CN100510934C - 光学设备 - Google Patents

Abstract

该发明防止了由于在光学元件的边缘部分的脊线附近产生的不期望反射光和不期望传输光所导致的图像质量降低，光学元件包括光圈片或ND滤光片。光圈片的光圈边缘与另一个光圈片的光圈边缘配合以形成几乎菱形的光圈。沿光圈边缘的两个前后脊线以及沿ND滤光片的那些脊线，形成小的锯齿和非周期的不平部分，不平部分具有不同尺寸。当入射光束射到光圈片的光圈边缘或ND滤光片的边缘时，在脊线处形成的不平部分在各个方向上反射它们。

Description

光学设备

技术领域

本发明涉及一种光学设备，它被安装在诸如摄影机或照相机的光学系统的照相光学系统中，以专门防止拍摄图像中的重影或光斑。

背景技术

诸如摄影机或照相机的照相光学系统使用了光圈设备，它通过使用多个光圈片来改变光圈尺寸以调节光量。如果光圈尺寸过小，则光的衍射会造成图像质量降低的问题。考虑到这一点，为了即使在拍摄高亮度目标时也能防止光圈尺寸变得过小，已提出了一种一起采用ND(Neutral Density，中性)滤光片和光圈片的光圈设备。

形成光圈的光圈片l的光圈边la在切割后可能根本未接受任何加工或处理，如图16部分放大的视图中所示。在这种情况下，当光射到光圈边缘l???a时，反射的光束不在随机方向上散射。它们在相对于光圈边缘l???a的表面的某一方向上在图像形成表面上相互加强。如果在多个拍摄镜头间的空间中发生该不期望的反射，则在图像中会出现光斑或重影并且会发生图像质量降低。

考虑到这一点，向镜头筒的内侧或光圈片的表面施加黑涂层以抑制反射，或者ND滤光片被安装到镜头筒中以抑制重影等。然而当拍摄诸如太阳或强光源的特别高亮的目标时，在目标图像周围可能会产生辐射重影。这是因为已经射到光圈片的边缘部分的脊线附近的部分或ND滤光片的边缘部分的端面的光形成了有害光。

作为现有技术，例如日本专利公开第5-281590号公开了一种已知技术，其中，在光圈片的光圈边缘的端面上全部或部分地形成小的台阶。这些台阶将通过光圈片的末端表面的反射产生的有害光散射至相对于光入射方向的左侧和右侧，以防止有害光的聚集。

日本专利公开第2002-229095号也公开了一种已知技术，其中，不规律地形成光圈片的端面上的一个阶梯形式中的多个台阶。该阶梯形式中的台阶相对于光入射方向向后和向前地散射通过光圈片的端面的反射产生的有害光，以防止有害光的聚集。

日本专利公开第2-190833号公开了一种光圈设备，其中，具有多个具有各种均匀透射率的区域的ND滤光片被连上以遮蔽光圈片组成的光圈。形成ND滤光片的多个区域，使得它们的透射率朝向光圈边缘逐渐减小。这防止了由于小的光圈尺寸而产生的图像质量降低。

图像传感器的表面或防护玻璃罩、晶体低通滤光片、红外切割滤光片等可以反射一部分已被传输通过ND滤光片进入图像传感器的光，并且被反射光可以返回到目标侧。朝向图像传感器的ND滤光片表面或朝向目标的ND滤光片表面再次反射返回的光。被反射的光形成进入图像传感器的重影光。为了减弱重影光，在日本专利公开第2000-36917号所公开的光圈设备中，在朝向图像传感器的ND滤光片的表面上形成抗反射膜。

可以通过在塑料材料中混合和捏合光吸收有机染料或颜料的方法来得到ND滤光片。同样，已知通过在塑料衬底的表面上按照蒸发方法形成光吸收膜可以获得ND滤光片。前一种滤光片的优点在于，它可以低成本地大量制造具有均匀密度的滤光片。然而在前一种滤光片中，对于在可见光波长范围内的波长，透射率变化大于后一种滤光片，导致更大的不均匀性。因此，作为用于光圈设备中的ND滤光片，更适宜采用那些通过蒸发方法所制造的。

