TWI619966B - 光學成像系統 - Google Patents

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Abstract

一種光學成像系統包括:第一透鏡;第二透鏡;第三透鏡;第四透鏡;及第五透鏡,具有形成於其像側面上的反曲點。所述第一透鏡至所述第五透鏡自物側至成像平面依序設置。所述光學成像系統滿足TTL/(ImgH*2) < 0.65,其中TTL是自所述第一透鏡的物側面至所述成像平面的距離,且ImgH*2是所述成像平面的對角長度。

Description

光學成像系統
以下說明是有關於一種包括五個透鏡的光學成像系統。
安裝於可攜式終端的照相機中的光學成像系統包括多個透鏡。可藉由多個透鏡達成具有高解析度水準的光學成像系統。舉例而言,包括五個透鏡的光學成像系統可達成較包括三個透鏡或四個透鏡的光學成像系統所達成的解析度高的解析度。
然而,當配置於光學成像系統中的透鏡的數目增加時,光學成像系統的總軌跡長度(total track length,TTL)亦增加,且因此,難以在小的可攜式終端中安裝光學成像系統。因而,需要開發包括五個透鏡且具有短的總軌跡長度的光學成像系統。
提供此發明內容是為了以簡化形式介紹下文在實施方式中所進一步闡述的一系列概念。此發明內容並非旨在辨識所主張主題的關鍵特徵或本質特徵、抑或旨在用以幫助確定所主張主題的範圍。
在一個一般態樣中,一種光學成像系統包括:第一透鏡;第二透鏡;第三透鏡;第四透鏡;及第五透鏡,具有形成於其像側面上的反曲點(inflection point)。所述第一透鏡至所述第五透鏡自物側至成像平面依序設置。所述光學成像系統滿足TTL/(ImgH*2) < 0.65,其中TTL是自所述第一透鏡的物側面至所述成像平面的距離,且ImgH*2是所述成像平面的對角長度。
所述第一透鏡的兩個表面均可為凸的。
所述第一透鏡的所述物側面可為凸的,且所述第一透鏡的像側面可為凹的。
所述第二透鏡的兩個表面均可為凹的。
所述第三透鏡的物側面可為凹的,且所述第三透鏡的像側面可為凸的。
所述第四透鏡的兩個表面均可為凹的。
所述第五透鏡的物側面可為凸的,且所述第五透鏡的像側面可為凹的。
濾波器可設置於所述第五透鏡與所述成像平面之間且由塑膠形成。
所述光學成像系統可滿足0.10 < Df < 0.12 [mm],其中Df是所述濾波器的厚度。
所述光學成像系統可滿足Df/ImgH < 0.04,其中Df是所述濾波器的厚度,且ImgH是所述成像平面的所述對角長度的1/2。
所述光學成像系統可滿足55.0 < Vf < 60.0,其中Vf是所述濾波器的阿貝數。
所述光學成像系統可滿足TTL ≤ 3.80 [mm],其中TTL是自所述第一透鏡的所述物側面至所述成像平面的所述距離。
所述光學成像系統可滿足80 < FOV,其中FOV是所述光學成像系統的最大視場。
所述光學成像系統可滿足G12 < 0.031 [mm],其中G12是自所述第一透鏡的像側面至所述第二透鏡的物側面的距離。
在另一個一般態樣中,一種光學成像系統可包括:第一透鏡;第二透鏡,包括凹的物側面;第三透鏡,包括凹的物側面;第四透鏡,包括凹的物側面及凹的像側面;以及第五透鏡,具有形成於其像側面上的反曲點。所述第一透鏡至所述第五透鏡自物側至成像平面依序設置。
所述第二透鏡、所述第四透鏡、及所述第五透鏡可具有相同的屈光度。
提供以下詳細說明是為了幫助讀者全面理解本文所述的方法、設備、及/或系統。然而,本文所述方法、設備、及/或系統的各種改變、潤飾、及等效形式對此項技術中具有通常知識者將顯而易見。本文所述操作的順序僅為實例,且並非僅限於本文所述者,而是如對此項技術中具有通常知識者將顯而易見,除必定以某種次序進行的操作外,亦可進行改變。此外,為提高清晰度及簡潔性,可不對此項技術中具有通常知識者所習知的功能及構造予以闡述。
