CN104730687A - 镜头光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种镜头光学系统。所述镜头光学系统包含在从物体朝向图像传感器的方向上依次布置的第一镜头、第二镜头、第三镜头、第四镜头、第五镜头以及第六镜头。第一镜头具有负(-)屈光力，并且第一镜头的发射表面可以朝向物体成凸面。第二镜头可以具有正(+)屈光力，第三以及第四镜头具有正(+)屈光力，并且第五镜头具有负(-)屈光力。此外，第六镜头是具有正(+)屈光力的非球面镜头。

Description

镜头光学系统
相关申请
本发明主张2013年12月19日在韩国知识产权局申请的第10-2013-0159436号韩国专利申请的权益，所述申请的揭示内容全部以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明的一或多个实施例涉及光学装置，且更确切地说，涉及一种应用于摄影设备的镜头光学系统。
背景技术
以各种形式开发以及增强的半导体图像传感器显著拓宽了例如摄像机等摄影设备的应用领域。
最流行的半导体图像传感器包含电荷耦合装置(charge-coupled device，CCD)型图像传感器以及互补金属氧化物半导体(complementary metal oxidesemiconductor，CMOS)型图像传感器。近年来，随着CMOS装置性能的显著改善，CMOS型图像传感器已应用于广泛范围的领域中。此类半导体图像传感器的像素整合通过反复创新迅速提高，并且因此即使很小的半导体图像传感器现在也能够拾取非常高分辨率的图像。
对应于此类高像素图像传感器，需要适用于所述图像传感器的高品质镜头光学系统。对于高品质镜头光学系统，在所有区域呈现低像差以及高清晰度是必要的。
为了获得优良品质的图像，不仅需要如上文所描述的高品质图像传感器，而且还需要适用于高品质图像传感器的镜头光学系统。
有必要保持应用于常用摄像机的镜头光学系统的高性能并且减小所述镜头光学系统的尺寸，所述镜头光学系统例如应用于移动电话的小型摄像机或车载摄像机的镜头光学系统。常用镜头光学系统具有其中在单个光轴上布置多个镜头的结构，其中所述镜头包含用于保证优良光学性能的一或多个玻璃镜头。确切地说，车载摄像机应用5到6个玻璃镜头。然而，玻璃镜头制造起来很昂贵，并且镜头光学系统的尺寸缩减由于形成/制造玻璃镜头中的限制而受限。
因此，仍然存在对用于小型摄像机的镜头的需求，所述镜头具有比其光学设计所要求的更高的光学性能，由于易于形成/制造可以容易地在降低的成本下缩小尺寸。
发明内容
本发明的一或多个实施例包含一种可以容易地小型化的高性能镜头光学系统。
本发明的一或多个实施例包含一种可以在降低的成本下制造的高性能镜头光学系统。
另外的方面将部分地在以下描述中得到阐述，并且部分地将从描述中显而易见，或者可以通过对所呈现的实施例的实践习得。
根据本发明的一或多个实施例，一种镜头光学系统包含镜头光学器件，所述镜头光学系统包含布置在物体与图像平面之间的光轴上的第一镜头、第二镜头、第三镜头、第四镜头、第五镜头以及第六镜头，所述镜头中的每一个包含面向物体的入射表面以及面向图像平面的发射表面，其中第一镜头是具有负(-)屈光力并且朝向物体成凸面的弯月型镜头，第二镜头是具有正(+)屈光力并且远离物体成凹面的弯月形镜头，第三镜头是具有正(+)屈光力的双凸镜头，第四镜头是具有正(+)屈光力并且具有朝向图像平面成凸面的发射表面的镜头，第五镜头是具有负(-)屈光力并且具有远离图像平面成凹面的入射表面的镜头，以及第六镜头是具有正(+)屈光力的镜头，具有至少一个非球面表面并且朝向图像平面成凸面。
第六镜头的折射指数Nd6满足以下不等式1到3中的任一个：
<不等式1>
1.5＜Nd6＜1.65，
其中Nd6表示第六镜头的折射指数。
<不等式2>
0.7＜tan(θ)/YA1＜1.4，
