TWI796477B - 光學透鏡系統和成像系統 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種用於照相機的光學透鏡系統，按照從處於物體側的端部到處於成像側的端部的順序包括：具有正屈光力的第一透鏡、具有正屈光力的第二透鏡、具有正屈光力的第三透鏡、及具有負屈光力的第四透鏡。第二透鏡與第三透鏡被設計為彎月形透鏡，第二透鏡的位於物體側的表面是凸面的，第三透鏡的位於物體側的表面是凹面的，第二透鏡的位於物體側的表面的曲率半徑L2R1與第三透鏡的位於成像側的表面的曲率半徑L3R2滿足條件-1.4<L2R1/L3R2<-0.7，第二透鏡的位於成像側的表面的曲率半徑L2R2與第三透鏡的位於物體側的表面的曲率半徑L3R1滿足條件-1.8<L2R2/L3R1<-1.0。本發明還關於一種具有影像感測器的成像系統，具有按行及按列排列的多個光敏元件並具有這種光學透鏡系統。

Description

光學透鏡系統和成像系統
本發明關於一種用於照相機的光學透鏡系統。
技術發展的結果是諸如手機(特別是所謂的智慧手機)或可攜式電腦(特別是所謂的平板電腦)之類的行動裝置通常配備有照相機或甚至配備有多個照相機。微型化的增長使得影像感測器也越來越小，這需要也具有小型化(compact)設計的透鏡系統或物鏡。
上述行動裝置的創新設備特徵是配備有3D成像系統，使得可以產生三維影像，即除了橫向影像資訊之外還包括深度資訊的影像。用於產生三維影像的方法包括使用具有上游物鏡的3D影像感測器或者產生場景深度影像的透鏡系統，其中使用飛行時間(time of flight；TOF)處理來獲取深度資訊。這種3D影像感測器也叫TOF感測器。TOF感測器的示例是光子混合檢測器，也稱為PMD感測器(PMD=photonic mixing device，光子混合裝置)。為了獲取深度資訊，要記錄的場景是由其波長通常在紅外(infrared)範圍內的光脈衝照射，並且該光脈衝的與深度相關的飛行時間是由3D影像感測器以空間分辨率確定。為了產生多色3D影像，可以將由 2D影像感測器(特別是高分辨率2D影像感測器)產生的場景的多色2D影像與由3D影像感測器產生的相關3D影像相互比照使用。
佈置在影像感測器上游的物鏡或透鏡系統必須具有高的透鏡速度，並且同時具有用於高品質三維成像系統的大景深，另外，其中設計應盡可能的小型化。
然而，高透鏡速度與高景深代表了對這種目標的矛盾要求。因此，傳統的透鏡系統或物鏡通常具有相對較低的透鏡速度以滿足對大景深的要求。具有更高透鏡速度的透鏡系統包括四個以上的透鏡，因此不能滿足盡可能小型化的設計要求。
從US 7,274,518B1和US 2010/0309367A1中已知一種具有四個透鏡的透鏡系統，其中，從物體側這一端到成像側這一端以下述順序設有：具有正屈光力(refractive power)的第一透鏡、具有負屈光力的第二透鏡、具有正屈光力的第三透鏡、以及具有負屈光力的第四透鏡。從文獻US 2014/0184880A1中得知一種具有四個透鏡的透鏡系統，其中前三個透鏡具有正屈光力，而第四個透鏡具有負屈光力。
本發明的目的在於提供一種同時具有高透鏡速度、高景深以及小型化設計的透鏡系統。
藉由具有申請專利範圍第1項中的特徵的光學透鏡系統解決該問題。根據本發明的用於照相機的光學透鏡系統包括正好四個透鏡，其中，按照從處於物體側的端部到處於成像側的端部的順序設有：具有正 屈光力的第一透鏡、具有正屈光力的第二透鏡、具有正屈光力的第三透鏡、以及具有負屈光力的第四透鏡，其中第二透鏡與第三透鏡各被設計為彎月形透鏡(meniscus lens)，其中第二透鏡的位於物體側的表面是凸面的，第三透鏡的位於物體側的表面是凹面的，以及其中，第二透鏡的位於物體側的表面的曲率半徑L2R1與第三透鏡的位於成像側的表面的曲率半徑L3R2滿足條件-1.4<L2R1/L3R2<-0.7，特別是-1.2<L2R1/L3R2<-0.8，並且，第二透鏡的位於成像側的表面的曲率半徑L2R2與第三透鏡的位於物體側的表面的曲率半徑L3R1滿足條件-1.8<L2R2/L3R1<-1.0，特別是-1.6<L2R2/L3R1<-1.2。