光学系统和具有光学系统的图像拾取装置的制作方法

本发明涉及适用于诸如数字相机和视频相机之类的图像拾取装置的光学系统。

背景技术：

日本专利(经审查的)公开no.(“jp”)5-039284描述了一种可以利用少量透镜来校正各种像差的双高斯型光学系统。

然而，在jp5-039284中公开的双高斯型光学系统在对称性伴随小型化被打破时，难以满意地校正诸如球面像差和像场弯曲之类的各种像差。特别地，当光学系统具有大的孔径比时，变得难以抑制中间视角处的弧矢耀斑和彗形耀斑。

技术实现要素：

本发明提供了各自可以提供高光学性能的具有大孔径比的紧凑型光学系统以及具有该紧凑型光学系统的图像拾取装置。

根据本发明的一个方面的光学系统从物侧到像侧依次包括正折光力的前单元、光圈和正折光力的后单元。前单元从物侧到像侧依次包括正透镜l11、正透镜l12和负透镜l13。后单元从物侧到像侧依次包括负透镜l21、正透镜l22和正透镜l23。以下条件表达式被满足：

1.00<ff/fr<2.00

1.00<f22/f

其中，ff是前单元的焦距，fr是后单元的焦距，f22是正透镜l22的焦距，并且f是光学系统的焦距。

包括以上光学系统的图像拾取装置也构成了本发明的另一方面。

根据以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得清楚。

附图说明

图1是根据示例1的光学系统的截面图。

图2是根据示例1的光学系统的像差图。

图3是根据示例2的光学系统的截面图。

图4是根据示例2的光学系统的像差图。

图5是根据示例3的光学系统的截面图。

图6是根据示例3的光学系统的像差图。

图7是根据每个示例的图像拾取装置的示意图。

具体实施方式

现在参考附图，将给出根据本发明的实施例的详细描述。

图1、图3和图5分别是在物体距离为无限远的情况下根据示例1至3的光学系统(成像光学系统)1a至1c的截面图。光学系统1a至1c中的每个从物侧到像侧依次基本上包括两个单元，这两个单元包括具有正折光力的前单元lf、孔径光阑(光圈)sto和具有正折光力的后单元lr。前单元lf从物侧到像侧依次基本上包括三个透镜，这三个透镜包括正透镜(具有正折光力的透镜)l11、正透镜l12和负透镜(具有负折光力的透镜)l13。后单元lr基本上包括负透镜l21、正透镜l22和正透镜l23。

正透镜l11是在物侧凸出的弯月透镜，并在构成透镜当中具有最大的有效直径。正透镜l12是在物侧凸出的弯月透镜，并在构成透镜当中在光轴上最厚。负透镜l13是在物侧凸出并最接近孔径光阑sto的弯月透镜。正透镜l12和负透镜l13是由粘合剂胶合的胶合透镜，并且组合的折光力为负。负透镜l21是在物侧凹入的透镜，并在构成透镜当中具有最小的有效直径。负透镜l21的像侧表面的曲率半径大于负透镜l21的物侧表面的曲率半径。正透镜l22是在像侧凸出的弯月形的非球面透镜，并由树脂材料制成。正透镜l23具有在像侧的表面的曲率强的双凸形状。正透镜l23的物侧的表面的曲率半径大于正透镜l23的像侧的表面的曲率半径。

图2、图4和图6是分别示出了在物体距离为无限远的情况下光学系统1a至1c的成像性能的像差图。从左侧起依次分别地示出球面像差、像散、畸变和色差。在球面像差方面，实线指示针对d线(587.56nm)的像差，断线指示针对f线(486.13nm)的像差，长短交替的划线指示针对c线(656.27nm)的像差，并且一长两短交替的划线指示针对g线(435.83nm)的像差。横轴上的标度为散焦量，是-0.400至+0.400[mm]。在像散图中，实线示出弧矢像面的像场弯曲，并且点线示出子午像面的像场弯曲。横轴与球面像差中的横轴相同。在畸变像差中，横轴上的标度由-5.000至+5.000[％]指示。色差指示横向色差相对于d线的偏移，并且横轴上的标度是-0.050至+0.050[mm]。

