CN100388011C - 光学系统和包括该光学系统的图像拾取设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学系统和包括该光学系统的图像拾取设备。至少一个典型实施方案涉及一种包括复合光学元件的光学系统，所述复合光学元件包括透镜元件和树脂层，该树脂层与透镜元件具有不同的光学特性并且与透镜元件之间具有非球面的界面。假设Rref是在有效直径内的界面的参考曲率半径，L是距光阑的距离，ndg和vdg分别是透镜元件的材料在d线处的折射率和阿贝数，ndj和vdj分别是树脂层的材料在d线处的折射率和阿贝数，则满足以下表达式：-1.5＜Rref/L＜-0.3，以及，0.1＜|ndg-ndj|和5＜|vdg-vdj|之一。

Description

光学系统和包括该光学系统的图像拾取设备

技术领域

本发明涉及光学系统和包括该光学系统的图像拾取设备。

背景技术

近来，使用固态图像拾取器件的图像拾取设备(例如摄影机)，例如摄像机和数码照相机不断在变小，而图像质量却在提高。因此，日益需要与这样的摄影机一起使用的小型、高图像质量的光学系统。

在传统结构中，用于减小光学系统的尺寸的一种方法减少在光学系统中包括的透镜的数量。

然而，如果透镜数量减少的话，就很难校正影响单色成像性能的像差，比如球面像差和彗形像差。此外，可以使用的玻璃材料的种类也受到限制，要校正色差可能是极其困难的。

另外，当透镜的数量减少时，包括在光学系统中的每个透镜的屈光力相对增强。因此，敏感度(它是光学性能相对于制造误差的变化)增强，可能需要提高每个透镜的加工精度以及光学系统的组装精度。

因此，通常使用包括非球面透镜表面的光学系统，从而即使在透镜数量减少的情况下，也可以保持良好的成像性能。

另一方面，在以下文献中已经描述了其中使用具有非球面粘合表面的粘合透镜，以利用少量的透镜获得高成像性能和低敏感度的光学系统：日本专利公开No.4-5362、日本专利公开No.63-27809、日本专利公开No.2001-42212、日本专利公开No.2002-6210和日本专利公开No.2004-61519。

然而，当使用非球面透镜时，即使可以校正影响单色成像性能的像差，也很难校正主要受玻璃材料的选择影响的色差。

已知一种通过使用反常色散材料作为光学材料来减少色差发生的方法。另外还已知包括衍射光学元件来校正色差，而不使用反常色散材料的光学系统(日本专利公开No.6-324262和No.6-331887)。

在衍射光学元件中，对应于阿贝数(Abbe number)的数值的绝对值通常较小(大约3.45)。衍射光学元件的特征在于能够仅通过轻微地改变衍射所获得的屈光力而大大改变色差，而又几乎不影响球面像差、彗形像差和像散。

另外，由于入射光被衍射，所以屈光力随着入射光的波长变化而线性改变。因此，色差系数的波长特性完全是线性的。

因而，在包括衍射光学元件的光学系统中，当减小总透镜长度，从而减小光学系统的总体尺寸时，可以只需要校正球面像差、彗形像差和像散。至于色差，只要最优地设计透镜的玻璃材料和屈光力，使得色差系数的波长特性为线性，就不必考虑色差的绝对值。这样就可以获得总透镜长度减小的光学系统。

另一方面，作为一种具有与衍射光学元件的光学特性相类似的色差校正功能的光学材料，已知一种具有相对较高的色散和相对反常的色散特性的液体材料。最近已提出了使用这种材料的消色差光学系统(美国专利No.5,731,907和No.5,638,215).

另外，日本专利公开No.4-5362和日本专利公开No.63-27809公开了其中使用非球面粘合表面，以少量的透镜获得高成像性能和低敏感度的光学系统。

然而，在上述公开文件的实施方案中，粘合表面被视为单个表面。因此，为了实现所述实施方案，可以制造出与上述实施方案具有完全相同形状的非球面表面，而这在加工精度和制造复杂性方面可能很困难。

日本专利公开No.2001-42212讨论了一种用于将非球面和球面粘合在一起的实际技术，其中考虑了粘合层。

然而，在粘合步骤中，为了保证成像性能，可能需要在粘合部分处将非球面和球面的中心对齐。因此，制造工艺可能非常困难。

日本专利公开No.2002-6210和No.2004-61519讨论了一种将树脂层层压在由玻璃材料制成的透镜的非球面上的技术。这样，就可以将非球面和球面实际粘合在一起。然而，该技术是针对拾取物镜来设计的，主要校正的只是针对两种波长的球面像差和色差。因此，没有提供对白光引起的场曲(field curvature)和色差的校正，而这些校正在成像光学系统中可能是必要的。

衍射光学元件提供充分的色差校正功能作为校正色差的方法。然而，衍射光学元件还产生了衍射级不同于在实际中使用的衍射光的衍射级的不必要的衍射光。不必要的衍射光就是使成像性能下降的彩色杂光。为了减少不必要的衍射光，可以使用所谓的分层衍射光学元件，在该元件中，多个闪耀衍射光栅沿着光轴层压在一起。