本文所述特徵可被實施成不同形式,且不應被視為僅限於本文所述實例。確切而言,提供本文所述實例是為了使此揭露內容將透徹及完整,且將向此項技術中具有通常知識者傳達本揭露內容的全部範圍。
在本文中,為便於說明,可使用例如「在…之上(above)」、「上方的(upper)」、「在…之下(below)」、及「下方的(lower)」等空間相對性用語來闡述圖中所示一個元件與另一元件的關係。應理解,所述空間相對性用語旨在除圖中所示定向以外亦囊括所述裝置在使用或操作中的不同定向。舉例而言,若圖中的所述裝置被翻轉,則被闡述為在其他元件「之上」或「上方」的元件將被定向為在其他元件或特徵「之下」或「下方」。因此,端視圖的特定方向而定,用語「在…之上」可囊括上方的定向及下方的定向二者。所述裝置亦可具有其他定向(例如,旋轉90度或處於其他定向),且本文中所用的空間相對性描述語可相應地進行解釋。
本文所用術語僅用於闡述特定實施例,而並非旨在限制本發明概念。除非上下文中清楚地另外指明,否則本文所用的單數形式「一(a、an)」及「所述(the)」旨在亦包括複數形式。更應理解,當在本說明書中使用用語「包括(comprises及/或comprising)」時,是指明所陳述特徵、整數、步驟、操作、構件、元件、及/或其群組的存在,但不排除一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、構件、元件、及/或其群組的存在或添加。
此外,在本說明書中,第一透鏡指代距物體(或對象)最近的透鏡,而第五透鏡指代距近成像平面(或影像感測器)最近的透鏡。此外,透鏡的曲率半徑(radii of curvature)及厚度、TTL、ImgH(成像平面的對角長度的1/2)、以及焦距均以毫米(mm)為單位表示。此外,透鏡的厚度、透鏡之間的空隙、及TTL是在透鏡的光軸上的距離。此外,在對透鏡的形狀的說明中,透鏡的一個表面為凸的此一表述意指對應表面的光軸部分為凸的,且透鏡的一個表面為凹的此一表述意指對應表面的光軸部分為凹的。因此,即使將透鏡的一個表面表述為凸的,透鏡的邊緣部分亦可為凹的。相同地,即使將透鏡的一個表面表述為凹的,透鏡的邊緣部分亦可為凸的。
此外,每一透鏡的物側面指代對應透鏡的距物體最近的表面,而每一透鏡的像側面指代對應透鏡的距成像平面最近的表面。
光學成像系統可包括包含多個透鏡的光學系統。舉例而言,光學成像系統的光學系統可包括五個具有屈光度的透鏡。然而,光學成像系統並非僅限於僅包括具有屈光度的透鏡。舉例而言,光學成像系統可包括用於控制入射光量的光闌。此外,光學成像系統可更包括過濾紅外光的紅外截止濾波器(infrared cut-off filter)。此外,光學成像系統可包括影像感測器(即,成像裝置),所述影像感測器(即,成像裝置)將經由光學系統入射至影像感測器的對象影像轉換成電訊號。此外,光學成像系統可包括調節透鏡之間間隙的間隙維持構件。
第一透鏡至第五透鏡可由折射率(refractive index)不同於空氣的材料形成。舉例而言,第一透鏡至第五透鏡可由塑膠或玻璃形成。第一透鏡至第五透鏡中的至少一者可具有非球面形狀。作為實例,第一透鏡至第五透鏡中僅第五透鏡可具有非球面形狀。此外,所有第一透鏡至第五透鏡的至少一個表面可為非球面的。此處,每一透鏡的非球面表面均可由以下方程式1表示: [方程式1]
在方程式1中,c是透鏡的曲率半徑的倒數,K是圓錐常數(conic constant),r是自透鏡的非球面表面上的某一點至光軸的距離,A至J是非球面常數(aspherical constant),且Z(或SAG)是透鏡的非球面表面上位於距離Y處的所述某一點與和透鏡的非球面表面的頂點相接的切向面之間的距離。
光學成像系統可包括五個透鏡、濾波器、影像感測器、及光闌。接下來,將闡述上述組件。
第一透鏡可具有屈光度。舉例而言,第一透鏡可具有正的屈光度。
第一透鏡的至少一個表面可為凸的。舉例而言,第一透鏡的物側面可為凸的。
