CN101295067A - 照相透镜 - Google Patents

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CN101295067A CNA2007101960592A CN200710196059A CN101295067A CN 101295067 A CN101295067 A CN 101295067A CN A2007101960592 A CNA2007101960592 A CN A2007101960592A CN 200710196059 A CN200710196059 A CN 200710196059A CN 101295067 A CN101295067 A CN 101295067A
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Abstract

一种照相透镜，包括：有正折射本领的第一透镜，有负折射本领的第二透镜，有正折射本领的第三透镜，和有负折射本领的第四透镜，其中这些透镜的编号是按照离开物体的位置的顺序，并且其中朝向物体的第四透镜的表面是有拐点的非球面。

Description

照相透镜
技术领域
本发明涉及一种用于摄像机的照相透镜，尤其是，本发明涉及一种有改进的象差和小型化的照相透镜，为的是适合于电子静物摄像机，车载摄像机，PC摄像机，移动装置，例如，摄像机电话，或移动信息装置，例如，PDA，它利用固态图像检测装置，例如，电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)。
背景技术
最近以来，人们强烈地要求增加摄像机电话的成像模块的像素数目和减小这种摄像机电话的尺寸。随着固态图像检测装置的发展，主光线的注入角对应于20°-25°的范围，因此，正在研制多种薄的和小型化透镜。然而，照相装置的像素间隔已下降到小于2μm，因此，强烈地要求增大照相透镜的基本分辨率。所以，重要的是提供这样一种照相透镜，它是薄的和小型化透镜，并同时具有高的分辨率。
在这一方面，日本专利公布No.2003-322792，2004-163849，2004-212467，2004-240074，2004-326097，和2005-284153公开了由三个透镜单元构成的照相透镜。然而，对于2μm或更小的像素间隔，因为色差校正是不充分的，这些照相透镜不能提供所需的分辨率。
此外，日本专利公布No.2002-228922，2002-365529，2002-365530，2002-365531，2004-341501，和2004-341512公开了由四个透镜单元构成的照相透镜。这些照相透镜能够合适地校正色差，因此，利用4透镜单元，可以增大像素间隔为2μm或更小的分辨率。然而，与固态图像检测装置的对角长度比较，由于增大了总体透镜系统的长度，这些照相透镜不能满足薄的和小型化透镜的要求。
减小后焦距(Bf)是制作薄的和小型化透镜的一种解决方案。然而，当过分减小Bf时，不能在透镜的后部插入诸如红外滤波器的玻璃，或减小了在组装时所允许的空间量。此外，当注入角增大时，若制作薄的和小型化透镜，则可以出现阴影现象，例如，对比度畸变。
发明内容
为了解决以上和其他的问题，本发明提供一种薄的和小型的照相透镜，它同时具有对应于2μm或更小的像素间距的足够分辨率。
按照本发明的一个方面，一种照相透镜，包括：有正折射本领的第一透镜，有负折射本领的第二透镜，有正折射本领的第三透镜，和有负折射本领的第四透镜，其中这些透镜的编号是按照离开物体的位置的顺序，并且其中朝向物体的第四透镜的表面是有拐点的非球面。
第一透镜至第四透镜中每个透镜的至少一个表面或两个表面是非球面。
孔径光阑设置在第一透镜与物体之间。
第一透镜是凹凸透镜，它的凸面朝向物体。
第二透镜是凹凸透镜，它的凸面朝向图像。
第四透镜是凹凸透镜，它的凸面朝向图像。
照相透镜满足以下任何一个或多个不等式。
0.5＜f/|f2|＜1，
0.3＜f1/|f2|＜0.8，
0.75＜f3/|f4|＜1，
v1-v2＞15，和
0.9＜v3/v4＜1.1。
在这些不等式中，“f”是总体透镜焦距，“f1”，“f2”，“f3”和“f4”分别是第一透镜，第二透镜，第三透镜和第四透镜的焦距，而“v1”，“v2”，“v3”和“v4”分别是第一透镜，第二透镜，第三透镜和第四透镜的阿贝数。
附图说明
通过参照附图详细地描述本发明的优选实施例，可以更好地理解本发明的以上和其他特征和优点，其中：
图1是按照本发明一个实施例的照相透镜的光学配置；
图2表示图1所示照相透镜的纵向球面象差，场曲，和畸变；
图3是按照本发明另一个实施例的照相透镜的光学配置；
图4表示图3所示照相透镜的纵向球面象差，场曲，和畸变；
图5是按照本发明另一个实施例的照相透镜的光学配置；
图6表示图5所示照相透镜的纵向球面象差，场曲，和畸变；
图7是按照本发明另一个实施例的照相透镜的光学配置；和
图8表示图7所示照相透镜的纵向球面象差，场曲，和畸变。
具体实施方式
我们参照用于说明本发明优选实施例的附图，为的是描述本发明，本发明的优点，以及实施本发明所完成的一些目的。以下，通过参照附图描述本发明的优选实施例，可以详细地描述本发明。附图中相同的参考数字表示相同的元件。