这样，能量就可以集中在指定的衍射级上，大大减少不必要的衍射光。然而，当拍摄高亮度的物体时，由于不必要的衍射光还会产生杂光。

已知一种用于制造衍射光学元件的方法，使用模具通过模塑手段形成由紫外光可固化树脂构成的衍射光学元件。然而，根据该方法，衍射光学元件的衍射效率的敏感度是极高的。因此，必须使用高精度的模具，还需要很高的模塑精度。

在日本专利公开No.6-324262和No.6-331887中描述的材料是液体，因此需要用于密封液体的结构。另外，当这样的材料用作光学材料时，制造工艺变得很困难。

另外，包括折射率、色散等在内的特性随着温度的变化而发生很大改变，对环境的抵抗能力不足。此外，由于无法获得与空气之间的界面，所以很难充分地校正色差。

发明内容

至少一个典型的实施方案涉及在数码相机、摄像机和电影摄影机的成像系统中使用的光学系统和图像拾取设备。

根据本发明的至少一个典型实施方案，光学系统包括复合光学元件，该复合光学元件包括透镜元件和树脂层，所述树脂层具有与所述透镜元件的光学特性不同的光学特性，并被设在所述透镜元件的表面上。透镜元件和树脂层之间的界面可以是非球面的，假设Rref是在有效直径内的所述界面的参考曲率半径，L是在整个光学系统的焦距处于最小的状态下沿着光轴从光阑(它决定轴上边缘光线)到所述界面的距离，ndg是透镜元件的材料在d线处的折射率，ndj是树脂层的材料在d线处的折射率，则满足以下表达式：

-1.5＜Rref/L＜-0.3

0.1＜|ndg-ndj|。

根据本发明的至少一个其他典型实施方案，光学系统包括复合光学元件，该复合光学元件包括透镜元件和树脂层，所述树脂层具有与所述透镜元件的光学特性不同的光学特性，并被设在所述透镜元件的表面上。透镜元件和树脂层之间的界面可以是非球面的，假设Rref是在有效直径内的所述界面的参考曲率半径，L是在整个光学系统的焦距处于最小的状态下沿着光轴从光阑(它决定轴上边缘光线)到所述界面的距离，vdg是透镜元件的材料在d线处的阿贝数，vdj是树脂层的材料在d线处的阿贝数，则满足以下表达式：

-1.5＜Rref/L＜-0.3

5＜|vdg-vdj|。

从结合附图对典型实施方案的以下描述中将会清楚本发明的其他特征。

附图说明

图1图示了根据本发明的第一典型实施方案的光学系统的截面图。

图2图示了根据第一典型实施方案的光学系统在广角端的像差图。

图3图示了根据第一典型实施方案的光学系统在中间变焦位置的像差图。

图4图示了根据第一典型实施方案的光学系统在远摄端(telephoto end)的像差图。

图5图示了根据本发明的第二典型实施方案的光学系统的截面图。

图6图示了根据第二典型实施方案的光学系统在广角端的像差图。

图7图示了根据第二典型实施方案的光学系统在中间变焦位置的像差图。

图8图示了根据第二典型实施方案的光学系统在远摄端的像差图。

图9图示了根据本发明的第三典型实施方案的光学系统的截面图。

图10图示了根据第三典型实施方案的光学系统的像差图。

图11是示出根据本发明的典型实施方案的图像拾取设备的主要部分的示意图。

具体实施方式

下面对至少一个典型实施方案的描述实质上只是示意性的，绝不是想要限制本发明、其应用或用途。

没有详细讨论本领域的普通技术人员公知的工艺、技术、设备和材料，但是在适当的情形下，它们应作为使描述的技术方案能够被实现的说明书的一部分，例如透镜元件的加工以及它们的材料。

在这里所图示和讨论的所有例子中，任何具体的数值(例如变焦比和F数)都应当仅被理解为示意性的而非限制性的。因此，典型实施方案的其他例子可能具有不同的值。

注意，在附图中，类似的数字和字母代表类似的项，因而一旦在一幅图中定义了某一项，那么在下面的图中就不再讨论了。

注意，当在这里提及误差(例如像差)的校正操作或校正时，意味着所述误差的减小和/或所述误差的校正。

下面将描述根据本发明典型实施方案的光学系统和包括该光学系统的图像拾取设备。

图1图示了根据本发明的第一典型实施方案的光学系统在广角端(短焦距端)的截面图。在第一典型实施方案中，光学系统是变焦镜头。图2、3和4分别是根据第一典型实施方案的光学系统在广角端、中间变焦位置和远摄端(长焦距端)的像差图。

图5图示了根据本发明的第二典型实施方案的光学系统在广角端的截面图。同样在第二实施方案中，光学系统是变焦镜头。图6、7和8分别是根据第二典型实施方案的光学系统在广角端、中间变焦位置和远摄端的像差图。

