CN117111275A - 一种光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种光学系统，由从物侧至像侧依序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜组成。以第一透镜的物侧面为光阑面，简化设计，无需另设光阑。通过合理优化焦距和面型，增大了视场角，减小了体积和系统的F数，通过进一步分配厚度和优化非球面，控制体积并降低像差敏感度，获得了较大的靶面尺寸和图像亮度，有利于提高分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学系统。
背景技术
各种移动终端，如手机、相机和头戴显示器等采用光学系统进行图像记录，随着移动终端的功能的完善和体积的轻薄化，对成像光学系统的要求也进一步提升。尤其是成像光学系统的体积的缩小，相应对于成像光学系统视场角、分辨率和图像亮度的要求也不断提高。
为解决此类问题，已经提出了六片式的成像光学系统来提高分辨率，但是随着体积的减小，光学系统视场角、分辨率和图像亮度等已经不能满足需求。例如三星电机株式会社的公开号为CN105607224A的专利公开了一种应用于移动终端的小型化轻量化的光学系统，通过设计六片式系统的光焦度、面型和非球面提升分辨率，但是其视场角和图像亮度仍有待提升。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种光学系统，通过合理的布局和优化，提高了视场角和图像亮度，分辨率也得到提升。
本发明的光学系统由从物侧至像侧依序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜组成；
第一透镜为负透镜，物侧面为凹面，像侧面为凸面；
第二透镜为正透镜，物侧面为凸面，像侧面为凸面；
第三透镜为正透镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
第四透镜为正透镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
第五透镜为负透镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
第六透镜为负透镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
满足下列条件式：
-8<f1/EFL<-7；3<f2/EFL<4；4<f3/EFL<5；3<f4/EFL<4；
-12<f5/EFL<-8；-100<f6/EFL<-50；3<TTL/EFL<3.5，
其中，EFL为光学系统的总焦距；TTL表示光学系统在光轴上的总长；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，f5表示第五透镜的焦距，f6表示第六透镜的焦距。
根据本发明的光学系统，进一步满足下列条件式：
0.08<FB/EFL<0.09；0.80<TL/TTL<0.85，
其中，FB表示后焦距，TL表示所有透镜在光轴上的厚度之和。
根据本发明的光学系统，进一步满足下列条件式：
2.4<SAG7/SAG9<2.6；1.2<Imgh/TTL<1.3，
其中，SAG7表示第四透镜的物侧面最大有效径处的弧矢，SAG9表示第五透镜的物侧面最大有效径处的弧矢，Imgh为近轴成像高度。
根据本发明的光学系统，进一步满足下列条件式：
0.30<D1/TTL<0.35；0.05<D3/TTL<0.07；0.05<D5/TTL<0.06；
0.06<D7/TTL<0.08；0.15<D9/TTL<0.18；0.10<D11/TTL<0.15，
其中，D1表示第一透镜在光轴上的厚度，D3表示第二透镜在光轴上的厚度，D5表示第三透镜在光轴上的厚度，D7表示第四透镜在光轴上的厚度，D9表示第五透镜在光轴上的厚度，D11表示第六透镜在光轴上的厚度。
根据本发明的光学系统，进一步满足下列条件式：
0.0002<D2/TTL<0.0004；0.0002<D4/TTL<0.0004；0.0002<D6/TTL<0.0004；
0.0025<D8/TTL<0.0035；0.030<D10/TTL<0.035，
其中，D2表示第一透镜和第二透镜在光轴上的间隔，D4表示第二透镜和第三透镜在光轴上的间隔，D6表示第三透镜和第四透镜在光轴上的间隔，D8表示第四透镜和第五透镜在光轴上的间隔，D10表示第五透镜和第六透镜在光轴上的间隔。
根据本发明的光学系统，进一步满足下列条件式：
-0.30<(R1-R2)/(R1+R2)<-0.25；3.0<(R3-R4)/(R3+R4)<4.0；-0.80<(R5-R6)/(R5+R6)<-0.50；
-0.5<(R7-R8)/(R7+R8)<-0.4；0.20<(R9-R10)/(R9+R10)<0.30；0.05<(R11-R12)/(R11+R12)<0.07，
其中，R1和R2分别为第一透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R3和R4分别为第二透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R5和R6分别为第三透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R7和R8分别为第四透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R9和R10分别为第五透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R11和R12分别为第六透镜物侧面和像侧面的曲率半径。
