成像镜头和成像设备的制作方法
【专利摘要】[目标]为了在同时实现长的后焦距和宽的视场角的同时出色地修正成像镜头中的色差，[解决方案]成像镜头由从物体侧按顺序设置的负的第一透镜(L1)、由粘合在一起的第二透镜(L2)和第三透镜(L3)组成的第一粘合透镜(LC1)、光阑、正的第四透镜(L4)、以及由粘合在一起的第五透镜(L5)和第六透镜(L6)组成的第二粘合透镜(LC2)构成。第一透镜(L1)具有带有凹的图像侧表面的平凹形状或新月形状。第二透镜(L2)和第三透镜(L3)中的一个是正透镜，并且第二透镜(L2)和第三透镜(L3)中的另一个是负透镜。第四透镜(L4)的物体侧表面是平面或曲率半径的绝对值大于第四透镜(L4)的图像侧表面的曲率半径的绝对值的表面。第五透镜(L5)和第六透镜(L6)中的一个是正透镜，并且第五透镜(L5)和第六透镜(L6)中的另一个是负透镜。满足关于后焦距与整个系统中的焦距的比率、第一粘合透镜(LC1)中的正透镜和负透镜的折射率和阿贝数的公式。
【专利说明】成像镜头和成像设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及成像镜头和成像设备。特别地，本发明涉及具有宽的视场角和长的后焦距的成像镜头，以及包括该成像镜头的成像设备。
【背景技术】
[0002]传统上，小型广角成像镜头用在车内相机、监视相机、内窥镜等领域中。近年来，成像镜头通常与对由成像镜头形成的图像进行成像的成像装置组合使用。在这种情况中，光学低通滤波器、红外线截止滤波器等通常放置在透镜系统和成像装置之间。因此，需要足够的后焦距。进一步，在一些类型的内窥镜中，成像装置的成像平面被设置成平行于内窥镜的插入单元的长轴方向。在这种类型的内窥镜中，光程转换构件，如光程转换棱镜，通常插入成像镜头和成像装置之间以改变光程的方向。因此，需要足够长的后焦距。同时，需要使焦距较短以获得宽的视场角，并且难以同时获得长的后焦距和宽的视场角。下述专利文献I至5公开了由本发明的发明人发明的用于内窥镜的成像镜头，并且其中实现了长的后焦距和宽的视场角。
[0003]相关技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:
[0006]日本专利N0.4265909
[0007]专利文献2:
[0008]日本未审查专利公开N0.63(1988)-261213
[0009]专利文献3:
[0010]日本未审查专利公开N0.2008-257108
[0011]专利文献4:
[0012]日本未审查专利公开N0.2008-257109
[0013]专利文献5:
[0014]日本未审查专利公开N0.2010-276923
【发明内容】
[0015]同时，成像装置进一步发展，对更高分辨率的成像装置的需求和对高图像质量透镜系统的需求变强。用于内窥镜的许多成像镜头具有大的F数以获得深的景深。因此，球面像差和慧形像差很少作为确定图像质量的重要因素，并且横向色差的出色修正对改善图像质量是有效的。横向色差在加宽视场角和与成像装置组合使用透镜系统时倾向于出现问题。因此，横向色差的修正在上述领域中的透镜系统中是重要的。进一步，纵向色差的修正在观察或处理活体的组织中的损伤的内窥镜中也是重要的。
[0016]考虑到前述情况，本发明的一个目的是提供一种成像镜头，其具有长的后焦距和宽的视场角，并且其中出色地修正了色差，以及提供包括该成像镜头的成像设备。[0017]本发明的成像镜头是一种由成四组的六个透镜构成的成像镜头，
[0018]其中第一透镜、由粘合在一起的第二透镜和第三透镜组成的第一粘合透镜、第四透镜、以及由粘合在一起的第五透镜和第六透镜组成的第二粘合透镜从物体侧按此顺序设置，并且
[0019]其中第一透镜具有带有凹的图像侧表面的平凹形状或新月形状，并具有负光焦度，并且
