CN1971331A - 微型光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有两个透镜的微型图像光学系统。所述光学系统包括孔径光阑。第一弯月透镜具有正折射光焦度，并包括在物方和像方两方的非球面。所述第一弯月透镜的物方是凸面。第二弯月透镜具有正折射光焦度，并包括在物方和像方两方的非球面。所述第二弯月透镜的所述像方是凸面。此外，所述第一弯月透镜与第二弯月透镜之间具有根据下面的关系式1的间隙：0.1＜D/TL＜0.2....关系式1，其中，D是所述第一弯月透镜和第二弯月透镜之间的间隙，TL是所述孔径光阑与像面之间的距离。本发明提供一种在各种像差方面改善并且在MTF特性方面优良的高清晰度的微型图像光学系统。

Description

微型光学系统

本申请要求于2005年11月25日在韩国知识产权局提交的第2005-113633号韩国专利申请的权益，该申请的内容通过引用包含于此。

技术领域

本发明涉及一种图像光学系统，更具体地讲，涉及一种采用两个具有正折射光焦度(positive refractive power)的弯月透镜的微型高清晰度的图像光学系统。

背景技术

通常，移动电话在其初期仅具有通信功能。然而，随着移动电话使用的推广，需要各种服务，例如拍摄或图像传输或者图像通信，因此，需要开发移动电话的功能和服务。近来，新概念移动电话，所谓将数码相机技术与移动电话技术集成的相机移动电话或者相机电话已经成为焦点。此外，已经开发了所谓便携式摄像移动电话或者便携式摄像电话，所述便携式摄像移动电话或者便携式摄像电话将数码便携式摄像技术与移动电话技术结合，以存储和传输运行至少十分钟的视频多媒体。最近，需要安装在移动电话中的相机拥有电子静态相机的性能。此外，强烈需要尺寸较小、重量较轻和成本较低的拍摄镜头。当前使用的电荷耦合器件(CCD)或者互补型金属氧化物半导体(CMOS)的尺寸急剧减小，从而需要使用这些图像装置的图像光学系统呈现高清晰度。

此外，安装在移动电话中的拍摄镜头数量应该较少以实现小型化和低成本，然而伴随着设计灵活性受到限制和光学性能不满意的问题。

因此，强烈需要高清晰度、轻重量、更加节省成本和易于制造的微型图像光学系统。此外，微型图像光学系统需要校正各种像差，例如畸变，并且有效地确保周缘亮度比(peripheral brightness ratio)。

发明内容

提出本发明以解决现有技术中的上述问题，因此，根据本发明特定实施例的目的在于提供一种总长度较短的微型光学系统，在所述微型光学系统中，使用两个具有正折射光焦度的弯月透镜，因组成透镜数量较少可实现紧密和高清晰度。

根据本发明特定实施例的另一目的在于提供一种在各种像差特征，例如畸变、球面像差和像散方面优良的微型光学系统，从而可充分地确保周缘亮度比。

此外，根据本发明特定实施例的另一目的在于提供一种重量轻、易于制造、适于大量生产并且制造成本降低了的微型光学系统。

为了实现上述目的，根据本发明的一方面提供一种微型图像光学系统，所述微型光学系统包括：孔径光阑；第一弯月透镜，具有正折射光焦度，并包括在物方和像方两方的非球面，所述物方是凸面；第二弯月透镜，具有正折射光焦度，并包括在物方和像方两方的非球面，所述像方是凸面。