图9图示了根据本发明的第三典型实施方案的光学系统的截面图。在第三典型实施方案中，光学系统是具有单焦距的成像镜头。图10是该光学系统的像差图。

在以下描述中，根据第一和第二典型实施方案的光学系统也被称为变焦镜头，根据第三实施方案的光学系统也被称为成像镜头。

图11是示出根据本发明的典型实施方案的图像拾取设备的主要部分的示意图。

根据本发明的典型实施方案的光学系统可以用在图像拾取设备中，例如数码照相机、摄像机和电影摄影机，可以用在观测装置中，例如望远镜和双筒望远镜，还可以用在其他光学设备中，象复印机和投影仪以及本领域的普通技术人员公知的等同物。

在图1、5和9中所示的截面图中，左侧示出了前部(物侧、放大侧)，右侧示出了后部(像侧、缩小侧)。

在像差图中，d和g分别代表d线和g线，M和S分别代表子午像平面(meridional image plane)和弧矢像平面(sagittal image plane)。用g线图示横向色差。Fno代表F数，ω代表半视场角，在球面像差图中的Y轴是入射光瞳半径，在像散图、畸变图和放大色差图中的Y轴是图像高度。

在图1和5所示的截面图中，L1a-b代表具有负屈光力(屈光力是焦距的倒数)的第一透镜单元，L2a-b代表具有正屈光力的第二透镜单元，L3a-b代表具有正屈光力的第三透镜单元。SP代表孔径光阑，它确定轴上边缘光线并被设在第二透镜单元12a-b的物侧。

Ga-b代表光学模块，例如对应于滤光器、面板(faceplate)、石英低通滤光器和红外截止滤光器，IP代表像平面。当该光学系统被用作摄像机或数码照相机的成像光学系统时，与诸如电荷耦合器件(CCD)传感器和金属氧化物半导体(CMOS)传感器一类的固态图像拾取器件(光电转换器)的图像拾取平面相对应的光敏表面位于像平面IP上。

在根据第一和第二典型实施方案的光学系统中，广角端和远摄端是与改变放大倍率的透镜单元(第二透镜单元)位于光轴上的可移动范围的一端和另一端的状态相对应的变焦位置。

在根据第一和第二典型实施方案的光学系统中，在从广角端到远摄端的变焦过程中，第一透镜单元L1a-b大体上沿着朝像侧凸起的轨迹前后运动(A1-A2)，第二透镜单元L2和第三透镜单元L3朝着物侧移动(B1-B2和C1-C2)。

在根据第一和第二典型实施方案的光学系统中，通过移动(B1-B2)第二透镜单元L2来改变放大倍率，因放大倍率的改变引起的图像移动通过前后移动(A1-A2)第一透镜单元L1a-b并且朝着物侧移动(C1-C2)第三透镜单元L3a-b来补偿。

根据第一和第二典型实施方案的每一个光学系统都包括复合光学元件，该复合光学元件包括透镜元件以及与所述透镜元件具有不同光学特性的树脂层。透镜元件和树脂层之间的界面可以是非球面的。树脂层可以包括可通过热或光来固化的可固化树脂。

更具体地说，在根据第一和第二典型实施方案的每一个光学系统中，第一透镜单元L1a-b包括复合光学元件Ga1-2，该复合光学元件Ga1-2包括单负透镜(透镜元件)G11a-b和UV可固化的树脂层G12a-b，其中，负透镜G11a-b在其两侧包括凹透镜表面，可固化树脂层G12a-b被层压在负透镜G11a-b的像侧表面上。

透镜元件G11a-b和可固化树脂层G12a-b之间的界面可以是非球面的。

术语“透镜元件”是指象玻璃透镜、塑料透镜之类的光学元件，它可以用作可以在上面层压树脂层的衬底。透镜元件可以包括可固化树脂，它具有与层压在该透镜元件上的可固化树脂不同的光学特性。

第二透镜单元12a-b包括从物侧到像侧依次排列的单正透镜和单负透镜，所述正透镜在其两侧包括凸透镜表面，这些透镜或者是单独形成的，或者被粘合在一起。

第三透镜单元L3a-b包括单正透镜。

第三透镜单元L3a-b对于在固态图像拾取器件的尺寸减小时增大透镜单元的总屈光力作出了很大的贡献。

具体地说，由于包括第一和第二透镜单元L1a-b和L2a-b的短变焦系统的屈光力相对减小，所以由包括在第一透镜单元L1a-b中的透镜引起的像差可以减小，并获得良好的光学性能。

此外，由于第三透镜单元提供了场透镜(物镜)的功能，所以可实现在包括固态图像拾取器件的成像设备中所需的像侧上的远心成像(telecentric imaging)。

此外，孔径光阑SP可以被放置在第二透镜单元L2a-b上最靠近物侧的位置上，使得可以缩小在广角变焦位置时入射光瞳和第一透镜单元L1a-b之间的距离。由此，可以减小包括在第一透镜单元L1a-b中的透镜的外径(有效直径)增大的机会。此外，通过第一透镜单元L1a-b和第三透镜单元L3a-b(在它们之间放置了位于第二透镜单元L2a-b的物侧的孔径光阑SP)可以消除或减小离轴像差。结果，在不增加透镜数量的情况下可以获得良好的光学性能。

