CN1328265A - 复合透镜系统 - Google Patents

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Abstract

一种复合透镜系统,包括三片具有折射力的镜片,由物侧起依序为:一具正折射力的、塑胶材料的第一镜片,该第一镜片的前表面为凸面;一具负折射力的、塑胶材料的第二镜片,该第二镜片的前表面为凹面;一具正折射力的、玻璃材料的第三镜片;并于塑胶镜片上设置有非球面镜面,且该透镜系统的焦距范围为5至100mm;另也可设置光栅面及非球面于塑胶镜片上,由此令本系统的像差获得充分矫正,并可大幅度地降低制造成本。

Description

复合透镜系统
本发明涉及一种影像摄取系统，尤其是涉及一种用于影像摄取装置的复合透镜系统。
一般的光学影像摄取系统，通常是通过玻璃镜片组作为影像摄取的主要构件；但玻璃镜片的制造成本非常昂贵，为了节省成本，同时达到高解像力，目前习知中最低限度的是采用三片球面玻璃镜片。但是三片玻璃球面镜片组，可控制的变数有限，无法充分消减像差。同时，光学系统所需求的视角，也随时间演进而变大，使像差更加难以去除。因此，为了达到高解像力的目标，镜头光圈必须缩小，并因而衍生出另外两个难题：系统亮度不足及绕射极限降低，并由此于制造成本、视角、解像力、亮度、绕射极限、光学设计上形成彼此的冲突。
本发明的目的在于提供一种复合透镜系统，其可削减像差和色差，降低光学成品的制造成本，提高亮度、绕射极限和解像力。
为实现上述目的，本发明提供了一种复合透镜系统，其特征在于：包括三片具有折射力的镜片，由物侧起依序为：一具正折射力的、塑胶材料的第一镜片，该第一镜片的前表面为凸面；一具负折射力的、塑胶材料的第二镜片，该第二镜片的前表面为凹面；一具正折射力的、玻璃材料的第三镜片；
并于塑胶镜片上设置有非球面镜面，且该透镜系统的焦距范围为5至100mm。
所述的复合透镜系统，其特征在于：于第一镜片前及第三镜片后，设置有不定数目的平面透镜及平面反射镜。
所述的复合透镜系统，其特征在于：令该透镜系统焦距为fs，第一镜片焦距为f1，第二镜片焦距为f2，三者满足下列关系式：
0.2＜|f2/fs|＜0.6及0.2＜|f2/f1|＜0.7。
所述的复合透镜系统，其特征在于：该透镜系统第二镜片的后表面为凸面。
所述的复合透镜系统，其特征在于：还包括至少一个光栅面于塑胶镜片上。
所述的复合透镜系统，其特征在于：该第一镜片上还设有至少一个光栅面。
本发明还提供了一种复合透镜系统，其特征在于：包含三片具有折射力的镜片，由物侧起依序为：一具正折射力的、玻璃材料的第一镜片；一具负折射力的、塑胶材料的第二镜片，该第二镜片的后表面为凹面；一具正折射力的、塑胶材料的第三透镜，该第三透镜的后表面为凸面；
该透镜系统中，还至少包含一不限定是哪一片镜片或哪一面镜面的非球面镜面于塑胶镜片上，且该透镜系统焦距范围为5至100mm。
所述的复合透镜系统，其特征在于：于第一镜片前及第三镜片后，设置有不定数目的平面透镜及平面反射镜。
所述的复合透镜系统，其特征在于：令透镜系统焦距为fs，第二镜片焦距为f2，第三镜片焦距f3，三者满足下列关系式：
0.2＜|f2/fs|＜0.6及0.4＜|f2/f3|＜0.8。
所述的复合透镜系统，其特征在于：该透镜系统第二镜片的后表面为凸面。
所述的复合透镜系统，其特征在于：还包含一光栅面于塑胶镜片上。
所述的复合透镜系统，其特征在于：还包含一光栅面于第三镜片上。
本发明又提供了一种复合透镜系统，其特征在于：包含三片具有折射力的镜片，由物侧起依序为：一具正折射力的、塑胶材料的第一镜片，该第一镜片的前表面为凸面；一具负折射力的、塑胶材料的第二镜片；一具正折射力的、塑胶材料的第三透镜，该第三透镜的后表面为凸面；
该透镜系统中，还包含有不限定数量的、也不限定是哪一片镜片或镜面的非球面镜面，及至少一面光栅面。
所述的复合透镜系统，其特征在于：于第一镜片前及第三镜片后，设置有不定数目的平面透镜及平面反射镜。
所述的复合透镜系统，其特征在于：令第二镜片焦距为f2，系统焦距为fs，两者满足下列关系式：
|f2/fS|＜0.6。
采用了上述技术方案后，本发明的由三片镜片所构成的光学系统中，因将其中两片以上镜片设以塑胶材料制作，因塑胶镜片可以射出成形式制作，同时，塑胶镜片的表面，可以很容易制作成球面以外的形状，因此可以获得较多的控制变数；另本发明不仅导入了塑胶镜片，且使用非球面辅助削减像差，并使用光栅面削减色差，由此，可大幅度降低光学成品的制造成本，生产出高精密程度的镜片，而且能够削减像差和色差，达成大光圈、大视角及具高解像力的光学设计。
