TWI793570B - 光學成像系統、取像模組及電子裝置 - Google Patents

光學成像系統、取像模組及電子裝置 Download PDF

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TWI793570B TW110113430A TW110113430A TWI793570B TW I793570 B TWI793570 B TW I793570B TW 110113430 A TW110113430 A TW 110113430A TW 110113430 A TW110113430 A TW 110113430A TW I793570 B TWI793570 B TW I793570B
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Abstract

本申請提供一種光學成像系統、取像模組及電子裝置。所述光學成像系統包括具有正屈折力的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、具有負屈折力第四透鏡、第五透鏡及具有負屈折力的第六透鏡，所述光學成像系統滿足以下條件式：-3mm-1<FNO/f6<-0.1mm-1，-0.065mm/°<f6/FOV<-0.03mm/°；其中，FNO為所述光學成像系統的光圈數，f6為所述第六透鏡的焦距，FOV為所述光學成像系統的最大視場角。上述的光學成像系統能夠在較大的視野範圍獲得清晰度較高的成像，成像品質較好，可避免場曲的產生。

Description

光學成像系統、取像模組及電子裝置
本申請涉及光學成像技術領域，具體涉及一種光學成像系統、取像模組及電子裝置。
一般的六片式透鏡組相較於五片式透鏡組，可提升透鏡組的解像能力，但其屈折力配置過於集中，導致系統場曲(Field Curvature)的產生，光線的彙聚能力及修正系統畸變也不甚理想，尚未能滿足高階成像品質。
鑒於上述狀況，有必要提供一種光學成像系統、取像模組及電子裝置，以解決上述問題。
本申請的實施例提供了一種光學成像系統，由物側到像側依次包括具有正屈折力的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、具有負屈折力的第四透鏡、第五透鏡及具有負屈折力的第五透鏡，所述光學成像系統滿足以下條件式：-3mm-1<FNO/f6<-0.1mm-1，-0.065mm/°<f6/FOV<-0.03mm/°；其中，FNO為所述光學成像系統的光圈數，f6為所述第六透鏡的焦距，FOV為所述光學成像系統的最大視場角。
上述的光學成像系統藉由平衡光圈數、第六透鏡的焦距及視場角之間的關係，能夠使得在較大的視野範圍獲得清晰度較高的成像，成像品質較好，且藉由具有正屈折力與負屈折力的透鏡分散排列，可避免場曲的產生，能夠滿足高階成像品質。
本申請的實施例還提出了一種取像模組，包括：上述的光學成像系統；及感光元件，所述感光元件設置在所述光學成像系統的像側。
本申請的實施例還提出了一種電子裝置，包括：殼體；及如上述的取像模組，所述取像模組安裝在所述殼體上。
L0:虛擬面
L1:第一透鏡
L2:第二透鏡
L3:第三透鏡
L4:第四透鏡
L5:第五透鏡
L6:第六透鏡
L7:濾光片
STO:光闌
IMA:成像面
S3、S5、S7、S9、S11、S13、S15:物側面
S4、S6、S8、S10、S12、S14、S16:像側面
10:光學成像系統
20:感光元件
200:電子裝置
210:殼體
圖1示出本申請第一實施例的光學成像系統的結構圖。
圖2示出本申請第一實施例的光學成像系統的類比MTF對視場角性能資料圖。
圖3示出本申請第一實施例的光學成像系統的場曲及畸變曲線圖。
圖4示出本申請第二實施例的光學成像系統的結構圖。
圖5示出本申請第二實施例的光學成像系統的類比MTF對視場角性能資料圖。
圖6示出本申請第二實施例的光學成像系統的場曲及畸變曲線圖。
圖7示出本申請第三實施例的光學成像系統的結構圖。
圖8示出本申請第三實施例的光學成像系統的類比MTF對視場角性能資料圖。
圖9示出本申請第三實施例的光學成像系統的場曲及畸變曲線圖。
圖10示出本申請實施例的取像模組的結構示意圖。
圖11示出本申請實施例的電子裝置的結構示意圖。
請參見圖1，本申請的實施例提出了一種光學成像系統10，從物側至像側依次包括光闌STO、具有正屈折力的第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、具有負屈折力的第四透鏡L4、第五透鏡L5、具有負屈折力的第六透鏡L6及濾光片L7。
