CN1412592A - 成像透镜 - Google Patents

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CN1412592A CN02146817A CN02146817A CN1412592A CN 1412592 A CN1412592 A CN 1412592A CN 02146817 A CN02146817 A CN 02146817A CN 02146817 A CN02146817 A CN 02146817A CN 1412592 A CN1412592 A CN 1412592A
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Abstract

一种成像透镜，具有两透镜结构，同时可以保持足够大的亮度，例如f数为2.8的亮度，该透镜极小，其光程很短，畸变像差较小，可以完全应用塑料透镜。该成像透镜从物体侧到像侧顺序包括孔径光栏、第一透镜、第二光栏和第二透镜。第一透镜由新月形的透镜构成，该透镜具有正的聚光本领，而其凹面对着物体侧；第二透镜由新月形的透镜构成，其凹面对着像侧；其中，第一透镜的至少一个表面是非球面，而第二透镜的一个或多个表面是非球面，使得该成像透镜整个构成一个透镜系统，该系统包括至少两个非球形表面，并满足以下各个条件方程(1)、(2)、(3)。0.01＜|f1|/|f2|＜0.6(1)；0.3f＜|R2|＜0.6f(2)；0.5f＜D0＜1.5f(3)。在上述公式中，f是整个透镜系统的焦距；f1是第一透镜的焦距；f2是第二透镜的焦距；D0是从孔径光栏面到第二透镜第二面的距离(总的透镜中心长度)；R2是第一透镜像侧的曲率半径。

Description

成像透镜
技术领域
本发明涉及移动电话的监视器透镜、涉及PDA或PC的监视器透镜以及采用CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)器件的电视摄像机中的成像透镜。
背景技术
对于这种CCD成像透镜已经提出采用塑料透镜，这种透镜可以降低成本和小型化。
然而，虽然确实可以减少透镜的数目和尺寸，但已经观察到，在这种透镜中即使可以成功地获得较短的光程，但是畸变像差增加，使得物体的像发生畸变，或者在这种透镜中，为了矫正这种畸变像差或其它像差，需增加透镜的外直径或减少总的长度，但这样又不能达到小型化的目的。
用CCD或CMOS器件的成像系统所用的摄像机将会变得很小，因此要求在相关的光学系统中达到极短的光程。
不能认为先有技术已达到了小型化并且已满意地进行像差补偿，获得了对应于小型化的适用的像差。
此后，采用CCD和CMOS器件的摄像机将越来越小型化，因此用在小型设备，例如移动电话、PDA等设备中的光学透镜系统其光程将比这种先有技术设备的透镜光程短。另外，这种透镜是不合用的，除非畸变像差也获得矫正。
本发明的目的是提供一种极小的成像透镜，该透镜具有短的光程、较小的畸变像差和较高的性能，可以用在采用CCD和CMOS器件的摄像机、电视机等装置中，这种成像透镜包括较小数目的透镜，即双透镜系统，同时保持约f2.8的聚光本领。
本发明的另一目的是提供一种成像透镜，这种透镜系统完全由塑料透镜构成，其重量减小。
发明内容
为了在本发明中达到上述目的，该透镜系统构成如下(见图1)。
即本发明的成像透镜从物体侧到像侧顺序包括：孔径光栏；新月型第一透镜，具有正聚光能力(positive power)，其凹面面向物体侧；光栏；新月型第二透镜，其凹面面向像侧，因此该透镜系统包括总共两个透镜，即第一透镜和第二透镜。
在本发明的透镜系统中，第一透镜的至少一个表面是非球面的，而第二透镜的一个或多个表面是非球面的，使得成像透镜整个是一个包含至少两个非球面的透镜系统，由于采用这种透镜系统，所以可以得到较小的像差，另外，在应用塑料透镜时，可以有效利用塑料。
在本发明中，除形状特征而外，还必须满足以下的结构条件(1)、(2)和(3)：
0.01＜|f1|/|f2|＜0.6                           (1)
