CN101078805A - 摄像透镜 - Google Patents

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CN101078805A CNA2007101045156A CN200710104515A CN101078805A CN 101078805 A CN101078805 A CN 101078805A CN A2007101045156 A CNA2007101045156 A CN A2007101045156A CN 200710104515 A CN200710104515 A CN 200710104515A CN 101078805 A CN101078805 A CN 101078805A
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Abstract

本发明公开一种小型且高性能的摄像透镜，其中，从物体侧起，顺次备有：第1透镜，其具有正的折射能力；第2透镜，其将凹面向着物体侧，并具有负的折射能力；第3透镜，其在光轴近旁的形状为将凸面向着物体侧的正的弯月形状，并满足以下条件式：0.7＜f1/f＜1.3……(1)、0.25＜D2/f＜0.50……(2)、55＜υ123……(3)、|υ123－υ2|＜5……(4)。其中，f是全系统的焦距；f1是第1透镜(G1)的焦距，D2是光轴Z1上的第1透镜(G1)和第2透镜(G2)的间隔，υ123是第1透镜、第2透镜和第3透镜的阿贝数的平均，υ2是第2透镜的阿贝数。通过使用制造性和成本降低的透镜材料，能够在维持与高像素化相对应的高像差性能的同时，充分确保用于配置快门机构的内部间隔。

Description

摄像透镜
技术领域
本发明涉及一种用于备有CCD(Charge Coupled Device)和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等摄像元件的摄像机器，例如数字静物摄像机、带有摄像机的便携式电话、以及便携式信息终端(PDA：Personal Digital Assistance)等的摄像透镜。
背景技术
近年来，CCD和CMOS等摄像元件正向小型化和高像素化进展。为此，即使对于摄像机主体乃至载置于其中的摄像透镜，也要求信息且高性能。为了小型化，需要全长的缩短化和小直径化(与光轴垂直的直径方向的小型化)。另外，通常在摄像光学系统中，除了小型化外，也要求焦阑(tele-center)性，即主光线向摄像元件的入射角度相对于光轴接近于平行(摄像面的入射角度相对于摄像面的法线接近于零)。为了确保焦阑性，尽可能将光学光阑配置于靠近物体侧是较为有利的。在专利文献1中，公开了作为整体具有3枚透镜，并将光学孔径光阑配置于最靠近物体侧的构成的摄像透镜。另外，在对比文献2中，公开了作为整体具有3枚的透镜，并将光学孔径光阑配置于第1透镜和第2透镜之间的构成的摄像透镜。
〔专利文献1〕特开2005-292235号公报
〔专利文献2〕特开2004-302058号公报
然而，在静止画摄影用的摄像装置中，随着摄像元件的高像素化进展，为了寻求摄像元件中的信号噪声的降低，而要求设置机械式快门。在设置快门的情况下，为了减少光亮不均，而配置于光学孔径光阑的近旁是较为有利的。另一方面，在3枚构成的摄像透镜中，为了如上述那样确保焦阑性而尽量将光学孔径光阑配置于例如第1透镜的前或后是较为有利的。然而，若将快门机构配置于第1透镜前，而最靠近物体侧，则在小型化方面较为不利。因此，考虑将快门机构配置于透镜系统内部，第1透镜和第2透镜之间。为此，在3枚构成的摄像透镜中，希望开发一种透镜，其为了配置快门机构而充分地确保了第1透镜和第2透镜之间的空气间隔，且具有与高像素化相对应的高像差性能。虽然专利文献1的实施例3较宽地确保了第1透镜和第2透镜之间的间隔而成为有利于快门机构的配置的透镜构成，但是希望有一种比此更有利于快门机构的配置且具有高像差性能的透镜的开发。另外，为了以较少的枚数实现高性能化，使用非球面之类的特殊形状的透镜是较为有利的，但是，这种情况下，希望对考虑了制造性和成本的适当的透镜材料进行选择。
