专利名称：成像透镜,成像单元和光学设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及成像透镜系统，采用诸如CCD或者CMOS的固态成像传感器的小型成像单元，和诸如数码照相机或个人数字助理中使用的小型摄像头的光学设备。
背景技术：
近来，由于数码照相机(下文将称为DSC)或与其相类似的产品得到快速的普及，具有与5百万或以上大数量像素相一致的优异光学性能的成像透镜已经商品化，被用来制作成采集数字图像的图像输入设备。除此之外，许多配备小型摄像头的手机或PDA终端也都已经商品化并被市场所接受。在这些商品化的产品中，用在手机或相类似产品中的与和DSC的像素量相当的大数量像素(2百万到4百万像素)相适应的小型成像单元和成像透镜得到了普遍的关注。
常规的小尺寸的成像单元和成像透镜可以被大体分成两类。
一类是用在主要用于追求小型化和低成本的移动电话，PC机(个人电脑)，PDA等产品的摄像头上的成像透镜，例如在No.2003-195158的日本专利公开号中有描述。其很强的吸引力来自其小的尺寸和低的成本，因此而商品化并被大量用在很多产品上，但在许多情况下，这些成像透镜只能符合10万到30万和50万像素的要求，并不适应大数量的像素。例如在No.2003-149547的日本专利公开号中提出了一种拥有大于100万像素的图像质量的小型成像传感器，然而该种小型成像传感器中有4个或更多的透镜。因此，为了实现便携性，需要寻求一种更便宜的小型化的类型。
另一类处于在内窥镜和视频监控摄像头或类似产品中应用的领域。这些透镜因此显示较高的光学性能，在某种程度上也成功地减小了尺寸。然而，为了保证所要求的性能，这些透镜中透镜的数目有6个到9个之多，但产品的便携性和成本不允许一般的使用。
发明内容
因此，为了在采用价格低的结构并试图减小整个透镜系统的尺寸时达到良好的光学性能，在上述成像单元和成像透镜中在将透镜的数目保持到最小的同时必须适当构型透镜的形状。
一般来说，为了减小尺寸，透镜的光焦度增加。但当透镜的光焦度增加时，每个透镜中产生的像差变大，从而导致整个光学系统的像差补偿变得困难的问题。
本发明的目的是通过采用由作为最小数目的三个透镜构成的成像透镜，每个透镜都采用适当的构型而提供整个透镜系统的尺寸减小并且获得很高光学性能的成像透镜和光学设备。
为了解决上面所提到的问题，本发明提供了一种成像透镜系统，该成像透镜系统是用来把物的光学图像形成在固态图像传感器的光接收表面上。该成像透镜系统的组成元件从物方开始依次为孔径光阑和三个透镜元件，这三个透镜分别为具有正光焦度和在像方具有凸面的双非球面透镜的第一透镜元件，具有负光焦度且其物方具有凹形的双非球面弯月型透镜的第二透镜元件，和具有正光焦度且其物方具有凸形的双非球面弯月型透镜的第三透镜元件；该成像透镜系统满足以下条件表达式1.5＜|fd/f2d|＜2.3 (1)0.5＜|fd/f3d|＜1.1 (2)-2.2＜(r21+r22)/(r21-r22)＜-1.3 (3)2.1＜(r31+r32)/(r31-r32)＜-1.7 (4)式中，fd是整个透镜系统的对应d线(mm)的复合焦距，f2d是第二透镜元件对应d线(mm)的焦距，f3d是第三透镜元件对应d线(mm)的焦距，r21是第二透镜元件物方表面的曲率半径(mm)，r22是第二透镜元件像方表面的曲率半径(mm)，r31是第三透镜元件物方表面的曲率半径(mm)，r32是第三透镜元件像方表面的曲率半径(mm)。
