TW201816453A - 成像透鏡系統 - Google Patents

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Abstract

可用於小形狀因數照相機中的小型透鏡系統。透鏡系統可包括六個具有折射焦度的透鏡元件，且當與其他小型透鏡系統相比，可提供低F數與寬視場，同時維持或改善成像品質及封裝尺寸。該透鏡系統可例如提供2.1或更小（例如1.8）之焦比，且全視場在70至90度之範圍內（例如81度）。該透鏡系統可符合針對小型之一標準TTL/ImageH ＜ 1.7，其中TTL係該透鏡系統的總軌道長度，且ImageH係在該光感測器處的影像平面上之半對角影像高度。透鏡系統參數與關係可至少部分經選擇以減少、補償、或校正橫跨視場的光學像差及透鏡假影和效應。

Description

成像透鏡系統
此揭露大致上係關於照相機系統，且更具體而言係關於高解析度、小形狀因數照相機及透鏡系統。
小行動式多用途裝置（例如，智慧型手機與平板或平板電腦裝置）的出現，導致為了整合在裝置中而需要高解析度、小形狀因數照相機，該等照相機係輕量、小型且能夠以低F數擷取高解析度且高品質的影像。然而，由於習知照相機技術的限制，用於此類裝置中的習知小照相機傾向於以較低解析度擷取影像，及/或以低於較大、較高品質照相機可達成之影像品質擷取影像。以小封裝尺寸的照相機達成較高的解析度通常需要使用一具有小像素尺寸的光感測器以及一良好的小型成像透鏡系統。技術的發展已達成光感測器中之像素尺寸的縮減。然而，隨著光感測器變得更小型且更強大，針對具有改善的成像品質效能之小型成像透鏡系統的需求已然增加。此外，越來越期望小形狀因數照相機配備有更高的像數數及/或更大的像素尺寸影像感測器（其等之一或二者可能需要更大的影像感測器），同時仍維持足夠小型以適配至可攜式電子裝置中的模組高度。因此，從光學系統設計的觀點來看，挑戰在於提供能夠在小形狀因數照相機所加諸之物理限制(physical constraints)下擷取高亮度、高解析度影像的一種成像透鏡系統。
本揭露的實施例可提供一種包括六個透鏡元件的小型成像透鏡系統，其可在一照相機中使用並提供一低F數（2.1或更低，例如1.8）、在70至90度之範圍內（例如81度）的寬視場(wide field of view)及短總軌道長度（例如@6mm），而允許該照相機以一小封裝尺寸實施，同時仍擷取銳利、高解析度影像，使該照相機的實施例適於在小的及/或行動式多用途裝置中使用。該透鏡系統包括六個透鏡元件，其中從在物體側上的一第一透鏡至在影像側上的一第六透鏡沿著一光學軸配置折射焦度(refractive power)。在一些實施例中，透鏡系統的焦度順序從第一透鏡至第六透鏡係PNPNPN，其中P指示一具有正折射焦度的透鏡，而N代表一具有負折射焦度的透鏡。可至少部分選擇透鏡系統參數及關係（包括但不限於焦度分佈(power distribution)、透鏡形狀、厚度、孔徑位置、幾何、位置、材料、間隔、以及某些透鏡元件的表面形狀）以減少、補償、或校正橫跨視場的光學像差及透鏡假影和效應。
在一些實施例中，該透鏡系可包括一孔徑光闌，其位在該光學系統之該物體側與該第二透鏡元件之間，用於控制該光學系統的亮度。在一些實施例中，該孔徑光闌可位於該第一透鏡元件處（在該透鏡系統的前頂點處或後面）。在一些實施例中，孔徑光闌可替代地位於該第一透鏡元件與該第二透鏡元件之間。在一些實施例中，該透鏡系統亦可包括一或多個內部光闌，例如位於該第四透鏡元件之影像側表面處的一次要光闌。該（等）內部光闌可例如藉由切斷一百分比的離軸射線束而幫助在低F數及寬FOV條件下的像差控制。
在一些實施例中，該透鏡系統可滿足以下關係之一或多者： 0.15 ＜ Yo/f 系統 ＜ 0.55 0.5 ＜ (f 系統 / f1 ) ＜ 1 0.4 ＜ (f 系統 / f3 ) ＜ 0.78 (R9+R10) / (R9-R10) ＜ -3.2 T34 /TTL ＞ 0.07 Zh / T34 ＞ 0.5 其中f 系統 係該透鏡系統的有效焦距長度，Yo係該第五透鏡之該影像側表面的最外水平頂點與光學軸之間的垂直距離，f1係該第一透鏡的有效焦距長度，f3係該第三透鏡的有效焦距長度，R9係該第五透鏡的物體側表面之曲率半徑，而R10係該第五透鏡的影像側表面之曲率半徑，T34 係該第三透鏡與該第四透鏡之間的正軸(on-axis)間隔，且Zh 係在一垂直距離Hep（(Hep =EPD*0.8/2)處之該第三透鏡與第四透鏡之間的離軸間隔，其中EPD係入射光瞳直徑。)
在一些實施例中，該透鏡系統可滿足如下列關係所定義之針對小型的標準： TTL/ImageH ＜ 1.7 其中ImageH係在光感測器處之影像平面上的半對角影像高度(semi-diagonal image height)。
在一些實施例中，該等第一及第三透鏡係由阿貝數Vd ＞ 50（例如56.0）的光學材料所形成，且該等第二和第四透鏡係由阿貝數Vd ＜ 30（例如20.4）的光學材料所形成。可選擇透鏡一到四的材料與焦度組態以減少色像差。在一些實施例中，該第五透鏡與該第六透鏡係由阿貝數Vd ＞ 50（例如56.0）之光學材料所形成，且可進一步限制過度色像差的發生。
本案主張2016年8月1日申請之美國臨時專利申請案第62/369,609號、標題為「IMAGING LENS SYSTEM」的優先權，其內容以全文引用方式併入本文中。
