專(zhuān)利名稱(chēng)：有吸收梯度和選擇光譜濾光的光學(xué)裝置及透鏡組和照相機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及準(zhǔn)備用于保證透鏡組象平面上均勻照明的具有吸收梯度的光學(xué)裝置。本發(fā)明還涉及形成準(zhǔn)備用于在穿過(guò)該裝置的整個(gè)光譜中濾除局部光譜段的光譜濾光器的這類(lèi)光學(xué)裝置。最后本發(fā)明涉及裝有上述類(lèi)型光學(xué)裝置的透鏡組和照相機(jī)。
為了制作用于數(shù)字型照相機(jī)的高質(zhì)量透鏡組，光譜濾光器必須被引入以除去對(duì)這類(lèi)照相機(jī)所裝配的半導(dǎo)體型光學(xué)傳感器很敏感的紅光和紅外光波段。吸收梯度濾光器也必須被引入以使透鏡組象平面上的照明均勻化。實(shí)際上，目前在市場(chǎng)上可買(mǎi)到的照相機(jī)透鏡組往往具有在其象平面上照明不均勻的問(wèn)題，這導(dǎo)致從象平面的中心到其邊緣在照明上的實(shí)質(zhì)降低。這個(gè)問(wèn)題聯(lián)系到形成這類(lèi)透鏡組的透鏡往往是球面透鏡的事實(shí)。這類(lèi)透鏡通常被使用因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)用研磨粉研磨和拋光容易去制造。不幸的是，如將參照本發(fā)明申請(qǐng)所附

圖1被說(shuō)明的，從照明的觀點(diǎn)看來(lái)這些透鏡是最不適當(dāng)?shù)摹?br> 上述圖1示出分別用標(biāo)記字母A和B標(biāo)明的兩個(gè)點(diǎn)。這兩個(gè)點(diǎn)A和B都在球面透鏡2的象平面1上。如圖1示出，點(diǎn)A位于透鏡2的光軸4上，而點(diǎn)B位于離軸4一段距離處。透鏡2對(duì)點(diǎn)A和B的投射因數(shù)或有效孔徑將分別被稱(chēng)為α和β。應(yīng)該注意對(duì)于位于軸外的點(diǎn)有效孔徑變小，也就是說(shuō)β＜α。因此，照明，即每單位面積的能量，對(duì)位于軸外的點(diǎn)將減小。這由照明E按關(guān)系E＝E0cos4ω變化的事實(shí)被證實(shí)，其中E是入射的照明而ω是光軸與在透鏡中心連接到象平面上一點(diǎn)的直線之間的角度。因而，對(duì)位于光軸上的點(diǎn)，ω＝0，而E＝E0為最大。反之，對(duì)位于光軸外的點(diǎn)，角ω增大而所得到的照明E減小。
為了從照明的觀點(diǎn)嘗試校正球面透鏡的不利影響，可以設(shè)想幾種解決方法。這些解決辦法之一在于使用非球面透鏡或許多球面透鏡的組合。另一種已知的解決辦法在于使用有吸收梯度的濾光器。這種濾光器通常采取被配置于或貼近于實(shí)際象平面或中間象平面的基本上平面基片的形式。按照第一種可供選擇的實(shí)施例，基片的一個(gè)面被鍍上反射材料如鋁的薄膜。這個(gè)薄膜具有在其中心比其邊緣區(qū)域更厚并因而反射更強(qiáng)的特點(diǎn)。它因而通過(guò)降低象平面中心處照明而允許更多的光通過(guò)該象平面的邊緣使透鏡組象平面的照明能被均勻化。按照另一種實(shí)施例，吸收梯度濾光器由原液染色材料制成，其光密度從濾光器中心朝著邊緣降低。其他更加復(fù)雜的吸收梯度濾光器也可能被使用。
剛才被描述的校正措施具有昂貴的缺點(diǎn)。特別是，透鏡組必須被安裝在潔凈的環(huán)境如潔凈的室內(nèi)，而且為了防止灰塵濾光器必須被密封，這意味著高成本。此外，在透鏡組的光路上兩個(gè)附加器件的組合意味著透鏡組不能被小型化和緊湊化。最后，遠(yuǎn)離透鏡組的光軸處由入射光與吸收梯度濾光器表面形成的角度增大，它引起該濾光器表面所反射的光的數(shù)量的增加，并因而到達(dá)被裝配到數(shù)字型照相機(jī)的光學(xué)傳感器的光的減少。
本發(fā)明的目的是通過(guò)使光譜濾光器和吸收梯度濾光器的功能能被結(jié)合在同一個(gè)器件上以克服以上難題和缺點(diǎn)。
因此，本發(fā)明涉及準(zhǔn)備使象平面的照明，特別是由數(shù)字型光學(xué)傳感器所確定的，均勻化的光學(xué)裝置，其特征在于它是由透明的濾光均勻的材料的部件構(gòu)成，該部件對(duì)穿過(guò)它的可見(jiàn)光譜的全部波長(zhǎng)具有基本上一致的吸收系數(shù)，并且具有適應(yīng)于確定了的吸收斷面的變化的厚度。