图1是根据本发明的实施例1的成像透镜的结构示意图；图2是根据本发明的实施例1的成像透镜的像差示意图；图3是根据本发明的实施例2的成像透镜的结构示意图；图4是根据本发明的实施例2的成像透镜的像差示意图；图5是根据本发明的实施例3的成像透镜的结构示意图；图6是根据本发明的实施例3的成像透镜的像差示意图；
图7是根据本发明的实施例4的成像透镜的结构示意图；图8是根据本发明的实施例4的成像透镜的像差示意图；图9是根据本发明的实施例5的成像透镜的结构示意图；图10是根据本发明的实施例5的成像透镜的像差示意图；图11是根据本发明的实施例6的成像透镜的结构示意图；图12是根据本发明的实施例6的成像透镜的像差示意图；图13是根据本发明的实施例7的成像透镜的结构示意图；图14是根据本发明的实施例7的成像透镜的像差示意图；图15是根据本发明的实施例8的成像透镜的结构示意图；图16是根据本发明的实施例8的成像透镜的像差示意图；图17是根据本发明的实施例9的成像透镜的结构示意图；图18是根据本发明的实施例9的成像透镜的像差示意图；图19是显示本发明的实施例的光学装置的示意性立体图。
具体实施例方式
在下文中将说明本发明的实施例。
图1，3，5，7，9，11，13，15和图17分别是说明根据本发明的实施例1，2，3，4，5，6，7，8和9的成像透镜的结构示意图。
在上述的每个图中，以从物方开始的顺序，100表示孔径光阑，101表示第一透镜元件(下文称为“L1”)，102表示第二透镜元件(下文称为“L2”)，103表示第三透镜元件(下文称为“L3”)，104表示光学低通滤波器(下文称为“OLPF”)，105表示像平面，106表示诸如CCD或CMOS的固态图像传感器。
在上述的结构中，成像透镜系统包括孔径光阑100，第一透镜元件L1，第二透镜元件L2，第三透镜元件L3；成像单元包括成像透镜系统和固态图像传感器106。
第一透镜元件L1，第二透镜元件L2和第三透镜元件L3都是双面具有非球面的透镜。这些非球面的形状由下面的表达式表示Z=(1/CR)·H21+1-(1+k)·(1/CR)2·H2+Σn=416An·Hn]]>这里，在包括Z轴和H轴的圆柱坐标系中，Z轴表示沿光轴方向向图像平面侧延伸的轴；H轴表示沿离开光轴的方向竖直延伸的轴，CR是近轴曲率半径(mm)，K是圆锥系数，An是第n级的非球面系数。
第一透镜元件L1是由玻璃材料或者合成树脂材料制成，两个表面都是非球面，具有正光焦度的透镜。第二透镜元件L2是由合成树脂材料制成，两个表面都是非球面，具有负光焦度的透镜。第三透镜元件L3是由合成树脂材料制成，两个表面都是非球面，具有正光焦度的透镜。
为了根据每个实施例的成像透镜系统获得紧凑的体积和良好的图像质量，第二透镜元件L2和第三透镜元件L3的光焦度及其弯曲的形状都必须用适当的数值进行设计。由于这个原因，最好满足下面的条件表达式1.5＜|fd/f2d|＜2.3 (1)0.5＜|fd/f3d|＜1.1 (2)-2.2＜(r21+r22)/(r21-r22)＜-1.3 (3)-2.1＜(r31+r32)/(r31-r32)＜-1.7 (4)式中fd是整个透镜系统相对d线(mm)的复合焦距，f2d是第二透镜元件相对d线(mm)的焦距，f3d是第三透镜元件相对d线(mm)的焦距，r21是第二透镜元件L2物方表面的曲率半径(mm)，r22是第二透镜元件L2像方表面的曲率半径(mm)，r31是第三透镜元件L3物方表面的曲率半径(mm)，r32是第三透镜元件L3像方表面的曲率半径(mm)。