光学系统1a至1c分离常规的六单元双高斯透镜的后单元接点，减弱后单元中的每个透镜的折光力以减小像场弯曲，并将具有弱折光力的非球面表面引入正透镜l22，以抑制中间视角处的彗形耀斑。光学系统1a至1c增大前单元lf跨孔径光阑sto的折光力，并且减小后单元lr相对于前单元lf的折光力。由此，跨孔径光阑sto增强望远趋势，并且在光学系统1a至1c的每个中从最接近物体的透镜表面(透镜第一表面)到像面img的长度缩短。

这里，以下的条件表达式(1)被满足：

1.00<ff/fr<2.00...(1)

其中，ff是前单元lf的焦距，并且fr是后单元lr的焦距。

如果值高于条件表达式(1)中的上限，那么后焦点变得太长，并且变得难以缩短光学系统1a至1c的整个长度(整个透镜长度)，或者变得难以得到大的孔径比。另一方面，如果值低于条件表达式(1)中的下限，那么前单元lf的负折光力不足，并且像场弯曲不能被抑制。

后单元lr包括在物侧具有强凹面的弱负透镜l21、在像侧具有强凸面的弱正透镜l22和正透镜l23。这里，以下的条件表达式(2)被满足：

1.00<f22/f...(2)

其中，f是光学系统1a至1c(整个系统)的焦距，并且f22是正透镜l22的焦距。

以下的条件表达式(3)和(4)可以被满足：

-2.00<f21/f<-0.50...(3)

0.30<f23/f<1.10...(4)

其中，f21是负透镜l21的焦距，并且f23是正透镜l23的焦距。

通过减弱负透镜l21和正透镜l22的折光力，像场弯曲被抑制，并且如图2、图4和图6的像差图中图示的，像散差被抑制，使得子午截面和弧矢截面可以具有相称的像场弯曲。可以通过稍微地增强正透镜l23的折光力容易地在后单元lr中进行负焦度布置和正焦度布置，并且可以通过将主点移向物侧容易地实现小型化和大孔径比。由于可以通过减弱负透镜l21和正透镜l22的折光力来减小后单元lr的透镜直径，因此可以使光学系统较小较轻。

如果值高于条件表达式(2)和(3)中的每个中的上限，那么每个透镜的折光力增大、像场弯曲增大，并且由于偏心误差而引起的偏光模糊和偏心彗形耀斑的影响增大。另一方面，如果值低于条件表达式(3)中的下限，那么折光力变得太弱以致无法校正珀兹伐和(petzvalsum)。如果值高于条件表达式(4)中的上限或低于条件表达式(4)中的下限，那么变得难以实现具有大孔径比的光学系统或者过度地出现像场弯曲。

正透镜l22可以是在像侧凸出的弯月形的非球面透镜(在像侧具有凸面的弯月透镜)。该配置可以容易地平衡像场弯曲和球面像差，同时减小可能伴随光学系统的小型化出现的中间视角处的彗形耀斑。由于在孔径光阑sto的前侧(物侧)部署具有强折光力的透镜，因此难以制造非球面结构。另一方面，如果在像侧部署具有比正透镜l22的折光力强的折光力的透镜，那么校正像场弯曲的效果被改善，但透镜直径变大并且制造变得困难。正透镜l22可以是由树脂材料制成的非球面透镜。由于正透镜l22具有折光力被抑制的结构，因此它抵抗了由于树脂材料而引起的热特性中的变化，并且由于它的比重轻，因此容易减小重量。

现在假定r1a是前单元lf中的最接近像面的透镜表面的曲率半径，并且r2a是后单元lr中的最接近物体的透镜表面的曲率半径。此时，由具有曲率半径r1a的透镜表面和具有曲率半径r2a的透镜表面形成空气透镜。空气透镜的像侧的表面的曲率半径大于空气透镜的物侧的表面的曲率半径(r1a<r2a)，并且以下条件表达式(5)可以被满足。

