专利名称：耦合光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及适于作为往例如带相机的便携电话或PDA(Personal DigitalAssistant)等小型信息终端设备中搭载的单焦点透镜使用的耦合光学系统。
背景技术：
近年来，伴随着个人计算机向一般家庭等普及，可将拍摄的风景和人物像等图像信息输入个人计算机的数码静物相机(以下，只称作数码相机)迅速普及起来。另外，随着便携电话的高功能化，搭载小型摄像模块的带相机的便携电话也迅速普及起来。另外，在PDA等小型信号终端设备中搭载摄像模块也普及起来。
具备这些摄像功能的设备中，采用了CCD(Charge Coupled Device电荷耦合元件)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等摄像元件。这些摄像元件，近年来向非常小型化发展。从而在采用CCD等摄像元件的摄像设备上，对于设备主体及搭载其上的透镜，也要求小型轻量化。另外，近年来，为了实现高图像品质，而开发像素多的摄像元件，随之，在透镜系统也被要求更高分辨率且高对比度的性能。
作为这种摄像设备所采用的摄像透镜，例如以下的专利文献1所述。该专利文献1中记载了2块构成的摄像透镜。
专利文献1特开2000-258684号公报如上所述，近年的摄像元件，小型化及高像素化得到发展，与此相伴，特别是在数码相机用的摄像透镜中要求高分辨率性能和构成的紧凑化。另一方面，在带相机的便携电话等小型信息终端设备用的摄像透镜中，以前主要要求成本方面和紧凑性，而最近在带相机的便携电话等中，也趋向于发展摄像元件高像素化，例如100万像素以上的与兆位像素对应的装置被实用化，相对于性能方面的要求也高起来。从而，期望开发出综合考虑成本方面、性能方面及紧凑性的多种多样的透镜。
作为与高像素对应的小型信息终端设备用摄像透镜，现有的开发出例如由1块玻璃透镜和2块塑料透镜构成的3块构成的透镜系统和采用3块以上塑料透镜的透镜系统等。不过，为了与近年的小型化要求相对应，而期望透镜系统为少于3块的透镜块数且在性能方向与现有的同等程度。上述专利文献所述的透镜，是一种以2块构成且采用非球面的透镜构成，不过还期望开发更紧凑且高性能的透镜系统。
顺便说一下，由于一般都试图实现摄像透镜的高性能化，所以理想的情况是所有种类的像差在全视场角域内被良好地矫正。虽然一般在透镜数目多的光学系统中很容易实现这样理想的性能，但是透镜数目越少，实现理想的性能就越困难。另一方面，如上所述，近年来，作为摄像透镜，在要求透镜数目减少的同时，也要求高性能化。
因此，以前即使透镜数目少，也以尽量在全视场角域中良好地矫正多个像差为目标进行光学设计。但是，由于通过2块和3块数目非常少的透镜，难以进行全像差、全视场角域中的像差矫正，所以有时会残留一部分像差。在这种情况，既使残留了一部分像差，但是，如果在人们视认实际的摄影图像时，对该视认状态的不良影响很小，那么实际使用中的问题就较少。
例如，考虑作为失真的光学失真来设计普通的摄像透镜是很多的，一般来说，在设计所述矫正时，尽可能在全视角域减少光学失真。但是，可以认为，通过另外还考虑电视失真的设计，在实际显示于监视器图像上的图像中，可以试图改善图像的视认状态。例如，可以认为，即使光学失真的像差量多少有一些，也能够通过与电视失真之间的平衡，使图像全体的歪曲不再显著。
在此，参照图8关于光学失真与监视器失真的概念进行说明。图8模式性地表示将矩形状物体介由光学系统成像的状态或显示在监视器画面等上的状态。图8中，符号10所示的虚线表示理想的像形状，符号11所示的实线表示实际的像形状。
如图8所示，若理想像高为y0，实际的像高为y，则光学失真的像差量D一般由以下式所示。即，将实际的像高y与理想像高y0的差除以理想像高y0、以百分率表示。
