CN100414340C - 光学系统 - Google Patents

Abstract

在一种光学系统中，设置有具有在光入射侧和光出射侧两侧上的折射表面的固体材料，并且Abbe数vd和局部色散率θgF满足条件：-2.100×10^-3·vd+0.693＜θgF；和0.555＜θgF＜0.6。

Description

光学系统

技术领域

本发明涉及一种光学系统，并适用于光学系统，例如银盐胶卷照相机、数字照相机、摄像机、电话、双目镜、投影仪或复印机。

背景技术

一般地说，在用于数字照相机、摄像机或其类似物的光学系统中，当总的透镜长度被减小以便使整个光学系统小型化时，便产生大量的像差，特别是色差例如轴向色差(纵向色差)和放大的色差(横向色差)，因而光学性能趋于下降。尤其是在总的透镜长度被减小的远摄类型的光学系统中，焦距越大，产生的色差越多。其中，总透镜长度指的是总的光学长度，是从前方第一透镜表面到像面(物面)的长度。

作为减小这种色差的方法，一种已知的方法是在光学材料中使用特殊局部色散(dispersion)的材料，或者在光路中使用衍射光学元件的方法。

在远摄型光学系统中，一般使用正折光力的透镜和负折光力的透镜减小色差，前者由低色散的光学材料(具有大的阿贝(Abbe)数的光学元件)例如具有特殊局部色散的氟石构成，后者由在前透镜单元中的高色散的光学材料构成，在前透镜单元中从光轴的通路位置比较高。已经提出了这种远摄型的各种光学系统(见日本审查的专利公开60-49883(相当于US4241983)，日本审查的专利公开60-55805(相当于US4348084)，日本未审查的专利公开11-119092(相当于US6115188)。

其中，旁轴边缘光线是关于这样的情况下的一种旁轴光线，即，整个光学系统的焦距被标称化为1，允许距离光轴的高度为1的光线与光学系统的光轴平行地进入该系统。此外，假定对象处于光学系统的左侧，从对象侧进入光学系统的光被作为从左到右行进的光来处理。旁轴主光线是在整个光学系统的焦距被标称化为1的情况下，在相对于光轴呈-45度角的入射光线当中的这样一种旁轴光线，其通过入射光瞳和光学系统的光轴的交点。在光学系统上的入射角从光轴被测量，顺时针的角认为是正，逆时针的角认为是负。

此外，已知一种这样的远摄型光学系统，其中使用衍射光学元件而不使用分散在光学材料中的任何的异常部分来校正色差(见日本未审查的专利公开6-324262(相当于US5790321)和日本未审查的专利公开6-331887(相当于US5629799))。在日本未审查的专利公开6-324262和日本未审查的专利公开6-331887中，披露了一种具有大约F 2.8的F数的远摄型光学系统，其中，衍射光学元件和折射光学元件结合，从而相当满意地校正色差。

一般地说，衍射光学元件，相应于Abbe数的数值的绝对值像3.45那样小。这种元件具有这样的特性：当焦度(power)(焦距的倒数)只发生轻微的改变时，色差可以发生大的改变，而几乎不影响球面像差、色差和像散。因为衍射光要被处理，所以焦度相对于入射光的波长的改变而线性地改变，色差系数的波长特性形成一条完全的直线。

因此，为了减小总透镜长度，在进行像差校正时，可以规定球面像差、彗形像差和像散的校正。此外，因为色差通过衍射光学元件校正，作为组成部分的透镜的玻璃材料以及材料的折光力可被优化以允许用这种方式设计，使得获得色差系数的线性的波长特性，而不管由于总长度的减小而变差的色差的绝对量。结果，可以获得其中总透镜长度被减小的远摄型光学系统。

此外，作为具有和衍射光学元件的光学特性类似的校正色差的功能的光学材料，一种液晶材料是已知的，其呈现比较高的色散的和比较特殊的局部色散特性，并提出了一种使用所述材料的消色差的光学系统(见US5731907和US5638215)。

