CN100389337C - 广角镜系统 - Google Patents

Abstract

一种广角镜系统包括：从物体一侧起，(1)由玻璃构成的第一透镜元件，其两个表面都被形成为对物体一侧是凸面的弯月形的球面，并具有负的光放大率；(2)由塑料构成的第二透镜元件，具有对图像一侧是凸面的弯月形和正的光放大率；(3)孔径光阑；以及(4)由塑料构成的第三透镜元件，具有对图像一侧是凸面的弯月形，并具有正的光放大率，而该广角镜系统总共包括三个透镜元件。这样就可提供一种具有良好光学性能、低成本的小型超广角镜系统。

Description

广角镜系统

技术领域

本发明涉及一种小型广角镜系统，具体地说，涉及一种用于固态图像传感器的低成本、小型超广角镜系统，该超广角镜系统适用于诸如电视电话、视频对讲电话、监控相机、车载相机等数字图像摄像设备，该广角镜系统具有良好的光学性能，具有约为170度的总视角。

背景技术

人们已普遍地知道用于固态图像传感器的广角镜系统。例如，第H6-34879号日本专利申请公示和第2001-337268号日本专利申请公示公开了三透镜结构的广角镜系统。但是，这些广角镜系统具有120度的总视角，这样的视角不能胜任相摄超广角的范围。

另一方面，第2004-102162号日本专利申请公告公开了一种超广角镜系统，它对拍摄区能提供约为170度的总视角。但是，这种超广角镜系统是由多达总共为八个透镜元件组成，具有复杂的结构和很长的总透镜长度。

发明内容

有鉴于上述的问题，本发明的目的是提供一种具有优良光学性能的低成本、小型超广角镜系统。

为达到上述目的，根据本发明一个方面的广角镜系统基本上包括：从物体一侧起，(1)由玻璃构成的第一透镜元件，其两个表面同样形成为对物体一侧是凸面的弯月形的球面，并具有负的光放大率；(2)第二透镜元件，它具有对图像一侧是凸面的弯月形，并具有正的光放大率；(3)孔径光阑；以及(4)第三透镜元件，它具有对图像一侧是凸面的弯月形，并具有正的光放大率。

为达到上述目的，根据本发明另一方面的广角镜系统基本上包括：从物体一侧起，(1)由玻璃构成的第一透镜元件，其两个表面同样被形成为对物体一侧是凸面的弯月形的球面，并具有负的光放大率；(2)由塑料构成的第二透镜元件，它具有至少一个非球面的表面，并具有正的光放大率；(3)孔径光阑；以及(4)由塑料构成的第三透镜元件，它具有至少一个非球面的表面，并具有正的光放大率。

在根据本发明的上述广角镜系统中，较佳的是要满足下面的条件公式(1)：

2W＞150°    (1)

此处，

2W表示总视角。

在根据本发明的上述广角镜系统中，较佳的是要满足下面的条件公式(2)：

1＜T3/F＜3.5    (2)

此处，

T3表示第二透镜元件的轴向厚度，以及

F表示整个系统的焦距。

在根据本发明的上述广角镜系统中，较佳的是要满足下面的条件公式(3)

-0.5＜F/F1＜-0.1    (3)

此处，

F表示整个系统的焦距，以及

F1表示第一透镜元件的焦距。

根据本发明可提供一种具有优良光学性能的低成本、小型广角镜系统。

附图简述

从下面有关本发明较佳实施例的描述，并参考在下面示出的较佳实施例的附图，将进一步理解本发明的上述和其它的目的和特征。

图1是根据本发明第一实施例(示例1)的广角镜系统的透镜结构图；

图2是根据本发明第二实施例(示例2)的广角镜系统的透镜结构图；

图3A是在示例1中透镜系统的球面像差图；

图3B是在示例1中透镜系统的像散图；

图3C是在示例1中透镜系统的畸变图；

图4A是在示例2中透镜系统的球面像差图；

图4B是在示例2中透镜系统的像散图；

图4C是在示例2中透镜系统的畸变图。

具体实施方式

参照附图将给出根据本发明广角镜系统的实施例的描述。在本文件中，术语“放大率”表示由焦距倒数所限定的一个量。

图1和图2，以光学横截面分别示出第一和第二实施例超广角镜系统的结构。这些超广角镜系统每个都是固定焦距的透镜元件，它把光学图像形成于固态的图像传感器，例如CCD上。这些超广角镜系统各包括：第一透镜元件FL1，它具有负的光放大率，第二透镜元件FL2，它具有正的光放大率，孔径光阑ST，和第三透镜元件FL3，它具有正的光放大率，它们按所提的顺序从物体一侧起设置，因此包含其中的透镜元件的数目为3个。在第三透镜元件FL3的图像一侧，设置着以平行的平面板形式、对应于光低通滤光器等的玻璃滤光器GF。

