CN1828338B - 透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透镜，该透镜至少一侧设有一折射率变化层，该折射率变化层利用折射率的变化使之可作为至少另一透镜对光束进行折射。所述折射率变化层的具体结构为其材质中掺有至少一种不同折射率的透明氧化物材质，故设计人员通过对其掺杂不同折射率的透明氧化物材质可实现与不同折射率的透镜的配合。

Description

透镜

【技术领域】

本发明涉及一种透镜。

【背景技术】

透镜是光学中最基本的光学元件，可对光束进行聚焦或散焦，对一个单透镜而言，影响该透镜对光束进行聚焦或散焦性能的主要有折射率，两个曲面的曲率和厚度等参数。透镜的厚度越薄，则其重量就越轻，故影响成像质量的因素主要为折射率和两个曲面的曲率。

如采用单透镜成像，其成像时一般会产生球面像差、彗形像差及色散等一些不利现象，所以为得到更好的成像质量，往往使折射率和两曲面的曲率达到最优化。虽然如此，单透镜在成像时还是有可能产生球面像差、彗形像差及色散等一些不利现象。

从产生上述像差及色散的过程来看，球面像差是由从透镜光轴上光源所发出的光束，通过透镜不同厚度的位置时造成像点的偏移，其成像点的偏移沿光轴方向；彗形像差是由从远离透镜光轴的光源所发出的光束，通过透镜成像时其像点会在垂直于光轴的方向以成像中心为基点成彗形扩散；由于透镜对光波的折射率不仅与透镜本身材质有关，还与光波的波长有关，波长越短则折射率越高，故包含有不同波长的光束在成像时不同波长的光的折射偏转不一致，即发生色散。

故，为尽可能消除球面像差、彗形像差及色散等现象，在优化单透镜的各参数基础上，目前还存在多种进一步改进的技术手段，其中之一是采用至少两个透镜组成的透镜组，其不但可以改进单透镜成像时产生的像差及色散现象，而且还可以避免单透镜的一次性简单成像。故目前透镜组广泛应用于一些光学产品如数字相机、各类光学读取头等。

但是，采用透镜组时该多个透镜一般要用一固持装置如套筒封装，这样除增加透镜本身的成本外，为得到高质量的成像，对透镜组的要求也更高，其中最重要之一是所有透镜的中心轴及套筒的中心轴必须共轴以成为透镜组的光轴，即每个透镜及套筒的中心轴必须在同一轴线上以成为该透镜组的光轴。但是，由于每个透镜及套筒一般是单独各自成型，是以透镜组的各透镜与套筒相对应的各中心轴在组装时必须进行对正以便得到只有一光轴的透镜组。因此也增加中心轴对正成本，同时亦存在对正精度问题。

传统上，对至少二个透镜和一套筒进行中心轴对正时，可采用十字交叉成像法或其它一些方法，依次对每个透镜与套筒进行中心轴对正。

如目前1.3Mega(其表示镜头之像素为130万)镜头，其包括多个透镜及一套筒组成的透镜组，要达到130万像素，透镜组中各透镜的中心轴与光轴的偏位不可超过2至4μm，如果偏位超过此范围，则整个镜头之光学功能如MTF(Modulation Transform Function，调制传递函数，是对镜头的明锐度，反差和分辨率进行综合评价的数值)将会超规，进而影响成像质量，故1.3Mega的透镜组不论是在加工还是成型阶段，必须以机械手段依次对每个透镜与套筒进行中心轴对正，使各透镜及套筒之中心轴偏位不超过2至4μm。

但是，上述透镜组在中心轴对正时，会存在以下问题：其一，透镜数量越多，其中心轴对正次数就越多，则对正程序会越复杂，故会增大制造透镜组的成本；其二，透镜数量越多，由于需进行多次中心轴对正，则精密度就越低，故透镜组的各组件的中心轴与透镜组的光轴就会存在较大偏差。

故需设计一种透镜，其具有的某一结构既能满足改善其本身的光学性能又能简化透镜的对正程序。

【发明内容】

本发明目的在于提供一种一侧具有具体结构的折射率变化层的透镜。

本发明的技术方案为：提供一种透镜，该透镜至少一侧设有一折射率变化层，所述折射率变化层利用折射率的变化使之可作为至少另一透镜对光束进行折射。所述折射率变化层的材质中掺有至少一种不同折射率的透明氧化物材质。

与现有技术相比，由于本发明的透镜至少一侧设有一折射率变化层，该折射率变化层利用折射率的变化使之可作为至少另一透镜对光束进行折射。所述折射率变化层的具体结构为其材质中掺有至少一种不同折射率的透明氧化物材质，故设计人员通过对其掺杂不同折射率的透明氧化物材质可实现与不同折射率的透镜的配合。

【附图说明】

图1为本发明第一实施方式的透镜结构示意图。

图2为本发明第二实施方式的透镜结构示意图。

【具体实施方式】

透镜对光束折射时，其必须遵循斯奈尔折射定律(Snell’s RefractionLaw)：n₁Sin θ₁＝n₂Sin θ₂，其中n₁、n₂分别为入射介质和出射介质的折射率，则θ₁、θ₂分别为入射角和折射角，传统上含有多个透镜的透镜组中，其n₁、n₂一般为某一恒定的透镜折射率和空气折射率。由上述折射定律可知，对具有某一入射角之光束，当单透镜的折射率按某一规律变化时，同样也可达到使光束的出射角等于所需透镜组的出射角目的。

