CN102401978B

CN102401978B - 摄像装置和移动信息终端

Info

Publication number: CN102401978B
Application number: CN201110261692.1A
Authority: CN
Inventors: 米山一也; 筱原义和; 野田隆行; 荻野辰之; 富冈领子
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Tianjin OFilm Opto Electronics Co Ltd
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2031-09-06
Also published as: US8908082B2; JP2012058407A; CN102401978A; US20120057071A1

Abstract

提供一种具有短的长度和小的像差的摄像装置。成像光学系统的总长度D小于3.6mm。主光线在成像平面上的最大入射角超过33°。条件f/fL＜-1.50或f/fL＜-0.9以及条件D/f＜1.10被满足，其中f表示整个成像光学系统的焦距，fL表示最后的透镜的焦距。

Description

摄像装置和移动信息终端

技术领域

本发明涉及设置有成像光学系统和图像传感器的摄像装置，以及结合有该摄像装置的移动信息终端。

背景技术

数字摄像机已经结合到各种移动装置中，例如移动电话和PDA。此外，数字摄像机已经广泛用于电视电话和车载摄像机或船载摄像机，允许驾驶者监控车辆的内部或外部的图像。数字摄像机具有摄像装置和外围电路装置。摄像装置是成像光学系统和固态图像传感器的单元。固态图像传感器光电地转换由成像光学系统形成的目标图像。外围电路装置驱动固态图像传感器并从固态图像传感器读取成像信号和对成像信号进行各种信号处理，以获取数字图像信号。然后外围电路装置存储数字图像信号。

例如，对于将数字摄像机结合到通常用作移动信息终端的移动电话或PDA中，它相对容易地使用各种安装技术减小外围电路装置的宽度。另一方面，在不影响它的光学性能的情况下它难以减小摄像装置的宽度。通过减小成像光学系统的总长度，能够容易地减小摄像装置的宽度。然而，当成像光学系统具有短的宽度时，在成像平面上，离开光轴的每个点上的主光线的入射角变得大于具有长焦距的成像光学系统。这是由于孔径光阑平面和成像平面之间的短几何距离，并且由于光学设计的限制，这是不可避免的。

另一方面，前侧照射型CMOS传感器(front side illumination CMOSsensor)通常用作固态图像传感器，具有配置在它的入射表面上的微透镜。因此，每个像素的开口率(aperture efficiency)被提高，以尽量将成像光引导到它的光电转换部分。因此，与没有微透镜的图像传感器相比，前侧照射型CMOS传感器的开口率和光电转换率被提高。前侧照射型CMOS传感器光电和高效地转换垂直入射光。然而，因为光电转换部分位于配线层的下方，在倾斜入射光到达光电转换部分之前，倾斜入射光被配线层反射或泄漏到相邻的像素。因此，倾斜入射光不能对像素的光电转换有贡献。当光垂直地入射在成像表面上时，每个像素具有最高的光电转换效率。如果设定垂直入射光的转换效率为100％，那么以20°数量级的角度入射的光的光电转换效率急剧地减小到35％的数量级。当入射角超过30°的数量级时，大部分光被配线层反射或阻挡或者泄漏到相邻的像素中。因此，光电转换效率减小到垂直入射的5％。

如上所述，因为在前侧照射型CMOS传感器的每个像素中光电转换部分位于配线层的下方，因此光漫射角(light diffusion angle)的容许范围就小。当入射的角度(入射角)大于竖直入射角(＝0°)时，光立刻泄漏到相邻的像素中。因此，灵敏度被降低。随着靠近图像的周边，具有大入射角的光增加。结果，在图像的周边能够用于光电转换的光就减少。因此，与它的屏幕中心相比，图像的周边区域变得相对地暗。换言之，CMOS传感器不能基于由光学系统担保的由开口率表示的亮度来再现图像。通常，具有暗的周边部分的图像通过后来的图像处理来校正。然而，这种校正导致信噪比(SN ratio)的恶化。当过分地校正极其暗的图像时，信噪比的恶化超过容许范围，并且因此导致图像不可用。在彩色CMOS传感器中，泄漏到相邻像素中的光导致颜色混合。颜色混合也能够在图像处理中校正。这种校正也导致信噪比的恶化。当过分地校正具有过度的颜色混合的图像时，信噪比的恶化超过容许范围，并且因此导致图像不可用。由于这些原因，前侧照射型CMOS传感器不适用于小型摄像装置。

为了校正图像周边的主光线的入射角，微透镜的节距可以设定成小于像素节距(即所谓的缩放比例)。理想地，主光线的角度被校正为等于垂直入射角的零度。因此，图像的周边的照射变暗被降低。然而，在实际中，缩放比例不是优选的，不足以解决该问题。微透镜具有导致光损的像差。另外，微透镜缩放比例不能良好地配合光学器件，因为主光线角变化(chief ray angle variation)随图像高度不是线性的。当主光线角变大时，该瑕疵变得相当明显。由于该原因，用于当前的摄像装置的光学系统可选地设计成主光线在成像表面上的入射角被限制为大致30°或更小，如美国专利申请公开公报No.2007/0070525(对应于日本专利公开公报No.2007-122007)，美国专利申请公开公报No.2008/0266676(对应于日本专利公开公报No.2008-268946)和美国专利申请公开公报No.2008/0180814(对应于日本专利公开公报No.2008-185687)所披露。

