TWI825257B - 具有至少六個透鏡之攝影物鏡 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種具有至少六個透鏡和至多八個透鏡的攝影物鏡，該攝影物鏡中從物體側觀察的第一透鏡由玻璃製成並且具有正折射力、大於或等於55的阿貝數、以及介於0.008和0.035之間的相對部分色散自法線的偏差△Pg,F。

Description

具有至少六個透鏡之攝影物鏡
本發明有關一種攝影物鏡，尤其關於具有至少六個透鏡且至多八個透鏡的廣角物鏡，其中從物體側(object side)觀察的第一透鏡具有正折射力(positive refractive power)。
科技已發展的成果是，諸如手機的移動設備(特別是所謂的智慧型手機)或者便攜式電腦(特別是所謂的平板電腦)通常配備有攝影機或甚至配備有多個攝影機。日益小型化也要求物鏡具有微型化設計。同時，還需要高鏡頭速度(lens speed)以使得能夠在不良的光照條件下拍攝雜訊盡可能減少的影像。最後，對影像解析度也提出了很高的要求。
例如在美國專利文獻US 9,366,845 B2、US 8,854,744 B2、US 8,717,685 B2和US 8,599,495 B1中描述了具有六個透鏡或七個透鏡的物鏡設計，其中大多數透鏡包括塑膠。僅有各自的第一透鏡被設計為具有相對小的阿貝數(Abbe number)的玻璃透鏡。在美國專利文獻US 2004/0228009 A1中描述了具有四個透鏡的物鏡，其中的第一透鏡由玻璃構成並且其阿貝數為68。這些物鏡中的許多物鏡的鏡頭速度約為1：2.3，或甚至只有1：2.6到1：2.8。
該現有技術中描述的物鏡僅部分地滿足上述要求，或根本不滿足上述要求。
本發明的目的是提供一種具有高鏡頭速度、緊湊設計和高光學解析度的物鏡。
該目的是通過具有權利要求1的技術特徵的物鏡實現的。根據本發明的物鏡包括至少六個透鏡，其中從物體側觀察的第一透鏡由玻璃製成並且具有正折射力、大於或等於55的阿貝數以及介於0.008和0.035之間的相對部分色散自法線的偏差(deviation of the relative partial dispersion from the normal line)△Pg,F。根據本發明的物鏡尤其被組配為廣角物鏡。在物鏡中的透鏡的順序或各個透鏡位置是由透鏡的編號決定的，編號從物鏡的在物體側的末端到物鏡的在像側(image side)的末端以遞增的方式進行。
根據本發明，用於第一透鏡的特殊材料具有相對高的阿貝數和異常部分色散。相對部分色散Pg,F定義為：
Figure 109100458-A0202-12-0002-1
其中nF是夫朗和斐譜線(Fraunhofer lines)之F線(波長468.13nm)處的折射率，ng是夫朗和斐譜線之g線(波長435.83nm)處的折射率，nC是夫朗和斐譜線之C線(波長656.28nm)處的折射率。
相對部分色散自法線的偏差△Pg,F定義為：
△P g,F =P g,F -(0,6438-0,001682．υ d )，
其中νd是夫朗和斐譜線中d線(波長587.56nm)處的阿貝數。
滿足該條件的示例性市售玻璃類型是來自Ohara的S-FPM3和S-FPM2，來自Hoya的MP-FCD1-M20、MP-FCD500-20、MP-PCD4-40和MP-PCD51-70，來自Hikari的Q-FKO1s，以及來自Schott的N-PK51、N-PSK52和N-FK51a。
常見的透鏡設計主要使用在其中的相對部分色散Pg,F在法線上或接近法線的材料，特別是玻璃材料。
