CN102369469A

CN102369469A - 摄像透镜

Info

Publication number: CN102369469A
Application number: CN200980157687.7A
Authority: CN
Inventors: 铃木久则; 渡边慎吾; 栗原一郎; 松冈和雄
Original assignee: Kantatsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Visionary Optics Co Ltd
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2029-12-21
Also published as: WO2010074020A1; JP5227780B2; CN102369469B; US8824065B2; JP2010151935A; US20110255177A1

Abstract

通过利用衍射光学面，良好地校正色像差，1群1枚最小构造的透镜，为拍摄宽频光且广视角的物体，提供最佳的摄像透镜。在1枚构造的塑料制透镜L1的物体一侧形成凹面R2、在像点一侧形成凸面R4。将凹面R2和凸面R4分别制成非球面的同时，在凸面R4上形成发挥色散功能的衍射光学面R5，满足以下的条件式(1)(2)。条件式(1)0.45＜L/R＜0.95，条件式(2)-0.065＜L’(1-n)/R’＜0.035n L：以主光线和光轴交叉的位置作为光圈位置时的从凸面顶点到虚拟光圈的距离，L’：以主光线和光轴交叉的位置作为光圈位置时的从凹面顶点到虚拟光圈的距离，R：凸面的曲率半径，R’：凹面的曲率半径，n：透镜材质的折射率。

Description

摄像透镜

技术领域

本发明是关于一组搭载于便携电话等之中的小型的摄像透镜，特别是为了拍摄具有白色光等的宽频光且广视角的物体的摄像透镜。

背景技术

近年来，摄像透镜伴随着从相片胶卷向CCD、CMOS等的摄像元件的过渡，小型化迅速发展，向便携电话等的搭载成为可能。尽管由大量消费引起的低价格化的需求强烈，但不得不解决极端薄型化、电子式受光元件特有的制约等技术性问题。

即，在近几年，尽管在便携电话等之中搭载的摄像透镜是小型的，但在分辨率、画像品质方面，进一步要求高分辨率的高性能，为了满足这样的需求，在便携电话等中搭载的小型摄像透镜，如专利文献1～3所示，2～4枚构造的玻璃或塑料制透镜正成为主流。

以前的技术文献

专利文献1：特开2007-298719号公报

专利文献2：特开2005-326682号公报

专利文献3：特开2005-284153号公报

发明的概要

发明欲解决的课题

上述专利文献1～3中所示的摄像透镜，虽然是组合复数透镜，校正透镜的球面像差、像面弯曲的透镜，但是随着透镜数量越增加，成本越多，也就成为阻碍小型化的主要原因，进而，生产率也变得低下。另一方面，随着便携电话等的普及迅速发展，关于图像质量即使作出一些让步，对在生产率方面卓越、小型、低价格的摄像透镜的需求正在加强。在成本面上，因为减少透镜数量更在成本面上有利，所以在这种便携电话等中搭载的摄像透镜里，如果采用1枚构造的摄像透镜，在更小型化能够实现的同时，在成本面上也变得极其有利。但是，在1枚构造的摄像透镜上，对于因色像差校正、像面弯曲校正、电子式受光元件的入射光线角度的最优化的自由度几乎没有是实情，难以确保光学性能，存在这样的问题。

发明内容

鉴于上述的问题点，本发明的目的在于提供一种实用性的摄像透镜。该透镜即使是1枚的最小构造，在校正色像差的同时，能将像面弯曲校正到可接受的范围，并且得到朝向受光元件的最佳入射角。

为达上述目的，本发明采取的技术方案如下：

根据权利要求1所述的摄像透镜，其特征在于，从物体一侧依次设置调节进入透镜光量的控制部件和1枚塑料制透镜，分别在这个透镜的物体一侧形成凹面，在像点一侧形成凸面，在由非球面构成这些各个面的同时，上述凸面是发挥色散功能的衍射光学面。

根据权利要求2所述的摄像透镜，其特征在于，从基准点开始在以物体方向为负、像面方向为正的坐标系中，各光学元件被构成去满足以下的条件式。

(1)0.45＜L/R＜0.95

(2)-0.065＜L’(1-n)/R’＜0.035n

其中，

L：以主光线和光轴交叉的位置作为光圈位置时的从凸面顶点到虚拟光圈的距离

L’：以主光线和光轴交叉的位置作为光圈位置时的从凹面顶点到虚拟光圈的距离

R：凸面的曲率半径

R’：凹面的曲率半径

n：透镜材质的折射率

本发明的有益效果

因为本发明的摄像透镜是由最小构造片数构成的透镜，在小型化能够实现的同时，制造容易且能够降低成本。进而，通过设置以像面弯曲校正为目的、具有负屈光度的凹面，缩小珀兹伐和；通过在像面方向恰当距离光圈的位置设置具有正屈光度的凸面，能够最优化从透镜出来的主光线的出射角度。进而，通过最佳地设置拥有色散功能的衍射光学面，在校正色像差的同时，能够将像面弯曲有效地校正到可接受的范围。

