专利名称：三镜片光学取像镜头的制作方法
技术领域：
本发明有关一种三镜片光学取像镜头，尤指一种针对行动电话或使用CCD(电荷藕合装置)或CMOS (互补型金属氧化物半导体)等影像传感器的光学取像镜头。
背景技术：
随着科技的进步，电子产品不断地朝向轻薄短小以及多功能的方向发展，而电子产品中如数字相机(Digital Still Camera)、电脑相机(PC camera)、网络相机(Network camera)、行动电话(手机)等已具备取像装置(镜头)之外，甚至个人数字辅助器(PDA) 等装置也有加上取像装置(镜头)的需求；而为了携带方便及符合人性化的需求，取像装置不仅需要具有良好的成像质量，同时也需要有较小的体积与较低的成本，才能有效提升该取像装置的应用性，尤其是应用于行动电话上，上述需要或条件更为重要。而由于传统的球面研磨玻璃透镜的材质选择性较多，且对于修正色差较为有利，已广为业界所使用，但球面研磨玻璃透镜应用在焦数(F number)较小以及视场角 (field angle)较大的情况时，球差及像散等像差的修正仍较困难；而为了改善上述传统的球面研磨玻璃透镜的缺点，目前的取像装置已有使用非球面塑料透镜或使用非球面模造玻璃透镜，以获得较佳的成像质量，如美国发明专利US 2007/0091457、US 6，515，809、 US 7，262，925、US 2007/0195432、US 2005/0128334，或如日本专利 JP 2007-121820、 JP 2005-352317、 JP2004-163786、 JP 2007-094113、 JP 2005-338234JP 2007-047513、 JP 2006-098976等，多件包含三片式透镜(lens elements)的光学取像镜头结构设计； 而上述多件发明专利的结构设计之间的差异处或技术特征则决定于以下各种因素的变化或组合而已各件专利中该三透镜之间对应配合的形状设计不同，如第一、二、三等三透镜皆为新月型(meniscus shape)透镜，或第一、二透镜为新月型而第三透镜为平凹型 (plano-concave shape)或平凸型(plano-convex shape)；及/或各件专禾[I中该三透镜之间对应配合的凸面/凹面方向不同，如第一 / 二 /三等三透镜的凸面/凹面可安排在物侧 /像侧等多种变化组合；及/或各件专利中该三透镜之间对应配合的屈光度(refractive power)正/负不同，如日本特许第3717488号专利等。由上可知，就三透镜的光学取像镜头的设计而论，其现有技术在设计光学取像镜头技术领域，是为各种不同光学目的的应用，而产生不同的变化或组合，因其使用透镜形状、组合、作用或功效不同，即可视为具有新颖性(novelty)或创造性(inventive step) 0近年为应用于小型相机、照像手机、PDA等产品，其取像镜头要求小型化、焦距短、 像差调整良好，在各种小型化的三透镜取像镜头设计中，以正屈光度的第一透镜、负屈光度的第二透镜、具有反曲点变化正负屈光度的第三镜片(称为M型镜片、M-shaped lens)，最可能达到小型化的需求。对于不同的成像方法在第一片为正屈光度、第二片为负屈光度、第三片为正屈光度M型镜片，如欧洲专利EP 1830210、日本专利公开号JP2008-139853、JP 2006-178328、 美国专利 US 7，397，613、US 7，486，328、US7, 423，817、US 7，468，847、US 7，515，358、美国专利公开号 US 2007/0195426、US 2007/0217034、US 2007/0229986, US 2008/0239510、 中国台湾专利TWM343167、中国台湾专利公开号TW 200639432、中国专利公开号CN 1670560、CN 1873460等；在第一片为正屈光度、第二片为负屈光度、第三片为负屈光度 M 型镜片，如欧洲专利 EP 1840618、EP 1942363、美国专利 US 7，460，315、US7, 460，314、 US 7，450，323、US 7，511，899、美国专利公开号 US 2007/0229987、US 2008/0225401、US 2008/0266679、US 2008/0225401、US 2007/0195426、日本专利 JP 3816093、日本专利公开号 JP 2008-276200、JP 2008-233222、JP2008-276200、JP 2007-010773、WIPO 专利 WO 2007039980、中国专利公开号CN 1945372等。