具有降低的公差敏感度的三元件摄影物镜.pdf

本发明是一种用作广视野摄影物镜的小型透镜系统，包括具有像素尺寸小于0.010mm的小格式数字图像传感器。透镜系统的f数是2.9740，并且系统的有效焦距是3.85mm。透镜系统的全角视场是61度，并且在图像平面上的主光线入射角小于18度。系统包括三个塑料透镜，每个具有两个非球表面。系统中至少一个非球表面覆盖了多层红外截止滤光片，以为图像传感器阻止红外波长。透镜系统具有对制造公差降低的敏感度，具体而言是对光学元件和表面的横偏。

1.  一种广视野物镜透镜系统，包括用于以小格式数字图像传感器捕捉摄影图像的三个透镜，其中所述透镜系统的全角视场在50到70度之间，并且还有其中在图像平面上的主光线入射具有小于20度的入射角。

2.  如权利要求1所述的透镜系统，其中所述数字图像传感器具有在2mm到10mm之间的对角线。

3.  如权利要求2所述的透镜系统，还对所述三个透镜的横偏具有降低的敏感度。

4.  如权利要求3所述的透镜系统，其中所述三个透镜包括：
a.第一透镜，具有第一非球表面和第二非球表面，其中所述第一透镜的第一表面离要成像的物体最近；
b.第二透镜，具有第一非球表面和第二非球表面，其中所述第二透镜的第一表面与所述第一透镜的第二表面相邻；以及
c.第三透镜，具有第一非球表面和第二非球表面，其中所述第三透镜的第一表面与所述第二透镜的第二表面相邻，并且还有其中所述第三透镜的第二表面离所述图像传感器最近。

5.  如权利要求4所述的透镜系统，其中
a.所述第一透镜包括双面非球的正弯月透镜，其中所述第一透镜的第一表面是凸面，并且所述第一透镜的第二表面是凹面；
b.所述第二透镜包括双面非球的负弯月透镜，其中所述第二透镜的第一表面是凹面，并且所述第二透镜的第二表面是凸面；以及
c.所述第三透镜包括双面非球的正弯月透镜，其中所述第三透镜的第一表面是凸面，并且所述第三透镜的第二表面是凹面。

6.  如权利要求5所述的透镜系统，还包括位于所述第一透镜与所述第二透镜之间的孔径光阑。

7.  如权利要求6所述的透镜系统，其中所述三个透镜由塑料制成。

8.  如权利要求7所述的透镜系统，其中所述三个透镜的至少一个由不同于其它两个透镜的塑料制成。

9.  如权利要求7所述的透镜系统，其中所述第一透镜和所述第三透镜由第一塑料制成，并且所述第二透镜由第二塑料制成。

10.  如权利要求9所述的透镜系统，其中所述三个透镜的至少一个的至少一个表面覆盖了多层红外截止滤光片。

11.  如权利要求10所述的透镜系统，其中所述第一塑料具有冠状的光学特性，并且第二塑料具有燧石状的光学特征。

12.  一种摄影透镜系统，包括：
a.第一透镜，具有第一非球表面和第二非球表面，其中所述第一透镜的第一表面离要成像的物体最近；
b.第二透镜，具有第一非球表面和第二非球表面，其中所述第二透镜的第一表面与所述第一透镜的第二表面由第一空气空间分隔；以及
c.第三透镜，具有第一非球表面和第二非球表面，其中所述第三透镜的第一表面与所述第二透镜的第二表面由第二空气空间分隔，并且还有其中所述第三透镜的第二表面离所述物体的图像平面最近，
其中所述透镜系统具有在50到70度之间的全角视场，并且主光线在所述图像平面上以小于20度的角入射。

13.  如权利要求12所述的透镜系统，其中所述透镜系统对所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的横偏具有降低的敏感度。

