定制景深光学系统以及小型快速透镜结构的制作方法

专利名称：定制景深光学系统以及小型快速透镜结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学系统，更具体地，涉及位于成像系统中固定位置处并提供定制景 深光学系统，尤其用在需要小尺寸同时保持优良光学质量的成像应用中。
背景技术：
近年来，数码照相机的流行在不断地增长。要组合在其它小型设备(诸如电话或 个人数字助理(PDA))中的照相机、照相机模块或其它成像设备的增长特别显著。诸如CCD 或CMOS阵列之类的数字图像传感器的使用已经使这些设备的不断小型化成为可能。已经 进行了图像传感器的改进，包括提供较小的像素尺寸，更多数量的像素，较小的传感器总面 积，较高的信噪比(SNR)以及较低的成本。在大多数此类设备中，成像透镜系统把图像聚焦 到传感器上。当已经减小了传感器和像素尺寸时，随之而来的透镜的改进已经变得必要。图像传感器中像素的数量已经大大地驱动了照相机市场，即使并没有快速地提高 用于聚焦到这些传感器上的透镜的质量。在较老式的成像系统中，透镜以足够的质量把图 像聚焦到相当小数量的像素上。假定在具有较小像素的较新式的成像系统中，总的图像传 感器尺寸保持相同，但是在新式系统中使用与老式系统一样的透镜系统，那么较新的传感 器会检测到较高的分辨率，但是透镜系统的分辨率保持相同。如果这个透镜系统并非根据 比较低密度传感器所需要的质量高的要求来进行原始设计的，则所产生的图像没有改进， 尽管它的原始分辨率较高，事实上，经常是这样的情况。总的图像质量当然会差一些，因为 较小像素传感器具有相对较小的光敏区域，所以比具有较小像素密度的相似尺寸的传感器 阵列收集更少的光，并且可能给出有噪声的图像。在大多数当前应用中，总的传感器尺寸已 经随像素尺寸而减少，导致对于透镜系统更严格的要求。在小型照相机的许多以前的透镜设计中，单或双透镜的系统是可以接受的，以使 总的照相机尺寸尽量小。在这些设计中经常遭遇到图像质量问题，预期这些像素计数相当 低的照相机的图像质量变差。随着时间推移，随着增加了图像传感器中像素数量，图像质量 变成极重要的度量。增加的透镜空间分辨率以及像差的校正可以明显地提高图像质量，但 是用仅结合了一个或两个透镜部件的透镜系统是很难实现的。因此，三个或多个透镜部件 的使用变得更广泛。这导致透镜系统更高的成本和复杂度，并且通常导致并非十分小型的 设计，特别，大多数在光轴的方向上，许多可能的应用都受到严重地依赖照相机模块总高度 的限制。此外，当传感器阵列的面积变得较小时，到达传感器的光量一般是较少的。为了对 此进行补偿，经常在小型照相机中使用较小的F数_)，这个F数比较大传感器的照相机 中使用的或对于透镜尺寸的限制较小的情况所使用的要小。一般，较低的F/#对应于给定 焦距的较大孔径。虽然这提高了光收集能力，并因此而提高了 SNR，但是这一般对于图像的景深有负面影响，并且加剧来自透镜系统的像差。在这些限制下提高图像质量的一个战术 是使透镜系统中包括一个或多个非球面。虽然制造如此的透镜可能增加这些系统的成本和 复杂度，但是为了使图像质量最终提高，这是值得的。当总轨道长度(TTL)(即沿光轴的长度)减少时，照相机总尺寸变成更薄，并且可以 具有各种各样的应用。虽然在极小的便携式设备中使用是显而易见的，但是也可以在其它设 备中使用这些照相机，这些其它设备诸如嵌入在屏幕中的膝上型计算机照相机、小型安全照 相机等。在市场上，当照相机的尺寸缩小时，图像特性的保持甚至提高正在变得更加重要。同样，在传统数字成像系统中，把通过由一个或多个透镜构成的光学系统接收到 的光引导到设置有图像传感器的图像平面。例如，接收到的光可以是位于离透镜各个距离 处的一个或多个物体反射的或发射的光。图像传感器检测引导到图像平面的图像，并且产 生原始数据，可以通过图像处理器来处理原始数据以产生可用于存储或观看的图像。在一 些系统中，可以存储和输出原始图像数据供后续的数据处理用。然而，在如此的传统的系统 中，对于给定的透镜位置，即，在透镜和图像平面之间的给定距离上，只有位于较小距离范 围内的物体能可接受地聚焦到图像平面上。可以把位于这个物距范围(已知为景深)之外 的物体引导到图像平面，但是聚焦是不可接受的，并且在最终图像上出现模糊。结果在所处 理图像中的一些物体表现出聚焦，而在所处理图像中其它一些物体表现出散焦。这取决于 每个物体离透镜的距离。使用这种传统的数字成像系统，为了使位于其它像距处的物体聚焦，必须在成像 系统中移动一个或多个透镜以改变成像系统的焦距。然而，这种光学器件的移动也导致以 前表现出聚焦的物体现在表现出了散焦。因此，在图像中只有一部分物体会表现出聚焦而 不管透镜的位置。近来，已经介绍了结合数字成像系统的手持蜂窝电话和各种其它设备。这些设备 经常要求光学表面保持在成像系统中的固定位置处，要包括移动部件是不实际的，因为，尺 寸和成本限制，因此，它们的成像系统具有固定的焦距。对于位于大于超焦距的二分之一 (已知为标准工作区)的物距处的物体，一般使用固定焦距成像系统来得到具有可接受锐 度的图像。然而，对于位于接近超焦距的二分之一的物体，图像锐度是不可接受的，并且随 物距的减少而快速变差。为了使在这种设备中的成像系统在较宽物距范围上提供可接受的经处理的图像， 已知的方法是通过包括模糊光学系统表面来修改成像系统，该模糊光学系统表面使引导到 图像平面上的图像模糊。因为模糊光学表面的光学特性是已知的，所以可以对模糊图像进 行数字处理，以得到聚焦的经处理的图像。图像的模糊和后续的数字处理允许较宽的物距 范围，经处理的图像在该物距范围内表现出可接受的锐度，从而扩大了成像系统的景深。然而，模糊元件的存在也使所引导的位于标准工作区内的物体图像模糊。结果，这 种物体的经处理的图像的锐度降低了。因此，所期望的是提供一种固定焦距光学系统，该系统提高了位于比超焦距的二 分之一更近的物体的图像质量。

发明内容
根据本发明的一个方面，一种固定光学单元包括一个或多个固定光学元件。对于与图像传感器的成像表面相关联的给定物距和给定空间频率，光学单元具有调制传递函数 (MTF)，所述图像传感器位于从所述固定光学单元起一选中的距离处，该选中的距离随像距 而变化，以致在选中的像距处，MTF处于最大值，在正焦点偏移的第一范围内(对应于比所 选中的像距小的那些像距)从约MTF最大值减小到预定阀值以下，并且在负焦点偏移的第 二范围内(对应于比所选中的像距大的那些像距)从约MTF最大值起减小但是仍然保持在 预定阀值之上。负焦点偏移的第二范围大于正焦点偏移的第一范围。根据本发明的另一个成像系统包括如上所述的固定光学单元、用于定义成像表面 且可操作地产生表示通过光学元件投射在成像表面上光的原始数据的图像传感器以及可 操作地处理原始数据以增强MTF的图像处理器。根据本发明的另一个方面，固定光学单元包括一个或多个固定光学元件。通过调 制传递函数(MTF)给出光学单元的特征，所述调制传递函数是针对用于在物体空间中给定 位置和与设置在离固定光学单元为选中的距离处的图像平面相关联的给定空间频率的。 MTF随像距不对称地变化，以致MTF在第一像距处处于最大值，在第一像距和第二像距(用 于表示从第一像距起的第一焦点偏移)之间从约MTF最大值减小到至少预定阀值，，并且在 第一像距和第三像距(用于表示从第一像距起的第二焦点偏移)之间从约MTF最大值起减 小但是仍然保持在预定阀值之上。第一和第二焦点偏移在方向上是相反的。第一和第二焦 点偏移之一的值要大于第一和第二焦点偏移中的另一个的值。根据本发明又一个方面，一种透镜系统包括沿光轴顺序依次从物体侧到图像侧固 定的下列各部件耦合制动装置的第一构件、第一透镜部件、耦合制动装置的第二构件、第 二透镜部件以及第三透镜部件，其中所有三个物体侧透镜表面和所有三个图像侧透镜表面 都是非球面的，第一透镜部件包括正折射率，面对物体侧的第一透镜部件的表面包括凸出 形状，而面对图像侧的第一透镜部件的表面在接近光轴处包括凹入形状，第二透镜部件包 括半月形状和负折射率，面对物体侧的第二透镜部件的表面包括凹入形状，并且面对图像 侧的第二透镜部件的表面包括凸出形状，面对物体侧的第三透镜部件的表面在接近光轴处 具有凸出形状，并且面对图像侧的第三透镜部件的表面在接近光轴处具有凹入形状，并且 透镜系统的总轨道长度对图像圆直径的比小于约0. 95。根据本发明的这个方面，可以通过小于约2.6的F/#来给出透镜的特征。可以通过 约+/_25度和约+/-40度之间的视场来给出透镜的特征。可以通过约+/-30度和约+/-35 度之间的视场来给出透镜的特征。可以通过约2. 4的F/#来给出透镜的特征，并且可以包 括与图像平面相关联的给定物距和给定空间频率的调制传递函数(MTF)，所述图像平面位 于离所述透镜系统的像距处，所述MTF随像距变化以致在选中的第一像距处MTF为大于约 0. 4的最大值，所述选中的第一像距对应于超焦距，并且从约MTF最大值减小到在选中的第 二像距处的大于约0. 25的较低值，所述第二像距对应于约250毫米的物距。可以用塑料来 制造所有三个透镜部件。面对物体侧的第三透镜部件的表面和面对图像侧的第三透镜部 件的表面的基本曲率实质上是相似的。孔径可以包括在第二和第三透镜部件之间。通过约 2. 4的F/#给出透镜的特征，并且进一步通过小于约4毫米的总轨道长度来给出其特征，并 且产生高度约大于4. 2毫米的图像。所有三个透镜部件的折射率可以在约1. 5和1. 65之 间的范围内，第一和第三透镜部件可以包括约50和60之间的阿贝数值(Abbe number) 0这里描述的成像透镜系统的实施例一般是小型的，特别是沿光轴测量，一般使用几个部件或元件。这允许透镜系统的制造是不昂贵的，特别适合在小设备中的照相机模块 中使用，诸如照相机、电话或PDA。通过使用所有的非球面透镜表面可得到高的光学性能。当参考下面详细说明和附图进行思考时，会进一步理解本发明的上述各个方面、 特征和优点。