然而，在应用于光学取像镜头上，尤其使用于小型(薄形)装置如行动电话的取像镜头、网络相机取像镜头等，镜头直径小(镜片有效半径小)、取像镜头全长短(镜片总长短)、影像传感器与镜片距离短(短后焦)及具有良好像差修正的光学取像镜头为使用者迫切的需求。先前技术在解决此问题上，使用不同的透镜组成、使用不同镜片形状或使用不同相关光学参数等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三镜片光学取像镜头，其可有效缩短后焦距长度及增广视角，以运用于小型薄型的行动电话或光学系统上。为解决上述问题，本发明提供一种三镜片光学取像镜头，沿着光轴由一物侧至一像侧排列依序包含一孔径光阑；一第一透镜，为一新月型透镜，具有正屈光度；一第二透镜，具有一物侧面及一像侧面，于近光轴处可为正屈光度或负屈光度，所述物侧面及像侧面各具有至少一个反曲点，位于第二透镜中心向边缘处；以及一第三透镜，具有一物侧面及一像侧面，于近光轴处为正屈光度，所述物侧面及像侧面各具有至少一个反曲点，位于第三透镜中心向边缘处。本发明的三镜片光学取像镜头进一步满足下列(1)与( 式条件0. 29 彡 BFL/TL 彡 0. 36 (1)59. 0° 彡 2ω 彡 72. 0° (2)其中，第二透镜可为自透镜中心向透镜边缘为负屈光度逐渐变成正屈光度，或为透镜中心向透镜边缘为正屈光度逐渐变成负屈光度的不同镜片型式；当第二透镜为负屈光度逐渐变成正屈光度时满足下列式( 条件0. 700 ^ H2VH2t ^ 0. 995 (3)当第二透镜为正屈光度逐渐变成负屈光度时满足下列式(4)条件0. 755 ^ H2+/H2t ^ 0. 955 (4)其中，第三透镜满足下列式( 条件0. 590 ^ H3+/H3t ^ 0. 790 (5)其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜的焦距分别满足下列式(6) (8)条件1. 21 彡 fjf 彡 1. 66 (6)-2. 40 ^ f2/f ^ 6. 34 (7)0. 81 彡 f3/f 彡 2. 95 (8)其中，
BFL为三镜片光学取像镜头的后焦距，TL为光轴上所述孔径光阑至影像传感器物侧面的距离，2 ω为三镜片光学取像镜头的最大场视角，Η2_为第二透镜负屈光度变成正屈光度界面点以垂直于光轴与光轴交点的长度，H2+为第二透镜正屈光度变成负屈光度界面点以垂直于光轴与光轴交点的长度，H2t为第二透镜L2像侧面R4最大光学有效点以垂直于光轴Z与光轴Z交点的长度，H3+为第三透镜L3像侧面&反曲点以垂直于光轴Z与光轴Z交点的长度， H3t为第三透镜L3像侧面&最大光学有效点以垂直于光轴Z与光轴Z交点的长度，f为三镜片光学取像镜头1的有效焦距，f,为第一透镜L1的有效焦距，f2为第二透镜L2的有效焦距，以及f3为第三透镜L3的有效焦距。采用上述技术方案，使本发明可有效修正像差，使取像镜头具有高分辨率而又能有效缩小镜头长度，达成小型化且较低成本的功效，从而提升取像镜头的应用性。