所述第一弯月透镜与第二弯月透镜之间具有根据下面的关系式1的间隙：

0.1＜D/TL＜0.2....    关系式1

其中，D是所述第一弯月透镜和第二弯月透镜之间的间隙，TL是所述孔径光阑与像面之间的距离。

优选地，所述第二弯月透镜具有根据下面的关系式2的构造：

1.0＜R2o/R2i＜10....  关系式2

其中，R2o是所述第二弯月透镜在物方的曲率半径，R2i是所述第二弯月透镜在像方的曲率半径。

此外，优选地，所述第一弯月透镜和第二弯月透镜具有根据下面的关系式3的折射光焦度：

0＜f1/f2＜0.25....    关系式3

其中，f1是所述第一弯月透镜的焦距，f2是所述第二弯月透镜的焦距。

此外，优选地，所述第一弯月透镜具有根据下面的关系式4的构造：

0.25＜R1o/ef1＜0.5....    关系式4

其中，R1o是所述第一弯月透镜在物方的曲率半径，ef1是整个光学系统的有效焦距。

同时，优选地，所述第一弯月透镜和第二弯月透镜由塑料制成。

附图说明

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和其它优点将会变得更加清楚，其中：

图1是示出根据本发明第一实施例的微型图像光学系统的透镜结构的示图；

图2a是图1中示出的第一实施例的球面像差的示图；

图2b是图1中示出的第一实施例的像散的示图；

图2c是图1中示出的第一实施例的畸变的示图；

图3是示出图1中示出的第一实施例的MTF特性的曲线图；

图4是示出根据本发明第二实施例的微型图像光学系统的透镜结构的示图；

图5a是图4中示出的第二实施例的球面像差的示图；

图5b是图4中示出的第二实施例的像散的示图；

图5c是图4中示出的第二实施例的畸变的示图；

图6是示出图4中示出的第二实施例的MTF特性的曲线图；

图7是示出根据本发明第三实施例的微型图像光学系统的透镜结构的示图；

图8a是图7中示出的第三实施例的球面像差的示图；

图8b是图7中示出的第三实施例的像散的示图；

图8c是图7中示出的第三实施例的畸变的示图；

图9是示出图7中示出的第三实施例的MTF特性的曲线图。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的优选实施例。

图1是示出根据本发明第一实施例的微型光学系统的透镜结构的示图。在下面的附图中，为清楚起见，夸大了透镜的厚度、尺寸和形状，具体地讲，球面或者非球面的形状是示例性的，但是并不限制本发明。

如图1所示，本发明的微型图像光学系统包括第一弯月透镜L1、第二弯月透镜L2和孔径光阑AS。第一弯月透镜L1具有正折射光焦度，并包括在物方和像方两方的非球面。这里，第一弯月透镜L1的物方是凸面。同时，第二弯月透镜L2具有正折射光焦度，并包括在物方和像方两方的非球面。这里，第二弯月透镜L2的像方是凸面。孔径光阑AS被设置成最靠近物方。

此外，覆盖玻璃CG位于第二弯月透镜L2和像面IP之间，以用作滤光器，例如红外线滤光器和滤光件。

像面IP用作图像传感器，例如CCD和CMOS，本发明的光学系统适用于1/6英寸的微型图像传感器，但并不局限于此。

可通过提高第一弯月透镜L1的光焦度和降低第二弯月透镜L2的光焦度使本发明的微型图像光学系统小型化。具体地讲，通过第一弯月透镜L1和第二弯月透镜L2可实现微型图像光学系统的较好的光学特性，例如高清晰度，所述第一弯月透镜L1和第二弯月透镜L2的每个具有在物方和像方两方的非球面。

也就是说，第一弯月透镜L1具有相对较大的正折射光焦度，第二弯月透镜L2具有相对较小的正折射光焦度，以便校正各种像差，从而获得高清晰度。显著地，本发明采用非球面镜，从而提高透镜的清晰度，并使畸变和球面像差减小。这就产生一种具有较好的光学特性的紧凑的光学系统。

此外，可减小第一弯月透镜L1和第二弯月透镜L2之间的气隙以防止周缘亮度比降低和畸变。

此外，第一弯月透镜L1和第二弯月透镜L2可由塑料制成，从而易于制造低成本的非球面镜。

同时，第一弯月透镜L1和第二弯月透镜L2每个具有正折射光焦度，并包括非球面。这就减小了进入透镜边缘或者周边的光的入射角，从而确保光均匀地传播到图像传感器的周边或者中部，也确保光在透镜周边周围传播。因此，这就防止在透镜周边可能产生的暗黑和畸变。

采用如上所述的整个结构，以下将解释下面的关系式1至4的操作和作用。

0.1＜D/TL＜0.2....    关系式1

其中，D是第一弯月透镜和第二弯月透镜之间的间隙，TL是孔径光阑与像面之间的距离。

关系式1涉及第一弯月透镜和第二弯月透镜之间的间隙。如果D变大而超过关系式1的上限，则第一弯月透镜L1和第二弯月透镜L2之间的气隙变宽，导致周缘亮度比的降低和畸变，从而妨碍大量生产的能力。相反，如果D变小，小于关系式1的下限，则第一弯月透镜L1和第二弯月透镜L2之间的气隙变窄，导致耀斑(flare)并引起制造方面的困难。

