CN203688899U

CN203688899U - 成像镜头和使用该成像镜头的成像设备

Info

Publication number: CN203688899U
Application number: CN201290000718.5U
Authority: CN
Inventors: 森将生
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Tianjin OFilm Opto Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2022-07-24
Also published as: EP2738586A1; US9013811B2; EP2738586A4; JPWO2013014913A1; WO2013014913A1; JP5766805B2; EP2738586B1; US20140118849A1

Abstract

在成像镜头中，为了实现一种具有宽视角和长后焦距的紧凑且明亮的透镜系统。一种成像镜头，其包括具有带有物体侧的凸面的弯月形状和负折射能力的第一透镜(L1)、具有双凸形状和正折射能力的第二透镜(L2)、具有图像侧的凹面并具有负折射能力的第三透镜(L3)、以及具有物体侧的凸面和正折射能力的第四透镜(L4)，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜从物体侧开始顺序地布置，并且成像镜头被构造成同时满足条件表达式(1)：L12/f＜0.82和(2)：2.3＜L12×R2F2/f2＜10.0，其中L12是光轴上的第一透镜(L1)与第二透镜(L2)之间的距离，f是整个透镜系统的焦距，R2f是第二透镜(L2)的物体侧透镜表面的曲率半径。

Description

成像镜头和使用该成像镜头的成像设备

技术领域

本发明涉及一种由四个透镜组成的单焦点成像镜头和使用该单焦点成像镜头的成像设备。

背景技术

在此之前，包括诸如CCD、CMOS等的固态图像传感器的小且轻的成像装置和单焦点成像镜头是已知的。这种成像装置例如包括数字照相机、监视照相机、车载照相机、用于缺陷检测和身份识别的图像读取照相机等。作为在这种固态图像传感器的光接收表面上形成光学图像的成像镜头，明亮的、低畸变、和高分辨率同时仍然具有简单结构和较少数目的透镜和用于插入诸如滤镜等光学元件的适当后焦距的成像镜头(参考专利文献1-7)也是已知的。

用于记录彩色图像的成像镜头尤其优选地被进行像差校正，使得例如相对于红(R)、绿(G)和蓝(B)的波长范围中的每一个波长范围的每一个光学图像基本上在光接收表面上彼此对应，并使得形成在光接收表面上的每一个光学图像的对比度变得彼此相等。这意味着在宽波长范围中需要良好地校正各种类型的像差。更具体地，例如，RGB的每一种色彩的光学图像可以通过减小球面像差以及纵向和横向色像差的偏差并相对于RGB中的每一种色彩从光学图像的中心到周边匹配图像位置(像平面)而高分辨率地形成在光接收表面上。

进一步，为了使装置小型化，需要减小整个光程(从成像镜头的第一表面到成像镜头的像平面的距离)以及使成像镜头本身小型化。

在成像镜头的视角被加宽的情况下，必须缩短焦距，但是焦距的显著减小可能会导致后焦距(back focus)减小。因此，为了插入例如低通滤波器，需要将成像镜头设计成与焦距相比具有大的后焦距。

进一步地，在使用固态图像传感器的照相机中，如果从成像镜头的出射光瞳到像平面的距离极其短，则离轴光束在光接收表面上的入射角变大，并且由于阴影的影响会增加不均匀照度。因此，在用于在这种固态图像传感器的光接收表面上形成光学图像的成像镜头中使用具有远心的透镜系统，在该具有远心的透镜系统中，像平面充分远离出射光瞳。

作为用于实现远心的手段装置，使用反焦式(retrofocus type)透镜系统是已知的，其中，反焦式透镜系统由具有负折射能力的透镜系统和具有正折射能力的透镜组从物体侧开始按照前述顺序依次布置形成。

与一般焦距相比较，反焦式透镜系统允许长后焦距，并且可以减小离轴光束的主光线与光轴之间的角度。这可以提供从成像镜头的出射光瞳到成像镜头的像平面的充分距离，从而在要求远心的成像镜头中采用反焦式透镜系统是合适的。

[现有技术文献]

[专利文献]

专利文献1：日本未审查专利公开No.10(1998)-300906

专利文献2：日本未审查专利公开No.2002-244031

专利文献3：日本专利No.4283554

专利文献4：日本专利No.4416411

专利文献5：日本未审查专利公开No.2006-171212

专利文献6：日本未审查专利公开No.2006-317800

专利文献7：日本专利No.4374224

发明内容

同时，需要一种具有改进的光学性能(例如，改进的分辨率)以及紧凑的图像传感器的成像镜头。

然而，参考文献1中的成像镜头的亮度为较暗的F5.58，并且难以获得高对比度的图像。进一步，参考文献1不适于小型化，这是因为与焦距相比，整个光程较长。

参考文献2中所述的成像镜头具有大的畸变，并且分辨率在周边区域中降低。进一步，因为与焦距相比整个光程较长，因此参考文献2不适于小型化。

参考文献3和4中所述的成像镜头已经通过利用非球面表面实现了充分的像差校正和紧凑性，但是不能够满足例如F2.2的亮度级，并且由于离轴光束的主光线与光轴之间的角度超过10度，因此远心度不足。

参考文献5和6中所述的成像镜头是紧凑的，但是亮度约为F4，并且由于后焦距较短而远心度不足。

参考文献7中所述的成像镜头已经实现了F2.8的亮度级，但是该成像镜头同样远心度不足。

鉴于上述情况已经形成了本发明，并且本发明的目的是提供一种具有宽视角和长后焦距的紧凑且明亮的成像镜头和一种使用该成像镜头的成像设备。

本发明的成像镜头是基本上由四个透镜组成的成像镜头，其中成像镜头由具有弯月形状(其中，该弯月形状具有在物体侧上的凸面)和负折射能力的第一透镜、具有双凸形状和正折射能力的第二透镜、具有图像侧的凹面和负折射能力的第三透镜、以及具有物体侧的凸面和正折射能力的第四透镜构成，其中所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜按照上述次序从物体侧开始依次布置，并且所述成像镜头同时满足条件表达式(1)：L12/f＜0.82和(2)：2.3＜L12×R2F2/f2＜10.0，其中L12是第一透镜与第二透镜之间在光轴上的距离(空气等效距离)，f是整个透镜系统的焦距，以及R2f是第二透镜的物体侧透镜表面的曲率半径。