第一透鏡L1具有物側面S3與像側面S4，第二透鏡L2具有物側面S5與像側面S6，第三透鏡L3具有物側面S7與像側面S8，第四透鏡具有物側面S9與像側面S10，第五透鏡L5具有物側面S11與像側面S12，第六透鏡L6具有物側面S13與像側面S14。在圖1中，為了設計需要，還需要設置一虛擬面L0，虛擬面L0與第一透鏡L1的物側面S1相接。
所述光學成像系統10滿足以下條件式：-3mm-1<FNO/f6<-0.1mm-1，-0.065mm/°<f6/FOV<-0.03mm/°；其中，FNO為光學成像系統10的光圈數，f6為第六透鏡L6的焦距，FOV為光學成像系統10的最大視場角。
上述的光學成像系統10通過平衡光圈數、第六透鏡L6的有效焦距及視場角之間的關係，能夠使得在較大的視野範圍獲得清晰度較高的成像，成像品質較好，且通過具有正屈折力與負屈折力的透鏡分散排列，可避免場曲的產生，能夠滿足高階成像品質。
在一些實施例中，第一透鏡L1的像側面S4為凸面；第三透鏡L3的像側面S8為凸面；第六透鏡L6的像側面S14在近光軸處為凹面，第六透鏡L6的物側面S13與像側面S14均為非球面，且其物側面S13與像側面S14中的至少一者具有至少一反曲點。
在一些實施例中，光學成像系統10滿足以下條件式：0.5mm-1<tan(HFOV)/SD11<1.5mm-1；其中，HFOV為光學成像系統10的最大視場角的一半，SD11為第一透鏡L1的物側面S3的有效半直徑。
滿足上述關係的第一透鏡L1，可使光學成像系統10展現更大的視場角與短總長的特點，同時有利於結構的緊密排布，實現小型化的特點。當tan(HFOV)/SD11<0.5時，第一透鏡L1的物側面S3的有效半直徑過大，不利於光學成像系統10頭部口徑小型化，當tan(HFOV)/SD11>時，光學成像系統10的視場角太大，光學成像系統10收集光線的能力不足，導致光學成像系統10成像品質不佳。
在一些實施例中，光學成像系統10滿足以下條件式： 1.12<SD22/SD12<1.2；其中，SD22為第二透鏡L2的像側面S6的有效半直徑，SD12為第一透鏡L1的像側面S4的有效半直徑。
滿足上述關係式時，有利於光學成像系統10的前端頭部口徑尺寸做小，實現小型化的特點。
在一些實施例中，光學成像系統10滿足以下關係式：1.3<(CT1+CT2)/(T12+T23)<1.6；其中，CT1為第一透鏡L1的物側面S3至第一透鏡L1的像側面S4在光軸上的距離，CT2為第二透鏡L2的物側面S5至第二透鏡L2的像側面S6在光軸上的距離，T12為第一透鏡L1的像側面S4與第二透鏡L2的物側面S5在光軸上的距離，T23為第二透鏡L2的像側面S6與第三透鏡L3的物側面S7在光軸上的距離。
滿足上述關係時，可使三個透鏡在組裝時有足夠的空間，避免第一透鏡L1與第二透鏡L2或第二透鏡L2與第三透鏡L3之間產生碰撞，此外，CT1與CT2的增加，有利於光學成像系統10的頭部深度加大，同時降低光學系統敏感度。
在一些實施例中，光學成像系統10滿足以下關係式：35<vd3-vd2<40；其中，vd2為第二透鏡L2的阿貝數，vd3為第三透鏡L3的阿貝數。
合理選擇透鏡材料，能有效修正光學成像系統10的色差，提高光學成像系統10的成像清晰度，從而提升光學成像系統10的成像品質。
在一些實施例中，光學成像系統10滿足以下條件式：1.4<|RS7+RS8|/RS7-RS8|<2.0；其中，RS7為第四透鏡L4的物側面S9在近光軸處的曲率半徑，RS8為第四透鏡L4的像側面S10在近光軸處的曲率半徑。
第四透鏡L4的曲率半徑可影響第四透鏡L4的彎曲程度；滿足上述條件式時，可有效校正光學成像系統10的邊緣像差，抑制像散的產生，減小周邊視角的主光線射入像面的角度。
在一些實施例中，光學成像系統10滿足以下條件式：1.7<|R5|/CT3<2.0；其中，R5為第三透鏡L3的物側面S7在近光軸處的曲率半徑，CT3為第三透鏡L3的物側面S7至第三透鏡L3的像側面S8在光軸上的距離。
藉由滿足條件式的限定，可近一步彙聚光線，使第三透鏡L3面型平滑，可降低不同視場光線入射角及出射角的偏差，從而降低敏感度；而通過設置較厚的第三透鏡L3可以減小加工難度且降低厚度公差敏感度，提升良率。
在一些實施例中，光學成像系統10還包括光闌STO。光闌STO可以設置在任意一個透鏡的表面上，或設置在第一透鏡L1之前，或設置在任意兩個透鏡之間。例如，在圖1中，光闌STO設置在設於第一透鏡L1的物側面S3，該光闌的種類可為耀光光闌(Glare Stop)或視場光闌(Field Stop)等，用以減少雜散光，有助於提升影像品質。
