專利名稱：成像光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是關于數字相機、帶攝像功能的移動電話機、掃描器等固體攝像元件用透鏡和激光打印機等掃描透鏡等的成像光學系統(tǒng)。
背景技術：
對于數字相機、移動電話機等便攜式設備的固體攝像元件用透鏡和激光打印機等打印設備的掃描光學系統(tǒng)，小型化的要求越來越強烈。為此，對于這些設備中使用的成像光學系統(tǒng)，小型化的要求也很強烈。為使成像光學系統(tǒng)小型化的方法，有減小透鏡數量的方法、縮小透鏡到像面距離的方法，擴大視場角的方法等，對于這些情況，都會產生像面彎曲和象散現象很大的問題。
作為減小像面彎曲和象散現象的方法，以前所采用的方法是將成像光學系統(tǒng)的透鏡形狀形成最佳化、增加透鏡的個數、進而將折射率、色散值等變化大的玻璃用作透鏡的材質等。
然而，以前的這些方法，成像光學系統(tǒng)的構造極為復雜，不可能滿足小型化的要求，就材質和加工而言，價格高昂。
在影像掃描儀、復印機、傳真機等圖像讀取裝置中，提出了一種圖像讀取裝置，即在成像系統(tǒng)和圖像讀取裝置之間的光路中，通過設置光學部件，使相對光軸垂直方向的折射能力呈旋轉非對稱，可很好地矯正象散現象(例如，參照特開平5-14602號公報(第15-32段落，圖1-6))。進而提出了一種圖像讀取裝置，即，在將原稿圖像信息在圖像讀取裝置中用以成像的圖像讀取用成像透鏡中，使用了構成該成像透鏡的多個面中至少一個面對光軸具有旋轉非對稱折射能力的成像透鏡(例如，參照特開平2000-171705號公報(第92-93段落、圖1和圖2))。然而，前者的情況，存在的問題是光路中必須配置新型的光學部件，裝置整體大型化，組裝時增加了調整項目。后者的情況，存在的問題是由于使用具有旋轉對稱折射率分布的透鏡，所以將光軸作為Z軸時，需要組合X、Y軸的透鏡，由此需要組裝的工時數。
因此，尤其在數字相機、移動電話機等便攜式設備等中，從小型化的要求和簡化加工組裝方面考慮，對于像面彎曲和象散現象，要對應調整像面(CCD等固體攝像元件的傳感器面)的位置。由此帶來耗用調整工時數，即使作最佳的調整，也要犧牲視場角的大部分的析像力等問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明就是鑒于上述情況下而進行的。即，本發(fā)明的目的是提供一種能以較簡單的構造和廉價的材質實現的，因此，既能滿足小型。價廉的要求，又能減小像面彎曲和象散現象的成像光學系統(tǒng)。
本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)含有至少1個光學元件，將至少1個光學元件的至少1個面，分割成圍繞光軸周圍至少1個帶狀區(qū)域和含有光軸的中心區(qū)域，在至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域間設置階差以便補償由該成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。因此，通過調整至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的配置和數量及階差，可補償成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。
根據本發(fā)明的1種實施方式，分別單獨決定構成至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的面形狀，以便補償由該成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。因此，通過單獨調整構成至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的面形狀，可補償由成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。
根據本發(fā)明的1種實施方式，將構成至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的面，以將各個面與光軸的交點作原點的定義式表現時，各個面在光軸上的原點位置不同。因此，通過調整構成至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的面的定義式原點，可補償成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。
本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)含有至少1個光學元件，將至少1個光學元件的至少1個面，分割成圍繞光軸周圍至少1個帶狀區(qū)域和含光軸中心區(qū)域，分別單獨決定構成至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的面形狀，以便補償由成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。因此，通過單獨調整至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的配置和數量以及構成至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的面形狀，可補償由成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。
