透鏡及其應用制造技術

本發明專利技術在一些實施例中提供了低畸變單透鏡和包括該低畸變單透鏡的光學成像設備。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】相關申請數據本申請按照35U.S.C.§119(e)要求在2009年6月11日提交的美國臨時專利申請No.61/186,273的優先權，其通過引用被整體包含在此。
本專利技術涉及用在光學設備和系統中的透鏡。
技術介紹
在光學設備和系統中使用的透鏡的成像特性會受到諸如像散、色像差、畸變、場曲和球面像差的一種或多種光學像差的影響。可以通過幾種技術來減輕光學像差，該幾種技術包括與透鏡相結合的各種結構的使用。在一種技術中，在透鏡的物體側之前布置外部光闌，以有助于校正離軸像差。而且，可以使用另外的透鏡結構來校正第一透鏡的光學像差。例如，可以使用消色差雙透鏡(achromat?doublet)來最小化第一透鏡的色像差。在提供用于校正光學像差的更大自由度的同時，與基于單個元件(單：singlet)透鏡設計的光學設備作比較，包括復合透鏡(compound?lens)布置和/或外部光闌的光學設備顯示出成本和制作上的缺點。由于需要多個部件來完成設備，多個透鏡和/或外部光闌的使用會增加制造成本。另外，由于多個透鏡和/或外部光闌要求精確的對準并且受到嚴格的公差限制，這些部件會增加制造時間。而且，有缺陷的透鏡或外部光闌，或者未對準的透鏡或外部光闌可以使得光學設備不完善，由此增大制造的低效。
技術實現思路
根據上述缺點，本專利技術提供了一種單透鏡(singlet?lens)，該單透鏡在一些實施例中可以有助于減輕一種或多種光學像差。在一些實施例中，在此所述的單透鏡不與外部光闌相結合地工作以減小一種或多種光學像差。在一個實施例中，該單透鏡包括物體側光學表面和像側光學表面，該物體側光學表面在該表面的頂點處具有凸形狀，并且該像側光學表面在該表面的頂點處具有凸形狀，該單透鏡滿足等式(I)：tc≥xD????(I)其中，tc是該單透鏡的中心厚度，D是從該單透鏡的該像平面至該物體側光學表面的透鏡頂點的距離，并且x至少是0.30。在一些實施例中，x的范圍是從0.30至0.75。在另一個實施例中，x的范圍是從0.40至0.60。在一些實施例中，x的范圍是從0.45至0.55。距離D有時被稱為軌道長度(track?length)。在一些實施例中，該單透鏡的該物體側光學表面是非球面的。在一些實施例中，該單透鏡的該像側光學表面是非球面的。在一些實施例中，該單透鏡的該物體側和該像側光學表面是非球面的。而且，在一個實施例中，該像側光學表面的非球面度(asphericity)大于所述透鏡的該物體側光學表面的非球面度。在一些實施例中，通過等式(II)來表示本專利技術的單透鏡的非球面。S(r)＝a1r2+a2r4+a3r6+a4r8+a5r10+a6r12+a7r14+a8r16????(II)其中，a1至a8是非球面度系數，并且r是表面相對于光軸的高度。在一些實施例中，在該物體側光學表面和該像側光學表面之間基本上等分所述單透鏡的光焦度。例如，在一些實施例中，所述單透鏡的該物體側光學表面和該像側光學表面滿足等式(III)：|(|oa1|-|ia1|)|＜|o，ia1|????(III)其中，oa1是根據等式(II)的物體側光學表面的r2項的系數，ia1是根據等式(II)的像側光學表面的r2項的系數，并且，o，ia1是根據等式(II)的物體側光學表面和像側光學表面兩者中具有較小幅值(magnitude)的那個的r2項的系數。在一些實施例中，oa1是根據等式(IV)的物體側光學表面的內部部分上的r2項的系數：S(r)＝oa1r2????(IV)并且，ia1是根據等式(V)的像側光學表面的內部部分上的r2項的系數：S(r)＝ia1r2????(V)其中，物體側光學表面的內部部分是被等式S(r)＝oa1r2擬合為至少0.98的R2擬合優度的物體側光學表面的部分，并且其中，像側光學表面的內部部分是被等式S(r)＝ia1r2擬合為至少大約0.98的R2擬合優度的像側光學表面的部分。