TW202219581A

TW202219581A - 光學取像透鏡組合及包含其之電子取像裝置

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Publication number: TW202219581A
Application number: TW109138408A
Authority: TW
Inventors: 彭偉捷; 黃鼎名; 林文龍; 鄭源傑; 何承舫; 陳銘福
Original assignee: 財團法人國家實驗研究院
Priority date: 2020-11-04
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2022-05-16
Also published as: TWI767395B

Abstract

揭露一種光學取像透鏡組合，包含第一透鏡至第十透鏡及光圈。本發明揭露的光學取像透鏡組合具有可解析像素尺寸3.5微米的高解析度、低於0.01%的超低畸變率、52度的大視角，以及0.14至0.025的可變倍率等特性。搭配線型感測器，其高解析度與超低畸變率的特性，能夠檢測目前最高等級8k電視液晶顯示面板，且因倍率可變，可以檢測17吋至98吋尺寸的面板。由於本發明揭露的光學取像透鏡組合具備大視角特性，在檢測98吋面板時，最大檢測距離可控制於2.4公尺。

Description

光學取像透鏡組合及包含其之電子取像裝置

本發明是有關於一種光學取像透鏡組合及包含其之電子取像裝置，特別是有關於一種具備高解析度、超低畸變率(distortion)、大視角(field of view)及可變倍率等特性的光學取像透鏡組合及包含其之電子取像裝置。

電視面板解析度由1920x1080，逐步發展至4k解析度的3840x2160，以及目前最新8k解析度的7680x4320顯示器。針對98英吋8k面板上高達3300萬畫素的瑕疵檢測，機器視覺檢測(Machine vision inspection)是必要的，其中檢測鏡頭即為機器視覺檢測的關鍵元件。

檢測鏡頭的規格必須高於一般的商用鏡頭，舉例來說，超低變形量利於瑕疵檢測判斷，而一般商用鏡頭畸變僅約1%。若能具備小於±0.01%的超低畸變率，則能夠解析像素尺寸3.5微米，代表可解析8k電視液晶顯示面板之像素瑕疵。一般檢測鏡頭多為固定倍率，僅能檢測固定尺寸面板。若檢測鏡頭之倍率可變，則更具有經濟效益。如果檢測鏡頭具備大視角特性，則檢測距離可有效控制於可接受的範圍，以避免過長的檢測距離導致廠房無法容納。

由上述描述可以理解，需要解決的技術問題是提供一種高解析度、超低畸變率(distortion)、大視角(field of view, FOV)及可變倍率等特性的光學取像透鏡組合及包含其之電子取像裝置。

基於上述目的，本發明提供一種光學取像透鏡組合，適用於檢測17吋至98吋之電視液晶面板顯示器之像素瑕疵，包含十片透鏡及光圈，由物側至像側，依序為第一透鏡至第十透鏡。其中第一透鏡、第五透鏡及第十透鏡為非球面透鏡，且為塑膠鏡片，其餘透鏡為具有球面之透鏡，且為玻璃鏡片。

光圈設置於第四透鏡及第五透鏡之間，光學取像透鏡組合之有效焦距(effective focal length, EFL)為60毫米，光學取像透鏡組合之焦比(f-number, F/#)大於等於5，且小於等於7。光學取像透鏡組合之視角為52度。

根據本發明的實施例，第一透鏡至第十透鏡之焦距依序為負45.5毫米、負123.4毫米、正47.9毫米、正131.5毫米、正39.8毫米、負17.8毫米、正26.1毫米、負20.3毫米、正38.6毫米及正66.1毫米。

根據本發明的實施例，第一透鏡、第五透鏡及第十透鏡之阿貝數(Abbe number)相等，第二透鏡及第九透鏡之阿貝數相等，第四透鏡及第七透鏡之阿貝數相等。

根據本發明的實施例，第一透鏡至第十透鏡之阿貝數依序為57.4、23.8、29.8、81.5、57.4、33.8、81.5、37、23.8及57.4。

根據本發明的實施例，第一透鏡、第五透鏡及第十透鏡之折射率相等，第二透鏡及第九透鏡之折射率相等，第四透鏡及第七透鏡之折射率相等。

根據本發明的實施例，第一透鏡至第十透鏡之折射率依序為1.49、1.85、1.8、1.5、1.49、1.65、1.5、1.61、1.85及1.49。

根據本發明的實施例，該第一透鏡至該第十透鏡在該物側之曲率半徑(radius of curvature)依序為正200毫米、正173.75毫米、正49.82毫米、正25.53毫米、正45毫米、負30.58毫米、正19.07毫米、負14.73毫米、正85.38毫米及負195.22毫米以及該第一透鏡至該第十透鏡在該像側之曲率半徑依序為正20.04毫米、正64.83毫米、負160.02毫米、正40.23毫米、負33.34毫米、正19.07毫米、負37.09毫米、正85.38毫米、負51.93毫米及負28.12毫米。