所敘述者係一包括一光感測器及一小型透鏡系統之小形狀因數照相機的實施例。說明一種包括六個透鏡元件之小型透鏡系統之實施例，其可在照相機中使用並提供一低F數（2.1或更低，例如1.8）、在70至90度之範圍內（例如81度）的寬視場及短總軌道長度（例如@6mm），而允許該照相機以一小封裝尺寸實施，同時仍擷取銳利、高解析度影像，使該照相機的實施例適於在小的及/或行動式多用途裝置中使用，例如，行動電話、智慧型手機、平板電腦或平板運算裝置、膝上型電腦、輕省筆電、筆記型電腦、次筆記型電腦、及超輕薄筆記型電腦(ultrabook computer)等等。然而要注意的是，照相機的態樣（例如，透鏡系統及光感測器）可按比例放大或縮小以提供具有較所述之彼等大或小的封裝尺寸之照相機。此外，照相機系統的實施例可實施為單獨的數位相機。除了靜物（單幀擷取）照相機應用以外，照相機系統的實施例可經調適以用於視訊攝像機應用中。
小型透鏡系統之實施例可用於小形狀因數照相機中以擷取高亮度、高解析度影像。透鏡系統包括具有折射焦度的六個透鏡元件。可至少部分選擇透鏡系統參數及關係（包括但不限於焦度分佈(power distribution)、透鏡形狀、厚度、孔徑位置、幾何、位置、材料、間隔、以及某些透鏡元件的表面形狀）以減少、補償、或校正橫跨視場的光學像差及透鏡假影和效應（包括但不限於以下之一或多者：漸暈、色像差、像場曲率或珀茲伐和(Petzval sum)、及透鏡閃光）。
所敘述者係具有六個透鏡元件之小型透鏡系統的非限制性實例實施例。圖1A顯示一實例實施例，其包括六個折射透鏡元件，其中孔徑光闌係位於第一透鏡元件處且在該透鏡系統之前頂點後面。圖1B顯示一實例實施例，其包括六個折射透鏡元件及位於第一透鏡元件處的主要孔徑光闌，且其亦包括位於第四透鏡元件處的一次要光闌。如本文所述之具有六個透鏡元件的小型透鏡系統的實例實施例可提供小於2.0的一f 數（焦比）（例如約1.7），及小於5.0 mm（例如4.5至4.7 mm）之焦距長度(f )、以及6.8 mm或以下（例如6 mm）之總軌道長度(TTL)。
然而要注意的是，這些實例並未意欲作為限制，且在針對該透鏡系統給定之各種參數上的變化係可行的，同時仍達到類似結果。
在透鏡系統之實施例中的折射透鏡元件可例如包含一塑膠材料。在一些實施例中，該等折射透鏡元件可包含一射出模製塑膠材料。然而，可使用其他透明材料。同樣要注意的是，在一給定實施例中，該等透鏡元件之一不同者可包含具有不同光學特性（例如，不同阿貝數(Abbe number)及/或不同折射率）的材料。阿貝數Vd 可由下列方程式界定： Vd =(Nd –1)/(NF – NC )， 其中NF 及NC 分別係在氫的F線及C線處之材料的折射率值。
在圖1A及圖1B中，一實例照相機包括至少一小型透鏡系統及一光感測器。光感測器可為（一或多個）積體電路(IC)技術晶片，其係根據各種類型之光感測器技術的任一者實施。可用之光感測器技術的實例係電荷耦合裝置(CCD)技術及互補式金氧半導體(CMOS)技術。在一些實施例中，光感測器的像素尺寸可為1.2微米或更小，但可使用較大的像素尺寸。在一非限制性實例實施例中，光感測器可根據一1280 × 720像素的影像格式製造以擷取1百萬像素的影像。然而，在實施例中可使用其他像素格式，例如5百萬像素、1千萬像素、或者更大或更小的格式。在圖式中，說明具有8 mm全對角尺寸（半對角4 mm）的一實例光感測器；然而，可適當調整透鏡系統尺寸來使用較大或較小的光感測器。
該透鏡系統可包括一孔徑光闌，其位在該光學系統之該物體側與該第二透鏡元件之間，用於控制該光學系統的亮度。在一些實施例中，該孔徑光闌可位於該第一透鏡元件處（在如圖1A所示之透鏡系統的前頂點處或後面）。在一些實施例中，孔徑光闌可替代地位於該第一透鏡元件與該第二透鏡元件之間。在一些實施例中，透鏡系統亦可包括一或多個次要光闌，例如位於如圖1B所示之第四透鏡元件之影像側表面處的次要光闌，及/或位於第三透鏡元件之影像側表面處的次要光闌。（一或多個）次要光闌可幫助像差控制。
照相機亦可（但非必然）包括一紅外線(IR)濾光器，其例如位於透鏡系統的最後或第六透鏡元件與光感測器之間。IR濾光器可諸如包含一玻璃材料。然而，可使用其他材料。在一些實施例中，IR濾光器不具有折射焦度，且不影響透鏡系統的有效焦距長度f。在一些實施例中，代替如圖式所示之IR濾光器，可在透鏡元件之一或多者上使用一塗層或可使用其他方法，以提供IR濾光。進一步要注意的是，除了本文所繪示及敘述的彼等以外，照相機亦可包括其他組件。
在照相機中，透鏡系統形成一影像於在光感測器表面處之或附近之一影像平面(IP)處。針對一遠距離物體的影像尺寸係與一透鏡系統的有效焦距長度f 成正比。透鏡系統的總軌道長度(TTL)係第一（物體側）透鏡元件之物體側表面處的前頂點與影像平面之間在光學軸(AX)上的距離。總軌道長度對焦距長度之比率(TTL/f )稱為攝遠比率(telephoto ratio)。若要被歸類為一攝遠透鏡系統，TTL/f 係小於或等於1。對一非攝遠透鏡系統而言，攝遠比率係大於1。
在本文所述之非限制性實例實施例中（參見圖1A及圖1B），透鏡系統可經組態使得透鏡系統的有效焦距長度f 係在4.51 mm或約4.51 mm。圖1A及圖1B所示之非限制性實例實施例可經組態使得F數係在1.68或約1.68。透鏡系統可例如實例所示般經組態以滿足用於特定照相機系統應用之指定的光學、成像、及/或封裝限制。要注意的是F數（亦稱為焦比或f/#）係由f/D 界定，其中D係入射光瞳（亦即，有效孔徑）的直徑。作為一實例，在f = 4.51 mm的情況下，以@2.68 mm之一有效孔徑達成1.68之F數。該實例實施例可例如經組態有在81度或約81度之全視場(FOV)及40.5度之半視場。實例實施例之總軌道長度(TTL)可係在6.0mm或大約6.0 mm。實例實施例之攝遠比率(TTL/f )因此係在1.33或大約1.33。使用具有8 mm全對角尺寸（半對角4 mm）的一光感測器。