另外，在光圈和凸面的距离中存在特定的最佳值，这个最佳值依据条件式(1)来定义。虚拟光圈和凸面的距离L与凸面的曲率半径R的比率L/R，如果小于0.45的话，同时校正轴上色像差和倍率的色像差变得困难。相反，如果L/R大于0.95时，关于通过衍射光学面进行色像差校正，虽然有富余，但是在畸变增加的同时，因为光学系统全体变得又长又大而与小型化的要求背道而驰。还有，虽然衍射光学面发生由衍射效率低下引起的二阶和三阶衍射造成的对比度下降的情况，但是通过光程差函数的最优化，将设计基准波长以外的衍射效率最小化，通过摄像元件后续的电处理，谋求对比度改善是可能的。

另外，在光圈和凹面的距离中存在特定的最佳值，该最佳值依据条件式(2)来定义。条件式(2)表示凹面和光圈的位置关系，并提供一个量用于良好地保持彗形像差、且缩小整个光学系统长度。条件式(2)提供一个值，该值通过用折射率将到虚拟光圈的距离正规化，并通过用具有凹面的屈光力除以最终值来获得，如果L’(1-n)/R’的值大于0.035的话，因为射入凹面的轴外光线的入射角变大，彗形像差因此增大。此外，同值在负方向上变成比-0.065大的值的话，虽然在像差校正上变得更加良好，但是在主光线射出角变得更小且背离最佳值的同时，整个光学系统变得又长又大而与小型化的要求背道而驰。

附图说明

图1是与实施例1相关的摄像透镜的构造图。

图2是与实施例1相关的摄像透镜的像差图。

图3是与实施例2相关的摄像透镜的像差图。

图4是与实施例3相关的摄像透镜的像差图。

图5是与实施例4相关的摄像透镜的构造图。

图6是与实施例4相关的摄像透镜的像差图。

图7是没有衍射光学面的1枚构造的摄像透镜的构造图。

图8是没有衍射光学面的1枚构造的摄像透镜的像差图。

图9是没有衍射光学面的1枚构造的摄像透镜的构造图。

图10是没有衍射光学面的1枚构造的摄像透镜的像差图。

标号说明

L1摄像透镜

R1镜框(控制部件)

R2凹面

R3、R3’虚拟面

R4凸面

R5衍射光学面

X光轴

S成像面

具体实施方式

为了实施发明的最佳形态

下面，关于本发明的实施例用图进行说明。首先，详细说明作为本发明的代表例的实施例1。在以下各实施例中省略重复的说明。

实施例1

说明书附图1和图2表示本发明的实施例1，图1表示摄像透镜的构造图，图2表示像差图。如图1所示，本实施例的基本构造是，在物体一侧设置作为调节进入透镜的光量的控制部件的镜框R1，在其后面设置1枚构造的摄像透镜L1。摄像透镜L1，分别在物体一侧形成凹面R2，在像点一侧形成凸面R4。这个凹面R2、凸面R4分别由非球面构成，且凸面R4由具有色散功能的衍射光学面R5构成。另外，为了容易地形成非球面，摄像透镜L1在材料中使用环烯塑料。

另外，在本实施例中，在摄像透镜L1的凸面R4和成像面S之间设置由平行平面R6、R7构成的保护玻璃。此外，在图1中，在d1、d2…d5和X分别表示面间隔和光轴的同时，主光线与光轴交叉的位置作为虚拟光圈，将其定义为虚拟面R3。

用数学公式1表示构成上述摄像透镜L1的凹面R2、凸面R4的非球面的非球面形状公式，数学公式2是光程差函数，在非球面上作为衍射光学面R5被形成。

数学公式1

Z = \frac{\frac{Y^{2}}{R}}{1 + \sqrt{1 - K \times \frac{Y^{2}}{R^{2}}}} + Σ_{i = 2}^{10} A_{2 i} \times Y^{2}

其中，

Z：自光轴在X轴方向(像面方向为正)的变化

Y：自光轴的高度

A_2i：非球面系数(i＝1～10)

K：离心率

R：非球面的近轴曲率半径

数学公式2

P = Σ_{i = 1}^{5} B_{2 i} Y^{2 i}

其中，

P：光程差(单位：波长)

