CN103097934A - 高孔径宽角度透镜 - Google Patents

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CN103097934A CN2011800424516A CN201180042451A CN103097934A CN 103097934 A CN103097934 A CN 103097934A CN 2011800424516 A CN2011800424516 A CN 2011800424516A CN 201180042451 A CN201180042451 A CN 201180042451A CN 103097934 A CN103097934 A CN 103097934A
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H·艾伯斯梅尔
T·施泰尼希
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Jos Schneider Optische Werke GmbH
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Abstract

本发明涉及用于数字图像获取的高孔径宽角度透镜，包括五个透镜元件，也就是说，从对象侧观察，即，从左侧起，第一负弯月透镜元件(112)、第二正透镜元件(118)、第三正透镜元件(126)、第四负透镜元件(130)和第五正弯月透镜元件。光圈(122)布置在第二透镜元件(118)和第三透镜元件(126)之间。在光圈上游的至少三个面和在光圈下游的至少三个面被实施为非球面。然而，另一的面也能够具有非球设计。由于其极紧凑的设计和突出的光学特性，所提出的高孔径宽角度透镜适合作为用于所谓“混合式照相机”的可互换透镜。

Description

高孔径宽角度透镜
技术领域
本发明涉及用于照相和工业应用的用于数字图像获取的高孔径宽角度透镜。
背景技术
除了数字反射照相机之外，越来越关注对于无反射镜而在图像品质和附件方面、尤其在能够针对特定任务使用可互换透镜的可能性方面具有大致可比较特性的数字照相机。
省却反射镜主要给予了优于***的反射照相机的尺寸优势。无反射镜照相机的模型尺寸已经接近大小紧凑照相机的模型尺寸。
具有可互换透镜而不具有反射镜的数字照相机通常被称为“混合式照相机”。也需要具有尽可能紧凑设计的可互换透镜，尤其是为了实现这种照相机的各种特定用途。
例如，在US7,239,457B2中描述了用于数字图像获取的宽角度透镜。这种宽角度透镜适用于以在40°和50°之间的范围内的半场角进行获取。该宽角度透镜具有五个或六个透镜元件，其中第三透镜元件和第四透镜元件彼此胶合。所描述的透镜的一种应用相符的特性是例如前透镜元件下游的束路径，所述束路径由棱镜偏转90°。结果，所描述的透镜不适合用作用于混合式照相机的可互换透镜。此外，所描述的透镜具有极长的总结构长度。
诸如在例如US5,631,780中的传统的宽角度反远距透镜由多个球形透镜元件构成，此处例如为10个透镜元件，并且具有近似70mm至100mm的结构长度。非球面仅在极小程度上使用，此处例如仅在两个面上使用。
文献US2009/0009887A1描述了例如仅包括五个透镜元件的宽角度透镜，其中，在从对象侧观察时，第三透镜元件和第四透镜元件形成双合透镜。在该情况下，五个透镜元件中的至少一个透镜元件具有在对象侧上的非球面，并且五个透镜元件中的至少一个透镜元件具有在图像侧上的非球面。而且，五个透镜元件的面中的总共至少三个面被实施为非球面样式。
另一文献(US2003/0174410A1)公开了同样包括五个透镜元件的宽角度透镜(具有固定焦距)，五个透镜元件构成了四个透镜元件组。此处，同样，当从对象侧观察时，第三透镜元件和第四透镜元件形成双合透镜。除了双合透镜之外的所有透镜元件组是单独的透镜元件，其中单独的透镜元件中的每个具有非球面。
问题
本发明解决的问题是规定以极紧凑设计和极良好的成像品质为区别的高孔径宽角度透镜的问题。
发明概述
该问题是由包括独立权利要求的特征的本发明解决的。本发明的有益发展的特征在于从属权利要求。所有的权利要求的措词因此通过引用并入到该说明书的内容中。