θ表示镜头光学器件的总视角，并且YA1表示第一镜头的发射表面的Y方向半孔径。
第四镜头以及第五镜头可以附接到彼此上。
镜头光学系统可以进一步包含在第二镜头与第三镜头之间布置的光阑。
镜头光学系统可以进一步包含在物体与图像平面之间的红外线屏蔽单元。
红外线屏蔽单元可以布置在第六镜头与图像平面之间。
附图说明
通过结合附图对实施例进行的以下描述，将可以清楚地知道并且更容易地理解这些和/或其它方面，附图中：
图1是示出根据本发明第一实施例的镜头光学系统的主要部件的布置的截面视图。
图2是示出根据本发明第二实施例的镜头光学系统的主要部件的布置的截面视图。
图3是示出根据本发明第三实施例的镜头光学系统的主要部件的布置的截面视图。
图4是示出根据本发明第四实施例的镜头光学系统的主要部件的布置的截面视图。
图5是示出根据本发明第五实施例的镜头光学系统的主要部件的布置的截面视图。
图6的(a)、(b)以及(c)是示出根据本发明第一实施例的镜头光学系统的纵向球面像差、像散场曲率以及畸变的像差图。
图7的(a)、(b)以及(c)是示出根据本发明第二实施例的镜头光学系统的纵向球面像差、像散场曲率以及畸变的像差图。
图8的(a)、(b)以及(c)是示出根据本发明第三实施例的镜头光学系统的纵向球面像差、像散场曲率以及畸变的像差图。
图9的(a)、(b)以及(c)是示出根据本发明第四实施例的镜头光学系统的纵向球面像差、像散场曲率以及畸变的像差图。以及，
图10的(a)、(b)以及(c)是示出根据本发明第五实施例的镜头光学系统的纵向球面像差、像散场曲率以及畸变的像差图。
具体实施方式
现在将详细参考实施例，所述实施例的实例在附图中图示出，其中在全文中相同的参考标号指代相同的元件。就此而言，当前实施例可以具有不同形式并且不应被解释为限于本文中所阐述的描述。因此，这些实施例仅通过参考图式在下文中进行描述以说明本说明书的各方面。例如“中的至少一个”等表述当在元件列表之前时修饰元件的整个列表而不是修饰列表的个别元件。
图1到5示出根据本发明的第一到第五实施例的镜头光学系统。
如图1到5中所示，根据本发明的实施例的镜头光学系统中的每一个包含六个镜头，所述镜头依次在物体OBJ与图像传感器IMG之间，具有成像表面(或图像平面)，物体OBJ的图像在所述成像表面上形成。六个镜头中的每一个包含光入射到其上的入射表面(即，入射表面)；以及光从其发射的发射表面(即，面向图像传感器IMG)，其中在当前实施例中所述镜头包含第一镜头I、第二镜头II、第三镜头III、第四镜头IV、第五镜头V以及第六镜头VI。第一镜头I具有负(-)屈光力(折射指数)并且可以具有朝向物体OBJ成凸面的弯月形状。
第二镜头II具有正(+)屈光力以及远离物体OBJ成凹面的弯月形状。
第三镜头III是具有正(+)屈光力的双凸镜头。
第四镜头IV具有正(+)屈光力，其中所述第四镜头IV的发射表面朝向图像传感器IMG成凸面。第五镜头V具有负(-)屈光力并且具有凹面的入射表面。这里第四镜头IV的发射表面的曲率R可以与第五镜头V的发射表面的曲率R相同，其中根据本发明的一个实施例第四镜头IV以及第五镜头V可以彼此隔开恒定的间隔或距离T，例如约0.003mm，或根据本发明的另一个实施例可以彼此紧密接触(T＝0.0000)并且附接。例如，在本发明的第一到第四实施例中，第四镜头IV以及第五镜头V可以附接到彼此上(T＝0.0000)并且构成具有负(-)屈光力的经附接镜头，而在本发明的第五实施例中，第四镜头IV以及第五镜头V可以彼此隔开0.003mm。
第六镜头VI具有正(+)屈光力，其中所述第六镜头VI的入射表面以及发射表面中的至少一个是非球面并且发射表面朝向图像传感器IMG成凸面。
可以进一步布置光阑S1以及红外线屏蔽单元IR。光阑S1可以布置在第二镜头II与第三镜头III之间。红外线屏蔽单元IR可以布置在第六镜头VI与图像传感器IMG之间。红外线屏蔽单元IR可以是红外线屏蔽滤光片。光阑S1以及红外线屏蔽单元IR的位置可以改变。具有上述配置的根据本发明的实施例的镜头光学系统可以满足以下不等式1以及不等式2中的至少一个。
