CN106681082B - 透镜装置和包括透镜装置的图像拾取装置 - Google Patents

透镜装置和包括透镜装置的图像拾取装置 Download PDF

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Abstract

公开了透镜装置和包括该透镜装置的图像拾取装置。该透镜装置包括：图像拾取光学系统；保持框，保持图像拾取光学系统；以及照明装置，附接于保持框的被摄体侧的外周部分并施加光。照明装置包括光源和光导构件，光导构件使来自光源的光内部反射以使光传播。光导构件具有环形形状并且具有光出射表面，光从光出射表面朝向被摄体侧发射。光源中两个最接近的光源之间的距离DL、多个光导构件的内径D、和当图像拾取光学系统聚焦在最近距离处的被摄体时从光导构件到最近距离处的被摄体的距离WD被分别适当地设定。

Description

透镜装置和包括透镜装置的图像拾取装置
技术领域
本发明涉及透镜装置，其适用于例如各自具有以大约1：1的倍率执行近距离摄影功能的视频照相机、数字静物照相机，以及TV照相机，本发明也涉及包括这样的透镜装置的图像拾取装置。
背景技术
主要用于近距离摄影的已知的图像拾取光学系统是微距透镜。总体上，近距离摄影从被摄体到图像拾取光学系统具有小的距离，因而图像拾取光学系统或摄影师在一些情况下会在被摄体侧投射阴影。为了防止此情况，在近距离摄影中常常需要灯光。作为用于图像拾取的传统照明光源，使用氙气灯的闪光灯发射被使用。然而，因为使用氙灯的闪光发射是瞬时脉冲光发射，所以出现了通过取景器等不能看见被照明的被摄体图像的问题。
在这样的情形中，在可见范围中具有宽波段的发光二极管近年来已被投入实际应用。日本专利申请特开No.2006-337422和日本专利申请特开No.2011-247978描述了如下的照明装置：在每个照明装置中，发光二极管被设置于保持图像拾取光学系统中最靠近被摄体侧的透镜的保持框上来照明被摄体侧。
日本专利申请特开No.2006-337422描述了如下的照明装置：在该照明装置中多个白色发光二极管以环形形状布置在保持被设置于最靠近被摄体侧的透镜的保持框的外周部分上。日本专利申请特开No.2011-247978描述了使用光导部件的照明装置，在光导部件中光通过其传播的光路被形成为环形形状。日本专利申请特开No.2011-247978也描述了从照明装置施加的光的量通过改变光源在光轴方向上的位置来改变。
在日本专利申请特开No.2006-337422中描述的照明装置中，每个光源被放置成使得光源的光发射平面取向在图像拾取装置的光轴方向。这样，为了均匀地照明被摄体，需要大量的光源。
在日本专利申请特开No.2011-247978中描述的照明装置中，两个光源之间的短距离使其难以均匀地照明被摄体。
发明内容
本发明具有提供可以在近距离摄影中获得均匀的照明而不增加光源的数目的透镜装置并且还提供包括该透镜装置的图像拾取装置的目的。
根据本发明的透镜装置包括：图像拾取光学系统；保持框，保持图像拾取光学系统；以及照明装置，附接到保持框的被摄体侧并且施加光，其中照明装置包括光导构件和多个光源，光导构件使得来自光源的光内部反射以使光传播，光导构件具有环形形状并且具有光出射表面，光从光出射表面朝向被摄体侧发射，并且透镜装置满足条件表达式：
0.2<DL/D<1.5
0.3<D/WD<6.0
其中DL是在多个光源中两个最接近的光源之间的距离，D是光导构件的内径，并且WD是当图像拾取光学系统聚焦在最近距离处的被摄体时从光导构件到最近距离处的被摄体的距离。
参考附图，根据以下对示范性的实施例的描述，本发明的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1是根据本发明的例示了透镜装置的外观的主要部分的透视图，其中照明装置附接到保持图像拾取光学系统的保持框上。
图2是根据本发明的示意地例示了在光导构件中的光路的前视图。
图3A是根据本发明的例示了使近距离摄影可行的图像拾取光学系统的透镜的截面图。
图3B是根据本发明的例示了使近距离摄影可行的图像拾取光学系统的透镜的截面图。
图4是根据本发明的第一实施例的例示了照明装置的主要部分的平面图。
图5是根据本发明的第二实施例的例示了照明装置的主要部分的平面图。
