CN110488456B - 光学透镜系统与成像系统 - Google Patents

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Abstract

一种光学透镜系统与成像系统，该光学透镜系统按照从处于物体侧的端部到处于成像侧的端部的顺序包括：具有正屈光力的第一透镜、具有正屈光力的第二透镜、具有正屈光力的第三透镜、以及具有负屈光力的第四透镜。第二透镜与第三透镜被设计为弯月形透镜，第二透镜的位于物体侧的表面是凸面的，第三透镜的位于物体侧的表面是凹面的，第二透镜的位于物体侧的表面的曲率半径L2R1与第三透镜的位于成像侧的表面的曲率半径L3R2满足条件‑1.4<L2R1/L3R2<‑0.7，第二透镜的位于成像侧的表面的曲率半径L2R2与第三透镜的位于物体侧的表面的曲率半径L3R1满足条件‑1.8<L2R2/L3R1<‑1.0。本发明还涉及一种具有图像传感器的成像系统，具有按行及按列排列的多个光敏元件并且具有这种光学透镜系统。

Description

光学透镜系统与成像系统
技术领域
本发明涉及一种用于照相机的光学透镜系统。
背景技术
技术发展的结果是诸如手机(特别是所谓的智能手机)或便携式电脑(特别是所谓的平板电脑)之类的移动设备通常配备有照相机或甚至配备有多个照相机。使得图像传感器也越来越小的日趋小型化需要也具有紧凑设计的透镜系统或物镜。
上述移动设备的创新设备特征是配备有3D成像系统，使得可以生成三维图像，即除了横向图像信息之外还包括深度信息的图像。用于生成三维图像的方法包括使用具有上游物镜的3D图像传感器或者生成场景深度图像的透镜系统，其中使用飞行时间(TOF)处理来获取深度信息。这种3D图像传感器也叫TOF传感器。TOF传感器的示例是光子混合检测器，也称为PMD传感器(PMD＝光子混合设备，photonic mixing device)。为了获取深度信息，要记录的场景由其波长通常在红外范围内的光脉冲照射，并且该光脉冲的与深度相关的飞行时间由3D图像传感器以空间分辨率确定。为了生成多色3D图像，可以将由2D图像传感器(特别是高分辨率2D图像传感器)生成的场景的多色2D图像与由3D图像传感器生成的相关3D图像相互比照使用。
布置在图像传感器上游的物镜或透镜系统必须具有高的透镜速度，并且同时具有用于高质量三维成像系统的大景深，另外，其中设计应尽可能的紧凑。
然而，高透镜速度与高景深代表了对这种目标的矛盾要求。因此，传统的透镜系统或物镜通常具有相对较低的透镜速度以满足对大景深的要求。具有更高透镜速度的透镜系统包括四个以上透镜，因此不能满足尽可能紧凑的设计要求。
从US 7,274,518B1和US 2010/0309367A1中已知具有四个透镜的透镜系统，其中，从物体侧这一端到成像侧这一端以下述顺序设有：具有正屈光力的第一透镜、具有负屈光力的第二透镜、具有正屈光力的第三透镜、以及具有负屈光力的第四透镜。从文献US 2014/0184880A1中得知一种具有四个透镜的透镜系统，其中前三个透镜具有正屈光力，第四个透镜具有负屈光力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同时具有高透镜速度、高景深以及紧凑设计的透镜系统。
通过具有权利要求1中的特征的光学透镜系统解决该问题。准确地，根据本发明的用于照相机的光学透镜系统包括四个透镜，其中，按照从处于物体侧的端部到处于成像侧的端部的顺序设有：具有正屈光力的第一透镜、具有正屈光力的第二透镜、具有正屈光力的第三透镜、以及具有负屈光力的第四透镜，其中第二透镜与第三透镜各自被设计为弯月形透镜，其中第二透镜的位于物体侧的表面是凸面的，第三透镜的位于物体侧的表面是凹面的，以及其中，第二透镜的位于物体侧的表面的曲率半径L2R1与第三透镜的位于成像侧的表面的曲率半径L3R2满足条件-1.4<L2R1/L3R2<-0.7，特别是-1.2<L2R1/L3R2<-0.8，并且，第二透镜的位于成像侧的表面的曲率半径L2R2与第三透镜的位于物体侧的表面的曲率半径L3R1满足条件-1.8<L2R2/L3R1<-1.0，特别是-1.6<L2R2/L3R1<-1.2。有利地，透镜以下述顺序沿着光轴放置：该顺序与光沿着透镜系统的从透镜系统的物体侧到成像侧的光路的传播方向有关。限制光束的孔径光阑可被布置在第一透镜的区域中，其中孔径光阑能够位于第一透镜的焦平面内或位于该焦平面的前方。此外，平行平面板可被布置在第四透镜后方，其中平行平面板能够被配置为带阻滤波器。该带阻滤波器的特性可被配置为低通滤波器、高通滤波器或带通滤波器，该带阻滤波器尤其能够透过红外光并阻挡可见光。弯月形透镜被理解为其一个表面凸出地弯曲而另一个表面凹入地弯曲的透镜。