[0020]其中第一粘合透镜中的第二透镜和第三透镜中的一个具有正光焦度，并且第二透镜和第三透镜中的另一个具有负光焦度，并且
[0021]其中第四透镜具有正光焦度，并且第四透镜的物体侧表面是平面或曲率半径的绝对值大于第四透镜的图像侧表面的曲率半径的绝对值的表面，并且
[0022]其中第二粘合透镜中的第五透镜和第六透镜中的一个具有正光焦度，并且第五透镜和第六透镜中的另一个具有负光焦度，并且
[0023]其中光阑设置在第一粘合透镜和第四透镜之间，并且
[0024]其中满足下述公式(I)至(3):
[0025]1.80 < Bf/f...(I)；
[0026]0.15 < Nln-Nlp...(2);和
[0027]0.0 < vln-vlp < 10.0...(3)，其中
[0028]Bf:整个系统的后焦距(空气中长度),
[0029]f:整个系统的焦距，
[0030]Nln:第一粘合透镜中的负透镜关于d线的折射率，
[0031]Nlp:第一粘合透镜中的正透镜关于d线的折射率，
[0032]vln:第一粘合透镜中的负透镜关于d线的阿贝数，以及
[0033]vlp:第一粘合透镜中的正透镜关于d线的阿贝数。
[0034]在本发明的成像镜头中，希望的是满足下述公式(4)和(5):
[0035]25.0 < v2n-v2p...(4);和
[0036]0.08 < N2n-N2p < 0.32...(5)，其中
[0037]v2n:第二粘合透镜中的负透镜关于d线的阿贝数，
[0038]v2p:第二粘合透镜中的正透镜关于d线的阿贝数，
[0039]N2n:第二粘合透镜中的负透镜关于d线的折射率，以及
[0040]N2p:第二粘合透镜中的正透镜关于d线的折射率。
[0041 ] 本发明的成像设备包括本发明的成像镜头，和对由成像镜头形成的光学图像进行成像并输出电信号的成像装置。
[0042]表述“第一粘合透镜中的第二透镜和第三透镜中的一个具有正光焦度，并且第二透镜和第三透镜中的另一个具有负光焦度”同时表示其中第二透镜是正透镜且第三透镜是负透镜的情况和其中第二透镜是负透镜且第三透镜是正透镜的情况，并且意味着第二透镜设置在第三透镜的物体侧。进一步，由表述“第二粘合透镜中的第五透镜和第六透镜中的一个具有正光焦度，并且第五透镜和第六透镜中的另一个具有负光焦度”表示的情况和所指的含义类似。
[0043]进一步，表述“第四透镜具有正光焦度，并且第四透镜的物体侧表面是平面或曲率半径的绝对值大于第四透镜的图像侧表面的曲率半径的绝对值的表面”是指具有正光焦度的第四透镜包括具有物体侧平面的形状，或包括物体侧表面的曲率半径的绝对值大于图像侧表面的曲率半径的绝对值的形状。
[0044]在本发明的前述成像镜头中，当包括非球面时，将在近轴区域中考虑表面的形状和每个透镜的光焦度的符号。
[0045]根据本发明，每个透镜的光焦度、形状等被合适地设置，并且以在光阑的每一侧包括粘合透镜的方式构造该系统。进一步，满足关于构成粘合透镜的透镜的材料的预定公式。因此，能够提供一种成像镜头，其同时具有长的后焦距和宽的视场角，并且其中以出色的方式修正了色差，并提供包括该成像镜头的成像设备。
【专利附图】
【附图说明】
[0046]图1是图示根据本发明的实施例的成像镜头的结构的横截面；
[0047]图2是图示根据本发明的示例I中的成像镜头的结构和光程的横截面；
[0048]图3是图示根据本发明的示例2中的成像镜头的结构和光程的横截面；
[0049]图4是图示根据本发明的示例3中的成像镜头的结构和光程的横截面；
[0050]图5是图示根据本发明的示例4中的成像镜头的结构和光程的横截面；
[0051]图6是图示根据本发明的示例5中的成像镜头的结构和光程的横截面；
[0052]图7是图示根据本发明的示例6中的成像镜头的结构和光程的横截面；
[0053]图8是图示根据本发明的示例7中的成像镜头的结构和光程的横截面；
[0054]图9是图示根据本发明的示例8中的成像镜头的结构和光程的横截面；
