CN102998772B - 镜头光学单元和成像器件 - Google Patents

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Abstract

提供了镜头光学单元和成像器件。该镜头光学单元包括布置在固态图像传感器的物侧的至少一个透镜。固态图像传感器的成像面具有使得光轴方向上的下陷量随着距光轴的距离增大而增大的非平面拆卸，并且满足条件表达式：ρ×Sag>0，其中ρ表示光学单元的Petzval曲率，被表示为： rk表示从物侧开始的第k透镜面的曲率半径，nk表示入射到从物侧开始的第k透镜面之前介质的折射率，n’k表示从物侧开始的第k透镜面发出之后介质的折射率，以及Sag表示与成像面上光轴之外的给定点相关的光轴方向上的下陷量。

Description

镜头光学单元和成像器件
技术领域
本技术涉及镜头光学单元和成像器件。更具体地说，本技术涉及具体地适用于采用固态图像传感器作为小型高性能成像单元的数码相机、摄像机、监控相机等的镜头光学单元和成像器件。
背景技术
最近几年，诸如数码相机的成像器件的市场显著成长，并且用户对数码相机等的要求更加多样。此外，最近几年，对拍摄镜头的亮度和增大有效地实现低噪拍摄和高动态范围的成像元件的尺寸的要求日益增加，更不用说对提高图像质量、减小尺寸和减小厚度的要求。
众所周知，当成像元件的尺寸增大时，镜头光学单元相应增大。具体地说，在采用固态图像传感器作为成像单元的数码相机的镜头光学单元中，入射到成像面上的光线的角度的可接受水平低，并且为了使光线尽可能垂直地入射，需要接近远心（telecentric）光学单元的光学设计。因此，难以实现非常小的光学单元。
此外，为了在从捕获图像或视频的中心到边缘的范围的整个屏幕中实现高分辨率，需要适当地校正成像面上形成的光学图像的场曲率。然而，为了实现此，需要将用于校正场曲率的会聚透镜（collecting lens）添加到光学单元。因此，这显著限制了光学单元的尺寸减小。特别是在焦深度浅的F数的亮透镜（bright lens）中，该限制很大，并且难以减小尺寸。
作为用于执行场曲率校正的成像器件，已经通常了具有曲面的图像面转换元件布置在固态图像传感器的物侧的成像器件（参见第2010-109096号日本未决专利申请（JP-A））。
发明内容
然而，在JP-A No.2010-109096公开的镜头光学单元中，图像面转换元件配置为执行场曲率校正，但是可不关于曲面形状进行具体设计，因此，不可能执行充分的场曲率校正。
此外，在JP-A No.2010-109096公开的镜头光学单元中，由于图像面转换元件布置在固态图像传感器的物侧，所以总光学长度变长，因此，难以减小尺寸。
为了解决上述问题做出了本技术，并且希望提供通过执行尺寸减小和充分的场曲率校正来实现高光学性能的镜头光学单元和成像器件。
根据本公开实施例，提供了镜头光学单元，包括布置在固态图像传感器的物侧的至少一个透镜。固态图像传感器的成像面具有使光轴方向上的下陷量随距光轴的距离增大而增大的非平面形状，并且满足条件表达式（1）：（1）ρ×Sag>0，其中ρ表示光学单元的Petzval曲率，被表示为： rk表示从物侧开始的第k个透镜面的曲率半径，nk表示入射到从物侧开始的第k个透镜面之前介质的折射率，n’k表示从物侧开始的第k透镜面发出之后介质的折射率，以及Sag表示与成像面的光轴之外的给定点相关的光轴方向上的下陷量（图像侧方向是正）。
因此，在镜头光学单元中，可以将成像面与在其获得光学图像的最佳分辨率的图像面匹配。
在上述镜头光学单元中，优选地满足条件表达式（2）。
（2）ρ<0。
当满足条件表达式（2）时，Petzval曲率具有负符号。
在上述镜头光学单元中，优选地，固态图像传感器的成像面的非平面形状是关于光轴旋转对称的曲面形状。
固态图像传感器的成像面的非平面形状是关于光轴旋转对称的曲面形状，且因此，可以以旋转对称的形状形成配置镜头光学单元的每个透镜的透镜面形状。
在上述镜头光学单元中，优选地，在整个变焦区域内在无限远处拍摄的状态下具有最大视场角的主光线入射到成像面的角度满足条件表达式（3）：θmax<45°，其中θmax表示具有最大视场角的主光线入射到成像面的角度（垂直入射被设置为0°）。
在整个变焦区域内在无限远处拍摄的状态下具有最大视场角的主光线入射到成像面上的角度满足条件表达式（3），入射到固态图像传感器上的光束的角度减小。
在上述镜头光学单元中，优选地，固态图像传感器的整个成像面具有相同曲率的球形形状。
由于固态图像传感器的整个成像面具有相同曲率的球形形状，所以成像面的形状可以简化。
在上述镜头光学单元中，优选地，固态图像传感器的成像面和光学单元的焦距满足下面的条件表达式（4）：-5.0<Rimg/finf＜-1.0，其中Rimg表示固态图像传感器的成像面的曲率半径，而finf表示聚焦在无限远处时光学单元的焦距。
在固态图像传感器的成像面和光学单元的焦距满足条件表达式（4）时，成像面的曲率度降低，并且固态图像传感器的成像面的曲率相对于镜头光学单元的焦距变大。
在上述镜头光学单元中，优选地布置包括两个正透镜和两个负透镜的总共四个透镜作为镜头。
当在镜头处布置包括两个正透镜和两个负透镜的总共四个透镜时，在配置镜头光学单元的透镜的数量少的状态下可以执行各种像差校正。
在上述镜头光学单元中，优选地，最靠近图像侧的透镜是具有向着图像侧凸起的形状的凹新月透镜。
当最靠近图像侧的透镜是具有向着图像侧凸起的形状的凹新月透镜时，可以提高最靠近图像侧的透镜的放大率。
在上述镜头光学单元中，优选地，在最靠近图像侧的透镜面上形成非球面。
当在最靠近图像侧的透镜面上形成非球面时，可以适当地校正光学单元的像散。