根據本發(fā)明的1種實施方式，在至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域之間設置階差，以便補償由成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。因此，通過調整至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域配置間的階差，可補償由成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。
根據本發(fā)明的1種實施方式，決定中心區(qū)域和帶狀區(qū)域或多個帶狀區(qū)域之間邊界處光軸方向的階差，將光的波長取為λ，透鏡的折射率取為n，滿足下式1＜λ(n-1)。通過如此決定，可排除映入圖像中的階差，并能抑制由階差產生的光干涉。
根據本發(fā)明的1種實施方式，將構成至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的面，以將各個面與光軸的交點作為原點的定義式表現時，各個面在光軸上的原點位置不同。因此，通過調整構成至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的定義式原點，可補償由成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。
根據本發(fā)明的1種實施方式，以非球面式定義構成至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的面。因此，通過個別調整構成至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域面的非球面式系數，可補償由成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。
根據本發(fā)明的1種實施方式，決定將中心區(qū)域和帶狀區(qū)域或多個帶狀區(qū)域之間邊界階差面的傾斜度，作為光線通過該邊界部分的角度函數。因此，通過使面的傾斜度接近于通過該邊界部分的光線角度，可緩解因階差不連續(xù)性而帶給像差中的影響。
根據本發(fā)明的1種實施方式，將中心區(qū)域和帶狀區(qū)域或多個帶狀區(qū)域之間的界面中的階差面與光軸設為平行時，確定階差面對光軸的傾斜度，以使射入階差面的光，形成最小角度和最大角度之間的角度傾斜度。因此，通過使面的傾斜度接近于通過該邊界部分的光線角度，可緩解因階差不連續(xù)性而帶給像差中的影響。
根據本發(fā)明的1種實施方式，在將中心區(qū)域和帶狀區(qū)域或多個帶狀區(qū)域之間的邊界階差面形成與光軸平行時，確定階差面對光軸的傾斜度，以使射入階差面的光成為平均角度的傾斜度。因此，通過使面的傾斜度接近于通過該邊界部分的光線角度，可緩解因階差不連續(xù)性而產生的像差中的影響。
根據本發(fā)明的1種實施方式，以將光軸上的點作為中心的圓，定義至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域周圍。因此，只確定構成區(qū)域周圍圓的半徑，就能確定區(qū)域的邊界。
本發(fā)明的1種實施方式，在至少1個光學元件的至少1個面上設置衍射元件。因此，利用衍射元件具有的負阿貝數效應進行色像差的矯正。
根據本發(fā)明的1種實施方式，至少1種光學元件是透鏡。因此，廣泛使用于以往存在像面彎曲和/或象散現象問題的數字相機、帶攝像功能的移動電話機、掃描器等固體攝像元件用透鏡和激光打印機等掃描透鏡等成像光學系統(tǒng)中。
根據本發(fā)明的1種實施方式，成像光學系統(tǒng)含有具有正焦點距離的透鏡和具有負焦點距離的透鏡，具有負焦點距離的透鏡的阿貝數小于具有正焦點距離的透鏡阿貝數。因此，通過適當確定正負焦點距離和阿貝數，可矯正軸上色像差。
根據本發(fā)明的1種實施方式，成像光學系統(tǒng)由3個透鏡形成，其中2個具有正的焦點距離，1個具有負的焦點距離。因此，通過適當確定3個透鏡的正負焦點距離和阿貝數，可矯正軸上色像差。
根據本發(fā)明的1種實施方式，成像光學系統(tǒng)含有具有共同光軸的多個透鏡，通過改變透鏡之間光軸方向的間距，改變整個系統(tǒng)的焦點距離。因此，既能滿足小型低廉的要求，又能實現可減小像面彎曲和象散現象的光學圖像電子放大的成像光學系統(tǒng)。
根據本發(fā)明的1種實施方式，以Z表示光軸、以X、Y表示與光軸垂直面的座標，K為確定2次曲線形態(tài)的常數，C為中心曲率，A為矯正系數，j為中心區(qū)域及其周圍帶狀區(qū)域的識別號碼，將中心區(qū)域取為1，從內側開始依次付與號碼，將中心區(qū)域光軸上的原點作為基準，作為確定中心偏移量dj，表示中心區(qū)域和至少1個帶狀區(qū)域的面是將2次曲線h=x2+y2]]>cj=1Rj]]>Zj=cjh21+1-(1+kj)cj2h2+Σi=1mAijhi+dj]]>圍繞光軸旋轉了的光軸對稱旋轉面。因此，通過個別調整上述非球面式的系數，可補償由成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。


