專利名稱：廣角鏡頭系統(tǒng)和取像器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及小巧的廣角鏡頭系統(tǒng)，尤其涉及能夠提供約150度總視角且適合與固態(tài)圖像傳感器一起用在像視頻電話、對講機、監(jiān)視相機、車載相機等數(shù)字輸入設(shè)備(比如，數(shù)字靜態(tài)照相機或數(shù)字攝像機)中的廣角鏡頭系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提出過許多被設(shè)計成取像光學(xué)系統(tǒng)的廣角鏡頭系統(tǒng)，它們可與固態(tài)圖像傳感器一起用在監(jiān)視相機、車載相機等中。在這些廣角鏡頭系統(tǒng)中有些可以提供約為150度的總視角，它們中的一些是由八個透鏡元件組成的(參閱下面的特許公開1)。
特許公開1JP-A-2004-102162然而，上述特許公開1中所揭示的廣角鏡頭系統(tǒng)需要數(shù)目極大(即八個)的透鏡元件，并且具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和極長的總長度。此外，所有的透鏡元件都是玻璃透鏡元件，就成本和重量而言，這使廣角鏡頭系統(tǒng)不能令人滿意。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述常遇到的不便，本發(fā)明的目的在于，提供一種成本低、重量輕且小巧的廣角鏡頭系統(tǒng)，它包括四個透鏡元件，適合作為取像光學(xué)系統(tǒng)與固態(tài)圖像傳感器一起使用，并且可提供令人滿意的光學(xué)特性以及較寬的總視角。
為實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，從物方一側(cè)起，廣角鏡頭系統(tǒng)包括第一透鏡元件，它具有負的光焦度和向物方一側(cè)凸起的彎月形；第二透鏡元件，它具有雙面凹形；第三透鏡元件，它具有雙面凸形；以及第四透鏡元件，它具有負的光焦度以及向像方一側(cè)凸起的彎月形。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，從物方一側(cè)起，廣角鏡頭系統(tǒng)包括第一透鏡元件，它具有負的光焦度；第二透鏡元件，它具有負的光焦度；第三透鏡元件，它具有正的光焦度；以及第四透鏡元件，它具有正的光焦度。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，取像器件具有上述廣角鏡頭系統(tǒng)之一，并通過使用該廣角鏡頭系統(tǒng)在固態(tài)圖像傳感器上形成圖像。
因此，根據(jù)本發(fā)明，有可能提供一種成本低、重量輕且小巧的廣角鏡頭系統(tǒng)，它包括四個透鏡元件，適合作為取像光學(xué)系統(tǒng)與固態(tài)圖像傳感器一起使用，并提供令人滿意的光學(xué)特性和較寬的總視角。
通過將根據(jù)本發(fā)明的廣角鏡頭系統(tǒng)作為取像光學(xué)系統(tǒng)用在數(shù)字輸入設(shè)備(比如數(shù)字靜止照相機或數(shù)字攝像機)中以便應(yīng)用于視頻電話、對講機、監(jiān)視相機、車載相機等，便有可能使數(shù)字輸入設(shè)備變得角度寬廣、多用途、低成本、輕便且小巧。