根据本公开实施例，提供了成像器件，包括：镜头光学单元；以及固态图像传感器，用于将由镜头光学单元形成的光学图像转换为电信号。镜头光学单元包括布置在固态图像传感器的物侧的至少一个透镜，固态图像传感器的成像面具有使得光轴方向上的下陷量随距光轴方向的距离增大而增大的非平面形状，并且满足条件表达式（1）：（1）ρ×Sag>0，其中ρ表示光学单元的Petzval曲率，被表示为：rk表示从物侧开始的第k透镜面的曲率半径，nk表示入射到从物侧开始的第k透镜面之前介质的折射率，n’k表示从物侧开始的第k透镜面发出之后介质的折射率，以及Sag表示与成像面的光轴之外的给定点相关的光轴方向上的下陷量（图像侧方向是正）。
因此，在成像器件中，可以将成像面与在其上获得光学图像的最佳分辨率的图像面匹配。
根据上面描述的本技术实施例，可以提供能够通过执行尺寸减小和充分的场曲率校正而实现高光学性能的镜头光学单元和成像器件。
附图说明
图1与图2至图4一起示出根据本技术具体实现镜头光学单元和成像器件的典型实施例，并且是示出配置和光路的概念图；
图2是示出不同形状的成像面的示例的概念图；
图3是示出根据第一实施例的镜头光学单元的镜头配置的示意图；
图4是示出具体数值应用于第一实施例的数值示例的球差、像散以及失真的示意图；
图5是示出根据第二实施例的镜头光学单元的镜头配置的示意图；
图6是示出具体数值应用于第二实施例的数值示例的球差、像散以及失真的示意图；
图7是示出根据第三实施例的镜头光学单元的镜头配置的示意图；
图8是示出具体数值应用于第三实施例的数值示例的球差、像散以及失真的示意图；
图9是示出根据第四实施例的镜头光学单元的镜头配置的示意图；
图10是示出具体数值应用于第四实施例的数值示例的球差、像散以及失真的示意图；
图11是示出根据第五实施例的镜头光学单元的镜头配置的示意图；
图12是与图13一起示出具体数值应用于第五实施例的数值示例的像差图，并且是示出广角端状态下的球差、像散以及失真的示意图；
图13是示出远摄端状态下的球差、像散以及失真的示意图；以及
图14是示出成像器件的示例的框图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本公开的优选实施例。注意，在该说明书和附图中，利用相同的附图标记表示功能和结构基本相同的结构单元，并且省略重复解释这些结构单元。
下面将描述具体实现根据本技术的镜头光学单元和成像器件的典型实施例。
[镜头光学单元的配置]
在根据本技术的镜头光学单元中，至少一个透镜布置在固态图像传感器的物侧，并且固态图像传感器的图像面IMG具有非平面形状，使得如图1所示随着距光轴的距离增大，光轴方向的下陷（sag）量增大。盖玻璃CG布置在成像面IMG的物侧。
图1示出以对物侧凹入的非平面形状形成成像面IMG的示例。然而，成像面IMG可以以对物侧凸起的非平面形状形成，如图2所示。
成像面IMG可以不具有关于光轴旋转对称的形状，并且可以不是球形形状。
当镜头光学单元具有上述配置时，即使在镜头光学单元中发生大的场曲率像差时，仍可以将成像面与在其获得光学图像的最佳分辨率的图像面匹配，且因此，在从图像或者视频的中心到最外围部分（最外周部分）的整个屏幕中可以保证良好分辨率。
此外，根据本技术的镜头光学单元配置为满足下面的条件表达式（1）。
（1）ρ×Sag>0
在此，
ρ：光学单元的Petzval曲率，被表示为：
rk：从物侧开始的第k透镜面的曲率半径
nk：入射到从物侧开始的第k透镜面之前介质的折射率
n’k：从物侧开始的第k透镜面发出之后介质的折射率
Sag：与成像面中光轴之外的给定点相关的光轴方向上的下陷量（图像侧方向是正）
条件表达式（1）是用于指定镜头光学单元所取的场曲率像差的状态和固态图像传感器的成像面所取的非平面形状的最佳条件的公式。
在此，当条件表达式（1）太小并且落在下限之下时，镜头光学单元的场曲率的方向和固态图像传感器的成像面的形状的方向在互相相反的方向上变化，因此，导致图像质量严重下降。
因此，当镜头光学单元满足条件表达式（1）时，镜头光学单元的场曲率的方向和固态图像传感器的成像面的形状的方向不在互相相反的方向上变化，因此，场曲率像差成功校正，并且图像质量改善。
此外，在根据本技术的镜头光学单元中，成像面IMG以其中随着距光轴的距离增大光轴方向的下陷量d增大的非平面形状形成，并且在满足条件表达式（1）时，减少了在成像面IMG上的入射光线的限制，并因此可以减少透镜的数量。
因此，可以实现尺寸减小，并且可以保证高光学性能。
优选地，根据本技术实施例的镜头光学单元满足下面的条件表达式（2）。
2）ρ<0
在此，ρ表述条件表达式（1）中的Petzval曲率。
条件表达式（2）是用于指定镜头光学单元取的场曲率像差的状态的公式。
通常，众所周知，为了减小镜头光学单元的尺寸，希望设计镜头光学单元的出瞳位置具有负的符号。然而，当Petzval曲率太大并且超过条件表达式（2）的上限时，意味着Petzval曲率具有正符号。
在此，当Petzval曲率具有正符号时，出现其中光学图像面向着物侧凸起的场曲率像差，因此，镜头光学单元的出瞳位置不可避免地具有正符号。因此，难以减小镜头光学单元的尺寸和提高其图像质量。
因此，当镜头光学单元满足条件表达式（2）时，可以减小尺寸，并且可以提高图像质量。
在根据本技术实施例的镜头光学单元中，固态图像传感器的成像面的非平面形状优选地是关于光轴旋转对称的曲面形状。
由于固态图像传感器中的成像面的非平面形状具有关于光轴旋转对称的曲面形状，所以配置镜头光学单元的每个透镜的透镜面形状以旋转对称的形状形成，因此，可以简化光学设计和镜头的制造。
在根据本技术实施例的镜头光学单元中，优选地，在整个变焦区域中在无限远处拍摄的状态下具有最大视场角的主光线入射到成像面上的角度满足下面的条件表达式（3）。
