CN1333281C - 成像透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及F数在2.0至4.0范围内的成像透镜，它配置成仅由两个透镜构成，具有短的透镜光程，且能得到具有足够高的图像对比度的清晰图像。成像透镜从物体侧到图像侧按顺序由孔径光阑、第一透镜、第二光阑、和第二透镜构成，并满足以下的条件。第一透镜和第二透镜都是凸面朝向物体侧的弯月形状，并有正的折射本领。0.3＜f1/f2＜1.0 (1)；0.4＜bf/f＜0.5 (2)；1.0＜d/f＜1.3 (3)；0.12＜D2/f＜0.30 (4)；2.0＜Fno＜4.0 (5)；其中f是成像透镜的组合焦距，f1是第一透镜的焦距，f2是第二透镜的焦距，bf是从第二透镜的图像侧表面到图像面的距离(空气中)，d是从第一透镜的物体侧表面到图像面的距离(空气中)，D2是第一透镜与第二透镜之间的间隔，Fno是F数。

Description

成像透镜
技术领域
本发明涉及成像透镜，具体涉及利用CCD或CMOS装置作为成像元件适合于安装在便携式电话，个人计算机的图像输入装置，数字摄像机，监视CCD摄像机，检查装置或类似设备中的成像透镜。
背景技术
在上述成像透镜中，光程必须短。光程定义为从成像透镜物体侧上的入射面到图像面(CCD等装置的成像面)的距离。就是说，在设计成像透镜时，必须采取各种措施尽可能减小光程与成像透镜的组合焦距之比率。以下，具有短光程的成像透镜，即，光程与焦距之比率是小的透镜称之为“小型”透镜。
以便携式电话作为例子，光程必须短于便携式电话装置的厚度。另一方面，最好有尽可能长的后焦距，后焦距定义为从成像透镜图像侧上的发射面到图像面的距离。就是说，在设计成像透镜时，必须采取各种措施尽可能增大后焦距与成像透镜的组合焦距之比率。这是由于需要在成像透镜与图像面之间插入滤光片，盖玻片和其他元件。
除了上述的以外，当然还需要校正成像透镜的各种像差到充分小的量，使这个成像透镜形成的图像畸变不被视觉所识别，并能满足成像元件(也称之为“像素”)集成密度的要求。就是说，必须满意地校正各种像差；以下，满意校正各种像差的图像可以称之为“满意的图像”。
如以下所描述的，人们已公开具有二元配置的成像透镜，它适合于采用CCD，CMOS器件或其他固态成像元件的图像设备，其中便携式计算机和视频电话具有代表性。除了得到满意的图像以外，这些透镜都设计成体积小和重量轻。
在这些成像透镜中，作为第一种透镜，人们已公开一种具有二元配置的红外透镜，它包括两个弯月形透镜(第一透镜和第二透镜)，设计为成本低和重量轻的小型透镜，并具有实际应用的合适成像性能。(例如，见Japanese Unexamined Patent Application PublicationNo.2000-75203)
然而，这种红外透镜在第一透镜与第二透镜之间有宽的间隔D，因此，光程必须很长，很难设计一种足够小型的透镜系统。第一透镜与第二透镜之间的间隔D与整个系统的焦距f(二元透镜系统的组合焦距)之比率D/f至少为0.8。所以，光程与整个系统焦距之比率约为1.5(第六个实施例中透镜具有比率最小值，是1.4236)，因此，这种透镜的光程是长的。
作为第二种二元透镜，人们已公开一种变形附加透镜(例如，见Japanese Unexamined Patent Application PublicationNo.2000-81568)，其中利用具有不同垂直和水平放大倍数的一种无焦透镜聚焦物体的图像，无焦透镜包含两个柱面，仅在相同方向上有折射本领，且其曲率半径有相同的符号，它可以使投射的图像比实际物体窄或宽。特别是，这种变形附加透镜设置和用于静止照相透镜系统的物体侧。
然而，虽然变形附加透镜是配置成二元透镜的透镜系统，但是变形附加透镜中单元透镜的表面形状不是普通透镜具有的球面，而是圆柱面。因此，它的基本配置不同于本发明成像透镜的配置。
作为第三种二元透镜，人们已公开一种用于光信息记录媒体上记录和再现信息的物镜，它确保长的工作距离，其中透镜组是由具有正折射本领的两个透镜构成，它的NA(数值孔径)大于0.85，适合于合并在光源波长为500nm或以下的光拾取装置中，并有满意校正的色差。(例如，见Japanese Unexamined Patent Application PublicationNo.2003-167187)。此外，作为第四种至第六种的二元透镜，人们已公开了具有大数值孔径和长工作距离的高性能，体积小的用于光拾取装置中的物镜(例如，见Japanese Unexamined Patent ApplicationPublication No.2003-5026，Japanese Unexamined Patent ApplicationPublication No.2003-5027，和Japanese Unexamined PatentApplication Publication No.2003-5055)。
然而，这些物镜设计成有小的NA，利用物镜聚焦平行光线到信息记录面上尽可能小的区域；本发明成像透镜在概念上与它们有本质的区别。因此，构成透镜系统的两个透镜中每个透镜的焦距，后焦距和光程值，以及两个透镜之间的间隔与本发明成像透镜是不同的。与本发明的成像透镜相比，这些物镜非常明亮，因为数值孔径为0.85或更高，转换成F数的值小于1，而本发明成像透镜的F数(Fno)是在2.0＜Fno＜4.0的范围内。