本发明鉴于所涉及的问题点而提出，其目的为提供一种小型且高性能的摄像透镜，所述摄像透镜使用有利于制造性和成本降低的透镜材料，维持于高像素化相对应的高像差性能，并充分地确保了用于配置快门机构的内部空间。
发明内容
本发明所涉及的摄像透镜，从物体侧起，顺次备有：第1透镜G1，其具有正的折射能力；第2透镜G2，其将凹面向着物体侧，并具有负的折射能力；第3透镜G3，其在光轴近旁的形状为将凸面向着物体侧的正的弯月形状，所述第1透镜、所述第2透镜和所述第3透镜中的至少1个面为非球面，并满足以下条件式。其中，f：全系统的焦距；f1：第1透镜的焦距；D2：光轴上的第1透镜和第2透镜的间隔；υ123：第1透镜、第2透镜和第3透镜的阿贝数的平均，υ2：第2透镜的阿贝数。
0.7＜f1/f＜1.3    ……(1)
0.25＜D2/f＜0.50    ……(2)
55＜υ123……    (3)
|υ123-υ2|＜5    ……(4)
在本发明所涉及的摄像透镜中，作为整体由3枚这样的较少结构构成，并使各透镜的形状和折射能力适当化，由此能够寻求小型化。并且，通过满足条件式(1)，第1透镜的光学能力分配被最佳化，有利于维持于高像素化相对应的高像差性能。并且，通过满足条件式(2)，能够较广地确保第1透镜和第2透镜之间的间隔，从而有利于快门机构的配置。另外，通过条件式(3)和条件式(4)，在使用有利于制造性和成本降低的透镜材料的同时，抑制了色像差的校正。
另外，优选为，第1透镜的物体侧的面在光轴近旁为凸形状，并且所述第1透镜的物体侧或像侧的任何一方的面为衍射面。由此，能够寻求更高性能化。特别是，即使通过满足条件式(4)，即使在仅以各透镜间的阿贝数差较小的材料构成的情况下，也能够对色像差良好地进行校正。
此外，优选为，还满足下述条件式，其中，f2：第2透镜的焦距，f3：第3透镜的焦距。
0.3＜|f2/f|＜1.0    ……(5)
0.5＜f3/f＜1.0    ……(6)
由此，能够将各透镜的光学能力分配最佳化，并能够维持与高像素化对应的高像差性能。
按照本发明的摄像透镜，作为整体以3枚这样的较少透镜构成满足规定的条件式，能够寻求各透镜的材料、各透镜的形状和折射能力、以及各透镜的配置的最佳化，因此通过使用有利于制造性和成本降低的透镜材料，能够实现一种小型且高性能的透镜系统，其在维持与高像素化对应的高像差性能的同时，充分确保用于快门机构配置的内部间隔。
并且，特别是，在第1透镜上设置衍射面的情况下，即使仅由例如成本价廉的同一材料构成各透镜，也能够对色像差良好地进行校正。
附图说明
图1是表示与本发明的实施例1所涉及的摄像透镜相对应的透镜剖面图。
图2是表示与本发明的实施例2所涉及的摄像透镜相对应的透镜剖面图。
图3是表示与本发明的实施例3所涉及的摄像透镜相对应的透镜剖面图。
图4是表示与本发明的实施例4所涉及的摄像透镜相对应的透镜剖面图。
图5是表示本发明的实施例1所涉及的摄像透镜的透镜数据的图，(A)是基本的透镜数据；(B)是非球面透镜数据；(C)是与衍射面相关的透镜数据。
图6是表示本发明的实施例2所涉及的摄像透镜的透镜数据的图，(A)是基本的透镜数据；(B)是非球面透镜数据；(C)是与衍射面相关的透镜数据。
