TW201734558A

TW201734558A - 光學取像裝置

Info

Publication number: TW201734558A
Application number: TW105109354A
Authority: TW
Inventors: 李丞烝; 陳信德; 王國權
Original assignee: 揚明光學股份有限公司
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2017-10-01
Also published as: TWI688787B

Abstract

本發明為一種光學取像裝置，得包括一廣角光學鏡頭，在一實施例中，鏡頭包括第一透鏡群，第二透鏡群及二者之間的光圈。第一群包括一第二透鏡，第二透鏡為一非球面透鏡；此外，光學鏡頭之視場角(FOV)大於180度，且並至少包括三片非球面透鏡。再者，第一透鏡群至少包括三枚鏡片，同時其鏡片數，至少為該廣角鏡頭鏡片總數之一半再減一。

Description

光學取像裝置

本發明是有關於一種光學取像裝置，且特別是有關於一種全景光學取像裝置。

近年來隨科技的進展，光學鏡頭的種類日漸多元，廣角鏡頭是一種常見的光學取像裝置。例如是我國第I418873號專利，即為其例。而當鏡頭的半視場角(HFOV，half field of view)大於九十度，一般可稱為魚眼鏡頭或全景鏡頭。而半視場角之說明，請參閱圖十一之廣角鏡頭半視場角示意圖。由圖可見，一般作為監控鏡頭的光學取像裝置1設置在例如是地板或等較低位置時，其半視場角中間，零度到四、五十度的的視角範圍通常較不重要，並非監控的重點區域且在戶外可能大多對應天空與樹頂不重要的影像。反之，視場角要大於一定度數以上，才是主要較有應用價值的區域，但是畸變(Distortion)會隨著視場角加速增加，且邊緣的影像亦隨之而被壓縮，影響鏡頭有效區的影像品質。

根據本發明的一個觀點，提供一種光學取像裝置，其包括了一用於成像的光學鏡頭，其至少包括了二透鏡群以及一設於其二者之間的光圈。前述的兩個透鏡群分別稱為第一透鏡群以及第二透鏡群。第一透鏡群係位於一物側與一像側之間。第一透鏡群自物側起依序包括第一透鏡、第二透鏡及第三透鏡，而第二透鏡為一非球面透鏡。另外，第一透鏡群的鏡片數需大於光學鏡頭總鏡片數除二後再減一。而第二透鏡群則位於該第一透鏡群與像側之間。另外，光學鏡頭整體的視場角(FOV)為180度或較180度大，且光學鏡頭中至少包括三片非球面透鏡，本發明之一觀點中，藉由調整非球面透鏡的數量及其於鏡組中所設置的位置，可緩和影像畸變隨著視場角加速增加的問題。

另一方面，本發明之另一觀點中，提供了一光學鏡頭，其包括了至少一片非球面透鏡，非球面透鏡於水平於光軸方向之最大厚薄比係<4.5；且該光學鏡頭具有一≧180度的最大視場角；另外，光學鏡頭自一物側接收一影像，並在像側輸出一相對應的全景影像。除此之外，全景影像相對於光學鏡頭的視場角之0度至100度之對角線的長度，占全景影像相對於光學鏡頭的最大視場角之對角線總長度的30%至50%之間。

再者，本發明之再一觀點，提供一光學取像裝置之光學鏡頭，具有一最大視場角，最大視場角≧180度；光學鏡頭於像側形成一全景影像；全景影像於距離比/視場角關係座標圖中具有一分佈線，距離比/視場角關係座標圖之縱橫及橫軸係分別代表距離比以及視場角；距離比係指全景影像中的一點到全景影像中心點的距離，與全景影像由全景影像中心點起算到全景影像最遠一點距離，兩者的比值；距離比/視場角關係座標圖依據橫軸長度的十等份，自視場角0度到最大視場角，由前至後區分距離比/視場角關係座標圖為十個區域；自(距離比,視場角)之(0,0)點，到(距離比,視場角)之(1,最大視場角)點的直線斜率為一標準斜率；則分佈線於十個區域中的後五個區域的其中四個區域的斜率較標準斜率高。而讓前述之較重要區域的所占比例得以維持。

