專(zhuān)利名稱(chēng)：廣角物鏡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用來(lái)將一定場(chǎng)面微縮成象于象平面的具有大孔徑角的物鏡系統(tǒng)，其從物方看上去依次包括有第一塊透鏡元件，帶有第一和第二個(gè)凸的折射表面；第二塊透鏡元件，帶有第三個(gè)凸的折射表面和第四個(gè)折射表面；以及第三塊透鏡元件，帶有第五個(gè)折射表面和第六個(gè)折射表面。
本發(fā)明還涉及配備有這種物鏡系統(tǒng)的攝象裝置。
然而在美國(guó)專(zhuān)利5,251,073中，描述了可被用在電荷耦合器件(CCD)攝象機(jī)中，具有(在125°和150°范圍之間)非常大的孔徑角的這類(lèi)物鏡系統(tǒng)。該系統(tǒng)為反遠(yuǎn)距焦點(diǎn)型，又被稱(chēng)為反攝遠(yuǎn)型，意指其在象方具有相對(duì)長(zhǎng)的前焦距。此已知的物鏡系統(tǒng)具有F/2.0的光圈數(shù)，并且至少包括四塊而最好為六塊玻璃透鏡元件。在此已知系統(tǒng)中，第一和第二塊透鏡之間的入射光孔是處在空氣中的。
本發(fā)明的物鏡系統(tǒng)，是為了廣泛使用，并與帶光敏表面(例如對(duì)角線長(zhǎng)4mm)的譬如電子圖象傳感器或CCD傳感器組合而設(shè)計(jì)的。假如物鏡系統(tǒng)足夠便宜，則這樣一種組合便可應(yīng)用到監(jiān)控?cái)z象機(jī)、電視電話，或者與個(gè)人計(jì)算機(jī)工作站關(guān)聯(lián)的攝象機(jī)中，此計(jì)算機(jī)工作站同其它這類(lèi)工作站耦合，以將目視觀察數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)一起從一個(gè)工作站傳送給其它工作站。這些數(shù)據(jù)可通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)掃描來(lái)獲得，又可稱(chēng)為位映象。對(duì)于上述應(yīng)用來(lái)說(shuō)，此物鏡系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有大約2×35°或更大的視場(chǎng)，取決于圖象傳感器感光面大小的焦距(例如對(duì)于對(duì)角線長(zhǎng)2mm的CCD圖象傳感器來(lái)說(shuō)，此焦距例如為3mm)，以及例如F/2.5的光圈數(shù)，以便攝取足夠優(yōu)質(zhì)的場(chǎng)景，即使是在低照度下也如此。這樣的物鏡系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)美國(guó)專(zhuān)利5,251,073中描述的設(shè)計(jì)進(jìn)行制造，因?yàn)槟菢幼鎏嘿F。此外，該系統(tǒng)的分辨率太低，并且呈現(xiàn)出太大的球差和象散，后一結(jié)果在上述位映象應(yīng)用中尤其麻煩。
本發(fā)明的目的在于提供一種特別適合上述用途的物鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)便宜而且緊湊，具有令人滿(mǎn)意的顏色校正和較小的象散和畸變，以及令人滿(mǎn)意的分辨率。該物鏡系統(tǒng)的特征在于第六個(gè)折射表面為凹的；此透鏡系統(tǒng)的入射光孔處在第四個(gè)折射表面或者與其非常貼近的區(qū)域內(nèi)；第一和第三塊透鏡元件是由具有第一折射率的同樣的第一種材料制成的，第二塊透鏡元件是由具有不同于第一折射率的第二折射率的第二種材料制成的。
