CN113960758A - 光学成像系统、取像装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学成像系统、取像装置及电子设备，光学成像系统包括由物侧至像侧沿光轴依序排列的第一透镜、光栏、第二透镜、第三透镜、红外滤光片与第四透镜，其中第一透镜与第三透镜具有正光焦度，第四透镜具有负光焦度，且光学成像系统满足‑10＜f3/f4＜0、‑5＜f/f2＜10以及‑5＜f/f4＜0，其中f为光学成像系统的总有效焦距，f2为第二透镜的有效焦距，f3为第三透镜的有效焦距，f4为第四透镜的有效焦距。红外滤光片位于第三透镜的像侧面与第四透镜的物侧面之间，以抑制光线到红外滤光片的入射角度在20度以内，从而减少入射光线的光谱的中心截止波长的偏移量。

Description

光学成像系统、取像装置及电子设备

技术领域

本发明涉及一种光学成像技术，且特别涉及一种光学成像系统、取像装置及电子设备。

背景技术

这几年随着国产手机的崛起，各大手机厂商掀起了一股手机广角相机普及的热潮。广角镜头拍摄具有超大的取景范围，拍摄不仅能增强画面纵深感、空间感，更具有夸张的拉长放大的效果，给人感觉“近大远小”的视觉冲击。各种节日聚会，广角相机拍照视野更广，能拍摄多人合照。广角镜头固然市场应用优势大，但是随着手机制作越来越轻薄，广角镜头光学系统的设计和成像端的图像感测器的尺寸受技术与工业水平的限制，当镜头的焦距缩短才能获得大视场景象。短焦距的广角镜头的光学设计成为目前工业镜头设计的热点之一，然而短焦距的广角镜头光学系统，随着其后焦距的变短，入射到像面端的主光角(CRA)会变大。

由于手机摄像镜头的图像感测器对人眼所不能看到的近红外光产生较为敏感的反应，导致数字信号处理器无法正确计算出颜色，会产生严重的偏色。所以一般光学系统在透镜和感测器之间会加上红外滤光片，此滤光片的作用是滤除非可见光红外线感光波段，以降低噪声提高可见光波段影像质量，规格一般为650纳米的波长附近的透过率为50％。现有技术的光学系统的红外滤光片都是设置在光学系统的所有光学透镜之后。光学薄膜的制作一般是按照光线的正入射角时设计的，因此入射角度改变会使膜层的光学性能随之变化，入射角度变大，中心波长向短波长方向偏移，使光线透过率变低。也就是说，红外滤光片具有光谱偏移特性，因此当光线经过红外滤光片时随着周边大视场入射光角度的增大，其截止波长会发生漂移物理现象，0-35°角入射时偏移量将增加为50纳米左右。当主光角为35度时，中心和边缘的截止波长差异导致边缘红光进入少，造成图像中心发红且边缘发青的色彩阴影(color shading)现象。为解决这些问题，现有技术主要通过对滤光片进行镀膜的方式，但是这种方式，一方面镀膜会比较困难，工艺复杂，制作成本高，另一方面，无法完全解决光谱偏移的问题，还是会引起色差问题。

因此，本发明在针对上述的困扰，提出一种光学成像系统、取像装置及电子设备，以解决习知所产生的问题。

发明内容

本发明提供一种光学成像系统、取像装置及电子设备，其抑制光线到红外滤光片的入射角度实质上在20度以内，从而减少入射光线的光谱的中心截止波长的偏移量，从而改善广角镜头的光学系统的因红外滤光片的截止光谱中心波长往短波长方向偏移，而引起的色彩阴影(color shading)等影像质量失真问题，而且也大大缩小了红外滤光片的尺寸，无需采用复杂工艺制作，以降低制作成本。

在本发明的一实施例中，一种光学成像系统包括由物侧至像侧沿光轴依序排列的第一透镜、光栏、第二透镜、第三透镜、红外滤光片与第四透镜，其中第一透镜与第三透镜具有正光焦度，第四透镜具有负光焦度，且光学成像系统满足：-10＜f3/f4＜0；-5＜f/f2＜10；以及-5＜f/f4＜0，其中f为光学成像系统的总有效焦距，f2为第二透镜的有效焦距，f3为第三透镜的有效焦距，f4为第四透镜的有效焦距。

