专利名称：成像透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及小型成像透镜，它可用在如装备有固体成像元件(比如CCD或CMOS元件)的数字照相机和数字摄像机中。更具体地说，本发明涉及适用于可安装在手提电话、个人数字助理(PDAs)、便携式个人计算机等小型便携式摄像机中的成像透镜。
背景技术：
近年来，诸如CCDs的固体成像元件取得了重大的技术进步，使其可能获取接近于电影摄影机的分辨率。同时，CCDs及类似器件能制作得微小、具有高的像素。这样，迫切需要用于数字照相机及类似器件的成像透镜具有高性能，同时小型、薄型、低成本。
当成像透镜安装在常规手提电话、便携式信息终端及类似设备中时，使用少量透镜，比如，一或两个透镜。虽然设计是微小薄型的，但该透镜只能处理像素为100,000到300,000的CCDs及类似元件，使成像效果不令人满意。
通过用三组、三透镜成像透镜增加透镜的数量，可解决这个问题(例如，日本公开的专利说明书平11-52227及日本公开的专利说明书平07-168095)。
但是，在上述具有三组、三透镜结构的常规成像透镜中，尝试纠正各种类型的像差将导致更长的后焦点。这导致透镜系统的总长度较长，使结构不能达到小型、薄型的要求。因而，这种结构不能方便地容纳作为用于手提电话、PDAs和便携式个人计算机的成像透镜的有限、狭窄空间中。
发明内容
本发明的目的就是要解决这些问题并为提供具有极好的光学特性的成像透镜，即采用包含三组透镜和三透镜的非常简单的结构；采用小型、薄型和轻便的设计；适用于能够使用具有1,000,000像素或更多像素的固体成像元件的手提电话、PDAs及类似设备。
根据本发明的成像透镜按照从物侧到像平面侧的次序包括第一透镜，其凸表面面向物侧，并有总的正折射率；孔径光阑，形成有预定直径的开孔；第二透镜，其凸表面面向物侧，并有总的正折射率；第三透镜，其凹表面面向物侧，并有总的负折射率。在第一透镜中，物侧表面和/或像平面侧表面形成为非球面表面。在第三透镜中，所述物侧表面和像平面侧表面一起形成非球面表面，且弯曲方向改变处的拐点设置在所述像平面侧表面的有效直径范围中。
采用这种结构，该第一透镜和第二透镜具有正的折射率，该第三透镜具有负的折射率。作为结果，在减小透镜系统的总长度时，能够保持适当的后焦点。除了更短、更小型的设计外，第一透镜和第三透镜的非球面表面及具有拐点的第三透镜的像平面的表面有效地纠正了各类像差，尤其是散光和畸变，因此，这种设计有极好的光学特性。
采用上述结构，所述第一透镜和所述第三透镜可以由合成树脂制成。采用这种结构，该透镜系统与采用玻璃相比可制作得更轻更廉价。更具体地说，易于塑模非球面表面和具有拐点的表面。
采用上述结构，也可以具有满足下列的条件(1)(1)TL/f＜1.4其中f是所述透镜系统的焦距，TL是从所述第一透镜的所述物侧表面到像平面的所述透镜系统的总长度。采用这样的结构，透镜系统的总长度可减小以提供小而薄型的设计。
使用上述结构，也可以具有满足下列的条件(2)(2)v1＞45，v2＞45，v3＞45其中v1是所述第一透镜的色散系数，v2是所述第二透镜的色散系数，v3是所述第三透镜的色散系数。采用这种结构，这能够特别有效地纠正横向像差，从而特别地具有极好的光学特性。
使用上述结构，也可以具有满足下列的条件(3)(3)0.5＜|R1/R2|＜2其中R1是所述第一透镜的所述物侧表面的曲率半径，R2是所述第一透镜的所述像平面侧表面的曲率半径。采用这种结构，在透镜系统的总长度保持短的同时，可以保持适宜的后焦点。这能够有效地纠正各种像差，尤其是散光和畸变，并提供极好的光学特性。
使用上述结构，也可以具有满足下列的条件(4)(4)D23/f＜0.1，D5/f＜0.2其中f是所述透镜系统的焦距，D23是沿着光轴在所述第一透镜和所述第二透镜间的距离，D5是沿着光轴在所述第二透镜和所述第三透镜间的距离。采用这种结构，透镜系统的外部直径尺寸可保持得小。这能够特别对散光和畸变提供好的纠正，并提供极好的光学特性。