作为代表透镜(或透镜系统)亮度的指数，为了区别由物体侧折射率n与入射光瞳半径所对角度u乘积n·sin(u)代表的数值孔径(NA)和由透镜焦距f与入射光瞳Din之比率f/Din代表的F数，在这个说明书中，代表数值孔径的值是用NA表示，而代表F数的值是用Fno表示。这两个变量近似地互为倒数。
作为第七种二元透镜，人们已公开一种明亮的小型红外透镜(例如，见Japanese Unexamined Patent Application PublicationNo.2003-295052)，其中利用相对廉价的材料，使成本下降，并消除衍射光栅引起的多余级次衍射光的效应。在这种红外透镜的二元透镜中，衍射光栅形成在物体侧上弯月形透镜的凹面上。因此，各个元件和透镜系统是完全不同于本发明的成像透镜，本发明成像透镜不采用衍射光栅作为元件。
作为第八种二元透镜，人们已公开一种包括前组透镜，孔径，和后组透镜的图像形成透镜，前组透镜有正的折射本领，Fno＝4，半图像角约24°，具有满意校正的像差，并适用于传真设备等装置中的图像拾取(例如，见Japanese Unexamined Patent Application PublicationNo.7-181379)。
然而，这种图像形成透镜系统有短的后焦距，因此，很难在透镜与图像面之间插入滤光片以阻挡红外光。后焦距bf与整个系统的焦距f(二元透镜系统的组合焦距)之比率bf/f至多为0.38(第五个实施例)。
作为第九种至第十一种二元透镜，人们已公开包括图像形成透镜(第一透镜)和校正透镜(第二透镜)的成像透镜(例如，见JapaneseUnexamined Patent Application Publication No.2000-66094，JapaneseUnexamined Patent Application Publication No.2000-66095，和Japanese Unexamined Patent Application Publication No.2000-66096)。
然而，这些成像透镜有这样的配置，光轴上图像形成透镜的厚度很大。所以，在配置这种透镜时，折射率的分布往往是不均匀的，由于这种折射率的不均匀分布而产生图像畸变，因此，在某些情况下，不能获得根据透镜设计应有的图像质量。
作为第十二种二元透镜，人们已公开一种具有相对小图像尺寸的成像透镜，具体地说，它的性能适合于安装在小型图像拾取设备中(例如，见Japanese Unexamined Patent Application Publication2004-4620)。这种成像透镜有这样的配置，从物体侧开始按顺序排列孔径光阑，第一透镜和第二透镜。就是说，采用不是把孔径光阑放置在第一透镜与第二透镜之间的配置。所以，不能充分地消除闪光，因此，提高图像对比度和得到清晰图像的能力受到限制。
而且，除了第九个实施例以外，光程d与整个系统的焦距f(二元透镜系统的组合焦距)之比率d/f超过1.3。就是说，在这个设计中，光程是长的，不能完全实现小型化。另一方面，第九个实施例中公开的光程d与整个成像透镜系统的焦距f之比率是1.137；但是，第一透镜与第二透镜之间的间隔D2与整个成像透镜中系统的焦距f之比率极小，为0.11。所以，在这个配置中，在第一透镜与第二透镜之间插入第二光阑是不容易的。
然而，为了适合于更小型的便携式电话装置，个人计算机的图像输入设备或其他设备的设计，要求这种设备中安装的成像透镜光程应当是短的，此外，还要求能够得到满意的图像。
本发明的目的是提供F数是在2.0至4.0范围内，具有二元透镜的配置，短光程，以及能够得到满意图像的一种成像透镜。此外，另一个目的是提供这样的成像透镜，其中光阑是在第一透镜与第二透镜之间，可以充分地消除闪光，以及充分提高图像的对比度以得到清晰的图像。
另一个目的是提供这样的成像透镜，其中构成成像透镜的全部透镜(两个透镜)是利用塑料制成，从而实现成本低和重量轻。此处，“塑料”是指浇注的可利用热或压力或二者发生塑性形变以制成透镜聚合物材料，而且，该塑料对于可见光是透明的。
发明内容
为了实现以上的目的，本发明的成像透镜配置成从物体侧到图像侧按顺序排列孔径光阑S1，第一透镜L1，第二光阑S2，和第二透镜L2。第一透镜L1是凸面朝向物体侧的弯月形状，并有正的折射本领。第二透镜L2是凸面朝向物体侧的弯月形状，并有正的折射本领。
在本发明的任一个优选配置例子中，成像透镜满足以下的条件。
0.3＜f1/f2＜1.0    (1)
0.4＜bf/f＜0.5     (2)
1.0＜d/f＜1.3      (3)
0.12＜D2/f＜0.30   (4)
2.0＜Fno＜4.0      (5)
其中f是成像透镜的组合焦距，f1是第一透镜L1的焦距，f2是第二透镜L2的焦距，bf是从第二透镜L2的图像侧表面到图像面的距离(空气中)，d是从第一透镜L1的物体侧表面到图像面的距离(空气中)，D2是第一透镜L1与第二透镜L2之间的间隔，和Fno是F数。
最好是，构成本发明成像透镜的第一透镜L1和第二透镜L2是利用Abbe数在30至60之间的材料制成。此外，构成本发明成像透镜的第一透镜L1和第二透镜L2是利用环烯塑料或聚碳酸酯材料制成。