在一些實施例中，可以通過將表面擬合到等式(IV)來量化物體側光學表面的光焦度，并且通過表面擬合到等式(V)來量化像側光學表面的光焦度。例如，在一個實施例中，單透鏡的物體側光學表面和像側光學表面滿足等式(VI)：0.5<|a1o||a1i|<2---(VI)]]>其中，oa1是根據等式(IV)的物體側光學表面的r2項的系數，并且，ia1是根據等式(V)的像側光學表面的r2項的系數。而且，可以使用等式(IV)和(V)的冪項來描述在R2擬合優度參數大于大約0.98的條件下的每一個透鏡表面的一部分。在一些實施例中，在R2擬合優度參數大于大約0.98的條件下的每一個透鏡表面的部分是透鏡表面的內部或內側部分。在一些實施例中，內部或內側部分包括小于在透鏡的通光孔徑中的表面的90％。圖6圖示在表3中的示例1的像側光學表面的擬合優度和冪項在其上擬合的透鏡表面的孔徑之間的關系。在一些實施例中，單透鏡進一步包括比該物體側光學表面的該頂點更接近該像平面的孔徑。在一些實施例中，孔徑位于該物體側光學表面和該像側光學表面之間。在本專利技術的一些實施例中，單透鏡包括晶片級構造。例如，在一個實施例中，在光學透射性的基底晶片上形成或布置了包括該物體側光學表面的物體側光學結構和包括該像側光學表面的該像側光學結構。在為晶片級構造的情況下，在一些實施例中，通過晶片級技術來制作單透鏡。在一些實施例中，本專利技術的單透鏡顯示了包括物體側光學表面和像側光學表面的單塊結構(monolithic?structure)。在另一個方面，本專利技術提供了一種光學設備，該光學設備包括在此所述的單透鏡。在一些實施例中，該光學設備進一步包括光電元件。在一些實施例中，該光電元件通過間隔物(spacer)耦合到該單透鏡。在另一個實施例中，該單透鏡通過間隔物耦合到封裝光電元件的蓋玻片。在一些實施例中，包括在此所述的單透鏡的光學設備包括移動通信裝置，諸如蜂窩電話、移動手持裝置(mobile?handset)或計算機。在另一個方面，本專利技術提供了一種包括在此描述的多個結合的(joined)單透鏡的光學晶片。在一些實施例中，包括該多個結合的單透鏡的所述光學晶片耦合到包括多個結合的感測元件的傳感器晶片，其中，該多個單透鏡與該多個感測元件對準，以提供多個結合的光學設備。在一些實施例中，該光學晶片通過諸如間隔物晶片(sp本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2009.06.11 US 61/186,2731.一種單透鏡，包括：
物體側光學表面；以及
像側光學表面，
所述物體側光學表面在表面的頂點處具有凸形狀，并且所述像側光學
表面在表面的頂點處具有凸形狀，所述單透鏡滿足條件：
tc≥xD
其中，tc是所述單透鏡的中心厚度，D是從像平面至所述物體側光學表
面的頂點的距離，并且x至少是0.30。
2.根據權利要求1所述的單透鏡，其中，x的范圍是從0.3至0.75。
3.根據權利要求1所述的單透鏡，其中，x的范圍是從0.4至0.6。
4.根據權利要求1所述的單透鏡，其中，所述物體側光學表面是
非球面的。
5.根據權利要求1所述的單透鏡，其中，所述像側光學表面是非
球面的。
6.根據權利要求1所述的單透鏡，其中，所述物體側光學表面和
所述像側光學表面是非球面的。
7.根據權利要求6所述的單透鏡，其中，所述像側光學表面的非
球面度大于所述物體側光學表面的非球面度。
8.根據權利要求1所述的單透鏡，其中，所述物體側光學表面和
所述像側光學表面滿足等式：
0.5<|a1o||a1i|<2]]>其中，oa1是根據下面的等式的所述物體側光學表面的內部部分上的r2項的系數：
S(r)＝oa1r2并且，ia1是根據下面的等式的所述像側光學表面的內部部分上的r2項
的系數：