在其中于光学材料中使用氟石或其类似物的远摄型光学系统中，如日本审查专利公开60-49883、日本审查专利公开60-55805和日本未审专利公开11-119092中披露的，在使总透镜长度较长的情况下容易校正色差。不过，当总透镜长度被减小时，便产生许多色差，并且难于满意地校正它们。在这种方法中，利用低的色散和在例如氟石的材料中存在的特殊局部色散，在具有正折光力的前透镜系统中产生的色差被简单地减小。即使当伴随着总透镜长度的减小的恶化的色差要被校正时，色差也不会发生大的改变，除非在使用低色散玻璃例如具有大的Abbe数的氟石的透镜中透镜表面的折光力被较大地改变。因此，难于建立两种校正，即色差的校正和像差例如球面像差、彗形像差和由增加折光力而产生的像散的校正。

在另一方面，虽然衍射光学元件具有足够的校正色差的功能，但是除去实际使用的具有所需的衍射级的衍射光之外，还产生具有不需要的衍射级的衍射光，因而发生的一个问题是，不需要的衍射光形成彩色的闪烁光，因而损坏图像形成性能。作为一种减少不需要的衍射光的方法，已知一种方法，其中使用所谓的层叠型的衍射光学元件，其包括沿光轴方向层叠的多个定向型衍射光栅。因此，能够把注意力集中在设计的衍射级上，因而大大减少不需要的衍射光。不过，具有的一个问题是，当拍摄高亮度的对象时，仍然出现由不需要的衍射光造成的闪烁。

此外，作为一种制造衍射光学元件的方法，已知一种方法，其中的元件是由紫外线固化的树脂或其类似物模制的。不过，在这种方法中，因为衍射光学元件的衍射效率的灵敏度在制造期间明显地较高，需要非常高的注模精度或模制精度。结果，难于制造这种元件，因而制造成本增加。

因为在US5731907和US5638215中披露的材料是液体的，需要引入和密封该液体的结构。在光学材料中使用液体的情况下，制造元件是困难的。例如折射率和色散等特性随温度改变而大地改变，对于环境的耐受不够。此外，因为不能获得在液体和空气之间的界面，所以不容易获得用于校正色差的足够的能力。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种光学系统，其满意地校正包括色差在内的各种各样的像差，并且其容易制造，并对环境具有好的耐受力。

按照本发明，提供一种光学系统，其包括在光入射侧和光出射侧两侧上的折射表面，并具有满足以下条件的固体材料：

-2.100×10^-3·vd+0.693＜θgF；和

0.555＜θgF＜0.9，

其中，vd表示Abbe数，θgF是局部色散率。

此外，假定这种固体材料的局部色散率是θgd，该材料还最好满足以下条件：

-2.407×10^-3·vd+1.420＜θgd；和

1.2555＜θgd＜1.67。

其中，Abbe数vd以及局部色散率θgF、θgd的定义和通用的相同。即，假定材料对于g线(波长为435.8nm)、F线(486.1nm)、d线(587.6nm)和C线(656.3nm)的折射率分别是Ng，NF，Nd和NC，侧Abbe数和局部色散率分别由下式表示：

vd＝(Nd-1)/(NF-NC)；

θgd＝(Ng-Nd)/(NF-NC)；和

θgF＝(Ng-NF)/(NF-NC).