图1是方框图，示出已知数字成像系统的一个例子。图2是只具有一个聚焦元件的通过_焦点调制传递函数(TF-MTF)曲线的例子的 曲线图表示。图3是光线图，示出包括模糊元件的光学系统在各个像距处的物体成像的例子。图4是包括模糊元件的光学系统的TF-MTF曲线的例子的曲线图表示。图5是根据本发明的光学系统的通过-焦点调制传递函数(TF-MTF)曲线的例子 的曲线图表示。图6是方框图，示出根据本发明的数字成像系统的例子。图7示出示例性透镜系统的实施例的横截面图。图8示出包含附加孔径的示例性透镜系统的实施例的横截面图。图9示出使用图8中透镜系统的实施例的光线图的TTL/图像圆比。图10示出图8中透镜系统的实施例的畸变。图11示出图8中透镜系统的实施例的相对照度。图12A、12B、12C、和12D示出各个物距处图8中透镜系统的实施例的多色MTF。图13A和13B示出在给定空间频率的多个场角处的图8中透镜系统的实施例的多 色通过_焦点调制传递函数。图14示出示例性透镜系统的实施例的横截面图。图15示出使用图14中透镜系统的实施例的光线图的TTL/图像圆比。图16A-C提供图14中透镜系统的实施例的畸变性能；图16A示出场曲率；图16B 示出同一透镜系统的实施例的畸变以及图16C示出同一透镜系统的色焦点偏移。图17示出图14中透镜系统的实施例的相对照度。图18A、18B和18C示出各个物距处图14中透镜系统的实施例的多色MTF。图19示出在给定空间频率的多个场角处的图14中透镜系统的实施例的多色通 过-焦点调制传递函数。图20示出示例性透镜系统的实施例横截面图。图21示出使用图20中透镜系统的实施例的光线图的TTL/图像圆比。图22A-C提供图20中透镜系统的实施例的畸变性能；图22A示出场曲率；图22B 示出同一透镜系统的实施例的畸变以及图22C示出同一透镜系统的色焦点偏移。图23示出图20中透镜系统的实施例的相对照度。图24A、24B和24C示出各个物距处图20中透镜系统的实施例的多色MTF。图25示出在给定空间频率的多个场角处的图20中透镜系统的实施例的多色通 过-焦点MTF。
具体实施例方式图1是方框图，描绘已知数字成像系统100的一个例子。数字成像系统100包括 光学系统101、图像传感器110以及图像处理器120。光学系统102接收位于离光学系统为物距0D处的物体0反射的或发射的光。 光学系统包括孔径101以及数个光学元件或光学表面102，…，109。一个或多个光学表 面102，…，109可以包括正光焦度(positive power)以提供聚焦功能。其它光学表面 102，…，109可以包括负光焦度(negative power)或其它功能，诸如模糊功能。其它光学 表面102，…，109可以提供附加功能，诸如校正光学的或色的像差。为了说明的目的，仅把 光学表面102，…，109描绘成凸透镜。光学表面102，…，109可以包括其它形状，例如，包 括凹入、半月和非球面曲率。实际上，每个光学元件可以是折射元件或可以是衍射元件，例 如，可以包括一个或多个插入掩模、圆对称的或非圆对称的相位掩模、或圆对称的或非圆对 称的非球面透镜。在所示的例子中，图像传感器110在图像表面112处捕获通过光学系统101引 导的光，把捕获的光转换成表示捕获的光的原始数据，以及把原始数据传送给图像处理器 120。例如，图像处理器120可以是电荷耦合器件(CXD)或CMOS数字图像传感器。图像处理器120处理从图像传感器110接收到的原始数据，并且产生经处理的图 像，例如，可以把经处理的图像输出到存储设备或显示设备。物体0位于离光学系统101为给定的物距处，并且把经聚焦的图像I引导到离光 学系统101为距离ID处。当图像传感器110的图像表面112也位于离光学系统101为距 离ID处，把最尖锐的可能图像引导到图像传感器110上。如果移动物体0使之接近或远离 光学系统101但是图像表面位置没有改变(或相反地，如果移动图像表面但是物体0保留 在离光学系统101为相同距离处)，则所投射的图像的锐度减小。对于物体0(或图像表面 112)的足够小的移动，图像的锐度保持在可接受的容差内，即，引导到图像平面的图像是足 够尖锐的，图像处理器可用于提供可接受的经处理的图像。把图像锐度保持在容差内的物 距的范围称为景深。相似地，把图像锐度保持在容差内时可移动图像表面112的距离范围 称为焦深。图2示出已知光学系统101以及用于位于轴上的图像传感器110的通过-焦点调 制传递函数(TF-MTF)曲线。对于给定波长的光示出了 TF-MTF曲线，并且一般改变波长使 之偏移。TF-MTF是作为图像表面112和光学系统101之间的距离的函数的图像锐度的指示 器。虽然示出了 TF-MTF曲线作为焦点偏移的函数，即，作为像距的函数，但是可以产生作为 物距的函数的模拟曲线。图2所示的TF-MTF曲线基本上是钟形的，并且其峰在认为透镜聚焦的、选中的物 距C处，即焦点偏移为零处。例如，可以使光学系统聚焦以致选中的物距C是超焦距。对于 正焦距偏移(即，增加物距或减小像距)，TF-MTF的值减小，但是至少对于直到选中物距D 的所有物距，都保持在0.3以上。TF-MTF的值还随焦点偏移的减小(即，减小物距或增加 像距)而减小，但是对于与物距大于选中的物距B对应的焦点偏移，保持在0.3以上。然后 TF-MTF随进一步的焦点偏移的减小而更快地减小，以致在与物距大于选中的物距A对应的 焦点偏移处，TF-MTF的值小于最小可接受的值。例如，当物距C是超焦距时，物距D —般为 + -，物距B —般为超焦距的二分之一，而物距A —般为超焦距的四分之一。在MTF值落到预定阀值之下时，丢失了图像对比度，并且一般通过后-处理也不能恢复。例如，最小可接 受的TF-MTF值可以是0. 1，虽然对于给定的后-处理技术也可以要求更大或更小的值。图3示出把模糊功能附加到已知光学系统111的效果。通常，对于图1和2中的 尖锐聚焦的光学系统101，把位于物距0D2处的物体02聚焦到图像表面112上。位于物距 0D1处的景深之外的物体01离光学系统的位置比物体02更远。因此聚焦光学表面在成像 平面前的像距ID1处形成图像II。位于物距0D3处的景深之外的物体03比物体02更接近 光学系统。因此成像表面在像距ID3处(理论上出现在图像表面112之后)形成图像13。在光学系统111中的模糊效果导致通过改变从每个物体01、02、03产生的各个光 线的焦距而使每个图像I1、I2、I3在其各自的焦平面上伸展。例如，通过模糊功能改变了从 物体02产生的各个光线取得的路径以致一些光线现在聚焦在成像平面的前面，而一些光 线现在聚焦在成像平面的后面，而非所有的光线都聚焦在成像平面处。此外，通过模糊光学 表面相似地改变从物体01和03的每一个产生的光线的路径以致从这些物体产生的光线中 的一些现在聚焦在成像平面处。即，模糊表面的添加展宽了光学系统点扩散功能(PSF)以 致把物体01、02和03的每一个引导到图像平面112作为模糊图像，在通过图像处理器处理 对应的原始数据之后，把模糊图像恢复成图1所示的图像II、12和13。图4示出当把模糊功能结合到已知光学系统111中时轴上图像传感器的给定光波 长的TF-MTF曲线。TF-MTF在最小可接受值(例如，0. 1)之上的像距范围增加，即，光学系 统的景深增加，以致TF-MTF的值是可接受的，即使在一些物距比选中的物距A更近处。然 而，在物距大于选中的物距B处，对于相同的物距范围，TF-MTF的值小于图2所示的值。结 果，模糊光学表面减小了位于标准工作区域(即，图2中示出的物距范围，其中TF-MTF大于 0.3)中的物体的图像锐度。为了解决这个问题，这里所揭示的实施例提供一种光学系统，该光学系统具有定 制的景深，并且该系统至少减小上述已知光学系统中存在的负面效应。图5示出根据一个实施例的光学系统的TF-MTF曲线的例子，尤其，对于给定的光 波长，对于视场中给定的位置，诸如视场的中心，以及对于给定的空间频率，诸如图像传感 器的奈奎斯特频率的约二分之一或图像传感器的奈奎斯特频率的约四分之一的空间频率。 对于在物距B和D之间的物距，对于相同的物距范围，TF-MTF曲线的形状与图2所示的形 状相似。在该物距范围内的TF-MTF的值在阀值0. 3之上，但是稍小于图2所示的相同区域 的值。此外，对于大于物距D的物距，TF-MTF跌到接近零。此外，对于物距A和B之间的物 距，TF-MTF仅减小到约0. 2。此外，对于小于物距A的物距，TF-MTF保持下降到0. 1以上， 以进行约-0. 08毫米的焦点偏移。因此当与图2所示的TF-MTF曲线产生的情况相比时，提 高了位于接近光学系统处的物体的图像锐度，并且当与图4所示的曲线相比时，提高了位 于标准工作区域中的物体的图像锐度。结果，定制了景深使之包括接近光学系统的距离而 无需牺牲标准工作区域中的锐度。图6示出光学系统200的一个例子，其中光学系统202包括孔径201以及设计 成提供图5所示的TF-MTF曲线的多达6个光学表面204，…，209。图6所示的光学元件 204，…，209只是根据本发明的光学系统实施例的一个例子。根据本发明，光学元件的其它 配置以及孔径，包括包含图6所示的一些或所有的光学表面的那些，也是可能的。对于图6所示的光学系统200，在表1和2中提供所有光学表面的光学设计系数和孔径以及用于制造透镜的材料如下表 1
