專利名稱：微型取像鏡頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種微型取像鏡頭，尤其系指一種由較少鏡片構成，適合在手機、薄型數碼相機中使用的高性能、低成本且尺寸短小的微型取像鏡頭。
背景技術：
行動數據裝置如手機、個人數字助理(PDA)與光電技術整合已成為當今科技發展的趨勢之一，可拍照手機是此項技術潮流中的典型代表。就設計而言，為了攜帶方便及符合人性化要求，可拍照手機的取像鏡頭不僅需要具有良好的成像質量，還需要有較小的體積及較低的成本。因此，與傳統照相機、攝影機及一般數碼相機的可調焦、可變焦鏡頭不同，可拍照手機中所使用的取像鏡頭尺寸要小很多，結構亦簡單很多，且主要是以定焦鏡頭為主。在取像鏡頭的鏡片形態及材質選擇上，由于傳統的球面研磨玻璃鏡片的材質選擇較多，其對于校正色差較為有利，已廣為業界所使用。但球面研磨玻璃鏡片使用于數值孔徑(F Number)較小以及視角(Wide-angle)較大的情形時，球差及像散等像差的校正仍較困難。為了改善傳統鏡頭中球面研磨玻璃鏡片的缺陷，業界采用非球面塑料鏡片或者非球面模造玻璃鏡片作為取像鏡片的光學組件，以獲得較佳的成像質量。為了有效校正像差，取像鏡頭通常是由多組透鏡組構成，例如美國專利公告第6,031,670號所揭示的取像鏡頭結構。但是此類由多透鏡組構成的取像鏡頭整體尺寸相對較長，所需的安裝空間較大，對于厚度尺寸在20mm以內的手機或薄型數碼相機等攝像裝置而言是不適合的，因為此類鏡頭既難以裝入手機機構件中，亦由于鏡片過多造成成本增加并加重最終產品的重量。
另外，美國專利第6,441,971 B2號揭示的一種適合可拍照手機使用的微型取像鏡頭，其是采用一玻璃鏡片與二塑料鏡片相結合的三鏡片構形，并將光圈置于第一片鏡片前方，可使得光圈或快門與鏡片的組配無關，并且拉長出瞳(Exit Pupil)位置。靠近光圈的第一片鏡片主要功能為主導成像，提供折射力(Power)，而第二、三片鏡片不僅要提供折射力以聚焦成像，更需要修正各種像差以獲得較佳的成像畫質。然而，在此種形式下，面偏芯大多非常敏感，而且一玻璃鏡片加二塑料鏡片的形式不僅在價格因素上失去競爭力，亦使得鏡頭的整體長度仍然較長，重量亦因含有玻璃鏡片而仍然較重。因此，此類微型鏡頭仍有進一步改善設計的必要。
發明內容本發明的目的在于提供一種微型取像鏡頭，該鏡頭的鏡片數目少且結構緊湊，縮小了鏡頭尺寸并減輕重量，具有大視角、大孔徑數值及低敏感度，并可以有效校正像差及場曲，有利于節省成本及提高取像鏡頭在攜帶式電子取像裝置上的適用性。
本發明目的可以通過以下技術方案實現一種微型取像鏡頭，其從物方到像方依次包括正屈光度的第一鏡片及負屈光度的第二鏡片，該第一鏡片包含有面對被攝物體的第一面及面對成像面的第二面，該第二鏡片包含有面對被攝物體的第三面及面對成像面的第四面，其中該第一面是相對于被攝物體呈凹陷構形的凹面，第二面是相對于成像面呈凸出構形的凸面，且該第一、二面中至少有一面為非球面，第三、四面中也至少有一面為非球面。
上述微型取像鏡頭，其滿足如下關系式0.6<-f1f2<1.2---(a-1)]]>式a-1中，f1是第一鏡片的光學焦距，f2是第二鏡片的光學焦距。
上述微型取像鏡頭，其中第一鏡片的第一面及第二面均為非球面。
上述微型取像鏡頭，其中第一鏡片的第一面及第二面滿足如下條件0.1<S1S2·FNO<0.3---(a-2)]]>式a-2中，S1為第一面最大孔徑的彎曲量，S2為第二面最大孔徑的彎曲量，FNO為光圈孔徑數值。
上述微型取像鏡頭，其中第一鏡片的第二面及第二鏡片的第三面滿足如下條件0.45<R2R3<0.95---(a-3)]]>
式a-3中，R2為第一鏡片的第二面的曲率半徑，R3為第二鏡片的第三面的曲率半徑。
上述微型取像鏡頭，其中第一鏡片的第一面與被攝物體之間設置有光圈。