為讓本發明更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

1‧‧‧光學取像裝置

10‧‧‧光學鏡頭

11‧‧‧第一透鏡群

1111、1112、1113、1114‧‧‧第一透鏡

1121、1122、1123、1124‧‧‧第二透鏡

1131、1132、1133、1134‧‧‧第三透鏡

1141、1142、1143、1144‧‧‧第四透鏡

12‧‧‧第二透鏡群

1211、1152、1213、1154‧‧‧第五透鏡

1221、1212、1223、1214‧‧‧第六透鏡

1231、1222、1233、1224‧‧‧第七透鏡

1232、1243、1234‧‧‧第八透鏡

1244‧‧‧第九透鏡

20‧‧‧感光元件

30‧‧‧運算單元

A‧‧‧光軸

C‧‧‧參考中心

C1~C10‧‧‧影像區間

CG‧‧‧玻璃蓋

DI_max‧‧‧對角線總長

DI_inner‧‧‧內圍長度

F‧‧‧第一影像

W‧‧‧第三影像

G1‧‧‧第一分佈線

G2‧‧‧第二分佈線

G3‧‧‧第三分佈線

G4‧‧‧第四分佈線

IH_max‧‧‧最大像高

IS‧‧‧像側

P‧‧‧第二影像

PE‧‧‧指定區域

PS‧‧‧標準影像

PS1‧‧‧標準分佈線

S‧‧‧光圈

OS‧‧‧物側

圖一繪示本發明的第一實施例的光學鏡頭的示意圖。

圖二繪示本發明的第二實施例的光學鏡頭的示意圖。

圖三繪示本發明的第三實施例的光學鏡頭的示意圖。

圖四繪示本發明的第四實施例的光學鏡頭的示意圖。

圖五繪示本發明一實施例的光學取像裝置的功能方塊圖。

圖六繪示本發明一實施例中之第一影像的示意圖。

圖七A及七B分別繪示本發明一實施例中之標準影像及距離比/半視場角關圖的示意圖。

圖八A至圖八D分別繪述了本發明的第一至第四實施例之第二影像與標準影像之比較結果的示意圖。

圖九繪述了本發明之第三實施例中的第一影像之示意圖。

圖十繪述了本發明之另一實施例中的第一影像之示意圖。

圖十一繪述了本發明的一觀點之半視場角的示意圖。

以下實施例中所提到的方向用語，例如「前」、「後」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而非用來限制本發明。

本發明關於一種光學取像裝置，包括一視場角大於等於180的全景光學取像鏡頭(下稱鏡頭或光學鏡頭)。光學鏡頭10得位於被拍攝物與感光元件之間。被拍攝物及感光元件之相對應方向係分別被定義為物側OS(一般被稱為放大側)與像側IS(或稱縮小側)。在設計光學鏡頭10時，光學鏡頭10得包括第一透鏡群11、第二透鏡群12、一光圈S(STOP)以及一選擇性設置的玻璃蓋(Cover glass)CG。第一透鏡群11以及第二透鏡群12沿著光學鏡頭10的光軸A排列，而光圈S係設於該二鏡群之間。第一透鏡群11位於光圈S與物側OS之間，朝向物側OS之一端。第二透鏡群12位於光圈S與像側IS之間，朝向像側IS之一端。而玻璃蓋CG則得設於第二透鏡群12與像側IS之間。再者，當N係代表光學鏡頭10中的透鏡鏡片數量時，較佳的第一透鏡群11，至少包括(N/2)-1枚鏡片。亦即若N為十二片時，第一透鏡群11包括至少5枚鏡片。

再者，光學鏡頭10中的非球面透鏡，在水平於光軸方向之最大厚薄比可小於4.5倍，較佳為3以下。而水平於光軸方向的厚薄比是指透鏡在水平於光軸方向的任一處的最大厚度及最小厚度之間的比值。舉例來說，當鏡片中的最厚處為10mm，最薄處為4mm時，則其厚薄比為2.5。如圖一所繪述者，即為一例。