[0055]图10是图示根据本发明的示例9中的成像镜头的结构和光程的横截面；
[0056]图11是图示根据本发明的示例10中的成像镜头的结构和光程的横截面；
[0057]图12是图示根据本发明的示例11中的成像镜头的结构和光程的横截面；
[0058]图13是图示根据本发明的示例12中的成像镜头的结构和光程的横截面；
[0059]图14是本发明的示例I中的成像镜头的像差示意图，㈧是球面像差的示意图，(B)是像散的示意图，(C)是畸变的示意图，(D)是横向色差的示意图；
[0060]图15是本发明的示例2中的成像镜头的像差示意图，(A)是球面像差的示意图，(B)是像散的示意图，(C)是畸变的示意图，(D)是横向色差的示意图；
[0061]图16是本发明的示例3中的成像镜头的像差示意图，(A)是球面像差的示意图，(B)是像散的示意图，(C)是畸变的示意图，(D)是横向色差的示意图；
[0062]图17是本发明的示例4中的成像镜头的像差示意图，(A)是球面像差的示意图，(B)是像散的示意图，(C)是畸变的示意图，(D)是横向色差的示意图；
[0063]图18是本发明的示例5中的成像镜头的像差示意图，(A)是球面像差的示意图，(B)是像散的示意图，(C)是畸变的示意图，(D)是横向色差的示意图；
[0064]图19是本发明的示例6中的成像镜头的像差示意图，(A)是球面像差的示意图，(B)是像散的示意图，(C)是畸变的示意图，(D)是横向色差的示意图；
[0065]图20是本发明的示例7中的成像镜头的像差示意图，(A)是球面像差的示意图，(B)是像散的示意图，(C)是畸变的示意图，(D)是横向色差的示意图；
[0066]图21是本发明的示例8中的成像镜头的像差示意图，(A)是球面像差的示意图，(B)是像散的示意图，(C)是畸变的示意图，(D)是横向色差的示意图；
[0067]图22是本发明的示例9中的成像镜头的像差示意图，(A)是球面像差的示意图，(B)是像散的示意图，(C)是畸变的示意图，(D)是横向色差的示意图；
[0068]图23是本发明的示例10中的成像镜头的像差示意图，(A)是球面像差的示意图，(B)是像散的示意图，(C)是畸变的示意图，(D)是横向色差的示意图；
[0069]图24是本发明的示例11中的成像镜头的像差示意图，(A)是球面像差的示意图，(B)是像散的示意图，(C)是畸变的示意图，(D)是横向色差的示意图；
[0070]图25是本发明的示例12中的成像镜头的像差示意图，(A)是球面像差的示意图，(B)是像散的示意图，(C)是畸变的示意图，(D)是横向色差的示意图；
[0071]图26是图示根据本发明的实施例的内窥镜的结构的示意图；
[0072]图27是图示内窥镜的硬前端部中的主要部分的横截面；和
[0073]图28是用于说明根据本发明的实施例的用于车内使用的成像设备的布置的示意图。
【具体实施方式】
[0074]以下，参照附图，详细地描述本发明的实施例。图1在包括光轴Z的横截面中图示根据本发明的实施例的成像镜头I的结构。图1中图示的结构的示例对应于稍后将被描述的示例I中的透镜结构。在图1中，左侧是物体侧，右侧是图像侧。在图1中，还图示了最大视场角处的近轴光线2和离轴光线3。图1图示了一种示例，其中假设是光程转换棱镜、滤波器、盖玻璃等的平行平板形光学构件PPl和PP2设置在成像镜头I的图像侧。
[0075]成像镜头I具有4组6透镜结构，并且由从物体侧按顺序设置的第一透镜L1、由粘合在一起的第二透镜L2和第三透镜L3组成的第一粘合透镜LC1、第四透镜L4、以及由粘合在一起的第五透镜L5和第六透镜L6组成的第二粘合透镜LC2构成。第一透镜LI具有带有凹的图像侧表面的平凹形状或新月形状，并具有负光焦度。第一粘合透镜LCl中的第二透镜L2和第三透镜L3中的一个具有正光焦度，并且第二透镜L2和第三透镜L3中的另一个具有负光焦度。第四透镜L4具有正光焦度，并且第四透镜L4的物体侧表面是平面或曲率半径的绝对值大于第四透镜L4的图像侧表面的曲率半径的绝对值的表面。第二粘合透镜LC2中的第五透镜L5和第六透镜L6中的一个具有正光焦度,并且第五透镜L5和第六透镜L6中的另一个具有负光焦度。
