TWI437260B - Miniature image acquisition device - Google Patents

Description

微型取像裝置

本發明涉及一種微型取像裝置，使用過濾特定波長之光線，只通過所需波長之光線成像於圖像傳感器的超廣角微型取像裝置。

近年，隨著技術進步與供獻，使用諸如CCD型(電荷耦合裝置)圖像傳感器或CMOS(互補金屬氧化物半導體)型圖像傳感器的固態成像元件的取像裝置的尺寸縮小，使得設有取像裝置的行動通訊裝置或電腦設備已很普遍。

就設計而言，為了攜帶方便及符合人性化需求，可拍照手機的取像鏡頭不僅需要具有良好的成像品質，還需要有較小的體積及較低的成本。因此，與傳統照相機、攝影機及一般數位相機的可調焦、可變焦鏡頭不同，可拍照手機中所使用的取像鏡頭尺寸要小很多，結構亦簡單很多，且主要係以定焦鏡頭為主。

然而，隨著這些行動通訊裝置或電腦設備尺寸縮小的元件高密度驅勢，或功能的增加，將希望可更縮小被裝配的取像裝置尺寸。

做為供一小尺寸取像裝置用的取像透鏡，由於可比二透鏡組合取像透鏡更易於提供技術優點，現有的取像透鏡產品通常安排三透鏡組合的取像透鏡，以物件側的順序包含具有正折射的第一透鏡，具有負折射率的第二透鏡，及具有正折射率的第三透鏡。

但，此類產品的改良也都限於正折射的第一透鏡，因此，並無法提供超過90度的超廣角取像效果，所以，此類微型鏡頭仍有進一步改善設計之空間。另，此類取像裝置也因為使用目的只是用於可見光通過，所以其過濾元件只使用紅外線過濾元件，無法過濾其它特定波長，只通過所需波長的組合，無法對其它光線進行取像應用。

於是，為解決上述之缺點本發明之目的係在提供一種微型取像裝置，用以形成超廣視角、大孔徑數值及低敏感度，並可以有效校正球差、像差及場曲的微型取像裝置。

本發明的另一目的係在提供一種微型取像裝置，其過濾元件過濾其它特定波長，通過所需波長的光線，形成可對其它光線進行取像應用的微型取像裝置。

依據本發明之目的而提供的微型取像裝置，其從被攝物體方依序包括：具有負屈光度且凹向成像面呈彎弓型之第一透鏡；孔徑光閘；具有正屈光度且凸向成像面呈半月型之第二透鏡；具有正屈光度且凸向被攝物呈彎月型之第三透鏡；用以過濾特定波長之光線的一過濾元件，該過濾元件係為紅外線截止過濾元件，用於可見光成像，或可見光截止過濾元件用以通過的光線之波長為780至1050nm，用於不可見光的紅外線光成像；以及用以接收通過前述過濾元件紅外線不可見光的成像，轉換成為一數位信號之一圖像傳感器。

所述第一透鏡滿足關係式：0.5<-f1/f<3.5；所述第二透鏡滿足關係式：0.5<f2/f<5；且所述第三透鏡滿足關係式：0.5<f3/f<3.5；其中f1係第一透鏡之光學焦距，f2係第二透鏡之光學焦距，f3係第三透鏡之光學焦距，f係微型取像裝置整個系統的焦距。而該圖像傳感器上的最大成像高度最大滿足如下關係式：d/f>1.8，其中d係該圖像傳感器上的最大成像高度，f係微型取像裝置整個系統的焦距。

其中，該第一透鏡包含有面對被攝物體的第一面及面對成像面的第二面，所述第一面係相對於被攝物體呈凸面構形之凸面，第二面係相對於成像面呈凹陷構形之凹陷；該第二透鏡包含有面對被攝物體的第三面及面對成像面的第四面，所述第三面係相對於被攝物體呈凹陷構形之凹陷，第四面係相對於成像面呈凸面構形之凸面；及該第三透鏡包含有面對被攝物體的第五面及面對成像面的第六面，所述第五面係相對於被攝物體呈凸面構形之凸面，第六面係相對於成像面呈凹陷構形之凹陷；且前述第一、二、三、四、五、六面中皆為非球面。所述非球面的面型滿足下列公式：

