TWI519811B - 超小型光學系統以及可攜式裝置 - Google Patents

Description

超小型光學系統以及可攜式裝置 【對相關申請案的交叉參考】

本申請案主張2013年1月22日在韓國智慧財產局申請的韓國專利申請案第10-2013-0007047號的優先權，此專利申請案的揭露內容是以引用的方式併入本文中。

本發明是有關於超小型光學系統以及包含所述系統的可攜式裝置，且更具體而言，是有關於具有超小型尺寸且能夠使用五片透鏡而獲得窄視角(view angle)的超小型光學系統，以及包含所述系統的可攜式裝置。

最初之可攜式終端僅包含通信功能。然而，根據可攜式終端之使用的增加，已在可攜式終端中實施諸如影像捕獲之各種功能，以及經由通信網路傳輸影像之能力。因此，不斷演進可攜式終端的功能，以及關於其可獲得的服務。因此，數位攝影機技術、攝錄影機技術及其類似者已變成諸如行動電話的可攜式終端的基本功能。

行動電話中所包含的攝影機以及攝錄影機技術要求一般攝影機以及攝錄影機效能，同時已強烈需求小型化以及減輕影像捕獲透鏡。

因此，為了滿足上文所提及的要求，需要儘可能降低安裝於行動電話中，提供為影像捕獲透鏡的透鏡的數目。然而，歸因於由此造成的設計自由度的缺乏，可能難以滿足達到所要位準的光學效能的要求。

另外，最近已利用能夠捕獲70度以上之影像的廣角光學系統(wide-angle optical system)，以便捕獲具有較廣背景的影像。然而，廣角光學系統適於捕獲具有寬廣背景的影像，但並不適於藉由變焦放大較遠的物體而將被攝物(subject)成像。

因此，需要具有較小尺寸且能夠在較遠距離上清晰地成像被攝物的光學系統。

[相關技術文件]

韓國專利特許公開公開案第2008-0057738號

本發明之一態樣提供一種具有高解析度及歸因於其中僅使用五片透鏡而具有緊湊形狀與較短總長的超小型光學系統，以及一種包含所述系統的可攜式裝置。

另外，本發明之態樣提供一種具有35度以下之窄視角的超小型光學系統，以及一種包含所述系統的可攜式裝置。

根據本發明之一態樣，提供一種超小型光學系統，其包含：自物側(object side)依序為：具有朝向物側的凸面且具有正 折射能力的第一透鏡；具有朝向像側(image side)的凹面且具有負折射能力的第二透鏡；具有朝向物側的凸面且具有正折射能力的第三透鏡；具有朝向像平面(image plane)的凹面且具有負折射能力的第四透鏡；以及具有朝向像平面的凸面且具有負折射能力或正折射能力的第五透鏡。

光學系統的焦距可滿足以下條件性方程式1：(條件性方程式1)0.7<TTL/F<1.0

其中TTL是指自第一透鏡的物側表面至像平面的距離，且F是指光學系統的焦距。

光學系統的視角可滿足以下條件性方程式2：(條件性方程式2)20度<FOV<35度

其中FOV是指光學系統的視角。

光學系統的第一透鏡可滿足以下條件性方程式3，(條件性方程式3)0.16<rdy s1/F<2

其中rdy s1是指第一透鏡的物側表面的曲率半徑，且F是指光學系統的焦距。

第四透鏡的阿貝數(Abbe number)可滿足以下條件性方程式4，(條件性方程式4)Vd4>50

其中Vd4是指第四透鏡的阿貝數。

第四透鏡可具有皆形成為凹面的兩個表面。

第五透鏡可具有形成於除了對應於光軸的位置之外的位置中的至少一反曲點。

超小型光學系統可進一步包含安置於第一透鏡的物側上 的孔徑光闌。

根據本發明之一態樣，提供一種可攜式裝置，其包含：第一光學系統；以及具有比第一光學系統之視角窄的視角的第二光學系統。

第二光學系統可具有35度以下的視角。

第一光學系統可具有60度至80度的視角。

第二光學系統可包含：自物側依序為：具有朝向物側的凸面且具有正折射能力的第一透鏡；具有朝向像側的凹面且具有負折射能力的第二透鏡；具有朝向物側的凸面且具有正折射能力的第三透鏡；具有朝向像平面的凹面且具有負折射能力的第四透鏡；以及具有朝向像平面的凸面且具有負折射能力或正折射能力的第五透鏡。