0.3f＜|R2|＜0.6f                                (2)
0.5f＜D0＜1.5f                                  (3)
在上述公式中，f是整个透镜的焦距；f1是第一透镜的焦距；f2是第二透镜的焦距；D0是从孔径光栏面到第二透镜第二面的距离(透镜总的中心长度)；R2是第一透镜像侧的曲率半径。
在本发明中，第一和第二透镜均可以用玻璃或树脂制作。
然而在本发明中，第一透镜的两个面可以是非球面，而第二透镜的第二表面可以是非球面。
按照本发明用于CCD或CMOS器件的透镜系统由较小数目的透镜即由双透镜结构构成，为了在小型结构中获得适用的亮度，至少两个透镜面为非球面。
条件(1)决定第一透镜和第二透镜的聚光能力分布(powerdistribution)，如果|f1|/|f2|的值小于条件中的下限值，则第一透镜的聚光能力(power)增强，而第二透镜的聚光能力减弱，因此很难矫正由第一透镜产生的球面像差、慧差和畸变像差。
然而，如果|f1|/|f2|的值大于条件(1)的上限，则第一透镜的聚光能力减弱。为了缩短焦距和后焦点(bf)必须增加第二系统的聚光能力，这样便很难矫正由第二透镜产生的畸变像差和慧差，因此不能得到质量好的像。
条件(2)可以确保获得适当的光程，同时保持较小的像差。
如果超过最小下限，则第一透镜像侧的曲率半径将形成一种极端凸的表面，这意味着球面差、慧差和畸变差增加。而且即使采用非球面也很难矫正这些像差。
另外，在具有短焦距(f)的透镜中，该曲率半径太小，不可能进行加工。
如果超过上限，则第一透镜像侧的曲面半径形成一个凸度很小的平面，第一透镜的聚光能力将减弱，由此很难矫正第一透镜的像差、焦距(f)和光程长度。
即使R2形成为非球面，也很难矫正该曲面的像差，因而最后不能得到质量好的像。
条件(3)规定透镜系统的尺寸，同时保持光的外缘量，如果透镜的总长度(D0)小于条件(3)的下限，则在新月型透镜的情况下，Petzval和将增加，这是不希望的。然而如果为了增加整个透镜系统的焦距，通过减小第一透镜第二面(R2)的曲率半径来调节焦距，则会增加球面像差、慧差和畸变，因而不能获得质量好的像。
如果透镜的整个长度(D0)超过条件(3)的上限，则透镜系统整个增长，而且周边光的比率减小，为了矫正这一点，必须增加第二透镜的外直径，但是增加的总长度和透镜的外部尺寸便又很难达到小型化。
利用上述(1)～(3)三个条件可以获得具有极好特性的小型化成像透镜。
另外，第一透镜可以由具有正聚光能力的双凸透镜构成，其中两个凸面均对着物体侧。在这种情况下，在第一和第二透镜之间不配置任何光栏。在这种情况下，可以采用本发明的其余结构和条件。
附图说明
下面结合附图进行说明，从这些说明可以更清楚理解本发明上述的以及其它的目的、特征和优点，这些附图是：
图1是本发明成像透镜的结构图；
图2(A)是本发明成像透镜第一实施例的光路图，而图2(B)～(E)是其像差曲线图；
图3(A)是本发明成像透镜第二实施例的光路图，而图3(B)～(E)是其像差曲线图；
图4(A)是本发明成像透镜第三实施例的光路图，而图4(B)～(E)是其像差曲线图；
图5(A)是本发明成像透镜第四实施例的光路图，而图5(B)～(E)是其像差曲线图。
具体实施方式
下面参照示出各个实施例的附图说明本发明，所参照的附图仅示意示出相应组成元件的配置，示意到可以理解本发明的程度。
图1是本发明成像透镜的结构图。
表1～4示出本发明第一至第四实施例的结构数据
表1
                 结构数据(第一实施例)
曲率半径(R1)    间距(di)    折射率(ni)    Abbe常数(νi)
光栏0.00        d1＝0.100
R1＝-2.748      d2＝1.300    n2＝1.53    ν2＝56
R2＝-0.9533     d3＝0.000
光栏0.00        d4＝0.150
R3＝1.389       d5＝0.800    n5＝1.53    ν5＝56
R4＝0.88        d6＝0.600