图1，3，5，和7是按照本发明不同实施例的照相透镜的光学配置。参照图1，3，5，和7，对于物体OBJ，每个照相透镜分别包括：有正折射本领的第一透镜10，有负射本领的第二透镜20，有正折射本领的第三透镜30，和有负射本领的第四透镜40。此外，孔径光阑(未画出)设置在第一透镜10与物体OBJ之间。在第四透镜40与图像平面IMG之间还可以设置阻挡红外光范围内的光的滤波器50。
第一透镜10的至少一个表面被形成为非球面，或第一透镜10的两个表面都被形成为非球面。例如，可以采用有朝向物体OBJ的凸面的正凹凸透镜作为第一透镜10。第一透镜10的至少一个表面被形成为非球面，具体地说，朝向物体OBJ的表面是非球面。朝向物体OBJ的第一透镜10的表面的非球面形状在有效范围内可以有拐点，即，在透镜表面内有拐点。第二透镜20的至少一个表面是非球面，或第二透镜20的两个表面都被形成为非球面。例如，可以采用有朝向图像IMG的凸面的负凹凸透镜作为第二透镜20。第三透镜30的至少一个表面被形成为非球面，或第三透镜30的两个表面都被形成为非球面。第四透镜40的两个表面可以是非球面。例如，可以采用有朝向图像IMG的凸面的负凹凸透镜作为第四透镜40。
第一透镜10和第二透镜20的配置是这样的，通过减小构成照相透镜的透镜系统的总长度而使注入角减小，可以确保合适的后焦距(Bf)。通常，孔径光阑设置在第一透镜10与第二透镜20之间，为的是校正以上透镜组合的象差。然而，在这种情况下，减小了输出光瞳的长度，从而使注入角增大。此外，在校正增大的注入角时，透镜系统的总长度就增大。由于存在这个问题，在本实施例中，孔径光阑设置在第一透镜10与物体OBJ之间。
此外，通过制作第一透镜10，第二透镜20，第三透镜30，和第四透镜40中每个透镜的至少一个表面是非球面，可以有效地校正各种象差。第一透镜10和第二透镜20的非球面可以有效地校正围绕光轴的象差，而第三透镜30和第四透镜40的非球面可以有效地校正围绕周边部分的象差。此外，由于朝向物体OBJ的第四透镜40的非球面形状表面在有效范围内有拐点，可以校正由于总长度的减小而造成周边部分象差的恶化，并可以同时校正注入角。
在常规的透镜系统配置中，通常采用凸面朝向物体OB 而不是朝向图像IMG的负凹凸透镜，且在有效范围内有拐点的非球面不是朝向物体OBJ而是朝向图像IMG。在这种情况下，在常规的透镜系统中，虽然可以实现所需的性能和校正注入角，但是由于总长度的减小，很难使透镜系统的总长度(T)与照相装置的对角长度(D)之比率(T/D)小于“1”。
按照本实施例的照相透镜满足以下的条件。
0.5＜f/|f2|＜1    (1)
此处，“f”是透镜系统的焦距，而“f2”是第二透镜20的焦距。
按照不等式1的条件，可以减小构成照相透镜的透镜系统的总长度，从而确保合适的Bf。若在以上的范围之外校正象差，则减小总体透镜系统的总长度或确保合适的Bf是很难实现的。
按照本实施例的照相透镜还满足以下的条件。
0.3＜f1/|f2|＜0.8    (2)
0.75＜f3/|f4|＜1     (3)
在以上的不等式中，“f1”，“f2”，“f3”，和“f4”分别是第一透镜10，第二透镜20，第三透镜30，和第四透镜40的焦距。在满足不等式2的条件时，校正围绕光轴的象差并同时减小透镜系统的总长度是容易实现的。此外，若满足不等式3的条件，则校正围绕周边部分的象差是容易实现的。若不能满足这些条件，则校正各种象差并同时减小透镜系统的总长度以及保持所需的注入角是很难实现的。
此外，按照本实施例的照相透镜还满足以下的条件。
v1-v2＞15          (4)
0.9＜v3/v4＜1.1    (5)
在不等式4和5中，“v1”，“v2”，“v3”，和“v4”分别是第一透镜10，第二透镜20，第三透镜30，和第四透镜40的阿贝数。
若满足不等式4的条件，则校正色差是很容易实现的。此外，利用不等式5的条件，可以同时校正轴向色差和放大色差。
在本发明的实施例中，非球面ASP的定义是由以下的公式给出。
x = c ′ y 2 1 + 1 - ( K + 1 ) c ′ 2 y 2 + A y 4 + B y 6 + Cy 8 + D y 10 - - - ( 6 )
此处，“x”是沿光轴方向离开透镜顶点的距离，“y”是沿垂直于光轴方向的距离，“K”是圆锥常数，“A，B，C和D”是非球面系数，和“c′”是在透镜顶点处的曲率半径的倒数(＝1/R)。
以下的描述涉及按照本发明各个实施例的透镜数据。此处。“f”是透镜系统的焦距，“f1”，“f2”，“f3”，和“f4”分别是第一透镜10，第二透镜20，第三透镜30，和第四透镜40的焦距，而“Bf”是后焦距。此外，“STO”表示孔径光阑。
<第一个实施例>
图1是按照本发明一个实施例的照相透镜的光学配置。图2表示图1所示照相透镜的纵向球面象差，场曲，和畸变。所示的纵向球面象差是相对于波长为656.2725(nm)，587.5618(nm)，546.0740(nm)，486.1327(nm)，435.8343(nm)，而所示的象散场曲是子午场曲(T)和弧矢场曲(S)。以下展示第一个实施例的透镜数据。
f：3.64mm，f1：2.64mm，f2：5.29mm，f3：2.23mm，f4：2.55mm，Fno：2.94，半像角(ω)：32.0°，注入角：23.2°，Bf(对空气重新计算)：0.908mm，Bf(包含滤波器)：1.01mm，T/D：4.098/4.48＝0.915