通過根據本發明的解決方案，借助於第一透鏡已經可以對縱向色差(longitudinal chromatic aberration)進行很多校正，本發明的解決方案在於採用特殊玻璃製造第一透鏡，該特殊玻璃具有相對較高的阿貝數並且其相對部分色散自法線有相當大的偏差，因此其他透鏡在很大程度上可以用於校正其他像差(aberration)。與通常僅使用塑膠透鏡因而在色差校正中面臨更大的困難的用於蜂巢式無線電應用(cellular radio application)的傳統設計相比，可以特別容易地校正色差以及進一步的像差，並且可以同時實現非常微型化設計。
根據較佳實施例，物鏡包括至少七個透鏡，較佳地恰好為七個透鏡。已經發現，使用六到八個透鏡可以在緊湊性和最佳化的像差校正之間實現良好的折衷。但是，也可以設置更多的透鏡，並且可以在透鏡組合中的任何期望位置上設置另外的透鏡。
根據有利的實施例，除了由玻璃製成的第一透鏡之外，其餘透鏡中的至少大部分由塑膠製成，較佳地，所有其餘透鏡皆由塑膠製成。由於玻璃透鏡與塑膠透鏡相比會導致數倍的成本，因此就良好的成本效益比而言，這種設計已證明是有利的。為了良好的色差校正，第二透鏡也可以由玻璃製成，較佳地，第二透鏡的相對部分色散與第一透鏡相比朝著另一側與法線間隔開或至少位於法線上。
根據另一有利實施例，至少兩個透鏡具有至少一個非球面，較佳地，第一透鏡和第二透鏡具有至少一個非球面，特佳地，所有透鏡具有至少一個非球面。透鏡之一還可以可選地僅具有球面曲率。通過根據本發明的第一透鏡的設計和非球面鏡的相互作用，實現了對物鏡系統中的像差的特別有利的校正。
根據另一有利實施例，第一透鏡的阿貝數大於或等於65而且/或者第一透鏡的阿貝數小於或等於85。
有利地，第二透鏡的阿貝數介於13至33之間，第一透鏡的阿貝數與第二透鏡的阿貝數之間的差值介於35至75之間，較佳地，第一透鏡的阿貝數與第二透鏡的阿貝數之間的差值介於46至75之間。相應地，前兩個透鏡根據冕火石消色差物鏡(crown flint achromatic objective)的原理被構造，較佳地，這些透鏡之間的膠合表面(cementing surface)是敞開的。這種構型有助於球色差(spherochromatism)的校正。
根據另一有利實施例，物鏡的總長度L和總焦距f滿足條件
L/f<1.25。
因為焦距是成像光學系統的比例因子，所以該總長度可以由商L/f表示為相對於焦距的相對總長度。
替代地或附加地，總長度L與成像圈(image circle)的直徑的商小於或等於0.7。由此限定了特別微型化尺寸，使得根據本發明的物鏡特別適用於便攜式設備，特別是蜂巢式電話中的應用。
在根據本發明的實施例中或在有利的實施例中，微型化尺寸代表了物鏡的一個重要特性。
有利地，成像角(image angle)大於或等於80°和/或光圈值(f-number)小於1.5(或者鏡頭速度優於1：1.5)。因此，在設置在像平面(image plane)中的感測器的角落，半成像角(half image angle)為±40°。光圈值是焦距f和入射光瞳(entrance pupil)(即光圈D)的直徑的商。
根據本發明的有利實施例，在第一透鏡之後，物鏡從處於物體側的末端到處於像側的末端依次包括至少一個具有負折射力(negative refractive power)的第二透鏡、具有正折射力的第三透鏡、具有負折射力的第四透鏡、具有正折射力的第五透鏡、具有正折射力或負折射力的第六透鏡、以及具有負折射力的第七透鏡。可以另外提供孔徑光闌(aperture diaphragm)，該孔徑光闌較佳地可以設置在物鏡的處於物體側的末端處(即在第一透鏡前方的光路中)。此外，可以將平面平行板(planoparallel plate)設置在物鏡的處於像側的末端處(即在第七透鏡後方的光路中)，該平面平行板較佳地可以被構造為用於消除或阻擋不可見光(紫外線或紅外線)的帶阻濾波器(band-elimination filter)。