在第四個(gè)表面區(qū)域內(nèi)，成象光束的入射角(此角度是由第一和第二塊透鏡決定的)，與入射在第一塊透鏡表面上的該光束的角度相比，顯著地減小了。由于具有第二折射率的第二塊透鏡到具有第一折射率的第三塊透鏡的監(jiān)界點(diǎn)處于光瞳所在的位置，而且這種臨界點(diǎn)對(duì)于縱向色差具有校正作用，故此象差對(duì)于成象光束的所有入射角均能獲得令人滿(mǎn)意的矯正。這樣一種有效的矯正，在根據(jù)美國(guó)專(zhuān)利5,251,073的物鏡系統(tǒng)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，其中的光瞳并不處在象差校正元件所在或與其非常貼近的位置。縱向色差被理解為是指，象面的位置依賴(lài)于該光束或者光束成分的顏色或波長(zhǎng)。
通過(guò)使用具有第二種折射率的第二塊厚透鏡，具有第一種折射率的第一塊透鏡的橫向色差便可得到校正。此橫向色差被理解為是指物鏡系統(tǒng)的與顏色或者波長(zhǎng)有關(guān)的放大倍率。
第一和第三塊透鏡可以相互隔開(kāi)一狹窄的空氣間隙。然而從制造工藝的觀點(diǎn)及就穩(wěn)定性而論，此物鏡系統(tǒng)的較佳實(shí)施例，其特征在于，第四和第五個(gè)折射表面具有相同的曲率，而且是膠合在一起的。
所使用的膠合材料，其折射率的取值范圍，處在比上述第一和第二種折射率中最小的折射率略大，及比其中最大的折射率略大的折射率之間。
該實(shí)施例的進(jìn)一步特征在于，最好滿(mǎn)足以下條件0.20≤K+Ktot≤0.60]]>其中K+-第二和第三塊透鏡組合件的正光焦度；Ktot-該透鏡系統(tǒng)的總光焦度。
具有令人滿(mǎn)意質(zhì)量的該物鏡系統(tǒng)，其廉價(jià)的實(shí)例的特征在于這些透鏡元件完全是由合成材料制成的。
由于所有的透鏡元件都是由透明的合成材料構(gòu)成的，故此物鏡系統(tǒng)是廉價(jià)的，而仍然具有上述應(yīng)用所需要的象質(zhì)。此外，由這種合成材料制成的透鏡，通過(guò)使用非球面輪廓的模具制造該透鏡，可以很容易地提供以非球面。
應(yīng)當(dāng)指出的是，用在CCD攝象機(jī)中并由合成材料的元件構(gòu)成的物鏡系統(tǒng)，其本身可由日本專(zhuān)利申請(qǐng)4-107407的摘要中了解到。然而該系統(tǒng)僅包括兩塊透鏡(一塊負(fù)的彎月形透鏡和一塊雙凸透鏡)，其中的彎月形透鏡不帶非球面。此摘要也沒(méi)有指出這些透鏡在用料上的不同。此物鏡系統(tǒng)的質(zhì)量無(wú)法與本發(fā)明的物鏡系統(tǒng)相比，不僅在視場(chǎng)方面，而且在光軸上。
使用合成材料元件的物鏡系統(tǒng)，其最佳實(shí)施例的特征在于，第一和第三塊透鏡是由聚甲基丙烯酸甲酯制成的，第二塊透鏡是由聚碳酸酯制成的。實(shí)踐證明，這些分別具有1.49和1.58的折射率的材料，是一些具有良好的光學(xué)性能的材料。
在此實(shí)施例中，第四和第五個(gè)透鏡表面，從物方看上去是凸起的。
此物鏡系統(tǒng)的進(jìn)一步特征在于，最好第四個(gè)透鏡表面為非球面。
非球面的透鏡表面，被理解為是指一種表面，其基本形狀為球面，但其實(shí)際形狀只有很小一點(diǎn)偏離，以對(duì)此透鏡基本形狀的球差進(jìn)行矯正。由于此非球面處在或者貼近該透鏡系統(tǒng)光瞳的位置，故其能對(duì)成象光束的所有入射角進(jìn)行令人滿(mǎn)意的象差矯正。由于第四個(gè)表面也能保證對(duì)縱向色差的矯正，故此表面在相應(yīng)的透鏡系統(tǒng)中具有雙重校正功能。
