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。
一类是主要用于追求小型化和低成本的移动电话，PC机(个人电脑)摄像机，PDA等产品上的成像透镜，例如在日本专利公开公报号2003-195158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。例如在日本专利公开公报号2003-149547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，为了在采用便宜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，以及使用光阑适当地设置光路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，成像单元和光学设备。
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，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，具有负光焦度且是其物方具有凹形的双非球面弯月型透镜的第二透镜元件，和具有正光焦度且是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1.9＜|fd/f2d|＜3.5(1)0.9＜|fd/f3d|＜2.0(2)-2.5＜(r201+r202)/(r201-r202)＜-1.4 (3)-1.7＜(r301+r302)/(r301-r302)＜-1.0 (4)其中，fd是整个透镜系统相对于d线(mm)的焦距，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，r201是第二透镜元件物方表面的曲率半径(mm)，r202是第二透镜元件像方表面的曲率半径(mm)，r301是第三透镜元件物方表面的曲率半径(mm)，r302是第三透镜元件像方表面的曲率半径(mm)。
根据本发明，可以获得使整个透镜系统尺寸减小，轻便性优良，并且与提供优良的图像质量的大数量像素相一致的成像透镜，成像单元和光学设备。
图1是根据本发明的实施例的成像单元的结构示意图；图2是根据本发明的实施例1的成像透镜的结构示意图；图3是根据本发明的实施例1的像差示意图；图4是根据本发明的实施例2的成像透镜的结构示意图；图5是根据本发明的实施例2的像差示意图；
图6是根据本发明的实施例3的成像透镜的结构示意图；图7是根据本发明的实施例3的像差示意图；图8是根据本发明的实施例4的成像透镜的结构示意图；图9是根据本发明的实施例4的像差示意图；图10是根据本发明的实施例5的成像透镜的结构示意图；图11是根据本发明的实施例5的像差示意图；图12是显示本发明的实施例的光学设备的示意性立体图。
具体实施例方式
在下文中将说明本发明的实施例。
图1是根据本发明的实施例的成像透镜和成像单元的结构示意图。在此图中，100表示孔径光阑，101表示玻璃材料形成的第一透镜元件(下文称为“L1”)，102表示合成材料形成的第二透镜元件(下文称为“L2”)，103表示合成材料形成的第三透镜元件(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的固态图像传感器，161表示第一光限制构件，162表示第二光限制构件，163表示第三光限制构件。
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是双凸透镜，具有正光焦度和双非球面。第二透镜元件L2具有负光焦度，为物方是凹面的双非球面弯月型透镜。第三透镜元件L3具有正光焦度，为物方是凸面的双非球面弯月型透镜。
为了实现减小成像透镜和成像单元的尺寸，有必要减小有效光路直径和透镜边缘直径之间的容差，因此，产生了这样的问题，由于边缘部分上的内部反射产生的反向光线到达图像平面，从而实质上降低了图像的质量。由于该原因，具有耀斑衰减效应的光限制构件161，162和163被分别设置在第一透镜元件L1和第二透镜元件L2之间，第二透镜元件L2和第三透镜元件L3之间，以及第三透镜元件L3和像平面105之间，这样光线能顺利地通过并获得高图像质量。
当光限制构件161，162和163具有作为控制每个透镜之间的距离的间隔器的功能时，则不需要单独提供间隔器，因此成本可以降低，所以也更可取。还有，可以给透镜的外周镀上黑色的膜层，并将该透镜用作光限制构件；因此，可以实现成本下降和元件数量的减少，因此也更为可取。
下面通过数字实例对本发明进行详细说明。
图2，图4，图6，图8和图10分别是根据本发明的数字实例1至5的成像透镜的结构示意图。在每个图中，100表示孔径光阑，L1表示第一透镜元件，L2表示第二透镜元件，L3表示第三透镜元件，104表示OLPF，105表示图像平面，111表示第一透镜元件L1的物方表面，112表示第一透镜元件L1的像方表面，121表示第二透镜元件L2的物方表面，122表示第二透镜元件L2的像方表面，131表示第三透镜元件L3的物方表面，132表示第三透镜元件L3的像方表面。注意，在实例1到5中，如根据图1的上述实施例中那样，第一透镜元件L1由玻璃材料形成，第二透镜元件L2和第三透镜元件L3由合成树脂材料形成。
本发明中，为了获得紧凑的透镜体和良好的图像质量，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1.9＜|fd/f2d|＜3.5 (1)0.9＜|fd/f3d|＜2.0 (2)-2.5＜(r201+r202)/(r201-r202)＜-1.4(3)-1.7＜(r301+r302)/(r301-r302)＜-1.0(4)其中fd是整个透镜系统相对于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，r201是第二透镜元件L2物方表面121的曲率半径(mm)，r202是第二透镜元件L2像方表面122的曲率半径(mm)，r301是第三透镜元件L3物方表面131的曲率半径(mm)，r302是第三透镜元件L3像方表面132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。在条件表达式(1)中，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的量过大，导致难以在整个透镜系统中获得良好的图像质量。
还有，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。在条件表达式(2)中，当超出表达式的下限时，整个透镜系统的近轴出瞳的位置变得过于靠近像方，由此离轴主光线在图像平面上的入射角不能被减少。当超出表达式的上限时，在对应于第三透镜元件L3的单透镜上发生像差的量过大，以及同时，透镜的外直径大，由此透镜在光轴上的厚度变大，不能达到使尺寸减小。
