三鏡片光學取像鏡頭，其特徵在於，所述第一透鏡、第二透鏡 及第三透鏡由玻璃材質製成。
專利摘要本實用新型揭露一種三鏡片光學取像鏡頭，沿著光軸由一物側至一像側排列依序包含一孔徑光闌、一第一透鏡、一第二透鏡以及一第三透鏡。第一透鏡為正屈光度的新月型鏡片。第二透鏡具有一物側面及一像側面，物側面及像側面各具有至少一個反曲點，位於第二透鏡中心向邊緣處。第三透鏡具有一物側面及一像側面，於近光軸處為正屈光度，物側面及像側面各具有至少一個反曲點，位於第三透鏡中心向邊緣處。本實用新型可有效修正像差，使取像鏡頭具有高解析度而又能有效縮小鏡頭長度，達成小型化且較低成本的功效，從而提升取像鏡頭的應用性。
文檔編號G02B13/00GK201837769SQ20102025899
公開日2011年5月18日 申請日期2010年6月30日 優先權日2010年6月30日
發明者徐三偉, 施柏源 申請人:一品光學工業股份有限公司