上述条件表达式(1)指出了第二透镜元件L2相对于整个透镜系统的光焦度。当超出表达式的下限时，色差补偿不足，导致难以获得良好的图像质量。还有，当超出表达式的上限时，在对应于第二透镜元件L2的单透镜上发生像差量过大，导致难以在整个透镜系统中获得良好的图像质量。
条件表达式(2)指出了第三透镜元件L3相对于整个透镜系统的光焦度。当超出表达式的下限时，整个透镜系统的主点位置变得过于靠近图像一侧，导致难以减小尺寸和获得良好的图像质量。还有，当超出表达式的上限时，在相应于第三透镜元件L3的单透镜上发生像差量过大，导致难以在整个透镜系统中获得良好的图像质量，同时，第三透镜元件L3图像一侧表面r32的有效直径附近的表面倾斜角变得过大，导致透镜元件制造困难。
条件表达式(3)描绘了表示第二透镜元件L2的弯曲形状的形状因子。当超出表达式的下限时，由于第二透镜元件L2的物方表面r21引起的球差较大；当超出其上限时，由于第二透镜元件L2的像方表面r22引起的像散较大，任何一种状态下都难以获得良好的图像质量。
条件表达式(4)描绘了表示第三透镜元件L3的弯曲形状的形状因子。当超出表达式的下限时，像散较大；当超出表达式的上限时，由于第三透镜元件L3的像方表面r32引起的球差就较大。导致任何一种状态下都难以获得良好的图像质量。
更具体地，考虑到透镜的制造，最好第三透镜元件L3的像方表面r32的有效直径附近的表面倾斜角θ32满足以下条件表达式(13)。
θ32＜67(单位度) (13)如果上述参数θ32超出条件表达式(13)的上限，对畸变的补偿和像散的补偿有利，然而，不但非球面表面的形状的精度下降，而且形状控制的精度也下降，从而导致难以稳定生产透镜。
对于整个透镜系统，为了能够实现减小尺寸和良好的图像质量的目的，视角(2·ωd)和透镜系统的全长被要求设定为合适的数值。当视角设定得较宽时，焦距就会缩短，因此有利于减小尺寸。但是，像差补偿必须在广角的情况下才能有效进行，尤其对像散和畸变的补偿会变得困难。
另一方面，当视场角设定得较窄时，焦距需要设定得较长，因此将不利于减小尺寸的要求，但是像散或畸变却容易补偿。
因此，为了实现整个透镜系统减小尺寸和获得良好的图像质量，最好根据每个实施例的成像透镜系统都满足下面的条件表达式。
60＜2·ωd＜70 (5)1.2＜T/fd＜1.7 (6)式中ωd是整个透镜系统相对d线(mm)的半视场角，(单位度)，以及T是第一透镜元件L1的物方表面r11和像平面106之间的全长(mm)。
在上述条件表达式(5)中设定常用的标准视角(使用135胶片照相机时约35mm)。
在减小整个透镜系统的全长的情况下，上述条件提供了获得最良好的图像质量的范围。当ωd超出上述条件的上限时，视角将变窄同时焦距变长，从而导致全长变长。因此不能实现减小尺寸。当ωd超出其下限时，视角将变得过宽。因此将无法补偿像散和畸变。
条件表达式(6)是指出上述透镜系统的全长和整个透镜系统的焦距之间的比值的表达式。为了实现减小尺寸和获得良好的图像质量必须满足上述条件表达式。当超出该条件的下限时，在每个透镜表面上的像差大量发生，因此不能获得总体上的良好的图像质量。当超出表达式的上限时，将难于实现减小尺寸，从而导致成像透镜系统缺乏吸引力。
在根据各个实施例的成像透镜系统中，为了获得紧凑的透镜体和良好的图像质量，第一透镜元件L1的光焦度必须按合适的数值进行设计，同时弯曲形状也要按合适的数值进行设计。
因此，最好满足下面的条件表达式。
1.4＜|fd/f1d|＜2.0 (7)0.3＜(r11+r12)/(r11-r12)＜0.7(8)式中f1d是第一透镜元件L1的相对d线(mm)的焦距，r11是第一透镜元件L1的物方表面的曲率半径(mm)，r12是第一透镜元件L1的像方表面的曲率半径(mm)。