作为通过蒸发方法制造的ND滤光片的塑料衬底，采用了具有小的代表模糊度的霾因子和具有大的光透射率的膜状塑料衬底。更具体的，例如，已知可以通过在透明塑料衬底上形成光吸收膜而获得ND滤光片，衬底由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、丙烯酸脂、聚甲基丙烯酸甲酯戊烯(polymethylpentene)等物质制成。

如果塑料衬底具有大的霾因子，则图像质量会因为光的散射而降低。塑料衬底最好被用来制造ND滤光片，因为它很轻并且容易被切割。使用塑料衬底的ND滤光片具有50μm至300μm的厚度，并且最好为100μm。

ND滤光片的衬底为塑料衬底。如图17中所示，如果ND滤光片2的边缘部分2a未接收特别的加工或处理，则边缘部分2a反射一部分射到端面或边缘部分2a脊线附近部分的光。其它部分(未显示)的光传输通过边缘部分2a。这样，被反射或传输的光不形成以随机方向漫射的散射光，但趋于形成被边缘部分2a统一反射的重影光或统一传输通过边缘部分2a的重影光。结果，在图像形成表面上，在相对于ND滤光片的边缘部分的垂直方向上发生重影。ND滤光片的密度越低，重影变得越明显。

对于日本专利公开第5-281590号公开的在光圈片的端面上形成不平部分的解决方案，所述不平部分仅将重影光散布到相对于传播方向的左侧和右侧。这样，重影等确实减弱但不充分。

通过如日本专利公开第2002-229095号中在光圈片端面上从光圈的入射侧到出射侧形成阶梯形式部分的解决方案，接近光圈片的边缘部分的出射侧脊线的部分与现有技术相同。这样，在该部分的反射会产生重影光等。

即使在ND滤光片上形成这种阶梯形式部分时，确实存在传输通过塑料衬底并向出射侧传播的光，如图18中所示。这样，形成阶梯形式部分并未解决所述问题。

19A至19C每个显示了被插入以遮蔽由光圈片组成的光圈并且调节入射光量的传统ND滤光片6的边缘部分6a的形状。边缘部分6a的脊线以一角度被形成以抑制重影光等，然而，当目标具有高亮度时，仅形成带有角度的脊线部分并不能充分地消除重影或光斑。因此，在端面反射的光和从端面入射的传输光不能被忽略。

发明内容

本发明的一个目的是，提供一种光学设备，其中上述问题被解决并且防止组成拍摄光学系统的光圈或位于光圈中的光学元件的边缘部分的反射光或传输光所引起的图像质量降低。

为了实现以上目的，根据本发明的第一方面，提供了一种通过在拍摄光学系统中排列光学元件而得到的光学设备，所述拍摄光学系统在图像传感器上形成目标图像，其中，至少一个光学元件包括形成光圈的边缘部分或位于光圈中的边缘部分，并且至少沿所述边缘部分的脊线形成非周期的不平部分。

本发明的更多特征从对示例实施例(参照附图)的以下说明将变得清楚。

附图说明

图1为示出拍摄装置的配置的视图；

图2为根据第一实施例的光圈片的透视图；

图3为光圈片的部分放大的透视图；

图4为解释光圈片的操作的视图；

图5为根据第二实施例的ND滤光片的部分放大的透视图；

图6为另一个ND滤光片的部分放大的透视图；

图7A至7C为解释ND滤光片相对于光圈移动的状态的视图；

图8为解释ND滤光片的操作的视图；

图9为根据第三实施例的ND滤光片的部分放大的透视图；

图10为ND滤光片的改进的部分放大的透视图；

图11为示出根据第四实施例的光圈设备的配置的视图；

图12A至12C为示出光圈片相对于瞳径移动的状态的视图；

图13A和13B为根据第四实施例的ND滤光片的部分放大的透视图；

图14为解释根据第五实施例的ND滤光片的操作的视图；

图15A和15B分别为示出形成不平部分的切割片的排列的视图；

图16为解释传统光圈片的操作的视图；

图17为解释传统ND滤光片的操作的视图；

图18为解释另一种传统ND滤光片的操作的视图；以及

图19A至19C分别为再一种传统ND滤光片的透视图。

具体实施方式

将参照图1至15中所示的实施例详细说明本发明。

第一实施例

图1为示出拍摄装置的配置的视图。镜头11a、光圈设备12、镜头11b和11c、具有AR涂层13a的低通滤光片13以及固态图像传感器14依次排列在拍摄光路上。在光圈设备12中，由塑料材料制成并且宽度为50μm至125μm的两个光圈片16和17可拆卸地连到支撑板15上，使得它们的边缘部分彼此相对成对。

