专利名称：透镜及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及用在光学设备和系统中的透镜。
背景技术：
在光学设备和系统中使用的透镜的成像特性会受到诸如像散、色像差、畸变、场曲和球面像差的一种或多种光学像差的影响。可以通过几种技术来减轻光学像差，该几种技术包括与透镜相结合的各种结构的使用。在一种技术中，在透镜的物体侧之前布置外部光阑，以有助于校正离轴像差。而且，可以使用另外的透镜结构来校正第一透镜的光学像差。 例如，可以使用消色差双透镜(achromat doublet)来最小化第一透镜的色像差。在提供用于校正光学像差的更大自由度的同时，与基于单个元件(单=Singlet) 透镜设计的光学设备作比较，包括复合透镜(compound lens)布置和/或外部光阑的光学设备显示出成本和制作上的缺点。由于需要多个部件来完成设备，多个透镜和/或外部光阑的使用会增加制造成本。另外，由于多个透镜和/或外部光阑要求精确的对准并且受到严格的公差限制，这些部件会增加制造时间。而且，有缺陷的透镜或外部光阑，或者未对准的透镜或外部光阑可以使得光学设备不完善，由此增大制造的低效。
发明内容
根据上述缺点，本发明提供了一种单透镜(singlet lens)，该单透镜在一些实施例中可以有助于减轻一种或多种光学像差。在一些实施例中，在此所述的单透镜不与外部光阑相结合地工作以减小一种或多种光学像差。在一个实施例中，该单透镜包括物体侧光学表面和像侧光学表面，该物体侧光学表面在该表面的顶点处具有凸形状，并且该像侧光学表面在该表面的顶点处具有凸形状， 该单透镜满足等式(I)tc 彡 xD (I)其中，t。是该单透镜的中心厚度，D是从该单透镜的该像平面至该物体侧光学表面的透镜顶点的距离，并且X至少是0.30。在一些实施例中，X的范围是从0.30至0.75。在另一个实施例中，χ的范围是从0. 40至0. 60。在一些实施例中，χ的范围是从0. 45至0. 55。 距离D有时被称为轨道长度(track length)。在一些实施例中，该单透镜的该物体侧光学表面是非球面的。在一些实施例中，该单透镜的该像侧光学表面是非球面的。在一些实施例中，该单透镜的该物体侧和该像侧光学表面是非球面的。而且，在一个实施例中，该像侧光学表面的非球面度(asphericity)大于所述透镜的该物体侧光学表面的非球面度。在一些实施例中，通过等式(II)来表示本发明的单透镜的非球面。S (r) = a1r2+a2r4+a3r6+a4r8+a5r10+a6r12+a7r14+a8r16 (II)其中，％至彻是非球面度系数，并且r是表面相对于光轴的高度。在一些实施例中，在该物体侧光学表面和该像侧光学表面之间基本上等分所述单透镜的光焦度。例如，在一些实施例中，所述单透镜的该物体侧光学表面和该像侧光学表面满足等式(III)I (I0aiI-IiaJ) ι < ι。,、ι (III)其中，tX是根据等式(II)的物体侧光学表面的r2项的系数，iA是根据等式(II) 的像侧光学表面的r2项的系数，并且，°’、是根据等式(II)的物体侧光学表面和像侧光学表面两者中具有较小幅值(magnitude)的那个的r2项的系数。在一些实施例中，0B1是根据等式(IV)的物体侧光学表面的内部部分上的r2项的系数S (r) = 0H1T2 (IV)并且，iB1是根据等式(V)的像侧光学表面的内部部分上的r2项的系数S (r) = iB1^ (V)其中，物体侧光学表面的内部部分是被等式S(r) = %r2拟合为至少0.98的R2 拟合优度的物体侧光学表面的部分，并且其中，像侧光学表面的内部部分是被等式S(r)= iBir2拟合为至少大约0. 98的R2拟合优度的像侧光学表面的部分。在一些实施例中，可以通过将表面拟合到等式(IV)来量化物体侧光学表面的光焦度，并且通过表面拟合到等式(V)来量化像侧光学表面的光焦度。例如，在一个实施例中，单透镜的物体侧光学表面和像侧光学表面满足等式 (VI)
权利要求
1.一种单透镜，包括 物体侧光学表面；以及像侧光学表面，所述物体侧光学表面在表面的顶点处具有凸形状，并且所述像侧光学表面在表面的顶点处具有凸形状，所述单透镜满足条件 tc ^ xD其中，t。是所述单透镜的中心厚度，D是从像平面至所述物体侧光学表面的顶点的距离，并且χ至少是0. 30。
2.根据权利要求1所述的单透镜，其中，χ的范围是从0.3至0. 75。
3.根据权利要求1所述的单透镜，其中，χ的范围是从0.4至0. 6。
4.根据权利要求1所述的单透镜，其中，所述物体侧光学表面是非球面的。
5.根据权利要求1所述的单透镜，其中，所述像侧光学表面是非球面的。
6.根据权利要求1所述的单透镜，其中，所述物体侧光学表面和所述像侧光学表面是非球面的。
7.根据权利要求6所述的单透镜，其中，所述像侧光学表面的非球面度大于所述物体侧光学表面的非球面度。
8.根据权利要求1所述的单透镜，其中，所述物体侧光学表面和所述像侧光学表面满足等式