如果此物鏡系統(tǒng)的進(jìn)一步特征在于至少第一和第二個(gè)透鏡表面之一為非球面，則此系統(tǒng)能夠令人滿(mǎn)意地消除畸變。
通過(guò)賦予第六個(gè)折射表面以非球面形狀，可以得到一個(gè)球差足夠小的具有F/2.5數(shù)量級(jí)的較大光圈數(shù)的物鏡系統(tǒng)。
本發(fā)明還涉及配備有物鏡系統(tǒng)和光電子圖象傳感器的攝象裝置，以將物鏡系統(tǒng)形成的圖象轉(zhuǎn)換成電子圖象信號(hào)。該攝象裝置的特征在于，此物鏡系統(tǒng)為此前描述的物鏡系統(tǒng)。
如果該攝象裝置的進(jìn)一步特征在于所述圖象傳感器為CCD傳感器，則該裝置可以緊湊和廉價(jià)的方式實(shí)現(xiàn)。
被縮寫(xiě)為PMMA和PC的上述合成材料，具有比玻璃高的溫度敏感性。為了將此溫度敏感性和安置透鏡元件的鏡頭座溫度敏感性對(duì)所接受的圖象信號(hào)的影響減小到最低限度，該攝象裝置的進(jìn)一步特征在于圖象傳感器配備有用于接納透鏡座的套筒，物鏡系統(tǒng)的一些透鏡則固定在此鏡頭座中；而且上述套筒的熱膨脹系數(shù)大于此鏡頭座的熱膨脹系數(shù)。
本發(fā)明的這些以及其它某些方面，從以下參照實(shí)施例所作說(shuō)明中將會(huì)明白。
在附圖中

圖1表示根據(jù)本發(fā)明的物鏡系統(tǒng)的實(shí)施例；圖2a和2b表示此物鏡系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線和象差曲線；圖3表示被接納在鏡頭座中物鏡系統(tǒng)，以及圖4表示配置有該物鏡系統(tǒng)的攝象裝置。
此物鏡系統(tǒng)以截面圖表示在圖1中，它包括第一塊透鏡元件L1、第二塊透鏡元件L2和第三塊透鏡元件L3。準(zhǔn)備成象的場(chǎng)面位于圖1中的左側(cè)，而且象平面10位于右側(cè)。第一塊透鏡元件所具有的形狀為帶有略微彎曲的出射表面2的彎月形透鏡。此元件能夠保證沿光軸OO′進(jìn)入的光束部分bo變得發(fā)散，且使以較大的角度α入射的外圍光束部分b1按一定方式偏向，使其更加平行于光軸延伸及變得發(fā)散。透鏡元件L2有一個(gè)具有一定曲率半徑的入射表面3，使其具有準(zhǔn)直作用，以使所有各部分光束能被組合在出射表面4上，該表面具有比入射表面3更小的直徑和更小的曲率半徑。位于透鏡元件L2的出射表面4兩側(cè)的表面部分5，可以是平面。出射表面4本身具有發(fā)散作用，其被第三塊透鏡元件L3過(guò)度補(bǔ)償，使得b0和b1兩部分光束聚焦在象平面10上的a和b點(diǎn)。所有以0°和α°之間角度入射在光軸下方光束的那些部分，被聚焦在位于a b兩點(diǎn)之間的某些點(diǎn)上。以角度-α在光軸上方入射的外圍部分的光束，在象平面上被聚焦在C點(diǎn)，其與b點(diǎn)對(duì)稱(chēng)。在光軸上方以0°和-α°之間的角度入射的那些光束部分，被聚焦在上述C和a點(diǎn)之間的某些點(diǎn)上。第三塊透鏡元件帶有入射表面6和反方向彎曲的出射表面7。透鏡元件L2的表面4最好與L3的表面6膠合。然而這些表面也可以狹窄的空氣間隙隔開(kāi)。
在圖1中，H1和H2表示該物鏡系統(tǒng)的主平面，F(xiàn)2表面圖象的聚焦點(diǎn)，P表示出射光瞳。為完整性起見(jiàn)，玻璃平板11也表示在圖中，它可以位于傳感器前面，在此物鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)加以考慮。