有利地，第四透鏡被構造為彎月形透鏡(meniscus lens)。這對像散(astigmatism)的校正具有有利的作用。
根據另一個有利的實施例，所述第一透鏡的焦距f1和所述第二透鏡的焦距f2滿足條件
f1<|f2|。
因此，第一透鏡和第二透鏡共同具有正折射力，這與具有消色差物鏡的實施例相對應。第二透鏡的焦距通常為負。該焦距條件與第一透鏡和第二透鏡的阿貝數的上述較佳值一起確保了消色差條件以非常好地近似方式被滿足，根據該消色差條件，上述兩個透鏡的折射力與阿貝數的商之和應該為零。得到的結果是，由於第一透鏡和第二透鏡各自的玻璃材料的色散特性，該第一透鏡和第二透鏡基本上校正了近軸縱向色差(paraxial longitudinal chromatic aberration)。
較佳地，第二透鏡的焦距f2、第三透鏡的焦距f3、和/或物鏡的總焦距f至少滿足以下條件之一：
|f2|>f3
1.5<|f2|/f<4.0
1.0<f3/f<3.0
特別地，第三透鏡具有與第一透鏡相似的折射力。基於這些條件，第一透鏡至第三透鏡也可以被理解為複消色差物鏡(apochromatic objective)的元件。
有利地，第一透鏡的焦距f1與第三透鏡的焦距f3之比滿足條件
0.5<f1/f3<2.0。
根據另一個有利的實施方式，第一透鏡的焦距f1、第四透鏡的焦距f4、第五透鏡的焦距f5、第六透鏡的焦距f6、第七透鏡的焦距f7、和/或物鏡的總焦距f至少滿足以下條件之一：f1<｜f4｜、f1<f5、f1<｜f6｜、1.0<f1/f<2.0、-5.0<f4/f<-2.0、3.0<f6/f<7.0、-2.0<f7/f<-0.8.
根據第七透鏡的負焦距的特性，第七透鏡用作物鏡的最後一個透鏡，以實現像場平滑(image field smoothing)，並通過將後主點(rear principal point)轉置到前面來額外地實現總長度的減小。另外，第七透鏡的所謂的鷗翼形狀較佳地提供了對入射到被設置在像平面中的感測器上的主光束的入射角的校正。
有利地，第一透鏡和第二透鏡的共同焦距f12和物鏡的總焦距f滿足條件0.8<f12/f<2.5。
滿足該條件同樣有助於減小總長度L。
有利地，主光束角在整個像場上最大為37.0°，該主光束角對應於入射到被設置在像平面中的感測器上的入射光相對於所述法線的角 度。因此，該物鏡可以與影像感測器結合使用，在影像感測器中，各個微透鏡被設置在各個感測器像素的前方。
根據一個或多個上述實施例的物鏡的特徵在於
- 微型化尺寸；
- 由於大光圈比(large aperture ratio)所得到的高鏡頭速度；
- 及早在前兩個透鏡內就很好地校正色差；以及
- 因此，借助于其餘透鏡中的非球面透鏡增進了進一步校正像差的可能性。
本發明的其他有利的實施例根據附屬請求項、說明書和圖式得出，其中各個技術特徵和/或技術特徵群組能夠以合適的方式相互組合，也可以以不同於此處明確提到的技術特徵組合的方式相互組合。
A:孔徑光闌
B:像平面
O:物平面
P:平面平行板
S:感測平面
L1-L7:第一透鏡至第七透鏡
下面將參考實施例和圖式描述本發明。如下示出：
第1圖是根據本發明的第一實施例的物鏡的透鏡截面；
第2圖是第1圖的物鏡的像差圖；
第3圖是第1圖的物鏡的球面像差圖；
第4圖是第1圖的物鏡的另外的像差圖；
第5圖是第1圖的物鏡的縱向色差圖；
第6圖是根據本發明的第二實施例的物鏡的透鏡截面；
第7圖是第6圖的物鏡的像差圖；
第8圖是第6圖的物鏡的球面像差圖；
第9圖是第6圖的物鏡的另外的像差圖；
第10圖是第6圖的物鏡的縱向色差圖；
第11圖是根據本發明的第三實施例的物鏡的透鏡截面；
