專利名稱：廣角鏡頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)近紅外光和可見光具有良好光學(xué)特性的小型廣角鏡頭，適用于警戒相機(jī)，偵察相機(jī)，或用于電視電話系統(tǒng)的相機(jī)。
此外，警戒相機(jī)常常用于光線暗的條件下。在此情況下，要讓安置在警戒相機(jī)上的近紅外輻照單元發(fā)射出近紅外光，并用警戒相機(jī)在暗光條件下拍攝近紅外目標(biāo)的象。但是，當(dāng)為可見光設(shè)計(jì)的廣角鏡頭用于近紅外光線下時(shí)，會(huì)發(fā)生焦點(diǎn)模糊的問題。
而傳統(tǒng)的廣角鏡頭，如日本專利公開2-77712公開了一種超廣角鏡頭，從物方起依次包括第一透鏡元件，具有負(fù)光焦度的彎月凹透鏡；，和第二透鏡元件，具有正光焦度的雙凸透鏡。在這種情況下，為了降低廣角鏡頭的尺寸，第一透鏡單元必須設(shè)計(jì)成，面向物方的第一透鏡單元表面具有大的曲率半徑。但是，由于在制造這種第一透鏡單元時(shí)對(duì)偏心公差要求很嚴(yán)格，所以有一個(gè)生產(chǎn)量低的問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種對(duì)近紅外光和可見光都具有良好光學(xué)特性的小型廣角鏡頭，它可以較為容易地制造出來。
即，廣角鏡頭從物方起依次包括第一透鏡元件，它是具有負(fù)光焦度的雙凹透鏡；以及第二透鏡元件，它是具有正光焦度的雙凸透鏡；其中第一透鏡元件和第二透鏡元件的至少一個(gè)表面是非球面的，該廣角鏡頭滿足以下條件1＜|r4|/r3＜3 (1)D2＜1.5f (2)其中“r3”是第二透鏡元件面向物方的前表面的曲率半徑，“r4”是第二透鏡元件后表面的曲率半徑，“D2”是第一透鏡元件面向象方的后表面與第二透鏡元件前表面之間的主軸上距離，以及“f”是廣角鏡頭的焦距長度。
由于第一透鏡元件的雙凹透鏡在象方和物方表面均提供了光焦度，故可以使第一透鏡元件的后表面具有小的曲率。這放松了組裝公差，尤其是偏心公差，簡化了第一透鏡元件的制造。此外，當(dāng)雙凹透鏡的前表面為球面時(shí)，在大視場角時(shí)的入射角增大了，致使入射能量趨于降低。通過形成具有小曲率表面或非球表面的前表面，可以避免入射能量的降低。
條件(1)的目的是在距離“D2”小時(shí)控制第二透鏡元件的光焦度。當(dāng)|r4|/r3≤ 1時(shí)，即使距離“D2”很小，第二透鏡元件后表面也必須有很大的曲率來完成足夠的校正。當(dāng)使用曲率如此大的透鏡時(shí)，需要嚴(yán)格的組裝公差。此外，當(dāng)孔闌位于第二透鏡元件后表面附近時(shí)，鏡頭的有效直徑變小，致使較厚的第二透鏡元件需要保持F/數(shù)。這導(dǎo)致了廣角鏡頭的總長度增加。另一方面，當(dāng)|r4|/r3≥3時(shí)，第二透鏡元件前表面的曲率變大，因此需要嚴(yán)格的組裝公差，尤其是偏心公差。因此，當(dāng)條件(1)得不到滿足時(shí)，本發(fā)明提供小型廣角鏡頭的目的將不能實(shí)現(xiàn)。
條件(2)的目的是實(shí)現(xiàn)廣角鏡頭的小型化，和保持合適的象差。就距離“D2”的低限而言，它適宜滿足“1.5f＜D2”的條件。當(dāng)距離“D2”超過1.5f時(shí)，廣角鏡頭的總長度將增大。
上述廣角鏡頭適宜進(jìn)一步滿足下述條件0.7f＜f2＜1.5f (3)其中“f2”是第二透鏡元件的焦距長度。