1~13‧‧‧表面編號

32‧‧‧超小型光學系統/第一光學系統

33‧‧‧超小型光學系統/第二光學系統

35‧‧‧相機模組

100、200‧‧‧超小型光學系統

300‧‧‧可攜式裝置

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

AS‧‧‧孔徑光闌

IP‧‧‧像平面

OF‧‧‧光學濾光片

自結合隨附圖式的以下詳細描述，將更加清晰地理解本發明的上文以及其他態樣、特徵以及其他優點，其中：

圖1為繪示根據本發明之第一實施例的超小型光學系統的透鏡配置之透鏡組態圖。

圖2以及圖3為繪示圖1中所繪示之光學系統的像差特性的曲線圖。

圖4為繪示根據本發明之第二實施例的超小型光學系統的透鏡配置之透鏡組態圖。

圖5以及圖6為繪示圖4中所繪示之光學系統的像差特性的曲線圖；以及 圖7為示意性地繪示根據本發明之實施例的可攜式裝置的立體圖。

下文中，將參考隨附圖式詳細描述本發明概念的實施例。然而，本發明可以許多不同形式體現，且不應將本發明視為限於本文中所闡述的實施例。相反地，提供此等實施例以使得本揭露內容將透徹且完整，且將本發明之範疇充分傳達給熟習此項技術者。

圖1為繪示根據本發明之第一實施例的超小型光學系統的透鏡組態圖。在以下的透鏡組態圖中，出於描述性目的，略微誇大其中所描繪的透鏡的厚度、大小以及形狀。具體而言，透鏡組態圖中所建議的半球面表面或非球面表面形狀僅為所舉實例，因此不應將本發明之透鏡視為限於上文所提及的形狀。

如圖1中所繪示，根據本發明之實施例的超小型光學系統100經組態以包含自物側依序安置的第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4以及第五透鏡L5。因此，對應於被攝物之影像資訊的光穿過第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4以及第五透鏡L5，以入射至像平面IP，亦即光接收元件。

根據本實施例，第一透鏡L1具有朝向物側的凸面且具有正折射能力。此處，可在第一透鏡L1與物體之間提供調整光量的孔徑光闌(aperture stop)AS。

第二透鏡L2具有朝向像側的凹面且具有負折射能力。

第三透鏡L3具有朝向物側的凸面且具有正折射能力。

第四透鏡L4具有朝向像側的凹面且具有負折射能力。

第五透鏡L5具有在關於入射光的中心軸的近軸區(paraxial region)中朝向像側的凸面。在此狀況下，第五透鏡L5的兩個表面可皆形成為非球面表面。

同時，第五透鏡L5與像平面IP之間包含由紅外濾光片、玻璃罩或類似者構成的光學濾光片OF。詳言之，根據本實施例的光學濾光片OF可為紅外光截止濾光片(IR cut filter)。紅外光截止濾光片用以自外部光移除輻射熱，以免將熱轉移至像平面。亦即，紅外光截止濾光片具有允許可見光線透射過且將紅外線反射至外部的結構。

另外，其上形成影像的像平面IP可經由將對應於被攝物影像的光學信號轉換成電信號的影像感測器所構成。在此狀況下，影像感測器可由電荷耦合元件(CCD)或互補式金氧半導體(CMOS)感測器所構成。

根據本發明之實施例的超小型光學系統100藉由理想地設定自第一透鏡L1之物側表面至像平面的距離與整個光學系統之焦距的比率，以及第一透鏡之物側表面的曲率半徑與整個光學系統之焦距的比率，可為光學系統100提供薄化及高清晰度解析度。

此處，根據本實施例的第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4以及第五透鏡L5的所有表面可形成為非球面表面。因此，超小型光學系統100可在由五個片透鏡構成且具有高解析度的同時實現小型化。另外，在所有第一透鏡L1、第二 透鏡L2、第三透鏡L3、第四透鏡L4以及第五透鏡L5皆由塑膠材料形成的狀況下，可容易地以及經濟地製造非球面透鏡。