表2
(ZEMAX非球面系数和类型) 表面 4 :EVENASPH L1 r2上系数0 r4上系数 r6上系数 r8上系数 rlO 上系数4. 2187441 rl2 上系数-10. 590479 rl4 上系数13. 77347 rl6 上系数-7. 9967838 表面 5 :XASPHERE 最大项10 最大 rad ap 1 P到2上的项0 p 到 4 上的项-0. 1081705 p 到 6 上的项0. 03408349 p 到 8 上的项-0. 20230368 p 到 10 上的项-0. 60575719 p 到 12 上的项4. 4746014 P 到 14 上的项-21. 614628 p 到 16 上的项71. 427647 p 到 18 上的项-143. 84937 p 到 20 上的项105. 82278 表面 7 :EVENASPH L2 r2上系数0
r4上系数 r6上系数 r8 上系数-1. 3077832 rlO 上系数1. 0157938 rl2上系数 rl4上系数 rl6 上系数1. 2107708 表面 8 :EVENASPH
-0.53871222 0.63968284
-0.67345776 -0.29809862
13
r2 上系数0r4 上系数-O. 99253441r6 上系数2. 4800494r8 上系数-5· 6417944rlO 上系数10. 202669rl2 上系数-12· 827124rl4 上系数10. 025118rl6 上系数-3· 3867771表面10 :EVENASPH L3r2 上系数0r4 上系数-0· 83916165r6 上系数0. 91697952r8 上系数-O. 80535528rlO 上系数0. 3857058rl2 上系数-O. 0094644632rl4 上系数-0. 051295144rl6 上系数0. 011531968表面11 :EVENASPHr2 上系数0r4 上系数-0. 46591383r6 上系数0. 31665229r8 上系数-O. 15435987rlO 上系数0. 026034794rl2 上系数0. 0099374419rl4 上系数-O. 0052750473rl6 上系数0. 00068366932这里，表面O对应于物体；Ll对应于第一透镜，包括表面204、205 ；L2对应于第二 透镜，包括表面206、207 ；L3对应于第三透镜，包括表面208、209 ；APS对应于孔径光阑201 ； IRF对应于红外滤光片214 ；CG对应于传感器盖玻璃216 ；以及IMG对应于检测器图像平面 212。当然，可以得到实现定制焦深的其它配置。用来产生透镜的塑料可以是任何合适的塑料，例如，聚碳酸酯(诸如由Zeon化学 公司制造的E48R)、压力克、PMMA、来自日本Osaka Gas化学品股份有限公司的0KP4等。在 表1中所有透镜材料都表示为塑料的同时，也可以使用其它合适的材料，例如，玻璃。此外， 根据所要求的性能，可以用不同的材料来制造每一个透镜。可以根据对于所选择的材料为 合适的任何方法来制造透镜，例如，注塑成型、玻璃成型、复制、晶片级制造等。此外，可以用 合适的红外滤光材料来制造红外滤光片214和盖玻璃216，诸如可从纽约州Elmsford市的 SCHOTT North America 公司得到的 N-BK7 或 D263T。成像系统200还包括具有图像平面212的图像传感器210，其功能与图1的图像传 感器110的功能相似。还提供图像处理器220，通过对与光学系统202相关联的点扩散功能(PSF)进行去卷积而处理从图像传感器210接收到的原始数据以得到经处理的图像。使用 根据本发明这个方面设计的光学系统，在小于物距A的物距处得到可接受锐度的经处理图 像而无需明显地牺牲位于标准工作区域内的经处理的图像的锐度。为了得到提供图5所示的TF-MTF曲线的光学表面，可以使用三级设计方案。使用 固定焦距光学系统作为起始设计，并且包括使用较佳尺寸和材料提供所要求焦距的光学表 面。接着，修改光学系统的设计以定制景深。具体地，在位于最接近透镜光阑孔径的光学表 面的凹陷上引入畸变。例如，畸变可以是离开光轴的半径距离R的函数以及可以是离开光 轴的角度θ的函数。如此的函数可以具有关系式f(R, θ ) = aX (R4-R16),或关系式f(R，θ ) = aXR2XC0S( θ )。当以提供扩大景深(EDOF)的方式来定制景深时，所产生的光学系统可以具有与 图4所示的TF-MTF曲线相似的TF-MTF曲线。此后，根据预定条件使光学表面优化，以致所产生的光学系统提供图5所示的 TF-MTF曲线。所实施的优化条件可以包括要求超焦距F位于TF-MTF曲线具有其最大值的 焦距处。优化条件可以包括要求TF-MTF曲线在选中的物距Α、Β和D处具有各自的预定值。 例如，当把选中的物距B设置在超焦距的二分之一处、选中的物距A设置在超焦距的四分之 一处和/或选中的物距D设置在无穷大物距+⑴处时，可以要求TF-MTF曲线具有各自的预 定值。可以通过分配不同的权重来进行这些条件的施加。也可以使用迫零算法来保证在正 焦点偏移大于预定量(诸如+0.03毫米)处，TF-MTF实质上减小到零。另一方面，在+0.03 毫米以上的正焦点偏移处，在TF-MTF趋向于零的附加限制下，优化条件可以包括在选中的 物距A、B和D的每一个处具有最高可能的TF-MTF值。又一个限制可以包括要求TF-MTF 在物距比选中的物距A近的范围中具有至少0. 1的值。这里可以使用标准优化程序。例如， 在传统上已知的光学设计程序(诸如ZEMAX或代码V)中可以实施迭代过程。根据另一个实施例，数字成像系统包括提供图5所示的TF-MTF的固定焦点光学系 统，并且具有两种工作模式，称之为“正常模式”和“宏观(macro)模式”。对于位于TF-MTF 在阀值以上的距离处的物体，成像系统工作在正常模式中，其中图像处理器以上述标准方 式工作。例如，对于位于TF-MTF在预定值之上或最大TF-MTF值的至少50%的物距范围内 的物体，可以使用正常模式。对于位于TF-MTF在阀值以下的距离处的物体，使用宏观模式，其中图像处理器提 高图像的TF-MTF以增加其锐度。例如，可以在-20微米到-80微米之间(即，-0. 02到-0. 08 毫米之间)的焦点偏移范围内使用宏观模式。如图5所示，在这个范围中，TF-MTF从-20微 米的焦点偏移处的约0. 25减小到-80微米的焦点偏移处的约.12。在一个实施方式中，这 些焦点偏移可以对应于50厘米到10厘米的物距。根据另一个实施例，一种光学系统提供与图5所示的TF-MTF相似的、但是具有 更高的峰值的TF-MTF。因为在TF-MTF曲线下的区域不随这个修改而变化，所以所产生的 TF-MTF曲线具有围绕最大值的较窄的峰，以致减小了成像系统在正常模式中工作的物距范 围。作为又一个变型，提供具有与图5所示的相似的TF-MTF曲线的固定焦点光学系