條件(3)的目的是確定廣角鏡頭整個(gè)系統(tǒng)的光焦度分布，并保持“D2”在條件(2)的范圍內(nèi)。當(dāng)f2≤0.7f時(shí)，第二透鏡元件的光焦度增大，使得象差校正變得困難。當(dāng)1.5f≤f2時(shí)，需要增大距離“D2”，使得廣角鏡頭的總長度變長。當(dāng)廣角鏡頭的焦距長度“f”小時(shí)，為了控制各個(gè)透鏡元件的光焦度，尤其適于滿足“f＜f2”的條件。另一方面，當(dāng)廣角鏡頭的焦距長度“f”較長時(shí)，為了廣角鏡頭的小型化和進(jìn)行適當(dāng)?shù)南蟛钚Ｕ?，適宜滿足“f2＜f”的條件。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明進(jìn)一步提供了下述的廣角鏡頭。即，該廣角鏡頭從物方起依次包括第一透鏡元件，它是具有負(fù)光焦度的雙凹透鏡；以及第二透鏡元件，它是具有正光焦度的雙凸透鏡；其中第一透鏡元件面向象方的后表面是非球面的，而且該廣角鏡頭滿足以下條件0.6D2/f≤|f2/f1|≤2.3D2/f (4)0.6h2≤r2≤1.0h2(5)其中“f”是廣角鏡頭的焦距長度，“f1”是第一透鏡元件的焦距長度，“f2”是第二透鏡元件的焦距長度，“r2”是第一透鏡元件后表面的曲率半徑，“h2”是第一透鏡元件后表面的有效半徑，以及“D2”是第一透鏡元件后表面與第二透鏡元件面向物方的前表面之間的主軸上距離。
條件(4)的目的是實(shí)現(xiàn)廣角鏡頭在近紅外光條件下的良好光學(xué)特性。當(dāng)|f2/f1|＜0.6D2/f時(shí)，第一透鏡元件的正球差值太小。在此情況下，可見光的球差較好，但是近紅外光的球差變大，使得光學(xué)性能顯著降低。另一方面，當(dāng)|f2/f1|＞2.3D2/f時(shí)，球差校正大大過度，使得光學(xué)性能降低。總之，當(dāng)僅僅對(duì)可見光區(qū)域進(jìn)行球差校正時(shí)，與可見光條件下所成象點(diǎn)相比，近紅外光的球差向著正值偏移一個(gè)較大的量。為此，在本發(fā)明中，可見光的球差校正稍微過度，以控制近紅外光球差的正向偏移，在可見光和近紅外光之間很好地平衡光學(xué)性能。
與條件(4)相有關(guān)，條件(5)的目的是保持良好的球差。如上所述，當(dāng)稍微過度地校正球差時(shí)，透鏡周邊部分的球差校正量比透鏡中心部分大得多。在本發(fā)明中，用非球表面作第一透鏡元件后表面并滿足透鏡(5)來充分地控制透鏡周邊部分球差校正量。所以，當(dāng)1.0h2＜r2時(shí)，由于球差高次項(xiàng)太小的影響，難以控制透鏡周邊部分的球差的過度校正。另一方面，當(dāng)r2＜0.6h2時(shí)，可以有效地控制透鏡周邊部分的球差過度校正，但是由于第一透鏡元件后表面曲率半徑“r2”變小，存在一個(gè)透鏡難以制造的問題。
上述超廣角鏡頭適宜進(jìn)一步滿足下述條件1.0≤D2/f≤1.5 (6)與條件(4)相關(guān)，條件(6)的目的是得到所需的廣角鏡頭后焦距，和提供良好的球差校正。當(dāng)D2/f＜1.0時(shí)，不能得到需所后焦距。在超廣角鏡頭中，由于設(shè)定的焦距長度小，故鏡頭的后焦距變小。但是，由于得不到所需的后焦距，有一個(gè)在鏡頭與成象表面之間不能插入諸如顏色校正濾色片等濾光片的麻煩。此外，成象表面的輻射角增大，使得象場邊緣的亮度降低。另一方面，當(dāng)1.5＜D2/f時(shí)，可以得到所需的后焦距，但是廣角鏡頭的尺寸難以縮小。
上述這些和其他目的與優(yōu)點(diǎn)，將通過下文結(jié)合附圖的本發(fā)明最佳實(shí)施模式而可以得到清楚地解釋。