請參閱圖一，圖一繪述了本發明的第一實施例的光學鏡頭概要示意圖。於本實施例中，第一透鏡群11包括四枚透鏡，第二透鏡群12則包括三枚透鏡。自第一透鏡群11之物側OS方向起算，七片透鏡依序暫稱為第一至第七透鏡1111~1231，而各鏡片之屈光度依序分別為負、負、負、正、負、正、正。另外，於本實施例中，第二透鏡1121之有效焦距f2除以光學鏡頭10之有效焦距f之值小於零，亦即(f2/f)<0。

另外，於本實施例中，第二透鏡1121為一非球面透鏡。第二透鏡1121的有效焦距為f2，除以第二透鏡群12中像側IS方向之最後一枚透鏡的有效焦距為fL，而f2/fL之絕對值較0.5大且較5小，亦即0.5<|f2/fL|<5。

以下表一及表二將分別列舉出圖一所繪示的光學鏡頭10中關於各個透鏡的具體數據資料以及各個非球面鏡之參數值。

在表一中，鏡片名稱中的首個字母代表其材質特性，如G開頭即代表其得為一玻璃材，而P開頭即代表其得為一塑膠材。而間距是指兩相鄰表面於光軸A上之直線距離。舉例來說，表面S1之間距，即表面S1至表面S2於光軸A上之直線距離。另外，ND指折射率；VD是指阿貝數。此外，在表一中，表面編號S1、S2為第一透鏡1111的兩表面，表面S3、S4為第二透鏡1121之兩表面，如此類推。

與此同時，上例中的表面S3、S4、S5、S6、S7、S8為非球面，其可用下列公式(1)表示：

在上述的公式中，X為距非球面軸之水平距離；Z為非球面的旋轉對稱軸；R為頂點曲率半徑；K為二次曲線常數(conic)，而A4、A6、A8、A10等為非球面修正數(aspheric coefficient)，各非球面鏡的參數值將列出如下表二。

下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。

請參閱圖二，圖二繪述了本發明的第二實施例的光學鏡頭10的概要示意圖。於本實施例中，其與第一實施例的主要差異例如在於其第一透鏡群11具有五片鏡片。而鏡頭10中各鏡片之屈光度依序分別為負、負、負、正、正、負、正、正。以下表三及表四將分別列舉出圖3所繪示的光學鏡頭10中關於各個透鏡具體的數據資料以及各個非球面鏡之參數值。

請參照圖三，圖三繪述了本發明的第三實施例的光學鏡頭10的概要示意圖。本實施例中，其與第一實施例的主要差異例如在於其第二透鏡群12具有四片鏡片。而鏡頭10中各鏡片之屈光度依序分別為負、負、負、正、正、負、正、正。在本實施例中，包括一可卸除式的紅外線阻絕濾光器(IR Cut filter Removable，ICR)，當玻璃蓋CG之厚度為0.5mm而ICR的厚度為0.3mm時，其鏡頭總長(total track length,TTL)為26.99mm；後焦長(BFL)為4.27mm；有效焦長(EFL)為1.505mm。於本實施例中，鏡頭總長包含玻璃蓋以及卸除式紅外線阻絕濾光器之長度，惟於應用時，鏡頭總長一詞亦得指第一透鏡群11面向物側之第一片屈光度非為零之鏡片與第二透鏡群12面向像側之第一片屈光度非為零之鏡片之間於光軸上的最長直線距離。而其鏡頭總長在設計時得小於32mm，而較佳為小於28mm。

於以下表五及表六將分別列舉出圖三所繪示的光學鏡頭10中關於各個透鏡具體的數據資料以及各個非球面鏡之參數值。

請參照圖四，圖四繪述了本發明的第四實施例的光學鏡頭10的概要示意圖。本實施例中，其與第一實施例的主要差異例如在於其第二透鏡群12具有四片鏡片。而鏡頭10中各鏡片之屈光度依序分別為負、負、負、正、負、正、負、正、正。以下表七及表八將分別列舉出圖四所繪示的光學鏡頭10中關於各個透鏡具體的數據資料以及各個非球面鏡之參數值。