15统，但是孔径具有减小的F-数。通常，用于产生图2、3和5中所示的曲线的固定光学系统 的孔径具有2. 8的F-数。通过把F-数减小到2. 4，例如，或到1. 75那么低，增加了所产生 的成像系统的灵敏度，然而，TF-MTF曲线的宽度，即，成像系统正常工作的物距范围，可能减作为另一个变型，定制成像系统的景深以提供减小的景深(RD0F)。即，当与图5所 示的曲线比较时，减小了标准工作范围的宽度(即其中TF-MTF曲线具有至少为0. 3的一个 值的焦点偏移的范围)，以致增加了 TF-MTF曲线保持大于0. 1的焦点偏移范围。成像系统 也可以工作在上述两个模式中。因此，虽然减小了景深，但是增加了成像系统的总灵敏度。例如，可以使用视频图形阵列(VGA)照相机，其中修改光学系统以提供与图5所示 的相似但是具有更高和更窄的峰的TF-MTF曲线。虽然传统VGA照相机具有15厘米到无穷 大之间的物距的标准工作区域，但是经修改的VGA照相机工作在从40厘米到无穷大的物距 处的正常模式中，灵敏度比传统VGA照相机更高。此外，经修改的VGA照相机在15厘米到 40厘米之间的物距处工作在宏观模式中。与传统VGA照相机提供的灵敏度相比，宏观模式 中TF-MTF的提高在这些物距处提供了更大的灵敏度。作为另一个变型，也可以按上述方式减小经修改的VGA照相机的孔径的F-数，以 进一步提高VGA照相机的灵敏度。如此的VGA照相机可以在50厘米到无穷大之间的物距 处工作在正常模式中，并且在30厘米到50厘米之间的物距处工作在宏观模式中。作为再一个变型，可以使用晶片级照相机(wafer level camera)实施一个或多个 上述的修改。如此的晶片级照相机可以结合折射和/或衍射光学表面，其上形成有图案和 经蚀刻以提供图5所示的TF-MTF曲线或如上所述的修改中之一。图7是本发明的透镜系统的一个实施例的横截面图。在该实施例中，在左边设置 物体侧，并且沿光轴顺序设置三个透镜部件。在透镜部件的图像侧，在图像传感器上显示盖 玻璃。在物体侧上的第一透镜元件前面设置孔径。现在将给出涉及下列详细说明的术语“透镜元件”和“透镜部件”的定义。这里定 义术语“透镜元件”为具有两个相对的折射表面的折射材料的单个透明物质，这些表面一般 至少设置成横越成像透镜的光轴。这里定义术语“透镜部件”为(a)与任何相邻透镜元件隔 开得如此远的单个透镜元件，在计算透镜元件的图像形成特性中，该间隔是不可忽略的；或 (b)两个或多个透镜元件，它们相邻的透镜表面全部完全接触，或全部接近而不同透镜元件 的相邻透镜表面之间的间隔是如此之小，以致在计算两个或多个透镜元件的图像形成特性 中，该间隔是可忽略的。因此，一些透镜元件也可以是透镜部件。因此，不应该认为术语“透 镜元件”和“透镜部件”是相互排斥的术语。事实上，可以经常使用这些术语来描述根据上 面“透镜部件“的定义的部分(a)的单个透镜元件。根据上述“透镜部件”和“透镜元件”的定义，在下述本发明的成像透镜系统的实 施例中，所有透镜元件也可以是透镜部件。因此，可以以术语透镜元件或以术语透镜部件的 不同方式来描述本发明。在图7中，显示了示例性成像设备302，这里是一个照相机，该照相机使用本发明 的透镜系统。在物体侧开始，依次首先安排了孔径304、透镜元件306、透镜元件308、透镜 元件310、红外滤光片312、用于图像传感器的盖玻璃314、以及图像传感器316。孔径304 和所有三个透镜元件(306、308、310)围绕光轴318是径向对称的。在透镜元件306的物体侧上设置孔径304。在这个位置处，可以保持透镜系统的总轨道长度使之较小，以及使较大 的F/#和最小的光线角到达传感器处的图像表面。从物体侧起的第一透镜元件，透镜元件 306，是正折射率的。透镜元件306携带了透镜系统的较多的光能。表面306a，最接近物体 侧的透镜元件306的表面，整个表面都是凸出形状的。在图像侧的透镜元件306的第二表面 306b在光轴附近具有凹入的形状，在透镜外围附近变成稍微凸出。从物体侧起的第二透镜 元件，透镜元件308，是负折射率的，并且一般具有半月形状。主要使用透镜元件308来校正 颜色和其它像差。最接近物体侧的透镜元件308的表面，表面308a，是凹入形状的。在图像 侧上的透镜元件308的第二表面308b具有凸出的形状。从物体侧起的第三透镜元件，透镜 元件310，具有负的和正的折射率两者的部分，其中光轴附近的区域具有稍正的折射率，而 向着周边的区域是负折射率的。透镜元件310主要作为场校正器。表面310a，最接近物体 侧的透镜元件310的表面，包括凸出形状和凹入形状两者，其中凸出形状在光轴附近。在图 像侧上的透镜元件310的第二表面310b也包括凸出和凹入形状两者，其中凹入形状在光轴 附近。在一个实施例中，在这个透镜元件310上的两个表面中心的曲率半径是相等的。红 外滤光片表面312a和312b以及盖玻璃表面314a和314b实质上全部是平坦的。在上一段落中描述的所有6个透镜元件表面的形状是非球面的，并且可以满足下 面的凹陷高度公式，虽然本技术领域中通常也使用其它公式来描述非球面透镜的形状Z(V)=——；€γ2 } ^ Σ(為·η (公式 1)
ι-t-φ ~ (ι+Kyc1Y1 ,、其中Z是从径向距离处的非球面透镜表面上的一个点取得的线的凹陷高度(以毫 米为单位)，Y是从光轴到非球面表面顶点的切向平面，C是光轴附近的非球面透镜表面的 曲率，Y是从光轴起的径向距离(以毫米为单位)，K是锥度常数以及Ai是第i个非球面系数。在这个特定实施例中，由塑料材料来制造透镜元件306、308、310的每一个，虽然 可以设想用光学玻璃来代替一个或多个元件。这里，透镜元件306、308、310是由塑料制造 的。在一个实施例中，透镜元件306和310由具有约1. 53的折射率和约55. 5的阿贝数值 的同一材料制造，而透镜308是由具有约1. 63的折射率和约23. 3的阿贝数值(色散特性) 的不同材料制造的。这些材料对于透镜设计提供了正确的补偿，虽然在这个设计中也可以 用相似折射率和阿贝数值的其它各种可大批量得到的材料。此外，红外滤光片312和传感 器盖玻璃314具有功能性的使用，但是对于给出图像平面的正确焦点定位的成像设备的等 效光学性能来说，并非严格必需的，因此，可以设想，在一个不同的实施例中可以除去一个 或两者。表3列出关于图7所示的成像系统各个表面的数据，并且以如下的次序列出物体 侧、表面、表面曲率半径、沿光轴318到下一个表面的距离以及所使用的材料，如果存在表 面的话，则从该表面开始(通过折射率、nd和阿贝数值Vd来规定)。此外，作为整体，显示诸 如焦距长度、F/#、视角场、TTL和总轨道长度对图像尺寸或高度或圆比(此后，TTL/图像高 度比)之类的系统的其它值。注意，虽然孔径304和第一透镜元件表面306a之间的距离是 负的，但是孔径还是设置在透镜元件306的物体侧上的。表面306a的曲率是足够高的，以 致最近光轴的表面306a的一部分通过孔径而凸出。表3
图7中实施例的透镜数据，F/# :2. 4，f = 3. 4毫米，FOV 33. 4°，TTL 3. 93 毫米，TTL 图像圆 0. 88 还要注意表3中列出的(TTL/图像尺寸)比。从选择的视场计算图像尺寸。优 化这个特定设计使之反映具有对角线尺寸为4. 48毫米的矩形阵列的图像传感器(即，包 括1. 75微米像素尺寸的3百万像素传感器)。可以使用相同的透镜设计，用具有较少像素 的传感器(例如，2百万像素)，以及相似的1.75微米或稍大一些的像素间距，并且得到相 似的或提高的性能。图像尺寸必须与这一样大，以致照射所有像素，但是不应该比这个大很 多，因为这会导致较差的对比度和较低的照相机视场。如熟悉本领域的技术人员所已知的， (TTL/图像尺寸)比一般大于一；处于该值以下而在所产生的图像中不引入不可接受的像 差是极具有挑战性的。认为(TTL/图像尺寸)<0.90是极有攻击性的。在这个实施例中， (TTL/图像尺寸)=0.88。当图像传感器尺寸继续在横向方向上收缩时，得到小的(TTL/ 图像尺寸)比将使沿光轴极薄的成像设备成为可能。用于产生透镜的塑料可以是任何合适的塑料，例如，聚碳酸酯(诸如由 ZeonChemical公司制造的E48R)、从日本Osaka Gas Chemicals股份有限公司可得到的0KP4、压力克、PMMA等。在表3中所有透镜材料都表示为塑料的同时，也可以使用其它合适的材料， 例如，玻璃。此外，根据所要求的性能，可以用不同的材料来制造每一个透镜。可以根据对于 所选择材料为合适的任何方法来制造透镜，例如，注塑成型、玻璃成型、复制、晶片级制造等。表4列出根据公式1的每个非球面表面的非球面系数。最常见的，对于偶数非球 面表面，当i是奇数时，奇数项Ai = 0，但是在表面307和308的情况中不是这样的。此外。 对于透镜系统，还满足下列条件4/f < 0. 8，其中是第一透镜元件6的焦距，而f是整个 透镜系统的焦距。这个实施例的透镜系统当fVf 0.65时履行这个条件。这对应于系统 的第一透镜元件中相当高的光功率量。这对于保持透镜系统的TTL较小是有帮助的。表 4图7中实施例的非球面系数(ZEMAX非球面系数和类型)