有利地，透鏡以下述順序沿著光軸放置，該順序與光沿著透鏡系統的從透鏡系統的物體側到成像側的光路的傳播方向有關。限制光束的孔徑光闌(aperture diaphragm)可被佈置在第一透鏡的區域中，其中孔徑光闌能夠位於第一透鏡的焦平面(focal plane)內或位於該焦平面的前方。此外，平行平面板(planoparallel plate)可被佈置在第四透鏡後方，其中平行平面板能夠被配置為帶阻濾波器。該帶阻濾波器的特性可被配置為低通濾波器、高通濾波器或帶通濾波器，該帶阻濾波器尤其能夠穿過紅外光並阻擋可見光。彎月形透鏡被理解為其一個表面凸出地彎曲而另一個表面凹入地彎曲的透鏡。
有利地，至少在介於800到1000nm之間的波長範圍內，每個透鏡的折射率高於1.6。透鏡可以由光學玻璃或塑料製成，例如，聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylates；PMMA)、聚碳酸酯(polycarbonates)、聚苯乙烯(polystyrenes)、環烯烴(共)聚合物(cycloolefin(co)polymers)或其它合適的塑料。與具有較低折射率的透鏡材料相比，對 透鏡使用高折射率材料會在透鏡表面上產生更小的入射角，由此可減小像差。
與根據現有技術的透鏡系統(其中交替地具有正屈光力和負屈光力的透鏡通常被佈置在彼此後方)不同，根據本發明的透鏡系統具有高透鏡速度，同時具有極小型化的設計。根據本發明的透鏡系統中，只有第四透鏡具有負屈光力，從而特別能夠修正像場彎曲(image field curvature)與畸變(distortion)。
與雙凸透鏡相比，使用至少為第二透鏡和第三透鏡的彎月形透鏡作為正屈光力的載體降低了對製造公差的敏感性，特別是在表面公差或諸如為傾斜公差或對中公差的調節公差方面。因此，還能夠以高品質和可再生產的品質經由合理的努力來製造根據本發明的具有小的f制光圈值(f-stop)和小型化的透鏡系統。
由於第二透鏡的位於物體側的表面的曲率半徑L2R1與第三透鏡的位於成像側的表面的曲率半徑L3R2的所述條件，第二透鏡與第三透鏡共同形成近似對稱的“空氣透鏡(air lens)”，由此使得能夠對諸如彗形像差(coma)和畸變的非對稱人工因素進行修正。
由於第二透鏡的位於成像側的表面的曲率半徑L2R2與第三透鏡的位於物體側的表面的曲率半徑L3R1的所述條件，第二透鏡與第三透鏡的相互面對的表面同樣地仍然具有一定的對稱性，然而，由於不對稱的光路，這裡的對稱性會被稍微弱化。
根據本發明的透鏡系統特別適用於窄帶(narrow-band)光，特別是單色光，尤其是紅外光。在這方面，可以省去對色差的修正，這通 常需要使用不同的透鏡材料以及具有負屈光力的透鏡。因此，根據本發明的透鏡系統或物鏡特別適合與3D影像感測器一起使用，特別是與3D TOF影像感測器一起使用。
根據本發明的有利實施例，每個透鏡具有至少一個非球面彎曲表面。每個透鏡的兩個表面較佳地是非球面彎曲的。至少一個透鏡表面的非球面曲率支持本發明的使透鏡速度、景深範圍以及最小化達到最大化的目的。
根據本發明特別有利的實施例，透鏡系統具有球面像差(spherical aberration)，該球面像差的大小被設置成使得它們至少部分地補償由透鏡系統產生的物體的影像的散焦引起的模糊。因此，與傳統的透鏡系統不同，球面像差至少未被完全修正，而是以有針對性的方式被引入，使得可以通過這些球面像差來補償模糊，這是由於場景在寬的深度區域上延伸，並因此所記錄的場景的一部分不在透鏡系統的焦深(focus)中。
