CN1362629A - 广角镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种在可见光和近红外光区均具有良好光学性能的小型广角镜头。该广角镜头从物方依次包括:具有负光焦度的双凹透镜的第一透镜元件,和具有正光焦度的双凸透镜的第二透镜元件,第一和第二透镜元件的至少一个表面是非球面的。该广角镜头满足以下条件:1<|r4|/r3<3,D2<1.5f,其中“r3”是第二透镜元件面向物方的前表面的曲率半径,“r4”是第二透镜元件后表面的曲率半径,“D2”是第一透镜元件面向象方的后表面与第二透镜元件前表面之间的主轴上距离,以及“f”是广角镜头的焦距长度。

Description

广角镜头
技术领域
本发明涉及一种对近红外光和可见光具有良好光学特性的小型广角镜头，适用于警戒相机，侦察相机，或用于电视电话系统的相机。
背景技术
作为用于警戒相机，侦察相机，或可视电话系统相机的光学镜头，已经采用了广角或超广角镜头。但是，由于广角镜头中安排了许多透镜元件，已经难以缩小相机的尺寸。而且，配置有复合透镜的广角镜头很昂贵。
此外，警戒相机常常用于光线暗的条件下。在此情况下，要让安置在警戒相机上的近红外辐照单元发射出近红外光，并用警戒相机在暗光条件下拍摄近红外目标的象。但是，当为可见光设计的广角镜头用于近红外光线下时，会发生焦点模糊的问题。
而传统的广角镜头，如日本专利公开2-77712公开了一种超广角镜头，从物方起依次包括：第一透镜元件，具有负光焦度的弯月凹透镜；，和第二透镜元件，具有正光焦度的双凸透镜。在这种情况下，为了降低广角镜头的尺寸，第一透镜单元必须设计成，面向物方的第一透镜单元表面具有大的曲率半径。但是，由于在制造这种第一透镜单元时对偏心公差要求很严格，所以有一个生产量低的问题。
发明内容
因此，本发明的主要目的是提供一种对近红外光和可见光都具有良好光学特性的小型广角镜头，它可以较为容易地制造出来。
即，广角镜头从物方起依次包括：
第一透镜元件，它是具有负光焦度的双凹透镜；以及
第二透镜元件，它是具有正光焦度的双凸透镜；
其中第一透镜元件和第二透镜元件的至少一个表面是非球面的，
该广角镜头满足以下条件：
1＜|r4|/r3＜3             (1)
D2＜1.5f                  (2)
其中“r3”是第二透镜元件面向物方的前表面的曲率半径，
“r4”是第二透镜元件后表面的曲率半径，
“D2”是第一透镜元件面向象方的后表面与第二透镜元件前表面之间的主轴上距离，以及
“f”是广角镜头的焦距长度。
由于第一透镜元件的双凹透镜在象方和物方表面均提供了光焦度，故可以使第一透镜元件的后表面具有小的曲率。这放松了组装公差，尤其是偏心公差，简化了第一透镜元件的制造。此外，当双凹透镜的前表面为球面时，在大视场角时的入射角增大了，致使入射能量趋于降低。通过形成具有小曲率表面或非球表面的前表面，可以避免入射能量的降低。
条件(1)的目的是在距离“D2”小时控制第二透镜元件的光焦度。当|r4|/r3≤ 1时，即使距离“D2”很小，第二透镜元件后表面也必须有很大的曲率来完成足够的校正。当使用曲率如此大的透镜时，需要严格的组装公差。此外，当孔阑位于第二透镜元件后表面附近时，镜头的有效直径变小，致使较厚的第二透镜元件需要保持F/数。这导致了广角镜头的总长度增加。另一方面，当|r4|/r3≥3时，第二透镜元件前表面的曲率变大，因此需要严格的组装公差，尤其是偏心公差。因此，当条件(1)得不到满足时，本发明提供小型广角镜头的目的将不能实现。
条件(2)的目的是实现广角镜头的小型化，和保持合适的象差。就距离“D2”的低限而言，它适宜满足“1.5f＜D2”的条件。当距离“D2”超过1.5f时，广角镜头的总长度将增大。
上述广角镜头适宜进一步满足下述条件：
0.7f＜f2＜1.5f         (3)
其中“f2”是第二透镜元件的焦距长度。
条件(3)的目的是确定广角镜头整个系统的光焦度分布，并保持“D2”在条件(2)的范围内。当f2≤0.7f时，第二透镜元件的光焦度增大，使得象差校正变得困难。当1.5f≤f2时，需要增大距离“D2”，使得广角镜头的总长度变长。当广角镜头的焦距长度“f”小时，为了控制各个透镜元件的光焦度，尤其适于满足“f＜f2”的条件。另一方面，当广角镜头的焦距长度“f”较长时，为了广角镜头的小型化和进行适当的象差校正，适宜满足“f2＜f”的条件。
为了实现上述目的，本发明进一步提供了下述的广角镜头。即，该广角镜头从物方起依次包括：