图6A是根据本发明的第三实施例的例示了照明装置的主要部分的平面图。
图6B是根据本发明的第三实施例的例示了照明装置的主要部分的平面图。
图7是根据本发明的例示了图像拾取装置的主要部分的概略图。
具体实施方式
现将根据附图详细描述本发明的优选实施例。
根据本发明的透镜装置包括图像拾取光学系统，保持图像拾取光学系统的保持框，以及附接到保持框的被摄体侧并照射光的照明装置。
图1是例示了透镜装置的外观的主要部分的透视图，其中根据本发明的照明装置10附接到保持图像拾取光学系统201的保持框201a的外周部分的被摄体侧(光入射侧)。
照明装置10包括多个光源12，以及使得来自光源12的光内部反射以使光传播的光导构件11。光导构件11具有环形的光路和朝向被摄体侧发射光的光出射表面11b。多个光源12以每个光源的光出射表面的法线与环形形状的切线方向11c重合的方式布置在光导构件11的环形形状的一部分上。光源12例如由白色发光二极管构成。照明装置10可去除地(可拆卸地)附接到保持图像拾取光学系统201的保持框201a。
图2是通过线性地展开图1中例示的光导构件11的环形形状部分的一部分获得的截面图。图2示意地例示了在光导构件11中传播的光的光路。在图2中例示的光导构件11具有环形形状并且由透明的树脂做成。光导构件11的背面(与面朝被摄体的侧相对的侧表面，即，在正前视图中的下表面)由例如白色涂料或镜面抛光板的反射单元11a构成。来自光源12的光在光导构件11的内表面上完全反射并被反射到反射单元11a上，并且然后从光导构件11的前表面11b(在前视图中的上表面，即，光出射表面)朝被摄体侧发射。
反射单元11a被置于光导构件11的与光导构件11的面朝被摄体的侧表面相对的环形形状的侧表面上。每个光源12以光出射表面12a的法线方向与光导构件11的环形形状的切线方向11c重合的方式定向。从光源12发射的光线进入光导构件11的光入射表面，在光导构件11的环形形状中被完全反射，在反射单元11a上被扩散反射，并从环形的光出射表面11b发射。提供了扩散板13，其使得来自光出射表面11b的光线扩散并发射扩散的光线。扩散板13在必要时提供，并且可被省略。
在光源12的光出射表面12a的法线方向不与光导构件11的环形形状的切线方向11c重合的情况下，从光源12发射的光直接施加到被摄体表面。这样，为了在被摄体侧获得具有恒定角度分布的均匀照明，需要大量的光源。
根据本发明，多个光源12以每个光源12的光出射表面的法线方向与光导构件11的切线方向11c重合的方式布置。这种布置允许少量的光源能够施加具有朝向被摄体侧的恒定角度分布的均匀的光线作为在近距离摄影中的照明光以便可以获得具有均匀的光分布的照明。另外，提供了用于使来自光导构件11的光朝向被摄体侧扩散的扩散板13以便可以获得具有均匀的光分布的照明。
图3A和图3B是例示了图像拾取光学系统201的透镜截面图，该图像拾取光学系统201具有微距摄影功能并且根据本发明的透镜装置可以附接于其上。在透镜截面图中，图3A对应于对无穷远处的被摄体聚焦的状态，并且图3B对应于对最近距离处的被摄体聚焦的状态。在透镜截面图中，左边是被被摄体侧(前侧)，并且右边是像侧(后侧)。
参考数字201表示图像拾取光学系统，参考字符SP表示孔径光阑，参考字符FP表示副光阑，参考字符FC表示眩光挡板(flare cutter)，并且参考字符OA表示光轴。参考字符IP表示像面。当用作数字照相机、视频照相机或监控照相机的图像拾取光学系统时，像面IP对应于诸如CCD传感器或CMOS传感器之类的图像拾取元件(光电转换器)的图像拾取平面。当用作卤化银胶片照相机的图像拾取光学系统时，像面IP对应于胶片平面。
现在将描述根据本发明的透镜装置的特征。根据本发明的照明装置10包括由透明的树脂做成并且包括环形光路的光导构件11，在环形光路中光通过重复的内部反射传播。照明装置10也包括多个光源12并且被配置成将光从光导构件11的端部发射到光导构件11中，每个光源12具有光出射表面，光出射表面的法线方向对应于光导构件11的环形形状的切线方向11c。
光导构件11包括光出射表面11b，光出射表面11b使得来自光源12的光发生内部反射并且从光导构件11的环形形状的一部分朝向被摄体侧发射光。假设在多个光源12中的两个最接近的光源的距离(光源的光发射平面的中心之间的距离)是DL，并且光导构件11的内径是D。另外，假设当图像拾取光学系统201聚焦在最近距离处的被摄体时从光导构件11到最近距离处的被摄体的距离是WD。则满足下列条件表达式。