更准确地说，第一透镜元件FL1是具有对物体一侧是凸面的弯月形的玻璃透镜元件，并具有负的光放大率。第一透镜元件FL1的两表面都被形成为球面。把位于物体一侧最近旁的透镜元件的表面形成为凸面形，可校正发生在具有负的光放大率的透镜元件上的畸变。另外，在物体一侧最近旁用玻璃透镜元件构成第一透镜元件FL1，可减少由诸如温度变化的环境变化造成的性能变坏。而且，用球面玻璃透镜元件构成第一透镜元件FL1，成本可比用非球面玻璃透镜元件构成它的成本更低。

第二透镜元件FL2和第三透镜元件FL3各是塑料透镜元件，它们具有对图像一侧是凸面的弯月形，并具有正的光放大率。第二透镜元件FL2和第三透镜元件FL3各有两个表面被形成为非球面。形成具有对图像一侧为凸面的弯月形并具有正的光放大率的第二透镜元件FL2和第三透镜元件FL3，可使发生于具有负的光放大率的第一透镜元件FL1上的各种像差得到良好的校正。另外，用具有至少一个非球面表面的塑料透镜元件构成第二透镜元件FL2和第三透镜元件FL3中的每一个，在所用透镜元件数量方面可显著地减少用球面玻璃透镜元件构成它们中的每一个所用透镜元件的数目。因此，就样就可获得较短的透镜总长度，且还可能以低成本提供广角镜系统。

接着，将给出各实施例的广角镜系统必须满足的条件公式的描述。注意，并不需要同时满足上述所有的公式；所以，根据光学结构，通过分别满足各个条件公式可获得相应的机制和效果。从光学性能、减小尺寸、组装等观点来看，很明显，满足多个条件公式是较好的。

(条件公式1)

2W＞150°    (1)

此处

2W表示总视角。

条件公式(1)限定了总视角的条件。如果条件公式(1)不满足，不能完成拍摄广阔的范围，因此不能用作超广角镜系统。

(条件公式2)

1＜T3/F＜3.5    (2)

此处

T3表示第二透镜元件的轴向厚度，以及

F表示整个系统的焦距。

条件公式(2)限定了用于平衡透镜系统的总长度和对第二透镜元件(FL2)作像差校正的条件。如果T3/F的值变得等于或低于公式(2)的下限，则在减少透镜系统的总长度上变得有利，但显著地导致更差的像差(尤其是场的曲率和畸变像)。相反，如果T3/F的值变得等于或高于条件公式(2)的上限，则在光学性方面变得有利，但导致透镜系统的总长度较长。更佳的是，满足下面的条件公式(2a)

1.5＜T3/F＜3    (2a)

(条件公式3)

-0.5＜F/F1＜-0.1    (3)

此处

F表示整个系统的焦距，以及

F1表示第一透镜元件FL1的焦距。

条件公式(3)限定了用于平衡透镜系统的总透镜长度和对第一透镜元件FL1作像差校正的条件。如果F/F1的值变得等于或低于条件公式(3)的下限，则在减少透镜系统的总长度方面变得有利，但显著地导致较差的畸变。相反，如果F/F1的值变得等于或高于公式(3)的上限，则在校正畸变方面变得有利，但导致透镜系统较长的总长度。更佳的是，满足下面的条件公式(3a)。

-0.3＜F/F1＜-0.2    (3a)

(示例)

在下面，将参考透镜的结构数据和其它数据来详细讨论具体实施本发明的摄像透镜的实际示例。在下面表示的示例1和示例2分别对应于第一和第二实施例。因此，分别表示第一和第二实施例的透镜结构图(图1和图2)示出对应于示例1和示例2的透镜结构。

