CN102087402A

CN102087402A - 用于摄像机的光学系统

Info

Publication number: CN102087402A
Application number: CN2010102822799A
Authority: CN
Inventors: 郑弼镐; 李文都
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2009-12-08
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2011-06-08
Also published as: KR20110064698A; US8027099B2; US20110134543A1; KR101108802B1; CN105929522A

Abstract

本发明提供了一种用于摄像机的光学系统，该光学系统包括：第一透镜，其具有负折光力，并具有朝向物侧凸出的弯月形；第二透镜，其具有负折光力，并具有朝向物侧的凸面；第三透镜，其具有正折光力，并具有朝向物侧的凸面；以及第四透镜，其具有正折光力，并具有朝向像侧的凸面，其中，该光学系统满足下列不等式：0.3＜v3/v2＜0.8，且0.06＜f1/TL＜0.2，其中，v2表示第二透镜的阿贝数，v3表示第三透镜的阿贝数，f1表示透镜系统的总焦距，以及TL表示从第一透镜的物侧的顶点到像平面的距离。

Description

用于摄像机的光学系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年12月8日向韩国知识产权局提交的第10-2009-0121404号韩国专利申请的权益，其公开的内容通过引证结合于此。

技术领域

本发明涉及一种用于摄像机的光学系统，更具体地，涉及一种通过使用尽可能少数量的透镜就可实现广视角、并且对于由外部温度引起的塑料透镜的收缩和膨胀可以实现互补偿的用于摄像机的光学系统。

背景技术

近年来，移动通信装置(例如，移动通信终端、PDA和智能电话)的用途具有增加的趋势，并且通过通信技术提供的服务具有变得多种多样的趋势。与此相应，移动通信装置除了提供基本的通信功能之外，还结合了各种类型的附加功能。附加功能中的摄像功能被最频繁地装配在移动通信装置上。

这样的摄像机随着装配摄像机的装置的小型化而逐渐变小和变薄。具体地，随着用于汽车的前/后监控摄像机或用于外部监控的CCTV的使用逐渐增加，需要一种具有小型尺寸并提供宽范围内的图像信息的广视角光学系统。

应使用广视角光学系统作为用于外部监控或后部监控的光学系统，因为这样的监控光学系统需要在较宽的范围内从外部拍摄图像。此外，光学系统应被设计为足够亮以即使在黑暗的环境中也能识别物体。

亮的光学系统设计的最佳条件是使用具有高的光透射率和高折射率的球面玻璃透镜。然而，考虑到制造监控摄像机的成本，难以设计小型的且廉价的光学系统。

因此，在装配在监控摄像机上的光学系统中，为了实现小型化并降低其价格，应使用具有成型优势的塑料透镜，并且透镜的数量应尽可能地少。然而，现有技术中设计的光学系统不能满足最佳条件，这是因为在该光学系统中使用了具有较低光学性能的塑料透镜。此外，透镜数量的减少降低了光学系统设计中的自由度。

同时，在现有技术中设计广视角的光学系统时，通常需要八个以上的透镜，并且必须加长光学系统的整体长度。即，在现有技术中，难以满足小型化和具有竞争性成本的条件。

发明内容

为了克服上述问题提出了本发明，因此，本发明的目的在于提供一种用于摄像机的光学系统，在该光学系统中，为了对由高/低的外部温度引起的收缩和膨胀进行相互补偿，交替地设置具有正/负折光力(refractive power)的塑料透镜，从而，即使通过尽可能少的透镜数量(例如，4个透镜)，也能够实现广视角。

根据实现该目的的本发明的一方面，提供了一种用于摄像机的光学系统，包括：第一透镜，具有负折光力，并具有朝向物侧凸出的弯月形；第二透镜，具有负折光力，并具有朝向物侧的凸面；第三透镜，具有正折光力，并具有朝向物侧的凸面；以及第四透镜，具有正折光力，并具有朝向像侧的凸面，其中，该光学系统满足以下不等式：0.3＜v3/v2＜0.8，且0.06＜f1/TL＜0.2，其中，v2表示第二透镜的阿贝数，v2表示第三透镜的阿贝数，f1表示透镜系统的总焦距，以及TL表示从第一透镜的物侧的顶点到像平面的距离。