现在将定义术语“耦合的孔径”。在大多数透镜系统中，由限制从物体上任何给定 点到达图像的光线束的尺寸的单个孔径来控制通过系统的光。对于很好地校正的透镜系 统，孔径因此而通过划定允许通过系统的光的最大角度来限制透镜的视场。图7中孔径304 对这个功能起作用。由于图7中透镜元件的极小型和有攻击力的非球面校正，在较高场角 处的光线校正得较差，与较小场角光线的情况相比，可以具有向着外围的较大的点扩散功 能。在第一透镜306之后的第二孔径322的作用实质上是用于作为一个整体的系统的光 阑。因此影响透镜的F/#以及第一孔径。因此，耦合孔径319的第一元件304和第二元件 322的每一个的作用是用于透镜系统302的光阑。图8是另外的实施例的横截面图。图8显示了一个成像设备320。在这个实施例 中，透镜元件和它们的定位与图7所示的实施例中的情况相似。主要的差异是附加了第三 孔径，第三孔径也是围绕光轴318而径向对称的。这个孔径324的作用如同二次孔径，并且 设置在第三透镜元件310的物体侧附近。与成像设备302相比，成像设备320中透镜元件 相对于彼此和图像传感器的相对位置没有改变，但是在本实施例中，第三孔径的位置是在 表面308的图像侧之后的0. 14毫米。虽然第三孔径324并不阻挡要碰撞到图像传感器上的一些光，但是仅轻微地减小 了通过整个系统的光量。与图7的情况相比，由于仅轻微地减小了相对的和总的照度，并且 在图8的成像设备中视场没有改变，所以不能够把这个孔径定义为系统的孔径光阑。但是， 在二次孔径存在时，提高了图像质量。减少了通过系统的杂散光，这些杂散光对于图像的对 比度存在负面影响。通过包括二次孔径，可以改善这些和其它效果而无需显著地减小照度。图9示出上述各实施例的横截面图的简化版本，附加地添加了示例性光线以示出 透镜系统的成像特性。还示出了 TTL和图像圆尺寸。图10示出在图8的透镜系统的数个波长处的畸变值。熟悉本领域的技术人员可 以看出，即使透镜系统是极小型的，也可以较好地补偿像差。图11示出击中图像传感器的光的相对照度，作为图7的图像设备2的Y高度的函数。 对于任何透镜系统，向着图像外围的照度减弱是正常的，这里示出的曲线对于许多相似的照相机 模块是典型的。图8的图像设备20的相对照度近似地等于图像设备2的相对照度，这里没有示 出，然而，这进一步证实了在图8中实施例中的二次孔径对于通过系统的光通量只有很小的影响。
如上所述，用于度量透镜的空间分辨率的常见度量是MTF(调制传递函数)，对各 个空间频率处的透镜系统的可解析的对比度粗略地进行定量。经常测量或计算不同光波 长、物距以及场角的MTF。图12A-D标绘了图8中所示的透镜系统实施例的多色MTF，其中 物距分别为8米、1米、0.5米和0.3米。在每个曲线图中，每一根线表示来自不同场角的必 要距离处的物体的MTF。在每个物距处，给定场角处的MTF趋向于从1.0的最大值(在给 定空间频率处以全对比度来解析)减小到较小值，表示丢失了对更精细的细节进行解析的 能力，这些细节具有较高的空间频率分量。与MTF值减弱更快的图像相比，具有较浅斜率的 MTF对应于看来聚焦得更好的图像。图12A-D中示出的MTF曲线是多色MTF标绘。这意味着对于系统独立地计算数 个不同光波长处的MTF值，然后用加权因子加在一起，并且归一化，以致当空间频率等于零 时，多色MTF仍等于一。在表5中列出用于计算图12A-D的波长以及它们对应的加权因子。 虽然几乎可以使用波长和加权因子的任何组合，但是常见的实践是选择足以跨越所要求图 像传感器范围以及具有加权因子的一组波长，所述加权因子较好地对应于传感器波长响应 或可能是人眼的波长响应。例如，在一个实施例中，可以使表5中的权重相等。在另一个实 施例中，在约486、588和656纳米处的几个波长可以给于大致相等的权重以近似可见光谱 中的响应。对于熟悉本领域的技术人员是显而易见的，可以使用其它组合。表 5用于计算多色MTF的波长和权重 在有用的时候，这个形式的MTF数据在估计透镜系统的质量中并不始终给出直观 明显的结果。通常以通过-焦点MTF曲线图的形式来标绘MTF数据。除了示出MTF对空间 频率的关系之外，还可以标绘MTF对像距的关系，其中对于给定的曲线，波长和空间频率是 固定的。定义像距为离系统的图像平面的距离，并且可以从通过透镜系统的物距来计算。在 图13A中可以看到示例性通过-焦点MTF曲线图。这是多色MTF，具有与表5相同的波长和 加权因子。通常选择在ζ = 0处的标绘上的像距使之对应于物体处于超焦距处的图像焦平 面；到垂直轴右边的像距对应于离透镜比这个距离远的物体，垂直轴左边的像距对应于较 近的物体。对于71周/毫米空间频率处的切向和径向光线两者，用许多不同的场角来标绘图
2213A和13B。已经选择了这个频率使之与可以用于图像平面的一个可能的图像传感器的奈 奎斯特/4频率(N/4)匹配，虽然，对于本发明来说，确切的图像传感器类型并非是关键。例 如，可以与具有约1.75微米的像素间距的传感器一起使用在当前实施例中描绘的透镜设 计。TF-MTF标绘关于垂直轴可以是不对称的。当这个标绘较宽时，特别，到垂直轴的左边 时，表示物体比超焦距还接近透镜系统，这表示在物距的较宽范围上透镜的分辨率是较佳 的，或换句话说，透镜具有大的景深。这里揭示的透镜组实施例和其变型可以结合扩展的或定制的景深技术，诸如在 2007年11月6日提交的、共同转让的待批美国专利申请61/001，988号以及2007年11月 7日提交的61/002，262号中所揭示的那些，这里为了完整性而结合其内容作为参考。至此， 透镜结构可以产生具有一些纵向像差(包括衍射和色差两者)的稍模糊的图像，可以使用 后续的图像处理来校正这样的图像，诸如在2008年1月7日提交的、共同转让的待批美国 专利申请11/970427号中所揭示的那些，这里为了完整性而结合其内容作为参考。图13B标绘了图13A中看到的相同的数据，但是为了清楚起见，移除了较高的场 角。图14是本发明的透镜系统的实施例的横截面图。在本实施例中，透镜系统可以与 最佳地具有1. 4微米像素尺寸的5百万像素图像传感器一起使用。这个类型的代表性图像 传感器可以包括2592个水平像素、3. 6288毫米水平传感器宽度、1944个垂直像素、2. 7216 毫米垂直传感器宽度以及4. 536毫米传感器对角线或图像圆。另一方面，透镜系统可以与 较佳地具有1. 75微米像素尺寸的3百万像素图像传感器一起使用。这个类型的代表性图 像传感器可以包括2048个水平像素、3. 584毫米水平传感器宽度、1536个垂直像素、2. 688 毫米垂直传感器宽度以及4. 48毫米传感器对角线或图像圆。因此，通过透镜系统产生的图 像圆应该至少像传感器对角线那么大，以使照射和畸变缺陷最少。在图14中，显示了使用本发明的透镜系统的示例性成像设备400，这里是一个照 相机。这里，在左边设置物体侧，沿光轴顺序地设置四个透镜部件。在透镜部件的图像侧上， 在图像传感器上设置了盖玻璃(未示出)。在物体侧上的第一透镜元件的前面设置了孔径 光阑。在物体侧处开始，顺序地安排了第一孔径404、透镜元件406、孔径420、透镜元件408、 孔径422、透镜元件410、孔径424、透镜元件411、红外滤光片412以及图像传感器416。所 有四个孔径(404、420、422和424)以及所有四个透镜元件(406、408、410、411)是围绕光轴 418而径向对称的。可以通过其中保持了透镜元件406、408、410、411的筒形物(未示出) 来提供后面三个孔径420、422、424的功能。从物体侧起的第一透镜元件，透镜元件406，是正折射率的。透镜元件406携带了 透镜系统的更多的光能。表面406a，透镜元件406最接近物体侧的表面，在整个表面上都是 凸出的形状。在图像侧的透镜元件406的第二表面406b在光轴附近具有凹入的形状，在透 镜外围附近变成稍微凸出。从物体侧起的第二透镜元件，透镜元件408，是负折射率的，并且 一般具有半月形状。主要使用透镜元件408来校正颜色和其它像差。最接近物体侧的透镜 元件408的表面，表面408a，是凹入形状的。在图像侧上的透镜元件408的第二表面408b 具有凸出的形状。从物体侧起的第三透镜元件，透镜元件410，具有负的和正的折射率两者的部分， 其中光轴附近的区域具有稍正的折射率，而向着周边的区域是负折射率的。透镜元件410