然而要注意的是，焦距長度f 、F數、TTL、光感測器尺寸、及/或其他透鏡系統及照相機參數可經縮放或經調整成符合用於其他照相機系統應用之光學、成像、及/或封裝的各種規格。可指定為用於特定照相機系統應用之需求及/或可針對不同的照相機系統應用作改變之一照相機系統的限制包括但不限於：焦距長度f 、有效孔徑、TTL、孔徑光闌位置、F數、視場(FOV)、攝遠比率、光感測器尺寸、成像效能需求、及封裝體積或尺寸限制。
在一些實施例中，透鏡系統可為可調整的。例如，在一些實施例中，如本文所述之一透鏡系統可配備一可調整的光圈（入射光瞳）或孔徑光闌。使用一可調整的孔徑光闌，可在一範圍內動態地改變F數（焦比或f/#）。例如，若透鏡系統經良好校正而處於f/1.7、處於給定焦距長度f 及FOV下，則可藉由調整孔徑光闌（假定孔徑光闌可調整至F數設定）使焦比在1.4至8（或更高）之範圍內變化。在一些實施例中，可藉由將孔徑光闌調整在相同FOV（例如，81度）而以較快焦比(＜1.7)來使用透鏡系統，其可能具有降級的成像品質效能，或在較小FOV下具有合理的良好效能。
雖然可在本文給定一或多個光學參數可在其中動態地改變（例如，使用一可調整的孔徑光闌）之值的範圍作為用於可調整照相機及透鏡系統的實例，仍可實施包括固定式（不可調整的）透鏡系統（其中用於光學及其他參數的值係在這些範圍內）之照相機系統的實施例。
參照如圖1A圖1B所繪示的實施例，一實例照相機100包括至少一小型透鏡系統110及一光感測器120。照相機100可包括一孔徑光闌130，其例如在第一透鏡元件處並在透鏡系統110的前頂點處或後面，用於控制光學系統的亮度。在一些實施例中，孔徑光闌130可替代地位於該第一透鏡元件與該第二透鏡元件之間。在一些實施例中，照相機亦包括如圖1B所繪示之一次要光闌132。照相機100亦可（但非必要）包括一紅外線(IR)濾光器，其諸如位於透鏡系統110與光感測器120之間。IR濾光器可起作用減少或消除光感測器120上的環境雜訊之干擾並/或阻擋可損害或不利地影響光感測器120之紅外線輻射，並可經組態以對f無影響。
照相機100的小型透鏡系統110可包括六個透鏡元件（圖1A及圖1B之透鏡系統110中的101至106），該等透鏡元件具有折射焦度與透鏡系統有效焦距長度f，其等係以從一物體側至一影像側的順序沿著一光學軸AX配置： · 一第一透鏡元件L1 (101)，其具有正折射焦度； · 一第二透鏡元件L2 (102)，其具有負折射焦度； · 一第三透鏡元件L3(103)，其具有正折射焦度； · 一第四透鏡元件L4 (104)，其具有負折射焦度； · 一第五透鏡元件L5 (105)，其具有正折射焦度；及 · 一第六透鏡元件L6 (106) ，其具有負折射焦度。
因此，透鏡系統110的焦度順序從第一透鏡101至第六透鏡106係PNPNPN，其中P指示一具有正折射焦度的透鏡，而N代表一具有負折射焦度的透鏡。
在一些實施例中，透鏡101具有在近軸區域中之凸形物體側表面，透鏡102具有在近軸區域中之凹形影像側表面，透鏡103具有在近軸區域中之凸形影像側表面，且透鏡104具有在近軸區域中之凸形影像側表面。
在一些實施例中，透鏡105具有在近軸區域中之凸形物體側表面及在近軸區域中之凹形影像側表面。透鏡105的物體側表面及影像側表面兩者係非球面。透鏡105的物體側表面具有在周圍區域附近係凹形的至少一部分且影像側表面具有在周圍區域附近係凸形的至少一部分。參考圖2，Yo係透鏡105之影像側表面之最外水平頂點與光學軸之間的垂直距離。在一些實施例中，Yo滿足下列關係； 0.15 ＜ Yo/f 系統 ＜ 0.55 其中f 系統 係透鏡系統110的有效焦距長度。
在一些實施例中，透鏡106具有在近軸區域中之凸形物體側表面及沿著整個表面係凹形的至少一部分。透鏡106亦具有在近軸區域中之凹形影像側表面及沿著整個表面係凸形的至少一部分。透鏡106之表面兩者皆係非球面。
在一些實施例中，透鏡系統110可滿足下列關係之一或多者： 0.5 ＜ (f 系統 / f1 ) ＜ 1 0.4 ＜ (f 系統 / f3 ) ＜ 0.78 (R9+R10) / (R9-R10) ＜ -3.2 其中f 系統 係透鏡系統110之有效焦距長度，f1係透鏡101之有效焦距長度，f3係透鏡103之有效焦距長度，R9係透鏡105之物體側表面之曲率半徑，且R10係透鏡105之影像側表面之曲率半徑。要注意的是，曲率半徑可係來自X光掃描結構的透鏡表面形狀的擬合值(fitted value)。
參照至圖3，相對於光學軸，透鏡103和透鏡104之間的正軸間隔係T34 ，在一垂直距離Hep（Hep =EPD*0.8/2)，其中EPD係入射光瞳直徑）處的透鏡103和透鏡104之間的離軸間隔係定義為Zh 。可滿足下列關係： T34 /TTL ＞ 0.07 Zh / T34 ＞ 0.5 其中TTL係聚焦於無限共軛(infinity conjugate)之系統的總軌道長度，且係在透鏡101之物體側表面或孔徑光闌（取決於何者更接近物體）與影像平面之間測得。
在一些實施例中，透鏡101及透鏡103係由阿貝數Vd ＞ 50的光學材料所形成，且透鏡102及透鏡104係由阿貝數Vd ＜ 30的光學材料所形成。可選擇透鏡101至104的材料與焦度組態以減少色像差。在一些實施例中，透鏡105及透鏡106係由阿貝數Vd ＞ 50之光學材料所形成，且可進一步限制過度色像差的發生。