[0076]图1图示了作为示例的第一粘合透镜LC1，其中正的第二透镜L2和负的第三透镜L3从物体侧按此顺序设置并粘合在一起。可替换地，负的第二透镜L2和正的第三透镜L3可以从物体侧按此顺序设置并粘合在一起。类似地，图1图示了作为示例的第二粘合透镜LC2，其中正的第五透镜L5和负的第六透镜L6从物体侧按此顺序设置并粘合在一起。可替换地，负的第五透镜L5和正的第六透镜L6可以从物体侧按此顺序设置并粘合在一起。
[0077]孔径光阑St设置在第一粘合透镜LCl和第四透镜L4之间。图1中图示的孔径光阑不表示孔径光阑的形状或尺寸，而是表示孔径光阑在光轴Z上的位置。在成像镜头I中，由粘合在一起的正透镜和负透镜组成的粘合透镜设置在孔径光阑St的物体侧和孔径光阑St的图像侧中的每一侧上。这种布置有利于修正横向色差。
[0078]成像镜头I是反远距类型透镜系统以获得宽的视场角和长的后焦距。由孔径光阑St的物体侧的第一透镜LI和第一粘合透镜LCl构成的前组整组具有负光焦度。第一透镜LI占这种负光焦度的大部分。然而，采用第二透镜L2的折射率和第三透镜L3的折射率之间的差，第一粘合透镜LCl的粘合表面也具有负光焦度,并有助于同时获得宽的视场角和长的后焦距。
[0079]成像镜头I被构造以满足下述公式(I)至(3):
[0080]1.80 < Bf/f...(I)；
[0081]0.15 < Nln-Nlp...(2);和
[0082]0.0 < vln-vlp < 10.0...(3)，其中
[0083]Bf:整个系统的后焦距(空气中长度),
[0084]f:整个系统的焦距，
[0085]Nln:第一粘合透镜中的负透镜关于d线的折射率，
[0086]Nlp:第一粘合透镜中的正透镜关于d线的折射率，
[0087]vln:第一粘合透镜中的负透镜关于d线的阿贝数，以及
[0088]vlp:第一粘合透镜中的正透镜关于d线的阿贝数。
[0089]公式(I)表示插入光程转换棱镜等所必需的后焦距的长度。当系统被构造以满足公式(I)时，能够确保相对于焦距的长后焦距。因此，能够将各种滤波器、厚的光程转换构件等设置在成像镜头和成像平面之间。
[0090]公式(2)涉及第一粘合透镜LCl的粘合表面的光焦度。当透镜的每个表面的入射侧的介质的折射率是n，并且该表面的出射侧的介质的折射率是η’时，透镜的每个表面的光焦度Φ由通过将该表面的入射侧的介质的折射率和该表面的出射侧的介质的折射率之间的差(η’-η)除以曲率半径r获得的值表示。换句话说，每个表面的光焦度Φ由(n’_n)/r表示。在这里，曲率半径r的符号在表面的形状向着物体侧凸起时是正的，并且曲率半径r的符号在表面的形状向着图体侧凸起时是负的。
[0091]公式(2)限定用于在第一粘合透镜LCl的粘合表面上获得足够的负光焦度所必需的负透镜的折射率和正透镜的折射率之间的差。当所述值低于公式(2)的下限时，变得不能够在第一粘合透镜LCl的粘合表面上获得足够的负光焦度，并且难以同时获得宽的视场角和长的后焦距。
[0092]公式(3)表示当选择材料以实现公式(2)中限定的负透镜的折射率和正透镜的折射率之间的所述差时所必需的正透镜的阿贝数和负透镜的阿贝数之间的差。第一粘合透镜LCl位于孔径光阑St的物体侧。因此，当正透镜的阿贝数较大时，纵向色差被过修正，并且横向色差修正不足。相反，当负透镜的阿贝数较大时，纵向色差修正不足，并且横向色差被过修正。在这里，必要的是负透镜的阿贝数和正透镜的阿贝数之间的所述差是正的，换句话说，必要的是负透镜的阿贝数大于正透镜的阿贝数。进一步，必要的是所述差不是极其大。
