CN105607225A - 摄影透镜光学系统 - Google Patents

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CN105607225A CN201510784257.5A CN201510784257A CN105607225A CN 105607225 A CN105607225 A CN 105607225A CN 201510784257 A CN201510784257 A CN 201510784257A CN 105607225 A CN105607225 A CN 105607225A
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姜灿求
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Abstract

本发明提供一种摄影透镜光学系统。透镜光学系统包含第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，从物体侧开始按顺序布置在物体与图像传感器之间，物体的图像形成在图像传感器上；以及光圈，安置于物体与第一透镜之间，其中第一到第五透镜分别具有正、负、负、正和负折射力。本发明的透镜光学系统具有宽视角和短总长度，且容易地校正各种像差，并且因此适用于高性能和小型相机。

Description

摄影透镜光学系统
相关申请案的交叉参考
本发明主张2014年11月18日在韩国知识产权局提交的第10-2014-0160874号韩国专利申请案的权益，该申请案的揭示内容以引用方式全文并入本文中。
技术领域
本发明的一个或多个示例性实施例涉及一种光学装置，且更确切地说，涉及一种应用于相机的透镜光学系统。
背景技术
具有例如电荷耦合装置(charge-coupleddevice，CCD)的固态成像装置和应用于其上的互补金属-氧化物半导体(metal-oxidesemiconductor，CMOS)图像传感器的相机已经得到广泛地分布。
由于固态成像装置的像素集成程度增大，因此分辨率得到了快速改进。另外，透镜光学系统的性能已经得到极大改进，并且因此相机可以具有高性能、小尺寸和轻质量。
在普通小相机(例如，用于移动电话的相机)的透镜光学系统中，包含多个透镜的光学系统具有一个或多个玻璃透镜。然而，玻璃透镜具有高单位制造成本，并且由于玻璃透镜形成/处理中的限制使得难以使透镜光学系统小型化。
因此，需要一种能够实现高性能/高分辨率同时解决玻璃透镜的问题的透镜光学系统，其中光学透镜系统具有小尺寸和低单位制造成本。
发明内容
本发明的一个或多个示例性实施例包含制造成本低、尺寸小且质量轻的透镜光学系统。
本发明的一个或多个示例性实施例包含适用于高分辨率相机的高性能透镜光学系统。
另外的方面将部分在以下描述中得到阐述，并且部分地，将从所述描述中显而易见，或者可以通过对所呈现的实施例的实践习得。
根据一个或多个示例性实施例，透镜光学系统包含：第一到第五透镜，其沿着光路径按顺序布置在物体与图像传感器之间，所述物体的图像形成在所述图像传感器上，其中所述第一透镜具有正折射力，所述第二透镜具有负折射力，所述第三透镜具有负折射力，所述第四透镜具有正折射力，所述第五透镜具有负折射力并且所述透镜光学系统满足以下条件1至3，
<条件1>
60<FOV<90，
其中FOV表示所述透镜光学系统的对角线视角，
<条件2>
0.5<AL/TTL<1.2，
其中AL表示从光圈到图像传感器的距离，且TTL表示从第一透镜的入射表面的中心到图像传感器的光学距离，
<条件3>
0.5<TTL/ImgH<1.5，
其中ImgH表示图像传感器的有效像素区域的对角线长度。
第一透镜的入射表面可以朝向物体凸出并且第一透镜的出射表面可以是平坦的。
第一到第五透镜中的至少一个可以是非球面透镜。
第一到第五透镜中的至少一个的入射表面和出射表面中的至少一个可以是非球面。
