TW201523013A - 成像透鏡及固態成像裝置 - Google Patents

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Kazuhiro Suzuki
Ho-Nam Kwon
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Abstract

依據一實施例，成像透鏡包括第一光學系統及微透鏡陣列。第一光學系統包括光軸。微透鏡陣列被提供於第一光學系統與成像元件之間。微透鏡陣列包括提供於第一平面中之微透鏡單元。成像元件包括像素群組。像素群組之每一者包括像素。微透鏡單元個別地重疊像素群組，當投射於第一平面上時。第一光學系統包括孔徑光闌、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、及第四透鏡。第一透鏡被提供於孔徑光闌與微透鏡陣列之間。第二透鏡被提供於第一透鏡與微透鏡陣列之間。第三透鏡被提供於第二透鏡與微透鏡陣列之間。第四透鏡被提供於第三透鏡與微透鏡陣列之間。

Description

成像透鏡及固態成像裝置
文中所述之實施例一般係有關成像透鏡及固態成像裝置。
各種方法被使用為可獲得主體之深度方向上的長度為二維資訊(距離影像)諸如使用參考光束以測量來自該主體之反射光強度及/或返回時間的技術、使用多重相機之立體測距技術，等等。藉由使用距離影像資訊較藉由使用從一般相機所獲得之影像資訊更可能有較佳的主體辨識。因此，將距離影像資訊應用為器具、遊戲、工業應用等相對低價產品之新的輸入資訊之需求正在增加。
於距離成像方法之中，包括成像光學系統及多重光學系統之固態成像裝置已被提議為一種組態，其中單一相機被使用以獲得多組視差且測距係根據三角測量而被執行。於此一固態成像裝置中，多重光學系統被配置為介於成像光學系統與成像元件之間的再成像光學系統。例如，其中多個微透鏡被形成於一平面上之微透鏡陣列被使用為多重 光學系統。
多重像素被配置於每一微透鏡下方。由成像光學系統所去放大之影像係由微透鏡陣列成像於成像元件上。被成像之單眼影像具有由於各微透鏡之配置位置而存在之視差量所偏移的觀點。
使用三角測量之原理得以進行主體之距離估計，其係藉由執行從多個微透鏡所獲得之視差影像群組的影像之信號處理。此外，得以藉由執行影像處理以將影像連結在一起來將影像重建為二維影像。
於成像透鏡及固態成像裝置中，希望獲取高精確度的距離影像及良好的可見影像。
1‧‧‧固態成像裝置
10‧‧‧成像模組單元
12‧‧‧成像光學系統
12a‧‧‧物體側主平面
14‧‧‧微透鏡陣列
14a‧‧‧微透鏡單元
14b‧‧‧可見光透射基底
16‧‧‧固態成像元件
16a‧‧‧半導體基底
16b‧‧‧多重像素
16c‧‧‧濾色器
16d‧‧‧像素集中微透鏡
16e‧‧‧多重像素群組
18‧‧‧成像電路
20‧‧‧影像信號處理器(ISP)
22‧‧‧相機模組I/F(介面)
24‧‧‧影像擷取單元
26‧‧‧信號處理單元
28‧‧‧驅動器I/F
42‧‧‧間隔物
43‧‧‧光學過濾器
44‧‧‧電極墊
46‧‧‧垂直電連接
48‧‧‧凸塊
50‧‧‧處理及驅動器晶片
52‧‧‧遮光罩
54‧‧‧模組電極
62‧‧‧透鏡光學柱
64‧‧‧透鏡支架
70‧‧‧虛擬成像平面
80、82‧‧‧光射線群組
84a、84b、84c、86‧‧‧光射線群組
91a、91b、91c‧‧‧微透鏡影像
100‧‧‧主體
110‧‧‧成像透鏡
圖1為一方塊圖，其闡明依據實施例之固態成像裝置；圖2為一概略橫斷面視圖，其闡明依據實施例之固態成像裝置；圖3A及圖3B闡明介於光射線群組與從主體至成像透鏡的距離之間的關係；圖4闡明成像透鏡之光軸中心上的微透鏡之幾何光學關係；圖5A至圖5C闡明微透鏡之重疊觀看域關係；圖6A至圖6E闡明用以重建二維影像之方法；圖7闡明算術平均； 圖8顯示通過透鏡橫斷面之光射線的高度；圖9顯示出射光瞳之平坦化；圖10闡明依據實施例之成像透鏡的組態；圖11為概略平面圖，其闡明微透鏡單元之配置；圖12為微透鏡之射線圖；圖13為微透鏡之射線圖；圖14為微透鏡之射線圖；圖15顯示微透鏡之像差曲線；圖16為微透鏡之射線圖；圖17顯示微透鏡之像差曲線；圖18為微透鏡之射線圖；圖19顯示微透鏡之像差曲線；圖20闡明依據第一範例之成像透鏡的組態；圖21為依據第一範例之成像透鏡的各個像差圖；圖22為依據第一範例之成像透鏡的各個像差圖；圖23闡明依據第一範例之成像透鏡的出射光瞳位置；圖24闡明依據第一範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值；圖25闡明依據第二範例之成像透鏡的組態；圖26為依據第二範例之成像透鏡的各個像差圖；圖27為依據第二範例之成像透鏡的各個像差圖；圖28闡明依據第二範例之成像透鏡的出射光瞳位置； 圖29闡明依據第二範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值；圖30闡明依據第三範例之成像透鏡的組態；圖31為依據第三範例之成像透鏡的各個像差圖；圖32為依據第三範例之成像透鏡的各個像差圖；圖33闡明依據第三範例之成像透鏡的出射光瞳位置；圖34闡明依據第三範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值；圖35闡明依據第四範例之成像透鏡的組態；圖36為依據第四範例之成像透鏡的各個像差圖；圖37為依據第四範例之成像透鏡的各個像差圖；圖38闡明依據第四範例之成像透鏡的出射光瞳位置；圖39闡明依據第四範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值；圖40闡明依據第五範例之成像透鏡的組態；圖41為依據第五範例之成像透鏡的各個像差圖；圖42為依據第五範例之成像透鏡的各個像差圖；圖43闡明依據第五範例之成像透鏡的出射光瞳位置；圖44闡明依據第五範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值；圖45闡明依據第六範例之成像透鏡的組態； 圖46為依據第六範例之成像透鏡的各個像差圖；圖47為依據第六範例之成像透鏡的各個像差圖；圖48闡明依據第六範例之成像透鏡的出射光瞳位置；圖49闡明依據第六範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值；圖50闡明依據第七範例之成像透鏡的組態；圖51為依據第七範例之成像透鏡的各個像差圖；圖52為依據第七範例之成像透鏡的各個像差圖；圖53闡明依據第七範例之成像透鏡的出射光瞳位置；圖54闡明依據第七範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值；圖55闡明依據第八範例之成像透鏡的組態；圖56為依據第八範例之成像透鏡的各個像差圖；圖57為依據第八範例之成像透鏡的各個像差圖；圖58闡明依據第八範例之成像透鏡的出射光瞳位置；圖59闡明依據第八範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值；圖60闡明依據第九範例之成像透鏡的組態；圖61為依據第九範例之成像透鏡的各個像差圖；圖62為依據第九範例之成像透鏡的各個像差圖；圖63闡明依據第九範例之成像透鏡的出射光瞳位 置；圖64闡明依據第九範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值；
【發明內容及實施方式】
依據一實施例，成像透鏡包括第一光學系統及微透鏡陣列。第一光學系統包括光軸。微透鏡陣列被提供於第一光學系統與成像元件之間。微透鏡陣列包括提供於第一平面中之複數微透鏡單元。成像元件包括複數像素群組。像素群組之每一者包括複數像素。微透鏡單元個別地重疊像素群組，當投射於第一平面上時。第一光學系統包括孔徑光闌、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、及第四透鏡。第一透鏡被提供於孔徑光闌與微透鏡陣列之間，並具有正折射功率。第一透鏡具有第一表面、及第二表面，該第一表面正對著孔徑光闌，第二表面被提供於第一表面與微透鏡陣列之間。第二透鏡被提供於第一透鏡與微透鏡陣列之間，並具有負折射功率。第二透鏡具有第三表面、及第四表面，該第三表面正對著第二表面，第四表面被提供於第三表面與微透鏡陣列之間。第三透鏡被提供於第二透鏡與微透鏡陣列之間，並具有正折射功率。第三透鏡具有第五表面、及第六表面，該第五表面正對著第四表面，第六表面被提供於第五表面與微透鏡陣列之間。第四透鏡被提供於第三透鏡與微透鏡陣列之間，並具有負折射功率。第四透鏡具有第七表面、及第八表面，該第七表面正對著第六 表面，第八表面被提供於第七表面與微透鏡陣列之間。第一表面之曲率半徑為正。第三表面之曲率半徑及第四表面之曲率半徑為正。第五表面之曲率半徑及第六表面之曲率半徑為負。第七表面之曲率半徑及第八表面之曲率半徑為正。從第一至第八表面所選擇之至少一者具有球面組態。公式(1)至(5)被滿足，其中f為第一光學系統之聚焦長度，f1為第一透鏡之聚焦長度，f2為第二透鏡之聚焦長度，f3為第三透鏡之聚焦長度，TL為介於孔徑光闌與成像元件之間的距離，R7為第七表面之曲率半徑，R8為第八表面之曲率半徑，D34為沿著第三透鏡與第四透鏡間之光軸的空氣間隔距離：
1.5<| f2 |/f<3.0 (2)
TL/f<1.3 (3)
1<(R7+R8)/(R7-R8)<5 (4)
0<D34/f<0.05 (5)。
於下文中將參考後附圖形以描述各個實施例。於下文之描述中，類似的構件被標示以類似的參考數字，且一旦被描述後便適當地省略其描述。
相機模組之組態
圖1為一方塊圖，其闡明依據實施例之固態成像裝置。
圖1中所示之固態成像裝置1為(例如)相機模組。
如圖1中所示，固態成像裝置1包括成像模組單元10及成像信號處理器(於下文中，亦稱為ISP(影像信號處理器))20。
成像模組單元10包括成像光學系統(第一光學系統)12、微透鏡陣列14(於下文中，亦稱為MLA(微透鏡陣列))、成像元件(固態成像元件16)、及成像電路18。
成像光學系統12作用為一種將光線從主體導引至固態成像元件16上之成像光學系統。固態成像元件16作用為一種將其由成像光學系統12所導引的光轉換為信號電荷之元件。多重像素(例如，使用為光電轉換元件之光二極體)被配置於沿著光接收表面之二維陣列組態中。
微透鏡陣列14包括(例如)多重微透鏡單元14a。微透鏡單元14a可為諸如稜鏡等微光學系統。微透鏡陣列14之個別微透鏡單元14a將光射線群組去放大，該光射線群組係藉由成像光學系統12而被成像於成像平面(虛擬成像平面)上。由每一微透鏡單元14a所去放大之影像被成像在一相應於微透鏡單元14a之像素區塊(多重像素之群組)上。
成像電路18包括驅動電路單元(未顯示)，其係驅動固態成像元件16之像素陣列的像素；及像素信號處理電路單元(未顯示)，其係處理輸出自像素區之信號。
驅動電路單元包括(例如)垂直選擇電路，其依序地選擇將由水平線(列)單元所驅動於垂直方向的像素；水 平選擇電路，其依序地選擇將由行單元所驅動的像素；及TG(時序產生器)電路，其係藉由各種脈衝以驅動垂直選擇電路及水平選擇電路。
像素信號處理電路單元包括AD轉換電路，其係執行來自像素區之類比電信號的數位轉換；增益控制/放大器電路，其係執行增益控制及/或放大器操作；及數位信號處理器電路，其係執行數位信號之校正處理，等等。
