WO2019041813A1 - 一种透镜系统、图像拍摄装置和设备 - Google Patents

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Abstract

一种透镜系统（220），包括：由物侧向像侧沿光轴方向顺序排列的第一透镜（221）、第二透镜（222）、第三透镜（223）、第四透镜（224）以及第五透镜（225）；其中，第一透镜具有正折光力、第二透镜具有负折光力、第三透镜具有负折光力并且第四透镜具有正折光力；第五透镜具有负折光力并具有凸的像侧表面（S11）。还公开了一种图像拍摄装置（20）和图像拍摄设备（80）。这种透镜系统、图像拍摄装置和图像拍摄设备，涉及光学成像技术领域，能够在成像面得到更大的图像，有利于产品的小型化。

Description

一种透镜系统、图像拍摄装置和设备
本申请要求于2017年08月30日提交中国专利局、申请号为201710766218.1、申请名称为“一种透镜系统、图像拍摄装置和设备”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉光学成像技术领域，尤其涉及用于在图像传感器上，如在CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合器件)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)等上形成对象的光学图像的透镜系统，以及设置有该透镜系统以进行图像拍摄的图像拍摄装置，如相机；以及设备，如数字照相机，装配有相机的移动电话，个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)，智能电话等。
背景技术
近来，虽然个人计算机向家庭等的扩展，能够将通过对风景、人等进行成像获得的图像信息输入至个人计算机的数字照相机已经快速地扩展。此外，越来越多的移动电话和智能电话具有用于输入图像的内置相机模块。这种具有图像拍摄能力的装置采用图像传感器，如CCD，CMOS等。近来，这些类型的图像传感器的尺寸已经极大地减小，并且因此，图像拍摄装置整体和将安装在这种装置上的透镜系统也已经被要求具有更加紧凑的尺寸。同时，图像传感器的像素数已经增加，从而引起对改善透镜系统的分辨率和性能的不断增长的需求。
作为这种透镜系统，一直通过将透镜的数量例如减少至四个或进一步减少至三个而小型化的透镜系统。作为实现高分辨能力时使用的透镜系统，已知的方案中通过增加透镜数量改善光学性能。如图1提供一种具有摄远功能的透镜系统其能够实现像质无损模拟二倍光学变焦。该透镜系统包括从物侧到像侧沿光轴方向顺序地设置有第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜。该结构的透镜系统中第五透镜为具有正折光力的透镜，利用该透镜系统实现等比例放大至焦距12mm时，需要第五透镜的直径大于7mm,这并不利于产品的小型化。
发明内容
本发明的实施例提供一种透镜系统、图像拍摄装置和设备，能够在成像面得到更大的图像，有利于产品的小型化。
第一方面，提供一种透镜系统，包括：由物侧向像侧沿光轴方向顺序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜；其中，其中，第一透镜具有正折光力、第二透镜具有负折光力、第三透镜具有负折光力并且第四透镜具有正折光力；第五透镜具有负折光力并具有凸的像侧表面。现有技术中第五透镜为具有正折光力的透镜，其作用是对光线汇聚，在其像侧等比例放大的焦距越长成像面的图像越小这将不利于像质的提升，如想得到更大的图像则需要使用更大直径尺寸的透镜，这不利于产品的小型化，在该方案中，由于第五透镜具有负折光力并具有凸的像侧表面，其作用是对光线发散，在其像侧等比例放大的焦距越长成像面的图像越大，因此可以通过更小尺寸的第五透镜即可在成像面实现与 现有技术相同或更大尺寸的图像，这有利于缩小与光轴垂直方向上的产品尺寸，有利于产品的小型化。
一种示例性方案中，透镜系统的具有11.0mm到13.00mm范围内的有效焦距f，并且透镜系统具有8.0mm到12.00mm范围内的总轨道长度TTL，透镜系统具有0.74到1.0范围内的的摄远比率TTL/f。
一种示例性方案为：第一透镜具有凸的物侧表面，其具有光线汇聚作用；第二透镜具有凸的像侧表面并具有凹的物侧表面，其具有校正进入透镜系统的不同波长的光线产生的色差的作用；第三透镜具有凹的像侧表面，其具有光线扩展作用；第四透镜具有凸的像侧表面，其具有再次校正进入透镜系统的不同波长的光线产生的色差的作用。
一种示例性方案为：第二透镜的物侧表面的边缘区域和非边缘区域的曲率半径不同，并且第二透镜的物侧表面的边缘区域的曲率半径为负，即第二透镜的物侧表面边缘弯向物侧，其作用为校正边缘光线相差；另一种示例性的方案中，第二透镜的物侧表面的边缘区域和非边缘区域的曲率半径不同，并且第二透镜的物侧表面的边缘区域的曲率半径为正，即第二透镜的物侧表面边缘弯向像侧，其作用为校正进入透镜系统的光线的场曲与畸变。
一种示例性方案为：第一透镜具有凸的物侧表面或者平的物侧表面并具有正的焦距，第一透镜满足以下条件：
0.3＜f1/f＜0.6，-1.0＜R1/R2＜0；其中，f1为第一透镜的焦距，R1为第一透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R2为第一透镜的像侧表面的顶点曲率半径；
第二透镜、第三透镜和第五透镜具有负的焦距，并满足以下条件：
-0.8＜f2/f＜-0.1，-100＜R3/R4＜100；
-0.8＜f3/f＜-0.1，-100＜R5/R6＜100；
-0.8＜f5/f＜-0.1，-0.1＜R9/R10＜10；其中，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f5为第五透镜的焦距；R3为第二透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R4为第二透镜的像侧表面的顶点曲率半径；R5为第三透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R6为第三透镜的像侧表面的顶点曲率半径；R9为第五透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R10为第五透镜的像侧表面的顶点曲率半径；