另外，根據本實施例的第四透鏡L4可形成為使得其阿貝數超過50。

另外，根據本實施例的超小型光學系統100可藉由減少透鏡之邊緣的入射角，以允許影像感測器之中心部分以及周邊中的光量均勻，而防止影像感測器的邊緣變得較暗及發生影像失真的現象，以及藉由適當地形成各別透鏡上的非球面表面(例如，配置第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3以及第四透鏡L4，以依序具有正折射能力、負折射能力、正折射能力以及負折射能力、在第五透鏡L5之物側表面上形成反曲點及類似者)，以保證儘可能高的環境光位準。

詳言之，根據本實施例的超小型光學系統可包含兩個表面皆形成為凹面的第四透鏡，以便形成相對較窄的視角(例如35度以下)。另外，第五透鏡之物側表面上除了對應於光軸的位置之外的位置中可具有反曲點。根據如上文所描述的第五透鏡的結構，可使第五透鏡的主光線角(chief ray angle,CRA)與影像感測器(亦即，像平面)的主光線角互相匹配，使得可保證影像感測器之周邊中的光量。

同時，在第五透鏡不具有反曲點的狀況下，與影像感測器的匹配性質會降級，且鏡頭總長(total track length,TTL)可能會過長，因此可能難以實現薄化。

在如上文所描述的整個組態下，將描述以下條件性方程式1至6的作用效果。

(條件性方程式1)0.7<TTL/F<1.0

其中TTL為自第一透鏡的物側表面至像平面的距離，且F為光學系統的焦距。

條件性方程式1為TTL與折射能力之間的關係。由其得到，TTL經設計以顯著較短於光學系統的焦距F，使得可瞭解，此情況與根據相關技術的相機模組形成對比。

此處，在藉由增加焦距F而降低TTL/F之值的狀況下，可進一步降低光學系統的視角(視場(field of view,FOV))。然而，由於難以降低TTL，因此光學系統變得較長，因此難以實現薄化。

(條件性方程式2)20度(degree)<FOV<35度

其中，FOV為光學系統的視角。

相較於根據相關技術之超小型攝影模組的視角(例如，60度至75度)，條件性方程式2(即表示光學系統的視角特性的方程式)具有大約為0.5倍的比率。此情況可代表當轉換成一般變焦透鏡之狀況時的2.5倍至3倍的變焦特性。

(條件性方程式3)0.16<rdy s1/F<2

其中rdy s1為第一透鏡的物側表面的曲率半徑，且F為光學系統的焦距。

條件性方程式3為表示第一透鏡之曲率半徑的特性的方程式。藉由降低第一透鏡之物側表面的曲率以及增加焦距而定義能夠達成薄化以及相對較小視角的組態。

(條件性方程式4)Vd4>50

其中，Vd4為第四透鏡的阿貝數。

條件性方程式4定義第四透鏡的材料特性。亦即，根據 本實施例的超小型光學系統具有經組態以具有50以上之阿貝數的第四透鏡。當設計光學系統100使得第四透鏡L4滿足條件性方程式4的範圍時，可適當地校正色像差(chromatic aberration)。

下文中，將經由具體數值的實例來描述本發明。

如上文所描述，以下實施例1以及實施例2的光學系統自物側依序包含：孔徑光闌(aperture stop,AS)、具有朝向物側的凸面的第一透鏡L1、具有朝向像側的凹面的第二透鏡L2、具有朝向物側的凸面的第三透鏡L3、具有朝向像側的凹面的第四透鏡L4以及具有朝向像側的凸面的第五透鏡L5。另外，第一透鏡L1可具有正折射能力，第二透鏡L2可具有負折射能力，第三透鏡L3可具有正折射能力，第四透鏡L4可具有負折射能力，且第五透鏡L5可具有負折射能力或正折射能力。