表面        曲率半径        间隔        折射率        阿贝数
OBJ         INFINITY        INFINITY
1(STO)      1.1736          0.450       1.68976       52.7
2           2.7574          0.372
3           -1.8155         0.400       1.63200       23.4
4           -4.2562         0.359
5           -4.7608         0.573       1.53318       57.0
6           -0.9945         0.426
7           -0.7556         0.610       1.53318       57.0
8           -2.1256         0.400
9           INFINITY        0.300       1.51680       64.2
10          INFINITY        0.310
IMG         INFINITY        0.000
非球面系数
1  K：-0.814857
A：0.933546E-01  B：0.156291E+00  C：-.270276E+00  D：0.491412E+00
2  K：-1.020496
A：0.360552E-01  B：0.000000E+00  C：0.000000E+00  D：0.000000E+00
3  K：5.618813
A：0.374498E-01  B：-.245422E+00  C：0.880929E+00  D：-.346733E+00
4  K：0.000000
A：0.482883E-01  B：-.366867E-01  C：-.103528E-02  D：0.374112E+00
5  K：0.000000
A：-.799988E-01  B：0.162944E+00  C：-.231694E+00  D：0.105829E+00
6  K：-4.000614
A：-.254496E+00  B：0.451907E+00  C：-.232175E+00  D：0.344666E-01
7  K：-1.766567
A：0.244689E+00  B：-.879476E-01  C：0.172483E-01  D：-.180884E-02
8  K：-0.000000
A：0.135029E+00  B：-.618082E-01  C：0.135973E-01  D：-.103097E-02
<第二个实施例>
图3是按照本发明另一个实施例的照相透镜的光学配置。图4表示图3所示照相透镜的纵向球面象差，场曲，和畸变。以下展示第二个实施例的透镜数据。
f：3.57mm，f1：2.50mm，f2：4.60mm，f3：1.98mm，f4：2.31mm，Fno：2.94，半像角(ω)：32.6°，注入角：22.2°，Bf(对空气重新计算)：0.858mm，Bf(包含滤波器)：0.969mm，T/D：4.098/4.48＝0.915
表面        曲率半径        间隔        折射率        阿贝数
OBJ         INFINITY        INFINITY
1(STO)      1.1979          0.450       1.69008       53.2
2           3.2947          0.316
3           -2.1623         0.400       1.63200       23.4
4           -8.7687         0.303
5           -3.5341         0.705       1.53318       57.0
6           -0.8736         0.432
7           -0.6913         0.634       1.53318       57.0
8           -2.0694         0.400
9           INFINITY        0.300       1.51680       64.2
10          INFINITY        0.260
IMG         INFINITY        0.000
非球面系数
1  K：-0.813945
A：0.985167E-01  B：0.136377E+00  C：-.187154E+00  D：0.411078E+00
2  K：8.024763
A：0.207964E-01  B：0.000000E+00  C：0.000000E+00  D：0.000000E+00
3  K：8.493156