在上述成像镜头中，第一透镜至第四透镜中的至少两个透镜中的每一个可以是在一个或两个表面上具有非球面表面的非球面透镜。

上述成像镜头可以被构造成满足条件表达式(3)：0.7＜Bf/f＜1.5，其中Bf是整个透镜系统的空气等效后焦距。

上述成像镜头可以被形成为如下满足条件表达式(4)：0.6＜f2/f＜1.1，其中f2是第二透镜的焦距。

上述成像镜头可以被形成为同时满足条件表达式(5)：-1.3＜f1/f＜-0.9和(6)：48＜v1，其中f1是第一透镜的焦距，v1是第一透镜相对于d线的阿贝数。

在上述成像镜头中，第三透镜和第四透镜可以由树脂材料形成并被形成为满足条件表达式(7)：-1.3＜f3/f4＜-0.8，其中f3是第三透镜的焦距，f4是第四透镜的焦距。

第三透镜的物体侧表面可以具有一非球面形状，所述非球面形状被形成为：

在穿过成像镜头的最外侧光束的主光线穿过所述表面的点处的所述表面的法线在所述表面的图像侧的点处与光轴相交的情况下，穿过成像镜头的中心光束的最外侧光线穿过所述表面的点处的所述表面的法线在与光轴相交的点的图像侧的点处与光轴相交，或者变得与光轴平行，或者在所述表面的物体侧与光轴相交；

在最外侧光束的主光线穿过所述表面的点处的所述表面的法线变得与光轴平行的情况下，在中心光束的最外侧光线穿过所述表面的点处的所述表面的法线在所述表面的物体侧与光轴相交；以及

在最外侧光束的主光线穿过所述表面的点处的所述表面的法线在所述表面的物体侧的点处与光轴相交的情况下，在中心光束的最外侧光线穿过所述表面的点处的所述表面的法线在与光轴相交的点的图像侧的点处与光轴相交。

在穿过成像镜头的中心光束的最外侧光线穿过所述表面的点处的所述表面的法线在所述表面的图像侧的点处与光轴相交的情况下，穿过成像镜头的最外侧光束的最外侧光线穿过所述表面的点处的所述表面的法线在与光轴相交的点的图像侧的点处与光轴相交，或者变得与光轴平行，或者在所述表面的物体侧与光轴相交；

在中心光束的最外侧光线穿过所述表面的点处的所述表面的法线变得与光轴平行的情况下，在最外侧光束的最外侧光线穿过所述表面的点处的所述表面的法线在所述表面的物体侧与光轴相交；以及

在中心光束的最外侧光线穿过所述表面的点处的所述表面的法线在所述表面的物体侧的点处与光轴相交的情况下，在最外侧光束的最外侧光线穿过所述表面的点处的所述表面的法线在与光轴相交的点的图像侧的点处与光轴相交。

所述成像镜头可以在第一透镜与第二透镜之间设置孔径光阑。

本发明的成像设备可包括上述成像镜头。

这里所使用的术语“基本上由n个透镜组成的成像镜头”指的是成像镜头除具有所述n个透镜之外，还可能设有基本上没有折射能力的透镜、除透镜之外的光学元件(例如，孔径光阑、玻璃罩等)、透镜法兰、镜筒、图像传感器、机械部件(例如，照相机振动校正机构)等。

空气等效后焦距是在光轴上从成像镜头的最靠近图像侧透镜表面到成像镜头的图像侧焦点的距离(空气等效距离)。在将没有折射能力的光学构件(例如，滤镜、玻璃罩等)设置在最靠近图像侧的透镜表面与像平面之间的情况下，空气等效后焦距通过空气转换光学构件的厚度来确定。

如果第一透镜与第二透镜之间不设置光学构件，则在光轴上第一透镜与第二透镜之间的距离(空气等效距离)简单地为空气距离，而如果在第一透镜与第二透镜之间设置无折射能力的光学构件，则所述距离通过空气转换所述光学构件的厚度来确定。

上述树脂材料是可用于塑料透镜的树脂材料，并且优选地使用例如丙烯酸树脂、环氧树脂、或聚碳酸酯。

根据本发明的成像镜头和成像设备，使用四个透镜，所述四个透镜从物体侧开始以具有带有物体侧的凸面的弯月形状的负的第一透镜、具有双凸形状的正的第二透镜、具有图像侧的凹面的负的第三透镜、和具有物体侧的凸面的正的第四透镜的顺序设置，并被布置成同时满足条件表达式(1)：L12/f＜0.82和条件表达式(2)：2.3＜L12×R2F2/f2＜10.0，从而可以实现具有宽视角和长后焦距的紧凑且明亮的光学系统。

即，可通过使用仅四个透镜的较少数目的透镜实现紧凑性，可通过使用具有强的负折射能力的透镜作为第一透镜实现宽视角和长后焦距两者，并且可通过使用第二透镜至第四透镜逐渐会聚被第一透镜扩散的光束实现令人满意的像差校正。

进一步地，如果第一至第四透镜中的两个或更多个透镜中的每一个透镜是在一个或两个表面上具有非球面表面的非球面透镜，则用于改进各种类型的像差的设计灵活度增加，藉此可获得被进一步提高的光学性能。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的成像镜头的横断面视图，描绘了成像镜头的示意性结构；