D＝{(y-y0)/y0}×100(％)
另一方面，监视器失真Dt通常在与监视器关联的光学系统等中采用，如图8所示，将实际的像形状11的长边的弯曲量考虑为歪曲的对象，一般由以下式表示。Δh表示弯曲的深度，h为垂直画面长。
Dt＝(Δh/2h)×100(％)发明内容鉴于所涉及到的问题，本发明的目的在于提供一种耦合光学系统，即使其透镜数目少，在实际使用中也能实现失真不明显的光学系统。
本发明的耦合光学系统涉及光学失真满足以下条件式(1)～(3)。
2.0％＜|DIST6|＜5.0％ …… (1)|DIST8-DIST6|＜0.5％ …… (2)|DIST10-DIST8|＜1.8％ …… (3)其中，DIST6示出了百分之六十(6成)像高处的光学失真，DIST8示出了百分之八十(8成)像高处的光学失真，DIST10示出了百分之百(10成)像高处的光学失真。
在本发明的耦合光学系统中，通过要满足式(1)，在百分之六十像高之前可以容许比较大值的光学失真。另一方面，通过要满足式(2)和式(3)，可以较小地抑制超过百分之六十像高的光学失真变化。通过满足这样的条件，即使透镜数目少，在实用中也能实现失真不明显的光学系统。
这里，希望该耦合光学系统此外还包括多个透镜，其中，在最靠近像侧的透镜至少有一面是非球面的结构。在这种情况下，在用以下的式子(X)来表示非球面形状时，希望最靠近像一侧的透镜的至少一面是将奇次项有效地用作非球面系数Ai的非球面形状。此外，“有效地使用奇次项”是指将0(零)以外的数值用作A3、A5等奇次非球面系数值。这样，通过在最靠近像一侧的透镜的至少一面使用非球面，从而容易满足上述条件式(1)～(3)。
Z＝C·h2/{1+(1-K·C2·h2)1/2}+∑Ai·h1…… (X)其中，Z是非球面的深度，h是从光轴到透镜面的距离(高度)，K是离心率，C是近轴曲率，Ai表示第i次(i＝3以上的整数)非球面系数。
通过本发明的耦合光学系统，涉及光学失真，由于一方面通过满足条件式(1)，在百分之六十以下像高允许比较大的光学失真，另一方面，通过满足条件式(2)和(3)，较小地抑制了在超过百分之六十的像高处的光学失真的变化，所以，即使透镜数目少，在实际使用中也能实现失真不明显的光学系统。
图1示出了作为关于本发明一个实施方式的耦合光学系统的单焦点透镜的结构实例，它是对应于实施例1的透镜剖视图。
图2示出了作为关于本发明一个实施方式的耦合光学系统的单焦点透镜的结构实例，它是对应于实施例2的透镜剖视图。
图3是表示在作为关于本发明一个实施方式的耦合光学系统的单焦点透镜中的光学失真特性的示意图。
图4是表示关于实施例1的单焦点透镜的球面像差、像散、光学失真以及倍率色差的像差图。
图5是示出关于实施例2的单焦点透镜的球面像差、像散、光学失真以及倍率色差的像差图。
图6是表示关于实施例1的单焦点透镜的失真特性的图。
图7是表示关于实施例2的单焦点透镜的失真特性的图。
图8是用于说明光学失真和电视失真的图。
图中CG-玻璃罩、St-光圈、Gj-从物体侧起的第j号透镜、Ri-从物体侧起的第i号透镜面的曲率半径、Di-从物体侧起的第i号与第i+1号透镜面之间的面间隔、Z1-光轴。
具体实施例方式
下面将参照附图对本发明的实施例进行详细的说明。
图1示出了作为关于本发明一个实施方式的耦合光学系统的单焦点透镜的结构实例。该结构实例对应于后述第一数值实施例(表1、表2)的透镜结构。另外，图2示出了单焦点透镜的另一个结构实例。图2的结构实例对应于下述第二数值实施例(表3、表4)的透镜结构。此外，在图1和图2中，符号Ri表示第i(i＝0～6)号面的曲率半径，该曲率半径以光圈St为第0号，最靠近物体侧的透镜要件面为第1号，具有沿着向像侧(成像侧)的方向依次增加的符号i。符号Di表示第i号面与第i+1号面在光轴Z1上的面间隔。此外，由于各结构实例的基本结构都相同，所以下面以图1示出的结构光学系统的结构为基础进行说明。