由于对固态图像传感器的结构限制，传统的成像光学系统需要将主光线在光学系统的成像平面上的最大入射角设定成30°的数量级。光学系统的成像平面与固态图像传感器的入射表面一致。光学系统的总长度为4mm或更大，如美国专利申请公开公报No.2007/0070525和No.2008/0266676所披露。因此，需要进一步减薄摄像装置。美国专利申请公开公报No.2008/0180814中披露的光学系统的总长度(具有等同的空气距离或减小的距离)减小到3.2mm的数量级。然而，主光线在成像平面上的入射角需要小于30°的数量级，这导致分辨率不够和小的图像尺寸。因此，传统的图像传感器具有受限的应用和缺少通用性。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种具有小尺寸的，特别地，厚度(成像光学系统的最前部平面和入射平面之间的距离)减小的便于安装到移动信息终端的摄像装置。

本发明的另一个目的是提供一种具有优良光学性能的摄像装置。

为了实现上述和其它目的，本发明的摄像装置包括成像光学系统，所述成像光学系统由两个或更多个透镜构成；和固态图像传感器，所述固态图像传感器用于捕获形成在成像光学系统的成像平面上的图像。成像光学系统的最前部平面和成像平面之间的距离小于3.6mm。入射在成像平面上的主光线的最大入射角超过33°。当主光线的最大入射角超过33°时，成像光学系统的总长度能够进一步缩短，同时各种像差被抑制。因此，成像光学系统的最前部平面和成像平面之间的距离能够减小到3.3mm的数量级

更优选地，当主光线的最大入射角超过45°时，成像光学系统的总长度能够进一步缩短，同时各种像差被抑制。因此，成像光学系统的最前部平面和成像平面之间的距离能够减小到3.0mm的数量级。

优选地，满足f/fL＜-1.50，其中“f”表示整个成像光学系统的焦距，并且“fL”表示最后的透镜的焦距。成像光学系统的最前部平面不局限于透镜表面。最前部平面可以是孔径光阑平面。当没有光焦度的平行平板(例如滤色板)被包括在成像光学系统中时，平行平板的厚度可以转换成等效的空气距离或减小的距离，以便计算最前部平面和成像平面之间的总长度。

在本发明的优选实施例中，满足f/fL＜-1.50并且D/f＜1.10。“D”表示成像光学系统的最前部平面和成像平面之间的距离。“f”表示整个成像光学系统的焦距。“fL”表示最后的透镜的焦距。由于总共由三个或四个透镜构成的透镜结构，因此距离D小于3.6mm。

非常优选地，用在本发明中的固态图像传感器具有利用有机光电转换层来光电地转换目标光的功能。在该情况中，固态图像传感器允许光在成像表面的最大入射角超过33°，并且在成像光学系统中不需要IR截止过滤器。为了增加最大入射角，使之大于33°，可以使用背侧照射型(backside illumination type)的固态图像传感器。上述的摄像装置能够合适地结合到移动信息终端中，特别是移动电话中。摄像装置能够结合到内窥镜设备、个人计算机、TV等中。摄像装置能够广泛用于人类检测和图像验证。

本发明的摄像装置具有优良的成像性能，即使与传统装置相比主光线在成像平面上的最大入射角增加时也能够实现优良的成像性能，同时实现了小型化。因此，本发明的摄像装置用于各种设备(例如家用电器)和移动信息终端中。