以上的条件公式(1)是规定第一透镜L1的焦距f1与第二透镜L2的焦距f2之比率f1/f2的条件。若这个比率f1/f2大于下限，则可以校正第一透镜L1中发生的各种像差。具体地说，通过校正畸变，可以避免由于存在这种畸变导致图像的极大畸形。此外，可以防止因第一透镜L1曲率半径太小造成注模困难的问题。
另一方面，若比率f1/f2小于条件公式(1)给出的上限，则可以制成足够小的透镜，它能用作安装在便携式电话，个人计算机的图像输入装置，数字摄像机，监视CCD摄像机，检查设备等中的成像透镜。就是说，可以使后焦距足够短，因此，光程不会太长。此外，可以充分地校正第二透镜L2中发生的各种像差。
以上的条件公式(2)是确保从第二透镜L2的图像侧表面到图像面的距离bf(后焦距)有合适的长度并确保有插入盖玻片，滤光片等空间的条件。就是说，这个条件公式规定后焦距bf与本发明成像透镜组合焦距f之比率bf/f必须满足的条件，为的是能够插入盖玻片，滤光片等。
若比率bf/f大于条件公式(2)给出的下限，则可以确保合适的后焦距，并形成能够容易插入盖玻片，滤光片等的结构。
另一方面，若比率bf/f小于条件公式(2)给出的上限，则后焦距不会太长，且可以实现这样的成像透镜，其中得到的光程适合于安装在便携式电话机，个人计算机的图像输入装置等装置中。即使比率bf/f超过条件公式(2)给出的上限，可以研究使第一透镜L1与第二透镜L2之间的间隔变短以缩短光程的可能性；但是，在目前很难制成这样的透镜，它能够获得已适当地校正各种像差的满意图像。就是说，将第一透镜L1与第二透镜L2之间的间隔设置成很小的值，且第一透镜L1和第二透镜L2具有能够适当校正像差的形状，这种透镜的形状在注模过程中有如下特点，浇注透镜材料到模具中以形成正确反映模具这种形状是很难的。
以上的条件公式(3)是规定从第一透镜L1的物体侧表面到图像面的距离d(光程)与本发明成像透镜的组合焦距f之比率d/f的条件公式。若比率d/f大于条件公式(3)给出的下限，则第一透镜L1和第二透镜L2的厚度可以设置成这样，这些透镜的注模是可能的。此外，后焦距bf可以设置成足够长，使第二透镜的有效直径不会太大而妨碍成像透镜的小型化。
另一方面，若比率d/f小于条件公式(3)给出的上限，则光程不会太长而妨碍本发明成像透镜的小型化，并且在不使图像周边的光量与图像中心的光量之比率太小的情况下，可以在整个图像上得到有均匀亮度的满意图像。
以上的条件公式(4)是规定第一透镜L1与第二透镜L2之间的间隔D2与本发明成像透镜的组合焦距f之比率D2/f取值范围的条件公式。若比率D2/f大于条件公式(4)给出的下限，则第一透镜L1的图像侧表面r3与第二透镜L2的物体侧表面r5之间的间隔不会太小，可以在第一透镜L1和第二透镜L2之间的空间中插入第二光阑S2。通过充分消除对图像形成没有贡献的光线，这些光线发生在第一透镜L1和第二透镜L2的外周边和夹持成像透镜的柱形筒内，第二光阑S2在得到有足够高对比度的清晰图像方面发挥重要的作用。
此外，通过调整图像中心的分辨率以得到满意的图像，可以使发生在负方向视场的图像面弯曲足够地小。就是说，通过调整图像中心的分辨率到获得满意的成像，可以充分减小图像周边的满意图像位置从图像面位置向物体侧移动的效应。
若D2/f大于条件公式(4)给出的下限，则可以确保第一透镜L1的图像侧表面r3与第二透镜L2的物体侧表面r5之间插入第二光阑S2有足够大的间隔。此外，发生在负方向的视场弯曲不是如此之大，以致于在图像的周边不能得到合适的分辨率。就是说，通过充分调整图像中心的分辨率以得到满意的图像，可以使发生在负方向视场的图像面弯曲足够地小。换句话说，通过调整图像中心的分辨率以得到满意的图像，可以充分减小从图像周边处满意分辨率位置的图像面位置向前移动的效应。
另一方面，若比率D2/f小于条件公式(4)给出的上限，则可以避免后焦距太短和第二透镜L2有效直径太大而不能使成像透镜小型化的情况。此外，发生在正方向的视场弯曲不是如此之大，以致于在图像的周边不可能有合适的分辨率。就是说，通过充分调整图像中心的分辨率以得到满意的图像，可以使发生在正方向视场的图像面弯曲充分地小。换句话说，通过充分调整图像中心的分辨率以得到满意的图像，可以充分减小从图像周边处满意分辨率位置的图像面位置向后移动的效应。
以上的条件公式(5)是规定本发明成像透镜F数的数值范围条件公式。若F数大于条件公式(5)给出的下限，则视场的深度足以确保安装在便携式电话，个人计算机的图像输入装置，数字摄像机，监视CCD摄像机，和检查设备中成像透镜的使用。若视场的深度太浅，即，若F数太小，则同时聚焦到图像的宽广范围是困难的，从而妨碍它的使用。
另一方面，若F数小于条件公式(5)给出的上限，则可以得到满意亮度的图像，没有过分暗的图像，具有到达便携式电话，个人计算机的图像输入装置，数字摄像机，监视CCD摄像机，检查设备中图像面没有不足够的光量。
如上所述，采用满足以上条件公式(1)至(5)中5个条件的透镜配置，可以提供F数在2.0至4.0范围内，仅有两个透镜和短透镜光程配置的成像透镜，从而可以得到满意的图像。此外，在第一透镜与第二透镜之间插入光阑以充分消除闪光，可以提供有充分增强图像对比度的成像透镜，从而得到清晰的图像。
