CN1866068A - 广角镜头系统和取像器件 - Google Patents

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Abstract

一种广角镜头系统从其物方一侧起具有：第一透镜元件，它具有负的光焦度并具有向物方一侧凸起的弯月形；第二透镜元件，它具有双面凹形；第三透镜元件，它具有它们凸形；以及第四透镜元件，它具有负的光焦度并具有向成像一侧凸起的弯月形。或者，一种广角镜头系统从其物方一侧起具有：第一透镜元件，它具有负的光焦度；第二透镜元件，它具有负的光焦度；第三透镜元件，它具有正的光焦度；以及第四透镜元件，它具有正的光焦度。

Description

广角镜头系统和取像器件
技术领域
本发明涉及小巧的广角镜头系统，尤其涉及能够提供约150度总视角且适合与固态图像传感器一起用在像视频电话、对讲机、监视相机、车载相机等数字输入设备(比如，数字静态照相机或数字摄像机)中的广角镜头系统。
背景技术
已经提出过许多被设计成取像光学系统的广角镜头系统，它们可与固态图像传感器一起用在监视相机、车载相机等中。在这些广角镜头系统中有些可以提供约为150度的总视角，它们中的一些是由八个透镜元件组成的(参阅下面的特许公开1)。
特许公开1：JP-A-2004-102162
然而，上述特许公开1中所揭示的广角镜头系统需要数目极大(即八个)的透镜元件，并且具有复杂的结构和极长的总长度。此外，所有的透镜元件都是玻璃透镜元件，就成本和重量而言，这使广角镜头系统不能令人满意。
发明内容
考虑到上述常遇到的不便，本发明的目的在于，提供一种成本低、重量轻且小巧的广角镜头系统，它包括四个透镜元件，适合作为取像光学系统与固态图像传感器一起使用，并且可提供令人满意的光学特性以及较宽的总视角。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，从物方一侧起，广角镜头系统包括：第一透镜元件，它具有负的光焦度和向物方一侧凸起的弯月形；第二透镜元件，它具有双面凹形；第三透镜元件，它具有双面凸形；以及第四透镜元件，它具有负的光焦度以及向像方一侧凸起的弯月形。
根据本发明的另一个方面，从物方一侧起，广角镜头系统包括：第一透镜元件，它具有负的光焦度；第二透镜元件，它具有负的光焦度；第三透镜元件，它具有正的光焦度；以及第四透镜元件，它具有正的光焦度。
根据本发明的又一个方面，取像器件具有上述广角镜头系统之一，并通过使用该广角镜头系统在固态图像传感器上形成图像。
因此，根据本发明，有可能提供一种成本低、重量轻且小巧的广角镜头系统，它包括四个透镜元件，适合作为取像光学系统与固态图像传感器一起使用，并提供令人满意的光学特性和较宽的总视角。
通过将根据本发明的广角镜头系统作为取像光学系统用在数字输入设备(比如数字静止照相机或数字摄像机)中以便应用于视频电话、对讲机、监视相机、车载相机等，便有可能使数字输入设备变得角度宽广、多用途、低成本、轻便且小巧。
附图说明
图1示出了本发明的第一实施例的镜头结构及数字示例1；
图2示出了本发明的第二实施例的镜头结构及数字示例2；
图3A到3C示出了在数字示例1中观察到的像差；
图4A到4C示出了在数字示例2中观察到的像差；
图5示出了根据本发明的取像器件的结构的外形。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述用于实施本发明的广角镜头系统。
图1和2是示出了本发明的第一和第二实施例的广角镜头系统的透镜结构的光学截面图。
第一和第二实施例的广角镜头系统都被设计成一种用于取像的单焦距广角镜头系统(例如，用在数码相机中)，即用于在固态图像传感器(例如，CCD(电荷耦合器件))上形成光学图像，并且具有一个位于图像表面一侧的滤光镜GF，其形状为平面平行板并对应于光学低通滤光片等。
此外，这两个广角镜头系统都具有四个透镜元件，从物方一侧起，它们的光焦度(光焦度是一个被定义为焦距倒数的量)排列如下：第一透镜元件L1，它具有负的光焦度；第二透镜元件L2，它具有负的光焦度；第三透镜元件L3，它具有正的光焦度；孔径光阑ST；第四透镜元件L4，它具有正的光焦度；以及滤光镜GF。
第一透镜元件L1是玻璃透镜元件，其两面都是球面。第二、第三和第四透镜元件L2、L3和L4都是塑料透镜元件，其至少一个侧面是非球面。
从物方一侧起，第一和第二实施例的广角镜头系统都是由下列组成：向物方凸起的负的弯月形透镜元件L1；双面凹形透镜元件L2；双面凸起透镜元件L3；向像方一侧凸起的正的弯月形透镜元件L4；以及滤光镜GF。
按照上述来构造，两个实施例的广角镜头系统都提供宽视角，适当校正了失真，并且可以形成适用于固态图像传感器的光学图像。下文将详细描述为什么会实现这些情形。