由下面参照附图进行的示例的实施例的说明将会清楚地看出本发明的其它特征。

附图说明

图1是第一实施例的光学系统的截面图；

图2是第一实施例的光学系统的像差图；

图3是第二实施例的光学系统的截面图；

图4是第二实施例的光学系统的像差图；

图5是第三实施例的光学系统的截面图；

图6是第三实施例的光学系统的像差图；

图7是第四实施例的光学系统的截面图；

图8是第四实施例的光学系统的像差图；

图9是第五实施例的光学系统的截面图；

图10是第五实施例的光学系统的像差图；

图11是一种成像装置的主要部分的示意图；

图12说明条件公式(1)和(2)的范围；以及

图13说明条件公式(3)和(4)的范围。

具体实施方式

下面详细说明本发明的光学系统。

本发明的光学系统用在图像拍摄设备中，例如数字照相机、摄像机、或用于银盐胶卷的照相机、观察设备例如望远镜或双目镜，以及例如复印机或投影仪等设备。

本发明的光学系统的特征在于，使具有大的(高的)局部色散率的固体材料(常温的和常压的)具有折射功能。即，由具有大的局部色散率的固体材料形成具有焦度(power)的折射光学元件(光学元件)。

应当注意，这里的折射光学元件指的是例如折射透镜或其类似物，其借助于折射功能产生其焦度，并且不包括借助于衍射功能来产生其焦度的任何衍射光学元件。

此外，固体材料指的是在使用这种光学系统时呈固态的材料，并且在光学系统被使用之前例如在制造时，其状态可以是任何状态。例如，即使在制造时是液态，但是其被固化而形成相当于此处所述的固体材料的材料。

在每个实施例的光学系统中使用的光学元件在光入射侧和光出射侧上都具有折射表面，并且折射表面的至少一个具有焦度。此外，假定Abbe数是vd，并且局部色散率是θgF，所述元件由满足下述条件公式(1)、(2)并且在常温和常压下是固体的材料构成。

-2.100×10^-3·vd+0.693＜θgF...(1)

0.555＜θgF＜0.9            ...(2)

通过使用满足条件公式(1)和(2)的固体材料作为光学系统中的光学折射元件，可以在g线到C线的一个宽的波长带上满意地校正色差。

此外，满足条件公式(1)和(2)的固体材料最好满足下述的条件公式(3)和(4)：

-2.407×10^-3·vd+1.420＜θgd    ...(3)

1.2555＜θgd＜1.67              ...(4)

当除去条件公式(1)和(2)之外同时满足条件公式(3)和(4)时，能够校正在g线和d线之间的色差。因而，能够在g线到C线的波长带内进行较密的色差校正。

从色差校正的观点看来，所述固体材料最好还满足：

vd＜60(5)

满足条件公式(1)和(2)的固体材料(下文也称为“光学材料”)的一些特定例子包括树脂。在各类树脂当中，尤其是UV固化的树脂(Nd＝1.635，vd＝22.7，θgF＝0.69)或N-聚乙烯咔唑(Nd＝1.696，vd＝17.7，θgF＝0.69)是满足条件公式(1)和(2)的光学材料。应当注意，所述树脂不限于这些，只要满足条件公式(1)和(2)即可。

此外，作为具有和普通玻璃材料的性能不同的光学材料，具有一种在合成树脂中分散有下述无机氧化物毫微颗粒的混合物。这种混合物的例子包括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)等。

当在这些无机氧化物当中的TiO₂(Nd＝2.304，vd＝13.8，θgF＝0.87)的颗粒以合适的体积比被分散在合成树脂中时，获得满足上述的条件公式(1)和(2)的光学材料。

此外，TiO₂是一种在多种应用中使用的材料，并且被用作蒸发材料，用于构成光学薄膜，例如在光学领域中的防反射膜。此外，其用作光催化剂，白颜料等，并且TiO₂颗粒被用作化妆品材料。

在每个实施例中，分散在树脂中的TiO2颗粒的平均直径在考虑分散等因素的影响下最好大约是2nm-50nm，为了抑制聚集，可以加入分散剂之类。

作为用于分散TiO₂的中间材料，聚合物是优选的，并且使用模制注模或其类似物借助于光的或热的聚合模制，可以获得高的批量生产率。

此外，关于聚合物的光学恒定的特性，具有比较大的局部色散率的聚合物、具有比较小的Abbe数的聚合物、或满足所述两个特性的聚合物是优选的。例如，可以应用N-聚乙烯咔唑、苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(亚克力)或类似物。在后面所述的实施例中，使用UV固化的树脂或N-聚乙烯咔唑作为用于分散TiO2颗粒的主聚合物。不过，这不应当认为是对本发明的限制。