作為這些特點(diǎn)的結(jié)果，本發(fā)明提供一種光學(xué)裝置，其適當(dāng)被選擇的厚度形成順序變化的吸收，使被裝有待獲得裝置的透鏡組的象平面上的照度能一致。與現(xiàn)有技術(shù)的吸收梯度濾光器相比，作為其整體式結(jié)構(gòu)的結(jié)果，按照本發(fā)明的裝置能容易而便宜地去制造。它還是緊湊的，以致它能易于被組合到透鏡組中。
按照本發(fā)明補(bǔ)充的特點(diǎn)，透明濾光材料的部件形成一個(gè)透鏡。
按照本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)，該光學(xué)裝置對(duì)包括在確定了的光譜段內(nèi)的波長(zhǎng)具有高數(shù)值的吸收系數(shù)。
因而，不同于現(xiàn)有技術(shù)其中，為了制作用于數(shù)字型照相機(jī)的高質(zhì)量的透鏡組，吸收梯度濾光器、光譜濾光器和透鏡必須被安裝在該透鏡組的光路中，本發(fā)明使這兩個(gè)濾光器和透鏡的功能被結(jié)合在同一個(gè)光學(xué)器件中。這使透鏡組的成本價(jià)能被限制，在一方面通過(guò)減少對(duì)其安裝所需的組成部分的數(shù)目，在另一方面通過(guò)簡(jiǎn)化制造，因?yàn)闉榱吮ＷC有效的防止灰塵只有將按照本發(fā)明的光學(xué)裝置從圖象傳感器隔開(kāi)的空間必須被密封。
本發(fā)明還涉及包含上述類(lèi)型的光學(xué)裝置的照相的透鏡組，以及裝有這種透鏡組的照相機(jī)。
當(dāng)閱讀以下按照本發(fā)明的光學(xué)裝置的一個(gè)實(shí)施例實(shí)例的詳述時(shí)，本發(fā)明的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將顯得更加清楚，這個(gè)實(shí)例單純作為說(shuō)明性和無(wú)限制性的例子與附圖一起被給出，在附圖中圖1，它已被引用，是球面透鏡及其所連帶的象平面的示意圖；圖2是按照本發(fā)明的光學(xué)裝置的示意圖；圖3是中性濾光材料透射率的曲線圖；圖4是強(qiáng)紅外光吸收性材料光透射率的曲線圖；以及圖5是強(qiáng)紫外光吸收性材料光透射率的曲線圖。
按照本發(fā)明的光學(xué)裝置的應(yīng)用的優(yōu)選實(shí)例涉及到數(shù)字型照相機(jī)。作為本發(fā)明的結(jié)果，有可能提供給用戶(hù)一種便宜而緊湊的透鏡組，然而保證在該透鏡組象平面上的均勻照明，以及使被裝配到這種類(lèi)型照相機(jī)半導(dǎo)體光學(xué)傳感器非常敏感的紅外光譜段中的波長(zhǎng)能被除去的選擇性光譜濾除。然而，顯然本發(fā)明的裝置能以相似的方式被用于任何其他的光學(xué)系統(tǒng)，例如，裝有光敏膠片的通用的照相機(jī)，其中也需要均勻照明，而且其中，對(duì)光敏膠片可能敏感的紫外光如果需要可被除去。
如圖2示出，按照本發(fā)明的，整體用一般數(shù)字標(biāo)記6標(biāo)明的光學(xué)裝置被組合在放置在半導(dǎo)體光學(xué)傳感器12入口面10前面的照相透鏡組8的光路中。這個(gè)光學(xué)傳感器被裝配，例如，到未在圖中被示出的數(shù)字型照相機(jī)。
照相透鏡組8包含，除按本發(fā)明的光學(xué)裝置外，三個(gè)分別由標(biāo)記14、16和18標(biāo)明的距位于待照相目標(biāo)的旁邊的透鏡組8的入口面20的透鏡。在圖2中所示的實(shí)例中，三個(gè)透鏡14、16和18都是球面透鏡。更確切地說(shuō)，透鏡14是平凸透鏡，透鏡16是雙凹透鏡而透鏡18是雙凸透鏡。
這三個(gè)透鏡14、16和18是由玻璃、塑料或任何其他透明光學(xué)材料制成的。不用說(shuō)，當(dāng)然，上述照相透鏡組8的實(shí)施例單純通過(guò)說(shuō)明性和非限制性例子被給出的，按照透鏡組8光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性，該透鏡組8能夠包含或多或少數(shù)目的球面和/或非球面透鏡的組合。