如上所述，第一和第二透镜元件L1和L2是负的透镜元件，它们在像面一侧都具有一个凹面，并且通过这些透镜元件L1和L2，以尖角入射的偏轴光线可以有效地被引导至第四透镜元件L4，第四透镜元件L4是放得更靠后面的正透镜。因此，两个负透镜L1和L2可以共同且有效地校正各种像差。两个负透镜元件L1和L2留下未校正的像差可以由第三透镜元件L3来校正，第三透镜元件L3是正透镜元件。这可帮助实现更高的性能。
最靠近图像一侧的第四透镜元件L4是正透镜元件，用于将出射光瞳放得很远。这帮助减小被成像到固态图像传感器的图像传感表面的外围部分中主要光线的入射角(即，主要光线相对于光轴的角)，并因此通过校正各种像差来帮助实现更高的性能，同时实现了远心性。作为实现远心性的结果，有可能缓和在图像传感表面的外围部分中有效孔径效率下降这样一种现象(被称为局部遮光)。
在第三和第四透镜元件之间放置孔径光阑ST可使孔径光阑ST减到很小，并可使出射光瞳位于很远的地方。
如果孔径光阑ST放得比上述情形离物方一侧还要远，则出射光瞳也会放得更远。这在与固态图像传感器一起使用的透镜系统中是一个优点，但会使孔径光阑ST过大。此外，作为孔径光阑ST变得过大的结果，会产生极大的失真。另一方面，如果孔径光阑ST放得比上述情形离像方一侧还要远，则在与固态图像传感器一起使用的透镜系统中，出射光瞳将位于不利的位置。
因此，从物方一侧起由负透镜元件L1、负透镜元件L2、正透镜元件L3、孔径光阑ST以及正透镜元件L4构成的广角镜头系统(尽管是由四个透镜元件构成的)使得有可能实现一种成本低、重量轻且小巧的广角镜头系统，它适合作为取像光学系统与固态图像传感器一起使用，并提供令人满意的光学特性和约为150度的视角。
接下来，将描述最好应该由这些实施例的广角镜头系统来满足的条件公式，即最好应该由像这些实施例的类型的广角镜头系统来满足的条件公式。不过，应该理解，下面所描述的条件公式并非需要同时满足。即，单独满足适用于给定光学结构的那些条件公式中的任何就可以提供相应的益处和优点。从光学特性、小巧性、组件以及其它方面看，尽可能多地满足这些条件公式将是较佳的。
较佳地，第二透镜元件满足下面的条件公式。
0.2＜(r3+r4)/(r3-r4)＜0.9          (1)
其中，
r3表示第二透镜元件物方一侧的近轴曲率半径；以及
r4表示第二透镜元件像方一侧的近轴曲率半径。
上述条件公式(1)定义了第二透镜元件的形状，并主要涉及出射光瞳的位置与所产生的失真之间的适当平衡。忽略条件公式(1)的下限可使出射光瞳远离成像一侧，并因此对与固态图像传感器一起使用的透镜系统有利，但不利的是导致负的失真增大和极大的桶状失真。
相反，忽略条件公式(1)的上限可减小失真，但会使出射光瞳离成像一侧太近以至于对与固态图像传感器一起使用的透镜系统不利。
出于这些考虑，进一步较佳的是满足下面的条件公式(1A)。
0.3＜(r3+r4)/(r3-r4)＜0.8           (1A)
较佳地，广角镜头系统的总视角满足下面的条件公式(2)。
2W＞140度             (2)
其中，
2W表示广角镜头系统的总视角。
上述条件公式(2)涉及总视角。忽略条件公式(2)所定义的范围会使取像范围太窄以至于无法适用于广角镜头系统。进一步较佳的是满足下面的条件公式(2A)。
2W＞150度             (2A)
较佳地，第一透镜元件满足下面的条件公式(3)。
0.01＜f/r1＜0.12      (3)
其中，
f表示整个广角镜头系统的焦距；以及
r1表示第一透镜元件物方一侧的曲率半径。
上述条件公式(3)定义了第一透镜元件物方一侧的形状，并且主要涉及出射光瞳的位置与所产生的失真之间适当的平衡。忽略条件公式(3)的下限可使出射光瞳远离成像一侧，并因此有利于与固态图像传感器一起使用的透镜系统，但不利的是会导致负的失真增大和极大的桶状失真。
相反，忽略条件公式(3)的上限会减小失真，但会使出射光瞳离成像一侧太近以至于对与固态图像传感器一起使用的透镜系统不利。
出于这些考虑，进一步较佳的是满足下面的条件公式(3A)。
0.02＜f/r1＜0.1            (3A)
较佳地，第二透镜元件满足下面的条件公式(4)。
-0.8＜f/f2＜-0.2           (4)
其中，
f表示整个广角镜头系统的焦距；以及
f2表示第二透镜元件的焦距。
上述条件公式(4)定义了第二透镜元件的光焦度，并主要涉及出射光瞳的位置与所产生的失真之间适当的平衡。忽略条件公式(4)的下限可使出射光瞳远离成像一侧，并因此有利于与固态图像传感器一起使用的透镜系统，但不利的是导致负的失真增大和极大的桶状失真。
相反，忽略条件公式(4)的上限可减小失真，但会使出射光瞳离成像一侧太近以至于对与固态图像传感器一起使用的透镜系统不利。
出于这些考虑，进一步较佳的是满足下面的条件公式(4A)。
-0.7＜f/f2＜-0.3                  (4)