第四透镜具有正的焦距，并满足以下条件：
0.4＜f4/f＜2.0，0＜R7/R8＜20；其中，f4为第四透镜的焦距，R7为第四透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R8为第四透镜的像侧表面的顶点曲率半径。
此外，第三透镜和第五透镜采用具有第一阿贝系数的材料构成，第一透镜、第二透镜和第五透镜采用具有第二阿贝系数的材料构成；上述材料可以为塑料或者玻璃等透明材料。
一种示例性方案为：述第一透镜具有凸的物侧表面，其具有光线汇聚作用；第二透镜具有凹的像侧表面，其具有校正进入透镜系统的不同波长的光线产生的色差的作用；第三透镜具有凹的像侧表面，其具有光线扩展作用；第四透镜具有凸的像侧表面，其具有再次校正进入透镜系统的不同波长的光线产生的色差的作用。
一种示例性方案为：第三透镜的像侧表面的边缘区域和非边缘区域的曲率半径不同，并且第三透镜的像侧表面的边缘区域的曲率半径为负，即第三透镜的像侧表面边缘弯向物侧，其作用为校正进入透镜系统的光线的场曲与畸变。
一种示例性方案为：第一透镜具有凸的物侧表面或者平的物侧表面并具有正的焦距，所述第一透镜满足以下条件：
0.3＜f1/f＜0.6，-1.0＜R1/R2＜0；其中，f1为第一透镜的焦距，R1为第一透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R2为第一透镜的像侧表面的顶点曲率半径；
第二透镜、第三透镜和第五透镜具有负的焦距，并满足以下条件：
-0.8＜f2/f＜-0.1，-100＜R3/R4＜100；
-0.8＜f3/f＜-0.1，-100＜R5/R6＜100；
-0.8＜f5/f＜-0.1，-0.1＜R9/R10＜10；其中，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f5为第五透镜的焦距；R3为第二透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R4为第二透镜的像侧表面的顶点曲率半径；R5为第三透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R6为第三透镜的像侧表面的顶点曲率半径；R9为第五透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R10为第五透镜的像侧表面的顶点曲率半径；
第四透镜具有正的焦距，并满足以下条件：
0.4＜f4/f＜0.8，0＜R7/R8＜20；其中，f4为第四透镜的焦距，R7为第四透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R8为第四透镜的像侧表面的顶点曲率半径。
此外，第一透镜和第三透镜采用具有第一阿贝系数的材料构成，第二透镜、第四透镜和第五透镜采用具有第二阿贝系数的材料构成；上述材料可以为塑料或者玻璃等透明材料。
一种示例性方案为：透镜系统的视角小于或等于25°。
第二方面，提供一种图像拍摄装置，包括：
感光器，被配置为捕捉被投射到所述感光器的表面上的光；以及
透镜系统，被配置为折射来自位于所述图像拍摄装置的前方的物场的光以在所述感光器的表面处的像平面处形成所述场景的图像，其中所述透镜系统包括沿着光轴布置的多个折射型透镜，透镜系统为上述的任一透镜系统。该方案包含与第一方案提供的透镜系统相同或相应的技术特征，因此所解决的技术问题以及其实现的技术效果可参考第一方面提供的透镜系统以及下文具体实施方式中对应的方案的有益效果，此处不再赘述。
一种示例性方案为：其中图像拍摄装置还包括位于透镜系统光轴上物侧的第一个透镜物侧的孔径光阑，孔径光阑被调节后以提供2.4到10范围内的焦比。
第三方面，提供一种图像拍摄设备，包括：处理器、存储器以及图像拍摄装置；处理器、存储器以及图像拍摄装置通过总线耦合连接；存储器包括可由处理器执行来控制图像拍摄装置的操作的指令；图像拍摄装置为上述任一图像拍摄装置。该方案包含与第一方案提供的透镜系统相同或相应的技术特征，因此所解决的技术问题以及其实现的技术效果可参考第一方面提供的透镜系统以及下文具体实施方式中对应的方案的有益效果，此处不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为现有技术提供的一种图像拍摄装置的结构示意图；
图2为本申请的实施例提供的一种图像拍摄装置的结构示意图；
图3为图2示出的透镜系统在半视角上和范围从470nm到650nm的可见光谱带上的多色光线像差曲线图；
图4本申请的实施例提供的一种图像拍摄装置的结构示意图；
图5为图4示出的透镜系统在半视角上和范围从470nm到650nm的可见光谱带上的多色光线像差曲线图；
图6为本申请的实施例提供的一种图像拍摄装置的结构示意图；
图7为图6示出的透镜系统在半视角上和范围从470nm到650nm的可见光谱带上的多色光线像差曲线图；
图8为本申请的实施例提供的一种图像拍摄设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本申请在一个实施例中提供了一种包括感光器和透镜系统的图像拍摄装置。本申请在一个实施例中提供了一种包括五个透镜的透镜系统，其可用在图像拍摄装置中并且与传统的透镜系统相比能够在成像面得到更大的图像，有利于产品的小型化。使得该图像拍摄装置(可以为相机)的实施例适用于诸如蜂窝电话、智能电话、板状或平板计算设备、掌上电脑、上网本、笔记本电脑、小型笔记本电脑和超级本计算机等等之类的小型和/或移动多用途设备中。然而，注意，该相机的各方面(例如，透镜系统和感光器)可被比例放大或缩小提供具有更大或更小产品尺寸的图像拍摄装置。此外，图像拍摄装置可实现为独立的数字相机。除了静止(单帧捕捉)相机应用以外，图像拍摄装置还可适应以用于视频相机应用中。
