TWI565970B

TWI565970B - 廣角成像鏡頭

Info

Publication number: TWI565970B
Application number: TW101144114A
Authority: TW
Inventors: 柯駿程
Original assignee: 鴻海精密工業股份有限公司
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2017-01-11
Also published as: US20140146400A1; TW201421065A; US9013810B2

Description

廣角成像鏡頭

本發明涉及一種成像技術，尤其涉及一種廣角成像鏡頭。

隨著3D影像感測技術的日亦普及，消費者開始渴望，如何透過身體姿勢的運動來取代需用遙控器來控制的傳統遊戲機，以達到身曆其境的真實感，稱為3D體感遊戲機。3D體感遊戲機在硬體上需透過一個紅外線投影器(Infrared projector)來產生紅外線特殊圖樣(pattern)投射到遊戲者身上，並搭配一個紅外線照相機模組(Infrared camera)來感測紅外線投影器投射在遊戲者身上的圖樣，因身體手勢的前後移動會讓圖樣有大小不同的差別，進而透過後端軟體的運算，即可得知深度或距離資訊，再加上原本即容易取得的平面資訊，因此整個3D資訊即可完整取得。

其中，紅外線式的光學多點觸控面板，具有結構及制程簡單的特點，且成本具競爭優勢，故在部分消費性電子產品中被廣泛使用。紅外線式的光學多點觸控面板，主要是利用紅外線照相機模組來拍攝觸控面板區域的畫面，來判讀輸入裝置(例如手或筆)的移動軌跡，因需判讀準確且反應速度快，故所需的取像鏡頭就需具備大光圈、廣視角、高解析度和高相對照度之特性。

3D體感遊戲機主要是使用紅外線照相機模組來感測身體姿勢的移動軌跡，因此需判讀準確且反應速度快，故所需的紅外線取像鏡頭就需具備：大光圈、高解析度、高相對照度、廣視角的特性。

有鑒於此，有必要提供一種大光圈、高解析度、高相對照度、廣視角的廣角成像鏡頭。

一種廣角成像鏡頭，其從物側到像側依次包括：正光焦度的第一透鏡、一具有正光焦度的第二透鏡、一具有負光焦度的第三透鏡、一具有正光焦度的第四透鏡、及一成像面，所述第三透鏡與第四透鏡均包括一面向物側的物側面及一面向像側的像側面，所述廣角成像鏡頭滿足以下條件：D/TTL>0.45；CT4/ET4<2.11；Z/Y>0.06；其中，D為所述成像面上的最大成像圓直徑；TTL為整個廣角成像鏡頭的長度，CT4為所述第四透鏡在光軸上的中心厚度；ET4為所述第四透鏡的邊緣厚度；Z為所述第三透鏡的物側面之軸心與像側面之邊緣在軸向上的距離，Y為所述第三透鏡的像側面的曲面縱向高度。