A：0.123787E+00  B：-.239868E+00  C：0.503580E+00  D：-.202632E+00
4  K：0.000000
A：0.188510E+00  B：-.963151E-01  C：-.649468E-01  D：0.321760E+00
5  K：0.000000
A：-.121594E-01  B：0.179032E+00  C：-.236589E+00  D：0.743213E-01
6  K：-3.719325
A：-.287123E+00  B：0.483603E+00  C：-.228737E+00  D：0.277903E-01
7  K：-2.180093
A：0.215479E+00  B：-.833907E-01  C：0.190205E-01  D：-.228337E-02
8  K：-0.000000
A：0.149045E+00  B：-.660656E-01  C：0.146381E-01  D：-.113746E-02
<第三个实施例>
图5是按照本发明另一个实施例的照相透镜的光学配置。图6表示图5所示照相透镜的纵向球面象差，场曲，和畸变。以下展示第三个实施例的透镜数据。
f：3.55mm，f1：2.57mm，f2：5.41mm，f3：2.10mm，f4：2.37mm，Fno：2.94，半像角(ω)：32.5°，注入角：23.3°，Bf(对空气重新计算)：0.948mm，Bf(包含滤波器)：1.050mm，T/D：4.098/4.48＝0.915
表面        曲率半径        间隔        折射率        阿贝数
OBJ         INFINITY        INFINITY
1(STO)      1.2759          0.520       1.69008       53.2
2           3.7495          0.409
3           -1.2827         0.400       1.62300       23.4
4           -2.2871         0.296
5           -5.8284        0.570        1.53318        57.0
6           -0.9750        0.356
7           -0.7742        0.600        1.53318        57.0
8           -2.5309        0.400
9           INFINITY       0.300        1.51680        64.2
10          INFINITY       0.350
IMG         INFINITY       0.000
非球面系数
1  K：-8.122308
A：0.485111E+00  B：-.798665E+00  C：0.130707E+01  D：-.126420E+01
2  K：0.000000
A：-.671566E-01  B：-.270897E+00  C：0.191759E+00  D：-.978663E+00
3  K：0.000000
A：-.174091E+00  B：-.504499E+00  C：0.112577E+00  D：-.137031E+01
4  K：0.000000
A：0.207217E-01  B：-.206921E+00  C：0.373992E+00  D：0.257463E+00
5  K：6.465619
A：0.384742E-01  B：-.172270E+00  C：0.966087E-01  D：-.432027E-02
6  K：-0.666111
A：0.271693E+00  B：0.187698E-01  C：-.264732E-01  D：0.215674E-03
7  K：-2.088848
A：0.240775E+00  B：-.921450E-01  C：0.184297E-01  D：-.164891E-02
8  K：0.000000
A：0.108927E+00  B：-.514196E-01  C：0.973038E-02  D：-.507653E-03
<第四个实施例>
图7是按照本发明另一个实施例的照相透镜的光学配置。图8表示图7所示照相透镜的垂直球面象差，场曲，和畸变。以下展示第四个实施例的透镜数据。
f：3.55mm，f1：2.69mm，f2：3.84mm，f3：1.78mm，f4：2.21mm，Fno：2.94，半像角(ω)：32.5°，注入角：23.2°，Bf(对空气重新计算)：0.948mm，Bf(包含滤波器)：1.050mm，T/D：4.098/4.48＝0.915
表面        曲率半径        间隔        折射率        阿贝数
OBJ         INFINITY        INFINITY
1(STO)      1.2558          0.520       1.69008       53.2
2           3.1909          0.456