透鏡系統110之實施例可經實施成小型的，以在消費型電子產品的小形狀因數照相機中使用，諸如智慧型手機及平板電腦/平板裝置。透鏡系統的針對小型(compactness)之標準可由下列關係所定義： TTL/ImageH ＜ 1.7 其中ImageH係在光感測器120處之影像平面上的半對角影像高度。在如表1至表3所定義的實例透鏡系統中，總軌道長度(TTL)係約6.0 mm，且使用具有約4 mm之半對角影像高度的一光感測器。因此滿足針對實例實施例(6mm/4mm = 1.5)的關係(TTL/ImageH ＜ 1.7)。應注意的是，針對小型的此標準允許成比例的較長TTL（在使用較大光感測器時）及成比例的較短TTL（在使用較小光感測器時）。舉例而言，針對具有約3mm的ImageH之光感測器，一透鏡系統的TTL將係5.1mm或更小，而針對具有約5mm的ImageH之光感測器，一透鏡系統的TTL將係8.5mm或更小。
如圖1B所示，透鏡系統110系統之一些實施例除了孔徑光闌130外亦可包括一或多個內部光闌（例如在透鏡104處的次要光闌132）。該（等）內部光闌132可例如藉由切斷一百分比的離軸射線束而幫助在低F數及寬FOV條件下的像差控制，相較於較接近該光學軸之射線束，該等離軸射線束在低F數及寬FOV條件下傾向具有更加極端的像差。透鏡系統110（例如透鏡元件104至106）可經設計以補償由內部光闌132所導致的照明之損失與可能之漸暈(vignetting)。
圖4係一圖表，其繪示根據一些實施例之針對如圖1A至圖3所繪示的透鏡系統之調變轉移函數(modulation transfer function, MTF)。圖4展示分別於0場、0.4場、0.7場及全場所評估的透鏡MTF。MTF在100線對(lp) / mm高於0.5，展示針對高解析度成像的良好對比並使用高解析度感測器來呈現高品質影像。
圖5展示根據一些實施例之針對如圖1A至圖3所繪示的透鏡系統之縱向球面像差、像場曲率及失真。如圖5所展示，橫跨視場的光學失真經控制在2%以內，同時像場曲率與像散係橫跨視場經良好平衡。
圖6係根據一些實施例之用於使用如圖1A至圖5所繪示之照相機擷取影像之一方法的高階流程圖，該照相機具有包括六個透鏡元件之透鏡系統。如1200所指示者，透過在照相機之一第一透鏡元件處的一孔徑光闌接收來自照相機前方之一物體場的光。如1202所指示者，第一透鏡元件將光折射至一第二透鏡元件。或者，在一些實施例中，孔徑光闌可位於第一透鏡元件與第二透鏡元件之間，且可在照相機的第一透鏡元件處接收來自物體場的光，並透過孔徑光闌將光折射至第二透鏡元件。在一些實施例中，第一透鏡元件可具有正折射焦度。如1204所指示者，接著由第二透鏡元件將光折射至一第三透鏡元件。在一些實施例中，第二透鏡元件可具有負折射焦度。如1206所指示者，接著由第三透鏡元件將光折射至一第四透鏡元件。在一些實施例中，第三透鏡元件可具有正折射焦度。在一些實施例中，可透過一次要光闌將光折射至第四透鏡元件。如1208所指示者，接著由第四透鏡元件將光折射至一第五透鏡元件。在一些實施例中，第四透鏡元件可具有負折射焦度。如1210所指示者，接著由第五透鏡元件將光折射至一第六透鏡元件。在一些實施例中，第五透鏡元件可具有正折射焦度。如1212所指示者，由第六透鏡元件將光折射以形成一影像於在一光感測器表面處之或附近之一影像平面處。在一些實施例中，第六透鏡元件可具有負折射焦度。如1214所指示者，影像係由光感測器擷取。雖然未展示於圖6，在一些實施例中，光可通行穿過一可諸如位於第六透鏡元件與光感測器之間的紅外線濾光器。
在一些實施例中，可如圖1A或圖1B、圖2、及圖3所繪示般地組態參照至圖6的第六透鏡元件。然而要注意的是，在達到類似的光學結果的同時，圖1A及圖1B中給定之實例上的變化係可行的。 實例透鏡系統表
下列表格提供如參照圖1A至圖3所說明之透鏡系統與照相機之實例實施例的各種光學與物理參數之實例值。在表格中，除非另有指定，否則所有尺寸皆為毫米(mm)。L1、L2、L3、L4、L5、及L6分別代表折射透鏡1、2、3、4、5、及6。「S#」代表表面號碼。表格中所示的元件的表面號碼(S#)係從在物體平面處之一第一表面0列出至在影像平面/光感測器表面處的最後表面。一正半徑指示曲率中心係在表面的右方（物體側）。一負半徑指示曲率中心係在表面的左方（影像側）。「INF」代表無限（如光學中所使用）。厚度（間距）係到下個表面的軸向距離。FNO代表透鏡系統的F數。HFOV代表半視場。f35mm 係透鏡系統的35 mm相等焦距長度。Vx 係一各別透鏡元件的阿貝數。f及f系統 兩者代表透鏡系統的有效焦距長度，而fx 代表一各別透鏡元件的焦距長度。R9係透鏡5之物體側表面的曲率半徑，且R10係透鏡5之影像側表面的曲率半徑。T34 係透鏡3與透鏡4之間的正軸間隔，而Zh 係在垂直距離Hep（參見圖3）處之透鏡3與透鏡4之間的離軸間隔。TTL係聚焦於無限共軛(infinity conjugate)之透鏡系統的總軌道長度，且係在透鏡1之物體側表面或孔徑光闌（取決於何者更接近物體）與影像平面之間測得。ImageH係像平面上的半對角影像高度。
針對透鏡元件及IR濾光器之材料，提供在氦d線(helium d-line)波長處的一折射率Nd ，以及相對於d線及氫之C及F線的阿貝數Vd 。阿貝數Vd 可由下列方程式界定： Vd =(Nd –1)/(NF – NC )， 其中NF 及NC 分別係在氫的F線及C線處之材料的折射率值。