在本发明的一实施例中，第二透镜具有正光焦度或负光焦度。

在本发明的一实施例中，第一透镜、第二透镜、第三透镜与第四透镜的物侧面与像侧面皆为非球面。

在本发明的一实施例中，红外滤光片的物侧面与像侧面为球面。

在本发明的一实施例中，第一透镜的物侧面近光轴与圆周的位置均为凸面，第一透镜的像侧面近光轴与圆周的位置为凹面。

在本发明的一实施例中，第二透镜的物侧面近光轴的位置为凸面，第二透镜的像侧面近光轴与圆周的位置均为凹面。

在本发明的一实施例中，第三透镜的物侧面近光轴与圆周的位置均为凹面，第三透镜的像侧面近光轴与圆周的位置均为凸面。

在本发明的一实施例中，第四透镜的物侧面近光轴的位置为凸面，第四透镜的像侧面近光轴的位置为凹面。

在本发明的一实施例中，一种取像装置包括光学成像系统与一感光元件，其中感光元件位于光学成像系统的像侧。

在本发明的一实施例中，一种电子设备包括取像装置与一设备主体，其中取像装置安装于设备主体上。

基于上述，光学成像系统、取像装置及电子设备将红外滤光片位于第三透镜的像侧面与第四透镜的物侧面之间，以抑制光线到红外滤光片的入射角度在20度以内，从而减少入射光线的光谱的中心截止波长的偏移量，从而改善广角镜头的光学系统的因红外滤光片的截止光谱中心波长往短波长方向偏移，而引起的色彩阴影等影像质量失真问题，而且也大大缩小了红外滤光片的尺寸，无需采用复杂工艺制作，以降低制作成本。

附图说明

图1为本发明的一实施例的光学成像系统的结构示意图。

图2为本发明的入射角为20度的红外滤光片的光谱中心截止波长曲线图。

图3a为本发明的第一实施例的不同色光在子午(Tangential)方向的场曲图。

图3b为本发明的第一实施例的不同色光在弧矢(Sagittal)方向的场曲图。

图4为本发明的第一实施例的不同色光的畸变图。

图5a为本发明的第二实施例的不同色光在子午方向的场曲图。

图5b为本发明的第二实施例的不同色光在弧矢方向的场曲图。

图6为本发明的第二实施例的不同色光的畸变图。

图7为本发明的一实施例的取像装置的结构示意图。

图8为本发明的一实施例的电子设备的结构示意图。

附图标记为：

100…光学成像系统

200…取像装置

20…感光元件

300…电子设备

30…设备主体

L1…第一透镜

L2…第二透镜

L3…第三透镜

L4…第四透镜

L5…红外滤光片

S1…光栏

S2、S4、S6、S8、S10…物侧面

S3、S5、S7、S9、S11…像侧面

具体实施方式

本发明的实施例将藉由下文配合相关附图进一步加以解说。尽可能的，于附图与说明书中，相同标号系代表相同或相似构件。于附图中，基于简化与方便标示，形状与厚度可能经过夸大表示。可以理解的是，未特别显示于附图中或描述于说明书中的元件，为所属技术领域中具有通常技术者所知的形态。本领域的通常技术者可依据本发明的内容而进行多种的改变与修改。

当一个元件被称为『在…上』时，它可泛指该元件直接在其他元件上，也可以是有其他元件存在于两者之中。相反地，当一个元件被称为『直接在』另一元件，它是不能有其他元件存在于两者的中间。如本文所用，词汇『及/或』包括了列出的关联项目中的一个或多个的任何组合。

于下文中关于“一个实施例”或“一实施例”的描述系指关于至少一实施例内所相关连的一特定元件、结构或特征。因此，于下文中多处所出现的“一个实施例”或“一实施例”的多个描述并非针对同一实施例。再者，于一或多个实施例中的特定构件、结构与特征可依照一适当方式而结合。