在图9中所示的截面图中，SP代表孔径光阑，OB代表具有单焦距的透镜系统。

Gc代表例如对应于滤光器、面板的光学模块，IP代表像平面。当光学系统被用作摄像机或数码照相机的成像光学系统时，与诸如CCD传感器和CMOS传感器一类的固态图像拾取器件(光电转换器)的图像拾取平面相对应的光敏表面位于像平面IP上。

根据第三典型实施方案的光学系统包括复合光学元件，该复合光学元件包括透镜元件以及与该透镜元件具有不同光学特性的可固化树脂层。可固化树脂层可以通过热或光来固化，可以层压在透镜元件的表面上。透镜元件和树脂层之间的界面可以是非球面的。

更具体地说，根据第三典型实施方案的光学系统包括复合光学元件Ga3，它从物侧开始依次包括单正透镜(透镜元件)G1和UV可固化树脂层G2，其中，正透镜G1在其两侧包括凸透镜表面，树脂层G2被层压在正透镜G1的像侧表面上。

在根据以上每一个典型实施方案的光学系统中，为了获得良好的光学性能并且/或者减小透镜系统的总尺寸，可满足下述条件中的至少一个条件。

即，假设Rref是在有效直径内的透镜元件和树脂层之间的界面的参考曲率半径，L是在整个光学系统的焦距处于最小(在第一和第二典型实施方案中的广角端的变焦位置以及在第三典型实施方案中的复合光学元件Ga)的状态下沿着光轴从孔径光阑SP(它决定轴上边缘光线)到界面之间的距离，ndg和vdg分别是透镜元件的材料对d线的折射率和阿贝数，ndj和vdj分别是树脂层的材料在d线处的折射率和阿贝数，θgF和θgd是树脂层的材料的部分色散比，|dn/dT|是树脂层的材料在d线处的折射率相对于0℃到40℃温度范围内的温度的变化速度的绝对值，φg是透镜元件的屈光力，φj是树脂层的屈光力，则可以满足以下条件中的一个或多个条件：

-1.5＜Rref/L＜-0.3  (1)

0.1＜|ndg-ndj|  (2a)

5＜|vdg-vdj|  (2b)

-2.100×10^-3·vdj+0.693＜θgF    (3)

0.555＜θgF＜0.9  (4)

-2.407×10^-3·vdj+1.420＜θgd    (5)

1.255＜θgd＜1.67  (6)

vdj＜60  (7)

|dn/dT|＜2.5×10^-4/℃  (8)

-1.2＜φj/φg＜0  (9)

参考曲率半径Rref是穿过非球面表面的顶点和非球面表面的有效直径上的每个点的球面表面的半径。

当界面在孔径光阑的物侧时，距离L的符号是负的，当界面在孔径光阑的像侧时，距离L的符号是正的。

光学组件的阿贝数和部分色散比如下所述。

当在同为夫琅和费(Fraunhofer)谱线的g线(波长435.8nm)、F线(486.1nm)、d线(587.6nm)和C线(656.3nm)处的折射率分别为N_g、N_F、N_d和N_C时，如下类似于通常的定义来定义阿贝数vd和部分色散比θgd和θgF：

vd＝(N_d-1)/(N_F-N_C)(10)

θgd＝(N_g-N_d)/(N_F-N_C)，θgF＝(N_g-N_F)/(N_F-N_C)(11)

条件表达式(1)涉及透镜元件和树脂层之间的非球面界面的参考曲率半径。当满足条件表达式(1)时，非球面表面的形状类似于以光轴与孔径光阑SP相交的点为中心的同心圆，从而可以抑制主要由于离轴主光线的折射引起的离轴像差。

当条件表达式(1)的值低于下限时，界面的非球面形状的曲率半径相对于以光轴与孔径光阑SP相交的点为中心的同心圆而言太大了。因此，无法充分地校正畸变。

当条件表达式(1)的值高于上限时，界面的非球面形状的曲率半径相对于以光轴与孔径光阑SP相交的点为中心的同心圆而言太小了。因此，可能很难校正场曲。

条件表达式(1)的数值范围也可以被设置为：

-1.2＜Rref/L＜-0.5    (1a)

条件表达式(2a)和(2b)的设置是为了使界面的非球面表面表现出足够的像差校正效果。

当除了条件表达式(1)外还满足条件表达式(2a)和(2b)中的一个或者两个时，就可以获得良好的光学性能。

条件表达式(2a)涉及透镜元件和树脂层之间在d线处的折射率之差。当条件表达式(2a)的值低于下限时，在界面处不能获得足够的折射率之差。因此，即使使用了非球面表面，也无法可靠地校正像差。