滿足上述條件的廣角成像鏡頭，大光圈、高解析度、高相對照度、廣視角的特性。

100‧‧‧廣角成像鏡頭

L1‧‧‧第一透鏡

L2‧‧‧第二透鏡

L3‧‧‧第三透鏡

L4‧‧‧第四透鏡

20‧‧‧光闌

40‧‧‧濾光片

50‧‧‧保護玻璃片

S1‧‧‧第一表面

S2‧‧‧第二表面

S3‧‧‧第三表面

S4‧‧‧第四表面

S5‧‧‧第五表面

S6‧‧‧第六表面

S7‧‧‧第七表面

S8‧‧‧第八表面

S9‧‧‧第九表面

S10‧‧‧第十表面

S11‧‧‧第十一表面

S12‧‧‧第十二表面

60‧‧‧成像面

圖1為本發明提供的廣角成像鏡頭的結構示意圖。

圖2為本發明第一實施方式提供的廣角成像鏡頭的球面像差特性曲線圖。

圖3為本發明第一實施方式提供的廣角成像鏡頭的場曲特性曲線圖。

圖4為本發明第一實施方式提供的廣角成像鏡頭的畸變特性曲線圖。

圖5為本發明第一實施方式提供的廣角成像鏡頭的相對照度特性曲線圖。

圖6為本發明第一實施方式提供的廣角成像鏡頭的主光線入射角特性曲線圖。

圖7為本發明第一實施方式提供的廣角成像鏡頭的調製傳遞函數特性曲線圖。

圖8為本發明第二實施方式提供的廣角成像鏡頭的球面像差特性曲線圖。

圖9為本發明第二實施方式提供的廣角成像鏡頭的場曲特性曲線圖。

圖10為本發明第二實施方式提供的廣角成像鏡頭的畸變特性曲線圖。

圖11為本發明第二實施方式提供的廣角成像鏡頭的相對照度特性曲線圖。

圖12為本發明第二實施方式提供的廣角成像鏡頭的主光線入射角特性曲線圖。

圖13為本發明第二實施方式提供的廣角成像鏡頭的調製傳遞函數特性曲線圖。

圖14為本發明第三實施方式提供的廣角成像鏡頭的球面像差特性曲線圖。

圖15為本發明第三實施方式提供的廣角成像鏡頭的場曲特性曲線圖。

圖16為本發明第三實施方式提供的廣角成像鏡頭的畸變特性曲線圖。

圖17為本發明第三實施方式提供的廣角成像鏡頭的相對照度特性曲線圖。

圖18為本發明第三實施方式提供的廣角成像鏡頭的主光線入射角特性曲線圖。

圖19為本發明第三實施方式提供的廣角成像鏡頭的調製傳遞函數特性曲線圖。

下面將結合附圖與實施例對本技術方案作進一步詳細說明。

請參閱圖1，本發明提供的一種廣角成像鏡頭100，其從物側至像側依次包括：一具有正光焦度的第一透鏡L1、一具有正光焦度的第二透鏡L2、一具有負光焦度的第三透鏡L3、一具有正光焦度的第四透鏡L4、一濾光片40、一保護玻璃片50及一成像面60。

所述第一透鏡L1從物側至像側包括一面向物側凸出的第一表面S1和一面向像側凹陷的第二表面S2。

所述第二透鏡L2從物側到像側包括一面向物側凹陷的第三表面S3和一面向像側凸出的第四表面S4。

所述第三透鏡L3從物側到像側包括一面向物側凹陷的第五表面S5和一面向像側凸出的第六表面S6。

所述第四透鏡L4從物側到像側包括一面向物側凸出的第七表面S7和一面向像側凸出的第八表面S8。

所述濾光片40從物側至像側依次包括一第九表面S9及一第十表面S10。所述濾光片40位於第八表面S8和成像面60之間，所述濾光片40用於濾除經過第二透鏡L2的光線中的紅外光線。所述保護玻璃片50從物側至像側依次包括一第十一表面S11及一第十二表面S12。

所述廣角成像鏡頭100還包括一光闌20。所述光闌20位於所述第一透鏡L1與所述第二透鏡L2之間，以保證廣角成像鏡頭100的整體結構相對於光闌20對稱，有效地降低慧差(coma)的影響；同時限制經過所述第一透鏡L1的光線進入第二透鏡L2的光通量，並讓經過所述第二透鏡L2後的光錐更加對稱，使廣角成像鏡頭100的彗差得以修正。

本實施方式中，光線自物側入射並依次經所述第一透鏡L1、光闌20，第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、濾光片40及保護玻璃片50後成像于成像面60。可以理解，可通過設置影像感測器(圖未示)，如電荷耦合元件(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)，于所述成像面60處以組成一成像系統。

所述廣角成像鏡頭100滿足以下條件式： (1)D/TTL>0.45；其中，D為所述成像面60上的最大成像圓直徑；TTL為整個廣角成像鏡頭100的長度。

本發明所提供的廣角成像鏡頭100的條件式(1)限制了廣角成像鏡頭100的總長。

所述廣角成像鏡頭100可進一步滿足以下條件式：(2)CT4/ET4<2.11；其中，CT4為所述第四透鏡L4在光軸上的中心厚度；ET4為所述第四透鏡L4的邊緣厚度。

本發明所提供的廣角成像鏡頭100滿足條件式(2)，能使所述廣角成像鏡頭100具有良好的收差或像差補正效果。

所述廣角成像鏡頭100可進一步滿足以下條件式：(3)Z/Y>0.06；其中，Z為所述第三透鏡L3的第五表面S5之中心與第六表面S6之邊緣在軸向上的距離，Y為所述第三透鏡L3的第六表面S6的曲面縱向高度。

條件式(3)保證所述第三透鏡L3易於射出成型，使得由單邊澆口注入的塑膠可以容易到達對向一側，進而讓所述廣角成像鏡頭100的偏芯敏感度變小。

所述廣角成像鏡頭100可進一步滿足以下條件式：(4)0<|R11/F1|<|R32/F3|<|R22/F2|<|R41/F4|；其中，R11為所述第一透鏡L1的第一表面S1的曲率半徑；F1為所述第一透鏡L1的焦距；R32為所述第三透鏡L3的第六表面S6的曲率半徑；F3為所述第三透鏡L3的焦距；R22為所述第二透鏡L2的第四表面S4的曲率半徑；F2為所述第二透鏡L2的焦距；R41為所述第四透鏡L4的第七表面S7的曲率半徑；F4為所述第四透鏡L4的焦距。