采用上述结构，也可以具有满足下列的条件(5)(5)0.8＜D1/D6＜1.3其中D1是所述第一光轴沿着光轴的厚度，D6是所述第三透镜沿着光轴的厚度。采用这种结构，透镜系统的总长度可保持得短，并保持适宜的后焦点。这能够特别对散光和畸变提供好的纠正，并提供极好的光学特性。
采用根据本发明的上述成像透镜，设计可小型、薄型、轻便、低成本，并能够提供适用于在手提电话、便携式信息终端安装的便携式摄影机的成像透镜。更具体地说，根据诸如CCD的成像器件的尺寸可减小透镜系统的总长度(例如到6mm或更小)。结果是具有极好光学特性的小而薄型的成像透镜，它对各类像差提供了好的纠正。
结合附图，从下面的描述中将使本发明的上述和其它的目的、特性和优点变得清楚，其中相同的标号表示相同的元件。
图1是根据本发明的成像透镜的一个实施例的结构示图；图2是表示图1所示透镜系统的光线图；图3显示根据本发明实施例1的成像透镜的球形像差、散光、畸变及横向像差；图4显示根据本发明实施例2的成像透镜的球形像差、散光、畸变及横向像差；图5是根据本发明实施例3的成像透镜结构的示图；图6是根据图5的实施例3的成像透镜的球形像差、散光、畸变及横向像差；及图7是用作比较例的透镜系统的光线图。
具体实施例方式
将参考附图描述本发明的较佳实施例。
图1和图2示出了根据本发明的成像透镜的实施例。图1是透镜系统的基本结构的示图。图2是光学光线图。
如图1所示，从物侧到像平面侧沿着光轴L，下面的透镜组可排列成第一透镜1，具有正的总折射率及面对物侧的凸表面；第二透镜2，具有正的总折射率及面对物侧的凸表面；第三透镜3，具有正的总折射率及面对物侧的凹表面。
在上述排列中，形成预定直径的孔径光阑4设置在第一透镜1和第二透镜2之间。在第三透镜3后面是玻璃滤光器5，它比如是红外线切割滤光器、低通滤光器等。在其后是用于CCD或类似器件的像平面P。
更具体地说，这个结构形成了具有三组和三透镜组的成像透镜。第一透镜1形成第一透镜组、第二透镜2(及孔径光阑4)形成第二透镜组，以及第三透镜3形成第三透镜组。
如图1所示，对于第一透镜1、孔径光阑4、第二透镜2、第三透镜3和玻璃滤光器5，每个表面标记为Si(i＝1-9)，表面Si的曲率半径标记为Ri(i＝1-9)。对于第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3及玻璃滤光器5，折射率和色散系数沿d线分别标记为Ni和vi(i＝1-3，5)。此外，沿光轴L在第一透镜1和玻璃滤光器5间的间隙(厚度、空气隙)标记为Di(i＝1-8)。从玻璃滤光器5到像平面P间的后焦点标记为BF。具有上述结构的透镜系统的焦距标记为f。沿透镜系统光轴从第一透镜1的物侧表面S1到像平面P的总长度标记为TL(空气转换距离)。沿光轴L在第一透镜1和第二透镜2间的间隙标记为D23(＝D2+D3)。沿光轴L在第二透镜2和第三透镜3之间的间隙标记为D5。
第一透镜1是新月型透镜，其物侧表面S1形成凸表面，其像侧表面S2形成凹表面，这样总的折射率是正的。此外，物侧表面S1和像侧表面S2中的一个或两个都形成了非球面表面。
第二透镜2是双凸透镜，其物侧表面S4形成凸表面，其像侧表面S5形成凸表面，这样总的折射率是正的。
第三透镜3是双凹透镜，其物侧表面S6形成凹表面，其像侧表面S7形成凹表面。此外，第三透镜3的物侧表面S6和像侧表面S7全都形成了非球面表面。而且，形成第三透镜3的像侧表面S7，使其拐点在曲率取向改变的有效直径范围内。
第一透镜1和第三透镜3的非球面表面具有下面方程所示的关系Z＝Cy2/[1+(1-εC2y2)1/2]+Dy4+Ey6+Fy8+Gy10+Hy12其中Z是从非球面表面的顶点处的切面到非球面上距离光轴L的高度为y的点的距离；y是距离光轴的高度；C是非球面表面的顶点处的曲率(1/R)；ε是二次曲线常数；且D、E、F、G，H是非球面系数。
在上述结构中，透镜系统的焦距和透镜系统总长度TL(空气变换距离)间的关系可如下表示为(1)TL/f＜1.4.