根据本发明的光学系统，进一步满足下列条件式：
Fno≤1.6；2<EFL/tan(FOV)<2.05，
其中，Fno为光学系统的F数，FOV为光学系统的全视场角。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的光学系统，通过合理设置结构分配光焦度和面型，增大了视场角减小了体积，同时系统的F数较小，增大了成像的亮度。
2、通过进一步分配厚度和优化面型，控制体积并降低像差敏感度，减小对非球面的依赖。
3、通过进一步优化面型和非球面，增大视场角和通光孔径，获得了较大的靶面尺寸，有利于提高分辨率。
附图说明
图1是本发明的光学系统一实施例的光学布局图，图中分别是半视场角为0°、10°、-20°、30°和-32°的光线。
图2是本发明的光学系统一实施例的像面光迹图。
图3是本发明的光学系统一实施例的场曲和畸变图，其中（a）为场曲，（b）为畸变。
图4是现有技术的光学系统布局图。
其中，L1为第一透镜，L2为第二透镜，L3为第三透镜，L4为第四透镜，L5为第五透镜，L6为第六透镜，IMG为像面，S1~S15依次表示第一透镜的物侧面至成像面的各个表面的序号。
具体实施方式
图4是现有技术的光学系统布局图，其声称的F数满足1.4<Fno<2.2，视场角FOV满足65°<FOV<100°。但是以说明书提供的实施例来看，光学系统的效果远远达不到上述效果。例如对实施例2的数据采用Zemax进行仿真得到图4，Fno设置为2.5，半视场角分别设置了0°、10°、-20°、25°。从图上可见0°、10°、-20°的光线成像效果较佳，25°的光线丢失严重且无法聚焦，不能成像。经过分析发现其Fno须至少为2.3以上，否则视场角将不足40°，只有将Fno设置为2.3以上，视场角才勉强达到44°，视场角再增大将无法聚焦，即便设置光线瞄准对成像效果也几乎没有改善。Fno为2.3以上的小型化成像光学系统的图像亮度比较低，会严重影响图像的分辨率，另外视场角只有40°左右，严重限制了光学系统的应用场景。
发明人经过长期的研究，发现该光学系统设计优化仍然存在很多不足，在焦距分配、曲率半径的选择以及厚度的优化方面均不够合理。针对这些的问题，本发明提出了一种成像光学系统，通过对焦距、曲率半径和厚度的优化，实现了更大的通光孔径和视场角，能显著增加视场亮度，并且简化了非球面的形状，方便制作。
下面结合附图1-3详细说明本发明的光学系统。
如图1所示为本发明的光学系统一实施例的光学布局图，由从物侧至像侧依序排列的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6组成。直接以第一透镜L1的物侧面为光阑面，简化设计，无需另设光阑。光学系统还包括设置在成像面IMG前方的滤光片。其中：
第一透镜L1为负透镜，物侧面S1为凹面，像侧面S2为凸面；
第二透镜L2为正透镜，物侧面S3为凸面，像侧面S4为凸面；
第三透镜L3为正透镜，物侧面S5为凸面，像侧面S6为凹面；
第四透镜L4为正透镜，物侧面S7为凸面，像侧面S8为凹面；
第五透镜L5为负透镜，物侧面S9为凸面，像侧面S10为凹面；
第六透镜L6为负透镜，物侧面S11为凸面，像侧面S12为凹面；
根据本实施例的光学系统，满足下列条件式（下文称为“条件式（1）”）：
-8<f1/EFL<-7；3<f2/EFL<4；4<f3/EFL<5；3<f4/EFL<4；
-12<f5/EFL<-8；-100<f6/EFL<-50；3<TTL/EFL<3.5，
其中，EFL为光学系统的总焦距；TTL表示光学系统在光轴上的总长；f1表示第一透镜L1的焦距，f2表示第二透镜L2的焦距，f3表示第三透镜L3的焦距，f4表示第四透镜L4的焦距，f5表示第五透镜L5的焦距，f6表示第六透镜L6的焦距。
本实施例通过初始结构的选择，光焦度的分配和面型的选取，搭配条件式（1）对焦距的具体分配，能够显著提高视场角，同时避免体积增大。系统的像差对前四片透镜的焦距和面型比较敏感，而对最后一片透镜的焦距敏感度较低，因此前四片透镜的焦距变化范围小，而最后一片透镜的焦距变化范围较大。
根据本实施例的光学系统，进一步满足下列条件式（下文称为“条件式（2）”）：
0.08<FB/EFL<0.09；0.80<TL/TTL<0.85，
其中，FB表示后焦距，TL表示所有透镜在光轴上的厚度之和。通过条件式（2）的进一步限定，使得系统后焦距较短，有利于减小光学系统的轴向厚度。通过设置透镜在光轴上的厚度之和的关系式，使得各透镜的空气间隔非常小，能够显著的缩小系统的体积。
根据本实施例的光学系统，优选满足下列条件式：
2.4<SAG7/SAG9<2.6；1.2<Imgh/TTL<1.3，
其中，SAG7表示第四透镜L4的物侧面S7最大有效径处的弧矢，SAG9表示第五透镜L5的物侧面S9最大有效径处的弧矢，Imgh为近轴成像高度。在优化过程中，系统的像差对第四透镜物侧面的面型和第五透镜物侧面的面型较为敏感，且优化时容易出现透镜边缘交叠的情况，因此通过进一步限定这两个表面弧矢的关系，防止透镜交叠，能显著减少像差。通过设置像高的关系式，可以获得较大的视场角和靶面尺寸，有利于提高分辨率，降低对非球面的依赖。
根据本实施例的光学系统，优选满足下列条件式：
0.30<D1/TTL<0.35；0.05<D3/TTL<0.07；0.05<D5/TTL<0.06；
