CN102027403A

CN102027403A - 广角镜头

Info

Publication number: CN102027403A
Application number: CN2009801176855A
Authority: CN
Inventors: 今冈卓也
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp; Panasonic Automotive Systems Co Ltd
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2029-04-17
Also published as: WO2009139114A1; EP2273297A4; JP2009276679A; JP5096226B2; US8451547B2; CN102027403B; EP2273297A1; EP2273297B1; US20110069399A1

Abstract

一种广角镜头(100)具有以从物体侧起的顺序布置的第一透镜(1)、第二透镜(2)、第三透镜(3)和光圈(4)。第一透镜(1)具有负光焦度，并且是具有面向物体侧的凸面的球面凹凸透镜。第二透镜(2)在光轴上具有负光焦度，并且是具有面向物体侧的凸面的非球面凹凸透镜，其中透镜光焦度在远离光轴处从负转变为正。第三透镜(3)是具有正光焦度的透镜。第二透镜(2)的阿贝数为30或更小。安装在透镜***的成像表面上的成像元件的对角线长度D和整个透镜***的焦距f之间的比率f/D≤0.26，而第三透镜(3)的焦距f3和整个透镜***的焦距f之间的比率满足f3/f＜1.5。因此，即使具有减少的数量的透镜，广角镜头也可以被容易地制造，并且具有减小的畸变。

Description

广角镜头

相关申请

本申请要求于2008年5月16日在日本提交的日本专利申请No.2008-129625的权益，其内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及一种用于诸如车内照相机、蜂窝电话照相机、PC照相机和监控照相机等小型照相机的广角镜头，所述小型照相机使用诸如CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)的成像器件。

背景技术

近年来，作为将在诸如车内照相机的小型照相机中使用的镜头，需要具有150度或更大视角的小型且便宜的广角镜头。

下面的日本专利公开待审(laid-open)申请No.2005-181596，2006-209028和2007-114546公开了使用三个透镜来获得大视角的镜头。

发明内容

本发明要解决的问题

在日本专利公开待审申请No.2005-181596中描述的广角镜头中，第一透镜具有负光焦度(power)，并且第二透镜具有正光焦度。放置为最靠近物体侧的第一透镜是小透镜，其在像平面侧的透镜表面的曲率半径为2.20到2.88mm(参见日本专利公开待审申请No.2005-181596中的表1A，2A和3A)。为此，难以形成第一透镜，尽管其是球面透镜，并且这将成为一个问题。在日本专利公开待审申请No.2006-209028和2007-114546中描述的广角镜头通过增大其畸变来获得广角。在这些广角镜头中，在成像器件的对角点处的畸变(绝对值)远超过50％(参见日本专利公开待审申请No.2006-209028中的图3和图4、以及日本专利公开待审申请No.2007-114546中的图38到图49)。这导致在边缘的图像较小且难以被看到，这将成为一个问题。

考虑到上述背景而制定的本发明的目的是提供一种广角镜头，即使当镜头使用少量透镜时，该广角镜头也能够容易地被制造并且可以使其畸变较小。

解决问题的手段

根据本发明的广角镜头是透镜***，其具有：以从物体侧起的顺序布置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；以及在第二透镜和第三透镜之间提供的光圈，并且该广角镜头具有如下结构，其中：第一透镜是球面凹凸透镜，其具有负光焦度并且其凸面面向物体；第二透镜是非球面凹凸透镜，其沿着光轴具有负光焦度且在离开光轴处具有正光焦度，并且其凸面面向物体侧；第三透镜是具有正光焦度的透镜；第二透镜的阿贝数(Abbe number)为30或更小；放置在透镜***的像平面上的成像器件的对角线长度D和整个透镜***的焦距f之间的比率f/D为0.26或更小；第三透镜的焦距f3和整个透镜***的焦距f之间的比率f3/f小于1.5。