23主要作为场校正器。表面410a，最接近物体侧的透镜元件410的表面，包括凸出形状和凹入 形状两者，其中凸出形状在光轴附近。在图像侧上的透镜元件410的第二表面410b也包括 凸出和凹入形状两者，其中凹入形状在光轴附近。在一个实施例中，在这个透镜元件410上 的两个表面中心的曲率半径是相等的。例如，下面表6示出透镜元件410的两个侧面410a、 410b的光轴附近的曲率半径都在彼此的约20%以内。从物体侧起的第四透镜元件，透镜元件411，具有负的和正的折射率两者的部分， 其中光轴附近的区域具有稍正的折射率，而向着周边的区域是负折射率的。透镜元件411 主要作为又一个场校正器。表面411a，最接近物体侧的透镜元件411的表面，包括凸出形状 和凹入形状两者，其中凸出形状在光轴附近。在图像侧上的透镜元件411的第二表面411b 也包括凸出和凹入形状两者，其中凹入形状在光轴附近。在一个实施例中，在这个透镜元件 411上的两个表面中心的曲率半径是相等的。例如，下面表6示出透镜元件411的两个侧面 411a、411b的光轴附近的曲率半径都在彼此的约20%以内。红外滤光片412a和412b以及 盖玻璃表面(未示出)实质上都是平坦的。在这个特定实施例中，由塑料材料来制造透镜元件406、408、410和411的每一个， 虽然可以设想用光学玻璃来代替一个或多个元件。这里，透镜元件406、408、410和411是 由塑料制造的。在一个实施例中，透镜元件406、410和411由具有约1.53的折射率和约 55. 6的阿贝数值的、最好是塑料的同一材料制造，而透镜408是由具有约1. 63的折射率和 约23. 3的阿贝数值的、最好是塑料的不同材料制造的。上述材料可以提供合适的折射率和 色散值。在另一个实施例中，来自Zeon Chemical公司的材料F52R适用于这个设计。这些 材料对于透镜设计提供了正确的补偿，虽然在这个设计中也可以用相似折射率和阿贝数值 的其它各种可大批量得到的材料。此外，红外滤光片412和传感器盖玻璃(未示出)具有 功能性的使用，但是对于给出图像平面的正确焦点定位的成像设备的等效光学性能来说， 并非严格必需的，因此，可以设想，在一个不同的实施例中可以除去一个或两者。不同的传 感器封装和不同的照相机模块可以使用分立的IR滤光片以及盖玻璃元件，而其它可以通 过施加IR滤光片涂层于一个或多个其它表面(例如，透镜或盖玻璃)来组合这些元件。具 有所提供的设计和材料选择，透镜系统的总轨道长度可以保持较小以及使较低的F/#以及 到达传感器处的图像表面的光线角最小成为可能。对于图14所示的光学系统400，在下面表6和7中提供所有光学表面的光学设计 系数和孔径以及制造透镜的材料表6图14中的实施方式的透镜数据F/# 2. 4, f = 3. 36謹，FOV = 33. 9度，TTL = 4. 025mm，TTL/图像圆=0. 89 表 7图14中的实施方式的非球面系数(ZEMAX非球面系数与类型)表面4 :EVENASPH Ll-Ir2上的系数0r4 上的系数0. 01755412r6 上的系数-0. 24990765r8 上的系数0. 99962099 rlO 上的系数-2. 5706254 rl2 上的系数3. 5064561 rl4 上的系数-2. 3184946 rl6 上的系数0. 50750775 表面 5 :EVENASPH L1-2 r2上的系数0 r4 上的系数-0· 078320524 r6 上的系数0. 18223338 r8 上的系数-0· 77782966 rlO 上的系数1. 2698117 rl2 上的系数-1. 1783685 rl4 上的系数-0. 19092332 rl6 上的系数0. 65412311 表面 7 :EVENASPH L2-1 r2上的系数0 r4 上的系数-0. 55451917 r6上的系数1. 4797853 r8 上的系数-3. 1235602 rlO 上的系数5. 0556751 rl2 上的系数-5. 6282698 rl4 上的系数3. 4231714 rl6 上的系数-1. 3329401 表面 8 :EVENASPH L2-2 r2上的系数0 r4 上的系数-0· 37624954 r6 上的系数0. 95364156 r8 上的系数-1· 2916818 rlO 上的系数1. 5377875 rl2 上的系数-1. 1298586 rl4上的系数0. 420005 rl6 上的系数-0. 069094566 表面 10 :EVENASPH L3-1 r2上的系数0 r4 上的系数-0. 20199958 r6 上的系数0. 21364158 r8 上的系数-0. 14237208 rlO 上的系数0. 032064585 rl2 上的系数0. 0089063259
10
CN
28
29
30rl4 上的系数-O. 0042681554rl6上的系数0表面11 :EVENASPH L3-2r2上的系数0r4 上的系数_0· 10822594r6 上的系数0. 05480811r8 上的系数-0. 020184125rlO 上的系数-3. 9165013e_005rl2 上的系数0. 0015155828rl4 上的系数_0· 00024904519rl6上的系数0表面13 :EVENASPH L4-1r2上的系数0r4 上的系数_0· 21062481r6 上的系数0. 113695r8 上的系数-0. 049980847rlO 上的系数0. 01758975rl2 上的系数-0. 0033762331rl4 上的系数0. 00026797659rl6 上的系数_2· 8232233e_006表面14 :EVENASPH L4-2r2上的系数0r4 上的系数-0. 12818825r6 上的系数0. 048556555r8 上的系数-0· 011869546rlO 上的系数-0. 0015486492rl2 上的系数0. 0016135421rl4 上的系数:_0· 00033617145rl6 上的系数2. 4819813e_005图15示出图14的实施例的横截面图的简化版本，附加地添加示例性光线以示出 图14的透镜系统的成像特性。图16A示出场曲率而图16B示出图14的透镜系统在数个波长处的畸变值。熟悉 本领域的技术人员可以看到，即使透镜系统是极小型的，也能较好地补偿像差。通过本实施 例得到的另一个性能优点是提高了色差性能。如上所述，通过图像传感器数据的后处理可 以提高景深性能。如果像图16所示那样控制色焦点偏移，则这种处理可以更有效。在可见 光谱上限制色焦点偏移在35微米以下。使用塑料透镜的传统透镜设计一般展现出超过60 微米的色焦点偏移。这样，可以使用后续的图像处理来校正像差(包括衍射和色差两者)， 诸如在2008年1月7日提交的共同转让的待批美国专利申请11/970427中所揭示的那样。图17示出击中图像传感器的光的相对照度，作为图14的图像设备的Y高度的函数。这里示出的曲线与图11中所示的相似，用于图7的图像设备，并且对于相似的小型照 相机模块也是典型的。图18A-C标绘出图14所示的透镜系统的实施例的多色MTF性能，其中物距分别为 1米、0.5米和0.3米。在每个曲线图中，每一根线表示来自不同场角的必要距离处的物体的 MTF0在上述表5中列出了用于计算图18A-C的波长和它们相应的加权因子。在图ISA-CW 每个标绘中的水平轴描绘高达约奈奎斯特/4(或对于1. 4微米图像传感器像素尺寸约179 周/毫米)的空间频率。图19示出在奈奎斯特/2或约89周/毫米空间频率处的正切的或径向的光线的 许多场角处标绘的图14所示的透镜系统的通过-焦点调制传递函数曲线图。值得注意，这 个TF-MTF标绘示出上述相同的不对称性质。即，不管0毫米焦点偏移处的曲率峰，在0毫 米的左侧的MTF曲线下的区域大于0毫米的右侧的MTF曲线下的区域。为了说明这个，在 约-0. 04毫米的焦点偏移处的MTF曲线在约0. 2和0. 3之间。通过比较，在约-0. 04毫米 的焦点偏移处的MTF曲线实质上在约0. 2以下。图20是本发明的透镜系统的实施例的横截面图。在本实施例中，透镜系统可以与 最好具有1. 75微米像素尺寸的5百万像素图像传感器一起使用。这个类型的代表性图像 传感器可以包括2592个水平像素、4. 536毫米水平传感器宽度、1944个垂直像素、3. 402毫 米垂直传感器宽度以及5. 67毫米传感器对角线。因此，通过透镜系统产生的图像圆应该至 少像传感器对角线那么大，以使照射和畸变缺陷最少。在图20中，在左边设置物体侧，并且沿光轴顺序设置四个透镜部件。在透镜部件 的图像侧上，在图像传感器上设置了 IR滤光片和盖玻璃。在物体侧上的第一透镜元件的前 面设置了孔径。显示了使用本发明的透镜系统的示例性成像设备500，这里是照相机。在物体侧 处开始，依次安排孔径(例如，挡板或遮阳板)504以及光阑520、透镜元件506、透镜元件 508、透镜元件510、孔径522、透镜元件511、红外滤光片512、用于图像传感器的盖玻璃514、 以及图像传感器516。三个孔径(504、520和522)以及所有四个透镜元件(506、508、510、 511)围绕光轴518是径向对称的。从物体侧起的第一透镜元件，透镜元件506，是正折射 率的。透镜元件506携带了透镜系统的较多的光能。表面506a，最接近物体侧的透镜元件 506的表面，整个表面都是凸出形状的。在图像侧的透镜元件506的第二表面506b在光轴 附近具有稍微凸出的形状，在透镜外围附近变成更凸出。从物体侧起的第二透镜元件，透镜 元件508，是负折射率的，并且一般具有半月形状。主要使用透镜元件508来校正颜色和其 它像差。最接近物体侧的透镜元件508的表面，表面508a，是凹入形状的。在图像侧上的透 镜元件508的第二表面508b具有凸出的形状。从物体侧起的第三透镜元件，透镜元件510，具有负的和正的折射率两者的部分， 其中光轴附近的区域具有稍正的折射率，而向着周边的区域是负折射率的。透镜元件510 主要作为场校正器。表面510a，最接近物体侧的透镜元件510的表面，包括凸出形状和凹 入形状两者，其中凸出形状在光轴附近。在图像侧上的透镜元件510的第二表面510b也包 括凸出和凹入形状两者，其中凹入形状在光轴附近。在一个实施例中，在这个透镜元件510 上的两个表面中心的曲率半径是相似的。例如，下面的表8示出透镜元件510的两个侧面 510a、510b在光轴附近的曲率半径都在彼此的约26%之内。