有利地，至少在介于800到1000nm之间的波长范围内，每个透镜的折射率高于1.6。透镜可以由光学玻璃或塑料制成，例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯，聚苯乙烯，环烯烃(共)聚合物或其它合适的塑料。与具有较低折射率的透镜材料相比，对透镜使用高折射率材料在透镜表面上产生了更小的入射角，由此可减小像差。
与根据现有技术的透镜系统(其中交替地具有正屈光力和负屈光力的透镜通常被布置在彼此后方)不同，根据本发明的透镜系统具有高透镜速度，同时具有极其紧凑的设计。根据本发明的透镜系统中，只有第四透镜具有负屈光力，以尤其能够修正像场弯曲与畸变。
与双凸透镜相比，使用至少为第二透镜和第三透镜的弯月形透镜作为正屈光力的载体降低了对制造公差的敏感性，特别是在表面公差或诸如为倾斜公差或对中公差的调节公差方面。因此，还能够以高质量和可再生产的质量通过合理的努力来制造根据本发明的具有小的f制光圈和紧凑的尺寸的透镜系统。
由于第二透镜的位于物体侧的表面的曲率半径L2R1与第三透镜的位于成像侧的表面的曲率半径L3R2的所述条件，第二透镜与第三透镜共同形成近似对称的“空气透镜”，由此使得能够对诸如为彗形像差和畸变的非对称人工因素进行修正。
由于第二透镜的位于成像侧的表面的曲率半径L2R2与第三透镜的位于物体侧的表面的曲率半径L3R1的所述条件，第二透镜与第三透镜的相互面对的表面同样地仍然具有一定的对称性，然而，由于不对称的光路，这里对称性被稍微弱化。
根据本发明的透镜系统特别适用于窄带光，特别是单色光，尤其是红外光。在这方面，可以省去对色差的修正，这通常需要使用不同的透镜材料以及具有负屈光力的透镜。因此，根据本发明的透镜系统或物镜特别适合与3D图像传感器一起使用，特别是与3D TOF图像传感器一起使用。
根据本发明的有利实施例，每个透镜具有至少一个非球面弯曲表面。每个透镜的两个表面优选地是非球面弯曲的。至少一个透镜表面的非球面曲率支持本发明的使透镜速度、景深范围以及紧凑性最大化的目的。
根据本发明特别有利的实施例，透镜系统具有球面像差，该球面像差的大小被设置成使得它们至少部分地补偿由透镜系统产生的物体的图像的散焦引起的模糊。因此，与传统的透镜系统不同，球面像差至少未被完全修正，而是以有针对性的方式被引入，使得可以通过这些球面像差来补偿模糊，这是由于场景在宽的深度区域上延伸，并因此所记录的场景的一部分不在透镜系统的焦深中。
因此，在透镜系统的成像侧的这种被称作散焦的像差是在透镜系统的物体侧的不同物距的结果，并且对于在3D成像系统的所述应用场合中具有大的深度区域的物体来说尤其难以避免。通常，目标是预定的物距区域(例如可以是从无限远延伸至1米，优选地延伸至0.5米，特别优选地延伸至0.25米)可以以可接受的图像清晰度成像。所述局部补偿尤其被理解为使得物点在成像侧的弥散圆的半径不大于12微米，该弥散圆的半径尤其是轴向的，即位于光轴上并且位于上述物距区域内。成像侧的弥散圆的半径尤其应与本文相关联地被理解为根据RMS(＝均方根，root mean square)的方法确定的半径，即RMS光斑半径。RMS光斑半径通常小于以几何方式确定的弥散圆的半径，该弥散圆可以包括从物点发出的所有光线，即也包括位于外部极远处的光线。因此，其物点位于预定的物距区域内的物体或场景可以借助于透镜系统而在成像平面中或在被布置在成像平面处的图像传感器上以仍然可接受的图像清晰度被成像。
有利地，第一透镜也被构造为弯月形透镜。
根据本发明的更有利的实施例，第二透镜的屈光力大于第一透镜与第三透镜的屈光力。因此，第二透镜在透镜系统中具有最高的屈光力。由此进一步降低了在制造公差方面，特别是在上述的制造公差方面的敏感度。
有利地，第一透镜的屈光力小于第二透镜与第三透镜的屈光力。由此同样降低了在制造公差方面，特别是在上述制造公差方面的敏感度。较高的屈光力导致入射光线的较大偏转，因此在制造公差方面造成更高的敏感度，在这方面，被布置成更靠近孔径光阑的透镜由于附随的更大照度而更加敏感。
根据更有利的实施例，第一透镜的焦距f1与透镜系统的总焦距f满足条件4.0<f1/f＝<6.5。