下述方案中，由于透镜均具有两个表面，其中，位于感光器一侧的表面称为“像侧表面”或者“像方表面”，位于物场被拍摄物体一侧的表面称为“物侧表面”或者“物方表面”；其中，对于由若干透镜组成的透镜系统，在光轴方向上位于感光器的一侧称为“像侧”或者“像方”，位于物场被拍摄物体的一侧称为“物侧”或者“物方”。
具体的，参照图2所示，本申请的实施例提供一种图像拍摄装置20，包括：感光器210，被配置为捕捉被投射到感光器的表面上的光；以及透镜系统220，被配置为折射来自位于所述图像拍摄装置的前方的物场的光以在感光器210的表面处的像平面处形成所述场景的图像，其中透镜系统220包括沿着光轴布置的多个折射型透镜。
一种示例为，感光器210可以是根据各种类型的感光器技术中的任何一种实现的一个或多个集成电路(IC)技术芯片。以下提供两个感光器的示例，感光器可以为采用是电荷耦合器件(CCD)技术和互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的芯 片。此外，图像拍摄装置20还可包括位于透镜系统光轴上物侧的第一个透镜(即第一透镜221)物侧的孔径光阑230(aperture stop，AS)(简称光阑)。或者，孔径光阑也可位于透镜系统中的别处。例如，图6所示，孔径光阑430位于透镜系统光轴上的第一个透镜(即第一透镜421)和第二个透镜(即第二透镜422)之间。
图像拍摄装置20还可以包括位于位于透镜系统220光轴上像的第一个透镜(即第五透镜225)像侧的滤光片240，其中滤光片240位于感光器210与第五透镜225之间，一种示例为，滤光片240为红外(IR，Infrared Radiation)滤光器。滤光片240可例如由玻璃材料构成，当然也可以使用其他透明材料。滤光片240可起到阻挡可损坏感光器或对感光器产生不利影响的红外辐射，滤光片240不影响透镜系统的有效焦距f。并且，图像拍摄装置20还可包括除了本文图示和描述的以外的其他组件。
在图像拍摄装置20中，透镜系统220在感光器210的表面处或附近的像平面(IP)处形成图像。远处物体的图像尺寸与透镜系统220的有效焦距f直接成正比。透镜系统220的总轨道长度(total track length，TTL)是第一透镜221的物侧表面处的前顶点与像平面之间在光轴(AX)上的距离。对于透镜系统220，总轨道长度(TTL)小于透镜系统有效焦距(f)，并且总轨道长度TTL与焦距的比率(TTL/f)是摄远比率(telephoto ratio)。其中用作摄远功能的透镜系统，TTF/f小于或等于1。
在至少一些实施例中，透镜系统220可以是固定的摄远透镜系统，其被配置成使得透镜系统的有效焦距f在11.0mm到13.00mm范围内，F值(焦比或者f/#)在从约2.4到约10.0的范围内，视角(FOV)小于或等于25°(当然也可以是更窄或更宽的FOV)，并且透镜系统220的总轨道长度(TTL)在8.0mm到12.00mm范围内。透镜系统220的摄远比率(TTL/f)满足关系：0.74<TTL/f<1.0。
在本申请提供的实施例中，透镜系统220可被配置成使得透镜系统220的有效焦距f在参考波长555nm下为12.0mm，并且焦比F值为2.6。透镜系统可以例如被配置为具有12.0mm的焦距f和2.6的F值以满足对于特定图像拍摄装置20应用所规定的光学、成像和/或产品尺寸条件的约束。注意，焦比也被称为f/#或F值其由由f/D定义，其中D是入射光瞳的直径，即，孔径光阑230形成的有效孔径。然而，注意，焦距f、F值和/或其他参数可被按比例缩放或调节以满足对于其他图像拍摄装置20应用的光学、成像和/或产品尺寸条件的约束的各种规格。
在一些实施例中，透镜系统220可以是可调节的。例如，在一些实施例中，如本申请提供的摄远透镜系统可配备有可调节的孔径光阑。利用可调节的孔径光阑，可在一范围内动态地改变F值(焦比或f/#)。例如，如果透镜系统被良好校正于f/2.8、给定的焦距f和FOV，则通过调节孔径光阑可在2.8到10(或更高)的范围内改变焦比。在一些实施例中，通过调节孔径光阑可在更快的焦比下(f/#<2.8)使用透镜系统。
参考如图2所示的实施例，透镜系统220，包括：由物侧向像侧沿光轴方向 顺序排列的第一透镜221、第二透镜222、第三透镜223、第四透镜224以及第五透镜225；其中，第一透镜221具有正折光力、第二透镜222具有负折光力、第三透镜223具有负折光力并且第四透镜224具有正折光力；
其中第五透镜225具有负折光力并具有凸的像侧表面；透镜系统的具有11.0mm到13.00mm范围内的有效焦距f，并且所述透镜系统具有8.0mm到12.00mm范围内的总轨道长度TTL，透镜系统具有0.74到1.0范围内的的摄远比率TTL/f。
图2的示例中，提供包含透镜系统220的图像拍摄装置20的截面图。透镜系统220包括具有折光力的五个透镜元件(221-225)。图2中，从物侧到像侧(图中从左到右)沿着图像拍摄装置20的光轴AX布置的是孔径光阑230、具有正折光力并具有凸的物侧表面的第一透镜221、具有负折光力并具有凸的像侧表面并具有凹的物侧表面的第二透镜222、具有负折光力并具有凹的像侧表面的第三透镜223、具有正折光力并具有凸的像侧表面的第四透镜224、具有负折光力并具有凸的像侧表面的第五透镜225、透镜系统220在感光器210的表面处形成像平面。在一些实施例中，第五透镜225与感光器210之间包括滤光片240。其中，第一透镜221具有正折光力并具有凸的物侧表面，其具有光线汇聚作用；第二透镜222具有负折光力并具有凸的像侧表面并具有凹的物侧表面，其具有校正进入透镜系统的不同波长的光线产生的色差的作用；第三透镜223具有负折光力并具体有凹的像侧表面，其具有光线扩展作用；第四透镜224具有正折光力并具有凸的像侧表面，其具有再次校正进入透镜系统的不同波长的光线产生的色差的作用。第二透镜222的物侧表面的边缘区域和非边缘区域的曲率半径不同，并且第二透镜222的物侧表面的边缘区域的曲率半径为负，即第二透镜222的物侧表面边缘弯向物侧，其作用为校正边缘光线相差。