本发明涉及用于数字图像获取的宽角度透镜，包括当从对象侧观察时按所陈述的次序的以下元件：
a)第一负弯月透镜元件，
其中弯月透镜元件的凸面朝向所述对象侧；
b)第二正透镜元件，
其中所述透镜元件的更大程度弯曲的凸面朝向所述对象侧；
c)光圈；
d)第三正透镜元件，
其中，所述透镜元件的更大程度弯曲的凸面远离所述对象侧朝向；
e)第四负透镜元件；
f)其中所述第三正透镜元件和所述第四负透镜元件彼此胶合；以及
g)第五正弯月透镜元件，其中所述弯月透镜元件的凸面远离所述对象侧朝向；
h)其中，所述宽角度透镜不具有另外的透镜元件；
i)其中，所述第二透镜元件的朝向所述对象的所述面具有非球面；
j)其中，在所述光圈的对象侧上游的至少三个透镜元件面和所述光圈的图像侧下游的至少三个透镜元件面被实施为非球面；以及
k)其中，透镜元件材料的折射率nd和阿贝数vd满足根据下表的条件，其中必须同时满足所有这些条件：
  n d v d
第一透镜元件 ≥1.8 ≥40
第二透镜元件 ≥1.8 ≤30
第三透镜元件 ≥1.8 ≥45
第四透镜元件 ≥1.8 ≤30
第五透镜元件 ≥1.5 ≥55
，并且
1)其中，所述第一透镜元件的焦距具有在所述宽角度透镜的总焦距的-1.0至-1.2倍的范围内的值。
所提出的宽角度透镜适合于与像圈直径高达30mm的图像传感器结合使用。尤其是，所提出的宽角度透镜能够用于APS-C(“Advanced PhotoSystem Classic”)传感器和Micro Four Thirds传感器的照相部分。APS-C中的传感器尺寸近似为23.6×15.8mm(其近似对应于3∶2的纵横比)。
具有16mm的焦距和2.8和2.2的f数的本发明的透镜适用于高达30mm的像圈直径。提供具有12mm的焦距和2.4的f数的透镜，以用于高达21.7mm的像圈直径。
所提出的透镜的对象侧场角大于80°，尤其为85°。显著小的图像侧角(入射到芯片平面上的(主光线[VH1])角)为20°的最大值并且当为了避免亮度损失而使用具有微透镜元件的传感器是需要的。
用于第一至第四透镜元件的具有较高折射率(nd≥1.8)的玻璃类型的选择促进了极紧凑的整体***的实现，而同时保持了极良好的校正状态(其对应于高成像性能)。
由于其极紧凑的设计及其突出的光学特性，所提出的高孔径宽角度透镜尤其还适合用作所谓“混合式照相机”的可互换透镜。
在透镜的一个有利发展中，透镜的第二正透镜元件和/或第三正透镜元件和/或第四负透镜元件为弯月透镜元件。
还有利的是，图像的聚焦能够通过使整个透镜沿着光轴移位来实现，其中透镜的透镜元件之间的气隙保持恒定，并且仅第五透镜元件的最后面和图像传感器之间的距离是可变的。
对不同距离的聚焦不仅能够通过透镜的上述整体移位而且另外通过改变光圈下游的第一气隙(即，光圈和第三正透镜元件之间的距离)来实现。改进光圈下游的第一气隙可以使得在大范围的成像标度内的成像性能最优。
第一透镜元件下游的气隙应当至少为透镜的焦距的0.6倍，而在图像侧方向上的最后透镜元件面下游的顶点焦距应当至少为透镜的焦距的1.25倍。
有利的是第四透镜元件为负弯月透镜元件，其中透镜元件的凹面朝向对象侧。
还有利的是第一透镜元件具有两个非球面。这起到校正畸变、散光和图像场曲率的作用。
同样有利的是第五透镜元件具有两个非球面。这起到校正场相关图像像差的作用并且与对象侧场角相比减小了图像侧场角。
第二透镜元件的对象侧面应当有利地实施为非球面，以便确保球面像差的校正。为了实现高于k＝2.8(例如，k＝2.2)的最大孔径，图像侧面上的另外的非球面是有用的。
还有利的是第三透镜元件的对象侧面具有非球面。这起到校正瞳孔相关的图像像差的作用。
在进一步有利的实施方案中，有利的是第三透镜元件的阿贝数与第四透镜元件的阿贝数的比值为大于或等于1.5的值。
从下文结合从属权利要求对优选的示例性实施方案的说明中显知进一步的细节和特征。在该情况下，相应的特征可由其本身实现或者实现为彼此相结合的复特征。用于解决该问题的可能性不局限于示例性的实施方案。因此，例如，范围指示总是涵盖所有未进行陈述的中间值以及所有能够构思的子间隔。
附图说明
在附图中示意性地示出了示例性的实施方案。在此情况下各附图中相同的附图标记指代相同或功能上相同或功能方面彼此对应的元件。在附图中，具体为：
图1示出了具有高孔径宽角度透镜的透镜元件布置的示例性实施方案的光学***的示意性图示；