第一透镜元件，它是具有负光焦度的双凹透镜；以及
第二透镜元件，它是具有正光焦度的双凸透镜；
其中第一透镜元件面向象方的后表面是非球面的，而且
该广角镜头满足以下条件：
0.6D2/f≤|f2/f1|≤2.3D2/f               (4)
0.6h2≤r2≤1.0h2                        (5)
其中“f”是广角镜头的焦距长度，
“f1”是第一透镜元件的焦距长度，
“f2”是第二透镜元件的焦距长度，
“r2”是第一透镜元件后表面的曲率半径，
“h2”是第一透镜元件后表面的有效半径，以及
“D2”是第一透镜元件后表面与第二透镜元件面向物方的前表面之间的主轴上距离。
条件(4)的目的是实现广角镜头在近红外光条件下的良好光学特性。当|f2/f1|＜0.6D2/f时，第一透镜元件的正球差值太小。在此情况下，可见光的球差较好，但是近红外光的球差变大，使得光学性能显著降低。另一方面，当|f2/f1|＞2.3D2/f时，球差校正大大过度，使得光学性能降低。总之，当仅仅对可见光区域进行球差校正时，与可见光条件下所成象点相比，近红外光的球差向着正值偏移一个较大的量。为此，在本发明中，可见光的球差校正稍微过度，以控制近红外光球差的正向偏移，在可见光和近红外光之间很好地平衡光学性能。
与条件(4)相有关，条件(5)的目的是保持良好的球差。如上所述，当稍微过度地校正球差时，透镜周边部分的球差校正量比透镜中心部分大得多。在本发明中，用非球表面作第一透镜元件后表面并满足透镜(5)来充分地控制透镜周边部分球差校正量。所以，当1.0h2＜r2时，由于球差高次项太小的影响，难以控制透镜周边部分的球差的过度校正。另一方面，当r2＜0.6h2时，可以有效地控制透镜周边部分的球差过度校正，但是由于第一透镜元件后表面曲率半径“r2”变小，存在一个透镜难以制造的问题。
上述超广角镜头适宜进一步满足下述条件：
1.0≤D2/f≤1.5          (6)
与条件(4)相关，条件(6)的目的是得到所需的广角镜头后焦距，和提供良好的球差校正。当D2/f＜1.0时，不能得到需所后焦距。在超广角镜头中，由于设定的焦距长度小，故镜头的后焦距变小。但是，由于得不到所需的后焦距，有一个在镜头与成象表面之间不能插入诸如颜色校正滤色片等滤光片的麻烦。此外，成象表面的辐射角增大，使得象场边缘的亮度降低。另一方面，当1.5＜D2/f时，可以得到所需的后焦距，但是广角镜头的尺寸难以缩小。
上述这些和其他目的与优点，将通过下文结合附图的本发明最佳实施模式而可以得到清楚地解释。
附图说明
图1是表示本发明第一实施例广角镜头透镜配置的示意图；
图2A至2C表示了第一实施例的广角镜头在可见光条件下的各种象差；
图3A至3C表示了第一实施例的广角镜头在可见光条件下的各种横向象差；
图4表示本发明第二实施例广角镜头透镜配置的示意图；
图5A至5C表示了第二实施例的广角镜头在可见光条件下的各种象差；
图6A至6C表示了第二实施例的广角镜头在可见光条件下的各种横向象差；
图7表示本发明第三实施例广角镜头透镜配置的示意图；
图8A至8C表示了第三实施例的广角镜头在可见光条件下的各种象差；
图9A至9C表示了第三实施例的广角镜头在可见光条件下的各种横向象差；
图10A至10C表示了第三实施例的广角镜头在近红外光条件下的各种象差；
图11A至11C表示了第三实施例的广角镜头在近红外光条件下的各种横向象差；
图12表示本发明第四实施例广角镜头透镜配置的示意图；
图13A至13C表示了第四实施例的广角镜头在可见光条件下的各种象差；
图14A至14C表示了第四实施例的广角镜头在可见光条件下的各种横向象差；
图15A至15C表示了第四实施例的广角镜头在近红外光条件下的各种象差；
图16A至16C表示了第四实施例的广角镜头在近红外光条件下的各种横向象差。
具体实施方式
下文说明本发明广角镜头的优选实施例。
第一实施例
如图1所示，本发明的广角镜头安装在CCD相机中。即，CCD相机主要由CCD(电荷耦合器件)，广角镜头(11，12)，孔阑13，和CCD的玻璃盖板14组成。15表示CCD成象表面