透鏡材料的折射率、這些透鏡元件的曲率以及這些表面之間的距離最好這樣選擇，使其光焦度保持在0.20≤K+Ktot≤0.60]]>其中K+為元件L2和L3組合件的正光焦度，Ktot為此物鏡系統(tǒng)的總光焦度。
為了能夠保持該透鏡系統(tǒng)的造價(jià)盡可能低，這些透鏡元件最好由合成材料制造。第一和第三塊透鏡L1和L3是由同一種透明的合成材料制成的，最好是折射率n1＝1.49的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，而第二塊透鏡是由具有不同折射率的不同的合成材料制成的，例如折射率為n2＝1.58的聚碳酸酯(PC)。在選擇這種合成材料的情況下，表面4和6是凸起的，如圖1所示。在選擇不同的合成材料的情況下，這些表面可以變成凹的。替代PMMA，另一種類(lèi)似的聚合物可以應(yīng)用，并且替代PC，例如苯乙烯或者材料CA-39。第二塊透鏡為厚透鏡元件，即其長(zhǎng)度1顯著地比其第一透鏡表面3的直徑m大。在此透鏡元件例如由PC制成的情況下，前面的負(fù)透鏡L1(例如由PMMA制成)的橫向色差可被矯正。此外，縱向色差，是在透鏡L2的折射面4和透鏡L3的折射面6之間臨界處(因而是在內(nèi)折射面上)被矯正的。
此內(nèi)折射表面處在或者貼近該物鏡系統(tǒng)的光瞳處，因而處在各部分光線的軸線以小角度沿伸到該系統(tǒng)光軸OO′的位置，以致于對(duì)此各部分光束的校正同樣令人滿(mǎn)意。
表面4最好為非球面，以致于在光瞳位置上它也能對(duì)非球面象差進(jìn)行矯正，這種矯正對(duì)于所有各部分光束基本上又是相同的。于是表面4具有雙重校正作用。
非球面可被表征為Z＝∑A2iY2i其中Y為非球面上一點(diǎn)和透鏡光軸之間的距離；Z為該點(diǎn)在光軸上的投影和光軸與非球面交點(diǎn)之間的距離；A2i為非球面系數(shù)。
通過(guò)賦予表面2或1以非球面形狀，此物鏡系統(tǒng)的畸變可以保持在足夠小。通過(guò)再賦予表面7以非球面形狀，此物鏡系統(tǒng)的球差甚至可以更好地矯正，以致于能夠充分地消除球差，而且是對(duì)于比較大的光圈數(shù)F2.5。
作為根據(jù)圖1的物鏡系統(tǒng)的實(shí)施例，帶有三個(gè)非球面，其中的透鏡L1和L3是由PMMA制做的，透鏡L2是由PC制做的，從物方計(jì)算出來(lái)下述各值，以求出軸向表面曲率C1、各表面間的軸向距離d以及折射率nc(mm-1) d(mm)n10.03078L11.5 1.4920.334835.346 130.17400L210.0551.584/6 0.49336L33.21181.49而表面2、4和7的非球面系數(shù)A2i等于A2＝0.167446.100A4＝0.410699.10-2A6＝-0.361459.10-3A8＝0.332931.10-4A10＝-0.942326.10-6A2＝0.246681.100A4＝0.163018.100A6＝-0283456.10-1A8＝0.332336.10-1A2＝-0.230787.100A4＝-0.904503.10-2A6＝0.433596.10-2A8＝-0.444410.10-2A10＝-0.841075.10-3如果具有0.19mm厚度和1.51折射率的玻璃平板11安排在透鏡面7和象平面10之間，則象場(chǎng)將位于距該透鏡面5.3132mm距離處。
此物鏡系統(tǒng)具有3mm的焦距、4.02mm長(zhǎng)的圖象對(duì)角線、F2.5的光圈數(shù)、2×38°的視場(chǎng)，而且對(duì)于40線/毫米的結(jié)構(gòu)具有大于50％的分辨率。此系統(tǒng)能在500nm和900nm之間的波長(zhǎng)帶內(nèi)對(duì)顏色進(jìn)行令人滿(mǎn)意的矯正。
