TW202034011A

TW202034011A - 光學系統及包括該光學系統之攝影機模組

Info

Publication number: TW202034011A
Application number: TW109100196A
Authority: TW
Inventors: 金志晟
Original assignee: 韓商Ｌｇ伊諾特股份有限公司
Priority date: 2019-01-04
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2020-09-16
Also published as: US20220086318A1; KR20200085099A; WO2020141827A1; EP3907543A4; KR20210137417A; CN113260892B; CN113260892A; KR102326952B1; EP3907543B1; EP3907543A1; JP2022516328A; KR102661298B1; JP7411664B2; TWI861042B

Abstract

根據本發明之一個實施例的一光學系統包括自一物側至一像側連續地配置之一第一透鏡、一第二透鏡、一第三透鏡及一第四透鏡，且具有1.7或更小之一F值，及2.1至3之一總頂長(TTL)與該F值之一比率(TTL/F值)。

Description

光學系統及包括該光學系統之攝影機模組

本發明係關於一種攝影機模組，且更特定言之，係關於一種光學系統及包括該光學系統之攝影機模組。

三維(3D)內容不僅已應用於遊戲及文化領域，還應用於諸如教育、製造、自動駕駛及其類似者之多個領域，並且為了獲得3D內容，深度圖是必需的。深度圖為指示空間距離之資訊，且指示二維(2D)影像中之一個點相對於另一點的透視資訊。

朝向物件投射紅外(IR)結構光之方法、使用立體聲攝影機之方法、飛行時間(ToF)方法及其類似者已被用作獲得深度圖之方法。根據ToF方法，藉由量測飛行時間來計算至物件之距離，該飛行時間是光被發射以及經反射而返回所花的時間。ToF方法之最大優勢在於3D空間上之距離資訊(圖)可快速即時提供。另外，即使當使用者並未應用單獨的演算法或執行硬體校正時，亦可獲得準確的距離資訊(圖)。另外，即使當量測非常接近的個體或量測在移動中的個體時，亦可獲得準確的深度圖。

同時，隨著攜帶型終端機及嵌入於其中之攝影機之技術的發展，甚至在攜帶型終端機中也嘗試嵌入具有ToF功能之攝影機模組，但是由於攜帶型終端機中的設計限制，在實現厚度小、電耗低及重量輕的同時很難獲得高解析度光學效能。

本發明係關於提供一種光學系統及包括該光學系統之攝影機模組。

本發明之一態樣提供一種光學系統，其包括第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡及第四透鏡，該等透鏡自物側至像側連續地配置，且具有1.7或更小之F值，及在2.1至3之範圍內的總頂長(TTL)與F值之比率(TTL/F值)。

第一透鏡及第三透鏡可各自具有正光焦度，且第四透鏡可具有負光焦度。

第三透鏡之焦距(F3)與第一透鏡之焦距(F1)的比率(F3/F1)可在0.5至1.5之範圍內。

第一透鏡可包括凸出物側表面及凹入像側表面，第三透鏡可包括凹入物側表面及凸出像側表面，且第四透鏡可包括凸出物側表面及凹入像側表面。

F值可為1.5或更小，且TTL與F值之比率(TTL/F值)可在2.4至3之範圍內。

F值可為1.4或更小，且TTL與F值之比率(TTL/F值)可在2.6至2.9之範圍內。

在第一透鏡之像側表面與第二透鏡之物側表面之間的第一距離、第二透鏡之像側表面與第三透鏡之物側表面之間的第二距離以及第三透鏡之像側表面與第四透鏡之物側表面之間的第三距離當中，第三距離可為最短的。

在第一透鏡之第一折射率、第二透鏡之第二折射率、第三透鏡之第三折射率及第四透鏡之第四折射率當中，第三折射率可為最高的。

第四透鏡之物側表面及像側表面中之至少一者可包括至少一個反曲點。

本發明之另一態樣提供一種攝影機模組，其包括影像感測器、安置於影像感測器上方之濾光片及安置於濾光片上方之光學系統，其中光學系統包括自物側至像側連續地配置之第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡及第四透鏡，F值為1.7或更小，且總頂長(TTL)與F值之比率(TTL/F值)在2.1至3之範圍內。

攝影機模組可包括：光輸出單元，其經組態以將光輸出至物件；及影像處理單元，其經組態以利用自光輸出單元輸出、自物件反射及由影像感測器經由光學系統及濾光片接收之光來提取物件之深度圖，其中影像處理單元利用自光輸出單元輸出之光與由影像感測器接收之光之間的相位差來提取物件之深度圖。

濾光片可以按預定的規則傾斜，且由影像感測器接收之光的路徑可以根據濾光片之傾斜按預定的規則移位。

根據本發明之實施例，有可能提供一種即使在低照度環境中也能實現小尺度及高解析度之光學系統及攝影機模組。可應用根據本發明之實施例的攝影機模組以實現飛行時間(ToF)功能。