图2示出了依照图1的宽角度透镜的图像场曲率的图形图示，其中焦距为16mm，并且f数为k＝2.8；
图3示出了依照图1的宽角度透镜的畸变的图形图示，其中焦距为16mm，并且f数为k＝2.8；
图4示出了依照图1的宽角度透镜的横向色像差的图形图示，其中焦距为16mm，并且f数为k＝2.8；
图5示出了依照图1的宽角度透镜的球面像差的图形图示，其中焦距为16mm，并且f数为k＝2.8；
图6示出了依照图1的宽角度透镜的球面像差的图形图示，其中焦距为16mm，并且f数为k＝2.2；
图7示出了依照图1的宽角度透镜的球面像差的图形图示，其中焦距为12mm，并且f数为k＝2.4；
图1所示的宽角度透镜的三个示例性实施方案的技术数据列于表1至表6中，在表中，具体为：
表1示出了依照图1的宽角度透镜的半径、厚度或气隙、折射率和阿贝数的列表，其中焦距为16mm，并且f数为k＝2.8；
表1A示出了依照图1的宽角度透镜的非球系数的列表，其中焦距为16mm，并且f数为k＝2.8；
表2示出了依照图1的宽角度透镜的半径、厚度或气隙、折射率和阿贝数的列表，其中焦距为16mm，并且f数为k＝2.2；
图2A示出了依照图1的宽角度透镜的非球系数的列表，其中焦距为16mm，并且f数为k＝2.2；
图3示出了依照图1的宽角度透镜的半径、厚度或气隙、折射率和阿贝数的列表，其中焦距为12mm，并且f数为k＝2.4；
图3A示出了依照图1的宽角度透镜的非球系数的列表，其中焦距为12mm，并且f数为k＝2.4。
发明详述
在图1中示出了其透镜元件布置的示例性实施方案示意性地示出了所提出的紧凑的高孔径宽角度透镜的基本构造。所描述的全部示例性实施方案具有相同的基本构造，但是其焦距和f数不同。
在图1中示意性地图示的光学***100的示例性实施方案中，透镜为具有焦距16mm和f数k＝2.8的高孔径宽角度透镜102。在图1的图示中，对象侧104分别位于左侧，并且具有数字获取传感器108的图像侧106位于右侧。
图1所示的宽角度透镜102按从对象侧104到图像侧106或图像获取传感器108(即，从左到右)观察的次序包括以下元件：
a)第一负弯月透镜元件112，
其中弯月透镜元件112的凸面110朝向对象侧104；
b)第二正透镜元件118，
其中透镜元件118的更大程度弯曲的凸面116朝向对象侧104；
c)光圈122；
d)第三正透镜元件126，
其中透镜元件126的更大程度弯曲的凸面128远离对象侧104朝向；
f)第四负透镜元件130；
g)第五正弯月透镜元件136，其中弯月透镜元件136的凸面138朝向对象侧104。
第三透镜元件126和第四透镜元件130彼此胶合并且形成双合透镜。
在图像侧，玻璃路径142包括在宽角度透镜102的最后一个透镜元件136的下游。通常使用红外切片滤光镜和/或光学低通滤光镜和传感器盖玻璃。总厚度在0.6mm和3mm之间，取决于制造商。
作为依照图1的基本构造的示例性实施方案，呈现了具有以下光学特性数据的三个宽角度透镜102：
示例性实施方案1：
焦距为16mm
f数为k＝2.8
示例性实施方案2：
焦距为16mm
f数为k＝2.2
示例性实施方案3：
焦距为12mm
f数为k＝2.4
与三个示例性实施方案的光学元件的各个面有关的确切规格连同各相关的附图标记可见于表1至表3中。
三个示例性实施方案的半径、厚度或气隙、折射率和阿贝数的列表可见于表1、表2和表3中。
呈现为示例性实施方案的三个宽角度透镜的非球面实施的透镜元件面的非球面数据列于表1A、表2A和表3A中。
非球面透镜元件的面通常可由以下公式描述：
z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) · c 2 r 2 + a 1 r 2 + a 2 r 4 + a 3 r 6 + a 4 r 8 + a 5 r 10 + a r r 12 + · · ·
其中
-z为沿光轴方向的弧矢(单位为mm)。
-c表示所谓的顶点曲率。其用于描述凸形或凹形的透镜元件面的曲率并且由半径的倒数计算得到。
-r表示距光轴的距离(单位为mm)并且r为径向坐标。
-k表示所谓的锥常数。
-a1、a2、a3、a4、a5和a6表示所谓的非球系数，其为用于描述球的面的函数的多项式展开的系数。