在这种情况下，第二透镜具有朝向像侧凹入的弯月形状。

优选地，第一透镜和第二透镜中的任意一个具有一个非球面，且第四透镜具有的两个表面之一包括至少一个非球面。

优选地，第二透镜和第四透镜形成为具有一个非球面的塑料透镜。

此外，用于阻挡穿过光学系统的光中的不需要的光线的孔径光阑设置在第三透镜与第四透镜之间。

该光学系统还包括涂覆有阻挡从外部引入的光中的过量红外线的红外线滤光材料的盖玻片形成的滤光片，其中，该滤光片插入在第四透镜与像平面之间。

同时，光轴方向的尺寸和第二透镜的曲率半径满足以下不等式：0.1＜R4/R3＜0.4，-2.1＜fp/fm＜-0.70，以及1.5＜f1/f2＜3.8，其中，R3表示第二透镜像侧的曲率半径，R4表示第二透镜物侧的曲率半径，fp表示具有非球面且具有正折光力的透镜的焦距，fm表示具有非球面且具有负折光力的透镜的焦距，f1表示第一透镜的焦距，以及f2表示第二透镜的焦距。

附图说明

通过以下结合附图的实施方式的描述，本发明的总体发明构思的这些和/或其他方面以及优点将变得显而易见且更易于理解，其中：

图1是示出根据本发明第一实施方式的用于摄像机的光学系统中的透镜布置的示图；

图2A至图2C是分别示出图1和表1所示的光学系统的球面像差和畸变像差的曲线图；

图3是示出根据本发明第二实施方式的用于摄像机的光学系统中的透镜布置的示图；

图4A至图4C是分别示出图3和表3所示的光学系统的球面像差和畸变像差的曲线图；

图5是示出根据本发明第三实施方式的用于摄像机的光学系统中的透镜布置的示图；以及

图6A至图6C是分别示出图5和表5所示的光学系统的球面像差和畸变像差的曲线图。

具体实施方式

将参照附图详细描述根据本发明的用于摄像机的光学系统的实施方式。当参照附图描述这些实施方式时，以相同的参考标号表示相同或相应的元件，并省略其重复描述。

为了清楚起见，在各实施方式的附图中可能放大透镜的尺寸、厚度和形状。具体地，透镜中的非球面/球面的形状仅示为一个实例，并且本发明并不局限于这些形状。

图1是示出根据本发明第一实施方式的用于摄像机的光学系统中的透镜的布置的示图。如图1所示，根据本发明第一实施方式的用于摄像机的光学系统可以包括从物侧按顺序依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4。第一透镜L1具有朝向物侧凸出的弯月形且具有负折光力，第二透镜L2具有负折光力且朝向物侧凸出。第三透镜L3具有正折光力且朝向物侧凸出，第四透镜L4具有正折光力且朝向像侧凸出。本文中，孔径光阑AS可以插入在第三透镜L3与第四透镜L4之间。

此外，在第四透镜L4和像平面11之间，可以设置用于阻挡穿过光学系统的光中的过量红外线的红外线滤光片，或用涂覆有红外线滤光材料的盖玻片形成的滤光片OF。

根据本发明中的用于摄像机的光学系统，AS放置在第三透镜L3的后面，即，位于第三透镜L3与第四透镜L4之间，从而通过四个透镜易于获得光量并实现广视角。

第二透镜L2可以具有弯月形，该弯月形包括朝向物侧凸出的一个表面和朝向像侧凹入的另一个表面。可选地，第二透镜L2可以具有双凹面的形状，该双凹面的形状具有朝向像侧和物侧凹入的两个表面。

优选地，第二透镜L2和第四透镜L4中的每个都可以是包括一个为非球面的表面的塑料透镜。第二透镜L2和第四透镜L4可以包括至少一个非球面。

光学系统中的至少一个透镜使用非球面透镜的原因是用以使透镜的数量最少，从而实现广视角。

在这种情况下，优选的是，通过使用易于实现广视角的球面玻璃透镜来构造该光学系统，这是因为主要装配在CCTV和车辆摄像机上的光学系统将会运行在外部暴露频繁且温度较高或较低的环境下。然而，如果使用具有球面的透镜，则该光学系统应设置有至少四个具有球面的玻璃透镜，所以难以实现小型化且廉价的光学系统。

因此，对本发明的描述将围绕将光学系统中的一个或多个透镜(优选地为两个透镜)形成为具有非球面的塑料透镜，从而仅通过尽可能少数量的透镜就可实现广视角的技术。

同时，本发明的光学系统包括每个均被形成为具有非球面的塑料透镜的第二透镜L2和第四透镜L4。可选地，本发明的光学系统包括每个均具有至少一个非球面的第二透镜L2和第四透镜L4。