第一透镜221具有凸的物侧表面或者平的物侧表面并具有正的焦距，第一透镜221满足以下条件：0.3＜f1/f＜0.6，-1.0＜R1/R2＜0；其中，f1为第一透镜的焦距，R1为第一透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R2为第一透镜的像侧表面的顶点曲率半径；
第二透镜222、第三透镜223和第五透镜225具有负的焦距，并满足以下条件：-0.8＜f2/f＜-0.1，-100＜R3/R4＜100；
-0.8＜f3/f＜-0.1，-100＜R5/R6＜100；
-0.8＜f5/f＜-0.1，-0.1＜R9/R10＜10；其中，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f5为第五透镜的焦距；R3为第二透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R4为第二透镜的像侧表面的顶点曲率半径；R5为第三透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R6为第三透镜的像侧表面的顶点曲率半径；R9为第五透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R10为第五透镜的像侧表面的顶点曲率半径；
第四透镜224具有正的焦距，并满足以下条件：
0.4＜f4/f＜2.0，0＜R7/R8＜20；其中，f4为第四透镜的焦距，R7为第四透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R8为第四透镜的像侧表面的顶点曲率半径。
此外，第三透镜和第五透镜采用具有第一阿贝系数的材料构成，第一透镜、第二透镜和第五透镜采用具有第二阿贝系数的材料构成；上述材料可以为塑料或 者玻璃等透明材料。
表1A-1C提供了如图2所示的图像拍摄装置20和透镜系统220的示例实施例的各种光学和物理参数的示例值。参考表1A-1C，透镜系统220的实施例覆盖了从470纳米(nm)到650nm的光谱的可见光区中的应用。
表1A中示出了透镜系统220基本参数；表1B中示出了透镜系统220中各个器件的基本参数；表1C中示出了透镜系统220中各个透镜的表面曲率半径以及非球面系數，其中表1B和1C中表面S0-S14，分别指代：物平面-S0、孔径光栅-S1、第一透镜221的物侧表面-S2、第一透镜221的像侧表面-S3、第二透镜222的物侧表面-S4、第二透镜222的像侧表面-S5、第三透镜223的物侧表面-S6、第三透镜223的像侧表面-S7、第四透镜224的物侧表面-S8、第四透镜224的像侧表面-S9、第五透镜225的物侧表面-S10、第五透镜225的像侧表面-S11、滤光片的物侧表面-S12、滤光片的像侧表面-S13、像平面-S14；表1B包括：各个器件的如下参数的曲率半径半径R(可以为具体赋值或者INF(infinite，无穷大))、形状(FLAT(平面)、ASP(球面))、厚度或间隔、折射率Nd以及阿贝数Vd；表1C包括：透镜各个表面的曲率半径R以及非球面系数K、A、B、C、D。
透鏡系統220和表1A-1C提供的参数可有效的校正光学像差。图3示出了如图2和表1A-1C中描述的透镜系统220在半视角(HFOV 12.5度)上和范围从470nm到650nm的可见光谱带上的多色光线像差曲线的图，其中图3为采用Zemax仿真，输出的横向光线扇形图(transverse ray fan plot)展示了多色光线像差曲线，其中，Px/Py是指Pupil(光瞳)的归一化坐标,ex/ey是光线在成像平面的位置差,ex/ey的最大/最小值为(Maximum scale+/-50um)，图3中分别示出了五种波长(470nm、510nm、555nm、610nm、610nm)的光线分别在IMA(imagine plane，成像平面)＝0.0000mm、0.7550mm、1.5100mm、2.2650mm以及2.5180mm处的像差曲线，ex/ey在成像平面的位置差越小则该透镜系统的光学性能越好，本申请提供的透镜系统ex/ey在成像平面的位置差控制在10um以内。
表1A
焦距f 12mm
F值 2.6
半FOV 12.5°
总轨道长度TTL 10.5mm
摄远比率TTL/f 0.875
设计波长 650nm,610nm,555nm,510nm,470nm
表1B
Figure PCTCN2018081961-appb-000001
表1C
Figure PCTCN2018081961-appb-000002
示例中的透镜系統中的透镜表面的非球面系數在表1C中列出。通过根据透鏡的折光力分布的布置配置透镜系統并且如表1A-1C中所示的参数调节曲率半径和非球面系數，可以减小透镜系統的TTL(例如,如下表2A-2C中所示减小到10.2mm),且第五透镜凸向像侧的表面将光线扩散至成像面,相比现有技术本申请的透镜系統可有效的降低透镜系統的高度与寛度尺寸达30％,同时可以有效地校正系統的像差,像差曲线显示该透镜系統可以获得高图像质量分辨率的光学性能，现有技术中，由于第四透镜和第五透镜均采用中间与边缘薄厚比差异较大的设计，容易在第四透镜边缘产生反射杂散光，此外采用塑料制作透镜时，不利于注塑成型；而本申请实施例提供的方案均第四透镜和第五透镜均采用采用半月形，有效降低了第四透镜和第五透镜的中间与边缘薄厚比的差异，降低了第四透镜反射杂散光影响成像质量，此外按照上述的参数形成的各个透镜更有利于采用塑料材料注塑成型。
现有技术中第五透镜为具有正折光力的透镜，其作用是对光线汇聚，在其像侧等比例放大的焦距越长成像面的图像越小这将不利于像质的提升，如想得到更大的图像则需要使用更大直径尺寸的透镜，这不利于产品的小型化，在该方案中，由于第五透镜具有负折光力并具有凸的像侧表面，其作用是对光线发散，在其像 侧等比例放大的焦距越长成像面的图像越大，因此可以通过更小尺寸的第五透镜即可在成像面实现与现有技术相同或更大尺寸的图像，这有利于缩小与光轴垂直方向上的产品尺寸，有利于产品的小型化。