其中分散有毫微颗粒的混合物的色散特性N(λ)可以通过下面从熟知的Drude公式导出的公式被容易地计算。即，在波长λ下的折射率N(λ)如下：

N(λ)＝[1+V{N_TiO2(λ)-1}+(1-V){Np²(λ)-1}]^1/2，

其中，λ表示任意波长，NTiO表示TiO₂的折射率，Np表示聚合物的折射率，V表示TiO₂颗粒的总体积对聚合物体积的分数比。

此外，满足条件公式(1)和(2)的光学材料最好满足以下条件，假定在0℃-40℃d线的折射率的温度改变的绝对值是|dn/dT|。

即，|dn/dT|＜2.5×10^-4(1/℃)(6)

其中，当范围偏离条件公式(6)的范围时，在0℃-40℃的温度范围内难于保持满意的光学性能。

在每个实施例中，满足条件公式(1)和(2)的光学材料被应用于光学系统的透镜或应用于被设置在透镜的表面上并具有折光力的层表面。

此外，当由这种光学材料构成的折射表面被制成非球面时，色差闪烁例如球面色差可被满意地校正。当这种光学元件和大气例如空气形成一个界面，或者这种元件和具有比较低的折射率的光学材料形成所述界面时，借助于该界面的轻微的曲率改变，色差可有利地相当大地改变。

下面说明在光学系统中使用具有大的局部色散率并具有焦度的的光学元件的情况下对光学系统的色差校正的影响。

在光学材料的折射率的波长相关特性(色散特性)中，Abbe数表示色散特性曲线的总的倾斜度，局部色散率表示色散特性曲线的弯曲度。

一般地说，关于光学材料，在短波长侧上的折射率比在长波长侧上的高(Abbe数表示一个正值)，色散特性曲线具有向下凸的(局部色散率表示一个正值)轨迹，折射率的改变相对于波长的改变朝向短波长侧增加。此外，具有较小的Abbe数和较大的色散的光学材料具有较大的局部色散率，色散特性曲线趋于具有增强的向下凸的形状。

在具有大的局部色散率的光学材料中，使用这种光学材料的透镜表面的色差系数的波长相关特性曲线，和使用具有小的局部色散率的光学材料的情况下相比，在短波长侧呈现较大的弯曲。

在另一方面，在具有小的局部色散率的光学材料中，使用这种光学材料的透镜表面的色差系数的波长相关特性曲线在整个波长带内呈更接近直线的形状。

普通光学材料例如玻璃材料的局部色散率相对于Abbe数基本上线性地改变。具有偏离这种线性改变的特性的光学材料是一种呈现异常局部色散特性的光学材料。作为具有特殊局部色散的光学材料，一般地说具有小的色散的氟石是已知的。不过，甚至具有小的色散和异常局部色散的光学材料相对于Abbe数基本上均匀地改变。在使用具有特殊局部色散的光学材料作为具有焦度的透镜的情况下，和使用普通玻璃材料的情况相比，透镜表面的色差系数的波长相关特性曲线具有较高的线性度(较小的局部色散率)或较大的曲度(较大的局部色散率)。

衍射光学元件具有显著小的局部色散率，这是因为色差系数的波长相关特性曲线具有高的线性度。在使用衍射光学元件的光学系统中，可以在整个波长带范围内满意地校正色差。不过，衍射对光的影响和折射的影响完全不同。至于一般的光学材料，Abbe数总是呈现正值，如上所述，并且色散特性曲线或多或少地向下凸出。

与此相反，在衍射光学元件中，在长波长侧上的折射率比在短波长侧的高，并且折射率相对于波长的改变是均匀的。因此，衍射光学元件的Abbe数呈-3.45的负值，色散特性是线性的。