圖1示出了本發(fā)明的第一實施例的鏡頭結(jié)構(gòu)及數(shù)字示例1；圖2示出了本發(fā)明的第二實施例的鏡頭結(jié)構(gòu)及數(shù)字示例2；圖3A到3C示出了在數(shù)字示例1中觀察到的像差；圖4A到4C示出了在數(shù)字示例2中觀察到的像差；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的取像器件的結(jié)構(gòu)的外形。
具體實施例方式
在下文中，將參照附圖描述用于實施本發(fā)明的廣角鏡頭系統(tǒng)。
圖1和2是示出了本發(fā)明的第一和第二實施例的廣角鏡頭系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)的光學(xué)截面圖。
第一和第二實施例的廣角鏡頭系統(tǒng)都被設(shè)計成一種用于取像的單焦距廣角鏡頭系統(tǒng)(例如，用在數(shù)碼相機中)，即用于在固態(tài)圖像傳感器(例如，CCD(電荷耦合器件))上形成光學(xué)圖像，并且具有一個位于圖像表面一側(cè)的濾光鏡GF，其形狀為平面平行板并對應(yīng)于光學(xué)低通濾光片等。
此外，這兩個廣角鏡頭系統(tǒng)都具有四個透鏡元件，從物方一側(cè)起，它們的光焦度(光焦度是一個被定義為焦距倒數(shù)的量)排列如下第一透鏡元件L1，它具有負的光焦度；第二透鏡元件L2，它具有負的光焦度；第三透鏡元件L3，它具有正的光焦度；孔徑光闌ST；第四透鏡元件L4，它具有正的光焦度；以及濾光鏡GF。
第一透鏡元件L1是玻璃透鏡元件，其兩面都是球面。第二、第三和第四透鏡元件L2、L3和L4都是塑料透鏡元件，其至少一個側(cè)面是非球面。
從物方一側(cè)起，第一和第二實施例的廣角鏡頭系統(tǒng)都是由下列組成向物方凸起的負的彎月形透鏡元件L1；雙面凹形透鏡元件L2；雙面凸起透鏡元件L3；向像方一側(cè)凸起的正的彎月形透鏡元件L4；以及濾光鏡GF。
按照上述來構(gòu)造，兩個實施例的廣角鏡頭系統(tǒng)都提供寬視角，適當(dāng)校正了失真，并且可以形成適用于固態(tài)圖像傳感器的光學(xué)圖像。下文將詳細描述為什么會實現(xiàn)這些情形。
如上所述，第一和第二透鏡元件L1和L2是負的透鏡元件，它們在像面一側(cè)都具有一個凹面，并且通過這些透鏡元件L1和L2，以尖角入射的偏軸光線可以有效地被引導(dǎo)至第四透鏡元件L4，第四透鏡元件L4是放得更靠后面的正透鏡。因此，兩個負透鏡L1和L2可以共同且有效地校正各種像差。兩個負透鏡元件L1和L2留下未校正的像差可以由第三透鏡元件L3來校正，第三透鏡元件L3是正透鏡元件。這可幫助實現(xiàn)更高的性能。
最靠近圖像一側(cè)的第四透鏡元件L4是正透鏡元件，用于將出射光瞳放得很遠。這幫助減小被成像到固態(tài)圖像傳感器的圖像傳感表面的外圍部分中主要光線的入射角(即，主要光線相對于光軸的角)，并因此通過校正各種像差來幫助實現(xiàn)更高的性能，同時實現(xiàn)了遠心性。作為實現(xiàn)遠心性的結(jié)果，有可能緩和在圖像傳感表面的外圍部分中有效孔徑效率下降這樣一種現(xiàn)象(被稱為局部遮光)。
在第三和第四透鏡元件之間放置孔徑光闌ST可使孔徑光闌ST減到很小，并可使出射光瞳位于很遠的地方。
如果孔徑光闌ST放得比上述情形離物方一側(cè)還要遠，則出射光瞳也會放得更遠。這在與固態(tài)圖像傳感器一起使用的透鏡系統(tǒng)中是一個優(yōu)點，但會使孔徑光闌ST過大。此外，作為孔徑光闌ST變得過大的結(jié)果，會產(chǎn)生極大的失真。另一方面，如果孔徑光闌ST放得比上述情形離像方一側(cè)還要遠，則在與固態(tài)圖像傳感器一起使用的透鏡系統(tǒng)中，出射光瞳將位于不利的位置。