上述条件表达式(7)指出了第一透镜元件L1相对于整个透镜系统的光焦度。当超出表达式的下限时，整个透镜系统的近轴出瞳位置过于靠近像方，因此入射到像平面105的离轴主光线的入射角不能减小。当超出其上限时，对应于第一透镜元件L1的单透镜中像差过于大量地发生，同时，第一透镜元件L1的像方表面r12的有效直径附近的表面倾斜角变得过大，因此导致透镜制造困难。考虑到透镜的制造，最好第一透镜元件L1的像方表面r12的有效直径附近的表面倾斜角θ12满足以下的条件表达式。
还有，上述条件表达式(8)描绘了表示第一透镜元件L1的弯曲形状的形状因子。当超出表达式(8)的下限时，在图像高度的高位上的球差和像散较大；当超出表达式的上限时，彗差较大，因此导致任何一种情况下都难以获得良好的图像质量。
θ12＜56(单位度) (14)在条件表达式(14)中，当θ12超出表达式的上限时，有利于畸变补偿和像散补偿，然而，却不但造成了非球面表面形状的精度的下降，同时也造成形状控制的精度的下降，从而导致难以稳定生产透镜。
还有，在第二透镜元件L2和第三透镜元件L3中，最好在其有效直径内有至少一个Z对H的一阶微分值(dZ/dH)为0的点，Z由下面的表示非球面的表达式描述，Z=(1/CR)·H21+1-(1+k)·(1/CR)2·H2+Σn=416An·Hn]]>这里，在包括Z轴和H轴的圆柱坐标系中，Z轴表示沿光轴方向向像方延伸的轴；H轴表示沿离开光轴的方向竖直延伸的轴，CR是近轴曲率半径(mm)，K是圆锥系数，An是第n级的非球面系数。
在第二透镜元件L2和第三透镜元件L3中，当有效直径中提供至少一个dZ/dH值为0的点时，畸变将会得到很好的补偿，入射到像平面105的离轴主光线的入射角被有利地减小。还有，通过减小入射到图像平面的离轴主光线的入射角，导致照度减少的遮蔽被有效减少。
还有，在第二透镜元件L2和第三透镜元件L3中，为了以一种优良的平衡方式作为整体对色散和场曲进行补偿，最好每个阿贝数满足下面的条件表达式。
25＜V2d＜35 (9)50＜V3d＜60 (10)阿贝数指的是从d线(587.56nm)，F线(486.13nm)，和C线(656.27nm)的折射率计算的数值，由下列表达式表示Vd=(Nd-1)(Nf-Nc)]]>式中，Nd，Nf和Nc分别是d线，F线，C线的折射率。
上述条件表达式(9)和(10)分别指明第二透镜元件L2和第三透镜元件L3的材料的阿贝数。在条件表达式(9)中，当V2d超出其下限时，色差可以得到很好的补偿，但整个透镜系统的佩兹伐(Petzval)和的值过大，从而使场曲变大，当V2d超出其上限时，色差将补偿不足，同时，每个透镜的光焦度被要求更加加大，从而在单透镜中发生的像差很大，导致在任何一种情况下都难以获得良好的图像质量。
在上述条件表达式(10)中，当V3d超出其下限时，尤其是放大倍率的色散较大，当V3d超出其上限时，放大倍率的色散又补偿过度，同时，整个透镜系统的佩兹伐(Petzval)和的值变大，从而使场曲变大，导致在任何一种情况下都难以获得良好的图像质量。
还有，为了在总体上很好地补偿色差，最好第一透镜元件L1满足下面的条件表达式。
50＜V1d＜65 (11)上述条件表达式(11)指明第一透镜元件L1的材料的阿贝数。当超出条件表达式(11)的下限时，轴向色差将补偿不足，当超出其上限时，色差能得到很好补偿，但佩兹伐(Petzval)和的值变大，从而使场曲也变大，导致在任何一种情况下都难以获得良好的图像质量。