图7是表示本发明的实施例3所涉及的摄像透镜的透镜数据的图，(A)是基本的透镜数据；(B)是非球面透镜数据；(C)是与衍射面相关的透镜数据。
图8是表示本发明的实施例4所涉及的摄像透镜的透镜数据的图，(A)是基本的透镜数据；(B)是非球面透镜数据；(C)是与衍射面相关的透镜数据。
图9是对于各实施例汇总表示与条件式相关的值的图。
图10是表示本发明的实施例1所涉及的摄像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。
图11是表示本发明的实施例2所涉及的摄像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。
图12是表示本发明的实施例3所涉及的摄像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。
图13是表示本发明的实施例4所涉及的摄像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。
图中：10-光阑，G1-第1透镜，G2-第2透镜，G3-第3透镜，St-孔径光阑，Ri-从物体侧数第i号透镜的面的曲率半径，Di-从物体侧数第i号和第i+1号透镜面的面间隔，Z1-光轴。
实施方式
以下，对本发明的实施方式参照附图详细地进行说明。
图1表示本发明的一实施方式所涉及的摄像透镜的第1构成例。该构成例与后述的第1数值实施例(图5(A)～图5(C))的透镜构成相对应。图2表示第2构成例，与后述的第2数值实施例(图6(A)～图6(C))的透镜构成相对应。图3表示第3构成例，与后述的第3数值实施例(图7(A)～图7(C))的透镜构成相对应。图4表示第4构成例，与后述的第4数值实施例(图8(A)～图8(C))的透镜构成相对应。在图1～图4中，符号Ri表示，将最靠近物体侧的构成要素的面作为第1号并以随着面向像侧(成像侧)而顺次增加的方式附加符号的第i号面的曲率半径。符号Di，表示第i号面和第i+1号面的光轴Z1上的面间隔。
该摄像透镜，在使用CCD和CMOS等摄像透镜的各种摄像机器，例如数字静物摄像机、附有摄像机(camera)的便携式电话、以及便携式信息终端等中使用较为合适。该摄像透镜，沿光轴Z1从物体侧起顺次备有：第1透镜G1、第2透镜G2、第3透镜G3。第1透镜G1、第2透镜G2和第3透镜G3中的至少一个面为非球面。
优选为，为了确保焦阑性而尽可能将将光学孔径光阑St配置于物体侧。在图1、图2的构成例中，在第1透镜G1的后侧配置孔径光阑St。在图3、图4的构成例中，在第1透镜G1的前侧、透镜系统的最靠近物体侧配置孔径光阑St。快门10，配置于第1透镜G1和第2透镜G2之间。
在该摄像透镜的成像面Simg上，配置CCD等摄像元件。在第3透镜G3和摄像元件之间，根据安装透镜的摄像机侧的结构，配置各种光学构件GC。例如，配置摄像面保护用的封罩玻璃和红外线截止滤光器(cutfilter)等平板状的光学构件。
第1透镜G1具有正的折射能力。另外，优选为，第1透镜G1的物体侧的面在光轴近旁为凸形状，并在物体侧或像侧的其中一方的面设置衍射面。另外，在图1～图4的构成例中，第1透镜G1在光轴近旁的形状为将凸面朝向物体侧的征得弯月形状。在图1、图3的构成例中在第2面(像侧的面)，在图2、图4的构成例中在第1面(物体侧的面)设置衍射面。
第2透镜G2为将凹面向着物体侧，并具有负的折射能力。优选为，第2透镜G2的像侧的面在光轴近旁为凹形状，在周边部为凸形状。由此，易于满足后述的条件式(5)的数值范围。