此外已经发现，如果第二透镜的焦距f2与透镜系统的总焦距f满足条件1.0<f2/f<2.0，则是有利的。
根据更加有利的实施例，第三透镜的焦距f3与透镜系统的总焦距f满足条件2.0<f3/f＝<3.5。
此外已经发现，如果第四透镜的焦距f4与透镜系统的总焦距f满足条件-12.0<f4/f<-6.0，则是有利的。
最后，同样发现，如果第二透镜与第三透镜的共同焦距f23与透镜系统的总焦距f满足条件0.9<f23/f<1.3，则是有利的。
通过各透镜的焦距与透镜系统的总焦距的比的所述条件，实现了各透镜的屈光力在制造公差的，特别是在上述制造公差的敏感度方面的有利平衡。
有利地，第二透镜与第三透镜对透镜系统的总屈光力做出了最大贡献。因此，第二透镜和第三透镜的共同焦距f23大致对应于透镜系统的总焦距。
根据更加有利的实施例，物体侧的第一透镜的表面是凸面的。成像侧的第一透镜的表面优选为凹面。
有利地，透镜系统的安装长度L和总焦距f满足条件L/f<1.1。安装长度L被理解为第一透镜的位于物体侧的表面的镜顶与第四透镜的位于成像侧的表面的镜顶之间的距离。根据本发明的透镜系统的紧凑性的特征在于，由于透镜系统的焦距最终可缩放，所以安装长度与总焦距之间的这种比率指明与透镜系统的总焦距无关。
有利地，所有透镜被布置成彼此相距固定的距离并且相对于彼此不能够移位。因此，透镜系统具有固定的焦距，并且不被配置为变焦物镜。
根据本发明的更有利的实施例，提供了透镜系统在出射光瞳的一个点处具有波前像差W(p，A)，该波前像差由正交Zernike Fringe多项式Pi(p，A)与相关系数Zi(也写作“Zi”)的和的形式描述：
Figure BDA0002058721030000061
其中p是赋范(normed)光瞳高度，A是方位角，散焦由系数Z4与多项式2p2-1描述；3阶球面像差由系数Z9与多项式6p4-6p2+1描述；5阶球面像差由系数Z16与多项式20p6-30p4+12p2-1描述；7阶球面像差由系数Z25与多项式70p8-140p6+90p4-20p2+1描述；9阶球面像差由系数Z36与多项式252p10-630p8+560p6-210p4+30p2–1描述；以及11阶球面像差由系数Z37和多项式924p12–2772p10+3150p8-1680p6+420p4-42p2+1描述；并且满足下述条件中的至少一个：
Figure BDA0002058721030000062
与
Figure BDA0002058721030000063
对于轴向像素和/或对于无限远处的物体，这两个条件尤其都要满足。赋范光瞳高度p是无量纲的，而W和Zi以波长的单位来表示。通过透镜系统的这种配置，球面像差变得更低，并且更高阶的球面像差也相对于散焦而被平衡，从而实现了尽可能大的景深。
本发明还涉及一种具有图像传感器的成像系统，该成像系统具有按行及按列排列的多个光敏元件，并且具有根据上述实施例之一的光学透镜系统。有利地，所述图像传感器是3D图像传感器，特别是3D TOF图像传感器。优选地，透镜系统和图像传感器适用于红外光，特别是适用于波长在800到1000nm之间的窄带红外光，尤其是单色红外光。此外，成像系统可包括适用于传输特别是在红外范围内的光脉冲的传输光源。对传输光源的控制可以通过3D图像传感器的控制单元进行，使得可逐像素地确定光脉冲的飞行时间，即对每个光敏元件单独地进行空间分辨。
图像传感器的尺寸和透镜系统的特征参数可以彼此协调，使得全视角达到66°或更大，该全视角对应于图像传感器角落处的+/-33°或更大的半视角。f值优选小于1.5。
主光线角度，即光线在图像传感器表面上相对于垂线的入射角，在整个像场中达到最大值32°。从而确保即使在使用光敏元件微透镜被布置在其前方的图像传感器时也存在最佳灵敏度。
有利地，图像传感器和透镜系统之间的距离是不可改变的。因此该透镜系统是一种定焦成像系统。
根据本发明的有利实施例，透镜系统具有球面像差，该球面像差的大小被设置同时考虑光敏元件的表面，使得球面像差对由透镜系统产生的物体图像的散焦引起的模糊进行补偿，使得光斑的表面基本上不大于光敏元件的表面，该光斑是由从在预定的物距区域内的物体点发出的光束在图像传感器上成像而产生的。光斑和光敏元件的表面尤其可以彼此相关，使得光斑在光敏元件上具有中心入射，使得光斑的光能量超过三分之一，优选地超过一半，特别优选地超过三分之二入射在光敏元件上。上述条件特别满足介于无限远到1米之间，优选地为0.5米，特别优选地为0.25米的物距区域。