0.08<(r2a+r1a)/(r2a-r1a)<0.80...(5)

在常规的双高斯型光学系统中，轴向光线由于光圈的像侧的强负曲率而大幅地反弹，以校正球面像差，使得难以校正弧矢耀斑并且出现大的像散差。另一方面，根据每个示例的光学系统可以通过满足条件表达式(5)来抑制弧矢耀斑。在每个示例中，通过将正和负焦度布置应用于前单元lf并且通过增大最接近物体的孔径光阑sto的表面的曲率，变得容易实现大孔径。

如果值高于条件表达式(5)中的上限，那么曲率半径r1a变得太小(曲率变得太大)，并且可制造性恶化。另一方面，如果值低于条件表达式(5)中的下限，那么曲率半径r2a变小(曲率变大)，空气透镜的形状变得几乎对称，并且与常规的双高斯型光学系统类似，变得难以校正伴随小型化的弧矢耀斑。

假定r1b是负透镜l21的像侧的透镜表面的曲率半径，并且r2b是正透镜l22的物侧的透镜表面的曲率半径。那么，可以在负透镜l21和正透镜l22之间形成在像侧具有凸面的空气透镜，并且以下条件表达式(6)可以被满足。

(r2b+r1b)/(r2b-r1b)<-0.10...(6)

由于可以通过满足条件表达式(6)来补偿通过减弱负透镜l21的折光力而趋于不足的负折光力，因此可以将珀兹伐和保持在可允许范围内。如果值在条件表达式(6)的范围之外，那么通过负透镜l21与正透镜l22的组合基本上被校正的珀兹伐和的平衡打破，将出现像场弯曲。

以下条件表达式(7)可以被满足：

0.30<bf/f<0.70...(7)

其中，f是光学系统1a至1c中的每个的焦距，并且bf是光轴上的从光学系统1a至1c中的最接近像面的透镜表面(最后的透镜表面)到像面img的距离。

条件表达式(7)示出后焦点相对于焦距的平衡，并且如果值低于下限，那么后焦点变得太短并且后单元lr的透镜直径变得太大。如果值高于上限，那么后焦点太长并且不能实现所期望的小型化，或者作为从第一透镜表面到最后的透镜表面的距离的整个透镜长度变得极短。

以下条件表达式(8)可以被满足：

0.60<lst/f<1.00...(8)

其中，f是光学系统1a至1c中的每个的焦距，并且lst是从孔径光阑sto到像面img的距离。

条件表达式(8)表示透镜中的光圈的优选位置，并且如果值高于上限，那么光圈位置相对于透镜的后主点移动得太接近像面，并且不能实现所期望的小型化。如果值低于下限，那么光圈位置移动得太接近物体，并且大孔径变得困难或者当光圈的孔径变窄时周围光量的改善变得不足。

以下条件表达式(9)可以被满足：

1.00<ttl/f<1.40...(9)

其中，f是光学系统1a至1c中的每个的焦距，并且ttl是光轴上的从光学系统的最接近物体的透镜表面(第一透镜表面)到像面img的距离。

条件表达式(9)表示在小型化中该配置的适当范围，并且如果值高于上限，那么不能获得所期望的小型化。如果值低于条件表达式(9)中的下限，那么变得难以实现大孔径，或者不能获得足够的成像性能。

常规的双高斯型通过在光圈之前在第二透镜和第三透镜之间形成空气透镜来校正离轴彗形，但当不必要的光进入透镜时，可能发生由该空气透镜导致的全反射重影。

通过减小整个透镜长度，透镜整体上变得较接近像面(传感器平面)，使得在不必要的光进入透镜时产生的全反射重影可以容易地到达传感器平面。为了避免该问题，正透镜l12和负透镜l13可以形成胶合透镜。

以下条件表达式(10)可以被满足：

4.50<d12/d13<10.00...(10)