上述微型取像鏡頭中，第一、二鏡片的非球面可由下列非球面公式表達z=ch21+[1-(k+1)c2h2]12+Ah4+Bh6+Ch8+Dh10+Eh12+Fh14+Gh16]]>與現有技術相比，本發明微型取像鏡頭采用正、負兩片非球面鏡片，第一鏡片為凸向成像面的半月形鏡片，可使入射光束在第一面就闊束，從而使光束在第二面上可分布較大的面積，如此可充分發揮非球面的功能，矯正像差及減低公差敏感度。第二鏡片為負透鏡，其主要功能在于補償色差及矯正軸外像差，采用非球面設計除了可矯正像差外還有助于縮短鏡頭光學系統的總長。且第一、二鏡片均可采用塑料材質，有利于消除像差及減輕鏡頭重量。本發明整個光學系統只用到兩個塑料鏡片，可減低成本，適合大量生產，且其結構緊湊，公差敏感度低，易于制造組配，符合大規模量產的要求。
圖1是本發明微型取像鏡頭的光學結構圖。
圖2是本發明微型取像鏡頭依據第一數值實施例的光學結構圖。
圖3A是本發明的第一數值實施例的縱向球面像差表現圖。
圖3B是本發明的第一數值實施例的場曲表現圖。
圖4是本發明微型取像鏡頭依據第二數值實施例的光學結構圖。
圖5A是本發明的第二數值實施例的縱向球面像差表現圖。
圖5B是本發明的第二數值實施例的場曲表現圖。
圖6是本發明微型取像鏡頭依據第三數值實施例的光學結構圖。
圖7A是本發明的第三數值實施例的縱向球面像差表現圖。
圖7B是本發明的第三數值實施例的場曲表現圖。
具體實施方式
如圖1所示為本發明的微型取像鏡頭的光學結構圖，該微型取像鏡頭從物方到像方依次包括正屈光度的第一鏡片1及負屈光度的第二鏡片2，使光線透過第一鏡片1及第二鏡片2后，聚焦于一CCD(Charge Coupled Device，電荷耦合組件)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補式金屬氧化物半導體)影像傳感器4(成像面)上，而獲得清晰成像。其中，該第一鏡片1包含面對被攝物體的第一面11及面對成像面的第二面12，該第一面11是相對于被攝物體呈凹陷構形的凹面，第二面12則是相對于成像面呈凸出構形的凸面，而使該第一鏡片1呈半月形，且第一、二面11、12中至少有一面是非球面。另外，第二鏡片2也包含面對被攝物體的第三面21及面對成像面的第四面22，其中第三面21是相對于被攝物體呈凹陷構形的凹面，而第四面22則是相對于成像面呈陷構形的凹面，且該第三、四面21、22中至少有一面是非球面。在第二鏡片2與成像面4之間設置有一玻璃蓋板3，而光圈5則設置在第一鏡片1前方，即第一面11與被攝物體之間。光圈置于系統的最前方，可使光學系統的出瞳(Exit Pupil)位置變長。
本發明的微型取像鏡頭中，第一鏡片1與第二鏡片2滿足下式0.6<-f1f2<1.2---(a-1)]]>式a-1中，f1是第一鏡片1的光學焦距，f2是第二鏡片2的光學焦距。當f1/f2的比值達上限時，散焦(Defocus)愈顯著。當此值達下限時，珀茲伐半徑(Petzval Radius)愈小，離軸像差愈難以矯正。
容易理解，本發明的微型取像鏡頭中，第一鏡片1的第一面11及第二面12均可設計為非球面。由于第一面11為凹面，可使入射光束在該第一面11就闊束，使得光束在該第一鏡片1的凸面即第二面12上分布較大的面積，如第一面11及第二面12均設計為非球面，則該第一鏡片1的半月形構造可充分發揮非球面的功能，矯正像差及減低公差敏感度。
當第一鏡片1的第一面11及第二面12均為非球面時，該第一面11及第二面12滿足如下條件0.1<S1S2·FNO<0.3---(a-2)]]>式a-2中，S1為第一面11最大孔徑的彎曲量，S2為第二面12最大孔徑的彎曲量，FNO為光圈孔徑數值。當此值達上限時，離軸的上光束不易矯正，產生光點的拖影現象。當此值達下限時，孔徑像差變大，當孔徑數值(FNO)大于4以上時，并不明顯，然而為了獲得足夠的光亮，目前市面上的手機用鏡頭絕大多孔徑數值為2.8或3.2。
本發明微型取像鏡頭的第二鏡片2的第三面21及第四面22亦可設計為非球面，以使微型取像鏡頭獲得較佳的像差矯正。其中，第二鏡片的第三面及第一鏡片的第二面滿足如下條件0.45<R2R3<0.95---(a-3)]]>式a-3中，R2為第一鏡片的第二面的曲率半徑，R3為第二鏡片的第三面的曲率半徑。當此值達上限時，會造成場曲(Field Curvature)嚴重的內彎。當此值達下限時，像散(Astigmatism)會難以矯正。