R5＝0.00        d7＝0.500    n7＝1.52    玻璃盖
R6＝0.00
                            近轴数据
总焦距f＝2.053mm
Fno(数值孔径)＝2.8
                           非球面系数R1 K＝0.2168e+2  A＝0.1299     B＝-0.907      C＝-0.2948   D＝0.698e+1R2 K＝-0.334     A＝0.3336e-1  B＝0.177e-2    C＝-0.26e-1  D＝0.5084e-2R3 K＝-0.6318    A＝-0.47e-1   B＝0.177e-1    C＝0.866e-3  D＝-0.272e-2R4 K＝-0.634     A＝-0.82e-1   B＝-0.75e-1    C＝0.1066    D＝-0.347e-1
表2
                       结构数据(第二实施例)
曲率半径(R1)    间距(di)    折射率(ni)    Abbe常数(νi)
光栏0.00        d1＝0.300
R1＝-2.3255     d2＝1.000    n2＝1.492    ν2＝57.8
R2＝-1.4641     d3＝0.000
光栏0.00        d4＝0.300
R3＝1.6665      d5＝0.800    n5＝1.492    ν5＝57.8
R4＝2.1337      d6＝0.800
R5＝0.00        d7＝1.000    n7＝1.516    玻璃盖
R6＝0.00
                           近轴数据
总焦距f＝3.293mm
Fno(数值孔径)＝2.8
                          非球面系数R1  K＝0.8415    A＝-0.295e-1    B＝-0.6535e-1  C＝0.1173  D＝-0.536e-1R2  K＝0.1186    A＝0.3566e-1    B＝-0.1293     C＝0.1385  D＝-0.7014e-1R3 K＝-0.4043e-1  A＝0.176e-1   B＝-0.4755e-2   C＝-0.8826e-2    D＝0.333e-2R4 K＝0.1593e+1   A＝0.5294e-1  B＝-0.1333e-1   C＝-0.8351e-3    D＝-0.4133e-2
表3
                 结构数据(第三实施例)
曲率半径(R1)    向距(di)    折射率(ni)    Abbe常数(νi)
光栏0.00        d1＝0.300
R1＝-2.1142     d2＝1.000   n2＝1.492    ν2＝57.8
R2＝-1.110      d3＝0.000
光栏0.00        d4＝0.300
R3＝1.6803      d5＝0.800   n5＝1.492    ν5＝57.8
R4＝1.4499      d6＝0.800
R5＝0.000       d7＝1.000   n7＝1.516    玻璃盖
R6＝0.000
                       近轴数据
总焦距f＝2.96mm
Fno(数值孔径)＝2.8
                      非球面系数R1 K＝-0.100e+1  A＝-0.113     B＝-0.1816     C＝-0.5337      D＝0.3025R2 K＝-0.100e+1  A＝-0.4206e-1 B＝-0.2084     C＝0.2646       D＝-0.1946R3 K＝-0.100e+1  A＝-0.1247e-1 B＝0.106e-1    C＝-0.3786e-2   D＝0.9773e-3R4 K＝-0.100e+1  A＝-0.1381e-1 B＝0.2549e-1   C＝-0.1705e-1   D＝0.5139e-2