條件式(4)使得廣角成像鏡頭100具有良好的收差補正效果。

所述廣角成像鏡頭100可進一步滿足以下條件式：(5)|R42/F4|>|R41/F4|>0；其中，R42為所述第四透鏡L4的第八表面S8的曲率半徑。

條件式(5)使得廣角成像鏡頭100的偏芯敏感度變小。

所述廣角成像鏡頭100可進一步滿足以下條件式：(6)0<R11/F1<0.24且0<R12/F1<0.26；其中，R12為所述第一透鏡L1的第二表面S2的曲率半徑。

條件式(6)，可提高所述廣角成像鏡頭100的成像品質。

所述廣角成像鏡頭100可進一步滿足以下條件式：(7)-0.80<R21/F2<0且-0.4<R22/F2<0；其中，R21為所述第二透鏡L2的第三表面S3的曲率半徑。

條件式(7)，可提高所述廣角成像鏡頭100的成像品質。

(8)0<R31/F3<0.2且0<R32/F3<0.28；其中，R31為所述第三透鏡L3的第五表面S5的曲率半徑。

條件式(8)，可提高所述廣角成像鏡頭100的成像品質。

(9)0<R41/F4<0.59，0<R42/F4<4.39；條件式(9)，可提高所述廣角成像鏡頭100的成像品質。

為了能更好的消除所述廣角成像鏡頭100的色差，所述廣角成像鏡頭100還需滿足以下條件：Vd1>53、Vd2>53、Vd3>53、且Vd4>53。

其中，Vd1為所述第一透鏡L1的阿貝數；Vd2為所述第二透鏡L2的阿貝數；Vd3為所述第三透鏡L3的阿貝數；Vd4為所述第四透鏡L4的阿貝數。

其中，所述第一表面S1、第二表面S2、第三表面S3、第四表面S4、第五表面S5、第六表面S6、第七表面S7和第八表面S8均是非球面，並滿足非球面的面型公式：

其中，z是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，c是曲率半徑，h為透鏡高度，K為圓錐定數(Coin Constant)，Ai為i次的非球面係數(i-th order Aspherical Coefficient)。

通過將表1、表2、表3、表4(請參閱下文)的資料代入上述運算式，可獲得本發明第一實施方式的廣角成像鏡頭100中各透鏡表面的非球面形狀。通過將表5、表6、表7、表8的資料代入上述運算式，可獲知本發明第二實施方式的廣角成像鏡頭100中各透鏡表面的非球面形狀。另外，通過將表9、表10、表11、表12的資料代入上述運算式，可獲知本發明第三實施方式的廣角成像鏡頭100中各透鏡表面的非球面形狀。

第一實施方式

本發明第一實施方式所提供的廣角成像鏡頭100的各光學元件滿足表1至表4的條件。

本實施方式中，D=8.32mm；TTL=14.907mm；Z=0.585mm；Y=3.098mm；ET4=2.043mm；F1=32.562mm；F2=6.365mm；F3=-13.861mm；F4=7.857mm。

本實施方式所提供的廣角成像鏡頭100的球差、場曲、畸變、相對照度、主光線入射角及MTF分別如圖2至圖7所示。具體地，圖2所示的六條曲線分別為針對I線(波長為825納米(nm))，II線(波長為835nm)，III線(波長為845nm)，IV線(波長為830nm)，V線(波長為815nm)，而觀察到的像差值曲線。由該三條曲線可看出第一實施方式的廣角成像鏡頭100對紅外光(波長範圍在800nm-900nm之間)產生的像差值控制在-0.05mm~0.05mm範圍內。如圖3所示，曲線T及S分別為子午場曲(tangential field curvature)特性曲線及弧矢場曲(sagittal field curvature)特性曲線。由圖3可看出該廣角成像鏡頭100的子午場曲值和弧矢場曲值被控制在-0.20mm~0.20mm範圍內。進一步地，圖4所示的曲線為廣角成像鏡頭100的畸變特性曲線，由圖4可知，該廣角成像鏡頭100的光學畸變量被控制在0~3.00%的範圍內。如圖5所示，邊緣區域的畫面亮度為相較於畫面中心亮度的60%。如圖6所示，主光線入射角(chief ray angle，CRA)小於1.8度。如圖7所示，在1/2頻(Nyquist frequency)條件下(本實施方式的1/2頻(半頻)為48lp/mm)，中心視場的MTF>86%(如曲線mc所示)，0.8視場的MTF>65%(如曲線mp所示)，其餘介於中心視場和0.8視場之間視場的MTF，則介於65%~86%之間(如曲線mt所示)。