第1圖是表示本發(fā)明的數值實施例1的透鏡截面和光路圖。
第2圖是表示本發(fā)明的數值實施例1的像差圖。
第3圖是表示本發(fā)明的數值實施例2的透鏡截面和光路圖。
第4圖是表示本發(fā)明的數值實施例2的像差圖。
第5圖是表示本發(fā)明的數值實施例3的透鏡截面和光路圖。
第6圖是表示本發(fā)明的數值實施例3的像差圖。
第7圖是表示與數值實施例1比較的現有數值實施例A的透鏡截面和光路圖。
第8圖是表示與數值實施例1比較的現有數值實施例A的像差圖。
第9圖是表示與數值實施例2比較的現有數值實施例B的像差圖。
第10圖是表示與數值實施例3比較的現有數值實施例C的像差圖。
第11圖是表示本發(fā)明的數值實施例4的透鏡截面和光路圖。
第12圖是表示本發(fā)明的數值實施例4的像差圖。
第13圖是表示本發(fā)明的數值實施例5的透鏡截面和光路圖。
第14圖是表示本發(fā)明的數值實施例5的像差圖。
第15圖是表示本發(fā)明的數值實施例6的透鏡截面和光路圖。
第16圖是表示本發(fā)明的數值實施例6的像差圖。
第17圖是表示本發(fā)明的數值實施例7的透鏡截面和光路圖。
第18圖是表示本發(fā)明的數值實施例7的像差圖。
第19圖是表示與數值實施例4比較的現有數值實施例D的像差圖。
第20圖是表示與數值實施例5比較的現有數值實施例E的像差圖。
第21圖是表示與數值實施例7比較的現有數值實施例F的像差圖。
第22圖是表示本發(fā)明的數值實施例8的透鏡截面和光路圖。
第23圖是表示本發(fā)明的數值實施例8的像差圖。
第24圖是表示透鏡驅動方式圖像電子放大攝像透鏡的焦點距離與像高的關系。
實施發(fā)明的最佳形態(tài)圖1、圖3、圖5、圖11、圖13、圖15、圖17和圖22分別表示本發(fā)明下述數值實施例1至8的透鏡截面和光路圖。圖2、圖4、圖6、圖12、圖14、圖16、圖18和圖23分別表示本發(fā)明下述數值實施例1至8的像差圖。圖2、圖4、圖6中，像差圖的左側圖表示對像高的切向像面(左圖的點線)和球缺像面(左圖的實線)的位置(由像面的偏差，單位mm)，即，像面彎曲和象散現象。像差圖的右側表示對像高的畸變像差(右圖，單位百分比)。圖12、圖14、圖16、圖18和圖23中的左圖表示軸上色像差。中央的圖表示對像高的切向像面(左圖的點線)和球缺像面(左圖的實線)的位置(由像面的偏差，單位mm)，即，像面彎曲和象散現象。右側的圖表示對像高的畸變像差(右圖，單位百分比)。
在此數值實施例1至3是分別由2、1和3個透鏡構成成像光學系統(tǒng)的情況。分別設置圍繞光軸周圍至少1個帶狀區(qū)域和含有光軸的中心區(qū)域，以便補償在1個透鏡的1個面上由成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。
數值實施例4至8是分別由3個透鏡構成成像光學系統(tǒng)的情況，分別設置圍繞光軸周圍的至少1個帶狀區(qū)域和含光軸的中心區(qū)域。
另外，圖7表示與數值實施例1比較的利用現有技術的數值實施例A的透鏡截面和光路圖。圖8表示數值實施例A的像差圖。即，圖9、10、19、20和21分別表示與本發(fā)明的數值實施例2、3、4、5和7比較的，利用現有技術的數值實施例B至F的像差圖。
在中心區(qū)域和帶狀區(qū)域的邊界或多個帶狀區(qū)域的邊界處，可以存在光軸方向上的階差。因此，對階差面的構造進行說明。射入階差面的光線會發(fā)生反射光斑。為了減少反射光斑量，在階差面與光軸形成平行時，最好確定階差面對光軸的傾斜度，使射入階差面的光在最小角度和最大角度之間形成角度傾斜度，在階差面與光軸平行時，也可確定階差面對光軸的傾斜度，使射入階差面的光形成平均角度的傾斜度。
中心區(qū)域和帶狀區(qū)域的邊界或多個帶狀區(qū)域的邊界光軸方向上的階差1，將光的波長取為λ，透鏡的折射率取為n，最好滿足下式1＜λ(n-1)通過確定階差以滿足上式，可排除映入圖像中的階差，并能抑制階差引起的光干涉。
以下對各數值實施例進行說明。