表4
                  结构数据(第四实施例)
曲率半径(R1)    向距(di)    折射率(ni)    Abbe常数(νi)
光栏0.00        d1＝0.184
R1＝5.00    d2＝1.400       n2＝1.53      ν2＝56.0
R2＝-1.66   d3＝0.05
R3＝9.54    d4＝0.78                      ν4＝56.0
R4＝2.08    d5＝0.80        n5＝1.53
R5＝0.00    d6＝0.50                      玻璃盖
R6＝0.00                    n6＝1.493
                            近轴数据
总焦距f＝3.624mm
Fno(数值孔径)＝2.8
                            非球面系数R1  K＝-0.399e+2  A＝-0.347e-1  B＝-0.136e-1    C＝0.198e-3   D＝0.195e-1R2  K＝-0.939e-1  A＝0.132e-1   B＝-0.387e-2    C＝-0.268e-2  D＝-0.784e-3R3  K＝-0.313e+1  A＝-0.653e-2  B＝0.224e-2     C＝0.123e-3   D＝-0.881e-3R4  K＝0.788e-1   A＝0.122e-1   B＝-0.548e-2    C＝-0.186e-2  D＝0.65e-3
在各个实施例中，成像透镜10包括透镜系统20和/或玻璃盖G。该透镜系统20包括第一透镜L1和第二透镜L2，在这些附图中，参考字母IS表示像表面，表面编号对应于相应的透镜(第一透镜L1和第二透镜L2)等(玻璃盖G)，从物体侧开始顺序编号。
曲面的编号为i，相应图中和表中的变数如下：
Ri为表面i的曲率半径(在非球面情况下为轴点的曲率半径)；
di为表面i到表面i+1的距离；
ni为在di处存在介质的折射率；
vi为在di处介质的射散率。
在表1、表2、表3和表4的最下面一栏，示出非球面数据及表面的编号。
孔径光栏AD和后光栏即第二光栏BD的零曲率半径表示该曲率半径为无限大。
折射率表示对光线d(587.56nm)的折射率，阿贝常数表示其色散率。
在图2(B)～(E)、图3(B)～(E)、图4(B)～(E)和图5(B)～(E)中的像差曲线中，编号1涉及波长587.56nm，编号2涉及波长480.0nm，而编号3涉及波长650.0nm。
图2(B)～(E)中的像差数据用以下条件获得。
Fno：2.800，f1：2.053(mm)，偏焦：0.000(mm)和像高度(H)：1.315(mm)、0.920(mm)、0.657(mm)和0.000(mm)。
在图3(B)～(E)中的像差数据用以下条件获得。
Fno：2.805，f1：3.293(mm)，偏焦：0.000(mm)和像高度(H)：2.250(mm)、1.575(mm)、1.124(mm)和0.000(mm)。
图4(B)～(E)中的像差数据用以下条件获得。
Fno：2.805，f1：2.960(mm)，偏焦：0.000(mm)和像高度(H)：2.251(mm)、1.575(mm)、1.125(mm)和0.000(mm)。
在图5(B)～(E)中的像差数据用以下条件获得。
Fno：2.800，f1：3.624(mm)，偏焦：0.000(mm)和像高度(H)：2.240(mm)、1.792(mm)、1.344(mm)和0.000(mm)。
另外，图2(B)、3(B)、4(B)和5(B)示出慧差。图2(C)、3(C)、4(C)和5(C)示出像散。图2(D)、3(D)、4(D)和5(D)示出畸变像差。图2(E)、3(E)、4(E)和5(E)示出球差。
图2(C)和2(D)中示出像散和畸变像差的曲线前端与中心相距1.315mm。
图3(C)和3(D)以及图4(C)和4(D)中示出像散和畸变像差的曲线前端与中心相距2.25mm。
