CN106980151B - 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

本发明涉及透镜装置和包括透镜装置的图像拾取装置。提供一种透镜装置，包括：图像拾取光学系统；保持框架，该保持框架被配置为保持所述图像拾取光学系统；以及照明设备，该照明设备被安装在所述保持框架的物体侧的外周部分上，并且被配置为照射光，其中，所述照明设备包括：光引导部件，该光引导部件具有光在其中经受内部反射而传播的环形光路和用于向所述物体侧发射光的光发射表面；和光源，该光源被布置为使得所述光源的光发射表面的法线方向面向所述光引导部件的环的切线方向，并且被配置为发射进入所述光引导部件的光。保持框架、光引导部件以及图像拾取光学系统的最靠近物体侧的透镜的布置和形状各自被恰当地设定。

Description

透镜装置和包括透镜装置的图像拾取装置
技术领域
本发明涉及适合于具有近距(close-up)拍摄的功能的视频照相机、电子静物照相机、TV照相机等的透镜装置，并且涉及包括透镜装置的图像拾取装置。
背景技术
作为主要用于近距拍摄的图像拾取光学系统，微距(macro)透镜被已知。一般地，在近距拍摄中，从物体到图像拾取光学系统的距离短，因此在一些情况下，图像拾取光学系统或摄影者将其阴影投射在物体上。因此，在近距拍摄中经常需要照明。迄今为止，氙闪光管已被用作用于图像拾取的光源。然而，来自氙闪光管的光是瞬时脉冲光，因此存在不能通过取景器等可视地检查被照明的物体图像的问题。
作为针对该问题的措施，近年来，在可见区域中具有宽波长带的发光二极管已被投入实际使用。在日本专利申请公开No.2006-337422和日本专利申请公开No.2011-247978的每一个中，公开了一种照明设备，该照明设备被配置为利用发光二极管照明物体侧，该发光二极管被布置在保持框架上，该保持框架被配置为保持图像拾取光学系统的最靠近物体侧的透镜。
在日本专利申请公开No.2006-337422中公开的照明设备中，多个白色发光二极管以环形方式布置在保持框架的外周部分上，该保持框架被配置为保持最靠近物体侧的透镜。在日本专利申请公开No.2011-247978中公开的照明设备使用具有环形光路的光引导部分，光在该环形光路中传播。还公开了通过改变光源在光轴方向上的位置来改变从照明设备照射的光量。
在日本专利申请公开No.2006-337422中公开的照明设备中，每个光源被布置为使得光源的光发射表面面向图像拾取装置的光轴方向。因此，需要大量的光源以均匀地照明物体。
在日本专利申请公开No.2011-247978中公开的照明设备中，两个光源之间的间隔短，因此难以均匀地照明物体。
发明内容
本发明的目的是提供能够在不增加光源的数目的情况下实现均匀照明的小透镜装置和包括透镜装置的图像拾取装置。
根据本发明的一个实施例，提供一种透镜装置，包括：
图像拾取光学系统；
保持框架，该保持框架被配置为保持所述图像拾取光学系统；以及
照明设备，该照明设备被安装在所述保持框架的物体侧，并且被配置为照射光，
其中，所述照明设备包括：
光引导部件，该光引导部件具有光在其中经受内部反射(internal reflection)而传播的环形光路和用于向所述物体侧发射光的光发射表面；和
光源，该光源被布置为使得所述光源的光发射表面的法线方向面向所述光引导部件的环(circle)的切线方向，并且被配置为发射进入所述光引导部件的光，并且
其中，以下条件表达式被满足：
0.2<OD/DB<1.0；和
0.2<DL/ID<1.0，
其中，DB表示所述保持框架的外径，OD表示所述光引导部件的外径，ID表示所述光引导部件的内径，并且DL表示所述图像拾取光学系统的最靠近物体侧的透镜的外径。
本发明的进一步特征将从以下参照附图对示例性实施例的描述变得清楚。