下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。
图1是本发明第一实施例的示意图。
图2绘示本发明第一实施例的球面像差曲线图。
图3绘示本发明第一实施例的像散曲线图。
图4绘示本发明第一实施例的畸曲曲线图。
图5是本发明第二实施例的示意图。
图6绘示本发明第二实施例的球面像差曲线图。
图7绘示本发明第二实施例的像散曲线图。
图8绘示本发明第二实施例的畸曲曲线图。
图9是本发明第三实施例的示意图。
图10绘示本发明第三实施例的球面像差曲线图。
图11绘示本发明第三实施例的像散曲线图。
图12绘示本发明第三实施洌的畸曲曲线图。
如图1、2、3、4所示，为本发明的第一实施例，其中，光学系统100由三片镜片10、20、30所构成，第一镜片10为正透镜，材料为塑胶，前表面S1为凸面后表面S2为凹面。第二镜片20为负透镜，材料为塑胶，前表面S3为凹面，后表面S4为凸面。第三镜片30为正透镜，材料为玻璃。塑胶镜片中S5前表面为凹，后表面S6为凸，且包含非球面镜面于第一、二镜片10、20之上，及光栅面于第一镜片10之上。光学系统100前、后可包含有不影响系统焦距的平板元件40、50。非球面形状，以下列公式表示：
X(Y)＝(Y＾2/R)/(1＋sqrt(1－(1＋K)*(Y/R)＾2))＋A4*Y＾4＋A6*Y＾6＋……[1]
其中：
X：镜面上一点的截面高度。
Y：镜面上一点距光轴的垂直距离。
K：二次曲线系数。
A4，A6，A8…：非球面四阶，六阶，八阶…修正系数。
R：非球面顶点曲率半径。
光栅面相角变化，以下列公式表示：
Ph(Y)＝2*pi/(WL)*(C1*Y＾2＋C2*Y＾4＋….)
……[2]
其中：
Y：镜面上一点距光轴的垂直距离。
pi：圆周率。
WL：参考波长。
C1，C2，…：非球面相角差二阶，四阶，…修正系数。
本发明第一实施例所提供的一种复合透镜系统，其主要是，使用正一负一正透镜配置，将第一透镜由习见的玻璃材料的新月形正透镜，改为塑胶材料的新月形正透镜；第二透镜由习见的玻璃材料的双凹负透镜，改为塑胶材料、凹面朝前的新月形负透镜；第三透镜则由习见的玻璃材料的双凸正透镜，改为玻璃材料、凹面朝前的新月形正透镜；并于系统中，配置至少一面非球面镜面于塑胶镜片上，同时也配置光栅面于第一透镜上，并令第一透镜、第二透镜及系统焦距满足下列关系式[3]及[4]：
0.2＜|f2/f1|＜0.7……[3]
0.2＜|f2/fs|＜0.6……[4]
其中，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，fS为光学系统的焦距。
使用此种配置方式的理由，如下所述：
习见Cook-Triplet配置中，第三透镜的焦距，通常希望较第一透镜焦距短，也即，第三透镜的折射率较第一透镜高，设计时较为有利。由于玻璃材料较容易找到高折射率材料，所以选择了第一透镜并将其改为塑胶材料。
当第一镜片改为塑胶材料后，由于塑胶镜面可制作成为非球面，因此单一镜片对像差的改善能力较强，相对而言，第二片镜片的形状也可选择双凹以外的形状。由于于射出成形过程中，镜片厚度均匀较为有利，故使第二镜片形成了新月形，且其方向和第一镜片相对，并增加了非球面镜面数目，以补正像差。式[3]及式[4]，是为在上述状况下，使像差较容易获得良好矫正的范围。由于第一镜片，希望色散系数越大越有利，故将光栅面配置于第一镜片，以改善其色散。
表一：是本发明第一实施例实施状态的数据参考表。
表一本发明第一实施例
  表面      半径     厚度   系数     V数         备注
   物     无穷大     0.000
    无穷大     3.000   1.517    64.2       平板玻璃
    无穷大    316.489
   S1      4.650     1.616   1.492    57.4        非球面
   S2      7.361     0.665      衍射/非球面
   STO     无穷大     0.996
   S4     -4.512     1.000   1.585    29.9
   S5    -16.038     0.521
   S6    -16.689     1.502   1.773    49.6