借助于本发明的成像透镜，可以利用塑料制作构成本发明成像透镜的全部透镜(两个透镜)，因此，可以提供有低成本和重量轻的成像透镜。
附图说明
根据以下结合附图的描述，可以更好地理解本发明的以上和其他目的，特征和优点，其中：
图1是本发明成像透镜的剖面图；
图2是第一个实施例成像透镜的剖面图；
图3是第一个实施例成像透镜的畸变像差图；
图4是第一个实施例成像透镜的像散图；
图5是第一个实施例成像透镜的色差/球差图；
图6是第二个实施例成像透镜的剖面图；
图7是第二个实施例成像透镜的畸变像差图；
图8是第二个实施例成像透镜的像散图；
图9是第二个实施例成像透镜的色差/球差图；
图10是第三个实施例成像透镜的剖面图；
图11是第三个实施例成像透镜的畸变像差图；
图12是第三个实施例成像透镜的像散图；
图13是第三个实施例成像透镜的色差/球差图；
图14是第四个实施例成像透镜的剖面图；
图15是第四个实施例成像透镜的畸变像差图；
图16是第四个实施例成像透镜的像散；
图17是第四个实施例成像透镜的色差/球差图；
具体实施方式
以下，参照附图解释本发明的各个方面。这些附图仅仅简要地展示各个元件的形状，尺寸和位置关系到足以能够理解本发明的程度，以下解释中的数字值和其他条件仅仅作为合适的例子；本发明绝不局限于上述本发明的各个方面。
图1是本发明成像透镜的配置图。图1中确定的表面编号，各个表面之间的间隔和其他符号与图2，图6，图10，和图14中的相同。
从物体侧的顺序开始，第一透镜和第二透镜分别标记为L1和L2。包括图像面的图像元件标记为10，分开图像面与透镜系统的盖玻片标记为12，以及孔径光阑和第二光阑分别标记为S1和S2。孔径光阑S1和第二光阑S2的孔径部分是用线段作为标志。
在以下的表1至表4中，给出ri(i＝1，2，3，...9)和di(i＝1，2，3，...8)的具体数字值。下标i表示从物体侧前进到图像侧的顺序，并给对应的透镜面编号，透镜厚度，透镜间隔指定数值。
就是说，ri是第i面的轴上曲率半径；di是从第i面到第i+1面的距离；Ni是包含第i面和第i+1面的透镜材料折射率；和vi是从第i面到第i+1面的透镜材料Abbe数。在这个说明书中，ri指出第i面的轴上曲率半径，只要不产生混淆，ri也可以表示第i面本身。
光程d是从d1加到d5再加上后焦距bf的结果。后焦距bf是光轴上从第二透镜L2的图像侧表面到图像面的距离。然而，后焦距bf的测量是去除插入在第二透镜L2与图像面之间的盖玻片而得。就是说，在插入盖玻片的状态下，从第二透镜L2的图像侧表面到图像面的几何距离大于去除了盖玻片的距离，这是由于盖玻片的折射率大于1。后焦距变长的程度是由插入盖玻片的折射率和厚度确定。为了定义后焦距bf作为成像透镜的特征值，它与是否存在盖玻片无关，采用去除盖玻片后测量得到的数值。此外，第一透镜L1与第二透镜L2之间的间隔D2是D2＝d3+d4。
在表1至表4的最右各列中展示非球面数据以及表面编号。孔径光阑S1的表面r1和第二光阑S2的表面r4以及盖玻片的r7和r8和图像面r9是平面，因此，它们的曲率半径是∞。
以下的公式给出本发明中使用的非球面。
Z＝ch2/[1+[1-(1+k)c2h2]+1/2]+A0h4+B0h6+C0h8+D0h10
其中Z是离表面顶点的切平面的深度，c是光轴邻近的表面曲率，h是离光轴的高度，k是圆锥常数，A0是四级非球面系数，B0是六级非球面系数，C0是八级非球面系数，和D0是十级非球面系数。
在这个说明书的表1至表4的每个表中，非球面系数的数字值采用指数标记，例如，“e-1”表示“10的-1次幂”。此外，给出的焦距f值是包括第一透镜和第二透镜的透镜系统组合焦距。
以下，参照图2至图17解释第一个实施例至第四个实施例。
图2，图6，图10，和图14是透镜配置的总体图。图3，图7，图11，和图15表示畸变像差曲线；像散曲线出现在图4，图8，图12，和图16中；和色差/球差曲线出现在图5，图9，图13，和图17中。
畸变像差曲线表示像差量(沿水平轴以百分比表示的不满足正切条件的量)与离光轴距离(沿垂直轴以百分比表示的图像平面内离光轴的距离，最大值等于100)的关系。与畸变像差曲线类似，像散曲线指出沿水平轴的像差量(单位mm)与离光轴距离的关系。像散曲线表示子午面和弧矢面上的像差量(单位mm)。色差/球差曲线表示沿水平轴的像差量(单位mm)与入射距离h(F数)的关系。色差/球差曲线展示C谱线(波长为656.3nm的光)，d谱线(波长为587.6nm的光)，e谱线(波长为546.1nm的光)，F谱线(波长为486.1nm的光)，和g谱线(波长为435.8nm的光)的像差量。折射率是d谱线(波长为587.6nm的光)的折射率。
以下，列出第一个实施例至第四个实施例中构成透镜的曲率半径(单位mm)，透镜之间的间隔(单位mm)，透镜材料的的折射率，透镜材料的Abbe数，数值孔径，和非球面系数。在第一个实施例至第四个实施例中，组合焦距f设置成1.0mm。
表1：第一个实施例    近轴参数：焦距f＝1.0mm，F数F∞＝3.0
曲率半径(ri)  距离(di)  折射率(Ni)   Abbe数(vi)    非球面系数
   K    A0    B0    C0    D0
 r1＝∞
 d1＝0.0000
 r2＝0.380    1.000e-1    -3.000e-1    6.000    3.370e+2    -3.788e+3