第3透镜G3，成为在光轴近旁的形状为将凸面向着物体侧的正的弯月形状。第3透镜G3，是被配置于最靠近摄像面侧的透镜。为此，在第3透镜G3中，与第1透镜G1和第2透镜G2相比，对于各视场角光束被分离。因此，在第3透镜G3中，通过适当使用非球面易于对各视场角的每个进行像差校正，并易于进行像场弯曲和畸变像差的校正。另外，易于焦阑性的确保。为此，在图1～图4的构成例中，优选为使第3透镜G3的像侧的面在光轴近旁为凹形状在周边部为凸形状。
该摄像透镜，满足以下条件。其中，f是全系统的焦距，f1是第1透镜G1的焦距，f2是第2透镜G2的焦距，f3是第3透镜G3的焦距，D2是光轴Z1上的第1透镜G1和第2透镜G2的间隔，υ123是第1透镜G1和第2透镜G2和第3透镜G3的阿贝数的平均，υ2是第2透镜G2的阿贝数。
0.7＜f1/f＜1.3    ……(1)
0.25＜D2/f＜0.50    ……(2)
55＜υ123    ……(3)
|υ123-υ2|＜5    ……(4)
该摄像透镜中，优选为满足下述条件式。其中，f2为第2透镜G2的焦距，f3为第3透镜G3的焦距。
0.3＜|f2/f|＜1.0    ……(5)
0.5＜f3/f＜1.0    ……(6)
接下来，说明按照上述那样构成的摄像透镜的作用和效果。
在该摄像透镜中，通过作为整体由至少3枚的透镜结构在第1透镜的前侧或后侧配置孔径光阑St，由此能够实现有利于全长缩短和焦阑性的确保的透镜系统。并且，通过满足各条件式(1)、(2)、(5)、(6)，能够在寻求各透镜的折射能力乃至各透镜的配置的最佳化，维持与高像素化对应的高像差性能的同时，充分确保用于配置快门机构的内部间隔。并且，在该摄像透镜中，通过将各面的非球面最佳化，能够进行更有效的像差校正。并且为了与高像素的摄像元件相对应，而能够寻求焦阑性即主光线向摄像元件的入射角度相对于光轴接近于平行(摄像面中的入射角度相对于摄像面的法线接近于零)。在该摄像透镜中，将作为例如最靠近摄像元件的最终透镜面的第3透镜G3的像侧的面设计为如下形状：即在光轴近旁在像侧为凹形状而在周边部在像侧为凸形状，由此能够适当地进行各视场角的每个的像差校正，并能够将光束面向摄像元件的入射角度控制为一定的角度以下。由此，能够减轻成像面全区域中的光量不均，并有利于像场弯曲和畸变像差的校正。
在该摄像透镜中，第1透镜G1与第2透镜G2和第透镜G3相比有效直径较小，并且，面的曲率半径具有较大的倾向。特别是，第1透镜G1的像侧的面具有比较接近于平面的倾向。为此，在设置衍射面的情况下，从加工性容易的观点出发，优选为设置在第1透镜G1上。另外，在第1透镜G1上设置衍射面的情况，与在第2透镜G2和第3透镜G3上设置的情况相比，色像差的校正较为容易。另外，通过设置衍射面，设计参数增加，因此，有利于小型化和诸像差的校正，并易于寻求更高性能化。特别是，在组合了衍射面和折射透镜的所谓的混合性透镜中，与通常的透镜相比能够得到不同的分散作用，因此与仅仅使用通常折射率透镜的构成相比，色像差的校正变得容易。为此，例如，全部由相同的材料构成各透镜，或仅仅组合阿贝数差小的透镜材料而构成，能够对色像差良好地进行校正。另外，是否设置衍射面，可以根据透镜的规格而决定。例如，透镜的规格在重视性能的情况下，优选为设置衍射面，而在重视成本降低的情况下，也可以考虑不设置衍射面。
条件式(3)和条件式(4)，是与各透镜的阿贝数相关的条件式，规定了各透镜的适当的组合。在该摄像透镜中，为另外寻求成本降低，可以考虑全部仅由同一材料构成各透镜，或者仅由性能类似的材料构成，但是，在这种情况下，优选为满足条件式(3)和条件式(4)。若偏离该条件式的范围，则在仅由同一材料或类似材料构成的情况下，色像差变得较大而不优选。另外，也可以通过满足条件式(4)而仅仅组合阿贝数差较小的透镜材料而构成，通过如上述那样设置衍射面，能够对残存的色像差有效地进行校正。另外，在该摄像透镜中，从非球面加工、和衍射面加工的容易度方面出发，优选为使用塑料材料。在这种情况下，在当前开发的塑料材料中，满足条件式(3)、(4)那样的塑料材料更为优选，满足以下条件式那样的塑料材料价廉且容易得到，因此在成本削减方面较为有利。