圖2用圖解法表示根據(jù)本發(fā)明的攝象裝置實(shí)施例，它包括前面描述的物鏡系統(tǒng)和圖象傳感器30，作為其基本元件，最好是CCD傳感器形式的圖象傳感器。
此物鏡系統(tǒng)具有的總光焦度為Ktot＝0.333mm-1，透鏡L1的光焦度K為0.16mm-1，透鏡L2和L3組合件的光焦度K+為0.13mm-1。
圖2a表示此物鏡系統(tǒng)實(shí)施例的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)作為空間頻率SP(以每毫米的線數(shù)表示)的函數(shù)，而圖2b表示對(duì)于每毫米12.5線的空間頻率MTF作為到光軸距離AS的函數(shù)?？磥?lái)好象是象散很小，而且對(duì)于每毫米40線的空間頻率MTF為50％。
實(shí)際上接納在共同的鏡頭座20中的透鏡元件是分離的，如圖3所示。
優(yōu)先用于透鏡元件L1，L2和L3的合成材料，具有比玻璃大的熱膨脹系數(shù)。而且，它們的折射率與溫度有關(guān)。因此，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，此物鏡系統(tǒng)的光學(xué)性能可能會(huì)變化，以致于在圖象傳感器上成象的場(chǎng)面可能會(huì)離開(kāi)焦點(diǎn)。為了避免這種情況，可以為透鏡座20選擇一種具有這樣的熱膨脹系數(shù)的材料，使得可以引起物鏡系統(tǒng)的光學(xué)性能隨溫度變化的此物鏡系統(tǒng)的等效膨脹系數(shù)，等于處在此物鏡系統(tǒng)中兩外部元件支座上的固定位置21和22之間的支座材料的膨脹系數(shù)，而且此物鏡系統(tǒng)的等效膨脹系數(shù)是由以下參數(shù)決定的，即透鏡材料的膨脹系數(shù)；這些材料的折射率及其隨溫度的變化，以及這些透鏡元件的大小。
這就能對(duì)物鏡系統(tǒng)本身中的溫度變化提供補(bǔ)償。對(duì)此溫度補(bǔ)償?shù)脑砗瓦M(jìn)一步的詳細(xì)描述，涉及到美國(guó)專(zhuān)利4,855,987，其中描述了一種進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)墓庠囱b置和一種光學(xué)掃描裝置。
圖4用圖解表示本發(fā)明攝象裝置的實(shí)施例，它包括上面描述的物鏡系統(tǒng)和作為其基本元件的圖象傳感器30，最好以CCD傳感器形式。此傳感器安置在支座31上面。為了能夠矯正溫度變化，作為對(duì)參照?qǐng)D3描述的溫度補(bǔ)償?shù)囊环N替代，可以將一套筒32固定在支座31上。此套筒在點(diǎn)33處與其中安裝有透鏡組L1，L2，L3的內(nèi)套筒34相連。套筒32的熱膨脹系數(shù)α1大于套筒34的熱膨脹系數(shù)α2。如果套筒32的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1而且套筒34的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，那么此物鏡系統(tǒng)相對(duì)傳感器30的偏移ΔZ將在溫度變化ΔT時(shí)發(fā)生，此偏移可由下式給出ΔZ＝(L1α1－L2α2)ΔT此偏移可以用來(lái)矯正此物鏡系統(tǒng)的焦點(diǎn)因溫度變化的結(jié)果ΔT而產(chǎn)生的偏移。
權(quán)利要求