(數值實施例1)如圖1所示，數值實施例1中的成像光學系統(tǒng)由2個透鏡和玻璃板構成。從物體通過光圈面10射入的光，通過第1透鏡1、第2透鏡2、玻璃板4，到達傳感器面5上。第1透鏡1的射入面和射出面、第2透鏡2的射入面和射出面、玻璃板4的射入面和射出面，分別稱作2至5和8、9面。2、3和5定義為單一的非球面式。4面，即第2透鏡2的射入面是象散現象矯正面，即設置圍繞光軸周圍至少1個帶狀區(qū)域和含有光軸的中心區(qū)域面。本實施例中，設置以圓定義周圍的2個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域，將各個區(qū)域的面定義為3種非球面式。而且，非球面的基準球面中心即光軸上的原點位置是不相同的，彼此形成偏移。把該量稱作中心偏移量dj。j是中心區(qū)域及其周圍帶狀區(qū)域的識別號碼。將中心區(qū)域取為1，從內側開始依次付與號碼。將中心區(qū)域光軸上的原點作為基準，定為中心偏移量dj。即do＝0。
2、3和5面是單一的非球面，是使以下2次曲線圍繞光軸旋轉的光軸對稱旋轉面。其中，將光軸取為Z、將垂直光軸面的座標以X、Y表示。K是確定2次曲線形狀的常數、C是中心曲率，A是矯正系數。
h=x2+y2]]>c=1R]]>Z=ch21+1-(1+k)c2h2+Σi=1mAihi]]>4面的象散現象矯正面中心區(qū)域或帶狀區(qū)域j的非球面，以下式表示，h=x2+y2]]>cj=1Rj]]>Zj=cjh21+1-(1+kj)cj2h2+Σi=1mAijhi+dj]]>作為表示面的式，根據需要也可以使用上述以外的其他式。以上數值實施例的非球面定義和數值實施例1的情況一樣。
另外，至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的邊界部分面傾斜度，以通過該邊界部分的光線角度函數確定。通過使面的傾斜度接近于通過該邊界部分的光線角度，可緩解因階差不連續(xù)性而帶來的像差中的影響。
在5面，即第2透鏡2的射出面，設置色像差的衍射元件(衍射光柵、DOE)。衍射元件，設計具有決定間距的形狀，在相鄰衍射元件的波帶處設置階差，以產生1個波長的光路差，并得到隨光路差函數的折射角。利用具有這種衍射元件的負阿貝數效果，可進行色像差矯正。
Φ＝c2r2+c4r4+c6r6+c8r8在此，玻璃板4，作為隔斷紅外線濾光片代用品使用。
(數值實施例A)如圖7所示，在數值實施例A中的成像光學系統(tǒng)，和數值實施例1一樣，由2個透鏡和玻璃板構成。從物體通過光圈射入的光，通過第1透鏡1、第2透鏡2、玻璃板4到達傳感器面。第1透鏡1的射入面和射出面、第2透鏡2的射入面和射出面、玻璃板4的射入面和射出面，分別稱作2至5和8、9面。2至5面定義為單一的非球面式。在5面，即第2透鏡2的射出面處設置矯正色像差的衍射元件(衍射光柵，DOE)。
將圖2所示的數值實施例1的像差圖與圖8所示的數值實施例A的像差圖比較時，圖8的情況下，球缺像面在像高2mm附近具有很大的像差，與其相反，圖2的情況下，切向像面和球缺像面都收容在像面附近。畸變像差在兩者之間沒有觀察到太大的差異。
(數值實施例2)如圖3所示，在數值實施例2中的成像光學系統(tǒng)，由1個透鏡和玻璃板構成。從物體通過光圈射入的光，通過第1透鏡1、玻璃板4到達傳感器面5。第1透鏡1的射入面和射出面、玻璃板4的射入面和射出面，分別稱作2至5面。2面定義為單一的非球面式。3面，即第1透鏡1的射出面是象散現象的矯正面，即，設置圍繞光軸周圍至少1個帶狀區(qū)域和含光軸的中心區(qū)域的面，本實施例中，設置以圓定義周圍的2個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域，各區(qū)域的面定義為3種非球面式，各個非球面式的中心即光軸上的原點位置不同。
(數值實施例B)數值實施例B中的成像光學系統(tǒng)和數值實施例2一樣，由1個透鏡和玻璃板構成。從物體通過光圈射入的光，通過第1透鏡1、玻璃板4到達傳感器面5。第1透鏡1的射入面和射出面、玻璃板4的射入面和射出面，分別稱作2至5面。2和3面定義為單一的非球面式。3面具有DOE。
將圖4所示的數值實施例2的像差圖與圖9中數值實施例B的現有技術的像差圖比較。圖9中的現有技術的情況下，隨著從像高1mm附近像高變大，球缺像面也急劇變大。而且子午像面，在像高0.5mm附近作為峰而變大。與其相反，圖4中本發(fā)明的情況下，切向像面和球缺像面收容在像面附近?；兿癫钤趦烧咧g沒有觀察到太大的差異。