ISP 20包括相機模組I/F(介面)22、影像擷取單元24、信號處理單元26、及驅動器I/F 28。影像擷取單元24從相機模組I/F 22擷取其藉由成像模組單元10之成像而獲得的原始影像。
信號處理單元26實施其由影像擷取單元24所擷取之原始影像的信號處理。驅動器I/F(介面)28將其已經歷信號處理單元26之信號處理的影像信號輸出至一未顯示的顯示驅動器。顯示驅動器顯示其由固態成像裝置1所成像之影像。
相機模組之構件組態
圖2為一概略橫斷面視圖，其闡明依據實施例之固態成像裝置。
於依據如圖2所示之實施例的固態成像裝置1中，固態成像元件16被形成於半導體基底16a中。固態成像元件16包括多重像素群組16e。多重像素群組16e之每一者包括多重像素16b。多重像素16b包括光二極體且被提供 於半導體基底16a上。介於相鄰像素16b之間的節距(像素節距)為(例如)不小於0.7微米(μm)且不大於約2.7μm。固態成像元件16之尺寸為(例如)不小於3.0毫米(mm)且不大於約6.0mm於縱向以及不小於約4.0mm且不大於約8.0mm於橫向。整個固態成像裝置1之體積為(例如)約1立方厘米(cm3)。
驅動像素16b並讀取來自像素16b之信號的驅動/讀出電路(未顯示)被形成於半導體基底16a上。
於多重像素16b之每一者上，R(具有針對紅波長光區之光的高透射率)、G(具有針對綠波長光區之光的高透射率)、B(具有針對藍波長光區之光的高透射率)、或W(透射紅、綠、及藍波長光)之濾色器16c係針對每一像素16b而形成。像素集中微透鏡16d可被形成於每一像素16b之濾色器16c的上部分上。
微透鏡陣列14被配置於濾色器16c上。微透鏡陣列14包括可見光透射基底14b，且微透鏡單元14a被形成於可見光透射基底14b上。微透鏡單元14a被配置於固態成像元件16側，當從可見光透射基底14b觀看時。多重微透鏡單元14a被提供於第一平面14p中。多重微透鏡單元14a被配置於可見光透射基底14b上之二維陣列組態中。微透鏡單元14a被提供以相應於其由設於半導體基底16a上之多重像素16b所組成的像素區塊。換言之，多重微透鏡單元14a個別地重疊多重像素群組16e，當投射至第一平面14p上時。微透鏡單元14a之每一者係作用為一執行 去放大並成像至相應像素區塊上的光學系統。
可見光透射基底14b被提供為分離自固態成像元件16。包括樹脂材料等之間隔物42被提供於可見光透射基底14b與半導體基底16a之間，其中係形成固態成像元件16。可見光透射基底14b係經由間隔物42而被接合至半導體基底16a。當接合半導體基底16a與可見光透射基底14b時之對準係使用(例如)對準標記等為參考來執行。
可見光透射基底14b可為一種不僅透射可見光並同時切斷(例如)不需要的近紅外線光的材料。透射可見光並反射近紅外線光之多層膜或單層膜可被形成於可見光透射基底14b中。
同時，光學過濾器43被提供於可見光透射基底14b之上部分上，如所需。於範例中，光學過濾器43被提供於成像光學系統12與微透鏡陣列14之間。於其中可見光透射基底14b並未作用以切斷近紅外線光之情況下，具有類似功能之光學過濾器43被分離地配置。
此外，用以讀取像素16b之電極墊44被提供於半導體基底16a中。電連接至處理及驅動器晶片之垂直電連接46被形成於電極墊44之下部分中以穿透半導體基底16a。
半導體基底16a係經由垂直電連接46及凸塊48而被電連接至處理及驅動器晶片50。在處理及驅動器晶片50中形成驅動處理電路(成像電路18)，其係驅動固態成像元件16並處理其被讀取之信號。介於半導體基底16a 與處理及驅動器晶片50之間的電連接不限於垂直電連接46；並可藉由金屬佈線等來形成電連接於兩個晶片上所提供的電極墊之間。
成像光學系統12被提供於可見光透射基底14b之上。成像光學系統12包括多重透鏡。成像光學系統12被安裝至透鏡光學柱62。透鏡光學柱62被安裝至透鏡支架64。由於插入壓力與輸出影像之間的關係，成像光學系統12之安裝位置可被調整在當安裝透鏡支架64時。
遮蔽不需要的光之遮光罩52被安裝於半導體基底16a、可見光透射基底14b、和處理及驅動器晶片50周圍。將處理及驅動器晶片50電連接至外部之模組電極54被提供於處理及驅動器晶片50之下部分中。
微透鏡幾何光學關係圖
現在將描述實施例之固態成像裝置1的光學系統(虛擬影像光學系統)之幾何光學關係。
圖3A及圖3B闡明介於光射線群組與從主體至成像透鏡的距離之間的關係。
圖4闡明成像透鏡之光軸中心上的微透鏡之幾何光學關係。
圖5A至圖5C闡明微透鏡之重疊觀看域關係。
成像光學系統12具有光軸Ox。於下文之描述中，僅描述鄰近成像光學系統12之透鏡的光軸之區域以利簡化。
當僅考量成像光學系統12時，來自光軸上之主體點P的主要射線及來自如該主要射線的光射線之相同家族的周邊光被成像於虛擬成像平面70上，該虛擬成像平面70係由成像光學系統之聚焦長度f及介於成像光學系統12與主體點100P之間的距離A所判定以致公式1之關係被滿足。
於此，f為成像光學系統12之聚焦長度，A為從成像光學系統12之物體側主平面12a至主體點100P的距離，而B為從成像光學系統12之影像側主平面12a至虛擬成像點P'70的距離。成像光學系統12之影像放大率(水平放大率)係由底下所述之公式2所表示。
於此，於實施例中，成像光學系統12之虛擬成像點P'70被置於固態成像元件16之後方(於主體100之相反側上)。換言之，固態成像元件16被提供於虛擬成像點P'70與成像光學系統12之間。例如，虛擬成像點P'70為一被置於距離成像光學系統12之聚焦長度f上的點。於此一情況下，因為微透鏡單元14a被配置於虛擬成像點 P'70之前方，光被集中於其包括像素之固態成像元件16的表面上且被置於虛擬成像平面70之前方。於此一情況，光射線群組80及82被去放大並成像以一虛擬影像關係。微透鏡單元14a之光學成像系統係由底下所述之公式3所表示。
於此，g為微透鏡單元14a之聚焦長度，C為從微透鏡單元14a之物體側主平面至虛擬成像點P'70的距離，而D為從微透鏡單元14a之影像側主平面至微透鏡之光學成像點的距離。於此一情況下，由於微透鏡單元14a之光學成像系統所致的影像放大率係由底下所述之公式4所表示。
於此，底下所述之公式5的變數E被引入自幾何光學關係。變數E是在其中光學系統為固定焦點光學系統之情況下的固定設計值。
[公式5] E=B-C
於此，針對兩個相鄰微透鏡單元14a，L ML 為微透鏡單元14a之配置節距或者介於微透鏡單元14a之間的距離。於此一情況下，被射出自相同主體之光射線群組84a、84b、84c及86係由相鄰的多重微透鏡單元14a所分佈以便成像於影像點p1、p2、p3...之多重位置上。於此，L ML 及一側上之影像移位長度△被表示以底下所述之公式6，從針對圖4中所示之每一微透鏡單元14a的主射線84a、84b、及84c的幾何光學關係。
從公式1、公式2、及公式6，影像之移位長度△與從成像光學系統12至主體之距離A具有底下所述之公式7中所示之關係。
於公式7中，f、E、及L ML 為設計之參數且為已知的固定值；而△及D被獨特地判定自A。
於此，D可被取為固定值D0，因為D之改變量相較 於A之改變量是極小的。D0為從微透鏡單元14a之影像側主平面至固態成像元件16之表面的距離。於此一情況下，公式7被表示為底下所述之公式8。
於此，因為f、E、D0、及L ML 為設計值且為已知的，所以假如影像之移位長度△可從成像元件表面所感應則主體距離A為可計算的。
介於由成像元件所記錄之相鄰微透鏡的影像之間的影像匹配被用以判定介於影像之間的移位長度△，當使用成像透鏡及微透鏡以將射出自p1、p2、p3...上之一主體點P的光射線成像時。
針對影像匹配，可使用一種眾所周知的模板匹配方法，其係判定(例如)介於兩影像間之類似度的程度及/或不類似度的程度。再者，當更精確地判定移位位置時，移位長度可藉由下列方式而被更精確地判定：使用連續配適函數等以內插其針對各像素單元所獲得之類似度的程度及/或不類似度的程度、及判定其中該配適函數具有最大值及/或最小值之子像素位置。
用以重建二維影像之方法
現在將參考圖5A至圖5C以描述一種用以重建二維影像而不重疊自微透鏡影像群組(當相同主體被多重地成像時)之方法。
考量之情況係其中：有三個相鄰的微透鏡單元14a；及該些三個相鄰的微透鏡單元14a於固態成像元件16之表面上個別地形成微透鏡影像91a、91b、及91c，如圖5B中所示。
因此，為了形成微透鏡影像而不重疊，則使成像光學系統12之F數與微透鏡之F數匹配是足夠的。
於虛擬成像平面70上之觀看域93a、觀看域93b、及觀看域93c為其中微透鏡之影像91a、91b、及91c被成像的觀看域且為其重疊如圖5C中所示的區域。圖5B及圖5C顯示其中影像去放大比N為0.5之情況；且各觀看域被乘以0.5而被成像為一關係以致各主體點重疊二或更多次。針對關係式N=0.5，虛擬成像平面70上之影像可藉由將各微透鏡影像乘以1/N(亦即，2)而被再生。
影像去放大比N可從成像後之微透鏡影像群組所得知，因為底下所述之公式9可從公式4及公式6之關係所求得。
因為微透鏡之節距LML是已知的，所以影像去放大比 N可藉由從影像判定相同主體之移位長度△而被判定。節距LML為(例如)不小於約10μm且不大於約60μm。
用以重建二維影像之合成方法
現在將描述用以重建二維影像之影像合成方法。
圖6A至圖6E闡明用以重建二維影像之方法。
圖6A顯示影像合成方法之流程圖。圖6B顯示全光影像之範例；圖6C顯示像素信號之放大和算術平均範例；圖6D顯示像素之信號的座標對應之範例；及圖6E顯示二維影像之範例。
首先，如圖6A中所示，從成像元件獲得全光影像(參考圖6B)之輸出(步驟S101)。全光影像為(例如)原始影像。全光影像包括多數圖片單元(像素)；且多數像素之每一者相應於來自彼此不同的多數顏色之一選定者(例如，紅、綠、及藍)。接著，輸出自成像元件之全光原始影像的白平衡處理被執行以調整B(藍)、G(綠)、及R(紅)之信號平衡(步驟S102)。換言之，白平衡處理調整介於多數顏色之間的信號平衡。
接著，例如，因為於R像素之位置上並無G和B信號資訊，所以去馬賽克(demosaicing)被執行以形成G和B信號，藉由參考配置於R像素周圍之像素以估計G和B信號(步驟S103)。換言之，例如，多數像素包括相應於第一顏色(例如，紅)之第一像素(第一圖片單元)。去馬賽克係藉由參考配置於第一像素周圍之多數像 素的像素以估計第一像素之第二顏色(例如，綠或藍)的信號。雖然僅需執行處理以從周圍像素找出平均即足夠，但依需求可能有各種方法，諸如加寬其被參考之像素區域等等(參考圖6C)。去馬賽克被類似地執行於G像素及B像素。
接著，相應於一主體點P(第一點)之影像點p1,p2,...,pn(諸如圖6D中所示者)具有與信號S' p之n對1對應，在其由成像元件所記錄的像素信號值Sp1,Sp2,...,Spn 之合成(步驟S104)以後。亦即，全光影像包括相應於主體之主體點P的多數影像點p1,p2,...,pn。於步驟S104計算其介於第一點與多數影像點p1,p2,...,pn的每一者之間的對應。對應方法係藉由從如上所述之影像感應影像點移位長度△的關係或者觀看域的重疊關係來執行。接著，執行二維影像合成(步驟S105)；獲得二維影像(參考圖6E)；且流程結束。例如，多數影像點p1,p2,...,pn之像素值係根據步驟S104中所計算之對應而被合成。藉此，相應於主體點P之後合成信號被計算。因此，二維影像被計算。
現在將描述二維影像合成。
圖7闡明算術平均。