0.2<DL/D<1.5 (1)
0.3<D/WD<6.0 (2)
当随后描述的图像拾取光学系统201的数字数据用毫米单位表示时，最近距离处的被摄体在这里指与光导构件11距离20mm的距离的被摄体。
现在将描述上述条件表达式(1)和(2)的技术含义。条件表达式(1)定义了在光源12之间(光源12的光发射平面的中心之间)的距离和光导构件11的内径的比例。这里，光导构件11可以具有任意环形形状。例如，光导构件11的外部形状可以是圈环形状，椭圆形状，或这样的形状的一部分。在光导构件11具有圈环形状的情况下，光导构件11的内径是内侧圆的直径。在光导构件11具有椭圆形状或椭圆形状的一部分的情况下，光导构件11的内径是该光导构件11的内切圆和外接圆的直径的平均。
如果比例超出条件表达式(1)的上限，光导构件11的内径过小，以致变得难以将透镜系统附接到光导构件11的内侧。另一方面，如果比例低于条件表达式(1)的下限，光源之间的距离小，以致难以在大约1：1倍率的近距离摄影中在平行于图像拾取平面的被摄体平面中获得具有均匀的光分布的照明。在这种情况下，不利地，需要大量光源来获得具有均匀的光分布的照明。
条件表达式(2)定义了光导构件11的内径和在图像拾取光学系统对最近距离处的被摄体处于聚焦状态下的在光轴上从光导构件11到被摄体平面的距离的比例。条件表达式(2)用于减小照明装置的尺寸。如果光导构件11的内径增加到超出条件表达式(2)的上限，照明装置10的尺寸不利地增大。另一方面，如果光导构件11的内径减少到低于条件表达式(2)的下限，难以将透镜系统附接到光导构件11的内侧。
通过满足如上所述的条件表达式(1)和(2)，使用少量的光源，具有恒定角度分布的均匀光线可作为照明光应用在近距离摄影中，使得可以容易地获得具有均匀的光分布的照明。优选地，条件表达式(1)和(2)的数值范围如下：
0.3<DL/D<1.4 (1a)
0.35<D/WD<5.50 (2a)
更优选地，条件表达式(1a)和(2a)的数值范围如下：
0.4<DL/D<1.3 (1b)
0.4<D/WD<5.0 (2b)
根据本发明的图像拾取装置包括：透镜装置，该透镜装置包括置于保持图像拾取光学系统201的保持框201a的光入射侧的外周部分上的照明装置10；和照相机机身，该照相机机身包括接收由透镜装置形成的图像的光的图像拾取元件。在根据本发明的透镜装置中，优选地满足下列条件表达式中的至少一个。
假设当图像拾取光学系统201聚焦在无穷远处的被摄体时的后焦距是BF，并且图像拾取光学系统201的焦距是f。假设图像拾取光学系统201具有孔径光阑SP，图像拾取光学系统201的透镜总长是TD，并且从孔径光阑SP到像面的距离是DSP。假设当图像拾取光学系统201聚焦在最近距离处的被摄体上时的图像拾取光学系统201的成像倍率是β。则，优选地满足下列条件表达式中的至少一个：
0.20<BF/f<1.80 (3)
0.65<DSP/TD<0.95 (4)
0.5≤|β| (5)
这里，后焦距是从最后面的透镜表面(最像侧的透镜表面)到像面的距离。透镜总长是通过将后焦距BF的值相加到从第一透镜表面(最被摄体侧的透镜表面)到最后的透镜表面的距离所获得的距离。
现在将分别描述上述条件表达式的技术含义。条件表达式(3)涉及后焦距和整个系统对无穷远处的被摄体处于聚焦状态的焦距的比例，并且优化了图像拾取光学系统中的后焦距。如果后焦距过度地增加到超出条件表达式(3)的上限，透镜总长增加，以致难以减小图像拾取光学系统的尺寸。如果后焦距过度地减小到低于条件表达式(3)的下限，在像面上的轴外光线的入射角过度地增加，以致应该到达屏幕周边部分的光线不太可能到达光接收单元(图像拾取元件)，并且不利地出现大量暗影。
条件表达式(4)涉及在光轴上从孔径光阑SP到像面的距离和整个系统的透镜总长的比例，并且优化了孔径光阑SP在图像拾取光学系统中的位置。这里，透镜总长是当图像拾取光学系统聚焦在无穷远处的被摄体时的从第一透镜表面到像面的距离。当图像拾取光学系统切换到宽视场角，前透镜有效直径增加。通过满足条件表达式(4)同时避免所谓的偏移光阑状态来达到前透镜有效直径的减小和视场角的增加，其中在偏移光阑状态中周边视角的光线的中心不穿过孔径光阑SP的中心附近。