此外，这里虽然说明了两透镜结构的单焦点透镜的结构，但是本实施方式的耦合光学系统也能适用于具有3个以上透镜的光学系统。
该单焦点透镜可以通过搭载例如使用带相机的便携式电话等小型信息终端设备和数码相机等、特别是利用小型摄像元件的摄像设备中来使用。该单焦点透镜的结构为沿着光轴Z1从物体侧依次配置了光圈St、第一透镜G1和第二透镜G2。
该单焦点透镜的成像面(摄像面)配置了图中没有示出的CCD等摄像元件。CCD的摄像面附近配置了用于保护摄像面的玻璃罩CG。第二透镜G2与成像面(摄像面)之间除了玻璃罩CG之外，还可以配置红外线截止滤波器和低通滤波器等其它光学器件。
例如，第一透镜G1两面是非球面形状，并且成为具有使凸面形状朝向物体侧的正放大率的弯月形状。
例如，第二透镜G2两面是非球面形状，并且在轴附近成为使凸面朝向物体侧的具有正放大率的弯月形状。例如，第二透镜G2的非球面形状，对于物体侧表面而言，具有这样的部分，即在有效半径范围内随着从中心靠向周边在像侧从凸形状变为凹形状。对于像侧表面而言，具有这样的部分，即有效半径范围内随着从中心靠向周边在像侧从凹形状变为凸形状。因此，虽然第二透镜G2例如在近轴附近具有正的放大率，但是，在物体侧表面的有效半径内，在近轴以外的部分具有作为负放大率工作的部分。
此外，在本实施方式中，例如在下述非球面式子(X)、(A)中，近轴附近的透镜形状通过与系数K有关的部分(除去与系数Ai有关的多项式部分后的部分)来表示。
由于该单焦点透镜的第一透镜G1以及第二透镜G2的两面是非球面形状，所以出于加工性的考虑，希望第一透镜G1以及第二透镜G2的材料都是塑料材料的。
关于在比中间视场角大的视场角处的光学失真，满足以下条件式(1)～(3)。
2.0％＜|DIST6|＜5.0％ ……(1)|DIST8-DIST6|＜0.5％ ……(2)|DIST10-DIST8|＜1.8％ ……(3)其中，DIST6表示百分之六十(6成)像高处的光学失真，DIST8表示百分之八十(8成)像高处的光学失真，DIST10表示百分之百(10成)像高处的光学失真。
在用以下等式(X)表示非球面形状时，优选该单焦点透镜最靠近像侧的透镜G2的至少一面是将奇次项有效地用作非球面系数Ai的非球面形状。此外，“有效地使用奇次项”是指将0(零)以外的数值A3、A5等用作奇次非球面系数的值。
Z＝C·h2/{1+(1-K·C2·h2)1/2}+∑Ai·h1…… (X)其中，Z是非球面的深度，h是从光轴到透镜面的距离(高度)，K是离心率，C是近轴曲率，Ai表示第i次(i＝3以上的整数)非球面系数。
下面说明以上结构的单焦点透镜的作用以及效果。
一般，在透镜数目有限的便携式终端等使用的摄像透镜中，如果较小地抑制在全视场角域的失真，那么光学设计上的制约就变大，并且难以控制透镜全长和其它像差。因此，在这个单焦点透镜中，通过满足与光学失真有关的条件式(1)～(3)，既使增加透镜数目，实际使用中也可以实现失真不明显的光学系统。
图3图示了式(1)-(3)所示光学失真条件的概念。条件式(1)涉及百分之六十像高(视场角)处的光学失真，并且如果在该数值范围以下，光学设计上的制约就会变大，控制透镜全长和其它像差就变困难，从而不优选。另外，在数值范围以上，则在中间视场角处由于还包含与电视失真之间的平衡而使得失真比较显著，所以也不能让人满意。条件式(2)和(3)是涉及在百分之六十、百分之八十以及百分之百像高处的光学失真，在这些数值范围以上，由于还包含与电视失真之间的平衡而使得失真比较显著，所以不能让人满意。
