CN101419331B - 小型透镜系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种小型透镜系统，所述小型透镜系统包括：第一透镜，第一透镜是具有正折射力的弯月透镜，在两侧上具有非球面表面，在面对物体的表面上具有凸起表面；第二透镜，由双凹透镜形成，在两侧上具有非球面表面；第三透镜，在两侧上具有非球面表面，并具有正折射力；第四透镜，由双凹透镜形成，在两侧上具有非球面表面，在非球面表面上具有拐点。第一至第四透镜从物体顺序排列，孔径光阑置于第一透镜的物侧上。

Description

小型透镜系统
本申请要求于2007年10月25日在韩国知识产权局提交的第10-2007-0107804号韩国专利申请的利益，其公开通过引用全部包含于此。
技术领域
本发明涉及一种小型透镜系统，该小型透镜系统用于包括固态成像装置的电子静态相机，所述固态成像装置诸如电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)。
背景技术
随着诸如便携式数字助理(PDA)和移动装置的电子装置的使用大大增多，在这样的电子装置中经常安装有数字相机和数字视频单元。因此，对小尺寸相机的需求增加。为了满足这些需求，就要求透镜系统要比传统数字相机中使用的透镜系统小。移动装置包括的透镜系统具有比安装在传统数字相机上的透镜系统更多的尺寸限制。
另一方面，由于固态成像装置的发展，可以实现在20°至25°的范围内的主光线的出射光线角(下文中，称为出射角)，因此，已经开发出了薄且尺寸小的透镜系统。
为了制造薄且尺寸小的透镜系统，成像装置的像素间距应该小于2μm，并应该改善成像装置的分辨率。然而，当成像装置的像素间距减小时，成像装置的分辨率劣化，因此，难以满足上面的两个条件。
例如，提出了具有三个透镜的系统以实现薄透镜系统；然而，不能满意地执行2μm或更小的像素间距的色差补偿，因此，难以获得期望的分辨率。
为了解决上面的问题，已经提出了具有四个透镜的系统。在该系统中，即使当像素间距为2μm或更小时，也可以通过补偿色差来改善分辨率；然而，与固态成像装置的对角线尺寸相比，透镜系统的总长度增加。因此，不能获得薄透镜系统。
为了制造薄透镜系统，可以减小后焦距；但是如果后焦距太短，则红外(IR)滤光器的空间减小，因此，诸如截止滤光器(cut filter)的镜片(glass)不能插入透镜系统的后部中，或者组装过程的调节空间会减小。另外，当出射角增大时，有利于实现薄透镜系统，但是如果入射在薄透镜系统上的光线倾斜，则会发生遮挡(shading)问题，即，实际孔径效率(aperture efficiency)降低。
发明内容
本发明提供一种小型、高分辨率的透镜系统。
根据本发明的一方面，提供了一种透镜系统，所述透镜系统包括：第一透镜，第一透镜是具有正折射力的弯月透镜，在两侧上具有非球面表面，在物侧上具有凸起表面；第二透镜，由双凹透镜形成，在两侧上具有非球面表面；第三透镜，在两侧上具有非球面表面，并具有正折射力；第四透镜，由双凹透镜形成，在两侧上具有非球面表面，在像侧的非球面表面上具有拐点，其中，第一至第四透镜从物体顺序排列，孔径光阑置于第一透镜的面对物体的物侧上或置于第一透镜前面。
透镜系统可以满足下面的不等式：
0.15<A<0.5，
其中，A表示从光轴到拐点的距离与第四透镜中的物侧表面的有效半径的比。
透镜系统可以满足下面的不等式：
0.5<f/|f2|<1，
其中，f表示透镜系统的焦距，f2表示第二透镜的焦距。
透镜系统可以满足下面的不等式：
0.3<f1/|f2|<0.7和1<f3/|f4|<1.5，
其中，f1表示第一透镜的焦距，f2表示第二透镜的焦距，f3表示第三透镜的焦距，f4表示第四透镜的焦距。
透镜系统可以满足下面的不等式：
15<v1-v2<50和0.9<v3/v4<1.1，
其中，v1表示第一透镜的阿贝数，v2表示第二透镜的阿贝数，v3表示第三透镜的阿贝数，v4表示第四透镜的阿贝数。
附图说明
通过下面参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明上面的和其它特征和优点将变得更明显，附图中：
图1是根据本发明实施例的透镜系统的示图；
图2是示出图1中示出的透镜系统的球面像差、场曲和失真的示图；
图3是根据本发明另一实施例的透镜系统的示图；
图4是示出图3中示出的透镜系统的球面像差、场曲和失真的示图；
图5是根据本发明另一实施例的透镜系统的示图；
图6是示出图5中示出的透镜系统的球面像差、场区和失真的示图。
具体实施方式