附图说明
图1是用于例示当照明设备被安装在被配置为保持图像拾取光学系统的保持框架上时的本发明的透镜装置的外观的主要部分透视图。
图2是用于示意性地例示根据本发明的光引导部件的内部的光路的前视图。
图3A是根据本发明的支持近距拍摄的图像拾取光学系统的透镜截面图。
图3B是根据本发明的支持近距拍摄的图像拾取光学系统的透镜截面图。
图4是本发明的示例1的透镜装置的主要部分平面图。
图5是本发明的示例2的透镜装置的主要部分平面图。
图6A是本发明的示例3的透镜装置的主要部分平面图。
图6B是示例3的透镜装置的部分截面图。
图7是本发明的图像拾取装置的主要部分示意图。
具体实施方式
在下文中，参考附图描述本发明的示例性实施例。本发明的透镜装置包括：图像拾取光学系统；保持框架，该保持框架被配置为保持图像拾取光学系统；以及照明设备，该照明设备被安装在保持框架的物体侧，并且被配置为照射光。图1是用于例示当照明设备10被安装在被配置为保持图像拾取光学系统51的保持框架51a的外周部分的物体侧(光进入侧)时的透镜装置的外观的主要部分透视图。
照明设备10包括多个光源12和被配置为通过内部反射来传播来自光源12的光的光引导部件11。光引导部件11具有环形光路和用于向物体侧发射光的光发射表面11b。多个光源12被布置在光引导部件11的环的一部分上，使得光源的光发射表面的法线面向环的切线方向。光源12包括例如白色发光二极管。照明设备10被可移除地安装在保持框架51a上，该保持框架51a被配置为保持图像拾取光学系统51。图像拾取光学系统具有光轴OA。
图2是图1的光引导部件11的截面图，其中光引导部件11的环形部分的一部分被直线展开。图2是用于示意性地例示在光引导部件11的内部传播的光的光路的视图。在图2中例示的光引导部件11由透明树脂制成并且具有环形形状。光引导部件11的后表面(与物体侧相对的一侧的表面)(前视图中的下表面)由作为白色涂料或镜面的反射部分11a构成。来自光源12的光在光引导部件11的内表面上全反射，并且被反射部分11a反射。然后，光被从前表面(前视图中的上表面)(光发射表面)11b发射到物体侧。
反射部分11a形成在光引导部件11的环的与物体侧相对的一侧表面上。光源12被各自布置为使得其光发射表面12a的法线方向面向光引导部件11的环的切线方向11c。从光源12发射的光束从光引导部件11的光进入表面进入光引导部件11，在光引导部件11的环的内部被全反射，并且以扩散方式被反射部分11a反射。然后，光被从环形光发射表面11b发射。扩散板13被设置，该扩散板13被配置为扩散来自光发射表面11b的光束并且发射被扩散的光束。扩散板13根据需要设置，并且可以省略。
当光源12的光发射表面12a的法线方向不面向光引导部件11的环的切线方向11c时，从光源12发射的光被直接照射在物体表面侧。因此，为了在物体侧获得具有均匀且恒定的角度分布的照明，需要大量的光源。
在本发明中，多个光源12被布置为使得光发射表面的法线方向面向光引导部件11的切线方向。作为结果，利用少量的光源，具有均匀且恒定的角度分布的光束在近距拍摄中可以作为照明光被照射在物体侧。因此获得具有均匀的光分布的照明。此外，被配置为扩散光的扩散板13被设置在光引导部件11的物体侧。利用该配置，获得具有均匀的光分布的照明。
图3A和图3B各自是具有微距摄影功能的图像拾取光学系统51的透镜截面图，本发明的透镜装置可以被安装在该图像拾取光学系统51上。图3A的透镜截面图是聚焦在无限远处物体上的状态，并且图3B的透镜截面图是聚焦在最近距离物体上的状态。在透镜截面图中，左侧对应于物体侧(前侧)，并且右侧对应于像侧(后侧)。