如图3所示，在这个单焦点透镜中，一方面，通过满足式(1)，在像高百分之六十之前容许比较大的光学失真，而另一方面，通过满足式(2)和(3)，在超过百分之六十像高处较小地抑制光学失真的变化。通过满足这样的条件，即使透镜数目少，在实际使用中也能实现其中包含与电视失真之间平衡的失真难以引起注意的光学系统。
另外，为了满足这些条件式(1)～(3)，将最靠近像侧的透镜G2的至少一面做成把奇次项有效地用作非球面系数Ai的非球面形状是有效的。另外，使用通过包含16次项以上的非球面系数的系数决定的形状的非球面也是有效的。
这样，通过本实施方式的单焦点透镜，涉及比中间视场角大的视场角中的光学失真，由于满足规定条件式(1)-(3)，所以超过百分之六十像高中的光学失真变化被抑制而变小，因此，即使透镜数目少，在实际使用中也能实现在其中难以注意到失真的光学系统。这样，通过有效使用在较少的2个透镜中的非球面，能够获得与现有带相机的便携式电话等中使用的一般具有3个以上透镜的结构同样高的光学性能。另外，还能实现比现在更紧凑的透镜系统。
下面对作为本实施方式的耦合光学系统的单焦点透镜的具体数值实施例进行说明。以下汇总说明了第一和第二数值实施例(实施例1、2)。表1和表2示出了对应图1所示单焦点透镜结构的具体透镜数据(实施例1)。另外，表3和表4示出了对应图2所示单焦点透镜结构的具体透镜数据(实施例2)。在表1以及表3中示出了这些实施例的透镜数据中的基本数据部分，在表2以及表4中示出了这些实施例的透镜数据中与非球面形状相关的数据部分。
表1
(*非球面)(f＝3.94mm，FNO.＝4.0，2ω＝60.7°)
表2
表3
(*非球面)(f＝4.08mm，FNO.＝4.0，2ω＝58.9°)
表4
对于各实施例的单焦点透镜，在各表示出的透镜数据中的面序号Si栏中，示出了第i(i＝0-6)号面的序号，该序号具有以光圈St为第0个，最靠近物体侧的透镜要件面为第1个，沿着向像侧方向顺序递增的符号i。曲率半径Ri栏与图1、图2中所附符号Ri相对应，表示距离物体侧第i个面的曲率半径值。对于面间隔Di栏，它也与图1、图2所附符号对应，表示距离物体侧第i面Si与第i+1面之间的间隔。曲率半径Ri以及面间隔Di值的单位为毫米(mm)。Ndj以及vdj栏分别示出了包含玻璃罩在内的从物体侧起第j(j＝1-3)号透镜要件的相对于d线(587.6nm)的折射率和阿贝数值。此外，虽然玻璃罩CG两面的曲率半径R5、R6的值变为0(零)，这表示它是平面。另外，虽然光圈St的曲率半径R0的值变为0(零)，但是这个表示它是假想面。
作为诸多数据，表1和表3中同时还示出了全系统的近轴焦距f(mm)、F数(FNO.)、视场角2ω(ω半视场角)。此外，各实施例的单焦点透镜在用35mm胶片换算表示摄像面的时具有相当于焦距f＝35mm的性能。
在表1和表3的各个透镜数据中，在面序号左侧添加的记号“*”表示该透镜面为非球面形状。在各个实施例中，第1透镜G1的两面S1、S2和第2透镜G2的两面S3、S4都为非球面形状。在基本透镜数据中，作为这些非球面的曲率半径，表示光轴附近(近轴附近)的曲率半径的数值。
在表2和表4的各个非球面数据的数据中，记号“E”表示其后的数值是以10为底的“幂指数”，表示用该以10为底的指数函数表示的数值被“E”前的数值来乘。例如，如果是“1.0E-02”，那么它表示“1.0×10-2”。
在各非球面数据中记载了与通过下式(A)表示的非球面形状的式子相关的各个系数Ai、K的值。Z更详细地表示出距光轴高h的位置的非球面上的点到非球面顶点接平面(垂直于光轴的平面)的长度(mm)。