[0093]当所述值低于公式(3)的下限时，第一粘合透镜LCl中的正透镜的阿贝数大，并且纵向色差被过修正，横向色差修正不足，如上所述。当所述值超过公式(3)的上限时，第一粘合透镜LCl中的负透镜的阿贝数变得大于假设数，并且纵向色差修正不足，横向色差被过修正。
[0094]进一步，希望的是，成像镜头1，满足下述公式⑷和(5):
[0095]25.0 < v2n-v2p...(4);和[0096]0.08 < N2n-N2p < 0.32...(5)，其中
[0097]v2n:第二粘合透镜中的负透镜关于d线的阿贝数，
[0098]v2p:第二粘合透镜中的正透镜关于d线的阿贝数，
[0099]N2n:第二粘合透镜中的负透镜关于d线的折射率，以及
[0100]N2p:第二粘合透镜中的正透镜关于d线的折射率。
[0101]公式(4)和(5)限定第二粘合透镜LC2中使用的材料。第二粘合透镜LC2位于孔径光阑St的图像侧。因此，当正透镜的阿贝数较大时，纵向色差和横向色差都被过修正。相反，当负透镜的阿贝数较大时，纵向色差和横向色差都修正不足。
[0102]公式(4)限定使得远离图像形成平面定位的第二粘合透镜LC2的粘合表面有效地修正具有长的后焦距的透镜系统中的横向色差所必需的正透镜的阿贝数和负透镜的阿贝数之间的差。当所述值低于公式(4)的下限时，横向色差的修正不够，并且因此使周边图像恶化。
[0103]公式(5)表示实现公式(4)所必需的负透镜的折射率和正透镜的折射率之间的差。当所述值低于公式(5)的下限时，不能从当前存在的光学材料中获得适合正透镜的具有大阿贝数的材料。当所述值超过公式(5)的上限时，不能从当前存在的光学材料中获得适合负透镜的具有小阿贝数的材料。
[0104]因此，更希望的是，满足下述公式(4-1)，代替公式(4)，以更出色地修正横向色差:
[0105]30.0 < v2n-v2p...(4-1)。
[0106]通常，当负责修正横向色差的光学构件设置在更远离孔径光阑St的位置处时，能够实现更显著的修正横向色差的效果。特别是，当光学构件位于孔径光阑St的图像侧时，随着光学构件布置得更靠近图像形成平面，该效果更加显著。然而，在整个系统具有长的后焦距的透镜系统中，已经不可能靠近图像形成平面布置光学构件。因此，横向色差的修正是不容易的。然而，由于本实施例的成像镜头采用前述结构，因此能够容易地同时实现长的后焦距和横向色差的出色修正。
[0107]随着位置接近图像中的周边区域，横向色差看起来更加明显。因此，这对于出色地修正横向色差以改善图像的周边区域的图像质量是非常有效的。如在本实施例的成像镜头I中那样，当在透镜系统中同时出色地修正横向色差和纵向色差二者时，能够获得从图像形成区域的中心到周边区域都优质的图像。
[0108]当成像镜头I在没有保护构件的情况下安装在成像设备上，如内窥镜和用于车内使用的相机上时，设置在最靠近物体侧的第一透镜LI暴露至体液、洗液、直射阳光、风雨、油脂等中。因此，希望的是，第一透镜LI的材料是高度抗水的、抗气候的、耐酸的或耐化学物等。例如，作为第一透镜LI的材料，希望采用根据由日本光学玻璃制造商协会设定的表面方法，关于粉水阻力和粉酸阻力标准以及抗气候性等级为I的材料。
[0109]在这里，位于成像镜头I中最靠近物体侧的第一透镜LI的物体侧表面是平面或凸面。当成像镜头I安装在成像设备上，例如安装在内窥镜和用于车内使用的相机上时，当第一透镜LI的物体侧表面具有这种形状时，与其中第一透镜LI的物体侧表面是凹面的情况相比，能够减少灰尘、液体等在第一透镜LI的物体侧表面上的粘附。
[0110]接下来，将描述本发明的成像镜头的数值示例。在图2至图13中分别图示了示例I至示例12的成像镜头的透镜横截面。在图2至图13中，类似于图1的方式，示意图的左侧是物体侧，示意图的右侧是图像侧。进一步，还图示了最大视场角处的近轴光线2、离轴光线3，以及光学构件PP1、PP2。进一步，在图2至图13中，还图示了球面的或平的物体表面Obj。在图2至图13中图示的示例中，图像形成平面的位置位于平行平板PP2的图像侧表面的位置。然而，在本发明的成像镜头中，图像形成平面的位置不限于该位置。