其中，d12是正透镜l12在光轴上的厚度，并且d13是负透镜l13在光轴上的厚度。

当使正透镜l12和负透镜l13成为胶合透镜时，可以通过满足条件表达式(10)来减少由胶合表面周围的粘合剂池漫射的重影光。如果值高于条件表达式(10)中的上限，那么正透镜l12变得太厚，从而阻止整个长度减小，并且光圈的位置变得太接近像面。另一方面，如果值低于条件表达式(10)中的下限，那么可能出现粘合剂池的重影光。

以下条件表达式(11)可以被满足：

0.70<n22/n23<1.00...(11)

其中，n22是正透镜l22的折射率，并且n23是正透镜l23的折射率。

通过满足条件表达式(11)，变得容易满足条件表达式(2)、(3)和(4)。如果值高于条件表达式(11)中的上限，那么透镜的曲率不必要变小以获得正透镜l23的所需的折光力，并且像场弯曲不能被充分地校正。另一方面，如果值低于条件表达式(11)中的下限，那么鉴于现有的玻璃，正透镜l23的透镜色散变得太大，并且横向色差不能被满意地校正。

以下条件表达式(12)可以被满足：

1.05<ndf/ndr<1.50...(12)

其中，ndf是构成前单元lf的透镜(即正透镜l11和l12以及负透镜l13)的平均折射率，并且ndr是构成后单元lr的透镜(即负透镜l21以及正透镜l22和l23)的平均折射率。

通过满足条件表达式(12)，变得容易满足条件表达式(1)。如果值高于条件表达式(12)中的上限，那么后单元lr的折光力太低，并且变得难以实现所期望的大孔径。另一方面，如果值低于条件表达式(12)中的下限，那么前单元lf的折光力太低，并且小型化变得困难。

条件表达式(1)至(12)的数值范围可以被设定为以下条件表达式(1a)至(12a)。

1.20<ff/fr<1.90...(1a)

1.20<f22/f...(2a)

-1.60<f21/f<-0.60...(3a)

0.40<f23/f<1.00...(4a)

0.12<(r2a+r1a)/(r2a-r1a)<0.60...(5a)

(r2b+r1b)/(r2b-r1b)<-0.50...(6a)

0.35<bf/f<0.65...(7a)

0.65<lst/f<0.95...(8a)

1.05<ttl/f<1.35...(9a)

5.00<d12/d13<8.00...(10a)

0.75<n22/n23<0.95...(11a)

1.06<ndf/ndr<1.30...(12a)

条件表达式(1)至(12)的数值范围可以被设定为以下条件表达式(1b)至(12b)：

1.50<ff/fr<1.80...(1b)

1.50<f22/f...(2b)

-1.30<f21/f<-0.70...(3b)

0.50<f23/f<0.90...(4b)

0.15<(r2a+r1a)/(r2a-r1a)<0.40...(5b)

(r2b+r1b)/(r2b-r1b)<-1.00...(6b)

0.45<bf/f<0.60...(7b)

0.70<lst/f<0.90...(8b)

1.10<ttl/f<1.30...(9b)

5.5<d12/d13<7.0...(10b)

0.80<n22/n23<0.90...(11b)

1.06<ndf/ndr<1.20...(12b)

光学系统1a至1c中的每个可以通过同时馈送前单元lf、孔径光阑sto和后单元lr来响应于物体距离的变化而提供聚焦，并且从无限远处的物体距离到达约0.2倍的成像倍率可以获得足够的光学性能。

将给出与示例1至3对应的数值示例1至3的描述。在每个数值示例的表面数据中，r表示每个光学表面的曲率半径，并且d(mm)表示第m个表面与第(m+1)个表面之间的轴向距离(光轴上的距离)，其中，m是从光入射侧(物侧)起计数的表面的编号。另外，nd表示针对d线的每个光学构件的折射率，并且νd表示光学元件的阿贝数(abbenumber)。特定材料的阿贝数νd被如下地定义：