第一實(shí)施例如

圖1所示，本發(fā)明的廣角鏡頭安裝在CCD相機(jī)中。即，CCD相機(jī)主要由CCD(電荷耦合器件)，廣角鏡頭(11，12)，孔闌13，和CCD的玻璃蓋板14組成。15表示CCD成象表面廣角鏡頭從物方依次包括具有負(fù)光焦度的雙凹透鏡的第一透鏡單元11，和具有正光焦度的雙凸透鏡的第二透鏡單元12。換句話說，第二透鏡單元12位于第一透鏡單元11與CCD成象表面15之間。在圖1中，標(biāo)號(hào)“r1”和“r2”分別代表第一透鏡單元11朝向物方的前表面和朝向成象表面15的后表面。類似地，標(biāo)號(hào)“r3”和“r4”分別代表第二透鏡單元12朝向物方的前表面和朝向成象表面15的后表面。在第一實(shí)施例中，第一透鏡單元11的后表面和“r2”和第二透鏡單元12的前后表面標(biāo)號(hào)“r3，r4”是非球面的。表1表示了第一實(shí)施例廣角鏡頭的光學(xué)特性。第一透鏡單元11，第二透鏡單元12，孔闌13和玻璃蓋板14，從物方起具有表面序數(shù)(i＝1-7)。在表1中，“Ri”表示與相應(yīng)表面序數(shù)(i)對(duì)應(yīng)的表面曲率半徑。“Di”代表主軸上第(i)表面與第(i+1)表面之間的的距離。此外，第一透鏡單元11，第二透鏡單元12和玻璃蓋板14具有從物方算起的組件數(shù)(j＝1-3)?！癗j”代表與組件數(shù)(j)對(duì)應(yīng)的組件的d-線折射率。非球表面由表面序數(shù)右側(cè)的星號(hào)表示?！癒”和“A”分別表示圓錐常數(shù)和非球面系數(shù)。
當(dāng)垂直于主軸方向的坐標(biāo)軸為Y，主軸方向的坐標(biāo)軸為X時(shí)，非球面由下式表示X＝[CY2/{1+(1-(K+1)(CY)2)1/2)]+AY4+……，C＝1/Ri。
在該廣角鏡頭中，“|r4|/r3”，“D2”和“f2”的值分別是1.75，1.4f和1.33f。所以，第一實(shí)施例的廣角鏡頭滿足本發(fā)明所定義的下述條件(1)，(2)和(3)1＜|r4|/r3＜3 ……(1)D2＜1.5f……(20.7f＜f2＜1.5f ……(3)圖2A至2C分別表示本實(shí)施例廣角鏡頭在可見光條件下的球差，象散和畸變。另外，圖3A至3C分別表示本實(shí)施例廣角鏡頭的各種橫向象差。在這些圖中，“C”，“d”，“F”，“m”和“s”分別代表與C-線，d-線，F(xiàn)-線，子午平面，和弧矢平面的象差。
而且已經(jīng)驗(yàn)證用940nm波長的近紅外代替可見光的條件下，相同焦點(diǎn)位置的象差得到了很好地校正。于是，本實(shí)施例的廣角鏡頭在可見光和近紅外光范圍都表現(xiàn)出良好的光學(xué)性能。
第二實(shí)施例如圖4所示，第二實(shí)施例的廣角鏡頭基本與第一實(shí)施例的相同，只是第一和第二透鏡單元(11，12)具有表2所列光學(xué)特性。所以，省略了重復(fù)的表述。
在本廣角鏡頭中，“|r4|/r3”，“D2”和“f2”的值分別是1.1，0.63f和0.95f。所以，本實(shí)施例的廣角鏡頭滿足上述的所有條件(1)，(2)和(3)。
圖5A至5C分別表示本實(shí)施例廣角鏡頭在可見光條件下的球差，象散和畸變。另外，圖6A至6C分別表示本實(shí)施例廣角鏡頭的各種橫向象差。在這些圖中，“C”，“d”，“F”，“m”和“s”分別代表與C-線，d-線，F(xiàn)-線，子午平面，和弧矢平面的象差。