其中，z為沿光軸方向在高度為h的位置以表面頂點作參考距光軸的位移值；k為錐度常量；c為曲率半徑的倒數；A、B、C、D、E、F、G為高階非球面係數。

實施上第一透鏡、第二透鏡與第三透鏡係為圓形透鏡，亦可以是圓形去掉兩對稱邊的劣弓形而呈長條狀之透鏡。

本發明的優點在於，本發明微型取像裝置係採用負、正、正三片非球面透鏡，第一透鏡為凸向被攝物體的呈彎弓形，可用以超廣角的接受外在的入射光束，而孔徑光閘取的所要的入射光束，再經過第二透鏡上的為凸向成像面的第三面闊束，從而使光束在第四面上可分佈較大的面積，藉此可充分發揮非球面的功能，矯正像差及減低公差敏感度；第三透鏡片為正透鏡，其主要功能在於補償色差及矯正軸外像差，採用非球面設計除了可矯正像差外還有助於縮短鏡頭光學系統的總長；且第一，二、三透鏡片均可採用塑膠材質，有利於消除球差、像差及減輕鏡頭重量，整個光學系統用到三個塑膠透鏡，適合大量生產，且公差敏感度低，易於製造組立，符合大規模量產之要求。而藉由過濾元件過濾特定波長的光線，通過所需波長的光線，不只應用於可進光的成像，進一步也可利用可見光截止過濾元件形成對其它光線進行取像應用的微型取像裝置。

茲有關本發明之詳細內容及技術說明，現以實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

本發明的構成具體而言，係提供一種3片透鏡構成的取像裝置，該3片透鏡構成的取像裝置滿足公式L/f<4.5，其中，L係從微型取像裝置最靠近被攝物的透鏡面到成像方焦點的距離；f係微型取像裝置整個系統的焦距。可得到超廣視角、大孔徑數值及低敏感度，並可以有效校正像差及場曲的微型取像裝置。

請參閱圖1所示為本發明微型取像裝置的光學結構圖。本發明之目的而提供的微型取像裝置，其從被攝物體方依序包括：具有負屈光度且凹向成像面呈彎弓型之第一透鏡10；孔徑光閘20；具有正屈光度且凸向成像面呈半月型之第二透鏡30；具有正屈光度且凸向被攝物呈彎月型之第三透鏡40；過濾特定波長之光線的一過濾元件50，該過濾元件50可以是一紅外線截止過濾元件，用於可見光成像，或一可見光截止過濾元件，用以過濾可見光，而通過的光線之波長為780至1050nm，應用於不可見光的紅外線光成像；以及用以接收通過前述過濾元件紅外線不可見光的成像，傳換成為一數位信號之一圖像傳感器60(成像面)，該圖像傳感器60包括一平面保護透鏡61與一影像感測器62，該影像感測器62可以是電荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)或互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)。

所述第一透鏡10滿足關係式：0.5<-f1/f<3.5；所述第二透鏡30滿足關係式：0.5<f2/f<5；且所述第三透鏡40滿足關係式：0.5<f3/f<3.5；其中fl係第一透鏡10之光學焦距，f2係第二透鏡30之光學焦距，f3係第三透鏡40之光學焦距，f係微型取像裝置整個系統的焦距。

該第一透鏡10包含有面對被攝物體的第一面11及面對成像面的第二面12，所述第一面11係相對於被攝物體呈凸面構形之凸面，第二面12係相對於成像面呈凹陷構形之凹陷。該第二透鏡30包含有面對被攝物體的第三面31及面對成像面的第四面32，所述第三面31係相對於被攝物體呈凹陷構形之凹陷，第四面32係相對於成像面呈凸面構形之凸面。該第三透鏡40包含有面對被攝物體的第五面41及面對成像面的第六面42，所述第五面41係相對於被攝物體呈凸面構形之凸面，第六面42係相對於成像面呈凹陷構形之凹陷；且，前述第一、二、三、四、五、六面11、12、31、32、41、42中皆為非球面，藉此全面矯正球差及像差，並具有低公差敏感度之特性。