第12圖是第11圖的物鏡的像差圖；
第13圖是第11圖的物鏡的球面像差圖；
第14圖是第11圖的物鏡的另外的像差圖；以及
第15圖是第11圖的物鏡的縱向色差圖。
第1圖、第6圖和第11圖示出了根據三個不同實施例的具有七個折射透鏡L1至L7的相應的攝影物鏡。透鏡L1至L7在從物體側開始到像側的光路的光傳播方向上以升序方式編號。相對位置指示(例如“在…前方”或“在…後方”)與該順序有關。
每個物鏡包括具有正折射力的第一透鏡L1、具有負折射力的第二透鏡L2，具有正折射力的第三透鏡L3、具有負折射力的第四透鏡L4、具有正折射力的第五透鏡L5、在第一實施例和第二實施例中其折射力為正而在第三實施例中其折射力為負的第六透鏡L6、以及具有負折射力的第七透鏡L7。第一透鏡L1被大致位於透鏡L1的第一表面上的孔徑光闌A包圍。在第七透鏡L7的後方設置有平面平行板P作為蓋板。平面平行板P可以被構造為用於濾除或阻擋不可見光(紫外線和/或紅外線)的帶阻濾波器，因而僅有可見光能通過。影像感測器的感測平面S可被設置在聚焦平面B中。
第一透鏡L1和平面平行板P由玻璃製成；第二透鏡L2至第七透鏡L7由塑膠製成。對於第一實施例和第三實施例，用於第一透鏡 L1的玻璃的相對部分色散自法線的偏差△Pg,F為+0.009；對於第二實施例，該偏差△Pg,F為+0.019。
物鏡的透鏡元件的詳細設計數據和光學數據如下表所示。該數據與多個表面有關，這些表面分別界定了空氣到玻璃或玻璃到玻璃的過渡，並且從處於物體側的末端到處於像側的末端被按升序編號。因此，表面0是無限遠距離處的物平面(object plane)O，表面1是孔徑光闌A的有效表面，表面2是第一透鏡L1的處於物體側的表面，表面3是第一透鏡L1的處於像側的表面，依此類推。最後的表面17是平面平行板P的處於像側的表面。表面2至表面15具有非球面曲率。焦距f、光圈值f/#、總長度L、像高和半成像角同樣在各個表中示出。
以下非球面方程式適用于各個透鏡表面在具有相對於光軸且垂直於光軸的高度h的點處的平行於光軸的垂度(sag)z：
Figure 109100458-A0305-02-0012-1
其中r0是頂點曲率半徑(vertex radius of curvature)，k是圓錐常數，並且A4、A6、…、A16是非球面係數。
在下表中，分別針對各個實施例給出了各個頂點曲率半徑r0(以毫米為單位)、圓錐常數(KK)k、厚度d或沿光軸到下一表面的距離、各個光學材料的折射率、阿貝數以及焦距(以mm為單位)，並且針對表面2至表面15給出了非球面係數A4至A16。
可以以波前誤差(wavefront error)W(p,A)的形式具體說明根據三個實施例的物鏡的像差，該波前誤差以下列形式由正交澤尼克(Zernike)標準多項式P i (p,A)(也寫為“Pi”)與相關係數Z i (也寫為“Zi”)之和表示
Figure 109100458-A0202-12-0011-3
其中p是賦範徑向距離(normed radial distance)或賦範光瞳坐標(normed pupil coordinate)，並且A是其方位角。p可以採用0至1之間的值。W和Z i 以波長的坐標給出。
對於澤尼克標準表示(Zernike standard representation)中的各個旋轉對稱的澤尼克多項式，在下列的各個表中僅給出了係數Z4、Z11、Z22、Z37、Z56、Z79和Z106。由於僅考慮了無限遠處的物體的軸向像點(axial image point)，其他澤尼克係數為0。關聯的旋轉對稱標準澤尼克多項式Pi定義如下：
P4=3 1/2 ．(2p 2 -1)
P11=5 1/2 ．(6p 4 -6p 2 +1)
P22=7 1/2 ．(20p 6 -30p 4 +12p 2 -1)