因此，在透鏡系統的成像側的這種被稱作散焦的像差是在透鏡系統的物體側的不同物距的結果，並且對於在3D成像系統的所述應用場合中具有大的深度區域的物體來說尤其難以避免。通常，目標是預定的物距區域(例如可以是從無限遠延伸至1米，較佳地延伸至0.5米，特別較佳地延伸至0.25米)可以以可接受的影像清晰度成像。所述局部補償尤其被理解為使得物體點在成像側的彌散圓(circle of confusion)的半徑不大於12微米，該彌散圓的半徑尤其是軸向的，即位於光軸上並且位於上述物距區域內。成像側的彌散圓的半徑尤其應與本文相關聯地被理解為根據RMS(=root mean square，均方根)的方法確定的半徑，即RMS光斑半徑。 RMS光斑半徑通常小於以幾何方式確定的彌散圓半徑，該彌散圓可以包括從物體點發出的所有光線，即也包括位於外部極遠處的光線。因此，其物體點位於預定的物距區域內的物體或場景可以借助於透鏡系統而在成像平面中或在被佈置在成像平面處的影像感測器上以仍然可接受的影像清晰度被成像。
有利地，第一透鏡也被構造為彎月形透鏡。
根據本發明的更有利的實施例，第二透鏡的屈光力大於第一透鏡與第三透鏡的屈光力。因此，第二透鏡在透鏡系統中具有最高的屈光力。由此進一步降低了在製造公差方面，特別是在上述的製造公差方面的敏感度。
有利地，第一透鏡的屈光力小於第二透鏡與第三透鏡的屈光力。由此同樣降低了在製造公差方面，特別是在上述製造公差方面的敏感度。較高的屈光力導致入射光線的較大偏轉，因此在製造公差方面造成更高的敏感度，在這方面，被佈置成更靠近孔徑光闌的透鏡會由於附隨的更大照度而更加敏感。
根據更有利的實施例，第一透鏡的焦距f1與透鏡系統的總焦距f滿足條件4.0<f1/f=<6.5。
此外已經發現，如果第二透鏡的焦距f2與透鏡系統的總焦距f滿足條件1.0<f2/f<2.0，則是有利的。
根據更加有利的實施例，第三透鏡的焦距f3與透鏡系統的總焦距f滿足條件2.0<f3/f=<3.5。
此外已經發現，如果第四透鏡的焦距f4與透鏡系統的總焦距f滿足條件-12.0<f4/f<-6.0，則是有利的。
最後，同樣發現，如果第二透鏡與第三透鏡的共同焦距f23與透鏡系統的總焦距f滿足條件0.9<f23/f<1.3，則是有利的。
藉由各透鏡的焦距與透鏡系統的總焦距的比的所述條件，實現了各透鏡的屈光力在製造公差的，特別是在上述製造公差的敏感度方面的有利平衡。
有利地，第二透鏡與第三透鏡對透鏡系統的總屈光力做出了最大貢獻。因此，第二透鏡和第三透鏡的共同焦距f23大致對應於透鏡系統的總焦距。
根據更加有利的實施例，物體側的第一透鏡的表面是凸面的。成像側的第一透鏡的表面較佳為凹面。
有利地，透鏡系統的安裝長度L和總焦距f滿足條件L/f<1.1。安裝長度L被理解為第一透鏡的位於物體側的表面的鏡頂與第四透鏡的位於成像側的表面的鏡頂之間的距離。根據本發明的透鏡系統的小型化的特徵在於，由於透鏡系統的焦距最終可縮放，所以安裝長度與總焦距之間的這種比率表示與透鏡系統的總焦距無關。
有利地，所有透鏡被佈置成彼此相距固定的距離並且相對於彼此不能夠移位。因此，透鏡系統具有固定的焦距，並且不被配置為變焦物鏡(zoom objective)。
根據本發明的更有利的實施例，提供了透鏡系統在出射光瞳(exit pupil)的一個點處具有波前像差W(p，A)，該波前像差由正交Zernike Fringe多項式P i (p，A)與相關係數Z i (也寫作“Z i ”)的和的形式描述：
Figure 108115260-A0305-02-0011-1