在一些實施例中，光學成像系統10還包括濾光片L7，濾光片L7具有物側面S15與像側面S16，濾光片L7設置在第五透鏡L5的像側，濾光片L7可以為紅外濾光片，以濾除例如可見光等其他波段的光線，而僅讓紅外光透過，以使光學成像系統10能夠在昏暗的環境及其他特殊的應用場景下也能成像。
第一實施例
請繼續參見圖1，本實施例中的光學成像系統10中，從物側至像側包括光闌STO、具有正屈折力的第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、具有負屈折力的第四透鏡L4、第五透鏡L5、具有負屈折力的第六透鏡L6及濾光片L7。
第一透鏡L1的物側面S3在近光軸處為凸面，像側面S4在近光軸處為凸面。第二透鏡L2的物側面S5在近光軸處為凸面，像側面S6在近光軸處為凹面。第三透鏡L3的物側面S7在近光軸處為凹面，像側面S8在近光軸處為凸面。第四透鏡L4的物側面S9在近光軸處為凹面，像側面S10在近光軸處為凸面。第五透鏡L5的物側面S11在近光軸處為凹面，像側面S12在近光軸處為凸面。第六透鏡L6的物側面S13在近光軸處為凸面，像側面S14在近光軸處為凹面，第六透鏡L6的物側面S13與像側面S14均為非球面，且其物側面S13與像側面S14中的至少一者具有至少一反曲點。
當光學成像系統10用於成像時，被攝物發出或反射的光線從物側方向進入光學成像系統10，並依次穿過光闌STO、第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5、第六透鏡L6及紅外濾光片L7，最終彙聚到成像面IMA上。
表1示出了本實施例的光學成像系統10的特性，焦距、折射率及阿貝數的參考波長為555nm，曲率半徑、厚度與半直徑的單位均為毫米(mm)。
Figure 110113430-A0305-02-0007-1
Figure 110113430-A0305-02-0008-2
其中，EFL為光學成像系統10的有效焦距，FNO為光學成像系統10的光圈數，FOV為光學成像系統10的視場角。
Figure 110113430-A0305-02-0008-3
Figure 110113430-A0305-02-0009-4
需要說明的是，光學成像系統10的第一透鏡至第六透鏡的物側面與像側面均為非球面，對於這些非球面的表面，非球面表面的非球面方程為：
Figure 110113430-A0305-02-0009-5
其中，Z表示透鏡面中與Z軸平行的高度，r表示從頂點起的徑向距離，c表示頂點處表面的曲率，k表示圓錐常數，K4、K6、K8、K10、K12、K14分別表示4階、6階、8階、10階、12階對應階次的非球面係數。在本申請實施例中，第一透鏡至第五透鏡的物側面與像側面均為非球面，各非球面的表面對應的圓錐常數k與非球面係數如表2所示。
圖2為本實施例中的光學成像系統10的類比MTF對視場角性能資料圖，參考波長為550nm。其中，橫坐標表示Y場偏移角度，即光學系統10的視場相對於光軸所成的角度，單位為度；縱坐標表示OTF係數；S1與T1表示空間頻率為139p/mm下的曲線，能夠反映光學系統10的反差特性及解析度特性。圖3由左至右依次為本實施例中光學成像系統10的場曲曲線圖及畸變曲線圖，參考波長為550nm。由圖2與圖3的曲線可得知，光學成像系統10弧矢場曲值及子午場曲值被控制在-0.2mm~0.2mm之間，透鏡的製作更容易，降低製作成本；光學成像系統10的畸變被控制在0~17%以內，即光學成像系統10所成圖像的變形較小。由此，光學成像系統10反映類比MTF上有良好的數值，光學成像系統10具備良好的成像性能。
第二實施例
請參見圖4，本實施例中的光學成像系統10中，從物側至像側包括光闌STO、具有正屈折力的第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、具有負屈折力的第四透鏡L4、第五透鏡L5、具有負屈折力的第六透鏡L6及濾光片L7。
第一透鏡L1的物側面S3在近光軸處為凸面，像側面S4在近光軸處為凸面。第二透鏡L2的物側面S5在近光軸處為凸面，像側面S6在近光軸處為凹面。第三透鏡L3的物側面S7在近光軸處為凹面，像側面S8在近光軸處為凸面。第四透鏡L4的物側面S9在近光軸處為凹面，像側面S10在近光軸處為凸面。第五透鏡L5的物側面S11在近光軸處為凹面，像側面S12在近光軸處為凸面。第六透鏡L6的物側面S13在近光軸處為凸面，像側面S14在近光軸處為凹面，第六透鏡L6的物側面S13與像側面S14均為非球面，且其物側面S13與像側面S14中的至少一者具有至少一反曲點。