该条件涉及透镜系统的厚度并限定了沿着光轴L的透镜系统尺寸和用于整个透镜系统的合适焦距间的比率。更具体地说，通过满足这样的条件就能提供小而薄型的透镜系统。
在上述结构中，第一透镜1的色散系数v1，第二透镜2的色散系数v2，及第三透镜3的色散系统v3如下设定(2)v1＞45，v2＞45，v3＞45这些关系限定了色散系统的适宜范围。通过满足这样的条件，能够有效地纠正各种像差，尤其是横向像差。
而且，在上述结构中，设定了第一透镜1的物侧上曲率半径R1和像侧上曲率半径R2，设定满足下面条件
(3)0.5＜|R1/R2|＜2这个关系限定了第一透镜1的曲率半径的比率。通过满足这个条件，当保持透镜系统的短的总长度的同时，可维持适当的后焦点。同时，能够有效纠正包括散光和畸变在内的各种像差。这样就可以提供极好的光学特性。
采用上述结构，设定了沿着光轴L的从第一透镜1到第二透镜2的距离D23(＝D2+D3)，及沿着光轴L的从第二透镜2到第三透镜3的距离D5，这样满足了下面条件。
(4)D23/f＜0.1，D5/f＜0.2这些关系限定了第二透镜2和第三透镜3沿着光轴的距离。如果没有满足这些条件，CCD的入射角是较小的，这是有利的，但透镜系统的总长度TL在第三透镜3的外部直径增加时也增加。这使散光和畸变的纠正困难。这样，通过满足这些条件，透镜系统的外面直径可保持为小的，而散光和畸变也能够有效地纠正。这使得可以提供极好的光学特性。
而且，在上述结构中，设定了第一透镜1的厚度D1和第三透镜3的厚度D6，从而满足了下面的条件。
(5)0.8＜D1/D6＜1.3这样的关系限定了第一透镜1和第三透镜3的适当厚度比率。通过满足这个条件，透镜系统的总长度TL能够保持为短的，而保持适当的后焦点。能够有效地纠正各种像差，尤其是散光，从而提供极好的光学特性。
这些关系限定了第一透镜1和第三透镜3的适当厚度关系比率。通过满足这个条件，透镜系统的总长度TL能够保持为短的，同时保持适当的后焦点。能够有效地纠正各种像差，尤其是散光，从而提供极好的光学特性。
下面描述实施上述结构的特定数值的实施例，以作为本发明的三个实施例。在图3、4、6中示出用于非球面像差、散光、畸变和横向像差的像差图，图3示出实施例1，图4示出实施例2，图6示出实施例3。在图3、4、6中，d表示来自d线的像差，g表示来自g线的像差，c表示来自c线的像差，SC表示相对正弦条件的不满意程度，DS表示在矢形面的像差，DT表示在子午线平面的像差。
在图1中示出本发明实施例1中透镜系统的基本结构。表1中示出了主要的技术规格，表2中示出了各种数值数据(设定)，表3中示出了关于非球面表面的数值数据。
在这个实施例中，用于条件(1)-(5)的数值数据如下TL/f＝1.13；v1＝56.4；v2＝70.4；v3＝56.4；|R1/R2|＝0.56；D23/f＝0.071；D5/f＝0.098；且D1/D6＝1.067。
表1
表2
*非球面表面表3
在上述实施例中，透镜系统的总长度(从第一透镜1的前表面S1到像平面P)是5.426mm(固定)，后焦点(空气变换)是1.25mm，F值是3.73，观察区(2ω)是60.6°。这样提供了具有薄型设计和短的总长度的成像透镜。有效纠正了各种像差并提供了极好的光学特性。
图1示出了根据如图4所示的实施例2的透镜系统的基本结构。表4示出了主要的技术规格，表5示出了各种数值数据(设定)，表6示出了关于非球面表面的数值数据。
在这个实施例中，用于条件(1)-(5)的数值数据如下TL/f＝1.14；v1＝56.4；v2＝70.4；v3＝56.4；|R1/R2|＝0.56；D23/f＝0.073；D5/f＝0.109；且D1/D6＝1.07。
表4
表5
*非球面表面表6