将玻璃透镜元件用作最靠近物方一侧的透镜元件，这在面对像温度变化这样的环境变化时可以使用光学特性的恶化达到最小。与使用玻璃非球面透镜元件相比，使用玻璃球面透镜元件可帮助减小光学系统的成本。
与使用玻璃球面相比，使用在其至少一侧具有非球面的塑料透镜元件作为第二、第三和第四透镜元件可帮助极大地减小透镜元件的数目。此外，有可能实现便宜的光学系统，其长度减小了并且重量也减轻了。
各实施例的广角镜头系统仅由折射透镜元件(即，在具有不同折射率的两个介质之间的界面处使光线偏转这一类型的透镜元件)组成，它们通过折射使入射光偏转。
不过，有可能用任何其它类型的透镜元件来替代这些透镜元件中的任何，例如：衍射透镜元件，它通过衍射使入射光偏转；或折射/衍射混合透镜元件，它通过组合在一起的衍射和折射使入射光偏转；或梯度折射率透镜元件，它用分布在介质中的变化着的折射率来使入射光偏转。不过，不方便的是，这些透镜预计会增大成本，因为它们所要求的制造工艺太复杂。因此，在用于实施本发明的广角镜头系统中，使用由均匀材料构成的透镜元件是较佳的。
在各实施例中，没有光焦度的表面(例如，反射、折射或衍射表面)可以放置在光路中，以使在广角镜头前面、后面或中间的光路弯曲。在哪儿使光路弯曲可以根据特定需要来确定。通过使光路适当弯曲，有可能使内含广角镜头的数字输入设备(比如，数码相机)变得明显瘦长且小巧。
位于广角镜头系统最后一个表面与固态图像传感器之间的滤光镜GF被假定为一个平面平行板，它对应于光学低通滤波片LP、IR截止滤波片JRC、和/或固态图像传感器的遮光玻璃，但也可以是适合实际使用的数字输入设备的任何其它东西。
例如，有可能使用由石英等制成的、其晶轴适当排列的双折射类型的低通滤光片，也有可能使用通过衍射等实现所要求的光截止频率特性的相位型低通滤光片。
各实施例的广角镜头系统提供令人满意的光学特性，它们成本低、重量轻、小巧并提供较宽的视角，因此适合用在小巧的取像器件中，这种取像器件可用作数字输入设备的主要组件。
例如，如图5所示，从物方一侧起，这种取像器件由下列组成：用于实施本发明的取像透镜系统TL，它形成物体的光学图像；光学低通滤光片LP和IR截止滤光片IRC；固态图像传感器SR，它将取像透镜系统TL形成的光学图像转变为电子信号。
用作固态图像传感器的是具有多个像素的CCD或CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器。
要由广角镜头系统形成的光学图像通过具有预定截止频率特性(该截止频率特性取决于固态图像传感器的像素间距)的光学低通滤光片，并且同时光学图像调节其空间频率特性使得当该光学图像转变为电子信号时所产生的折叠噪声达到最小。
因此，通过使上述取像器件包括在用来拍摄物体的静止图片或运动图片的照相机(例如，数码相机、摄像机、监控相机、车载相机、包括在或从外部安装到下列设备之一(数字视频单元、个人计算机、移动计算机、手机、视频电话、对讲机、便携式数据终端(或PDA，即个人数字助理)、或其外围设备(比如，鼠标、扫描仪、打印机、或其它数字输入/输出设备))的照相机等)中，便有可能使照相机或设备变得高性能、多功能、低成本且小巧。
示例
现在，将参照第一和第二实施例的结构数据、像差图和其它数据来详细呈现上述第一和第二实施例相对应的数字示例。
下面所呈现的数字示例1和2的透镜结构对应于图1和2所示的第一和第二实施例。
表格1和2示出了数字示例1和2的结构数据和其它数据。在各数字示例中，ri(i＝1，2，3……)表示从物方一侧数起第i个表面的曲率半径，di(i＝1，2，3……)表示从物方一侧数起第i个轴向距离，并且Ni(i＝1，2，3……)和υi(i＝1，2，3……)表示从物方一侧数起第i个透镜元件的d线折射率和阿贝数值。此外，f表示整个广角镜头系统的焦距，ω表示半个视角，并且FNO表示光圈数。
在结构数据中，数值后面的字母“D”表示该值的指数部分。例如，“1.0D-02”表示“1.0×10-2”。
在各数字示例中，其曲率半径ri标有星号(*)的表面是具有非球形的折射光学表面或所呈现出的折射效果等价于非球面的表面。这种非球面的表面形状是由下面的公式(AS)来定义的。
X(H)＝C·H2/[1+(1-ε·C2·H2)1/2]+∑Ai·Hi        (AS)
其中
H表示在垂直于光轴的方向上的高度；
X(H)表示在高度H处沿光轴的位移(相对应顶点)；
C表示近轴曲率；
ε表示二次曲面参数；
Ai表示i阶非球面系数；以及
Hi表示H提高到i次幂。
图3A到3C和图4A到4C是数字示例1和2的像差图。在这些像差图中，图3A和4A示出了球面像差，图3B和4B示出了散光，并且图3C和4C示出了失真。
在各球面像差图中，实线d、“长划和点”线g以及“长划-点-点”线分别表示针对d-、g-和c-线而观察到的球面像差(mm)，虚线SC表示从正弦条件中的偏移(mm)。