附图说明

当结合附图来阅读时，根据下述优选实施例的详细说明，本发明的的上述和其它目的和优点将变得显然，其中在几个视图中相同参考标记表示相似或对应的部件，其中：

图1A是结合有本发明的摄像装置的移动电话的前视图；

图1B是图1A中显示的移动电话的后视图；

图2A是有机CMOS传感器的示意剖视图；

图2B是背侧照射型CMOS传感器的示意剖视图；

图2C是前侧照射型CMOS传感器的示意剖视图；

图3是显示成像平面上的图像高度和入射角之间的关系图表；

图4是显示IR(红外)截止过滤器的光谱透射率的图表；

图5是根据本发明的实施例1的成像光学系统的透镜结构；

图6是显示根据实施例1的成像平面上的图像高度和入射角之间的关系图表；

图7A显示根据实施例1的成像光学系统的非球面像差；

图7B显示根据实施例1的成像光学系统的像散；

图7C显示根据实施例1的成像光学系统的畸变；

图8显示根据本发明的实施例2的成像光学系统的透镜结构；

图9是显示根据实施例2的成像平面上的图像高度和入射角之间的关系图表；

图10A显示根据实施例2的成像光学系统的球面像差；

图10B显示根据实施例2的成像光学系统的像散；

图10C显示根据实施例2的成像光学系统的畸变；

图11显示根据本发明的实施例3的成像光学系统的透镜结构；

图12是显示根据实施例3的成像平面上的图像高度和入射角之间的关系图表；

图13A显示根据实施例3的成像光学系统的球面像差；

图13B显示根据实施例3的成像光学系统的像散；

图13C显示根据实施例3的成像光学系统的畸变；

图14显示根据本发明的实施例4的成像光学系统的透镜结构；

图15是显示根据实施例4的成像平面上的图像高度和入射角之间的关系图表；

图16A显示根据实施例4的成像光学系统的球面像差；

图16B显示根据实施例4的成像光学系统的像散；

图16C显示根据实施例4的成像光学系统的畸变；

图17显示根据本发明的实施例5的成像光学系统的透镜结构；

图18是显示根据实施例5的成像平面上的图像高度和入射角之间的关系图表；

图19A显示根据实施例5的成像光学系统的球面像差；

图19B显示根据实施例5的成像光学系统的像散；

图19C显示根据实施例5的成像光学系统的畸变；

图20显示根据本发明的实施例6的成像光学系统的透镜结构；

图21是显示根据实施例6的成像平面上的图像高度和入射角之间的关系图表；

图22A显示根据实施例6的成像光学系统的球面像差；

图22B显示根据实施例6的成像光学系统的像散；

图22C显示根据实施例6的成像光学系统的畸变；

图23显示根据本发明的实施例7的成像光学系统的透镜结构；

图24是显示根据实施例7的成像平面上的图像高度和入射角之间的关系图表；

图25A显示根据实施例7的成像光学系统的球面像差；

图25B显示根据实施例7的成像光学系统的像散；

图25C显示根据实施例7的成像光学系统的畸变；

图26显示根据本发明的实施例8的成像光学系统的透镜结构；

图27是显示根据实施例8的成像平面上的图像高度和入射角之间的关系图表；

图28A显示根据实施例8的成像光学系统的球面像差；

图28B显示根据实施例8的成像光学系统的像散；

图28C显示根据实施例8的成像光学系统的畸变；

图29显示根据本发明的实施例9的成像光学系统的透镜结构；

图30是显示根据实施例9的成像平面上的图像高度和入射角之间的关系图表；

图31A显示根据实施例9的成像光学系统的球面像差；

图31B显示根据实施例9的成像光学系统的像散；

图31C显示根据实施例9的成像光学系统的畸变；

图32显示根据本发明的实施例10的成像光学系统的透镜结构；

图33是显示根据实施例10的成像平面上的图像高度和入射角之间的关系图表；

图34A显示根据实施例10的成像光学系统的球面像差；

图34B显示根据实施例10的成像光学系统的像散；

图34C显示根据实施例10的成像光学系统的畸变；

图35显示根据本发明的实施例11的成像光学系统的透镜结构；

图36是显示根据实施例11的成像平面上的图像高度和入射角之间的关系图表；

图37A显示根据实施例11的成像光学系统的球面像差；

图37B显示根据实施例11的成像光学系统的像散；

图37C显示根据实施例11的成像光学系统的畸变；

图38显示根据本发明的实施例12的成像光学系统的透镜结构；

图39是显示根据实施例12的成像平面上的图像高度和入射角之间的关系图表；

图40A显示根据实施例12的成像光学系统的球面像差；

图40B显示根据实施例12的成像光学系统的像散；

图40C显示根据实施例12的成像光学系统的畸变；

图41显示根据本发明的实施例13的成像光学系统的透镜结构；

图42是显示根据实施例13的成像平面上的图像高度和入射角之间的关系图表；

图43A显示根据实施例13的成像光学系统的球面像差；

图43B显示根据实施例13的成像光学系统的像散；

图43C显示根据实施例13的成像光学系统的畸变；

图44显示根据本发明的实施例14的成像光学系统的透镜结构；

图45是显示根据实施例14的成像平面上的图像高度和入射角之间的关系图表；

图46A显示根据实施例14的成像光学系统的球面像差；

图46B显示根据实施例14的成像光学系统的像散；和

图46C显示根据实施例14的成像光学系统的畸变。

具体实施方式

在图1A中显示移动电话，一旦使用操作部分4输入操作，操作菜单就显示在显示屏幕2上。操作部分4设置在显示屏幕2的下方。显示屏幕2是触摸屏。可以通过敲击显示屏幕2上显示的屏幕信息来执行操作，例如报号呼叫。

在图1B中，拍摄窗口3设置在移动电话的后面上。移动电话在拍摄窗口3后面结合有摄像装置5。当通过敲击显示屏幕2将移动电话设定成摄像机模式时，通过拍摄窗口3被摄像装置5拍摄的图像作为直通图像(through image)实时显示在显示屏幕2上。操作者确定取景，同时观看该直通图像。通过释放操作，静止图像被拍摄。在摄像机模式中，当选择视频模式时，拍摄移动图像。摄像装置5由固态图像传感器和成像光学系统构成，其在大致矩形壳体5a中。固态图像传感器以裸芯片形式安装在柔性基板上。成像光学系统定位在固态图像传感器的前方。固态图像传感器包括壳体5a的总厚度在几个mm至8mm的数量级中。摄像装置5结合到移动电话的壳体中。

摄像装置5中使用的固态图像传感器由CMOS图像传感器(CMOS传感器)构成，该CMOS图像传感器光电地转换入射通过成像光学系统的目标光。一种有机CMOS传感器，例如“FUJIFILM RESEARCH&DEVELOPMENT”(No.55-2010)中公开的，用作该CMOS传感器。在本发明中，背侧照射型CMOS传感器可以用于提高灵敏度。

在图2A中显示有机CMOS传感器，微彩色过滤器层6由以预定图案(例如拜尔布置)布置的蓝色透射过滤器、绿色透射过滤器和红色透射过滤器构成。图2A至2C中的“P”对应于一个像素。

在有机CMOS传感器中，配线层8设置在半导体基板7上方，半导体基板7设置有读取电路(未图示)。像素电极9设置在配线层8的上方。有机光电转换层10设置在像素电极9的上方。透明的反电极12设置在有机光电转换层10的上方。配线层8包括电网络，例如开关电路或放大电路，用于通过像素电极9读取以像素单位获得的图像信号。这些电路通过设置在配线层8中的连接部分14相互电连接。透明保护层13形成在反电极(counterelectrode)12的上方。微彩色过滤器层(microcolor filter layer)6形成在保护层13上。