图4的示例中，提供包含透镜系统320的图像拍摄装置30的截面图。透镜系统320包括具有折光力的五个透镜元件(321-325)。图4中，从物侧到像侧(图中从左到右)沿着图像拍摄装置30的光轴AX布置的是孔径光阑330、具有正折光力并具有凸的物侧表面的第一透镜321、具有负折光力并具有凸的像侧表面并具有凹的物侧表面的第二透镜322、具有负折光力并具有凹的像侧表面的第三透镜323、具有正折光力并具有凸的像侧表面的第四透镜324、具有负折光力并具有凸的像侧表面的第五透镜325、透镜系统320在感光器310的表面处形成像平面。在一些实施例中，第五透镜325与感光器310之间包括滤光片340。其中，第一透镜321具有正折光力并具有凸的物侧表面，其具有光线汇聚作用；第二透镜322具有负折光力并具有凸的像侧表面并具有凹的物侧表面，其具有校正进入透镜系统的不同波长的光线产生的色差的作用；第三透镜323具有负折光力并具体有凹的像侧表面，其具有光线扩展作用；第四透镜324具有正折光力并具有凸的像侧表面，其具有再次校正进入透镜系统的不同波长的光线产生的色差的作用。相比于图2示出的透镜系统，该实施例中第二透镜322的物侧表面的边缘区域和非边缘区域的曲率半径不同，并且第二透镜的物侧表面的边缘区域的曲率半径为正，即第二透镜322的物侧表面边缘弯向像侧，其作用为校正进入透镜系统的光线的场曲与畸变。
第一透镜321具有凸的物侧表面或者平的物侧表面并具有正的焦距，第一透镜221满足以下条件：0.3＜f1/f＜0.6，-1.0＜R1/R2＜0；其中，f1为第一透镜的焦距，R1为第一透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R2为第一透镜的像侧表面的顶点曲率半径；
第二透镜322、第三透镜323和第五透镜325具有负的焦距，并满足以下条件：-0.8＜f2/f＜-0.1，-100＜R3/R4＜100；
-0.8＜f3/f＜-0.1，-100＜R5/R6＜100；
-0.8＜f5/f＜-0.1，-0.1＜R9/R10＜10；其中，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f5为第五透镜的焦距；R3为第二透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R4为第二透镜的像侧表面的顶点曲率半径；R5为第三透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R6为第三透镜的像侧表面的顶点曲率半径；R9为第五透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R10为第五透镜的像侧表面的顶点曲率半径；
第四透镜324具有正的焦距，并满足以下条件：
0.4＜f4/f＜2.0，0＜R7/R8＜20；其中，f4为第四透镜的焦距，R7为第四透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R8为第四透镜的像侧表面的顶点曲率半径。
此外，第三透镜和第五透镜采用具有第一阿贝系数的材料构成，第一透镜、第二透镜和第五透镜采用具有第二阿贝系数的材料构成；上述材料可以为塑料或者玻璃等透明材料。
表2A-2C提供了如图4所示的图像拍摄装置30和透镜系统320的示例实施 例的各种光学和物理参数的示例值。参考表2A-2C，透镜系统320的实施例覆盖了从470纳米(nm)到650nm的光谱的可见光区中的应用。
表2A中示出了透镜系统320基本参数；表2B中示出了透镜系统320中各个器件的基本参数；表2C中示出了透镜系统320中各个透镜的表面曲率半径以及非球面系數，其中表2B和2C中表面S0-S14，分别指代：物平面-S0、孔径光栅-S1、第一透镜的物侧表面-S2、第一透镜的像侧表面-S3、第二透镜的物侧表面-S4、第二透镜的像侧表面-S5、第三透镜的物侧表面-S6、第三透镜的像侧表面-S7、第四透镜的物侧表面-S8、第四透镜的像侧表面-S9、第五透镜的物侧表面-S10、第五透镜的像侧表面-S11、滤光片的物侧表面-S12、滤光片的像侧表面-S13、像平面-S14；表1B包括：各个器件的如下参数的曲率半径半径R(可以为具体赋值或者INF(infinite，无穷大))、形状(FLAT(平面)、ASP(球面))、厚度或间隔、折射率Nd以及阿贝数Vd；表1C包括：透镜各个表面的曲率半径R以及非球面系数K、A、B、C、D。
透鏡系統320和表2A-2C提供的参数可有效的校正光学像差。图5示出了如图4和表2A-2C中描述的透镜系统220在半视角(HFOV 12.5度)上和范围从470nm到650nm的可见光谱带上的多色光线像差曲线的图；其中图5为采用Zemax仿真，输出的横向光线扇形图展示了多色光线像差曲线，其中，Px/Py是指Pupil的归一化坐标,ex/ey是光线在成像平面的位置差,ex/ey的最大/最小值为(Maximum scale+/-50um)，图5中分别示出了五种波长(470nm、510nm、555nm、610nm、610nm)的光线分别在IMA(imagine plane，成像平面)＝0.0000mm、0.7550mm、1.5100mm、2.2650mm以及2.5180mm处的像差曲线，ex/ey在成像平面的位置差越小则该透镜系统的光学性能越好，申请提供的透镜系统ex/ey在成像平面的位置差控制在10um以内。
表2A
焦距 12mm
F值 2.8
半FOV 12.5°
總軌道長度TTL 10.2mm
摄远比率TTL/f 0.85
設計波長 650nm,610nm,555nm,510nm,470nm
表2B
Figure PCTCN2018081961-appb-000003
表2C
Figure PCTCN2018081961-appb-000004
示例中的透镜系統中的透镜表面的非球面系數在表2C中列出。通过根据透鏡的折光力分布的布置配置透镜系統并且如表2A-2C中所示的参数调节曲率半径和非球面系數，可以减小透镜系統的TTL减小到10.2mm,且第五透镜凸向像侧的表面将光线扩散至成像面,相比现有技术本申请的透镜系統可有效的降低透镜系統的高度与寛度尺寸达30％,同时可以有效地校正系統的像差,像差曲线显示该透镜系統可以获得高图像质量分辨率的光学性能。