<不等式1>
1.5＜Nd6＜1.65
这里，Nd6表示第六镜头VI的折射指数。
不等式1示出用于减小镜头光学系统的尺寸以及重量的条件。
<不等式2>
0.7＜tan(θ)/YA1＜1.4
这里，θ表示镜头光学系统的总视角，并且YA1表示第一镜头I的发射表面的Y方向半孔径。
不等式2示出用于确定镜头光学系统的结构的条件。如果不等式2的解超过上限，那么镜头光学系统的视角增大，但是球面像差以及彗形像差(comaaberration)增大。如果不等式2的解低于下限，那么镜头光学系统的球面像差以及彗形像差(coma aberration)减小，但是其视角也减小。此外，通过布置第五镜头V以及第六镜头VI可以减小色像差，所述第五镜头V以及第六镜头VI为低折射镜头、靠近，并且通过将第六镜头VI的表面中的至少一个形成为非球面表面可以校正像差。
在如上文所描述的本发明的第一到第五实施例中，不等式1以及不等式2的值如以下表1中所示。在表1中，视角θ的单位是度(°)。
【表1】
Nd6 不等式1 θ tan(θ) YA1 不等式2
实施例1 1.534 1.534 64.03 2.56 3.28 0.78
实施例2 1.534 1.534 64.22 5.41 4.04 1.34
实施例3 1.534 1.534 64.13 3.58 3.89 0.92
实施例4 1.534 1.534 64.09 3.09 4.04 0.76
实施例5 1.534 1.534 64.25 6.50 4.84 1.34
参考表1，根据本发明的第一到第五实施例的镜头光学系统满足不等式1以及不等式2。在具有此类配置的根据本发明的实施例的镜头光学系统中，考虑到形状以及尺寸，第一到第六镜头I到VI可以由塑性材料形成。换句话说，所有的第一到第六镜头I到VI可以是塑料镜头。如果第一到第六镜头I到VI是玻璃镜头，那么制造成本会高并且由于形成/制造中的限制难以使镜头光学系统小型化。然而，根据本发明，所有的第一到第六镜头I到VI可以由塑性材料形成，并且因此可以获得各种优点。然而，用于形成根据本发明的第一到第六镜头I到VI的材料不限于塑性材料。必要时第一到第六镜头I到VI中的至少一个可以由玻璃形成。
下文中将根据镜头数据以及附图详细地描述本发明的第一到第五实施例。
以下表2到6示出分别构成如图1到5中所示的镜头光学系统的对应的镜头的曲率半径、镜头厚度或镜头之间的距离、折射指数以及阿贝数。
在表2到6中，R表示曲率半径，D表示镜头厚度、镜头之间的距离或邻接于彼此的部件之间的距离，Nd表示通过使用d线所测得的镜头的折射指数，以及Vd表示关于d线的镜头的阿贝数。具有*的镜头表面标号指示对应于所述表面标号的镜头表面是非球面。用于曲率半径R以及镜头厚度D的单位是mm。
【表2】
【表3】
【表4】
【表5】
【表6】
根据本发明的第一到第五实施例的镜头光学系统的非球面表面满足以下等式3的常规非球面表面等式。
<等式3>
x = c &prime; y 2 1 + 1 - ( K + 1 ) c &prime; 2 y 2 + Ay 4 + B y 6 + Cy 8 + D y 10 + E y 12
这里，x表示在光轴方向上从镜头的顶点开始的距离(深度)，y表示在垂直于光轴的方向上的距离(高度)，c′表示在镜头的顶点处曲率半径的近轴曲率(倒数，1/r)，K表示非球面表面的圆锥常数，以及A，B，C，D和E表示高阶非球面系数。
以下表7到11分别示出对应于图1到5的根据本发明的第一到第五实施例的镜头光学系统中的非球面系数。换句话说，表7到11分别示出如表2到表6中所示的第六镜头VI的入射表面14*以及发射表面15*的非球面系数。
【表7】
表面 K A B C D E
14* -527.6471 -0.0048 -0.0004 0.0002 -0.0000 0.0000