[0111]表I至表12示出关于示例I至示例12的成像镜头的透镜数据。在每个示例的透镜数据的表中，栏Si示出第i个表面(i = 1,2,3,...)的表面编号。组成元件的最靠近物体侧的表面是第一表面，并且表面编号向图像侧顺序地增加。栏Ri示出第i个表面的曲率半径，栏Di示出第i个表面和第(i+1)个表面之间在光轴Z上的距离。进一步，栏Ndj示出第j个光学构件(j = 1，2，3，...)关于d线(波长是587.6nm)的折射率。最靠近物体侧透镜是第一光学构件，编号j向着图像侧顺序地增加。栏vdj示出第j个光学元件关于d线的阿贝数。在这里，透镜数据包括孔径光阑St和平行平板PP。在栏Ri中，针对对应于孔径光阑St的表面，在括号中写下孔径光阑St的孔的直径。
[0112]在这里，曲率半径的符号在表面的形状向着物体侧凸起时是正的，并且曲率半径的符号在表面的形状向着图像侧凸起时是负的。作为透镜数据中的曲率半径以及表面之间的距离的单位，仅仅作为示例，使用“mm”。由于通过按比例放大或缩小光学系统的尺寸能够获得类似的光学性能，因此也可以采用其它合适的单位。在下表中，数值被四舍五入到预定位。
[0113][表I]
[0114]
【权利要求】
1.一种成像镜头，由成四组的六个透镜构成， 其中第一透镜、由粘合在一起的第二透镜和第三透镜组成的第一粘合透镜、第四透镜、以及由粘合在一起的第五透镜和第六透镜组成的第二粘合透镜从物体侧按此顺序设置，并且 其中第一透镜具有带有凹的图像侧表面的平凹形状或新月形状，并具有负光焦度，并且 其中第一粘合透镜中的第二透镜和第三透镜中的一个具有正光焦度，并且第二透镜和第三透镜中的另一个具有负光焦度，并且 其中第四透镜具有正光焦度，并且第四透镜的物体侧表面是平面或曲率半径的绝对值大于第四透镜的图像侧表面的曲率半径的绝对值的表面，并且 其中第二粘合透镜中的第五透镜和第六透镜中的一个具有正光焦度，并且第五透镜和第六透镜中的另一个具有负光焦度，并且 其中光阑设置在第一粘合透镜和第四透镜之间，并且 其中满足下述公式⑴至⑶:
1.80 < Bf/f...(I)；
0.15 < Nln-Nlp...(2);和
0.0 < vln-vlp < 10.0...(3)，其中 Bf:整个系统的后焦距 (在空气中的长度)， f:整个系统的焦距， Nln:第一粘合透镜中的负透镜关于d线的折射率， Nlp:第一粘合透镜中的正透镜关于d线的折射率， vln:第一粘合透镜中的负透镜关于d线的阿贝数，以及 vlp:第一粘合透镜中的正透镜关于d线的阿贝数。
2.根据权利要求1所述的成像镜头，其中满足下述公式(4)和(5):
25.0 < v2n-v2p...(4);和
0.08 < N2n-N2p < 0.32...(5)，其中 v2n:第二粘合透镜中的负透镜关于d线的阿贝数， v2p:第二粘合透镜中的正透镜关于d线的阿贝数， N2n:第二粘合透镜中的负透镜关于d线的折射率，以及 N2p:第二粘合透镜中的正透镜关于d线的折射率。
3.根据权利要求2所述的成像镜头，其中满足下述公式(4-1):
30.0 < v2n-v2p...(4-1)。
4.一种成像设备，包括: 根据权利要求1-3中任一项所述的成像镜头；和 成像装置，对由成像镜头形成的光学图像进行成像并输出电信号。
【文档编号】G02B23/26GK103430074SQ201280014131
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2012年3月15日 优先权日:2011年3月18日
【发明者】宫野俊 申请人:富士胶片株式会社