因此，從物方一側(cè)起由負透鏡元件L1、負透鏡元件L2、正透鏡元件L3、孔徑光闌ST以及正透鏡元件L4構(gòu)成的廣角鏡頭系統(tǒng)(盡管是由四個透鏡元件構(gòu)成的)使得有可能實現(xiàn)一種成本低、重量輕且小巧的廣角鏡頭系統(tǒng)，它適合作為取像光學(xué)系統(tǒng)與固態(tài)圖像傳感器一起使用，并提供令人滿意的光學(xué)特性和約為150度的視角。
接下來，將描述最好應(yīng)該由這些實施例的廣角鏡頭系統(tǒng)來滿足的條件公式，即最好應(yīng)該由像這些實施例的類型的廣角鏡頭系統(tǒng)來滿足的條件公式。不過，應(yīng)該理解，下面所描述的條件公式并非需要同時滿足。即，單獨滿足適用于給定光學(xué)結(jié)構(gòu)的那些條件公式中的任何就可以提供相應(yīng)的益處和優(yōu)點。從光學(xué)特性、小巧性、組件以及其它方面看，盡可能多地滿足這些條件公式將是較佳的。
較佳地，第二透鏡元件滿足下面的條件公式。
0.2＜(r3+r4)/(r3-r4)＜0.9 (1)其中，r3表示第二透鏡元件物方一側(cè)的近軸曲率半徑；以及r4表示第二透鏡元件像方一側(cè)的近軸曲率半徑。
上述條件公式(1)定義了第二透鏡元件的形狀，并主要涉及出射光瞳的位置與所產(chǎn)生的失真之間的適當(dāng)平衡。忽略條件公式(1)的下限可使出射光瞳遠離成像一側(cè)，并因此對與固態(tài)圖像傳感器一起使用的透鏡系統(tǒng)有利，但不利的是導(dǎo)致負的失真增大和極大的桶狀失真。
相反，忽略條件公式(1)的上限可減小失真，但會使出射光瞳離成像一側(cè)太近以至于對與固態(tài)圖像傳感器一起使用的透鏡系統(tǒng)不利。
出于這些考慮，進一步較佳的是滿足下面的條件公式(1A)。
0.3＜(r3+r4)/(r3-r4)＜0.8 (1A)
較佳地，廣角鏡頭系統(tǒng)的總視角滿足下面的條件公式(2)。
2W＞140度 (2)其中，2W表示廣角鏡頭系統(tǒng)的總視角。
上述條件公式(2)涉及總視角。忽略條件公式(2)所定義的范圍會使取像范圍太窄以至于無法適用于廣角鏡頭系統(tǒng)。進一步較佳的是滿足下面的條件公式(2A)。
2W＞150度 (2A)較佳地，第一透鏡元件滿足下面的條件公式(3)。
0.01＜f/r1＜0.12 (3)其中，f表示整個廣角鏡頭系統(tǒng)的焦距；以及r1表示第一透鏡元件物方一側(cè)的曲率半徑。
上述條件公式(3)定義了第一透鏡元件物方一側(cè)的形狀，并且主要涉及出射光瞳的位置與所產(chǎn)生的失真之間適當(dāng)?shù)钠胶?。忽略條件公式(3)的下限可使出射光瞳遠離成像一側(cè)，并因此有利于與固態(tài)圖像傳感器一起使用的透鏡系統(tǒng)，但不利的是會導(dǎo)致負的失真增大和極大的桶狀失真。
相反，忽略條件公式(3)的上限會減小失真，但會使出射光瞳離成像一側(cè)太近以至于對與固態(tài)圖像傳感器一起使用的透鏡系統(tǒng)不利。
出于這些考慮，進一步較佳的是滿足下面的條件公式(3A)。
0.02＜f/r1＜0.1(3A)較佳地，第二透鏡元件滿足下面的條件公式(4)。
-0.8＜f/f2＜-0.2 (4)其中，f表示整個廣角鏡頭系統(tǒng)的焦距；以及f2表示第二透鏡元件的焦距。
上述條件公式(4)定義了第二透鏡元件的光焦度，并主要涉及出射光瞳的位置與所產(chǎn)生的失真之間適當(dāng)?shù)钠胶狻：雎詶l件公式(4)的下限可使出射光瞳遠離成像一側(cè)，并因此有利于與固態(tài)圖像傳感器一起使用的透鏡系統(tǒng)，但不利的是導(dǎo)致負的失真增大和極大的桶狀失真。