在这种情况下，第一透镜L1在第二透镜L2前面的一侧可以具有非球面。

在这种情况下，应用于本发明的光学系统的具有非球面的第二透镜L2和第四透镜L4(即，塑料透镜)主要使用在监控摄像机或用于汽车的前/后感测摄像机中。为此，它们易受到外部温度的影响，从而会收缩或膨胀。因此，设计本发明的光学系统应考虑到其中使用的塑料透镜的收缩和膨胀情况。因此，优选地，具有非球面的塑料透镜被交替地设置，其中，这些塑料透镜具有彼此不同的折光力(即，彼此相反的折光力)、彼此相似的收缩性和膨胀性变化。

此外，本发明的光学系统包括对应于具有低折射率n和高阿贝数的透镜的第二透镜，以及对应于具有高折射率n和低阿贝数的透镜的第三透镜，这使得可以补偿光学系统的总色差。

将给出在具有上述结构的光学系统中应用不等式(1)至(6)的情况的详细描述。

0.3＜v3/v2＜0.8.......................................(1)

在不等式(1)中，v2表示第二透镜的阿贝数，v3表示第三透镜的阿贝数。

不等式(1)涉及光学系统中的色差的条件。当光学系统大于上限或小于下限时，各波长的焦点调整位置彼此不同，从而所拍摄的图像的颜色变得分散。

0.06＜f1/TL＜0.2.......................................(2)

在不等式(2)中，f1表示整个透镜系统的焦距，TL表示从第一透镜的物侧的顶点到像平面的距离。

限定整个光学系统的光轴方向的尺寸的不等式(2)涉及通过整个光学系统的焦距与尺寸的比来将光学系统最小化(即，小型光学系统)的条件。

即，当光学系统小于不等式(2)中限定的下限时，光学系统的长度变长，从而不可能实现小型的光学系统。当光学系统大于上限时，可以实现小型的光学系统，但是不能构建能够实现广视角的光学系统。因此，难以满足本发明中所要求的光学特性。

0.1＜R4/R3＜0.4.......................................(3)

在不等式(3)中，R3表示第二透镜的像侧的曲率半径，R4表示第二透镜的物侧的曲率半径。

不等式(3)涉及广视角的角分辨率(corner resolution)的条件。当光学系统大于上限或小于下限时，如同不等式(2)中那样，光学系统的长度变长，从而难以保证广视角的分辨率性能。

-2.1＜fp/fm＜-0.70.........................................(4)

在不等式(4)中，fp表示具有非球面和正折光力的透镜的焦距，fm表示具有非球面和负折光力的透镜的焦距。

不等式(4)涉及交替地设置在本发明的光学系统中的具有非球面的塑料透镜之间的折光力的平衡的条件。当光学系统大于上限或小于下限时，具有正折光力的透镜和具有负折光力的透镜相对于它们之间的折光力是不平衡的。因此，在外部温度变化时会过度地增加移动量，从而固定焦点处的分辨率性能降低。

1.5＜f1/f2＜3.8...................................................(5)

在不等式(5)中，f1表示第一透镜的焦距，f2表示第二透镜的焦距。不等式(5)涉及设置在本发明的光学系统的物侧的第一透镜和第二透镜的焦距之间的光焦度比(power ratio)的条件。当光学系统小于下限时，第一透镜的折光力增加，但第一透镜的曲率减小，从而难以制造光学系统。当光学系统大于上限时，第二透镜的折光力增加，但是第二透镜太小而不能制造其曲率，因此难以构造光学系统。

下文中，将通过具有数值的示例性实施方式给出本发明的光学系统的详细描述。

将使用与上述相同的构造来描述下面第一到第三实施方式中的光学系统，该构造包括从物按顺序依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4。第一透镜具有朝向物侧凸出的弯月形和负折光力，第二透镜L2具有负折光力且朝向物侧凸出。第三透镜L3具有正折光力且朝向物侧凸出，第四透镜L4具有正折光力且朝向像侧凸出。本文中，孔径光阑AS可以插入在第三透镜L3与第四透镜L4之间。

第二透镜L2可以具有弯月形，该弯月形包括朝向物侧凸出的一个表面和朝向像侧凹入的另一个表面。可选地，第二透镜L2可以具有双凹面的形状，该双凹面的形状具有朝向物侧和像侧凹入的两个表面。

此外，优选地，具有一个非球面的塑料透镜用作第二透镜L2和第四透镜L4。此外，第二透镜L2和第四透镜L4的任一表面可以是非球面。

同时，以下每个实施方式中所使用的非球面通过等式(1)来获得。表2至表6示出了二次曲面常数K和非球面系数A、B、C、D、E和F，其中“E及其之后的阿拉伯数字”表示10的幂。例如，E+02表示10²，而E-02表示10^-2。