1.0＜R2o/R2i＜10....    关系式2

其中，R2o是第二弯月透镜在物方的曲率半径，R2i是第二弯月透镜在像方的曲率半径。

关系式2表示第二弯月透镜L2的构造。如果R2o/R2i超过关系式2的上限和下限，则产生的非球面像差和畸变过大。

0＜f1/f2＜0.25....    关系式3

其中，f1是第一弯月透镜的焦距，f2是第二弯月透镜的焦距。

关系式3与光学系统的光焦度配置(power arrangement)有关。如果f1变大，超过关系式3的上限，则第二弯月透镜L2的光焦度变得过大，使容差(tolerance)特性退化。也就是说，如果f1超过上限，则第一弯月透镜L1的光焦度降低，从而削弱其小型化，并且引起各种难以校正的像差。

相反，如果f1变小，小于关系式3的下限，则第一弯月透镜L1的光焦度变大，从而增大球面像差和慧差，并使第二弯月透镜L2在像方的周边的角度变大，从而引起制造困难。

0.25＜R1o/ef1＜0.5....    关系式4

其中，R1o是第一弯月透镜在物方的曲率半径，ef1是整个光学系统的有效焦距。

关系式4决定第一弯月透镜L1的构造。如果R1o超过上限，则第一弯月透镜L1的光焦度降低，从而不利地影响其小型化。相反，如果R1o变得小于下限，则使得所述透镜难以加工，并使其制造成本增加。此外，如果R1o超出其上限和下限，则使球面像差和像散恶化。

以下将通过像差的详细示例解释本发明。

示例1至示例3每个包括如上所述从物方至像方按顺序布置的孔径光阑AS、第一弯月透镜L1和第二弯月透镜L2。第一弯月透镜L1具有正折射光焦度，并包括在物方和像方两方的非球面。这里，第一弯月透镜L1的物方是凸面。同时，第二弯月透镜L2具有正折射光焦度，并包括在物方和像方两方的非球面。这里，第二弯月透镜L2的像方是凸面。

同时，覆盖玻璃CG位于第二弯月透镜L2和像面IP之间，以用作滤光器，例如红外线滤光器和滤光件。

在下面的示例中，第一弯月透镜L1和第二弯月透镜L2由塑料，例如ZEONEX基E48R制成。然而，示例3的第一弯月透镜L1由APEL05制成。然而，这些用于所述透镜的材料可由可满足关系式1至4的其它材料代替。

此外，下面的示例涉及适用于1/6英寸的图像传感器的关学系统，在不脱离本发明范围的情况下，根据图像装置的类型、像素数量或像素大小，可适当修改所述关学系统。

同时，示例中采用的非球面可通过已知关系式1获得。用在二次曲线常数(conic constant)K和非球面系数A至E中的“E和E之后的数字”表示10的幂。例如，E+01表示10¹，E-02表示10^-2。

$Z=\frac{{\mathrm{cY}}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)c^2{Y}^2}}+{\mathrm{AY}}^4+{\mathrm{BY}}^6+{\mathrm{CY}}^8+{\mathrm{DY}}^{10}+{\mathrm{EY}}^{12}+{\mathrm{FY}}^{14}+...$ 方程1

其中，Z是透镜顶点至光轴的距离，Y是至与光轴垂直方向的距离，c是透镜顶点处的曲率半径r的倒数，K是二次曲线常数，A、B、C、D、E和F是非球面系数。

示例1

下面的表1表示根据本发明的示例1的微型光学系统的像差。

图1是示出根据本发明的示例1的使用非球面透镜的微型光学系统的透镜排列的示图。图2a至图2c是示出表1和图1中所示的光学系统的像差示图。图3是示出根据示例1的MTF特性的曲线图。