可选地或另外地，还可以下述示例的方式满足在预定的物距区域内的光斑的所述表面基本上不大于光敏元件的表面这一条件：光斑的弥散圆的半径，特别是上述RMS光斑的半径不大于12μm并且光敏元件的边缘长度达到14μm。因此，透镜系统的模糊与图像传感器的像素尺寸(即图像传感器的分辨率)理想地彼此适配。
本发明的其它有利实施例由从属权利要求、说明书和附图得出。
附图说明
下面将参考实施例与附图描述本发明，附图被示出为：
图1根据第一实施例的透镜系统；
图2图1的透镜系统的横向像差图；
图3图1的透镜系统的其它像差图；
图4图1的光路的部分截面的纵截面；
图5根据第二实施例的透镜系统；
图6图5的透镜系统的横向像差图；以及
图7图5的透镜系统的其它像差图。
在图中，相同或相似的部件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了根据第一实施例的具有四个折射透镜元件的光学透镜系统。透镜系统的成像平面B由竖直线表示，而物平面O在图的区域之外。在下文将以与下述顺序相关的相对位置指示(诸如“在前面”或“在后面”)示出透镜系统的不同元件沿从物体侧开始到成像侧的光路的光传播方向的布置。
透镜系统包括具有正屈光力的第一透镜L1、具有正屈光力的第二透镜L2、具有正屈光力的第三透镜L3和具有负屈光力的第四透镜L4。第一透镜L1被孔径光阑A包围。在第四透镜L4的后方设置平行平面板P作为顶部/覆盖玻璃。平行平面板P可以被构造为用于可见光的带阻滤波器，从而仅透射红外光。
所有透镜L1至L4均被构造为具有一个凸面和一个凹面的弯月形透镜。第一透镜L1、第二透镜L2和第四透镜L4被布置成使得物体侧的表面F11、F21、F41是凸面的，并且成像侧的表面F12、F22、F42是凹面的。第三透镜L3以相反的方式布置，使得物体侧的表面F31是凹面的，而成像侧的表面F32是凸面的。
透镜L1至L4由塑料制成，并且具有1.661的折光率以及20.4的阿贝数。根据第一实施例的透镜系统具有2.62mm的总焦距f、1.25的f数、2.66mm的安装长度L(该安装长度通过测量位于物体侧的第一透镜L1的表面的镜顶到第四透镜L4的位于成像侧的镜顶之间得到)、1.97mm的图像高度、以及35.5°的半视角。
平行平面板由玻璃制成，并且具有1.523的折光率以及54.5的阿贝数。透镜L1至L4的所有表面都是非球面的。
Figure BDA0002058721030000091
应用于在相对于光轴OA具有垂直于光轴的高度h的点处与光轴OA平行的各自透镜表面的垂度z，其中r0是镜顶曲率半径，k是锥形常数，并且a4，a6，...，a16是非球面系数。
表1中给出了根据第一实施例的透镜系统的相应结构数据，其中透镜系统中的表面根据它们的顺序被从0到12连续地编号。从表格得出了透镜系统的不同元件的关联，其中在物体侧的表面首先被指示，随后是L1至L4每个透镜的成像侧的表面，另外，其中图1的相应附图标记被列在了括号内。厚度d表示相应表面与下一表面的间距。半径r0，厚度d和焦距均以mm为单位给出。对于所有透镜L1至L4，锥形常数k等于零。
表1：
表面 元件 半径r0 厚度d 材料 折光率 阿贝数 焦距
0 物体 平面 ∞
1 孔径 平面 -0.366
2(F11) 透镜L1 1.421 0.595 塑料 1.661 20.4 11.64
3(F12) 1.472 0.134
4(F21) 透镜L2 1.121 0.302 塑料 1.661 20.4 3.69
5(F22) 1.922 0.559
6(F31) 透镜L3 -1.303 0.296 塑料 1.661 20.4 8.21
7(F32) -1.135 0.059
8(F41) 透镜L4 2.447 0.712 塑料 1.661 20.4 -29.47
9(F42) 1.920 0.128
10 顶部玻璃 平面 0.210 玻璃 1.523 54.5
11 平面 0.590
12 图像 平面 传感器
对于透镜L1至L4的表面2至9，非球面常数a4，a6，...，a16在下面的表2中给出。
表2：
Figure BDA0002058721030000101
根据图1的透镜系统具有用于出射光瞳的点的波前像差W(p,A)，该波前像差由正交Zernike Fringe多项式Pi(p,A)与相关系数Zi(或Zi)的和的形式描述：