广角镜头从物方依次包括：具有负光焦度的双凹透镜的第一透镜单元11，和具有正光焦度的双凸透镜的第二透镜单元12。换句话说，第二透镜单元12位于第一透镜单元11与CCD成象表面15之间。在图1中，标号“r1”和“r2”分别代表第一透镜单元11朝向物方的前表面和朝向成象表面15的后表面。类似地，标号“r3”和“r4”分别代表第二透镜单元12朝向物方的前表面和朝向成象表面15的后表面。在第一实施例中，第一透镜单元11的后表面和“r2”和第二透镜单元12的前后表面标号“r3，r4”是非球面的。表1表示了第一实施例广角镜头的光学特性。第一透镜单元11，第二透镜单元12，孔阑13和玻璃盖板14，从物方起具有表面序数(i＝1-7)。在表1中，“Ri”表示与相应表面序数(i)对应的表面曲率半径。“Di”代表主轴上第(i)表面与第(i+1)表面之间的的距离。此外，第一透镜单元11，第二透镜单元12和玻璃盖板14具有从物方算起的组件数(j＝1-3)。“Nj”代表与组件数(j)对应的组件的d-线折射率。非球表面由表面序数右侧的星号表示。“K”和“A”分别表示圆锥常数和非球面系数。
当垂直于主轴方向的坐标轴为Y，主轴方向的坐标轴为X时，非球面由下式表示：
X＝[CY2/{1+(1-(K+1)(CY)2)1/2)]+AY4+……，
C＝1/Ri。
在该广角镜头中，“|r4|/r3”，“D2”和“f2”的值分别是1.75，1.4f和1.33f。所以，第一实施例的广角镜头满足本发明所定义的下述条件(1)，(2)和(3)：
1＜|r4|/r3＜3           ……(1)
D2＜1.5f                ……(2
0.7f＜f2＜1.5f          ……(3)
图2A至2C分别表示本实施例广角镜头在可见光条件下的球差，象散和畸变。另外，图3A至3C分别表示本实施例广角镜头的各种横向象差。在这些图中，“C”，“d”，“F”，“m”和“s”分别代表与C-线，d-线，F-线，子午平面，和弧矢平面的象差。
而且已经验证：用940nm波长的近红外代替可见光的条件下，相同焦点位置的象差得到了很好地校正。于是，本实施例的广角镜头在可见光和近红外光范围都表现出良好的光学性能。
第二实施例
如图4所示，第二实施例的广角镜头基本与第一实施例的相同，只是第一和第二透镜单元(11，12)具有表2所列光学特性。所以，省略了重复的表述。
在本广角镜头中，“|r4|/r3”，“D2”和“f2”的值分别是1.1，0.63f和0.95f。所以，本实施例的广角镜头满足上述的所有条件(1)，(2)和(3)。
图5A至5C分别表示本实施例广角镜头在可见光条件下的球差，象散和畸变。另外，图6A至6C分别表示本实施例广角镜头的各种横向象差。在这些图中，“C”，“d”，“F”，“m”和“s”分别代表与C-线，d-线，F-线，子午平面，和弧矢平面的象差。
而且已经验证：用940nm波长的近红外代替可见光的条件下，相同焦点位置的象差得到了很好地校正。于是，本实施例的广角镜头在可见光和近红外光范围都表现出良好的光学性能。
第三实施例
如图7所示，第三实施例的广角镜头基本与第一实施例的相同，只是第一和第二透镜单元(11，12)具有表3和表4所列光学特性。所以，省略了重复的表述。
在本广角镜头中，其特征在于最大视场角为130度，而且第一和第二透镜单元(11，12)的全部前表面“r1，r3”和后表面“r2，r4”都是非球面。
表3和表4表示了第三实施例的广角镜头的光学特性。第一透镜单元11，第二透镜单元12，孔阑13和玻璃盖板14具有从物方算起的表面序数(i＝1-7)。在表3中，“Ri”表示与相应表面序数(i)对应的表面曲率半径。“Di”代表主轴上第(i)表面与第(i+1)表面之间的的距离。“hi”代表对应于第一和第二透镜单元(11，12)和孔阑13表面序数(i＝1-5)的表面有效半径。第五表面(i＝5)对应于孔阑13的位置。此外，第一透镜单元11，第二透镜单元12和玻璃盖板14具有从物方算起的组件数(j＝1-3)。“Nj”代表与组件数(j)对应的组件的d-线折射率。非球表面由表面序数右侧的星号表示。在表4中，“K”表示圆锥常数，而“ARk”表示高达k次的非球面系数(k＝2，3，6，8，10)。
在该实施例中，当垂直于主轴方向的坐标轴为“Y”，主轴方向的坐标轴为“X”时，非球面由下式表示：
X＝[CY2/{1+(1-(K+1)(CY)2)1/2}]+∑ ARYk
C＝1/Ri
在该广角镜头(超广角镜头)中，“|f2/f1|”，“r2”和“D2/f”的值分别是0.788(D2/f)，0.984hi和1.255。本发明定义了满足条件(4)，(5)和(6)的广角镜头：
0.6D2/f＜|f2/f1|＜2.3D2/f            ……(4)
0.6h2≤r2≤1.0h2                      ……(5)
1.0≤D2/f≤1.5                          ……(6)