10:影像感測器

20:濾光片

22:濾光片

24:濾光片

100:光學系統

110:第一透鏡

112:物側表面

114:像側表面

120:第二透鏡

122:物側表面

124:像側表面

130:第三透鏡

132:物側表面

134:像側表面

140:第四透鏡

142:物側表面

144:像側表面

200:光學系統

210:第一透鏡

212:物側表面

214:像側表面

220:第二透鏡

222:物側表面

224:像側表面

230:第三透鏡

232:物側表面

234:像側表面

240:第四透鏡

242:物側表面

244:像側表面

300:光學系統

310:第一透鏡

312:物側表面

314:像側表面

320:第二透鏡

322:物側表面

324:像側表面

330:第三透鏡

332:物側表面

334:像側表面

340:第四透鏡

342:物側表面

344:像側表面

400:光學系統

410:第一透鏡

412:物側表面

414:像側表面

420:第二透鏡

422:物側表面

424:像側表面

430:第三透鏡

432:物側表面

434:像側表面

440:第四透鏡

442:物側表面

444:像側表面

500:光學系統

510:第一透鏡

512:物側表面

514:像側表面

520:第二透鏡

522:物側表面

524:像側表面

530:第三透鏡

532:物側表面

534:像側表面

540:第四透鏡

542:物側表面

544:像側表面

1100:攝影機模組

1110:透鏡組合件

1112:光學系統

1114:鏡身

1116:透鏡固持器

1116-1:上部固持器

1116-2:下部固持器

1118:IR濾光片

1120:影像感測器

1130:印刷電路板

1200:攝影機模組

1210:光輸出單元

1212:光源

1214:光調變單元

1220:透鏡單元

1230:影像感測器

1240:傾斜單元

1250:影像處理單元

C₁:參考信號

C₂:參考信號

C₃:參考信號

C₄:參考信號

Q₁:電荷量

Q₂:電荷量

Q₃:電荷量

Q₄:電荷量

圖1為根據本發明之第一實施例之光學系統的截面圖。

圖2為根據本發明之第二實施例之光學系統的截面圖。

圖3為根據本發明之第三實施例之光學系統的截面圖。

圖4為根據本發明之第四實施例之光學系統的截面圖。

圖5為根據本發明之第五實施例之光學系統的截面圖。

圖6至圖10為分別藉由量測根據第一至第五實施例之光學系統中之每一者的縱向球面像差、像散場曲線及失真而獲得的圖表。

圖11為應用了根據本發明之一個實施例之光學系統的攝影機模組的截面圖。

圖12示出了根據本發明之一個實施例提取深度圖之攝影機模組的方塊圖。

圖13為用於描述根據本發明之實施例產生電信號之程序的視圖。

圖14為利用四個相位影像獲得飛行時間(ToF)-紅外(IR)影像或深度影像之方法之實例的簡化圖。

圖15A為用於描述由傾斜單元改變的輸入光信號之光路徑的視圖，且

圖15B為用於描述藉由在影像感測器中以子像素為單位移動像素來內插輸入光資料的視圖。

在下文中，將參考隨附圖式詳細描述本發明之例示性實施例。

然而，本發明之技術精神不限於下文所揭露之實施例，而是可以實現為多種不同的形式，且每一實施例之一或多個元件可在本發明之範疇內選擇性地進行組合及替換。

另外，除非本文中清晰且明確地定義，否則本發明之實施例中所用的術語(包括技術及科學術語)的意義與本發明所屬領域中具通常知識者通常所理解的意義相同。應進一步理解，術語(諸如常用詞典中所定義的彼等術語)應被解釋為意義與相關技術之上下文中的意義一致。

此外，本發明之實施例中所用的術語僅用來描述本發明之實施例，而不用於限制之目的。

在本說明書中，單數形式包括了複數形式，除非上下文另有明確指示，且片語「元件A、元件B及元件C中之至少一個元件(或一或多個元件)」應理解為包括了組合元件A、元件B及元件C可得的所有組合中之至少一者的意義。

此外，在描述本發明之實施例之元件時，可以使用諸如第一、第二、A、B、(a)、(b)及其類似者之術語。

此等術語僅用於區分一個元件與另一元件，且對應元件之屬性、次序、序列及其類似者不受該等術語限制。

另外，應理解，在一個元件被稱為「連接」或「耦接」至另一元件時，元件可能不僅直接連接或耦接至另一元件，而且亦可經由一個元件與另一元件之間存在的其他元件連接或耦接至另一元件。

此外，在一個元件被稱為形成或安置「在另一元件上(上方)」或「在另一元件下(下方)」時，術語「在……上(上方)」或「在……下(下方)」包括兩種情況，一種情況是兩個元件彼此直接接觸，另一種情況是一或多個元件(間接)形成或安置在兩個元件之間。另外，術語「在……上(上方)」或「在……下(下方)」包括一個元件安置於另一元件的上游方向或下游方向的情況。

根據本發明之實施例的光學系統包括自物側至像側連續地配置之第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡及第四透鏡，且具有1.7或更小之F值及2.1至3的總頂長(TTL)與F值之比率(TTL/F值)。另外，第一透鏡及第三透鏡可各自具有正光焦度，且第四透鏡可具有負光焦度。每一透鏡之光焦度可由每一透鏡之焦距的倒數表示。此光學系統可具有極好的成像效能，可校正色像差，且亦可很好地校正失真，即使是在低照度環境中。

同時，根據本發明之實施例的光學系統可具有0.5至1.5的第三透鏡之焦距F3與第一透鏡之焦距F1的比率(F3/F1)。因此，光學系統可微型化，色像差可很好地維持住，且失真可很好地校正。

此外，在根據本發明之實施例的光學系統中，在第一透鏡之像側表面與第二透鏡之物側表面之間的第一距離、第二透鏡之像側表面與第三透鏡之物側表面之間的第二距離以及第三透鏡之像側表面與第四透鏡之物側表面之間的第三距離當中，第三距離可為最短的。藉由將第三透鏡之像側表面設計成凸面形狀，以及將第四透鏡之物側表面設計成凸面形狀，這樣形成的第三距離最短。因此，光學系統之TTL可減小，且其解析度可得以改良。另外，在第一透鏡之第一折射率、第二透鏡之第二折射率、第三透鏡之第三折射率及第四透鏡之第四折射率當中，第三折射率可為最高的。因此，第三透鏡之敏感度可減小，且因此，製造公差可在製造第三透鏡時增加。

圖1為根據本發明之第一實施例之光學系統的截面圖。表1示出了根據第一實施例之四個透鏡的光學特性。在第一實施例中，總有效焦距(EFL)為2.2765mm，TTL為3.7mm，且F值為1.39。表2及3示出了構成根據第一實施例之光學系統的每一透鏡的二次曲線常數及非球面係數。

參看圖1，光學系統100包括自物側至像側連續地配置之第一透鏡110、第二透鏡120、第三透鏡130及第四透鏡140。濾光片20可安置於影像感測器10上方，且光學系統100可安置於濾光片20上方。

自物件反射之光連續地穿過光學系統100之第一透鏡110至第四透鏡140及濾光片20，隨後由影像感測器10接收。

濾光片20可為紅外(IR)濾光片。濾光片20可自入射於攝影機模組上之光中濾除近IR(NIR)光，例如波長為700nm至1100nm之光。另外，影像感測器10可經由導線連接至印刷電路板。