28
从物体侧起的第四透镜元件，透镜元件511，具有负的和正的折射率两者的部分， 其中光轴附近的区域具有稍正的折射率，而向着周边的区域是负折射率的。透镜元件511 主要作为又一个场校正器。表面511a，最接近物体侧的透镜元件511的表面，包括凸出形状 和凹入形状两者，其中凸出形状在光轴附近。在图像侧上的透镜元件511的第二表面511b 也包括凸出和凹入形状两者，其中凹入形状在光轴附近。在一个实施例中，在这个透镜元件 511上的两个表面中心的曲率半径是相似的。例如，下面表8示出透镜元件511的两个侧面 511a、511b的光轴附近的曲率半径都在彼此的约38%以内。红外滤光片表面512a和512b 以及盖玻璃表面514a和514b实质上都是平坦的。在这个特定实施例中，由塑料材料来制造透镜元件506、508、510的每一个，虽然 可以设想用光学玻璃来代替一个或多个元件。这里，透镜元件506、508、510和511是由塑料 制造的。在一个实施例中，透镜元件506、510和511由最好具有约1. 53的折射率和约55. 5 的阿贝数值的塑料的同一材料制造，而透镜508由最好具有约1. 63的折射率和约23. 3的 阿贝数值的塑料的不同材料制造。上述材料可以提供合适的折射率和色散值。这些材料 对于透镜设计提供了正确的补偿，虽然在这个设计中也可以用相似折射率和阿贝数值的其 它各种可大批量得到的材料。此外，红外滤光片512和传感器盖玻璃514具有功能性的使 用，但是对于给出图像平面的正确焦点定位的成像设备的等效光学性能来说，并非严格必 需的，因此，可以设想，在一个不同的实施例中可以除去一个或两者，或与其它元件组合。在 透镜元件506的物体侧设置孔径504和520，而孔径522位于第三透镜510之后。具有所提 供的设计和材料选择，可以使透镜系统的总轨道长度保持较小以及使较低的F/#以及到达 传感器处的图像表面的光线角最小成为可能。对于图20所示的光学系统500，在表8和9中提供了所有光学表面的光学设计系 数和孔径以及制造透镜的材料如下表8图20中的实施方式的透镜数据F/# 2. 7, f = 4. 36謹，FOV = 33. 5度，TTL = 5. 1366mm，TTL/图像圆=0. 91
透镜半径 (mm)厚度 (mm)介质半-直径锥度备注0无穷大15001969.1160OBJ1无穷大0. 111. 89627302无穷大- 0. 111. 6120光阑131.891870.763406塑料1. 8-0.07640975Ll-I4-88. 83020Li-2
29 表9图14中的实施方式的非球面系数
(ZEMAX非球面系数与类型)表面3 :EVENASPH Ll-Ir2上的系数0
r4 上的系数0. 010445285r6 上的系数-O. 1435908r8 上的系数0. 36278309rlO 上的系数_0· 55813965rl2 上的系数0. 45480889rl4 上的系数_0· 19866811rl6 上的系数0. 036915479表面4 :EVENASPH L1-2r2上的系数0r4 上的系数_0· 05111637r6 上的系数0. 041323066r8 上的系数_0· 11734093rlO 上的系数0. 18904142rl2 上的系数_0· 2754392rl4 上的系数0. 15807234rl6 上的系数-0. 024527543表面7 :EVENASPH L2-1r2上的系数0r4 上的系数-0. 29745896r6 上的系数0. 53822314r8 上的系数-0. 74952401rlO 上的系数0. 84067501rl2 上的系数_0· 66314443rl4 上的系数0. 2779385rl6 上的系数_0· 055118742表面8 :EVENASPH L2-2r2上的系数0r4 上的系数-0· 20573231r6 上的系数0. 34703455r8 上的系数-0. 33074522rlO 上的系数0. 26132926rl2 上的系数_0· 12625039rl4 上的系数0. 030530952rl6 上的系数_0· 002890261表面10 :EVENASPH L3-1r2上的系数0r4 上的系数-0. 07859972r6 上的系数0. 046457397r8 上的系数_0· 022572101
31
rlO 上的系数0. 0032960793rl2 上的系数0. 00072565275rl4 上的系数-0. 00024427788rl6上的系数0表面11 :EVENASPH L3-2r2上的系数0r4 上的系数-0. 042578797r6 上的系数0. 011946277r8 上的系数-0. 0038147491rlO 上的系数9. 1645611e_005rl2 上的系数6. 8872014e_005rl4 上的系数1. 1819371e_006rl6上的系数0表面14 :EVENASPH L4-1r2上的系数0r4 上的系数-0. 095502465r6 上的系数0. 026986956r8 上的系数-0. 0016795543rlO 上的系数-0. 0010848808rl2 上的系数0. 00029372622rl4 上的系数_2· 2150283e_005rl6上的系数0表面15 :EVENASPH L4-2r2上的系数0r4 上的系数-0. 05460464r6 上的系数0. 010955033r8 上的系数_0· 0017250088rlO 上的系数-6. 6015575e_008rl2 上的系数3. 029008e_005rl4 上的系数_2· 264779e_006rl6上的系数0图21示出图14中实施例的横截面图的简化的版本，附加地添加了示例性光线以 示出图20的透镜系统的成像特性。图22A示出场曲率以及图22B示出图20的透镜系统的数个波长处的畸变值。同 样，限制色焦点偏移在约45微米以下。图23示出击中图像传感器的光的相对照度，作为图20的图像设备的Y高度的函 数。这里所示的曲线分别与用于图7和14的图像设备的图11和17中所示的相似，并且对 于许多相似的照相机模块也是典型的。图24A-C标绘出图20中所示的透镜系统实施例的多色MTF性能，其中物距分别为1米、0. 5米和0. 3米。在每个曲线图中，每一根线表示来自不同场角的必要距离处的物体 的MTF。在上述表5中列出了用于计算图18A-C的波长和它们相应的加权因子。在图18A-C 的每个标绘中的水平轴描绘高达约奈奎斯特/4(或对于1. 75微米图像传感器像素尺寸约 142周/毫米)的空间频率。图25示出在奈奎斯特/2或约71周/毫米空间频率处的正切的或径向的光线的 许多不同场角处标绘的图20所示的透镜系统的通过-焦点调制传递函数曲线图。值得注 意，这个TF-MTF标绘示出上述相同的不对称性质。即，不管0毫米焦点偏移处的曲率峰，在 0毫米的左侧的MTF曲线下的区域大于0毫米的右侧的MTF曲线下的区域。为了说明这个， 在约-0. 04毫米的焦点偏移处的MTF曲线在约0. 25和0. 35之间。通过比较，在约+0. 04 毫米的焦点偏移处的MTF曲线实质上在约0. 3以下。虽然这里已经参考特定实施例描述了本发明，但是要理解，这些实施例只是本发 明的原理和应用的示意。因此要理解，可以对示意性实施例进行许多修改以及可以设计其 它配置而不偏离如所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围。
3权利要求
一种包括一个或多个固定光学元件的固定光学单元，对于给定的物距和给定的空间频率，所述光学单元具有调制传递函数(MTF)，所述给定的空间频率与设置在从所述固定光学单元起选中的距离处的图像传感器的成像表面相关联，MTF随像距而变化，以致在选中的像距处MTF处于最大值，在比所选中的像距小的像距所对应的正焦点偏移的第一范围内，从约MTF最大值减小到预定阀值以下，并且在比所选中的像距大的像距所对应的负焦点偏移的第二范围上，从约MTF最大值减小但保持在预定阀值之上，所述负焦点偏移的第二范围大于正焦点偏移的第一范围。
2.如权利要求1所述的固定光学单元，其特征在于，所述预定阀值约为0.1。
3.如权利要求1所述的固定光学单元，其特征在于，所述给定的空间频率约为图像传 感器的奈奎斯特频率的二分之一。
4.如权利要求1所述的固定光学单元，其特征在于，所述给定的空间频率约为图像传 感器的奈奎斯特频率的四分之一。
5.如权利要求1所述的固定光学单元，其特征在于，所述正焦点偏移的第一范围从选 中的像距延伸到使位于无穷大处的物体聚焦的一个像距。
