CN101266328A - 微型成像光学系统 - Google Patents

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CN101266328A CNA2008100073793A CN200810007379A CN101266328A CN 101266328 A CN101266328 A CN 101266328A CN A2008100073793 A CNA2008100073793 A CN A2008100073793A CN 200810007379 A CN200810007379 A CN 200810007379A CN 101266328 A CN101266328 A CN 101266328A
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Abstract

提供了一种安装在移动通信终端或PDA中、或用在监控摄像机或数码相机中的微型成像光学系统。该微型成像光学系统包括：从物体侧到图像侧顺序放置的第一、第二、第三、及第四透镜，第一透镜具有正折射本领，第二透镜具有负折射本领，第三透镜具有负折射本领，以及第四透镜具有正折射本领，其中，第三透镜和第四透镜中的每一个都至少具有一个非球面。该微型成像光学系统极好地校正色像差，以显著减少色散，从而实现高分辨率以及紧凑性。

Description

微型成像光学系统
相关申请的交叉参考
本申请要求于2007年3月13日在韩国知识产权局提交的第2007-24274号韩国专利申请的优先权，其公开内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种微型成像光学系统，更具体地涉及一种安装在移动通信终端或个人数字助理(PDA)中、或者用在监控摄像机或数码相机中的微型成像光学系统。
背景技术
近来，关于图像获取系统，对用于通信终端、数码相机(DSC)、便携式摄像放像一体机、及连接至个人计算机作为成像装置的个人计算机(PC)相机的相机模块进行了研究。此处，图像形成透镜系统是这种图像获取系统获得图像的最重要的组件。
就分辨率和图像质量而言，该透镜系统必须是高性能的，这样使得透镜构造变得复杂。然而，这种结构的和光学的复杂性导致了尺寸的增加，造成难于使该透镜系统紧凑以及变薄。
例如，有必要使相机模块小型化以更有效地将其安装在移动电话中。另外，作为图像传感器而用在相机模块中的电荷耦合器件(CCD)或互补型金属氧化物半导体(CMOS)，在分辨率上逐渐提高，而像素尺寸逐渐减小。反过来，在达到高的分辨率和出众的光学性能的同时，包括在相机模块中的透镜系统要求是小型化的而且是更薄的。
此处，在采用具有3百万像素的CCD或CMOS的情况下，可以仅安排三片透镜或更少的透镜来满足光学性能和小型化。然而，在将三片透镜或更少的透镜应用于诸如具有至少5百万像素的CCD或CMOS的高分辨率成像装置的情况下，每片透镜均需要提高折射本领，而这是难以加工的。结果，这致使难以同时获得透镜系统的高性能和小型化。因此，可以采用四片透镜，但是当在这种构造中使用球面透镜时，光学透镜系统在总长度上有所增加，几乎不能小型化。
因此，存在对于用于能够被微型化并实现光学性能的相机模块的透镜系统的需求。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种可适合应用于诸如使用图像传感器(诸如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS))的移动电话相机的微型光学装置的微型成像光学系统。
本发明的一个方面还提供了一种能够校正色像差以显著减少色散的微型成像光学系统。
本发明的一个方面还提供了一种使用非球面透镜来保证高分辨率并实现各种光学特性的微型成像光学系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种微型成像光学系统，该系统包括：从物体侧到图像侧顺序放置的第一、第二、第三、及第四透镜，第一透镜具有正折射本领，第二透镜具有负折射本领，第三透镜具有负折射本领，以及第四透镜具有正折射本领，其中，第三透镜和第四透镜中的每一个都具有至少一个非球面。
第一透镜可以具有分别大于第二透镜和第三透镜的阿贝数的阿贝数，以及第四透镜可以具有分别大于第二透镜和第三透镜的阿贝数的阿贝数。