根據本發明之第一實施例的光學系統100具有1.7或更小、較佳為1.5或更小且更佳為1.4或更小之F值，且具有2.1至3、較佳為2.4至3且更佳為2.6至2.9之TTL與F值的比率(TTL/F值)。舉例而言，根據第一實施例之光學系統100可具有1.39之F值、3.7之TTL及2.66之比率(TTL/F值)。

本文中，F值可以指透鏡之焦距F與孔隙之有效直徑D的比率(F/D)。因此，F值愈小，孔隙之直徑及透鏡之直徑則愈大，且所收集之光的量愈大。相反，F值愈大，孔隙之直徑及透鏡之直徑則愈小，且所收集之光的量愈小。

TTL係指自形成有影像之影像感測器10至光學系統100之第一表面的距離。本文中，TTL可以指自形成有影像之影像感測器10至第一透鏡110之物側表面112的距離。

在比率(TTL/F值)小於2.1時，光學系統可能難以組態，或效能可能降級，因此可能難以應用於低照度環境中，且在比率(TTL/F值)超過3時，光學系統可能難以應用於攜帶型終端機，因為它的尺寸增加了。

在根據本發明之第一實施例的光學系統100中，第一透鏡110具有正(+)光焦度。因此，第一透鏡110可提供光學系統100所需的部分折射能力。第一透鏡110之物側表面112可凸出，且其像側表面114可凹入。亦即，第一透鏡110可具有凹凸透鏡形狀。在第一透鏡110之物側表面112凸出時，第一透鏡110之折射能力可增強。儘管第一透鏡110亦可具有物側表面112及像側表面114皆凸出之雙凸面形狀，但是在第一透鏡110之像側表面114凹入時，光的色散力可增加以提高解析度。

在根據本發明之第一實施例的光學系統100中，第二透鏡120可具有負(-)光焦度，第二透鏡120之物側表面122可凹入，且第二透鏡120之像側表面124可凹入。如上文所描述，第二透鏡120可具有雙凹面形狀。

在根據本發明之第一實施例的光學系統100中，第三透鏡130可具有正(+)光焦度，第三透鏡130之物側表面132可凹入，且第三透鏡130之像側表面134可凸出。如上文所描述，第三透鏡130可具有凹凸透鏡形狀，且第三透鏡130之物側表面132及像側表面134中的至少一者可包括至少一個反曲點。本文中，第三透鏡130之厚度可大於第二透鏡120之厚度。

在根據本發明之第一實施例的光學系統100中，第四透鏡140可具有負(-)光焦度，第四透鏡140之物側表面142可凸出，且第四透鏡140之像側表面144可凹入。另外，在第四透鏡140中，物側表面142之曲率半徑的絕對值可大於像側表面144之曲率半徑的絕對值。本文中，第四透鏡140之物側表面142及像側表面144中的至少一者可在與光軸的交叉點除外的位置包括至少一個反曲點。本文中，反曲點係指非球面表面上的點，其中非球面頂點之切平面垂直於有效半徑內透鏡截面形狀的曲線中之光軸。因此，由影像感測器10接收之主光的最大出射角可進行調整，從而可以防止出現螢幕周邊部分變暗的現象。

第一透鏡110至第四透鏡140中的至少一者可由塑膠材料製成。因此，可以實現輕量且製造起來便宜的光學系統。

同時，孔隙(圖中未示)可進一步安置在第一透鏡110與第二透鏡120之間。孔隙經設置用於藉由選擇性地接收入射光來控制焦距。

本文中，第一透鏡110之焦距F1可在0.5mm至10mm之範圍內。在第一透鏡110之焦距F1小於0.5mm時，由於透鏡的敏感度增加，可能難以製造透鏡，且在第一透鏡110之焦距F1超過10mm時，由於透鏡折射率不足，可能難以校正像差。另外，第三透鏡130之焦距的絕對值可大於第二透鏡120之焦距的絕對值。在第三透鏡130之焦距的絕對值等於或小於第二透鏡120之焦距的絕對值時，透鏡折射率的比率可能無法維持，因此可能難以調整解析度。

第三透鏡130之焦距F3與第一透鏡110之焦距F1的比率(F3/F1)可在0.5至1.5之範圍內。舉例而言，在第一實施例中，第三透鏡130之焦距F3與第一透鏡110之焦距F1的比率(F3/F1)可為1.08。在第三透鏡130之焦距F3與第一透鏡110之焦距F1的比率(F3/F1)小於0.5時，光學系統100之總尺寸可增加，且在比率(F3/F1)超過1.5時，解析度可降低。

此外，在第一透鏡110之像側表面114與第二透鏡120之物側表面122之間的距離被稱為第一距離時，在第二透鏡120之像側表面124與第三透鏡130之物側表面132之間的距離被稱為第二距離時，且在第三透鏡130之像側表面134與第四透鏡140之物側表面142之間的距離被稱為第三距離時，第三距離可小於0.2mm，且在第一距離、第二距離及第三距離當中，第三距離可為最短的。亦即，參看表1，第三距離為0.1mm，且可小於第一距離及第二距離。

此外，在第一透鏡110之第一折射率、第二透鏡120之第二折射率、第三透鏡130之第三折射率及第四透鏡140之第四折射率當中，第三折射率可為最高的。亦即，參看表1可以看出，第三透鏡130之折射率常數為1.661，且第三透鏡130與第四透鏡140具有最高的折射率。

[表1]

本文中，厚度(mm)表示自每一透鏡表面至緊鄰每一透鏡表面的透鏡表面之距離。亦即，第一透鏡110之物側表面112上所描述的厚度表示自第一透鏡110之物側表面112至像側表面114的距離。另外，第一透鏡110之像側表面114上所描述的厚度表示自第一透鏡110之像側表面114至第二透鏡120之物側表面122的距離。

折射率常數係指使用d線來量測的透鏡之折射率。

[表2]

[表3]