请参看图1，其为本发明透镜的第一实施方式，该透镜21固持于套筒11中。该透镜21的一侧设有一折射率变化层21a，所述折射率变化层21a利用折射率的变化对光束进行折射，由斯奈尔折射定律可知，对具有某一入射角的光束L1，要使该光束L1以某一出射角出射可以通过控制折射率变化层21a的折射率来实现，当折射率变化层21a的折射率为某一折射率曲线时可以将该折射率变化层21a视为一透镜。

折射率变化层21a可根据实际需要而选用玻璃或陶瓷等材质，为设定该折射率变化层21a的折射率曲线，一般掺有至少一种不同折射率的氧化物透明材质如SiO₂、B₂O₃、ZnO、ZrO₂、Na₂O、K₂O、Tl₂O等以在空间上得到不同折射率，即折射率变化层21a的折射率是以折射率变化层21a上某一点为基点的折射率曲线，根据实际需要选择透明材质种类和比例，如下表所述：

如上表所述，这些不同折射率透明材质在温度为490℃下可得到折射率为1.621的混合透明材质。这些不同折射率的材质可以分别依层次真空镀膜；也可以是这些不同折射率的材质组成的混合物进行真空镀膜，通过控制成分比例以得到不同折射率，最终根据实际需要使折射率变化层21a的折射率为某一曲线，由斯奈尔折射定律可知，当折射率变化层21a的折射率为一曲线时，该折射率变化层21a对光束L1的折射效果可以达到所需要的折射效果，使得折射率变化层21a作为一个透镜。因透镜21的折射率恒定，这样要使通过折射率变化层21a和透镜21的光束满足折射要求，只需设定折射率变化层21a的折射率曲线。

故，本发明将折射率变化层21a与透镜21作为一个整体元件，所以在中心轴对正时只需对正透镜21的中心轴(图未示)与套筒11的中心轴(图未示)以成为光轴O1，无需多次对正中心轴，进而大大简化对正程序并提高精密度。

另外，为抑制此折射率变化层的空间偏差即透镜在其所使用的环境温度下保持稳定而不膨胀变形，该折射率变化层的材质采用热膨胀系数为10-7/℃以下的透明材质。

请参看图2，其为本发明透镜的第二实施方式，其结构，原理与功能基本与第一实施方式相似，不同之处在于该透镜22两侧均设有一折射率变化层22a、22b，它们可以具有不同的折射率曲线以满足对光束L2不同的折射要求，以致于折射率变化层22a、22b可分别作为一透镜。

故，本发明将折射率变化层22a、22b和透镜22作为一个整体元件，所以中心轴对正时只需对正透镜22的中心轴(图未示)与套筒12的中心轴(图未示)以成为光轴O2，无需多次对正中心轴，进而大大简化对正程序并提高精密度。

本发明的透镜折射率变化层利用折射率变化对光束折射，以致于该折射率变化层可作为一个透镜。但并不局限于作为一个透镜，可根据需要设定该折射率变化层的折射率曲线以致于该折射率变化层可作为多个透镜。

Claims (10)

1.一种复合透镜，其特征在于：所述复合透镜包括透镜本体和折射率变化层，所述透镜本体具有恒定的折射率，所述透镜本体包括用于接收入射光线的第一侧面和与第一侧面相对的用于传递出射光线的第二侧面，所述第一侧面和第二侧面中至少一者设有所述折射率变化层，所述透镜本体和折射率变化层对同一光束至少进行两次折射，所述折射率变化层的材质中掺有至少一种不同折射率的透明氧化物材质。

2.如权利要求1所述的复合透镜，其特征在于：所述折射率变化层的材质包括玻璃或陶瓷。

3.如权利要求1所述的复合透镜，其特征在于：所述至少一种不同折射率的透明氧化物材质选自一组透明氧化物材质SiO₂、B₂O₃、ZnO、ZrO₂、Na₂O、K₂O、Tl₂O中。

4.如权利要求3所述的复合透镜，其特征在于：所述透明氧化物材质的热膨胀系数在10^-7/℃以下。

5.如权利要求1所述的复合透镜，其特征在于：所述折射率变化层为两种以上不同折射率的材质依次覆盖而成。

6.如权利要求1所述的复合透镜，其特征在于：所述折射率变化层为两种以上不同折射率的材质组成的混合物覆盖而成。

7.如权利要求6所述的复合透镜，其特征在于：控制所述混合物的各成分比例而得到不同的折射率。

8.如权利要求7所述的复合透镜，其特征在于：所述混合物由SiO₂、B₂O₃、ZnO、ZrO₂、Na₂O、K₂O、Tl₂O透明氧化物材质中的至少二种组成。

9.如权利要求1所述的复合透镜，其特征在于：所述折射率变化层包括第一折射率变化层和第二折射率变化层，所述第一折射率变化层设于所述透镜本体的第一侧面，所述第二折射率变化层设于所述透镜本体的第二侧面，所述透镜本体、第一折射率变化层和第二折射率变化层对同一光束至少进行三次折射。

10.如权利要求9所述的复合透镜，其特征在于：所述第一折射率变化层和第二折射率变化层具有不同的折射率分布曲线。

Images