揭露特别以下述例子加以描述，这些例子仅系用以举例说明而已，因为对于熟习此技艺者而言，在不脱离本揭示内容的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本揭示内容的保护范围当视后附的权利要求范围所界定者为准。在通篇说明书与权利要求范围中，除非内容清楚指定，否则「一」以及「该」的意义包括这一类叙述包括「一或至少一」该元件或成分。此外，如本揭露所用，除非从特定上下文明显可见将复数个排除在外，否则单数冠词亦包括复数个元件或成分的叙述。而且，应用在此描述中与下述的全部权利要求范围中时，除非内容清楚指定，否则「在其中」的意思可包括「在其中」与「在其上」。在通篇说明书与权利要求范围所使用的用词(terms)，除有特别注明，通常具有每个用词使用在此领域中、在此揭露的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本揭露的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供从业人员(practitioner)在有关本揭露的描述上额外的引导。在通篇说明书的任何地方的例子，包括在此所讨论的任何用词的例子的使用，仅用以举例说明，当然不限制本揭露或任何例示用词的范围与意义。同样地，本揭露并不限于此说明书中所提出的各种实施例。

可了解如在此所使用的用词「包括(comprising)」、「包括(including)」、「具有(having)」、「含有(containing)」、「包括(involving)」等等，为开放性的(open-ended)，即意指包括但不限于。另外，本发明的任一实施例或权利要求范围不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制发明作的权利要求范围。

在此所使用的用词「实质上(substantially)」、「大约(around)」、「约(about)」或「近乎(approximately)」应大体上意味在给定值或范围的20％以内，较佳系在10％以内。此外，在此所提供的数量可为近似的，因此意味着若无特别陈述，可用词「大约」、「约」或「近乎」加以表示。当一数量、浓度或其他数值或参数有指定的范围、较佳范围或表列出上下理想值之时，应视为特别揭露由任何上下限的数对或理想值所构成的所有范围，不论该等范围是否分别揭露。举例而言，如揭露范围某长度为X公分到Y公分，应视为揭露长度为H公分且H可为X到Y之间的任意实数。

以下将提出一种本发明的光学成像系统，其将红外滤光片位于第三透镜的像侧面与第四透镜的物侧面之间，以抑制光线到红外滤光片的入射角度在20度以内，从而减少入射光线的光谱的中心截止波长的偏移量，从而改善广角镜头的光学系统的因红外滤光片的截止光谱中心波长往短波长方向偏移，而引起的色彩阴影(color shading)等影像质量失真问题，而且也大大缩小了红外滤光片的尺寸，无需采用复杂工艺制作，以降低制作成本。

图1为本发明的一实施例的光学成像系统的结构示意图。以下请参阅图1，以介绍光学成像系统100。光学成像系统100包括由物侧至像侧沿光轴依序排列的第一透镜L1、光栏S1、第二透镜L2、第三透镜L3、红外滤光片L5与第四透镜L4。光轴以虚线表示。光栏S1的主要是作为限制成像光线的宽度、位置和成像范围的光孔。为了抑制光线到红外滤光片L5的入射角度在20度以内，并达到广角的取像目的，第一透镜L1与第三透镜L3具有正光焦度，第四透镜L4具有负光焦度，因为正光焦度具有光线汇聚作用，负光焦度则具有光线发散作用。光学成像系统100满足：-10＜f3/f4＜0；-5＜f/f2＜10；以及-5＜f/f4＜0，其中f为光学成像系统100的总有效焦距，第一透镜L1的有效焦距以f1表示，f2为第二透镜L2的有效焦距，f3为第三透镜L3的有效焦距，f4为第四透镜L4的有效焦距。此外，第二透镜L2具有正光焦度或负光焦度，其可根据需求而设计。此光学成像系统100可应用于轻薄手机的短焦距宽视场(FOV)的广角、超广角相机模组、短焦距的超广角监控摄像头或光学模组。