15* -1.2823 0.0012 -0.0002 0.0000 -0.0000 0.0000
【表8】
表面 K A B C D E
14* 43.2902 -0.0032 -0.0001 0.0001 -0.0000 0.0000
15* -1.5270 0.0015 -0.0003 0.0000 -0.0000 0.0000
【表9】
表面 K A B C D E
14* 55.9501 -0.0051 -0.0005 0.0001 -0.0000 0.0000
15* -1.2004 0.0011 -0.0002 0.0000 -0.0000 0.0000
【表10】
表面 K A B C D E
14* 46.7225 -0.0056 -0.0005 0.0001 -0.0000 0.0000
15* -1.1292 0.0009 -0.0003 0.0000 -0.0000 0.0000
【表11】
表面 K A B C D E
14* 81.6107 -0.0056 -0.0004 0.001 -0.0000 0.0000
15* -1.4165 0.0013 -0.0003 0.0000 -0.0000 0.0000
图6的(a)、(b)以及(c)是示出根据本发明第一实施例(图1)的镜头光学系统(即，具有表2中所示的规格的镜头光学系统)的纵向球面像差、像散场曲率以及畸变的像差图。
图6的(a)指示镜头光学系统相对于各种波长的光的球面像差，并且图6的(b)指示镜头光学系统的像散场曲率，即，切向场曲率T以及弧矢场曲率S。
这里，用于获得图6的(a)中示出的数据的光的波长是656.3000nm、587.6000nm、546.1000nm、486.1000nm以及435.8000nm。用于获得图6的(b)以及图6的(c)中示出的数据的光的波长是546.1000nm。以上相同的描述适用于图7的(a)、(b)以及(c)到图10的(a)、(b)以及(c)。
图7的(a)、(b)以及(c)示出根据本发明第二实施例(图2)的镜头光学系统(即，具有如表3中所示的规格的镜头光学系统)的纵向球面像差、像散场曲率以及畸变。
图8的(a)、(b)以及(c)示出根据本发明第三实施例(图3)的镜头光学系统(即，具有如表4中所示的规格的镜头光学系统)的纵向球面像差、像散场曲率以及畸变。
图9的(a)、(b)以及(c)示出根据本发明第四实施例(图4)的镜头光学系统(即，具有如表5中所示的规格的镜头光学系统)的纵向球面像差、像散场曲率以及畸变。
图10的(a)、(b)以及(c)示出根据本发明第五实施例(图5)的镜头光学系统(即，具有如表6中所示的规格的镜头光学系统)的纵向球面像差、像散场曲率以及畸变。
如上文所描述，根据本发明的实施例的镜头光学系统中的每一个可以包含依次布置的分别具有负(-)屈光力、正(+)屈光力、正(+)屈光力、正(+)屈光力、负(-)屈光力以及正(+)屈光力的第一到第六镜头I到VI，并且可以满足以上定义的不等式1以及不等式2中的至少一个。此类镜头光学系统可以有利地校正各种像差并且可以具有相对较短长度。因此，根据本发明的实施例，可以实施能够获得高分辨率图像的小型的高性能镜头光学系统。
确切地说，根据本发明的实施例，从关于表2到表6中的第四镜头IV的第11表面的数据明显看出，由于第四镜头IV以及第五镜头V彼此隔开，或第四镜头IV以及第五镜头V通过附接到彼此上而作为经附接镜头布置，可以容易地减小镜头光学系统的尺寸。如上文所描述，第四镜头IV具有正(+)屈光力，第五镜头V具有负(-)屈光力，并且所述两个镜头，即，第四镜头IV以及第五镜头V的屈光力的总和为负(-)屈光力。换句话说，由具有正(+)屈光力的第四镜头IV以及具有负(-)屈光力的第五镜头V组成的经附接镜头具有负(-)屈光力。