而前述非球面的面型滿足下列公式：

其中，z為沿光軸方向在高度為h的位置以表面頂點作參考距光軸的位移值；k為錐度常量；c為曲率半徑的倒數；A、B、C、D、E、F、G為高階非球面係數。

藉由前述結構組合，被攝物在經過3透鏡而在該圖像傳感器60上的最大成像高度最大滿足如下關係式：D/f>1.8，其中D係該圖像傳感器上的最大成像高度，f係微型取像裝置整個系統的焦距；也就說在該影像感測器62上的最大成像高度D滿足D/f>1.8。

實施上第一透鏡10、第二透鏡30與第三透鏡40係為目前一般市面產品的圓形透鏡形狀(如圖2所示)，亦可以是圓形去掉兩對稱邊的劣弓形而呈長條狀之透鏡(如圖3所示)，可應用於不同外殼模型的取像裝置。

實施上，本發明之微型取像裝置中，該第一透鏡10的第一面11係相對於被攝物體呈凸面構形之凸面，第二面12係相對於成像面呈凹陷構形之凹陷的負透鏡，藉此外凸的第一面11與第二面12形成一類似魚眼鏡頭般以超過90°的超廣角擷取被攝物方，可用以超廣角的接受外在的入射光束，而經過孔徑光閘20取的所要的入射光束。

入射光束再經過該第二透鏡30上相對於被攝物體呈凹陷構形之凹陷的第三面31進行闊束，第四面32係相對於成像面呈凸面構形之凸面的正透鏡，從而使光束在第二面上可分佈較大的面積。第二透鏡30上的為凸向成像面的第三面31闊束，從而使光束在第四面41上可分佈較大的面積，則該第二透鏡30之半月形構造可充分發揮非球面的功能，矯正像差及減低公差敏感度。

第三透鏡40為正透鏡，其第五面41係相對於被攝物體呈凸面構形之凸面，第六面42係相對於成像面呈凹陷構形之凹陷，凸面構形的第五面41主要功能在於補償色差及矯正軸外像差，凹陷構形的第六面42使矯正像差成像放大該影像感測器62上的最大成像高度D滿足D/f>1.8。

採用非球面設計除了可矯正球差及像差外還有助於縮短鏡頭光學系統的總長，且第一、二、三透鏡片10、30、40均可採用塑膠材質，有利於消除像差及減輕鏡頭重量，整個光學系統用到三個塑膠透鏡，適合大量生產，且其公差敏感度低，易於製造組立，符合大規模量產之要求。而用以過濾可見光，只通過紅外線不可見光的過濾元件50，形成一種可對人體的熱輻射進行取像的微型取像裝置

基於前述本發明之技術內容，可依據下列數值實施例具體實施：

過濾元件50的厚度為0.85mm，平面保護透鏡6的厚度為0.45mm。

非球面係數的具體數值如下所列：第一面11(k=-402.227639)：

A:0.541074

B:-.540028

C:0.551450

D:-.487775

E:0.438112

F:-.254120

G:0.0599532

第二面12(k=4.358792):

A:1.20113

B:-0.667209

C:-2.45191

D:14.2912

E:-16.7919

F:0.34.6932

G:-82.4815

第三面31(k=-10.18047)：

A:-0.558874

B:1.12754

C:-22.5151

D:66.8350

E:491.178

F:-5256.44

G:17761.8

第四面32(k=-1.66122)：

A:-1.47961

B:3.35798

C:-7.54061

D:6.92794

E:0.278299

F:-2.70653

G:-8.88199

第五面41(k=0.73627)：

A:0.146455

B:-0.261937

C:0.105848

D:0.0398088

E:-0.0958303

F:0.0429571

G:0.0413368

第六面42(k=3.48607)：

A:0.364236

B:-0.528484

C:0.164905

D:0.0179830

E:0.00479163

F:-0.00795620

G:-0.0163081

依上開第一數值實施例實施之微型取像鏡頭的相關性能指數為：L/f=4.106；-f1/f=2.219；f2/f=3.594；f3/f=1.616；d/f=2.167。

請參閱圖4，係前述數值實施例具體實施之微型取像裝置的像散場曲圖；圖5，係前述數值實施例具體實施之微型取像裝置的光學畸變圖；圖6，係前述數值實施例具體實施之微型取像裝置以中心點為原點到邊緣的相對照度百分比圖。以上表明本發明依據係前述數值具體實施之微型取像裝置具有良好的光學性能。

