专利名称：变焦距光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及载置有CCD的各种视频摄像机和电子静物摄像机等中所使用的变焦距光学系统，特别是涉及，适合于监视摄像机用透镜的、可在可见光区域(400nm～700nm)和近红外光区域(700nm～1000nm)使用的可见光区域·近红外区域两用的变焦距光学系统。
背景技术：
为了使诸如无人设施工作，因而对监视摄像机的需求持续增加，近年来，也需要一种在白天利用可见光，在夜间利用近红外光的可见光区域·近红外区域两用的可变焦距透镜。作为这种变焦距光学系统的一个例子，是诸如下述的专利文献1所记载的可变焦点距离透镜。
该公报所记载的光学系统被做成，从物体侧排列负、正透镜组的紧凑型双组结构。这种先配置负折射能力透镜组的结构，具有适于扩大视角，且比较容易地确保后焦点的优点。但是，对于做成从物体侧配置负、正两组透镜结构的情况，透镜组整体变得不对称，伴随着焦距变动像差变动变大，同时为了实现可见光区域·近红外区域两用透镜，色差的校正变得特别重要，在整个变焦距范围内具有良好的光学性能成为课题。
该公报记载的器件，通过设定给定的条件式而良好地校正像差，特别是为了校正轴上色差，将后组透镜的L7透镜和L8透镜，做成由阿贝数(Abbe number)差较大的凸透镜和凹透镜构成的一体的负的复合透镜。
(专利文献1〕专利2002-196235号公报因此，作为监视摄像机用变焦距光学系，为了在低照度的环境中也能够识别出目标物，特别要求大的口径比。另外，为了可监视到更广的范围，要求广角端的广角化。另外，也逐渐要求紧凑且光学性能良好。由于若透镜系统变亮则上述像差的校正将变得更加困难，使整个范围内光学性能良好的难度更大。
这里，若把目光转向近年的非球面透镜的成型技术的进步，像以前那样考虑非球面成型技术而形成为外径·中心厚度均很小的透镜的设计上的限定不再必要，现在可以形成比较大的透镜。当前，在这样的背景技术下，可形成非球面的透镜的选择范围变宽。
发明内容
本发明针对上述情形而产生，因此其目的为在现有技术的背景下，通过有效地利用非球面透镜，提供一种保持紧凑性且光学性能良好，口径比大，且广角的可见光区域·近红外光区域两用的变焦距光学系统。
本发明的变焦距光学系统，是从物体侧顺次排列具有负折射能力的第1透镜组、光阑、以及具有正折射能力的第2透镜组；以如下方式构成，即，随着从广角端朝向望远端，通过将所述第2透镜组在光轴上移向物体侧而进行变焦距，并且通过将所述第1透镜组向成像面侧移动而校正伴随着该变焦距操作的像面移动；所述第2透镜组，在最靠近物体侧，从物体侧起顺次配置2片单透镜即依次是，具有正折射能力且其至少一个面被做成非球面的第1透镜(L2-1)，和由具有正折射能力的双凸透镜构成的第2透镜L2-2；其特征在于，满足以下条件式(1)～(3)，nd21＞1.55 ...(1)vd22＞68 ...(2)1.0＜|f2/f1|＜1.8 ...(3)其中，nd21第2透镜组的第1透镜L2-1对于d线的折射率；vd22第2透镜组的第2透镜L2-2对于d线的阿贝数；f1第1透镜组的焦距；f2第2透镜组的焦距。
另外，优选为，所述第1透镜组由4片透镜而构成，从物体侧起顺次配置由具有负折射能力的弯月透镜构成的第1透镜L1-1、由具有负折射能力的弯月透镜构成的第2透镜L1-2、由具有负折射能力的双凹透镜构成的第3透镜L1-3、和具有正折射能力的第4透镜L1-4，其中，所述第3透镜L1-3和所述第4透镜L1-4接合成复合透镜，所述第2透镜组由4片单透镜而构成，即，在所述第2透镜L2-2的成像面侧，从物体侧起顺次配置由具有负折射能力的弯月透镜构成的第3透镜L2-3，和由具有正折射能力的双凸透镜构成的第4透镜L2-4，并且满足以下条件式(4)和(5)，vd14＜25...(4)vd23＜25...(5)其中，vd14第1透镜组的第4透镜L1-4的对于d线的阿贝数；vd23第2透镜组的第2透镜L2-3的对于d线的阿贝数。