在使用衍射光学元件的光学系统中，其利用和这种一般的折射材料完全不同的特性，在衍射光学元件之外的部分中产生的较大的色散被衍射光学元件部分抵消，因此可以在整个波长带范围内满意地校正色差。

因而，在使用具有显著小的局部色散率的光学材料的整个光学系统中，可以满意地校正色差。

在每个实施例中，在使用特殊局部色散材料当中具有比普通玻璃材料高的局部色散率的光学材料的整个光学系统中，在整个波长带范围内色差被满意地校正。

和普通玻璃材料相比，在透镜中使用具有较小的局部色散率的光学材料和具有较高的局部色散率的光学材料的情况下，其差别在于，在短波长侧上在透镜表面中的色差系数的波长相关特性曲线的曲率较小或较大。

此外，在短波长侧上的曲率和光学材料的色散特性的曲率有关。为了简化，这里说明其中d线折射率等于Abbe数的光学材料。对于当使用具有大的局部色散率的材料、具有平常的局部色散率的平常的材料(普通光学材料)和具有小的局部色散率的材料作为具有相同焦度的透镜的情况，假定在短波长侧和长波长侧的色差系数的差值是ΔN_H，ΔN_M，ΔN_L，关系由下式表示：

ΔN_H＞ΔN_M＞ΔN_L＞0...(a)

将说明由两种透镜的组合构成的光学系统，其中一个透镜由特殊局部色散材料构成。

首先，假定排列存在具有相同焦度的由具有平常局部色散率的材料和具有小的局部色散率的材料构成的两个透镜，在短和长波长侧上光学系统的色差系数之间的差值是ΔN_M+ΔN_L。和使用具有平常局部色散率的两个透镜相比，这减少了ΔN_M-ΔN_L。

即，和使用由具有平常局部色散率的材料构成的两个透镜的情况相比，可以减少色差。

下面说明具有平常局部色散率的材料和具有大的局部色散率的材料的组合。在短和长波长侧上光学系统的色差系数之间的差值是ΔN_M+ΔN_H。

和使用具有平常的局部色散率的材料的两个透镜相比，这增加了ΔN_H-ΔN_M。因此，假定在使用具有小的曲率和小的局部色散率的情况下在短波长侧的色差可被减小，相反地，在使用具有大的曲率和大的局部色散率的材料的情况下在短波长侧的色差被增加。不过，这是使用具有相同焦度的具有大的局部色散率的材料和具有小的局部色散率的材料的情况。

在这种情况下，使用具有大的局部色散率的材料的透镜的焦度的符号被反向。即，所布置的两个透镜之一的焦度的符号被反向，并且使用具有大的局部色散率的材料。那么，在使用具有大的局部色散率的材料的情况下，相反地，和使用由具有平常的局部色散率的材料构成的两个透镜的情况相比，在短波长侧上的像差可被减小ΔN_H-ΔN_M。

即使当组合具有平常的局部色散率的材料时，也难于同时对于色差系数的波长相关特性曲线的曲率分量和倾斜度分量满意地校正在整个波长带内的色差。因此，使用和具有平常的局部色散率的玻璃材料相比具有小的局部色散率并且其在短波长侧上的曲率分量可被减小的材料，可以合适地校正色差。不过，从被减小的在短波长侧上的色差的观点看来，这同样可以应用于这样的情况，其中使用具有大的局部色散率的材料，其具有和具有小的局部色散率的材料相反的焦度。应当注意，当焦度的符号不同时，具有大的局部色散率的材料和具有小的局部色散率的材料甚至在短波长侧之外的部分也具有相反的功能。因此，用于选择光学系统的用于平衡的另一种玻璃材料的方式也相反。

这将用在远摄透镜中的消色差功能的一个例子来说明，所述远摄透镜由折射光学系统部分GNL和折射光学系统部分G构成，前者使用具有大的局部色散率的材料，后者使用其局部色散率不大的平常材料。