Figure BDA0002058721030000102
其中p是赋范光瞳高度而A是方位角。因此，p可以采用0到1之间的值，A可以采用0到2π之间的值。波前像差W和相应的系数Zi(或Zi)被给出为波长的单位。Zernike Fringe系数Z1至Z37的与相关多项式Pi的用于轴向像点与无限远处的物体的值在表3中给出。
表3：
Z1 -0.57920179 1
Z2 0.00000000 (p)*COS(A)
Z3 0.00000000 (p)*SIN(A)
Z4 -0.16329097 (2p^2-1)
Z5 0.00000000 (p^2)*COS(2A)
Z6 0.00000000 (p^2)*SIN(2A)
Z7 0.00000000 (3p^2-2)p*COS(A)
Z8 0.00000000 (3p^2-2)p*SIN(A)
Z9 0.54962059 (6p^4-6p^2+1)
Z10 0.00000000 (p^3)*COS(3A)
Z11 0.00000000 (p^3)*SIN(3A)
Z12 0.00000000 (4p^2-3)p^2*COS(2A)
Z13 0.00000000 (4p^2-3)p^2*SIN(2A)
Z14 0.00000000 (1Op^4-12p^2+3)p*COS(A)
Z15 0.00000000 (1Op^4-12p^2+3)p*SIN(A)
Z16 -0.04107681 (20p^6-30p^4+12p^2-1)
Z17 -0.00009667 (p^4)*COS(4A)
Z18 0.00000000 (p^4)*SIN(4A)
Z19 0.00000000 (5p^2-4)p^3*COS(3A)
Z20 0.00000000 (5p^2-4)p^3*SIN(3A)
Z21 0.00000000 (15p^4-20p^2+6)p^2*COS(2A)
Z22 0.00000000 (15p^4-20p^2+6)p^2*SIN(2A)
Z23 0.00000000 (35p^6-60p^4+30p^2-4)p*COS(A)
Z24 0.00000000 (35p^6-60p^4+30p^2-4)p*SIN(A)
Z25 0.06376645 (70p^8-140p^6+90p^4-20p^2+1)
Z26 0.00000000 (p^5)*COS(5A)
Z27 0.00000000 (p^5)*SIN(5A)
Z28 -0.00013088 (6p^2-5)p^4*COS(4A)
Z29 0.00000000 (6p^2-5)p^4*SIN(4A)
Z30 0.00000000 (21p^4-30p^2+10)p^3*COS(3A)
Z31 0.00000000 (21p^4-30p^2+10)p^3*SIN(3A)
Z32 0.00000000 (56p^6-105p^4+60p^2-10)p^2*COS(2A)
Z33 0.00000000 (56p^6-105p^4+60p^2-10)p^2*SIN(2A)
Z34 0.00000000 (126p^8-280p^6+210p^4-60p^2+5)p*COS(A)
Z35 0.00000000 (126p^8-280p^6+210p^4-60p^2+5)p*SIN(A)
Z36 0.07678453 (252p^10-630p^8+560p^6-210p^4+30p^2-1)
Z37 -0.13813242 (924p^12-2772p^10+3150p^8-1680p^6+420p^4-42p^2+1)
注意，Zernike Fringe系数Zi是借助于数值过程计算出的。尽管由于透镜系统的旋转对称设计，原则上仅预期系数Z1、Z4、Z9、Z16、Z25、Z36与Z36的轴向成像点为非零的值，但是一些其它的非0系数(即系数Z17与Z18)可以在表3与相应的表6中找到。然而，它们的值比上述旋转对称系数的值小一些数量级。这些值是由于计算不准确，特别是舍入不准确。
对于图2中的x与y方向上的赋范光瞳坐标，示出了横向像差ex，ey(以μm为单位)。
根据图3a中的赋范光瞳坐标示出了球面像差(以mm为单位)；根据图3b中的半视角(以度为单位)示出了像散(以mm为单位)；以及根据图3c中的半视角(以度为单位)示出了畸变(以百分比表示)。