条件表达式(2a)的数值范围也可以被设置为：

0.13＜|ndg-ndj|    (2aa)

条件表达式(2b)涉及透镜元件和树脂层之间在d线处的阿贝数之差。当条件表达式(2b)的值低于下限时，在界面处不能获得足够的阿贝数之差。因此，即使使用了非球面表面，也无法可靠地校正像差。

条件表达式(2b)的数值范围也可以被设置为：

10＜|vdg-vdj|     (2bb)

在每个典型实施方案的光学系统中，具有大的(高的)部分色散比的树脂层提供折射。

因此，具有屈光力的折射光学元件(光学组件)可以由具有高的部分色散比的树脂组成。

包括在根据每个典型实施方案的光学系统中的复合光学元件在其入射侧和出射侧上都具有折射表面，并且至少一个折射表面具有屈光力。此外，包括在复合光学元件中的树脂层可以包括满足条件表达式(3)和(4)的材料，其中阿贝数是vdj，部分色散比是θgF。

当满足条件表达式(3)和(4)的树脂层被包括在光学系统中作为折射光学元件时，可以在g线和C线之间的宽波长范围内可靠地校正色差。

通过如下设置条件表达式(3)的数值范围，可以进一步改进校正色差的效果：

-2.100×10^-3·vdj+0.693＜θgF＜-1.231×10^-3·vdj+0.900  (3a)

另外，条件表达式(3)的数值范围也可以被设置为：

-2.100×10^-3·vdj+0.693＜θgF＜-1.389×10^-3·vdj+0.823(3b)

另外，条件表达式(3)的数值范围也可以被设置为：

0.700＜θgF＜0.756  (3c)

除了满足条件表达式(3)、(3a)、(3b)或(3c)外，当如下设置条件表达式(4)的数值范围时，可以进一步改进校正色差的效果。

0.555＜θgF＜0.86   (4a)

另外，该数值范围也可以被设置为：

0.555＜θgF＜0.80   (4b)

树脂也可以满足条件表达式(5)和(6)。

当满足条件表达式(5)和(6)时，可以容易地校正g线和d线之间的色差。这样就可以在g线和c线之间的波长范围内更加可靠地校正色差。

通过如下设置条件表达式(5)的数值范围，可以进一步改进校正色差的效果：

-2.407×10^-3·vdj+1.420＜θgd＜-1.152×10^-3·vdj+1.651(5a)

另外，条件表达式(5)的数值范围也可以被设置为：

-2.407×10^-3·vdj+1.420＜θgd＜-1.865×10^-3·vdj+1.572(5b)

另外，所述数值范围也可以被设置为：

1.426＜θgd＜1.512  (5c)

除了满足条件表达式(5)、(5a)、(5b)或(5c)外，当如下设置条件表达式(6)的数值范围时，可以进一步改进校正色差的效果。

1.255＜θgd＜1.61   (6a)

另外，所述数值范围也可以被设置为：

1.255＜θgd＜1.54   (6b)

此外，考虑到色差校正，树脂层的材料可以是满足条件表达式(7)的固体材料。

通过如下设置条件表达式(7)的数值范围，可以进一步改进校正色差的效果：

vdj＜45  (7a)

另外，该数值范围也可以被设置为：

vdj＜30  (7b)

另外，当|dn/dT|是树脂层的材料在d线处的折射率相对于0℃到40℃温度范围内的温度的变化速度的绝对值时，可以满足条件表达式(8)。

当条件表达式(8)的值超出给定范围时，很难保证0℃到40℃温度范围内的良好光学性能。

条件表达式(9)涉及包括在复合光学元件Ga1-3中的透镜元件和树脂层之间的屈光力之比。

当条件表达式(9)的值低于下限时，树脂层的屈光力太高了。因此，树脂的厚度可能增大，树脂形成工艺变难了。

当条件表达式(9)的值高于上限时，树脂层获得的像差校正效果降低。

条件表达式(9)的数值范围也可以被设置为：

-1.0＜φj/φg＜-0.1  (9a)

有多种树脂可以满足条件表达式(3)和(4)。具体地说，UV可固化树脂(Nd＝1.635，vd＝22.7，θgF＝0.69)和N聚乙烯咔唑(Nd＝1.696，vd＝17.7，θgF＝0.69)是满足条件表达式(3)和(4)的光学材料，这些材料代表了可以使用的适用材料的一些非限制性例子。

只要满足条件表达式(3)和(4)，树脂不限于上述树脂。

作为与普通玻璃材料具有不同特性的光学材料的例子，可以使用一种将无机氧化物纳米粒子分散到合成树脂中的混合物。所述无机氧化物纳米粒子例如是TiO₂(Nd＝2.304，vd＝13.8)，Nb₂O₅(Nd＝2.367，vd＝14.0)，ITO(Nd＝1.8581，vd＝5.53)，Cr₂O₃(Nd＝2.2178，vd＝13.4)，BaTiO₃(Nd＝2.4362，vd＝11.3)。