如果比例超过条件表达式(4)的上限，入瞳的位置接近，以致聚焦透镜单元的径向尺寸不利地增加。如果比例减小到低于条件表达式(4)的下限，当轴外光线在装置聚焦在被摄体时进入靠近被摄体侧最近距离处的透镜单元时的轴外光线的入射高度增加，以致靠近被摄体侧的透镜单元的有效直径增加。
条件表达式(5)定义了当图像拾取光学系统聚焦在最近距离处的被摄体上时的图像倍率。如果比例减少到低于条件表达式(5)的下限，用于微距摄影的图像拾取光学系统的优点不利地没有充分获得。优选地，条件表达式(3)到(5)的数值范围如下：
0.25<BF/f<1.70 (3a)
0.70<DSP/TD<0.93 (4a)
0.7≤|β| (5a)
更优选地，条件表达式(3a)到(5a)的数值范围如下：
0.30<BF/f<1.60 (3b)
0.75<DSP/TD<0.90 (4b)
1.0≤|β| (5b)
虽然以上已描述了本发明的优选实施例，但是本发明不限于这个实施例，并且在本发明的主旨内可以做出多种修改和变化。
图4、图5、以及图6A与图6B是根据本发明的例示了在透镜装置的照明装置的第一、第二和第三实施例中的光导构件和光源的布置的平面图。在图4中例示的第一实施例中，DL是光源23和光源24之间的距离。另外，D是光导构件11的内径。在图4中例示的第一实施例中，光导构件11包括通过部分地切掉环形形状获得的两个环形片21和22。光源23以光出射表面23a的法线与环形片21的切线方向21b重合的方式置于环形块21的端部21a。类似地，光源24以光出射表面24a的法线与环形块22的切线方向22b重合的方式置于环形块22的端部22a。
在图5中例示的第二实施例中，DL是光源32和光源33之间的距离。此外，D是光导构件11的内径。在图5中例示的第二实施例中，光导构件11由如下形状的一个环形块31构成：该形状通过部分地切掉环形形状获得。光源32和光源33以光出射表面的法线方向与环形块31的切线方向31a1(31b1)重合的方式置于环形块31的两端31a和31b。
在图6A中例示的第三实施例中，DL是光源44和光源45之间的距离。此外，D是光导构件11的内径。在第三实施例中，如图6A的部分截面图图6B中例示的，光源42置于通过部分地切掉光导构件41的环形形状获得的凹陷的区域中。在这个实施例中，光源42以光出射表面42a的法线方向与光导构件41的环形形状的切线方向41a重合的方式置于光导构件41的凹陷的区域中。其它光源43、44、45以类似于光源42的方式放置。
在图6A和图6B中例示的第三实施例中，四个光源42到45以大致相等的间距布置在环形光导构件41的周边部分上。可以提供任意数目的光源，只要光源以相等的间距布置即可。
现在将参考图7描述根据本发明的使用透镜装置的数字静物照相机(图像拾取装置)的实施例。
在图7中，参考数字200表示照相机机身，并且参考数字201表示附接于透镜装置的图像拾取光学系统。参考数字202表示结合到照相机机身中并且被配置成接收由图像拾取光学系统201形成的被摄体图像的光的图像拾取元件(光电转换器)，图像拾取元件诸如是CCD传感器或CMOS传感器，并且参考数字203表示记录对应于经受由图像拾取元件202的光电转换的被摄体图像的信息的存储器。参考数字204是由例如液晶显示面板构成并用于观察形成在图像拾取元件202上的被摄体图像的取景器。
现在将描述根据本发明的透镜装置的图像拾取光学系统的数值数据。在数值数据中，i是从被摄体侧开始的平面的次序，ri是第i个(第i个平面)的曲率半径，并且di是第i个平面和第i+1个平面之间的间隔。另外，ndi和νdi分别是第四材料相对于d线的折射率和阿贝数，并且*意指目标平面是非球面。在非球面由以下等式表达的情况下，非球面数据显示非球面系数：
x＝(h2/R)/[1+{1-(1+k)(h/R)2}1/2+B·h4+C·h6+D·h8+E·h10
其中x是在光轴方向上从参考平面的位移，h是垂直于光轴的高度，R是充当基准的二次曲面的半径，k是圆锥常数，并且B、C、D和E分别是四阶、六阶、八阶和十阶非球面系数。“e-Z”意指“10-Z”。表1示出了上述条件表达式和实施例中的数值之间的关系。
(数值数据)
单位：毫米
表面数据
表面
非球面数据
第2平面