0.06<D7/TTL<0.08；0.15<D9/TTL<0.18；0.10<D11/TTL<0.15，
其中，D1表示第一透镜L1在光轴上的厚度，D3表示第二透镜L2在光轴上的厚度，D5表示第三透镜L3在光轴上的厚度，D7表示第四透镜L4在光轴上的厚度，D9表示第五透镜L5在光轴上的厚度，D11表示第六透镜L6在光轴上的厚度。通过分配各透镜的厚度，有利于减小系统的体积并提高分辨率，降低大视场光线的像差敏感度，能够减少对非球面的依赖。
根据本实施例的光学系统，优选满足下列条件式：
0.0002<D2/TTL<0.0004；0.0002<D4/TTL<0.0004；0.0002<D6/TTL<0.0004；
0.025<D8/TTL<0.035；0.030<D10/TTL<0.035，
其中，D2表示第一透镜L1和第二透镜L2在光轴上的间隔，D4表示第二透镜L2和第三透镜L3在光轴上的间隔，D6表示第三透镜L3和第四透镜L4在光轴上的间隔，D8表示第四透镜L4和第五透镜L5在光轴上的间隔，D10表示第五透镜L5和第六透镜L6在光轴上的间隔。通过限定各透镜之间的空气间隔，显著减小系统体积。
根据本实施例的光学系统，优选满足下列条件式：
-0.30<(R1-R2)/(R1+R2)<-0.25；3.0<(R3-R4)/(R3+R4)<4.0；-0.80<(R5-R6)/(R5+R6)<-0.50；
-0.5<(R7-R8)/(R7+R8)<-0.4；0.20<(R9-R10)/(R9+R10)<0.30；0.05<(R11-R12)/(R11+R12)<0.07，
其中，R1和R2分别为第一透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R3和R4分别为第二透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R5和R6分别为第三透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R7和R8分别为第四透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R9和R10分别为第五透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R11和R12分别为第六透镜物侧面和像侧面的曲率半径。通过进一步限定各透镜的面型，进一步增大视场角并减小系统的像差敏感度，进一步减少对非球面的依赖。
根据本实施例的光学系统，优选满足下列条件式：
Fno≤1.6；2<EFL/tan(FOV)<2.05，
其中，Fno为光学系统的F数，FOV为光学系统的全视场角。
表1示出该实施例的光学系统的一组具体数据。
[表1]（长度单位：mm，中心波长：550nm，OBJ为物面，IMG为像面）
非球面采用偶次非球面，方程为：
；
其中，Z为弧矢，C为顶点曲率，k为圆锥系数，r为距离透镜表面中心点的距离，A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16为高次项系数。
表2和表3为本实施例的非球面参数。
[表2]（长度单位：mm）
[表3]（长度单位：mm）
虽然本发明采用了12个非球面，但是非球面的起伏变化非常小，从附图1可以看到，各透镜的面型非常接近球面，相比于图4中现有技术的非球面，尤其是相对于其中第五透镜和第六透镜的非球面变化，本发明的非球面面型非常简单，使得透镜的制作难度大大降低，成本也相应降低许多。
表4为本实施例的部分光学条件式参数。
[表4]（长度单位：mm）
各标记的含义如下：
Fno为光学系统的F数，EFL为光学系统的总焦距；TTL表示光学系统在光轴上的总长，FOV为光学系统的全视场角；f1~f6分别表示第一透镜L1至第六透镜L6各自的焦距；FB表示后焦距，Imgh为近轴成像高度，SAG7表示第四透镜L4的物侧面S7最大有效径处的弧矢，SAG9表示第五透镜L5的物侧面S9最大有效径处的弧矢；D1表示第一透镜L1在光轴上的厚度，D2表示第一透镜L1和第二透镜L2在光轴上的间隔，即S2到S3在光轴上的距离，D3表示第二透镜L2在光轴上的厚度，D4表示第二透镜L2和第三透镜L3在光轴上的间隔，即S4到S5在光轴上的距离，D5表示第三透镜L3在光轴上的厚度，D6表示第三透镜L3和第四透镜L4在光轴上的间隔，即S6到S7在光轴上的距离，D7表示第四透镜L4在光轴上的厚度，D8表示第四透镜L4和第五透镜L5在光轴上的间隔，即S8到S9在光轴上的距离，D9表示第五透镜L5在光轴上的厚度，D10表示第五透镜L5和第六透镜L6在光轴上的间隔，即S10到S11在光轴上的距离，D11表示第六透镜L6在光轴上的厚度，D12表示第六透镜L6和滤光片在光轴上的间隔，即S12到S113在光轴上的距离；TL表示所有透镜在光轴上的厚度之和，即TL=D1+D3+D5+D7+D9+D11；R1和R2分别为第一透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R3和R4分别为第二透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R5和R6分别为第三透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R7和R8分别为第四透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R9和R10分别为第五透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R11和R12分别为第六透镜物侧面和像侧面的曲率半径。