在此结构中，由于第一透镜和第二透镜两者都具有负光焦度，所以可以在两个透镜之间分配负光焦度。这可以增大第一透镜的在像平面侧的表面的曲率半径，并便利于第一透镜的形成。由于第二透镜是凸面面向物体侧的非球面凹凸透镜，并且第二透镜的在物体侧的凸面是非球面表面，其沿着光轴具有负光焦度而在离开光轴处具有正光焦度，因此在凸面的非球面形状中没有形成拐点，并且因此用于第二透镜的模子(mold)可以容易地构造。另外，由于成像器件的对角线长度D和整个透镜***的焦距f之间的比率f/D为0.26或更小，并且由于第三透镜的焦距f3和整个透镜***的焦距f之间的比率f3/f小于1.5，因此可以提供具有小畸变的广角镜头，并且即使整个透镜***的焦距f较短，也可以通过满足f3/f＜1.5使后焦距较长。如果f/D大于0.26，则整个透镜***的焦距f将较长，因此无法获得大的视角，除非增大畸变。如果f3/f是1.5或更大，则后焦距将太短，例如当第三透镜为了焦距调节等而移动时，第三透镜可能与在成像器件和第三透镜之间提供的防护玻璃(cover glass)接触，并且可能被损坏。如上所述，即使使用少量透镜时，本发明也允许容易地制造透镜，并且允许减小畸变。

在根据本发明的广角镜头中，第三透镜可以是非球面透镜。这允许光束在成像器件的边缘上的光束的入射角被校正为平行的，并且可以提高性能。

在根据本发明的广角镜头中，第二透镜可以由树脂材料制成。这可以便利于第二透镜的形状的形成。特别的，这可以便利于第二透镜上的非球面表面的形成，且允许其是便宜的。

在根据本发明的广角镜头中，第三透镜可以由树脂材料制成。这可以便利于第三透镜的形状的形成。特别的，这可以便利于第三透镜上的非球面表面的形成，且允许其是便宜的。

在根据本发明的广角镜头中，第一透镜可以由玻璃材料制成。这允许保护广角镜头的内部免于各种故障，并且允许广角镜头对各种类型的环境有抵抗力。

本发明的优势

在本发明中，以从物体侧起的顺序布置第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中：第一透镜是球面凹凸透镜，其具有负光焦度，并且在物体侧的透镜表面上形成其凸面；第二透镜是非球面凹凸透镜，其沿着光轴具有负光焦度而在离开光轴处具有正光焦度，并且在物体侧的透镜表面上形成该第二透镜的凸面；第三透镜是具有正光焦度的透镜；第二透镜的阿贝数为30或更小；成像器件的对角线长度D和整个透镜***的焦距f之间的比率f/D为0.26或更小；第三透镜的焦距f3和整个透镜***的焦距f之间的比率f3/f小于1.5。因此，本发明可以提供一种广角镜头，即使当使用少量透镜时，该广角镜头的透镜也可以容易地被制造，并且可以减小其畸变。

存在如下所述的本发明的其它方面。因此，本发明的此公开意图提供本发明的多个方面的一部分，而不打算限制这里描述并且要求保护的本发明的范围。

附图说明

图1示出了本发明的实施例的广角镜头的结构；

图2A是具有示例1的镜头数据的广角镜头的球面像差(aberration)图；

图2B是具有示例1的镜头数据的广角镜头的像散(astigmatism)图；

图2C是具有示例1的镜头数据的广角镜头的畸变图；

图3A是具有示例2的镜头数据的广角镜头的球面像差图；

图3B是具有示例2的镜头数据的广角镜头的像散图；

图3C是具有示例2的镜头数据的广角镜头的畸变图；

图4A是具有示例3的镜头数据的广角镜头的球面像差图；

图4B是具有示例3的镜头数据的广角镜头的像散图；

图4C是具有示例3的镜头数据的广角镜头的畸变图。

具体实施方式

以下是本发明的详细描述。应当理解，下面描述的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以在各个方面变化。因此，下面公开的特定结构和功能不限制权利要求。

将参考附图描述根据本发明的实施例的广角镜头。

图1示出了本发明的实施例的广角镜头的结构。在图1中，示出了沿着包含光轴Z的平面切割的穿过广角镜头的部件的截面，其中纸的左侧是物体侧，纸的右侧是像平面侧。如图1所示，广角镜头100包括具有第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和光圈4的光学***。以从物体侧起的顺序沿光轴Z布置第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3。光圈4被放置在第二透镜2和第三透镜3之间。防护玻璃5和成像器件6被放置在广角镜头100的像平面侧。