6.如权利要求1所述的固定光学单元，其特征在于，所述选中的像距是超焦距。
7.如权利要求6所述的固定光学单元，其特征在于，所述负焦点偏移的第二范围从选 中的像距延伸到超焦距的至少四分之一。
8.如权利要求6所述的固定光学单元，其特征在于，在负焦点偏移的第二范围的特定 部分中，所述MTF实质上是常数，在特定部分中的最大负焦点偏移最多是超焦距的四分之
9.如权利要求1所述的固定光学单元，其特征在于，在负焦点偏移的第二范围的特定 部分中，所述MTF实质上是常数，在特定部分中的最大负焦点偏移最多是选中的负焦点偏 移。
10.如权利要求1所述的固定光学单元，其特征在于，对于大于0.03毫米的正焦点偏 移，所述MTF具有趋近零的值。
11.如权利要求1所述的固定光学单元，其特征在于，固定光学元件中之一包括其上具 有畸变的表面。
12.如权利要求11所述的固定光学单元，其特征在于，所述畸变作为从光轴起的径向 距离R以及从光轴起的角度9的函数而变化。
13.如权利要求11所述的固定光学单元，其特征在于，所述畸变根据下列关系式而变化f(R, e) =ax(R4-R16)，其中R是从光轴起的径向距离，而e是从光轴起的角度。
14.如权利要求11所述的固定光学单元，其特征在于，所述畸变根据下列关系式而变化 其中R是从光轴起的径向距离，而9是从光轴起的角度。
15.如权利要求11所述的固定光学单元，其特征在于，还包括透镜光阑孔径，具有所述 畸变的表面最接近所述透镜光阑孔径。
16.如权利要求1所述的固定光学单元，其特征在于，所述MTF具有0.5的最大值，以及所述MTF在-30微米焦点偏移处最多是0. 25。
17.如权利要求1所述的固定光学单元，其特征在于，所述MTF具有至少0.6的最大值， 以及所述MTF在焦点偏移比-30微米更负处最多是0. 25。
18.如权利要求1所述的固定光学单元，其特征在于，所述固定光学单元的F-数至少为2. 4。
19.如权利要求18所述的固定光学单元，其特征在于，所述固定光学单元的F-数至少 为 1. 9。
20.如权利要求18所述的固定光学单元，其特征在于，所述固定光学单元的F-数至少 为 1. 75。
21.如权利要求1所述的固定光学单元，其特征在于，当正焦点偏移的第一范围的第一 子范围和负焦点偏移的第二范围的第二子范围减小时，正焦点偏移的第一范围和负焦点偏 移的第二范围增加，正焦点偏移的第一范围的第一子范围和负焦点偏移的第二范围的第二 子范围是各自的子范围，其中所述MTF从约MTF最大值减小到又一个预定阀值，所述又一个 预定阀值大于预定阀值。
22.如权利要求21所述的固定光学单元，其特征在于，所述预定阀值约为0.1，而所述 又一个预定阀值约为0.3。
23.—种成像系统，包括如权利要求1所述的固定光学单元；定义成像表面的图像传感器，所述图像传感器可操作用于产生原始数据，所述原始数 据表示通过光学元件投射在成像表面上的光；以及图像处理器，可操作用于处理原始数据以增强所述MTF。
24.如权利要求23所述的成像系统，其特征在于，所述图像处理器可操作用于增强焦 点偏移处的MTF，其中所述MTF最多为0. 25。
25.如权利要求23所述的成像系统，其特征在于，所述图像处理器可操作用于增强焦 点偏移处的MTF，其中所述MTF至少为0. 125。
26.如权利要求23所述的成像系统，其特征在于，所述成像系统是具有介于15厘米和 无穷大之间的景深的视频图形阵列(VGA)照相机，以及所述图像处理器可操作用于增强与 15厘米到40厘米的物距相对应的像距处的MTF。
27.如权利要求23所述的成像系统，其特征在于，所述成像系统是具有介于15厘米和 无穷大之间的景深的视频图形阵列(VGA)照相机，以及所述图像处理器可操作用于增强与 30厘米到50厘米的物距相对应的像距处的MTF。
28.—种包括一个或多个固定光学元件的固定光学单元，所述光学单元的特征在于，对 于物体空间中的给定位置以及与设置在从所述固定光学单元起选中的像距处的图像平面 相关联的给定空间频率的调制传递函数(MTF)，MTF随像距不对称地变化，以致MTF在第一 像距处为最大值，从约MTF最大值减小到第一像距和第二像距之间的至少预定阀值，第二 像距表示从第一像距起的第一焦点偏移，以及从约MTF最大值减小但保持在第一像距和第 三像距之间的预定阀值以上，第三像距表示从第一像距起的第二焦点偏移，第一和第二焦 点偏移在方向上是相反的，第一和第二焦点偏移之一的值大于第一和第二焦点偏移中的另 一个的值。
29.如权利要求28所述的固定光学单元，其特征在于，所述预定阀值约为0.1。
30.如权利要求28所述的固定光学单元，其特征在于，所述MTF在第二像距处实质上减 小到零。
31.一种透镜系统，沿光轴从物体侧到图像侧包括以固定顺序依次安排的下列各部件耦合光阑的第一构件； 第一透镜部件； 耦合光阑的第二构件； 第二透镜部件；以及 第三透镜部件；其中所有三个物体侧透镜表面和所有三个图像侧透镜表面都是非球面的，第一透镜部 件包括正折射率，面对物体侧的第一透镜部件的表面包括凸出的形状，而面对图像侧的第 一透镜部件的表面在光轴附近包括凹入的形状，第二透镜部件包括半月形状以及负折射率，面对物体侧的第二透镜部件的表面包括凹 入的形状，而面对图像侧的第二透镜部件的表面包括凸出的形状，面对物体侧的第三透镜部件的表面在光轴附近具有凸出的形状，而面对图像侧的第三 透镜部件的表面在光轴附近具有凹入的形状，以及透镜系统的总轨道长度与图像圆直径的比小于约0. 95。
32.如权利要求31所述的透镜系统，所述透镜的特征在于，F/#小于约2.6。
33.如权利要求31所述的透镜系统，所述透镜的特征在于，在约+/_25度和约+/-40度 之间的视场。
34.如权利要求33所述的透镜系统，所述透镜的特征在于，在约+/-30度和约+/-35度 之间的视场。
35.如权利要求34所述的透镜系统，所述透镜的特征在于，约2.4的F/#，并且包括给 定物距以及与从所述透镜系统起的像距处的图像平面相关联的给定空间频率的调制传递 函数(MTF)，MTF随像距而变化，以致MTF在对应于超焦距的选中的第一像距处具有大于约·0.4的最大值，并且从约MTF最大值减小到在对应于约250毫米的物距的选中的第二像距处 的大于约0. 25的较小值。
36.如权利要求31所述的透镜系统，其特征在于，所有三个透镜部件都是由塑料制造的。
37.如权利要求31所述的透镜系统，其特征在于，面对物体侧的第三透镜部件的表面 的基本曲率以及面对图像侧的第三透镜部件的表面的基本曲率实质上是相似的。
38.如权利要求31所述的透镜系统，其特征在于，还包括介于第二和第三透镜部件之 间的孔径。
39.如权利要求31所述的透镜系统，所述透镜的特征在于，约2.4的F/#，并且进一步 的特征在于，小于约4毫米的总轨道长度，并且产生大于约4. 2毫米的图像高度。
40.如权利要求31所述的透镜系统，其特征在于，所有三个透镜部件的折射率都在约·1.5和1. 65之间的范围内，第一和第三透镜部件包括介于约50和60之间的阿贝数值，而第 二透镜部件包括介于约20和30之间的阿贝数值。
41. 一种透镜系统，沿光轴从物体侧到图像侧包括以固定顺序依次安排的下列各部件孔径光阑； 第一透镜部件； 第二透镜部件； 第三透镜部件；以及 第四透镜部件；其中所有四个物体侧透镜表面和所有四个图像侧透镜表面都是非球面的，第一透镜部 件包括正折射率，面对物体侧的第一透镜部件的表面包括凸出的形状，第二透镜部件包括半月形状以及负折射率，面对物体侧的第二透镜部件的表面包括凹 入的形状，而面对图像侧的第二透镜部件的表面包括凸出的形状，面对物体侧的第三和第四透镜部件的表面在光轴附近具有凸出的形状，而面对图像侧 的第三和第四透镜部件的表面在光轴附近具有凹入的形状，第三透镜部件的物体尺寸和图 像侧的光轴处的曲率半径在彼此的约40%之内；以及透镜系统包括小于约2.8的F/#，透镜系统的总轨道长度与图像圆直径的比小于约 0. 95，以及在可见光谱上透镜系统的色焦点偏移被限制在约45微米以下。
全文摘要
一种固定光学单元(200)包括一个或多个固定光学元件(202)。对于给定的物距和给定的空间频率，所述光学单元具有调制传递函数(MTF)，所述空间频率与设置在从所述固定光学单元起选中的距离处的图像传感器的成像表面相关联，MTF随物距变化以致在选中的像距处MTF处于最大值，在对应于比所选中的像距小的像距的正焦点偏移的第一范围内，从约MTF最大值减小到预定阀值以下，并且在对应于比所选中的物距大的像距的负焦点偏移的第二范围上，从约MTF最大值减小但是保持在预定阀值之上，所述负焦点偏移的第二范围大于正焦点偏移的第一范围。
文档编号G02B13/18GK101918874SQ200880124250
公开日2010年12月15日 申请日期2008年11月7日 优先权日2007年11月7日
发明者E·戈登堡, G·沙布岱, K·恩格尔哈特, M·R·费尔德曼, M·德罗尔, N·科恩, P·列什德柯 申请人:泰塞拉技术匈牙利公司