参照图1，根据本发明实施例的透镜系统包括：正折射力(refractive power)的第一透镜1，在第一透镜1的两侧上具有非球面表面，在面对物体(O)一侧上具有突起表面；第二透镜2，在第二透镜2的两侧上具有非球面表面；正折射力的第三透镜3，在第三透镜3的两侧上具有非球面表面；第四透镜4，在第四透镜4的两侧上具有非球面表面。第四透镜4的像侧上的非球面表面具有在有效半径范围内的拐点(inflection point)。有效半径表示当经过透镜表面的光线具有最大的视场时该光线的最大高度，即，与光轴的距离，拐点是从光轴到外围部分逐渐增大(或减小)并然后反而减小(或增大)的非球面表面上的切平面的角度处的点。另一方面，具有预定孔径的孔径光阑ST可以置于第一透镜1的面对物侧O的表面上或置于第一透镜1前面。在图1中，孔径光阑ST置于第一透镜1的物侧表面S1上。
根据本发明的实施例，具有预定孔径的孔径光阑置于第一透镜1的物侧表面上或置于第一透镜1前面，第一透镜1由具有正折射力的弯月透镜形成并具有朝向物侧的凸起表面，第二透镜2由双凹透镜形成，因此，可以通过减小透镜系统的总长度并限制出射角来确保合适的后焦距。通常，孔径光阑可以置于第一透镜1和第二透镜2之间，以补偿像差；在这种情况下，关于透镜系统的总长度，减小了到出射光瞳的距离，并增大了出射角。当出射角增大时，分辨率降低，当补偿增大的出射角时，透镜系统的整个长度被拉长，因此，难以形成小尺寸的透镜系统。透镜系统的总长度表示从孔径光阑到焦点位置的长度和从第一透镜中的物侧表面的顶点到焦点位置的长度中的最大长度。
根据本发明，透镜的所有表面形成为非球面表面，因此，可以有效地改善像差。例如，可以在第一透镜1和第二透镜2的非球面表面上补偿光轴周围的像差，可以在第三透镜3和第四透镜4的非球面表面上补偿光轴的外围部分的像差。
第一透镜1可以为弯月透镜，第二透镜2可以为双凹透镜，第四透镜4可以为双凹透镜。
第四透镜4的两个表面为非球面，像侧上的非球面表面具有拐点。当前实施例的透镜系统满足下面的不等式。
0.15<A<0.5         --------------------------------------------------------(1)
其中，A表示从光轴到拐点的长度与第四透镜的物侧表面上的有效半径的比。如上所述，由于第四透镜形成为具有拐点，所以可以补偿球面像差和色差并可以获得期望的分辨率。当透镜系统满足不等式1时，可以有效地补偿光轴和透镜的中心部分之间的像差(像侧的位置偏差)，其中，当第四透镜的物侧表面为凹陷时容易发生这样的像差。如果条件1中的拐点超过上限值，则易于补偿光轴的外围部分的像差，但是难以补偿光轴到透镜的中心部分(具体地讲，像侧表面的位置)之间的像差。
第四透镜4具有双凹形状，在像侧表面(I)上的非球面表面具有在不等式1的范围内的拐点。因此，可以补偿由透镜系统的总长度的减小导致的光轴外围部分的像差，并且还可以补偿出射角。另外，第四透镜4的物体表面具有凹面形状，并且在补偿像差的同时T/D值可以小于1。T表示透镜系统的总长度，D表示固态成像装置的对角线尺寸。相反，当第四透镜4形成为具有负折射力的弯月透镜并具有朝向物体的凸起表面时，难以在减小透镜系统的总长度的同时使T/D值小于1。
接着，本发明的透镜系统可以满足下面的不等式。
0.5<f/|f2|<1      -------------------------------------------------------(2)
不等式2限定了总焦距与第二透镜2的焦距的比，其中，f表示透镜系统的总焦距，f2表示第二透镜2的焦距。当透镜系统满足不等式2时，在减小透镜系统的总长度的同时可以确保合适的后焦距(Bf)。然而，当透镜系统超过不等式2的范围时，难以在补偿像差或确保期望的后焦距Bf的同时减小透镜系统的总长度。
另外，根据本发明实施例的透镜系统可以满足下面的不等式。
0.3<f1/|f2|<0.7     -------------------------------------------------------(3)
1<f3/|f4|<1.5       --------------------------------------------------------(4)
其中，f1表示第一透镜1的焦距，f2表示第二透镜2的焦距，f3表示第三透镜3的焦距，f4表示第四透镜4的焦距。当透镜系统满足不等式3和4时，可以容易地补偿像差。当透镜系统满足不等式3时，在减小透镜系统的总长度的同时容易地补偿光轴的像差；当透镜系统满足不等式4时，可以容易地补偿光轴的外围部分的像差。当透镜系统超过不等式3和4的范围时，难以在通过减小透镜系统的总长度来保持期望的出射角的同时补偿像差。
另外，根据本发明实施例的透镜系统可以满足不等式：
15<v1-v2<50     -----------------------------------------(5)