參照非球面係數之表格（表2A至表2C），非球面方程式描述下列給定的非球面表面：Z = (cr 2 /(1+ sqrt [1– ( 1+ K )c 2 r 2 ] ) ) +A 4 r 4 + A 6 r 6 + A 8 r 8 + A 10 r 10 + A 12 R 12 + A 14 r 14 + A 16 r 16 + A 18 r 18 + A 20 r 20 其中Z 係平行於z軸的表面之垂度(sag)（z軸與光學軸在此等實例實施例中重合），r 係距頂點的徑向距離，c 係在表面之極點(pole)或頂點處的曲率（表面的曲率半徑之倒數），K 係錐形常數，且A 4 –A 20 係非球面係數。在表格中，「E」表示指數記號（10的次方）。
應注意的是，下列表格中針對透鏡系統的各種實施例中的各種參數所給出的值係以舉例的方式給出且非意欲為限制。舉例而言，針對實例實施例中的透鏡元件之一或多者的表面之一或多者的參數之一或多者、以及針對組成元件的材料之參數，可給定不同的值，同時仍提供相似的透鏡系統效能。特別是，應注意表格中的一些值可針對一照相機之較大或較小實施方案來按比例放大或縮小，該照相機使用如本文所說明之透鏡系統的一實施例。 表1 * 註記非球面表面（表2A至表2C中所給定的非球面係數） 表2A – 非球面係數（透鏡系統110） 表2B – 非球面係數（透鏡系統110） 表2C – 非球面係數（透鏡系統110） 表3 – 光學定義（透鏡系統110） 實例運算裝置
圖7繪示一實例運算裝置（稱為電腦系統2000），其可包括或裝載具有如圖2至圖6所繪示之透鏡系統的一照相機的實施例。此外，電腦系統2000可實施用於控制照相機操作及/或用於執行對以照相機所擷取的影像之影像處理的方法。在不同實施例中，電腦系統2000可為各種類型之裝置的任一者，包括但不限於個人電腦系統、桌上型電腦、膝上型電腦、筆記型電腦、平板或平板電腦裝置、平板、或輕省筆電、大型電腦系統、手持式電腦、工作站、網路電腦、照相機、機上盒、行動裝置、無線電話、智慧型手機、消費型裝置、視訊遊戲控制台(video game console)、手持式視訊遊戲裝置、應用伺服器、儲存裝置、電視、錄影裝置、周邊裝置（例如，交換器、數據機、路由器）、或大體上任何類型的運算或電子裝置。
在所繪示的實施例中，電腦系統2000包括一或多個處理器2010，其（等）係經由一輸入/輸出(I/O)介面2030耦合至一系統記憶體2020。電腦系統2000進一步包括一網路介面2040，其係耦合至I/O介面2030；及一或多個輸入/輸出裝置2050（例如，游標控制裝置2060、鍵盤2070、及（一或多個）顯示器2080）。電腦系統2000亦可包括：一或多個照相機2090（例如，如上文針對圖2至圖6所述的一或多個照相機），其亦可耦合至I/O介面2030；或者如上文針對圖2至圖6所述的一或多個照相機連同一或多個其他照相機（例如，習知的廣視野照相機）。
在各種實施例中，電腦系統2000可為一單處理器系統，其包括一個處理器2010；或一多處理器系統，其包括若干處理器2010（例如，二、四、八、或另一合適的數目）。處理器2010可為能夠執行指令之任何合適的處理器。例如，在各種實施例中，處理器2010可為一般用途或嵌入式處理器，其等實施各種指令集架構(ISA)的任一者（例如，x86、PowerPC、SPARC、或MIPS ISA、或者任何其他合適的ISA）。在多處理器系統中，處理器2010之各者可共同（但非必要）實施相同的ISA。
系統記憶體2020可經組態以儲存可由處理器2010存取之程式指令2022及/或資料2032。在各種實施例中，系統記憶體2020可使用任何合適的記憶體技術來實施（例如，靜態隨機存取記憶體(SRAM)、同步動態隨機存取記憶體(SDRAM)、非揮發性/快閃型記憶體、或任何其他類型的記憶體）。在所繪示的實施例中，程式指令2022可經組態以實施用於控制照相機2090之操作以及用於以整合式照相機2090擷取與處理影像的各種介面、方法、及/或資料或者其他方法或資料（例如，用於擷取、顯示、處理、及儲存以照相機2090擷取之影像的介面及方法）。在一些實施例中，程式指令及/或資料可經接收、傳送、或儲存在不同類型的電腦可存取媒體上或在與系統記憶體2020或電腦系統2000分開之類似的媒體上。
在一實施例中，I/O介面2030可經組態以協調處理器2010、系統記憶體2020、與裝置中的任何周邊裝置（包括網路介面2040或例如輸入/輸出裝置2050之其他周邊介面）之間的I/O流量。在一些實施例中，I/O介面2030可執行任何必要的協定、時序、或其他資料轉換，以將來自一組件（例如，系統記憶體2020）的資料信號變換為一適於由另一組件（例如，處理器2010）使用的格式。在一些實施例中，I/O介面2030可例如包括對通過各種類型的周邊匯流排（例如，周邊組件互連(PCI)匯流排標準或通用串列匯流排(USB)標準之一變體）附接之裝置的支援。例如，在一些實施例中，I/O介面2030的功能可拆成兩個或更多個分開的組件（例如，一北橋或一南僑）。同樣地，在一些實施例中，I/O介面2030的一些或全部功能（例如，至系統記憶體2020之一介面）可直接併入處理器2010中。
網路介面2040可經組態以允許在電腦系統2000與附接至一網路2085之其他裝置（例如，承載或代理裝置）之間或在電腦系統2000的節點之間交換資料。在各種實施例中，網路2085可包括一或多個網路，其包括但不限於區域網路(LAN)（例如，乙太網路或企業網路）、廣域網路(WAN)（例如，網際網路）、無線資料網路、一些其他的電子資料網路、或其某一組合。在各種實施例中，網路介面2040可例如經由以下者支援通信：經由有線或無線一般資料網路（例如，任何合適類型的乙太網路）；經由電信/電話網路（例如，類比語音網路或數位光纖通信網路）；經由儲存區域網路（例如，光纖通道儲存區域網路(SAN)）；或經由任何其他合適類型的網路及/或協定。