（3）θmax<45°
θmax：具有最大视场角的主光线入射到成像面上的角度（垂直入射设置为0°）。
条件表达式（3）是用于指定具有最大视场角的主光线入射到成像面上的角度的公式。
当该角过大并且超过条件表达式（3）时，入射到固态图像传感器上的光线的角度过于以斜角方向倾斜，因此，具体地说，屏幕边缘部分周围的光量显著降低。此外，布置在固态图像传感器上的片上透镜不充分工作，并且入射光作为散射光进入像素之间的相邻二极管元件。因此，具体地说，在可以输出彩色图像的成像元件产生混合色，且因此图像质量降低。
然而，优选地，根据实施例的镜头光学单元配置为满足下面的条件表达式（3）’。
（3）’5°<θmax<35°
当镜头光学单元满足条件表达式（3）’时，可以进一步获得上述优点。
此外，优选地，根据实施例的镜头光学单元配置为满足下面的条件表达式（3）”。
（3）”7.5°<θmax<25°
当镜头光学单元满足条件表达式（3）”时，可以进一步最大限度地获得上述优点。
在根据本技术实施例的镜头光学单元中，优选地，固态图像传感器的整个成像面具有相同曲率的球面形状。
当固态图像传感器的整个成像面以具有相同曲率的球面形状形成时，当其成像面具有非平面形状的固态图像传感器被制造或者批量生产然后管理时，可以简单地测量并且管理成像面的形状。
在根据本技术实施例的镜头光学单元中，优选地，固态图像传感器的成像面和光学单元的焦距满足下面的条件表达式（4）。
（4）-5.0<Rimg/finf＜-1.0
Rimg：固态图像传感器的成像面的曲率半径
finf：聚焦在无限远处时光学单元的焦距
条件表达式（4）是用于指定固态图像传感器的成像面的曲率半径与镜头光学单元的整个系统的焦距之间的比率的等式。
在此，当该比例过大并且超过条件表达式（4）的上限时，固态图像传感器的成像面的曲率相对于镜头光学单元的焦距过大，且因此，成像面设计得比场曲率像差所需的更弯曲。因此，特别是光轴方向上的镜筒的厚度显著增大。
然而，当该比例过小并且落在条件表达式（4）的下限之下时，固态图像传感器的成像面的曲率相对于镜头光学单元的焦距过小，因此，需要在镜头光学单元侧校正场曲率像差。
优选地，根据实施例的镜头光学单元配置为满足下面的条件表达式（4）’。
（4）’-4.75<Rimg/finf＜-1.5
当镜头光学单元满足条件表达式（4）’时，可以最大限度地实现上述优点。
在根据本技术实施例的镜头光学单元中，优选地布置包括两个正透镜和两个负透镜的总共四个透镜。
通过布置包括两个正透镜和两个负透镜的总共四个透镜，配置镜头光学单元的透镜的数量可以减小到所需的最少数量，然后，可以适当地执行各种像差校正，并且可以保证高分辨率。
在根据本技术实施例的镜头光学单元中，优选地，最靠近图像侧的透镜是具有向着图像侧凸起的形状的凹新月透镜。
利用具有向着图像侧凸起的形状的凹新月透镜作为最靠近图像侧的透镜，最靠近图像侧的透镜的放大率可以提高，整个光学单元的尺寸可以减小，并且可以抑制因为最靠近图像侧的透镜面发生像散。
在根据本技术实施例的镜头光学单元中，优选地，在最靠近图像侧的透镜面上形成非球面。
利用最靠近图像侧的透镜面上的非球面，光学单元的像散可以适当地校正，因此可以改善图像质量。
镜头光学单元可以通过在光轴方向上移动全部或者一部分光学单元来执行聚焦，并且可以通过在垂直于各种的方向上移位全部或者一部分光学单元来执行相机抖动校正。
此外，根据镜头光学单元的聚焦和变焦，可以有效地调整上述实施例所示的固态图像传感器的成像面的非平面形状。因此，该实施例也包括在本技术的技术范围内。
[镜头光学单元的数值示例]
接着，将参考附图和表描述根据本技术的镜头光学单元的具体实施例和具体数值应用于实施例的数值示例。
在此，表或者描述中使用的符号等具有下面的意义。
“si”表示从物侧到图像侧计数的第i面的面编号，“ri”表示第i面的旁轴曲率半径，“di”表示第i面与第（i+1）面之间的同轴面间隔（透镜的中心或者气隙的厚度），“ni”表示从第i面等开始的透镜的d线（λ＝587.6nm）的折射率，以及“vi”表示从第i面等开始的透镜的d线的阿贝数。
与“si”相关的每个“ASP”表示相应面是非球面。“STO”表示相应面是孔径光阑，“IMG”表示相应面是固态图像传感器的成像面，以及与“ri”相关的“INFINITY”表示相应面是平面。
“f”表示焦距，“Fno”表示F数且“ω”表示半视场角。
“κ”表示锥体常数，且“A”、“B”、“C”和“D”分别表示四阶非球面系数、6阶非球面系数、8阶非球面系数以及10阶非球面系数。
在示出非球面系数的每个表中，“E-n”表示以10为基数的指数表示，即，“10-n”。例如，“0.12345E-05”表示“0.12345×10-5”
在每个实施例使用的镜头光学单元中，透镜面均形成在非球面上。当“x”是在光轴方向上距透镜面的顶点的距离（下陷量），“y”是垂直于光轴方向的的方向上的高度（图像高度），“c”是在透镜的顶点的旁轴曲率（曲率半径的倒数），“κ”是锥体常数且“A”、“B”、“C”和“D”分别表示四阶非球面系数、6阶非球面系数、8阶非球面系数以及10阶非球面系数时，非球面形状由下面的公式1定义。
[公式1]
<第一实施例>
图3示出根据本技术第一实施例的镜头光学单元1的镜头配置。
镜头光学单元1包括从物侧到图像侧依次布置的第一正透镜G1、第一负透镜G2、第二负透镜G3、以及第二正透镜G4。
第一正透镜G1以对物侧凸起的新月透镜形式形成，第一负透镜G2以对物侧凸起的新月透镜形式形成，且胶合透镜由第一正透镜G1和第一负透镜G2配置。
第二负透镜G3以对物侧凹入的胶合透镜形成。
第二正透镜G4以对物侧凹入的胶合透镜形成。
孔径光阑STO布置在第一负透镜G2与第二负透镜G3之间。
