CN100437188C - 单焦点透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种少透镜枚数、且高性能、高紧凑性的单焦点透镜，其从物体侧顺次配置：第一透镜(G1)，其使物体侧的面为凸面形状，其具有正的光学能力；第二透镜(G2)，其是在近轴上使物体侧的面为凹面形状的负的凹凸透镜；第三透镜(G3)，其在近轴上使物体侧的面为凸面形状且为非球面透镜，并且该单焦点透镜以满足如下条件的方式构成。通过确保紧凑性并寻求各透镜玻璃材料的最佳化，能够实现3枚这样的少透镜枚数，且高性能、高紧凑性的透镜。

Description

单焦点透镜
技术领域
本发明涉及一种单焦点透镜，其适合用于具有摄像功能的小型机器，例如附带摄像机的携带电话、PDA(Personal Digital Assistant)、以及数字静物摄像机等。
背景技术
在数字静物摄像机等摄像机器中，使用CCD(Charge Coupled Device：电荷耦合元件)和CMOS(互补金属氧化膜半导体)等摄像元件。这些摄像元件近年来正在向非常小型化方面进展。为此，摄像机主体以及搭载于其上的透镜也在寻求小型轻量化。另外，近年来为了实现高图像质量，正在开发像素多的摄像元件，与此相伴，在透镜系统中，要求更高分辨率且更高对比性能。
作为用于这种摄像机器的摄像透镜，存在着记载于以下专利文献1中的器件。在该专利文献1中，记载了从物体侧顺次由第一～第三透镜构成的三枚结构的摄像透镜。在该摄像透镜中，第一透镜的光学能力小、并且孔径光阑被配置于第二透镜和第三透镜之间。
〔专利文献〕特开平10-48516号公报
发明内容
如上所述，近年的摄像元件正在向小型化和高像素化进展，与此相伴，在摄像透镜中要求高分辨性能以及结构的密紧化。在上述专利文献1所记载的摄像透镜，以3枚结构的少枚数实现了某种程度的性能和密紧性，由此正期待着更密紧且高性能的透镜系统的开发。
本发明针对所涉及的问题点而提出，其目的为提供一种能够实现透镜枚数少、高性能、且紧凑的透镜系统的单焦点透镜。
本发明的单焦点透镜，其特征在于，
从物体侧顺次配置：第一透镜，其使物体侧的面为凸面形状，其具有正的光学能力；第二透镜，其是在近轴上使物体侧的面为凹面形状的负的凹凸透镜；第三透镜，其在近轴上使物体侧的面为凸面形状且为非球面透镜，并且该单焦点透镜以满足如下条件的方式构成：
1.5＞f1/f＞0.6……(1)
69＜υdA    ……(2)
55＜υdB＜59……(3)
1.55＞NdA    ……(4)
1.55＞NdB＞1.48……(5)
1.8＞L/D    ……(6)
0.30＜RA/f＜0.40……(7)
其中：f：整体的焦距，
      f1：第一透镜的焦距，
      υdA：第一透镜的阿贝数，
      υdB：第二透镜和第三透镜的阿贝数，
      NdA：第一透镜的d线中的折射率，
      NdB：第二透镜和第三透镜的d线中的折射率，
      RA：第一透镜的物体侧的面的近轴曲率半径，
      L：从第一透镜的物体侧的面到成像位置的光轴上的距离，
      D：最大像高。
本发明所涉及的单焦点透镜，还具备：在光轴上配置于比所述第一透镜的像侧的面更靠近物体侧的光阑。
在基于本发明的单焦点透镜中，通过满足条件式(1)、(6)、(7)而确保密紧性，并且通过满足条件式(2)、(3)、(4)、(5)而将各透镜的玻璃材料(硝材：しようざい；vitreous materials)设为适当的材料，由此能够实现具有3枚的较少枚数、紧凑且高性能的透镜系统。
按照本发明的单焦点透镜，从物体侧顺次配置：第一透镜，其使物体侧的面为凸面形状，其具有正的光学能力；第二透镜，其是在近轴上使物体侧的面为凹面形状的负的凹凸透镜；第三透镜，其在近轴上使物体侧的面为凸面形状且为非球面透镜，并且该单焦点透镜以满足如下条件的方式构成。由此，能够实现3枚的较少枚数、高性能且紧凑的透镜系统。