通过使用塑性材料形成第一到第六镜头I到VI，并且将所述镜头之中的至少第六镜头VI的入射表面以及发射表面中的至少一个形成为非球面表面，可以用比使用玻璃镜头时更低的成本实施紧凑且高性能的镜头光学系统。
此外，根据本发明的另一个实施例，如果入射表面14*以及发射表面15*中的至少一个是在从其中心到边缘的方向上具有至少一个反曲点的非球面表面，那么可以容易地校正各种像差并且因此减小主光线的发射角度，由此防止在对角线方向上的角渐晕。
如上文所描述，根据本发明的以上实施例中的一或多个，可以实施能够获得高分辨率图像的小型的高性能镜头光学系统。具体来说，根据本发明的实施例的镜头光学系统中的每一个可以包含依次布置的分别具有负(-)屈光力、正(+)屈光力、正(+)屈光力、正(+)屈光力、负(-)屈光力以及正(+)屈光力的第一到第六镜头I到VI，并且可以满足以上定义的不等式1以及不等式2中的至少一个。此类镜头光学系统可以容易地且有利地校正各种像差并且可以具有相对较短长度，因此对于改善镜头光学系统的性能并且减小其尺寸是有利的。
此外，通过使用塑性材料形成第一到第六镜头I到VI，可以用比使用玻璃镜头时更低的成本实施紧凑且高性能的镜头光学系统。
应理解，本文中所描述的示例性实施例应该被认为仅具有描述性意义，而非出于限制的目的。每个实施例内的特征或方面的描述通常应该被认为是可用于其它实施例中的其它类似特征或方面的。
尽管已经参考图式描述了本发明的一个或多个实施例，但本领域的技术人员应理解，在不脱离如随附的权利要求所界定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。

Claims (11)

1.一种包括镜头光学器件的镜头光学系统，所述镜头光学系统包含布置在所述物体与所述图像平面之间的光轴上的第一镜头、第二镜头、第三镜头、第四镜头、第五镜头以及第六镜头，所述镜头中的每一个包含面向物体的入射表面以及面向图像平面的发射表面，其特征在于：
所述第一镜头是具有负屈光力以及朝向所述物体成凸面的弯月型镜头，
所述第二镜头是具有正屈光力以及远离所述物体成凹面的弯月形镜头，
所述第三镜头是具有正屈光力的双凸镜头，
所述第四镜头是具有正屈光力以及具有朝向所述图像平面成凸面的所述发射表面的镜头，
所述第五镜头是具有负屈光力以及具有远离所述图像平面成凹面的所述入射表面的镜头，以及
所述第六镜头是具有正屈光力的镜头，所述第六镜头具有至少一个非球面表面以及朝向所述图像平面成凸面。
2.根据权利要求1所述的镜头光学系统，其特征在于所述第六镜头的折射指数Nd6满足以下不等式：
1.5＜Nd6＜1.65。
3.根据权利要求2所述的镜头光学系统，其特征在于在所述镜头光学器件的总视角θ与所述第一镜头的所述发射表面的Y方向半孔径YA1之间建立以下不等式：
0.7＜tan(θ)/YA1＜1.4。
4.根据权利要求1所述的镜头光学系统，其特征在于在所述镜头光学器件的所述总视角θ与所述第一镜头的所述发射表面的所述Y方向半孔径YA1之间建立以下不等式：
0.7＜tan(θ)/YA1＜1.4。
5.根据权利要求1所述的镜头光学系统，其特征在于所述第四镜头是双凸镜头。
6.根据权利要求5所述的镜头光学系统，其特征在于进一步包括在所述第二镜头与所述第三镜头之间布置的光阑。
7.根据权利要求1所述的镜头光学系统，其特征在于进一步包括在所述第二镜头与所述第三镜头之间布置的光阑。
8.根据权利要求1所述的镜头光学系统，其特征在于所述第四镜头以及所述第五镜头附接到彼此上以及构成经附接镜头，以及
所述经附接镜头具有负屈光力。
9.根据权利要求8所述的镜头光学系统，其特征在于所述第四镜头是双凸镜头。
10.根据权利要求9所述的镜头光学系统，其特征在于进一步包括在所述第二镜头与所述第三镜头之间布置的光阑。
11.根据权利要求8所述的镜头光学系统，其特征在于进一步包括在所述第二镜头与所述第三镜头之间布置的光阑。
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