第一到第四透镜可以分别具有满足以下条件1至4的阿贝数，
v1≥50...条件1，
v2≤40...条件2，
v3≤40...条件3，
v4≥50...条件4，
其中，v1，v2，v3，以及v4是第一到第四透镜的各个阿贝数。
光学系统可以具有满足下列条件5的整体尺寸，第一透镜可以具有满足下列条件6的折射本领，以及第二透镜可以具有满足下列条件7的折射本领，
0.85＜OL/D＜1.05...条件5，
F1/F≤0.68...条件6，
|F2/F|≤1.1...条件7，
其中，OL是从第一透镜的物体侧到图像平面的距离，D是图像平面的有效光学尺寸，F是整个光学系统的有效焦距，F1是第一透镜的焦距，以及F2是第二透镜的焦距。
第三透镜可以具有满足下列条件8的折射本领，
|F3/F1|＞5...条件8，
其中，F1是第一透镜的焦距，以及F3是第三透镜的焦距。
第四透镜可以由塑料制成。
附图说明
从以下结合附图的详细描述中，本发明的上述和其他方面、特征、以及其他优点将变得更易于理解，附图中：
图1是示出根据本发明的第一和第二实施例的微型成像光学系统的透镜构造的视图；
图2是示出本发明第一实施例的像差曲线图，其中，A表示球面像差，B表示像散，以及C表示失真；
图3A至图3D是示出根据本发明第一实施例的在每个场中的彗形像差(coma aberration)的曲线图；
图4示出了本发明第二实施例的像差曲线图，其中，A表示球面像差，B表示像散，以及C表示失真；以及
图5A至图5D是示出根据本发明第二实施例的每个场中的彗形像差的曲线图。
具体实施方式
现在将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。
图1是示出根据本发明的第一和第二实施例的微型成像光学系统的透镜构造的视图。在以下的透镜构造的视图中，为了清晰，可以将透镜的厚度、尺寸、及形状放大。具体地，视图中所示的球面或非球面表面的形状仅是示例性的，不应将其理解为限制性的。
同时，如图1所示，第一和第二实施例的透镜在形状上可以相似，而在后面描述的多个实例中在光学特性上有所不同。
如图1所示，本发明的微型成像光学系统包括：具有正折射本领的第一透镜L1、具有负折射本领的第二透镜L2、具有负折射本领的第三透镜L3、以及具有正折射本领的第四透镜L4。第一透镜L1至第四透镜L4从物体侧到图像侧顺序放置。
此处，第三透镜L3和第四透镜L4中的每一个都至少具有一个非球面。特别地，第四透镜L4可以由塑料制成。
同时，可以在第四透镜L4和图像平面IP之间提供诸如红外线滤光片的滤光片0F，以及保护玻璃(cover glass)等。
图像平面IP对应于诸如电荷耦合器件(CCD)和互补型金属氧化物半导体(CMOS)的图像传感器。
在本发明的微型图像光学系统中，其中每一个都具有正折射本领的第一透镜L1和第四透镜L4都由具有大的阿贝数的材料形成。此外，其中每一个都具有负折射本领的第二透镜L2和第三透镜L3都由具有小的阿贝数的材料形成。这使得这些透镜可以相互补充，从而避免了色像差。这也使光学系统小型化，优化了非球面表面和折射表面的曲率半径，从而得到优越的像差特性和高分辨率。
此外，在本实施例中，第一透镜L1和第二透镜L2具有为保证第一透镜L1和第二透镜L2之间的短焦距而适当限定的各个折射本领，从而产生紧凑的成像光学系统。
特别地，根据本发明，使用非球面透镜来提高分辨率以及减小失真和球面像差，从而实现光学特性优越的紧凑的光学系统。
此外，一些透镜由塑料制成以易于以低成本制造非球面透镜。
利用该整体构造，下面将分析下列条件1至8的操作效果。
v1≥50...条件1，
v2≤40...条件2，
v3≤40...条件3，
v4≥50...条件4，
其中，v1，v2，v3，以及v4是第一透镜到第四透镜的各个阿贝数。
条件1至4分别规定了第一透镜L1至第四透镜L4的阿贝数，并适于光学系统的色像差的校正。
在该实施例中，具有正折射本领的第一透镜L1和第四透镜L4分别具有相对高于具有负折射本领的第二透镜L2和第三透镜L3的阿贝数。这使得这些透镜相互补充，从而避免了色像差。
特别地，在满足了条件1至4的情况下，可以有效抑制色像差。即，当具有正折射本领的第一透镜L1和第四透镜L4都具有小于50的各个阿贝数时，或当具有负折射本领的第二透镜L2和第三透镜L3都具有大于40的各个阿贝数时，这些透镜不能充分地校正色像差，从而使分辨率劣化。