第一透鏡可具有非球面表面。舉例而言,第一透鏡的兩個表面均可為非球面的。第一透鏡可由具有高透光率(light transmissivity)及極佳加工性(workability)的材料形成。舉例而言,第一透鏡可由塑膠形成。然而,第一透鏡的材料並非僅限於塑膠。舉例而言,第一透鏡可由玻璃形成。
第二透鏡可具有屈光度。舉例而言,第二透鏡可具有負的屈光度。
第二透鏡可具有彎月面形狀。舉例而言,第二透鏡的物側面可為凹的。
第二透鏡可具有非球面表面。舉例而言,第二透鏡的像側面可為非球面的。第二透鏡可由具有高透光率及極佳加工性的材料形成,舉例而言,第二透鏡可由塑膠形成。然而,第二透鏡的材料並非僅限於塑膠。舉例而言,第二透鏡可由玻璃形成。
第二透鏡可由具有高折射率的材料形成。舉例而言,第二透鏡的折射率可為1.60或大於1.60。第二透鏡可具有低的阿貝數。舉例而言,第二透鏡的阿貝數可為30或小於30。如上所述進行配置的第二透鏡可藉由第一透鏡有效地改良色像差。
第三透鏡可具有屈光度。舉例而言,第三透鏡可具有正的屈光度。
第三透鏡可具有彎月面形狀。舉例而言,第三透鏡的物側面可為凹的。
第三透鏡可具有非球面表面。舉例而言,第三透鏡的兩個表面可為非球面的。第三透鏡可由具有高透光率及極佳加工性的材料形成。舉例而言,第三透鏡可由塑膠形成。然而,第三透鏡的材料並非僅限於塑膠。舉例而言,第三透鏡可由玻璃形成。
第四透鏡可具有屈光度。舉例而言,第四透鏡可具有負的屈光度。
第四透鏡可具有彎月面形狀。舉例而言,第四透鏡的物側面可為凹的。
第四透鏡的邊緣可朝一側過度地彎曲。舉例而言,第四透鏡的物側面的邊緣的SAG可為0.4毫米至0.43毫米,且第四透鏡的像側面的邊緣的SAG可為0.48毫米至0.6毫米。
第四透鏡可具有非球面表面。舉例而言,第四透鏡的兩個表面均可為非球面的。第四透鏡可由具有高透光率及極佳加工性的材料形成。舉例而言,第四透鏡可由塑膠形成。然而,第四透鏡的材料並非僅限於塑膠。舉例而言,第四透鏡可由玻璃形成。
第四透鏡可由具有高折射率的材料形成。舉例而言,第四透鏡的折射率可為1.60或大於1.60。第四透鏡可具有低的阿貝數。舉例而言,第四透鏡的阿貝數可為30或小於30。
第五透鏡可具有屈光度。舉例而言,第五透鏡可具有負的屈光度。
第五透鏡可具有彎月面形狀。舉例而言,第五透鏡的像側面可為凹的。
第五透鏡的邊緣可朝一側過度地彎曲。舉例而言,第五透鏡的物側面的SAG可為0.15毫米至0.28毫米。
第五透鏡可具有反曲點。舉例而言,第五透鏡可在其像側面上形成有反曲點。
第五透鏡可具有非球面表面。舉例而言,第五透鏡的兩個表面可為非球面的。第五透鏡可由具有高透光率及極佳加工性的材料形成。舉例而言,第五透鏡可由塑膠形成。然而,第五透鏡的材料並非僅限於塑膠。舉例而言,第五透鏡可由玻璃形成。
濾波器可過濾出經由第一透鏡至第五透鏡入射的光的部分波長。舉例而言,濾波器可過濾出入射光的紅外波長。
濾波器可以減小的厚度來製成。為此,濾波器可由塑膠形成。
影像感測器可達成1300百萬畫素(megapixel)的高解析度。舉例而言,構成影像感測器的畫素的單位大小可為1.12微米或小於1.12微米。
可設置光闌以調節入射至透鏡的光量。舉例而言,光闌可設置於第一透鏡與第二透鏡之間,或可鄰近於第一透鏡的物側面而設置。
光學成像系統可滿足以下條件表達式: [條件表達式] TTL ≤ 3.80 [mm] [條件表達式] TTL/(ImgH*2) ≤ 0.65 [條件表達式] 80 < FOV [條件表達式] G12 < 0.031 [mm] [條件表達式] G12/G34 ≤ 0.061 [條件表達式] 0.10 < Df < 0.12 [mm] [條件表達式] 55.0 < Vf < 60.0 [條件表達式] Df/ImgH < 0.04 [條件表達式] Df/(TTL*ImgH) < 0.01 [1/mm]。