此外，在下面的像散的示图中，“S”表示弧矢，“T”表示子午。

这里，调制传递函数(MTF)由每毫米周期的空间频率确定，并由下面的在光的最大强度Max和最小强度Min之间的方程2定义。

$\mathrm{MTF}=\frac{\mathrm{Max}-\mathrm{Min}}{\mathrm{Max}+\mathrm{Min}}$ 方程2

即，当MTF为1时，最理想，并且随着MTF值减小，分辨率降低。

在示例1中，F数FNo为2.815，视角为60.89度，孔径光阑和像面之间的距离TL为3.35mm，有效焦距ef1为2.7209mm，第一弯月透镜的焦距f1为2.9327mm，第二弯月透镜的焦距f2为12.1203mm。

表1

面号

曲率半径R(mm)

面间隔t(mm)

折射率nd

Abbe数vd

备注

1	∞	0.10			孔径光阑
						*2	0.8410	0.60	1.53	55	第一弯月透镜
*3	1.3770	0.50
						*4	-16.0570	0.85	1.53	55	第二弯月透镜
*5	-4.6770	0.20
						6	∞	0.55	1.53	64	覆盖玻璃
7	∞	0.55
						8	∞	-			像面

在表1中，^*表示非球面，在示例1中，所有透镜的折射表面为非球面。

表2表示根据方程1的示例1的非球面系数。

表2

面号	K	A	B	C	D	E
							2	-5.99239E-01	8.90412E-02	1.02181E+00	-4.19262E+00	1.13858E+01	-1.09423E+01
3	4.93034E+00	1.40283E-01	-4.60392E-01	2.68812E+00	-2.45165E+00	-3.30171E+00
							4	7.00000E+00	-3.52832E-02	-2.23067E+00	9.94470E+00	-2.25762E+01	1.84573E+01
5	-4.27600E+00	-8.47271E-04	-2.65763E-01	3.15771E-01	-2.16271E-01	4.28573E-02

示例2

下面的表3示出根据本发明的示例2的微型光学系统的像差。

图4是根据本发明的示例2的使用非球面透镜的微型光学系统的透镜排列的示图，图5a至图5c示出表3和图4中示出的光学系统的像差示图。图6是示出示例2的MTF特性的曲线图。

在示例2中，F数FNo为2.9，视角为60度，孔径光阑和像面之间的距离TL为3.29mm，所述光学系统的有效焦距ef1为2.7739mm，第一弯月透镜的焦距f1为2.8057mm，第二弯月透镜的焦距f2为80.5390mm。

表3

面号	曲率半径R(mm)	面间隔t(mm)	折射率nd	Abbe数vd	备注
						1	∞	0.10			孔径光阑
*2	0.8391	0.56	1.53	55	第一弯月透镜
						*3	1.4774	0.58
*4	-241.1414	0.85	1.53	55	第二弯月透镜
						*5	-36.3527	0.10
6	∞	0.55	1.53	64	覆盖玻璃
						7	∞	0.55
8	∞	-			像面

在表3中，^*表示非球面，在示例2中，所有透镜的折射表面为非球面。

表4表示根据方程1的示例2的非球面系数。

表4

面号	K	A	B	C	D	E	F
								2	-5.82858E-01	9.12794E-02	1.03911E+00	-4.66624E+00	1.37903E+01	-1.35716E+01
3	5.19160E+00	1.58540E-01	-1.11540E+00	1.18451E+01	-4.77586E+01	8.57870E+01
								4	-3.00000E+00	-1.73832E-01	-1.14287E+00	4.24065E+00	-9.35945E+00	8.29940E+00	-4.39841E+00
5	-5.00000E+00	-6.85640E-02	-5.84932E-02	-5.42630E-04	2.35414E-02	-2.15110E-02

示例3

下面的表5示出根据本发明的示例3的微型光学系统的像差。

此外，图7是根据本发明的示例3的使用非球面透镜的微型光学系统的透镜排列的示图，图8a至图8c示出表5和图7中示出的光学系统的像差示图。图9是示出示例3的MTF特性的曲线图。

在示例3中，F数FNo为2.889，视角为60度，孔径光阑和像面之间的距离TL为3.31mm，所述光学系统的有效焦距ef1为2.8021mm，第一弯月透镜的焦距f1为2.7540mm，第二弯月透镜的焦距f2为91.8332mm。