图2B中显示的背侧照射型CMOS传感器设置有在半导体基板7中的基于像素的光电转换部分11。光电转换部分11由硅光电二极管构成。在光电转换部分11上方，钝化膜15和微彩色过滤器层6从光电转换部分11开始依序形成。微透镜阵列16形成在微彩色过滤器层6上，使得微透镜阵列16的微透镜分别覆盖微彩色过滤器层6上的像素。配线层8设置在光电转换部分11的下方(与入射表面相对)。配线层8包括开关电路，用于以像素单位读取成像信号。

图2C中显示的前侧照射型CMOS传感器设置有在半导体基板7中的光电转换部分11，该光电转换部分11由硅光电二极管构成。在半导体基板7的上方，配线层8、钝化膜15和微彩色过滤器层6从半导体基板7开始依序形成。微透镜阵列16形成在微彩色过滤器层6上，使得微透镜阵列16的微透镜分别覆盖微彩色过滤器层6上的像素。

从图2A至图2C可以看出，在有机CMOS传感器和背侧照射型CMOS传感器的每个中，有机光电转换层10或光电转换部分11设置在配线层8的上方。有机光电转换层10的顶表面和光电转换部分11的顶表面的每个是靠近对应的CMOS传感器的入射表面定位的光接收表面。另一方面，在前侧照射型CMOS传感器中，光电转换部分11的顶表面是光接收表面，定位在配线层8的下方。在有机CMOS传感器中，具有光电转换功能的有机光电转换层10的厚度是0.5μm。在背侧照射型CMOS传感器和前侧照射型CMOS传感器的每个中，由硅光电二极管构成的光电转换部分11在深度方向上的厚度是5μm的数量级。

通过将光电转换部分11的光接收表面放置在配线层8的上方，与前侧照射型CMOS传感器相比，有机CMOS传感器和背侧照射型CMOS传感器具有更高的灵敏度和更少的入射光线损失。在光到达光接收表面之前，防止入射光被配线层8反射或阻挡。因此，防止对倾斜入射光的灵敏度的恶化。当有机光电转换层10或光电转换部分11在深度方向上的厚度T减小时，防止光泄漏到相邻像素的光电转换部分11，而与光是否垂直地或倾斜地透射过微彩色过滤器层6无关。结果，颜色混合被防止。为了防止颜色混合，图2B显示的背侧照射型CMOS传感器需要微透镜阵列16充分地折射倾斜入射光，使得光尽可能地垂直地进入微彩色过滤器层6。另一方面，图2A显示的有机CMOS传感器不需要微透镜阵列16。

在图2B和2C显示的背侧照射型CMOS传感器和前侧照射型CMOS传感器中，当光相对于微彩色过滤器层6的法线以大于或等于30°的角度入射时，入射在像素的光电转换部分11上的光的百分比就急剧下降，即使使用合适的微透镜阵列16。图3显示相对灵敏度急剧地降低。入射的角度(入射角)0°对应于垂直(法线)入射。“M3”表示前侧照射型CMOS传感器的灵敏度性能。与垂直入射光相比，以±20°的数量级的入射角的入射百分比下降到35％的数量级。大致±30°的入射角是入射的限值。

“M2”表示背侧照射型CMOS传感器的灵敏度特性。当入射角是±20°的数量级，相对于垂直入射光，对入射光的灵敏度(相对灵敏度)降低到大致50％。对入射光的相对灵敏度保持在大约25％，即使在±30°的入射角处。因此，背侧照射型CMOS传感器优于前侧照射型CMOS传感器。“M1”表示有机CMOS传感器的灵敏度特性。有机CMOS传感器显示为如同余弦曲线MO的高灵敏度特性，这是理论限制。实际上，有机CMOS传感器在大约±45°的入射角处具有足够的灵敏度。这是因为有机光电转换层10具有小厚度，并且靠近入射表面放置。

如上所述，有机CMOS传感器的灵敏度特性显著地优于背侧照射型CMOS传感器，并且全面地优于前侧照射型CMOS传感器。在上述三种类型的CMOS传感器中，有机CMOS传感器具有最好的灵敏度特性。为了实施本发明，相对于垂直入射光的灵敏度，在±30°的入射角处的相对灵敏度仅需要大于或等于20％。当在之后的图像处理中执行黑点校正时，在±30°的入射角处具有低于20％的相对灵敏度的固态图像传感器不能容许信噪比的恶化。结果，图像品质被显著恶化。优选地，使用在±30°的入射角处具有超过50％的相对灵敏度的固态图像传感器。因此，具有图2C所示的灵敏度特性的前侧照射型CMOS传感器不合适。另一方面，能够在实际中使用背侧照射型CMOS传感器。

由于对IR区域灵敏，前侧照射型CMOS传感器通常将IR截止过滤器结合到它的成像光学系统中。具有多层的共用的IR截止过滤器具有光谱透射率，该光谱透射率例如在图4中用“T0”表示。垂直入射光的光谱透射率“T0”的半值设定为650nm的数量级。然而，倾斜入射光造成波长移动。透射率特性根据入射角改变。在图4中，“T1”表示在20°的入射角处的透射特性。“T2”表示在30°的入射角处的透射特性。“T3”表示在40°的入射角处的透射特性。波长移动导致颜色阴影(color shading)。在颜色阴影的现象中，图像中心区域的颜色不同于周边图像区域的颜色，在前述图像中心区域中入射角小，在前述周边图像区域中入射角大。为了防止颜色阴影，前侧照射型CMOS传感器需要限制主光线入射在成像平面上的最大入射角，特别地根据其特性，限制为25°至30°。

