CN1140827C - 形成多焦距镜头的聚光光学元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多焦距聚光光学元件，其特征在于它包括一个整体部件，整体部件由至少第一个和第二个透明材料(8、10)来成形为多个透镜(12、14、16、18、20)，它们组成至少两个透镜组(12、14、16、18、20)的结构，相应透镜组中的各透镜组至少包括两个透镜并偏于共用一透镜(14)作为该整体部件的芯部，相应透镜组的光轴(A、B)相互形成一角度，相应透镜组中的透镜相对放置，并互相连接，且将该光学元件旋转一定角度来实现不同焦距(A、B)的选择。
Description
本发明涉及一种形成小尺寸镜头的聚光光学元件，这样能够整体安装，比如安装到小型照相机中，进行标准照相或远距离照相。
相机的基本元件包括机身，镜头装置，在足够短的时间进入光的快门，以及用于记录图像的感光胶片。为了实现极短时曝光，必须使用带有大光圈孔径的镜头装置。一台高质量的相机，就意味着复杂的镜头装置，其中各元件的象差倾向于互相地补偿。
相机镜头装置由两个参数表示。其中一个是焦距f，它一方面取决于外部介质的折射率和构成它的透镜，另一方面取决于各透镜的曲率半径。第二个表征相机镜头装置的参数是它的孔径，常相对焦距来表示。例如，一个f/8的镜头，孔径等于八分之一的焦距。在胶片上形成的图像强度是镜头孔径的函数。实际上，为了能够改变光圈孔径，所有的相机都有一个装有光圈的镜头装置。
目前在市场上有两类照相机。其中一类由带有可互换镜头装置的盒式照相机构成，这是相机可根据需要安装不同焦距的镜头。另一类是小型相机，大约十五年前在市面上出现。这些相机的特点在于体积小并且容易使用。它们包括镜头装置，其中镜头不能取下，焦距是固定的或可变的。
在实际中，当镜头装置具有固定的焦距时，构成它的各透镜安装在小盒的内部。这种安装方法保证了相机的密封性。相反地，使用者只有一个由镜头装置的光学几何结构决定的放大倍率。具有可变焦距的镜头装置，也叫变焦镜头，为使用者提供连续的放大倍率范围。但它从相机的前部突出，这有损于相机的密封性。
为了解决这个问题，本发明提出把形成多焦距镜头装置的光学元件整体安装到小型相机的机身内。附图1描述了一个已有技术的实施例。这个元件做为一个整体，由数字1代表。它一般包括两组平行的相对的透镜2和4。调节这些透镜2和4的折射率和表面曲率半径，以达到理想的焦距，由图1中方向A和方向B所示。在实际中，焦距之一必须允许用来拍摄标准相片，如可以是38或50MM。另一焦距提供远距照相型放大倍率。由于焦距A和焦距B由两组透镜2和4决定，而且互相垂直，所以只需把光学元件1旋转90度就可以从标准照相模式转到远距离照相模式。
元件1具有两个优点。一方面，它容易整体安装到小型盒式相机机身内，这避免了前面提到的密封性问题。另一方面，它有两个不同的放大倍率供使用者选择。
然而，光学元件1也有一些缺点。由于单一的透镜不能产生高质量的图像，因此镜头2、4最好成对安装，以补偿色差。光线穿过元件1时，它在每个透镜/空气界面上都要折射，因此，很难产生恰当地聚焦的图像。透镜2、4也必须精确地加工和组装，但这实质上提高了上述装置的成本价。
本发明的一个目的是通过提供一种用于形成尤其是小尺寸的镜头装置的光学元件以能整体地安装进一个小型相机内，而克服上面的问题和缺点。
因此，本发明涉及一种多焦距聚光的光学元件，其特征在于它包括一个整体部件，整体部件由至少第一个和第二个透明材料成形为透镜而形成，镜镜互相连接并相对放置，确定这些透镜的折射率和镜头表面曲率半径，以便会聚光线，使得用至少两个不同的焦距来形成图像。
由于具有这些特点，本发明提供一种便宜紧凑的光学元件，它很容易整体安装进例如小型相机的机身内。而且，本发明的元件的整体结构避免了镜头/空气界面的光折射现象，因此，就有可能得到高质量的图像。
阅读对本发明的光学元件的实施例的详细描述，本发明的其它特征和优点会更清楚。下面结合附图对例子进行说明，但说明绝不是对发明的限制。附图如下：
如上所述，图1是已有技术的多焦距光学元件的实施例的示意图。
图2是本发明的多焦距光学元件的示意图。
图3本发明的元件的一个具体实施例。
图4说明如何把从物体上发射出来的光线会聚到图3的光学元件的成像平面上。
本发明的光学元件的最佳实施例与小型相机有关。由于有了本发明，使用者就可以在几个放大倍率之间选择，同时能保证相机的密封性。然而，当然，本发明的元件可以任意应用到需要以两个不同的焦距会聚光线的其它光学系统中，比如，可以应用到激光束系统中。