孔径光阑100位于最接近物的一侧，因此，入射到像平面105的离轴主光线的入射角能够被减小，导致照度减小的遮蔽也被有效地减少。
而且，为了实现减小透镜尺寸，入射角最好保持在合理的范围内，因此，要求将离轴主光线的入射角度设置为适当的值。
因此，最好入射到图像平面105的离轴主光线的最大入射角(θmax)满足下面的条件表达式。
10＜θmax＜25(单位度) (12)在上述的条件表达式(12)中，当θmax超出其下限时，整个透镜系统无法减小尺寸，当θmax超出其上限时，遮蔽变大，事实上减小了周围的照度。
OLPF104用诸如晶体的具有双折射特性的材料构成。诸如CCD的固态图像传感器106将通过成像透镜形成的物体图像作为具有小数值孔径的二维采样图像，所以，等于或高于1/2采样频率的高频率都是错误信号。为了事先消除图像中的这些高频成分，OLPF104最好位于第三透镜元件L3和像平面105之间。
还有，因为固态图像传感器106通常对红外区域的光高度敏感，为了具有自然的色彩重现，最好通过设置红外吸收材料或镀膜使OLPF104配备红外截除功能，对红外区域中的光进行过滤。
下面给出对应于实施例1到9的具体数值数据，详见数值实例1到9。
(数值实例1)
非球面系数
(数值实例2)
非球面系数
(数值实例3)
非球面系数
(数值实例4)
非球面系数
(数值实例5)
非球面系数
(数值实例6)
非球面系数
(数值实例7)
非球面系数
(数值实例8)
非球面系数
(数值实例9)
非球面系数
本文中，图2，4，6，8，10，12，14，16和18是对应于数值实例1到9的像差图。
在这些像差图中，(a)是表示球差(SA)的曲线图，(b)是表示像散(AST)的曲线图，(c)是表示畸变(DIS)的曲线图。
表10显示上述数值实例的值和条件表达式的数值。
条件表达式的数值表
参见图19，该图解释了配备根据上述实施例和数值实例的成像透镜的光学装置的实施例。
在图19中，191表示配备本发明的成像透镜的诸如数码相机的光学装置的壳体，192表示成像透镜，193表示独立地结合在光学装置的主体中的光学取景器，194是闪光灯，195是快门。
通过使诸如数码相机的光学装置配备本发明的成像透镜，如上所述，可以获得具有高光学性能的紧凑的光学装置。
工业应用性本发明有效地提供了具有小透镜数目和高光学性能的成像透镜系统，以及诸如数码相机或配备摄像头的移动电话终端的光学装置，通过采用本发明的成像透镜系统，这些光学装置可以实现结构紧凑和高光学性能的目标。
权利要求
1.一种用于在固态图像传感器的光接收面上形成物的光学图像的成像透镜系统，其特征在于，该成像透镜系统从物方开始依次包含孔径光阑；和三个透镜元件，该三个透镜元件为具有正光焦度且在像方具有凸面的第一透镜元件，具有负光焦度，且是其物方有凹形的弯月型透镜的第二透镜元件，和具有正光焦度，且是其物方有凸形的弯月型透镜的第三透镜元件，其中，满足下面的条件表达式1.5＜|fd/f2d|＜2.3 (1)0.5＜|fd/f3d|＜1.1 (2)-2.2＜(r21+r22)/(r21-r22)＜-1.3(3)2.1＜(r31+r32)/(r31-r32)＜-1.7 (4)其中，fd是整个透镜系统的相对于d线(mm)的复合焦距，f2d是第二透镜元件相对于d线(mm)的焦距，f3d是第三透镜元件相对于d线(mm)的焦距，r21是第二透镜元件物方表面的曲率半径(mm)，r22是第二透镜元件像方表面的曲率半径(mm)，r31是第三透镜元件物方表面的曲率半径(mm)，r32是第三透镜元件像方表面的曲率半径(mm)。