根據本發明的實施例，第五透鏡至第十透鏡為移動群組，且第一透鏡至第十透鏡之鏡頭總長(total track length, TTL)介於78.3毫米至79毫米，且第一透鏡至第十透鏡之後焦距(back focal length, BFL)介於71.9毫米至79毫米，且該光學取像透鏡組合之成像範圍(image circle)介於55毫米至65毫米。

根據本發明的實施例，光學取像透鏡組合之工作距離介於438毫米至2415毫米之範圍，且對應之倍率介於0.14至0.025之範圍。

基於上述目的，本發明也提供一種電子取像裝置，包含上述之光學取像透鏡組以及電子感光元件，其中電子感光元件設置於光學取像透鏡組之成像面上。

基於上述目的，本發明也提供一種光學取像透鏡組合，包含固定透鏡群組、移動透鏡群組及光圈。移動透鏡群組設置於固定透鏡群組之像側，其中固定透鏡群組及移動透鏡群組之組合的有效焦距為60毫米。

固定透鏡群組及移動透鏡群組之組合的焦比大於等於5，且小於等於7。固定透鏡群組及移動透鏡群組之組合的視角為52度，光圈設置於固定透鏡群組及移動透鏡群組之間。

承上所述，本發明之實施例的光學取像透鏡組合，以及包含光學取像透鏡組合之電子取像裝置具有以下優點：

(1)具有能夠解析像素尺寸3.5微米的高解析度、小於0.01%的超低畸變率(distortion)、± 26度的大視角，以及0.14至0.025的可變倍率等優點。

(2)由於上述可變倍率，可以檢測17吋至98吋的面板的像素缺陷，相較於大多數的固定倍率檢測鏡頭，可大幅降低檢測設備建置成本。

(3)由於上述可變倍率，檢測17吋至98吋的面板時，工作距離可以維持在438毫米至2415毫米的範圍，以避免過長的檢測距離導致廠房無法容納。

以下根據第1圖至第4圖，說明本發明的實施方式。所做說明並非為限制本發明的實施方式，而僅為本發明之實施例。

參閱第1圖，其為根據本發明之實施例的光學取像透鏡組合及包含光學取像透鏡組合的電子取像裝置之架構示意圖。如圖所示，本發明之實施例揭露的光學取像透鏡組合10，適用於檢測17吋至98吋之電視液晶面板顯示器之像素瑕疵，包含十片透鏡(即L1至L10)及光圈STO，由物側至像側依序為第一透鏡L1至第十透鏡L10。

第一透鏡L1、第五透鏡L5及第十透鏡為非球面透鏡，且為塑膠鏡片，其餘透鏡為具有球面之透鏡，且為玻璃鏡片。光圈STO設置於第四透鏡L4及第五透鏡L5之間。光學取像透鏡組合10之有效焦距為60毫米。光學取像透鏡組合10之焦比大於等於5，且小於等於7。光學取像透鏡組合10之視角為52度。

上述的有效焦距，可以用來評估光學系統聚集光或發散光的能力，通常短焦距的光學系統之聚光能力大於長焦距的光學系統，而焦距為正值代表將光聚集，負值代表將光發散。焦比也稱作F值、相對孔徑或光圈值，通常是光學系統用來評估集光力的參數，指的是焦距與光圈直徑的比值，數值越小代表集光能力越大。

上述球面透鏡及非球面透鏡的，指的是透鏡面上各點的曲率半徑是否恆定。並且，考量製作的難易度與成本，也可以使用較容易製作及成本較低的塑膠材質的透鏡。

根據本發明的實施例，第一透鏡L1至第十透鏡L10之焦距依序為負45.5毫米、負123.4毫米、正47.9毫米、正131.5毫米、正39.8毫米、負17.8毫米、正26.1毫米、負20.3毫米、正38.6毫米及正66.1毫米。

根據本發明的實施例，第一透鏡L1、第五透鏡L5及第十透鏡L10之阿貝數相等，第二透鏡L2及第九透鏡L9之阿貝數相等，第四透鏡L4及第七透鏡L7之阿貝數相等。

上述的阿貝數，可以用來評估透鏡因使用不同材質，造成的色散(dispersion)程度，通常由三個固定波長的光來評估(氦黃線587.56奈米、氫藍線486.1奈米及氫紅線656.3奈米)，當色散程度越大，阿貝數越小。一般玻璃材質的阿貝數介於20置90之間。