在这些无机氧化物中，例如当TiO₂(Nd＝2.304，vd＝13.8，θgF＝0.87)的粒子以足够量的比例分散到合成树脂中时，就可以获得满足条件表达式(3)和(4)的光学材料。

TiO₂是一种用于多种用途的材料，例如在光学领域中用作形成光学膜(例如抗反射膜)的沉积材料。TiO₂也被用作光催化剂、白色颜料，TiO₂粒子被用作化妆用材料。

在每个典型实施方案中，当考虑扩散的影响时，分散在树脂中的TiO₂粒子的平均直径可以被设置为约2nm到50nm，分散剂可被用来防止或减少凝聚。

聚合物可被用作分散TiO₂粒子的介质，使用成形模具，通过光聚合成形或热聚合成形可以提供大批量生产能力。

另外，关于光学常数的特性，可以使用具有较高的部分色散比的聚合物、具有较低的阿贝数的聚合物或者同时具有较高的部分色散比和较低的阿贝数的聚合物。

例如，可以使用N聚乙烯咔唑、苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)或者本领域的普通技术人员公知的其他聚合物。

在以下描述的典型实施方案中，UV可固化树脂和N聚乙烯咔唑被用作其中分散有TiO₂的基质聚合物。然而，本发明不限于此。

通过以下公式可以容易地计算出其中分散有纳米粒子的混合物的色散特性N(λ)，该公式是从公知的Drude公式导出的。更具体地说，可以如下计算出在波长λ处的折射率N(λ)：

(12)  N(λ)＝[1+V{N_TiO ²(λ)-1}+(1-V){N_P ²(λ)-1}]^1/2

其中，λ是任意波长，N_TiO是TiO₂的折射率，N_P是聚合物的折射率，V是TiO₂粒子的总量和聚合物的量之比。

在每个典型实施方案中，由满足条件表达式(3)和(4)的材料构成的树脂层被用作具有屈光力的光学元件的层(表面)。

此外，光学元件和树脂层之间的界面是非球面的，诸如球面色像差这样的色差杂光被可靠地校正。

界面可以形成在树脂和环境(例如空气)之间，或者可以形成在树脂和具有较低折射率的光学材料之间。在这样的情况下，色差可能随着界面的曲率的细小变化而发生较大的改变。

表2示出了在典型实施方案的例子中使用的光学材料(作为其中分散有TiO₂粒子的材料的UV可固化树脂1，和N聚乙烯咔唑)的光学常数值，表3示出了包括在其中分散有TiO₂粒子的材料中的UV可固化树脂2和TiO₂的光学常数值。

下面将分别描述与第一到第三典型实施方案的例子相对应的第一到第三数值例的数值数据。在每个数值例中，i代表从物侧开始计数的编号，ri代表第i个光学表面(第i表面)的曲率半径，di代表光轴上的第i和第(i+1)透镜表面之间的距离，ni和vi分别代表第i个光学元件在d线处的折射率和阿贝数。

最靠近像侧的两个表面形成一个光学模块，例如滤光器和面板。

另外，f是焦距，Fno是F数，ω是半视场角。

假如X是从表面顶点开始沿着光轴的位移，h是在垂直于光轴的方向上距离光轴的高度，r是傍轴曲率半径，k是二次常数(圆锥常数)，B和C是非球面系数，则用下式来表示非球面表面的形状：

$x\left(h\right)=\frac{(1/r)h^2}{1+\sqrt{\{1-(1+k){(h/r)}^2\}}}+{\mathrm{Bh}}^4+{\mathrm{Ch}}^6$

在非球面系数中，“e±XX”表示“×10^±XX”。

表1示出了条件表达式和典型实施方案之间的关系。

根据第一数值例的光学系统是变焦比为2.8，开口比(openingratio)约为3.3到5.0的变焦镜头。

在第一数值例中，复合光学元件用作第一透镜单元L1，UV可固化树脂1用作所述树脂。

根据第二数值例的光学系统是变焦比为2.8，开口比约为2.9到4.6的变焦镜头。

在第二数值例中，复合光学元件用作第一透镜单元L1，N聚乙烯咔唑用作所述树脂。

根据第三数值例的光学系统是开口比约为4.0的成像镜头。

在第三数值例中，光学系统仅由复合光学元件组成，TiO₂3％-UV可固化树脂2用作所述树脂。

数值例1

f＝6.591到18.651，Fno＝3.26到5.04，2ω＝56.6°到21.6°

R1＝-8.116   D1＝0.70    N1＝1.48749   vd1＝70.2

R2＝10.415   D2＝0.30    N2＝1.63555   vd2＝22.7

R3＝17.645   D3＝可变

R4＝光阑     D4＝-0.40

R5＝4.038    D5＝1.80    N3＝1.80100    vd3＝35.0

R6＝-20.533  D6＝0.20

R7＝42.450   D7＝0.50    N4＝1.92286    vd4＝18.9

R8＝4.349    D8＝可变

R9＝70.951   D9＝1.30    N5＝1.77250    vd5＝49.6

R10＝-15.868 D10＝可变

R11＝∞      D11＝1.30   N6＝1.51633    vd6＝64.1

R12＝∞

D\f	6.591	12.258	18.651
				D3	12.04	4.35	0.89
D8	5.23	6.65	6.53
				D10	4.22	8.11	13.55