图2A示出了在1A情形下用于限定构成成像镜头的第三透镜的物体侧表面的形状的交点、法线等；

图2B示出了在1B情形下用于限定构成成像镜头的第三透镜的物体侧表面的形状的交点、法线等；

图2C示出了在1C情形下用于限定构成成像镜头的第三透镜的物体侧表面的形状的交点、法线等；

图3A示出了在2A情形下用于限定构成成像镜头的第三透镜的物体侧表面的形状的交点、法线等；

图3B示出了在2B情形下用于限定构成成像镜头的第三透镜的物体侧表面的形状的交点、法线等；

图3C示出了在2C情形下用于限定构成成像镜头的第三透镜的物体侧表面的形状的交点、法线等；

图4是示例1的成像镜头的横断面视图，其描绘了成像镜头的示意性的构造及光路；

图5是示例2的成像镜头的横断面视图，其描绘了成像镜头的示意性的构造及光路；

图6是示例3的成像镜头的横断面视图，其描绘了成像镜头的示意性的构造及光路；

图7是示例4的成像镜头的横断面视图，其描绘了成像镜头的示意性的构造及光路；

图8是示例5的成像镜头的横断面视图，其描绘了成像镜头的示意性的构造及光路；

图9是示例6的成像镜头的横断面视图，其描绘了成像镜头的示意性的构造及光路；

图10是示例7的成像镜头的横断面视图，其描绘了成像镜头的示意性的构造及光路；

图11示出了示例1的成像镜头的像差示意图；

图12示出了示例2的成像镜头的像差示意图；

图13示出了示例3的成像镜头的像差示意图；

图14示出了示例4的成像镜头的像差示意图；

图15示出了示例5的成像镜头的像差示意图；

图16示出了示例6的成像镜头的像差示意图；

图17示出了示例7的成像镜头的像差示意图；

图18示出了用于限定示例3的成像镜头的第三透镜的物体侧表面的形状的交点、法线等；

图20示出了用于限定示例6的成像镜头的第三透镜的物体侧表面的形状的交点、法线等；

图21示出了用于限定示例6的成像镜头的第三透镜的物体侧表面的形状的交点、法线等；

图22示出了用于限定示例7的成像镜头的第三透镜的物体侧表面的形状的交点、法线等；以及

图23示出了配备有作为本发明的成像设备的一个示例的车载照相机的汽车。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明的成像镜头和配备有该成像镜头的成像设备。

图1是配备有本发明的成像镜头的成像设备的横断面视图，其中示出了所述成像镜头的示意性结构。附图中的箭头X、Y和Z表示三个正交的方向，并且箭头Z方向表示与光轴Z1的方向相同的方向。

附图中描绘的成像设备200包括图像传感器210和单焦点成像镜头100，其中，图像传感器210是固态图像传感器(诸如CCD、CMOS等)，并且所述成像设备200例如被用在数字照相机、监视照相机、车载照相机、用于缺陷检测、身份识别的图像读取照相机等中。

图像传感器210将通过成像镜头100形成在图像传感器210的光接收表面210J上的表现对象1的光学图像Im转换成电信号并输出代表所述光学图像Im的图像信号Gs。

成像镜头100包括四个透镜，其中成像镜头由具有在物体侧具有凸面的弯月形状和负折射能力的第一透镜L1、具有双凸面形状和正折射能力的第二透镜L2、具有在图像侧的凹面和负折射能力的第三透镜L3、和具有在物体侧的凸面形状和正折射能力的第四透镜L4构成，所述第一透镜L1、所述第二透镜L2、所述第三透镜L3和所述第四透镜L4从物体侧开始顺序地布置，并且同时满足条件表达式(1)：L12/f＜0.82和条件表达式(2)：2.3＜L12×R2F2/f2＜10.0。其中，L12是第一透镜L1与第二透镜L2之间在光轴Z1上的距离(空气等效距离)，f是整个透镜系统的焦距，以及R2f是第二透镜L2的物体侧透镜表面的曲率半径。要注意的是，上述空气等效距离简单地为空气距离，因为没有光学构件设置在第一透镜L1与第二透镜L2之间。

这里，条件表达式(1)和(2)是用于获得令人满意的成像性能同时保持适当的后焦距和紧凑性的条件表达式。

条件表达式(1)的满足允许透镜的小型化。如果透镜超过条件表达式(1)的上限，则小型化变得困难。

成像镜头100更优选地被构造成满足条件表达式(1a)：L12/f＜0.6。

条件表达式(2)的满足产生令人满意的成像性能同时保持适当的后焦距。

即，为了获得适当的后焦距，理想的是通过第一透镜L1的强负折射能力使中心光束扩散，以及当最外面的光线入射在第二透镜L2上时使中心光束的最外面的光线入射在远离光轴的位置上。可以通过使由第一透镜L1扩散的光束通过第二透镜L2之后的透镜逐渐会聚来校正各种类型的像差而获得令人满意的成像性能。

距离L12的增加允许通过成像镜头100的中心光束的最外面的光线入射在第二透镜L2的远离光轴Z1的位置上。然而，为了通过增加距离L12实现小型化，需要通过第二透镜的图像侧表面使来自第一透镜的扩散光束快速会聚，并且需要减小图像侧表面的曲率半径。如果发散光束的迅速会聚的效果通过这种方式提高，并且成像镜头100降到条件表达式(2)的下限以下，则在第二透镜L2上的入射光线与入射光线穿过第二透镜L2的物体侧表面的位置处的物体侧表面的法线之间形成的角度增大，并且在光束的周边区域处出现高阶彗形像差，从而使得难以获得令人满意的成像性能。

与之相反的是，如果通过减小距离L12使紧凑性具有高优先级，则必须赋予第一透镜L1更强的扩散效果。为了在保持令人满意的光学性能的同时将这样强扩散的光束朝向会聚引导，则需要增加第二透镜L2的物体侧表面的曲率半径，从而在第二透镜L2上的入射光线与在入射光线通过第二透镜L2的物体侧表面的位置处的物体侧表面的法线之间形成的角度不会变大。如果曲率半径增加并且条件表达式(2)的上限被突破，则第二透镜L2的物体侧表面的会聚作用变弱，并且之后的表面必须具有强会聚作用，因此设计的灵活度减小，并且获得令人满意的像差校正变得困难。

成像镜头100更优选地被构造成满足条件表达式(2a)：

3.0＜L12×R2F2/f2＜8.0。

进一步地，成像镜头100可以具有以下结构。

在成像镜头100中，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、和第四透镜L4中的两个或更多个透镜中的每一个都可以是在一个表面或两个表面上具有非球面形状的非球面透镜。