图5(C)和5(D)中示出像散和畸变像差的曲线前端与中心相距2.24mm。
本发明所用的球面由以下方程确定。
(方程1)
z＝ch2.[1+(1-(1+k)c2h2)+1/2]+Ah4+Bh6+Ch8+Dh10，
上式中：
z是表面顶点距接触平面的深度；c是表面的近轴曲率；h是距光轴的高度；k是圆锥长度；A是第四级非球面系数；B是第六级非球面系数；C是第八级非球面系数；D是第十级非球面系数。
在本申请的相应表中，代表非球面常数的数值中，例如表达式“e-1”表示10-1。
下面说明各个实施例的特有特征。
按照第一实施例的透镜系统，用Zeonex(480R)制作第一透镜(L1)和第二透镜(L2)，该第一实施例的透镜示于图2(A)，具有表1所示的结构数据，该Zeonex是耐热数值。该Zeonex是Zeon Co.Ltd公司的商品名称，480R是型号编号。
第一透镜(L1)的两个表面(即第一和第二表面)和第二透镜(L2)的两个表面(即第一和第二表面)是非球面，第一透镜具有正的聚光本领，而第二透镜具有负的聚光本领。
总的焦距为f＝2.053mm。
第一透镜(L1)的焦距f1＝2.20mm。
第二透镜(L2)的焦距f2＝9.95mm。
从孔径光栏AD的表面到第二透镜第二表面的距离(透镜总的中心长度)D0＝2.35mm。
第一透镜(L1)像侧的曲率半径R2＝-0.9533。
将上述数值代入到上述相应方程(1)～(3)，可以得到以下的方程：
0.01＜|f1|/|f2|＜0.6→0.01＜0.22＜0.6
0.3f＜|R2|＜0.6f→0.6159＜0.9533＜1.2318
0.5f＜D0＜1.5f→1.0265＜2.35＜3.0795
对于第一实施例的透镜，其各种像差数据如图2(B)、2(C)、2(D)和2(E)所示，得到质量好的像。
图3(A)所示的第二实施例应用丙烯酸有机玻璃(PMMA)做整个透镜的材料，该第二实施例的结构数据示于表2。
第一透镜(L1)的两个表面(即第一表面和第二表面)和第二透镜(L2)的两个表面(即第一表面和第二表面)是非球面，第一透镜和第二透镜均具有正的聚光本领。
总的焦距f＝3.293mm。
第一透镜(L1)的焦距f1＝5.81mm。
第二透镜(L2)的焦距f2＝9.89mm。
从孔径光栏表面AD到第二透镜的第二表面的距离(透镜总的中心长度)D0＝2.4mm。
第一透镜(L1)像侧的曲率半径R2＝-1.4641mm。
将上述值代入上述各个公式(1)～(3)，可以得到以下方程：
0.01＜|f1|/|f2|＜0.6→0.01＜0.587＜0.6
0.3f＜|R2|＜0.6f→0.9879＜1.4641＜1.9758
0.5f＜D0＜1.5f→1.6465＜2.4＜4.9395
对于第二实施例的透镜，其各种像差数据示于图3(B)、3(C)、3(D)和3(E)，可以获得质量好的像。
图4(A)所示的第三实施例应用了丙烯酸有机玻璃(PMMA)做整个透镜的材料。
第一透镜(L1)的两个表面(即第一表面和第二表面)和第二透镜(L2)的两个表面(即第一表面和第二表面)是非球面，第一透镜具有正的聚光本领，而第二透镜具有负的聚光本领。
总的焦距f＝2.96mm。
第一透镜(L1)的焦距f1＝3.58mm。
第二透镜(L2)的焦距f2＝148.46mm。
从孔径光栏表面AD到第二透镜的第二表面的距离(透镜总的中心长度)D0＝2.4mm。
第一透镜(L1)像侧的曲率半径R2＝-1.11mm。
将上述值代入上述各个公式(1)～(3)，可以得到以下方程：
0.01＜|f1|/|f2|＜0.6→0.01＜0.024＜0.6
0.3f＜|R2|＜0.6f→0.888＜1.11＜1.776
0.5f＜D0＜1.5f→1.48＜2.4＜4.44
对于第三实施例的透镜，其各种像差数据示于图4(B)、4(C)、4(D)和4(E)，可以获得质量好的像。
图5(A)所示的第四实施例的透镜应用了Zenoex(E48R)做整个透镜的材料，该第四实施例的透镜其结构数据示于表4。Zenoex是ZenoCo.Ltd公司的商标名称，而E48R是型号编号。