盖玻璃CG布置在靠近成像面IMG的成像面IMG的物侧。
成像面IMG以对物侧凹入的非平面形状形成，例如，对物侧凹入的曲面形状。
表1示出具体数值应用于根据第一实施例的镜头光学单元1的第一数值示例的透镜数据。
[表1]
si ri di ni vi
1(ASP) 24.762 3.860 1.88202 37.221
2 84.898 1.464 1.8466 23.780
3 32.429 3.200
STO 无限远 3.600
5(ASP) -46.876 3.250 1.82115 24.058
6(ASP) -800.000 0.300
7(ASP) -124.049 4.756 1.59201 67.023
8(ASP) -14.961 25.757
9 无限远 1.000 1.51680 64.200
10 无限远 4.000
IMG -70.000
表2示出第一数值示例的焦距f、F数Fno以及半视场角ω。
[表2]
f 36.20
Fno 1.86
ω 31.75
在镜头光学单元1中，第一正透镜G1的物侧面（第一面）、第二负透镜G3的两个面（第五面和第六面）以及第二正透镜G4的两个面（第七面和第八面）以非球面形成。表3示出第一数值示例的锥体常数κ以及非球面的4阶、6阶、8阶和10阶非球面系数A、B、C和D。
[表3]
Si κ A B C D
1 0.00000E+00 2.94653E-06 7.27109E-10 2.06435E-10 0.00000E+00
5 0.00000E+00 -1.81306E-04 -1.92452E-07 -1.79868E-09 0.00000E+00
6 0.00000E+00 -1.58428E-04 6.15336E-07 -1.86090E-09 0.00000E+00
7 0.00000E+00 -6.83309E-05 7.28888E-07 -2.88958E-09 0.00000E+00
8 0.00000E+00 -4.40698E-07 1.21284E-07 2.62575E-10 0.00000E+00
图4示出第一数值示例中在无限远处拍摄的状态下的各种像差图。在图4中，在非球面像差图中，实线表示d线（587.6nm的波长）上的值，而虚线表示g线（435.8nm的波长）上的值。此外，在像散图中，实线表示弧失图像面上的值，而虚线示出子午图像面上的值。
从各像差图可以理解，在第一数值示例中各种像差成功校正，因此，获得良好成像性能。
<第二实施例>
图5示出根据本技术第二实施例的镜头光学单元2的镜头配置。
镜头光学单元2包括从物侧到图像侧依次布置的第一正透镜G1、第一负透镜G2、第二负透镜G3以及第二正透镜G4。
第一正透镜G1以对物侧凸起的新月透镜形式形成，
第一负透镜G2以对物侧凸起的新月透镜形式形成。
第二负透镜G3以双凹形状形成，第二正透镜G4以双凸形状形成，且胶合透镜由第二负透镜G3和第二正透镜G4配置。
孔径光阑STO布置在第一负透镜G2与第二负透镜G3之间。
盖玻璃CG布置在靠近成像面IMG的成像面IMG的物侧。
成像面IMG以对物侧凹入的非平面形状形成，例如，对物侧凹入的曲面形状。
表4示出具体数值应用于根据第二实施例的镜头光学单元2的第二数值示例的透镜数据。
[表4]
Si ri di ni vi
1(ASP) 17.001 2.302 1.72903 54.041
2(ASP) 37.526 0.860
3(ASP) 41.071 1.500 1.68893 31.161
4(ASP) 21.996 3.000
STO 无限远 3.500
6 -31.783 1.000 1.75211 25.058
7 51.595 4.800 1.85135 40.100
8(ASP) -21.470 26.000
9 无限远 0.800 1.51680 64.200
10 无限远 3.500
IMG -70.000
表5示出第二数值示例的焦距f、F数Fno以及半视场角ω。
[表5]
f 36.45
Fno 2.85
ω 32.76
在镜头光学单元2中，第一正透镜G1的两个面（第一面和第二面）、第一负透镜G2的两个面（第三面和第四面）、以及第二正透镜G4的图像侧面（第八面）以非球面形成。表6示出第二数值示例中的锥体常数κ以及非球面的4阶、6阶、8阶和10阶非球面系数A、B、C和D。
[表6]
si κ A B C D
1 0.00000E+00 -6.30497E-05 -6.72635E-07 -2.13264E-09 0.00000E+00
2 0.00000E+00 -5.11124E-05 -1.22401E-06 5.27413E-09 0.00000E+00
3 0.00000E+00 3.23238E-04 -3.12676E-06 8.16335E-09 0.00000E+00
4 0.00000E+00 3.80955E-04 -2.00733E-06 -1.00396E-08 0.00000E+00
8 -2.14698E+01 0.00000E+00 -7.75288E-07 -4.85265E-08 6.04532E-10
图6示出第二数值示例中在无限远处拍摄的状态下的各种像差图。在图6中，在非球面像差图中，实线表示d线（587.6nm的波长）上的值，而虚线表示g线（435.8nm的波长）上的值。此外，在像散图中，实线表示弧失图像面上的值，而虚线示出子午图像面上的值。
从各像差图可以理解，在第二数值示例中，各种像差成功校正，因此，获得良好成像性能。
<第三实施例>
图7示出根据本技术第三实施例的镜头光学单元3的镜头配置。
镜头光学单元3包括从物侧到图像侧依次布置的第一正透镜G1、第一负透镜G2、第二负透镜G3以及第二正透镜G4。