孔径光阑SP、辅助光阑FP、眩光截断器(flare cutter)FC、光轴OA以及像平面IP也在图3A和图3B中例示。当透镜装置被用作数字照相机、视频照相机或监视照相机的摄影光学系统时，像平面IP对应于例如CCD传感器或CMOS传感器的图像拾取元件(光电转换元件)的图像拾取平面。此外，当透镜装置被用作卤化银胶片照相机的摄影光学系统时，像平面IP对应于胶片平面。
接下来，描述本发明的透镜装置的特征。根据本发明的照明设备10包括引导部件11，该引导部件11由透明树脂制成并且具有光在其中反复地经受内部反射而传播的环形光路。照明设备10还包括多个光源12，所述多个光源12被布置为使得光发射表面的法线方向面向光引导部件11的环的切线方向，并且被配置为发射从光引导部件11的一端进入光引导部件11的光。
在本发明的每个示例的透镜装置中，光引导部件11具有用于使来自光源12的光经受内部反射并且将来自光引导部件11的环的一部分的光发射到物体侧的光发射表面11b。保持框架51a的外径由DB表示，光引导部件11的外径由OD表示，光引导部件11的内径由ID表示，并且图像拾取光学系统51的前透镜的外径由DL表示。在这种情况下，满足以下表达式：
0.2<OD/DB<1.0…(1)；和
0.2<DL/ID<1.0…(2)。
接下来，描述条件表达式(1)和条件表达式(2)的技术含义。条件表达式(1)限定了保持框架51a的外径与光引导部件11的外径的比率。这里，光引导部件11可以具有任何形状，只要该形状是环形形状即可。例如，光引导部件11可以具有圆环形状或椭圆形状、或者其一部分。这里，当光引导部件11具有圆环形状时，光引导部件11的内径被设定为其内圆的直径，并且光引导部件11的外径被设定为其外圆的直径。此外，当光引导部件11具有椭圆形状或者其一部分时，光引导部件11的内径被设定为光引导部件11的内周的内切圆的直径和外接圆的直径的平均值。光引导部件11的外径被设定为光引导部件11的外周的内切圆的直径和外接圆的直径的平均值。
当值超过条件表达式(1)的上限时，光引导部件11的外径过度增大，并且难以使照明设备在尺寸上减小。相反，当值下降到条件表达式(1)的下限以下时，保持框架51a的外径增大，并且难以使包括图像拾取光学系统51的整个图像拾取装置在尺寸上减小。
条件表达式(2)限定了图像拾取光学系统51的前透镜的外径与光引导部件11的内径的比率。当值超过条件表达式(2)的上限时，照明设备进入图像拾取光学系统51的视角，这不是优选的。相反，当值下降到条件表达式(2)的下限以下时，光引导部件11的内径增大，并且难以使照明设备在尺寸上减小。
在每个示例中，如上所述，条件表达式(1)和条件表达式(2)被满足，使得可以利用少量的光源实现均匀照明，并且可以因此获得包括小的照明设备的透镜装置。
在示例中，将条件表达式(1)和条件表达式(2)的数值范围设定为以下范围是优选的。
0.3<OD/DB<0.9…(1a)
0.3<DL/ID<0.9…(2a)
将条件表达式(1a)和条件表达式(2a)的数值范围设定为以下范围是更优选的。
0.4<OD/DB<0.8…(1b)
0.4<DL/ID<0.8…(2b)
本发明的图像拾取装置包括透镜装置和照相机体，所述透镜装置包括被设置在保持框架51a的光进入侧的外周部分上的照明设备10，所述保持框架51a被配置为保持图像拾取光学系统51，所述照相机体包括被配置为接收由透镜装置形成的图像的光的图像拾取元件。在本发明的透镜装置中，优选满足以下提供的一个或多个条件表达式。
当聚焦在无限远处物体上时图像拾取光学系统51的后焦距(back focus)由BF表示，并且图像拾取光学系统51的焦距(focal length)由f表示。图像拾取光学系统51包括孔径光阑SP。图像拾取光学系统51的透镜总长度由TD表示，并且从孔径光阑SP到像平面的距离由DSP表示。当图像拾取光学系统51聚焦在最近距离物体上时从光引导部件11到最近距离物体的距离由WD表示。当聚焦在最近距离物体上时图像拾取光学系统51的成像倍率由β表示。在这种情况下，优选满足以下提供的一个或多个条件表达式。