在一些實施例中，輸入/輸出裝置2050可包括一或多個顯示終端機、鍵盤、小鍵盤、觸控板、掃描裝置、語音或光學識別裝置、或任何其他適於由電腦系統2000輸入或存取資料的裝置。多個輸入/輸出裝置2050可存在於電腦系統2000中，或者可分佈在電腦系統2000的各節點上。在一些實施例中，類似的輸入/輸出裝置可與電腦系統2000分開，並可通過一有線或無線連接（例如，在網路介面2040上）與電腦系統2000的一或多個節點交互作用。
如圖7所示，記憶體2020可包括程式指令2022，其可為處理器可執行的以實施任何元件或動作來支援整合式照相機2090，該等指令包括但不限於用於控制照相機2090的影像處理軟體與介面軟體。在一些實施例中，由照相機2090擷取的影像可儲存至記憶體2020。此外，用於由照相機2090擷取之影像的後設資料可儲存至記憶體2020。
所屬技術領域中具有通常知識者將理解電腦系統2000僅係說明之用，且並未意欲限制實施例的範疇。具體而言，電腦系統及裝置可包括可執行所指示的功能之硬體或軟體的任一組合，包括電腦、網路裝置、網際網路器具(Internet appliance)、PDA、無線電話、傳呼器、視訊或靜物照相機等。電腦系統2000亦可連接至其他未說明的裝置，或者替代地可操作為一單獨系統。此外，由所繪示的組件提供的功能在一些實施例中可結合在較少組件中或分佈在額外組件內。類似地，在一些實施例中，可不提供所繪示的組件中之一些者的功能及/或其他額外功能可為可供使用的。
所屬技術領域中具有通常知識者亦將理解，雖然各種項目係說明為在使用時經儲存在記憶體中或在儲存器上，此等項目或此等項目之部分可在記憶體與其他儲存裝置之間移轉以用於記憶體管理與資料完整性的目的。或者，在其他實施例中，軟體組件之一些或全部可在另一裝置上的記憶體中執行，並經由電腦間通信與所繪示的電腦系統2000通信。亦可將系統組件或資料結構的一些或全部（例如，作為指令或結構化資料）儲存在待由一適當驅動器讀取之一可攜式物件或一電腦可存取媒體上（其等之各種實例係描述於上文）。在一些實施例中，儲存在與電腦系統2000分開之一電腦可存取媒體上的指令可經由傳輸媒體或經由通信媒體（例如，一網路及/或一無線鏈路）輸送之信號（例如，電信號、電磁信號、或數位信號）傳輸至電腦系統2000。各種實施例可進一步包括接收、發送或儲存根據以上描述實施在電腦一可存取媒體上的指令及/或資料。大致上而言，一電腦可存取媒體可包括一非暫時性、電腦可讀取儲存媒體或記憶體媒體，例如磁性或光學媒體（諸如，磁碟或DVD/CD-ROM、揮發性或非揮發性媒體（諸如，RAM（例如SDRAM、DDR、RDRAM、SRAM等）、ROM等））。在一些實施例中，一電腦可存取媒體可包括傳輸媒體或經由一通信媒體（例如，網路及/或一無線鏈）輸送之信號（例如電信號、電磁信號、或數位信號）。
在不同實施例中，本文所述之方法可以軟體、硬體、或其一組合實施。此外，可改變方法方塊的順序，且各種元件可增加、重排序、結合、省略、修改等。對受益於本揭露之所屬技術領域中具有通常知識者而言將顯而易見的是，可作出各種修改及改變。本文所述之各種實施例係意欲作為說明而非限制之用。許多變化、修改、增加、及改善係可行的。因此，可針對本文中被描述為單一例子之組件提供複數例子。各種組件、操作、與資料儲存之間的界線係稍微為任意的，且特定操作係在特定說明性組態的上下文說明。其他的功能配置係經預想並可落在下列之申請專利範圍的範疇內。最後，可將在實例組態中作為離散組件呈現的結構與功能實施為一經結合的結構或組件。這些及其他變化、修改、增加、及改善可落在如下列申請專利範圍中所界定之實施例的範疇內。
100‧‧‧照相機
101‧‧‧透鏡；第一透鏡元件L1
102‧‧‧透鏡；第二透鏡元件L2
103‧‧‧透鏡；第三透鏡元件L3
104‧‧‧透鏡；透鏡元件；第四透鏡元件L4
105‧‧‧透鏡；透鏡元件；第五透鏡元件L5
106‧‧‧透鏡；透鏡元件；第六透鏡元件L6
110‧‧‧透鏡系統
120‧‧‧光感測器
130‧‧‧孔徑光闌
132‧‧‧內部光闌；次要光闌
1200‧‧‧步驟
1202‧‧‧步驟
1204‧‧‧步驟
1206‧‧‧步驟
1208‧‧‧步驟
1210‧‧‧步驟
1212‧‧‧步驟
1214‧‧‧步驟
2000‧‧‧電腦系統
2010‧‧‧處理器
2010a...2010n‧‧‧處理器
2020‧‧‧系統記憶體；記憶體
2022‧‧‧程式指令
2030‧‧‧輸入/輸出(I/O)介面
2032‧‧‧資料
2040‧‧‧網路介面
2050‧‧‧輸入/輸出裝置
2060‧‧‧游標控制裝置
2070‧‧‧鍵盤
2080‧‧‧顯示器
2085‧‧‧網路
2090‧‧‧照相機
AX‧‧‧光學軸
f1‧‧‧有效焦距長度
f3‧‧‧有效焦距長度
f系統‧‧‧有效焦距長度
Hep‧‧‧垂直距離
Nd‧‧‧折射率
R9‧‧‧曲率半徑
R10‧‧‧曲率半徑
T34‧‧‧正軸間隔
TTL‧‧‧總軌道長度
Vx‧‧‧阿貝數
YO‧‧‧垂直距離
Zh‧‧‧離軸間隔
［圖1A］係一小型照相機之一實例實施例的截面圖，其包括一小型透鏡系統，該小型透鏡系統包括六個透鏡元件及一孔徑光闌。 ［圖1B］係一小型照相機之一實例實施例的截面圖，其包括一小型透鏡系統，該小型透鏡系統包括六個透鏡元件、一主要孔徑光闌、及一次要孔徑光闌。 ［圖2］繪示根據一些實施例之如圖1A及圖1B所繪示的透鏡系統中之第五透鏡元件的設計態樣。 ［圖3］繪示根據一些實施例之如圖1A及圖1B所繪示的透鏡系統中之第三及第四透鏡元件的設計態樣及關係。 ［圖4］係一圖表，其繪示根據一些實施例之針對如圖1A至圖3所繪示的透鏡系統之調變轉移函數(modulation transfer function, MTF)。 ［圖5］展示根據一些實施例之針對如圖1A至圖3所繪示的透鏡系統之縱向球面像差、像場曲率及失真。 ［圖6］係根據一些實施例之用於使用如圖1A至圖5所繪示之照相機擷取影像之一方法的流程圖。 ［圖7］繪示一可在實施例中使用之實例電腦系統。