图1为本发明三镜片光学取像镜头光学结构示意图；图2为图1的第二透镜像侧面的反曲点、H2_及H2t的示意图；图3为图1的第三透镜像侧面的反曲点、H3_及H3t的示意图；图4为本发明三镜片光学取像镜头另一光学结构示意图；图5为图4的第二透镜像侧面的反曲点、H2+及H2t的示意图；图6为本发明三镜片光学取像镜头第一实施例的光路结构示意图；图7为本发明三镜片光学取像镜头第一实施例的场曲图；图8为本发明三镜片光学取像镜头第一实施例的畸变图；图9为本发明三镜片光学取像镜头第二实施例的光路结构示意图；图10为本发明三镜片光学取像镜头第二实施例的场曲图；图11为本发明三镜片光学取像镜头第二实施例的畸变图；图12为本发明三镜片光学取像镜头第三实施例的光路结构示意图；图13为本发明三镜片光学取像镜头第三实施例的场曲图；图14为本发明三镜片光学取像镜头第三实施例的畸变图；图15为本发明三镜片光学取像镜头第四实施例的光路结构示意图；图16为本发明三镜片光学取像镜头第四实施例的场曲图；以及图17为本发明三镜片光学取像镜头第四实施例的畸变图。主要元件符号说明Z 光轴； L1 第一透镜；L2 第二透镜；L3 第三透镜；11 孔径光阑；12 红外线滤光片；13 影像传感器； R1 第一透镜物侧面；R2 第一透镜像侧面；民第二透镜物侧面；
R4第二透镜像侧面出5 第三透镜物侧面；
R6第三透镜像侧面；
Cl1光轴上物至第一透镜物侧面距离；
d2光轴上第--透镜物侧面至像侧面距离；
d3光轴上第--透镜像侧面至第二透镜物侧面距离；
d4光轴上第二二透镜物侧面至像侧面距离；
d5光轴上第二二透镜像侧面至第三透镜物侧面距离；
d6光轴上第三三透镜物侧面至像侧面距离；
d7光轴上第三三透镜像侧面至红外线滤光片物侧面距离；
d8光轴上红外线滤光片物侧面至像侧面距离；
d9光轴上红外线滤光片像侧面至影像传感器物侧面距离；
H2-第二透镜负屈光度变成正屈光度界面点以垂直于光轴与光轴交点的长度；
H2+第二透镜正屈光度变成负屈光度界面点以垂直于光轴与光轴交点的长度；
H2t第二透镜像侧面最大光学有效点以垂直于光轴与光轴交点的长度；
H3+第三透镜像侧面的反曲点以垂直于光轴与光轴交点的长度；以及
H3t第三透镜像侧面最大光学有效点以垂直于光轴与光轴交点的长度。
具体实施例方式为使本发明更加明确详实，兹列举较佳实施例并配合下列附图，将本发明的结构及技术特征详述如后参照图1所示，本发明是三镜片光学取像镜头1，其沿着光轴Z由物侧至像侧依序排列，包含一孔径光阑(aperture stop) 11、一第一透镜L1、一第二透镜L2、一第三透镜L3、 一红外线滤光片(IR cut-off filter) 12及一影像传感器(image sensing chip) 13。取像时，物(object)的光线是先经过第一透镜L1、第二透镜L2及第三透镜L3后，再经过红外线滤光片12而成像于影像传感器13上。所述孔径光阑11属于一种前置光圈，其设于第一透镜L1的物侧面R1前。所述第一透镜L1为具有正屈光度的新月型透镜，可利用折射率(K1)大于1. 5、阿贝数(vdl)大于阳的玻璃或塑料材质制成。第一透镜L1的物侧面R1为凸面，而像侧面& 为凹面，并且其物侧面R1及像侧面&至少有一面为非球面或双面均为非球面。所述第二透镜L2为透镜中心的物侧面民是凸面、像侧面R4是凹面，且物侧面R3及像侧面R4为各具有至少一个反曲点(inflection point)的非球面透镜，可利用折射率Nd2 大于1.6、阿贝数vd2大于沈的玻璃或塑料材质制成。第二透镜L2的物侧面R3及像侧面 R4自透镜中心向透镜边缘为负屈光度经过反曲点变成正屈光度，其断面自透镜中心至两边缘呈现如M字型的形状，如图2所示，也就是在物侧面&及像侧面R4在近光轴的凸面/或凹面是向透镜边缘逐渐变化弧度(曲率)而转变成凹面/或凸面，因此在物侧面民及像侧面R4分别各形成一反曲点。当反曲点的切线与光轴Z垂直交叉，在像侧面R4自反曲点至光轴Z的垂直距离为第二透镜L2的相当负屈光度(equivalent negative refractive power)范围高度,记为 H2_，如图2所示；第二透镜L2像侧面R4的最大光学有效点(意即第二透镜L2可供光线通过的最大区域)至光轴Z的垂直距离，记为H2t。H2_与H2t的比值为相当负屈光度占最大光学有效点的范围大小。为能有良好的成像效果，H2_与H2t的比值在70% 99. 5%为较佳。