在各散光图中，实线DS和虚线DM分别表示在径向和子午线方向的平面上针对d-线观察到的散光(mm)。
在各失真图中，实线表示针对d-线观察到的失真(％)。
在球面像差图中，纵轴表示光线的光圈数FNO。在散光和失真图中，纵轴表示最大图像高度Y′(mm)。
表格3示出了在各数字示例中实际观察到的条件公式(1)、(2)、(3)和(4)的数值。
                                表格1
数字示例1
f  1.24(mm)             ω76°                                      FNO  2.8
  曲率半径：rd   轴向距离：dd   折射率：Nd   阿贝数值：vd
  r1     14.807r2     4.304r3*    -9.456r4*    1.724r5*    2.449r6*    -2.597r7     ∞r8*    -26.866r9*    -1.732r10    ∞r11    ∞ d1    0.900d2    2.222d3    0.800d4    1.562d5    1.751d6    0.363d7    0.838d8    1.464d9    1.006d10   0.500 N1    1.69100N2    1.52510N3    1.52510N4    1.52510N5    1.51680 v1    54.75v2    56.38v3    56.38v4    56.38v5    64.20
非球面的系数(从物方一侧起)
  表面3   表面6
  C              -1/9.465ε              0.10000    D+01A4      0.57938    D-01A6      -0.99019   D-02A8      0.58719    D-03A10     -0.11056   D-04   C              -1/2.597ε            0.10000     D+01A      40.38618    D-01A6     -0.23921    D-01A8     0.55097     D-02A10    -0.95690    D-03
  表面4   表面8
  C              1/1.724ε            0.10000    D+01A4     -0.14227   D-01A6     0.23099    D+00A8     -0.12351   D+D0A10    0.16418    D-01   C            -1/26.866ε            0.10000    D+01A4     -0.91943   D-01A6     0.10761    D+00A8     -0.48104   D-01A10    0.72114    D-02
  表面5   表面9
  C              1/2.449ε              0.10000    D+01A4      0.31086    D-01A6      -0.24211   D-01A8      0.11594    D-01A10     -0.43934   D-02   C             -1/1.732ε              0.1D0D0    D+01A4      0.66534    D-01A6      -0.62869   D-01A8      0.42192    D-01A10     -0.68441   D-02
                           表格2
数字示例2
f  1.43(mm)             ω82°                                      FNO  2.8
  曲率半径：rd   轴向距离：dd   折射率：Nd   阿贝数值：vd
  r1     44.217r2     3.648r3*    -5.075r4*    1.860r5*    2.740r6*    -2.587r7     ∞r8*    -3.687r9*    -1.732r10    ∞r11    ∞ d1    0.900d2    2.435d3    0.800d4    1.455d5    2.169d6    1.028d7    0.954d8    1.629d9    2.000d10   0.500 N1    1.62280N2    1.52510N3    1.52510N4    1.52510N5    1.51680 v1    56.88v2    56.38v3    56.38v4    56.38v5    64.20