0.9<v3/v4<1.1   -----------------------------------------(6)
其中，v1表示第一透镜1的阿贝数(Abbe’s number)，v2表示第二透镜2的阿贝数，v3表示第三透镜3的阿贝数，v4表示第四透镜4的阿贝数。
当本发明的透镜系统满足不等式5和6时，可以容易地补偿色差。当透镜系统满足不等式5时，可以容易地补偿纵向色差和横向色差。另外，贯穿整个透镜系统，不等式6与横向色差的补偿有关。如果透镜系统超过条件表达式6的条件，则可以容易地补偿光轴和透镜的中心部分之间的色差，但是难以补偿透镜的外围部分的横向色差。否则，可以容易地补偿透镜的外围部分的色差，但是难以补偿透镜的中心部分上的横向色差。
根据本发明的实施例，可以提供这样的透镜系统，即，该透镜系统具有可以与固态成像装置(CCD)的2μm或更短的像素间距对应的足够的分辨率，并具有薄的厚度，即，可以具有等于或小于1的T/D值(透镜系统的总长度T和固态成像装置的对角线尺寸之间的比)。另外，在将出射角限制在20°至25°的范围内的同时，可以确保具有插入镜片的期望的Bf，例如，0.95mm或更长，从而不产生遮挡特性的问题。
可以如下限定本发明实施例中的非球面表面。
当光轴方向为X轴，与光轴方向垂直的方向为Y轴，光线的传播方向被设置为正方向时，可以通过下面的表达式来表示根据本发明的透镜系统的非球面表面。这里，x表示沿光轴方向离透镜的顶点的距离，h表示沿与光轴垂直的方向的距离，K表示二次曲线常数，A、B、C和D表示非球面系数，c表示透镜的顶部处的曲率半径的倒数(1/R)。
x = cy 2 1 + 1 - ( K + 1 ) c 2 h 2 + A h 4 + B h 6 + C h 8 + D h 10 - - - - - - - - - - - - ( 7 )
通过下面的实施例，本发明可以包括根据实现小尺寸透镜系统的最佳条件的各种透镜。
接下来，将描述根据本发明的透镜系统的实施例中的详细透镜数据。下文中，f表示整个透镜系统的焦距，FNo表示F的数量，F No表示透镜系统的焦距与直径的比率，w表示视角的一半，Bf表示后焦距，ST表示光阑。
实施例1
图1示出了根据本发明实施例的透镜系统，标号5表示过滤器。根据当前实施例的透镜系统的设计数据如下：
物距：无限远，f：4.55mm，FNo：2.94，w：32.2°
出射角：24.8°，Bf(空气)：1.062mm，Bf(包括后镜片)：1.164mm
T/D的值：4.797/5.7＝0.842
表面        曲率半径        间隔        折射率      阿贝数
S1(ST)      1.4775          0.593       1.69008     53.2
S2          5.0682          0.164
S3          -6.8347         0.400       1.63200     23.4
S4          7.8732          0.631
S5          -2.1226         0.500       1.53318     57.0
S6          -1.5412         0.748
S7          -4.7352         0.700       1.53318     57.0
S8          11.3275         0.414
S9          无限远          0.300       1.51680     64.2
S10         无限远          0.450
IMG         无限远          0.000
<非球面系数>
S1K：0463216
A：-.160433E-01B：0.109091E-01C：-.368420E-01D：0.195185E-01
S2K：0.000000
A：-.286002E-01B：-.100935E-02C：-.118821E-02D：-.757342E-03
S3K：0.000000
A：0.250805E-01B：-.294566E-01C：0.926425E-01D：-.925863E-01
S4K：14.781565
A：0.123512E+00B：0.766502E-01C：-.503755E-01D：0.108034E+00
S5K：1.095637
A：-.415616E-01B：0.288804E-02C：0.171083E-01D：-.100904E-01
S6K：0.302832