2.如权利要求1所述的成像透镜系统，其特征在于，第一透镜元件，第二透镜元件和第三透镜元件中的至少一个透镜元件在其两个表面上都具有非球面。
3.如权利要求1所述的成像透镜系统，其特征在于，满足下面的条件表达式60＜2·ωd＜70(5)1.2＜T/fd＜1.7(6)其中，ωd是整个成像透镜系统相对于d线的半视场角(单位度)，T是第一透镜元件物方表面和第三透镜元件像方表面之间的全长(mm)。
4.如权利要求1所述的成像透镜系统，其特征在于，满足下面的条件表达式1.4＜|fd/f1d|＜2.0 (7)0.3＜(r11+r12)/(r11-r12)＜0.7(8)式中f1d是第一透镜元件相对于d线(mm)的焦距r11是第一透镜元件的物方表面的曲率半径(mm)，和r12是第一透镜元件的像方表面的曲率半径(mm)。
5.如权利要求1所述的成像透镜系统，其特征在于，在有效直径中，第二透镜元件和第三透镜元件有至少一个点对H的一阶微分值为0，H是沿垂直于下面的表示非球面形状的表达式中的光轴的方向的坐标，Z=(1/CR)·H21+1-(1+k)·(1/CR)2·H2+Σn=416An·Hn]]>这里，在包括Z轴和H轴的圆柱坐标系中，其中，Z轴表示沿光轴方向向像平面侧延伸的轴；H轴表示沿离开光轴的方向竖直延伸的轴，CR是近轴曲率半径(mm)，K是圆锥系数，以及An是第n级的非球面系数。
6.如权利要求1所述的成像透镜系统，其特征在于，第二透镜元件和第三透镜元件由合成树脂材料形成，并满足下面的条件表达式(9)和(10)25＜V2d＜35 (9)50＜V3d＜60 (10)式中，V2d是第二透镜元件的阿贝数，V3d是第三透镜元件的阿贝数。
7.如权利要求1所述的成像透镜系统，其特征在于，第一透镜元件满足下面的条件表达式(11)50＜V1d＜65 (11)式中V1d是第一透镜元件的阿贝数。
8.一种可操作为把物的光学图像转换成电图像信号输出的成像单元，该成像单元包括用于形成物的光学图像的成像透镜系统；和用于接收由成像透镜系统形成的图像，并将该图像转换成电图像信号的固态图像传感器，其中，所述成像透镜系统是如权利要求1-7中的任一项所述的成像透镜系统。
9.如权利要求8所述的成像单元，其特征在于，光学低通滤波器设置在相对于固态图像传感器的物方侧。
10.一种用于获取物的光学图像并将其转换成电图像信号的光学装置，包括可操作为把物的光学图像转换成电图像信号输出的成像单元；和容纳该成像单元的壳体，其中，该成像单元包括用于形成物的光学图像的成像透镜系统，和用于接收由成像透镜系统形成的图像并将该图像转换成电图像信号的固态图像传感器；其中成像透镜系统是如权利要求1到6中的任一项所述的成像透镜系统。
全文摘要
本发明的目的是获得一种成像透镜系统，该成像透镜系统具有减小尺寸的整个透镜系统，便携性优良，与提供良好的图像质量的大数量像素相一致。形成物的光学图像的成像透镜系统设置在固态图像传感器的光接收表面上，从物方侧开始依次由下面的组件构成孔径光阑和三个透镜元件，即具有正光焦度和像方具有凸面的双非球面透镜的第一透镜元件，具有负光焦度且其物方有凹形的双非球面弯月型透镜的第二透镜元件，和具有正光焦度且其物方有凸形的双非球面弯月型透镜的第三透镜元件，其中满足下面的条件表达式1.5＜|fd/f2d|＜2.3；0.5＜|fd/f3d|＜1.1；－2.2＜(r
文档编号G02B13/18GK1849541SQ20048002584
公开日2006年10月18日 申请日期2004年9月10日 优先权日2003年9月10日
发明者饭山智子, 宫崎恭一, 朴一武 申请人:松下电器产业株式会社