非球面系数

R1：k＝-2.45470e+00    B＝2.40366e-04     C＝-2.00042e-07

R2：k＝2.04972e+00     B＝-8.55954e-05    C＝1.27083e-05

R3：k＝1.03182e+01     B＝1.37505e-04     C＝6.12849e-06

R5：k＝-2.88269e+00    B＝5.09961e-03     C＝-1.22449e-04

R8：k＝-3.11010e+00    B＝8.60077e-03     C＝2.82336e-04

R9：k＝0.00000e+00     B＝2.78356e-04     C＝-1.41086e-06

数值例2

f＝6.590到18.640，Fno＝2.94到4.61，2ω＝56.6°到21.6°

R1＝-9.362    D1＝0.60    N1＝1.48749   vd1＝70.2

R2＝13.690    D2＝0.35    N2＝1.69591   vd2＝17.7

R3＝20.719    D3＝可变

R4＝光阑      D4＝0.15

R5＝5.061     D5＝2.50    N3＝1.76200   vd3＝40.1

R6＝-2.375    D6＝0.50    N4＝1.69895   vd4＝30.1

R7＝7.763     D7＝可变

R8＝10.445    D8＝1.40    N5＝1.77250   vd5＝49.6

R9＝16.994    D9＝可变

R10＝∞       D10＝1.00   N6＝1.51633   vd6＝64.1

R11＝∞

D\f	6.590	13.155	18.640
				D3	13.47	3.52	0.89
D7	8.15	8.91	11.70
				D9	0.92	4.79	6.64

非球面系数

R1：k＝3.89310e-01    B＝4.37755e-04    C＝1.92683e-06

    D＝6.33555e-09

R2：k＝-3.79455e+00   B＝3.26079e-04    C＝-1.97275e-06

R3：k＝-2.67610e-01   B＝1.64690e-04    C＝4.35733e-06

R5：k＝1.80938e-02    B＝1.20823e-05    C＝2.40546e-05

R6：k＝-2.46679e+00   B＝-3.36766e-03   C＝3.18762e-04

R7：k＝1.69997e+00    B＝1.40072e-03    C＝2.56727e-04

R8：k＝0.00000e+00    B＝8.51454e-05    C＝3.35662e-07

数值例3

f＝5.860，Fno＝4.00，2ω＝62.4°

R1＝光阑     D1＝0.50

R2＝12.033   D2＝2.00   N1＝1.80400    vd1＝46.6

R3＝-1.076   D3＝0.30   N2＝1.55324    vd2＝39.8

R4＝4.304    D4＝1.00

R5＝∞       D5＝1.30   N3＝1.51633    vd3＝64.1

R6＝∞

非球面系数

R2：k＝-3.65363e+02   B＝3.74430e-03    C＝-1.96470e-02

R3：k＝-4.45291e-01   B＝2.95874e-02    C＝5.22699e-03

R4：k＝1.05082e+00    B＝-2.82523e-03   C＝6.24570e-04

表1

表2

	UV可固化树脂1	N聚乙烯咔唑	TiO<sub>2</sub>3％-UV可固化树脂2
				d线处的折射率	1.63555	1.69591	1.55324
g线处的折射率	1.67532	1.75164	1.57249
				C线处的折射率	1.62807	1.68528	1.54936
F线处的折射率	1.65604	1.72465	1.56326
				vd	22.7	17.7	39.8
θgd	1.422	1.415	1.385
				θgF	0.689	0.686	0.665

表3

	UV可固化树脂2	TiO<sub>2</sub>
			d线处的折射率	1.52415	2.30377
g线处的折射率	1.53706	2.45676
			C线处的折射率	1.52116	2.28032
F线处的折射率	1.53133	2.37452
			vd	51.6	13.8
θgd	1.269	1.624
			θgF	0.563	0.873

下面将参考图11描述包括根据本发明典型实施方案的光学系统(用作成像光学系统)的数码照相机(图像拾取设备)。

参考图11，数码照相机包括照相机体20；包括根据本发明的典型实施方案的光学系统的成像光学系统21；固态图像拾取器件(光电转换器)22，例如CCD，它接收成像光学系统21形成的物体图像；记录与图像拾取器件22接收的物体图像相对应的信息的存储器23；以及用于观察显示在显示单元(未示出)上的物体图像的取景器24。

显示单元包括显示面板(例如液晶)并显示形成在图像拾取器件上的物体图像。

这样，利用根据本发明的典型实施方案的光学系统就可以获得体积小、光学性能高的图像拾取设备，例如数码照相机。

在根据本典型实施方案的光学系统中，当发生大的畸变时，可以使用已知的电学像差校正方法来校正畸变。

当如上设置光学元件时，就可以获得具有以下特点的光学系统：该系统包括具有高的环境抵抗力的复合光学元件，可以容易地制造，可以可靠地校正包括色差在内的像差，并且适于用在包括固态图像拾取器件的成像系统中。