在图4中示出了在不同相交平面处相交的具有为0、0.25、0.5、0.75以及1的赋范光瞳高度的不同光线。相交平面由竖直线表示，该竖直线通过相关的光瞳坐标被编号。相交平面位于75μm的焦距区域内。必须注意的是，对于为0的光瞳高度不能识别出实际的相交点，因为相关的光线位于无限地靠近光轴OA。
图5中示出了根据本发明第二实施例的透镜系统。由于图5的透镜系统的结构实施例与图1的透镜系统的设计实施例没有区别，所以在这方面，参考关于图1的相应描述。
与根据图1的实施例不同，透镜L1至L4由玻璃制成并且具有1.743的折射率和49.3的阿贝数。根据图5的透镜系统具有2.54mm的总焦距f、1.25的f数、2.61mm的安装长度、1.97mm的图像高度、以及35.5°的半视角。
表4中示出了图5的透镜系统的相应结构数据，并且表5中示出了相关联的非球面系数a4，a6，...，a16，该非球面系数具有与表1和表2中示值对应的值和单位。对于所有透镜L1至L4，锥形常数k等于零。
表4：
表面 元件 半径r0 厚度d 材料 折射率 阿贝数 焦距
0 物体 平面 ∞
1 孔径A 平面 -0.293
2(F11) 透镜L1 1.516 0.566 玻璃 1.743 49.3 15.34
3(F12) 1.477 0.128
4(F21) 透镜L2 1.128 0.297 玻璃 1.743 49.3 3.36
5(F22) 1.855 0.583
6(F31) 透镜L3 -1.364 0.301 玻璃 1.743 49.3 6.16
7(F32) -1.144 0.184
8(F41) 透镜L4 2.457 0.546 玻璃 1.743 49.3 -22.47
9(F42) 1.937 0.184
10 顶部玻璃 平面 0.210 玻璃 1.523 54.5
11 平面 0.590
12 图像 平面 传感器
表5：
Figure BDA0002058721030000131
以与第一实施例类似的方式，通过Zernike Fringe多项式Pi与根据表6的对应系数Zi的和来描述波前像差W(p，A)。
表6：
Z1 0.48647117 1
Z2 0.00000000 (p)*COS(A)
Z3 0.00000000 (p)*SIN(A)
Z4 0.51499558 (2p^2-1)
Z5 0.00000000 (p^2)*COS(2A)
Z6 0.00000000 (p^2)*SIN(2A)
Z7 0.00000000 (3p^2-2)p*COS(A)
Z8 0.00000000 (3p^2-2)p*SIN(A)
Z9 0.43007385 (6p^4-6p^2+1)
Z10 0.00000000 (p^3)*COS(3A)
Z11 0.00000000 (p^3)*SIN(3A)
Z12 0.00000000 (4p^2-3)p^2*COS(2A)
Z13 0.00000000 (4p^2-3)p^2*SIN(2A)
Z14 0.00000000 (1Op^4-12p^2+3)p*COS(A)
Z15 0.00000000 (1Op^4-12p^2+3)p*SIN(A)
Z16 0.20751425 (20p^6-30p^4+12p^2-1)
Z17 -0.00003308 (p^4)*COS(4A)
Z18 0.00000000 (p^4)*SIN(4A)
Z19 0.00000000 (5p^2-4)p^3*COS(3A)
Z20 0.00000000 (5p^2-4)p^3*SIN(3A)
Z21 0.00000000 (15p^4-20p^2+6)p^2*COS(2A)
Z22 0.00000000 (15p^4-20p^2+6)p^2*SIN(2A)
Z23 0.00000000 (35p^6-60p^4+30p^2-4)p*COS(A)
Z24 0.00000000 (35p^6-60p^4+30p^2-4)p*SIN(A)
Z25 0.14462009 (70p^8-140p^6+90p^4-20p^2+1)
Z26 0.00000000 (p^5)*COS(5A)
Z27 0.00000000 (p^5)*SIN(5A)
Z28 -0.00004471 (6p^2-5)p^4*COS(4A)
Z29 0.00000000 (6p^2-5)p^4*SIN(4A)
Z30 0.00000000 (21p^4-30p^2+10)p^3*COS(3A)