在聚焦过程中，有利的是，除了使透镜作为整体移位之外，另外进行了浮动聚焦。在浮动聚焦过程中，减小了光圈下游的第一气隙。在用于最近邻设定(β’＝-0.1，距对象的距离＝170mm)的浮动聚焦过程中，产生了以下值：
Figure BDA00002875726100081
图2至图7图形地示出了依照与图对应的基本构造的三个示例性的宽角度透镜102的一些特性变量。
图2图形地示出了依照图1的宽角度透镜102的图像场曲率200，其中焦距为16mm并且f数为k＝2.8。曲线202示出了切向图像外壳的轮廓，而曲线204表示弧矢图像外壳的轮廓。在该情况下，水平轴(x轴)表示沿着光轴的纵向散焦。垂直轴(y轴)包含0场角至最大场角的场坐标。
在图3中示出了依照图1的宽角度透镜102的畸变300的图形图示，其中焦距为16mm并且f数为k＝2.8。在该情况下，水平轴(x轴)表示在-5％至+5％的范围内的百分比畸变，而垂直轴(y轴)的值对应于0场角至最大场角的场坐标。曲线302表示相对于高达最大场角的场角的畸变的轮廓。畸变总是小于3％。
图4图形地复制了依照图1的宽角度透镜102的横向色像差，其中焦距为16mm并且f数为k＝2.8。在该情况下，水平轴(x轴)表示质心光线与基准质心光线在λ＝546.074nm处的偏差(以微米计)。垂直轴(y轴)表示从0场角至最大场角的场坐标。曲线402示出了质心光线与基准质心光线相对于场坐标在λ＝643.8469nm时的偏差的轮廓，而曲线404质心光线与基准质心光线相对于场坐标在λ＝486.1327nm时的偏差的轮廓。
在图5中示出了具有16mm焦距和k＝2.8的f数的宽角度透镜102的球面像差500的图形图示，而图6示出了具有16mm焦距和k＝2.2的f数的宽角度透镜102的球面像差600的图形图示，并且图7示出了具有12mm焦距和k＝2.4的f数的宽角度透镜102的球面像差700。在各情况下光圈的水平轴(x轴)表示沿着光轴的纵向散焦，并且在各情况下垂直轴(y轴)表示透镜的入射光瞳的半径。在各情况下的图示出了入射光瞳中不同的入射高度的轴向孔径光线的纵向偏差，其中在各情况下对于波长＝546.074nm(主色)来计算轮廓曲线502、602、702。
对于除了那些已经提及的之外的焦距和/或f数，所有相关的尺寸规格，例如半径和气隙，原则上是可量的。这使得可以不仅可以实现所描述的三个实施例，而且能够实现相同类型但是具有不同焦距的整个透镜系列。因此，宽角度透镜能够用于不同的应用。
附图标记
100：光学***
102：宽角度透镜
104：对象侧
106：图像侧
108：图像传感器
110：透镜元件112的第一面
112：第一透镜元件
114：透镜元件112的第二面
116：透镜元件118的第一面
118：第二透镜元件
120：透镜元件118的第二面
122：光圈
124：透镜元件126的第一面
126：第三透镜元件
128：透镜元件126的第二面/透镜元件130的第一面
130：第四透镜元件
132：透镜元件130的第二面
134：透镜元件136的第一面
136：第五透镜元件
138：透镜元件136的第二面
140：透镜板142的第一面
142：透明板
144：透镜板142的第二面
200：宽角度透镜(焦距为16mm；f数为k＝2.8)的图像场曲率的图形图示
202：切向图像外壳的曲线轮廓
204：弧矢图像外壳的曲线轮廓
300：宽角度透镜(焦距为16mm；f数为k＝2.8)的畸变的图形图示
302：相对于场角的畸变的曲线轮廓
400：宽角度透镜(焦距为16mm；f数为k＝2.8)的横向色像差的图形图示
402：横向色像差(相对于场坐标的质心光线与基准质心光线在λ＝643.8469nm时的偏差)的曲线轮廓
404：横向色像差(相对于场坐标的质心光线与基准质心光线在λ＝486.1327nm时的偏差)的曲线轮廓
500：宽角度透镜(焦距为16mm；f数为k＝2.8)的球面像差的图形图示
502：对于入射光瞳中不同入射高度的轴向孔径光线的纵向偏差的曲线轮廓
600：宽角度透镜(焦距为16mm；f数为k＝2.2)的球面像差的图形图示
602：对于入射光瞳中不同入射高度的轴向孔径光线的纵向偏差的曲线轮廓
700：宽角度透镜(焦距为12mm；f数为k＝2.4)的球面像差的图形图示
702：对于入射光瞳中不同入射高度的轴向孔径光线的纵向偏差的曲线轮廓
引用的文献
