光学镜头组设计及制造方法

专利名称：光学镜头组设计及制造方法
技术领域：
本发明涉及一种光学镜头组设计及制造方法，尤其涉及一种可在不需重新设计生产光学镜片的模具组的前提下，便能达到改变光学镜头组的成像高度值的一种光学镜头组设计及制造方法。
背景技术：
请参阅图1，在一般的摄影装置1中，主要是由包括一光学镜头组11、光感测组件12及对焦机构(图中未示)所组成。其中镜头组11可将被摄对象的反射影像光聚集成像于光感测组件12上，并由光感测组件12将该反射影像光转换成可供一控制单元(图中未示)判读的电气讯号，以供控制单元进行后续的影像处理程序。
而在进行光学镜头组11的设计与制造过程中，常会有客户指定使用特定规格与尺寸的光感测组件12、且同时亦指定摄影装置1的摄像视角(通常为60度角)。此时，光学镜头组11的设计与制造业者便需根据客户所指定的光感测组件12尺寸与摄影装置1摄像视角来设计符合所需的光学镜头组11。可是，现今市面上所采用的光感测组件12规格与尺寸种类繁多，且更日新月异，光学镜头组11的设计与制造业者往往需花费大批人力、物力与财力不断地去重新设计符合需求的光学镜头组11，而造成资源浪费。
美国专利US 6859233与US6301061号等已知前案曾公开一种藉由切换不同厚度的镜片到光路径上来达到调焦或变焦的目的。然而，该些已知前案是使用在已组装完成的光学镜头组上而非公开光学镜头组的设计及制造方法。并且，该些已知前案是适用于在同一个光感测组件上来调整光学镜头组的焦距长或是放大倍率的技术，而非根据不同尺寸的光感测组件来设计光学镜头组。此外，该些已知前案在调焦或变焦过程中仅考虑到镜片厚度的调整但是却未考虑到各镜片之间的空气间隔值也需对应改变。况且，该些已知前案也未曾公开如何设计与制造其光学镜头组中的镜片以提供适当镜片厚度与空气间隔。因此，对于前述的各已知前案而言，倘若吾人欲改变其光感测组件的规格与尺寸(例如改变成像高度值)，则势必要完全重新设计一组新的光学镜头组，而导致资源浪费。

发明内容
本发明的目的是在于提供一种光学镜头组设计及制造方法，其可在不需重新设计生产光学镜片的模具组的前提下，便达到改变光学镜头组的成像高度值的目的。
为达上述目的，本发明的一种光学镜头组设计及制造方法的一较佳实施例可包括有下列步骤建立已适当对焦的一光学镜头组的一组已知参数值；输入所需改变的一成像高度值；依据所输入的该成像高度值来计算出对应的一镜片肉厚值及一空气间隔值；以及依据所计算出的该镜片肉厚值与空气间隔值来设计及制造一新的光学镜头组以符合所输入的该成像高度值。因此，本发明仅需藉由改变光学镜片的肉厚与空气间隔，便能达到符合不同成像高度的效果。而光学镜片的肉厚改变，可藉由调整模具组的公、母模仁之间的间隔来达成；至于空气间隔的改变，则可藉由在光学镜片上设置预定厚度的垫片来达成，所以完全不需重新设计生产光学镜片的模具组。


图1为习用镜头对焦原理的示意图；图2为本发明的光学镜头组设计及制造方法的一较佳实施例流程图；图3为本发明的光学镜头组设计及制造方法中，具有一第一成像高度值的一已知光学镜头组示意图；图4为本发明的光学镜头组设计及制造方法中，具有一第二成像高度值的一新的光学镜头组示意图；图5A与图5B为本发明的光学镜头组设计及制造方法中，藉由移动公模仁与母模仁之间的间隔来改变镜片肉厚的一较佳实施例示意图；其中，图5A为母模仁尚未移动时的示意图，而图5B则为母模仁移动后的示意图。
附图标号说明1～摄影装置；11～镜头组；12～光感测组件；21～24～流程步骤；30、30a～光学镜头组；31、32、33、31a、32a、33a、51、51a～光学镜片；311、321、331、311a、321a、331a～镜片肉厚值；351、352、353、351a、352a、353a～空气间隔值；34、34a～成像高度值；40～模具组；41～入料孔；42～公模套；43～公模仁；44～母模套；45～母模仁。