0.85＜OL/D＜1.05...条件5，
F1/F≤0.68...条件6，
|F2/F|≤1.1...条件7，
其中，OL是从第一透镜的物体侧到图像平面的距离，D是图像平面的有效光学尺寸，F是整个光学系统的有效焦距，F1是第一透镜的焦距，以及F2是第二透镜的焦距。
条件5至条件7适于使成像光学系统紧凑。条件5决定了成像光学系统的整个尺寸，以及条件6和条件7分别规定了第一透镜的折射本领和第二透镜的折射本领。
条件5定义了通过以从第一透镜L1的物体侧表面1到图像平面IP的全部长度除以图像传感器(即，图像平面)的有效光学尺寸而获得的值。条件5的值表明了光学系统的紧凑程度。偏离条件5的上限会增加光学系统的长度，从而妨碍使其紧凑。同时，偏离条件5的下限会使光学系统的长度变得太短，从而使得像差难以校正。这还造成较大的制造公差，从而使得光学系统的性能退化。
条件6和条件7分别表示第一透镜L1和第二透镜L2与整个焦距的比率。条件6和条件7规定了第一透镜L1和第二透镜L2的折射本领。
在偏离条件6和条件7的情况下减小第一透镜L1和第二透镜L2的折射本领时，光学系统的整个长度会增加而妨碍使其小型化，以及增加色像差。
|F3/F1|＞5...条件8，
其中，F1是第一透镜的焦距，以及F3是第三透镜的焦距。
条件8表示第三透镜L3的焦距和第一透镜L1的焦距之间的比率。条件8决定了第三透镜L3的相对折射本领。
第三透镜L3被布置来校正图像平面的曲率。当第三透镜L3的焦距等于或小于第一透镜L1的焦距的五倍时，会显著出现图像平面的曲率，从而具有最高分辨率的图像平面的中心部分大大偏离具有最高分辨率的图像平面的外围部分。
现在，将通过具体的多个实例来更详细地描述本发明。
如上所述，在下列第一和第二实施例中，第一透镜L1具有正折射本领，第二透镜L2具有负折射本领，第三透镜L3具有负折射本领，以及第四透镜L4具有正折射本领。第四透镜L4由塑料形成。具体地，在第一和第二实施例中，第三透镜L3和第四透镜L4中的每一个都具有由非球面表面形成的两个表面。同样，第一透镜L1和第二透镜L2中的每一个都具有由非球面表面形成的两个表面。此外，可以在第四透镜L4和图像平面IP之间设置诸如红外线滤光片的滤光片OF、保护玻璃等。图像平面IP对应于诸如CCD和CMOS的图像传感器。
在此每个实施例中所使用的非球面系数都是从下列等式1获得的，以及在二次曲线常数K和非球面系数A，B，C和D中所使用的“E及其后面的数字”表示10的幂。例如，E+01和E-02分别表示101和10-2。
Z = cY 2 1 + 1 - ( 1 + K ) c 2 r 2 + Ar 3 + Br 4 + Cr 5 + Dr 6 + Er 7 + Fr 8 + Gr 9 + Hr 10 + Ir 11 + Jr 12 + · · ·
...等式1
其中，Z是沿光轴距离透镜顶点的距离，r是垂直于光轴方向上的距离，C是透镜顶点处的曲率半径R的倒数，K是二次曲线常数，以及A，B，C，D，E，F，G，H，I，和J是非球面系数。
第一实施例
下面的表1示出了根据本发明第一实施例的如图1构造的透镜系统的数值。
此外，图2A至图2C分别表示根据表1a和图1所示的第一实施例的球面像差/正弦条件S.C，像散和失真。图3A至图3D表示根据第一实施例的每个场中的彗形像差。
在下面示出像散的曲线中，“S”表示弧矢(sagittal)，以及“T”表示正切。
在第一实施例中，F数Fno是2.8，视角是65.2度，从第一透镜L1的物体侧表面1到图像平面IP的距离OL是5.22mm，有效焦距f是4.69mm，以及图像平面的有效光学尺寸是6.0mm。
表1
在表1中，*代表非球面表面，在第一实施例中，第一透镜L1至第四透镜L4中的每一个都具有由非球面表面形成的两个表面1至8。
根据等式1的第一实施例中的非球面系数的值记录在下表2中。
表2
表面号 1 2 3 4 5 6 7 8
K -0.2236E+01 -0.5000E+01 -0.8197E+00 -0.1994E+01 -0.1665E+02 -0.1000E+01 -0.1079E+01 -0.8239E+00
A -0.1046E+00 -0.2006E+00 -0.9580E-01 -0.3264E-01 -0.7151E-01 -0.7578E-01 0.9167E-01 0.1290E+00