第一正透镜G1以对物侧凸起的新月透镜形式形成，
第一负透镜G2以对物侧凸起的新月透镜形式形成。
第二负透镜G3以双凹形状形成，第二正透镜G4以双凸形状形成，且胶合透镜由第二负透镜G3和第二正透镜G4配置。
孔径光阑STO布置在第一负透镜G2与第二负透镜G3之间。
盖玻璃CG布置在靠近成像面IMG的成像面IMG的物侧。
成像面IMG以对物侧凹入的非平面形状形成，例如，对物侧凹入的曲面形状。
表7示出具体数值应用于根据第三实施例的镜头光学单元3的第三数值示例的透镜数据。
[表7]
si ri di Ni vi
1(ASP) 17.844 3.500 1.72903 54.041
2(ASP) 76.246 0.850
3(ASP) 61.880 1.850 1.68893 31.161
4(ASP) 19.396 3.600
STO 无限远 3.600
6 -59.316 1.200 1.75211 25.048
7 113.280 4.850 1.77250 49.467
8(ASP) -23.018 22.710
9 无限远 0.800 1.51680 64.200
10 无限远 3.800
IMG -85.000
表8示出第三数值示例的焦距f、F数Fno以及半视场角ω。
[表8]
f 36.11
Fno 2.26
ω 31.64
在镜头光学单元3中，第一正透镜G1的两个面（第一面和第二面）、第一负透镜G2的两个面（第三面和第四面）、以及第二正透镜G4的图像侧面（第八面）以非球面形成。表9示出第三数值示例的锥体常数κ以及非球面的4阶、6阶、8阶和10阶非球面系数A、B、C和D。
[表9]
si κ A B C D
1 0.00000E+00 -2.53793E-05 -2.32407E-07 3.48950E-10 0.00000E+00
2 0.00000E+00 -1.72633E-05 -6.73790E-08 1.11212E-10 0.00000E+00
3 0.00000E+00 1.82811E-04 -1.42255E-06 2.58381E-09 0.00000E+00
4 0.00000E+00 2.40327E-04 -1.25399E-06 -3.03090E-09 0.00000E+00
8 0.00000E+00 -3.45052E-06 -8.33716E-08 8.30287E-10 -6.34646E-12
图8示出第三数值示例中在无限远处拍摄的状态下的各种像差图。在图8中，在非球面像差图中，实线表示d线（587.6nm的波长）上的值，而虚线表示g线（435.8nm的波长）上的值。此外，在像散图中，实线表示弧失图像面上的值，而虚线示出子午图像面上的值。
从各像差图可以理解，在第三数值示例中，各种像差成功校正，因此，获得良好成像性能。
<第四实施例>
图9示出根据本技术第四实施例的镜头光学单元4的镜头配置。
镜头光学单元4包括从物侧到图像侧依次布置第一负透镜G1、第一正透镜G2、第二负透镜G3以及第二正透镜G4。
第一负透镜G1以对物侧凸起的新月透镜形式形成。
第一正透镜G2以双凸形状形成。
第二负透镜G3以双凹形状形成。
第二正透镜G4以双凸形状形成。
孔径光阑STO布置在第一正透镜G2与第二负透镜G3之间。
盖玻璃CG布置在靠近成像面IMG的成像面IMG的物侧。
成像面IMG以对物侧凹入的非平面形状形成，例如，对物侧凹入的曲面形状。
表10示出具体数值应用于根据第四实施例的镜头光学单元4的第四数值示例的透镜数据。
[表10]
si ri di ni vi
1(ASP) 41.184 1.400 1.55332 71.685
2(ASP) 19.370 23.305
3(ASP) 30.751 5.350 1.80139 45.450
4(ASP) -59.549 1.690
STO 无限远 1.500
6 -59.896 1.400 1.74077 27.761
7 24.158 1.029
8 35.787 3.971 1.61881 63.855
9(ASP) -27.363 29.486
10 无限远 1.000 1.51680 64.200
11 无限远 3.700
IMG -120.000
表11示出第四数值示例的焦距f、F数Fno以及半视场角ω。
[表11]
f 29.96
Fno 2.06
ω 37.44
在镜头光学单元4中，第一负透镜G1的两个面（第一面和第二面）、第一正透镜G2的两个面（第三面和第四面）、以及第二正透镜G4的图像侧面（第九面）以非球面形成。表12示出第四数值示例的锥体常数κ以及非球面的4阶、6阶、8阶和10阶非球面系数A、B、C和D。
[表12]
图10示出第四数值示例中在无限远处拍摄的状态下的各种像差图。在图10中，在非球面像差图中，实线表示d线（587.6nm的波长）上的值，而虚线表示g线（435.8nm的波长）上的值。此外，在像散图中，实线表示弧失图像面上的值，而虚线示出子午图像面上的值。
从各像差图可以理解，在第四数值示例中，各种像差成功校正，因此，获得良好成像性能。
<第五实施例>
图11示出根据本技术第五实施例的镜头光学单元5的镜头配置。
镜头光学单元5包括从物侧到图像侧依次布置的第一透镜组GR1、第二透镜组GR2、第三透镜组GR3以及第四透镜组GR4。
在此，镜头光学单元5的变焦放大率设置为2.3倍。
第一透镜组GR1配置为使得从物侧到图像侧依次布置对物侧凸起的新月透镜形式的负透镜G1和双凸形的正透镜G2，且胶合透镜由负透镜G1和正透镜G2配置。
第二透镜组GR2配置为使得从物侧到图像侧依次布置双凹形的负透镜G3和双凸形的正透镜G4。
第三透镜组GR3配置有对图像侧凸起的新月透镜形式的正透镜G5。