所述第三透镜L3为透镜中心的物侧面&是凸面，而像侧面&是凹面，于近光轴处为正屈光度，且物侧面&及像侧面&为各具有至少一个反曲点(inflection point)的非球面透镜，可利用折射率Nd3大于1.5、阿贝数vd3大于55的玻璃或塑料材质制成。第三透镜“的物侧面&及像侧面&自透镜中心向透镜边缘为正屈光度逐渐变成负屈光度，其断面自透镜中心至两边缘呈现如M字型的形状，如图3所示，也就是在物侧面&及像侧面& 在近光轴的凸面/或凹面是向透镜边缘逐渐变化弧度(曲率)而转变成凹面/或凸面，因此在物侧面R5及像侧面&分别各形成一反曲点。当反曲点的切线与光轴Z垂直交叉，在像侧面&自反曲点至光轴Z的垂直距离为第三透镜L3的相当正屈光(equivalent positive refractive power)度范围高度,记为 H3+,如图3所示；第三透镜L3像侧面&的最大光学有效点(意即第三透镜L3可供光线通过的最大区域)至光轴Z的垂直距离，记为H3t。H3+与Hm的比值为相当正屈光度占最大光学有效点的范围大小。为能有良好的成像效果，H3+与H3t的比值在59% 79%为较佳。所述红外线滤光片12可为一玻璃镜片，或利用镀膜技术形成一具有红外线滤光功能的薄膜。所述影像传感器13可为CXD (电荷藕合装置)或CMOS (互补型金属氧化物半导体)。本发明三镜片光学取像镜头1满足下列式⑴ (3)及(5) ⑶条件0. 29 彡 BFL/TL 彡 0. 36(1)59. 0° 彡 2ω 彡 72. 0°(2)0. 700 彡 H2VH2t 彡 0. 995(3)0. 590 彡 H3+/H3t 彡 0. 790(5)1. 21 ^ fjf ^ 1. 66(6)-2. 40 彡 f2/f 彡 6. 34(7)0. 81 彡 f3/f 彡 2. 95(8)其中，BFL为三镜片光学取像镜头1的后焦距，TL为光轴上孔径光阑11至影像传感器13物侧面的距离，2 ω为三镜片光学取像镜头1的最大场视角，Η2_为第二透镜L2负屈光度变成正屈光度界面点以垂直于光轴Z与光轴Z交点的长度，H2t为第二透镜L2像侧面R4最大光学有效点以垂直于光轴Z与光轴Z交点的长度，H3+为第三透镜L3像侧面&的反曲点以垂直于光轴Z与光轴Z交点的长度，H3t为第三透镜L3像侧面&最大光学有效点以垂直于光轴Z与光轴Z交点的长度，f为三镜片光学取像镜头1的有效焦距，f,为第一透镜L1的有效焦距，f2为第二透镜L2的有效焦距，以及f3为第三透镜L3的有效焦距。
8
本发明三镜片光学取像镜头1的第二透镜L2的透镜中心及透镜边缘的屈光度并不限于上述。参照图4，第二透镜L2的物侧面R3及像侧面R4自透镜中心向透镜边缘为正屈光度逐渐变成负屈光度，其断面自透镜中心至两边缘呈现如M字型的形状，也就是在物侧面R3及像侧面R4在近光轴的凸面/或凹面是向透镜边缘逐渐变化弧度(曲率)而转变成凹面/或凸面，因此使屈光度正/负转变之间形成一反曲点。当反曲点的切线与光轴Z垂直交叉，在像侧面R4自反曲点至光轴Z的垂直距离为第二透镜L2的相当正屈光度范围高度，记为H2+，如图5所示；第二透镜L2像侧面R4的最大光学有效点(意即第二透镜L2可供光线通过的最大区域)至光轴Z的垂直距离，记为H2t。 H2+与H2t的比值为正屈光度占最大光学有效点的范围大小。为能有良好的成像效果，H2+与 H2t的比值在76% 76%为较佳。如此，本发明三镜片光学取像镜头1满足下列式(1) (2)及(4) (8)条件0. 29 ≤BFL/TL ≤0. 36(1)59. 0° ≤2ω ≤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+为第二透镜L2正屈光度变成负屈光度界面点以垂直于光轴与光轴交点的长度，其余各项参数的定义皆与上述相同。为达到本发明目的，第一透镜L1、第二透镜L2及第三透镜L3的光学面均为非球面为较佳，但第一透镜L1F以此为限，也可以采用球面设计。非球面的方程式(Aspherical Surface Formula)为式(9)
权利要求