第一透镜1是凹凸形的球面透镜，其具有负光焦度，并且其凸面面向物体侧。优选地，第一透镜1的阿贝数为40或更大，并且其折射率为1.7或更大。40或更大的阿贝数可以便利于色差(chromatic aberration)的校正，较高的折射率允许增大透镜的曲率半径，并且可以便利于透镜的形成。第一透镜1由玻璃材料制成。这允许保护广角镜头的内部免于各种故障，并且允许镜头对于各种类型的环境有抵抗力。在该实施例中，第一透镜1由玻璃材料制成，但是可选地，第一透镜1可以由树脂材料制成。

第二透镜2是凹凸形的非球面透镜，其凸面面向物体侧。该非球面凸面被形成为使得其沿着光轴具有负光焦度并且在离开光轴处具有正光焦度。这允许对离开光轴的光束校正倍率(magnification)色差。为了更好地校正色差，优选地将第二透镜2的两个表面(在物体侧的表面和在像平面侧的表面)都制造为非球面的。第二透镜2的阿贝数为30或更小。这允许第二透镜2有效地校正色差。第二透镜2由树脂材料制成。这可以便利于第二透镜2的形状的形成。特别的，这可以便利于第二透镜2上的非球面表面的形成，并且允许其是便宜的。第二透镜2可以由树脂材料或玻璃材料制成。

第三透镜3是具有正光焦度的非球面透镜。这允许第三透镜3有效地校正色差以及将在成像器件边缘上的光束的入射角校正为平行的，并且可以提高性能。第三透镜3的阿贝数为50或更大。这允许第三透镜3有效地校正色差。第三透镜3优选地为非球面透镜，但是可替换地，可以是球面的。第三透镜3由树脂材料制成。这可以便利于第三透镜3的形状的形成。特别的，这可以便利于第三透镜3上的非球面表面的形成，并且允许其是便宜的。第三透镜3可以由树脂材料或玻璃材料制成。

光圈4被放置在第二透镜2和第三透镜3之间，并且调节从第二透镜2入射到第三透镜3上的光量。防护玻璃5可以具有密封(seal)成像器件6的功能。防护玻璃5可以具有作为透射在特定波长范围内的光的滤波器、或作为低通滤波器的性质。成像器件6被放置在透镜***的像平面上，并且使由透镜***形成的图像成像。

本实施例的广角镜头100具有满足下列表达式(1)和(2)的条件的光学特性：

[数学表达式1]

f/D≤0.26 (1)

[数学表达式2]

f3/f＜1.5 (2)

其中

D是成像器件6的对角线长度；

f是整个透镜***的焦距；以及

f3是第三透镜3的焦距。

在根据该实施例的广角镜头中，由于第一透镜1和第二透镜2两者都具有负光焦度，所以可以在两个透镜之间分配负光焦度。这可以增大第一透镜1的在像平面侧的表面的曲率半径，并便利于第一透镜1的形成。第一透镜1的物体侧是凸的，这允许光在第一透镜1上的入射角接近于垂直。例如，对于抗反射膜(coating)被蒸镀(evaporate)在第一透镜1的在物体侧的表面上的情况，可以减小角依赖性。由于第二透镜2是凸面面向物体侧的非球面凹凸透镜，并且第二透镜2的在物体侧的凸面是沿着光轴具有负光焦度而在离开光轴处具有正光焦度的非球面表面，因此在凸面的非球面形状中没有形成拐点，并且因此可以容易地构造用于第二透镜2的模子。

第二透镜2的阿贝数是30或更小，第二透镜2的在物体侧的非球面凸面在离开光轴处具有正光焦度，并且第一透镜1具有负光焦度。这允许对离开光轴的光束校正倍率色差。因此，整个透镜***的倍率色差可以被减小。如果第二透镜2的阿贝数超过30，则整个透镜***的倍率色差增大，并且成像器件的边缘不能提供良好的图像。