此處,TTL是自第一透鏡的物側面至成像平面的距離,ImgH是成像平面的對角長度的1/2,FOV是光學成像系統的最大視場,G12是自第一透鏡的像側面至第二透鏡的物側面的距離,Df是濾波器的厚度,且Vf是濾波器的阿貝數。
滿足以上條件表達式的光學成像系統可易於微型化且可安裝於小的終端中。此外,滿足以上條件表達式的光學成像系統可達成高解析度。
接下來,將闡述根據若干實施例的光學成像系統。
首先,將參照圖1闡述根據第一實施例的光學成像系統。
根據一個實施例的光學成像系統100包括包含第一透鏡110、第二透鏡120、第三透鏡130、第四透鏡140、及第五透鏡150的光學系統。此外,光學成像系統100包括濾波器160、影像感測器170、及光闌ST。
在本實施例中,第一透鏡110具有正的屈光度,且第一透鏡110的物側面及像側面二者均是凸的。第二透鏡120具有負的屈光度,且第二透鏡120的兩個平面均是凹的。第三透鏡130具有正的屈光度,並且第三透鏡130的物側面是凹的且第三透鏡130的像側面是凸的。第四透鏡140具有負的屈光度,且第四透鏡140的兩個表面均是凹的。第五透鏡150具有負的屈光度,並且第透鏡150的物側面是凸的且第五透鏡150的像側面是凹的。光闌ST設置於第一透鏡與第二透鏡之間。
如上所述進行配置的光學成像系統代表圖2及圖3中所示像差特性及調變傳遞函數(MTF)特性的實例。圖4及圖5是表示圖1中所示光學成像系統的透鏡特性及非球面特性的實例的表。
如圖4中所示,所述光學成像系統的有效半徑自第一透鏡110至光闌ST逐漸減小且自光闌ST至成像平面逐漸增大。所述光學成像系統的最大有效半徑為3.0626,所述最大有效半徑大於自成像平面的中心至成像平面的邊緣的長度(ImgH)。
將參照圖6闡述根據另一實施例的光學成像系統。
根據此實施例的光學成像系統200包括包含第一透鏡210、第二透鏡220、第三透鏡230、第四透鏡240、及第五透鏡250的光學系統。此外,光學成像系統200包括濾波器260、影像感測器270、及光闌ST。
在本實施例中,第一透鏡210具有正的屈光度,並且第一透鏡210的物側面是凸的且第一透鏡210的像側面是凹的。第二透鏡220具有負的屈光度,且第二透鏡220的兩個表面均是凹的。第三透鏡230具有正的屈光度,並且第三透鏡230的物側面是凹的且第三透鏡230的像側面是凸的。第四透鏡240具有負的屈光度,且第四透鏡240的兩個表面均是凹的。第五透鏡250具有負的屈光度,並且第五透鏡250的物側面是凸的且第五透鏡250的像側面是凹的。光闌ST設置於第一透鏡與第三透鏡之間。
如上所述進行配置的光學成像系統代表圖7及圖8中所示像差特性及調變傳遞函數特性的實例。圖9及圖10是表示圖6中所示光學成像系統的透鏡特性及非球面特性的實例的表。
如圖9中所示,所述光學成像系統的有效半徑自第一透鏡至光闌逐漸減小且自光闌至成像平面逐漸增大。所述光學成像系統的最大有效半徑為3.0466,所述最大有效半徑大於自成像平面的中心至成像平面的邊緣的長度(ImgH)。
將參照圖11闡述根據另一實施例的光學成像系統。
根據本實施例的光學成像系統300包括包含第一透鏡310、第二透鏡320、第三透鏡330、第四透鏡340、及第五透鏡350的光學系統。此外,光學成像系統300包括濾波器360、影像感測器370、及光闌ST。
在本實施例中,第一透鏡310具有正的屈光度,並且第一透鏡310的物側面是凸的且第一透鏡310的像側面是凸的。第二透鏡320具有負的屈光度,且第二透鏡320的兩個表面均是凹的。第三透鏡330具有正的屈光度,並且第三透鏡330的物側面是凹的且第三透鏡330的像側面是凸的。第四透鏡340具有負的屈光度,且第四透鏡340的兩個表面均是凹的。第五透鏡350具有負的屈光度,並且第五透鏡350的物側面是凸的且第五透鏡350的像側面是凹的。光闌ST鄰近於第一透鏡的物側面而設置。
如上所述進行配置的光學成像系統代表圖12及圖13中所示像差特性及調變傳遞函數(MTF)特性的實例。圖14及圖15是表示圖11中所示光學成像系統的透鏡特性及非球面特性的表。