如图2所示，本发明的光学元件，整体用参数6来表示，它是一个整体，它的外形呈平行六面体。根据本发明，元件6分别由第一个和第二个透明材料8和10构成，成形为两个三联体透镜，一个是透镜12、14和16，另一个是透镜18、14和20，它们互相连接并相对布置，以会聚光线形成图像。选取透镜12到20的折射率和表面曲率半径，以达到理想的焦距A和B。在实际中，由透镜头三联体12、14、16决定的焦距A可以是比如50MM，以允许进行标准拍摄。而透镜三联体18、14、20决定的焦距可以是适于远距离拍摄的焦距。镜头12到20是这样布置的，它使焦距A和B与光学元件6的侧面垂直，而且它们之间成直角。只需把本发明的光学元件6旋转90度即可从标准照相模式转换成远距离照相模式。
当然，选择制造光学元件6的材料数量可以大于二。这些材料可以是玻璃、或者塑料材料、或者任何合适的材料。只是必须注意，用于制作元件6的中心的第一种材料的熔点应比模铸在第一种材料周围的第二种材料的熔点高。相似地，也可以设计具有例如三个不同焦距互成45度角布置的光学元件。还可以设计成焦距垂直于光学元件6的上下面。
本发明的一个显著优点是透镜12、14、16紧密地互相连接。因此光线只在它进入和从光学元件6中射出时才反射，因此，更易产生高质量的图像。在光学元件6的外表面镀一层防闪光材料可以减弱光反射现象。应该理解，在每个镜头/空气界面大约反射4％的入射光线。因此，在图1所示的已有的技术的元件1中，光线穿过元件1时要连续四次反射，表示透射的光线减弱15％。而且，所谓的重影的形成与光线在镜头/空气界面的反射有关，重影明显地降低成像质量。只有使用高质量而且昂贵的防闪光层才能解决这个问题。相反地，在本发明的范围内，只用一般质量的防闪光层就足够了。
图3表示本发明的光学元件6的一个具体实施例，在这里，焦距A由一对透镜22和24决定，它们相对布置，并连接在一起；焦距B由透镜三联体26、22和28决定，它们相对布置，并连接在一起。作为例子，透镜22由聚-4-甲基戊烷制成，它的折射率n1＝1.47，透镜24由聚苯乙烯做成，它的折射率n2＝1.59。也是作为例子，透镜22的入射面30的曲率，用曲率半径的倒数形式表示，等于0.068MM-1。透镜22的出射面32的曲率等于0.14MM-1。最后，透镜24的出射面34的曲率等于0.043MM-1。图3也说明了安装在图所在平面上的正交的坐标(Y，Z)，它的
Z轴指向焦距A方向。这个坐标(Y，Z)确定了参考平面
REF。物体36距光学元件6有20MM远，来自物体的光线会聚在成像平面
IM，光线的路程可以从参考平面计算。下面的距离都是指沿Z轴的：参照面
REF与透镜22的入射面相距3MM；透镜22的厚度是14.7MM；透镜24的厚度是1.3MM，成像面
IM与透镜24的出射面34相距18MM。
图4是物体36的坐标分别为(Y＝00；Z＝00)、(Y＝10；Z＝00)和(Y＝-20；Z＝00)时，它发出的光线在成像平面
IM附近处焦点的波动。可以看出，光线在成像面
IM会聚得非常好。这些计算是以656NM波长的全可见光谱作为参照来计算的。
当然，在本发明的范围内，可以有很多简单的修正和变化。特别应该注意，每个焦距都可以由任何多于二个或二个透镜来形成，透镜数量越多，镜头之间的色差补偿效果越好。
Claims (10)
1.多焦距聚光光学元件，其特征在于它包括一个整体部件，整体部件由至少第一个和第二个透明材料(8、10)来成形为多个透镜(12、14、16、18、20)，它们组成至少两个透镜组(12、14、16；18、20)的结构，相应透镜组中的各透镜组至少包括两个透镜并偏于共用一透镜(14)作为该整体部件的芯部，相应透镜组的光轴(A、B)相互形成一角度，相应透镜组中的透镜相对放置，并互相紧密连接，且将该光学元件旋转一定角度来实现不同焦距(A、B)的选择。
2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于：每个焦距(A、B)由三个透镜(12、14、16、18、20)形成的一个三联体确定，这些透镜相对放置并互相连接，这样上述透镜(12、14、16、18、20)互相有效地补偿色差。
3.权利要求1和2其中之一所述的光学元件，其特征在于焦距(A、B)互相垂直。
4.权利要求1和2其中之一所述的光学元件，其特征在于它有三个不同的焦距，互相成45度角。
5.权利要求1或2任何之一所述的光学元件，其特征在于它有垂直于它的上下面的焦距。
6.权利要求1或2任何之一所述的光学元件，其特征在于用于制造上述光学元件(6)的材料(8、10)可以是玻璃或塑料材料。
7.权利要求1或2任何之一所述的光学元件，其特征在于上述元件(6)的外表面镀有一层防闪光材料。
8.权利要求1或2任何之一所述的光学元件，其特征在于用于制造所述光学元件(6)的芯部的第一种材料的熔点比模铸在其周围的第二种材料的熔点高。
9.权利要求1或2任何之一所述的光学元件，其特征在于选作制造上述光学元件(6)的材料的折射率分别为1.47和1.59。
10.权利要求6所述的光学元件，其特征于选作制造上述光学元件(6)的材料是聚-4-甲基戊烷和聚苯乙烯。
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