第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3与第四透镜L4的主要作用是利用其大面积且弯曲的特征，可以让足够多的光线收敛聚焦到光学成像系统100的像侧，并利用足够多被汇聚的光讯号，使得影像的产生更加迅速。第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3与第四透镜L4均具圆周。第一透镜L1可为塑胶材质，第一透镜L1的物侧面S2与像侧面S3可皆为非球面。较佳地，第一透镜L1的物侧面S2近光轴与圆周的位置可均为凸面，能够加强承担光学成像系统100主要成像功能的第一透镜L1的正光焦度，有利于模组小型化。第一透镜L1的像侧面S3近光轴与圆周的位置可为凹面。第一透镜L1采用非球面透镜，有利于汇聚光线与成像，可以容易制作成球面以外的形状，以获得更多的控制变量与良好成像效果，并利于矫正像差。第二透镜L2可为塑胶材质，第二透镜L2的物侧面S4与像侧面S5可皆为非球面。较佳地，第二透镜L2的物侧面S4近光轴的位置可为凸面，第二透镜L2的像侧面S5近光轴与圆周的位置可均为凹面。第二透镜L2采用非球面透镜，有利于汇聚光线与成像，可以容易制作成球面以外的形状，以获得更多的控制变量与良好成像效果，并利于矫正像差。第三透镜L3可为塑胶材质，第三透镜L3的物侧面S6与像侧面S7可皆为非球面。较佳地，第三透镜L3的物侧面S6近光轴与圆周的位置可为凹面，第三透镜L3的像侧面S7近光轴与圆周的位置可为凸面。第三透镜L3可以有效减小系统场曲和畸变，提高成像品质。第三透镜L3采用非球面透镜，有利于汇聚光线与成像，可以容易制作成球面以外的形状，以获得更多的控制变量与良好成像效果，并利于矫正像差。第四透镜L4可为塑胶材质，第四透镜L4的物侧面S10与像侧面S11可皆为非球面。较佳地，第四透镜L4的物侧面S10近光轴的位置可为凸面，第四透镜L4的像侧面S11近光轴的位置可为凹面，以利于调节后焦距。第四透镜L4的像侧面S11面向成像面S12。第四透镜L4的像侧面S11设计成曲率半径由凹变凸的变化趋势是为了更好地修正离轴视场的像差，以抑制光线到成像面S12的入射角度，能更精准地匹配感光元件。红外滤光片L5可为玻璃材质，红外滤光片L5的物侧面S8与像侧面S9可皆为球面。红外滤光片L5用以过滤掉可见光以外的其它波段的光，以降低噪声提高可见光波段影像质量。

图2为本发明的入射角为20度的红外滤光片的光谱中心截止波长曲线图。如图1与图2所示，因为红外滤光片L5位于第三透镜L3的像侧面S7与第四透镜L4的物侧面S10之间，加上条件-10＜f3/f4＜0、-5＜f/f2＜10以及-5＜f/f4＜0被满足，故可抑制光线到红外滤光片的入射角度实质上在20度以内，在入射光的波长为640纳米时的透过率实质上为50％，使中心截止波长的偏移量为10纳米左右，此相较现有技术于入射角实质上为35度时的中心截止波长的偏移量的50纳米有明显变小，故能减少入射光线的光谱的中心截止波长的偏移量，从而改善广角镜头的光学系统的因红外滤光片的截止光谱中心波长往短波长方向偏移，而引起的色彩阴影等影像质量失真问题，而且也大大缩小了红外滤光片L5的尺寸，以提升材料使用率。红外滤光片L5无需采用复杂的镀膜工艺，以降低制作成本。

图3a为本发明的第一实施例的不同色光在子午(Tangential)方向的场曲图，图3b为本发明的第一实施例的不同色光在弧矢(Sagittal)方向的场曲图，图4为本发明的第一实施例的不同色光的畸变图。如图1、表一与表二所示，以下介绍光学成像系统100的第一实施例，其满足表一与表二的条件。

表一

表二

在表二中，K为非球面圆锥系数，A4-A16分别为各表面的第4-16阶非球面系数。如图3a、图3b与图4所示，分别代表本发明的第一实施例子午方向场曲图、弧矢方向场曲图和畸变曲线图，其中实线代表波长为656纳米，平均长度的虚线代表波长为587纳米，长短线代表波长为486纳米。由图3a、图3b与图4可知，光学成像系统的第一实施例的像差控制在合理范围内，以保证了成像质量。