相反，忽略條件公式(4)的上限可減小失真，但會使出射光瞳離成像一側(cè)太近以至于對與固態(tài)圖像傳感器一起使用的透鏡系統(tǒng)不利。
出于這些考慮，進一步較佳的是滿足下面的條件公式(4A)。
-0.7＜f/f2＜-0.3 (4)將玻璃透鏡元件用作最靠近物方一側(cè)的透鏡元件，這在面對像溫度變化這樣的環(huán)境變化時可以使用光學(xué)特性的惡化達到最小。與使用玻璃非球面透鏡元件相比，使用玻璃球面透鏡元件可幫助減小光學(xué)系統(tǒng)的成本。
與使用玻璃球面相比，使用在其至少一側(cè)具有非球面的塑料透鏡元件作為第二、第三和第四透鏡元件可幫助極大地減小透鏡元件的數(shù)目。此外，有可能實現(xiàn)便宜的光學(xué)系統(tǒng)，其長度減小了并且重量也減輕了。
各實施例的廣角鏡頭系統(tǒng)僅由折射透鏡元件(即，在具有不同折射率的兩個介質(zhì)之間的界面處使光線偏轉(zhuǎn)這一類型的透鏡元件)組成，它們通過折射使入射光偏轉(zhuǎn)。
不過，有可能用任何其它類型的透鏡元件來替代這些透鏡元件中的任何，例如衍射透鏡元件，它通過衍射使入射光偏轉(zhuǎn)；或折射/衍射混合透鏡元件，它通過組合在一起的衍射和折射使入射光偏轉(zhuǎn)；或梯度折射率透鏡元件，它用分布在介質(zhì)中的變化著的折射率來使入射光偏轉(zhuǎn)。不過，不方便的是，這些透鏡預(yù)計會增大成本，因為它們所要求的制造工藝太復(fù)雜。因此，在用于實施本發(fā)明的廣角鏡頭系統(tǒng)中，使用由均勻材料構(gòu)成的透鏡元件是較佳的。
在各實施例中，沒有光焦度的表面(例如，反射、折射或衍射表面)可以放置在光路中，以使在廣角鏡頭前面、后面或中間的光路彎曲。在哪兒使光路彎曲可以根據(jù)特定需要來確定。通過使光路適當(dāng)彎曲，有可能使內(nèi)含廣角鏡頭的數(shù)字輸入設(shè)備(比如，數(shù)碼相機)變得明顯瘦長且小巧。
位于廣角鏡頭系統(tǒng)最后一個表面與固態(tài)圖像傳感器之間的濾光鏡GF被假定為一個平面平行板，它對應(yīng)于光學(xué)低通濾波片LP、IR截止濾波片JRC、和/或固態(tài)圖像傳感器的遮光玻璃，但也可以是適合實際使用的數(shù)字輸入設(shè)備的任何其它東西。
例如，有可能使用由石英等制成的、其晶軸適當(dāng)排列的雙折射類型的低通濾光片，也有可能使用通過衍射等實現(xiàn)所要求的光截止頻率特性的相位型低通濾光片。
各實施例的廣角鏡頭系統(tǒng)提供令人滿意的光學(xué)特性，它們成本低、重量輕、小巧并提供較寬的視角，因此適合用在小巧的取像器件中，這種取像器件可用作數(shù)字輸入設(shè)備的主要組件。
例如，如圖5所示，從物方一側(cè)起，這種取像器件由下列組成用于實施本發(fā)明的取像透鏡系統(tǒng)TL，它形成物體的光學(xué)圖像；光學(xué)低通濾光片LP和IR截止濾光片IRC；固態(tài)圖像傳感器SR，它將取像透鏡系統(tǒng)TL形成的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘枴?br> 用作固態(tài)圖像傳感器的是具有多個像素的CCD或CMOS(互補型金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器。