在各示例的结构数据中，ri(i＝1，2，3，……)表示从物体一侧起计算的第i个表面的曲率半径(以mm为单位)；di(i＝1，2，3，……)表示从物体一侧起计算的第i个表面的轴向距离(以mm为单位)；以及∑d表示光学系统的总长度(以mm为单位)。Ni(i＝1，2，3，……)和vi(i＝1，2，3，……)分别表示从物体一侧起计算的第i个光学元件对d-线的折射率(Nd)和色散系数(vd)。整个系统的焦距(f，mm)和F数(FNO)同其它数据一起表示。表1示出相对于条件公式的诸值。

在各示例中，其曲率半径ri用星号(*)标出的表面是一个具有非球面形状的折射光学表面，并由下面表示该非球面表面的形状的公式(AS)所限定。各示例的非球面表面数据和其它数据一起表示。

$X\left(H\right)=(C\·H^2)/[1+\sqrt{(1-\mathrm{\ϵ}\·C^2\·H^2)}]+\mathrm{\Σ}(\mathrm{Ai}\·H^i)$

此处

X(H)表示在高度为H(相对于顶点)时，在光轴AX方向上的位移；

H表示在垂直于光轴AX方向上的高度；

C表示近轴曲率(＝1/曲率半径)；

ε表示二次曲面参数；

Hⁱ表示H的i次方；以及

Ai表示第i阶非球面表面系数。

图3A到图3C是示例1的像差图。图4A到图4C是示例2的像差图。图3A和图4A示出球面像差图。图3B和图4B示出像散图。图3C和图4C示出畸变像差图。

在球面像差图中，实线d表示对d-线的球面像差(以mm为单位)，链状单划线g表示对g-线的球面像差(以mm为单位)，链状双划线的线c表示对c-线的球面像差(以mm为单位)，虚线SC表示与待完成正弦条件的偏离(以mm为单位)。垂直轴在球面像差图中表示F数(FN0)，而在像散和畸变图中则表示最大图像高度Y′(以mm为单位)。在像散图中，虚线DM表示对在子午面上d-线的像散(以mm为单位)，而实线DS则表示对在弧矢面上d-线的像散(以mm为单位)。在畸变图中，实线表示对d-线的畸变(以％计算)。

<示例1>

f＝2.097

FNO＝2.8

[曲率半径]    [轴向距离]   [折射率]       [色散系数]

r1＝66.638

              d1＝1.053    N1＝1.58913    v1＝61.25(FL1)

r2＝4.898

              d2＝3.592

r3^*＝-6.435

              d3＝4.212    N2＝1.52510    v2＝56.38(FL2)

r4^*＝-3.405

              d4＝1.169

r5＝∞(ST)

              d5＝1.091

r6^*＝-21.168

              d6＝1.976    N3＝1.52510    v3＝56.38(FL3)

r7^*＝-2.124

              d7＝1.000

r8＝∞

              d8＝0.500    N4＝1.51680    v4＝64.20(GF)

r9＝∞

              ∑d＝14.593

[第3表面(r3)的非球面表面的数据]

ε＝1.0

A4＝0.15045×10^-2

A6＝0.16607×10^-3

A8＝-0.40815×10^-4

A10＝0.21958×10^-5

[第4表面(r4)的非球面表面的数据]

ε＝1.0

A4＝0.13444×10^-1

A6＝-0.16674×10^-2

A8＝0.18304×10^-3

A10＝0.45788×10^-6

[第6表面(r6)的非球面表面的数据]

ε＝1.0

A4＝-0.10863×10^-1

A6＝-0.16249×10^-2

A8＝0.88957×10^-2

A10＝-0.20908×10^-2

[第7表面(r7)的非球面表面的数据]

ε＝1.0

A4＝0.12301×10^-1

A6＝0.24208×10^-2

A8＝-0.96666×10^-3

A10＝0.53821×10^-3

<示例2>

f＝1.875

FNO＝2.8

[曲率半径]   [轴向距离]   [折射率]      [色散系数]

r1＝30.486

             d1＝1.327    N1＝1.72916    v1＝54.67(FL1)

r2＝4.779

             d2＝3.677

r3^*＝-6.646

             d3＝4.633    N2＝1.52510    v2＝56.38(FL2)

r4^*＝3.158

             d4＝0.810

r5＝∞(ST)

             d5＝1.195

r6^*＝-11.029

             d6＝1.978    N3＝1.52510    v3＝56.38(FL3)

r7^*＝-1.971

             d7＝1.000

r8＝∞

             d8＝0.400    N4＝1.51680    v4＝64.20(GF)

r9＝∞

             ∑d＝15.019

[第3表面(r3)的非球面表面的数据]