第一到第五透镜中的至少一个可以是塑料透镜。
第一到第五透镜可以是像差校正透镜。
光圈可以安置于物体与第一透镜之间。
透镜光学系统可以进一步包含在物体与图像传感器之间的红外线阻挡单元。
红外线阻挡单元可以安置于第五透镜与图像传感器之间。
根据一个或多个示例性实施例，透镜光学系统包含：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，其从物体侧开始按顺序布置在物体与其上形成所述物体的图像的图像传感器之间；以及光圈，其安置于所述物体与所述第一透镜之间，其中所述第一到第五透镜分别具有正、负、负、正和负折射力，并且所述透镜光学系统满足以下条件1至3中的至少一个，
<条件1>
60<FOV<90，
其中FOV表示透镜光学系统的对角线视角，
<条件2>
0.5<AL/TTL<1.2，
其中AL表示从光圈到图像传感器的距离，且TTL表示从第一透镜的入射表面的中心到图像传感器的光学距离，
<条件3>
0.5<TTL/ImgH<1.5，
其中ImgH表示图像传感器的有效像素区域的对角线长度。
第三到第五透镜中的至少一个可以是凹凸透镜。
第一透镜的入射表面可以朝向物体凸出并且第一透镜的出射表面可以是平坦的。
第二透镜可以从图像传感器凹入。
第三透镜可以朝向图像传感器凸出。
第四透镜可以朝向图像传感器凸出。
第五透镜的入射表面可以从中心部分到边缘具有一个或多个反曲点。
第一到第五透镜中的至少一个可以是非球面透镜。
第一到第五透镜中的至少一个的入射表面和出射表面中的至少一个可以是非球面。
附图说明
通过下文结合附图对实施例的描述，将可以清楚地知道并且更容易地理解这些和/或其它方面，在所述附图中：
图1到图3是说明根据一个或多个示例性实施例的透镜光学系统的主要元件的布置的截面图。
图4的(a)、(b)和(c)说明根据示例性实施例的透镜光学系统的纵向球面像差、像散场曲率和失真。
图5的(a)、(b)和(c)说明根据示例性实施例的透镜光学系统的纵向球面像差、像散场曲率和失真。
图6的(a)、(b)和(c)说明根据示例性实施例的透镜光学系统的纵向球面像差、像散场曲率和失真。
元件符号说明：
2、4、6、8、10：入射表面
3、5、7、9、11：出射表面
AL：从光圈到图像传感器的距离
I：第一透镜
II：第二透镜
III：第三透镜
IMG：图像传感器
IMGHT：图像高度
IV：第四透镜
OBJ：物体
S：弧矢场曲率
S2：光圈
T：切向场曲率
TTL：沿着光轴从第一透镜的入射表面中心到图像传感器的距离
V：第五透镜
VI：红外线阻挡单元
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说明，其中相同的参考标号始终指代相同的元件。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到图3是根据一个或多个示例性实施例的透镜光学系统的截面图。
参考图1到图3，根据一个或多个示例性实施例的透镜光学系统包含第一透镜I、第二透镜II、第三透镜III、第四透镜IV和第五透镜V，其从物体OBJ侧开始按顺序布置在物体OBJ与图像传感器IMG之间，物体OBJ的图像形成在图像传感器IMG上。
第一透镜I可以具有正(+)折射力，并且可以朝向物体OBJ凸出。第一透镜I的入射表面2可以朝向物体OBJ凸出并且第一透镜I的出射表面3可以是平坦的。
第二透镜II可以具有负(-)折射力。第二透镜II的出射表面5可以从图像传感器IMG凹入，并且第二透镜II的入射表面4可以从物体OBJ侧凹入。
第三透镜III可以具有负(-)折射力。详细地说，第三透镜III的入射表面6可以从物体OBJ凹入，并且第三透镜III的出射表面7可以朝向图像传感器IMG侧凸出。
第四透镜IV可以具有正(+)折射力。详细地说，第四透镜IV的入射表面8从物体OBJ凹入，并且第四透镜IV的出射表面9可以朝向图像传感器IMG侧凸出。