 d2＝0.2130  N2＝1.53000  v2＝56.0
 r3＝0.547    -1.430e+1    1.130e+1    -8.410e+1    1.937e+3    -6.970+3
 d3＝0.1217
 r4＝∞
 d4＝0.1521
 r5＝0.700    -2.700    9.200e-1    -1.780e+1    8.670e+1    -2.249e+2
 d5＝0.2434  N5＝1.53000  v5＝56.0
 r6＝2.536    6.800    3.300    -2.750e+1    8.660e+1    -1.361e+2
 d6＝0.2630
 r7＝∞
d7＝0.1521  N7＝1.51680  v7＝61.0(滤光片)
 r8＝∞
d8＝0.1000
 r9＝∞
表2：第二个实施例    近轴参数：焦距f＝1.0mm，F数F∞＝3.0
曲率半径(ri)  距离(di)  折射率(Ni)  Abbe数(vi)     非球面系数
    K    A0   B0   C0   D0
 r1＝∞
 d1＝0.0000
 r2＝0.318     -1.350e-1    9.200e-1   -2.967e+1   9.242e+2   -3.665e+3
 d2＝0.2303  N2＝1.53000  v2＝56.0
 r3＝0.426     -1.157e+1    1.940e+1   -1.300e+2   -8.538e+2   1.079e+5
 d3＝0.1007
 r4＝∞
 d4＝0.0720
 r5＝1.034     -8.240     -1.690   -4.990e+1   8.660e+1   1.416e+3
 d5＝0.2447  N5＝1.53000  v5＝56.0
 r5＝4.480     9.780     1.300   -4.570e+1   2.144e+2   -5.860e+2
 d6＝0.2589
 r7＝∞
d7＝0.1439  N7＝1.51680  v7＝61.0(滤光片)
 r8＝∞
d8＝0.1000
 r9＝∞
表3：第三个实施例    近轴参数：焦距f＝1.0mm，F数F∞＝3.0
曲率半径(ri)  距离(di) 折射率(Ni)  Abbe数(vi)   非球面系数
  K    A0   B0    C0   D0
 r1＝∞
 d1＝0.0000
 r2＝0.304   -1.800e-1    6.680e-1   -2.469e+1    1.121e+3   -6.720e+3
 d2＝0.2297  N2＝1.53000  v2＝56.0
 r3＝0.403   -1.000e+1    2.183e+1   -1.460e+2    -1.697e+3   1.500e+5
 d3＝0.0861
 r4＝∞
 d4＝0.0574
 r5＝1.250   -7.470    -2.000   -6.356e+1    -9.070e+1   4.948e+3
 d5＝0.2440  N5＝1.53000  v5＝56.0
 r6＝6.300   -3.677e+4    1.860   -5.380e+1    2.628e+2   -8.160e+2
 d6＝0.2862
 r7＝∞
 d7＝0.1148  N7＝1.51680  v7＝61.0(滤光片)
 r8＝∞
 d8＝0.1000
 r9＝∞
表4：第四个实施例    近轴参数：焦距f＝1.0mm，F数F∞＝3.0
 曲率半径(ri)  距离(di) 折射率(Ni)  Abbe数(vi)     非球面系数
    K     A0     B0     C0     D0
 r1＝∞
 d1＝0.0000
 r2＝0.303   -2.000e-1   3.400e-1   -1.290e+1   1.376e+3   -1.040e+4
 d2＝0.2295  N2＝1.53000  v2＝56.0
 r3＝0.410   -1.220e+1   2.280e+1   -1.462e+2   -2.252e+3   1.673e+5
 d3＝0.086 1
 r4＝∞
 d4＝0.0574
 r5＝1.401   -1.600e+1   -2.270   -6.180e+1   -2.670e+2   6.918e+3
 d5＝0.2438  N5＝1.53000  v5＝56.0
 r6＝7.700   -1.000e+6   1.580   -5.410e+1   2.815e+2   -9.120e+2
 d6＝0.2835
 r7＝∞
 d7＝0.1147  N7＝1.51680  v7＝61.0(滤光片)
 r8＝∞
 d8＝0.1000
 r9＝∞
以下，我们描述每个实施例的特征。在第一至第四个实施例的每个实施例中，第一透镜L1和第二透镜L2中使用ZEONEX E48R的环烯塑料(ZEONEX是日本Zeno公司的注册商标，而E48R是产品编号；以下简称为“Zeonex”)。
此外，第一透镜L1的两个表面和第二透镜L2的两个表面都是非球面。就是说，每个实施例中非非球面的数目是4。