1.一種用來(lái)將一定場(chǎng)面縮小成象于象平面的具有大孔徑角的物鏡系統(tǒng)，其從物方看上去依次包括有第一塊透鏡元件，帶有第一和第二個(gè)凸的折射表面；第二塊透鏡元件，帶有第三個(gè)凸的折射表面和第四個(gè)折射表面，以及第三塊透鏡元件，帶有第五個(gè)折射表面和第六個(gè)折射表面，其特征在于第六個(gè)折射表面為凹的；此透鏡系統(tǒng)的光瞳處在第四個(gè)折射表面或與其非常貼近的區(qū)域內(nèi)；第一和第三塊透鏡元件是由具有第一折射率的同樣的第一種材料制成的，第二塊透鏡元件是由具有不同于第一折射率的第二折射率的第二種材料制成的。
2.如權(quán)利要求1所述的物鏡系統(tǒng)，其特征在于，第四和第五個(gè)折射表面具有相同的曲率，而且是膠合在一起的。
3.如權(quán)利要求2所述的物鏡系統(tǒng)，其特征在于它滿(mǎn)足以下條件0.20≤K+Ktot≤0.60]]>其中K+為第二和第三塊透鏡組合件的正光焦度；Ktot為該透鏡系統(tǒng)的總光焦度。
4.如權(quán)利要求1，2或3的物鏡系統(tǒng)，其特征在于這些透鏡元件完全是由合成材料制成的。
5.如權(quán)利要求4所述的物鏡系統(tǒng)，其特征在于第一和第三塊透鏡是由聚甲基丙烯酸甲酯制成的，第二塊透鏡是由聚碳酸酯制成的。
6.如權(quán)利要求1，2，3，4或5所述的物鏡系統(tǒng)，其特征在于第四個(gè)透鏡表面為非球面。
7.如權(quán)利要求6所述的物鏡系統(tǒng)，其特征在于至少第一和第二個(gè)透鏡表面之一為非球面。
8.如權(quán)利要求7所述的物鏡系統(tǒng)，其特征在于第六個(gè)透鏡表面為非球面。
9.如權(quán)利要求1-8中任一權(quán)利要求所述的物鏡系統(tǒng)，配備有接納這些透鏡元件的鏡頭座，其特征在于該鏡頭座是由具有這樣一種熱膨脹系數(shù)的材料制成的，使得可引起此透鏡系統(tǒng)光學(xué)性能隨溫度變化的此透鏡系統(tǒng)等效膨脹系數(shù)，等于處在兩外部透鏡元件的支座上兩固定位置之間的支座材料的膨脹系統(tǒng)，且此透鏡系統(tǒng)的等效膨脹系數(shù)為該溫度的一個(gè)函數(shù)并由以下參數(shù)決定，即透鏡材料的膨脹系數(shù)；這些材料的折射率及其隨溫度的變化，以及這些透鏡元件的大小。
10.一種配備有物鏡系統(tǒng)和光電子圖象傳感器以將此物鏡系統(tǒng)形成的圖象轉(zhuǎn)換成電子圖象信號(hào)的攝象裝置，其特征在于該物鏡系統(tǒng)為權(quán)利要求1-9中任一權(quán)利要求的物鏡系統(tǒng)。
11.如權(quán)利要求10的攝象裝置，其特征在于所述圖象傳感器為CCD傳感器。
12.如權(quán)利要求10的攝象裝置，其與權(quán)利要求9無(wú)關(guān)，其特征在于該傳感器配備有接納鏡頭座用的套筒，物鏡系統(tǒng)的透鏡被固定在此鏡頭座中；而且上述套筒的熱膨脹系數(shù)大于此鏡頭座的熱膨脹系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種特別用于CCD攝象機(jī)的廣角物鏡系統(tǒng)，其緊湊、廉價(jià)，并能令人滿(mǎn)意地矯正象差。它包括前面的彎月形透鏡(L
文檔編號(hào)G02B13/18GK1134192SQ95190801
公開(kāi)日1996年10月23日 申請(qǐng)日期1995年7月20日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月25日
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