A：0.246892E-01B：-.283931E-02C：0.287300E-01D：0.757955E-04
S7K：1.427579
A：-.380804E-01B：0.129103E-01C：-.406847E-03D：-.101415E-03
S8K：0.000000
A：-.499104E-01B：0.734534E-02C：-.143693E-02D：0.112715E-03
图2示出了根据本发明当前实施例的透镜系统的球面像差、场曲和失真。场曲包括子午场曲(T)和弧矢场曲(S)。
实施例2
物距：无限远焦距：4.54mm
FNo：2.94视角的一半：32.2°
出射角：25.0°Bf(空气)：1.068mm Bf(包括后镜片)：1.170mm
T/D的值：4.798/5.7＝0.842
             曲率半径          间隔       折射率         阿贝数
S1(ST)       1.51194           0.670      1.69008        53.2
S2           5.31625           0.150
S3           -8.15788          0.400      1.63200        23.4
S4           6.88958           0.562
S5              -1.90564           0.500        1.53318         57.0
S6              -1.41409           0.748
S7              -4.07088           0.700        1.53318         57.0
S8              13.18805           0.410
S9              无限远             0.300        1.51680         64.2
S10             无限远             0.460
IMG             无限远             0.000
<非球面系数>
S1K：-0.073251
A：0.773325E-02B：-.121001E-01C：0.347984E-01D：-.466565E-01
S2K：0.000000
A：-.395068E-01B：-.946271E-01C：0.174790E-01D：-.118394E+00
S3K：0.000000
A：-.853162E-02B：-.120389E+00C：0.783160E-01D：-.152454E+00
S4K：29.340662
A：0.980253E-01B：0.302491E-01C：-.169318E-01D：0.109637E+00
S5K：1.339694
A：-.259577E-01B：0.226570E-01C：0.840715E-02D：-.108247E-01
S6K：0.142064
A：0.405416E-01B：0.471296E-02C：0.327502E-01D：-.617456E-03
S7K：0.699570
A：-.260040E-01B：0.112674E-01C：-.569030E-03D：-.643115E-04
S8K：0.000000
A：-.506441E-01B：0.733496E-02C：-.139689E-02D：0.105734E-03
实施例3
物距：无限远焦距：4.57mm
FNo：2.94视角的一半：32.1°
出射角：25.0°Bf(包括空气)：1.068mmBf(包括后镜片)：1.170mm
T/D的值：4.798/5.70＝0.842
             曲率半径         间隔            折射率          阿贝数
S1(ST)       1.50432          0.670           1.69008         53.2
S2           5.06600          0.142
S3           -9.31311         0.400           1.63200         23.4
S4           6.60083          0.569
S5           -1.88655         0.496           1.53318         57.0
S6           -1.41742         0.753