於此，像素之像素信號值Sp1,Sp2,...,Spn 及雜訊值Np1,Np2,...,Npn 被使用於此描述中。首先，執行各像素信號值及雜訊值之亮度校正處理。接著，亮度校正係數a1,a2,...,a n 被個別地乘以像素信號值Sp1,Sp2,...,Spn 。
接著，藉由在如底下所述之公式10所示的乘法後之值的算術平均來計算後合成信號值S' p。同時，此刻於後合成信號值中所包括之雜訊值N' p係如公式11中所示。
[公式10] S' p =(a 1 ．S p1 +a 2 ．S p2 +...+a n ．S pn )/n
[公式11] N' p =(a 1 2 ．n p1 2 +a 2 2 ．n p2 2 +...+a n 2 ．n pn 2 )0.5/n
介於測距性能與出射光瞳的組態之間的關係
圖8顯示通過透鏡橫斷面之光射線的高度。
圖9顯示出射光瞳之平坦化。
如圖8中所示，成像光學系統12包括孔徑光闌S、第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、及第四透鏡L4。第一透鏡L1被提供於孔徑光闌S與微透鏡陣列14之間。第二透鏡L2被提供於第一透鏡L1與微透鏡陣列14之間。第三透鏡L3被提供於第二透鏡L2與微透鏡陣列14之間。第四透鏡L4被提供於第三透鏡L3與微透鏡陣列14之間。
包括第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、及第四透鏡L4之透鏡群組為主要透鏡。如圖8所示，於其中虛擬平面被配置於離軸光射線所通過的第二透鏡L2與第三透鏡L3之間的空間中之情況下，針對其通過虛擬平面之光射線做出下列定義。
例如，考量行進於與光軸Ox相交之方向上的離軸光射線。離軸光射線L23包括上光射線L23u、下光射線L23d、及主射線L23m。下光射線L23d被置於上光射線L23u與虛擬平面上的光軸Ox之間。主射線L23m被置於上光射線L23u與虛擬平面上的下光射線L23d之間。
h(G23iCR)為離軸光射線之主射線L23m通過虛擬平面所處的高度。
h(G23iUR)為離軸光射線之上光射線L23u通過虛擬平面所處的高度。
h(G23iDW)為離軸光射線之下光射線L23d通過虛擬平面所處的高度。
針對其傳播通過頁表面之離軸光射線的主射線做出下列定義。
hx(G23iURX)為其中垂直平面上之光射線(通過縱切面)通過虛擬平面的深度方向上之長度。
圖9中所示之出射光瞳EP的組態為離軸光射線之虛擬平面上的組態。出射光瞳EP之組態被(例如)視為橢圓。於此一情況下，出射光瞳EP之組態具有第一直徑及第二直徑。第一直徑為沿著出射光瞳EP之虛擬平面中的第一方向(X方向)之直徑。第二直徑為沿著出射光瞳EP之虛擬平面中的第二方向(Y方向)之直徑。針對出射光瞳EP之平坦化做出下列定義。
第一直徑之1/2倍為a。於其中出射光瞳EP被視為實質上圓或橢圓的情況下，第一直徑為出射光瞳位置上之 光瞳的長度之主要直徑；及a=hx(G23iURX)。
第二直徑之1/2倍為b。於其中出射光瞳EP被視為實質上圓或橢圓的情況下，第二直徑為出射光瞳位置上之光瞳的長度之次要直徑；及b=(hy(G23iUR)-hy(G23iDW))/2。
平坦化ρ被定義為ρ=| 1-b/a |，針對半徑a及半徑b。
通過出射光瞳EP之光射線群組的均勻性針對介於平坦化與測距性能之間的關係是重要的。如圖8中所示，為了較高的測距精確度，重要的是設計以使得b'/b"相對於b/b之比例接近1，其中通過孔徑光闌(孔徑光闌S)之光射線群組的位置比例為b/b。
於光軸附近，b'/b"相對於b/b之比例的改變很小；且由於失真所致之問題不容易發生。另一方面，在具有高視角之位置上，b'/b"相對於b/b之比例的改變很大；且由於失真所致之測距誤差很容易發生。因此，光射線群組之圓形橫斷面需盡可能不會平坦化或具有均勻內部，從光軸附近至具有高視角之位置。
透鏡組態之公式及參數
於下列描述中，透鏡之光軸方向被取為Z方向；光軸之法線的一方向被取為Y方向；及正交於Z方向和Y方向之方向被取為X方向。Z方向之正方向為從主要透鏡群組之物體側朝向影像平面之方向。
從物體側計算，第i表面(包括孔徑光闌表面)之曲 率半徑為Ri；介於第i與第(i+1)表面之間沿著光軸的表面間隔為Di；及從物體側計算，第j透鏡之折射指數及阿貝數(Abbe number)個別為nj及νj。
於公式12中，c為非球表面頂點之曲率，K為錐形常數，aI為非球常數，Y為距離光軸之高度，及Z為從正切平面至透鏡表面頂點上之非球表面上的點之距離。
透鏡組態
現在將描述特定透鏡組態。
圖10闡明依據實施例之成像透鏡的組態。
如圖10中所示，成像透鏡110包括微透鏡陣列MLA(14)及成像光學系統12，其為第一光學系統。於圖10中，S為孔徑光闌，R1為第一透鏡L1之物體側上的表面(第一表面)，R2為第一透鏡L1之影像側上的表面(第二表面)，R3為第二透鏡L2之物體側上的表面(第三表面)，R4為第二透鏡L2之影像側上的表面(第四表面)，R5為第三透鏡L3之物體側上的表面(第五表面)，R6為第三透鏡L3之影像側上的表面(第六表面)，R7為第四透鏡L4之物體側上的表面(第七表面)，R8為第四透鏡L4之影像側上的表面(第八表 面)，R9為微透鏡陣列MLA之物體側上的表面(第九表面)，R10為微透鏡陣列MLA之影像側上的表面(第十表面)，及DT為固態成像元件16之成像平面。成像平面為其中多數像素被提供之平面。
第一表面R1正對著孔徑光闌S。第二表面R2被提供於第一表面R1與微透鏡陣列MLA(14)之間。
第三表面R3正對著第二表面R2。第四表面R4被提供於第三表面R3與微透鏡陣列MLA(14)之間。
第五表面R5正對著第四表面R4。第六表面R6被提供於第五表面R5與微透鏡陣列MLA(14)之間。
第七表面R7正對著第六表面R6。第八表面R8被提供於第七表面R7與微透鏡陣列MLA(14)之間。
依據實施例之成像透鏡110可獲取高精確度距離影像及良好可見影像兩者。
成像光學系統12包括孔徑光闌S、具有正折射能力之第一透鏡L1、具有負折射能力之第二透鏡L2、具有正折射能力之第三透鏡L3、及具有負折射能力之第四透鏡L4，其係依此順序被配置從物體側朝向影像平面側。包括第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、及第四透鏡L4之透鏡群組為主要透鏡。
微透鏡陣列MLA(14)及固態成像元件16被配置於成像光學系統12之影像側上。
微透鏡陣列MLA(14)被配置於成像光學系統12與包括多數像素的固態成像元件16之間。微透鏡陣列 MLA(14)被提供於成像光學系統12與成像光學系統12的焦點位置之間。換言之，微透鏡陣列MLA(14)被配置於成像光學系統12之焦點位置的物體側上。微透鏡陣列MLA(14)包括多重微透鏡單元14a。一微透鏡單元14a重疊至少兩像素，如從光軸方向所見。多數微透鏡單元14a之每一者係重疊多數像素16b之至少兩像素，當投射至第一平面14p之上時。
於實施例中，主要透鏡可包括實質上不具有能力之透鏡。同時，整個透鏡組態可包括一實質上不具有能力之透鏡(例如，封蓋玻璃CG)。
於此，第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、及第四透鏡L4之定向為如下所述。
第一透鏡L1之組態係使得其物體側上之表面(第一表面)的曲率半徑為正。
第二透鏡L2之組態係使得其物體側上之表面(第三表面)及影像側上之表面(第四表面)的曲率半徑均為正。
第三透鏡L3之組態係使得其物體側上之表面(第五表面)及影像側上之表面(第六表面)的曲率半徑均為負。
第四透鏡L4之組態係使得其物體側上之表面(第七表面)及影像側上之表面(第八表面)的曲率半徑均為正。
希望介於成像光學系統12與微透鏡陣列MLA(14)之 間的配置係使得當微透鏡陣列MLA(14)將其通過成像光學系統12之影像去放大時的去放大比Nf是不小於0.001且不大於0.87。
因此，主要透鏡之基本組態係由正第一透鏡L1、負第二透鏡L2、正第三透鏡L3及負第四透鏡L4所形成。藉由此一組態，獲得了具有適當後焦點及短總透鏡長度之薄成像透鏡110。
由於考量性能為最高優先權及尺寸減小為優先權，主要透鏡之透鏡數被設為四。於其中主要透鏡之透鏡數為二或更少的情況下，難以減小場曲率；且周邊性能降低。在其中主要透鏡之透鏡數為三或更多的情況下性能是較佳的。另一方面，總長度增加，其可能造成重量增加。因此，藉由使用一種其中得以減小場曲率及失真像差的四透鏡組態，則主要透鏡之尺寸被減小且良好周邊性能被提供。
希望主要透鏡中所包括之第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3及第四透鏡L4的表面(R1至R8)之至少一表面為非球表面。同時，希望來自物體側及影像平面側之至少一選定者上的一表面為非球表面。
藉由使用非球表面於正第一透鏡L1中、使用具有負折射能力之非球表面於第二透鏡L2中、使用具有正折射能力之非球表面於第三透鏡L3中、及使用具有負折射能力之非球表面於第四透鏡L4中，可獲得一種成像透鏡，其中各種像差(且特別是像散及失真像差)被校正；透鏡 系統之總長度很短；且固態成像元件16之成像平面DT上的成像之成像放大具有針對30度或更小的微透鏡陣列MLA(14)上之入射角的去放大比。
此外，藉由利用非球表面於具有正折射能力之第三透鏡L3中並藉由適當地配置介於第二透鏡L2與第三透鏡L3之間的間隔以及介於第三透鏡L3與第四透鏡L4之間的間隔，則可藉由利用發生於軸上射線與邊際射線的傳輸高度之間的差異來校正光軸末端之螢幕周邊部分的各種像差(慧形像差、像散、及失真像差)。
希望第一至第四透鏡L1至L4由玻璃材料或塑膠材料所製。包括玻璃材料及塑膠材料之透鏡亦包括其中將塑膠材料之表面塗佈以防止反射並增加表面硬度之透鏡。
透鏡很小；且於小透鏡之生產時，塑膠材料可藉由射出模製等來製造，且較玻璃材料更適於大量生產。此外，塑膠透鏡適於具有低製造成本之大量生產。
孔徑光闌S調整其通過微透鏡陣列MLA(14)並到達固態成像元件16之主體光量。孔徑光闌S被配置於主要透鏡之物體側上。換言之，孔徑光闌S、第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、及第四透鏡L4依序從物體側被配置於成像透鏡110中。
於成像透鏡110中，微透鏡陣列MLA(14)上之入射角被減小，因為孔徑光闌S被配置在物體側上之最遠處。亦即，從成像平面至出射光瞳位置之距離針對其中孔徑光闌S被配置在物體側上之最遠處的類型是較長的，相較於針 對其中孔徑光闌被提供於第一透鏡L1與第三透鏡L3之間的中間光闌類型。
於其中出射光瞳遠離成像平面之情況下，從成像透鏡110之最終表面所射出的光射線之主射線被入射於微透鏡陣列MLA(14)以一幾乎垂直的角度，亦即，介於成像透鏡110的出射光瞳與微透鏡陣列MLA(14)之單一透鏡(微透鏡單元14a)的出射光瞳之間的移位可被減少；並可確保良好的像差性能。
微透鏡陣列MLA(14)被配置於成像光學系統12與固態成像元件16之間。通過微透鏡陣列MLA(14)之影像被成像於固態成像元件16上成為虛擬影像且被成像以一去放大比。藉此，成像透鏡110之原始中央性能及周邊性能可被校正為甚至更好。
微透鏡陣列
現在將描述應用於成像透鏡110之微透鏡陣列MLA。
圖11為概略平面圖，其闡明微透鏡單元之配置。
圖12至圖13為微透鏡之射線圖。