另一方面，本发明的摄像装置突破了传统设计的限制，并且将主光线的最大入射角增加成大于或等于33°，以实现总长度小于3.6mm的成像光学系统。通过进一步地将最大入射角增大成大于或等于40°，总长度减小到3.3mm的数量级。更优选地，通过将最大入射角增大成大于或等于45°，总长度减小到3.0mm的数量级。这里，成像光学系统的总长度是指成像光学系统的最前部平面和成像平面之间的距离。优选地，改善与成像光学系统一起使用的固态图像传感器，以便即使主光线的最大入射角增加，也不泄漏光到相邻的像素，如参照图2和图3所述。由于此原因，对于本发明的摄像装置，图2A中所示的有机CMOS传感器和图2B中所示的背侧照射型图像传感器是合适的。

具体地，有机CMOS传感器能够显著地减小在IR区域内的灵敏度，如图4所示的光谱透射率的虚线所示。因此，在实际应用中，不需要将IR截止过滤器结合到成像光学系统中。因此，消除了颜色阴影，并且通过省去IR截止过滤器来降低制造成本。

在本发明的成像光学系统中，由两个或更多个透镜构成的成像光学系统的总长度D小于3.60mm，更优选地3.50mm，主光线在成像平面上的最大入射角超过33°。这里，主光线是指穿过光学孔径光阑平面的中心并到达成像平面的光线。成像光学系统的总长度D是指当孔径光阑平面定位在成像光学系统的最前端时孔径光阑平面和成像平面之间的距离。当成像光学系统包括没有光焦度的平行平板时，根据它的折射率和厚度，平行平板的厚度转换成等效的空气距离或减小的距离，以计算总长度D。

当本发明的成像光学系统由四个透镜构成时，满足条件f/fL＜-1.50，其中“f”表示整个成像光学系统的焦距，“fL”表示最后的(最靠近固态图像传感器的、具有光焦度的)透镜的焦距。如果不满足该条件，就难以在保持光学性能(例如分辨率)的同时减小成像光学系统的总长度D。实际地，优选地，给该条件设定如下的下限值：-3.00＜f/fL＜-1.5。当该值f/fL小于下限值时，最后的透镜的负光焦度变得过强而不能保持光学性能。

此外，有效地，满足条件D/f＜1.10，其中“D”表示成像光学系统的总长度，“f”表示整个成像光学系统的焦距。当总长度D缩短但不满足该条件时，摄像机视角变得过广，这对于通常使用的光学规范不是优选的。当设定下限时，优选地，设定如下条件：0.80＜D/f＜1.10。当值D/f小于下限值时，每个透镜的光焦度变得过强而不能校正像差。

当本发明的成像光学系统由三个透镜构成时，优选地，满足条件公式f/fL＜-0.90。当不满足该条件公式光学性能恶化。更优选地，满足具有下限的条件公式-2.00＜f/fL＜-0.90。当f/fL的值小于该下限时，最后的透镜的负光焦度变得过强而不能保持光学性能。在三个透镜结构和四个透镜结构中，优选地，最后的透镜在成像平面侧的表面相对于成像平面在光轴周围是凹的。因此，它变得容易将f/fL保持在合适的值。

下面，通过示例来说明本发明的具体实施例。在实施例1-8中，成像光学系统由四个透镜构成。在实施例9至14中，成像光学系统由三个透镜构成。实施例1-14的典型数字数据显示在表1中。对比示例1-6的数字数据也显示在表1中，用于参考。对比示例1和2分别是美国专利申请公开公报No.2007/0070525的实施例1和2。对比示例3和4分别是美国专利申请公开公报No.2008/0266676的实施例1和4。对比示例5和6分别是美国专利申请公开公报No.2008/0180814的实施例4和7。在上述实施例中，说明了三个透镜的结构和四个透镜的结构。本发明还可应用到具有五个或更多个透镜的结构。在该情况中，能够应用与四个透镜结构相同的数字范围。

[表1]

“E”是用于“实施例”的缩写。“CE”是用于“对比示例”的缩写。列(1)表示透镜的数量。列(2)表示是否使用过滤器。“Y”表示使用了过滤器。“N”表示没有使用过滤器。列(3)表示成像光学系统的实际总长度。列(4)表示具有等效空气距离的总长度。列(5)表示f值。

下面，参照显示透镜数据和非球面系数的表、显示成像光学系统的基本结构的图、显示入射在成像平面上的图像高度的位置上的主光线(P)的入射角和从主光线的上方(U)和下方(L)入射的光线的入射角的图表、和对应实施例的像差图，来说明实施例1-14和对比示例1-6。在显示成像光学系统的基本结构的附图中，从物侧开始透镜依序指定为“G1”、“G2”、“G3”和“G4”。“S”表示孔径光阑平面。“P”表示成像平面。IR截止过滤器FL由平行平板构成，并且对成像性能不起贡献。在球面像差图表中，“F”表示对应于波长为486nm的F线的特性。“d”表示对应于波长为588nm的d线的特性。“C”表示对应于波长为656nm的C线的特性。在像散图中，“s”表示弧矢特性，并且“t”表示切向特性。