0.20<BF/f<1.80…(3)
0.65<DSP/TD<0.95…(4)
0.3<ID/WD<6.0…(5)
0.5≤|β|…(6)
这里，后焦距是从最后透镜表面到像平面的距离。透镜总长度是通过将后焦距BF的值加到从第一透镜表面到最后透镜表面的距离而获得的距离。此外，最近距离是当以mm为单位表示稍后描述的图像拾取光学系统51的数值数据时到远离光引导部件11 20mm的物体的距离。
接下来，描述以上提到的条件表达式中的每一个的技术含义。条件表达式(3)涉及当聚焦在无限远处物体上时的后焦距与整个系统的焦距的比率，并且旨在优化图像拾取光学系统51的后焦距的长度。当值超过条件表达式(3)的上限并且后焦距过度变长时，透镜总长度变长，并且难以使图像拾取光学系统51在尺寸上减小。当值下降到条件表达式(3)的下限以下并且后焦距过度变短时，离轴光线以大的入射角进入像平面。作为结果，理应到达屏幕的周边部分的光束没有充分到达光接收元件(图像拾取元件)，其结果是在许多部分处出现阴影，这不是优选的。
条件表达式(4)涉及从孔径光阑SP到像平面的光轴上的距离与整个系统的透镜总长度的比率，并且旨在优化图像拾取光学系统51中的孔径光阑SP的位置。这里，透镜总长度是当聚焦在无限远处物体上时从第一透镜表面到像平面的距离。图像拾取光学系统51的前透镜的有效直径随着图像拾取光学系统51的视角的增大而增大。当满足条件表达式(4)时，在避免其中周边视角处的光束的中心不通过孔径光阑SP的中心附近的所谓的部分光阑状态的同时，实现前透镜的有效直径的减小和增大的视角。
当值超过条件表达式(4)的上限时，入瞳位置变得更近，并且聚焦透镜单元在径向方向上在尺寸上增大，这不是优选的。当值下降到条件表达式(4)的下限以下时，当聚焦在近距离物体上时，离轴光束以高的入射高度进入物体侧的透镜单元，导致物体侧的透镜单元的有效直径增大。
条件表达式(5)限定了光引导部件11的内径与当图像拾取光学系统51聚焦在最近距离物体上时从光引导部件11到物体表面的光轴上的距离的比率。条件表达式(5)旨在使照明设备在尺寸上减小。当值超过条件表达式(5)的上限并且光引导部件11的内径增大时，照明设备10在尺寸上增大。相反，当值下降到条件表达式(5)的下限以下并且光引导部件11的内径减小时，难以将透镜系统安装在光引导部件11的内侧。
条件表达式(6)限定了当聚焦在最近距离物体上时图像拾取光学系统51的图像倍率(成像倍率)。当值下降到条件表达式(6)的下限值以下时，不能充分呈现作为用于微距摄影的图像拾取光学系统51的效果，这不是优选的。将条件表达式(3)至(6)的数值范围设定为以下范围是优选的。
0.25<BF/f<1.70…(3a)
0.70<DSP/TD<0.93…(4a)
0.35<ID/WD<5.50…(5a)
0.7≤-β…(6a)
将从条件表达式(3a)到条件表达式(6a)的数值范围设定为以下范围是更优选的。
0.30<BF/f<1.60…(3b)
0.75<DSP/TD<0.90…(4b)
0.4<ID/WD<5.0…(5b)
1.0≤-β…(6b)
以上描述了本发明的示例性实施例，但是本发明不限于这些实施例，并且可以在其主旨的范围内进行各种修改和改变。
图4、图5以及图6A和图6B是分别用于例示根据本发明的示例1、2和3的透镜装置的图像拾取光学系统51、光引导部件以及光源的布置等的平面图。在图4的示例1中，保持框架51a的外径由DB表示，图像拾取光学系统51的物体侧的前透镜的外径由DL表示，光引导部件11的外径由OD表示，并且光引导部件11的内径由ID表示。在图4的示例1中，光引导部件11包括通过切去环的一部分而获得的两个环片(piece of circle)21和22。