而且已經(jīng)驗(yàn)證用940nm波長的近紅外代替可見光的條件下，相同焦點(diǎn)位置的象差得到了很好地校正。于是，本實(shí)施例的廣角鏡頭在可見光和近紅外光范圍都表現(xiàn)出良好的光學(xué)性能。
第三實(shí)施例如圖7所示，第三實(shí)施例的廣角鏡頭基本與第一實(shí)施例的相同，只是第一和第二透鏡單元(11，12)具有表3和表4所列光學(xué)特性。所以，省略了重復(fù)的表述。
在本廣角鏡頭中，其特征在于最大視場角為130度，而且第一和第二透鏡單元(11，12)的全部前表面“r1，r3”和后表面“r2，r4”都是非球面。
表3和表4表示了第三實(shí)施例的廣角鏡頭的光學(xué)特性。第一透鏡單元11，第二透鏡單元12，孔闌13和玻璃蓋板14具有從物方算起的表面序數(shù)(i＝1-7)。在表3中，“Ri”表示與相應(yīng)表面序數(shù)(i)對(duì)應(yīng)的表面曲率半徑?！癉i”代表主軸上第(i)表面與第(i+1)表面之間的的距離?！癶i”代表對(duì)應(yīng)于第一和第二透鏡單元(11，12)和孔闌13表面序數(shù)(i＝1-5)的表面有效半徑。第五表面(i＝5)對(duì)應(yīng)于孔闌13的位置。此外，第一透鏡單元11，第二透鏡單元12和玻璃蓋板14具有從物方算起的組件數(shù)(j＝1-3)?！癗j”代表與組件數(shù)(j)對(duì)應(yīng)的組件的d-線折射率。非球表面由表面序數(shù)右側(cè)的星號(hào)表示。在表4中，“K”表示圓錐常數(shù)，而“ARk”表示高達(dá)k次的非球面系數(shù)(k＝2，3，6，8，10)。
在該實(shí)施例中，當(dāng)垂直于主軸方向的坐標(biāo)軸為“Y”，主軸方向的坐標(biāo)軸為“X”時(shí)，非球面由下式表示
X＝[CY2/{1+(1-(K+1)(CY)2)1/2}]+∑ ARYkC＝1/Ri在該廣角鏡頭(超廣角鏡頭)中，“|f2/f1|”，“r2”和“D2/f”的值分別是0.788(D2/f)，0.984hi和1.255。本發(fā)明定義了滿足條件(4)，(5)和(6)的廣角鏡頭0.6D2/f＜|f2/f1|＜2.3D2/f……(4)0.6h2≤r2≤1.0h2……(5)1.0≤D2/f≤1.5 ……(6)圖8A至8C分別表示本實(shí)施例廣角鏡頭在可見光條件下的球差，象散和畸變。圖9A至9C分別表示本實(shí)施例廣角鏡頭的各種橫向象差。此外，圖10A至10C分別表示本實(shí)施例廣角鏡頭在具有940nm波長的近紅外光條件下的球差，象散和畸變。圖11A至11C分別表示本實(shí)施例廣角鏡頭在近紅外光條件下的各種橫向象差。在這些圖中，“c”，“d”，“F”，“m”和“s”分別代表與c-線，d-線，F(xiàn)-線，子午表面和弧矢表面的象差。從這些圖中可以理解到，可見光和近紅外光區(qū)的象差都得到了很好的校正。
第四實(shí)施例如圖12所示，第四實(shí)施例的廣角鏡頭基本與第一實(shí)施例的相同，只是第一和第二透鏡單元(11，12)具有表5和表6所列光學(xué)特性。所以，省略了重復(fù)的表述。
在本廣角鏡頭中，第一和第二透鏡單元(11，12)的全部前表面“r1，r3”和后表面“r2，r4”都是非球面?！皘f2/f1|”，“r2”和“D2/f”的值分別是0.722(D2/f)，0.789hi和1.459。所以，本廣角鏡頭滿足上述所有條件(4)至(6)。