要由廣角鏡頭系統(tǒng)形成的光學(xué)圖像通過具有預(yù)定截止頻率特性(該截止頻率特性取決于固態(tài)圖像傳感器的像素間距)的光學(xué)低通濾光片，并且同時光學(xué)圖像調(diào)節(jié)其空間頻率特性使得當(dāng)該光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘枙r所產(chǎn)生的折疊噪聲達到最小。
因此，通過使上述取像器件包括在用來拍攝物體的靜止圖片或運動圖片的照相機(例如，數(shù)碼相機、攝像機、監(jiān)控相機、車載相機、包括在或從外部安裝到下列設(shè)備之一(數(shù)字視頻單元、個人計算機、移動計算機、手機、視頻電話、對講機、便攜式數(shù)據(jù)終端(或PDA，即個人數(shù)字助理)、或其外圍設(shè)備(比如，鼠標、掃描儀、打印機、或其它數(shù)字輸入/輸出設(shè)備))的照相機等)中，便有可能使照相機或設(shè)備變得高性能、多功能、低成本且小巧。
示例現(xiàn)在，將參照第一和第二實施例的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、像差圖和其它數(shù)據(jù)來詳細呈現(xiàn)上述第一和第二實施例相對應(yīng)的數(shù)字示例。
下面所呈現(xiàn)的數(shù)字示例1和2的透鏡結(jié)構(gòu)對應(yīng)于圖1和2所示的第一和第二實施例。
表格1和2示出了數(shù)字示例1和2的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和其它數(shù)據(jù)。在各數(shù)字示例中，ri(i＝1，2，3……)表示從物方一側(cè)數(shù)起第i個表面的曲率半徑，di(i＝1，2，3……)表示從物方一側(cè)數(shù)起第i個軸向距離，并且Ni(i＝1，2，3……)和υi(i＝1，2，3……)表示從物方一側(cè)數(shù)起第i個透鏡元件的d線折射率和阿貝數(shù)值。此外，f表示整個廣角鏡頭系統(tǒng)的焦距，ω表示半個視角，并且FNO表示光圈數(shù)。
在結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中，數(shù)值后面的字母“D”表示該值的指數(shù)部分。例如，“1.0D-02”表示“1.0×10-2”。
在各數(shù)字示例中，其曲率半徑ri標有星號(*)的表面是具有非球形的折射光學(xué)表面或所呈現(xiàn)出的折射效果等價于非球面的表面。這種非球面的表面形狀是由下面的公式(AS)來定義的。
X(H)＝C·H2/[1+(1-ε·C2·H2)1/2]+∑Ai·Hi(AS)其中H表示在垂直于光軸的方向上的高度；
X(H)表示在高度H處沿光軸的位移(相對應(yīng)頂點)；C表示近軸曲率；ε表示二次曲面參數(shù)；Ai表示i階非球面系數(shù)；以及Hi表示H提高到i次冪。
圖3A到3C和圖4A到4C是數(shù)字示例1和2的像差圖。在這些像差圖中，圖3A和4A示出了球面像差，圖3B和4B示出了散光，并且圖3C和4C示出了失真。
在各球面像差圖中，實線d、“長劃和點”線g以及“長劃-點-點”線分別表示針對d-、g-和c-線而觀察到的球面像差(mm)，虛線SC表示從正弦條件中的偏移(mm)。
在各散光圖中，實線DS和虛線DM分別表示在徑向和子午線方向的平面上針對d-線觀察到的散光(mm)。
在各失真圖中，實線表示針對d-線觀察到的失真(％)。
在球面像差圖中，縱軸表示光線的光圈數(shù)FNO。在散光和失真圖中，縱軸表示最大圖像高度Y′(mm)。