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

在等式(1)中，Z表示在光轴方向上距透镜顶点的距离，Y表示在垂直于光轴的方向上的距离。c表示透镜顶点处的曲率半径r的倒数，K表示二次曲面常数。A、B、C、D、E和F均表示非球面系数。

第一实施方式

下面的表1示出了本发明第一实施方式中的数值。此外，图1是示出根据本发明第一实施方式的用于摄像机的光学系统中的透镜布置的示图。图2A至图2C是分别示出图1和表1所示的光学系统的球面像差和畸变像差的曲线图。

将使用以下假设来描述第一实施方式：视角为170°、从第一透镜L1的物侧的表面1到像平面的距离TL为11.34mm、以及该光学系统的总有效焦距f为1.45mm。此外，具有非球面的塑料透镜用作第二透镜L2和第四透镜L4。此外，第一实施方式中所采用的透镜的焦距f1到f4分别为-6.024、-3.099、3.225和3.022。

表1

表面编号	曲率半径(R)	厚度或距离(t)	折射率(n)	阿贝数(v)	备注
						1	13.637	0.60	1.61	63.4	第一透镜
2	2.884	1.67
						*3	3.291	0.60	1.53	55.7	第二透镜
*4	1.035	1.39
						5	3.634	1.50	1.84	23.8	第三透镜
6	-9.257	0.60
						*7	5.103	1.36	1.53	55.7	第四透镜
*8	-2.156	0.40

9	无穷大	0.40	1.51	64.2	滤光片
						10	无穷大	1.50

在表1中，表面编号前面添加的标记(*)表示非球面。在第一实施方式的情况下，第二透镜L2和第四透镜L4的两个表面都具有非球面。此外，通过等式(1)获得的表面编号的非球面系数值被示为如下的表2。

表2

表面编号	K	A	B	C	D
						3	-4.5709E+00	-0.0104E+00	0.0005E+00	3.2800E-06	-1.0100E-06
4	-1.0119E+00	1.3480E-03	-4.6040E-03	1.1250E-03	-9.3280E-05
						7	0.5715E+00	-1.1260E-02	2.0680E-03	-8.3380E-04	-5.6650E-06
8	0	2.6940E-02	2.5550E-03	-2.5830E-04	3.3260E-05

第二实施方式

下面的表3示出了本发明第二实施方式中的数值。此外，图3是示出根据本发明第二实施方式的用于摄像机的光学系统中的透镜布置的示图。图4A至图4C是分别示出图3和表3所示的光学系统的球面像差和畸变像差的曲线图。

将使用以下假设来描述第二实施方式：视角为170°、从第一透镜L1的物侧的表面1到像平面的距离TL为10.67mm、以及该光学系统的总有效焦距f为1.45mm。此外，具有非球面的塑料透镜用作第二透镜L2和第四透镜L4。此外，第二实施方式中所采用的透镜的焦距f1到f4分别为-6.024、-3.099、3.225和3.022。

表3

表面编号	曲率半径(R)	厚度或距离(t)	折射率(n)	阿贝数(v)	备注
						1	14.998	0.50	1.61	634	第一透镜
2	3.906	1.41
						*3	3.795	0.60	1.53	55.7	第二透镜
*4	1.035	1.44
						5	3.803	1.14	1.84	23.8	第三透镜

6	-11.618	0.79
			*7	6.109	1.37	1.53	55.7	第四透镜
*8	-1.933	0.40
			9	无穷大	0.40	1.51	64.2	滤光片
10	无穷大	1.50

在表3中，表面编号前面添加的标记(*)表示非球面。在第二实施方式的情况下，第二透镜L2和第四透镜L4的两个表面都具有非球面。此外，在本发明的第二实施方式中，通过等式(1)获得的表面编号的非球面系数值被示为如下的表4。

表4

表面编号	K	A	B	C	D
						3	-5.0845E+00	-0.0076E+00	0.3032E-03	7.4100E-06	-1.0100E-06
4	-0.9499E+00	8.6470E-03	-1.5180E-03	-2.9220E-04	1.1680E-04
						7	-6.5165E+00	-1.7990E-02	1.0470E-03	-6.6780E-03	-6.1360E-04
8	0	2.6770E-02	7.4060E-04	4.5340E-04	-2.7030E-04

第三实施方式

下面的表5示出了本发明第三实施方式中的数值。此外，图5是示出根据本发明第三实施方式的用于摄像机的光学系统中的透镜布置的示图。图6A至图6C是分别示出图5和表5所示的光学系统的球面像差和畸变像差的曲线图。

将使用以下的假设来描述第三实施方式：视角为170°、从第一透镜L1的物侧的表面1到像平面的距离TL为10.76mm、以及该光学系统的总有效焦距为1.48mm。此外，具有非球面的塑料透镜用作第二透镜L2和第四透镜L4。