另一方面，請一併參閱圖五及圖六，其繪述了本發明的光學取像裝置的一實施例之功能方塊圖以及利用裝置拍攝而得的第一影像F的示意圖。由圖可見，本發明一實施例中的光學取像裝置1包括一光學鏡頭10、一感光元件20以及一運算單元30。光學鏡頭10得指一包括複數片透鏡的鏡組，適於接受物側OS影像光並調整其光型後將影像光線投射至像側IS的感光元件20，而感光元件20輸出相對應的信號予運算單元30進行處理並產生影像資料。

光學鏡頭10的設計可參考上開各實施例之記載，感光元件20指，可以是CMOS、CCD或其它可將影像光轉變為影像信號的元件，通常是電子元件。而運算單元30則指例如一中央處理器、單晶片或是其他具有影像運算功能的電子元件。附帶一提的是，上開光學取像裝置1中雖未提及電源、記憶體等元件，惟應用時得按裝置需求自由設置之，將不於此多加贅述。而本發明的光學取像裝置1得以殼體包覆，配以供電元件及記憶體等周邊必要的配套後單獨作為有線或是無線監視器應用。或是，連接例如是電腦或是其他外部電子裝置作為外加套件使用亦可。

以下將就光學取像裝置1的運作過程為更進一步的舉例說明。於本發明的一觀點中，光學鏡頭10為軸對稱，且得擷取鏡頭10外部的光線並調整其光型後將光線投影至感光元件20之表面，而感光元件20會產生一相對應的信號，運算單元30處理信號並產生有一相對應的第一影像F，第一影像F包含第二影像P 以及第三影像W，如圖六所繪述者，即為一例。另外，使用不同的感光元件20時，第二影像P的形狀或顏色亦隨之而相異，於本實施例中，第二影像P係由RGB三色所組合而成。惟需要時，第二影像P亦得以黑白二階或灰楷影像予以呈現亦可，本發明不對此多加限制。而第二影像P得經後處理並傳送至內部或外部顯示器來顯示予使用者觀看。

於本實施例中，第二影像P為第一影像F中央的圓形的全景影像，而第三影像W則係指第一影像F扣除第二影像P後的區域。於本實施例中，第三影像W為一呈中空圓狀的黑矩框。惟第二影像並不以此為限，需要時，第二影像P亦得為矩型或者其他形狀，如圖十所繪述者，即為一例。更明確的說，第二影像P可被理解為第一影像F中，相對於光學鏡頭10之全景影像光束而產生的區域，相反地，第三影像W則可被理解為未接收到光線的區域。

請參閱圖七A，圖七A繪述了本發明的一觀點之第二影像之示意圖。第二影像P為一大致圓型且具有一幾何中心，或稱參考中心C；參考中心C可選擇性地與第一影像F的幾何中心重疊。而第二影像P中的任一點與第二影像P的參考中心C之間的最短直線距離稱為其像高或像距IH。另外，參考中心C至第二影像P最外沿的最短直線距離為最大像高或最大像距IH_MAX。另一方面，第二影像P中得設有多個與第二影像P相對應形狀且為同心設置的子影像Pn，子影像Pn之半徑與其外沿之像高IH同。

於本發明的一具體實施例中，第二影像P的形狀及其中影像的分佈是與鏡頭10設計為相對應的。而第二影像P的參考中心C之影像係相對於從鏡頭10的零度視場角表面所輸入之光束；第二影像P的最外沿的影像則係相對於鏡頭10的最大視場角之光束。而當半徑相異的各個子影像Pn的外沿的像高IH與最大像高IH_MAX相同，且各個子影像Pn中的內容分佈比例與鏡頭10的視場角分佈比例為大致相同時，子影像Pn將稱之為標準影像PS。

更明確的說。若將鏡頭10的入光面自其光軸往最大視場角之外沿按其視場角值均分成K(例如為十)個同心設置的視場角區間；同時，把像高IH與最大像高I_HMAX相同的子影像Pn由其參考中心C往子像高IH的最外沿依像高的長度均分成K個同心設置的影像區間C1~C10；而若各個視場區間與目對應的各個影像區間自內往外依序為正向或顛倒排列時，則子影像Pn中的內容分佈比例與鏡頭10的視場角分佈比例為大致相同，而子影像Pn為一標準影像PS。