Z＝C·h2/{1+(1-K·C2·h2)1/2}+A3·h3+A4·h4+A5·h5+A6·h6+A7·h7+A8·h8+A9·h9+A10·h10……(A)其中，Z非球面的深度(mm)h从光轴到透镜面的距离(高度)(mm)K离心率C近轴曲率＝1/R(R近轴曲率半径)Ai第i次(i＝3～10)非球面系数在各个实施例中，第一透镜G1的两面S1、S2的非球面形状通过仅仅将偶次系数A4、A6、A8、A10有效地用作非球面系数来表示。第二透镜G2的两面S3、S4的非球面形状也进一步有效地利用了奇次非球面系数A3、A7、A9。
另外，对于各个实施例，在下面的表5中汇总示出了与上述条件式(1)～(3)有关的值。如表5所示，各实施例的值在各条件式(1)～(3)的数值范围内。
表5
图4(A)-(D)示出了关于实施例1的单焦点透镜的球面像差、像散、光学失真(歪曲像差)以及倍率色差。虽然在各个像差图中示出了以d线为基准波长的像差，但是在球面像差和倍率色差图中还示出了对于g线(波长435.8nm)、C线(波长656.3nm)的像差。在像散图中，实线表示像差的径向，虚线表示像差的切线方向。ω表示半视场角。同样地，对于实施例2的诸像差在图5(A)-(D)中示出。
图6和图7示意性示出了实施例1和实施例2的单焦点透镜实际使用时的图像失真。也就是表示矩形格子状的物体通过各实施例的单焦点透镜整体具有失真地成像。虽然在仅以图4(C)和图5(C)的光学失真特性看时残留有像差，但是从图6和图7中示出的所有像的形状看出，这种程度的视认状态并不差，在实际使用中获得没有问题的特性。
通过以上各数值数据和各像差图可以理解，对于各个实施例，在透镜数目少的同时，可以进行良好的像差矫正，从而在实际使用中，能够实现失真不显著且更紧凑透镜系统。
此外，本发明不局限于上述实施方式和各个实施例，各种变形实施方式是可能的。例如，各透镜元件的曲率半径、面间隔以及曲率的值等等不局限于上述各数值实施例中示出的值，也可以取其它的值。
权利要求
1.一种耦合光学系统，其特征在于，涉及光学失真，满足以下条件式(1)～(3)2.0％＜|DIST6|＜5.0％……(1)|DIST8-DIST6|＜0.5％ ……(2)|DIST10-DIST8|＜1.8％……(3)其中，DIST6为百分之六十像高处的光学失真，DIST8为百分之八十像高处的光学失真，DIST10为百分之百像高处的光学失真。
2.如权利要求1所述的耦合光学系统，其特征在于包括多个透镜，其中最靠近像侧的透镜的至少一面具有非球面。
3.如权利要求2所述的耦合光学系统，其特征在于在用下式(X)表示非球面形状时，所述最靠近像侧的透镜的至少一面为将奇次项有效地用作非球面系数Ai的非球面形状，Z＝C·h2/{1+(1-K·C2·h2)1/2}+∑Ai·hi……(X)其中，Z为非球面的深度，h为从光轴到透镜面的距离即高度，K为离心率。C为近轴曲率＝1/R，Ai为第i次非球面系数，并且，R为近轴曲率半径，i为3以上的整数。
4.如权利要求1到3中任意一项所述的耦合光学系统，其特征在于构成为至少使用两块以上塑料透镜的单焦点透镜。
全文摘要
本发明实现一种即使使用数目较少的透镜，在实际使用中其失真也不明显的耦合光学系统。关于比中间视场角大的视场角的光学失真满足以下条件式(1)～(3)2.0％＜|DIST6|＜5.0％…(1)；|DIST8－DIST6|＜0.5％…(2)；|DIST10－DIST8|＜1.8％…(3)；其中，DIST6表示百分之六十像高处的光学失真，DIST8表示百分之八十像高处的光学失真，DIST10表示百分之百像高处的光学失真。
文档编号G02B13/18GK1834715SQ200510065659
公开日2006年9月20日 申请日期2005年3月16日 优先权日2005年3月16日
发明者佐藤贤一 申请人:富士能株式会社