进一步地，成像镜头100可以被构造成满足条件表达式(3)：

0.7＜Bf/f＜1.5，

其中，Bf是整个透镜系统的空气等效后焦距。

条件表达式(3)是限定后焦距的范围的表达式。

如果成像镜头100超出条件表达式(3)的上限，则小型化变得困难。

另一方面，如果成像镜头100落到条件表达式(3)的下限以下，则除了使将滤镜插入在成像镜头100与光接收表面210J之间的自由度减小之外，还将导致成像镜头100与光接收表面210J之间的距离减小，从而导致远心度不足。进一步地，如果成像镜头100落到条件表达式(3)的下限以下，则从光接收表面210J反射的反射光束在成像镜头100、保持成像镜头100的每一个透镜的保持构件等处被反射，并且这些光束作为杂散光束再次被入射在光接收表面210J上，使得成像性能可能会恶化。

成像镜头100更优选地被构造成满足条件表达式(3a)：

0.85＜Bf/f＜1.25。

成像镜头100可以被构造成满足条件表达式(4)：0.6＜f2/f＜1.1，其中，f2是第二透镜L2的焦距。

条件表达式(4)：0.6＜f2/f＜1.1是限定第二透镜L2的折射能力的表达式。

如果成像镜头100超过条件表达式(4)的上限并且第二透镜L2的折射能力变弱，则第二透镜L2的会聚作用也变弱。为了对此进行补偿，如果第二透镜L2与第三透镜L3之间的距离增加，则小型化变得困难。进一步地，为了对此进行补偿，如果第四透镜的会聚作用增加，则会出现大的负球面像差，并且不能获得令人满意的光学性能。

另一方面，如果成像镜头100被构造成落到条件表达式(4)的下限以下，则在例如第二透镜L2的折射能力增大到大于预定值的情况下可能不能获得足够的后焦距。如果通过第三透镜L3的负折射能力获得的扩散作用增加以获得足够的后焦距，则还需要增加第四透镜L4的正折射能力，并且离轴光束的周边区域处的像差校正变得困难。

成像镜头100更优选地被构造成满足条件表达式(4a)：

0.7＜f2/f＜0.9。

当第二透镜L2的物体侧表面的曲率半径为R2F并且第二透镜的图像侧表面的曲率半径为R2B时，成像镜头100优选地满足条件表达式(8)：

1.0＜R2F/|R2B|。

即，通过形成第二透镜L2使得物体侧表面的曲率半径大于第二透镜L2的图像侧表面的曲率半径的绝对值，可以减小第一透镜L1与第二透镜L2之间的距离，并且在实现小型化的同时被第一透镜L1扩散的光束可以被逐渐地会聚，从而使获得令人满意的像差校正效果变得可能。

如果成像镜头100超过条件表达式(8)的上限，则第二透镜L2的物体侧表面的会聚作用减小，并且为了在第二透镜L2的图像侧表面产生强会聚作用，图像侧表面的曲率半径将变得太小，从而在周边光束中导致不充分的像差校正，例如，彗形像差和场曲。

成像镜头100更优选地被构造成满足条件表达式(8a)：

1.0＜R2F/|R2B|＜3.0。

成像镜头100可以被构造成同时满足条件表达式(5)：-1.3＜f1/f＜-0.9和条件表达式(6)：48＜v1，其中，f1是第一透镜L1的焦距，而v1是第一透镜L1相对于d线的阿贝数。

条件表达式(5)是限定第一透镜L1的折射能力的表达式。

如果成像镜头100被构造成落到条件表达式(5)的下限以下，并且如果例如第一透镜L1的折射能力弱，则通过第一透镜L1对光束的扩散作用减小，并且适当的后焦距的保持变得困难。进一步地，第一透镜L1与第二透镜L2之间的距离增加，并且小型化变得困难。

如果成像镜头100被构造成超过条件表达式(5)的上限，例如，在通过第二透镜L2之后的透镜逐渐会聚被第一透镜L1强力地扩散的光束时，需要通过减小第二透镜L2的物体侧的曲率半径来实现小型化。因此，在光束的周边区域处出现更高阶的彗形像差，并且令人满意的光学性能变得难以获得。

成像镜头100更优选地被构造成满足条件表达式(5a)：

-1.2＜f1/f＜-1.0。

条件表达式(6)：48＜v1是限定第-透镜L1的阿贝数的表达式。

条件表达式(6)的满足能够令人满意地校正色像差，并且可以获得高成像性能。

成像镜头100更优选地被构造成满足条件表达式(6a)：

48＜v1＜82。

如果满足条件表达式(6)的上限，则可以选择相对低成本的光学材料作为第一透镜L1。

成像镜头100的第三透镜L3和第四透镜L4可以由树脂材料形成，并且成像镜头100可以被构造成满足条件表达式(7)：

-1.3＜f3/f4＜-0.8，

其中，f3是第三透镜L3的焦距，f4是第四透镜L4的焦距。

与玻璃材料相比，树脂材料在折射率和形状方面相对于温度变化具有较大的变化，并且在温度变化时透镜的焦移(focal shift)较大。因此，在其中使用树脂透镜的情况下，树脂透镜优选地用于具有正折射能力和负折射能力的两个透镜。即，满足条件表达式(7)的成像镜头100的构造允许通过使用具有正折射能力和负折射能力的两个树脂透镜使得因温度变化对数值透镜的影响被消除。

成像镜头100更优选地被构造成满足条件表达式(7a)：

-1.2＜f3/f4＜-0.9。

第三透镜的物体侧表面Me优选地被形成为这样一种形状：例如，凸面形状在中心区域中逐渐加强而凸面形状在周边区域中逐渐减弱。

即，相对于第三透镜的图像侧表面Me的非球面形状，限定如下非球面表面表达式：

Zf(y)＝C·y2/[1+(1-K·C2·y2)1/2]+∑Bn·|y n，

其中，y是在垂直于光轴Z1的方向(附图中的箭头Y方向)上的高度，Zf(y)是在光轴方向上距离在高度y处的非球面表面的顶点的切面的距离(非球面表面的深度)，C是近轴曲率，K是表示二次曲面的非球面系数(例如，偏心率或锥形常数)，Bn是第n(n是大于或等于3的整数)阶非球面系数。