表5

表面编号	曲率半径(R)	厚度或距离(t)	折射率(n)	阿贝数(v)	备注
						1	15.054	0.50	1.65	53.8	第一透镜
2	3.991	1.41
						*3	3.801	0.60	1.53	55.7	第二透镜

*4	1.036	1.35
			5	3.911	1.14	1.84	23.8	第三透镜
6	-11.452	0.84
			*7	5.884	1.42	1.53	55.7	第四透镜
*8	-1.956	0.40
			9	无穷大	0.40	1.51	64.2	滤光片
10	无穷大	1.60

在表5中，表面编号前面添加的标记(*)表示非球面。在第三实施方式的情况下，第二透镜L2和第四透镜L4的两个表面都具有非球面。此外，在本发明的第三实施方式中，通过等式(1)获得的表面编号的非球面系数值被示为如下的表6。

表6

表面编号	K	A	B	C	D
						3	-4.9719E+00	-0.7676E-02	0.3003E-03	7.7800E-06	-6.3800E-07
4	-0.9483E+00	8.3500E-03	-1.5150E-03	-3.3750E-04	1.2050E-04
						7	-5.7448E+00	-1.7610E-02	1.2200E-03	-1.3790E-03	-6.2410E-04
8	0	2.6340E-02	4.3040E-04	5.4200E-04	-2.5170E-04

同时，在本发明的第一至第三实施方式中通过不等式(1)和(2)得到的值被示为如下的表7。

表7

	第一实施方式	第二实施方式	第三实施方式
				不等式1(v3/v2)	0.42	0.42	042
不等式2(f1/TL)	0.12	0.13	0.13

从表7可明显看出，第一至第三实施方式满足不等式(1)和(2)。

根据本发明，可以交替地设置用于摄像机的光学系统，在该光学系统中，四个透镜中的一些被形成为具有不同折光力的塑料透镜，从而仅通过最少数量的透镜就可实现广视角。因此，可以构建小型且廉价的光学系统。

此外，在本发明中，具有正/负折光力的塑料透镜被交替地设置，从而互补偿了由暴露在高的外部温度时引起的塑料透镜的收缩和膨胀情形。因此，当实现广视角时，可以提供高分辨率的图像，而不降低光学性能。

如上所述，尽管已经示出并描述了本发明的优选实施方式，但本领域技术人员应当理解，在不背离总发明构思的原理和精神的前提下，可以对这些实施方式进行替代、修改和改变，总发明构思的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种用于摄像机的光学系统，包括：

第一透镜，具有负折光力，并具有朝向物侧凸出的弯月形；

第二透镜，具有负折光力，并具有朝向物侧的凸面；第三透镜，具有正折光力，并具有朝向物侧的凸面；以及

第四透镜，具有正折光力，并具有朝向像侧的凸面，

其中，所述光学系统满足下列不等式：

0.3＜v3/v2＜0.8，

0.06＜f1/TL＜0.2，

其中，v2表示所述第二透镜的阿贝数，v3表示所述第三透镜的阿贝数，f1表示透镜系统的总焦距，以及TL表示从所述第一透镜的物侧的顶点到像平面的距离。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第二透镜具有朝向所述像侧凹入的弯月形。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第二透镜具有双凹面的形状。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一透镜和所述第二透镜中的任意一个对应于具有非球面的塑料透镜。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其中，所述第二透镜具有的两个表面之一包括非球面。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第四透镜具有的两个表面之一包括至少一个非球面。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，用于阻挡穿过所述光学系统的光中的不需要光线的孔径光阑设置在所述第三透镜与所述第四透镜之间。

8.根据权利要求1所述的光学系统，进一步包括用涂覆有阻挡从外部引入的光中的过量红外线的红外线滤光材料的盖玻片形成的滤光片，其中，所述滤光片插入在所述第四透镜与所述像平面之间。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，光轴方向的尺寸满足下列不等式：

0.1＜R4/R3＜0.4，

其中，R3表示所述第二透镜的像侧的曲率半径，R4表示所述第二透镜的物侧的曲率半径。

10.根据权利要求1所述的光学系统，其中，光轴方向的尺寸满足下列不等式：

-2.1＜fp/fm＜-0.70，

其中，fp表示具有非球面且具有正折光力的透镜的焦距，fm表示具有非球面且具有负折光力的透镜的焦距。

11.根据权利要求1所述的光学系统，其中，光轴方向的尺寸满足下列不等式：

1.5＜f1/f2＜3.8，

其中，f1表示所述第一透镜的焦距，f2表示所述第二透镜的焦距。