具体实施例方式
本发明的光学镜头组设计及制造方法的主要原理，是藉由改变光学镜头组中至少一片光学镜片的肉厚与空气间隔，来达到在不变更摄像视角的前提下调整成像高度的目的，以符合客户所指定的不同尺寸规格的光感测组件。由于光学镜片的肉厚改变，可藉由调整其生产模具组的公、母模仁之间的间隔来达成；至于空气间隔的改变，则可藉由在光学镜片上设置预定厚度的垫片来达成，所以完全不需重新设计生产光学镜片的模具组。于是，光学镜头组的设计与制造业者便可轻易使用现有的生产设备与技术，来迅速地设计与制造出符合客户指定的多种不同规格的光学镜头组，达到资源的有效利用，以及具有更省时、更省人工、以及成本更低的功效。
请参阅图2至图4，其公开有将本发明的光学镜头组设计及制造方法的一较佳实施例。其中，图2为本发明的光学镜头组设计及制造方法的一较佳实施例流程图。图3为本发明的光学镜头组设计及制造方法中，具有一第一成像高度值的一已知光学镜头组示意图。图4为本发明的光学镜头组设计及制造方法中，具有一第二成像高度值的一新的光学镜头组示意图。
如图2所示，本发明的光学镜头组设计及制造方法包括有下列步骤步骤21建立已适当对焦的一光学镜头组的一组已知参数值。光学镜头组设计与制造业者可以取用其现有已适当对焦的已知第一光学镜头组30的各项参数值，来建立的一组光学函数式。于图3所示的本较佳实施例中，该已知的第一光学镜头组30包括有三个光学镜片31、32、33。于该组光学函数式中包括有若干参数值以供表现各参数值之间的相对应关系，且该若干参数值至少包括有一成像高度值34(第一成像高度值)、位于光学镜片前后的一空气间隔值351、352、353(第一空气间隔值)，以及各光学镜片本身的一镜片肉厚值311、321、331(第一镜片肉厚值)、材料折射率值、与镜片曲率值等。
步骤22输入所需改变的一新成像高度值34a。根据客户对于光学镜头组30a的摄像视角θ以及光感测组件的尺寸规格的需求，来决定所需改变的新成像高度值34a(第二成像高度值)。
步骤23依据所输入的该成像高度值34a来计算出对应的镜片肉厚值311a、321a、331a及空气间隔值351a、352a、353a。将该新成像高度值34a(第二成像高度值)输入前述的该组光学函数式，并计算出与该新成像高度值34a相对应的各项新的参数值。于该些新的参数值中，包括至少其中的一光学镜片(光学镜片31a、32a或33a的其中的一或若干)的新镜片肉厚值(镜片肉厚值311a、321a或331a的其中的一或若干，简称第二镜片肉厚值)与新空气间隔值(空气间隔值351a、352a或353a的其中的一或若干，简称第二空气间隔值)。而其它的参数值，例如光学镜片31a、32a、33a数量、各光学镜片31a、32a、33a的材料折射率值与镜片曲率值等，则都保持不变，也就是相同于该已适当对焦的第一光学镜头组30的已知参数值。
步骤24依据所计算出的该新镜片肉厚值311a、321a或331a(第二镜片肉厚值)与新空气间隔值351a、352a或353a(第二空气间隔值)来设计与制造一如图4所示的新的光学镜头组30a(第二光学镜头组)以符合所输入的该新成像高度值34a(第二成像高度值)。于本较佳实施例中，该已知光学镜头组与新的光学镜头组两者的摄像视角θ为相同，且两者所使用到的光学镜片的数量、材料折射率值与镜片曲率值等也都相同。