如圖11中所示，微透鏡陣列MLA(14)具有一種使用多數微透鏡單元14a之透鏡光學系統配置。透鏡光學系統配置係使得微透鏡單元14a之每一者的軸向上之光到達針對各觀看域之各分段的相同位置。於多重光學系統配置中，多數多重光學系統被均勻地配置自多重光學系統配置 之中心，且被配置(例如)於諸如圖11中所示之六角配置中。於其中多數微透鏡單元14a被封裝於無間隙之六角配置中的情況下，微透鏡單元14a之每一者的外周圍之組態為六角形。
微透鏡陣列MLA(14)係由折射光學系統所形成。微透鏡陣列MLA(14)被配置於成像光學系統12與固態成像元件16之間；且成像元件上之成像是以虛擬影像放大。微透鏡陣列MLA(14)將來自具有不同視角之成像光學系統12的光射線成像於固態成像元件16上。因為其位於微透鏡陣列MLA(14)內部之微透鏡單元14a被設置為六角配置，所以在觀看域周邊上之微透鏡單元14a上的入射角係隨著視角增加而增加。
圖12為當來自成像光學系統12之主射線以0度之角度被入射於微透鏡陣列MLA(14)上時之射線圖。
圖13為當來自成像光學系統12之主射線以30度之角度被入射於微透鏡陣列MLA(14)上時之射線圖。
形成於微透鏡陣列MLA(14)中之折射光學系統係以適當虛擬影像放大被配置於成像光學系統12與固態成像元件16之間，且被組態成具有適當的聚焦長度及F數以致來自成像光學系統12之觀看域外部的光射線可盡可能有效率地到達成像元件。
於依據實施例之成像透鏡110中，微透鏡陣列MLA(14)之微透鏡單元14a的聚焦長度及F數被設定以致在影像側上之其主射線的入射角為20度至30度之內的光 射線可有效地到達固態成像元件16。舉例而言，表1顯示其以0.5倍之虛擬影像放大來成像的微透鏡陣列MLA(14)之單一透鏡(一微透鏡單元14a)的規格。
表1中所述之參數代表以下。
Nd為透鏡之光學材料的d線(587.6奈米(nm))折射指數。
νd為針對d線之透鏡的光學材料之阿貝數。
R為有效半徑(毫米(mm))，亦即，光射線所通過之圓形區域的半徑。
f為聚焦長度(mm)。
圖14為微透鏡之射線圖。
圖14為表1中所示之微透鏡陣列MLA的單一透鏡之射線圖，針對0度之主射線角。
圖15顯示微透鏡之像差曲線。
圖15為表1中所示之微透鏡陣列MLA的單一透鏡之像差圖(針對0度之主射線角)。
圖16為微透鏡之射線圖。
圖16為表1中所示之微透鏡陣列MLA的單一透鏡之 射線圖，針對20度之主射線角。
圖17顯示微透鏡之像差曲線。
圖17為表1中所示之微透鏡陣列MLA的單一透鏡之像差圖(針對20度之主射線角)。
圖18為微透鏡之射線圖。
圖18為表1中所示之微透鏡陣列MLA的單一透鏡之射線圖，針對30度之主射線角。
圖19顯示微透鏡之像差曲線。
圖19為表1中所示之微透鏡陣列MLA的單一透鏡之像差圖(針對30度之主射線角)。
第一光學系統(成像光學系統12)之條件公式
現在將描述成像光學系統12之條件公式。
如圖10中所示，依據實施例之成像透鏡110包括(依序從物體側朝向影像平面側)孔徑光闌S、第一透鏡L1，其具有正折射能力及其中物體側上之表面的曲率半徑為正之組態、第二透鏡L2，其具有負折射能力及其中物體側表面及影像側表面兩者的曲率半徑均為正之組態、第三透鏡L3，其具有正折射能力及其中物體側表面及影像側表面兩者的曲率半徑均為負之組態、以及第四透鏡L4，其具有負折射能力且被形成為其中物體側表面及影像側表面兩者的曲率半徑均為正之組態；且微透鏡陣列MLA(14)及固態成像元件16被配置於這些透鏡後方。
於成像透鏡110中，微透鏡陣列MLA(14)被配置於成 像光學系統12與固態成像元件16之間。希望放大率不小於0.001且不大於0.87，於其中由成像光學系統12所形成之影像將被微透鏡陣列MLA(14)所去放大的情況下。
於此一光學系統中，成像透鏡110滿足底下所述之條件公式(1)至(5)。
1.5<| f2 |/f<3.0 (2)
TL/f<1.3 (3)
1<(R7+R8)/(R7-R8)<5 (4)
0<D34/f<0.05 (5)
於上述條件公式(1)至(5)中，f為成像光學系統12之聚焦長度，f1為第一透鏡L1之聚焦長度，f2為第二透鏡L2之聚焦長度，f3為第三透鏡L3之聚焦長度，TL為介於孔徑光闌S與成像平面DT(固態成像元件16)之間的距離，R7為第七表面之曲率半徑，R8為第八表面之曲率半徑，D34為沿著第三透鏡L3與第四透鏡L4間之光軸Ox的空氣間隔距離。
實施例之成像透鏡110的透鏡組態之基本特性係由以下所形成：具有大的正能力之第一透鏡L1、具有相對小的負能力之第二透鏡L2、具有最大正能力之第三透鏡L3、極具有大的負能力之第四透鏡L4，於最鄰近影像之 側上；且能力配置為一種正-負-正-負能力配置及一種所謂的望遠類型折射能力配置。
此外，為了校正色差，成像透鏡110具有以下特性：使用具有大的正折射能力之第三透鏡L3及具有大的負折射能力之第四透鏡L4以執行其由於具有大的正折射能力之第一透鏡L1及具有大的負折射能力之第二透鏡L2所發生的色差之去色差。
因此，第一透鏡L1及第二透鏡L2具有主要地校正球面像差、慧形像差、及鄰近於光軸的色差之效果；而第三透鏡L3及第四透鏡L4具有主要地校正失真像差(其為離軸像差)並控制離軸色差和微透鏡陣列MLA(14)上的入射角之效果。
條件公式(1)及(2)係調節用以獲得良好光學性能之折射能力配置。
條件公式(1)為關於針對整個透鏡系統之結合的聚焦長度之第一透鏡L1的能力之條件公式。於其中第一透鏡L1之能力很強且條件係低於條件公式(1)之下限的情況下，上光射線之色差及球面像差、慧形像差、及色差變大；性能不利地降低；而因此，校正很困難；且整個螢幕之對比減少。
另一方面，於其中第一透鏡L1之能力很弱且條件公式(1)之上限被超過的情況下，後焦點變長；透鏡系統之總長度變大；緊密度喪失；光射線之慧形像差變大；且性能不利地降低。因此，難以減小成像透鏡110之總長 度。
於條件公式(1)中更理想的是範圍為0.85<f1/f<0.95，且甚至更理想的是範圍為0.90<f1/f<0.95。
條件公式(2)為關於針對整個透鏡系統之結合的聚焦長度之第二透鏡L2的能力之絕對值的條件公式。條件公式(2)係調節第二透鏡L2之負能力。負第二透鏡L2之能力需能校正由於第一透鏡L1之正透鏡而發生的像差。於其中第二透鏡L2之負能力被設為強的情況下，性能會不利地降低，因為負能力相對於負透鏡之校正效果是過度的。特別地，光軸上之色差及放大之色差降低。此外，成像平面上之入射角變為太大。因此，希望將第二透鏡L2之負能力設為相當弱。因此，希望滿足條件公式(2)。
於其中第二透鏡L2之能力很強且條件係低於條件公式(2)之下限的情況下，總長度變長；周邊光射線之光射線高度變高；像散之校正困難；且整個螢幕之對比減少。此外，固態成像元件16上之入射角變大；且不希望地難以確認影像平面側上之遠心特性。
於其中條件公式(2)之上限被超過的情況下，軸上像差與離軸像差之像差校正平衡降低；且離軸像差無法被輕易地校正。此外，後焦點變長；且難以減少成像透鏡之總長度。
於條件公式(2)中，更理想的是範圍為1.5<| f2 |/f<2.5，而甚至更理想的是範圍為2.0<| f2 |/f<2.5。
條件公式(3)調節成像光學系統12之透鏡系統的總長度。於其中條件公式(3)之上限被超過的情況下，緊密度是不可能的，因為總透鏡長度變長。因此，依據滿足條件公式(3)之組態，易於使得成像透鏡更小且更薄。
於條件公式(3)中，更理想的是當TL/f<1.2，而甚至更理想的是當TL/f<1.0。
條件公式(4)為用以適當地設定負第四透鏡L4之組態的條件公式。於條件公式(4)所示之範圍內，第四透鏡L4係從其中影像側上之表面具有大於物體側上之表面的折射能力之組態(具有負折射能力及面對物體側之凸表面的彎月面組態)改變至其中物體側上之表面具有大於影像側上之表面的折射能力之雙凹組態。
藉由設定該些條件為低於條件公式(4)之上限，則介於微透鏡陣列MLA(14)與其從第四透鏡L4之表面伸出最遠的最突出部分之間的間隔可被確保而同時使總長度及後焦點變短。
另一方面，藉由設定該些條件超過條件公式(4)之下限，則通過第四透鏡L4之軸上射線及離軸光射線可被適當地維持，其對於校正縱向色差及離軸色差是有利的。
於條件公式(4)中，更理想的是範圍為1<(R7+R8)/(R7-R8)<4，而甚至更理想的是距離為2<(R7+R8)/(R7-R8)<4。
條件公式(5)為調節介於第三透鏡L3與第四透鏡L4之間的間隔之條件公式。藉由設定該些條件為低於條 件公式(5)之下限，則介於軸上像差與離軸像差之間的像差校正平衡是可能的；而不僅離軸像差之校正且連同色差之校正均為良好的。另一方面，藉由設定該些條件為超過條件公式(5)之下限，則介於第三透鏡L3與第四透鏡L4之間的間隔不會變得太小，其對於透鏡之總長度的緊密度是有利的。
於條件公式(5)中，更理想的是範圍為0<D34/f<0.04，且甚至更理想的是範圍為0.01<D34/f<0.04。
同時，於依據實施例之成像透鏡110中，希望其通過第三透鏡L3之主射線的高度位置滿足底下所述之條件公式(6)。
0.3<hc(G3R)/(D1+D2+D3+D4+D5)<0.5 (6)
於條件公式(6)中，hc(G3R)為最大視角之離軸光射線的主射線通過第三透鏡L3之影像側上的表面(第六表面)之高度。換言之，hc(G3R)為介於光軸Ox與其中離軸光射線之主射線與第六表面相交的位置之間的距離。D1+D2+D3+D4+D5為沿著光軸Ox從孔徑光闌S至第三透鏡L3之影像側上的表面(第六表面)之距離。D1為沿著第一透鏡L1之光軸Ox的厚度。D2為介於第一透鏡L1與第二透鏡L2之間沿著光軸Ox的空氣間隔。換言之，D2為介於第一透鏡L1與第二透鏡L2之間沿著光軸Ox的距離與介於第一透鏡L1與第二透鏡L2之間之區域的折射指數之乘積。D3為沿著第二透鏡L2之光軸Ox的厚 度。D4為介於第二透鏡L2與第三透鏡L3之間沿著光軸Ox的空氣間隔。換言之，D4為介於第二透鏡L2與第三透鏡L3之間沿著光軸Ox的距離與介於第二透鏡L2與第三透鏡L3之間之區域的折射指數之乘積。D5為沿著第三透鏡L3之光軸Ox的厚度。
於此，條件公式(6)為用以控制離軸主射線通過第三透鏡L3之高度的條件公式。條件公式(6)為用以盡可能防止色差之發生的條件，當通過成像透鏡110之離軸光射線被入射於微透鏡陣列MLA(14)上時；且條件公式(6)限制離軸光射線之出射光瞳的組態。
於其中條件公式(6)之上限被超過且通過第三透鏡L3之影像側上的表面(第六表面)之最大視角的離軸光射線之主射線的高度變高之情況下，第四透鏡L4之物體側上的表面(第七表面)上之入射高度變高；且必須釋放第四透鏡L4之物體側上的表面(第七表面)之折射能力。雖然因為此部分之折射能力變弱而使慧形像差之發生增加，但是離軸光射線之出射光瞳的組態不會顯著地改變。
於其中該些組態低於條件公式(6)之下限的情況下，於第四透鏡L4之物體側上的表面(第七表面)上之光射線高度減少；且必須增加第四透鏡L4上之光射線的折射能力。因為此部分之折射能力被增加，所以難以確保光射線至入射角朝向指定的影像高度，亦即，CRA(主射線角(影像平面上之主射線的入射角))。因為必須減 少第三透鏡L3之正折射能力以確保第四透鏡L4上之入射高度，所以發生了離軸光射線之大的慧形像差；且離軸光射線之出射光瞳的組態不利地顯著改變。
於條件公式(6)中，更理想的是其範圍為0.3<hc(G3R)/(D1+D2+D3+D4+D5)<0.45，而甚至更理想的是其範圍為0.35<hc(G3R)/(D1+D2+D3+D4+D5)<0.45。