第一透镜L1和第二透镜L2中Zeonex E48R材料的Abbe数是56(d谱线的折射率是1.53)。根据模拟结果我们发现，若透镜材料的Abbe数是在30至60的范围内，则在像差和其他透镜性能参数中不出现实质差别。就是说，我们发现，与现有技术的成像透镜比较，若Abbe数是上述的范围内，则可以得到满意校正各种像差的成像透镜，这是本发明的目的。此外，本发明的成像透镜还可以使用聚碳酸酯作为透镜材料。
滤光片插入在透镜系统与图像面之间。利用玻璃(d谱线的折射率是1.5168)作为这种滤光片的材料。在计算以下解释的各种像差时，假设存在这种滤光片。
第一个实施例
(A)第一透镜L1的焦距f1是1.63mm。
(B)第二透镜L2的焦距f2是1.74mm。
(C)全部透镜的组合焦距f是1.0mm。
(D)后焦距bf是0.463mm。
(E)光程d是1.193mm。
(F)第一透镜L1与第二透镜L2之间的间隔D2是0.2738mm。
(G)F数Fno是3.0。
因此：
f1/f2＝1.63/1.74＝0.9368
bf/f＝0.463/1.0＝0.463
d/f＝1.193/1.0＝1.193
D2/f＝0.2738/1.0＝0.2738
Fno＝3.0
所以，第一个实施例透镜系统满足所有以下的条件公式(1)至(5)。
0.3＜f1/f2＜1.0    (1)
0.4＜bf/f＜0.5     (2)
1.0＜d/f＜1.3      (3)
0.12＜D2/f＜0.30   (4)
2.0＜Fno＜4.0      (5)
如表1所指出的，孔径光阑S1是在第一透镜L1第一表面r2(物体侧表面)的位置。第二光阑S2是在第一透镜L1第二表面r3之后的位置0.1217mm(d3＝0.1217mm)，和第二透镜L2第一表面r5之前的0.1521mm(d4＝0.1521mm)，即，插入在第一透镜L1与第二透镜L2之间。F数Fno是3.0，和组合焦距f是1.0mm。
图2是第一个实施例成像透镜的剖面图。光程是1.193mm，和后焦距是0.463mm，因此，可以确保组合焦距f有合适的长度。第一透镜L1第二表面r3与第二透镜L2第一表面r5之间间隔d3+d4的数值设置成0.2738mm。因此，确保在第一透镜L1与第二透镜L2之间插入第二光阑S2有足够的间隔。
图3表示畸变像差曲线20，图4表示像散曲线(子午面上的像差曲线22和弧矢面上的像差曲线24)，和图5表示色差/球差曲线(C谱线的像差曲线26，d谱线的像差曲线28，e谱线的像差曲线30，F谱线的像差曲线32，和g谱线的像差曲线34)。
图3和图4的像差曲线中，垂直轴表示以图像到光轴距离的百分比表示的图像高度，水平轴表示像差量，分别以百分比和mm为单位。在图3和图4中，垂直轴上的100％，80％，70％，和60％分别相当于0.650mm，0.520mm，0.455mm，和0.390mm。图5中的垂直轴指出入射距离h(F数)；最大值对应于F3.0。图5中的水平轴指出像差量。
在图像高度为80％(图像高度为0.520mm)时，畸变像差绝对值的最大值是3.78％。在图像高度等于或小于0.650mm的情况下，像差绝对值是在3.78％以内。
在图像高度为80％(图像高度为0.520mm)时，弧矢面上像散绝对值的最大值是在0.0292mm。在图像高度等于或小于0.650mm的情况下，像差绝对值是在0.0292mm以内。
对于入射距离h为100％的g谱线，色差/球差绝对值的最大值是在0.0355mm，各处的像差绝对值是在0.0355mm以内。
第二个实施例
(A)第一透镜L1的焦距f1是1.36mm。
(B)第二透镜L2的焦距f2是2.48mm。
(C)全部透镜的组合焦距f是1.0mm。
(D)后焦距bf是0.454mm。
(E)光程d是1.102mm。
(F)第一透镜L1与第二透镜L2之间的间隔D2是0.1727mm。
(G)F数Fno是3.0。
因此：
f1/f2＝1.36/2.48＝0.5484
bf/f＝0.454/1.0＝0.454
d/f＝1.102/1.0＝1.102
D2/f＝0.1727/1.0＝0.1727
Fno＝3.0
所以，第二个实施例透镜系统满足所有以下的条件公式(1)至(5)。
0.3＜f1/f2＜1.0    (1)
0.4＜bf/f＜0.5     (2)
1.0＜d/f＜1.3      (3)
0.12＜D2/f＜0.30   (4)
2.0＜Fno＜4.0      (5)
如表2所表示的，孔径光阑S1是在第一透镜L1第一表面r2(物体侧表面)的位置。第二光阑S2是在第一透镜L1第二表面r3之后的位置0.1007mm(d3＝0.1007mm)，和第二透镜L2第一表面r5之前的0.0720mm(d4＝0.0720mm)，即，插入在第一透镜L1与第二透镜L2之间。F数Fno是3.0，和组合焦距f是1.0mm。
图6是第二个实施例成像透镜的剖面图。光程是1.102mm，和后焦距是0.454mm，因此，可以确保组合焦距f有合适的长度。第一透镜L1第二表面r3与第二透镜L2第一表面r5之间间隔d3+d4的数值设置成0.1727mm。因此，确保在第一透镜L1与第二透镜L2之间插入第二光阑S2有足够的间隔。