P37=9 1/2 ．(70p 8 -140p 6 +99p 4 -20p 2 +1)
P56=11 1/2 ．(252p 10 -630p 8 +560p 6 -210p 4 +30p 2 -1)
P79=13 1/2 ．(924p 12 -2772p 10 +3150p 8 -1680p 6 +420p 4 -42p 2 +1)
P106=15 1/2 ．(3432p 14 -12012p 12 +16632p 10 -11550p 8 +4.200p 6 -756p 4 +56p 2 -1)
第一實施例：
Figure 109100458-A0305-02-0014-2
Figure 109100458-A0202-12-0013-6
Figure 109100458-A0202-12-0014-8
Figure 109100458-A0202-12-0015-9
Figure 109100458-A0202-12-0015-10
第二實施例
Figure 109100458-A0305-02-0018-3
Figure 109100458-A0202-12-0017-12
Figure 109100458-A0202-12-0018-13
Figure 109100458-A0202-12-0019-14
Figure 109100458-A0202-12-0019-15
第三實施例
Figure 109100458-A0305-02-0022-4
Figure 109100458-A0305-02-0022-6
Figure 109100458-A0202-12-0021-19
Figure 109100458-A0202-12-0022-20
Figure 109100458-A0202-12-0022-21
下面將針對三個實施例詳細說明不同的像差。
在針對第一實施例的第2圖中、在針對第二實施例的第7圖中、以及在針對第三實施例的第12圖中分別再現了軸向像點的針對賦範光瞳坐標x和y方向的橫向像差(transverse aberration)ex、ey(以μm為單位)。橫向像差ex、ey在圖中的標度值的末端各自為+/-50μm。
在針對第一實施例的第3圖中、在針對第二實施例的第8圖中、以及在針對第三實施例的第13圖中分別再現了取決於賦範光瞳坐標的球面縱向像差(spherical longitudinal aberration，以mm為單位)，每個實施例中的顏色為紅色(R)、藍色(B)和綠色(G)。
在針對第一實施例的第4圖中、在針對第二實施例的第9圖中、以及在針對第三實施例的第14圖中分別再現了取決於半成像角(稱為+Y，以度為單位)的像散(以mm為單位)和取決於半成像角(以度為單位)的失真(distortion，以百分比為單位)。
在針對第一實施例的第5圖中、在針對第二實施例的第10圖中、以及在針對第三實施例的第15圖中分別再現了取決於波長(以μm為單位)的焦距位移(focal length displacement，以μm為單位)的縱向色差。
A:孔徑光闌
B:像平面
O:物平面
P:平面平行板
S:感測平面
L1-L7:第一透鏡至第七透鏡

Claims (21)

  1. 一種攝影物鏡，包括至少六個透鏡和至多八個透鏡(L1-L7)，其中，從物體側觀看的第一透鏡(L1)由玻璃製成並且具有正折射力、大於或等於55的阿貝數、以及介於0.008至0.035之間的相對部分色散自法線的偏差△Pg,F。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的物鏡，其中，該物鏡包括至少七個透鏡(L1-L7)。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的物鏡，其中，除了由玻璃製成的該第一透鏡(L1)之外，其餘透鏡(L2-L7)中的一半以上由塑膠製成。