3           -1.4331         0.400       1.63200       23.4
4           -3.8185         0.251
5           54.2772         0.570       1.53318       57.0
6           -0.9666         0.353
7           -0.7495         0.600       1.53318       57.0
8           -2.6201         0.400
9           INFINITY        0.300       1.51680       64.2
10          INFINITY        0.350
IMG         INFINITY        0.000
非球面系数
1  K：-7.816901
A：0.490163E+00  B：-.769682E+00  C：0.123803E+01  D：-.114142E+01
2  K：0.000000
A：-.468616E-01  B：-.292017E+00  C：0.420222E+00  D：-.133588E+01
3  K：0.000000
A：-.343873E+00  B：-.419484E+00  C：0.956812E+00  D：-.175887E+01
4  K：0.000000
A：-.173775E+00  B：-.820753E-01  C：0.162489E+00  D：0.314284E+00
5  K：0.000000
A：0.260869E-01  B：-.202656E+00  C：0.159285E+00  D：-.354382E-01
6  K：-0.977119
A：0.301824E+00  B：-.171367E-01  C：-.357279E-01  D：0.655890E-02
7  K：-2.291668
A：0.227209E+00  B：-.862387E-01  C：0.171513E-01  D：-.149677E-02
8  K：-0.000000
A：0.107382E+00  B：-.473121E-01  C：0.704576E-02  D：-.814603E-04
在以上描述的第一个实施例至第四个实施例中，以下的表1给出满足不等式(1)至(5)的数值。
<表1>
  不等式1   不等式2   不等式3   不等式4   不等式5
  第一个实施例   0.688   0.499   0.875   29.3   1
  第二个实施例   0.776   0.543   0.857   29.8   1
  第三个实施例   0.656   0.475   0.886   29.8   1
  第四个实施例   0.924   0.701   0.805   29.8   1
如以上所描述的，在按照本发明的照相透镜中，朝向物体OBJ的第四透镜的表面是非球面，且该非球面包含拐点。因此，可以提供有足够分辨率的薄的和小型化照相透镜。此外，通过合适地选取第一透镜至第四透镜中每个透镜的非球面，可以实现比率T/D小于1，确保足够的Bf，并提供可以保持注入角在20°与25°之间的照相透镜以避免出现阴影问题。
虽然我们参照本发明的优选实施例具体展示和描述本发明，但是，专业人员应当明白，在不偏离所附权利要求书限定的本发明精神和范围的条件下，可以在形式和细节上做各种变化。

Claims (12)

1.一种照相透镜，包括：
有正折射本领的第一透镜；
有负折射本领的第二透镜；
有正折射本领的第三透镜；和
有负折射本领的第四透镜，
其中这些透镜的编号是按照离开物体的位置的顺序，和
其中朝向物体的第四透镜的表面是有拐点的非球面。
2.按照权利要求1的照相透镜，其中第一透镜至第四透镜中每个透镜的至少一个表面是非球面。
3.按照权利要求1的照相透镜，其中第一透镜至第四透镜中每个透镜的两个表面都是非球面。
4.按照权利要求1的照相透镜，其中孔径光阑设置在第一透镜与物体之间。
5.按照权利要求1的照相透镜，其中第一透镜是凹凸透镜，它的凸面朝向物体。
6.按照权利要求1的照相透镜，其中第二透镜是凹凸透镜，它的凸面朝向图像。
7.按照权利要求1的照相透镜，其中第四透镜是凹凸透镜，它的凸面朝向图像。
8.按照权利要求1的照相透镜，满足不等式0.5＜f/|f2|＜1，其中“f”是总体透镜焦距，而“f2”是第二透镜的焦距。
9.按照权利要求1的照相透镜，它满足不等式0.3＜f1/|f2|＜0.8，其中“f1”和“f2”分别是第一透镜和第二透镜的焦距。
10.按照权利要求9的照相透镜，它满足不等式0.75＜f3/|f4|＜1，其中“f3”和“f4”分别是第三透镜和第四透镜的焦距。
11.按照权利要求1的照相透镜，它满足不等式v1-v2＞15，其中“v1”和“v2”分别是第一透镜和第二透镜的阿贝数。
12.按照权利要求11的照相透镜，它满足不等式0.9＜v3/v4＜1.1，其中“v3”和“v4”分别是第三透镜和第四透镜的阿贝数。
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