根據本發明的實施例，第一透鏡L1至第十透鏡L10之阿貝數依序為57.4、23.8、29.8、81.5、57.4、33.8、81.5、37、23.8及57.4。

根據本發明的實施例，第一透鏡L1、第五透鏡L5及第十透鏡L10之折射率相等，第二透鏡L2及第九透鏡L9之折射率相等，第四透鏡L4及第七透鏡L7之折射率相等。

上述的折射率也是與阿貝數類似，同樣是描述透鏡因使用不同材質，造成的色散程度，也就是光從空氣中進入透鏡中，對於不同波長有不同的偏折程度。一般玻璃材質的透鏡的折射率介於1至2之間，當折射率相對於真空的折射率越大時，表示光進入透鏡時，偏移的角度越大。

根據本發明的實施例，第一透鏡L1至第十透鏡L10之折射率依序為1.49、1.85、1.8、1.5、1.49、1.65、1.5、1.61、1.85及1.49。

根據本發明的實施例，第一透鏡L1至第十透鏡L10在物側之曲率半徑依序為正200毫米、正173.75毫米、正49.82毫米、正25.53毫米、正45毫米、負30.58毫米、正19.07毫米、負14.73毫米、正85.38毫米及負195.22毫米。

第一透鏡L1至第十透鏡L10在像側之曲率半徑依序為正20.04毫米、正64.83毫米、負160.02毫米、正40.23毫米、負33.34毫米、正19.07毫米、負37.09毫米、正85.38毫米、負51.93毫米及負28.12毫米。

上述的物側之曲率半徑，以及像側的曲率半徑，分別代表透鏡面對待檢測物的一側的彎曲程度，以及透鏡面對成像面SUM的一側的彎曲程度。當透鏡的形狀屬於非對稱形狀的時候，即需要兩個曲率半徑來表示透鏡的幾何形狀。

曲率半徑在物側的值，若為正值，代表透鏡在物側的一面是凸面，若為負值，則代表透鏡在物側的一面是凹面。而在像側的定義則相反，曲率半徑在像側的值，若為正值，代表透鏡在物側的一面是凹面，若為負值，則代表透鏡在物側的一面是凸面。通常曲率半徑的值越小，表示曲率越大，而曲率半徑的值趨近無窮大時，代表是一個平面。

根據本發明的實施例，第五透鏡L5至第十透鏡L10為移動群組100，且第一透鏡L1至第十透鏡L10之鏡頭總長(total track length, TTL)介於78.3毫米至79毫米，且第一透鏡L1至第十透鏡L10之後焦距(back focal length, BFL)介於71.9毫米至79毫米，且光學取像透鏡組合10之成像範圍(image circle)介於55毫米至65毫米。

表一列出上述第一透鏡L1至第十透鏡L10的各項特性：

表一：

實施例(物方於2.4公尺)：焦距=60 mm, 視角=52°, 光圈=6.2
表面	元件	曲率半徑	材質	折射率	阿貝數	鏡片焦距	賽德像差 (畸變)
0	物面	平面					0.0000
1	第一透鏡 (非球面)	200.00	塑膠	1.49	57.4	-45.5	0.5127
2		20.04					-0.2405
3	第二透鏡	173.75	玻璃	1.85	23.8	-123.4	0.0362
4		64.83					0.0001
5	第三透鏡	49.82	玻璃	1.80	29.8	47.9	-0.0054
6		-160.02					-0.2339
7	第四透鏡	25.53	玻璃	1.50	81.5	131.5	0.1107
8		40.23					-0.1609
9	光圈	平面					0.0000
10	第五透鏡 (非球面)	45.00	塑膠	1.49	57.4	39.8	0.1803
11		-33.34					-0.0970
12	第六透鏡	-30.58	玻璃	1.65	33.8	-17.8	0.0953
13		19.07					-0.6935
14	第七透鏡	19.07	玻璃	1.50	81.5	26.1	0.6151
15		-37.09					-0.0740
16	第八透鏡	-14.73	玻璃	1.61	37.0	-20.3	-0.0017
17		85.38					-0.9719
18	第九透鏡	85.38	玻璃	1.85	23.8	38.6	1.1093
19		-51.93					-0.1781
20	第十透鏡 (非球面)	-195.22	塑膠	1.49	57.4	66.1	0.3007
21		-28.12					-0.3020
22	成像面	平面			0.0000
賽德像差(畸變)總合		0.0015