第二實施方式

本發明第二實施方式所提供的廣角成像鏡頭100的各光學元件滿足表5至表8的條件。

本實施方式中，D=8.32mm；TTL=14.905mm；Z=0.555mm；Y=3.099mm；ET4=2.004mm；F1=31.4mm；F2=6.279mm；F3=-14.276mm；F4=7.949mm。

本實施方式所提供的廣角成像鏡頭100的球差、場曲、畸變、相對照度、主光線入射角及MTF分別如圖8至圖13所示。具體地，圖8所示的六條曲線分別為針對I線(波長為825納米(nm))，II線(波長為835nm)，III線(波長為845nm)，IV線(波長為830nm)，V線(波長為815nm)，而觀察到的像差值曲線。由該三條曲線可看出第二實施方式的廣角成像鏡頭100對紅外光(波長範圍在800nm-900nm之間)產生的像差值控制在-0.05mm~0.05mm範圍內。如圖9所示，曲線T及S分別為子午場曲(tangential field curvature)特性曲線及弧矢場曲(sagittal field curvature)特性曲線。由圖9可看出該廣角成像鏡頭100的子午場曲值和弧矢場曲值被控制在-0.20mm~0.20mm範圍內。進一步地，圖10所示的曲線為廣角成像鏡頭100的畸變特性曲線，由圖10可知，該廣角成像鏡頭100的光學畸變量被控制在0~3.00%的範圍內。如圖11所示，邊緣區域的畫面亮度為相較於畫面中心亮度的60.2%。如圖12所示，主光線入射角(chief ray angle，CRA)小於1.8度。如圖13所示，在1/2頻(Nyquist frequency)條件下(本實施方式的1/2頻(半頻)為48lp/mm)，中心視場的MTF>86%(如曲線mc所示)，0.8視場的MTF>65%(如曲線mp所示)，其餘介於中心視場和0.8視場之間視場的MTF，則介於65%~86%之間(如曲線mt所示)。

第三實施方式

本發明第三實施方式所提供的廣角成像鏡頭100的各光學元件滿足表9至表12的條件。

表9

表11

本實施方式中，D=8.32mm；TTL=14.909mm；Z=0.51mm；Y=3.083mm；ET4=1.894mm；F1=30.296mm；F2=6.255mm；F3=-14.077mm；F4=7.942mm。

本實施方式所提供的廣角成像鏡頭100的球差、場曲、畸變、相對照度、主光線入射角及MTF分別如圖14至圖19所示。具體地，圖14所示的六條曲線分別為針對I線(波長為825納米(nm))，II線(波長為835nm)，III線(波長為845nm)，IV線(波長為830nm)，V線(波長為815nm)，而觀察到的像差值曲線。由該三條曲線可看出第三實施方式的廣角成像鏡頭100對紅外光(波長範圍在800nm-900nm之間)產生的像差值控制在-0.05mm~0.05mm範圍內。如圖15所示，曲線T及S分別為子午場曲(tangential field curvature)特性曲線及弧矢場曲(sagittal field curvature)特性曲線。由圖15可看出該廣角成像鏡頭100的子午場曲值和弧矢場曲值被控制在-0.20mm~0.20mm範圍內。進一步地，圖16所示的曲線為廣角成像鏡頭100的畸變特性曲線，由圖16可知，該廣角成像鏡頭100的光學畸變量被控制在0~3.00%的範圍內。如圖17所示，邊緣區域的畫面亮度為相較於畫面中心亮度的60.4%。如圖18所示，主光線入射角(chief ray angle，CRA)小於1.8度。如圖19所示，在1/2頻(Nyquist frequency)條件下(本實施方式的1/2頻(半頻)為48lp/mm)，中心視場的MTF>86%(如曲線mc所示)，0.8視場的MTF>65%(如曲線mp所示)，其餘介於中心視場和0.8視場之間視場的MTF，則介於65%~86%之間(如曲線mt所示)。

滿足上述條件的廣角成像鏡頭，具有大光圈、高解析度、高相對照度、廣視角的特性。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。