图6的示例中，提供包含透镜系统420的图像拍摄装置40的截面图。透镜系统420包括具有折光力的五个透镜元件(421-425)。图6中，从物侧到像侧(图中从左到右)沿着图像拍摄装置40的光轴AX布置的是具有正折光力并具有凸的物侧表面的第一透镜421、孔径光阑430、具有负折光力并具有凹的像侧表面的第二透镜422、具有负折光力并具体有凹的像侧表面的第三透镜423、具有正折光力并具有凸的像侧表面的第四透镜424、具有负折光力并具有凸的像侧表面的第五透镜425、透镜系统420在感光器410的表面处形成像平面。在一些实施例中，第五透镜425与感光器410之间包括滤光片440。其中，第一透镜421具有正折光力并具有凸的物侧表面，其具有光线汇聚作用；第二透镜422具有负折光力并具有凹的像侧表面，其具有校正进入透镜系统的不同波长的光线产生的色差的作用； 第三透镜423具有负折光力并具体有凹的像侧表面，其具有光线扩展作用；第四透镜424具有正折光力并具有凸的像侧表面，其具有再次校正进入透镜系统的不同波长的光线产生的色差的作用。与上述图2、图4中提供的示例不同的是，第三透镜423的像侧表面的边缘区域和非边缘区域的曲率半径不同，并且第三透镜423的像侧表面的边缘区域的曲率半径为负，其作用为校正进入透镜系统的光线的场曲与畸变。
第一透镜421具有凸的物侧表面或者平的物侧表面并具有正的焦距，所述第一透镜满足以下条件：
0.3＜f1/f＜0.6，-1.0＜R1/R2＜0；其中，f1为第一透镜的焦距，R1为第一透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R2为第一透镜的像侧表面的顶点曲率半径；
第二透镜422、第三透镜423和第五透镜425具有负的焦距，并满足以下条件：
-0.8＜f2/f＜-0.1，-100＜R3/R4＜100；
-0.8＜f3/f＜-0.1，-100＜R5/R6＜100；
-0.8＜f5/f＜-0.1，-0.1＜R9/R10＜10；其中，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f5为第五透镜的焦距；R3为第二透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R4为第二透镜的像侧表面的顶点曲率半径；R5为第三透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R6为第三透镜的像侧表面的顶点曲率半径；R9为第五透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R10为第五透镜的像侧表面的顶点曲率半径；
第四透镜424具有正的焦距，并满足以下条件：
0.4＜f4/f＜0.8，0＜R7/R8＜20；其中，f4为第四透镜的焦距，R7为第四透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R8为第四透镜的像侧表面的顶点曲率半径。
此外，第一透镜和第三透镜采用具有第一阿贝系数的材料构成，第二透镜、第四透镜和第五透镜采用具有第二阿贝系数的材料构成；上述材料可以为塑料或者玻璃等透明材料。
表3A-3C提供了如图6所示的图像拍摄装置40和透镜系统420的示例实施例的各种光学和物理参数的示例值。参考表3A-3C，透镜系统420的实施例覆盖了从470纳米(nm)到650nm的光谱的可见光区中的应用。
表3A中示出了透镜系统420基本参数；表3B中示出了透镜系统420中各个器件的基本参数；表3C中示出了透镜系统420中各个透镜的表面曲率半径以及非球面系數，其中表3B和3C中表面S0-S14，分别指代：物平面-S0、孔径光栅-S1、第一透镜的物侧表面-S2、第一透镜的像侧表面-S3、第二透镜的物侧表面-S4、第二透镜的像侧表面-S5、第三透镜的物侧表面-S6、第三透镜的像侧表面-S7、第四透镜的物侧表面-S8、第四透镜的像侧表面-S9、第五透镜的物侧表面-S10、第五透镜的像侧表面-S11、滤光片的物侧表面-S12、滤光片的像侧表面-S13、像平面-S14；表3B包括：各个器件的如下参数的曲率半径半径R(可以为具体赋值或者INF(infinite，无穷大))、形状(FLAT(平面)、ASP(球面))、厚度或间隔、折射率Nd以及阿贝数Vd；表3C包括：透镜各个表面的曲率半径R以及非球面系数K、A、B、C、D。
透鏡系統420和表3A-3C提供的参数可有效的校正光学像差。图7示出了如图6和表3A-3C中描述的透镜系统420在半视角(HFOV 12.5度)上和范围从470nm到650nm的可见光谱带上的多色光线像差曲线的图；其中图7为采用Zemax仿真，输出的横向光线扇形图展示了多色光线像差曲线，其中，Px/Py是指Pupil的归一化坐标,ex/ey是光线在成像平面的位置差,ex/ey的最大/最小值为(Maximum scale+/-10um)，图7中分别示出了五种波长(470nm、510nm、555nm、610nm、610nm)的光线分别在IMA(imagine plane，成像平面)＝0.0000mm、0.7550mm、1.5100mm、2.2650mm以及2.5180mm处的像差曲线，ex/ey在成像平面的位置差越小则该透镜系统的光学性能越好，申请提供的透镜系统ex/ey在成像平面的位置差控制在10um以内。
表3A
焦距 12mm
F值 2.6
半FOV 12.5°
TTL 10.56mm
摄远比率TTL/f 0.88
设计波长 650nm,610nm,555nm,510nm,470nm
表3B
Figure PCTCN2018081961-appb-000005
表3C
Figure PCTCN2018081961-appb-000006