另外，优选为，满足以下条件式(6)，|rf22/rb22|＜1.0...(6)其中，rf22第2透镜组的第2透镜L2-2的物体侧的面的曲率半径；rb22第2透镜组的第2透镜L2-2的成像面侧的面的曲率半径。
另外，优选为，所述第2透镜组的所述第1透镜L2-1由两面被做成非球面的双凸透镜构成。
若按照本发明所涉及的变焦距光学系统，其由具有负折射能力的第1透镜组，以及在最靠近物体侧配置正的非球面透镜和基于低色散材料的双凸透镜的2片单透镜而具有正的折射能力的第2透镜组构成，通过做成满足给定的条件式的结构，能够得到保持紧凑性和良好光学性能，口径比大且广角的可见光区域·近红外光区域两用的变焦距光学系统。
图1是表示实施例1所涉及的变焦距光学系统的结构的图。
图2是表示实施例1所涉及的变焦距光学系统的广角端和望远端的各像差的像差图。
图3是表示实施例2所涉及的变焦距光学系统的结构的图。
图4是表示实施例2所涉及的变焦距光学系统的广角端和望远端的诸像差的像差图。
图中L1～L8-透镜，G1、G2-透镜组，X-光轴，1-光阑，2-滤光器部和保护玻璃，3-固体摄像元件(CCD)摄像面。
具体实施例方式
以下，利用附图和具体的实施例说明本发明的实施方式。图1是表示后述的本发明的实施例1所涉及的变焦距光学系统的结构的图，作为本发明的实施方式的代表，利用该图加以说明。
如图所示，该变焦距光学系统，通过从物体侧顺次排列具有负折射能力的第1透镜组G1、光阑1和具有正折射能力的第2透镜组G2而构成。另外，在图1中，在第2透镜组G2的成像面侧，配置红外线切断滤光器之类的滤光器部和保护玻璃2，从物体侧沿光轴X入射的光束的在固体摄像元件(CCD)的摄像面3表面的成像位置成像。
另外，该变焦距光学系统在遇到变焦距的情况时，第1透镜组G1和第2透镜组G2，沿光轴X移动。也就是说，如图1的箭号线所示，以如下方式构成，随着从广角端(WIDE)朝向望远端，通过将第2透镜组G2在光轴X上移向物体侧而进行变焦距，并且通过将第1透镜组G1向成像面侧移动而校正伴随着该变焦距操作的像面移动。其后，通过将第1透镜组G1沿光轴X移动而进行聚焦。
该变焦距光学系统的第1透镜组G1，由4片透镜而构成，从物体侧起顺次配置由具有负折射能力的弯月透镜(meniscus lens)构成的第1透镜L1-1，由具有负折射能力的弯月透镜构成的第2透镜L1-2，以及由具有负折射能力的双凹透镜构成的第3透镜L1-3和具有正折射能力的第4透镜L1-4的复合透镜。
另外，该变焦距光学系统的第2透镜组G2，在最靠近物体侧，从物体侧起顺次配置如下2片单透镜具有正折射能力且其至少一个面被做成球面的第1透镜L2-1，和由具有正折射能力的双凸透镜构成的第2透镜L2-2。另外，在第2透镜L2-2的成像面侧，配置如下2片单透镜由具有负折射能力的弯月透镜构成的第3透镜L2-3，和由具有正折射能力的双凸透镜构成的第4透镜L2-4。
第2透镜组G2的第1透镜L2-1上形成的非球面，由下述的式(1)所形成的非球面式表示。
〔公式1〕Z=Y2/R1+1-K×Y2/R2+Σi=310AiYi]]>其中，Z从距离光轴为距离Y的非球面上的点到非球面顶点的切平面(垂直于光轴的平面)所画的垂直线的长度；Y离开光轴的距离；R非球面的光轴近旁的曲率半径；K离心率；Ai非球面系数(i＝3～10)。