圖2為根據本發明之第二實施例之光學系統的截面圖。表4示出了根據第二實施例之四個透鏡的光學特性。在第二實施例中，總EFL為2.73mm，TTL為3.75mm，且F值為1.39。表5及表6示出了構成根據第二實施例之光學系統的每一透鏡的二次曲線常數及非球面係數。內容與參考圖1描述之第一實施例的內容相同的重複描述將被省略掉。

參看圖2，光學系統200包括自物側至像側連續地配置之第一透鏡210、第二透鏡220、第三透鏡230及第四透鏡240。濾光片20可安置於影像感測器10上方，且光學系統200可安置於濾光片20上方。

自物件反射之光連續地穿過光學系統200之第一透鏡210至第四透鏡240及濾光片20，隨後由影像感測器10接收。

根據本發明之第二實施例的光學系統200可具有1.39之F值、3.75之TTL及2.69之比率(TTL/F值)。

在根據本發明之第二實施例的光學系統200中，第一透鏡210具有正(+)光焦度。因此，第一透鏡210可提供光學系統200所需的部分折射能力。第一透鏡210之物側表面212可凸出，且其像側表面214可凹入。亦即，第一透鏡210可具有凹凸透鏡形狀。在第一透鏡210之物側表面212凸出時，第一透鏡210之折射能力可增強。

在根據本發明之第二實施例的光學系統200中，第二透鏡220可具有正(+)光焦度，第二透鏡220之物側表面222可凸出，且第二透鏡220之像側表面224可凹入。

在根據本發明之第二實施例的光學系統200中，第三透鏡230可具有正(+)光焦度，第三透鏡230之物側表面232可凹入，且第三透鏡230之像側表面234可凸出。如上文所描述，第三透鏡230可具有凹凸透鏡形狀，且第三透鏡230之物側表面232及像側表面234中的至少一者可包括至少一個反曲點。本文中，第三透鏡230之厚度可大於第二透鏡220之厚度。

在根據本發明之第二實施例的光學系統200中，第四透鏡240可具有負(-)光焦度，第四透鏡240之物側表面242可凸出，且第四透鏡240之像側表面244可凹入。另外，在第四透鏡240中，物側表面242 之曲率半徑的絕對值可大於像側表面244之曲率半徑的絕對值。本文中，第四透鏡240之物側表面242及像側表面244中的至少一者可在與光軸的交叉點除外的位置包括至少一個反曲點。

本文中，第一透鏡210之焦距F1可在0.5mm至10mm之範圍內，且第三透鏡230之焦距的絕對值可大於第二透鏡220之焦距的絕對值。在第二實施例中，第三透鏡230之焦距F3與第一透鏡210之焦距F1的比率(F3/F1)可為0.59。

此外，參看表4，第三距離可小於或等於0.2mm，例如0.07mm，且可小於第一距離及第二距離。

此外，參看表4可以看出，第三透鏡230之折射率常數為1.661，且第三透鏡230與第四透鏡240具有最高的折射率。

[表4]

[表5]

[表6]

圖3為根據本發明之第三實施例之光學系統的截面圖。表7示出了根據第三實施例之四個透鏡的光學特性。在第三實施例中，總EFL為2.73mm，TTL為3.75mm，且F值為1.39。表8及9示出了構成根據第三實施例之光學系統的每一透鏡的二次曲線常數及非球面係數。內容與參考圖1描述之第一實施例的內容相同的重複描述將被省略掉。

參看圖3，光學系統300包括自物側至像側連續地配置之第一透鏡310、第二透鏡320、第三透鏡330及第四透鏡340。濾光片20可安置於影像感測器10上方，且光學系統300可安置於濾光片20上方。

自物件反射之光連續地穿過光學系統300之第一透鏡310至第四透鏡340及濾光片20，隨後由影像感測器10接收。

根據本發明之第三實施例的光學系統300可具有1.39之F值、3.75之TTL及2.69之比率(TTL/F值)。

在根據本發明之第三實施例的光學系統300中，第一透鏡310具有正(+)光焦度。因此，第一透鏡310可提供光學系統300所需的部分折射能力。第一透鏡310之物側表面312可凸出，且其像側表面314可凹入。亦即，第一透鏡310可具有凹凸透鏡形狀。在第一透鏡310之物側表面312凸出時，第一透鏡310之折射能力可增強。

在根據本發明之第三實施例的光學系統300中，第二透鏡320可具有正(+)光焦度，第二透鏡320之物側表面322可凸出，且第二透鏡320之像側表面324可凹入。

在根據本發明之第三實施例的光學系統300中，第三透鏡330可具有正(+)光焦度，第三透鏡330之物側表面332可凹入，且第三透鏡330之像側表面334可凸出。如上文所描述，第三透鏡330可具有凹凸透鏡形狀，且第三透鏡330之物側表面332及像側表面334中的至少一者可包括至少一個反曲點。本文中，第三透鏡330之厚度可大於第二透鏡320之厚度。

在根據本發明之第三實施例的光學系統300中，第四透鏡340可具有負(-)光焦度，第四透鏡340之物側表面342可凸出，且第四透鏡340之像側表面344可凹入。另外，在第四透鏡340中，物側表面342之曲率半徑的絕對值可大於像側表面344之曲率半徑的絕對值。本文中，第四透鏡340之物側表面342及像側表面344中的至少一者可在與光軸的交叉點除外的位置包括至少一個反曲點。

本文中，第一透鏡310之焦距F1可在0.5mm至10mm之範圍內，且第三透鏡330之焦距的絕對值可大於第二透鏡320之焦距的絕對值。在第三實施例中，第三透鏡330之焦距F3與第一透鏡310之焦距F1的比率(F3/F1)可為1.02。

此外，參看表7，第三距離可小於或等於0.2mm，例如0.07mm，且可小於第一距離及第二距離。

此外，參看表7可以看出，第三透鏡330之折射率常數為1.661，且第三透鏡330與第四透鏡340具有最高的折射率。

[表7]

[表8]

[表9]

圖4為根據本發明之第四實施例之光學系統的截面圖。表10示出了根據第四實施例之四個透鏡的光學特性。在第四實施例中，總EFL為3mm，TTL為3.92mm，且F值為1.39。表11及表12示出了構成根據第四實施例之光學系統的每一透鏡的二次曲線常數及非球面係數。內容與參考圖1描述之第一實施例的內容相同的重複描述將被省略掉。