Z31 0.00000000 (21p^4-30p^2+10)p^3*SIN(3A)
Z32 0.00000000 (56p^6-105p^4+60p^2-10)p^2*COS(2A)
Z33 0.00000000 (56p^6-105p^4+60p^2-10)p^2*SIN(2A)
Z34 0.00000000 (126p^8-280p^6+210p^4-60p^2+5)p*COS(A)
Z35 0.00000000 (126p^8-280p^6+210p^4-60p^2+5)p*SIN(A)
Z36 0.16152218 (252p^10-630p^8+560p^6-210p^4+30p^2-1)
Z37 -0.15785051 (924p^12-2772p^10+3150p^8-1680p^6+420p^4-42p^2+1)
图6与图7a至7c的图表以类似于图2与图3a至3c的图表的方式示出了横向像差，球面像差，像散以及畸变。
如果根据两个实施例之一的透镜系统被用作成像系统的元件，则可以在成像平面B中布置相应的图像传感器，特别是3D图像传感器。
上面说明的两个实施例示出了根据本发明的透镜系统的两个示例性实施例，其中有针对性地引入球面像差可以用于至少部分地补偿由散焦引起的图像模糊，从而以在非常大的物距区域内得到可接受的图像清晰度。具有固定焦距的成像系统，尤其是使用3D TOF图像传感器的3D成像系统，可以使用这种具有高透镜速度、大景深、以及紧凑设计的透镜系统来实现。
示例性透镜系统针对800至1000nm的波长范围进行了优化。针对890nm的波长进行了计算。
根据本发明的透镜系统的两个实施例的结构数据与其它参数仅作为示例。应该理解的是，具有不同结构数据与其它参数的透镜系统也可被本发明覆盖。
借助于根据本发明的透镜系统，特别是借助于根据上述任一实施例的透镜系统，相对于具有1.58或更高的f值的已知的透镜系统，f值可以减小21％。因此，与传统的透镜系统相比，根据本发明的透镜系统具有1.6倍的透镜速度。由于透镜速度增大，图像传感器处的信噪比得到改善。
这尤其可用于将图像传感器的像素尺寸从例如传统3D成像系统的常规的17.5μm减小到14μm，使得相对于传统3D成像系统可以使用更紧凑的3D图像传感器。成像系统可以通过透镜系统的紧凑的安装长度来实现，相对于传统的成像系统，该安装长度可以缩短高达31％。根据本发明的透镜系统特别适合安装在诸如手机或平板电脑之类的移动设备中。
附图标记列表
A 孔径光阑
B 成像平面
F11 第一透镜的位于物体侧的表面
F12 第一透镜的位于成像侧的表面
F21 第二透镜的位于物体侧的表面
F22 第二透镜的位于成像侧的表面
F31 第三透镜的位于物体侧的表面
F32 第三透镜的位于成像侧的表面
F41 第四透镜的位于物体侧的表面
F42 第四透镜的位于成像侧的表面
L 透镜系统的安装长度
L1 第一透镜
L2 第二透镜
L3 第三透镜
L4 第四透镜
O 物体平面
OA 光轴
P 平行平面板

Claims (18)

1.一种用于照相机的光学透镜系统，包括四个透镜(L1，L2，L3，L4)，其中，按照从处于物体侧的端部到处于成像侧的端部的顺序设有：具有正屈光力的第一透镜(L1)、具有正屈光力的第二透镜(L2)、具有正屈光力的第三透镜(L3)、以及具有负屈光力的第四透镜(L4)，其中所述第二透镜与所述第三透镜(L2，L3)各自被设计为弯月形透镜，其中所述第二透镜(L2)的位于物体侧的表面(F21)是凸面的，所述第三透镜(L3)的位于物体侧的表面(F31)是凹面的，其中，所述第二透镜(L2)的位于物体侧的表面(F21)的曲率半径L2R1与所述第三透镜(L3)的位于成像侧的表面(F32)的曲率半径L3R2满足条件-1.4＜L2R1/L3R2＜-0.7，并且，所述第二透镜(L2)的位于成像侧的表面(F22)的曲率半径L2R2与所述第三透镜(L3)的位于物体侧的表面(F31)的曲率半径L3R1满足条件-1.8＜L2R2/L3R1＜-1.0，以及其中，所述第四透镜(L4)的焦距f4与所述透镜系统的总焦距f满足条件-12.0＜f4/f＜-6.0。
2.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，每个透镜(L1-L4)具有至少一个非球面弯曲的表面(F11-F42)。