50＜υ1，υ2，υ3＜60    ……(7)
其中，
υ1：第1透镜G1的阿贝数；
υ2：第2透镜G2的阿贝数；
υ3：第3透镜G3的阿贝数。
条件式(1)是关于第1透镜G1的焦距f1的条件式，若超过该数值范围，则第1透镜G1的光学能力变得过小，像场弯曲的校正变得困难。另外，若不足(下回る)该数值范围，则出射光瞳变得过大而不优选。
条件式(2)是关于第1透镜G1和第2透镜G2间的间隔D2和全体的焦距f的条件式，若超过该数值范围，则全长的缩短化变困难。另外，若不足该数值范围，则很难确保第1透镜G1和第2透镜G2的间隔D2，难于配置快门机构，因而并不优选。
条件式(5)是与第2透镜G2的焦距f2相关，若超过该数值范围，则第2透镜G2的光学能力变得过小，全长的缩短化变得困难。另外，若不足该数值范围，则像场弯曲和像散等的校正变得困难，因此并不优选。条件式(6)是与第3透镜G3的焦距f3相关的条件式，无论上下超出该数值范围，则与第2透镜G2的光学能力(power)平衡(blance)平衡将会失调，难于在保持全长的情况下对诸像差进行校正，因此并不优选。
如以上所说明的那样，按照本实施方式所涉及的摄像透镜，作为整体由3枚这样的较少的透镜结构通过满足规定的条件式，而寻求各透镜的材料、各透镜的形状以及折射率乃至各透镜的配置的最佳化，因此，通过使用有利于制造性和成本降低的透镜材料，可以实现一种小型且高性能的透镜相同，其能够在维持与高像素化相对应的高像差性能的同时，充分确保用于配置快门机构的内部间隔。另外，由于在保持色像差性能的同时由同一透明材料(硝材)构成各透镜，因此透明材料的得到性提高，并能够削减制造成本。
〔实施例〕
接下来，对本实施方式所涉及的摄像透镜的具体的数值实施例1～4进行说明。
作为实施例1～4，在图5(A)～图5(C)、图6(A)～图6(C)、图7(A)～图7(C)、图8(A)～图8(C)中示出与图1～4所示的摄像透镜的构成相对应的具体的透镜数据。另外，在图中(A)是基本的透镜数据，图中(B)是与非球面相关的数据。图中(C)是与衍射面相关的透镜数据。
在面编号Si一栏中，示出了将最靠近物体侧的结构要素的面作为第一号并以随着面向像侧顺次增加的方式而附加符号的第i号(i＝1～8)面的编号。在曲率半径Ri一栏，示出了与图1中附加的符号Ri相对应的面的曲率半径的值(mm)。对于面间隔Di一栏，同样地表示从物体侧数第i号面Si和第i+1号面Si+1在光轴上的间隔(mm)。Ndj，表示从物体侧起第j(j＝1～4)号的光学要素相对于d线(波长587.6nm)的折射率的值。阿贝数υdj，表示从物体侧起第j号光学要素相对于d线的阿贝数。另外，在实施例1～4的任何一个摄像透镜中，第1透镜G1、第2透镜G2和第2透镜G3面的全部均具有非球面形状，因此对于曲率半径Ri，示出了光轴近旁的曲率半径的值。
特别是，在实施例1、2、4中，全部由同一材料构成第1透镜G1、第2透镜G2和第3透镜G3这各个透镜。
作为非球面数据，示出了以下所表示的非球面形状的式(a)的各系数An，K的值。这里，记号“E”，”，表示紧接着它的数据是以10为底的“幂指数”，表示将由该以10为底的指数函数所表示的数值乘以“E”前的数值。例如，如果是“1.0E-02”，则表示“1.0×10-2”。另外，在式(a)中，Z表示从位于离开光轴Z1高度h的位置的非球面上点向非球面的顶点的切平面(垂直于光轴Z1的平面)所画的垂线的长度(mm)。另外，实施例1～4中，所有的面是非球面，作为非球面系数An有效地使用第3次～第10次的系数A3～A10而表示。