當光學成像系統10用於成像時，被攝物發出或反射的光線從物側方向進入光學成像系統10，並依次穿過光闌STO、第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5、第六透鏡L6及紅外濾光片L7，最終彙聚到成像面IMA上。
表3示出了本實施例的光學成像系統10的特性，焦距、折射率及阿貝數的參考波長為555nm，曲率半徑、厚度與半直徑的單位均為毫米(mm)。
Figure 110113430-A0305-02-0010-6
Figure 110113430-A0305-02-0011-7
其中，EFL為光學成像系統10的有效焦距，FNO為光學成像系統10的光圈數，FOV為光學成像系統10的視場角。
Figure 110113430-A0305-02-0011-8
圖5為本實施例中的光學成像系統10的類比MTF對視場角性能資料圖，參考波長為550nm。其中，橫坐標表示Y場偏移角度，即光學成像系統10的視場相對於光軸所成的角度，單位為度；縱坐標表示OTF係數；S1與T1表示空間頻率為139p/mm下的曲線，能夠反映光學系統10的反差特性及解析度特性。圖6由左至右依次為本實施例中光學成像系統10的場曲曲線圖及畸變曲線圖，參考波長為550nm。由圖5與圖6的曲線可得知，光學成像系統10弧矢場曲值及子午場曲值被控制在-0.2mm~0.2mm之間，透鏡的製作更容易，降低製作成 本；光學成像系統10的畸變被控制在0~17%以內，即光學成像系統10所成圖像的變形較小。由此，光學成像系統10反映類比MTF上有良好的數值，光學成像系統10具備良好的成像性能。
第三實施例
請參見圖7，本實施例中的光學成像系統10中，從物側至像側包括光闌STO、具有正屈折力的第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、具有負屈折力的第四透鏡L4、第五透鏡L5、具有負屈折力的第六透鏡L6及濾光片L7。
第一透鏡L1的物側面S3在近光軸處為凸面，像側面S4在近光軸處為凸面。第二透鏡L2的物側面S5在近光軸處為凸面，像側面S6在近光軸處為凹面。第三透鏡L3的物側面S7在近光軸處為凹面，像側面S8在近光軸處為凸面。第四透鏡L4的物側面S9在近光軸處為凹面，像側面S10在近光軸處為凸面。第五透鏡L5的物側面S11在近光軸處為凹面，像側面S12在近光軸處為凸面。第六透鏡L6的物側面S13在近光軸處為凸面，像側面S14在近光軸處為凹面，第六透鏡L6的物側面S13與像側面S14均為非球面，且其物側面S13與像側面S14中的至少一者具有至少一反曲點。
當光學成像系統10用於成像時，被攝物發出或反射的光線從物側方向進入光學成像系統10，並依次穿過光闌STO、第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4、第五透鏡L5、第六透鏡L6及紅外濾光片L7，最終彙聚到成像面IMA上。
表5示出了本實施例的光學成像系統10的特性，焦距、折射率及阿貝數的參考波長為555nm，曲率半徑、厚度與半直徑的單位均為毫米(mm)。
Figure 110113430-A0305-02-0012-9
Figure 110113430-A0305-02-0013-10
其中，EFL為光學成像系統10的有效焦距，FNO為光學成像系統10的光圈數，FOV為光學成像系統10的視場角。
Figure 110113430-A0305-02-0013-11
圖8為本實施例中的光學成像系統10的類比MTF對視場角性能資料圖，參考波長為550nm。其中，橫坐標表示Y場偏移角度，即光學成像系統10的視場相對於光軸所成的角度，單位為度；縱坐標表示OTF係數；S1與T1表示空間頻率為139p/mm下的曲線，能夠反映光學成像系統10的反差特性及解析度特性。
圖9由左至右依次為本實施例中光學成像系統10的場曲曲線圖及畸變曲線圖，參考波長為550nm。
由圖8與圖9的曲線可得知，光學成像系統10弧矢場曲值及子午場曲值被控制在-0.2mm~0.2mm之間，透鏡的製作更容易，降低製作成本；光學成像系統10的畸變被控制在0~17%以內，即光學成像系統10所成圖像的變形較小。由此，光學成像系統10反映類比MTF上有良好的數值，光學成像系統10具備良好的成像性能。