B_2i：光程差函数系数(i＝1～5)

另外，实施例1的摄像透镜L1被构成以满足以下数学公式3的条件式(1)和(2)。

数学公式3

0.45＜L/R＜0.95 (1)

-0.065＜L’(1-n)/R’＜0.035n (2)

其中，

L：以主光线和光轴交叉的位置作为虚拟面R3(虚拟光圈)时的从凸面R4的顶点到所见的虚拟面R3(虚拟光圈)的距离，等于d3，符号为负

L’：以主光线和光轴交叉的位置作为虚拟面R3(虚拟光圈)时的从凹面R2的顶点到所见的虚拟面R3(虚拟光圈)的距离，等于d2

R：凸面R4的曲率半径

R’：凹面R2的曲率半径

n：透镜材质的折射率

另外，在表1中表示本实施例1的各透镜的曲率半径R(mm)、各面光轴上的面间隔d(mm)、透镜材质的d线中的折射率N_d以及阿贝数υ_d。另外，在表的下方表示本实施例1的整个光学系统的焦点距离f、F值、半视场角ω、及与条件式(1)和条件式(2)对应的值。还有，在表1以及以下的表中，与各符号对应的号码从物体一侧依次增加。

[表1]

f＝1.578 Fno＝2.8 ω＝32.5° L/R＝0.573

L’(1-n)/R’＝0.0116

在表2中表示本实施例1中的非球面系数和衍射光学面中的光程差函数的各常数的值。

[表2]

如以上，在本实施例中，通过具备在物体一侧设置作为调整光量的控制部件的镜框R1、在其背后配置1枚摄像透镜L1的基本性构造，谋求小型化和制造成本的削减。一般来说，通过1枚构造的透镜L1将像差最小化时，众所周知，制成凸面朝向物体一侧的近似于平凸透镜的形状、在透镜内部设置光圈是众所期待的。但是，在这个构造中，为了缩小像面弯曲，唯一的方法是提高构成透镜的透镜材质的折射率，别无他法。当视角扩大时，射向摄像元件的光线入射角度的自由度没有，阴影(shading)的问题就无法解决。

为了解决这些问题，通过设置以像面弯曲校正为目的的具有负屈光度的面，缩小像面弯曲；在像面方向恰当距离光圈的位置通过设置具有正屈光度的凸面，将从透镜出来的主光线的出射角度最优化成为可能。

但是，主光线一边以大的入射角度射入折射表面，一边以大的射出角度射出，使倍率的色像差恶化，与轴上色像差一起，恶劣影响波及成像性能。于是，本实施例加上轴上色像差，谋求通过在具有正屈光度的凸面R4上形成具有色散功能的衍射光学面R5，解决这个问题，。

衍射光学面R5，由使通过光程差函数定义的光程差产生的起伏(relief)所构成的，相对于通常玻璃的色散用d线的阿贝数从25到80来表示，衍射光学面的色散用大约-3.5的阿贝数来表示，衍射光学面具有显示有关带反号约一位数大的色散的性质。另外，通过玻璃等一般光学材料校正色像差时，至少通过2枚色散不同的材料构成透镜是必要的，但是通过在透镜里仅设置1面衍射光学面，就可能发挥上述大的色散功能，有效地实现色像差校正。

另一方面，虽然衍射光学面R5对于设计基准波长衍射效率极高，但是如果偏离设计基准波长、光线入射角变大的话，存在衍射效率低下的缺点，因此需要尽可能缩小这些缺点影响的设计。

利用不使用衍射光学面R5的一般性的玻璃等构成的透镜，在校正色像差时，用于色像差校正的部件是一枚时，通常会配置在比较接近光圈的位置。通过同样也在光圈附近位置配置衍射光学面R5，轴上、轴外能一起进行色像差校正。但是，如实施例1视角变大的话，因为光线入射角变大，导致衍射效率的急剧下降，使周边部分的对比度大幅下降。

于是，在本实施例中为了与大的视角相适应，通过在离虚拟面R3(虚拟光圈)最远的凸面R4上配置衍射光学面R5，谋求这个问题的解决。通过在物体一侧配置调节进入透镜L1光量的镜框R1，在其背后配置凹面R2，将主光线和光轴交叉的虚拟面R3(虚拟光圈)制成时的从虚拟面R3(虚拟光圈)的位置到凸面R4的距离最佳设定的话，射向凸面R4的主光线入射角被抑制在特定的大小范围内，关于轴外光线也可以通过光线入射角的变化将衍射效率的降低控制在最小范围。