出射光瞳之組態為成像光學系統12之出射光瞳上的離軸光射線之組態。出射光瞳平面為(例如)成像光學系統12之出射光瞳所被成像於上之平面。出射光瞳之組態被(例如)視為橢圓。於此一情況下，出射光瞳之組態具有第一直徑及第二直徑。第一直徑為沿著出射光瞳之出射光瞳平面中的第一方向(X方向)之直徑。第二直徑為沿著出射光瞳之出射光瞳平面中的第二方向(Y方向)之直徑。
於依據實施例之成像透鏡110中，希望其出射光瞳之位置上的出射光瞳組態滿足底下所述之條件公式(7)。
於條件公式(7)中，ρ為平坦化。平坦化ρ為ρ=| 1-b/a |。a為正交於出射光瞳位置上通過出射光瞳之離軸光射線的光軸之第一方向上的半徑。b為正交於出射光瞳位置上通過出射光瞳之離軸光射線的光軸之第二方向(正交於第一方向)上的半徑。
a為1/2乘以第一直徑。當出射光瞳被視為實質上圓 或橢圓時，第一直徑為出射光瞳位置上之光瞳的長度之主要直徑。半徑a被表示為a=hx(EXTPURX)。
b為1/2乘以第二直徑。當出射光瞳被視為實質上圓或橢圓時，第二直徑為出射光瞳位置上之光瞳的長度之次要直徑。半徑b被表示為b=(hy(EXTPiUR)-hy(EXTPiDW))/2。
h(EXTPiCR)為離軸光射線之主射線通過出射光瞳平面的高度。
h(EXTPiUR)為離軸光射線之上光射線通過出射光瞳平面的高度。
h(EXTPiDW)為離軸光射線之下光射線通過出射光瞳平面的高度。
hx(EXTPURX)為垂直其通過出射光瞳平面之離軸光射線的主射線之平面中的光射線之深度方向上的長度。hx(EXTPURX)為1/2乘以出射光瞳平面中沿著離軸光射線L23之第一方向(X方向)的長度。
例如，hy(EXTPiUR)為離軸光射線之上光射線通過出射光瞳平面的第二方向上之高度。hy(EXTPiUR)為介於光軸Ox與其中上光射線L23u通過出射光瞳平面的位置之間沿著第二方向(Y方向)的距離。
hy(EXTPiDW)為離軸光射線之下光射線通過出射光瞳平面的第二方向上之高度。hy(EXTPiDW)為介於光軸Ox與其中下光射線L23d通過出射光瞳平面的位置之間沿著第二方向的距離。
條件公式(7)為依據實施例之成像透鏡110的出射光瞳之位置上的出射光瞳之組態的條件公式。
當來自成像光學系統12之光射線被微透鏡陣列MLA(14)去放大且成像於固態成像元件16上時，成像光學系統12之出射光瞳的組態與微透鏡陣列MLA(14)上的單一透鏡之進入光瞳的組態最好是吻合以致光射線有效地到達固態成像元件16。
然而，實際上，因為微透鏡陣列MLA(14)之單一透鏡的配置具有六角封裝密度，所以即使微透鏡陣列MLA(14)上之單一透鏡中心與固態成像元件16之中心對齊，其具有大視角之離軸光射線的主射線具有相對於微透鏡陣列MLA(14)之單一透鏡的光軸之大入射角且被入射以相對於微透鏡陣列MLA(14)之光軸的20度至30度之傾斜；而因此，難以使微透鏡陣列MLA(14)之進入光瞳位置與成像光學系統12之出射光瞳位置對齊。
針對成像光學系統12而被傾斜射出之離軸光射線的光瞳組態為橢圓(諸如橫向長的貓眼之組態)，由於漸暈的效果。為了致使來自成像光學系統12之離軸光射線被盡可能有效地入射於微透鏡陣列MLA(14)之單一透鏡上，則來自成像光學系統12之出射光瞳的組態必須為盡可能接近圓的組態。條件公式(8)調節此一光瞳組態。
於其中條件公式(7)之上限被超過的情況下，成像光學系統12之出射光瞳的組態顯著地移位自微透鏡陣列MLA(14)之單一透鏡的出射光瞳的組態。因此，難以致使 光射線通過微透鏡陣列MLA(14)並有效地到達固態成像元件16。
於條件公式(7)中，更理想的是範圍為0 ρ<0.2，而甚至更理想的是範圍為0 ρ<0.1。
於依據實施例之成像透鏡110中，希望底下所述之條件公式(8)被滿足。
於條件公式(8)中，ν1為第一透鏡L1之阿貝數；而ν2為第二透鏡L2之阿貝數。
條件公式(8)調節正第一透鏡L1及負第二透鏡L2中所包括的材料之阿貝數。藉由滿足條件公式(8)，得以校正光軸上之色差及放大率之離軸色差。
依據實施例之成像透鏡110可被組態成滿足底下所述之條件公式(9)。
於條件公式(9)中，αi為其以最大視角(最大影像高度)在成像平面DT上之離軸光射線的主射線之入射角。
於依據實施例之成像透鏡110中，於其中固態成像元件16與微透鏡陣列MLA(14)被組合使用的情況下，當從成像光學系統12所射出之離軸光射線被入射以相對於微透鏡陣列MLA(14)的大角度並通過微透鏡陣列MLA(14)而被成像在固態成像元件16上時，其可被微透鏡陣列 MLA(14)所忍受的離軸光射線之視角不利地顯著移位；且影像之亮度不利地不同於影像中央部分與影像周邊部分之間。當微透鏡陣列MLA(14)上之入射角小時，此問題被減少，但光學系統之總長度不利地變大。因此，希望滿足條件公式(9)。
此外，成像透鏡110可組態成滿足底下所述之條件公式(10)、(11)及(12)。
0.4<| R4/f |<0.8 (10)
10<| R2/R1 |<30 (11)
0.2<| R6 |/f<0.6 (12)
於條件公式(10)中，R4為第二透鏡L2之影像側上的表面(第四表面)之曲率半徑；而f為成像光學系統12之聚焦長度。條件公式(10)為用以適當地設定第二透鏡L2之影像側上的表面(第四表面)之曲率半徑的條件。藉由設定第二透鏡L2之影像側上的表面(第四表面)為強發散表面以滿足條件公式(10)，則由於具有正折射能力之第一透鏡L1而發生的縱向色差可由第二透鏡L2理想地校正。同時藉由設定該些條件為超過條件公式(10)之下限，則色差可被理想地校正而同時維持小的珀茲伐和。
於條件公式(10)中，更理想的是範圍為0.4<| R4/f |<0.7，而甚至更理想的是範圍為0.5<| R4/f |<0.7。
於條件公式(11)中，R1為第一透鏡L1之物體側上 的表面(第一表面)之曲率半徑；而R2為第一透鏡L1之影像側上的表面(第二表面)之曲率半徑。條件公式(11)為用以主要地校正球面像差之第一透鏡L1的組態之條件公式。因此，於其中條件公式(11)之上限被超過的情況下，大的負球面像差發生；且藉由在第一透鏡L1後方所配置之透鏡的校正是困難的。此外，慧形像差變得過度。雖然當該些條件低於條件公式(11)之下限時對於離軸像差校正是有利的，但難以校正其發生在第一透鏡L1之影像側上的表面(第二表面)上的過度球面像差。
於條件公式(11)中，更理想的是範圍為10<| R2/R1 |<20，而甚至更理想的是範圍為15<| R2/R1 |<20。
於條件公式(12)中，R6為第三透鏡L3之影像側上的表面(第六表面)之曲率半徑；而f為成像光學系統12之聚焦長度。條件公式(12)為關於第三透鏡L3之組態的條件公式。第三透鏡L3需具有稍微正的彎月面組態，其中凸表面係面對影像側。藉由設定第三透鏡L3為具有稍微正的折射能力，則離軸像差之校正可被執行而同時減小第一透鏡L1及第二透鏡L2之折射能力。
於其中條件公式(12)之上限被超過的情況下，微透鏡陣列MLA(14)上之入射角無法被確保於0°至30°，因為離軸主射線角變得太低且第四透鏡L4為無法校正的。於其中該些條件低於條件公式(12)之下限的情況下，微透鏡陣列MLA(14)上之入射角可被確保於0°至30°；但離軸 慧形像差增加；且性能降低。
於條件公式(12)中，更理想的是範圍為0.2<| R6 |/f<0.5，而甚至更理想的是範圍為0.3<| R6 |/f<0.5。
同時，成像透鏡110可組態成滿足底下所述之條件公式(13)。
0.3<| R4/R3 |<0.7 (13)
於條件公式(13)中，R3為第二透鏡L2之物體側上的表面(第三表面)之曲率半徑；而R4為第二透鏡L2之影像側上的表面(第四表面)之曲率半徑。條件公式(13)為用以設定第二透鏡L2之影像側上的表面(第四表面)之曲率半徑與物體側上的表面(第三表面)之曲率半徑的比之條件公式。
於其中條件公式(13)之上限被超過的情況下，由於第三透鏡及第四透鏡之折射能力所致之離軸光射線的像差校正是不足的；且難以實現其性能。反之，於其中該些條件低於下限之情況下，第二透鏡之影像側表面的曲率半徑變小；而因此，離軸光射線之像差校正(且特別是慧形像差)是不足的；且藉由第三透鏡及第四透鏡之折射能力的校正是困難的。為了執行校正，不僅第三透鏡及第四透鏡之折射能力被校正且同時間隔被調整以控制光射線之入射高度；且總長度不利地增長。
於條件公式(13)中，更理想的是範圍為0.3<| R4/R3 |<0.6，而甚至更理想的是範圍為0.4<| R4/R3 |< 0.6。
因此，依據實施例之成像透鏡110及其包括成像透鏡110之固態成像裝置1，低數目的透鏡及簡單的透鏡組態是可能的；諸如F數較亮等高性能可被達成；且透鏡系統本身可小型化。同時，可獲得高精確度的距離影像及良好的可見影像。
依據實施例之成像透鏡110及固態成像裝置1可應用於各種電子裝置，諸如(例如)可攜式終端(諸如行動電話、輸入板終端、數位相機，等等)、視頻裝置、工業機器人、機器手臂、醫療裝置(諸如內視鏡)，等等。
現在將描述成像光學系統12之數字範例為一範例。
第一範例
圖20闡明依據第一範例之成像透鏡的組態。
圖21及圖22為依據第一範例之成像透鏡的各個像差圖。
圖23闡明依據第一範例之成像透鏡的出射光瞳位置。
圖24闡明依據第一範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值。
底下所述之表2係顯示依據第一範例之成像光學系統12的表面之曲率半徑Ri、間隔Di、折射指數nd、及分散值νd。
以下為依據第一範例之成像光學系統12的非球表面資料。
第一表面：
K=-1.9950652
a4=0.018367277
a6=-0.01144917
a8=0.00184325
a10=-0.00237814
a12=-0.00043284
a14=-0.00035181
第二表面：
K=-1701.21745
a4=-0.06279352
a6=-0.01766232
a8=0.015362595
a10=-0.00412161
a12=-0.00055743
第三表面：
K=2.992484
a4=-0.06911947
a6=0.010362833
a8=-0.03495753
a10=0.056227525
a12=-0.02630633
a14=0.004111307
第四表面：
K=-0.259497
a4=0.002537177
a6=0.005646072
a8=-0.00933221
a10=0.005958687
a12=0.007204493
a14=-0.00347005
第五表面：
K=12.312724
a4=0.061258053
a6=-0.01945500
a8=0.014163829
a10=-0.00577455
a12=0.000324330
a14=0.000246559
第六表面：
K=-5.3536684
a4=-0.02292847
a6=0.019427301
a8=0.001744590
a10=-0.00139355
a12=-0.00002229
a14=0.000029414
第七表面：
K=80.9860320
a4=-0.07366563
a6=0.007658314
a8=0.004073979
a10=-0.00157351
a12=0.000186398
a14=-0.00000822
第八表面：
K=-7.16090373
a4=-0.05162849
a6=0.013487546
a8=-0.00312376