在本发明的每个实施例中，透镜的所有表面是非球面的。在透镜数据中，每个表面的曲率半径是指近轴曲率半径。在非球面系数的表中，每个非球面系数A(i)和值K由下面显示的公式表示。表中的字母“E”表示为底10的幂指数的随后的数值。

下面的公式表示上述非球面形状。

Z(h)＝C·h²/{1+(1-K·C²·h²)^1/2}+∑A(i)·hⁱ

公式中的每个字母表示如下：

Z：非球面的表面的深度(mm)，

h：光轴和透镜表面之间的距离(高度)(mm)，

K：二次曲线常数，

C：近轴曲率＝1/R，

R：近轴曲率半径，

Ai：第i(“i”是大于或等于3的整数)个非球面系数。

下面的实施例说明用于本发明的成像光学系统。对于共用在这些实施例中的固态图像传感器，相对于垂直入射，它在±30°的入射角处的相对灵敏度需要大于或等于20％。更具体地，使用有机CMOS传感器或背侧照射型CMOS传感器。光电转换部分11不局限于有机光电转换层10。更优选地，光电转换部分11在±30°的入射角处的相对灵敏度超过50％。

[实施例1]

实施例1的成像光学系统具有图5所示的结构。表2和3分别显示透镜数据和非球面系数。图6显示表示在成像平面上的图像高度和入射角之间的关系的图表。图7A-7C是像差图：图7A显示球面像差图；图7B显示像散图；图7C显示畸变图。

[表2]

[表3]非球面系数

在实施例1中，成像光学系统的实际总长度为3.382mm。然而，当IR截止过滤器的厚度转换成等效的空气距离时，总长度D为3.303mm。因此，总长度D满足条件D＜3.6mm。主光线在成像平面的周边部分上的最大入射角为大约36.8°，因此满足预定条件。在实施例和对比示例的每个中，主光线在成像平面上的最大入射角在表1中表示为“CRA”(“chief rayangle(主光线角)”的缩写)。如表1所示，整个成像光学系统的焦距“f”是3.09mm。最后的透镜G4的焦距“fL”是-1.860mm。因此，值“f/fL”是-1.661(＜-1.50)。值“D/f”是1.068(＜1.10)。因此，值f/fL和D/f满足预定条件。

[实施例2]

实施例2的成像光学系统具有图8所示的结构。表4和5分别显示透镜数据和非球面系数。在该实施例中，难以描述孔径光阑，因为孔径光阑与成像平面侧的第一透镜G1的表面大致一致，因此，在图8中省去了孔径光阑的显示。图9显示表示在成像平面上的图像高度和入射角之间的关系的图表。图10A-10C是像差图：图10A显示球面像差图；图10B显示像散图；图10C显示畸变图。

[表4]

[表5]非球面系数

在实施例2中，成像光学系统的实际总长度为3.008mm。因为在成像光学系统中没有IR截止过滤器，因此，实际总长度(总长度D)满足条件D＜3.6mm。主光线在成像平面的周边部分上的最大入射角为大约45.8°(＞33°)，因此满足预定条件。如表1所示，整个成像光学系统的焦距f为3.00mm。最后的透镜G4的焦距fL为-1.914mm。值f/fL为-1.567(＜-1.50)。值D/f为1.002(＜1.10)。因此，值f/fL和D/f满足预定条件。

[实施例3]

实施例3的成像光学系统具有图11所示的结构。表6和7分别显示透镜数据和非球面系数。图12显示表示在成像平面上的图像高度和入射角之间的关系的图表。图13A-13C是像差图：图13A显示球面像差图；图13B显示像散图；图13C显示畸变图。

[表6]

[表7]非球面系数

在实施例3中，成像光学系统的实际总长度是3.129mm。因为在成像光学系统中没有IR截止过滤器，因此实际的总长度(总长度D)满足条件。主光线在成像平面的周边部分的最大入射角为大约45.5°(＞33°)。如表1所示，整个成像光学系统的焦距f是3.01mm。最后的透镜G4的焦距fL为-1.878mm。值f/fL是-1.603(＜-1.50)。值D/f是1.040(＜1.10)。因此，值f/fL和D/f满足预定条件。

[实施例4]

实施例4的成像光学系统具有图14所示的结构。表8和9分别显示透镜数据和非球面系数。图15显示表示在成像平面上的图像高度和入射角之间的关系的图表。图16A-16C是像差图：图16A显示球面像差图；图16B显示像散图；图16C显示畸变图。

[表8]

[表9]非球面系数

在实施例4中，成像光学系统的实际总长度是3.205mm。成像光学系统包括IR截止过滤器FL。当IR截止过滤器的厚度转换成它的等效的空气距离时，总长度D是3.127mm，因此满足条件D＜3.6mm。主光线在成像平面的周边部分的最大入射角是大约46.9°(＞33°)。如表1所示，整个成像光学系统的焦距f为3.01mm。最后的透镜G4的焦距fL为-1.969mm。值f/fL是-1.529(＜-1.50)。值D/f是1.041(＜1.10)。因此，值f/fL和D/f满足预定条件。

[实施例5]

实施例5的成像光学系统具有图17所示的结构。表10和11分别显示透镜数据和非球面系数。图18显示表示在成像平面上的图像高度和入射角之间的关系的图表。图19A-19C是像差图：图19A显示球面像差图；图19B显示像散图；图19C显示畸变图。

[表10]