附图说明
图1是表示作为本发明的一个实施方式所涉及的单焦点透镜的第一结构例，且对应于实施例1的透镜的剖面图。
图2是表示作为本发明的一个实施方式所涉及的单焦点透镜的第二结构例，且对应于实施例2的透镜的剖面图。
图3是表示实施例1所涉及的单焦点透镜的基本透镜数据的图。
图4是表示关于实施例1所涉及的单焦点透镜的非球面的数据的图。
图5是表示实施例2所涉及单焦点透镜的基本的透镜数据的图。
图6是表示关于实施例2所涉及的单焦点透镜的非球面的数据的图。
图7是对于各实施例综合表示与条件式相关的值的图。
图8是表示实施例1所涉及的单焦点透镜的诸像差的像差图，(A)表示球面像差，(B)表示像散，(C)表示畸变(distortion)。
图9是表示实施例2所涉及的单焦点透镜的诸像差的像差图，(A)表示球面像差，(B)表示像散，(C)表示畸变(distortion)。
图中：GC…光学构件、G1…第一透镜、G2…第二透镜、G3…第三透镜、St…光阑、Ri…从物体侧起第i透镜面的曲率半径、Di…从物体起第i与第i+1透镜面的面间隔；Z1…光轴。
实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。
图1表示本发明的一个实施方式所涉及的单焦点透镜的第一结构例。该结构例与后述的第一数值实施例(图3、图4)的透镜结构相对应。另外，图2表示第二结构例。图2的结构例对应于后述的第二数值实施例(图5、图6)的透镜结构。另外，在图1、图2中，符号Ri，表示将最靠近物体侧的构成要素的面作为第一个面，并以面向像侧(成像侧)顺次增加而附加符号的第i号(i＝1～8)的面的曲率半径。符号Di表示第i号面和第i+1号面的光轴Z1上的面间隔。另外，由于各结构例共同基本的结构相同，因此，在以下中，以图1所示的单焦点透镜的结构为基本而说明。
该单焦点透镜适合适用载置于具有摄像功能的小型机器、例如PDA(个人数字助理)、视频摄像机以及数字静物摄像机等。该单焦点透镜，沿光轴Z1从物体侧顺次备有：第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3。在光轴Z1上比第一透镜G1的像侧的面更靠近物体侧处，配置孔径光阑St。优选为，也可以配置在光轴Z1上第一透镜G1的物体侧的面和像侧的面之间。
在该单焦点透镜的成像面(摄像面)上，配置未图示的CCD等摄像元件。在第三透镜G3和摄像面之间，根据安装透镜的摄像机侧的结构，可以配置各种光学构件GC。也可以配置例如摄像面保护用的保护玻璃和各种光学滤光器等平板状的光学构件GC。
优选为，第一透镜G1是由玻璃材料(硝材)构成的非球面透镜。优选为，第二透镜G2和第三透镜G3是由塑料材料构成的非球面透镜。第一透镜G1具有使物体侧的面为凸面形状的正光学能力。第二透镜G2为在近轴上使物体侧的面为凹面形状的负凹凸(meniscus)透镜。第三透镜G3为在近轴上使物体侧的面为凸面形状非球面透镜。
第三透镜G3的物体侧的面，优选为，随着向周边移行而正的光学能力变弱的形状。第三透镜G3的像侧的面，优选为如下形：即在近轴上在像侧是凹面形状且随着向周边移行负的光学能力变弱，进而在周边转为正的光学能力。
该单焦点透镜满足以下的条件式。其中，f是整体的焦距，f1是第一透镜G1的焦距，υdA是第一透镜的G1的阿贝数，υdB是第二透镜G2和第三透镜G3的阿贝数，NdA是第一透镜G1的d线中的折射率，NdB是第二透镜G2和第三透镜G3的d线中的折射率，RA是第一透镜G1的物体侧的面的近轴曲率半径，L是从第一透镜G1的物体侧的面到成像位置的光轴上的距离，D表示最大像高。另外，对于L，是将保护玻璃等光学构件GC的厚度换算为空气后的值。
1.5＞f1/f＞0.6……(1)
69＜υdA    ……(2)
55＜υdB＜59……(3)