作为透镜光学系统的最后一个透镜的第五透镜V可以具有负(-)折射力，并且朝向图像传感器IMG凸出。此处，第五透镜V的入射表面10朝向物体OBJ侧凸出，并且第五透镜V的出射表面11可以朝向图像传感器IMG侧凸出。
第五透镜V的入射表面10和出射表面11中的至少一个可以是非球面。例如，第五透镜V的入射表面10可以是具有从其中心部分到边缘的一个或两个反曲点的非球面。详细地说，第五透镜V的出射表面11可以在其中心部分处凹入并且随后可以朝向图像传感器IMG侧凸出到边缘。
第一透镜I到第五透镜V中的至少一个可以是非球面透镜。也就是说，第一透镜I到第五透镜V中的至少一个的入射表面2、4、6、8或10和出射表面3、5、7、9或11中的至少一个可以是非球面。
根据另一示例性实施例，第一透镜I到第五透镜V的入射表面2、4、6、8和10以及第二透镜II到第五透镜V的出射表面5、7、9和11可以全部是非球面。
另外，光圈S1和红外线阻挡单元VI可以进一步安置于物体OBJ与图像传感器IMG之间。光圈S1可以安置于物体OBJ与第一透镜I之间。也就是说，光圈S1可以邻近于第二透镜II的出射表面4*。
红外线阻挡单元VI可以安置于第五透镜V与图像传感器IMG之间。红外线阻挡单元VI可以是红外线阻挡滤光器。光圈S1和红外线阻挡单元VI的位置可以发生改变。
在图1到图3中，总轨迹长度(totaltracklength，TTL)是从第一透镜I的入射表面1的中心到图像传感器IMG的距离，也就是说，透镜光学系统的总长度。另外，AL表示从光圈S1到图像传感器IMG的距离。
根据示例性实施例的上文所述的透镜光学系统可以满足以下条件1至3中的至少一个。
60<FOV<90(1)
此处，FOV表示光学系统的对角线视角。如上所述视角受到限制，以便配置高分辨率的广角透镜系统。
0.5<AL/TTL<1.2(2)
此处，AL表示从光圈S1到图像传感器IMG的距离，且TTL表示从第一透镜I的入射表面1的中心到图像传感器IMG的光学距离。以上条件确定光圈S1的位置。因此，在广角透镜结构中光圈S1安置在第一透镜I的前方，使得可以获得优化的透镜系统。
0.5<TTL/ImgH<1.5(3)
此处，ImgH是图像传感器IMG的有效像素区域的对角线长度。在以上条件下，朝向最小值，光学系统变细，但是难以校正像差。另外，朝向最大值易于校正像差，但是难以形成紧凑的光学系统。
在以上示例性实施例(EMB1到EMB3)中，表1示出以上条件EQU1到EQU3的值。
[表1]
FOV EQU1 AL TTL EQU2 ImgH EQU3
EMB1 75.730 75.730 4.989 5.270 0.947 6.856 0.769
EMB2 76.076 76.076 4.996 5.261 0.950 6.856 0.767
EMB3 75.706 75.706 5.029 5.299 0.949 6.856 0.773
如表1中所示，示例性实施例EMB1到EMB3全部满足以上条件1到3。
在根据一个或多个示例性实施例的具有上述结构的透镜光学系统中，考虑到透镜的形状和尺寸，第一透镜I到第五透镜V可以由塑料形成。也就是说，所有第一透镜I到第五透镜V可以是塑料透镜。
如果使用玻璃透镜，那么透镜光学系统不仅具有高制造单位成本，而且由于在玻璃透镜的形成/处理上的限制难以进行小型化。然而，由于第一透镜I到第五透镜V可以由塑料形成，因此可以减小制造单位成本并且可以使透镜光学系统小型化。
然而，在示例性实施例中，形成第一透镜I到第五透镜V的材料不限于塑料。必要时，第一透镜I到第五透镜V中的至少一个可以由玻璃形成。
下文将参考透镜数据和附图详细描述一个或多个示例性实施例#1到#3。
以下表2到表4示出了曲率半径、透镜厚度或透镜之间的距离、折射率，以及包含于图1到图3中所说明的透镜光学系统中的每个透镜的阿贝数。
在表2到表4中，S表示多个透镜表面，R表示曲率半径，D表示透镜厚度、透镜间隔或邻近元件之间的间隔，Nd表示通过使用d线测量到的透镜的折射率，并且Vd表示透镜相对于d线的阿贝数。透镜表面编号旁边的标记“*”表示透镜表面是非球面。此外，R和D的值的单位是毫米。