图7表示畸变像差曲线36，图8表示像散曲线(子午面上的像差曲线38和弧矢面上的像差曲线40)，和图9表示色差/球差曲线(C谱线的像差曲线42，d谱线的像差曲线44，e谱线的像差曲线46，F谱线的像差曲线48，和g谱线的像差曲线50)。
图7和图8的像差曲线中，垂直轴表示以图像到光轴距离的百分比表示的图像高度，水平轴表示像差量，分别以百分比和mm为单位。在图7和图8中，垂直轴上的100％，80％，70％，和60％分别相当于0.650mm，0.520mm，0.455mm，和0.390mm。图9中的垂直轴指出入射距离h(F数)；最大值对应于F3.0。图9中的水平轴指出像差量。
在图像高度为100％(图像高度为0.650mm)时，畸变像差绝对值的最大值是3.63％。在图像高度等于或小于0.650mm的情况下，像差绝对值是在3.63％以内。
在图像高度为100％(图像高度为0.650mm)时，子午面上像散绝对值的最大值是在0.0399mm。在图像高度等于或小于0.650mm的情况下，像差绝对值是在0.0399mm以内。
对于入射距离h为100％的g谱线，色差/球差绝对值的最大值是在0.0300mm，各处的像差绝对值是在0.0300mm以内。
第三个实施例
(A)第一透镜L1的焦距f1是1.29mm。
(B)第二透镜L2的焦距f2是2.89mm。
(C)全部透镜的组合焦距f是1.0mm。
(D)后焦距bf是0.462mm。
(E)光程d是1.079mm。
(F)第一透镜L1与第二透镜L2之间的间隔D2是0.1435mm。
(G)F数Fno是3.0。
因此：
f1/f2＝1.29/2.89＝0.4464
bf/f＝0.462/1.0＝0.462
d/f＝1.079/1.0＝1.079
D2/f＝0.1435/1.0＝0.1435
Fno＝3.0
所以，第三个实施例透镜系统满足所有以下的条件公式(1)至(5)。
0.3＜f1/f2＜1.0    (1)
0.4＜bf/f＜0.5     (2)
1.0＜d/f＜1.3      (3)
0.12＜D2/f＜0.30   (4)
2.0＜Fno＜4.0      (5)
如表3所表示的，孔径光阑S1是在第一透镜L1第一表面r2(物体侧表面)的位置。第二光阑S2是在第一透镜L1第二表面r3之后的位置0.0861mm(d3＝0.0861mm)，和第二透镜L2第一表面r5之前的0.0574mm(d4＝0.0574mm)，即，插入在第一透镜L1与第二透镜L2之间。F数Fno是3.0，和组合焦距f是1.0mm。
图10是第三个实施例成像透镜的剖面图。光程是1.079mm，和后焦距是0.462mm，因此，可以确保组合焦距f有合适的长度。第一透镜L1第二表面r3与第二透镜L2第一表面r5之间间隔d3+d4的数值设置成0.1435mm。因此，确保在第一透镜L1与第二透镜L2之间插入第二光阑S2有足够的间隔。
图11表示畸变像差曲线52，图12表示像散曲线(子午面上的像差曲线54和弧矢面上的像差曲线56)，和图13表示色差/球差曲线(C谱线的像差曲线58，d谱线的像差曲线60，e谱线的像差曲线62，F谱线的像差曲线64，和g谱线的像差曲线66)。
图11和图12的像差曲线中，垂直轴表示以图像到光轴距离的百分比表示的图像高度，水平轴表示像差量，分别以百分比和mm为单位。在图11和图12中，垂直轴上的100％，80％，70％，和60％分别相当于0.645mm，0.516mm，0.451mm，和0.387mm。图13中的垂直轴指出入射距离h(F数)；最大值对应于F3.0。图13中的水平轴指出像差量。
在图像高度为100％(图像高度为0.645mm)时，畸变像差绝对值的最大值是3.07％。在图像高度等于或小于0.645mm的情况下，像差绝对值是在3.07％以内。
在图像高度为60％(图像高度为0.387mm)时，弧矢面上像散绝对值的最大值是在0.0261mm。在图像高度等于或小于0.645mm的情况下，像差绝对值是在0.0261mm以内。
对于入射距离h为50％的g谱线，色差/球差绝对值的最大值是在0.0258mm，各处的像差绝对值是在0.0258mm以内。
第四个实施例
(A)第一透镜L1的焦距f1是1.26mm。
(B)第二透镜L2的焦距f2是3.19mm。
(C)全部透镜的组合焦距f是1.0mm。
(D)后焦距bf是0.459mm。
(E)光程d是1.076mm。
(F)第一透镜L1与第二透镜L2之间的间隔D2是0.1435mm。
(G)F数Fno是3.0。
因此：
f1/f2＝1.26/3.19＝0.3950
bf/f＝0.459/1.0＝0.459
d/f＝1.076/1.0＝1.076
D2/f＝0.1435/1.0＝0.1435
Fno＝3.0
所以，第四个实施例透镜系统满足所有以下的条件公式(1)至(5)。
0.3＜f1/f2＜1.0    (1)
0.4＜bf/f＜0.5     (2)
1.0＜d/f＜1.3      (3)
0.12＜D2/f＜0.30   (4)
2.0＜Fno＜4.0      (5)
如表4所指出的，孔径光阑S1是在第一透镜L1第一表面r2(物体侧表面)的位置。第二光阑S2是在第一透镜L1第二表面r3之后的位置0.0861mm(d3＝0.0861mm)，和第二透镜L2第一表面r5之前的0.0574mm(d4＝0.0574mm)，即，插入在第一透镜L1与第二透镜L2之间。F数Fno是3.0，和组合焦距f是1.0mm。