首先，对于这部分系统的部分G的色差被校正到某种程度。由这个状态，选择具有比较大的局部色散率的材料作为构成部分G的负透镜。一般地说，具有大的局部色散率的材料同时具有大的色散。因此，和原始状态相比，部分G的色差系数的波长相关特性曲线弯曲更大，并且整个顷斜度改变。

在这个状态下，给予部分GNL合适的焦度。此外，还选择具有比较大的色散的材料作为构成部分G的正透镜。此外，在部分GNL由相对于Abbe数具有均匀的局部色散率的普通光学材料构成的情况下，部分GNL同时以某个比例贡献于部分G的色差系数的波长相关特性曲线的曲率分量和顷斜度分量。结果，这些分量不能同时被消除。

在另一方面，当部分GNL由和普通材料相比具有大的局部色散率的材料构成时，部分GNL主要贡献于部分G的色差的整个波长相关特性曲线的曲率分量。因此，主要只能消除曲率分量。

结果，主要是在部分GNL中的部分G的色差的整个波长相关特性曲线的曲率分量，以及主要是在构成部分G的正透镜中的顷斜分量可以分别被独立地和同时地消除。

此外，当部分GNL的Abbe数的绝对值小时，即，当色散大时，最好能够独立地校正色差。这将使用轴向色差系数和透镜表面的放大色差系数进行说明。

假定折射透镜的表面的焦度改变是ΔΨ，在透镜表面中轴向色差系数的改变ΔL和放大色差系数的改变ΔT由下式表示：

ΔL∝ΔΨ/v  ...(b)

ΔT∝ΔΨ/v  ...(c)

由式(b)，(c)可以看出，当Abbe数v的绝对值较小(即色散较大)时，各个色差系数的改变ΔL和ΔT相对于透镜表面的焦度的改变而增加。因此，当使用具有小的Abbe数v的绝对值和具有大的色散的材料时，用于获得所需的色差的焦度改变量可被减小。

这意味着色差可以被控制而对球面像差、彗形像差和像散中的散光没有大的影响，因而色差校正的独立性被增强。

相反地，当使用具有小的色散的材料时，为获得所需的色差的焦度改变量增加。因而，混杂像差例如球面像差大大地改变，并且色差校正的独立性变弱。因此，在像差校正中重要的是，构成光学系统的透镜的至少一个的表面是由高色散材料构成的折射透镜表面。

此外，因为部分GNL和普通光学材料组合使用，在部分GNL中使用的材料的局部色散率需要和普通光学材料的局部色散率不同，但是差别过大不是优选的。

在使用和普通光学材料差别太大的材料作为透镜的情况下，在短波长侧上的透镜表面的色差系数的波长相关特性曲线的曲率特别大。为了抵消这个大的曲率，另一个透镜的焦度必须被加强。最后，大的影响施加于球面像差、彗形像差、像散或其类似物上，因此难于校正像差。

即，重要的是，部分GNL的材料应当是具有比普通光学材料较大的局部色散率的光学材料，并且局部色散率不应当和普通光学材料相差太大。条件公式(1)和(2)表示在根据上述原理用于满意地校正色差的Abbe数vd以及局部色散率θgF之间的关系。

应当注意，当条件公式(1)的数值范围被设置为以下范围时，可以期望达到更满意的色差校正效果：

-2.100×10^-3·vd+0.693＜θgF＜

-1.231×10^-3·vd+0.900...(1a)

该范围更优选地设置为下述的范围：

-2.100×10^-3·vd+0.693＜θgF＜

-1.389×10^-3·vd+0.823...(1b)

该范围更优选地设置为下述的范围：

-1.682×10^-3·vd+0.700＜θgF＜

-1.682×10^-3·vd+0.756...(1c)

当条件公式(2)的数值范围满足条件公式(1)，(1a)，(1b)，或(1c)，并且被设置为下述范围时，可以期望达到更满意的色差校正效果：

0.555＜θgF＜0.86...(2a)

该范围更优选地设置为下述范围：

0.555＜θgF＜0.80...(2b)