[表2]
EMB1：FNo.＝2.2147/f＝4.3736mm
[表3]
EMB2：FNo.＝2.2147/f＝4.2912mm
[表4]
EMB3：FNo.＝2.2147/f＝4.3182mm
另外，根据以上示例性实施例的透镜光学系统中的每个透镜的非球面满足非球面公式4。
x = c &prime; y 2 1 + 1 - ( K + 1 ) c &prime; 2 y 2 + Ay 4 + By 6 + Cy 8 + Dy 10 + Ey 12 - - - ( 4 )
此处，x表示在光轴方向上距透镜的顶点的距离，H表示在垂直于光轴的方向上的距离，c′表示在透镜的顶点处曲率半径的倒数(＝1/r)，K表示锥形常数，并且A、B、C、D和E各自表示非球面系数。
以下表5到表7示出分别在根据图1到图3中所说明的示例性实施例的透镜光学系统中的非球面的非球面系数。换句话说，表5到表7示出表2到表5的入射表面1*、3*、6*、和8*以及出射表面2*、4*、7*、9*和11*的非球面系数。
[表5]
S K A B C D E F
2 -0.0819 0.0077 0.0043 -0.0239 0.0332 -0.0194 -
4 0.0000 0.0108 0.0511 -0.0317 0.0168 0.0148 -
5 -1.0033 -0.0204 0.0660 -0.0338 -0.0336 0.0459 -
6 0.0000 -0.2032 -0.0319 -0.0368 -0.0100 0.0338 -
7 0.0000 -0.1255 -0.0224 0.0213 -0.0086 0.0168 -
8 -81.8241 -0.0131 0.0102 -0.0114 0.0090 -0.0025 0.0001
9 -2.8395 -0.0023 -0.0097 0.0105 -0.0022 0.0003 -0.0001
10 -25.1725 -0.0866 0.0259 -0.0027 -0.0002 0.0001 0.0000
11 -6.9265 -0.0576 0.0190 -0.0042 0.0005 -0.0000 -0.0000
[表6]
S K A B C D E F
2 -0.0678 0.0066 0.0092 -0.0240 0.0316 -0.0184 -
4 0.0000 0.0094 0.0505 -0.0350 0.0143 0.0162 -
5 5.6642 -0.0155 0.0596 -0.0324 -0.0305 0.0445 -
6 0.0000 -0.1989 -0.0269 -0.0365 -0.0103 0.0369 -
7 0.0000 -0.1259 -0.0220 0.0211 -0.0089 0.0167 -
8 -85.3964 -0.0141 0.0102 -0.0114 0.0089 -0.0025 0.0001
9 -2.8596 -0.0020 -0.0099 0.0104 -0.0022 0.0003 -0.0001
10 -4.2955 -0.0880 0.0257 -0.0027 -0.0002 0.0001 0.0000
11 -6.2349 -0.0574 0.0190 -0.0042 0.0005 -0.0000 -0.0000
[表7]
S K A B C D E F
3 -0.0663 0.0059 0.0118 -0.0249 0.0307 -0.0165 -
5 0.0000 0.0091 0.0493 -0.0375 0.0132 0.0168 -
6 9.3982 -0.0127 0.0544 -0.0310 -0.0296 0.0418 -
7 0.0000 -0.1984 -0.0259 -0.0378 -0.0122 0.0371 -
8 0.0000 -0.1256 -0.0218 0.0203 -0.0095 0.0165 -