參閱第2圖，其為根據本發明之實施例的光學取像透鏡組合之塞德像差的畸變總和計算示意圖。如圖所示，從第一透鏡L1至第十透鏡L10的各項特性，可以在成像面SUM得到待檢測物的加總的影像特性，例如球形像差(spherical aberration)、彗形像差(coma aberration)、像散(astigmatism)、像場彎曲(field curvature)及畸變率(distortion)。

上述各項光學特性經過計算後，即可得到代表像差總和的賽德圖(Seidel diagram)。第2圖上方的數字，即1至8、STO、10至21及SUM，依序代表第一透鏡L1之物側、第一透鏡L1之像側至第四透鏡L4之像側、光圈、第五透鏡L5之物側、第五透鏡L5之像側至第十透鏡L10之像側，成像面SUM對前述的各光學特性計算出結果，即是本發明之實施例的光學取像透鏡組10之光學特性。

評估本發明之實施例的光學取像透鏡組10之光學特性，例如解析度，可以使用調製傳遞函數(modulation transfer function, MTF)來表示。調製傳遞函數表示光學系統的分辨能力及還原能力。

解析度的單位是線對/毫米(lp/mm)，一黑一白兩條線算是一個線對，通常採用拍攝標準解析度板/正弦光柵的方法測量鏡頭的解析度，看最高能夠分辯多少線條密度。藉由光學系統進行成像，待檢測物被測量的結果是反差或解析度的還原情況。如果所得影像的表現和標準解析度版完全一樣(代表還原能力，即對比度越好)，其MTF值就為1，如果完全無法解析就是0。每毫米能夠分辯出的線對數就是解析度的數值。

參閱第3圖，其為根據本發明之實施例的光學取像透鏡組合之待檢測物在成像面的畸變率模擬圖。如圖所示，待檢測物在經過光學取像透鏡組10聚焦在成像面SUM上，其中縱軸代表影像的不同位置，在各個位置均能達到畸變率小於0.01%的效果。

本發明之實施例的光學取像透鏡組10之調製傳遞函數，根據模擬的結果，在142lp/mm可以有30%的MTF的對比度，在47lp/mm可達到70%的MTF的對比度。

本發明之實施例也提供一種電子取像裝置20，如上述之光學取像透鏡組10，以及設置於光學取像透鏡組10之成像面SUM上的電子感光元件(圖中未釋出)。

上述的光學取像透鏡組10搭配電子感光元件，即可將待檢測物發出的光藉由光學取像透鏡組10，聚焦在成像面SUM上的電子感光元件，形成檢測影像。

並且，本發明之實施例的光學取像透鏡組10中的第五透鏡L5至第十透鏡L10為移動群組100，藉由調整移動群組100與第四透鏡L4之間，即是移動群組100與光圈STO之間的空氣間隙，能夠使待檢測物與第一透鏡L1之間的距離在變動的情況下，仍能準確聚焦到成像面SUM上。

本發明之實施例的電子取像裝置20，其倍率(magnification)可以由0.14x至0.025x。搭配16k/3.5微米的線型感測器(Line scan camera)，或向下相容12k/5微米的線型感測器，可以檢測解析度25微米至140微米，即對應17吋至98吋的電視液晶面板顯示器作像素瑕疵的光學檢測。

參閱第4圖，其為根據本發明之實施例的光學取像透鏡組合10之不同尺寸待檢測物的工作距離示意圖。如圖所示，當待檢測物與光學取像透鏡組合10之第一透鏡L1之距離為800毫米、第四透鏡L4與光圈STO的空氣間隙約0.78毫米，後焦長約75毫米，此時的倍率為0.07x。

當檢測面版尺寸為17吋時，可將其放置於距離電子取像裝置20中的第一透鏡L1之物側438毫米處，此時第四透鏡L4與光圈STO的空氣間隙約0.42毫米，後焦長約79毫米，此時的倍率為0.14x。

當檢測面版尺寸為98吋時，可將其放置於距離電子取像裝置20中的第一透鏡L1之物側2415毫米處，此時第四透鏡L4與光圈STO的空氣間隙約1.09毫米，後焦長約71.9毫米，此時的倍率為0.025x。

本發明之實施例的光學取像透鏡組合10，搭配上述的移動群組100，成像範圍之直徑為62毫米，可達成視角52度的檢測範圍。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之修改或變更，均包含於後附之申請專利範圍中。