[表11]非球面系数

在实施例5中，成像光学系统的实际总长度为3.597mm。成像光学系统包括IR截止过滤器。当IR截止过滤器的厚度转换成它的等效的空气距离时，总长度D是3.495mm，其小于3.6mm。主光线在成像平面的周边部分的最大入射角是大约36.2°(＞33°)。如表1所示，整个成像光学系统的焦距f为2.88mm。最后的透镜G4的焦距fL为-1.784mm。值f/fL是-1.614(＜-1.50)，满足预定条件。值D/f是1.213，不满足条件D/f＜1.10。然而，如像差图所示，成像性能是优良的并处于足够的实用等级。

[实施例6]

实施例6的成像光学系统具有图20所示的结构。表12和13分别显示透镜数据和非球面系数。图21显示表示在成像平面上的图像高度和入射角之间的关系的图表。图22A-22C是像差图：图22A显示球面像差图；图22B显示像散图；图22C显示畸变图。

[表12]

[表13]非球面系数

在实施例6中，成像光学系统的实际总长度为3.392mm。因为在成像光学系统中没有IR截止过滤器，实际总长度满足条件D＜3.6mm。主光线在成像平面的周边部分的最大入射角为大约34.9°(＞33°)。如表1所示，整个成像光学系统的焦距是2.70mm。最后的透镜G4的焦距fL是-1.693mm。值f/fL是-1.595(＜-1.50)，满足预定条件。值D/f是1.256，不满足条件D/f＜1.10。然而，如像差图所示，成像性能优良，并且处于足够的实用等级。

[实施例7]

实施例7的成像光学系统具有图23所示的结构。表14和15分别显示透镜数据和非球面系数。图24显示表示在成像平面上的图像高度和入射角之间的关系的图表。图25A-25C是像差图：图25A显示球面像差图；图25B显示像散图；图25C显示畸变图。

[表14]

[表15]非球面系数

在实施例7中，成像光学系统的实际总长度是3.392mm。因为在成像光学系统中没有IR截止过滤器，因此总长度(实际总长度)D小于3.6mm。主光线在成像平面的周边部分的最大入射角是大约44.6°(＞33°)。如表1所示，整个成像光学系统的焦距f是2.65mm。最后的透镜G4的焦距fL是-2.190mm。值f/fL是-1.21，满足条件f/fL＜-0.9。值D/f是1.255，不满足条件D/f＜1.10。然而，如像差图所示，成像性能优良，并且处于足够的实用等级。

[实施例8]

实施例8的成像光学系统具有图26所示的结构。表16和17分别显示透镜数据和非球面系数。图27显示表示在成像平面上的图像高度和入射角之间的关系的图表。图28A-28C是像差图：图28A显示球面像差图；图28B显示像散图；图28C显示畸变图。

[表16]

[表17]非球面系数

在实施例8中，成像光学系统的实际总长度是3.087mm。因为在成像光学系统中没有IR截止过滤器，因此总长度(实际总长度)D显著小于3.6mm。主光线在成像平面的周边部分的最大入射角是大约38.7°(＞33°)。如表1所示，整个成像光学系统的焦距f是2.62mm。最后的透镜G4的焦距fL是-1.300mm。值f/fL是-2.015(＜-1.50)，满足预定条件。值D/f是1.179，稍微大于预定值1.10。然而，如像差图所示，成像性能优良，并且处于足够的实用等级。

[实施例9]

实施例9的成像光学系统具有图29所示的结构。表18和19分别显示透镜数据和非球面系数。图30显示表示在成像平面上的图像高度和入射角之间的关系的图表。图31A-31C是像差图：图31A显示球面像差图；图31B显示像散图；图31C显示畸变图。

[表18]

[表19]非球面系数

在实施例9中，成像光学系统的实际总长度是3.363mm。因为在成像光学系统中没有IR截止过滤器，因此总长度(实际总长度)D满足条件D＜3.6mm。主光线在成像平面的周边部分的最大入射角是大约40.6°(＞33°)。如表1所示，整个成像光学系统的焦距f是3.12mm。最后的透镜G3的焦距fL是-2.074mm。值f/fL是-1.054。对于由三个透镜构成的成像光学系统，条件f/fL＜-0.9是足够的，因此满足条件。值D/f是1.079，满足条件D/f＜1.10。

[实施例10]

实施例10的成像光学系统具有图32所示的结构。表20和21分别显示透镜数据和非球面系数。图33显示表示在成像平面上的图像高度和入射角之间的关系的图表。图34A-34C是像差图：图34A显示球面像差图；图34B显示像散图；图34C显示畸变图。

[表20]

[表21]非球面系数

在实施例10中，成像光学系统的实际总长度是3.256mm。因为在成像光学系统中没有IR截止过滤器，因此总长度(实际总长度)D满足条件D＜3.6mm。主光线在成像平面的周边部分的最大入射角是大约44.9°(＞33°)。如表1所示，整个成像光学系统的焦距f是3.01mm。最后的透镜G3的焦距fL是-3.081mm。值f/fL是-0.977，满足条件f/fL＜-0.9。值D/f是1.083，满足条件D/f＜1.10。

[实施例11]

实施例11的成像光学系统具有图35所示的结构。表22和23分别显示透镜数据和非球面系数。图36显示表示在成像平面上的图像高度和入射角之间的关系的图表。图37A-37C是像差图：图37A显示球面像差图；图37B显示像散图；图37C显示畸变图。

[表22]