S7           -3.92321         0.700           1.53318         57.0
S8           14.33040         0.420
S9           无限远           0.300           1.51680         64.2
S10          无限远           0.450
IMG          无限远           0.000
<非球面系数>
S1K：-0.075310
A：0.758325E-02B：-.122299E-01C：0.349701E-01D：-.458337E-01
S2K：0.000000
A：-.405709E-01B：-.969446E-01C：0.161929E-01D：-.116837E+00
S3K：0.000000
A：-.907281E-02B：-.120741E+00C：0.801632E-01D：-.154025E+00
S4K：29.185770
A：0.977258E-01B：0.308518E-01C：-.132978E-01D：0.112021E+00
S5K：1.323874
A：-.231120E-01B：0.233887E-01C：0.769382E-02D：-.111013E-01
S6K：0.144271
A：0.425056E-01B：0.618286E-02C：0.323716E-01D：-.121572E-02
S7K：0.628952
A：-.248930E-01B：0.113065E-01C：-.571092E-03D：-.660843E-04
S8K：0.000000
A：-.510307E-01B：0.739725E-02C：-.139838E-02D：0.105302E-03
下面的表示出了本发明的第一至第三实施例的分别满足不等式1至6的透镜系统。
表1
 
实施例1 实施例2 实施例3
表达式1 0.7/2.13＝0.33 0.64/2.27＝0.28 0.61/2.23＝0.27
表达式2 4.55/|—5.67|＝0.802 4.54/|—5.79|＝0.784 4.57/|—5.99|＝0.763
表达式3 2.82/|—5.67|＝0.497 2.84/|—5.79|＝0.491 2.87/|—5.99|＝0.479
表达式4 8.09/|—6.14|＝1.318 7.56/|—5.73|＝1.32 7.78/|—5.68|＝1.370
表达式5 53.2-23.4＝29.8 53.2-23.4＝29.8 53.2-23.4＝29.8
表达式6 57/57＝1 57/57＝1 57/57＝1
如上所述，根据本发明的实施例，提供了用于电子静态相机、车载相机、移动电话终端、诸如PDA的便携式信息终端和PC相机中的小且薄的透镜系统。
虽然已经参照本发明的示例性实施例来具体地示出和描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该理解的是，在不脱离本发明如权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以在本发明中做出各种形式和细节上的改变。

Claims (3)

1.一种透镜系统，包括：
第一透镜，其中，第一透镜是弯月透镜，具有正折射力，在两侧上具有非球面表面，在物侧上具有凸起表面；
第二透镜，由双凹透镜形成，在两侧上具有非球面表面；
第三透镜，在两侧上具有非球面表面，并具有正折射力；
第四透镜，由双凹透镜形成，在两侧上具有非球面表面，在像侧的非球面表面上具有拐点，
其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜从物体顺序排列，孔径光阑置于第一透镜的物侧上，
其中，透镜系统满足下面的不等式：
0.15＜A＜0.5，0.5＜f/|f2|＜1，
其中，A表示从光轴到拐点的距离与第四透镜中的物侧表面的有效半径的比，f表示透镜系统的焦距，f2表示第二透镜的焦距。
2.如权利要求1所述的透镜系统，其中，透镜系统满足下面的不等式：
0.3＜f1/|f2|＜0.7和1＜f3/|f4|＜1.5，
其中，f1表示第一透镜的焦距，f2表示第二透镜的焦距，f3表示第三透镜的焦距，f4表示第四透镜的焦距。
3.如权利要求1所述的透镜系统，其中，透镜系统满足下面的不等式：
15＜v1-v2＜50和0.9＜v3/v4＜1.1，
其中，v1表示第一透镜的阿贝数，v2表示第二透镜的阿贝数，v3表示第三透镜的阿贝数，v4表示第四透镜的阿贝数。
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