(數值實施例3)如圖5所示，數值實施例3中的成像光學系統(tǒng)，由3個透鏡和玻璃板構成。從物體通過光圈射入的光，通過第1透鏡1、第2透鏡2、第3透鏡3、玻璃板4到達傳感器面5。第1透鏡1的射入面和射出面、第2透鏡2的射入面和射出面、第3透鏡3的射入面和射出面、玻璃板4的射入面和射出面，分別稱作2至9面。2至6面定義為單一的非球面。7面，即第3透鏡3的射出面是象散現象矯正面，即，設置了圍繞光軸周圍至少1個帶狀區(qū)域和含有光軸的中心區(qū)域的面。本實施例中，設置以圓定義周圍的1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域，將各個區(qū)域的面定義為2種非球面式。另外，非球面式的中心，即光軸上的點(原點)位置彼此偏移。把該量稱作中心偏移量。在5面即第2透鏡2的射出面上設置矯正色像差的衍射元件(衍射光柵，DOE)。
(數值實施例C)數值實施例C中的成像光學系統(tǒng)，和數值實施例3一樣，由3個透鏡和玻璃板構成。從物體通過光圈射入的光，通過第1透鏡1、第2透鏡2、第3透鏡3、玻璃板4到達傳感器面5。第1透鏡1的射入面和射出面、第2透鏡2的射入面和射出面、第3透鏡3的射入面和射出面、玻璃板4的射入面和射出面，分別稱作2至9面。2至7面定義為單一的非球面式。在5面，即第2透鏡2的射出面上設置矯正色像差的衍射元件(衍射光柵，DOE)。
將圖6所示的數值實施例3的像差圖與圖10中的數值實施例C的現有技術的像差圖進行比較。圖10中現有技術情況下，將像高2mm附近作為峰，球缺像面的像差變大。與其相反，圖6中本發(fā)明的情況下，球缺像面的像差峰比較小?；兿癫钤趦烧唛g未觀察到太大的差異。
(數值實施例4)如圖11所示，數值實施例4中的成像光學系統(tǒng)，由3個透鏡和玻璃板構成。從物體通過光圈射入的光，通過第1透鏡1、光圈面、第2透鏡2、第3透鏡3、玻璃板4到達傳感器面(像面)5。將第1透鏡1的射入面和射出面稱作1面和2面。第2透鏡2的射入面和射出面、第3透鏡3的射入面和射出面、玻璃板4的射入面和射出面，分別稱作4至9面。1、2面和4至6面定義為單一的非球面式。7面即第3透鏡3的射出面是象散現象矯正面，即設置了圍繞光軸周圍至少1個帶狀區(qū)域和含光軸的中心區(qū)域的面。本實施例中，設置以圓定義周圍的1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域，各個面定義為2種非球面式。另外，非球面式的中心，即光軸上的點(原點)的位置彼此產生偏移。將該量稱作中心偏移量。數值實施例4的表中，以dj表示中心偏移量。在5面，即第2透鏡2的射出面上設置矯正色像差的衍射元件(衍射光柵，DOE)。
(數值實施例D)數值實施例D中的成像光學系統(tǒng)，和數值實施例4一樣，由3個透鏡和玻璃板構成。從物體射入的光，通過第1透鏡1、光圈面、第2透鏡2、第3透鏡3、玻璃板4到達傳感器面(像面)5。第1透鏡1的射入面和射出面稱作1面和2面。第2透鏡2的射入面和射出面、第3透鏡3的射入面和射出面、玻璃板4的射入面和射出面，分別稱作4至9面。1、2面和4至7面定義為單一的非球面式。
將圖12所示的數值實施例4的像差圖與圖19中數值實施例D中的現有技術像差圖進行比較。像面彎曲和象散現象小于圖19所示現有技術的情況。
(數值實施例5)如圖13所示，數值實施例5中的成像光學系統(tǒng)，由3個透鏡和玻璃板構成。從物體射入的光，通過第1透鏡1、光圈面、第2透鏡2、第3透鏡3、玻璃板4到達傳感器面(像面)5。將第1透鏡1的射入面和射出面稱作1面和2面。第2透鏡2的射入面和射出面、第3透鏡3的射入面和射出面、玻璃板4的射入面和射出面，分別稱作4至9面。1、2面和4至6面定義為單一的非球面式。7面，即第3透鏡3的射出面是象散現象矯正面，即，設置圍繞光軸周圍至少1個帶狀區(qū)域和含光軸的中心區(qū)域的面。本實施例中，設置以圓定義周圍的1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域，各個面定義以2種非球面式而定義。非球面式的中心，即光軸上的點(原點)的位置彼此產生偏移。將該偏移量稱作中心偏移量。數值實施例5的表中，以dj表示中心偏移量。
數值實施例5中，第1透鏡和第3透鏡的阿貝數相等，但第2透鏡的阿貝數不同。第1至3透鏡的焦點距離示于以下表1中。
表1