表5

面号	曲率半径R(mm)	面间隔t(mm)	折射率nd	Abbe数Vd	备注
						1	∞	0.10			孔径光阑
*2	0.8402	0.57	1.54	40	第一弯月透镜
						*3	1.4571	0.54
*4	-10.1420	0.85	1.53	55	第二弯月透镜
						*5	-8.6390	0.10
6	∞	0.55	1.53	64	覆盖玻璃
						7	∞	0.60
8	∞	-			像面

在表5中，^*表示非球面，在示例3中，所有透镜的折射表面为非球面。

表6表示根据方程1的示例3的非球面系数。

表6

面号	K	A	B	C	D	E	F
								2	-6.30044E-01	1.07049E-01	8.52093E-01	-3.45951E+00	9.87028E+00	-8.69892E+00	-6.30044E-01
3	5.8505	6.0789	-4.7220	3.10658	-7.5027	4.18810	5.85058

	8E+00	8E-02	3E-01	E+00	7E+00	E+00	E+00
								4	0.00000E+00	-3.85003E-01	1.02825E+00	-9.27633E+00	2.79460E+01	-3.59398E+01	0.00000E+00
5	-1.00000E+00	-1.26605E-01	1.67735E-01	-4.65481E-01	4.37399E-01	-1.67918E-01	-1.00000E+00

这些示例可获得如图2a至图2c、图5a至图5c和图8a至图8c中所示的优良的像差特性的光学系统。并且这些示例可获得具有如图3、图6和图9中所示的高清晰度和优良的MTF特性的微型光学系统。

同时，表7示出了对于示例1至示例3的关系式1至关系式4的值。

表7

	关系式1	关系式2	关系式3	关系式4
					示例1	0.149	3.433	0.2420	0.309
示例2	0.176	6.633	0.0348	0.302
					示例3	0.162	1.174	0.0300	0.300

如表7所示，所示的本发明的示例1至示例3满足关系式1至关系式4。

如上所述，根据本发明的优选实施例，仅采用两个弯月透镜就可获得高清晰度的微型图像光学系统，所述两个弯月透镜的每个具有包括在物方和像方两方的非球面的正光焦度，所述微型图像光学系统因组成透镜较少而在尺寸和长度上减小。

此外，本发明提供一种在各种像差特性，例如畸变、球面像差和像散方面改进了的微型图像光学系统，并且所述微型图像光学系统可充分地确保周缘亮度比。

此外，采用由塑料制成的至少两个透镜以易于大量生产低成本的重量较轻的光学系统。

尽管已结合优选实施例显示和描述了本发明，但是本领域技术人员应清楚，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围和精神的情况下，可进行修改和变化。

Claims (5)

1、一种微型图像光学系统，包括：

孔径光阑；

第一弯月透镜，具有正折射光焦度，并包括在物方和像方两方的非球面，所述物方是凸面；

第二弯月透镜，具有正折射光焦度，并包括在物方和像方两方的非球面，所述像方是凸面。

2、如权利要求1所述的微型图像光学系统，其中，所述第一弯月透镜与第二弯月透镜之间具有根据下面的关系式1的间隙：

0.1＜D/TL＜0.2....    关系式1

其中，D是所述第一弯月透镜和第二弯月透镜之间的间隙，TL是所述孔径光阑与像面之间的距离。

3、如权利要求1所述的微型图像光学系统，其中，所述第二弯月透镜具有根据下面的关系式2的构造：

1.0＜R2o/R2i＜10....    关系式2

其中，R2o是所述第二弯月透镜在物方的曲率半径，R2i是所述第二弯月透镜在像方的曲率半径。

4、如权利要求1或2所述的微型图像光学系统，其中，所述第一弯月透镜和第二弯月透镜具有根据下面的关系式3的折射光焦度：

0＜f1/f2＜0.25....    关系式3

其中，f1是所述第一弯月透镜的焦距，f2是所述第二弯月透镜的焦距。

5、如权利要求4所述的微型图像光学系统，其中，所述第一弯月透镜具有根据下面的关系式4的构造：

0.25＜Rlo/ef1＜0.5....    关系式4

其中，Rlo是所述第一弯月透镜在物方的曲率半径，ef1是整个光学系统的有效焦距。

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