B 0.6806E+00 0.5195E+00 0.6344E-01 0.7450E-01 -0.3720E-01 -0.2145E+00 -0.5673E+00 -0.5273E+00
C -0.1914E+01 -0.4327E+00 -0.5474E-01 -0.4069E+00 -0.1681E+00 0.1294E+00 0.7089E+00 0.5108E+00
D 0.3000E+01 -0.3598E+00 0.2013E+00 0.8386E+00 0.1837E+00 0.1746E+00 -0.8608E+00 -0.1282E+00
E -0.2366E+01 0.5723E+00 -0.2709E+00 -0.3707E+01 0.4456E+00 -0.2773E+00 0.9947E+00 -0.4320E+00
F 0.7198E+00 0.2293E+00 -0.4780E-01 -0.4081E+00 -0.4576E+00 0.3052E+00 -0.8732E+00 0.7173E+00
G - -0.2749E+00 0.1507E+00 0.1309E+00 -0.3564E+00 -0.1665E+00 0.5213E+00 -0.5506E+00
H - -0.2841E+00 0.5796E-01 0.2631E+00 0.2499E+00 -0.1187E+00 -0.1949E+00 0.2352E+00
I - -0.5465E-01 -0.3340E-01 0.3513E-01 0.3802E+00 0.1896E+00 0.4075E-01 -0.5370E-01
J - 0.2511E+00 -0.5298E-02 -0.9971E-01 -0.2622E+00 -0.6339E-01 -0.3625E-02 0.5114E-02
第二实施例
下面的表3示出了根据本发明第二实施例的如图1构造的透镜系统的数值。
此外，图4A至图4C分别示出了根据表3和图1中所示的第二实施例的球面像差/正弦条件S.C，像散和失真。图5A至图5D表示根据本发明第二实施例的每个场中的彗形像差。图4表示根据第二实施例的第三透镜L3的每个场中的折射本领。
在第二实施例中，F数Fno是2.8，视角是60.5度，从第一透镜L1的物体侧表面1到图像平面IP的距离OL是5.65mm，有效焦距f是5.15mm，以及图像平面的有效光学尺寸是6.0mm。
表3
Figure A20081000737900141
在表3中，*代表非球面表面，与第一实施例相同，在第二实施例中，第一透镜L1至第四透镜L4中的每一个都具有由非球面表面形成的两个表面1至8。
在下面的表4中记录了根据等式1的第二实施例中的非球面系数的值。
表4
表面号 1 2 3 4 5 6 7 8
K -0.2902E+01 -0.3000E+01 0.4316E+00 -0.1676E+01 -0.7591E+00 -0.1000E+01 -0.1004E+01 -0.1355E+01
A -0.8511E-01 -0.1724E+00 -0.8622E-01 -0.3770E-01 -0.7512E-01 -0.4779E-01 0.9147E-01 0.1139E+00
B 0.5351E+00 0.4064E+00 0.4339E-01 0.7382E-01 0.2566E-01 -0.1787E+00 -0.4446E+00 -0.4173E+00
C -0.1385E+01 -0.3218E+00 -0.2947E-01 -0.2995E+00 -0.1831E+00 0.1136E+00 0.5120E+00 0.3742E+00
D 0.2005E+01 -0.2376E+00 0.1272E+00 0.5424E+00 0.1320E+00 0.1043E+00 -0.5744E+00 -0.8794E-01
E -0.1454E+01 0.3672E+00 -0.1773E+00 -0.2374E+00 0.2832E+00 -0.1770E+00 0.6125E+00 -0.2650E+00
F 0.4039E+00 0.1344E+00 -0.2869E-01 -0.2234E+00 -0.2568E+00 0.1729E+00 -0.4960E+00 0.4075E+00