  4. 如前述申請專利範圍第3項所述的物鏡，其中，至少兩個透鏡具有各自的至少一個非球面。
  5. 如前述申請專利範圍第3項所述的物鏡，其中，該第一透鏡(L1)的阿貝數大於或等於65；和/或該第一透鏡(L1)的阿貝數小於或等於85。
  6. 如前述申請專利範圍第4項所述的物鏡，其中，該第二透鏡(L2)的阿貝數介於13至33之間。
  7. 如前述申請專利範圍第1項所述的物鏡，其中，該物鏡的總長度L和總焦距f滿足條件L/f<1.25；且/或該總長度L與成像圈直徑的商小於或等於0.7。
  8. 如前述申請專利範圍第3項所述的物鏡， 其中，成像角大於或等於80°；且/或光圈值小於1.5。
  9. 如前述申請專利範圍第3項所述的物鏡，其中，在該第一透鏡(L1)之後，該物鏡從處於所述物體側的末端到處於該像側的末端依次包括至少一個具有負折射力的第二透鏡(L2)、具有正折射力的第三透鏡(L3)、具有負折射力的第四透鏡(L4)、具有正折射力的第五透鏡(L5)、具有正折射力或負折射力的第六透鏡(L6)、以及具有負折射力的第七透鏡(L7)。
  10. 如前述申請專利範圍第9項所述的物鏡，其中，至少該第四透鏡(L4)被構造為彎月形透鏡。
  11. 如前述申請專利範圍第4項所述的物鏡，其中，該第一透鏡(L1)的焦距和該第二透鏡(L2)的焦距滿足條件f1<｜f2｜。
  12. 如前述申請專利範圍第9項所述的物鏡，其中，該第二透鏡(L2)的焦距f2、該第三透鏡(L3)的焦距f3、和/或該物鏡的總焦距f至少滿足以下條件之一：｜f2｜>f3、1.5<｜f2｜/f<4.0、1.0<f3/f<3.0。
  13. 如前述申請專利範圍第9項所述的物鏡，其中，該第一透鏡(L1)的焦距f1、該第四透鏡(L4)的焦距f4、所述第五透鏡(L5)的焦距f5、所述第六透鏡(L6)的焦距f6、所述第七透鏡(L7)的焦距f7、和/或該物鏡的總焦距f至少滿足以下條件之一： f1<｜f4｜、f1<f5、f1<｜f6｜、1.0<f1/f<2.0、-5.0<f4/f<-2.0、3.0<f6/f<7.0、-2.0<f7/f<-0.8。
  14. 如前述申請專利範圍第4項所述的物鏡，其中，該第一透鏡(L1)和該第二透鏡(L2)的共同焦距f12與該物鏡的總焦距f滿足條件0.8<f12/f<2.5。
  15. 如前述申請專利範圍第3項所述的物鏡，其中，主光束角在整個像場上最大為37.0°，該主光束角對應於入射到被設置在像平面中的感測器上的入射光相對於該法線的角度。
  16. 如申請專利範圍第1項所述的物鏡，其中，該物鏡包括七個透鏡(L1-L7)。
  17. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的物鏡，其中，除了由玻璃製成的該第一透鏡(L1)之外，所有其餘透鏡(L2-L7)皆由塑膠製成。
  18. 如前述申請專利範圍第3項所述的物鏡，其中，該第一透鏡和第二透鏡(L1，L2)具有各自的至少一個非球面。
  19. 如前述申請專利範圍第3項所述的物鏡，其中，所有透鏡(L1-L7)具有各自的至少一個非球面。
  20. 如前述申請專利範圍第4項所述的物鏡，其中，該第一透鏡(L1)的阿貝數與該第二透鏡(L2)的阿貝數之間的差值介於35至75之間。
  21. 如前述申請專利範圍第4項所述的物鏡，其中，該第一透鏡(L1)的阿貝數與該第二透鏡(L2)的阿貝數之間的差值介於46至75之間。
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