请参阅图5A与图5B，其为本发明的光学镜头组设计及制造方法中，藉由移动公模仁与母模仁之间的间隔来改变镜片肉厚的一较佳实施例示意图。如图5A所示，一般而言，光学镜片31、32、33、31a、32a、33a的制造方式，主要是藉由将具有预定材料折射率值的可透光材料经由一入料孔41灌入一模具组40内并使其固化而得。该模具组40一般是由包括一公模套42、一容纳于公模套42内的公模仁43、一母模套44、以及一容纳于母模套44内的母模仁45所构成。该公模仁43与母模仁45分别具有预定的曲面设计以供形成具有预定镜片曲率值的光学镜片。藉由将各模套42、44与模仁43、45相互密合，可于模具组40形成一容置空间。之后，将具有预定材料折射率值的可透光材料经由入料孔41灌入该模具组40内的容置空间并使其固化后，再开启模具组40并去除毛边后便完成一光学镜片51的制作。由于本发明的光学镜头组设计与制造方法，完全不需要变更光学镜片的镜片曲率值，而只需改变镜片肉厚，便可达到调整成像高度值的目的。所以，如图5B所示般，本发明的光学镜头组设计与制造方法，仅需单单藉由调整公模仁与母模仁之间的间隔(例如移动母模仁45在母模套44中的位置)，即可制造出符合该第二镜片肉厚值的新光学镜片51a，完全不需重新设计新的模具组40。至于，另需改变的该第二空气间隔值，则可单纯地藉由在各光学镜片的前或后侧设置一预定厚度的垫片，即可制造出符合该第二空气间隔值的光学镜头组。于是，对于本发明的光学镜头组设计与制造方法而言，业者将可轻易使用现有的模具组、生产设备与技术，来迅速地设计与制造出符合客户指定的多种不同规格的光学镜头组，达到资源的有效利用，以及具有更省时、更省人工、以及成本更低的功效。
以下将再次以图3与图4所示的已知光学镜头组与新的光学镜头组为例，具体说明本发明的光学镜头组设计方法及其光学函数式的应用实施例。
(A)透镜公式说明首先进行光学镜片(透镜)的基本光学函数式介绍。
(a1)单一透镜对于单一光学镜片而言，其光学函数式可如下p＝1/f＝(N-1)((1/R1-1/R2)-(T/N)(1/R1R2))--(公式1)其中f光学镜片焦距，N光学镜片材料折射率R1，R2光学镜片前、后两曲面的曲率半径T材料厚度(a2)组合透镜对于由两片光学镜片组合而成的光学镜头组而言，其光学函数式则如下P＝1/F＝(1/f1)+(1/f2)-(T/N)/f1f2------(公式2)其中F光学镜头组有效焦距f1，f2单一光学镜片个别的焦距
N透镜间的材料T透镜间的距离而对于该光学镜头组的摄像视角(FOV)的计算公式为FOV=2tan-1(YF)]]>------------------(公式3)其中FOV摄像视角θY光学镜头组的成像高度值F光学镜头组有效焦距长应用上述公式1～3，即可藉由输入成像高度值Y来决定相对应的光学镜片肉厚及空气间隔，进而达到本发明的基本目的。
(B)光学设计范例的第一具体较佳实施例说明以图3与图4所示的已知光学镜头组30与新的光学镜头组30a为例，其已知光学镜头组30的成像高度值34为4.28mm，而新的光学镜头组30a成像高度值34a为3.26mm。
欲达到两组光学镜头组30、30a都有摄像视角FOV(θ)＝60度的设计，可藉由改变光学镜头组30中的至少一个或多个光学镜片31、32、33的镜片肉厚311、321、331与空气间隔351、352、353变化，来制造出新的光学镜头组30a，其具体计算方式如下(b1)首先，介绍如图3所示的已知光学镜头组30的各项光学参数值如下

其中，编号1)的各字段依序代表光学镜片31的前侧(左侧)的曲率半径、镜片厚度、玻璃材料系数、以及锥度(锥度为0时表示为球面)。编号2)的各字段则依序代表光学镜片31的后侧(右侧)的曲率半径、空气间隔、以及锥度。同理，编号3)与4)的各字段分别为光学镜片32的前侧(左侧)与后侧(右侧)的参数值，而编号5)与6)的各字段分别为光学镜片33的前侧(左侧)与后侧(右侧)的参数值。