K＝0.00000e+000 B＝-1.76791e-004 C＝-2.65273e-006 D＝7.81442e-009 E＝-6.68614e-010
第18平面
K＝0.00000e+000 B＝-7.23379e-005 C＝-1.23764e-008 D＝-2.58452e-009 E＝1.02225e-010
第19平面
K＝0.00000e+000 B＝6.10927e-005 C＝1.30720e-007 D＝-2.33941e-009 E＝1.12506e-010
数据项
无穷远(图像拾取倍率)×1.00
d20 0.94 8.75
表1
值 实施例1 实施例2 实施例3
DL 25.8 4.8 60.0
D 24.0 10.0 88.0
WD 20.0 20.0 20.0
DSP 61.9 61.9 61.9
TD 76.1 76.1 76.1
BF 42.2 42.2 42.2
f 27.7 27.7 27.7
β -1.00 -1.00 -1.00
条件表达式 实施例1 实施例2 实施例3
(1) 1.075 0.48 0.682
(2) 1.2 0.5 4.4
(3) 1.52 1.52 1.52
(4) 0.813 0.813 0.813
(5) 1.00 1.00 1.00
虽然已经参考示范性的实施例描述了本发明，但是应理解，本发明不限于公开的示范性的实施例。以下权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包括所有这样的修改以及等同结构和功能。

Claims (14)

1.一种透镜装置，其特征在于，包括：
图像拾取光学系统；
保持框，保持图像拾取光学系统；以及
照明装置，附接于保持框的被摄体侧并施加光，其中
照明装置包括环形的光导构件和多个光源，所述光导构件在被摄体侧具有光出射表面，
光导构件使得来自所述多个光源的光内部反射以使光传播到光出射表面，并且
透镜装置满足条件表达式：
0.2＜DL/D＜1.5
0.3＜D/WD＜6.0
其中DL是所述多个光源中两个最接近的光源之间的距离，D是光导构件的内径，并且WD是当图像拾取光学系统聚焦在最近距离处的被摄体上时从光导构件到最近距离处的被摄体的距离。
2.如权利要求1所述的透镜装置，其中光导构件包括设置于与光出射表面相对的侧表面处并且被配置成反射入射在光导构件上的光的反射构件。
3.如权利要求1所述的透镜装置，包括光导构件的光出射表面的被摄体侧的扩散板，所述扩散板扩散从光出射表面发射的光。
4.如权利要求1所述的透镜装置，其中透镜装置满足条件表达式：
0.20＜BF/f＜1.80
其中BF是当图像拾取光学系统聚焦在无穷远处的被摄体上时图像拾取光学系统的后焦距，并且f是图像拾取光学系统的焦距。
5.如权利要求1所述的透镜装置，其中
图像拾取光学系统包括孔径光阑，并且
透镜装置满足条件表达式：
0.65＜DSP/TD＜0.95
其中TD是图像拾取光学系统的透镜总长，并且DSP是从孔径光阑到像面的距离。
6.如权利要求1所述的透镜装置，其中透镜装置满足条件表达式：
0.5≤|β|
其中β是当图像拾取光学系统聚焦在最近距离处的被摄体上时图像拾取光学系统的成像倍率。
7.如权利要求1所述的透镜装置，其中光源中的每个以光源的光出射表面的法线方向与光导构件的环形形状的切线方向重合的方式设置。
8.如权利要求1所述的透镜装置，其中照明装置从保持框可拆卸。
9.如权利要求1所述的透镜装置，其中光导构件包括连续的环构件、或者一个或多个弧形构件。
10.如权利要求1所述的透镜装置，其中光导构件包括弧形构件，并且所述多个光源设置在光导构件的端部。
11.如权利要求1所述的透镜装置，其中光导构件包括具有弧形形状的第一构件和具有弧形形状的第二构件，彼此最邻近的两个光源中的一个设置在第一构件的端部，并且所述两个光源中的另一个设置在第二构件的端部。
12.如权利要求1所述的透镜装置，其中来自所述多个光源的光在光导构件的圆周方向上沿相同的旋转方向传播。
13.如权利要求1所述的透镜装置，其中保持框的外径大于光导构件的外径。
14.一种图像拾取装置，其特征在于，包括：
根据权利要求1至13中任一项所述的透镜装置；以及
图像拾取元件，被配置成接收由所述透镜装置形成的图像。
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