第一透镜(L1)的两个表面(即第一表面和第二表面)和第二透镜(L2)的两个表面(即第一表面和第二表面)是非球面，第一透镜具有正的聚光本领，而第二透镜具有负的聚光本领。
总的焦距f＝3.624mm。
第一透镜(L1)的焦距f1＝2.54mm。
第二透镜(L2)的焦距f2＝-5.21mm。
从孔径光栏表面AD到第二透镜的第二表面的距离(透镜总的中心长度)D0＝2.414mm。
第一透镜(L1)像侧的曲率半径R2＝-1.66mm。
将上述值代入上述各个公式(1)～(3)，可以得到以下方程：
0.01＜|f1|/|f2|＜0.6→0.01＜0.488＜0.6
0.3f＜|R2|＜0.6f→1.087＜1.66＜2.174
0.5f＜D0＜1.5f→1.812＜2.414＜5.436
对于第四实施例的透镜其各种像差数据示于图5(B)、5(C)、5(D)和5(E)，可以获得质量好的像。
虽然在第一～第四的所有实施例中应用了塑料透镜，但是也可以应用对这些透镜具有同等折射率的所谓模制玻璃”。
如上面详细说明的，本发明的成像透镜系统具有简单的两组结构即两透镜结构，但是由于纯粹采用塑料透镜，所以可以将透镜做得很小，使其具有很短的光学长度和很低的畸变像差，这些透镜可以用在采用高性能CMOS和CCD器件的摄像机、电视机等装置中。另外，因为成像透镜系统全部用塑料制作，所以可以减小成像透镜系统总的重量。

Claims (8)

1.一种成像透镜，从物体侧到像侧按顺序包括：
孔径光栏、第一透镜、第二光栏和第二透镜；
上述第一透镜由新月形的透镜构成，该透镜具有正的聚光能力，其凹面对着物体侧；
上述第二透镜由新月形的透镜构成，其凹面对着像侧；
其中上述第一透镜的至少一个表面是非球面，上述第二透镜的一个或多个表面是非球面，使得上述成像透镜作为一个整体是一种透镜系统，该系统至少包含两个非球面并满足下列各个条件方程(1)、(2)和(3)：
0.01＜|f1|/|f2|＜0.6                                (1)
0.3f＜|R2|＜0.6f                                     (2)
0.5f＜D0＜1.5f                                       (3)
在上述公式中，f是整个透镜系统的焦距；f1是第一透镜的焦距；f2是第二透镜的焦距；D0是从孔径光栏面到第二透镜第二面的距离(总的透镜中心长度)；R2是第一透镜像侧的曲率半径。
2.如权利要求1所述的成像透镜，其特征在于，上述第一透镜和第二透镜均用塑料制作。
3.如权利要求1所述的成像透镜，其特征在于，上述第二透镜具有负的聚光本领。
4.如权利要求1所述的成像透镜，其特征在于，上述第二透镜具有正的聚光本领。
5.一种成像透镜，从物体侧到像侧顺序包括孔径光栏、第一透镜和第二透镜；
上述第一透镜由双凸形透镜构成，该透镜具有正的聚光本领，一凸面对着物体侧；
上述第二透镜由新月形透镜构成，该透镜的凹面对着像侧；
其中上述第一透镜的至少一个表面是非球面，而上述第二透镜的一个或多个表面是非球面，使得上述成像透镜作为一个整体是一种透镜系统，该系统至少包括两个非球面并满足以下各个条件方程，
0.01＜|f1|/|f2|＜0.6                            (1)
0.3f＜|R2|＜0.6f                                 (2)
0.5f＜D0＜1.5f                                   (3)
在上述公式中，f是整个透镜的焦距；f1是第一透镜的焦距；f2是第二透镜的焦距；D0是从孔径光栏面到第二透镜第二面的距离(总的透镜中心长度)；R2是第一透镜像侧的曲率半径。
6.如权利要求3所述的成像透镜，其特征在于，上述第一和第二透镜均用塑料制作。
7.如权利要求5所述的成像透镜，其特征在于，上述第二透镜具有负的聚光能力。
8.如权利要求5所述的成像透镜，其特征在于，上述第二透镜具有正的聚光能力。
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