其中，有*符号者表示其光学镜片的曲面为非球面。
(b2)非球面方程式z=CY21+(1-(1+K)C2Y2)1/2+A4Y4+A6Y6+A8Y8+A10Y10+A12Y12+A14Y14]]>------(公式4)(b3)光学镜片32的前侧(左侧)曲面3)为光滑非球面，其参数如下A4-0.1464671A60.01906334A8-0.051794802A100.013321277A12-0.015041165A140.025112377(b4)光学镜片32的后侧(右侧)曲面4)为光滑非球面，其参数如下A40.10882206A6-0.076525425A80.047715558A10-0.0088773685A12-0.011679214A140.0066098526(b5)光学镜片33的前侧(左侧)曲面5)为光滑非球面，其参数如下A40.0094098806A60.007037218A80.0014927784A100.00042425485A12-0.0014030275
A140.00048301552(b6)光学镜片33的后侧(右侧)曲面6)为光滑非球面，其参数如下A4-0.089751199A60.017376604A8-0.0021373213A10-4.3719006e-005A12-0.00015420277A144.6647217e-005(b7)根据前述的已知光学镜头组30的各项光学参数值以及光学函数式，并将新的成像高度值3.26mm输入后，藉由该些光学函数式公式(1)～(4)可计算求得如图4所示的新的光学镜头组30a的各项参数值如下

其中，有*符号者表示其光学镜片的曲面为非球面。由于如图4所示的新的光学镜头组30a的各光学镜片的非球面参数值完全相同于图3所示的已知光学镜头组30的各光学镜片，所以不再赘述。
由以上所述可知，已知光学镜头组30(图3)与新的光学镜头组30a(图4)的各项参数值中，仅有镜片肉厚(厚度)及镜片间的空气间隔(距离)的值不同，其余各参数值则皆完全相同。而由公式1～3同时可获得已知光学镜头组30的有效焦距长EFL＝3.7mm摄像视角FOV＝60度；而新的光学镜头组30a的有效焦距长EFL＝2.8mm摄像视角FOV＝60度。
(C)光学设计范例的第二具体较佳实施例说明以下将再举简化版的另一较佳实施例，来具体说明本发明的光学镜头组设计方法及其光学函数式的另一简单化的应用实施例。
再次以类似图3与图4所示的具有三镜片31、32、33的已知光学镜头组30与新的光学镜头组30a为例(本简化版的第二具体较佳实施例的镜片31、32、33实际形状尺寸可能与图3与图4所示不同，合先叙明)。假设，于本简化版实施例中，该已知光学镜头组30的成像高度值为4.28mm，也就是适用于尺寸为4.28mm的光感测组件。而当客户提出新的需求，希望设计出一适用于成像高度值为3.26mm的光感测组件尺寸的新光学镜头组30a时(假设已知和新光学镜头组两者的摄像视角FOV均为60度角不变)，吾人将可依据下列步骤设计出新的光学镜头组30a(c1)首先，介绍类似图3所示的已知光学镜头组30的各项光学参数值如下(D、EFL、AIR的尺寸单位均为mm)

于上表中，N1、N2、N3分别为第一、第二、第三光学镜片31、32、33的材料折射率。R11、R21、R31分别为第一、第二、第三光学镜片31、32、33的前侧(左侧)曲率半径。R12、R22、R32分别为第一、第二、第三光学镜片31、32、33的后侧(右侧)曲率半径。D1、D2、D3分别为第一、第二、第三光学镜片31、32、33的镜片厚度。EFL为已知光学镜头组30的有效焦距长。AIR1为第一与第二光学镜片31、32之间的空气间隔值。AIR2为第二与第三光学镜片32、33之间的空气间隔值。