a10=0.000411202
a12=-0.00002234
a14=-0.00000083
f1/f=0.880
| f2 |/f=2.227
TL/f=1.177
(R7+R8)/(R7-R8)=1.726
D34/f=0.014
hc(G3R)/(D1+D2+D3+D4+D5)=0.427
ρ=0.069
ν1-ν2=64-23.3=40.7
CRA(影像平面上之主射線的入射角)(31度之視角)=26.0°
| R4/f |=0.624
| R2/R1 |=16.682
| R6/f |=0.302
| R4/R3 |=0.524
如上所述，以上所述之條件公式(1)至(13)被滿足於範例中。如上所述，可看出依據第一範例之成像光學 系統12具有良好的性能。
第二範例
圖25闡明依據第二範例之成像透鏡的組態。
圖26及圖27為依據第二範例之成像透鏡的各個像差圖。
圖28闡明依據第二範例之成像透鏡的出射光瞳位置。
圖29闡明依據第二範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值。
底下所述之表3係顯示依據第二範例之成像光學系統12的表面之曲率半徑Ri、間隔Di、折射指數nd、及分散值νd。
以下為依據第二範例之成像光學系統12的非球表面 資料。
第一表面：
K=-2.06799522
a4=0.01855843
a6=-0.01006203
a8=0.0088306
a10=-0.00260269
a12=-0.00052668
a14=-0.00029830
第二表面：
K=-1191.139073
a4=-0.06291462
a6=-0.01799747
a8=0.01562652
a10=-0.00393719
a12=-0.00066197
第三表面：
K=1.64476863
a4=-0.06988057
a6=0.01005532
a8=-0.03522801
a10=0.05607947
a12=-0.02630614
a14=0.00415417
第四表面：
K=-0.31819915
a4=0.0247241
a6=0.00553316
a8=-0.00922980
a10=0.00594848
a12=0.00716690
a14=-0.00351395
第五表面：
K=11.67747158
a4=0.05294032
a6=-0.01959305
a8=0.01415234
a10=-0.00567885
a12=0.00035168
a14=0.00023475
第六表面：
K=-5.55271877
a4=-0.02442981
a6=0.01881547
a8=0.00180048
a10=-0.00137555
a12=-0.00001613
a14=0.00003129
第七表面：
K=8.33844106
a4=-0.06882487
a6=0.00915850
a8=0.00417992
a10=-0.00156627
a12=0.00019003
a14=-0.00000773
第八表面：
K=-5.96611795
a4=-0.05156994
a6=0.01412112
a8=-0.00324227
a10=0.00039506
a12=-0.00002137
a14=-1.0311×10-7
f1/f=0.871
| f2 |/f=2.09
TL/f=1.19
(R7+R8)/(R7-R8)=1.876
D34/f=0.026
hc(G3R)/(D1+D2+D3+D4+D5)=0.442
ρ=0.0071
ν1-ν2=59.46-23.33=36.13
CRA(影像平面上之主射線的入射角)(31度之視角)=22.6°
| R4/f |=0.621
| R2/R1 |=16.74
| R6/f |=0.344
R4/R3=0.495
如上所述，以上所述之條件公式(1)至(13)被滿足於範例中。如上所述，可看出依據第二範例之成像光學系統12具有良好的性能。
第三範例
圖30闡明依據第三範例之成像透鏡的組態。
圖31及圖32為依據第三範例之成像透鏡的各個像差圖。
圖33闡明依據第三範例之成像透鏡的出射光瞳位置。
圖34闡明依據第三範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值。
底下所述之表4係顯示依據第三範例之成像光學系統 12的表面之曲率半徑Ri、間隔Di、折射指數nd、及分散值νd。
以下為依據第三範例之成像光學系統12的非球表面資料。
第一表面：
K=-2.10559837
a4=0.01790709
a6=-0.01092953
a8=0.00179489
a10=-0.00249962
a12=-0.00047405
a14=-0.00030073
第二表面：
K=-1305.96793
a4=-0.06279411
a6=-0.01763769
a8=0.01544627
a10=-0.00409325
a12=-0.00059032
第三表面：
K=3.03239511
a4=-0.06908079
a6=0.01037376
a8=-0.03496048
a10=0.05621924
a12=-0.02629639
a14=0.00412339
第四表面：
K=-0.35011579
a4=0.00205137
a6=0.00550642
a8=-0.00917968
a10=0.00604146
a12=0.00723858
a14=-0.00346392
第五表面：
K=12.18532886
a4=0.06123213
a6=-0.01934789
a8=0.01421314
a10=-0.00576620
a12=0.00031621
a14=0.00023828
第六表面：
K=-6.03303296
a4=-0.01901123
a6=0.01957884
a8=0.00178096
a10=-0.00139782
a12=-0.00002293
a14=0.00002969
第七表面：
K=152.03688902
a4=-0.07285680
a6=0.00886396
a8=0.00422735
a10=-0.00155662
a12=0.00019118
a14=-0.00000735
第八表面：
K=-6.5576775
a4=-0.04916767
a6=0.01335533
a8=-0.00326096
a10=0.00041292
a12=-0.00002112
a14=-5.2321×10-7
f1/f=0.875
| f2 |/f=2.72
TL/f=1.17
(R7+R8)/(R7-R8)=1.952
D34/f=0.037
hc(G3R)/(D1+D2+D3+D4+D5)=0.436
ρ=0.058
ν1-ν2=59.46-23.33=36.13
CRA(影像平面上之主射線的入射角)(31度之視角)=23.9°
| R4/f |=0.680
| R2/R1 |=20.67
| R6/f |=0.363
R4/R3=0.572
如上所述，以上所述之條件公式(1)至(13)被滿足於範例中。如上所述，可看出依據第三範例之成像光學系統12具有良好的性能。
第四範例
圖35闡明依據第四範例之成像透鏡的組態。
圖36及圖37為依據第四範例之成像透鏡的各個像差圖。
圖38闡明依據第四範例之成像透鏡的出射光瞳位置。
圖39闡明依據第四範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值。
底下所述之表5係顯示依據第四範例之成像光學系統12的表面之曲率半徑Ri、間隔Di、折射指數nd、及分散值νd。
以下為依據第四範例之成像光學系統12的非球表面資料。
第一表面：
K=-2.06623255
a4=0.01822393
a6=-0.01085354
a8=0.00188490
a10=-0.00245483
a12=-0.00043959
a14=-0.00028741
第二表面：
K=-1537.779839
a4=-0.06286657
a6=-0.01759363
a8=0.01556027
a10=-0.00401635
a12=-0.00057226
第三表面：
K=2.92759964
a4=-0.06914205
a6=0.01014577
a8=-0.03502288
a10=0.05620738
a12=-0.02630101
a14=0.00412961
第四表面：
K=-0.33630643
a4=0.0200859
a6=0.00584415
a8=-0.00923723
a10=0.00604630
a12=0.00729959
a14=-0.00342400
第五表面：
K=11.92735031
a4=0.05949131
a6=-0.01958334
a8=0.01424430
a10=-0.00572067
a12=0.00031796
a14=0.00023355
第六表面：
K=-5.5030911
a4=-0.02034009
a6=0.01956502
a8=0.00171775
a10=-0.00139833
a12=-0.00002347
a14=0.00002889
第七表面：
K=162.71849784
a4=-0.07399224
a6=0.00838768
a8=0.00423250
a10=-0.00155044
a12=0.00019142
a14=-0.00000722
第八表面：
K=-6.89961928
a4=-0.05099172
a6=0.01323246
a8=-0.00322848
a10=0.00041344
a12=-0.00002138
a14=-6.2154×10-7
f1/f=0.87
| f2 |/f=2.39
TL/f=1.17
(R7+R8)/(R7-R8)=1.826
D34/f=0.022
hc(G3R)/(D1+D2+D3+D4+D5)=0.433
ρ=0.0597
ν1-ν2=65.93-23.33=42.6
CRA(影像平面上之主射線的入射角)(31度之視角)=24.2°
| R4/f |=0.632
| R2/R1 |=18.975
| R6/f |=0.329
| R4/R3 |=0.546
如上所述，以上所述之條件公式(1)至(13)被滿足於範例中。如上所述，可看出依據第四範例之成像光學系統12具有良好的性能。
第五範例
圖40闡明依據第五範例之成像透鏡的組態。
圖41及圖42為依據第五範例之成像透鏡的各個像差圖。
圖43闡明依據第五範例之成像透鏡的出射光瞳位置。
圖44闡明依據第五範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值。
底下所述之表6係顯示依據第五範例之成像光學系統12的表面之曲率半徑Ri、間隔Di、折射指數nd、及分散值νd。
以下為依據第五範例之成像光學系統12的非球表面資料。
第一表面：
K=-2.04627602
a4=0.01838968
a6=-0.01078306
a8=0.00192696
a10=-0.00243825
a12=-0.00043368
a14=-0.00028246
第二表面：
K=-1192.242224
a4=-0.06264369
a6=-0.01746845
a8=0.01563480
a10=-0.00399775
a12=-0.00058435