还有，条件表达式(3)表明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121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122引起的像散较大，从而导致任何一种状态下都难以获得良好的图像质量。
还有，条件表达式(4)表明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，由于第三透镜元件L3的物方表面131引起的球差较大，并且同时，离轴图像弯曲过度，以及当超出其上限时，离轴图像弯曲不足，从而导致任何一种状态下都难以获得良好的图像质量。
考虑到透镜的制造，最好第三透镜元件L3的像方表面132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＜60(单位度) (13)当上述参数(θ32)超出条件表达式(13)的上限时，不但非球面表面的形状的精度下降，而且形状测量控制的精度也下降，从而导致难以稳定生产透镜。还有，尽管在近轴区域第二透镜元件L2的像方表面122具有凸形和正的光焦度，但最好在有效直径附近第二透镜元件L2的像方表面122具有凹形和负的光焦度，因为有这样的趋势，越接近非球面表面的外周，光焦度减小得越多。这样，外周部分的光通量在从光轴离开的方向上被弯曲，因此在第三透镜元件L3处弯曲后减小了图像平面上的入射角度。
另外，在整个透镜系统中，为了能够实现减小尺寸和良好的图像质量的目的，视场角(2ωd)和透镜系统的全长被要求设定为合适的数值。对于视场角，如果朝向摄远端设定，焦距需要被设定得长，从而当要求减小尺寸时就不适当。另一方面，如果视场角朝向广角端设定，像差补偿必须在宽视场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。
在本发明中，为了达到在整个长度上减小整个透镜系统的尺寸，最好满足下面的条件表达式70＜2ωd＜85(5)1.4＜T/fd＜2.0 (6)其中
ωd是整个透镜系统相对于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111和像平面之间的全长(mm)。
在上述条件表达式(5)中，与通常的标准视场角(使用135胶片照相机时约35mm)比较，设定在广角端进行。
在减小整个透镜系统的全长的情况下，通过满足上述条件获得最良好的图像质量。当超过上述条件的下限时，视场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。当超过其上限时，视场角将变得过宽。因此将难以补偿像散和畸变。
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较大，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，从而导致成像透镜缺乏吸引力。
在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。
1.8＜|fd/f1d|＜2.2 (7)0.5＜(r101+r102)/(r101-r102)＜1.0(8)其中f1d是第一透镜元件L1相对于d线(mm)的焦距，r101是第一透镜元件L1的物方表面111的曲率半径(mm)，r102是第一透镜元件L1的像方表面112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。在该条件中，当超出下限时，整个透镜系统的主点的位置过于靠近像方，造成难以减小尺寸和难以获得良好的图像质量。还有，当超出其上限时，对应于第一透镜元件L1的单透镜中像差过大，造成难以整体获得良好的图像质量，同时，第一透镜元件L1的像方表面112的有效直径附近的表面倾斜角变得过大，导致透镜制造困难。
还有，上述条件表达式(8)表明了表示第一透镜元件L1的弯曲形状的形状因子。在该条件中，当超出下限时，彗差大量发生；当超出其上限时，由于第一透镜元件L1的像方表面112引起的球差大量发生，因此导致任何一种情况下都难以获得良好的图像质量。
考虑到透镜的制造，第一透镜元件L1的像方表面112的有效直径附近的表面倾斜角(θ12)最好满足下列条件表达式。
θ12＜50(单位度) (14)在上述条件表达式(14)中，当(θ12)超出上限时，不但造成了非球面表面形状的精度的下降，同时也造成形状测量控制的精度的下降，从而导致难以稳定生产透镜。
还有，本发明具有在广角下获得良好图像质量的特征。因此，必须对第二透镜元件L2和第三透镜元件L3的光焦度和形状进行适当的设定。特别是在对第二透镜元件L2的光焦度的设定中，为了增加透镜的光焦度和减少像差发生的数量的目的，尤其需要对第二透镜元件L2的物方表面121的光焦度的设定。由于该原因，最好满足下面的条件表达式。
3.3＜|fd×(Nd2-1)/r201|＜4.5 (9)其中Nd2是第二透镜元件L2相对于d线(mm)的折射率。
上述的条件表达式(9)表明了第二透镜元件L2的物方表面121相对于整个透镜系统的光焦度。在该条件中，当超出下限和上限时，在第二透镜元件L2的物方表面121和像方表面122上发生的彗差和像散都不能适当消除，从而导致难以获得良好的图像质量。
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(Abbe)数满足下面的条件表达式。
25＜V2d＜35 (10)50＜V3d＜60 (11)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)]]>其中，Nd，Nf和Nc分别是d线，F线，C线的折射率。
上述条件表达式(10)和(11)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。当超出条件表达式(10)的下限时，色差得到很好的补偿，但整个透镜系统的佩兹伐(Petzval)和的值过分大并且场曲变大。当超出其上限时，色差补偿不足，同时，每个透镜的光焦度被要求更加大，并且在单透镜中发生的像差变得过大。在任何情况下都难以获得良好的图像质量。另一方面，当超出条件表达式(11)的下限时，尤其是光焦度的色差较大，并且当超出其上限时，光焦度的色差被补偿过度，同时，整个透镜系统的佩兹伐(Petzval)和变大，由此场曲变大。在任何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(12)。