另外，第五透鏡L5與像平面IP之間包含紅外濾光片、玻璃罩或類似者構成的光學濾光片OF。

可自已知方程式1獲得用於以下各別實施例的非球面表面。

其中，Z是指在光軸方向上離透鏡之頂部的距離。

Y是指在垂直於光軸的方向上的距離。

c是指透鏡之頂部處的曲率半徑。

K是指圓錐常數(conic constant)。

A、B、C、D以及E分別是指四階、六階、八階、十階 以及十二階非球面表面係數(aspherical surface coefficient)。

同時，自已知方程式1獲得用於以下實施例的非球面表面，以及“用於圓錐常數(K)以及非球面表面係數(A、B、C、D以及E)的E及其後的數字”是指10的冪(power)。舉例而言，E+01是指10¹，而E-02是指10^-2。

(實施例1)

以下的表1展示根據本發明之第一實施例的數值的實例。

圖1為繪示根據本發明之第一實施例的超小型光學系統的透鏡安置的透鏡組態圖；而圖2以及圖3繪示表1以及圖1中所展示之超小型光學系統的像差特性。

在根據本發明之第一實施例的超小型光學系統中，F數(F number)FNo為2.8，視角為30度，整體焦距F為7毫米(mm)，第一透鏡的焦距F1為3.57mm，第二透鏡的焦距F2為-4.18mm，第三透鏡的焦距F3為4.35mm，第四透鏡的焦距F4為-2.43mm，且第五透鏡的焦距F5為14.18mm。

另外，自第一透鏡的物側表面至像平面的距離TTL為5.8mm。

在表1中，*是指非球面表面，且在第一實施例中，所有透鏡的折射表面皆為非球面表面。

由以下的表2表示藉由方程式1的第一實施例的非球面表面係數之值。

(實施例2)

以下的表3展示根據本發明之第二實施例的數值的實例。

另外，圖4為繪示根據本發明之第二實施例的超小型光學系統200之透鏡安置的透鏡組態圖；而圖5以及圖6繪示表3以及圖4中所展示的超小型光學系統的像差特性。

在本發明之第二實施例中，F數FNo為2.8，視角為28度，光學系統的整個焦距F為7.5mm，第一透鏡的焦距F1為3.6mm，第二透鏡的焦距F2為-5.35mm，第三透鏡的焦距F3為6.6mm，第四透鏡的焦距F4為-3.1mm，以及第五透鏡的焦距F5為-16 另外，自第一透鏡的物側表面至像平面的距離TTL為6mm。

在表3中，*是指非球面表面，且在第一實施例中，所有透鏡的折射表面皆為非球面表面。

由以下的表4表示藉由方程式1的第二實施例之非球面表面係數的值。

貫穿上文所提及的本發明之實施例，如圖2、圖3、圖5以及圖6中所繪示，可得到在具有較小尺寸及相對較窄視角的同時，亦具有極好之高清晰度的超小型光學系統。

詳言之，由於超小型光學系統具有相對較窄視角，且經組態為五個透鏡薄片，因此可實施具有高解析度以及薄化的超小型光學系統。

另外，由於超小型光學系統具有較窄視角，因此其可清晰地捕獲在較遠距離處的被攝物之影像。

根據本實施例的超小型光學系統可僅在可攜式裝置中使用。然而，在此狀況下，捕獲具有較寬背景的影像可能是不方便的。

因此，可在可攜式裝置或類似者中將根據本實施例的超小型光學系統利用為與具有較寬視角的光學系統為一對之部分。

圖7為示意性地繪示根據本發明之實施例的可攜式裝置的立體圖。

參看圖7，根據本實施例的可攜式裝置300包含相機模組35，其中相機模組35可包含至少兩個超小型光學系統32以及33。

此處，兩個超小型光學系統32以及33可為具有相對較寬視角的第一光學系統32以及具有相對較窄視角的第二光學系統33。

另外，如上文所描述，第一光學系統32可為具有60度與80度之間的視角的光學系統，且第二光學系統33可為具有35度以下之視角的光學系統。

因而，在一可攜式裝置300具備第一光學系統32以及第二光學系統33的狀況下，可按需要使用第一光學系統32在廣角下成像較寬背景，且亦可使用第二光學系統33清晰地成像在較遠距離處的被攝物。

另外，當成像被攝物時，可依需求同時驅動第一光學系統32以及第二光學系統33，以便一次捕獲兩個影像，使得可同時捕獲具有不同焦距的影像，以及可執行諸如影像合成或類似者的任務。