3.根据权利要求1或2所述的透镜系统，其特征在于，所述第一透镜(L1)被构造为弯月形透镜。
4.根据权利要求1或2所述的透镜系统，其特征在于，所述第二透镜(L2)的屈光力大于所述第一透镜与所述第三透镜(L1，L3)的屈光力。
5.根据权利要求1或2所述的透镜系统，其特征在于，所述第一透镜(L1)的屈光力小于所述第二透镜与所述第三透镜(L2，L3)的屈光力。
6.根据权利要求1或2所述的透镜系统，其特征在于，所述第一透镜(L1)的焦距f1与所述透镜系统的总焦距f满足条件4.0＜f1/f＜6.5。
7.根据权利要求1或2所述的透镜系统，其特征在于，所述第二透镜(L2)的焦距f2与所述透镜系统的总焦距f满足条件1.0＜f2/f＜2.0。
8.根据权利要求1或2所述的透镜系统，其特征在于，所述第三透镜(L3)的焦距f3与所述透镜系统的总焦距f满足条件2.0＜f3/f＜3.5。
9.根据权利要求1或2所述的透镜系统，其特征在于，所述第二透镜与所述第三透镜(L2，L3)的共同焦距f23与所述透镜系统的总焦距f满足条件0.9＜f23/f＜1.3。
10.根据权利要求1或2所述的透镜系统，其特征在于，所述第一透镜(L1)的位于物体侧的表面(F11)是凸面的。
11.根据权利要求1或2所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统的总焦距f与安装长度L满足条件L/f＜1.1。
12.根据权利要求1或2所述的透镜系统，其特征在于，所有透镜(L1-L4)被布置成彼此相距固定的间距。
13.根据权利要求1或2所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统具有球面像差，所述球面像差的大小被设置成使得所述球面像差至少部分地补偿由所述透镜系统产生的物体图像的散焦而引起的模糊。
14.根据权利要求1或2所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统在出射光瞳的点处具有波前像差W(p，A)，所述波前像差由以下形式描述：
Figure FDA0003573516650000021
其中p是赋范径向距离，并且A是方位角，Pi(p,A)是正交Zernike Fringe多项式，Zi是相关系数；
其中散焦由系数Z4与多项式2p2–1描述；3阶球面像差由系数Z9与多项式6p4-6p2+1描述；5阶球面像差由系数Z16与多项式20p6-30p4+12p2-1描述；7阶球面像差由系数Z25与多项70p8-140p6+90p4-20p2+1描述；9阶球面像差由系数Z36与多项式252p10-630p8+560p6-210p4+30p2–1描述；以及11阶球面像差由系数Z37与多项式924p12-2772p10+3150p8-1680p6+420p4-42p2+1描述；并且满足下述条件中的至少一个：
Figure FDA0003573516650000022
以及
Figure FDA0003573516650000031
15.根据权利要求1或2所述的透镜系统，其特征在于，所述第二透镜(L2)的位于物体侧的表面(F21)的曲率半径L2R1与所述第三透镜(L3)的位于成像侧的表面(F32)的曲率半径L3R2满足条件-1.2＜L2R1/L3R2＜-0.8，并且所述第二透镜(L2)的位于成像侧的表面(F22)的曲率半径L2R2与所述第三透镜(L3)的位于物体侧的表面(F31)的曲率半径L3R1满足条件-1.6＜L2R2/L3R1＜-1.2。
16.一种具有图像传感器的成像系统，所述成像系统具有按行排列以及按列排列的多个光敏元件并且具有根据权利要求1至15中任一项所述的光学透镜系统。
17.根据权利要求16所述的成像系统，其特征在于，所述图像传感器与所述透镜系统之间的距离是不可改变的。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的成像系统，其特征在于，所述透镜系统具有球面像差，所述球面像差的大小被设置同时考虑光敏元件的表面，使得所述球面像差对由所述透镜系统产生的物体图像的散焦而引起的模糊进行补偿，使得光斑的表面基本不大于所述光敏元件的表面，所述光斑是由从在预定的物距区域内的物体点发出的光束在所述图像传感器上成像而产生的。
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