參看圖4，光學系統400包括自物側至像側連續地配置之第一透鏡410、第二透鏡420、第三透鏡430及第四透鏡440。濾光片20可安置於影像感測器10上方，且光學系統400可安置於濾光片20上方。

自物件反射之光連續地穿過光學系統400之第一透鏡410至第四透鏡440及濾光片20，隨後由影像感測器10接收。

根據本發明之第四實施例的光學系統400可具有1.39之F值、3.92之TTL及3之比率(TTL/F值)。

在根據本發明之第四實施例的光學系統400中，第一透鏡410具有正(+)光焦度。因此，第一透鏡410可提供光學系統400所需的部分折射能力。第一透鏡410之物側表面412可凸出，且其像側表面414可凹入。亦即，第一透鏡410可具有凹凸透鏡形狀。在第一透鏡410之物側表面412凸出時，第一透鏡410之折射能力可增強。

在根據本發明之第四實施例的光學系統400中，第二透鏡420可具有負(-)光焦度，第二透鏡420之物側表面422可凹入，且第二透鏡420之像側表面424可凹入。

在根據本發明之第四實施例的光學系統400中，第三透鏡430可具有正(+)光焦度，第三透鏡430之物側表面432可凹入，且第三透鏡430之像側表面434可凸出。如上文所描述，第三透鏡430可具有凹凸透鏡形狀，且第三透鏡430之物側表面432及像側表面434中的至少一者可包括至少一個反曲點。本文中，第三透鏡430之厚度可大於第二透鏡420之厚度。

在根據本發明之第四實施例的光學系統400中，第四透鏡440可具有負(-)光焦度，第四透鏡440之物側表面442可凸出，且第四透鏡440之像側表面444可凹入。另外，在第四透鏡440中，物側表面442之曲率半徑的絕對值可大於像側表面444之曲率半徑的絕對值。本文中，第四透鏡440之物側表面442及像側表面444中的至少一者可在與光軸的交叉點除外的位置包括至少一個反曲點。

本文中，第一透鏡410之焦距F1可在0.5mm至10mm之範圍內，且第三透鏡430之焦距的絕對值可大於第二透鏡420之焦距的絕對值。在第四實施例中，第三透鏡430之焦距F3與第一透鏡410之焦距F1的比率(F3/F1)可為1.23。

此外，參看表10，第三距離可小於或等於0.2mm，例如0.1mm，且可等於或小於第一距離及第二距離。

此外，參看表10可以看出，第三透鏡430之折射率常數為1.661，且第三透鏡430與第一透鏡410及第二透鏡420具有最高的折射率。

[表10]

[表11]

[表12]

圖5為根據本發明之第五實施例之光學系統的截面圖。表13示出了根據第五實施例之四個透鏡的光學特性。在第五實施例中，總EFL為2.305mm，TTL為3.7mm，且F值為1.39。表14及表15示出了構成根據第五實施例之光學系統的每一透鏡的二次曲線常數及非球面係數。內容與參考圖1描述之第一實施例的內容相同的重複描述將被省略掉。

參看圖5，光學系統500包括自物側至像側連續地配置之第一透鏡510、第二透鏡520、第三透鏡530及第四透鏡540。濾光片20可安置於影像感測器10上方，且光學系統500可安置於濾光片20上方。

自物件反射之光連續地穿過光學系統500之第一透鏡510至第四透鏡540及濾光片20，隨後由影像感測器10接收。

根據本發明之第五實施例的光學系統500可具有1.39之F值、3.7之TTL及2.66之比率(TTL/F值)。

在根據本發明之第五實施例的光學系統500中，第一透鏡510具有正(+)光焦度。因此，第一透鏡510可提供光學系統500所需的部分折射能力。第一透鏡510之物側表面512可凸出，且其像側表面514可凹入。亦即，第一透鏡510可具有凹凸透鏡形狀。在第一透鏡510之物側表面512凸出時，第一透鏡510之折射能力可增強。

在根據本發明之第五實施例的光學系統500中，第二透鏡520可具有負(-)光焦度，第二透鏡520之物側表面522可凹入，且第二透鏡520之像側表面524可凸出。

在根據本發明之第五實施例的光學系統500中，第三透鏡530可具有正(+)光焦度，第三透鏡530之物側表面532可凹入，且第三透鏡530之像側表面534可凸出。如上文所描述，第三透鏡530可具有凹凸透鏡形狀，且第三透鏡530之物側表面532及像側表面534中的至少一者可包括至少一個反曲點。本文中，第三透鏡530之厚度可大於第二透鏡520之厚度。

在根據本發明之第五實施例的光學系統500中，第四透鏡540可具有負(-)光焦度，第四透鏡540之物側表面542可凸出，且第四透鏡540之像側表面544可凹入。另外，在第四透鏡540中，物側表面542之曲率半徑的絕對值可大於像側表面544之曲率半徑的絕對值。本文中，第四透鏡540之物側表面542及像側表面544中的至少一者可在與光軸的交叉點除外的位置包括至少一個反曲點。

本文中，第一透鏡510之焦距F1可在0.5mm至10mm之範圍內，且第三透鏡530之焦距的絕對值可大於第二透鏡520之焦距的絕對值。在第五實施例中，第三透鏡530之焦距F3與第一透鏡510之焦距F1的比率(F3/F1)可為0.61。

此外，參看表13，第三距離可小於或等於0.2mm，例如0.1mm，且可小於第一距離及第二距離。

此外，參看表13可以看出，第三透鏡530之折射率常數為1.661，且第三透鏡530與第四透鏡540具有最高的折射率。

[表13]

[表14]

[表15]

圖6A為藉由量測根據第一實施例之光學系統中的波長為840nm、850nm及860nm之光的縱向球面像差而獲得的圖表，圖6B為藉由量測根據第一實施例之光學系統中的波長為840nm、850nm及860nm之光的像散場曲線而獲得的圖表，且圖6C為藉由量測根據第一實施例之光學系統中的波長為840nm、850nm及860nm之光的失真而獲得的圖表。