在图1所示的变焦距光学系统中，作为与第1透镜组G1的第1透镜L1-1～第4透镜L1-4相对应的透镜，从物体侧起配置如下透镜的复合透镜由将凸面朝向物体侧的负弯月透镜构成的第1透镜L1，由将凸面朝向物体侧的负弯月透镜构成的第2透镜L2，由双凹透镜构成的第3透镜L3，以及将凸面朝向物体侧的第4透镜L4。
第1透镜L1的形状，成为适于扩大视角的形状。第4透镜的成像面侧的面，出于加工上的方便而被做成平面。通过将第3透镜和第4透镜做成复合透镜，能够取得在可见光区域·近红外区域的场合特别重要的色差校正效果。另外，通过做成复合透镜而缓和这些透镜的偏心度，防止配置位置偏离设计位置时光学性能的劣化，部件精度的容许范围变大，因此也具有制造上的优势。
另外，在图1所示的变焦距光学系统中，作为与第2透镜组G2的第1透镜L2-1～第4透镜L2-4相对应的透镜，从物体侧起顺次配置由两侧被做成非球面的双凸透镜构成的第5透镜L5、由双凸透镜构成的第6透镜L6、由将凸面朝向物体侧的负弯月透镜构成的第7透镜L7、以及由双凸透镜构成的第8透镜L8。
第5透镜L5的双凸形状取决于为了使光束会聚，因而形成为将物体侧曲率设置为较大的凸形状较合适，另外，为了进行良好的色差校正，因而其成像侧凸形状较为合适。
另外，通过满足以下条件式(1)～(3)，该光学变焦距系统，被做成，紧凑的、具有良好光学性能的、大口径比且大视角的可见光区域·近红外区域两用变焦距光学系统。
nd21＞1.55 ...(1)vd22＞68 ...(2)1.0＜|f2/f1|＜1.8 ...(3)其中，nd21第2透镜组G2的第1透镜L2-1的对于d线的折射率；vd22第2透镜组G2的第2透镜L2-2的对于d线的阿贝数；f1第1透镜组G1的焦距；f2第2透镜组G2的焦距。
在上述的条件式(1)中，若低于此下限值，则很难制造在光轴附近曲率变大的非球面透镜。
上述的条件式(2)规定了，旨在实现可见光区域·近红外区域两用的光学系统，而将基于一般常用的低色散材料的透镜做成所述第2透镜L2-2，若低于该下限值，轴上色差的校正变得困难，维持从可见光区域到近红外区域的光学性能变得困难。
在上述的式(3)中，若低于该下限值，则第1透镜组的G1的负折射能力变弱，难于扩大视角，同时由于第2透镜组的G2的正折射能力变强，因此球面像差变得校正过剩，大口径比化变得困难。另外，若大于该上限值，则第2透镜组的G2的正折射能力变弱，紧凑化变得困难。通过规定第1透镜组的G1和第2透镜组的G2的工作力分配，能够做成在大口径比化、扩大视角、紧凑化等方面实现了良好的平衡的变焦距光学系统。反言之，在不满足该条件式(3)的光学系统中，考虑到用途和本发明不同，即使是用于同样的用途的光学系统但光学系统整体的大小和焦距明显不同，也不能够成为本发明的比较对象。
在本发明的变焦距光学系统中，配置于第2透镜组的最靠近物体侧的，具有正折射能力且其至少一个面被做成非球面的第1透镜L2-1，以及由具有正的折射能力的双凸透镜构成的第2透镜L2-2，其满足上述的条件式(1)和条件式(2)，成为用以即使作为大口径比的变焦光学系统以可见光区域·近红外区域两用的方式使用也能够维持良好的光学性能的重要因素。
由于在本发明的变焦距光学系统中，在第2透镜组G2的最靠近物体侧，以第1透镜L2-1，第2透镜L2-2的顺序，排列两片正折射能力的透镜，因此物体侧的第1透镜L2-1的方位角也变大。该大口径的第1透镜L2-1被做成大折射能力的正透镜，但是由于其物体侧的面被做成强曲率的凸面，因此能够将透镜整体系统做成明场透镜系统。