10:光學取像透鏡組合 20:取像電子裝置 100:移動群組 L1~L10:透鏡 STO:光圈 SUM:成像面

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖為根據本發明之實施例的光學取像透鏡組合及包含光學取像透鏡組合的電子取像裝置之架構示意圖。第2圖為根據本發明之實施例的光學取像透鏡組合之塞德像差的畸變總和計算示意圖。第3圖為根據本發明之實施例的光學取像透鏡組合之待檢測物在成像面的畸變率模擬圖。第4圖為根據本發明之實施例的光學取像透鏡組合之不同尺寸待檢測物的工作距離示意圖。

10:光學取像透鏡組合

20:取像電子裝置

100:移動群組

L1~L10:透鏡

STO:光圈

SUM:成像面

Claims

一種光學取像透鏡組合，適用於檢測17吋至98吋之電視液晶面板顯示器之像素瑕疵，包含十片透鏡及一光圈，由一物側至一像側依序為一第一透鏡至一第十透鏡；其中該第一透鏡、該第五透鏡及該第十透鏡為非球面透鏡，且為塑膠鏡片，其餘透鏡為具有球面之透鏡，且為玻璃鏡片，其中該光圈設置於該第四透鏡及該第五透鏡之間；該光學取像透鏡組合之一有效焦距(effective focal length, EFL)為60毫米；該光學取像透鏡組合之一焦比(f-number)大於等於5，且小於等於7；該光學取像透鏡組合之一視角(field of view, FOV)為52度。
如請求項1所述之光學取像透鏡組合，其中該第一透鏡至該第十透鏡之焦距依序為負45.5毫米、負123.4毫米、正47.9毫米、正131.5毫米、正39.8毫米、負17.8毫米、正26.1毫米、負20.3毫米、正38.6毫米及正66.1毫米。
如請求項1所述之光學取像透鏡組合，其中該第一透鏡、該第五透鏡及該第十透鏡之阿貝數(Abbe number)相等，該第二透鏡及該第九透鏡之阿貝數相等，該第四透鏡及該第七透鏡之阿貝數相等。
如請求項1所述之光學取像透鏡組合，其中該第一透鏡至該第十透鏡之阿貝數依序為57.4、23.8、29.8、81.5、57.4、33.8、81.5、37、23.8及57.4。
如請求項1所述之光學取像透鏡組合，其中該第一透鏡、該第五透鏡及該第十透鏡之折射率相等，該第二透鏡及該第九透鏡之折射率相等，該第四透鏡及該第七透鏡之折射率相等。
如請求項1所述之光學取像透鏡組合，其中該第一透鏡至該第十透鏡之折射率依序為1.49、1.85、1.8、1.5、1.49、1.65、1.5、1.61、1.85及1.49。
如請求項1所述之光學取像透鏡組合，其中該第一透鏡至該第十透鏡在該物側之曲率半徑(radius of curvature)依序為正200毫米、正173.75毫米、正49.82毫米、正25.53毫米、正45毫米、負30.58毫米、正19.07毫米、負14.73毫米、正85.38毫米及負195.22毫米；以及該第一透鏡至該第十透鏡在該像側之曲率半徑依序為正20.04毫米、正64.83毫米、負160.02毫米、正40.23毫米、負33.34毫米、正19.07毫米、負37.09毫米、正85.38毫米、負51.93毫米及負28.12毫米。
如請求項1所述之光學取像透鏡組合，其中該第五透鏡至該第十透鏡為一移動群組，且該第一透鏡至該第十透鏡之一鏡頭總長(total track length, TTL)介於78.3毫米至79毫米，且該第一透鏡至該第十透鏡之一後焦距(back focal length, BFL)介於71.9毫米至79毫米，且該光學取像透鏡組合之一成像範圍(image circle)介於55毫米至65毫米。
如請求項1所述之光學取像透鏡組合，其中該光學取像透鏡組合之一工作距離介於438毫米至2415毫米之範圍，且對應之一倍率介於0.14至0.025之範圍。
一種電子取像裝置，包含如請求項1至請求項8之中任一項所述之光學取像透鏡組；以及一電子感光元件，設置於該光學取像透鏡組之一成像面上。
一種光學取像透鏡組合，包含：一固定透鏡群組；一移動透鏡群組，設置於該固定透鏡群組之一像側；其中該固定透鏡群組及該移動透鏡群組之組合之一有效焦距為60毫米；該固定透鏡群組及該移動透鏡群組之組合之一焦比大於等於5，且小於等於7；該固定透鏡群組及該移動透鏡群組之組合之一視角為52度；以及一光圈，設置於該固定透鏡群組及該移動透鏡群組之間。