在这种情况下，表面Me的形状应该形成为这样一种非球面形状，其中在0≤y的区域中，非球面表面表达式Zf(y)的一阶导数dZf(y)/dy在中心区域中取正值，并且所述正值随着y值的增加在中心区域逐渐增加而在周边区域逐渐减小。

通过这种方式，通过将第三透镜的物体侧表面Me形成为凸面形状在中心区域朝向周边区域逐渐增强的非球面形状，对于当中心光束穿过第三透镜L3的物体侧表面Me时靠近中心区域的光线来说，可以减小由所述光线与在该光线穿过表面Me的点(光线与表面Me之间的交点)处的表面Me的法线形成的角度。进一步地，对于靠近周边区域的光线来说，由该光线与在该光线穿过表面Me的点(光线与表面Me之间的交点)处的表面Me的法线形成的角度可以逐渐增加。

这允许当被第一透镜L1扩散的光线被第二透镜L2会聚时出现的(尤其是在周边区域中出现的)大的负球面像差被令人满意的校正。

进一步地，凸面形状逐渐减弱的非球面形状尤其允许第三透镜L3的物体侧表面Me的周边区域处的凸面形状对于穿过该周边区域的光束来说变缓(loosened)，并且在穿过周边区域的光线与在光线穿过表面Me的点(光线与表面Me之间的交点)处的法线之间形成的角度可以减小，使得可以抑制更高阶彗形像差的出现。

进一步优选地，第三透镜L3的物体侧表面Me的周边区域具有凹面形状。

即，表面Me的形状应该被形成为一非球面形状，使得在0≤y的区域中，非球面表面表达式Zf(y)的一阶导数dZf(y)/dy在中心区域中取正值，并且该正值在中心区域中随着y值的增大而逐渐增大，随后朝向周边区域逐渐减小，在某一y值处取极值0，然后取负值，并且该负值在进一步朝向周边区域的过程中随着y值的增大而逐渐增大。

以下参照图2A、2B、2C描述构成成像镜头100的第三透镜L3的物体侧表面Me的形状的范围。要注意的是图2A、2B、2C和随后所述的图3A、3B、3C是概念图，并且没有精确地表示表面Me的形状、表面Me的法线的方向等。

图2A、2B、2C是显示用于限定构成成像镜头的第三透镜的物体侧表面的形状的交点、法线等的图。

如图2A中所示，第三透镜L3的物体侧表面Me可以具有一非球面形状，所述非球面形状被形成为：在“穿过成像镜头100的最外侧光束的主光线与表面Me之间的交点Qa处”的表面Me的法线Ha在表面Me的图像侧的点Pa处与光轴Z1相交的情况下(在1-A状态的情况下)，“中心光束的最外侧光线与表面Me之间的交点Qb处”的表面Me的法线或者在点Pa的图像侧的点Pb(1)处与光轴Z1相交(附图中的法线Hb(1))，或者变得与光轴Z1平行(附图中的法线Hb(2))，或者在表面Me的物体侧的点Pb(3)处与光轴Z1相交(附图中的法线Hb(3))。

进一步地，如图2B所示，第三透镜L3的物体侧表面Me可以具有一非球面形状，所述非球面形状被形成为：在“穿过成像镜头100的最外侧光束的主光线与表面Me之间的交点Qa处”的表面Me的法线Ha平行于光轴Z1的情况下(在1-B状态的情况下)，“穿过成像镜头100的中心光束的最外侧光线与表面Me之间的交点Qb处”的表面Me的法线Hb在表面Me的物体侧的点Pb处与光轴Z1相交。

进一步地，如图2C所示，第三透镜L3的物体侧表面Me可以具有一非球面形状，所述非球面形状被形成为：在“穿过成像镜头100的最外侧光束的主光线与表面Me之间的交点Qa处”的表面Me的法线Ha在表面Me的物体侧的点Pa处与光轴Z1相交的情况下(在1-C状态的情况下)，“穿过成像镜头100的中心光束的最外侧光线与表面Me之间的交点Qb处”的表面Me的法线Hb在点Pa的图像侧的点Pb处与光轴Z1相交。

进一步地，以下参照图3A、3B、3C描述构成成像镜头100的第三透镜L3的物体侧表面Me的形状的范围。

图3A、3B、3C显示用于限定构成成像镜头的第三透镜的物体侧表面的形状的交点、法线等的图。

如图3A中所示，第三透镜L3的物体侧表面Me可以具有一非球面形状，所述非球面形状被形成为：在“穿过成像镜头100的中心光束的最外侧光线与表面Me之间的交点Qb处”的表面Me的法线Hb在表面Me的图像侧的点Pb处与光轴Z1相交的情况下(在2-A状态的情况下)，“穿过成像镜头100的最外侧光束的最外侧光线与表面Me之间的交点Qc”处的表面Me的法线或者在点Pb的图像侧的点Pc(1)处与光轴Z1相交(附图中的法线Hc(1))，或者变得与光轴Z1平行(附图中的法线Hc(2))，或者在表面Me的物体侧的点Pc(3)处与光轴Z1相交(附图中的法线Hc(3))。

进一步地，如图3B所示，第三透镜L3的物体侧表面Me可以具有一非球面形状，所述非球面形状被形成为：在“穿过成像镜头100的中心光束的最外侧光线与表面Me之间的交点Qb处”的表面Me的法线Hb平行于光轴Z1的情况下(在2-B状态的情况下)，“穿过成像镜头100的最外侧光束的最外侧光线与表面Me之间的交点Qc处”的表面Me的法线Hc在表面Me的物体侧的点Pc处与光轴Z1相交。

进一步地，如图3C所示，第三透镜L3的物体侧表面Me可以具有一非球面形状，所述非球面形状被形成为：在“穿过成像镜头100的中心光束的最外侧光线与表面Me之间的交点Qb处”的表面Me的法线Hb在表面Me的物体侧的点Pb处与光轴Z1相交的情况下(在2-C状态的情况下)，“穿过成像镜头100的最外侧光束的最外侧光线与表面Me之间的交点Qc处”的表面Me的法线Hc在点Pb的图像侧的点Pc处与光轴Z1相交。