第三表面：
K=2.85594182
a4=-0.0692129
a6=0.01014782
a8=-0.03499995
a10=0.05621884
a12=-0.02629550
a14=0.00412139
第四表面：
K=-0.35238878
a4=0.0193694
a6=0.00573904
a8=-0.00923739
a10=0.00605303
a12=0.00729970
a14=-0.00342149
第五表面：
K=11.94301714
a4=0.06020103
a6=-0.01953985
a8=0.01418102
a10=-0.00574968
a12=0.00031443
a14=0.00023843
第六表面：
K=-5.32922193
a4=-0.02118297
a6=0.01953100
a8=0.00172252
a10=-0.00139787
a12=-0.00002394
a14=0.00002851
第七表面：
K=174.8609872
a4=-0.07330453
a6=0.00833323
a8=0.00422176
a10=-0.00155095
a12=0.00019155
a14=-0.00000715
第八表面：
K=-7.1454874
a4=-0.05119959
a6=0.01323256
a8=-0.00322993
a10=0.00041346
a12=-0.00002141
a14=-6.3325×10-7
f1/f=0.871
| f2 |/f=2.27
TL/f=1.17
(R7+R8)/(R7-R8)=1.773
D34/f=0.017
hc(G3R)/(D1+D2+D3+D4+D5)=0.432
ρ=0.044
ν1-ν2=65.93-23.33=42.6
CRA(影像平面上之主射線的入射角)(31度之視角)=24.1°
| R4/f |=0.62
| R2/R1 |=18.704
| R6/f |=0.314
R4/R3=0.534
如上所述，以上所述之條件公式(1)至(13)被滿足於範例中。如上所述，可看出依據第五範例之成像光學系統12具有良好的性能。
第六範例
圖45闡明依據第六範例之成像透鏡的組態。
圖46及圖47為依據第六範例之成像透鏡的各個像差圖。
圖48闡明依據第六範例之成像透鏡的出射光瞳位置。
圖49闡明依據第六範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值。
底下所述之表7係顯示依據第六範例之成像光學系統12的表面之曲率半徑Ri、間隔Di、折射指數nd、及分散 值νd。
以下為依據第六範例之成像光學系統12的非球表面資料。
第一表面：
K=-2.07392069
a4=0.01787130
a6=-0.01135135
a8=0.00202324
a10=-0.00227321
a12=-0.00041114
a14=-0.00038203
第二表面：
K=-1732.25993
a4=-0.06294481
a6=-0.01786001
a8=0.01531758
a10=-0.00404588
a12=-0.00044407
第三表面：
K=3.12156320
a4=-0.06908884
a6=0.01053542
a8=-0.03486516
a10=0.05625665
a12=-0.02629561
a14=0.00412059
第四表面：
K=-0.06758017
a4=0.00353160
a6=0.00617328
a8=-0.00910029
a10=0.00606197
a12=0.00725369
a14=-0.00344835
第五表面：
K=12.48362898
a4=0.06149396
a6=-0.01933284
a8=0.01415655
a10=-0.00579223
a12=0.00032084
a14=0.00025107
第六表面：
K=-5.43637748
a4=-0.02276699
a6=0.01935475
a8=0.00171344
a10=-0.00140564
a12=-0.00002822
a14=0.00002629
第七表面：
K=102.12923568
a4=-0.07425301
a6=0.00786627
a8=0.00414421
a10=-0.00155612
a12=0.00019134
a14=-0.00000650
第八表面：
K=-7.31317716
a4=-0.05236823
a6=0.01328854
a8=-0.00322200
a10=0.00041276
a12=-0.00002174
a14=-0.00000070
f1/f=0.852
| f2 |/f=2.099
TL/f=1.18
(R7+R8)/(R7-R8)=1.727
D34/f=0.013
hc(G3R)/(D1+D2+D3+D4+D5)=0.432
ρ=0.0062
ν1-ν2=55.98-23.33=32.65
CRA(影像平面上之主射線的入射角)(31度之視角)=24.9°
| R4/f |=0.629
| R2/R1 |=28.4
| R6/f |=0.303
| R4/R3 |=0.497
如上所述，以上所述之條件公式(1)至(13)被滿足於範例中。如上所述，可看出依據第六範例之成像光學系統12具有良好的性能。
第七範例
圖50闡明依據第七範例之成像透鏡的組態。
圖51及圖52為依據第七範例之成像透鏡的各個像差圖。
圖53闡明依據第七範例之成像透鏡的出射光瞳位置。
圖54闡明依據第七範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值。
底下所述之表8係顯示依據第七範例之成像光學系統12的表面之曲率半徑Ri、間隔Di、折射指數nd、及分散值νd。
以下為依據第七範例之成像光學系統12的非球表面資料。
第一表面：
K=-2.01072644
a4=0.01838989
a6=-0.01120705
a8=0.00185685
a10=-0.00242617
a12=-0.00046308
a14=-0.00034961
第二表面：
K=-1305.96793
a4=-0.06279411
a6=-0.01763769
a8=0.01544627
a10=-0.00409325
a12=-0.00059032
第三表面：
K=3.03239511
a4=-0.06908079
a6=0.01037376
a8=-0.03496048
a10=0.05621924
a12=-0.02629639
a14=0.00412339
第四表面：
K=-0.35011579
a4=0.00205137
a6=0.00550642
a8=-0.00917968
a10=0.00604146
a12=0.00723858
a14=-0.00346392
第五表面：
K=12.18532886
a4=0.06123213
a6=-0.01934789
a8=0.01421314
a10=-0.00576620
a12=0.00031621
a14=0.00023828
第六表面：
K=-5.21074495
a4=-0.02290518
a6=0.01943752
a8=0.00171549
a10=-0.00140683
a12=-0.00002655
a14=0.00002786
第七表面：
K=81.83620738
a4=-0.07469087
a6=0.00777992
a8=0.00416899
a10=-0.00154534
a12=0.00019355
a14=-0.00000648
第八表面：
K=-7.1805299
a4=-0.05132788
a6=0.01330203
a8=-0.00322747
a10=0.00041323
a12=-0.00002165
a14=-0.00000068
f1/f=0.884
| f2 |/f=2.205
TL/f=1.177
(R7+R8)/(R7-R8)=1.726
D34/f=0.018
hc(G3R)/(D1+D2+D3+D4+D5)=0.437
ρ=0.002
ν1-ν2=64.2-23.2=41.0
CRA(影像平面上之主射線的入射角)(31度之視角)=24.5°
| R4/f |=0.629
| R2/R1 |=17.604
| R6/f |=0.305
| R4/R3 |=0.519
如上所述，以上所述之條件公式(1)至(13)被滿足於範例中。如上所述，可看出依據第七範例之成像光學系統12具有良好的性能。
第八範例
圖55闡明依據第八範例之成像透鏡的組態。
圖56及圖57為依據第八範例之成像透鏡的各個像差圖。
圖58闡明依據第八範例之成像透鏡的出射光瞳位置。
圖59闡明依據第八範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值。
底下所述之表9係顯示依據第八範例之成像光學系統12的表面之曲率半徑Ri、間隔Di、折射指數nd、及分散值νd。
以下為依據第八範例之成像光學系統12的非球表面資料。
第一表面：
K=-2.01449298
a4=0.01843795
a6=-0.01105796
a8=0.00186031
a10=-0.00245144
a12=-0.00046593
a14=-0.00034403
第二表面：
K=-1147.538435
a4=-0.06283036
a6=-0.01765873
a8=0.01550469
a10=-0.00405598
a12=-0.00060426
第三表面：
K=3.14844805
a4=-0.06897041
a6=0.01039228
a8=-0.03498819
a10=0.05620625
a12=-0.02628939
a14=0.00412580
第四表面：
K=-0.44070840
a4=0.00157574
a6=0.00543905
a8=-0.00910431
a10=0.00611069
a12=0.00728020
a14=-0.00344276
第五表面：
K=12.09442763
a4=0.06095991
a6=-0.01939214
a8=0.01420609
a10=-0.00576103
a12=0.00030948
a14=0.00023678
第六表面：
K=-5.15217881
a4=-0.02285392
a6=0.01946222
a8=0.00171757
a10=-0.00140762
a12=-0.00002669
a14=0.00002854
第七表面：
K=89.41103384
a4=-0.07507780
a6=0.00774836
a8=0.00418726
a10=-0.00154118
a12=0.00019432
a14=-0.00000641
第八表面：
K=-7.14609635
a4=-0.05186921
a6=0.01331282
a8=-0.00322927
a10=0.00041286
a12=-0.00002153
a14=-0.00000069
f1/f=0.885
| f2 |/f=2.20
TL/f=1.176
(R7+R8)/(R7-R8)=1.725
D34/f=0.019
hc(G3R)/(D1+D2+D3+D4+D5)=0.436