如表1所知，通過適當選擇多個透鏡的焦點距離和阿貝數，可減小軸上色像差。具體講，使第1至第3透鏡的任何一個都具有負的焦點距離，該透鏡的阿貝數都比其他的小。本實施例中，使第2透鏡具有負的焦點距離，阿貝數小于第1和第3透鏡的。
(數值實施例E)數值實施例5中的成像光學系統(tǒng)，和數值實施例5一樣，由3個透鏡和玻璃板構成。從物體射入的光，通過第1透鏡1、光圈面、第2透鏡2、第3透鏡3、玻璃板4到達傳感器面(像面)5。將第1透鏡1的射入面和射出面稱作1面和2面。第2透鏡2的射入面和射出面、第3透鏡3的射入面和射出面、玻璃板4的射入面和射出面，分別稱作4至9面。1、2面和4至7面以單一的非球面式定義。
數值實施例E中，和數值實施例5一樣，第1透鏡和第3透鏡的阿貝數相等，第2透鏡的阿貝數不同。
將圖14所示的數值實施例5的像差圖與圖20中的數值實施例E的現有技術像差圖比較，像面彎曲和象散現象都小于圖20所示的現有技術。將圖14所示的數值實施例5的像差圖與圖12所示的數值實施例4的像差圖比較時，軸上色像差的降低與使用DOE面的數值實施例4大致一樣。
(數值實施例6)如圖15所示，數值實施例6中的成像光學系統(tǒng)，由3個透鏡和玻璃板構成。從物體射入的光，通過第1透鏡1、光圈面、第2透鏡2、第3透鏡3、玻璃板4到達傳感器面(像面)5。將第1透鏡1的射入面和射出面稱作1面和2面。第2透鏡2的射入面和射出面、第3透鏡3的射入面和射出面、玻璃板4的射入面和射出面，分別稱作4至9面。1、2面和4至6面定義為單一的非球面式。7面，即第3透鏡3的射出面是象散現象矯正面，即，設置了圍繞光軸周圍至少1個帶狀區(qū)域和含光軸的中心區(qū)域的面。本實施例中，設置以圓定義周圍的1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域，各個面定義以2種非球面式而定義。非球面式的中心，即光軸上的點(原點)的位置彼此產生偏移。將該量稱作中心偏移量。數值實施例6的表中，以di表示中心偏移量。
數值實施例6中，第1透鏡和第3透鏡的阿貝數相等，但第2透鏡的阿貝數不同。第1至3透鏡的焦點距離示于下表2。
表2