14.  如权利要求13所述的透镜系统，其中所述透镜的每个由塑料制成。

15.  如权利要求14所述的透镜系统，其中所述三个透镜的至少一个由不同于其它两个透镜的塑料制成。

16.  如权利要求14所述的透镜系统，其中所述第一和第三透镜由第一塑料制成，并且还有其中所述第二透镜由第二塑料制成。

17.  如权利要求16所述的透镜系统，其中所述第一塑料具有冠状的光学特征，并且第二塑料具有燧石状的光学特征。

18.  如权利要求17所述的透镜系统，其中所述透镜的至少一个的至少一个表面覆盖了多层红外截止滤光片。

19.  如权利要求12所述的透镜系统，其中
a.所述第一透镜包括双面非球的正弯月透镜，其中所述第一透镜的第一表面是凸面，并且所述第一透镜的第二表面是凹面；
b.所述第二透镜包括双面非球的负弯月透镜，其中所述第二透镜的第一表面是凹面，并且所述第二透镜的第二表面是凸面；以及
c.所述第三透镜包括双面非球的正弯月透镜，其中所述第三透镜的第一表面是凸面，并且所述第三透镜的第二表面是凹面。

20.  如权利要求19所述的透镜系统，还包括位于所述第一透镜与所述第二透镜之间的孔径光阑。

21.  如权利要求12所述的透镜系统，其中孔径光阑位于所述第一空气空间内。

具有降低的公差敏感度的三元件摄影物镜
技术领域
本发明主要涉及广视野摄影透镜系统。更具体地说，本发明涉及一种小型摄影透镜系统，该系统对表面和光学元件的横偏具有降低的公差敏感度。
发明背景
诸如柯克三合物镜等传统摄影物镜设计一般具有在量级上与系统的视场角类似的主光线角度。例如，授予Herzberger的名称为“Photographic Objective”的美国专利2279372和授予Baur等人的名称为“Triplet Wide-Angle Objective Lens”美国专利3087384均公开了用于摄影胶片应用的柯克三合型透镜系统。由于摄影胶片应用不需要降低的主光线角度，因此，这些现有技术发明均具有较大的主光线角度。
今天的摄影物镜可与小格式数字图像传感器一起使用，这些传感器的分辨率一般在640x480像素到1280x960像素之间，其中，像素具有小于0.010mm的尺寸，如同手机相机应用一样。用于此类型应用的成像系统必须具有在50到70度之间的全角视场。另外，成像系统必须满足大小限制，要求在图像平面上的主光线入射角被限制为小于20度。
随着数字成像平面变得越来越小，像素计数保持相同或甚至增大。通过根据图像平面的尺寸的减小来缩放透镜系统以修改成功的35mm格式透镜设计，可开发用于新系统的摄影物镜透镜。例如，35mm胶片画幅的对角线是43.3mm，而四分之一英寸格式的对角线具有5.6mm的图像传感器对角线。因此，透镜系统必须缩小5.6/43.3或大约八的因子，这意味着公差值也必须缩小相同的量以便实现相同的图像质量。这导致对于缩小的透镜系统有严格得多的公差要求，其目前在大规模制造中是可实现的。
过去，设计为用于小格式图像平面的摄影物镜的透镜系统部件由于制造构造误差影响而难以一贯地满足性能规格。以前的设计对对准误差十分敏感。因此，在设计提出的光学元件的精确的对准中心的要求未满足时，图像的清晰度降低量是不可接受的。
在与小格式数字图像传感器一起使用的广角摄影物镜透镜系统中实现对制造公差降低的敏感度的问题一直未得到充分解决。
发明内容
本文公开了一种与小格式数字图像传感器一起使用的小型广视野摄影物镜透镜系统，它适用于手机相机模块应用。要与本发明一起使用的图像传感器的对角线只有4.56mm。此数字摄影成像系统要求在50到70度之间的角视场，同时限制在图像平面上主光线入射的角度小于20度。
本发明具有61度的角视场，并且在图像平面上的主光线角度小于18度。系统的有效焦距是3.85mm，并且透镜系统的f数是2.97。透镜系统具有三个透镜，每个具有两个非球表面。所有三个透镜均由塑料材料制成。离物体最近的透镜和离图像平面最近的透镜由相同的塑料材料制成，并且在这两个透镜之间的透镜由不同的塑料材料制成。在可见光波长范围上，最外部透镜的塑料材料的折射率小于中间透镜的折射率。三个透镜的至少一个非球表面还覆盖多层红外截止滤光片以阻止红外波长到达在图像焦平面的图像传感器。
此透镜系统设计对光学组件的制造失准误差的敏感度小于传统摄影物镜。因此，在采用本发明的制造过程期间更易于一贯地满足图像清晰度要求。