ρ=0.0198
ν1-ν2=64.2-21.53=42.67
CRA(影像平面上之主射線的入射角)(31度之視角)=24.4°
| R4/f |=0.628
| R2/R1 |=16.993
| R6/f |=0.305
| R4/R3 |=0.526
如上所述，以上所述之條件公式(1)至(13)被滿足於範例中。如上所述，可看出依據第八範例之成像光學系統12具有良好的性能。
第九範例
圖60闡明依據第九範例之成像透鏡的組態。
圖61及圖62為依據第九範例之成像透鏡的各個像差圖。
圖63闡明依據第九範例之成像透鏡的出射光瞳位置。
圖64闡明依據第九範例之成像透鏡的出射光瞳之組態及數值。
底下所述之表10係顯示依據第九範例之成像光學系統12的表面之曲率半徑Ri、間隔Di、折射指數nd、及 分散值νd。
以下為依據第九範例之成像光學系統12的非球表面資料。
第一表面：
K=-2.07979281
a4=0.02094394
a6=-0.00584305
a8=0.0128969
a10=-0.00343039
a12=0.00007679
第二表面：
K=0.000
a4=-0.04801788
a6=-0.02226239
a8=0.02187110
a10=-0.00683319
a12=-0.00000771
第三表面：
K=3.3647356
a4=-0.07035952
a6=0.01835518
a8=-0.04842281
a10=0.07717032
a12=-0.03752560
a14=0.00602166
第四表面：
K=-0.01144097
a4=-0.01511522
a6=0.01382556
a8=-0.00948128
a10=0.00363352
a12=0.00911895
a14=-0.00304805
第五表面：
K=12.89250473
a4=0.04518569
a6=-0.0319430
a8=0.01874454
a10=-0.00610893
a12=0.00015106
a14=0.00007946
第六表面：
K=-5.50850265
a4=-0.06312643
a6=0.02019360
a8=0.00531823
a10=-0.00159110
a12=-0.00000414
a14=-0.00000252
第七表面：
K=0.00000
a4=-0.11383384
a6=0.01446762
a8=0.00712047
a10=-0.00183171
a12=0.00011129
第八表面：
K=-7.81669316
a4=-0.06252056
a6=0.01564798
a8=-0.00396550
a10=0.00057440
a12=-0.00003921
f1/f=0.86
| f2 |/f=2.307
TL/f=1.224
(R7+R8)/(R7-R8)=1.731
D34/f=0.0098
hc(G3R)/(D1+D2+D3+D4+D5)=0.431
ρ=0.106
ν1-ν2=55.98-25.58=30.4
CRA(影像平面上之主射線的入射角)(31度之視角)=26.4°
| R4/f |=0.635
| R2/R1 |=26.06
| R6/f |=0.301
| R4/R3 |=0.525
如上所述，以上所述之條件公式(1)至(13)被滿足於範例中。如上所述，可看出依據第九範例之成像光學系統12具有良好的性能。
表11及12顯示範例之條件公式的值。
如表11及12中所示，以上所述之條件公式(1)至(13)的每一者被滿足於第一至第九範例中。
依據如上所述之依據實施例的成像透鏡及固態成像裝置，可獲得高精確度的距離影像及良好的可見影像。
雖然實施例及範例被描述於上文中，本發明不限於這些範例。例如，雖然以上所述之實施例及範例係闡明其中提供蓋玻璃(CG)及微透鏡陣列(MLA)之範例，但亦可使用一種僅包括微透鏡陣列(MLA)之組態。同時，以上所述之範例中所闡明的值僅為範例；且只要滿足本發明之條件則其他值可被使用。此外，有關上述實施例及範例中所述之由熟悉此項技術人士所適當地進行的實施例之組件的加入、刪除、或設計修改或者特徵的適當組合均落入本發明之精神所包括之程度的本發明範圍內。
雖已描述某些實施例，但這些實施例僅藉由範例方式 來呈現，而並非用以限制本發明之範圍。確實，文中所述之新穎實施例可被實施以多種其他形式；再者，可以文中所述實施例之形式進行各種省略、取代及改變而不背離本發明之精神。後附申請專利範圍及其同等物係為了涵蓋此類形式或修改如將落入本發明之範圍及精神內。
1‧‧‧固態成像裝置
10‧‧‧成像模組單元
12‧‧‧成像光學系統
14‧‧‧微透鏡陣列
14a‧‧‧微透鏡單元
16‧‧‧固態成像元件
18‧‧‧成像電路
20‧‧‧影像信號處理器(ISP)
22‧‧‧相機模組I/F(介面)
24‧‧‧影像擷取單元
26‧‧‧信號處理單元
28‧‧‧驅動器I/F

Claims (15)

  1. 一種成像透鏡，包含：第一光學系統，其包括光軸；及微透鏡陣列，其係提供於該第一光學系統與成像元件之間，該微透鏡陣列包括提供於第一平面中之複數微透鏡單元，該成像元件包括複數像素群組，該些像素群組之每一者包括複數像素，該些微透鏡單元個別地重疊該些像素群組，當投射於該第一平面上時，該第一光學系統包括：孔徑光闌；第一透鏡，其係提供於該孔徑光闌與該微透鏡陣列之間，該第一透鏡具有第一表面、第二表面、及正折射能力，該第一表面正對著該孔徑光闌，該第二表面係提供於該第一表面與該微透鏡陣列之間；第二透鏡，其係提供於該第一透鏡與該微透鏡陣列之間，該第二透鏡具有第三表面、第四表面、及負折射能力，該第三表面正對著該第二表面，該第四表面係提供於該第三表面與該微透鏡陣列之間；第三透鏡，其係提供於該第二透鏡與該微透鏡陣列之間，該第三透鏡具有第五表面、第六表面、及正折射能力，該第五表面正對著該第四表面，該第六表面係提供 於該第五表面與該微透鏡陣列之間；及第四透鏡，其係提供於該第三透鏡與該微透鏡陣列之間，該第四透鏡具有第七表面、第八表面、及負折射能力，該第七表面正對著該第六表面，該第八表面係提供於該第七表面與該微透鏡陣列之間，該第一表面之曲率半徑為正，該第三表面之曲率半徑及該第四表面之曲率半徑的每一者均為正，該第五表面之曲率半徑及該第六表面之曲率半徑的每一者均為負，該第七表面之曲率半徑及該第八表面之曲率半徑的每一者均為正，從該些第一至第八表面所選擇之至少一者具有球面組態，滿足公式(1)至(5)，其中f為該第一光學系統之聚焦長度，f1為該第一透鏡之聚焦長度，f2為該第二透鏡之聚焦長度，f3為該第三透鏡之聚焦長度，TL為介於該孔徑光闌與該成像元件之間的距離，R7為該第七表面之曲率半徑，R8為該第八表面之曲率半徑，及D34為沿著該第三透鏡與該第四透鏡間之光軸的 空氣間隔距離： 1.5<| f2 |/f<3.0 (2) TL/f<1.3 (3) 1<(R7+R8)/(R7-R8)<5 (4) 0<D34/f<0.05 (5)。
  2. 如申請專利範圍第1項之透鏡，其中該微透鏡陣列將一由該第一光學系統所形成之影像去放大，及由於該微透鏡陣列所致之該影像的去放大比係不小於0.001且不大於0.87。
  3. 如申請專利範圍第1項之透鏡，其中滿足公式(6)，其中介於光軸與其中離軸光射線之主射線與該第六表面相交的位置之間的距離為hc(G3R)，該些離軸光射線與該光軸相交，介於該孔徑光闌與該第六表面之間沿著該光軸的距離為D1+D2+D3+D4+D5，D1為沿著該第一透鏡之該光軸的厚度，D2為第一距離與第一折射指數之乘積，該第一距離為介於該第一透鏡與該第二透鏡之間沿著該光軸的距 離，該第一折射指數為介於該第一透鏡與該第二透鏡之間的區域之指數，D3為沿著該第二透鏡之該光軸的厚度，D4為第二距離與第二折射指數之乘積，該第二距離為介於該第二透鏡與該第三透鏡之間沿著該光軸的距離，該第二折射指數為介於該第二透鏡與該第三透鏡之間的區域之指數，D5為沿著該第三透鏡之該光軸的厚度：0.3<hc(G3R)/(D1+D2+D3+D4+D5)<0.5 (6)。
  4. 如申請專利範圍第1項之透鏡，其中該第一透鏡包括選自玻璃和樹脂之至少一者，及該第二透鏡、該第三透鏡、及該第四透鏡之每一者包括樹脂。
  5. 如申請專利範圍第1項之透鏡，其中在該第一光學系統之出射光瞳平面上的離軸光射線之組態具有第一直徑及第二直徑，當該組態被視為橢圓時，該些離軸光射線與該光軸相交，該第一直徑為沿著該出射光瞳平面中的第一方向之直徑，該第二直徑為沿著一正交於該第一方向的第二方向且於該出射光瞳平面中之直徑。 滿足公式(7)，其中a為1/2乘以該第一直徑，b為1/2乘以該第二直徑，ρ為平坦化， a=hx(EXTPURX),b=(hy(EXTPiUR)-hy(EXTPiDW))/2，及ρ=| 1-b/a |，該些離軸光射線包括：上光射線；下光射線，其係位於該上光射線與該出射光瞳平面上的光軸之間；及主射線，其係位於該上光射線與該出射光瞳平面上的該下光射線之間，hy(EXTPiUR)為介於該光軸與其中該上光射線通過該出射光瞳平面的位置之間沿著該第二方向的距離，hy(EXTPiDW)為介於該光軸與其中該下光射線通過該出射光瞳平面的位置之間沿著該第二方向的距離，及hx(EXTPURX)為1/2乘以該出射光瞳平面上沿著該離軸光射線之該第一方向的長度：
  6. 如申請專利範圍第1項之透鏡，其中滿足公式(8)，其中ν1為該第一透鏡之阿貝數，及ν2為該第二透鏡之阿貝數：
  7. 如申請專利範圍第1項之透鏡，其中 滿足公式(9)，其中αi為其中像素被提供之表面上的主射線之入射角，及該主射線為最大視角之離軸光射線的主射線，該些離軸光射線係行進於一與該離軸相交之方向：
  8. 如申請專利範圍第1項之透鏡，進一步包含一提供於該第一光學系統與該微透鏡陣列之間的光學過濾器。
  9. 如申請專利範圍第1項之透鏡，其中該成像元件被提供於該第一光學系統與該第一光學系統的虛擬成像點之間。
  10. 一種固態成像裝置，包含：如申請專利範圍第1項之成像透鏡；及固態成像元件，用以將其通過該成像透鏡之光轉換為電信號。
  11. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該固態成像元件係輸出全光影像。
  12. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該全光影像包括複數圖片單元，該些圖片單元之每一者係相應於選自複數顏色之一者，該些顏色係彼此不同，及該裝置係調整介於該全光影像的該些顏色之間的信號平衡。
  13. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該全光影像包括複數圖片單元，其包括相應於第一顏色之信號的第一圖片單元，及該裝置係藉由參考配置於該第一圖片單元周圍的圖片元件以估計該第一圖片單元之第二顏色的信號，該第二顏色係不同於該第一顏色。
  14. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該全光影像包括複數影像點，其係相應於主體上之第一點，及該裝置係計算介於該第一點與每一該些影像點之間的對應。
  15. 如申請專利範圍第14項之裝置，其中該裝置係藉由根據該對應以合成每一該些影像點之圖片單元值並計算相應於該第一點之後合成信號來計算二維影像。
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