其中p是賦範(normed)光瞳高度，A是方位角(azimuthal angle)，散焦由係數Z4與多項式2p 2 -1描述；3階球面像差由係數Z9與多項式6p 4 -6p 2 +1描述；5階球面像差由係數Z16與多項式20p 6 -30p 4 +12p 2 -1描述；7階球面像差由係數Z25與多項式70p 8 -140p 6 +90p 4 -20p 2 +1描述；9階球面像差由係數Z36與多項式252p 10 -630p 8 +560p 6 -210p 4 +30p 2 -1描述；以及11階球面像差由係數Z37和多項式924p 12 -2772p 10 +3150p 8 -1680p 6 +420p 4 -42p 2 +1描述；並且滿足下述條件中的至少一個：
Figure 108115260-A0305-02-0011-2
與
Figure 108115260-A0305-02-0011-3
對於軸向像素(axial picture element)和/或對於無限遠處的物體，這兩個條件尤其都要滿足。賦範光瞳高度p是無量綱的(dimensionless)，而W和Zi以波長的單位來表示。藉由透鏡系統的這種配置，球面像差變得更低，並且更高階的球面像差也相對于散焦而被平衡，從而實現了盡可能大的景深。
本發明還關於一種具有影像感測器的成像系統，該成像系統具有按列(row)及按行(column)排列的多個光敏元件，並且具有根據上述實施例之一的光學透鏡系統。有利地，所述影像感測器是3D影像感測器，特別是3D TOF影像感測器。較佳地，透鏡系統和影像感測器適用於紅外光，特別是適用於具有波長在800到1000nm之間的窄帶紅外光，尤其是單色紅外光。此外，成像系統可包括適用於傳輸特別是在紅外範圍內的光脈衝的傳輸光源。對傳輸光源的控制可以經由3D影像感測器的控制單元進行，使得可逐像素地確定光脈衝的飛行時間，即對每個光敏元件單獨地進行空間分辨。
影像感測器的尺寸和透鏡系統的特徵參數可以彼此協調，使得全視角達到66°或更大，該全視角對應於影像感測器的角落處的+/- 33°或更大的半視角。f值較佳小於1.5。
主光線角度，即光線在影像感測器的表面上相對於垂線的入射角，在整個像場中達到最大值32°。從而確保即使在使用光敏元件微透鏡被佈置在其前方的影像感測器時也存在最佳靈敏度。
有利地，影像感測器和透鏡系統之間的距離是不可改變的。因此，該透鏡系統是一種定焦成像系統。
根據本發明的有利實施例，透鏡系統具有球面像差，該球面像差的大小被設置成同時考慮光敏元件的表面，使得球面像差對由透鏡系統產生的物體影像的散焦引起的模糊進行補償，使得光斑的表面實質上不大於光敏元件的表面，該光斑是由從在預定的物距區域內的物體點發出的光束在影像感測器上成像而產生的。光斑和光敏元件的表面尤其可以彼此 相關，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過三分之一，較佳地超過一半，特別較佳地超過三分之二入射在光敏元件上。上述條件特別滿足介於無限遠到1米之間，較佳地為0.5米，特別較佳地為0.25米的物距區域。
可選地或另外地，還可以下述示例的方式滿足在預定的物距區域內的光斑的所述表面實質上不大於光敏元件的表面的條件：光斑的彌散圓的半徑(特別是上述RMS光斑的半徑)不大於12μm並且光敏元件的邊緣長度達到14μm。因此，透鏡系統的模糊與影像感測器的像素尺寸(即影像感測器的分辨率)會理想地彼此適配。
本發明的其它有利實施例由附屬的申請專利範圍、說明書和附圖得出。
A‧‧‧孔徑光闌
B‧‧‧成像平面
F11‧‧‧第一透鏡的位於物體側的表面
F12‧‧‧第一透鏡的位於成像側的表面
F21‧‧‧第二透鏡的位於物體側的表面
F22‧‧‧第二透鏡的位於成像側的表面
F31‧‧‧第三透鏡的位於物體側的表面
F32‧‧‧第三透鏡的位於成像側的表面
F41‧‧‧第四透鏡的位於物體側的表面