9.根据权利要求1所述的单透镜，其中，所述物体侧光学表面和所述像侧光学表面满足等式(1X1-1X1) < I。,、 其中，％是根据下面的等式的所述物体侧光学表面的r2项的系数O / \ 一 O 2 I ο 4 ι ο 6 ι ο 8 ι ο 10 ,ο 12 ,ο 14 , ο 16S (rj — H1T + a2r + a3r + a4r + a5r + a6r + a7r + a8r并且，iB1是根据下面的等式的所述像侧光学表面的r2项的系数，C / \ 一 i 2,i 4,i 6,i 8,i 10, i 12, i 14, i 16S (rj — H1T + a2r + a3r + a4r + a5r + a6r + a7r + a8r 并且，是％和、中具有较小幅值的那个。
10.根据权利要求9所述的单透镜，其中，tX是根据下面的等式的所述物体侧光学表面的内部部分上的r2项的系数S (r) = °air2并且，iB1是根据下面的等式的所述像侧光学表面的内部部分上的r2项的系数 S (r) = iB1^其中，所述物体侧光学表面的所述内部部分是被所述等式S(r) = t^r2拟合为至少 0. 98的R2拟合优度的所述物体侧光学表面的部分，并且其中，所述像侧光学表面的所述内部部分是被所述等式S (r) = iBir2拟合为至少大约0. 98的R2拟合优度的所述像侧光学表面的部分。
11.根据权利要求1所述的单透镜，进一步包括比所述物体侧光学表面的顶点更接近所述像平面的孔径。
12.根据权利要求11所述的单透镜，其中，所述孔径位于所述物体侧光学表面和所述像侧光学表面之间。
13.根据权利要求11所述的单透镜，其中，在基底晶片上布置所述物体侧光学表面和所述像侧光学表面。
14.一种包括多个结合的单透镜的光学晶片，其中，所述结合的单透镜的至少一个包括物体侧光学表面；以及像侧光学表面，所述物体侧光学表面在表面的顶点处具有凸形状，并且所述像侧光学表面在表面的顶点处具有凸形状，所述单透镜满足条件 tc ^ xD其中，t。是所述单透镜的中心厚度，D是从像平面至所述物体侧光学表面的顶点的距离，并且χ至少是0. 30。
15.一种设备，包括 单透镜；以及光电元件，其中，所述单透镜包括物体侧光学表面；以及像侧光学表面，所述物体侧光学表面在表面的顶点处具有凸形状，并且所述像侧光学表面在表面的顶点处具有凸形状，所述单透镜满足条件 tc ^ xD其中，t。是所述单透镜的中心厚度，D是从像平面至所述物体侧光学表面的顶点的距离，并且χ至少是0. 30。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述光电元件位于所述单透镜的所述像平面处。
17.根据权利要求15所述的设备，进一步包括在所述单透镜和所述光电元件之间布置的间隔物。
18.根据权利要求15所述的设备，进一步包括在所述单透镜和所述光电元件之间布置的盖玻片。
19.根据权利要求15所述的设备，其中，所述设备包括通信装置。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述通信装置包括移动手持装置。
21.一种用于制造单透镜的方法，包括 提供光学透射性的基底；在所述基底上布置物体侧光学表面，所述物体侧光学表面在表面的顶点处具有凸形状；在所述基底上布置像侧光学表面，所述像侧光学表面在表面的顶点处具有凸形状，所述单透镜满足条件 tc ^ xD其中，t。是所述单透镜的中心厚度，D是从像平面至所述物体侧光学表面的顶点的距离，并且χ至少是0. 30。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括在所述物体侧光学表面和所述像侧光学表面之间布置孔径。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述物体侧光学表面和所述像侧光学表面满足等式0.5<^<2其中，0B1是根据下面的等式的所述物体侧光学表面的内部部分上的r2项的系数 S (r) = °air2并且，iB1是根据下面的等式的所述像侧光学表面的内部部分上的r2项的系数 S (r) = iB1^其中，所述物体侧光学表面的所述内部部分是被所述等式S(r) = t^r2拟合为至少 0. 98的R2拟合优度的所述物体侧光学表面的部分，并且其中，所述像侧光学表面的所述内部部分是被所述等式S (r) = iBir2拟合为至少大约0. 98的R2拟合优度的所述像侧光学表面的部分。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述物体侧光学表面和所述像侧光学表面满足等式(1X1-1X1) < I。,、 其中，％是根据下面的等式的所述物体侧光学表面的r2项的系数O / \ 一 O 2 ι ο 4 ι ο 6 ι ο 8 ι ο 10 ,ο 12 ,ο 14 , ο 16S (rj — H1T + a2r + a3r + a4r + a5r + a6r + a7r + a8r并且，iB1是根据下面的等式的所述像侧光学表面的r2项的系数，C / \ 一 i 2,i 4,i 6,i 8,i 10, i 12, i 14, i 16S (rj — H1T + a2r + a3r + a4r + a5r + a6r + a7r + a8r 并且，是％和、中具有较小幅值的那个。