进一步地，成像镜头100可以在第一透镜L1与第二透镜L2之间设有孔径光阑。

确定透镜的亮度的孔径光阑St优选地设置在第一透镜L1与第二透镜L2之间以增强远心度。这种布置允许光接收表面210J与光瞳位置之间的距离增加，藉此增加了设计灵活度并且可以减轻用于设定远心系统的负担。即，在构造成像镜头100时优选地考虑远心度。

如果光接收表面210J上的入射角变得太大，则不能有效地获得接收光的量，并且由于阴影作用而使得接收光的量不均匀。因此应该考虑入射角。

成像镜头100所需的远心度取决于使用该成像镜头的设备的规格，但是当像平面上的每一个光束的主光线的入射角的最大值为MXAN时，MXAN＜15°是优选的。进一步地，MXAN＜10°是更优选的。在随后所述的多个成像镜头的示例中，大多数示例满足MXAN＜10°。

如果将成像镜头100例如安装在监视照相机中并且在成像镜头100被直接暴露于露天的环境中使用，则第一透镜L1优选地由玻璃材料形成。玻璃材料更少地受到湿气和紫外线的影响，并且耐刮擦，使得玻璃材料可用于第一透镜L1。

第二透镜L2需要具有强的正折射能力以承担整个透镜系统的大多数聚焦功能。因此，从像差校正的角度来看，可以为第二透镜L2选择具有高折射率的玻璃材料。

例如，红外线截止滤光器、可见光截止滤光器、和具有防水或亲水涂层的滤光器可以设置在成像镜头的物体侧或图像侧。进一步地，具有这种功能的涂层可以被涂覆到透镜表面。

成像镜头100可以例如用作有限系统(finite system)的图像读取光学系统。

进一步地，成像镜头100不仅可以应用到获取可见光作为成像目标的设备，而且还可以应用到获取红外光作为成像目标的设备。成像镜头100可以例如用在夜视照相机、认证照相机等中。

在成像镜头100被应用于安装在室外的监视照相机的情况下，因从超过成像镜头100的视角的角度入射在成像镜头100上而产生的杂散光束可能会影响由监视照相机获得的图像。为了避免这种杂散光，用于切断不希望有的光线的罩或阻止光圈优选地设置在成像镜头100的前方或设置在每一个透镜之间。

[示例]

以下一同参照图4-10、图11-17、图18-22、表1A、1B、2A、2B......7A、7B和表8、9描述表示根据本发明的成像镜头的具体数值数据的示例1-7。与描绘了成像镜头100的图1中的附图标记对应的图4-10中的附图标记指示彼此相应的部件。图4-10中的箭头X、Y和Z指示三个正交方向，并且箭头Z方向指示的方向与光轴Z1的方向相同。

〈示例1〉

图4是示例1的成像镜头的横断面视图，其中示意性地描绘了其构造，并带有穿过成像镜头的光束的光路。

示例1的成像镜头被构造成满足所有条件表达式(1)-(7)和条件表达式(8)。

表1A显示示例1的成像镜头的透镜数据。在表1A所示的透镜数据中，表面编号i表示第i个表面Si，其中编号i(i＝1、2、3......)以朝向图像侧连续增加的方式被提供给每一个表面，且最靠近物体侧的表面作为第一表面。在表1A中，表面编号还被提供给孔径光阑St、无折射能力的光学元件LL、和上面形成有光学图像Im的像平面。

表1A中的符号Ri表示第i(i＝1、2、3......)个表面的曲率半径，而符号Di表示第i个表面与第i+1个表面之间在光轴Z1上的表面距离。符号Ri和Di与符号Si(i＝1、2、3......)在数字上对应。

表1A中的符号re表示光束控制器直径，该直径对应于用于消除彗形闪光并保持高性能的光学光圈或闪光光圈的直径。注意，在表1A中的re栏中出现的值0.000表示没有设置光束控制器。

符号Ndj表示第j个光学元件相对于d线(587.6nm)的折射率，其中编号j(j＝1、2、3......)被以朝向图像侧连续增加的方式被提供给每一个光学元件，且最靠近物体侧的光学元件被视为第一光学元件，而vdj表示第j个光学元件相对于d线的阿贝数。在表1A中，曲率半径和表面距离的单位是毫米，并且如果表面在物体侧是凸起的，则曲率半径为正，如果表面在图像侧是凸起的，则曲率半径为负。

在表1A中所示的透镜数据中，*标记附到非球面表面的表面编号，并且曲率半径Ri的值是近轴曲率半径的值。

这种光学系统可以基本保持预定的性能，即使光学元件(诸如透镜等)的尺寸按比例增加或减小，只要其中的上述整个透镜数据按比例增加或减小，该成像镜头也可以是根据本发明的示例。

[表1A]

示例1

※1.第3表面是孔径光阑，第12表面是像平面，第10至11表面是玻璃罩、滤镜等

※2.*标记表示非球面表面

re是光束控制装置直径(第3表面是孔径光阑，第5表面是用于消除周边区域中

※3.出现的彗形闪光并保持高性能的闪光光圈直径，并且0.0表示未设置光束控制装置)

表1B显示示例1的成像镜头的非球面系数。即，表1B显示表1A中的表面编号被给予*标记的非球面表面的非球面系数。

表1B中所述的非球面系数被形成为：当被应用于如下给出的非球面表达式时可限定出非球面形状。

Zf(y)＝C·y2/{1+(1-K·C2·y2)1/2}+∑Bn·|y|n

其中：

Zf(y)：非球面表面的深度(mm)

y：从光轴到透镜表面的距离(高度)(mm)

K：表现二次曲面的非球面系数

C：近轴曲率＝1/R(R：近轴曲率半径)

Bn：n阶非球面系数(n是大于或等于3的整数)

[表1B]

示例1：非球面系数

如从上述透镜数据已知，示例1的成像镜头是具有宽视角和长后焦距的紧凑且明亮的成像镜头。

图11示出了示例1的成像镜头的像差示意图。在图11的上侧显示了球面像差、像散、畸变(畸变像差)示意图，而在下侧显示了横向像差。由符号(A)表示的示意图显示了球面像差，由符号(B)表示的图显示了像散，由符号(C)表示的图显示了畸变，而由符号(D)表示的图显示了横向像差。