另一方面，作为在可见光区域·近红外区域两用的变焦距光学系统，配置基于低色散材料的正透镜而校正轴上色差是至关重要的。可是，由于低色散材料也具有低的折射率，因此若用该材料形成第1透镜L2-1，则为了得到足以实现大口径比的折射能力，有必要将透镜的曲率做得较大，实际中加工会变得困难。因此，在本发明的变焦距光学系统中，利用如条件式(1)所规定的材料形成第1透镜L2-1，而得到足够的折射能力，同时，通过利用如条件式(2)所规定的低色散材料形成由双凸透镜构成的第2透镜L2-2，而良好地校正轴上色差，即使作为大口径比的变焦距光学系统而可见光区域·近红外区域两用地使用也能良好地维持光学性能。
另外，第2透镜组G2的第1透镜L2-1上所形成的非球面具有良好地校正该变焦距光学系统的球面像差的作用。
另外，以往由于成型技术上的制约，在设计中，非球面也是以形成外径·中心厚均比较小的透镜的结构为主，然而，目前就连比较大的透镜中非球面的成型也成为可能。可形成非球面的透镜的选择范围增大的结果是，可以享受得益于在第1透镜L2-1上形成非球面的价值。
也就是说，在本发明的变焦距光学系统中，通过在所做成的因径度大而折射能力强的第1透镜L2-1上形成非球面，可以抑制透镜周边部的像差劣化。第1透镜L2-1做成非球面的情形，比将第2透镜L2-2做成非球面的情形，更易于良好地校正球面像差等，可以保持性能方面的余量。藉此，按照本发明的变焦距光学系统，能够成为明场透镜且良好地保持光学性能，并且能够缓和偏心度，因此制造上也大为有利。
另外，在本发明的变焦距光学系统中，使适合于将第2透镜L2-2做成非球面的结构，光学系整体也被做成适合于此的结构。第2透镜组G2的、由具有负的折射能力的弯月型透镜构成的第3透镜L2-3的形状即是该例。
在本发明的变焦距光学系统中，为了使被负折射能力的第1透镜组G1所发散的光束会聚，而增大第2透镜组G2的第1透镜L2-1物体侧的曲率。因此，假定将该面做成球面时，随着远离光轴，正的折射能力变强，球面像差在周边部变得校正过度，但是在该变焦距光学系统中，通过将弱化周边部正折射能力的形状的非球面设于第1透镜L2-1，能够抑制球面像差的发生量。因此，后段的具有负折射能力的第3透镜L2-3没有必要在周边部具有强的折射能力，而成为弯月状。
这样，在本发明的变焦距光学系统中，利用第2透镜组G2的物体侧的两片透镜结构，即使作为大口径比的变焦距光学系统以可见光区域.近红外区域两用而使用，也能良好地维持光学性能，通过有效地配置非球面透镜和基于低色散材料的透镜，可以成为紧凑的透镜结构。例如，在图1的变焦距光学系统中，排列4片结构的第1透镜组G1和4片结构的第2透镜组G2，整体被做成8片结构。
在上述3个条件式和第2透镜组G2的物体侧的2片透镜的结构的基础上，做成按照上述的变焦距光学系统的结构，通过满足更下的条件式(4)和(5)，能够得到更好的光学性能。
vd14＜25 ...(4)vd23＜25 ...(5)其中，vd14第1透镜组G1的第4透镜L1-4的对于d线的阿贝数；vd23第2透镜组G2的第2透镜L2-3的对于d线的阿贝数；在变焦距光学系统的色差校正中，优选为，对每个透镜组，校正发生的色差。因此，通过规定上述条件式(4)和(5)，能够分别对第1透镜组G1和第2透镜组G2，抑制发生的色差量，提高色差校正效果。
在上述的条件式(4)，利用作为正透镜的第4透镜L1-4，使因第1透镜组G1内的负透镜而产生的轴上色差和倍率色差，产生于与负透镜相反的方向，藉此校正第1透镜组G1整体所发生的色差。若大于该上限值，则在第4透镜L1-4中不能够产生必要的色差，结果由第1透镜组G1所产生的色差增大了。