ε＝1.0

A4＝0.54002×10^-2

A6＝-0.85537×10^-3

A8＝0.72417×10^-4

A10＝-0.27045×10^-5

[第4表面(r4)的非球面表面的数据]

ε＝1.0

A4＝0.20553×10^-1

A6＝-0.57032×10^-2

AS＝0.13338×10^-2

A10＝-0.71240×10^-4

[第6表面(r6)的非球面表面的数据]

ε＝1.0

A4＝-0.39253×10^-2

A6＝-0.57908×10^-2

A8＝0.13485×10^-1

A10＝-0.36536×10^-2

[第7表面(r7)的非球面表面的数据]

ε＝1.0

A4＝0.15550×10^-1

A6＝0.64826×10^-2

A8＝-0.23296×10^-2

A10＝0.90055×10^-3

下面示出对应于由各示例的条件公式所限定的参数值。

[表1]

在各示例中，所有在光学上有作用的表面都用折射的光学表面构成，但也可用除了折射的光学表面以外的那些表面来构成，例如反射的表面或衍射的表面。

如上所述，本发明可获得一种具有良好的光学性能和广阔的总视角的低成本的小型超广角透镜系统，作为用于三透镜结构构成的固态图像传感器的摄像透镜系统。因此，把这种超广角透镜系统应用到诸如电视电话、门电话、监控相机、车内照机等数字摄像装置的摄像透镜系统，可对这种数字摄像装置的角度展宽、功能增强、成本节省和尺寸减小作出贡献。

从上面的描述可明显地看到，可对本发明作出许多修改和变化。所以，应该知道，本发明可用除了上面描述之外的任何其它方式来实施。

Claims (8)

1.一种广角镜系统，其特征在于：所述广角镜系统基本上包括：从物体一侧起，

由玻璃构成的第一透镜元件，其两个表面都形成为对物体一侧而言是凸面的弯月形的球面，并具有负的光放大率；

第二透镜元件，它具有对图像一侧而言是凸面的弯月形，并具有正的光放大率；

孔径光阑；以及

第三透镜元件，它具有对图像一侧而言是凸面的弯月形，并具有正的光放大率，

其中所述广角镜系统所包含的透镜元件的数量为三个。

2.如权利要求1所述的广角镜系统，其特征在于，满足下面的条件公式(1)：

2W＞150°            (1)

此处，

2W表示总视角。

3.如权利要求1所述的广角镜系统，其特征在于，满足下面的条件公式(2)：

1＜T3/F＜3.5         (2)

此处，

T3表示所述第二透镜元件的轴向厚度，以及

F表示所述整个系统的焦距。

4.如权利要求1所述的广角镜系统，其特征在于，满足下面的条件公式(3)

-0.5＜F/F1＜-0.1      (3)

此处，

F表示所述整个系统的焦距，以及

F1表示所述第一透镜元件的焦距。

5.一种广角镜系统，其特征在于：所述广角镜系统基本上包括：从物体一侧起，

由玻璃构成的第一透镜元件，其两个表面都被形成为对物体一侧是凸面的弯月形的球面，并具有负的光放大率；

由塑料构成的第二透镜元件，它具有至少一个非球面的表面，并具有正的光放大率；

孔径光阑；以及

由塑料构成的第三透镜元件，它具有至少一个非球面的表面，并具有正的光放大率，

其中所述广角镜系统所包含的透镜元件的数量为三个。

6.如权利要求5所述的广角镜系统，其特征在于，满足下面的条件公式(1)：

2W＞150°             (1)

此处，

2W表示总视角。

7.如权利要求5所述的广角镜系统，其特征在于，满足下面的条件公式(2)：

1＜T3/F＜3.5           (2)

此处，

T3表示所述第二透镜元件的轴向厚度，以及

F表示所述整个系统的焦距。

8.如权利要求5所述的广角镜系统，其特征在于，满足下面的条件公式(3)

-0.5＜F/F1＜-0.1       (3)

此处，

F表示所述整个系统的焦距，

F1表示所述第一透镜元件的焦距。

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