图14是第四个实施例成像透镜的剖面图。光程是1.076mm，和后焦距是0.459mm，因此，可以确保组合焦距f有合适的长度。第一透镜L1第二表面r3与第二透镜L2第一表面r5之间间隔d3+d4的数值设置成0.1435mm。因此，确保在第一透镜L1与第二透镜L2之间插入第二光阑S2有足够的间隔。
图15表示畸变像差曲线68，图16表示像散曲线(子午面上的像差曲线70和弧矢面上的像差曲线72)，和图17表示色差/球差曲线(C谱线的像差曲线74，d谱线的像差曲线76，e谱线的像差曲线78，F谱线的像差曲线80，和g谱线的像差曲线82)。
图15和图16的像差曲线中，垂直轴表示以图像到光轴距离的百分比表示的图像高度，水平轴表示像差量，分别以百分比和mm为单位。在图15和图16中，垂直轴上的100％，80％，70％，和60％分别相当于0.645mm，0.516mm，0.451mm，和0.387mm。图17中的垂直轴指出入射距离h(F数)；最大值对应于F3.0。图17中的水平轴指出像差量。
在图像高度为100％(图像高度为0.645mm)时，畸变像差绝对值的最大值是2.53％。在图像高度等于或小于0.645mm的情况下，像差绝对值是在2.53％以内。
在图像高度为100％(图像高度为0.645mm)时，子午面上像散绝对值的最大值是在0.0461mm。在图像高度等于或小于0.645mm的情况下，像差绝对值是在0.0461mm以内。
对于入射距离h为100％的g谱线，色差/球差绝对值的最大值是在0.0446mm，各处的像差绝对值是在0.0466mm以内。
因此，如以上所解释的，本发明能够实现具有满意校正各种像差的成像透镜，光程与成像透镜系统组合焦距之比率至多约为1.2(即使在比率为最大的第一个实施例成像透镜中，仅等于1.193)，它适合于安装在便携式电话等装置的小型CCD摄像机中。
另一方面，成像透镜系统的后焦距与组合焦距之比率还接近于0.46(即使在比率为最小的第二个实施例成像透镜中，等于0.454)，因此，可以确保合适的长度。就是说，借助于本发明的成像透镜，确保有足够的后焦距，它能够在第二透镜L2的图像侧表面r6与图像面之间插入盖玻片12或其他的元件，如以上本发明的每个实施例中所描述的。
此外，D2/f是第一透镜L1第二表面r3与第二透镜L2第一表面r5之间的距离与整个成像透镜系统的焦距f之比率，D2/f值设置在约0.14与0.28之间，即使在比率设置为最小的第三和第四个实施例中也是0.1435。就是说，能确保在第一透镜L1与第二透镜L2之间插入第二光阑S2有足够的空间。
此外，本发明的成像透镜可以采用Abbe数在30至60范围内材料制成的透镜，因此，可以使用环烯塑料或聚碳酸酯材料作为透镜材料。所以，不需要利用昂贵的非球面浇注玻璃，因此，可以实现低成本的制造方法，还可以减轻透镜的重量。
根据以上的解释我们清楚地知道，本发明的成像透镜不但能够适用于便携式电话装置，个人计算机和数字摄像机中内置的照相透镜，而且还适用于PDA(个人数字助理)中内置的照相透镜，具有图像识别功能的玩具中内的照相透镜，以及用于监测，检查和防止犯罪设备中的照相透镜。

Claims (6)

1.一种成像透镜，包括：孔径光阑S1，第一透镜L1，第二光阑S2，和第二透镜L2，且其中：
所述成像透镜配置成从物体侧到图像侧按顺序排列孔径光阑S1，第一透镜L1，第二光阑S2，和第二透镜L2；
所述第一透镜L1是凸面朝向物体侧的弯月形状，并有正的折射本领；
所述第二透镜L2是凸面朝向物体侧的弯月形状，并有正的折射本领；和
所述第一透镜L1的两个表面和所述第二透镜L2的两个表面是非球面，并满足以下的条件：
0.3＜f1/f2＜1.0    (1)
0.4＜bf/f＜0.5     (2)
1.0＜d/f＜1.3      (3)
0.12＜D2/f＜0.30   (4)
2.0＜Fno＜4.0       (5)
其中f是成像透镜的组合焦距，f1是第一透镜L1的焦距，f2是第二透镜L2的焦距，bf是从第二透镜L2的图像侧表面到图像面的(空气中)距离，d是从第一透镜L1的物体侧表面到图像面的(空气中)距离，D2是第一透镜L1与第二透镜L2之间的间隔，Fno是F数。
2.按照权利要求1的成像透镜，其中构成成像透镜的所述第一透镜L1和所述第二透镜L2是利用Abbe数在30至60之间的材料制成。
3.按照权利要求1的成像透镜，其中构成成像透镜的所述第一透镜L1和所述第二透镜L2是利用环烯塑料或聚碳酸酯材料制成。
4.按照权利要求2的成像透镜，其中构成成像透镜的所述第一透镜L1和所述第二透镜L2是利用环烯塑料或聚碳酸酯材料制成。
5.按照权利要求1的成像透镜，其中像面是平面。
6.按照权利要求1的成像透镜，其中所述第一透镜L1的两个表面和所述第二透镜L2的两个表面还满足以下条件：
0.303≤r2/f≤0.380    (6)
0.700≤r5/f≤1.401    (7)
其中r2：第一透镜L1的第1面即物侧面的曲率半径；
r5：第一透镜L2的第1面即物侧面的曲率半径。
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