US7,239,457B2
US5,631,780
US2009/0009887A1
US2003/0174410A1
表1
焦距16mm/f数k＝2.8
Figure BDA00002875726100111
*＝非球面
表1A
Figure BDA00002875726100121
表1A(续)
Figure BDA00002875726100122
表2
焦距16mm/f数k＝2.2
*＝非球面
表2A
Figure BDA00002875726100133
Figure BDA00002875726100141
表2A(续)
Figure BDA00002875726100142
表3
焦距12mm/f数k＝2.4
Figure BDA00002875726100152
*＝非球面
表3A
Figure BDA00002875726100161
表3A(续)
Figure BDA00002875726100171

Claims (10)

1.用于数字图像获取的宽角度透镜(102)，包括当从对象侧(104)观察时按所陈述的次序的以下元件：
a)第一负弯月透镜元件(112)，
其中弯月透镜元件(112)的凸面(110)朝向所述对象侧(104)；
b)第二正透镜元件(118)，
其中所述透镜元件(118)的更大程度弯曲的凸面(116)朝向所述对象侧(104)；
c)光圈(122)；
d)第三正透镜元件(126)，
其中，所述透镜元件(126)的更大程度弯曲的凸面(128)远离所述对象侧(104)朝向；
e)第四负透镜元件(130)；
f)其中所述第三正透镜元件(126)和所述第四负透镜元件(130)彼此胶合；以及
g)第五正弯月透镜元件(136)，其中所述弯月透镜元件(136)De凸面(138)远离所述对象侧(104)朝向；
h)其中，所述宽角度透镜(102)不具有另外的透镜元件；
i)其中，所述第二透镜元件(118)的朝向所述对象的所述面(116)具有非球面；
j)，其中，在所述光圈的对象侧上游的至少三个透镜元件面和所述光圈的图像侧下游的至少三个透镜元件面实施为非球面；以及
k)其中，透镜元件材料的折射率nd和阿贝数vd满足根据下表的条件，其中必须同时满足所有这些条件：
  附图标记 n d v d 第一透镜元件 112 ≥1.8 ≥40 第二透镜元件 118 ≥1.8 ≤30 第三透镜元件 126 ≥1.8 ≥45 第四透镜元件 130 ≥1.8 ≤30 第五透镜元件 136 ≥1.5 ≥55
1)其中，所述第一透镜元件的焦距具有在所述宽角度透镜(102)的总焦距的-1.0至-1.2倍的范围内的值。
2.如权利要求1所述的宽角度透镜(102)，
其特征在于
所述第二正透镜元件(118)和/或所述第三正透镜元件(126)和/或第四负透镜元件(130)为弯月透镜元件。
3.如前述任一权利要求所述的宽角度透镜(102)，
其以如下方式实施
能够通过使整个透镜(102)沿着光轴移位来实现聚焦；和/或
能够通过改变光圈(122)和第三正透镜元件(126)之间的距离来实现聚焦。
4.如前述任一权利要求所述的宽角度透镜(102)，
其特征在于
第一透镜元件的图像侧下游的气隙至少为所述宽角度透镜(102)的总焦距的0.6倍；并且
沿图像侧方向的最后一个透镜元件面(138)下游的顶点焦距至少为所述宽角度透镜(102)的总焦距的1.25倍。
5.如前述任一权利要求所述的宽角度透镜(102)，
其特征在于
所述第四透镜元件为负弯月透镜元件，其中所述透镜元件的凹面朝向对象侧。
6.如前述任一权利要求所述的宽角度透镜(102)，
其特征在于
所述第一透镜元件(112)具有两个非球面。
7.如前述任一权利要求所述的宽角度透镜(102)，
其特征在于
所述第五透镜元件具有两个非球面。
8.如前述任一权利要求所述的宽角度透镜(102)，
其特征在于
所述第二透镜元件的图像侧面具有一个非球面。
9.如前述任一权利要求所述的宽角度透镜(102)，
其特征在于
所述第三透镜元件的对象侧面具有一个非球面。
10.如前述任一权利要求所述的宽角度透镜(102)，
其特征在于
所述第三透镜元件的阿贝数与所述第四透镜元件的阿贝数的比值为大于或等于1.5的值。
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