第四透镜组GR4配置为使得从物侧到图像侧依次布置对物侧凹入的新月透镜形式的正透镜G6、双凹形的负透镜G7以及对物侧凹入的新月透镜形式的负透镜G8。
孔径光阑STO布置在第二透镜组GR2与第三透镜组GR3之间。
盖玻璃CG布置在第四透镜组GR4与成像面IMG之间。
成像面IMG以对物侧凹入的非平面形状形成，例如，对物侧凹入的曲面形状。
表13示出具体数值应用于根据第五实施例的镜头光学单元5的第五数值示例的透镜数据。
[表13]
Si ri di ni vi
1 38.585 0.400 1.92286 20.880
2 31.704 1.609 1.49700 81.608
3 -63.089 (d3)
4(ASP) -602.321 0.300 1.72903 54.041
5(ASP) 6.155 1.509
6 81.600 1.400 1.48749 70.441
7 -5.827 0.300
STO 无限远 (d8)
9(ASP) -64.103 1.500 1.49710 81.560
10(ASP) -4.423 (d10)
11 -16.931 1.143 1.49710 81.608
12 -7.590 0.150
13 -17.008 0.300 1.88100 40.139
14 29.702 2.796
15(ASP) -5.982 0.300 1.61881 63.855
16(ASP) -12.500 (d16)
17 无限远 0.500 1.51680 64.200
18 无限远 1.700
IMG -50.000
在镜头光学单元5中，当广角端状态与远摄端状态之间的放大率变化时，第一透镜组GR1与第二透镜组GR2之间的面间隔d3、孔径光阑STO与第三透镜组GR3之间的面间隔d8以及第四透镜组GR4与盖玻璃CG之间的面间隔d16变化。表14示出第五数值示例中的焦距f、F数Fno和半视场角ω以及每个面间隔的广角端状态、中间焦距状态和远摄端状态中的可变间隔。
[表14]
广角端 中间焦距 远摄端
f 10.79 6.30 24.66
Fno 2.86 4.01 5.45
ω 37.80 26.27 17.84
(d3) 0.450 4.105 8.874
(d8) 1.655 1.471 1.301
(d10) 3.782 1.815 0.449
(d16) 0.500 6.163 13.365
在镜头光学单元5中，第二透镜组GR2的负透镜G3的两个面（第四面和第五面）、第三透镜组GR3的正透镜G5的两个面（第九面和第十面）、第四透镜组GR4的负透镜G8的两个面（第十五面和第十六面）以非球面形成。表15示出第五数值示例的锥体常数κ以及非球面的4阶、6阶、8阶和10阶非球面系数A、B、C和D。
[表12]
si κ A B C D
4 0.00000E+00 -1.46170E-03 1.45761E-05 -1.82402E-08 0.00000E+00
5 0.00000E+00 1.13942E-03 9.18269E-05 3.19685E-06 0.00000E+00
9 0.00000E+00 -1.12787E-04 -2.90212E-05 2.67967E-06 0.00000E+00
10 0.00000E+00 9.14482E-04 -1.66455E-05 4.06889E-06 0.00000E+00
15 0.00000E+00 -6.24824E-04 -2.83131E-05 3.01294E-06 -1.41809E-07
16 -6.19521E-01 -8.01398E-04 2.15819E-05 -3.34605E-07 0.00000E+00
图12和图13示出第五数值示例中在无限远处拍摄的状态下的各种像差图。图12示出广角端状态下的各种像差图，而图13示出远摄端状态下的各种像差图。
在图12和图13中，在非球面像差图中，实线表示d线（587.6nm的波长）上的值，而虚线表示g线（435.8nm的波长）上的值。此外，在像散图中，实线表示弧失图像面上的值，而虚线示出子午成像面上的值。
从各像差图可以理解，在第五数值示例中，各种像差成功校正，因此，获得良好成像性能。
[镜头光学单元的条件表达式的值]
接着，将描述根据本技术的镜头光学单元的条件表达式的值。
表16示出镜头光学单元1至4中的条件表达式（1）至（4）的值。
[表16]
表17示出镜头光学单元5中的条件表达式（1）至（4）的值。
[表17]
从表16和表17可以看出，镜头光学单元1至5满足条件表达式（1）至（4）。
[成像器件的配置]
本技术的成像器件具有其中至少一个透镜R布置在固态图像传感器的物侧，并且如图1所示，固态图像传感器的成像面IMG具有使得光轴方向上的下陷量d随着距光轴方向的距离的增大而增大的非平面形状的镜头光学单元。盖玻璃CG布置在成像面IMG的物侧。
图1示出以对物侧凹入的非平面形状形成成像面IMG的示例。然而，成像面IMG可以以如图2所示对物侧凸起的非平面形状形成。
成像面IMG可以不具有关于光轴旋转对称的形状，并且可以不具有球形形状。
当镜头光学单元具有上述配置时，即使当在镜头光学单元中发生大的场曲率像差时，仍可以将成像面与在其上获得光学图像的最佳分辨率的图像面匹配，因此，在从图像或者视频的中心到最外围部分（最外周部分）的整个屏幕中可以保证良好分辨率。
此外，在根据本技术的成像器件中，镜头光学单元配置为满足下面的条件表达式（1）。
（1）ρ×Sag>0
ρ：光学单元的Petzval曲率，被表示为：
rk：从物侧开始的第k透镜面的曲率半径
nk：入射到从物侧开始的第k透镜面之前介质的折射率
n’k：从物侧开始的第k透镜面发出之后介质的折射率