而上表所列的已知光学镜头组30的各项参数值，都是取用镜头组设计制造业者本来就已经设计好的各项已知参数值。
(c2)计算出新光学镜头组30a的有效焦距长EFL值藉由前述的公式(3)，吾人可输入新光学镜头组30a的客户所指定的像高(3.26mm)及摄像视角(60度角)值，来计算出新光学镜头组30a的有效焦距长EFL值为2.8mm。
(c3)计算出新光学镜头组30a所需改变的至少一镜片厚度或是一空气间隔值，以符合步骤(c2)所计算得到的EFL值2.8mm假设吾人希望只改变到某一空气间隔值(例如AIR2)，而对于光学镜片的其它参数都没变化，便能达到使新光学镜头组30 a的EFL值为2.8mm的结果时，吾人便可将已知光学镜头组30的各项参数值(除了AIR2值以外)，配合新的EFL值为2.8mm，均代入前述的公式(1)与公式(2)中，如此，便能计算求出AIR2值为0.32150565mm。而此一新设计出的新光学镜头组30a的各项光学参数值可列表如下

比较上表的新光学镜头组30a与前述已知光学镜头组30的各项光学参数可知，在新光学镜头组30a中仅需改变空气间隔值AIR1，便能达到改适用于尺寸规格为3.26mm的光感测组件，完全不须重新设计镜片、更完全不须重新制作镜片的模仁。
同理，假设吾人希望在新光学镜头组30a中，有某一片光学镜片的厚度也要同时改变，以降低新光学镜头组30a的整体尺寸大小时，吾人仅需把不想变动的光学参数值均输入公式(1)与公式(2)中，而去计算求出欲进行变动的某一镜片(例如第一光学镜片31a)的对应厚度(D1)值，或甚至可以是将某些镜片(例如三片光学镜片31a、32a、33a)的厚度同时变动，如此便可藉由改变至少一片镜片厚度或是改变空气间隔值，来达到设计一新的光学镜头组以符合所需的新成像高度值的目的。
以上所述的实施例不应用于限制本发明的可应用范围，本发明的保护范围应以本发明的权利要求内容所界定技术精神及其均等变化所含括的范围为主。即凡依本发明权利要求所做的均等变化及修饰，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围，故都应视为本发明的进一步实施状况。
权利要求
1.一种光学镜头组设计方法，其特征在于，其包括有下列步骤建立已适当对焦的一光学镜头组的一组已知参数值；输入所需改变的一成像高度值；依据所输入的该成像高度值来计算出对应的一镜片肉厚值或一空气间隔值；以及依据所计算出的该镜片肉厚值与空气间隔值来设计一新的光学镜头组以符合所输入的该成像高度值。
2.如权利要求1所述的光学镜头组设计方法，其特征在于，该光学镜头组包括有至少两光学镜片，且该已知参数值至少包括各光学镜片的材料折射率值、镜片曲率值、镜片肉厚值与空气间隔值、以及该光学镜头组的成像高度值；并且，其中，于所设计出的该新的光学镜头组中，除了该输入的成像高度值与计算出的该镜片肉厚值及空气间隔值之外的其它参数值，均相同于该已适当对焦的光学镜头组的已知参数值。
3.如权利要求2所述的光学镜头组设计方法，其特征在于，各光学镜片均分别是以包括一模具组所制造而得，该模具组至少包含一模套、一公模仁以及一母模仁，并且，单单是藉由调整公模仁与母模仁之间的间隔，即可制造出符合该镜片肉厚值的光学镜片，完全不需重新设计新的模具组。
4.如权利要求2所述的光学镜头组设计方法，其特征在于，单单是藉由在各光学镜片之间设置一预定厚度的垫片，即可制造出符合该空气间隔值的光学镜头组。