另外，由于成像器件的对角线长度D和整个透镜***的焦距f之间的比率f/D为0.26或更小，并且由于第三透镜3的焦距f3和整个透镜***的焦距f之间的比率f3/f小于1.5，因此可以提供具有小的畸变的广角镜头，并且，即使整个透镜***的焦距f较短，也可以通过满足f3/f＜1.5使后焦距较长。如果f/D大于0.26，则整个透镜***的焦距f将较长，因此无法获得大的视角，除非增大畸变。如果f3/f为1.5或更大，则后焦距将太短，例如当第三透镜3为了焦距调节等而移动时，第三透镜3可能与在成像器件6和第三透镜3之间提供的防护玻璃接触，并且可能被损坏。

如上所述，即使当使用少至3个透镜时，该实施例也允许容易地制造透镜，并且允许减小畸变。

在根据该实施例的广角镜头中，第三透镜3是非球面透镜，因此光束在成像器件的边缘上的入射角可以被校正为平行的，并且可以提高性能。

在根据该实施例的广角镜头中，第二透镜2由树脂材料制成，因此可以便利于第二透镜2的形状的形成。特别的，可以便利于第二透镜2上的非球面表面的形成，并且可以使其便宜。

在根据该实施例的广角镜头中，第三透镜3由树脂材料制成，因此可以便利于第三透镜3的形状的形成。特别的，可以便利于第三透镜3上的非球面表面的形成，并且可以使其便宜。

在根据该实施例的广角镜头中，第一透镜1由玻璃材料制成，因此可以保护广角镜头的内部免于各种故障，并且可以使该广角镜头对各种类型的环境有抵抗力。

示例

下面将描述根据该实施例的广角镜头的具体的数值示例。此处描述的示例1到3对应于该实施例，并且示例1到3的透镜的结构与图1中所示的结构相同。

在下面的描述中，以从物体侧起的顺序，假设表面S1是第一透镜1的在物体侧的表面，表面S2是第一透镜1的在像平面侧的表面，表面S3是第二透镜2的在物体侧的表面，表面S4是第二透镜2的在像平面侧的表面，表面S5是光圈，表面S6是第三透镜3的在物体侧的表面，表面S7是第三透镜3的在像平面侧的表面，表面S8是防护玻璃的在物体侧的表面，以及表面S9是防护玻璃的在像平面侧的表面。

表面S3，S4，S6和S7是非球面屈光面。假设x轴与光轴同轴，假设y轴垂直于光轴，并且假定光束的传播方向是正向。于是，通过下面的等式(3)来表示非球面表面的形状：

[数学表达式3]

x = \frac{\frac{y^{2}}{r}}{1 + \sqrt{\frac{1 - (1 + k) y^{2}}{r^{2}}}} + A_{1} y^{4} + A_{2} y^{6} + A_{3} y^{8} + A_{4} y^{10} - - - (3)

其中

r是透镜的曲率半径；

k是非球面表面的二次曲线常数；

A₁是4阶非球面系数；

A₂是6阶非球面系数；

A₃是8阶非球面系数；以及

A₄是10阶非球面系数；

示例1

表1是示例1的广角镜头的镜头数据。

[表1]

镜头数据

F-no.：2.8，焦距(f)：1.14mm，

传感器的对角线长度(D)：4.50mm，视角(2ω)：153°，

第三透镜的焦距(f3)：1.70mm，

f3/f：1.490，f/D：0.253，

后焦距(玻璃中)：2.2mm

在表1中，F-no.是f-数；焦距(f)是图1所示的广角镜头100的整个光学***的焦距；传感器的对角线长度(D)是成像器件6(传感器)的对角点之间的距离；视角(2ω)是在成像器件6的对角点处的视角；第三透镜3的焦距(f3)是第三透镜3的单独的焦距；f3/f是第三透镜3的焦距和整个透镜***的焦距之间的比率；f/D是整个透镜***的焦距和传感器的对角线长度之间的比率；以及后焦距(玻璃中)表示作为第三透镜3的第二个表面的、第三透镜3的在像平面侧的表面(表面S7)与成像器件6的在物体侧的表面(成像表面或传感器表面)之间的距离。