另外，通过增大凹面R2与凸面R4的距离，相对地增强各面R2、R4的屈光度是可能的，结果，通过珀兹伐和变小，像面弯曲进行良好地校正是可能的。但是，凹面R2与凸面R4的距离变大的话，由于凸面R4的主光线通过位置成为更远离光轴的位置，畸变增加，朝向电子受光元件的光线入射角度变得过小，因此是有限度的。进而，在通过衍射光学面R5对轴上光线进行色像差校正时，因为轴外光线被非对称的凸起构成，与倍率的色像差一起，波长不同的慧形像差的发生量偏向，变成良好的像差校正无法完成的结果。

从以上的性质可知，在凸面R4上配置衍射光学面R5是必要的，在虚拟面R3(虚拟光圈)与凸面R4的距离中存在特定的最佳值。这个最佳值通过数学公式3的条件式(1)被定义。虚拟面R3(虚拟光圈)与凸面R4的距离L与凸面R4的曲率半径R的比率L/R小于0.45的话，同时校正轴上色像差和倍率的色像差变得困难。相反，L/R大于0.95时，关于通过衍射光学面R5进行的色像差校正，虽然有富余，但是在畸变增加的同时，因为光学系统全体变得大而与小型化的要求背道而驰。还有，虽然衍射光学面R5发生由衍射效率低下引起的二阶和三阶衍射造成的对比度下降的情况，但是通过光程差函数的最优化，将设计基准波长以外的衍射效率最小化，通过摄像元件后续的电处理，谋求对比度改善是可能的。

数学公式3的条件式(2)表示凹面R2与虚拟面R3(虚拟光圈)的位置关系，并提供一个量用于良好地保持彗形像差、且缩小整个光学系统长度。条件式(2)提供一个值，该值通过用折射率将到虚拟面R3(虚拟光圈)的距离正规化，并通过用具有屈光力的凹面R2除以最终值来获得。如果L’(1-n)/R’的值大于0.035的话，因为射入凹面的轴外光线的入射角变大，彗形像差因此增大。此外，同值在负方向上变成大于-0.065的值的话，虽然在像差校正上变得更加良好，但是在主光线射出角变得更小且背离最佳值的同时，整个光学系统变得又长又大而与小型化的要求背道而驰。

在实施例1中，从凸面R4到虚拟面R3(虚拟光圈)的距离L等于d3，从凹面R2到虚拟光圈的距离L’等于d2，凸面R4的曲率半径R、凹面R2的曲率半径R’、透镜材质的折射率n在条件式(1)和条件式(2)规定的范围内。据此，利用被称为1枚的最小构造片数，将色像差和其他像差校正到实用性的水平是可能的，可以提供生产效率高、低成本的透镜。特别是，在小型化、低价格化的需求强烈的便携电话搭载用的摄像透镜的领域，效果很大。

实施例2

图3表示实施例2的像差图，与实施例2相关的摄像透镜的构造与实施例1有大概相同的透镜构造，省略重复部分的详细说明，尽管透镜的中心厚度大，但是凸面到虚拟光圈的距离缩短了。

在表3中，表示本实施例2的各透镜的曲率半径R(mm)、各面光轴上的面间隔d(mm)、透镜材质的d线中的折射率N_d以及阿贝数υ_d。另外，在表的下方表示本实施例2的整个光学系统的焦点距离f、F值、半视场角ω、及与条件式(1)和条件式(2)对应的值。

[表3]

f＝1.640 Fno＝3.2 ω＝30.8° L/R＝0.511

L’(1-n)/R’＝0.00306

在表4中表示本实施例2中的非球面系数和衍射光学面中的光程差函数的各常数的值。

[表4]

实施例3

图4表示实施例3的像差图，与实施例3相关的摄像透镜的构造与实施例1有大概相同的透镜构造，尽管色散大的聚碳酸酯树脂被用于透镜材料，但是轴上色像差和倍率的色像差还是被良好地校正。

在表5中，表示本实施例3的各透镜的曲率半径R(mm)、各面光轴上的面间隔d(mm)、透镜材质的d线中的折射率N_d以及阿贝数υ_d。另外，在表的下方表示本实施例3的整个光学系统的焦点距离f、F值、半视场角ω、及与条件式(1)和条件式(2)对应的值。

[表5]

面	R	d	N_d	υ_d
					1镜框	∞	0.0580
2(非球面)	-1.8688	0.1659	1.58371	30.2
					3光圈	∞	0.3989	1.58371	30.2
4(衍射光学面)	-0.7377	0.5000
					5	∞	0.4000	1.51680	64.2
6	∞	(0.9297)

f＝1.564 Fno＝2.8 ω＝32.6° L/R＝0.541

L’(1-n)/R’＝0.00327

在表6中表示本实施例3中的非球面系数和衍射光学面中的光程差函数的各常数的值。

[表6]