為易於理解，以下將標準影像PS以距離比/視場角關係座標圖來予以呈現。請參閱圖七B，其繪述了一距離比/視場角關係座標圖，距離比/半視場角關圖的橫軸是光學鏡頭10的光線之半視場角之值；而其縱軸為子影像Pn的像高IH相對於最大像高IH_MAX之比值，亦即距離比，比值最小為零最大為一。距離比，係指該全景影像中的一點到全景影像中心點的距離，與全景影像由全景影像中心點起算到全景影像最遠一點的距離，兩者的比值。按此定義，圖中任一點之座標可理解為子影像Pn的任一像高相對於鏡頭10的視場角值。另外，若把一子影像Pn的分佈線的距離比為零處至一處以一直線連接，則直線稱之為線性分佈函數或標準分佈線PS1，而標準分佈線PS1的斜率則稱為一標準斜率。或者，連接(距離比,視場角)之(0,0)點，到(距離比,視場角)之(1,最大視場角)點的直線(或稱標準分佈線PS1)斜率，稱為標準斜率。

請分別參酌圖八A至圖八D，圖八D至圖八D分別繪述了利用本發明的第一至第四實施例之第二影像P與其相對應標準影像PS於距離比/視場角關係座標圖之比較結果。首先，本發明之第一至第四實施例之光學鏡頭10產生的第二影像P，分別相對於第一至第四距離比/半視場角分佈線G1~G4，或簡稱分佈線。而第一實施例至第四實施例之像高IH及半視場角數值HFOV表亦一併提供參考如下之表九至表十二所述。下表之IH為各例中子影像像高值之絕對大小，而表格最下方之值為其最大像高之數值。而HFOV則各影像像高值相對應光學鏡頭10的半視場高之值，最下方之值為其最大值。

以圖八A中的內容為例，若將第一分佈線G1於距離比/視場角關係座標圖中呈現時，第一分佈線G1的像高/參考距離比與標準分佈線PS1之數值差異在正負百分之五的範圍內。若將第一分佈線G1按其視場角之大小依序由前至後，由小(零度)至大(最大視場角)，分成十個等大小的區域(區隔線已於各圖中以灰色垂直虛線表示)，則本實施例的前五區域中，至少四區域的斜率較標準斜率低且四區域得為連續。

而後五個區域中，其中至少四個區域的斜率較標準斜率高且四等份得為連續。更明確的說，本案之第一實施例之斜率相較於標準斜率之分佈為較低、低、低、低、低、高、高、高、高、高之分佈。更明確的說，亦即相對於標準影像PS，本發明之本實施例中，前五等份之視場角所占用之像素比例較標準影像PS為少，反之後五等份所占較標準影像PS多。

另外，請參閱圖九，圖九繪述了本發明之第三實施例之第一影像之示意圖。由圖可見，第一影像F中包括一第二影像P，而第二影像P得具有一最大對角線，而最大對角線具有一對角線總長DI_max，本實施例中的最大對角線長度定義為第二影像P中存在的相互距離最遠且穿過參考中心C的二點之間的直線距離。而其中，第二影像P中具有一指定區域PE，指定區域PE是指第二影像P中重點影像出現機會較高的區域。於本實施例中，最大視場角/半視場角為190度/95度，而指定區域PE係指半視場角大於47.5度至最大視場角之間的區域，亦即影像區間C6內沿和影像區間C10外沿之間的距離。而指定區域PE占用最大對角線DI_max之長度比例得利用DI_max減去指定區域PE以外區域所占之內圍長度DI_inner之差值再除以最大對角線DI_max之總長。於本實施例中，指定區域PE約占最大對角線DI_max長度的百分之45，而按比算推算，指定區域PE之面績約為第二影像P面積之約百分之七十。惟本發明可實施之指定區域的對角線占比範圍不以前述為限，當其半視場角為最大視場角的百分之45以上時，其已大致可達到基本要求，惟其在50至70之間時，效果較佳，而最佳者約為百分之55。

依據上述說明可知，本發明實施例可克服上開問題，達到發明目的。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在不脫離本發明的精神和範圍內，仍可修改或變更，例如改變各群鏡片的片數、調整各鏡片的光學參數(如屈光度，POWER)或插入不影響光學性質的鏡片等，本發明的保護範圍仍以申請專利範圍為準。