[表23]非球面系数

在实施例11中，成像光学系统的实际总长度是3.257mm。因为在成像光学系统中没有IR截止过滤器，因此总长度(实际总长度)D满足条件D＜3.6mm。主光线在成像平面的周边部分的最大入射角是大约43.9°(＞33°)。如表1所示，整个成像光学系统的焦距f是3.01mm。最后的透镜G3的焦距fL是-2.702mm。值f/fL是-1.114，满足条件f/fL＜-0.9。值D/f是1.083，满足条件D/f＜1.10。

[实施例12]

实施例12的成像光学系统具有图38所示的结构。表24和25分别显示透镜数据和非球面系数。图39显示表示在成像平面上的图像高度和入射角之间的关系的图表。图40A-40C是像差图：图40A显示球面像差图；图40B显示像散图；图40C显示畸变图。

[表24]

[表25]非球面系数

在实施例12中，成像光学系统的实际总长度是3.339mm。因为在成像光学系统中没有IR截止过滤器，因此总长度(实际总长度)D满足条件D＜3.6mm。主光线在成像平面的周边部分的最大入射角是大约41.6°(＞33°)。如表1所示，整个成像光学系统的焦距f是3.02mm。最后的透镜G3的焦距fL是-2.987mm。值f/fL是-1.011，满足条件f/fL＜-0.9。值D/f是1.105，稍微大于预定值1.10。然而，如像差图所示，成像性能处于实用等级。

[实施例13]

实施例13的成像光学系统具有图41所示的结构。表26和27分别显示透镜数据和非球面系数。图42显示表示在成像平面上的图像高度和入射角之间的关系的图表。图43A-43C是像差图：图43A显示球面像差图；图43B显示像散图；图43C显示畸变图。

[表26]

[表27]非球面系数

在实施例13中，成像光学系统的实际总长度是3.216mm。成像光学系统包括IR截止过滤器。当IR截止过滤器的厚度转换成它的等效空气距离时，总长度D是3.166mm，其满足条件D＜3.6mm。主光线在成像平面的周边部分的最大入射角是大约36.0°(＞33°)。如表1所示，整个成像光学系统的焦距f是2.72。最后的透镜G3的焦距fL是-33.60mm。值f/fL是-0.081，不满足条件f/fL＜-0.9。值D/f是1.164，不满足条件D/f＜1.10。然而，如像差图所示，成像性能处于实用等级。

[实施例14]

实施例14的成像光学系统具有图44所示的结构。表28和29分别显示透镜数据和非球面系数。在该实施例中，难以描述孔径光阑，因为孔径光阑与成像平面侧的第一透镜G1的表面大致一致，因此，在图44中省去了孔径光阑的显示。图45显示表示在成像平面上的图像高度和入射角之间的关系的图表。图46A-46C是像差图：图46A显示球面像差图；图46B显示像散图；图46C显示畸变图。

[表28]

[表29]非球面系数

在实施例14中，成像光学系统的实际总长度是3.289mm。成像光学系统包括IR截止过滤器。当IR截止过滤器的厚度转换成它的等效空气距离时，总长度D是3.24mm，其满足条件D＜3.6mm。主光线在成像平面的周边部分的最大入射角是大约40.4°(＞33°)。如表1所示，整个成像光学系统的焦距f是2.77mm。最后的透镜G3的焦距fL是46.95mm。值f/fL是0.059，不满足条件f/fL＜-0.9。值D/f是1.171，不满足条件D/f＜1.10。然而，如像差图所示，成像性能处于实用等级。

在本发明中，各种修改和变化是可能的，并且可以理解的是，这些可能的修改和变化在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种摄像装置，包括：

成像光学系统，所述成像光学系统由两个或更多个透镜构成；和

固态图像传感器，所述固态图像传感器用于捕获形成在成像光学系统的成像平面上的图像，

其中，成像光学系统的最前部平面和成像平面之间的距离小于3.6mm，入射在成像平面上的主光线的最大入射角超过33°。

2.根据权利要求1所述的摄像装置，其中满足f/fL＜-1.50，

其中，f表示整个成像光学系统的焦距，并且fL表示最后的透镜的焦距。

3.根据权利要求1所述的摄像装置，其中当光线以±30°的入射角入射在固态图像传感器的入射表面上时的固态图像传感器的灵敏度相对于垂直入射的光线的灵敏度大于或等于20％，并且

所述入射表面由成像光学系统的成像平面确定。

4.根据权利要求3所述的摄像装置，其中所述固态图像传感器在可见光范围内是敏感的，并且在IR范围内是非敏感的。

5.根据权利要求1所述的摄像装置，其中所述固态图像传感器的光电转换部分的光接收表面设置成比配线层更靠近固态图像传感器的入射表面，并且光电转换部分光电地转换目标光，并且所述配线层包括用于以像素单位读取图像信号的电路。

6.根据权利要求5所述的摄像装置，其中所述光电转换部分由有机光电转换层构成。

7.根据权利要求5所述的摄像装置，其中所述固态图像传感器是背侧照射型的。

8.根据权利要求1所述的摄像装置，其中所述成像光学系统不包括IR截止过滤器。

9.一种移动信息终端，具有权利要求1的摄像装置。

10.一种摄像装置，包括：

其中，满足f/fL＜-1.5和D/f＜1.10，

其中，D表示成像光学系统的最前部平面和成像平面之间的距离，f表示整个成像光学系统的焦距，并且fL表示最后的透镜的焦距。