图2是本发明的光学系统一实施例的像面光迹图，从中心视场向外分别对应0°、10°、-20°、30°和-32°的半视场角光线。图3是本发明的光学系统一实施例的场曲和畸变图，其中（a）为场曲，（b）为畸变。
通过以上实施例的示例，本领域的技术人员容易发现本发明可以很好的实现成像效果，而且在不脱离本发明精神的情况下可以对其进行修改和变形。
Claims (7)
1.一种光学系统，由从物侧至像侧依序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜组成；其特征在于：
第一透镜为负透镜，物侧面为凹面，像侧面为凸面；
第二透镜为正透镜，物侧面为凸面，像侧面为凸面；
第三透镜为正透镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
第四透镜为正透镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
第五透镜为负透镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
第六透镜为负透镜，物侧面为凸面，像侧面为凹面；
满足下列条件式：
-8<f1/EFL<-7；3<f2/EFL<4；4<f3/EFL<5；3<f4/EFL<4；
-12<f5/EFL<-8；-100<f6/EFL<-50；3<TTL/EFL<3.5，
其中，EFL为光学系统的总焦距；TTL表示光学系统在光轴上的总长；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，f5表示第五透镜的焦距，f6表示第六透镜的焦距。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述系统满足下列条件式：
0.08<FB/EFL<0.09；0.80<TL/TTL<0.85，
其中，FB表示后焦距，TL表示所有透镜在光轴上的厚度之和。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述系统满足下列条件式：
2.4<SAG7/SAG9<2.6；1.2<Imgh/TTL<1.3，
其中，SAG7表示第四透镜的物侧面最大有效径处的弧矢，SAG9表示第五透镜的物侧面最大有效径处的弧矢，Imgh为近轴成像高度。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述系统满足下列条件式：
0.30<D1/TTL<0.35；0.05<D3/TTL<0.07；0.05<D5/TTL<0.06；
0.06<D7/TTL<0.08；0.15<D9/TTL<0.18；0.10<D11/TTL<0.15，
其中，D1表示第一透镜在光轴上的厚度，D3表示第二透镜在光轴上的厚度，D5表示第三透镜在光轴上的厚度，D7表示第四透镜在光轴上的厚度，D9表示第五透镜在光轴上的厚度，D11表示第六透镜在光轴上的厚度。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述系统满足下列条件式：
0.0002<D2/TTL<0.0004；0.0002<D4/TTL<0.0004；0.0002<D6/TTL<0.0004；
0.0025<D8/TTL<0.0035；0.030<D10/TTL<0.035，
其中，D2表示第一透镜和第二透镜在光轴上的间隔，D4表示第二透镜和第三透镜在光轴上的间隔，D6表示第三透镜和第四透镜在光轴上的间隔，D8表示第四透镜和第五透镜在光轴上的间隔，D10表示第五透镜和第六透镜在光轴上的间隔。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述系统满足下列条件式：
-0.30<(R1-R2)/(R1+R2)<-0.25；3.0<(R3-R4)/(R3+R4)<4.0；-0.80<(R5-R6)/(R5+R6)<-0.50；
-0.5<(R7-R8)/(R7+R8)<-0.4；0.20<(R9-R10)/(R9+R10)<0.30；0.05<(R11-R12)/(R11+R12)<0.07，
其中，R1和R2分别为第一透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R3和R4分别为第二透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R5和R6分别为第三透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R7和R8分别为第四透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R9和R10分别为第五透镜物侧面和像侧面的曲率半径，R11和R12分别为第六透镜物侧面和像侧面的曲率半径。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述系统满足下列条件式：
Fno≤1.6；2<EFL/tan(FOV)<2.05，
其中，Fno为光学系统的F数，FOV为光学系统的全视场角。
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