虽然已结合典型实施方案描述了本发明，但是应当理解本发明不限于所公开的典型实施方案。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以便将所有修改、等同结构和功能都包括进来。

Claims (16)

1.一种光学系统，包括：

包括透镜元件和树脂层的复合光学元件，所述树脂层具有与所述透镜元件的光学特性不同的光学特性，并且设在所述透镜元件的表面上，

其中，所述透镜元件和所述树脂层之间的界面是非球面的，并且

其中，假设Rref是在有效直径内的所述界面的参考曲率半径，L是在整个光学系统的焦距处于最小的状态下沿着光轴从决定轴上边缘光线的光阑到所述界面的距离，ndg是所述透镜元件的材料在d线处的折射率，ndj是所述树脂层的材料在d线处的折射率，则满足以下表达式：

-1.5＜Rref/L＜-0.3

0.1＜|ndg-ndj|。

2.根据权利要求1的光学系统，其中，假设所述树脂层的材料在g线、F线和C线处的折射率分别为N_g、N_F和N_C，θgF是所述树脂层的材料的部分色散比，θgF＝(N_g-N_F)/(N_F-N_C)，vdj是所述树脂层的材料在d线处的阿贝数，则满足以下表达式：

-2.100×10^-3·vdj+0.693＜θgF

0.555＜θgF＜0.9。

3.根据权利要求1的光学系统，其中，假设所述树脂层的材料在g线、F线、d线和C线处的折射率分别为N_g、N_F、N_d和N_C，θgd是所述树脂层的材料的部分色散比，θgd＝(N_g-N_d)/(N_F-N_C)，vdj是所述树脂层的材料在d线处的阿贝数，则满足以下表达式：

-2.407×10^-3·vdj+1.420＜θgd

1.255＜θgd＜1.67。

4.根据权利要求1的光学系统，其中，假设vdj是所述树脂层的材料在d线处的阿贝数，则满足以下表达式：

vdj＜60。

5.根据权利要求1的光学系统，其中，所述树脂层的材料是无机粒子分散在透明介质中形成的混合物。

6.根据权利要求1的光学系统，其中，假设|dn/dT|是所述树脂层的材料在d线处的折射率相对于0℃到40℃温度范围内的温度的变化速度的绝对值，则满足以下表达式：

|dn/dT|＜2.5×10^-4/℃。

7.根据权利要求1的光学系统，其中，所述光学系统在光电转换器上形成图像。

8.一种图像拾取设备，包括：

根据权利要求1的光学系统；和

接收由所述光学系统形成的图像的光电转换器。

9.一种光学系统，包括：

包括透镜元件和树脂层的复合光学元件，所述树脂层具有与所述透镜元件的光学特性不同的光学特性，并且设在所述透镜元件的表面上，

其中，所述透镜元件和所述树脂层之间的界面是非球面的，并且

其中，假设Rref是在有效直径内的所述界面的参考曲率半径，L是在整个光学系统的焦距处于最小的状态下沿着光轴从决定轴上边缘光线的光阑到所述界面的距离，vdg是所述透镜元件的材料在d线处的阿贝数，vdj是所述树脂层的材料在d线处的阿贝数，则满足以下表达式：

-1.5＜Rref/L＜-0.3

5＜|vdg-vdj|。

10.根据权利要求9的光学系统，其中，假设所述树脂层的材料在g线、F线和C线处的折射率分别为N_g、N_F和N_C，θgF是所述树脂层的材料的部分色散比，θgF＝(N_g-N_F)/(N_F-N_C)，则满足以下表达式：

-2.100×10^-3·vdj+0.693＜θgF

0.555＜θgF＜0.9。

11.根据权利要求9的光学系统，其中，假设所述树脂层的材料在g线、F线、d线和C线处的折射率分别为N_g、N_F、N_d和N_C，θgd是所述树脂层的材料的部分色散比，θgd＝(N_g-N_d)/(N_F-N_C)，则满足以下表达式：

-2.407×10^-3·vdj+1.420＜θgd

1.255＜θgd＜1.67。

12.根据权利要求9的光学系统，其中，所述树脂层的材料在d线处的阿贝数vdj满足以下表达式：

vdj＜60。

13.根据权利要求9的光学系统，其中，所述树脂层的材料是无机粒子分散在透明介质中形成的混合物。

14.根据权利要求9的光学系统，其中，假设|dn/dT|是所述树脂层的材料在d线处的折射率相对于0℃到40℃温度范围内的温度的变化速度的绝对值，则满足以下表达式：

|dn/dT|＜2.5×10^-4/℃。

15.根据权利要求9的光学系统，其中，所述光学系统在光电转换器上形成图像。

16.一种图像拾取设备，包括：

根据权利要求9的光学系统；和

接收由所述光学系统形成的图像的光电转换器。

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