25.根据权利要求M所述的方法，其中，0B1是根据下面的等式的所述物体侧光学表面的内部部分上的r2项的系数S (r) = °air2并且，iB1是根据下面的等式的所述像侧光学表面的内部部分上的r2项的系数 S (r) = iB1^其中，所述物体侧光学表面的所述内部部分是被所述等式S(r) = t^r2拟合为至少、0. 98的R2拟合优度的所述物体侧光学表面的部分，并且其中，所述像侧光学表面的所述内部部分是被所述等式S (r) = iBir2拟合为至少大约0. 98的R2拟合优度的所述像侧光学表面的部分。
26.一种用于制造多个光学成像设备的方法，包括 提供包括多个单透镜的光学晶片；提供包括多个感测元件的传感器晶片；以及，将所述光学晶片与所述传感器晶片耦合，以提供多个结合的光学成像设备，其中，所述单透镜的至少一个包括 物体侧光学表面；以及像侧光学表面，所述物体侧光学表面在表面的顶点处具有凸形状，并且所述像侧光学表面在表面的顶点处具有凸形状，所述单透镜满足条件 tc ^ xD其中，t。是所述单透镜的中心厚度，D是从像平面至所述物体侧光学表面的顶点的距离，并且χ至少是0. 30。
27.根据权利要求沈所述的方法，其中，通过穿孔晶片耦合所述光学晶片和所述传感器晶片。
28.根据权利要求沈所述的方法，进一步包括将所述多个单透镜与所述多个感测元件对准。
29.根据权利要求沈所述的方法，进一步包括将所述多个结合的光学成像设备单体化，以提供多个独立的光学成像设备。
30.一种用于制造多个光学成像设备的方法，包括 提供包括多个单透镜的光学晶片；单体化所述多个单透镜；并且将被单体化的单透镜耦合到穿孔晶片， 其中，所述单透镜的至少一个包括 物体侧光学表面；以及像侧光学表面，所述物体侧光学表面在表面的顶点处具有凸形状，并且所述像侧光学表面在表面的顶点处具有凸形状，所述单透镜满足条件 tc ^ xD其中，t。是所述单透镜的中心厚度，D是从像平面至所述物体侧光学表面的顶点的距离，并且χ至少是0. 30。
31.根据权利要求30所述的方法，进一步包括提供包括多个感测元件的传感器晶片， 并且将所述传感器晶片与所述穿孔晶片耦合以提供多个结合的光学成像设备。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，将所述传感器晶片与所述穿孔晶片耦合将所述多个单透镜与所述多个感测元件基本上对准。
33.根据权利要求31所述的方法，进一步包括将所述多个结合的光学成像设备单体化以提供多个独立的光学成像设备。
34.一种用于将场景成像的方法，包括提供包括单透镜和感测元件的光学成像设备；将从所述场景接收的电磁辐射通过所述单透镜传到所述感测元件；使用所述感测元件检测通过所述单透镜的所述电磁辐射；以及将所检测的电磁辐射转换为电响应，以构造所述场景的电子图像，其中，所述单透镜包括物体侧光学表面；以及像侧光学表面，所述物体侧光学表面在表面的顶点处具有凸形状，并且所述像侧光学表面在表面的顶点处具有凸形状，所述单透镜满足条件 tc ^ xD其中，t。是所述单透镜的中心厚度，D是从像平面至所述物体侧光学表面的顶点的距离，并且χ至少是0. 30。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所成像的场景具有根据下面的等式的小于大约6%的TV畸变TV 畸变(% ) = IOOx[(AfA2)/2)-B]/B其中，A1和A2是像的边缘高度，并且B是像的中心高度。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所成像的场景具有小于大约的TV畸变。
37.根据权利要求34所述的方法，其中，所成像的场景根据下面的等式在至少50°的视场上具有小于大约3%的最大光学畸变。畸变(％ ) = [ (Vlip)-l]x 100其中，h是从像中心至在所述场景内的任何选择的场点的距离，并且hp是从像中心至假如像没有任何畸变时所述选择的场点应该在的位置的距离。
38.根据权利要求34所述的方法，其中，所述光学成像设备是移动手持装置。
全文摘要
本发明在一些实施例中提供了低畸变单透镜和包括该低畸变单透镜的光学成像设备。
文档编号G02B13/00GK102460265SQ201080026002
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月11日 优先权日2009年6月11日
发明者罗森伯里·唐纳德, 赫德尔斯顿·杰里米 申请人:数字光学(东部)公司