如表2所知，通過適當選擇多個透鏡的焦點距離和阿貝數，可減小軸上色像差。具體是第1至第3透鏡都具有負的焦點距離，該透鏡的阿貝數比其他的小。本實施例中，第2透鏡具有負的焦點距離，阿貝數也比第1和第3透鏡小。
數值實施例6中，在5面，即第2透鏡2的射出面上進而設置用于矯正色像差的衍射元件(衍射光柵，DOE)。使用阿貝數與DOE不同的透鏡，并用此方法時，可分別分散作為目標矯正消色的量，提高設計的自由度。
將圖16所示的數值實施例6的像差圖與圖20中數值實施例E的現有技術像差圖進行比較。像面彎曲和象散現象都小于圖20所示的現有技術。利用DOE補償圖16中所示的數值實施例6的軸上色像差，利用不同阿貝數的透鏡進行補償，與圖14所示的數值實施例5的軸上色像差比較時，小于任何一種情況。
(數值實施例7)如圖17所示，數值實施例7的對象是透鏡驅動方式圖像電子放大攝像透鏡。如圖24所示，將像高取為y(mm)、視場角取為θ(度)、焦點距離取為f(mm)時，攝像透鏡中成立下式。
y＝f×tanθ當攝像元件(傳感器)的大小未改變時，只要改變焦點距離就能改變視場角。即，只要增大焦點距離就能減小視場角(望遠側)，只要減小焦點距離就能變大視場角(廣角側)。通過如此改變焦點距離而改變視場角的方式，稱作光學圖像電子放大方式。
數值實施例7中的成像光學系統(tǒng)，由3個透鏡和玻璃板構成。從物體射入的光，通過第1透鏡1、光圈面、第2透鏡2、第3透鏡3、玻璃板4到達傳感器面(像面)5。將第1透鏡1的射入面和射出面稱作1面和2面。第2透鏡2的射入面和射出面、第3透鏡3的射入面和射出面、玻璃板4的射入面和射出面，分別稱作4至9面。1、2面和4至6面以單一的非球面式定義。7面，即第3透鏡3的射出面是象散現象矯正面，即，設置圍繞光軸周圍至少1個帶狀區(qū)域和含光軸的中心區(qū)域的面。本實施例中，設置以圓定義周圍的1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域，各個面定義以2種非球面式而定義。另外，非球面式的中心，即光軸上的點(原點)的位置彼此偏移。將該量稱作中心偏移量。數值實施例7的表中，以dj表示中心偏移量。在5面即第2透鏡2的射出面上，設置矯正色像差的衍射元件(衍射光柵，DOE)。
使第2透鏡和第3透鏡沿光軸方向移動，在望遠側和廣角側之間進行切換。
在圖18中表示數值實施例7的像差圖。
(數值實施例F)數值實施例F中的成像光學系統(tǒng)，和數值實施例7一樣，由3個透鏡和玻璃板構成。從物體射入的光，通過第1透鏡1、光圈面、第2透鏡2、第3透鏡3、玻璃板4到達傳感器面(像面)5。將第1透鏡1的射入面和射出面稱作1面和2面。第2透鏡2的射入面和射出面、第3透鏡3的射入面和射出面、玻璃板4的射入面和射出面，分別稱作4至9面。1、2面和4至7面以單一的非球面式定義。
和數值實施例7一樣，沿光軸方向移動第2透鏡和第3透鏡，進行望遠側和廣角側切換。
將圖18所示的數值實施例7的像差圖與圖21中數值實施例F的現有技術像差圖進行比較，在廣角側，像面彎曲和象散現象都小于現有技術。
(數值實施例8)如圖22所示，數值實施例8中的成像光學系統(tǒng)，和數值實施例4一樣，由3個透鏡和玻璃板構成。從物體射入的光，通過第1透鏡1、光圈面、第2透鏡2、第3透鏡3、玻璃板4到達傳感器面(像面)5。將第1透鏡1的射入面和射出面稱作1面和2面。第2透鏡2的射入面和射出面、第3透鏡3的射入面和射出面、玻璃板4的射入面和射出面，分別稱作4至9面。1、2面和4至6面以單一的非球面式定義。7面，即第3透鏡3的射出面是象散現象矯正面，即設置圍繞光軸周圍至少1個帶狀區(qū)域和含有光軸的中心區(qū)域的面。本實施例中，設置以圓定義周圍的1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域，各個面以2種非球面式而定義。非球面式的中心，即光軸上的點(原點)的位置彼此產生偏移。將該量稱作中心偏移量。數值實施例8的表中，以di表示中心偏移量。本數值實施例中，確定中心區(qū)域和帶狀區(qū)域的邊界處光軸方向的階差，將光的波長取為λ、透鏡的折射率取為n，要滿足下式。
1＜λ(n-1)具體講，中心區(qū)域和帶狀區(qū)域的邊界處光軸方向的階差量為0.000061mm。通過如此確定，可排除映入圖像中的階差，并能抑制由階差引起的光干涉。在5面即第2透鏡2的射出面上，設置矯正色像差的衍射元件(衍射光柵，DOE)。
將圖23中所示的數值實施例8的像差圖與圖19的數值實施例D的現有技術像差圖進行比較，像面彎曲和象散現象都小于圖19所示的現有技術，與圖12所示的數值實施例4的情況一樣。
數值實施例4的中心區(qū)域和帶狀區(qū)域的邊界處光軸方向的階差量為0.018mm。數值實施例8中，在第3透鏡的像側面具有變形點。使該數值減少到上述值。數值實施例4的第3透鏡，由于像側面上沒有變形點，所以制造過程中對透鏡的處理比數值實施例8的第3透鏡更容易。
根據本發(fā)明，除了現有技術的參量外，還將圍繞光軸周圍至少1個帶狀區(qū)域的數和位置、每個區(qū)域的面形狀、中心偏移量作為參量加進去，與現有技術比較，像面彎曲或象散現象都進一步減小。
另外，本發(fā)明的成像光學元件，沒有折射率和色散值的變化，利用對矯正像差不利的塑料材料形成時，就此點，應特別注意。
而且，在上述中，作為成像光學元件，雖然以透鏡為例作了說明，但本發(fā)明也適用于反射鏡等其他的成像光學元件。例如，在掃描器中的反射鏡部分，設置帶有曲率的本發(fā)明成像光學系統(tǒng)進行聚光，或者在掃描光學系統(tǒng)的反射鏡中設置本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)，等等。
以下具體示出了本發(fā)明的數值實施例。將中心區(qū)域和帶狀區(qū)域都表示為波帶。F數表示為Fno。
數值實施例1Fno.＝2.7焦點距離＝3.499mm