圖7A為藉由量測根據第二實施例之光學系統中的波長為840nm、850nm及860nm之光的縱向球面像差而獲得的圖表，圖7B為藉由量測根據第二實施例之光學系統中的波長為840nm、850nm及860nm之光的像散場曲線而獲得的圖表，且圖7C為藉由量測根據第二實施例之光學系統中的波長為840nm、850nm及860nm之光的失真而獲得的圖表。

圖8A為藉由量測根據第三實施例之光學系統中的波長為840nm、850nm及860nm之光的縱向球面像差而獲得的圖表，圖8B為藉由量測根據第三實施例之光學系統中的波長為840nm、850nm及860nm之光的像散場曲線而獲得的圖表，且圖8C為藉由量測根據第三實施例之光學系統中的波長為840nm、850nm及860nm之光的失真而獲得的圖表。

圖9A為藉由量測根據第四實施例之光學系統中的波長為840nm、850nm及860nm之光的縱向球面像差而獲得的圖表，圖9B為藉由量測根據第四實施例之光學系統中的波長為840nm、850nm及860nm之光的像散場曲線而獲得的圖表，且圖9C為藉由量測根據第四實施例之光學系統中的波長為840nm、850nm及860nm之光的失真而獲得的圖表。

圖10A為藉由量測根據第五實施例之光學系統中的波長為840nm、850nm及860nm之光的縱向球面像差而獲得的圖表，圖10B為藉由量測根據第五實施例之光學系統中的波長為840nm、850nm及860nm之光的像散場曲線而獲得的圖表，且圖10C為藉由量測根據第五實施例之光學系統中的波長為840nm、850nm及860nm之光的失真而獲得的圖表。

縱向球面像差展示取決於每一波長之縱向球面像差，像散場曲線展示根據影像表面高度的切平面及矢狀面之像差特性，且失真展示根據影像表面高度之失真程度。參考圖6至圖10可以看出，縱向球面像差處於-0.08mm至0.08mm之範圍內，而與波長無關，且像散場曲線處於-0.2mm至0.2mm之範圍內，而與波長無關，且失真處於-2%至2%之範圍內，而與波長無關。

因此，可以看出，根據本發明之實施例的光學系統具有極好的像差特性。

同時，根據本發明之實施例的光學系統可應用於攝影機模組。圖11為應用了根據本發明之一個實施例之光學系統的攝影機模組的截面圖。

參考圖11，攝影機模組1100包括透鏡組合件1110、影像感測器1120及印刷電路板1130。本文中，透鏡組合件1110可包括光學系統1112、鏡身1114、透鏡固持器1116及IR濾光片1118。光學系統1112可對應於參考圖1至圖5所圖示的根據本發明之實施例之光學系統，且IR濾光片1118可對應於圖1至圖5中所圖示的濾光片20。影像感測器1120可對應於圖1至圖5中所圖示的影像感測器10。

構成光學系統1112之複數個透鏡可相對於中心軸對準。本文中，中心軸可與光學系統之光軸相同。

鏡身1114耦接至透鏡固持器1116，且可具備容納透鏡之空間。鏡身1114可以旋轉方式與構成光學系統1112之複數個透鏡耦接，但此僅為例示性的，且鏡身1114可利用另一方法來耦接，該另一方法諸如利用黏接劑(例如，諸如環氧樹脂及其類似者之黏合樹脂)之方法。

透鏡固持器1116可耦接至鏡身1114以支撐鏡身1114，且可耦接至安裝有影像感測器1120之印刷電路板1130。IR濾光片1118可附接至鏡身1114之下部部分的空間可藉由透鏡固持器1116形成。螺旋形圖案可形成於透鏡固持器1116之內部圓周表面上，且類似地，透鏡固持器1116可以旋轉方式耦接至鏡身1114，該鏡身具有形成有螺旋形圖案的外部圓周表面。然而，此僅為例示性的，且透鏡固持器1116及鏡身1114可利用黏接劑彼此耦接，或可一體成形。

透鏡固持器1116可劃分成耦接至鏡身1114之上部固持器1116-1及耦接至安裝有影像感測器1120之印刷電路板1130的下部固持器1116-2，且上部固持器1116-1及下部固持器1116-2可一體成形，可形成於彼此分隔之結構中且接著彼此緊固或耦接，或可具有彼此分離且間隔開的結構。本文中，所形成的上部固持器1116-1之直徑可小於下部固持器1116-2之直徑。

此攝影機模組可為提取深度圖之攝影機模組。

參考圖12，攝影機模組1200包括光輸出單元1210、透鏡單元1220、影像感測器1230、傾斜單元1240及影像處理單元1250。根據本發明之實施例的攝影機模組1200利用飛行時間(ToF)功能提取深度圖，因此在本說明書中，可與ToF攝影機裝置或ToF攝影機模組互換使用。

光輸出單元1210產生輸出光信號，且將產生的輸出光信號輻照至物件。本文中，光輸出單元1210可產生及輸出呈脈衝波或連續波形式的輸出光信號。連續波可呈正弦波或方形波的形式。藉由產生呈脈衝波或連續波形式的輸出光信號，攝影機模組1200可偵測自光輸出單元1210輸出之輸出光信號與在自物件反射之後輸入至攝影機模組1200之輸入光信號之間的相位差。在本說明書中，輸出光可以指自光輸出單元1210輸出及入射於物件上之光，且輸入光可以指自光輸出單元1210輸出、到達物件、自物件反射且隨後輸入至攝影機裝置1200的光。自物件之視角來看，輸出光可為入射光，且輸入光可為反射光。

光輸出單元1210在預定的曝光週期內將產生的輸出光信號輻照至物件。本文中，曝光週期意指一個圖框週期。在產生複數個圖框時，重複預設的曝光週期。例如，在攝影機裝置1200以每秒20個圖框(FPS)來擷取物件之影像時，曝光週期變為1/20秒。又，在產生100個圖框時，曝光週期可重複100次。