Z＝C·h2/{1+(1-K·C2·h2)1/2}+∑An·hn    ……(a)
(n＝3以上的整数)
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(第2次的非球面系数)；
C：近轴曲率＝1/R；
(R：近轴曲率半径)；
An：第n次的非球面系数。
作为衍射面数据，对于设有衍射面的面，表示以下所表示的式(b)中的各系数(DOE(Diffractive Optical Element)系数)C1～C5的值。在式(b)中(h)表示相位差函数，由此进行波面的相位变换，从而设置衍射面。另外，所设置的衍射面，在实施例1和实施例3中为第2面，在实施例2和实施例4中为第1面。
(h)＝C1·h2+C2·h3+C3·h4+C4·h5+C5·h6  ……(b)
(h：离开光轴的高度)
在图9中，示出了与实施例1～4的上述各条件式相关的值。从图9所明了的那样，各实施例的值为各条件式的数值范围内。
另外，对于实施例1～4所涉及的摄像透镜的诸像差，在图10(A)～图10(C)、图11(A)～图11(C)、图12(A)～图12(C)、以及图13(A)～图13(C)中示出。图中(A)表示球面像差，(B)表示像散，(C)表示畸变。在在球面像差图中，也示出了g线(波长435.8nm)和C线(波长656.3nm)的像差。在像散图中，实线表示弧矢(サジタル)方向的像差，虚线表示切线方向的像差。FNO.表示F值，ω表示半视角。
如从以上各数值数据和各像差图所明了的那样，对于各实施例，能够得到一种小型且高性能的摄像透镜系统，其作为整体以3枚透镜结构，使得透镜的面形状以及各透镜的光学能力分配最佳化，从而充分确保用于配置快门机构的内部间隔。另外，能够实现透镜材料被最佳化，并有利于制造性和成本降低的透镜结构。特别是，在实施例1、2、4中，能够以同一材料构成各透镜，透镜的材料被最佳化，并通过在寻求成本削减的同时以下地使用衍射面，从而对色像差良好地进行校正，并实现高性能化。
另外，本发明，不限于上述实施方式和各实施例，各种变形的实施方式也是可能的。例如，各透镜成分的曲率半径、面间隔、以及折射率的值等，不限于由上述各数值实施例所示出的值，可以采用其他的值。

Claims (3)

1、一种摄像透镜，其特征在于，
从物体侧起，顺次备有：
第1透镜G1，其具有正的折射能力；
第2透镜G2，其将凹面向着物体侧，并具有负的折射能力；
第3透镜G3，其在光轴近旁的形状为将凸面向着物体侧的正的弯月形状，所述第1透镜、所述第2透镜和所述第3透镜中的至少1个面为非球面，并满足以下条件式：
0.7＜f1/f＜1.3      ……(1)
0.25＜D2/f＜0.50    ……(2)
55＜υ123           ……(3)
|υ123-υ2|＜5      ……(4)
其中，
f：全系统的焦距；
f1：第1透镜的焦距；
D2：光轴上的第1透镜和第2透镜的间隔；
υ123：第1透镜、第2透镜和第3透镜的阿贝数的平均，
υ2：第2透镜的阿贝数。
2、根据权利要求1所述的摄像透镜，其特征在于，
所述第1透镜的物体侧的面在光轴近旁为凸形状，并且所述第1透镜的物体侧或像侧的任何一方的面为衍射面。
3、根据权利要求1或2所述的摄像透镜，其特征在于，
还满足下述条件式：
0.3＜|f2/f|＜1.0    ……(5)
0.5＜f3/f＜1.0      ……(6)
其中，
f2：第2透镜的焦距，
f3：第3透镜的焦距。
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