如圖14中所示,所述光學成像系統的有效半徑自第一透鏡至第二透鏡的像側面逐漸減小且自第三透鏡的物側面至成像平面逐漸增大。所述光學成像系統的最大有效半徑為3.0467,所述最大有效半徑大於自光學成像平面的中心至成像平面的邊緣的長度(ImgH)。
表1表示根據實施例的光學成像系統的光學特性。光學成像系統的總焦距(f)處於3.10至3.45範圍內。在光學成像系統中,第一透鏡的焦距(f1)處於2.0至2.3範圍內。在光學成像系統中,第二透鏡的焦距(f2)處於-3.9至-4.3範圍內。在光學成像系統中,第三透鏡的焦距(f3)處於13.0至20.0範圍內。在光學成像系統中,第四透鏡的焦距(f4)處於-12.0至-17.0範圍內。在光學成像系統中,第五透鏡的焦距(f5)處於-9.0至-21.0範圍內。在光學成像系統中,光學系統的總長度為3.80或小於3.80。光學成像系統的最大視場為80度或大於80度。
[表1]
表2表示根據所揭露實施例的光學成像系統的條件表達式的值。
[表2]
如表2中所示,根據所揭露實施例的光學成像系統滿足以上條件表達式。
如上所述,根據實施例,達成能夠安裝於小的終端中且具有高解析度水準的光學成像系統。
儘管本揭露內容包括具體實例,然而對此項技術中具有通常知識者將顯而易見的是,在不背離申請專利範圍及其等效範圍的精神及範圍的條件下,可對該些實例作出形式及細節上的各種變化。本文所述實例僅被視為具有描述性意義,而並非用於限制目的。對每一實例中的特徵或態樣的闡述應被視作可適用於其他實例中的相似特徵或態樣。若以不同次序執行所述技術,及/或若以不同方式將所述系統、架構、裝置、或電路中的組件進行組合、及/或以其他組件或其等效組件替換或補充所述組件,則可達成適合的結果。因此,本揭露內容的範圍並非由實施方式界定,而是由申請專利範圍及其等效範圍界定,且處於申請專利範圍及其等效範圍的範圍內的所有變化均應被視作包括於本揭露內容中。
100‧‧‧光學成像系統
110‧‧‧第一透鏡
120‧‧‧第二透鏡
130‧‧‧第三透鏡
140‧‧‧第四透鏡
150‧‧‧第五透鏡
160‧‧‧濾波器
170‧‧‧成像平面
200‧‧‧光學成像系統
210‧‧‧第一透鏡
220‧‧‧第二透鏡
230‧‧‧第三透鏡
240‧‧‧第四透鏡
250‧‧‧第五透鏡
260‧‧‧濾波器
270‧‧‧成像平面
300‧‧‧光學成像系統
310‧‧‧第一透鏡
320‧‧‧第二透鏡
330‧‧‧第三透鏡
340‧‧‧第四透鏡
350‧‧‧第五透鏡
360‧‧‧濾波器
370‧‧‧成像平面
A、B、C、D、E、F、G、H‧‧‧非球面常數
K‧‧‧圓錐常數
ST‧‧‧光闌
圖1是說明光學成像系統的實例的圖。 圖2是說明圖1中所示光學成像系統的實例中的像差曲線的曲線圖。 圖3是圖1中所示光學成像系統的調變傳遞函數(modulation transfer function,MTF)的實例的曲線圖。 圖4是表示圖1中所示光學成像系統的透鏡特性的實例的表。 圖5是表示圖1中所示光學成像系統的非球面值的實例的表。 圖6是說明光學成像系統的另一實例的圖。 圖7是說明圖6中所示光學成像系統的像差曲線的曲線圖。 圖8是表示圖6中所示光學成像系統的調變傳遞函數的實例的曲線圖。 圖9是表示圖6中所示光學成像系統的透鏡特性的實例的表。 圖10是表示圖6中所示光學成像系統的非球面值的實例的表。 圖11是說明光學成像系統的另一實例的圖。 圖12是說明圖11中所示光學成像系統的像差曲線的曲線圖。 圖13是圖11中所示光學成像系統的調變傳遞函數的實例的圖。 圖14是表示圖11中所示光學成像系統的透鏡特性的實例的表。 圖15是表示圖11中所示光學成像系統的非球面值的實例的表。 根據以下實施方式、圖式、及申請專利範圍,其他特徵及態樣將顯而易見。

Claims (16)