实施例4

图5和图6表示本发明的实施例4，图5表示摄像透镜的构造图，图6表示像差图。图5表示的与实施例4相关的摄像透镜的构造与实施例1有大概相同的透镜构造，在摄像透镜L1的物体一侧具备光圈R1’的同时，虚拟面(虚拟光圈)R3’比摄像透镜L1更处于物体一侧，被设置在摄像透镜L1的外面，该虚拟面(虚拟光圈)R3’在通过凹面R2形成虚像，从凸面R4的顶点看时，在比凹面R2更近物体一侧0.1103mm的位置被形成。

在表7中，表示本实施例4的各透镜的曲率半径R(mm)、各面光轴上的面间隔d(mm)、透镜材质的d线中的折射率N_d以及阿贝数υ_d。另外，在表的下方表示本实施例4的整个光学系统的焦点距离f、F值、半视场角ω、及与条件式(1)和条件式(2)对应的值。

[表7]

面	R	d	N_d	υ_d
					1镜框	∞	0.0800
2光圈	∞	0.1165
					3(非球面)	-1.0957	0.3782	1.52511	56.2
4(衍射光学面)	-0.5779	0.5000
					5	∞	0.4000	1.51680	64.2
6	∞	(1.0384)

f＝1.641 Fno＝3.2 ω＝30.8° L＝-0.4885

L/R＝0.845 L’(1-n)/R’＝-0.0559

在表8中表示本实施例4中的非球面系数和衍射光学面中的光程差函数的各常数的值。

[表8]

还有，为了将上述实施例1～4的效果在数值上明确，关于没有衍射光学面的一般性的1枚构造的塑料非球面透镜，参照图7的摄像透镜的构造图、图8的像差图和以下的表9、表10，进行说明。即，图7的摄像透镜虽然是与上述实施例4类似的构造，但是凸面R4不是衍射光学面，而是数学公式1中说明的一般性的非球面。

表9表示各透镜的曲率半径R(mm)、各面光轴上的面间隔d(mm)、透镜材质的d线中的折射率N_d以及阿贝数υ_d。另外，在表的下方表示整个光学系统的焦点距离f、F值、半视场角ω、及与条件式(1)和条件式(2)对应的值。

[表9]

面	R	d	N_d	υ_d
					1镜框	∞	0.0780
2光圈	∞	0.1277
					3(非球面)	-1.1244	0.3512	1.52511	56.2
4(非球面)	-0.5277	0.5000
					5	∞	0.4000	1.51680	64.2
6	∞	(0.9483)

f＝1.565 Fno＝2.8 ω＝32.5° L＝-0.4717

L/R＝0.894 L’(1-n)/R’＝-0.0596

[表10]

非球面(第3面)

非球面系数

K＝0.0000

A₄＝-1.9937170

A₆＝5.6980870

A₈＝-261.38828

A₁₀＝965.08382

A₁₂＝-36247.406

非球面(第4面)

非球面系数

K＝-0.9350

A₄＝-1.0848882

A₆＝-2.9618021

A₈＝-57.737091

A₁₀＝598.69595

A₁₂＝-2682.3836

如图8、图10所示，尽管球面像差、像面弯曲、畸变与关系到本发明的实施例在大致相同水平被校正，但是轴上色像差、倍率的色像差一起，在关系到本发明的实施例1～4中并没有涉及。

如以上，根据本发明的摄像透镜，通过将衍射光学面R5配置在最佳的位置上，利用被称为1枚的最小构造片数，将色像差和其他像差校正到实用性的水平是可能的，可以提供生产效率高、低成本的透镜。特别是，在小型化、低价格化的需求强烈的便携电话搭载用的摄像透镜的领域，效果很大。

Claims

1.一种摄像透镜，其特征在于，从物体一侧依次设置调节进入透镜光量的控制部件和1枚塑料制透镜，分别在这个透镜的物体一侧形成凹面，在像点一侧形成凸面，在由非球面构成这些各个面的同时，上述凸面是发挥色散功能的衍射光学面。

2.根据权利要求1所述的摄像透镜，其特征在于，从基准点开始在以物体方向为负、像面方向为正的坐标系中，各光学元件被构成去满足以下的条件式。

(1)0.45＜L/R＜0.95

(2)-0.065＜L’(1-n)/R’＜0.035n

其中，

R：凸面的曲率半径

R’：凹面的曲率半径

n：透镜材质的折射率