G - -0.1543E+00 0.8523E-00 0.8789E-01 -0.1866E+00 -0.8496E-01 0.2730E+00 -0.2885E+00
H - -0.1520E+00 0.3695E-01 0.1399E+00 0.1189E+00 -0.5505E-01 -0.9417E-01 0.1136E+00
I - -0.2943E-01 -0.1588E-01 0.1729E-01 0.1675E+00 0.8543E-01 0.1816E-01 -0.2394E-01
J - 0.1175E+00 -0.8712E-02 -0.5998E-01 -0.1058E+00 -0.2747E-01 -0.1488E-02 0.2109E-02
从上述实施例可以看出，根据本发明获得了如图2至图5所示的具有优良的像差特性的微型成像光学系统。
同时，表5中记录了用于上述第一和第二实施例的条件1至条件8的值。
表5
  第一实施例   第二实施例
  条件1(v1≥50)   55.9   55.9
  条件2(v2≤40)   23.3   23.3
  条件3(v3≤40)   23.3   23.3
  条件4(v4≥50)   55.9   55.9
  条件5(0.85＜OL/D＜1.05)   0.8700   0.9417
  条件6(F1/F≤0.68)   0.6351   0.6621
  条件7(|F2/F|≤1.1)   0.8593   0.9161
  条件8(|F3/F1|＞5)   23.0645   58.820
如上面表5中所示，本发明的第一和第二实施例满足条件1至条件8。
如上述所阐述的，根据本发明的示例性的实施例，在采用四片透镜的微型成像光学系统中，每个都具有正折射本领的第一透镜和第四透镜由具有高阿贝数的材料形成，以及每个都具有负折射本领的第二透镜和第三透镜由具有低阿贝数的材料形成。这使得这些透镜相互互补，从而避免了色像差。这也使得光学系统小型化，优化了非球面表面和折射表面的曲率半径，从而实现了良好的像差特性和高分辨率。
此外，采用非球面透镜获得了高分辨率，并改善各种光学特性。特别地，这些非球面透镜由塑料形成以减少图像光学系统的重量，从而易于以低成本来批量制造光学系统。
尽管已经结合示例性实施例示出并描述了本发明，但对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以作出修改和变化。

Claims (3)

1.一种微型成像光学系统，包括：
从物体侧到图像侧顺序放置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、和第四透镜，所述第一透镜具有正折射本领，所述第二透镜具有负折射本领，所述第三透镜具有负折射本领，以及所述第四透镜具有正折射本领，
其中，所述第三透镜和所述第四透镜中的每一个都至少具有一个非球面表面，
其中，所述第一透镜具有分别大于所述第二透镜的阿贝数和所述第三透镜的阿贝数的阿贝数，以及所述第四透镜具有分别大于所述第二透镜的阿贝数和所述第三透镜的阿贝数的阿贝数，
其中，所述第一透镜至所述第四透镜具有满足下列条件1至条件4的阿贝数，所述光学系统具有满足下列条件5的整体尺寸，所述第一透镜具有满足下列条件6的折射本领，以及所述第二透镜具有满足下列条件7的折射本领，
v1≥50...条件1，
v2≤40...条件2，
v3≤40...条件3，
v4≥50...条件4，
0.85＜OL/D＜1.05...条件5，
F1/F≤0.68...条件6，
|F2/F|≤1.1...条件7，
其中，v1，v2，v3，以及v4是所述第一透镜至所述第四透镜的各个阿贝数，OL是从所述第一透镜的物体侧到图像平面的距离，D是所述图像平面的有效光学尺寸，F是整个光学系统的有效焦距，F1是所述第一透镜的焦距，以及F2是所述第二透镜的焦距。
2.根据权利要求1所述的微型成像光学系统，其中，所述第三透镜具有满足下列条件8的折射本领，
|F3/F1|＞5...条件8，
其中，F1是所述第一透镜的焦距，以及F3是所述第三透镜的焦距。
3.根据权利要求1所述的微型成像光学系统，其中，所述第四透镜由塑料制成。
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