  1. 一種光學成像系統,包括: 第一透鏡; 第二透鏡; 第三透鏡; 第四透鏡;以及 第五透鏡,具有形成於其像側面上的反曲點, 其中所述第一透鏡至所述第五透鏡自物側至成像平面依序設置,且 滿足TTL/(ImgH*2) < 0.65,其中TTL是自所述第一透鏡的物側面至所述成像平面的距離,且ImgH*2是所述成像平面的對角長度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光學成像系統,其中所述第一透鏡的兩個表面均是凸的。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的光學成像系統,其中所述第一透鏡的所述物側面是凸的,且所述第一透鏡的像側面是凹的。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的光學成像系統,其中所述第二透鏡的兩個表面均是凹的。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的光學成像系統,其中所述第三透鏡的物側面是凹的,且所述第三透鏡的像側面是凸的。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的光學成像系統,其中所述第四透鏡的兩個表面均是凹的。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的光學成像系統,其中所述第五透鏡的物側面是凸的,且所述第五透鏡的像側面是凹的。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的光學成像系統,更包括濾波器,所述濾波器設置於所述第五透鏡與所述成像平面之間且由塑膠形成。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的光學成像系統,其中滿足0.10 < Df < 0.12 [mm],其中Df是所述濾波器的厚度。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的光學成像系統,其中滿足Df/ImgH < 0.04,其中Df是所述濾波器的厚度,且ImgH是所述成像平面的所述對角長度的1/2。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的光學成像系統,其中滿足55.0 < Vf < 60.0,其中Vf是所述濾波器的阿貝數。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的光學成像系統,其中滿足TTL ≤ 3.80 [mm],其中TTL是自所述第一透鏡的所述物側面至所述成像平面的所述距離。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的光學成像系統,其中滿足80 < FOV,其中FOV是所述光學成像系統的最大視場。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的光學成像系統,其中滿足G12 < 0.031 [mm],其中G12是自所述第一透鏡的像側面至所述第二透鏡的物側面的距離。
  15. 一種光學成像系統,包括: 第一透鏡; 第二透鏡,包括凹的物側面; 第三透鏡,包括凹的物側面; 第四透鏡,包括凹的物側面及凹的像側面; 第五透鏡,具有形成於其像側面上的反曲點, 其中所述第一透鏡至所述第五透鏡自物側至成像平面依序設置。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的光學成像系統,其中所述第二透鏡、所述第四透鏡、及所述第五透鏡具有相同的屈光度。
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