本發明微型取像裝置係採用負、正、正三片非球面透鏡，與過濾特定波長之光線，只通過所需波長之光線的一過濾元件50，該過濾元件50可以是一紅外線截止過濾元件，用於可見光成像，或一可見光截止過濾元件，應用於不可見光的紅外線光成像。且藉由非球面的功能，矯正像差及減低公差敏感度，除了可矯正像差外還有助於縮短鏡頭光學系統的總長，且第一、二、三透鏡片均可採用塑膠材質，有利於消除像差及減輕鏡頭重量，整個光學系統用到三個塑膠透鏡，適合大量生產，且公差敏感度低，易於製造組立，符合大規模量產之要求。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

10．．．第一透鏡

11．．．第一面

12．．．第二面

20．．．孔徑光閘

30．．．第二透鏡

31．．．第三面

32．．．第四面

40．．．第三透鏡

41．．．第五面

42．．．第六面

50．．．過濾元件

60．．．圖像傳感器

61．．．平面保護透鏡

62．．．影像感測器

圖1係本發明微型取像裝置的光學結構圖。

圖2係本發明微型取像裝置的實施結構示意圖。

圖3係本發明微型取像裝置的另一實施結構示意圖。

圖4係本發明實施例之微型取像裝置的像散場曲圖。

圖5係本發明實施例之微型取像裝置的光學畸變圖。

圖6係本發明實施例之微型取像裝置的相對照度百分比圖。

10．．．第一透鏡

11．．．第一面

12．．．第二面

20．．．孔徑光閘

30．．．第二透鏡

31．．．第三面

32．．．第四面

40．．．第三透鏡

41．．．第五面

42．．．第六面

50．．．過濾元件

60．．．圖像傳感器

61．．．平面保護透鏡

62．．．影像感測器

Claims (6)

1. 一種微型取像裝置，其從被攝物體方依序包括：具有負屈光度，且凹向成像面呈彎弓型之第一透鏡，該第一透鏡包含有面對被攝物體的第一面及面對成像面的第二面，所述第一面係相對於被攝物體呈凸面構形之凸面，第二面係相對於成像面呈凹陷構形之凹陷；孔徑光閘；具有正屈光度，且凸向成像面呈半月型之第二透鏡，該第二透鏡包含有面對被攝物體的第三面及面對成像面的第四面，所述第三面係相對於被攝物體呈凹陷構形之凹陷，第四面係相對於成像面呈凸面構形之凸面；具有正屈光度，且凸向被攝物呈彎月型之第三透鏡，該第三透鏡包含有面對被攝物體的第五面及面對成像面的第六面，所述第五面係相對於被攝物體呈凸面構形之凸面，第六面係相對於成像面呈凹陷構形之凹陷；且，前述第一、二、三、四、五、六面中皆為非球面；用以過濾特定波長之光線的一過濾元件；以及用以接收通過前述過濾元件紅外線不可見光的成像，傳換成為一數位信號之一圖像傳感器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微型取像裝置，其中，所述第一透鏡滿足如下關係式：0.5<-f1/f<3.5；所述第二透鏡滿足如下關係式：0.5<f2/f<5；且所述第三透鏡滿足如下關係式：0.5<f3/f<3.5；其中上式中，f1係第一透鏡之光學焦距，f2係第二透鏡之光 學焦距，f3係第三透鏡之光學焦距，f係微型取像裝置整個系統的焦距。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微型取像裝置，其中，所述非球面的面型滿足下列公式： 其中，z為沿光軸方向在高度為h的位置以表面頂點作參考距光軸的位移值；k為錐度常量；c為曲率半徑的倒數；A、B、C、D、E、F、G為高階非球面係數。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微型取像裝置，其中，該圖像傳感器上的最大成像高度最大滿足如下關係式：d/f>1.8，其中d係該圖像傳感器上的最大成像高度，f係微型取像裝置整個系統的焦距。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微型取像裝置，其中，第一透鏡、第二透鏡與第三透鏡係為圓形透鏡。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微型取像裝置，其中，第一透鏡、第二透鏡與第三透鏡係為圓形去掉兩對稱邊的劣弓形而呈長條狀之透鏡。