图8A至8C分别表示本实施例广角镜头在可见光条件下的球差，象散和畸变。图9A至9C分别表示本实施例广角镜头的各种横向象差。此外，图10A至10C分别表示本实施例广角镜头在具有940nm波长的近红外光条件下的球差，象散和畸变。图11A至11C分别表示本实施例广角镜头在近红外光条件下的各种横向象差。在这些图中，“c”，“d”，“F”，“m”和“s”分别代表与c-线，d-线，F-线，子午表面和弧矢表面的象差。从这些图中可以理解到，可见光和近红外光区的象差都得到了很好的校正。
第四实施例
如图12所示，第四实施例的广角镜头基本与第一实施例的相同，只是第一和第二透镜单元(11，12)具有表5和表6所列光学特性。所以，省略了重复的表述。
在本广角镜头中，第一和第二透镜单元(11，12)的全部前表面“r1，r3”和后表面“r2，r4”都是非球面。“|f2/f1|”，“r2”和“D2/f”的值分别是0.722(D2/f)，0.789hi和1.459。所以，本广角镜头满足上述所有条件(4)至(6)。
图13A至13C分别表示本实施例广角镜头在可见光条件下的球差，象散和畸变。图14A至14C分别表示本实施例广角镜头的各种横向象差。此外，图15A至15C分别表示本实施例广角镜头在具有940nm波长的近红外光条件下的球差，象散和畸变。图16A至16C分别表示本实施例广角镜头在近红外光条件下的各种横向象差。在这些图中，“C”，“d”，“F”，“m”和“s”分别代表与C-线，d-线，F-线，子午平面，和弧矢平面的象差。从这些图中可以理解到，可见光和近红外光区的象差都得到了很好的校正。
如上所述，由于本发明的广角镜头由一对第一透镜单元构成，并满足上述的条件(1)和(2)或(4)和(5)，故可以提供价格低廉的小型广角镜头。此外，由于各个透镜单元的光焦度受到适当地控制，所以组装公差宽松了，因而更为易于制造。而且，在固定的焦距长度上，在可见光和近红外光条件下均可得到良好的图象，同时出现的焦点模糊最小。而且，在弱光线条件下，可以拍摄到物体的近红外图象。尤其是，当广角镜头满足上述条件(4)至(6)时，还具有得到了适当后焦距，以便于在广角镜头和成象表面之间插入滤光片，如颜色校正滤色片，的优点。
所以，在可见光和近红外光区都具有极好光学性能的本发明广角镜头，将尤其适用于警戒相机，侦察相机，或可视电话系统相机等等。
表1
 f＝1.91，F.No.＝2.8，Fb＝3.25(等效的空间长度)，最大视场角＝128°
i Ri Di j Nj K A
  第一透镜单元     1     -100     1.2     1     1.492   …     …
    2*     1.26     2.67   -0.4975     -0.01281
  第二透镜单元     3*     1.62     2.33     2     1.492   -1.9052     0.03097
    4*     -2.84     0.2   -16.6644     -0.01261
  孔阑     5     …     1.61     …     …   …     …
玻璃盖板     6     ∞     0.8     3     1.51   …     …
    7     ∞     0.91   …     …
表2
 f＝3.2，F.No.＝2.8，Fb＝4.97(等效的空间长度)，最大视场角＝90.2°
i Ri Di j Nj K A
  第一透镜单元     1     -20     2.5     1     1.492   …   …
    2*     2     2   0.4837   0.005305
  第二透镜单元     3*     2.5     2     2     1.492   0.8218   -0.007494
    4*     -2.75     0   -1   0.02033
  孔阑     5     …     3.57     …     …   …   …
玻璃盖板     6     ∞     0.8     3     1.51   …   …
    7     ∞     0.91   …   …
表3
 f＝1.87，F.No.＝2.8，Fb＝3.4(等效的空间长度)，最大视场角＝130°
i Ri Di hi j Nj
  第一透镜单元     1*     -25.40704     2.29     4.12     1     1.49