光輸出單元1210可產生具有不同頻率的複數個輸出光信號。光輸出單元1210可連續且重複地產生具有不同頻率的複數個輸出光信號。或者，光輸出單元1210可同時產生具有不同頻率的複數個輸出光信號。

為此目的，光輸出單元1210可包括經組態以產生光之光源1212及經組態以調變光之光調變單元1214。

首先，光源1212產生光。由光源1212產生的光可為波長為770nm至3000nm之紅外光，或可為波長為380nm至770nm之可見光。光源1212可使用發光二極體(LED)，且可具有複數個發光二極體以預定圖案配置之形狀。另外，光源1212亦可包括有機發光二極體(OLED)或雷射二極體(LD)。或者，光源1212亦可包括垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)。VCSEL為將電信號轉換成光信號的類型的雷射二極體，且可使用約800nm至1000nm(例如，約850nm或約940nm)之波長。

光源1212在預定時間間隔內重複開啟/關閉，以產生呈脈衝波或連續波形式的輸出光信號。預定時間間隔可為輸出光信號之頻率。光源的開啟/關閉可受光調變單元1214控制。

光調變單元1214控制光源1212的開啟/關閉，使得光源1212產生呈連續波或脈衝波形式的輸出光信號。光調變單元1214可經由頻率調變、脈衝調變或其類似者來控制光源1212，以產生呈連續波或脈衝波形式的輸出光信號。

同時，透鏡單元1220收集自物件反射之輸入光信號，且將收集的光信號傳輸至影像感測器1230。本文中，透鏡單元1220可對應於圖11中所圖示的透鏡組合件1110，且可包含光學系統及IR濾光片。本文中，光學系統可為根據本發明之實施例參考圖1至圖5所圖示的光學系統，且IR濾光片可為圖1至圖5中所圖示的濾光片20。

影像感測器1230利用由透鏡單元1220收集的輸入光信號產生電信號。

影像感測器1230可與開啟/關閉光輸出單元1210之循環同步，以偵測輸入光信號。具體而言，影像感測器1230可偵測與自光輸出單元1210輸出之輸出光信號同相及異相的光。亦即，影像感測器1230可重複執行如下操作：在光源開啟時吸收光輸入信號及在光源關閉時吸收光輸入信號。

接下來，影像感測器1230可利用具有不同相位差之複數個參考信號產生對應於該等參考信號中之每一者的電信號。參考信號之頻率可設定為等於自光輸出單元1210輸出之輸出光信號的頻率。因此，在光輸出單元1210產生具有複數個頻率之輸出光信號時，影像感測器1230分別利用對應於頻率之複數個參考信號產生電信號。電信號可包括與對應於每一參考信號之電壓或電荷量有關的資訊。

圖13為用於描述根據本發明之實施例產生電信號之程序的視圖。如圖13中所圖示，根據本發明之實施例，可提供四個參考信號C1至C4。參考信號C1至C4具有與輸出光信號相同的頻率，但彼此間可具有90°之相位差，自物件之視角來看，該輸出光信號為入射光信號。四個參考信號中之一個參考信號C1可具有與輸出光信號相同的相位。輸入光信號(自物件之視角來看，其為反射光信號)相位延遲達輸出光信號經反射的距離，隨後在入射於物件上之後返回。影像感測器1230將輸入光信號與參考信號中之每一者混合。隨後，影像感測器1230可產生對應於每一參考信號在圖13中之陰影部分的電信號。

按另一實施例，在曝光時間期間產生具有複數個頻率之輸出光信號時，影像感測器1230吸收具有複數個頻率之輸入光信號。例如，假定產生具有頻率f1及f2之輸出光信號，且複數個參考信號彼此間具有90°之相位差。隨後，輸入光信號亦具有頻率f1及f2，因此可經由具有頻率f1之輸入光信號及對應於輸入光信號之四個參考信號來產生四個電信號。另外，可經由具有頻率f2之輸入光信號及對應於輸入光信號之四個參考信號產生四個電信號。因此，可產生總共八個電信號。

影像感測器1230可具有複數個像素配置成柵格形狀之結構。影像感測器1230可為互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器，或可為電荷耦合裝置(CCD)影像感測器。另外，影像感測器1230可包括ToF感測器，該ToF感測器接收自個體反射之IR光，且利用時間或相位差來量測距離。

影像處理單元1250利用自影像感測器1230接收到之電信號計算輸出光與輸入光之間的相位差，且利用相位差計算物件與攝影機模組1200之間的距離。

具體而言，影像處理單元1250可利用關於電信號之電荷量的資訊來計算輸出光與輸入光之間的相位差。

如上文所描述，對於輸出光信號之每一頻率，可產生四個電信號。因此，影像處理單元1250可利用下文等式1計算輸出光信號與輸入光信號之間的相位差td。

其中Q₁至Q₄分別為四個電信號之電荷量。Q₁為對應於相位與輸出光信號相同之參考信號的電信號之電荷量。Q₂為對應於相位自輸出光信號延遲180°之參考信號的電信號之電荷量。Q₃為對應於相位自輸出光信號延遲90°之參考信號的電信號之電荷量。Q₄為對應於相位自輸出光信號延遲270°度之參考信號的電信號之電荷量。

隨後，影像處理單元1250可利用輸出光信號與輸入光信號之間的相位差計算物件與攝影機模組1200之間的距離。此時，影像處理單元1250可利用下文等式2計算物件與攝影機模組1200之間的距離d。

其中c為光速，且f為輸出光之頻率。

圖14為利用四個相位影像獲得ToF-IR影像或深度影像之方法之實例的簡化圖。

參考圖14，深度影像1可藉由連續地提取相位0°之相位影像1、相位90°之相位影像2、相位180°之相位影像3及相位270°之相位影像4來獲得，且深度影像2可藉由連續地提取相位0°之相位影像5、相位90°之相位影像6、相位180°之相位影像7及相位270°之相位影像8來獲得。

同時，為提高深度影像之解析度，根據本發明之實施例的攝影機模組可使用超解析度(SR)技術。SR技術為自複數個低解析度影像獲得高解析度影像之技術，且SR技術之數學模型可由下文等式3表示。