图11描绘了波长分别为450nm、550nm和650nm的每种光的各种类型的像差。

在像散图中，实线显示在径向方向上的像差，而虚线显示在切向方向上的像差。球面像差图的上侧的FNo.表示F数，而其它像差图的上侧的ω表示半视角。

在横向像差图中，左列的像差图显示切向方向的像差，而右列的像差图显示了径向方向上的像差。

进一步地，对于示例1-7的每个成像镜头而言的与条件表达式(1)-(8)中每个公式对应的值被显示在表8中。进一步地，在图9中显示了与条件表达式(1)-(8)中的每一个变量符号相对应的值。可以从表1中所示的透镜数据等获得每一个条件表达式中描述的公式的值。

注意，对描绘了示例1的成像镜头的结构的图4、描绘了像差图的图11以及与条件表达式(1)-(8)有关的图8和图9做出解释的上述描述同样可应用于之后描述的示例2-7，因此对于随后加以描述的的示例的说明将被省略。

〈示例2〉

图5是示例2的成像镜头的横断面视图，其中示意性地图示了成像镜头的构造，并带有穿过成像镜头的中心光束的和最外侧光束的光路。

示例2的成像镜头被构造成满足所有条件表达式(1)-(7)。

图12显示示例2的成像镜头的像差。

下面的表2A给出了示例2的成像镜头的透镜数据，而下面的表2B则给出了示例2的成像镜头的非球面系数。

[表2A]

示例2

※2.*标记表示非球面表面

[表2B]

〈示例3〉

图6是示例3的成像镜头的横断面视图，其中示意性地图示了成像镜头的构造，并带有穿过成像镜头的中心光束和最外侧光束的光路。

示例3的成像镜头被构造成满足所有条件表达式(1)-(7)以及条件表达式(8)。

图13显示示例3的成像镜头的像差。

以下的表3A显示了示例3的成像镜头的透镜数据，而表3B显示了示例3的成像镜头的非球面系数。

[表3A]

示例3

※2.*标记表示非球面表面

[表3B]

示例3：非球面系数

〈示例4〉

图7是示例4的成像镜头的横断面视图，其中示意性地图示了呈现透镜的构造，并带有穿过成像镜头的中心光束和最外侧光束的光路。

示例4的成像镜头被构造成满足所有条件表达式(1)-(7)。

图14显示了示例4的成像镜头的像差。

下面的表4A显示了示例4的成像镜头的透镜数据，而表4B显示了示例4的成像镜头的非球面系数。

[表4A]

示例4

※2.*标记表示非球面表面

[表4B]

示例4：非球面系数

〈示例5〉

图8是示例5的成像镜头的横断面视图，其中示意性地图示了成像镜头的构造，并带有穿过成像镜头的中心光束和最外侧光束的光路。

示例5的成像镜头被构造成满足条件表达式(1)-(7)以及条件表达式(8)。

图15显示了示例5的成像镜头的像差。

下面的表5A显示了示例5的成像镜头的透镜数据，而表5B则显示了示例5的成像镜头的非球面系数。

[表5A]

示例5

※2.*标记表示非球面表面

[表5B]

〈示例6〉

图9是示例6的成像镜头的横断面视图，其中示意性地图示了呈现透镜的构造，并带有穿过成像镜头的中心光束和最外侧光束的光路。

示例6的成像镜头被构造成满足条件表达式(1)-(7)以及条件表达式(8)。

图16显示了示例6的成像镜头的像差。

下面的表6A显示了示例6的成像镜头的透镜数据，而表6B则显示了示例6的成像镜头的非球面系数。

[表6A]

示例6

※2.*标记表示非球面表面

[表6B]

示例6：非球面系数

〈示例7〉

图10是示例7的成像镜头的横断面视图，其中示意性地图示了成像镜头的构造，并带有穿过成像镜头的中心光束和最外侧光束的光路。

示例7的成像镜头被构造成满足条件表达式(1)-(7)以及条件表达式(8)。

图17显示了示例6的成像镜头的像差。

下面的表7A显示了示例7的成像镜头的透镜数据，而表7B则显示了示例7的成像镜头的非球面系数。

要注意的是，与示例1-6的成像镜头不同，示例7的成像镜头不包括孔径光阑。

[表7A]

示例7

※2.*标记表示非球面表面

[表7B]

示例7：非球面系数

下面的表8和表9给出了与上文所述的每个条件表达式有关的值。

[表8]

★标记表示不满足条件表达式的值。

[表9]

图18-21涉及成像镜头的第三透镜L3的物体侧表面Me的形状(非球面形状)。

图18显示了位于穿过示例3的成像镜头的第三透镜L3的物体侧表面Me的最外侧光束的主光线与表面Me之间的交点Qa处的物体侧表面Me的法线Ha，法线Ha与光轴Z1之间的交点Pa、位于穿过物体侧表面Me的中心光束的最外侧光线与表面Me之间的交点Qb处的物体侧表面Me的法线Hb、和法线Hb与光轴Z1之间的交点Pb。

这显示表面Me具有与图2C所示状态(1-C状态的情况下)相对应的非球面形状。

Me的最外侧光束的最外侧光线与表面Me之间的交点Qc处的物体侧表面Me的法线Hc、和法线Hc与光轴Z1之间的交点Pc。

这显示了表面Me具有与图3C所示状态(2-C状态的情况下)相对应的非球面形状。

图20示出了位于穿过示例6的成像镜头的第三透镜L3的物体侧表面Me的最外侧光束的主光线与表面Me之间的交点Qa处的物体侧表面Me的法线Ha，法线Ha与光轴Z1之间的交点Pa、位于穿过物体侧表面Me的中心光束的最外侧光线与表面Me之间的交点Qb处的物体侧表面Me的法线Hb、和法线Hb与光轴Z1之间的交点Pb。