νd＝(nd-1)/(nf-nc)

其中，nd、nf和nc是夫琅和费线(fraunhoferline)中的d线(587.6nm)、f线(486.1nm)和c线(656.3nm)的折射率。

在每个数值示例中，d、焦距(mm)、f数和半视角(°)是当根据每个示例的光学系统聚焦在无限远处的物体时的值。后焦点(bf)是依据空气等效长度的从最后的透镜表面(最接近像面的透镜表面)到近轴像面的光轴上的距离。整个透镜长度是通过将后焦点与从光学系统中的第一透镜表面(最接近物体的透镜表面)到最后的透镜表面的光轴上的距离相加而获得的长度。

如果光学表面是非球面表面，那么在表面编号的右侧附带符号*。非球面形状被如下地限定：

x＝(h²/r)/[1+{1-(1+k)(h/r)²}^1/2+a4×h⁴+a6×h⁶+a8×h⁸+a10×h¹⁰+a12×h¹²其中，x是在光轴方向上的距表面顶点的位移量，h是在与光轴正交的方向上的距光轴的高度，r是近轴曲率半径，k是圆锥常数，a4、a6、a8、a10和a12是每阶的非球面系数。另外，每个非球面系数中的“e±xx”是指“x10^±xx”。

表1示出了包括每个数值示例中的每个条件表达式的数值的各种值。

数值示例1

单位mm

表面数据

非球面数据

第9个表面

k＝0.00000e+000a4＝-4.12032e-005a6＝-2.90015e-007a8＝-4.67119e-009a10＝7.90646e-011a12＝-9.28470e-013

第10个表面

k＝0.00000e+000a4＝-2.41619e-005a6＝-3.29146e-007a8＝1.91098e-010a10＝-9.28593e-013a12＝-2.29193e-013

各种数据

单个透镜数据

数值示例2

单位mm

表面数据

非球面数据

第9个表面

k＝0.00000e+000a4＝-4.67639e-005a6＝-1.12292e-006a8＝2.49541e-008a10＝-3.78123e-010a12＝2.13795e-012

第10个表面

k＝0.00000e+000a4＝-2.36398e-005a6＝-6.45466e-007a8＝9.49554e-009a10＝-9.59556e-011a12＝3.62348e-013

各种数据

单个透镜数据

数值示例3

单位mm

表面数据

非球面数据

第9个表面

k＝0.00000e+000a4＝-2.44755e-005a6＝-1.15532e-007a8＝4.82289e-011a10＝3.50956e-012a12＝-3.66450e-014

第10个表面

k＝0.00000e+000a4＝-1.53594e-005a6＝-6.43135e-008a8＝-4.65667e-011a10＝7.05869e-013a12＝-8.22743e-015

各种数据

单个透镜数据

表1

图像拾取装置

现在参考图7，将给出使用根据每个示例的光学系统1a至1c作为成像光学系统的数字静态相机(图像拾取装置)100的描述。在图7中，附图标记101表示相机主体，并且附图标记102表示由根据示例1至3的光学系统1a至1c中的任一个构成的成像光学系统(可更换透镜)。附图标记103表示诸如ccd传感器或cmos传感器之类的图像传感器(光电转换元件)，其被内置在相机主体101中并接收由成像光学系统102形成的光学图像并执行光电转换。相机主体101可以是具有快速转向镜的所谓的单透镜反射相机，或者是没有快速转向镜的所谓的无镜相机。每个示例适用于相机主体与成像光学系统彼此一体化的图像拾取装置。

每个示例可以提供紧凑的、轻量级的、大孔径的光学系统以及具有该光学系统的图像拾取装置。

例如，每个示例可以使用具有弱折光力的透镜单元被部署在透镜的物侧或像侧的配置或具有弱折光力的透镜被部署在前单元lf之前或后单元lr之后的配置。即使根据每个示例的光学系统还包括其它透镜，也可以提供类似的效果。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但要理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施例。随附权利要求书的范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。