表7示出了第一實施例至第三實施例的光學成像系統中FNO/f6、f6/FOV、tan(HFOV)/SD11、SD22/SD12、(CT1+CT2)/(T12+T23)、vd3-vd2、|RS7+RS8|/|RS7-RS8|與|R5|/CT3的值。
Figure 110113430-A0305-02-0014-12
請參見圖10，本申請實施例的光學成像系統10可應用於本申請實施例的取像模組100。取像模組100包括感光元件20及上述任一實施例的光學成像系統10。感光元件20設置在光學成像系統10的像側。
感光元件20可以採用互補金屬氧化物半導體(MMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)影像感測器或者電荷耦合元件(CCD，Charge-coupled Device)。
請參見圖11，本申請實施例的取像模組100可應用於本申請實施例的電子裝置200。電子裝置200包括殼體210及取像模組100，取像模組100安裝在殼體210上。
本申請實施例的電子裝置200包括但不限於為行車記錄儀、智慧手機、平板電腦、筆記型電腦、電子書籍閱讀器、便攜多媒體播放機(PMP)、便攜電話機、視頻電話機、數碼靜物相機、移動醫療裝置、可穿戴式設備等支援成像的電子裝置。
綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之如申請專利範圍內。
L0:虛擬面
L1:第一透鏡
L2:第二透鏡
L3:第三透鏡
L4:第四透鏡
L5:第五透鏡
L6:第六透鏡
L7:濾光片
STO:光闌
IMA:成像面
S3、S5、S7、S9、S11、S13、S15:物側面
S4、S6、S8、S10、S12、S14、S16:像側面
10:光學成像系統

Claims (9)

  1. 一種光學成像系統，由物側到像側依次包括具有正屈折力的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、具有負屈折力的第四透鏡、第五透鏡及具有負屈折力的第六透鏡，所述光學成像系統滿足以下條件式：-3mm-1<FNO/f6<-0.1mm-1，-0.065mm/°<f6/FOV<-0.03mm/°，0.5mm-1<tan(HFOV)/SD11<1.5mm-1；其中，FNO為所述光學成像系統的光圈數，f6為所述第六透鏡的焦距，FOV為所述光學成像系統的最大視場角，HFOV為所述光學成像系統的最大視場角的一半，SD11為所述第一透鏡的物側面的有效半直徑。
  2. 如請求項1所述之光學成像系統，其中所述第一透鏡的像側面為凸面；所述第三透鏡的像側面為凸面；所述第六透鏡的像側面在近光軸處為凹面，所述第六透鏡的物側面與像側面均為非球面，且其物側面與像側面中的至少一者具有至少一反曲點。
  3. 如請求項1所述之光學成像系統，其中所述光學成像系統滿足以下條件式：1.12<SD22/SD12<1.2；其中，SD22為所述第二透鏡的像側面的有效半直徑，SD12為所述第一透鏡的像側面的有效半直徑。
  4. 如請求項1所述之光學成像系統，其中所述光學成像系統滿足以下關係式：1.3<(CT1+CT2)/(T12+T23)<1.6；其中，CT1為所述第一透鏡的物側面至所述第一透鏡的像側面在光軸上的距離，CT2為所述第二透鏡的物側面至所述第二透鏡的像側面在光軸上的距離，T12為所述第一透鏡的像側面與所述第二透鏡的物側面在光軸上的距離，T23為所述第二透鏡的像側面與所述第三透鏡的物側面在光軸上的距離。
  5. 如請求項1所述之光學成像系統，其中所述光學成像系統滿足以下關係式：35<vd3-vd2<40；其中，vd2為所述第二透鏡的阿貝數，vd3為所述第三透鏡的阿貝數。
  6. 如請求項1所述之光學成像系統，其中所述光學成像系統滿足以下條件式：1.4<|RS7+RS8|/|RS7-RS8|<2.0；其中，RS7為所述第四透鏡的物側面在近光軸處的曲率半徑，RS8為所述第四透鏡的像側面在近光軸處的曲率半徑。
  7. 如請求項1所述的光學成像系統，其中所述光學成像系統滿足以下條件式：1.7<|R5|/CT3<2.0；其中，R5為所述第三透鏡的物側面在近光軸處的曲率半徑，CT3為所述第三透鏡的物側面至所述第三透鏡的像側面在光軸上的距離。
  8. 一種取像模組，包括：如請求項1至7中任意一項所述的光學成像系統；及感光元件，所述感光元件設置在所述光學成像系統的像側。
  9. 一種電子裝置，包括：殼體；及如請求項8所述的取像模組，所述取像模組安裝在所述殼體上。
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