示例中的透镜系統中的透镜表面的非球面系數在表3C中列出。通过根据透鏡的折光力分布的布置配置透镜系統并且如表3A-3C中所示的参数调节曲率半径和非球面系數，可以有效地校正系統的像差,像差曲线显示该透镜系統可以获得高图像质量分辨率的光学性能。且第五透镜凸向像侧的表面将光线扩散至成像面,相比现有技术本申请的透镜系統可有效的降低透镜系統的高度与寛度尺寸达30％。
参照图8所示，本申请的实施例提供一种包括上述实施例提供的图像拍摄装置的图像拍摄设备80。此外，图像拍摄设备80可实现用于控制图像拍摄装置和/或用于执行对用图像拍摄装置捕捉的图像的进行处理的方法。在不同的实施例中，图像拍摄设备80可以是各种类型的设备中的任何一种，包括但不限于个人计算机系统、桌面型计算机、掌上电脑、笔记本电脑、平板电脑、或者上网本计算机、大型机计算机系统、手持式计算机、工作站、网络计算机、相机、机顶盒、移动设备、无线电话、智能电话、消费类设备、视频游戏机、手持式视频游戏设备、应用服务器、存储设备、电视机、视频记录设备、诸如交换机、调制解调器、路由器之类的外围设备、或者一般而言任何类型的计算或电子设备。
如图8所示，图像拍摄设备80包括：处理器801、存储器802以及图像拍摄 装置803；处理器801、存储器802以及图像拍摄装置803通过总线804耦合连接；存储器802包括可由处理器802执行来控制图像拍摄装置803的操作的指令；图像拍摄装置803为上述任一图像拍摄装置。
图像拍摄设备80可以包含一个或多个处理器801，处理器801可以是一个通用中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，微处理器，特定应用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)，或一个或多个用于控制本申请方案程序执行的集成电路。
存储器802可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是电可擦可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-only Memory，EEPROM)、只读光盘(Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM)或其他光盘存储、光碟存储(包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等)、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。存储器可以是独立存在，通过总线与处理器相连接。存储器也可以和处理器集成在一起。
其中，存储器802用于存储针对本申请提供的图像拍摄设备80执行控制的应用程序代码和/或执行对本申请提供的图像拍摄设备80获取的图像的操作的应用程序代码，并由处理器801来控制执行。
在图8示出的实施例中，图像拍摄设备80还包括耦合到总线804上的网络接口，以及一个或多个输入/输出设备，诸如光标控制设备、键盘和(一个或多个)显示器。网络接口可被配置为允许在图像拍摄设备80与附接到网络的其他设备(例如，载体或代理设备)之间交换数据。网络在各种实施例中可包括一个或多个网络，包括但不限于局域网(LAN)(例如，以太网或公司网络)、广域网(WAN)(例如因特网)、无线数据网络、一些其他电子数据网络或者它们的某种组合。在各种实施例中，网络接口可支持经由如下网络的通信：经由有线或无线通用数据网络，例如，诸如任何适当类型的以太网网络；经由电信/电话网络，诸如模拟语音网络或数字光纤通信网络；经由存储区域网络，诸如光纤信道SAN；或者经由任何其他适当类型的网络和/或协议。输入/输出设备在一些实施例中可包括一个或多个显示终端、键盘、小键盘、触摸板、扫描设备、语音或光学识别设备或者适合于通过图像拍摄设备80输入或访问数据的任何其他设备。多个输入/输出设备可存在于图像拍摄设备80中，或者可分布在图像拍摄设备80的各种节点上。
本申请提及“一个实施例”或“一实施例”，其中“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现不一定指的是同一实施例。可以按符合本公开的任何适当方式来组合特定的特征、结构或特性。“包括”。这个词是开放式的。当用在权利要求中时，这个词不排除额外的结构或步骤。
“第一”、“第二”等等。当在本文中使用时，这些词语用作其后的名词的标签，并且不意味着任何类型的排序(例如，空间的、时间的、逻辑的，等等)。例如，本文中的第一透镜、第二透镜仅用于区别个体，并不指代透镜的特殊位置 关系，例如第一、第二不一定意味着第一透镜必须在第二透镜左侧或右侧。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (17)

  1. 一种透镜系统，其特征在于，包括：
    由物侧向像侧沿光轴方向顺序排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及第五透镜；其中，所述第一透镜具有正折光力、所述第二透镜具有负折光力、所述第三透镜具有负折光力并且所述第四透镜具有正折光力；
    所述第五透镜具有负折光力并具有凸的像侧表面。
  2. 根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，
    所述透镜系统具有11.0mm到13.00mm范围内的有效焦距f，并且所述透镜系统具有8.0mm到12.00mm范围内的总轨道长度TTL，所述透镜系统具有0.74到1.0范围内的的摄远比率TTL/f。
  3. 根据权利要求1或2所述的透镜系统，其特征在于，
    所述第一透镜具有凸的物侧表面；
    所述第二透镜具有凸的像侧表面并具有凹的物侧表面；
    所述第三透镜具有凹的像侧表面；
    所述第四透镜具有凸的像侧表面。
  4. 根据权利要求3所述的透镜系统，其特征在于，所述第二透镜的物侧表面的边缘区域和非边缘区域的曲率半径不同，并且所述第二透镜的物侧表面的边缘区域的曲率半径为负。
  5. 根据权利要求3所述的透镜系统，其特征在于，所述第二透镜的物侧表面的边缘区域和非边缘区域的曲率半径不同，并且所述第二透镜的物侧表面的边缘区域的曲率半径为正。