   S7     -6.853     26.224
    无穷大     0.700   1.517    64.2       光探盖片
    无穷大     1.300
   像    -0.025
  备注  1. 光学系统的焦距，fs＝27.70mm，NA＝0.0714，HFOV＝18.62度第一透镜焦距，f1＝21.41mm第二透镜焦距，f2＝-11.00mmf2/f1|＝0.514；|f2/fs|＝0.397
 2. 非球面S1的系数：K＝1.5538
 3. 衍射/非球面S2的系数C1＝7.5401E-5，C2＝-4.3112E-5K＝8.3749
 4. 非球面S3的系数：A4＝-1.0641E-3，A6＝-1.1197E-4
本发明的第二实施例，参阅图5、6、7、8所示，光学系统101由三片镜片11、21、31所构成。第一镜片11为正透镜，材料为玻璃。第二镜片21为负透镜，材料为塑胶，前表面S3为凸面，后表面S4为凹面，第三镜片31为正透镜，材料为塑胶，后表面S6为凸面。塑胶镜片中，包含非球面镜面于第一、三镜片11、31之上，及光栅面于第一镜片31之上。光学系统101前后包含有不影响系统焦距的平板元件41、51。非球面形状以式[1]表示，光栅面相角差以式[2]表示。
本发明的第二实施例，为第一构形反转后所形成的配置方式。基于反转后第一及第三透镜的折射率相对大小倒转，故使第二透镜焦距、第三透镜焦距和系统焦距的相对关系也略有改变，如下所示：
0.4＜|f2/f3|＜0.8……[5]
0.2＜|f2/fs|＜0.6……[6]
其中，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，fs为光学系统的焦距。
表二：是本发明第二实施例实施状态的数据参考表。
表2本发明第二实施例
  表面     半径      厚度   系数     V数     备注
   物      平      0.000
     平      3.000  1.517    64.2    平板玻璃
     平     316.985
   S1     8.725      1.424  1.773    49.6
   S2    22.661      0.477
   S3     6.722      1.000     非球面
   S4     3.405      0.895  1.585    29.9     非球面
  STO      平      0.900
   S5    -6.876      1.603  1.492    7.4  衍射/非球面
   S6    -4.437      25.733     非球面
     平      0.700  1.517    64.2    光探盖片
     平      1.300
   像     -0.012
  备注  1. 光学系统焦距，fs＝27.85mm，NA＝0.0714，HFOV＝18.51 degree第二透镜焦距，f2＝-13.18mm第三透镜焦距，f3＝20.46mm|f2/f3|＝0.644；|f2/fs|＝0.473
 2. 非球面S3的系数：A4＝-1.7802E-3，A6＝6.3932E-5
 3. 非球面S4的系数：A4＝-4.0522E-3，A6＝-7.6849E-5
 4. 衍射/非球面S5的系数：C1＝-4.5259E-4，C2＝2.7731E-5，C3＝-7.6811E-6A4＝-1.6987E-3，A6＝-1.3393E4
 5. 非球面S6的系数K＝1.1359
本发明的第三实施例，是如图9、10、11、12所示，光学系统102由三片塑胶镜片12、22、32构成。第一镜片12为新月形正透镜；第二透镜22为双凹新月透镜；第三镜片32为正透镜；系统中包含光栅面于塑胶镜片上。非球面形状以式[1]表示，光栅面相角差以式[2]表示。
本发明第三实施例，是使用正一负一正透镜配置，三片镜片均使用塑胶材料制作，且配置光栅面于第二透镜上，塑胶镜片上可配置非球面镜面，并令第二透镜焦距和系统焦距满足下列关系：
|f2/fs|＜0.6……[7]
其中，f2为第二透镜的焦距，fs为光学系统的焦距。式[7]是为上述状况下，使像差较容易获得良好矫正的范围。由于塑胶镜片的材料种类有限，所以于透镜上配置光栅面，以增强透镜系统对色差补正的能力。