此專利說明書包括對「一個實施例(one embodiment)」或「一實施例(an embodiment)」的指稱。片語「在一個實施例中(in one embodiment)」或「在一實施例中(in an embodiment)」的出現不必然指稱相同實施例。可以與此揭露一致的任何合適方式結合特定特徵、結構、或特性。
「包含(Comprising)」。此用語係開放式。如在隨附之申請專利範圍中所用者，此用語不排除額外的結構或步驟。考慮一請求項，其敘述：「一種設備，其包含一或多個處理器單元……」。此一類請求項不排除該設備包括額外組件（例如，一網路介面單元、圖形電路系統等）。
「經組態以(Configured To)」。可敘述或主張各種單元、電路、或其他組件為「經組態以」執行一任務或多個任務。在此類上下文中，「經組態以」係用於藉由指示該等單元/電路/組件包括在操作期間執行彼等（一或多個）任務的結構（例如，電路系統）來暗示結構。因而，即使當指定單元/電路/組件當前並不操作（例如，未接通），仍可稱該單元/電路/組件經組態以執行該任務。與「經組態以」語言一起使用的該等單元/電路/組件包括硬體－例如，電路、記憶體（儲存可執行以實施操作之程式指令）等。敘述一單元/電路/組件「經組態以」執行一或多個任務明確地並非意欲為該單元/電路/組件援引35 U.S.C. § 112，第六節。此外，「經組態以」可包括通用結構(generic structure)（例如，通用電路系統），其係藉由軟體及/或韌體（例如，FPGA或執行軟體的一般用途處理器）操縱，以能夠執行待解決之（一或多個）任務的方式進行操作。「經組態以」亦可包括調適一製造程序（例如，一半導體製造設備）以製造經調適以實施或執行一或多個任務的裝置（例如，積體電路）。
「第一(First)」、「第二(Second)」等。如本文所用，這些用語係用作名詞的前導標示，且不意味著任何類型的排序（例如，空間、時間、邏輯等）。例如，可在本文中將一緩衝器電路敘述為針對「第一」及「第二」值執行寫入操作。「第一」及「第二」的用語不必然意味著必須在該第二值之前寫入該第一值。
「基於(Based On)」。如本文所用，此用語係用於敘述影響一判定的一或多個因素。此用語不排除可能影響一判定的額外因素。也就是說，一判定可僅基於彼等因素或至少部分基於彼等因素。考慮片語「基於B判定A」。雖然在此情況下，B係一影響A之判定的因素，此一類片語不排除亦基於C來判定A。在其他例子中，A可僅基於B而判定。

Claims (20)

  1. 一種透鏡系統，其包含： 複數個折射透鏡元件，其等係沿著該透鏡系統之一光學軸配置，其中該複數個透鏡元件以從一物體側至一影像側的順序沿著該光學軸包括： 一第一透鏡元件，其具有正折射焦度； 一第二透鏡元件，其具有負折射焦度； 一第三透鏡元件，其具有正折射焦度； 一第四透鏡元件，其具有負折射焦度； 一第五透鏡元件，其具有正折射焦度；及 一第六透鏡元件，其具有負折射焦度； 其中該第一透鏡元件及該第三透鏡元件包含阿貝數Vd ＞ 50的一光學材料，且其中該第二透鏡元件及該第四透鏡元件包含阿貝數Vd ＜ 30的一光學材料。
  2. 如請求項1所述之透鏡系統，其中該透鏡系統滿足下列關係： TTL/ImageH ＜ 1.7， 其中TTL係該透鏡系統的總軌道長度，且ImageH係在該透鏡系統之一影像平面處的半對角影像高度。
  3. 如請求項1所述之透鏡系統，其中該第五透鏡元件及該第六透鏡元件包含阿貝數Vd ＞ 50的一光學材料。
  4. 如請求項1所述之透鏡系統，其中該透鏡系統滿足下列關係： T34 /TTL ＞ 0.07，且 Zh / T34 ＞ 0.5， 其中T34 係該第三透鏡元件與該第四透鏡元件之間的正軸間隔，且Zh 係在一垂直距離Hep = EPD*0.8/2處之該第三透鏡元件與該第四透鏡元件之間的離軸間隔，其中EPD係該透鏡系統的入射光瞳直徑。
  5. 如請求項1所述之透鏡系統，其中該透鏡系統滿足下列關係： 0.15 ＜ Yo/f 系統 ＜ 0.55， 其中Yo係該第五透鏡元件之一影像側表面的一最外水平頂點與該光學軸之間的垂直距離，且f 系統 係該透鏡統的有效焦距長度。
  6. 如請求項1所述之透鏡系統，其中該透鏡系統滿足下列關係： 0.5 ＜ (f 系統 / f1 ) ＜ 1， 其中f 系統 係該透鏡系統之有效焦距長度，且f1係該第一透鏡元件之有效焦距長度。
  7. 如請求項1所述之透鏡系統，其中該透鏡系統滿足下列關係： 0.4 ＜ (f 系統 / f3 ) ＜ 0.78， 其中f 系統 係該透鏡系統之有效焦距長度，且f3係該第三透鏡元件之有效焦距長度。
  8. 如請求項1所述之透鏡系統，其中該透鏡系統滿足下列關係： (R9+R10) / (R9-R10) ＜ -3.2， 其中R9係該第五透鏡元件之一物體側表面之曲率半徑，且R10係該第五透鏡元件之一影像側表面的曲率半徑。
  9. 如請求項1所述之透鏡系統，其中該第一透鏡元件具有在一近軸區域中的一凸形物體側表面，該第二透鏡元件具有在一近軸區域中的一凹形影像側表面，該第三透鏡元件具有在一近軸區域中的一凸形影像側表面，且該第四透鏡元件具有在一近軸區域中的一凸形影像側表面。