9 -79.2001 -0.0150 0.0103 -0.0115 0.0089 -0.0025 0.0001
10 -2.8505 -0.0018 -0.0100 0.0104 -0.0022 0.0003 -0.0001
11 10.4602 -0.0885 0.0257 -0.0027 -0.0002 0.0001 0.0000
12 -6.1398 -0.0576 0.0189 -0.0042 0.0005 -0.0000 -0.0000
图4说明图1的透镜光学系统(也就是说，具有表2的值的透镜光学系统)的(a)纵向球面像差，(b)像散场曲率和(c)失真。在图4到图6中，IMGHT表示图像高度。
在图4中的(a)示出相对于各种波长的光的透镜光学系统的球面像差，图4中的(b)示出透镜光学系统的像散场曲率，即，切向场曲率T和弧矢场曲率S。用于获得图4中的(a)的数据的光的波长是656.0000nm、588.0000nm、546.0000nm、486.0000nm和436.0000nm。用于获得图4中的(b)和(c)的数据的光的波长是486.0000nm。相同波长也用于获得图5和图6中所示的数据。
在图5中的(a)、(b)和(c)分别示出根据图2中所说明的示例性实施例的透镜光学系统(即，具有表3中所示的值的透镜光学系统)的纵向球面像差、像散场曲率和失真。
在图6中的(a)、(b)和(c)分别示出根据图3中所说明的示例性实施例的透镜光学系统(即，具有表4中所示的值的透镜光学系统)的纵向球面像差、像散场曲率和失真。
如上文所描述，根据示例性实施例的透镜光学系统包含第一透镜I到第五透镜V，其分别具有正(+)、负(-)、负(-)、正(+)和负(-)折射力并且从物体OBJ到图像传感器IMG按顺序布置，并且可以满足条件1至3中的至少一个。
此类透镜光学系统可以具有宽视角和短总长度，并且可以容易地校正各种像差。因此，根据示例性实施例的透镜光学系统可以通过小尺寸和宽视角获得高性能和高分辨率。
具体而言，如果第五透镜V的入射表面10*是具有从其中心部分到边缘的至少一个反曲点，具体而言从中心部分到边缘的两个或大于两个反曲点的非球面，那么可以通过使用第五透镜V容易地校正各种像差，并且可以减小主光线的出射角以防止晕映。
此外，由于第一透镜I到第五透镜V由塑料形成并且透镜I到V中的每一个的相对表面(入射表面和出射表面)形成为非球面，因此可以用与使用玻璃透镜相比的较少费用形成具有紧凑大小的高性能透镜光学系统。
根据一个或多个示例性实施例，透镜光学系统可以具有小尺寸和轻质量，并且获得高性能和高分辨率。具体而言，根据示例性实施例的透镜光学系统包含第一透镜I到第五透镜V，其分别具有正、负、负、正、和负折射力并且从物体到图像传感器按顺序布置，且满足条件1至3中的至少一个。具有正折射力的第一透镜具有强光焦度并且负折射力被分布到第二和第三透镜。
此类上述透镜光学系统具有宽视角和短总长度，且容易地校正各种像差，并且因此适用于高性能和小型相机。具体而言，如果第五透镜的入射表面是具有从中心部分到边缘的一个或多个反曲点的非球面，那么可以通过使用第五透镜容易地校正各种像差。
另外，由于第一到第五透镜中的至少一个由塑料形成并且每个透镜的相对表面(入射表面和出射表面)形成为非球面，因此可以用与使用玻璃透镜相比较少的费用形成具有紧凑大小的高性能透镜光学系统。
应理解，本文中所描述的示例性实施例应仅在描述性意义上考虑，而非出于限制的目的。例如，所属领域的一般技术人员将显而易见，阻挡膜可以替代红外线阻挡单元VI而用作滤光器。尽管已参考附图描述一个或多个示例性实施例，但所属领域的技术人员应理解，可以在不脱离如所附权利要求所界定的发明概念的精神和范围的情况下对实施例在形式和细节上进行各种改变。

Claims (16)

1.一种透镜光学系统，其特征在于，包括：
第一透镜到第五透镜，沿着光路径按顺序布置在物体与图像传感器之间，所述物体的图像形成在所述图像传感器上，
其中所述第一透镜具有正折射力，
所述第二透镜具有负折射力，