非球面的系数(从物方一侧起)
  表面3   表面6
  C              -1/5.075ε              0.10000    D+01A4      0.30685    D-01A6      -0.53044   D-02A8      0.58468    D-03A10     -0.36838   D-04   C              -1/2.587ε              0.10000    D+01A4      0.22629    D-01A6      -0.46735   D-02A8      0.93516    D-03A10     -0.45915   D-04
  表面4   表面8
  C              1/1.860ε            0.10000    D+01A4     0.94716    D-02A6     0.26191    D-01A8     -0.10640   D-01A10    0.22112    D-03   C              -1/3.687ε               0.10000    D+01A4      -0.83993   D-01A6      0.85566    D-01A8      0.21917    D-02A10     -0.12123   D-01
  表面5   表面9
  C              1/2.740ε            0.10000    D+01A4     0.15559    D-02A6     0.13415    D-02A8     -0.18064   D-02A10    0.22870    D-03   C              -1/1.732ε              0.10000    D+01A4      0.24363    D-01A6      -0.20713   D-01A8      0.20910    D-01A10     -0.24901   D-02
                      表格3
  条件公式   (1)   (2)   (3)   (4)
  数值示例1   0.69   152°   0.08   -0.46
  数值示例2   0.46   164°   0.03   -0.57

Claims (9)

1.一种广角镜头系统，其特征在于，
所述广角镜头系统从其物方一侧起依次包括：
第一透镜元件，它具有负的光焦度并具有向所述物方一侧凸起的弯月形；
第二透镜元件，它具有双面凹形；
第三透镜元件，它具有双面凸形；以及
第四透镜元件，它具有负的光焦度并且具有向成像一侧凸起的弯月形。
2.一种广角镜头系统，其特征在于，
所述广角镜头系统从其物方一侧起依次包括：
具有负的光焦度的第一透镜元件；
具有负的光焦度的第二透镜元件；
具有正的光焦度的第三透镜元件；以及
具有正的光焦度的第四透镜元件。
3.如权利要求1和2所述的广角镜头系统，其特征在于，所述第二透镜元件满足下面的条件公式：
0.2＜(r3+r4)/(r3-r4)＜0.9
其中，r3表示所述第二透镜元件物方一侧的近轴曲率半径；以及
r4表示所述第二透镜元件像方一侧的近轴曲率半径。
4.如权利要求1到3中的一条所述的广角镜头系统，其特征在于，要满足下面的条件公式：
2W＞140度
其中，2W表示所述广角镜头系统的总视角。
5.如权利要求1到4中的一条所述的广角镜头系统，其特征在于，所述第一透镜元件满足下面的条件公式：
0.01＜f/r1＜0.12
其中，f表示所述整个广角镜头系统的焦距；以及
r1表示所述第一透镜元件物方一侧的曲率半径。
6.如权利要求1到5中的一条所述的广角镜头系统，其特征在于，所述第二透镜元件满足下面的条件公式：
-0.8＜f/f2＜-0.2
其中，f表示所述整个广角镜头系统的焦距；以及
f2表示所述第二透镜元件的焦距。
7.如权利要求1到6中的一条所述的广角镜头系统，还包括位于所述第三和第四透镜元件之间的孔径光阑。
8.如权利要求1到7中的一条所述的广角镜头系统，其特征在于，所述第一透镜元件是玻璃透镜元件，并且所述第二到第四透镜元件在其至少一个侧面上都具有非球面。
9.一种取像器件，其特征在于，
所述取像器件包括如权利要求1到8中的一条所述的广角镜头系统，并且
所述取像器件通过使用所述广角镜头系统在固态图像传感器上形成图像。
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