在上述条件式(5)中，利用作为负透镜的第3透镜L2-3，使因第2透镜组G2内的正透镜而产生的轴上色差和倍率色差，产生于与正透镜相反的方向，藉此校正第2透镜组G2整体所发生的色差。若大于该上限值，则在第3透镜L2-2中不能够产生必要的色差，结果由第2透镜组G2所产生的色差增大了。
另外，为了更加良好地校正轴上色差，优选为做成，vd14＝vd23。
通过在上述的条件式(1)～(3)或(1)～(5)的基础上满足以下的条件式(6)，能够做成制造上更有利的变焦距光学系统。
|rf22/rb22|＜1.0...(6)其中，rf22第2透镜组G2的第2透镜L2-2的物体侧的面的曲率半径；rb22第2透镜组G2的第2透镜L2-2的成像面侧的面的曲率半径；在上述的条件式(6)中，若大于该上限值，则成像面侧的面的曲率比物体侧的面的大，轴上的光线角度变大，因此第2透镜L2-2的设置位置在与光轴垂直的方向上错位时，光学性能的劣化变得剧烈。若偏心度变高且有必要提高部件精度，制造上并非优选。
以下，说明本发明所涉及的变焦距光学系统的具体实施例。
<实施例1>
本实施例1所涉及的变焦距光学系统的结构，按照图1所示。
在下述表1的上段示出了，本实施例1的各透镜面的曲率半径R(mm)、各透镜的轴上面间隔(各透镜的中心厚度以及各透镜之间的空气间隔；在表2中同样)D(mm)、各透镜的d线的折射率Nd，以及阿贝数vd。另外，在表1以及下述的表2中，对应于各记号的数字从物体侧顺次增加，在面序号的左侧附加*的面，表示是非球面。另外，虽然这些非球面的曲率半径R，在各表中作为光轴上的曲率半径而被示出，但是为了在对应的透镜结构图中易于观察图面，引出线也可以不必从与光轴的交点引出。
另外，在下述表1的中段，示出了广角端(WIDE)和望远端(TELE)的焦点距离f(mm)、F值、视场角2ω(度)、以及轴上面间隔的可变1～可变3的值。
另外，在下述表1的下段，示出了有关上述非球面的离心率K以及3次～10次的各非球面系数A3～A10。
〔表1〕<实施例1>
另外，图2是表示本实施例1所涉及的变焦距光学系统的广角端(WIDE)和望远端(TELE)的诸像差(球面像差、非点像差、畸变等)的像差图。另外，这些像差图及以下的图4中的ω表示半视场角。另外，对于球面像差的各像差图，由于在本实施例中以横跨可见光区域和近红外光区域的使用为前提，因此示出了d线和880nm的像差(在图4中同样如此)。另外，非点像差的各像差图，表示矢状像面和切向像面的像差(在图4中同样如此)。
如表1和图2所示，实施例1的变焦距光学系统是8片式紧凑型结构。并且被做成，F值是变亮为0.99～1.47，视场角2ω视角扩大为大约127～大约45°，能够良好地校正各像差的可见光区域·近红外区域两用的变焦距光学系统。
<实施例2>
本实施例2所涉及的变焦距光学系统的结构，按照图3所示。
在下述表2的上段示出了，本实施例2的各透镜面的曲率半径R(mm)、各透镜的轴上面间隔D(mm)、各透镜的d线的折射率Nd，以及阿贝数vd。
另外，在下述表2的中段，示出了广角端(WIDE)和望远端(TELE)的焦点距离f(mm)、F值、视场角2ω(度)、以及轴上面间隔的可变1～可变3的值。
另外，在下述表2的下段，示出了有关上述非球面的离心率K以及3次～10次的各非球面系数A3～A10。
(表2)<实施例2>
另外，图4是表示本实施例2所涉及的变焦距光学系统的广角端(WIDE)和望远端(TELE)的诸像差(球面像差、非点像差、畸变等)的像差图。
如表2和图4所示，实施例2的变焦距光学系统被做成，F值变亮为0.99～1.55，视场角2ω扩大为大约137～大约49°，能够良好地校正各像差的可见光区域·近红外区域两用的变焦距光学系统。