F42‧‧‧第四透鏡的位於成像側的表面
L‧‧‧透鏡系統的安裝長度
L1‧‧‧第一透鏡
L2‧‧‧第二透鏡
L3‧‧‧第三透鏡
L4‧‧‧第四透鏡
O‧‧‧物體平面
OA‧‧‧光軸
P‧‧‧平行平面板
下面將參考實施例與附圖描述本發明，附圖被示出為：第1圖係根據第一實施例的透鏡系統；第2圖係第1圖的透鏡系統的橫向像差圖；第3圖係第1圖的透鏡系統的其它像差圖；第4圖係第1圖的光路的部分截面的縱截面；第5圖係根據第二實施例的透鏡系統；第6圖係第5圖的透鏡系統的橫向像差圖；以及第7圖係第5圖的透鏡系統的其它像差圖。
在圖中，相同或相似的部件具有相同的元件符號。
第1圖示出了根據第一實施例的具有四個折射透鏡元件的光學透鏡系統。透鏡系統的成像平面B由垂直線表示，而物平面O在圖的區域之外。在下文將以與下述順序相關的相對位置指示(諸如“在前面”或“在後面”)示出透鏡系統的不同元件沿從物體側開始到成像側的光路的光傳播方向的佈置。
透鏡系統包括具有正屈光力的第一透鏡L1、具有正屈光力的第二透鏡L2、具有正屈光力的第三透鏡L3和具有負屈光力的第四透鏡L4。第一透鏡L1被孔徑光闌A包圍。在第四透鏡L4的後方設置平行平面板P作為頂部/覆蓋玻璃。平行平面板P可以被構造為用於可見光的帶阻濾波器，從而僅透射紅外光。
所有透鏡L1至L4均被構造為具有一個凸面和一個凹面的彎月形透鏡。第一透鏡L1、第二透鏡L2和第四透鏡L4被佈置成使得物體側的表面F11、F21、F41是凸面的，並且成像側的表面F12、F22、F42是凹面的。第三透鏡L3以相反的方式佈置，使得物體側的表面F31是凹面的，而成像側的表面F32是凸面的。
透鏡L1至L4由塑料製成，並且具有1.661的折光率以及20.4的阿貝數(Abbe number)。根據第一實施例的透鏡系統具有2.62mm的總焦距f、1.25的f值、2.66mm的安裝長度L(該安裝長度通過測量位於物體側的第一透鏡L1的表面的鏡頂到第四透鏡L4的位於成像側的鏡頂之間得到)、1.97mm的影像高度、以及35.5°的半視角。
平行平面板由玻璃製成，並且具有1.523的折光率以及54.5的阿貝數。透鏡L1至L4的所有表面都是非球面的。
Figure 108115260-A0202-12-0012-4
應用於在相對於光軸OA具有垂直於光軸的高度h的點處與光軸OA平行的各自透鏡表面的垂度z，其中r0是鏡頂曲率半徑，k是錐形常數，並且a4、a6、…、a16是非球面係數。
表1中給出了根據第一實施例的透鏡系統的相應結構資料，其中透鏡系統中的表面根據它們的順序被從0到12連續地編號。從表格得出了透鏡系統的不同元件的關聯，其中在物體側的表面首先被指示，隨後是每個透鏡L1至L4的成像側的表面，另外，其中第1圖的相應元件符號被列在括號內。厚度d表示相應表面與下一表面的間距。半徑r0，厚度d和焦距均以mm為單位給出。對於所有透鏡L1至L4，錐形常數k等於零。
Figure 108115260-A0202-12-0013-5
對於透鏡L1至L4的表面2至9，非球面常數a4、a6、…、a16在下面的表2中給出。
Figure 108115260-A0202-12-0014-6
根據第1圖的透鏡系統具有用於出射光瞳的點的波前像差W(p,A)，該波前像差由正交Zernike Fringe多項式P i (p,A)與相關係數Z i (或Zi)的和的形式描述：
Figure 108115260-A0202-12-0015-7
其中p是賦範光瞳高度(normed pupil height)而A是方位角。因此，p可以採用0到1之間的值，A可以採用0到2π之間的值。波前像差W和相應的係數Z i (或Zi)被給出為波長的單位。Zernike Fringe係數Z1至Z37的與相關多項式P i 的用於軸向像點與無限遠處的物體的值在表3中給出。