所述第三透镜具有负折射力，
所述第四透镜具有正折射力，
所述第五透镜具有负折射力，并且
所述透镜光学系统满足以下条件：
60＜FOV＜90，
其中FOV表示所述透镜光学系统的对角线视角。
2.根据权利要求1所述的透镜光学系统，其特征在于，满足以下条件：
0.5＜AL/TTL＜1.2，
其中AL表示从光圈到所述图像传感器的距离，且TTL表示从所述第一透镜的入射表面的中心到所述图像传感器的光学距离。
3.根据权利要求2所述的透镜光学系统，其特征在于，满足以下条件：
0.5＜TTL/ImgH＜1.5，
其中ImgH表示所述图像传感器的有效像素区域的对角线长度。
4.根据权利要求1所述的透镜光学系统，其特征在于，满足以下条件：
0.5＜TTL/ImgH＜1.5，
其中TTL表示从所述第一透镜的入射表面的中心到所述图像传感器的光学距离，且ImgH表示所述图像传感器的有效像素区域的对角线长度。
5.根据权利要求1所述的透镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜的入射表面朝向所述物体凸出并且所述第一透镜的出射表面是平坦的。
6.根据权利要求5所述的透镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜到第五透镜中的至少一个是非球面透镜。
7.根据权利要求1所述的透镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜到第五透镜中的至少一个是非球面透镜。
8.根据权利要求1所述的透镜光学系统，其特征在于，所述第五透镜的入射表面从中心部分到边缘具有一个或多个反曲点。
9.根据权利要求1所述的透镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜到第五透镜中的至少一个的入射表面和出射表面中的一个是非球面。
10.根据权利要求9所述的透镜光学系统，其特征在于，所述第二透镜到第五透镜中的每一个的入射表面和出射表面是非球面。
11.根据权利要求1所述的透镜光学系统，其特征在于，光圈安置于所述物体与所述第一透镜之间。
12.根据权利要求1所述的透镜光学系统，其特征在于，进一步包括在所述第五透镜与所述图像传感器之间的红外线阻挡单元。
13.根据权利要求1所述的透镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜到第五透镜中的至少一个是塑料透镜。
14.一种透镜光学系统，其特征在于，包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，从物体侧开始按顺序布置在物体与图像传感器之间，所述物体的图像形成在所述图像传感器上；以及光圈，安置于所述物体与所述第一透镜之间，
其中所述第一透镜到第五透镜分别具有正、负、负、正和负折射力，并且所述透镜光学系统满足以下条件1至3中的至少一个，
＜条件1＞
60＜FOV＜90，
其中FOV表示所述透镜光学系统的对角线视角，
＜条件2＞
0.5＜AL/TTL＜1.2，
其中AL表示从所述光圈到所述图像传感器的距离，且TTL表示从所述第一透镜的入射表面的中心到所述图像传感器的光学距离，
＜条件3＞
0.5＜TTL/ImgH＜1.5，
其中ImgH表示所述图像传感器的有效像素区域的对角线长度。
15.根据权利要求14所述的透镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜到第五透镜包括非球面透镜。
16.根据权利要求14所述的透镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜的入射表面朝向所述物体凸出，所述第一透镜的出射表面是平坦的，并且所述第五透镜的入射表面具有至少一个反曲点。
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