在下述表3中，对于实施例1和实施例2，示出了与上述条件式(1)～(6)对应的值。实施例1和实施例2全部满足条件式(1)～(6)。
〔表3〕
另外，作为本发明的变焦距光学系统，其并不限于上述的实施例。其他种种方式的变形也是可能的。例如，可以对构成各透镜组的透镜的形状作适当的变更。另外，第1透镜组的透镜的片数，以及第2透镜组的从第2透镜L2-2起的成像面的透镜的片数，也可以做适当的变更。
另外，对于本发明的光学系统，通过在第2透镜组的第1透镜L2-1上另外配置非球面透镜，能够进一步提高光学性能。例如，也可以将第2透镜组的第2透镜L2-2也做成非球面。
另外，虽然构成上述实施例的变焦距光学系统的各透镜是由玻璃材料形成的，但是，也可以用成本方面较为有利的塑料材料代替玻璃材料，特别是对于具有非球面的透镜。
权利要求
1.一种变焦距光学系统，从物体侧顺次排列具有负折射能力的第1透镜组、光阑、以及具有正折射能力的第2透镜组；以如下方式构成，即，随着从广角端朝向望远端，通过将所述第2透镜组在光轴上移向物体侧而进行变焦距，并且通过将所述第1透镜组向成像面侧移动而校正伴随着该变焦距操作的像面移动；所述第2透镜组，在最靠近物体侧，从物体侧起顺次配置2片单透镜即依次是，具有正折射能力且其至少一个面被做成非球面的第1透镜(L2-1)，和由具有正折射能力的双凸透镜构成的第2透镜(L2-2)；其特征在于，满足以下条件式(1)～(3)，nd21＞1.55 …(1)νd22＞68 …(2)1.0＜|f2/f1|＜1.8 …(3)其中，nd21第2透镜组的第1透镜(L2-1)对于d线的折射率；νd22第2透镜组的第2透镜(L2-2)对于d线的阿贝数；f1 第1透镜组的焦距；f2 第2透镜组的焦距。
2.根据权利要求1所述的变焦距光学系统，其特征在于，所述第1透镜组由4片透镜而构成，从物体侧起顺次配置由具有负折射能力的弯月透镜构成的第1透镜(L1-1)、由具有负折射能力的弯月透镜构成的第2透镜(L1-2)、由具有负折射能力的双凹透镜构成的第3透镜(L1-3)、和具有正折射能力的第4透镜(L1-4)，其中，所述第3透镜(L1-3)和所述第4透镜(L1-4)接合成复合透镜，所述第2透镜组由4片单透镜而构成，即，在所述第2透镜(L2-2)的成像面侧，从物体侧起顺次配置由具有负折射能力的弯月透镜构成的第3透镜(L2-3)，和由具有正折射能力的双凸透镜构成的第4透镜(L2-4)，并且满足以下条件式(4)和(5)，νd14＜25…(4)νd23＜25…(5)其中，νd14第1透镜组的第4透镜(L1-4)的对于d线的阿贝数；νd23第2透镜组的第2透镜(L2-3)的对于d线的阿贝数。
3.根据权利要求1或2所述的变焦距光学系统，其特征在于，满足以下条件式(6)，|rf22/rb22|＜1.0 …(6)其中，rf22第2透镜组的第2透镜(L2-2)的物体侧的面的曲率半径；rb22第2透镜组的第2透镜(L2-2)的成像面侧的面的曲率半径。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的变焦距光学系统，其特征在于，所述第2透镜组的所述第1透镜(L2-1)由两面被做成非球面的双凸透镜构成。
全文摘要
一种变焦距光学系统，从物体侧顺次排列具有负折射能力的第1透镜组(G
文档编号G02B13/18GK1755412SQ20051010754
公开日2006年4月5日 申请日期2005年9月27日 优先权日2004年9月27日
发明者富冈右恭 申请人:富士能株式会社