1.一种三镜片光学取像镜头，其特征在于，沿着光轴由一物侧至一像侧排列依序包含一孔径光阑；一第一透镜，为一新月型透镜，具有正屈光度；一第二透镜，具有一物侧面及一像侧面，所述物侧面及像侧面各具有至少一个反曲点， 位于所述第二透镜中心向边缘处；以及一第三透镜，具有一物侧面及一像侧面，于近光轴处为正屈光度，所述物侧面及像侧面各具有至少一个反曲点，位于所述第三透镜中心向边缘处。
2.如权利要求1所述的三镜片光学取像镜头，其特征在于，所述三镜片光学取像镜头满足以下条件0. 29 ≤ BFL/TL ≤ 0. 36 其中，BFL为三镜片光学取像镜头的后焦距，TL为光轴上所述孔径光阑至影像传感器物侧面的距离。
3.如权利要求1所述的三镜片光学取像镜头，其特征在于，所述三镜片光学取像镜头满足以下条件59° ^ 2ω ^ 72°其中，2 ω为三镜片光学取像镜头的最大场视角。
4.如权利要求1所述的三镜片光学取像镜头，其特征在于，所述第二透镜近轴中心为负屈光度，向所述第二透镜边缘逐渐增加变成正屈光度。
5.如权利要求4所述的三镜片光学取像镜头，其特征在于，所述第二透镜满足以下条件0. 700 ≤ H2VH2t ≤ 0. 995 其中，Η2_为所述第二透镜负屈光度变成正屈光度界面点以垂直于光轴与光轴交点的长度，以及H2t为所述第二透镜像侧光学面最大光学有效点以垂直于光轴与光轴交点的长度。
6.如权利要求1所述的三镜片光学取像镜头，其特征在于，所述第二透镜近轴中心为正屈光度，向所述第二透镜边缘逐渐减少变成负屈光度。
7.如权利要求6所述的三镜片光学取像镜头，其特征在于，所述第二透镜满足以下条件0. 755 ≤ H2+/H2t ≤ 0. 955 其中，H2+为所述第二透镜正屈光度变成负屈光度界面点以垂直于光轴与光轴交点的长度，以及H2t为所述第二透镜像侧光学面最大光学有效点以垂直于光轴与光轴交点的长度。
8.如权利要求1所述的三镜片光学取像镜头，其特征在于，所述三镜片光学取像镜头满足以下条件0. 590 ( H3+/H3t ( 0. 790其中，H3+为所述第三透镜像侧光学面的所述反曲点以垂直于光轴与光轴交点的长度，以及 HmS所述第三透镜像侧光学面最大光学有效点以垂直于光轴与光轴交点的长度。
9.如权利要求1所述的三镜片光学取像镜头，其特征在于，所述三镜片光学取像镜头满足以下条件1. 21 ≤ fjf ≤ 1. 66 -2. 40 ≤ f2/f ≤ 6. 34 0. 81 ≤ f3/f ≤ 2. 95 其中，f为所述三镜片光学取像镜头的有效焦距， f为所述第一透镜的有效焦距， f2为所述第二透镜的有效焦距，以及 f3为所述第三透镜的有效焦距。
10.如权利要求1所述的三镜片光学取像镜头，其特征在于，所述第一透镜的所述物侧面及像侧面至少有一面为非球面。
11.如权利要求1所述的三镜片光学取像镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜及第三透镜由塑料材质制成。
12.如权利要求1所述的三镜片光学取像镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜及第三透镜由玻璃材质制成。
全文摘要
本发明揭露一种三镜片光学取像镜头，沿着光轴由一物侧至一像侧排列依序包含一孔径光阑、一第一透镜、一第二透镜以及一第三透镜。第一透镜为正屈光度的新月型镜片。第二透镜具有一物侧面及一像侧面，物侧面及像侧面各具有至少一个反曲点，位于第二透镜中心向边缘处。第三透镜具有一物侧面及一像侧面，于近光轴处为正屈光度，物侧面及像侧面各具有至少一个反曲点，位于第三透镜中心向边缘处。本发明可有效修正像差，使取像镜头具有高分辨率而又能有效缩小镜头长度，达成小型化且较低成本的功效，从而提升取像镜头的应用性。
文档编号G02B13/18GK102313971SQ20101022692
公开日2012年1月11日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者徐三伟, 施柏源 申请人:一品光学工业股份有限公司