現(xiàn)在我們涉及按照本發(fā)明的光學(xué)裝置6。按照本發(fā)明的第一個(gè)特點(diǎn)，光學(xué)裝置6采取由均勻透明濾光材料制成的部件的形式。為了本發(fā)明的目的，濾光材料意味著對(duì)穿過(guò)它的可見(jiàn)光譜的全部波長(zhǎng)基本上具有相同吸收系數(shù)的材料。這種類(lèi)型的材料也被稱(chēng)為中性濾光材料。濾光材料的有些實(shí)例在圖3中被說(shuō)明，圖3示出以百分率表示光的透射率T隨穿過(guò)該濾光材料以納米表示的光的波長(zhǎng)λ而變化。曲線22代表濾光為30％的材料。換句話說(shuō)97％的光被透過(guò)。曲線24表示濾光為20％的材料，即，吸收20％光能并允許80％通過(guò)。如在圖3能見(jiàn)到的，曲線22和24都是水平的直線，這意味著對(duì)穿過(guò)濾光材料的全部可見(jiàn)光譜段吸收基本上是相同的。
因而，通過(guò)選擇合適的吸收系數(shù)值并通過(guò)改變隨光軸離透鏡組8的距離而變化的濾光材料部件的厚度，確定的順序變化的吸收剖面能被獲得，這使在裝配有這種濾光材料部件的透鏡組的象平面上能得到均勻照明。為了這個(gè)目的，以及按照本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)，在濾光材料的部件的邊緣區(qū)域中的吸收是小于相同部件的中心區(qū)域的吸收的。因此透明均勻?yàn)V光材料的部件降低在透鏡組的象平面中心處的照明，反之它允許更多的光通過(guò)該象平面的邊緣。
按照本發(fā)明的光學(xué)裝置6的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于它的均勻結(jié)構(gòu)。如在本發(fā)明申請(qǐng)的引言部分所述，現(xiàn)有技術(shù)的濾光器一般具有不均勻的結(jié)構(gòu)，或是具有添加在基片表面的薄膜，基片的厚度，隨基片的中心朝著邊緣改變，必須被精確地控制，或是在光密度方面變動(dòng)，而光密度總是難以去適當(dāng)控制的。相反，作為其單一結(jié)構(gòu)的結(jié)果，按照本發(fā)明的裝置6能非常容易地制造，因而在制造期間允許作出許多節(jié)省。
按照本發(fā)明的優(yōu)選的替代實(shí)施例，光學(xué)裝置6采取中心比朝著其邊緣更厚的透鏡26的方式，以致它具有在透鏡組8的象平面上允許獲得均勻照明的合適的吸收剖面。如在圖2中所示，透鏡26是球面的平凸透鏡，其曲率適合于透鏡組8的焦距。在安裝透鏡組8的期間，為了防止灰塵侵入只有在透鏡26與光學(xué)傳感器12之間的空間被牢牢地密封起來(lái)。由于面對(duì)光學(xué)傳感器12的入口面10被設(shè)置的透鏡26的背面30是平面的事實(shí)，這種密封操作是容易的。因而透鏡組8由4個(gè)透鏡14、16、18和26構(gòu)成，它們按這種方式排列，即該透鏡組8的象平面28是在光學(xué)傳感器12的光敏平面中。
按照本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)，濾光材料的部件對(duì)于包含在確定了的光譜段內(nèi)的波長(zhǎng)還具有高吸收系數(shù)值。因而，作為本發(fā)明的結(jié)果，吸收梯度濾光器和光譜濾光器的功能在同一個(gè)光學(xué)器件中被結(jié)合起來(lái)。本發(fā)明的這種特殊有利的配置，通過(guò)減少對(duì)其安裝必需的器件數(shù)而使透鏡組8的成本價(jià)能被限制。因?yàn)橹挥袨V光材料的部件必須被組合在該透鏡組8的光路中，它實(shí)際上還允許較少麻煩和更加緊湊。作為實(shí)例，在不同光學(xué)器件之間距離的數(shù)值分別為-透鏡14與薄膜式開(kāi)口21之間的距離為0.6mm；-薄膜式開(kāi)口21與透鏡16之間的距離為0.29mm；-透鏡16與透鏡18之間的距離為0.56mm；-按照本發(fā)明透鏡18與透鏡26之間的距離為0.1mm。
另外，透鏡組8的直徑是小于光學(xué)傳感器12的有效表面的對(duì)角線的。作為使三個(gè)性質(zhì)不同的光學(xué)器件能組合成一個(gè)的本發(fā)明的結(jié)果，這樣一種緊湊的結(jié)構(gòu)成為可能。