Sag：与成像面中光轴之外的给定点相关的光轴方向上的下陷量（图像侧方向是正）
条件表达式（1）是用于指定镜头光学单元所取的场曲率像差的状态和固态图像传感器的成像面所取的非平面形状的最佳条件的公式。
在此，当条件表达式（1）过小，并且落在下限之下时，镜头光学单元的场曲率的方向和固态图像传感器的成像面的形状的方向在互相相反的方向上变化，因此，导致图像质量严重下降。
因此，当镜头光学单元满足条件表达式（1）时，镜头光学单元的场曲率的方向和固态图像传感器的成像面的形状的方向不在互相相反的方向上变化，因此，场曲率像差成功校正，并且图像质量改善。
此外，在根据本技术的成像器件中，在镜头光学单元中，成像面IMG以其中随着距光轴的距离的增大而光轴方向上的下陷量d增大的非平面形状形成，并且在满足条件表达式（1）时，减少了成像面IMG上的入射光线的限制，并因此可以减少透镜的数量。
因此，可以实现尺寸减小，并且可以保证高光学性能。
[成像器件的实施例]
图14是根据本技术的成像器件的实施例的数码相机的框图。
成像器件（数码相机）100包括：相机模块10，用于执行成像功能；相机信号处理单元20，用于关于捕获的图像信号执行诸如模数转换之类的信号处理；以及图像处理单元30，用于关于图像信号执行记录/再现处理。成像器件100还包括：液晶显示器（LCD），用于显示捕获的图像等；读/写器（R/W）50，用于从存储卡1000读图像信号或在存储卡1000中写图像信号；中央处理单元（CPU）60，用于控制成像器件的整体；输入单元70，包括用户通过其执行所需操作的各种开关；以及透镜驱动控制单元80，用于控制布置在相机模块10的透镜的驱动。
相机模块10配置有光学单元，该光学单元包括：镜头光学单元11（应用了本技术的镜头光学单元1至5）；电荷耦合器件（CCD）型、互补金属氧化物半导体（CMOS）型等的成像元件12；等等。
相机信号处理单元20执行各种信号处理，诸如将来自成像元件12的输出信号转换为数字信号的处理、降噪、图像质量校正以及转换为亮度/色差信号。
图像处理单元30根据预定数据格式执行图像信号的压缩编码/解压缩解码处理、诸如分辨率的数据规范的转换处理等。
LCD 40具有用于显示用户操作输入单元70的操作状态、诸如捕获图像的各种数据等的功能。
R/W 50将由图像处理单元30编码的图像数据写在存储卡1000中和读取记录在存储卡1000内的图像数据。
CPU 60作为控制成像器件100内设置的各电路模块的控制处理单元，并且根据来自输入单元70的指令输入信号来控制各电路模块。
例如，输入单元70包括用于执行触摸操作的快门释放按钮、用于选择操作模式的选择开关等，并且将对应于用户操作的指令输入信号输出到CPU60。
透镜驱动控制单元80例如根据来自CPU 60的控制信号控制用于驱动镜头光学单元11的每个透镜的马达（未示出）。
例如，存储卡1000是可附加到连接到R/W 50的槽的可拆卸半导体存储器。
接着，将描述成像器件100的操作。
在拍摄备用状态下，在CPU 60的控制下，由相机模块10捕获的图像信号经由相机信号处理单元20输出到LCD 40，然后显示为相机通过图像（camera-through image）。此时，当从输入单元70输入用于变焦的指令输入信号时，CPU 60将控制信号输出到透镜驱动控制单元80，镜头光学单元11中的预定透镜根据透镜驱动控制单元80的控制运动。
此外，当相机模块10的快门（未示出）响应于来自输入单元70的指令输入信号操作时，捕获的图像信号从相机信号处理单元20输出到图像处理单元20，然后通过压缩编码处理转换为预定数据格式的数字数据。转换的数据输出到R/W 50，然后写入存储卡1000中。
例如，当输入单元70的快门释放按钮半按下时，或者当快门释放按钮全按下用于记录（拍摄）时，执行聚焦以使得透镜驱动控制单元80根据来自CPU 60的控制信号移动镜头光学单元11的预定透镜。
此外，当记录在存储卡1000内的图像数据再现时，R/W 50响应于输入单元70上的操作从存储卡1000读取预定图像数据，然后，读取的图像数据由图像处理单元30经历解压缩解码处理，然后输出到LCD 40，作为再现图像信号，以使得再现的图像显示在LCD 40上。
结合成像器件应用于数码相机的示例描述上述实施例。然而，成像器件的应用并不局限于数码相机，并且可以广泛用作诸如数字摄像机、具有内置相机的移动电话以及具有内置相机的个人数字助理（PDA）的数字输入/输出器件的相机部分。
在本技术的成像器件和根据本技术的镜头光学单元中，可以另外布置基本上没有透镜能力的透镜，也可以另外布置包括这种透镜的透镜组。在这种情况下，本技术的成像器件和根据本技术的镜头光学单元可以配置有数量实质上等于包括另外布置的透镜组的附加数量的透镜组。
[本技术]
另外，本技术还可以如下配置。
<1>一种镜头光学单元，包括：
至少一个透镜，布置在固态图像传感器的物侧，
其中，固态图像传感器的成像面具有使得光轴方向上的下陷量随着距光轴的距离增大而增大的非平面形状，并且满足条件表达式（1）：
（1）ρ×Sag>0
其中ρ表示光学单元的Petzval曲率，被表示为：
rk表示从物侧开始的第k透镜面的曲率半径，
nk表示入射到从物侧开始的第k透镜面之前介质的折射率，
n’k表示从物侧开始的第k透镜面发出之后介质的折射率，以及
Sag表示与成像面上光轴之外的给定点相关的光轴方向上的下陷量（图像侧方向是正）。
<2>根据<1>所述的镜头光学单元，
其中，满足条件表达式（2）：
（2）ρ<0。
<3>根据<1>或者<2>所述的镜头光学单元，
其中，固态图像传感器中成像面的非平面形状是关于光轴旋转对称的曲面形状。
<4>根据<1>至<3>中的任何一项所述的镜头光学单元，