1.55＞NdA    ……(4)
1.55＞NdB＞1.48……(5)
1.8＞L/D    ……(6)
0.30＜RA/f＜0.40……(7)
接下来，说明按照以上那样的方式构成的单焦点透镜的作用和效果。
在该单焦点透镜中，如以下所说明的那样，满足条件式(1)、(6)、(7)而确保密紧性，满足条件式(2)、(3)、(4)、(5)而使得各透镜的玻璃材料(硝材)的折射率和分散特性最合适化，能够实现三枚这样的少透镜枚数、并且密紧且高性能的透镜系统。
条件式(1)关于第一透镜G1的焦距，若超过该数值范围，则全长变得过长，若低于则光瞳(pupil)变得过短，因而并非优选。条件式(6)表示光轴Z1上的光学全长L和最大像高D的比，若超过该数值则不能够使透镜系统整体十分紧凑。条件式(7)是关于第一透镜G1的前面的曲率半径的条件式，若超过该数值范围，则难于将透镜全长缩短，若低于该数值范围，则球面像差、像面弯曲的校正变得困难，因此不优选。在该单焦点透镜中，通过将第一透镜G1的前表面的曲率半径减小而充分地增大光学能力，由此能够寻求全长的短缩化。
条件式(2)、(4)与第一透镜G1的玻璃材料(硝材)的特性相关，通过以满足这些条件的方式，对具有正光学能力的第一透镜G1使用阿贝数大而折射率小的玻璃材料(硝材)，能够良好地校正色像差和像面弯曲。条件式(3)、(5)，与第二透镜G2和第三透镜G3的玻璃材料(硝材)的特性相关，若位于这些数值范围内，则通过与第二透镜G2的组合，则能够得到色像差、像面弯曲等十分必要的性能。另外，作为第二透镜G2和第三透镜G3的玻璃材料(硝材：vitreousmaterials)，可以选择丙烯树脂、或环烯聚合物之类的价廉且容易得到的、光学性能稳定(低畸变)的材料。
另外，在该单焦点透镜中，将孔径光阑St配置于光轴Z1上比第一透镜G1的像侧面靠近物体侧，更优选为配置在光轴Z1上第一透镜G1的物体侧的面和像侧的面之间，能够将包含孔径光阑St的全长缩短。此外，在该单焦点透镜中，通过对各透镜适当地使用非球面，能够得到较大的像差校正效果。特别是，通过与第三透镜G3的非球面形状相关地将近轴形状和周边形状设计为适当的形状，而开始像面弯曲的校正，则能与像差校正相关地得到更大的效果。
如以上所说明的那样，按照本实施方式所涉及的单焦点透镜，由于设计为通过满足规定的条件式而进行各透镜的玻璃材料(硝材)的最适当化和功率分配的最适化等，因此能够实现3枚这样的少透镜枚数，且高性能、密紧的透镜系统。
【实施例】
接下来，说明本实施方式所涉及的单焦点透镜的具体的数值实施例。在以下中，综合两个数值实施例(实施例1、2)而说明。
图3、图4表示与图1所示的单焦点透镜的结构相对应的具体的透镜数据(实施例1)。特别是，在图3中表示该基本的透镜数据，在图4中，表示与非球面相关的数据。另外，图5、图6表示与图2所示的单焦点透镜的结构相对应的具体的透镜数据(实施例2)。特别是在图5中表示其基本的透镜数据，在图6中表示与非球面相关的数据。
在图3、图5所示的透镜数据中的面编号Si一栏中表示：对于各实施例所涉及的单焦点透镜，将最靠近物体侧的结构要素的面作为第一面，并以面向像侧而顺次增加的方式而附加符号的第i号(i＝1～8)的面的编号。在曲率半径Ri一栏，与图1、图2中所附加的符号Ri相对应地，示出了从物体起第i个面的曲率半径的值。对于面间隔Di一栏，同样表示从物体侧起第i面Si和第i+1面Si+1的光轴上的间隔。曲率半径Ri和面间隔Di的值的单位是毫米(mm)。在Nd j、υdj一栏，分别也包含光学部件GC，表示从物体侧起第j(j＝1～4)的光学元件的d线(波长587.6nm)的折射率和阿贝数的值。在图3、图5中，另外，作为诸数据，表示全系统的近轴焦距f(mm)、F编号(FNO.)、以及视角2ω(ω：半视角)的值。