在表1中，表面类型表示表面S1到S9中的每个的形状。曲率半径是表面的半径，并且当表面的类型是平面时那里不输入值。表面之间的距离是以从物体侧起的顺序沿着光轴从指定的表面到下一个表面的距离。如图1所示，d1表示表面S1和S2之间的距离，d2表示表面S2和S3之间的距离，d3表示表面S3和S4之间的距离，......，以及d9表示表面S9和成像器件6的在物体侧的表面(成像表面)之间的距离。折射率nd是以从物体侧起的顺序在指定的表面和下个表面之间的、d线(587.56nm)处的折射率。阿贝数vd是以从物体侧起的顺序在指定的表面和下个表面之间的、d线处的阿贝数。

表2示出了用于指明在示例1中被指明为非球面的透镜表面的非球面形状的常数和系数。在表2中，二次曲线常数(K)与等式(3)中的二次曲线常数(k)相同，并且非球面系数A、B、C和D分别对应于等式(3)中的A₁、A₂、A₃和A₄。

[表2]

非球面系数

	S3	S4	S6	S7
					二次曲线常数(K)	1.986	6.970	70.454	-1.618
4阶系数(A)	6.239E-03	3.114E-02	-2.755E-01	-8.736E-02
					6阶系数(B)	9.165E-04	3.080E-01	8.278E-01	-1.075E-02
8阶系数(C)	-2.501E-04	-5.294E-01	-1.490E+00	1.809E-02
					10阶系数(D)	3.238E-05	7.353E-01	1.033E+00	-8.421E-03

图2A到2C是具有示例1的镜头数据的广角镜头的像差图。图2A是球面像差图，图2B是像散图，图2C是畸变图。每个像差图示出了使用e线作为参考波长的像差。球面像差图(图2A)还示出了C线和F线处的像差。在像散图(图2B)中，实线示出了在径向方向的像差，虚线示出了在切线方向的像差。在球面像差图(图2A)中，垂直轴表示f-数(F-no.)，水平轴表示像差量(mm)。在像散图(图2B)中，垂直轴表示图像高度(mm)，水平轴表示像差量(mm)。在畸变图(图2C)中，垂直轴表示图像高度(mm)，水平轴表示对于e线的畸变(％)。

图2A到2C中的像差图给出了如下的畸变(Di)、倍率色差(60％)C-e和倍率色差(60％)F-e：

畸变(Di)：-52.0％

倍率色差(60％)C-e：9.5μm

倍率色差(60％)F-e：-7.0μm

这里，畸变(Di)是在成像器件的对角点处的畸变。倍率色差(60％)C-e表示在垂直于光轴的方向的像平面上的C线(波长656.27nm)的主光线相对于在距成像器件的对角点60％的点处的e线(波长546.07nm)的偏离。倍率色差(60％)F-e表示在垂直于光轴的方向的像平面上的F线(波长486.13nm)的主光线相对于在距成像器件的对角点60％的点处的e线的偏离。

示例2

表3是示例2的广角镜头的镜头数据。表3中的每个符号遵循表1的描述。

[表3]

镜头数据

F-no.：2.8，焦距(f)：1.14mm，

传感器的对角线长度(D)：4.5mm，视角(2ω)：152°，

第三透镜的焦距(f3)：1.67mm，

f3/f：1.465，f/D：0.253，

后焦距(玻璃中)：2.15mm

表4示出了用于指明在示例2中被指明为非球面的透镜表面的非球面形状的常数和系数。表4中的每个符号遵循表2的描述。

[表4]

非球面系数

	S3	S4	S6	S7
					二次曲线常数(K)	2.236	0.000	0.000	-1.436
4阶系数(A)	-1.301E-02	-1.287E-03	-2.539E-01	-7.667E-02
					6阶系数(B)	8.295E-03	1.329E+00	9.255E-01	-1.307E-02
8阶系数(C)	-1.450E-03	-3.914E+00	-1.589E+00	8.922E-03
					10阶系数(D)	1.083E-04	3.744E+00	1.010E+00	-1.779E-03