S(r)＝ia1r2其中，所述物體側光學表面的所述內部部分是被所述等式S(r)＝oa1r2擬合為至少0.98的R2擬合優度的所述物體側光學表面的部分，并且其
中，所述像側光學表面的所述內部部分是被所述等式S(r)＝ia1r2擬合為
至少大約0.98的R2擬合優度的所述像側光學表面的部分。
9.根據權利要求1所述的單透鏡，其中，所述物體側光學表面和
所述像側光學表面滿足等式：
|(|oa1|-|ia1|)|＜|o，ia1|
其中，oa1是根據下面的等式的所述物體側光學表面的r2項的系數：
S(r)＝oa1r2+oa2r4+oa3r6+oa4r8+oa5r10+oa6r12+oa7r14+oa8r16并且，ia1是根據下面的等式的所述像側光學表面的r2項的系數，
S(r)＝ia1r2+ia2r4+ia3r6+ia4r8+ia5r10+ia6r12+ia7r14+ia8r16并且，o，ia1是oa1和ia1中具有較小幅值的那個。
10.根據權利要求9所述的單透鏡，其中，oa1是根據下面的等式
的所述物體側光學表面的內部部分上的r2項的系數：
S(r)＝oa1r2并且，ia1是根據下面的等式的所述像側光學表面的內部部分上的r2項
的系數：
S(r)＝ia1r2其中，所述物體側光學表面的所述內部部分是被所述等式S(r)＝oa1r2擬合為至少0.98的R2擬合優度的所述物體側光學表面的部分，并且其
中，所述像側光學表面的所述內部部分是被所述等式S(r)＝ia1r2擬合為
至少大約0.98的R2擬合優度的所述像側光學表面的部分。
11.根據權利要求1所述的單透鏡，進一步包括比所述物體側光
學表面的頂點更接近所述像平面的孔徑。
12.根據權利要求11所述的單透鏡，其中，所述孔徑位于所述物
體側光學表面和所述像側光學表面之間。
13.根據權利要求11所述的單透鏡，其中，在基底晶片上布置所
述物體側光學表面和所述像側光學表面。
14.一種包括多個結合的單透鏡的光學晶片，其中，所述結合的
單透鏡的至少一個包括：
物體側光學表面；以及
像側光學表面，
所述物體側光學表面在表面的頂點處具有凸形狀，并且所述像側光學
表面在表面的頂點處具有凸形狀，所述單透鏡滿足條件：
tc≥xD
其中，tc是所述單透鏡的中心厚度，D是從像平面至所述物體側光學表
面的頂點的距離，并且x至少是0.30。
15.一種設備，包括：
單透鏡；以及
光電元件，
其中，所述單透鏡包括
物體側光學表面；以及
像側光學表面，
所述物體側光學表面在表面的頂點處具有凸形狀，并且所述
像側光學表面在表面的頂點處具有凸形狀，所述單透鏡滿足條件：
tc≥xD
其中，tc是所述單透鏡的中心厚度，D是從像平面至所述物體側光學表
面的頂點的距離，并且x至少是0.30。
16.根據權利要求15所述的設備，其中，所述光電元件位于所述
單透鏡的所述像平面處。
17.根據權利要求15所述的設備，進一步包括在所述單透鏡和所
述光電元件之間布置的間隔物。
18.根據權利要求15所述的設備，進一步包括在所述單透鏡和所
述光電元件之間布置的蓋玻片。
19.根據權利要求15所述的設備，其中，所述設備包括通信裝置。
20.根據權利要求19所述的設備，其中，所述通信裝置包括移動
手持裝置。
21.一種用于制造單透鏡的方法，包括：
提供光學透射性的基底；
在所述基底上布置物體側光學表面，所述物體側光學表面在表面
的頂點處具有凸形狀；
在所述基底上布置像側光學表面，所述像側光學表面在表面的頂
點處具有凸形狀，所述單透鏡滿足條件：
tc≥xD
其中，tc是所述單透鏡的中心厚度，D是從像平面至所述物體側光學表
面的頂點的距離，并且x至少是0.30。
22.根據權利要求21所述的方法，進一步包括：在所述物體側光
學表面和所述像側光學表面之間布置孔徑。
23.根據權利要求21所述的方法，其中，所述物體側光學表面和
所述像側光學...

【專利技術屬性】
技術研發人員：赫德爾斯頓·杰里米，羅森伯里·唐納德，
申請(專利權)人：數字光學東部公司，
類型：發明
國別省市：