10‧‧‧光學鏡頭

11‧‧‧第一透鏡群

1113‧‧‧第一透鏡

1123‧‧‧第二透鏡

1133‧‧‧第三透鏡

1143‧‧‧第四透鏡

12‧‧‧第二透鏡群

1213‧‧‧第五透鏡

1223‧‧‧第六透鏡

1233‧‧‧第七透鏡

1243‧‧‧第八透鏡

A‧‧‧光軸

CG‧‧‧玻璃蓋

OS‧‧‧物側

IS‧‧‧像側

S‧‧‧光圈

Claims

一種光學取像裝置，包括：一光學鏡頭，包括N片透鏡，至少包括三片非球面透鏡，該N片透鏡包括：一第一透鏡群，設於一物側與一像側之間，朝向該物側之一端，該第一透鏡群至少包括(N/2)-1枚鏡片；該第一透鏡群自該物側起依序包括一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡，且該第二透鏡為一非球面透鏡；一第二透鏡群，設於該第一透鏡群與該像側之間；以及一光圈，設於該第一透鏡群與該第二透鏡群之間；其中，該光學鏡頭之視場角(FOV)≧180度。
如申請專利範圍第1項中所述之裝置，其中，該光學鏡頭可輸出一影像，該影像相對於該光學鏡頭的視場角之0度至100度之對角線的長度，占該影像相對於該光學鏡頭的最大視場角之對角線總長度的30%至50%之間。。
一種光學取像裝置，包括：一光學鏡頭，包括一非球面透鏡，該非球面透鏡於水平於光軸方向之最大厚薄比係<4.5；且該光學鏡頭具有一最大視場角，該最大視場角≧180度；該光學鏡頭自一物側接收一影像，並在像側輸出一相對應的全景影像；其中，該全景影像相對於該光學鏡頭的視場角之0度至100度之對角線的長度，占該全景影像相對於該光學鏡頭的最大視場角之對角線總長度的30%至50%之間。
如申請專利範圍第3項中所述之裝置，其中，該光學鏡頭包含區分為一第一透鏡群與一第二透鏡群的N片透鏡，以及一設於該第一透鏡及該第二透鏡群的一光圈；該第一透鏡群由物側依序包括有一第一透鏡、一第二透鏡以及一第三透鏡，且該第二透鏡為非球面透鏡。
如申請專利範圍第1項或是4項中任一項所述之裝置，其中，f2為該第二透鏡之有效焦距，該光學鏡頭最靠近像側的透鏡為第N片透鏡，fL為該第N片透鏡的有效焦距，且該光學鏡頭滿足以下條件：0.5<|f2/fL|<5。
如申請專利範圍第3項中所述之裝置，其中，該光學鏡頭包括至少三片非球面透鏡。
一種光學取像裝置，包括：一光學鏡頭，具有一最大視場角，該最大視場角≧180度，該光學鏡頭於像側形成一全景影像；其中，該全景影像於距離比/視場角關係座標圖中具有一分佈線，該距離比/視場角關係座標圖之縱橫及橫軸係分別代表距離比以及視場角；該距離比，係指該全景影像中的一點到該全景影像中心點的距離，與該全景影像由該全景影像中心點起算到全景影像最遠一點的距離，兩者的比值；該距離比/視場角關係座標圖依據橫軸長度的十等份，自視場角0度到最大視場角，由前至後區分該距離比/視場角關係座標圖為十個區域；自(距離比,視場角)之(0,0)點，到(距離比,視場角)之(1,最大視場角)點的直線斜率為一標準斜率；則該分佈線於該十個區域中的後五個區域的其中四個區域的斜率較該標準斜率高。
如申請專利範圍第7項中所述之裝置，其中，該光學鏡頭自該物側起依序包括屈光度非為零的一第一透鏡、一第二透鏡及一第三透鏡，該第二透鏡為一非球面透鏡
如申請專利範圍第7項中所述之裝置，其中，該分佈線的該十個區間中之前五個區域中的其中四者之斜率較一標準斜率小。
如申請專利範圍第9項中所述之裝置，其中，斜率較該標準斜率小之該四個區間或是斜率較該標準斜率大之該四個區間為連續。