非球面形狀


第二透鏡5面光路差函數系數

象散現象矯正面形狀(各個波帶j)(各個波帶中的中心階差量d)

數值實施例AFno.＝2.7焦點距離＝3.514mm


非球面形狀

數值實施例2Fno.＝2.8焦點距離＝2.050mm

非球面形狀

象散現象矯正面形狀

數值實施例BFno.＝2.8焦點距離＝1.96mm光學配置

非球面形狀

光路差函數系數

數值實施例3Fno.＝2.8焦點距離＝4.157mm光學配置

非球面形狀

第二透鏡5面光路差函數系數

象散現象矯正面形狀

數值實施例CFno.＝2.8焦點距離＝4.15(mm)光學配置


非球面形狀

光路差函數系數

數值實施例4Fno.＝3.5焦點距離＝4.9(mm)光學配置

非球面形狀

象散現象矯正面形狀

第二透鏡5面光路差函數系數

數值實施例DFno.＝3.5焦點距離＝4.9(mm)光學配置


非球面形狀

數值實施例5Fno.＝3.5焦點距離＝4.9(mm)光學配置


非球面形狀

象散現象矯正面形狀

數值實施例EFno.＝3.5焦點距離＝4.84(mm)光學配置


非球面形狀

數值實施例6Fno.＝3.5焦點距離＝4.9(mm)光學配置

非球面形狀

象散現象矯正面形狀

第二透鏡5面光路差函數系數

數值實施例7Fno.＝2.5(廣角側)Fno.＝3.8(望遠側)焦點距離＝2.0(mm)廣角側4.0(mm)望遠側光學配置


非球面形狀

象散現象矯正面形狀

第二透鏡5面光路差函數系數

數值實施例FFno.＝2.5(廣角側)Fno.＝3.8(望遠側)焦點距離＝2.0(mm)廣角側3.9(mm)望遠側光學配置

非球面形狀


數值實施例8Fno.＝3.5焦點距離＝4.9(mm)階差量(境界半徑中的階差量)＝0.000061(mm)光學配置

非球面形狀

象散現象矯正面形狀

第二透鏡5面光路差函數系數

權利要求
1.一種成像光學系統(tǒng)，是含有至少1個光學元件的成像光學系統(tǒng)，其中，將至少1個光學元件的至少1個面，分割成圍繞光軸周圍至少1個帶狀區(qū)域和含光軸的中心區(qū)域，在至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域之間設置階差，以便補償由成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。
2.根據權利要求1所述的成像光學系統(tǒng)，其中，分別單獨地決定了構成至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的面形狀，以便補償由成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。
3.根據權利要求1或2所述的成像光學系統(tǒng)，其中，對構成至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的面，以將各個面與光軸的交點作為原點的定義式表現時，各個面在光軸上的原點位置不同。
4.一種成像光學系統(tǒng)，是含有至少1個光學元件的成像光學系統(tǒng)，其中，將至少1個光學元件的至少1個面，分割成圍繞光軸周圍至少1個帶狀區(qū)域和含有光軸的中心區(qū)域，分別單獨地決定了構成至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的面形狀，以便補償由成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。
5.根據權利要求4所述的成像光學系統(tǒng)，其中，在至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域之間設置了階差，以便補償由成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。
6.根據權利要求5所述的成像光學系統(tǒng)，其中，將光的波長取為λ、透鏡的折射率取為n，使中心區(qū)域和帶狀區(qū)域或多個帶狀區(qū)域之間的邊界處光軸方向的階差滿足下式1＜λ(n-1)。
7.根據權利要求4～6中任一項所述的成像光學系統(tǒng)，其中，對構成至少1個帶狀區(qū)域和含有光軸的中心區(qū)域的面，以將各個面與光軸的交點作為原點的定義式表現時，通過改變構成至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的面的定義式，分別單獨地決定了面的形狀。
8.根據權利要求1～7中任一項所述的成像光學系統(tǒng)，其中，對構成至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的面，以非球面式定義。
9.根據權利要求1～8中任一項所述的成像光學系統(tǒng)，其中，將中心區(qū)域和帶狀區(qū)域或多個帶狀區(qū)域之間的邊界處階差面的傾斜度，作為通過該邊界部分的光線角度的函數進行確定。
10.根據權利要求9所述的成像光學系統(tǒng)，其中，在中心區(qū)域和帶狀區(qū)域或多個帶狀區(qū)域之間的邊界處的階差面與光軸平行時，確定階差面對光軸的傾斜度，使射入階差面的光，形成最小角度和最大角度之間的角度的傾斜度。
11.根據權利要求9所述的成像光學系統(tǒng)，其中，在中心區(qū)域和帶狀區(qū)域或多個帶狀區(qū)域之間邊界的階差面與光軸平行時，確定階差面對光軸的傾斜度，使射入階差面的光，成為平均角度的傾斜度。
12.根據權利要求1～11中任一項所述的成像光學系統(tǒng)，其中，以將光軸上的點作為中心的圓，定義至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的周圍。
13.根據權利要求1～12中任一項所述的成像光學系統(tǒng)，其中，在至少1個光學元件的至少1個面上設置衍射元件。
14.根據權利要求1～13中任一項所述的成像光學系統(tǒng)，其中，在像側的最外面上，具有至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域。
15.根據權利要求1～14中任一項所述的成像光學系統(tǒng)，其中，至少1個光學元件是透鏡。
16.根據權利要求15所述的成像光學系統(tǒng)，其中，含有具有正焦點距離的透鏡和具有負焦點距離的透鏡，具有負焦點距離的透鏡阿貝數，小于具有正焦點距離的透鏡阿貝數。
17.根據權利要求16所述的成像光學系統(tǒng)，由3個透鏡構成，其中2個具有正焦點距離，1個具有負焦點距離。
18.根據權利要求15所述的成像光學系統(tǒng)，其中，含有具有共同光軸的多個透鏡，通過改變透鏡之間光軸方向的間距，改變整個系統(tǒng)的焦點距離。
19.根據權利要求8所述的成像光學系統(tǒng)，其中，光軸取為Z，與光軸垂直面的座標以X、Y表示，K為確定2次曲線形狀的常數，C為中心曲率，A為矯正系數，j為中心區(qū)域及其周圍帶狀區(qū)域的總識別號碼，將中心區(qū)域作為1，從內側依次付與號碼，將中心區(qū)域光軸上的原點作為基準，確定中心偏移量dj，表示中心區(qū)域和至少1個帶狀區(qū)域的面，是將2次曲線h=x2+y2cj=1RjZj=cjh1+1-(1+kj)cj2h2+Σi=1mAijhi+dj]]>圍繞光軸旋轉了的光軸對稱旋轉面。
全文摘要
本發(fā)明是提供一種既滿足小型低廉要求的，又能減小像面彎曲和象散現象的成像光學系統(tǒng)。含有至少1個光學元件，將至少1個光學元件的至少1個面，分割成圍繞光軸周圍至少1個帶狀區(qū)域和含光軸的中心區(qū)域，在至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域之間設置階差，以便補償由成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。根據本發(fā)明的1種實施方式，分別單獨地決定構成至少1個帶狀區(qū)域和中心區(qū)域的面形狀，以便補償由成像光學系統(tǒng)產生的像面彎曲和/或象散現象。
文檔編號G02B27/42GK1754110SQ200480004938
公開日2006年3月29日 申請日期2004年3月2日 優(yōu)先權日2003年3月4日
發(fā)明者幡手公英, 坂上典久 申請人:納盧克斯株式會社