图2为根据第一实施例的光圈片16的透视图。光圈片16的光圈边缘16a与光圈片17的光圈边缘配合形成拍摄光路上的几乎菱形的光圈。图3为光圈片16a的放大的透视图。小的锯齿部分为沿光圈边缘16a的前后脊线16b和16c具有不同尺寸的非周期不平部分。该不规则的不平部分为具有从约0.5μm至10μm高度的锯齿部分。在光圈片17的与光圈边缘16a形成一对的光圈边缘17a的脊线处也形成相似的锯齿部分。

采用具有以上结构的光圈片16或17，当入射光束射到光圈边缘16a或17a时，在脊线16b、16c处形成的不平部分以及在脊线17b、17c处形成的不平部分在各个方向上反射光，如图4中所示。由于光在脊线16b、16c、17b和17c附近的部分上的反射方向是不规则的，反射的光的方向性变弱并且通过光漫射重影光被减弱。光入射侧脊线16b和17b的不平部分比出射侧脊线16c和17c的不平部分漫射了更多的光。因此，可以只在脊线16b和17b处形成所述不平部分。

假设不平部分具有周期形状，则它们可以在图像形成表面上聚集和加强反射的光，这样会形成强的重影。然而，如在该实施例中，该不平部分具有非周期形状，它们能减小反射的光的聚集。

关于除了那些接近光圈边缘16a或17a的脊线的光圈片的端面的部分，它可以形成粗糙的表面或具有不规则的不平槽，如以下将被说明的。

第二实施例

图5显示了根据第二实施例，具有预定光透射率的ND滤光片的边缘部分21a。ND滤光片21可以是通过在透明塑料材料中由捏合颜料等获得的膜状ND滤光片，或者是通过蒸发方法在透明塑料衬底的表面上形成光吸收薄膜而获得的ND滤光片。以在光圈片16和17中相同的方式，ND滤光片21具有沿ND滤光片21的边缘部分21a的前后脊线21b和21c的非周期的不平部分。该不规则的不平部分几乎连续地形成具有0.5μm至10μm不同高度的锯齿状。同样，ND滤光片21具有不平的槽21e，它们在垂直于脊线21b和21c的端面21d的厚度方向上具有不同高度。

如图6中所示，可以在垂直于ND滤光片21的端面21d的厚度方向的方向，即，平行于脊线21b和21c的方向上形成不平的槽21e。

当使用ND滤光片21时，它被插入以遮蔽由两个光圈片16和17组成的光圈，以调节进入图像传感器的光量。图7A至7C是解释为了调节光量而移动ND滤光片21的情形的视图。通过移动光圈片16和17而形成菱形光圈22。ND滤光片21独立于光圈片16和17被驱动。即使当光圈22的面积被固定为常量时，也可以通过移动ND滤光片21来调节光量。

图7A显示了一种状态，其中ND滤光片21已被退到光圈22之外。图7C显示了一种状态，其中ND滤光片21覆盖了整个光圈22。图7B显示了一种状态，其中ND滤光片21被放置遮蔽一部分光圈22，并且ND滤光片21的边缘部分21a出现在光圈22中。

当这样操作ND滤光片21时，光圈片16和17所形成的光圈22的尺寸不需要变得非常小，这样防止了由于小光圈所引起的衍射而导致图像质量下降。如图7B中所示，当在光圈22中插入ND滤光片21的边缘部分21a时，光线射到ND滤光片21的那些接近脊线21b和21c的部分，如图8中所示。然而，接近脊线21b和21c的部分具有小的不规则锯齿状，它们以不同的方向反射光线，然后重影光被减弱。