其中，在整个变焦区域内在无限远处拍摄的状态下具有最大视场角的主光线入射到成像面上的角度满足条件表达式（3）：
（3）θmax<45°
其中，θmax表示具有最大视场角的主光线入射到成像面上的角度（垂直入射设置为0°）。
<5>根据<3>或者<4>所述的镜头光学单元，
其中，固态图像传感器的整个成像面具有相同曲率的球形形状。
<6>根据<1>至<5>中的任何一项所述的镜头光学单元，
其中，固态图像传感器的成像面和光学单元的焦距满足条件表达式（4）：
（4）-5.0<Rimg/finf＜-1.0
其中，Rimg表示固态图像传感器的成像面的曲率半径，以及
finf表示聚焦在无限远处时光学单元的焦距。
<7>根据<1>至<6>中的任何一项所述的镜头光学单元，
其中，包括两个正透镜和两个负透镜的总共四个透镜布置为镜头。
<8>根据<1>至<7>中的任何一项所述的镜头光学单元，
其中，最靠近图像侧的透镜是具有向着图像侧凸起的形状的凹新月透镜。
<9>根据<1>至<8>中的任何一项所述的镜头光学单元，
其中，非球面形成在最靠近图像侧的透镜面上。
<10>一种成像器件，包括：
镜头光学单元；以及
固态图像传感器，用于将由镜头光学单元形成的光学图像转换为电信号，
其中，镜头光学单元包括布置在固态图像传感器的物侧的至少一个透镜，
固态图像传感器的成像面具有使得光轴方向上的下陷量随着距光轴的距离增大而增大的非平面形状，并且满足条件表达式（1）：
（1）ρ×Sag>0
其中ρ表示光学单元的Petzval曲率，被表示为：
rk表示从物侧开始的第k透镜面的曲率半径，
nk表示入射到从物侧开始的第k透镜面之前介质的折射率，
n’k表示从物侧开始的第k透镜面发出之后介质的折射率，以及
Sag表示与成像面中光轴之外的给定点相关的光轴方向上的下陷量（图像侧方向是正）。
<11>根据<1>至<9>中的任何一项所述的镜头光学单元或者根据<10>的成像器件，进一步包括基本上不具有透镜能力的透镜。
上述实施例中提到的每个部件的形状和数值仅是用于具体实现本技术的一个实施示例，并且无意以限制方式解释本技术的技术范围。
本技术领域内的技术人员应当明白，根据设计要求和其他因素，可以设想各种修改、组合、部分组合和变型，然而，它们均落入所附权利要求书或者其等同的范围内。
本公开含有与于2011年9月13日在日本专利局提交的第JP2011-199649号日本优先权专利申请公开的主题有关的主题，在此通过引用包括该专利申请的全部内容。

Claims (9)

1.一种镜头光学单元，包括：
至少一个透镜，布置在固态图像传感器的物侧，
其中，所述固态图像传感器的成像面具有使得光轴方向上的下陷量随着距光轴的距离增大而增大的非平面形状，并且满足条件表达式(1)：
(1)ρ×Sag>0
其中ρ表示光学单元的Petzval曲率，被表示为：
rk表示从物侧开始的第k透镜面的曲率半径，
nk表示入射到从物侧开始的第k透镜面之前介质的折射率，
n’k表示从物侧开始的第k透镜面发出之后介质的折射率，以及
Sag表示与成像面上光轴之外的给定点相关的光轴方向上的下陷量，图像侧方向是正的，
其中，所述条件表达式(1)使得镜头光学单元的场曲率的方向和固态图像传感器的成像面的形状的方向不在互相相反的方向上变化，
其中，在整个变焦区域内在无限远处拍摄的状态下具有最大视场角的主光线入射到成像面上的角度满足条件表达式(3)：
(3)θmax<45°
其中，θmax表示具有最大视场角的主光线入射到成像面上的角度，垂直入射设置为0°。
2.根据权利要求1所述的镜头光学单元，
其中，满足条件表达式(2)：
(2)ρ<0。
3.根据权利要求1所述的镜头光学单元，
其中，所述固态图像传感器中的成像面的非平面形状是关于光轴旋转对称的曲面形状。
4.根据权利要求3所述的镜头光学单元，
其中，所述固态图像传感器的整个成像面具有相同曲率的球形形状。
5.根据权利要求1所述的镜头光学单元，
其中，所述固态图像传感器的成像面和所述光学单元的焦距满足下面的条件表达式(4)：
(4)-5.0<Rimg/finf<-1.0
其中，Rimg表示所述固态图像传感器的成像面的曲率半径，以及
finf表示聚焦在无限远处时所述光学单元的焦距。
6.根据权利要求1所述的镜头光学单元，
其中，包括两个正透镜和两个负透镜的总共四个透镜布置为镜头。
7.根据权利要求1所述的镜头光学单元，
其中，最靠近图像侧的透镜是具有向着图像侧凸起的形状的凹新月透镜。
8.根据权利要求1所述的镜头光学单元，
其中，非球面形成在最靠近图像侧的透镜面上。
9.一种成像器件，包括：
镜头光学单元；以及
固态图像传感器，用于将由所述镜头光学单元形成的光学图像转换为电信号，
其中，所述镜头光学单元包括布置在所述固态图像传感器的物侧的至少一个透镜，
所述固态图像传感器的成像面具有使得光轴方向上的下陷量随着距光轴的距离增大而增大的非平面形状，并且满足条件表达式(1)：
(1)ρ×Sag>0
其中ρ表示光学单元的Petzval曲率，被表示为：
rk表示从物侧开始的第k透镜面的曲率半径，
nk表示入射到从物侧开始的第k透镜面之前介质的折射率，
n’k表示从物侧开始的第k透镜面发出之后介质的折射率，以及
Sag表示与成像面中光轴之外的给定点相关的光轴方向上的下陷量，图像侧方向是正的，
其中，所述条件表达式(1)使得镜头光学单元的场曲率的方向和固态图像传感器的成像面的形状的方向不在互相相反的方向上变化，
其中，在整个变焦区域内在无限远处拍摄的状态下具有最大视场角的主光线入射到成像面上的角度满足条件表达式(3)：
(3)θmax<45°
其中，θmax表示具有最大视场角的主光线入射到成像面上的角度，垂直入射设置为0°。
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