第一、二鏡片1、2若采用球面鏡片，則需要有足夠長的空間來設置復合鏡片以矯正像差，因此本發明采用非球面鏡片，可減少鏡頭的鏡片數目并縮減鏡頭總長。其中，非球面的面型可用下列公式表示z=ch21+[1-(k+1)c2h2]12+Ah4+Bh6+Ch8+Dh10+Eh12+Fh14+Gh16]]>其中，z為沿光軸方向在高度為h的位置以表面頂點作參考距光軸的位移值；k為錐度常量；c為曲率半徑的倒數；A、B、C、D、E、F、G為高階非球面系數。
基于前述本發明的技術內容，可依據下列數值實施例具體實施第一數值實施例
非球面系數的具體數值如下表所列
依據前述a-1、a-2及a-3式，依上開第一數值實施例實施的微型取像鏡頭的相關性能指數如下表
請參閱圖2所示，依據上述第一數值實施例所實施的本發明微型取像鏡頭，其中第一鏡片1第一面及第二面均為非球面，第二鏡片2的第三面及第四面也是非球面，鏡頭的焦距為2.48mm，光圈孔徑數值為2.84，前述a-1式、a-2式及a-3式的數值分別為-f1/f2＝0.769，S1*FNO/S2＝0.215，R2/R3＝0.674。如圖3A所示本發明依據第一數值實施例獲得的微型取像鏡頭的縱向球面像差表現，圖3B所示的場曲表現，表明本發明依據第一數值實施例實施的微型取像鏡頭具有良好的光學性能。
本發明的微型取像鏡頭還可依據以下第二數值實施例具體實施
非球面系數的具體數值如下表所列
依據前述a-1、a-2及a-3式，依上述第二數值實施例實施的微型取像鏡頭的相關性能指數如下表
請參閱圖4所示，依據上述第二數值實施例所實施的本發明微型取像鏡頭，其中第一鏡片1第一面及第二面均為非球面，第二鏡片2的第三面及第四面也是非球面，鏡頭的焦距為2.48mm，光圈孔徑數值為2.84，前述a-1式、a-2式及a-3式的數值分別為-f1/f2＝0.763，S1*FNO/S2＝0.243，R2/R3＝0.657。請參閱圖5A所示本發明依據第二數值實施例獲得的微型取像鏡頭的縱向球面像差表現及圖5B所示的場曲表現，表明本發明依據第二數值實施例實施的微型取像鏡頭具有良好的光學性能。
本發明的微型取像鏡頭還可依據以下第三數值實施例具體實施
非球面系數的具體數值如下表所列
依據前述a-1、a-2及a-3式，依上述第三數值實施例實施的微型取像鏡頭的相關性能指數如下表
請參閱圖6所示，依據上述第三數值實施例所實施的本發明微型取像鏡頭，其中第一鏡片1第一面及第二面均為非球面，第二鏡片2的第三面及第四面也是非球面，鏡頭的焦距為2.51mm，光圈孔徑數值為3.0，前述a-1式、a-2式及a-3式的數值分別為-f1/f2＝0.913，S1*FNO/S2＝0.164，R2/R3＝0.847。請參閱圖7A所示本發明依據第三數值實施例獲得的微型取像鏡頭的縱向球面像差表現及圖7B所示的場曲表現，表明本發明依據第三數值實施例實施的微型取像鏡頭具有良好的光學性能。
本發明的微型取像鏡頭采用正、負兩片非球面鏡片，第一鏡片1為凸向成像面的半月形鏡片，可使入射光束在第一面11就闊束，從而使光束在第二面12上可分布較大的面積，如此可充分發揮非球面的功能，矯正像差及減低公差敏感度。第二鏡片2為負透鏡，其主要功能在于補償色差及矯正軸外像差，采用非球面設計除了可矯正像差外還有助于縮短鏡頭光學系統的總長。且第一、二鏡片1、2均可采用塑料材質，有利于消除像差及減輕鏡頭重量。本發明整個光學系統只用到兩個塑料鏡片，可減低成本，適合大量生產，且其結構緊湊，公差敏感度低，易于制造裝配，符合大規模量產的要求。
權利要求
1.一種微型取像鏡頭，其自被攝物體一側到成像面一側依次包括第一鏡片及第二鏡片，其中第一鏡片包含有面對被攝物體的第一面及面對成像面的第二面，其特征在于所述第一面是相對于被攝物體呈凹陷構形的凹面，第二面是相對于成像面呈凸出構形的凸面，且所述第一、二面中至少有一面是非球面；第二鏡片為一負屈光度的鏡片，其包含有面對被攝物體的第三面及面對成像面的第四面，且所述第三、四面中至少有一面是非球面。