在上述的实施例2中，透镜系统的总长度(从第一透镜1的前表面S1到像平面P)是5.572mm(固定)，后焦点(空气变换)是1.46mm，F值是3.78，观察区(2ω)是59.7°。这样提供了具有薄型设计和短的总长度的成像透镜。有效纠正了各种像差并提供了极好的光学特性。
图5示出了实施例3的透镜系统的基本结构。表7示出了主要的技术规格，表8示出了各种数值数据(设定)，表9示出了关于非球面表面的数值数据。
在这个实施例中，用于条件(1)-(5)的数值数据如下TL/f＝1.05；v1＝56.4；v2＝70.4；v3＝56.4；|R1/R2|＝0.633；D23/f＝0.072；D5/f＝0.099；且D1/D6＝0.990。
表7
表8
*非球面表面表9
在上述实施例3中，透镜系统的总长度(从第一透镜1的前表面S1到像平面P)是5.28mm(固定)，后焦点(空气变换)是1.07mm，F值是3.8，观察区(2ω)是56.1°。这样提供了具有薄型设计和短的总长度的成像透镜。有效纠正了各种像差并提供了极好的光学特性。
比较实例在图7中，将第三透镜进行修改以用作比较例。更具体地说，在比较例的成像透镜中，第三透镜3’是双凹透镜，其物侧和像侧表面都形成为凹表面，使其总的折射率是负的。像侧表面形成为单个凹表面，其曲率变化的方向没有拐点。
这样，采用这个成像透镜，当光线通过第三透镜3’后光的出射角大于具有如图2所示的拐点的成像透镜的光线的主射角。在此比较例中，主光线的出射角是垂直为30.0°，水平为40.6°，对角线为56.5°。在实施例1到实施例3中，主光线的出射角是垂直为30.0°，水平为37.3°，对角线为41.1°。
如上所述，本发明的成像透镜能够用作数字照相机、数字摄影机和装备有诸如CCD的成像器件类似装置的成像透镜。特别是，它可有效地用作安装于手提电话、便携式个人计算机、便携式信息终端(PDAs)中的小型便携式摄影机的成像透镜。
通过参考附图已描述了本发明的较佳实施例，应理解本发明不限于那些实施例，而本领域的普通技术人员在不背离所附权利要求所定义的本发明范围和精神的情况下可实现各种变化和修改。
权利要求
1.一种包含透镜系统的成像透镜，按照从物侧到像平面侧的次序包括第一透镜，其物侧表面上有凸表面，并有总的正折射率；孔径光阑，形成有预定直径的开孔；第二透镜，其物侧表面上有凸表面，并有总的正折射率；第三透镜，其物侧表面上有凹表面，并有总的负折射率；其中所述第一透镜的所述物侧表面和像平面侧表面中的至少一个形成为非球面表面；且所述第三透镜的所述物侧表面和像平面侧表面全都形成非球面表面，且曲率取向改变处的拐点设置在所述第三透镜的所述像平面侧表面的有效直径范围内。
2.如权利要求1所述的成像透镜，其特征在于，所述第一透镜和所述第三透镜由合成树脂制成。
3.如权利要求1所述的成像透镜，其特征在于，TL/f＜1.4其中f是所述透镜系统的焦距，TL是从所述第一透镜的所述物侧表面到物体成像的像平面的所述透镜系统的总长度。
4.如权利要求1所述的成像透镜，其特征在于，v1＞45，v2＞45，v3＞45其中v1是所述第一透镜的色散系数，v2是所述第二透镜的色散系数，v3是所述第三透镜的色散系数。
5.如权利要求1所述的成像透镜，其特征在于，0.5＜|R1/R2|＜2其中R1是所述第一透镜的所述物侧表面的曲率半径，R2是所述第一透镜的所述像平面侧表面的曲率半径。
6.如权利要求1所述的成像透镜，其特征在于，D23/f＜0.1，D5/f＜0.2其中f是所述透镜系统的焦距，D23是沿着光轴在所述第一透镜和所述第二透镜间的距离，D5是沿着光轴在所述第二透镜和所述第三透镜间的距离。
7.如权利要求1所述的成像透镜，其特征在于，0.8＜D1/D6＜1.3其中D1是所述第一透镜沿着光轴的厚度，D6是所述第三透镜沿着光轴的厚度。