Figure 108115260-A0202-12-0016-8
注意，Zernike Fringe係數Z i 是借助於數值過程計算出的。儘管由於透鏡系統的旋轉對稱設計，原則上僅預期係數Z1、Z4、Z9、Z16、Z25、Z36與Z36的軸向成像點為非零的值，但是一些其它的非零的係數(即係數Z17與Z18)可以在表3與相應的表6中找到。然而，它們的值比上述旋轉對稱係數的值小一些數量級。這些值是由於計算不準確，特別是捨入不準確。
對於第2圖中的x與y方向上的賦範光瞳座標，示出了橫向像差ex、ey(以μm為單位)。
根據第3a圖中的賦範光瞳座標示出了球面像差(以mm為單位)；根據第3b圖中的半視角(以度為單位)示出了像散(以mm為單位)；以及根據第3c圖中的半視角(以度為單位)示出了畸變(以百分比表示)。
在第4圖中示出了在不同相交平面處相交的具有為0、0.25、0.5、0.75以及1的賦範光瞳高度的不同光線。相交平面由垂直線表示，該垂直線以相關的光瞳座標被編號。相交平面位於75μm的焦距區域內。必須注意的是，對於為0的光瞳高度不能識別出實際的相交點，因為相關的光線位於無限地靠近光軸OA處。
第5圖中示出了根據本發明第二實施例的透鏡系統。由於第5圖的透鏡系統的結構實施例與第1圖的透鏡系統的設計實施例沒有區別，所以在這方面，參考關於第1圖的相應描述。
與根據第1圖的實施例不同，透鏡L1至L4由玻璃製成並且具有1.743的折射率和49.3的阿貝數。根據第5圖的透鏡系統具有 2.54mm的總焦距f、1.25的f值、2.61mm的安裝長度、1.97mm的影像高度、以及35.5°的半視角。
表4中示出了第5圖的透鏡系統的相應結構資料，並且表5中示出了相關聯的非球面係數a4、a6、...、a16，該非球面係數具有與表1和表2中示值對應的值和單位。對於所有透鏡L1至L4，錐形常數k等於零。
Figure 108115260-A0202-12-0018-9
Figure 108115260-A0202-12-0019-11
以與第一實施例類似的方式，藉由Zernike Fringe多項式Pi與根據表6的對應係數Zi的和來描述波前像差W(p,A)。
Figure 108115260-A0202-12-0020-12
第6圖與第7a圖至第7c圖的圖表以類似於第2圖與第3a圖至第3c圖的圖表的方式示出了橫向像差、球面像差、像散以及畸變。
如果根據兩個實施例之一的透鏡系統被用作成像系統的元件，則可以在成像平面B中佈置相應的影像感測器，特別是3D影像感測器。
上面說明的兩個實施例示出了根據本發明的透鏡系統的兩個示例性實施例，其中有針對性地引入球面像差可以用於至少部分地補償由散焦引起的影像模糊，從而以在非常大的物距區域內得到可接受的影像清晰度。具有固定焦距的成像系統，尤其是使用3D TOF影像感測器的3D成像系統，可以使用這種具有高透鏡速度、大景深、以及小型化設計的透鏡系統來實現。
示例性透鏡系統針對800至1000nm的波長範圍進行最佳化。針對890nm的波長進行計算。
根據本發明的透鏡系統的兩個實施例的結構資料與其它參數僅作為示例。應該理解的是，具有不同結構資料與其它參數的透鏡系統也可被本發明涵蓋。
借助於根據本發明的透鏡系統，特別是借助於根據上述任一實施例的透鏡系統，相對於具有1.58或更高的f值的已知的透鏡系統，f值可以減小21%。因此，與傳統的透鏡系統相比，根據本發明的透鏡系統具有1.6倍以上的透鏡速度。
由於透鏡速度增大，影像感測器處的信號雜訊比得到改善。
這尤其可用於將影像感測器的像素尺寸從例如傳統3D成像系統的常規的17.5μm減小到14μm，使得相對於傳統3D成像系統可以使用更小型化的3D影像感測器。成像系統可以通過透鏡系統的小型化的安裝長度來實現，相對於傳統的成像系統，該安裝長度可以縮短高達31%。根據本發明的透鏡系統特別適合安裝在諸如手機或平板電腦之類的行動裝置中。