2.如權利要求1所述的微型取像鏡頭，其特征在于所述第一鏡片及第二鏡片滿足如下關系式0.6<-f1f2<1.2]]>上式中，f1是第一鏡片的光學焦距，f2是第二鏡片的光學焦距。
3.如權利要求2所述的微型取像鏡頭，其特征在于所述第一鏡片的第一面及第二面均為非球面。
4.如權利要求3所述的微型取像鏡頭，其特征在于所述第一鏡片的第一面及第二面滿足如下條件0.1<S1S2·FNO<0.3]]>上式中，S1為第一面最大孔徑的彎曲量，S2為第二面最大孔徑的彎曲量，FNO為光圈孔徑數值。
5.如權利要求2或4所述的微型取像鏡頭，其特征在于所述第二鏡片的第三面是非球面。
6.如權利要求5所述的微型取像鏡頭，其特征在于所述第二鏡片的第三面與第一鏡片的第二面之間滿足如下條件0.45<R2R3<0.95]]>上式中，R2為第一鏡片的第二面的曲率半徑，R3為第二鏡片的第三面的曲率半徑。
7.如權利要求6所述的微型取像鏡頭，其特征在于所述第二鏡片的第四面是非球面。
8.如權利要求7所述的微型取像鏡頭，其特征在于所述非球面的面型滿足下列公式z=ch21+[1-(k+1)c2h2]12+Ah4+Bh6+Ch8+Dh10+Eh12+Fh14+Gh16]]>其中，z為沿光軸方向在高度為h的位置以表面頂點作參考距光軸的位移值；k為錐度常量；c為曲率半徑的倒數；A、B、C、D、E、F、G為高階非球面系數。
9.如權利要求1所述的微型取像鏡頭，其特征在于所述第一鏡片的第一面與被攝物體之間設置有光圈。
10.一種微型取像鏡頭，其自被攝物體一側到成像面一側依次包括第一鏡片，其光學焦距為f1，并具有凹面及凸面，且所述凹面、凸面中至少有一面是非球面；以及一第二鏡片，其光學焦距為f2，并具第三面及第四面，且所述第三面、第四面中至少有一面是非球面；其特征在于所述第一鏡片的凹面是面向被攝物體，凸面是面向成像面，且第一、第二鏡片滿足以下關系式0.6<-f1f2<1.2.]]>
11.如權利要求10所述的微型取像鏡頭，其特征在于所述第一鏡片的凸面及凹面均為非球面。
12.如權利要求11所述的微型取像鏡頭，其特征在于所述第一鏡片的第一面及第二面滿足如下條件0.1<S1S2·FNO<0.3]]>上式中，S1為第一面最大孔徑的彎曲量，S2為第二面最大孔徑的彎曲量，FNO為光圈孔徑數值。
13.如權利要求12所述的微型取像鏡頭，其特征在于所述第二鏡片的第三面是非球面。
14.如權利要求13所述的微型取像鏡頭，其特征在于所述第二鏡片的第三面與第一鏡片的凸面之間滿足如下條件0.45<R2R3<0.95]]>上式中，R2為第一鏡片的凸面的曲率半徑，R3為第二鏡片的第三面的曲率半徑。
15.如權利要求14所述的微型取像鏡頭，其特征在于所述第二鏡片的第四面是非球面。
16.如權利要求15所述的微型取像鏡頭，其特征在于所述第一鏡片的凹面與被攝物體之間設置有光圈。
17.如權利要求16所述的微型取像鏡頭，其特征在于所述非球面的面型滿足下列公式z=ch21+[1-(k+1)c2h2]12+Ah4+Bh6+Ch8+Dh10+Eh12+Fh14+Gh16]]>其中，z為沿光軸方向在高度為h的位置以表面頂點作參考距光軸的位移值；k為錐度常量；c為曲率半徑的倒數；A、B、C、D、E、F、G為高階非球面系數。
全文摘要
本發明公開了一種微型取像鏡頭，適于手機、薄型數碼相機中使用，其從物方到像方依次包括正屈光度的第一非球面鏡片及負屈光度的第二非球面鏡片，其中第一鏡片為凸向成像面的半月形鏡片，包含面對被攝物體的凹面及面對成像面的凸面，可使入射光束在凹面就闊束，從而使光束在凸面上可分布較大的面積，如此可充分發揮非球面的功能，矯正像差及減低公差敏感度。第二鏡片為負透鏡，采用非球面設計除了可補償色差及矯正軸外像差外，還有助于縮短鏡頭光學系統的總長，使鏡頭的鏡片數目最少并大幅度減輕重量，以獲得良好的量產性能。
文檔編號G02B13/18GK1877383SQ20051007566
公開日2006年12月13日 申請日期2005年6月10日 優先權日2005年6月10日
發明者廖陳成 申請人:亞洲光學股份有限公司