8.如权利要求2所述的成像透镜，其特征在于，TL/f＜1.4其中f是所述透镜系统的焦距，TL是从所述第一透镜的所述物侧表面到物体成像的像平面的所述透镜系统的总长度。
9.如权利要求2所述的成像透镜，其特征在于，v1＞45，v2＞45，v3＞45其中v1是所述第一透镜的色散系数，v2是所述第二透镜的色散系数，v3是所述第三透镜的色散系数。
10.如权利要求3所述的成像透镜，其特征在于，v1＞45，v2＞45，v3＞45其中v1是所述第一透镜的色散系数，v2是所述第二透镜的色散系数，v3是所述第三透镜的色散系数。
11.如权利要求2所述的成像透镜，其特征在于，0.5＜|R1/R2|＜2其中R1是所述第一透镜的所述物侧表面的曲率半径，R2是所述第一透镜的所述像平面侧表面的曲率半径。
12.如权利要求3所述的成像透镜，其特征在于，0.5＜|R1/R2|＜2其中R1是所述第一透镜的所述物侧表面的曲率半径，R2是所述第一透镜的所述像平面侧表面的曲率半径。
13.如权利要求4所述的成像透镜，其特征在于，0.5＜|R1/R2|＜2其中R1是所述第一透镜的所述物侧表面的曲率半径，R2是所述第一透镜的所述像平面侧表面的曲率半径。
14.如权利要求2所述的成像透镜，其特征在于，D23/f＜0.1，D5/f＜0.2其中f是所述透镜系统的焦距，D23是沿着光轴在所述第一透镜和所述第二透镜间的距离，D5是沿着光轴在所述第二透镜和所述第三透镜间的距离。
15.如权利要求3所述的成像透镜，其特征在于，D23/f＜0.1，D5/f＜0.2其中f是所述透镜系统的焦距，D23是沿着光轴在所述第一透镜和所述第二透镜间的距离，D5是沿着光轴在所述第二透镜和所述第三透镜间的距离。
16.如权利要求4所述的成像透镜，其特征在于，D23/f＜0.1，D5/f＜0.2其中f是所述透镜系统的焦距，D23是沿着光轴在所述第一透镜和所述第二透镜间的距离，D5是沿着光轴在所述第二透镜和所述第三透镜间的距离。
17.如权利要求5所述的成像透镜，其特征在于，D23/f＜0.1，D5/f＜0.2其中f是所述透镜系统的焦距，D23是沿着光轴在所述第一透镜和所述第二透镜间的距离，D5是沿着光轴在所述第二透镜和所述第三透镜间的距离。
18.如权利要求2所述的成像透镜，其特征在于，0.8＜D1/D6＜1.3其中D1是所述第一光轴沿着光轴的厚度，D6是所述第三透镜沿着光轴的厚度。
19.如权利要求3所述的成像透镜，其特征在于，0.8＜D1/D6＜1.3其中D1是所述第一光轴沿着光轴的厚度，D6是所述第三透镜沿着光轴的厚度。
20.如权利要求4所述的成像透镜，其特征在于，0.8＜D1/D6＜1.3其中D1是所述第一光轴沿着光轴的厚度，D6是所述第三透镜沿着光轴的厚度。
21.如权利要求5所述的成像透镜，其特征在于，0.8＜D1/D6＜1.3其中D1是所述第一光轴沿着光轴的厚度，D6是所述第三透镜沿着光轴的厚度。
22.如权利要求6所述的成像透镜，其特征在于，0.8＜D1/D6＜1.3其中D1是所述第一光轴沿着光轴的厚度，D6是所述第三透镜沿着光轴的厚度。
全文摘要
一种成像透镜，按照从物侧到像平面侧的次序包括第一透镜，具有凸的物侧表面，并有总的正折射率；具有预定直径的孔径光阑；第二透镜，具有凸的物侧表面，并有总的正折射率；第三透镜，具有凹的其物侧表面，并有总的负折射率。在第一透镜中的至少一个表面形成为非球面表面。第三透镜的两个表面都形成为非球面表面，像侧表面具有弯曲率取向改变的拐点的有效直径范围。该成像透镜提供了极好的光学特性，小型化，适用于安装在手提电话，PDAs及类似设备中的便携式摄影机。
文档编号G02B9/12GK1677134SQ20051005623
公开日2005年10月5日 申请日期2005年3月30日 优先权日2004年3月30日
发明者村上和弥, 阿部泰彦 申请人:日本电产科宝株式会社