图3A到3C是具有示例2的镜头数据的广角镜头的像差图。图3A是球面像差图，图3B是像散图，图3C是畸变图。每个像差图示出了使用e线作为参考波长的像差。球面像差图(图3A)还示出了在C线和F线处的像差。在像散图(图3B)中，实线示出了在径向方向的像差，虚线示出了在切线方向的像差。每个像差图的垂直和水平轴遵循图2的描述。

图3A到3C中的像差图中给出了如下的畸变(Di)、倍率色差(60％)C-e和倍率色差(60％)F-e：

畸变(Di)：-52.2％

倍率色差(60％)C-e：15.6μm

倍率色差(60％)F-e：-12.5μm

示例3

表5是示例3的广角镜头的镜头数据。表5中的每个符号遵循表1的描述。

[表5]

镜头数据

F-no.：2.8，焦距(f)：1.14mm，

传感器的对角线长度(D)：4.5mm，视角(2ω)：152°，

第三透镜的焦距(f3)：1.70mm，

f3/f：1.490，f/D：0.253，

后焦距(玻璃中)：2.2mm

表6示出了用于指明在示例3中被指明为非球面的透镜表面的非球面形状的常数和系数。表6中的每个符号遵循表2的描述。

[表6]

非球面系数

	S3	S4	S6	S7
					二次曲线常数(K)	2.289	0.000	0.000	-1.166

4阶系数(A)	7.383E-03	2.151E-02	-3.076E-01	-1.303E-02
					6阶系数(B)	5.561E-04	6.521E-01	9.040E-01	-2.875E-03
8阶系数(C)	-4.972E-05	-2.472E+00	-1.518E+00	-3.186E-03
					10阶系数(D)	6.067E-06	3.396E+00	9.554E-01	-5.691E-03

图4A到4C是具有示例3的镜头数据的广角镜头的像差图。图4A是球面像差图，图4B是像散图，图4C是畸变图。每个像差图示出了使用e线作为参考波长的像差。球面像差图(图4A)还示出了在C线和F线处的像差。在像散图(图4B)中，实线示出了在径向方向的像差，虚线示出了在切线方向的像差。每个像差图的垂直和水平轴遵循图2的描述。

畸变(Di)：-52.2％

倍率色差(60％)C-e：9.3μm

倍率色差(60％)F-e：-7.0μm

尽管已经通过举例说明实施例而详细描述了本发明的广角镜头，但是本发明的范围不限于此，并且可以根据目的在所要求的范围内对其进行修改和改变。

工业实用性

如上所述，本发明具有能够使用少量透镜而减少倍率色差、便利于透镜的制造和减少畸变的优点，并且对于被用于以车内照相机、蜂窝电话照相机、PC照相机、监控照相机等为代表的小型照相机的广角镜头是有用的，所述小型相机使用诸如CCD和CMOS的成像器件。

Claims

1.一种包括透镜***的广角镜头，所述透镜***包括：以从物体侧起的顺序布置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；以及在所述第二透镜和所述第三透镜之间提供的光圈，其中：

所述第一透镜是具有负光焦度并且凸面面向物体侧的球面凹凸透镜；

所述第二透镜是沿着光轴具有负光焦度而在离开所述光轴处具有正光焦度、并且凸面面向所述物体侧的非球面凹凸透镜；

所述第三透镜是具有正光焦度的透镜；

所述第二透镜的阿贝数为30或更小；

放置在所述透镜***的像平面上的成像器件的对角线长度D和整个透镜***的焦距f之间的比率f/D为0.26或更小；并且

所述第三透镜的焦距f3和整个透镜***的焦距f之间的比率f3/f小于1.5。

2.根据权利要求1所述的广角镜头，其中所述第三透镜是非球面透镜。

3.根据权利要求1或2所述的广角镜头，其中所述第二透镜由树脂材料制成。

4.根据权利要求1到3中的任一项所述的广角镜头，其中所述第三透镜由树脂材料制成。

5.根据权利要求1到4中的任一项所述的广角镜头，其中所述第一透镜由玻璃材料制成。