  6. 根据权利要求3所述的透镜系统，其特征在于，
    所述第一透镜具有凸的物侧表面或者平的物侧表面并具有正的焦距，所述第一透镜满足以下条件：
    0.3＜f1/f＜0.6，-1.0＜R1/R2＜0；其中，f1为第一透镜的焦距，R1为第一透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R2为第一透镜的像侧表面的顶点曲率半径；
    所述第二透镜、第三透镜和第五透镜具有负的焦距，并满足以下条件：
    -0.8＜f2/f＜-0.1，-100＜R3/R4＜100；
    -0.8＜f3/f＜-0.1，-100＜R5/R6＜100；
    -0.8＜f5/f＜-0.1，-0.1＜R9/R10＜10；其中，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f5为第五透镜的焦距；R3为第二透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R4为第二透镜的像侧表面的顶点曲率半径；R5为第三透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R6为第三透镜的像侧表面的顶点曲率半径；R9为第五透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R10为第五透镜的像侧表面的顶点曲率半径；
    所述第四透镜具有正的焦距，并满足以下条件：
    0.4＜f4/f＜2.0，0＜R7/R8＜20；其中，f4为第四透镜的焦距，R7为第四透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R8为第四透镜的像侧表面的顶点曲率半径。
  7. 根据权利要求3所述的透镜系统，其特征在于，
    所述第三透镜和第五透镜采用具有第一阿贝系数的材料构成，所述第一透镜、 第二透镜和第五透镜采用具有第二阿贝系数的材料构成。
  8. 根据权利要求1或2所述的透镜系统，其特征在于，
    所述第一透镜具有凸的物侧表面；
    所述第二透镜具有凹的像侧表面；
    所述第三透镜具有凹的像侧表面；
    所述第四透镜具有凸的像侧表面。
  9. 根据权利要求8所述的透镜系统，其特征在于，所述第三透镜的像侧表面的边缘区域和非边缘区域的曲率半径不同，并且所述第三透镜的像侧表面的边缘区域的曲率半径为负。
  10. 根据权利要求8所述的透镜系统，其特征在于，
    所述第一透镜具有凸的物侧表面或者平的物侧表面并具有正的焦距，所述第一透镜满足以下条件：
    0.3＜f1/f＜0.6，-1.0＜R1/R2＜0；其中，f1为第一透镜的焦距，R1为第一透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R2为第一透镜的像侧表面的顶点曲率半径；
    所述第二透镜、第三透镜和第五透镜具有负的焦距，并满足以下条件：
    -0.8＜f2/f＜-0.1，-100＜R3/R4＜100；
    -0.8＜f3/f＜-0.1，-100＜R5/R6＜100；
    -0.8＜f5/f＜-0.1，-0.1＜R9/R10＜10；其中，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f5为第五透镜的焦距；R3为第二透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R4为第二透镜的像侧表面的顶点曲率半径；R5为第三透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R6为第三透镜的像侧表面的顶点曲率半径；R9为第五透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R10为第五透镜的像侧表面的顶点曲率半径；
    所述第四透镜具有正的焦距，并满足以下条件：
    0.4＜f4/f＜0.8，0＜R7/R8＜20；其中，f4为第四透镜的焦距，R7为第四透镜的物侧表面的顶点曲率半径，R8为第四透镜的像侧表面的顶点曲率半径。
  11. 根据权利要求8所述的透镜系统，其特征在于，
    所述第一透镜和第三透镜采用具有第一阿贝系数的材料构成，所述第二透镜、第四透镜和第五透镜采用具有第二阿贝系数的材料构成。
  12. 根据权利要求1-11任一项所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统的视角小于或等于25°。
  13. 一种图像拍摄装置，其特征在于，包括：
    感光器，被配置为捕捉被投射到所述感光器的表面上的光；以及
    透镜系统，被配置为折射来自位于所述图像拍摄装置的前方的物场的光以在所述感光器的表面处的像平面处形成所述场景的图像，其中所述透镜系统为如权利要求1-10任一项所述的透镜系统。
  14. 根据权利要求13所述的图像拍摄装置，其特征在于，其中所述图像拍摄装置还包括位于所述透镜系统光轴上物侧的第一个透镜物侧的孔径光阑，或者所述图像拍摄装置还包括位于所述透镜系统光轴上物侧的第一个透镜与第二个透镜之间的孔径光阑。
  15. 根据权利要求14所述的图像拍摄装置，其特征在于，其中所述孔径光阑被调节后以提供2.4到10范围内的焦比。
  16. 根据权利要求13所述的图像拍摄装置，其特征在于，其中所述图像拍摄装置还包括位于所述透镜系统光轴上像的第一个透镜像侧的滤光片。
  17. 一种图像拍摄设备，其特征在于，包括：处理器、存储器以及图像拍摄装置；处理器、存储器以及图像拍摄装置通过总线耦合连接；
    所述存储器包括可由所述处理器执行来控制所述图像拍摄装置的操作的指令；
    所述图像拍摄装置为权利要求13-16任一项所述的图像拍摄装置。
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