采用由塑料材料制成的衬底的ND滤光片21通常具有50μm至300μm的厚度。当拍摄高亮目标时，仅在ND滤光片21的脊线21b和21c形成小的锯齿部分可能不足以消除重影光或光斑光。即，由ND滤光片21的端面21d反射的光所引起的反作用以及由从端面21d入射并传输经过端面的光所引起的反作用都不能被忽略。因此，在端面21d中形成锯齿槽是有效的，因为它们减弱了反射的光和传输的光的方向性并且它们减少了重影和光斑。

第三实施例

图9是根据第三实施例的ND滤光片31的透视图。在通过在透明塑料衬底32的背表面上用蒸发方法形成ND膜33而得到的ND滤光片31中。ND膜33的密度越低，从端面入射并传输经过端面的光量变得越大。这样，低密度的ND滤光片趋于遭受重影和光斑。

考虑到这一点，ND膜33在其边缘部分的脊线33a处具有不平部分。

当光线射到ND膜33的脊线33a附近部分时，在脊线33a处形成的小的不规则锯齿部分在各个方向上散射光线。如图9中所示，如果ND膜33具有高密度，则它减弱传输的光，因此从端面入射并传输经过它的光也被减弱。然后，采用高密度ND滤光片的光学系统不会遭受严重的重影或光斑。因此，高密度ND滤光片的脊线33a不需要具有小的不规则锯齿部分。

然而，通常ND膜33的密度在端面附近较低，如图10中所示，并且从端面入射并传输经过它的光量较大。因此，脊线33a必须具有小的不规则锯齿部分。

在该实施例中，在接近ND滤光片31的脊线33a的部分，光的反射和传输方向是不规则的，以减弱传输的光的方向性，由此漫射光。这可以减少重影等。

第四实施例

图11显示了根据第四实施例的光圈设备12。ND滤光片41与光圈片17一起移动。光圈设备12通过驱动两个相对的光圈片，即光圈片16和光圈片17，来调节经过光圈的光量。该几乎为梯形的ND滤光片41在连到光圈片17的边缘部分41a的脊线处具有小的不规则的锯齿状不平部分。该光圈片16和17如上所述也在其脊线处具有小的不规则的不平部分。

图12A至12C显示了一些状态，其中光圈片17具有ND滤光片41并且光圈片16为了调节光量而移动。图12A显示了一种状态，其中光圈片16和17已退到瞳孔光圈之外。图12C显示了一种状态，其中ND滤光片41覆盖了整个光圈22。图12B显示了图12A和12C之间的中间状态。根据第四实施例，光圈设备12具有一种操作状态，其中ND滤光片41遮蔽一部分瞳孔光圈或光圈22，如图12A和12B中所示，它可以减弱重影光。

根据第四实施例，被ND滤光片41的脊线附近的部分反射或传输经过它的光的漫射方向以及在光圈片16和17脊线附近反射的光的漫射方向是不规则的。然后，反射的光和传输的光的方向性被减弱，重影或光斑也被减弱。根据第四实施例的ND滤光片41是分级ND滤光片，其中，光传输位置离边缘部分41a越远，该位置的滤光片密度连续地变得更高。密度的不连续点和传输的光的相位的不连续变化被消除，以防止图像质量降低。

通过用蒸发方法形成光吸收薄膜来得到分级ND滤光片41。如图13A和13B中所示，光吸收膜的密度朝向边缘部分41a减小。ND滤光片41在边缘部分41a的脊线部分41b和41c具有小的不规则锯齿部分，并且在端面41d中同样也具有锯齿槽41e。这减弱了由边缘部分产生的反射光和传输光的方向性，以有效地消除重影或光斑。

在分级ND滤光片中，某位置离边缘部分越近，该位置光的削弱变得越小。因此，穿透ND滤光片的光的背表面反射另外增加了光的反射。因此，在这种分级ND滤光片中，边缘部分通常会产生重影光和光斑光。根据该实施例，在ND滤光片41中，在脊线41b和41c处形成不平部分并且形成不平槽41e，以消除重影光和光斑光。