50＜V1d＜65 (12)上述条件表达式(12)指明第一透镜元件L1的材料的阿贝数。当超出条件表达式(12)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，为了实现减小透镜系统的尺寸，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。
14＜θmax＜19(单位度) (15)在上述的条件表达式(15)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，从而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(未显示)将通过成像透镜形成的物的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和像平面之间。
还有，因为固态图像传感器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1到5的数字实例。
非球面的形状由下面的表达式表示(1/CR)*H21+1-(1+K)*(1/CR)2*H2+Σn=416An*Hn]]>在圆柱坐标系中，Z轴表示沿光轴方向朝向图像平面延伸的轴；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，K是圆锥系数，An是第n级非球面系数。
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
图3，5，7，9和11是相应于数字实例1到5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6显示上述数字实例的值和条件表达式的数值。
条件表达式的数值表
注意，虽然图2，图4，图5，图6，图8和图10显示了成像透镜，但如图1显示的实施例，在其中可以包括第一光限制构件161，第二光限制构件162和第三光限制构件163，由此可以构成一个成像单元。
参见图12，该图解释了配备根据上述实施例和数字实例的成像透镜或成像单元的光学设备的实施例。
在图12中，171表示配备本发明的成像透镜或成像单元的诸如数码相机的光学设备的主体，172表示成像透镜或成像单元，173表示独立地结合在光学设备的主体中的光学取景器，174是闪光灯，175是快门。
通过使诸如数码相机的光学设备配备本发明的成像单元或成像透镜，如上所述，可以获得具有高光学性能的紧凑的光学设备。
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，成像单元以及诸如数码相机的光学设备，通过在其中采用本发明的成像透镜和成像单元，这些光学设备可以实现结构紧凑和高光学性能的目标。
权利要求
1.一种在固态图像传感器的光接收表面上形成物的光学图像的成像透镜系统，该成像透镜系统从物方开始依次包括孔径光阑；具有正光焦度和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1.9＜|fd/f2d|＜3.5(1)0.9＜|fd/f3d|＜2.0(2)-2.5＜(r201+r202)/(r201-r202)＜-1.4(3)-1.7＜(r301+r302)/(r301-r302)＜-1.0(4)其中，fd是整个透镜系统相对于d线(mm)的焦距，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，r201是第二透镜元件物方表面的曲率半径(mm)，r202是第二透镜元件像方表面的曲率半径(mm)，r301是第三透镜元件物方表面的曲率半径(mm)，r302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70＜2ωd＜851.4＜T/fd＜2.0其中，ωd是整个透镜系统相对于d线(mm)的半视场角(单位度)，T是第一透镜元件的物方表面和像表面之间的全长(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1.8＜|fd/f1d|＜2.20.5＜(r101+r102)/(r101-r102)＜1.0其中f1d是第一透镜元件相对于d线(mm)的焦距，r101是第一透镜元件的物方表面的曲率半径(mm)，和r102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，满足下面的条件表达式3.3＜|fd×(Nd2-1)/r201|＜4.5其中，Nd2是第二透镜元件相对于d线(mm)的折射率。
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25＜V2d＜3550＜V3d＜60其中，V2d是第二透镜元件的阿贝数，和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，其特征在于，第一透镜元件由玻璃材料形成并满足下面的条件表达式50＜V1d＜65其中，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，其特征在于，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。
9.一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，其特征在于，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从物方依次包括设置光瞳的孔径光阑；具有正光焦度的第一透镜元件；限制周围光的第一限制构件；具有负光焦度的第二透镜元件；限制周围光的第二限制构件；具有正光焦度的第三透镜元件；和限制周围光的第三限制构件。
10.如权利要求8或9中的任何一项所述的成像单元，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。
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，从物方开始依次由下面的组件构成孔径光阑(100)，具有正光焦度和在像方具有凸面的第一透镜元件(101)，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(102)，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(103)，其中满足下面的条件表达式1.9＜|fd/f2d |＜3.5；0.9＜|fd/f3d|＜2.0；－2.5＜(r
文档编号G02B13/18GK1849543SQ20048002584
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
发明者宫崎恭一, 饭山智子, 朴一武 申请人:松下电器产业株式会社