在數(shù)字型照相機(jī)的情況下，濾光材料的部件將必須強(qiáng)烈地吸收對(duì)半導(dǎo)體光學(xué)傳感器12非常敏感的紅外光。為此目的，濾光材料的部件可以，例如，借助標(biāo)記BG39由Schott公司銷(xiāo)售的玻璃制成。這種材料的光譜透射截面用圖解法被示于圖4中。曲線32和34分別對(duì)應(yīng)于大約1mm和2mm的玻璃BG39的兩種不同厚度e1和e2。對(duì)于曲線32，透射率T約為80％，而對(duì)于曲線34，T約為70％。因而應(yīng)注意玻璃BG39的吸收在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)基本上是不變的而它在紅外光范圍(在透射率T方面強(qiáng)烈地降低)急劇地增加。將要注意到濾光材料部件的厚度通過(guò)吸收足以除去任何干擾的紅外光。
相反地，在裝有光敏膠片的慣用的照相機(jī)的情況下，在可見(jiàn)光譜范圍具有恒定吸收率的材料將被選擇，而在紫外光范圍吸收率急劇下降(見(jiàn)曲線36，圖5)。
本發(fā)明還涉及裝有上述類(lèi)型的光學(xué)裝置6的透鏡組以及裝有這樣一種裝置的照相機(jī)。
不言而喻，各種簡(jiǎn)單的改進(jìn)和變型屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.準(zhǔn)備用作使象平面上照明均勻化的，特別是由數(shù)字型光學(xué)傳感器所確定的，光學(xué)裝置，其特征在于它是用透明的均勻?yàn)V光材料制成的部件構(gòu)成的，該部件具有對(duì)穿過(guò)的可見(jiàn)光譜的全部波長(zhǎng)基本上一致的吸收系數(shù)，并且具有適宜于確定了的吸收剖面的變化的厚度。
2.按照權(quán)利要求1的光學(xué)裝置，其特征在于透明濾光材料部件在邊緣區(qū)域的吸收小于中心區(qū)域的吸收。
3.按照權(quán)利要求1或2中任何一個(gè)光學(xué)裝置，其特征在于透明濾光材料的部件形成透鏡(26)。
4.按照權(quán)利要求3的光學(xué)裝置，其特征在于透鏡(26)是球面的。
5.按照權(quán)利要求4的光學(xué)裝置，其特征在于透鏡(26)是平凸的。
6.按照權(quán)利要求1至5中的任何一個(gè)光學(xué)裝置，其特征在于透明濾光材料的部件對(duì)于包含在確定的光譜段內(nèi)的波長(zhǎng)還具有高吸收系數(shù)值。
7.按照權(quán)利要求6的光學(xué)裝置，其特征在于透明濾光材料的部件對(duì)紅外光范圍強(qiáng)烈地吸收。
8.按照權(quán)利要求7的光學(xué)裝置，其特征在于透明濾光材料的部件是由Schott公司銷(xiāo)售，參考標(biāo)記為BG39的玻璃制成的。
9.按照權(quán)利要求6的光學(xué)裝置，其特征在于透明濾光材料的部件在紫外光范圍強(qiáng)烈地吸收。
10.包含多個(gè)球面的和/或非球面的透鏡的照相透鏡組，其特征在于它包含按照權(quán)利要求1至9中的任何一個(gè)光學(xué)裝置。
11.按照權(quán)利要求10的照相透鏡組，其特征在于球面的和/或非球面的透鏡(14、16、18)以及光學(xué)裝置(6)被配置以使該透鏡組(8)的象平面(28)是在光學(xué)傳感器(10)的光敏平面中。
12.照相機(jī)，其特征在于它包含按照權(quán)利要求10或11的照相透鏡組。
全文摘要
本發(fā)明涉及準(zhǔn)備用于使象平面照明均勻化的,特別是由數(shù)字型光學(xué)傳感器所確定的,光學(xué)裝置,其特征在于它是用透明的均勻?yàn)V光材料制成的部件構(gòu)成的,該部件具有對(duì)穿過(guò)它的可見(jiàn)光譜的全部波長(zhǎng)基本上一致的吸收系數(shù),并且具有適宜于確定了的吸收剖面的變化的厚度。
文檔編號(hào)G02B5/00GK1271103SQ00106929
公開(kāi)日2000年10月25日 申請(qǐng)日期2000年4月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月21日
發(fā)明者H·布克澤克, J·格魯普 申請(qǐng)人:阿蘇拉布股份有限公司