这显示了表面Me具有与图2A所示状态(1-C状态的情况下)相对应的非球面形状。

图21显示了位于穿过示例6的成像镜头的第三透镜L3的物体侧表面Me的中心光束的最外侧光线与表面Me之间的交点Qb处的物体侧表面Me的法线Hb，法线Hb与光轴Z1之间的交点Pb、位于穿过过第三透镜L3的物体侧表面Me的最外侧光束的最外侧光线与表面Me之间的交点Qc处的物体侧表面Me的法线Hc、和法线Hc与光轴Z1之间的交点Pc。

这显示了表面Me具有与图3A所示状态(2-C状态的情况下)相对应的非球面形状。

图22分别显示了位于穿过示例7的成像镜头的第三透镜L3的物体侧表面Me的光线(最外侧光束的主光线、中心光束的最外侧光线、和最外侧光束的最外侧光线)与表面Me之间的交点Qa、Qb、Qc处的物体侧表面Me的法线Ha、Hb、Hc，以及法线Ha、Hb、Hc与光轴Z1之间的交点Pa、Pb、Pc。

这显示了表面Me具有与图2C所示状态(1-C状态的情况下)以及图3C所示状态(2-C状态的情况下)相对应的非球面形状。

因为示例7的成像镜头不包括孔径光阑，因此当最外侧光束在像平面上会聚时，该最外侧光束的横截面中的角平分线被当成最外侧光束的主光线。

图23示出了配备有作为本发明的成像设备的一个示例的车载照相机的汽车，所述车载照相机具有本发明的成像镜头和图像传感器，所述图像传感器接收通过成像镜头聚焦形成光学图像的光，并将所述光转换成电信号和输出电信号。

如图23所示，车载照相机502-504可以安装在汽车501等并被使用。车载照相机502是用于对乘客侧的盲区进行成像的外部照相机，并且车载照相机503是用于对汽车501的后侧的盲区进行成像的外部照相机。车载照相机504是连接到后视镜的后表面并用于对与驾驶员的视野范围相同的视野进行成像的内部照相机。

在成像设备的示例中，已经对本发明被应用于车载的情况进行了描述和说明。但是本发明不局限于这种应用，而是可适用于例如监视照相机、用于缺陷检测、身份识别的图像读取照相机等。

迄今为止，已经通过实施例以及示例描述了本发明，但是本发明不局限于上述实施例和示例，而是可以进行各种修改。例如，每一个透镜元件的曲率半径的值、表面距离、折射率、阿贝数等不局限于每一个数值示例中所示的值，而使可以采用其它值。

Claims

1.一种成像镜头，基本上由四个透镜组成，其中该成像镜头包括：

第一透镜，该第一透镜具有弯月形状并且具有负折射能力，其中所述弯月形状的第一透镜带有物体侧的凸面；

第二透镜，该第二透镜具有双凸形状并具有正折射能力；

第三透镜，该第三透镜具有图像侧的凹面并具有负折射能力；和

第四透镜，该第四透镜具有物体侧的凸面并具有正折射能力，

所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜从所述物体侧开始按照次序依次布置，并且所述成像镜头同时满足下面的条件表达式(1)、(2)、(5)和(6)：

L12/f＜0.82---------------------(1)；

2.3＜L12×R2F²/f²＜10.0-----------(2)，

-1.3＜f1/f＜-0.9-----------------(5)；以及

48＜v1--------------------------(6)，

其中：

L12：光轴上的第一透镜与第二透镜之间的距离(空气等效距离)；

f：整个透镜系统的焦距；he

R2F：第二透镜的物体侧透镜表面的曲率半径；

f1：第一透镜的焦距；以及

v1：第一透镜相对于d线的阿贝数。

2.根据权利要求1所述的成像镜头，其中成像镜头满足如下条件表达式(1a)：

L12/f＜0.6----------------------(1a)。

3.根据权利要求1或2所述的成像镜头，其中成像镜头满足如下条件表达式(2a)：

3.0＜L12×R2F²/f²＜8.0------------(2a)。

4.根据权利要求1或2所述的成像镜头，其中第一透镜至第四透镜中的至少两个透镜中的每一个是在一个或两个表面上具有非球面表面的非球面透镜。

5.根据权利要求1或2所述的成像镜头，其中成像镜头满足如下条件表达式(3)：

0.7＜Bf/f＜1.5-------------------(3)，

其中，

Bf：整个透镜系统的空气等效后焦距。

6.根据权利要求5所述的成像镜头，其中成像镜头满足如下条件表达式(3a)：

0.85＜Bf/f＜1.25-----------------(3a)。

7.根据权利要求1或2所述的成像镜头，其中成像镜头满足如下条件表达式(4)：

0.6＜f2/f＜1.1-------------------(4)，

其中，

f2：第二透镜的焦距。

8.根据权利要求7所述的成像镜头，其中成像镜头满足如下条件表达式(4a)：

0.7＜f2/f＜0.9-----------------(4a)。

9.根据权利要求1或2所述的成像镜头，其中成像镜头满足如下条件表达式(5a)：

-1.2＜f1/f＜-2.0-----------------(5a)。

10.根据权利要求1或2所述的成像镜头，其中成像镜头满足如下条件表达式(6a)：

48＜v1＜82-----------------------(6a)。

11.根据权利要求1或2所述的成像镜头，其中：

第三透镜和第四透镜由树脂材料形成；并且

成像镜头满足如下条件表达式(7)：

-1.3＜f3/f4＜-0.8----------------(7)，

其中：

f3：第三透镜的焦距；和

f4：第四透镜的焦距。

12.根据权利要求11所述的成像镜头，其中成像镜头满足如下条件表达式(7a)：

-1.2＜f3/f4＜-0.9----------------(7a)。

13.根据权利要求1或2所述的成像镜头，其中第三透镜的物体侧表面具有非球面形状，所述非球面形状被形成为：

14.根据权利要求1或2所述的成像镜头，其中第三透镜的物体侧表面具有非球面形状，所述非球面形状被形成为：

15.根据权利要求1或2所述的成像镜头，其中在第一透镜与第二透镜之间设置孔径光阑。

16.一种成像设备，包括根据权利要求1或2所述的成像镜头。