[等式3]y _k=D _k B _k M _k x+n _k

其中1

k

p，p表示低解析度影像的數量，y_k表示低解析度影像(=[y_k,1,y_k,2,...,y_k,M]^T；其中M=N₁*N₂)，D_k表示下取樣矩陣，B_k表示光學模糊矩陣，M_k表示影像變形矩陣，x表示高解析度影像(=[x₁,x₂,...,x_N]^T；其中N=L₁N₁*L₂N₂)，且n_k表示雜訊。亦即，根據SR技術，對y_k應用估計的解析度降級因子之逆函數，以估計x。SR技術可主要劃分成統計學方法及多圖框方法，且多圖框方法可主要劃分成分空間方法及分時方法。

為了應用SR技術來提取深度圖，影像處理單元1250可利用自影像感測器1230接收到之電信號產生複數個低解析度子圖框，隨後利用複數個低解析度子圖框提取複數個低解析度深度圖。另外，高解析度深度圖可藉由重排複數個低解析度深度圖之像素值來進行提取。

本文中，高解析度係一種相對的意義，其指示高於低解析度之一解析度。

本文中，子圖框可以指自對應於一個曝光週期及一個參考信號之電信號產生的影像資料。例如，在利用一個影像圖框(亦即第一曝光週期)中之八個參考信號產生電信號時，可產生八個子圖框，且可另外產生一個開始圖框。在本說明書中，術語「子圖框」可與諸如「影像資料」、「子圖框影像資料」及其類似者之術語互換使用。

或者，為了應用根據本發明之實施例的SR技術以提取深度圖，影像處理單元1250可利用自影像感測器1230接收到之電信號產生複數個低解析度子圖框，隨後重排低解析度子圖框之像素值，以產生複數個高解析度子圖框。另外，高解析度子圖框可用以提取高解析度深度圖。

為此目的，可使用像素移位技術。亦即，利用像素移位技術逐子圖框獲得移位達若干子像素之多個影像的資料，隨後將SR技術應用於每一子圖框，以獲得複數個高解析度子圖框影像之資料，且資料可用以提取高解析度深度影像。為了像素移位，根據本發明之實施例的攝影機裝置1200進一步包括傾斜單元1240。

再次參考圖12，傾斜單元1240以影像感測器1230之子像素為單位改變輸出光信號及輸入光信號中的至少一者的光路徑。本文中，子像素可為大於零像素且小於一個像素之單位。

傾斜單元1240針對每一影像圖框改變輸出光信號及輸入光信號中的至少一者的光路徑。如上文所描述，對於每一曝光週期，可產生一個影像圖框。因此，在一個曝光週期結束時，傾斜單元1240改變輸出光信號或輸入光信號中的至少一者的光路徑。

傾斜單元1240基於影像感測器1230改變輸出光信號或輸入光信號中的至少一者的光路徑達子像素單位。本文中，傾斜單元1240在相對於當前光路徑向上、向下、向左及向右的方向中之一者上改變輸出光信號或輸入光信號中的至少一者之光路徑。

圖15A為用於描述由傾斜單元改變的輸入光信號之光路徑的視圖，且圖15B為用於描述藉由在影像感測器中以子像素為單位移動像素來內插輸入光資料的視圖。

在圖15A中，由實線指示之部分表示輸入光信號之當前光路徑，且由點線指示之部分表示改變後的光路徑。在對應於當前光路徑之曝光週期結束時，傾斜單元1240可將輸入光信號之光路徑改變成點線狀。輸入光信號之路徑隨後自當前光路徑移位達若干子像素。例如，在傾斜單元1240如圖15A中所示使當前光路徑向右傾斜0.173°時，入射於影像感測器1230上之輸入光信號可向右移動達若干子像素。

根據本發明之實施例，傾斜單元1240可使輸入光信號之光路徑自參考位置在順時針方向上改變。例如，如圖15B中所圖示，在第一曝光週期結束之後，在第二曝光週期中，傾斜單元1240基於影像感測器1230使輸入光信號之光路徑在向右方向上移動達若干子像素。另外，在第三曝光週期中，傾斜單元1240基於影像感測器1230使輸入光信號之光路徑在向右方向上移動達若干子像素。另外，在第四曝光週期中，傾斜單元1240基於影像感測器1230使輸入光信號之光路徑在向右方向移動達若干子像素。另外，在第五曝光週期中，傾斜單元1240基於影像感測器1230使輸入光信號之光路徑在下游方向上移動達若干子像素。以此方式，傾斜單元 1240可在複數個曝光週期內以子像素為單位移動輸入光信號之光路徑。此情形可類似地應用於輸出光信號之光路徑的移位，因此其詳細描述將被省略掉。另外，光路徑在順時針方向上改變的模式僅為一個實例，且光路徑可在逆時針方向上改變。如上文所描述，在傾斜單元1240以子像素為單位移動輸入光信號之光路徑時，資訊可以子像素為單位進行內插，因此有可能即使在一個週期內同時接收到四個相位信號時也能維持高解析度。

本文中，如圖15A中所示，根據一個實施例，傾斜單元1240藉由控制IR濾光片之斜度來移位輸入光信號，因此可獲得移位達若干子像素之資料。為此目的，傾斜單元1240可包括直接地或間接地連接至IR濾光片之致動器，且致動器可包括微機電系統(MEMS)、音圈馬達(VCM)及壓電元件中的至少一者。

然而，本發明不限於此，且圖15B中所描述之藉由在影像感測器中以子像素為單位移動像素來內插輸入光資料之方法可以軟體的形式實現。

根據本發明之實施例的攝影機模組可嵌入於諸如智慧型電話、平板個人電腦(PC)、膝上型電腦、個人數位助理(PDA)及其類似者之攜帶型終端機中。

儘管上文已描述該等實施例，但該等實施例僅為實例，且並不意欲限制本發明，且可以看出，一般熟習此項技術者可在不脫離實施例之基本特徵的情況下進行上文未述之多種修改及應用。例如，可以實現實施例中所描述之元件的修改版本。此外，修改及應用所涉及到的差異應包括於申請專利範圍中所限定的本發明範疇中。