A‧‧‧孔徑光闌
B‧‧‧成像平面
F11‧‧‧第一透鏡的位於物體側的表面
F12‧‧‧第一透鏡的位於成像側的表面
F21‧‧‧第二透鏡的位於物體側的表面
F22‧‧‧第二透鏡的位於成像側的表面
F31‧‧‧第三透鏡的位於物體側的表面
F32‧‧‧第三透鏡的位於成像側的表面
F41‧‧‧第四透鏡的位於物體側的表面
F42‧‧‧第四透鏡的位於成像側的表面
L‧‧‧透鏡系統的安裝長度
L1‧‧‧第一透鏡
L2‧‧‧第二透鏡
L3‧‧‧第三透鏡
L4‧‧‧第四透鏡
O‧‧‧物體平面
OA‧‧‧光軸
P‧‧‧平行平面板

Claims (19)

  1. 一種用於照相機的光學透鏡系統，包括正好四個透鏡(L1，L2，L3，L4)，其中，按照從處於物體側的端部到處於成像側的端部的順序設有：具有正屈光力的第一透鏡(L1)、具有正屈光力的第二透鏡(L2)、具有正屈光力的第三透鏡(L3)、以及具有負屈光力的第四透鏡(L4)，其中，該第二透鏡與該第三透鏡(L2，L3)各被設計為彎月形透鏡，其中，該第二透鏡(L2)的位於物體側的表面(F21)是凸面的，該第三透鏡(L3)的位於物體側的表面(F31)是凹面的，以及其中，該第二透鏡(L2)的位於物體側的表面(F21)的曲率半徑L2R1與該第三透鏡(L3)的位於成像側的表面(F32)的曲率半徑L3R2滿足條件-1.4<L2R1/L3R2<-0.7，並且，該第二透鏡(L2)的位於成像側的表面(F22)的曲率半徑L2R2與該第三透鏡(L3)的位於物體側的表面(F31)的曲率半徑L3R1滿足條件-1.8<L2R2/L3R1<-1.0。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的透鏡系統，其中，每個透鏡(L1-L4)具有至少一個非球面彎曲的表面(F11-F42)。
  3. 如申請專利範圍第1項至第2項中任一項所述的透鏡系統，其中，該第一透鏡(L1)被構造為彎月形透鏡。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的透鏡系統，其中，該第二透鏡(L2)的屈光力大於該第一透鏡與該第三透鏡(L1，L3)的屈光力。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的透鏡系統，其中，該第一透鏡(L1)的屈光力小於該第二透鏡與該第三透鏡(L2，L3)的屈光力。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的透鏡系統，其中，該第一透鏡(L1)的焦距f1與該透鏡系統的總焦距f滿足條件4.0<f1/f<6.5。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的透鏡系統，其中，該第二透鏡(L2)的焦距f2與該透鏡系統的總焦距f滿足條件1.0<f2/f<2.0。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的透鏡系統，其中，該第三透鏡(L3)的焦距f3與該透鏡系統的總焦距f滿足條件2.0<f3/f<3.5。
  9. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的透鏡系統，其中，該第四透鏡(L4)的焦距f4與該透鏡系統的總焦距f滿足條件-12.0<f4/f<-6.0。
  10. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的透鏡系統，其中，該第二透鏡與該第三透鏡(L2，L3)的共同焦距f23與該透鏡系統的總焦距f滿足條件0.9<f23/f<1.3。