    2*     1.26000     2.34     1.28
  第二透镜单元     3*     1.68948     1.72     0.7     2     1.49
    4*     -2.42285     0     0
  孔阑     5     …     1.2     0.8     …     …
玻璃盖板     6     ∞     0.8     …     3     1.51
    7     ∞     1.7379     …
表4
表面序数No.(i) K ARK(k＝3，4，6，8，10)
AR3 AR4 AR6  AR8 AR10
 1 0 0 .1678074E-02 -.2999911E-04  0 0
 2 -.1493990E+00 0 -.6491301E-01 .8003847E-01 -.4556546E-01 .1275515E-01
 3 -.2257214E+01 .1589030E-02 .8809101E-01 -.1271590E+00 .2035670E+00 -.1151605E+00
 4 -.1398056E+02 .6605217E-01 -.1667696E+00 .1946849E+00 -.9313644E-02 -.4997869E-01
表5
    f＝1.86，F.No.＝2.8，Fb＝3.32(等效的空间长度)，最大视场角＝130°
  i Ri  Di   hi  j  Nj
第一透镜单元   1* -23.47220  1.03   3.75  1  1.492
  2* 1.30985  2.71   1.66
第二透镜单元   3* 1.76887  2.57   1.2  2  1.492
  4* -2.4733  0   0
    孔阑   5 …  1.89   0.62  …  …
玻璃盖板   6 ∞  0.8   …  3  1.51
  7 ∞  0.9578   …
表6
表面序数No.(i) K  ARK(k＝3，4，6，8
AR3   AR4   AR6 AR8
 1 0 0   .1473620E-02   -.3243417E-04 .4068222E-06
 2 -.4395888E+00 0   -.1690841E-01   .3142467E-02 -.1302426E-02
 3 -.1438102E+01 -.2057283E-01   .3507749E-01   -.1164745E-01 .2062476E-02
 4 0 -.1100587E-01   .4654177E-01   .4182281E-02 -.6047216E-02

Claims (4)

1.一种广角镜头，从物方起依次包括：
第一透镜元件，为一个具有负光焦度的双凹透镜；以及
第二透镜元件，为一个具有正光焦度的双凸透镜；
其中所述第一透镜元件和第二透镜元件的至少一个表面是非球面的，
该广角镜头满足以下条件：
1＜|r4|/r3＜3              (1)
D2＜1.5f                    (2)
其中“r3”是第二透镜元件面向物方的前表面的曲率半径，
“r4”是第二透镜元件后表面的曲率半径，
“D2”是第一透镜元件面向象方的后表面与第二透镜元件前表面之间的主轴上距离，以及
“f”是广角镜头的焦距长度。
2.如权利要求1所提出的广角镜头，进一步满足下述条件：
0.7f＜f2＜1.5f，
其中f2是所述第二透镜单元的焦距长度。
3.一种广角镜头，从物方起依次包括：
第一透镜元件，它是具有负光焦度的双凹透镜；以及
第二透镜元件，它是具有正光焦度的双凸透镜；
其中第一透镜元件面向象方的后表面是非球面的，而且
该广角镜头满足以下条件：
0.6D2/f≤|f2/f1|≤2.3D2/f
0.6h2≤r2≤1.0h2
其中“f”是广角镜头的焦距长度，
“f1”是第一透镜元件的焦距长度，
“f2”是第二透镜元件的焦距长度，
“r2”是第一透镜元件后表面的曲率半径，
“h2”是第一透镜元件后表面的有效半径，以及
“D2”是第一透镜元件的后表面与第二透镜元件面向物方的前表面之间的主轴上距离。
4.如权利要求3所提出的广角镜头，进一步满足下述条件：
1.0≤D2/f≤1.5。
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