第五实施例

图14显示了根据第五实施例的ND滤光片51，其中在塑料衬底51上用蒸发方法形成ND膜53。ND滤光片51的边缘部分51a的脊线51b和51c从端面51d伸出以形成突起。该突起的脊线具有非周期的不平部分。

塑料衬底52为透明的。考虑到传输经过ND滤光片51的不期望光，具有不平部分的突起脊线51b和51c在消除重影光和光斑光中是有效的。此外，光束射到的ND滤光片51的端面51d具有不平槽51e。

当脊线51b和51c处的部分形成突起并且该突起以这种形式具有不平部分时，在边缘部分反射的光或从边缘部分穿透的光更多在随机方向上散射，并且重影光减少。

在本发明的各实施例中，入射光在光圈片的端面和(或)ND滤光片的端面由于它们的不规则形状而被漫射。这减弱了由边缘部分产生的传输光和反射光的方向性，因而传输的光和反射的光被散射。这可以减少在图像中发生的重影或光斑。不同于具有较高的光屏蔽属性的光圈片，ND滤光片在某些程度上传输光。如果脊线具有突起形状，传输距离增加。这允许我们期望进一步减少重影光和光斑光。

最好当光圈最小时，不平部分的深度小于光圈一侧的长度。然后，不需要特别的结构，通过在光圈片或ND滤光片的边缘部分中形成不平部分所产生的经过光量的不确定性可以落在预定的可允许光量误差范围内。

压切(press cutting)等可以形成以上实施例的不平部分。例如可以使用图15A和15B中所示的锯齿切割片61或阶梯切割片62来执行压切。可以在压切后用锉刀形成所述不平部分，或者通过照相平版印刷形成，如果成本不是问题的话。

即使当光学元件的边缘部分形成光圈或者位于光圈中时，根据本发明的光学设备也可以减少重影光和光斑光。因此，不需要将限制强加在光学元件的布置状态上。

即使当低密度ND滤光片的边缘部分位于光圈中时，该ND滤光片也可以减少重影光和光斑光。如果ND滤光片的端面也具有不规则的不平部分，则它们可以进一步地减少有害光。

虽然本发明已参照示例实施例被说明，应该理解本发明并不限于这些被公开的示例实施例。以下的权利要求的范围将符合最宽的解释以包括所有这种修改以及等价的结构和功能。

Claims (12)

1.一种在图像传感器上形成目标图像的拍摄光学系统中使用的光学设备，包括一个光学元件或多个光学元件，其中，至少一个光学元件包括形成光圈的边缘部分或位于所述光圈中的边缘部分，并且至少沿所述边缘部分的脊线形成非周期的不平部分。

2.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述不平部分具有不同尺寸的锯齿形状。

3.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述光学元件的所述边缘部分的端面具有非周期形状的槽，并且所述槽指向不同于所述脊线的方向。

4.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述光学元件的所述边缘部分的端面具有非周期形状的槽，并且所述槽指向与所述脊线相同的方向。

5.根据权利要求3所述的光学设备，其中，所述非周期形状包括具有不同尺寸的锯齿形。

6.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述光学元件包括多个光圈片，并且所述光圈片用于通过所述边缘部分形成所述光圈。

7.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述光学元件包括滤光片，并且所述滤光片的所述边缘部分位于所述光圈中。

8.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述光学元件包括滤光片和通过所述边缘部分形成所述光圈的光圈片，并且所述滤光片的所述边缘部分位于所述光圈中。

9.根据权利要求8所述的光学设备，其中，所述光圈片和所述滤光片中的一个独立于它们中的另一个而移动。

10.根据权利要求8所述的光学设备，其中，所述滤光片和所述光圈片一起移动。

11.根据权利要求7所述的光学设备，其中，所述滤光片包括通过在透明塑料膜的至少一个表面上形成光削弱薄膜而获得的ND滤光片。

12.根据权利要求7所述的光学设备，其中，所述滤光片包括分级ND滤光片，其中，光传输位置与所述边缘部分越远，所述分级ND滤光片在该位置的光透射率连续地变得更低。

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