圖13A至13C分別表示本實(shí)施例廣角鏡頭在可見光條件下的球差，象散和畸變。圖14A至14C分別表示本實(shí)施例廣角鏡頭的各種橫向象差。此外，圖15A至15C分別表示本實(shí)施例廣角鏡頭在具有940nm波長的近紅外光條件下的球差，象散和畸變。圖16A至16C分別表示本實(shí)施例廣角鏡頭在近紅外光條件下的各種橫向象差。在這些圖中，“C”，“d”，“F”，“m”和“s”分別代表與C-線，d-線，F(xiàn)-線，子午平面，和弧矢平面的象差。從這些圖中可以理解到，可見光和近紅外光區(qū)的象差都得到了很好的校正。
如上所述，由于本發(fā)明的廣角鏡頭由一對(duì)第一透鏡單元構(gòu)成，并滿足上述的條件(1)和(2)或(4)和(5)，故可以提供價(jià)格低廉的小型廣角鏡頭。此外，由于各個(gè)透鏡單元的光焦度受到適當(dāng)?shù)乜刂?，所以組裝公差寬松了，因而更為易于制造。而且，在固定的焦距長度上，在可見光和近紅外光條件下均可得到良好的圖象，同時(shí)出現(xiàn)的焦點(diǎn)模糊最小。而且，在弱光線條件下，可以拍攝到物體的近紅外圖象。尤其是，當(dāng)廣角鏡頭滿足上述條件(4)至(6)時(shí)，還具有得到了適當(dāng)后焦距，以便于在廣角鏡頭和成象表面之間插入濾光片，如顏色校正濾色片，的優(yōu)點(diǎn)。
所以，在可見光和近紅外光區(qū)都具有極好光學(xué)性能的本發(fā)明廣角鏡頭，將尤其適用于警戒相機(jī)，偵察相機(jī)，或可視電話系統(tǒng)相機(jī)等等。
表1

表2

表3

表4

表5

表6

權(quán)利要求
1.一種廣角鏡頭，從物方起依次包括第一透鏡元件，為一個(gè)具有負(fù)光焦度的雙凹透鏡；以及第二透鏡元件，為一個(gè)具有正光焦度的雙凸透鏡；其中所述第一透鏡元件和第二透鏡元件的至少一個(gè)表面是非球面的，該廣角鏡頭滿足以下條件1＜|r4|/r3＜3 (1)D2＜1.5f(2)其中“r3”是第二透鏡元件面向物方的前表面的曲率半徑，“r4”是第二透鏡元件后表面的曲率半徑，“D2”是第一透鏡元件面向象方的后表面與第二透鏡元件前表面之間的主軸上距離，以及“f”是廣角鏡頭的焦距長度。
2.如權(quán)利要求1所提出的廣角鏡頭，進(jìn)一步滿足下述條件0.7f＜f2＜1.5f，其中f2是所述第二透鏡單元的焦距長度。
3.一種廣角鏡頭，從物方起依次包括第一透鏡元件，它是具有負(fù)光焦度的雙凹透鏡；以及第二透鏡元件，它是具有正光焦度的雙凸透鏡；其中第一透鏡元件面向象方的后表面是非球面的，而且該廣角鏡頭滿足以下條件0.6D2/f≤|f2/f1|≤2.3D2/f0.6h2≤r2≤1.0h2其中“f”是廣角鏡頭的焦距長度，“f1”是第一透鏡元件的焦距長度，“f2”是第二透鏡元件的焦距長度，“r2”是第一透鏡元件后表面的曲率半徑，“h2”是第一透鏡元件后表面的有效半徑，以及“D2”是第一透鏡元件的后表面與第二透鏡元件面向物方的前表面之間的主軸上距離。
4.如權(quán)利要求3所提出的廣角鏡頭，進(jìn)一步滿足下述條件1.0≤D2/f≤1.5。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在可見光和近紅外光區(qū)均具有良好光學(xué)性能的小型廣角鏡頭。該廣角鏡頭從物方依次包括:具有負(fù)光焦度的雙凹透鏡的第一透鏡元件,和具有正光焦度的雙凸透鏡的第二透鏡元件,第一和第二透鏡元件的至少一個(gè)表面是非球面的。該廣角鏡頭滿足以下條件:1<|r
文檔編號(hào)G02B13/04GK1362629SQ0113696
公開日2002年8月7日 申請日期2001年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月26日
發(fā)明者本田亞紀(jì)子, 桐畑慎司, 杉山孝浩 申請人:松下電工株式會(huì)社