表格3示出了在各數(shù)字示例中實際觀察到的條件公式(1)、(2)、(3)和(4)的數(shù)值。
表格1數(shù)字示例1f 1.24(mm) ω76° FNO 2.8

非球面的系數(shù)(從物方一側(cè)起)

表格2數(shù)字示例2f 1.43(mm) ω82° FNO 2.8

非球面的系數(shù)(從物方一側(cè)起)

表格3

權(quán)利要求
1.一種廣角鏡頭系統(tǒng)，其特征在于，所述廣角鏡頭系統(tǒng)從其物方一側(cè)起依次包括第一透鏡元件，它具有負的光焦度并具有向所述物方一側(cè)凸起的彎月形；第二透鏡元件，它具有雙面凹形；第三透鏡元件，它具有雙面凸形；以及第四透鏡元件，它具有負的光焦度并且具有向成像一側(cè)凸起的彎月形。
2.一種廣角鏡頭系統(tǒng)，其特征在于，所述廣角鏡頭系統(tǒng)從其物方一側(cè)起依次包括具有負的光焦度的第一透鏡元件；具有負的光焦度的第二透鏡元件；具有正的光焦度的第三透鏡元件；以及具有正的光焦度的第四透鏡元件。
3.如權(quán)利要求1和2所述的廣角鏡頭系統(tǒng)，其特征在于，所述第二透鏡元件滿足下面的條件公式0.2＜(r3+r4)/(r3-r4)＜0.9其中，r3表示所述第二透鏡元件物方一側(cè)的近軸曲率半徑；以及r4表示所述第二透鏡元件像方一側(cè)的近軸曲率半徑。
4.如權(quán)利要求1到3中的一條所述的廣角鏡頭系統(tǒng)，其特征在于，要滿足下面的條件公式2W＞140度其中，2W表示所述廣角鏡頭系統(tǒng)的總視角。
5.如權(quán)利要求1到4中的一條所述的廣角鏡頭系統(tǒng)，其特征在于，所述第一透鏡元件滿足下面的條件公式0.01＜f/r1＜0.12其中，f表示所述整個廣角鏡頭系統(tǒng)的焦距；以及r1表示所述第一透鏡元件物方一側(cè)的曲率半徑。
6.如權(quán)利要求1到5中的一條所述的廣角鏡頭系統(tǒng)，其特征在于，所述第二透鏡元件滿足下面的條件公式-0.8＜f/f2＜-0.2其中，f表示所述整個廣角鏡頭系統(tǒng)的焦距；以及f2表示所述第二透鏡元件的焦距。
7.如權(quán)利要求1到6中的一條所述的廣角鏡頭系統(tǒng)，還包括位于所述第三和第四透鏡元件之間的孔徑光闌。
8.如權(quán)利要求1到7中的一條所述的廣角鏡頭系統(tǒng)，其特征在于，所述第一透鏡元件是玻璃透鏡元件，并且所述第二到第四透鏡元件在其至少一個側(cè)面上都具有非球面。
9.一種取像器件，其特征在于，所述取像器件包括如權(quán)利要求1到8中的一條所述的廣角鏡頭系統(tǒng)，并且所述取像器件通過使用所述廣角鏡頭系統(tǒng)在固態(tài)圖像傳感器上形成圖像。
全文摘要
一種廣角鏡頭系統(tǒng)從其物方一側(cè)起具有第一透鏡元件，它具有負的光焦度并具有向物方一側(cè)凸起的彎月形；第二透鏡元件，它具有雙面凹形；第三透鏡元件，它具有它們凸形；以及第四透鏡元件，它具有負的光焦度并具有向成像一側(cè)凸起的彎月形?；蛘撸环N廣角鏡頭系統(tǒng)從其物方一側(cè)起具有第一透鏡元件，它具有負的光焦度；第二透鏡元件，它具有負的光焦度；第三透鏡元件，它具有正的光焦度；以及第四透鏡元件，它具有正的光焦度。
文檔編號H04N5/225GK1866068SQ20061007477
公開日2006年11月22日 申請日期2006年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月11日
發(fā)明者廣瀨全利, 磯野雅史 申請人:柯尼卡美能達精密光學(xué)株式會社