另外，在实施例1所涉及的单焦点透镜中，孔径光阑St，在光轴Z1上位于从第一透镜G1的物体侧的面起向像面侧离开0.15mm的位置。在实施例2所涉及的单焦点透镜中，孔径光阑St位于光轴Z1上从第一透镜G1的物体侧的面起向物体侧离开0.1mm的位置。
图3、图5的各透镜数据中，附加于面编号的左侧的记号“*”，表示该面是非球面形状。各实施例所涉及的单焦点透镜均是，第一透镜G1、第二透镜G2和第三透镜G3的两面均为非球面形状。在图3、图5的基本透镜数据中，作为这些非球面的曲率半径，表示光轴近旁的曲率半径的数值。
在图4、图6中示出了实施例1、2所涉及的单焦点透镜中的非球面数据。在作为非球面数据而表示的数值中，记号“E”表示其下一个紧接着的数是以10为底的“幂指数”，并表示将该以10为底的指数函数所表示的数值乘算于“E”的前数值。例如，若是“1.0E-02”，则表示“1.0×10-2”。
作为非球面数据，表示由以下的式(A)所表示的非球面形状的式子中的各系数Ai、K的值。更详细地说，Z表示从离开光轴高度h的位置的非球面上的点，向非球面的顶点的切平面(垂直于光轴的平面)所画的垂线的长度(mm)。各实施例所涉及的单焦点透镜均有，各非球面作为非球面系数，通过有效地利用偶数次的系数A4、A6、A8、A10和奇数次的系数A3、A5、A7、A9而被表示。
Z＝C·h2/{1+(1-K·C2·h2)1/2}+A3·h3+A4·h4+A5·h5+A6·h6+A7·h7+A8·h8+A9·h9+A10·h10        …(A)
其中，Z：非球面的深度(mm)
      h：从光轴到透镜面的距离(高度)(mm)
      K：离心率
      C：近轴曲率＝1/R(R：近轴曲率半径)
      Ai：第i次的非球面系数
在图7中，表示对于各实施例将与上述各条件式相关的值汇总而表示的值。如图7所明了的那样，各实施例的值为各条件式的数值范围内。
图8(A)～图8(C)表示实施例1所涉及的单焦点透镜中的球面像差、像散、以及畸变(distortion)(歪曲像差)。在各像差图中，虽然示出了以d线为基本波长的像差，但是在球面像差图中，也示出了g线(波长435.8nm)、C线(波长656.3nm)的像差。在像散图中，实现表示弧矢方向，虚线表示切向方向的像差。ω表示半视角。同样，图9(A)～图9(C)表示对于实施例2所涉及的单焦点透镜的诸像差。
从以上的各数值和各像差图可以明白，对于各实施例，实现了透镜枚数少、像差校正良好、紧凑的透镜系统。
另外，本发明不限于上述的实施方式和各实施例，可以做各种的变形实施。例如各透镜成分的曲率半径、面间隔、以及折射率的值等，不限于上述各数值实施例所表示的值，可以采用其他值。

Claims (2)

1、一种单焦点透镜，其特征在于，
从物体侧顺次配置：第一透镜，其使物体侧的面为凸面形状，并具有正的光学能力；第二透镜，其是在近轴上使物体侧的面为凹面形状的负的凹凸透镜；第三透镜，其在近轴上使物体侧的面为凸面形状且为非球面透镜，并且该单焦点透镜以满足如下条件的方式而构成：
1.5＞f1/f＞0.6……(1)
69＜υdA      ……(2)
55＜υdB＜59 ……(3)
1.55＞NdA    ……(4)
1.55＞NdB＞1.48……(5)
1.8＞L/D    ……(6)
0.30＜RA/f＜0.40……(7)
其中：f：整体的焦距，
f1：第一透镜的焦距，
υdA：第一透镜的阿贝数，
υdB：第二透镜和第三透镜的阿贝数，
NdA：第一透镜的d线中的折射率，
NdB：第二透镜和第三透镜的d线中的折射率，
RA：第一透镜的物体侧的面的近轴曲率半径，
L：从第一透镜的物体侧的面到成像位置的光轴上的距离，
D：最大像高。
2、根据权利要求1所述的单焦点透镜，其特征在于，
还具备：在光轴上配置于比所述第一透镜的像侧的面更靠近物体侧的光阑。
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