5.一种光学镜头组设计方法，其特征在于，其包括有下列步骤依据已适当对焦的一已知第一光学镜头组，来建立的一组光学函数式，于该组光学函数式中包括有若干参数值以供表现各参数值之间的相对应关系，且该若干参数值至少包括有一第一成像高度值、一第一镜片肉厚值、与一第一空气间隔值；选择所欲改变的一新参数值，该新参数值至少包括下列各值的其中之一一第二成像高度值、一第二镜片肉厚值、与一第二空气间隔值；将该所欲改变的新参数值输入该组光学函数式，以计算出与其相对应的其它参数值；以及，依据该新参数值以及所计算出的其它参数值来设计一第二光学镜头组以符合所输入的该新参数值。
6.如权利要求5所述的光学镜头组设计方法，其特征在于，该第一成像高度值与第二成像高度值大小不同，但第一光学镜头组与第二光学镜头组具有相同的摄像视角；其中，该新参数值为第二成像高度值，且可藉由该组光学函数式来计算出相对应的第二镜片肉厚值与第二空气间隔值，至于，第二光学镜头组的其它参数值则均与第一光学镜头组相同；并且，其中，该第一光学镜头组包括有至少两光学镜片，且该参数值更包括有各光学镜片的材料折射率值与镜片曲率值。
7.如权利要求6所述的光学镜头组设计方法，其特征在于，各光学镜片均分别是以包括一模具组所制造而得，该模具组至少包含一模套、一公模仁以及一母模仁，并且，单单是藉由调整公模仁与母模仁之间的间隔，即可制造出符合该第二镜片肉厚值的光学镜片，完全不需重新设计新的模具组。
8.如权利要求6所述的光学镜头组设计方法，其特征在于，单单是藉由在各光学镜片之间设置一预定厚度的垫片，即可制造出符合该第二空气间隔值的第二光学镜头组。
9.一种光学镜头组制造方法，其特征在于，其包括有下列步骤建立已适当对焦的一已知光学镜头组，该已知光学镜头组至少包括有一第一光学镜片且可将一光加以聚焦并清晰成像为具有一第一成像高度值的一影像，该第一光学镜片并具有至少一第一镜片肉厚值、及一第一空气间隔值，前述各值之间可以一组光学函数式来表现其相对应关系，并且，该第一光学镜片可藉由一模具组来制造，该模具组包括有至少一模套、一公模仁、以及一母模仁，其中，该公模仁与母模仁的间隔对应于该第一镜片肉厚值；输入所需改变的一第二成像高度值；依据所输入的该第二成像高度值来计算出至少该第一光学镜片的一第二镜片肉厚值及一第二空气间隔值；移动该公模仁与母模仁之间的间隔以使其符合对应于该新镜片肉厚值，之后再以该移动公、母模仁间隔后的模具组来制造一具有第二镜片肉厚值的一新光学镜片；以及以该新光学镜片来取代第一光学镜片装设于该已知光学镜头组中，并移动该新光学镜片的位置以符合该第二空气间隔值，进而制造出一第二光学镜头组，该第二光学镜头组可将光加以聚焦并清晰成像为具有第二成像高度值的影像。
10.如权利要求9所述的光学镜头组制造方法，其特征在于，单单是藉由在新光学镜片设置一预定厚度的垫片，即可制造出符合该第二空气间隔值的该第二光学镜头组。
全文摘要
一种光学镜头组设计及制造方法包括有下列步骤建立已适当对焦的一光学镜头组的一组已知参数值；输入所需改变的一成像高度值；依据所输入的该成像高度值来计算出对应的一镜片肉厚值及一空气间隔值；以及依据所计算出的该镜片肉厚值与空气间隔值来设计及制造一新的光学镜头组以符合所输入的该成像高度值。因此，本发明仅需藉由改变光学镜片的肉厚与空气间隔，便能达到符合不同成像高度的效果。而光学镜片的肉厚改变，可藉由调整模具组的公、母模仁之间的间隔来达成；至于空气间隔的改变，则可藉由在光学镜片上设置预定厚度的垫片来达成，所以完全不需重新设计生产光学镜片的模具组。
文档编号G02B7/10GK1979242SQ20051012777
公开日2007年6月13日 申请日期2005年12月6日 优先权日2005年12月6日
发明者蔡雄宇, 张景昇 申请人:力相光学股份有限公司