此外，光源23被布置在环片21的端部21a上，使得光发射表面23a的法线面向环片21的切线方向21b。类似地，光源24被布置在环片22的端部22a上，使得光发射表面24a的法线面向环片22的切线方向22b。
在图5的示例2中，保持框架51a的外径由DB表示，图像拾取光学系统51的物体侧的前透镜的外径由DL表示，光引导部件11的外径由OD表示，并且光引导部件11的内径由ID表示。在图5的示例2中，光引导部件11包括通过切去环的一部分而获得的一个环片31。光源32(33)被布置在环片31的两个端部31a(31b)上，使得其光发射表面的法线方向面向环片31的切线方向31a1(31b1)。
在图6A的示例3中，保持框架51a的外径由DB表示，图像拾取光学系统51的物体侧的前透镜的外径由DL表示，光引导部件41的外径由OD表示，并且光引导部件41的内径由ID表示。在示例3中，如在作为图6A的部分截面图的图6B中所例示的那样，光源42被布置在通过切除光引导部件41的环的一部分而形成的凹陷区域中。在这种情况下，光源42被布置在光引导部件41的切除部分的内部，使得光发射表面42a的法线方向面向光引导部件41的环的切线方向41a。其它光源43、44以及45与光源42类似地布置。
在图6A和图6B的示例3中，四个光源42-45以基本上相等的间隔被布置在环形光引导部件41的周边。光源的数目可以取采用任何值，只要光源被以相等的间隔设置即可。
接下来，参考图7描述根据本发明的示例的、使用本发明的图像拾取光学系统的数字静物照相机(图像拾取装置)。
在图7中，照相机体50被设置有图像拾取光学系统51，在该图像拾取光学系统51上可以安装本发明的透镜装置。图像拾取元件(光电转换元件)52例如是CCD传感器或CMOS传感器，其被构建在照相机体中并且被配置为接收由图像拾取光学系统51形成的物体图像的光，并且存储器53被配置为记录与经受图像拾取元件52的光电转换的物体图像对应的信息。取景器54由液晶显示面板等构成，并且被用于观察在图像拾取元件52上形成的物体图像。
在下文中，描述在其上可以安装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，从物体侧开始计数的表面的次序由i表示，并且第i表面的曲率半径由ri表示。第i表面和第(i+1)表面之间的间隔由di表示。以d线作为基准的第i表面和第(i+1)表面之间的材料的折射率和阿贝数分别由ndi和νdi表示。附在表面后面的星号(*)指示表面具有非球面形状。当非球表面由以下表达式表示时，非球表面数据示出非球面系数。
x＝(h2/R)/[1+{1-(1+k)(h/R)2}1/2+B·h4+C·h6+D·h8+E·h10
在表达式中，x表示在光轴方向上从基准表面的偏移量，h表示在垂直于光轴的方向上的高度，R表示作为基(base)的二次曲面的半径，k表示圆锥常数，并且B、C、D以及E表示第4、6、8以及10阶非球面系数。“e-Z”意指“10-Z”。以上提到的条件表达式中的每一个与每个示例的参数的数值之间的关系在表1中示出。
(数值数据1)
单位mm
表面数据
Figure BDA0001208730940000111
非球表面数据
第2表面
K＝0.00000e+000 B＝-1.76791e-004 C＝-2.65273e-006
D＝7.81442e-009 E＝-6.68614e-010
第18表面
K＝0.00000e+000 B＝-7.23379e-005 C＝-1.23764e-008
D＝-2.58452e-009 E＝1.02225e-010
第19表面
K＝0.00000e+000 B＝6.10927e-005 C＝1.30720e-007