如上文所闡述，由於根據本發明之實施例的超小型光學系統僅使用五片透鏡，因此可提供歸因於較少的透鏡組態數目而具有緊湊形狀以及較短總長的超小型光學系統。

另外，如上文所闡述，根據本發明之實施例的超小型光學系統可藉由使用由塑膠材料形成的透鏡而減輕重量，歸因於易於製造而可大量生產以及可顯著減少製造成本。

另外，如上文所闡述，根據本發明之實施例的超小型光學系統可具有35度以下的較窄視角。因此，根據本發明之實施例的超小型光學系統可清晰地成像在較遠距離處的被攝物。

另外，如上文所闡述，根據本發明之實施例的可攜式裝置可包含具有相對較寬視角的第一光學系統以及具有較窄視角的第二光學系統。因此，可按需要使用第一光學系統在廣角下成像較寬背景，且亦可使用第二光學系統清晰地成像在較遠距離處的被攝物。

雖然已結合實施例繪示以及描述本發明，但熟習此項技術者將顯而易見，在不脫離如由所附申請專利範圍所定義的本發 明之精神以及範疇的情況下，可作出修改以及變化。

1~13‧‧‧表面編號

100‧‧‧超小型光學系統

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

AS‧‧‧孔徑光闌

IP‧‧‧像平面

OF‧‧‧光學濾光片

Claims (10)

1. 一種超小型光學系統，包括：自物側依序為，第一透鏡，具有朝向所述物側的凸面且具有正折射能力；第二透鏡，具有雙凹表面且具有負折射能力；第三透鏡，具有朝向所述物側的凸面且具有正折射能力；第四透鏡，具有朝向像平面的凹面且具有負折射能力；以及第五透鏡，具有負折射能力或正折射能力，其中所述第五透鏡具有形成於除了對應於光軸的位置之外的位置中的至少一反曲點。
2. 如申請專利範圍第1項所述之超小型光學系統，其中所述光學系統的焦距滿足以下條件性方程式1，(條件性方程式1)0.7<TTL/F<1.0其中TTL是指自所述第一透鏡的物側表面至所述像平面的距離，且F是指所述光學系統的所述焦距。
3. 如申請專利範圍第1項所述之超小型光學系統，其中所述光學系統的視角滿足以下條件性方程式2，(條件性方程式2)20度<FOV<35度其中FOV是指所述光學系統的所述視角。
4. 如申請專利範圍第1項所述之超小型光學系統，其中所述光學系統之所述第一透鏡滿足以下條件性方程式3，(條件性方程式3)0.16<rdy s1/F<2其中rdy s1是指所述第一透鏡的所述物側表面的曲率半徑，且F是指所述光學系統的所述焦距。
5. 如申請專利範圍第1項所述之超小型光學系統，其中所述第四透鏡的阿貝數滿足以下條件性方程式4，(條件性方程式4)Vd4>50其中Vd4是指所述第四透鏡的所述阿貝數。
6. 如申請專利範圍第1項所述之超小型光學系統，其中所述第四透鏡具有形成為凹面的兩個表面。
7. 如申請專利範圍第1項所述之超小型光學系統，更包括安置於所述第一透鏡的所述物側上的孔徑光闌。
8. 一種可攜式裝置，包括：第一光學系統；以及第二光學系統，其具有比所述第一光學系統的視角窄的視角，其中所述第二光學系統包含：自物側依序為，第一透鏡，具有朝向所述物側的凸面且具有正折射能力；第二透鏡，具有雙凹表面且具有負折射能力；第三透鏡，具有朝向所述物側的凸面且具有正折射能力；第四透鏡，具有朝向像平面的凹面且具有負折射能力；以及第五透鏡，具有負折射能力或正折射能力，且具有形成於除了對應於光軸的位置之外的位置中的至少一反曲點。
9. 如申請專利範圍第8項所述之可攜式裝置，其中所述第二光學系統具有35度以下的所述視角。
10. 如申請專利範圍第9項所述之可攜式裝置，其中所述第一光學系統具有60度至80度的所述視角。