附图说明
图1是根据本发明的优选实施例的三透镜系统的图。还示出的是在0°、21°和31°的输入角通过透镜系统传播的光线束。
图2示出根据本发明的构建的透镜系统的工程制图的横截面。
图3A示出指示对于本发明的优选实施例的作为图像高度的函数的散光量的场曲图。图3B示出指示对于本发明的优选实施例的作为图像高度的函数的光学畸变百分比的畸变图。
图4示出衍射调制传递函数的三个图，对应标称设计性能、对于本发明的优选实施例的90％性能和98％性能。
具体实施方式
本发明公开了用作以小格式数字图像传感器捕捉物体图像的广视野摄影物镜的小型三透镜系统。此透镜形式最有效地使用于带有图像传感器分辨率在640x480像素与1280x960像素之间，且像素尺寸小于0.010mm的相机系统中。
该透镜形式配置为包括向物体平面移动的孔径光阑的修改的三合镜。该透镜形式中的第一透镜充当场镜，使得系统的整个径迹长度能保持较短，同时在图像平面入射的主光线角度能够被限制为远小于视场角的角度。在保持典型三合镜的正力的同时，第一透镜采用了较厚的正弯月透镜的形式。类似地，第二透镜包括较厚的负弯月透镜，并且第三透镜包括较厚的正弯月透镜。在一些实施例中，孔径光阑位于第一透镜与第二透镜之间，使得第一透镜的凹面面向孔径光阑，并且第二透镜的凸面面向孔径光阑。在此类配置中，第三透镜的凸面的位置相对于第三透镜的凹面离孔径光阑最近。此基本配置还通过以下方式得到进一步改进：在该透镜形式中的每个透镜的表面上使用非球形以优化系统的光学性能、降低在图像平面的主光线入射角，并且使系统减少对公差影响的敏感度，同时满足短的总径迹长度要求。系统要求的约束产生了带有与基本球形极不相同的非球形元件的透镜。
图1示出根据本发明的优选实施例的透镜系统100的侧视略图。对于位于无限远的物体，图像平面180示为第三透镜130的右侧。透镜系统100包括三个透镜110、120和130和限制通过系统发射到图像平面180的光线的量的孔径光阑140。沿系统的光轴190，空气空间间隙将透镜彼此分隔。第一透镜110离物体最近，物体在图中未示出，这是因为它位于无限远(如从图1左侧传播的平行光线束所示)，并且第三透镜130离图像平面180最近。在第一透镜110的右侧是孔径光阑140，并且在孔径光阑140的右侧是第二透镜120。第一透镜110具有两个非球表面，表面111在第一透镜110的左侧，表面112在第一透镜110的右侧。第二透镜120也具有两个非球表面，表面121在第二透镜120的左侧，表面122在第二透镜120的右侧。第三透镜130也具有两个非球表面，表面131在第三透镜130的左侧，表面132在第三透镜130的右侧。本发明的优选实施例中的图像平面180是具有5.6微米宽像素、分辨率为640x480像素的图像传感器，其中，图像平面传感器的总对角线是4.56mm。然而，像素宽度和图像平面传感器的分辨率可以更大或更小。
所有三个透镜110、120和130沿光轴190确定中心，并且与光轴190垂直定向。光线束150、160和170已穿过系统100以指示轴上和轴外物体点的图像。光线束150对应于从轴上物体点(0°角)通过系统传播的光线；由虚线示出的光线束160对应于从轴外物体点(21°角)通过系统传播的光线；以及光线束170对应于从另一轴外物体点(31°角)通过系统传播的光线。
三个透镜110、120和130中的每个由具有波长相关折射率的聚合塑料材料制成。优选的是第一透镜110和第三透镜130由相同的冠状聚合塑料材料(crown-like polymeric plastic material)制成，而第二透镜120由不同的燧石状聚合塑料材料(flint-like polymeric plasticmaterial)制成。备选地，三个透镜110、120和130每个由不同的聚合塑料材料制成。
三个透镜110、120和130的至少一个非球表面111、112、121、122、131或132覆盖有红外(IR)截止滤光片。优选的是IR滤光片是多层滤光片。
根据本发明的优选实施例，表1示出用于透镜系统100的数据，其包括从第一透镜110最左侧表面111开始并按顺序到图像平面180列出的表面的表面编号、对应于该表面的曲率半径R及到下一表面的轴距离D。三个透镜110、120和130的折射率在下面的表2中给出。
表1