D＝-2.33941e-009 E＝1.12506e-010
各种数据
Figure BDA0001208730940000121
无限远 (成像倍率)×1.00
d20 0.94 8.75
[表1]
数值 示例1 示例2 示例3
DB 46.0 54.3 54.1
OD 33.0 24.4 40.6
ID 24.0 16.8 28.0
DL 12.6 12.6 12.6
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 示例1 示例2 示例3
(1) 0.71 0.45 0.75
(2) 0.525 0.75 0.45
(3) 1.52 1.52 1.52
(4) 0.813 0.813 0.813
(5) 1.20 0.84 1.40
(6) 1.00 1.00 1.00
尽管已参照示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。随附的权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以便包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (8)

1.一种透镜装置，其特征在于，所述透镜装置包括：
图像拾取光学系统，该图像拾取光学系统包括孔径光阑；
保持框架，该保持框架被配置为保持所述图像拾取光学系统；以及
照明设备，该照明设备被安装在所述保持框架的物体侧，并且被配置为照射光，
其中，所述照明设备包括：
光源，和
环形的光引导部件，该光引导部件引起来自所述光源的光的内部反射使得光向所述光引导部件的物体侧的光发射表面传播，
其中，所述光源被布置为使得所述光源的光发射表面的法线方向面向所述光引导部件的切线方向，并且
其中，以下条件表达式被满足：
0.2＜OD/DB＜1.0；
0.2＜DL/ID＜1.0；和
0.65＜DSP/TD＜0.95，
其中，DB表示所述保持框架的外径，OD表示所述光引导部件的外径，ID表示所述光引导部件的内径，DL表示所述图像拾取光学系统的最靠近物体侧的透镜的外径，TD表示所述图像拾取光学系统的透镜总长度，并且DSP表示从所述孔径光阑到像平面的距离。
2.根据权利要求1所述的透镜装置，其中，以下条件表达式被满足：
0.20＜BF/f＜1.80，
其中，BF表示当聚焦在无限远处物体上时所述图像拾取光学系统的后焦距，并且f表示所述图像拾取光学系统的焦距。
3.根据权利要求1所述的透镜装置，进一步在所述光引导部件的光发射表面的物体侧包括扩散板，该扩散板被配置为扩散从所述光引导部件的光发射表面发射的光。
4.根据权利要求1所述的透镜装置，其中，以下条件表达式被满足：
0.3＜ID/WD＜6.0，
其中，WD表示当所述图像拾取光学系统聚焦在最近距离物体上时从所述光引导部件到所述最近距离物体的距离。
5.根据权利要求1所述的透镜装置，其中，以下条件表达式被满足：
0.5≤|β|，
其中，β表示当聚焦在最近距离物体上时所述图像拾取光学系统的成像倍率。
6.根据权利要求1所述的透镜装置，其中，所述照明设备可从所述保持框架移除。
7.根据权利要求1所述的透镜装置，其中，所述光引导部件包括反射部分，该反射部分被设置在所述光引导部件的与所述光发射表面相对的一侧表面上，用于反射从所述光引导部件的光进入表面进入光引导部件的光。
8.一种图像拾取装置，其特征在于，所述图像拾取装置包括：
根据权利要求1-7中的任一项所述的透镜装置；和
图像拾取元件，该图像拾取元件被配置为接收由所述透镜装置形成的图像。
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