图5a为本发明的第二实施例的不同色光在子午方向的场曲图，图5b为本发明的第二实施例的不同色光在弧矢方向的场曲图，图6为本发明的第二实施例的不同色光的畸变图。如图1、表三与表四所示，以下介绍光学成像系统100的第二实施例，其满足表三与表四的条件。

表三

表四

在表四中，K为非球面圆锥系数，A4-A16分别为各表面的第4-16阶非球面系数。如图5a、图5b与图6所示，分别代表本发明的第二实施例子午方向场曲图、弧矢方向场曲图和畸变曲线图，其中实线代表波长为656纳米，平均长度的虚线代表波长为587纳米，长短线代表波长为486纳米。由图5a、图5b与图6可知，光学成像系统的第二实施例的像差控制在合理范围内，以保证了成像质量。

图7为本发明的一实施例的取像装置的结构示意图。请参阅图7，以下介绍取像装置200。此取像装置200包括光学成像系统100与一感光元件20，其中感光元件20位于光学成像系统100的像侧。感光元件20可以为感光耦合元件(CCD)或互补式金氧半(CMOS)感测器。光学成像系统100已于前面叙述过了，于此不再赘述。

图8为本发明的一实施例的电子设备的结构示意图。请参阅图8，以下介绍电子设备300。电子设备300包括取像装置200与一设备主体30，其中取像装置200安装于设备主体30上。电子设备300包括但不限于台式电脑、笔记本电脑、平板电脑、智能型手机、数字相机、智能手环、智能手表或智能眼镜。

根据上述实施例，光学成像系统、取像装置及电子设备将红外滤光片位于第三透镜的像侧面与第四透镜的物侧面之间，以抑制光线到红外滤光片的入射角度在20度以内，从而减少入射光线的光谱的中心截止波长的偏移量，从而改善广角镜头的光学系统的因红外滤光片的截止光谱中心波长往短波长方向偏移，而引起的色彩阴影等影像质量失真问题，而且也大大缩小了红外滤光片的尺寸，无需采用复杂工艺制作，以降低制作成本。

以上所述，仅为本发明一优选实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，故举凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种光学成像系统，其特征在于，包括由物侧至像侧沿光轴依序排列的第一透镜、光栏、第二透镜、第三透镜、红外滤光片与第四透镜，其中所述第一透镜与所述第三透镜具有正光焦度，所述第四透镜具有负光焦度，且所述光学成像系统满足：-10＜f3/f4＜0；-5＜f/f2＜10；以及-5＜f/f4＜0，其中f为所述光学成像系统的总有效焦距，f2为所述第二透镜的有效焦距，f3为所述第三透镜的有效焦距，f4为所述第四透镜的有效焦距。

2.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，其中所述第二透镜具有正光焦度或负光焦度。

3.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，其中所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜与所述第四透镜的物侧面与像侧面皆为非球面。

4.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，其中所述红外滤光片的物侧面与像侧面为球面。

5.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，其中所述第一透镜的物侧面近所述光轴与圆周的位置均为凸面，所述第一透镜的像侧面近所述光轴与圆周的位置均为凹面。

6.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，其中所述第二透镜的物侧面近所述光轴的位置为凸面，所述第二透镜的像侧面近所述光轴与圆周的位置均为凹面。

7.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，其中所述第三透镜的物侧面近所述光轴与圆周的位置均为凹面，所述第三透镜的像侧面近所述光轴与圆周的位置均为凸面。

8.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，其中所述第四透镜的物侧面近所述光轴的位置为凸面，所述第四透镜的像侧面近所述光轴的位置为凹面。

9.一种取像装置，其特征在于，包括：

权利要求1至8任一项所述的光学成像系统；以及

感光元件，位于所述光学成像系统的所述像侧。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：

设备主体；以及

权利要求9所述的取像装置，安装于所述设备主体上。

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