  11. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的透鏡系統，其中，該第一透鏡(L1)的位於物體側的表面(F11)是凸面的。
  12. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的透鏡系統，其中，該透鏡系統的安裝長度L與總焦距f滿足條件L/f<1.1。
  13. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的透鏡系統，其中，所有透鏡(L1-L4)被佈置成彼此相距固定的間距。
  14. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的透鏡系統，其中，該透鏡系統具有球面像差，該球面像差的大小被設置成使得該球面像差至少部分地補償由該透鏡系統產生的物體影像的散焦而引起的模糊。
  15. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的透鏡系統，其中，該透鏡系統在出射光瞳的點處具有波前像差W(p，A)，該波前像差由正交Zernike Fringe多項式P i (p,A)與相關係數Z i 的和的形式描述：
    Figure 108115260-A0305-02-0029-4
     其中p是賦範光瞳高度，並且A是方位角；其中散焦由係數Z4與多項式2p2-1描述；3階球面像差由係數Z9與多項式6p4-6p2+1描述；5階球面像差由係數Z16與多項式20p6-30p4+12p2-1描述；7階球面像差由係數Z25與多項式70p8-140p6+90p4-20p2+1描述；9階球面像差由係數Z36與多項式252p10-630p8+560p6-210p4+30p2-1描述；以及11階球面像差由係數Z37與多項式924p12-2772p10+3150p8-1680p6+420p4-42p2+1描述；並且滿足下述條件中的至少一個：
    Figure 108115260-A0305-02-0029-5
     以及
    Figure 108115260-A0305-02-0029-6
  16. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的透鏡系統，其中，該第二透鏡(L2)的位於物體側的表面(F21)的曲率半徑L2R1與該第三透鏡(L3)的位於成像側的表面(F32)的曲率半徑L3R2滿足條件-1.2<L2R1/L3R2<-0.8，並且該第二透鏡(L2)的位於成像側的表面(F22)的曲率半徑L2R2與該第三透鏡(L3)的位於物體側的表面(F31)的曲率半徑L3R1滿足條件-1.6<L2R2/L3R1<-1.2。
  17. 一種具有影像感測器的成像系統，該成像系統具有按行排列以及按列排列的多個光敏元件並且具有如申請專利範圍第1項至第16項中任一項所述的光學透鏡系統。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的成像系統，其中，該影像感測器與該透鏡系統之間的距離是不可改變的。
  19. 如申請專利範圍第17項或第18項所述的成像系統，其中，該透鏡系統具有球面像差，該球面像差的大小被設置成同時考慮光敏元件的表面，使得該球面像差對由該透鏡系統產生的物體影像的散焦而引起的模糊進行補償，使得光斑的表面實質上不大於該光敏元件的表面，該光斑是由從在預定的物距區域內的物體點發出的光束在該影像感測器上成像而產生的。
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