  10. 如請求項1所述之透鏡系統，其中該第五透鏡元件具有：在一近軸區域中的一凸形物體側表面，其中該物體側表面之至少一部分在一周圍區域中係凹形；以及在一近軸區域中的一凹形影像側表面，其中該影像側表面之至少一部分在一周圍區域中係凸形。
  11. 如請求項1所述之透鏡系統，其中該第六透鏡元件具有：在一近軸區域中的一凸形物體側表面，其中該物體側表面之至少一部分在一周圍區域中係凹形；以及在一近軸區域中的一凹形影像側表面，其中該影像側表面之至少一部分在一周圍區域中係凸形。
  12. 如請求項1所述之透鏡系統，其中該透鏡系統進一步包括一孔徑光闌，該孔徑光闌位於該透鏡系統之一前頂點與該第二透鏡元件之間。
  13. 如請求項12所述之透鏡系統，其中該透鏡系統進一步包括至少一次要孔徑光闌，該至少一次要孔徑光闌位於該第一透鏡元件與該第六透鏡元件之間。
  14. 一種照相機，其包含： 一光感測器，其經組態以擷取投射至該光感測器之一表面上的光；及 一透鏡系統，其經組態以折射來自位於該照相機前方的一物體場(object field)之光以形成一場景之一影像於在該光感測器之該表面處之或附近之一影像平面處，其中該透鏡系統包括六個折射透鏡元件，該六個折射透鏡元件沿著一光學軸從該照相機之一物體側上的一第一透鏡元件至該照相機之一影像側上的一第六透鏡元件依序配置，其中該透鏡系統滿足下列關係： T34 /TTL ＞ 0.07，且 Zh / T34 ＞ 0.5， 其中T34 係一第三透鏡元件與一第四透鏡元件之間的正軸間隔，且Zh 係在一垂直距離Hep = EPD*0.8/2處之該第三透鏡元件與該第四透鏡元件之間的離軸間隔，其中EPD係該透鏡系統的入射光瞳直徑。
  15. 如請求項14所述之照相機，其中該第一透鏡元件及一第三透鏡元件包含阿貝數Vd ＞ 50的一光學材料，其中一第二透鏡元件及一第四透鏡元件包含阿貝數Vd ＜ 30的一光學材料，且其中一第五透鏡元件及該第六透鏡元件包含阿貝數Vd ＞ 50的一光學材料。
  16. 如請求項14所述之照相機，其中該透鏡系統滿足下列關係： TTL/ImageH ＜ 1.7， 0.15 ＜ Yo/f 系統 ＜ 0.55， (R9+R10) / (R9-R10) ＜ -3.2， 0.5 ＜ (f 系統 / f1 ) ＜ 1，且 0.4 ＜ (f 系統 / f3 ) ＜ 0.78， 其中TTL係該透鏡系統的總軌道長度，ImageH係在該影像平面處的半對角影像高度，Yo係一第五透鏡元件之一影像側表面的一最外水平頂點與該光學軸之間的垂直距離，f 系統 係該透鏡系統之有效焦距長度，R9係一第五透鏡元件之一物體側表面之曲率半徑，R10係該第五透鏡元件之一影像側表面的曲率半徑，f1係該第一透鏡元件之有效焦距長度，且f3係該第三透鏡元件之有效焦距長度。
  17. 如請求項14所述之照相機，其中： 該第一透鏡元件具有在一近軸區域中的一凸形物體側表面； 一第二透鏡元件具有在一近軸區域中的一凹形影像側表面； 該第三透鏡元件具有在一近軸區域中的一凸形影像側表面； 該第四透鏡元件具有在一近軸區域中的一凸形影像側表面； 一第五透鏡元件具有：在一近軸區域中的一凸形物體側表面，其中該物體側表面之至少一部分在一周圍區域中係凹形；以及在一近軸區域中的一凹形影像側表面，其中該影像側表面之至少一部分在一周圍區域中係凸形；及 該第六透鏡元件具有：在一近軸區域中的一凸形物體側表面，其中該物體側表面之至少一部分在一周圍區域中係凹形；以及在一近軸區域中的一凹形影像側表面，其中該影像側表面之至少一部分在一周圍區域中係凸形。
  18. 如請求項14所述之照相機，其中該透鏡系統之焦度順序從該第一透鏡元件至該第六透鏡元件係PNPNPN，其中P指示一具有正折射焦度的透鏡，而N代表一具有負折射焦度的透鏡，且其中該等透鏡元件之至少一者具有至少一非球面表面。
  19. 一種裝置，其包含： 一或多個處理器； 一或多個照相機；及 一記憶體，其包含可由該一或多個處理器之至少一者執行的程式指令，以控制該一或多個照相機的操作； 其中該一或多個照相機之至少一者係一包含下列者之一照相機： 一光感測器，其經組態以擷取投射至該光感測器之一表面上的光；及 一透鏡系統，其經組態以折射來自位於該照相機前方的一物體場之光以形成一場景之一影像於在該光感測器之該表面處之或附近之一影像平面處，其中該透鏡系統包括六個折射透鏡元件，該六個折射透鏡元件沿著一光學軸從該照相機之一物體側上的一第一透鏡元件至該照相機之一影像側上的一第六透鏡元件依序配置； 其中該透鏡系統之一第五透鏡元件具有：在一近軸區域中的一凸形物體側表面，其中該物體側表面之至少一部分在一周圍區域中係凹形；以及在一近軸區域中的一凹形影像側表面，其中該影像側表面之至少一部分在一周圍區域中係凸形； 其中該透鏡系統滿足下列關係： TTL/ImageH ＜ 1.7， (R9+R10) / (R9-R10) ＜ -3.2，且 0.15 ＜ Yo/f 系統 ＜ 0.55， 其中TTL係該透鏡系統的總軌道長度，ImageH係在該影像平面處的半對角影像高度，R9係該第五透鏡元件之一物體側表面之曲率半徑，R10係該第五透鏡元件之一影像側表面的曲率半徑，Yo係該第五透鏡元件之一影像側表面的一最外水平頂點與該光學軸之間的垂直距離，且f系統 係該透鏡系統之有效焦距長度。
  20. 如請求項19所述之裝置，其中該第一透鏡元件及一第三透鏡元件包含阿貝數Vd ＞ 50的一光學材料，該第二透鏡元件及該第四透鏡元件包含阿貝數Vd ＜ 30的一光學材料，且該第五透鏡元件及該第六透鏡元件包含阿貝數Vd ＞ 50的一光學材料。
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