表三：是本发明第三实施例实施状态的数据参考表。
表3本发明第三实施例
  表面      半径     厚度   系数    V数        备注
   物       平   2963.85
   S1     7.3902     3.450   1.492    57.4
   S2     23.2662     0.769
   S3    -20.2089     0.700   1.492    57.4    衍射/非球面
   S4     6.6084     1.380
   S5    13.0307     1.380   1.492    57.4
   S6   -16.5707     0.17
  STO       平    28.294
   像     0.006
  备注  1. 光学系统焦距，fs＝34.02mm，NA＝0.089，HFOV＝30.6degree第二透镜焦距f2＝-10.48mm|f2/fs|＝0.308
 2. 衍射/非球面S3的系数C1＝-2.1784E-3，C2＝1.3305E-4，C3＝-4.8233E-6K＝-7.561，A4＝1.5854E-4，A6＝-5.0573E-6，A8＝-6.1205E-8
本发明于操作实施时，是于三片镜片所构成的光学系统中，通过将其中两片以上的镜片以塑胶材料制设，且设置光栅面及非球面于塑胶镜片上，令其像差获得充分矫正，由此，可大幅度降低光学系统的制造成本，使本发明更具产业上的可利用性。

Claims (15)

1、一种复合透镜系统，其特征在于：包括三片具有折射力的镜片，由物侧起依序为：一具正折射力的、塑胶材料的第一镜片，该第一镜片的前表面为凸面；一具负折射力的、塑胶材料的第二镜片，该第二镜片的前表面为凹面；一具正折射力的、玻璃材料的第三镜片；
并于塑胶镜片上设置有非球面镜面，且该透镜系统的焦距范围为5至100mm。
2、如权利要求1所述的复合透镜系统，其特征在于：于第一镜片前及第三镜片后，设置有不定数目的平面透镜及平面反射镜。
3、如权利要求1所述的复合透镜系统，其特征在于：令该透镜系统焦距为fs，第一镜片焦距为f1，第二镜片焦距为f2，三者满足下列关系式：
1.2＜|f2/fs|＜0.6及0.2＜|f2/f1|＜0.7。
4、如权利要求1所述的复合透镜系统，其特征在于：该透镜系统第二镜片的后表面为凸面。
5、如权利要求1所述的复合透镜系统，其特征在于：还包括至少一个光栅面于塑胶镜片上。
6、如权利要求1所述的复合透镜系统，其特征在于：该第一镜片上还设有至少一个光栅面。
7、一种复合透镜系统，其特征在于：包含三片具有折射力的镜片，由物侧起依序为：一具正折射力的、玻璃材料的第一镜片；一具负折射力的、塑胶材料的第二镜片，该第二镜片的后表面为凹面；一具正折射力的、塑胶材料的第三透镜，该第三透镜的后表面为凸面；
该透镜系统中，还至少包含一不限定是哪一片镜片或哪一面镜面的非球面镜面于塑胶镜片上，且该透镜系统焦距范围为5至100mm。
8、如权利要求7所述的复合透镜系统，其特征在于：于第一镜片前及第三镜片后，设置有不定数目的平面透镜及平面反射镜。
9、如权利要求7所述的复合透镜系统，其特征在于：令透镜系统焦距为fs，第二镜片焦距为f2，第三镜片焦距f3，三者满足下列关系式：
0.2＜|f2/fs|＜0.6及0.4＜|f2/f3|＜0.8。
10、如权利要求7所述的复合透镜系统，其特征在于：该透镜系统第二镜片的后表面为凸面。
11、如权利要求7所述的复合透镜系统，其特征在于：还包含一光栅面于塑胶镜片上。
12、如权利要求7所述的复合透镜系统，其特征在于：还包含一光栅面于第三镜片上。
13、一种复合透镜系统，其特征在于：包含三片具有折射力的镜片，由物侧起依序为：一具正折射力的、塑胶材料的第一镜片，该第一镜片的前表面为凸面；一具负折射力的、塑胶材料的第二镜片；一具正折射力的、塑胶材料的第三透镜，该第三透镜的后表面为凸面；
该透镜系统中，还包含有不限定数量的、也不限定是哪一片镜片或镜面的非球面镜面，及至少一面光栅面。
14、如权利要求13所述的复合透镜系统，其特征在于：于第一镜片前及第三镜片后，设置有不定数目的平面透镜及平面反射镜。
15、如权利要求13所述的复合透镜系统，其特征在于：令第二镜片焦距为f2，系统焦距为fs，两者满足下列关系式：
|f2/fS|＜0.6。
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