当条件公式(3)的数值范围被设置为下述范围时，可以期望达到更满意的色差校正效果：

-2.407×10^-3·vd+1.420＜θgd＜

-1.152×10^-3·vd+1.651...(3a)

该范围更优选地设置为下述范围：

-2.407×10^-3·vd+1.420＜θgd＜

-1.865×10^-3·vd+1.572...(3b)

可以期望达到更满意的色差校正效果：

-2.076×10^-3·vd+1.426＜θgd＜

-2.076×10^-3·vd+1.512...(3c)

当条件公式(4)的数值范围满足条件公式(3)，(3a)，(3b)或(3c)并被设置为下述范围时，可以期望达到更满意的色差校正效果：

1.255＜θgd＜1.61...(4a)

该范围更优选地设置为下述范围：

1.255＜θgd＜1.54...(4b)

当条件公式(5)的数值范围被设置为下述范围时，可以期望达到更满意的色差校正效果：

vd＜45...(5a)

该范围更优选地设置为下述范围：

vd＜30...(5b)

下面说明一个实施例，其中由满足条件公式(1)和(2)的光学材料构成的光学元件(透镜或层)被应用于一个特定的光学系统。这里，作为满足条件公式(1)和(2)的光学材料，使用UV固化的树脂1，N-聚乙烯咔唑，或分散有TiO₂颗粒的材料，其中TiO2被分散在作为主聚合物的UV固化的树脂或N-聚乙烯咔唑中。应当注意，使用两种类型的其中分散有TiO₂的UV固化树脂(UV固化树脂1，UV固化树脂2)。

在后面所述的例1-例5中使用的光学材料(UV固化树脂1，分散有TiO₂颗粒的材料，N-聚乙烯咔唑)的光学常数值如表1所示，UV固化树脂2或构成分散有TiO₂颗粒的材料的TiO2的单一的光学常数值如表2所示。每个表表示各个光学材料相对于d线，g线，C线和F线的折射率和Abbe数的值，以及局部色散率。图12，13表示在这些光学材料和条件公式(1)-(5)之间的关系。

图1是按照用数字表示的例1的光学系统的截面图，并表示其中在具有300mm的焦距的超远摄透镜中使用UV固化树脂1.在图1中，由UV固化树脂1形成的透镜(层)由GNL1表示，SP表示孔径光阑。

在图1中，IP表示像面。在固态图像拍摄元件(光电转换元件)，例如在使用该光学系统作为摄像机或数字照相机的拍摄光学系统的情况下的CCD传感器或CMOS传感器的成像表面中，以及在使用这种系统作为用于银盐胶卷的照相机的拍摄光学系统的情况下的胶卷表面中，设置有相应的光敏表面。

在图1中，左侧相应于对象侧(前侧)，右侧相应于图像侧(后侧)，并且这也适用于其它数值例子。

图2是在数值例1的光学系统的无穷远处的对象被聚焦的状态下的像差图。

在该像差图中，d和g分别表示d线和g线，ΔM和ΔS是纵向像面和径向像面，Fno表示F数，ω表示半场角，放大色差由g线表示。这也适用于其它的像差图。

在数值例1的光学系统中，由UV固化树脂1(表-1)构成的透镜(具有焦度的光学元件)被引入到对象侧上，在其上从旁轴边缘光线的光轴的通过位置比较高。此外，当给予由UV固化树脂1构成的透镜(层)GNL1正折光力并且主要是轴向色差被校正时，获得了具有0.667的远视率的非常紧凑的超远摄透镜。

图3是按照数值例2的光学系统的截面图，并表示一个例子，其中在具有300mm的焦距的超远摄透镜中使用通过在UV固化树脂1中以20％的体积比分散TiO₂颗粒而获得的混合物。在图3中，由分散有TiO₂颗粒的材料构成的透镜(层)由GNL1表示，SP表示孔径光阑，IP表示像面。

图4是在数值例2的光学系统的无穷远处的对象被聚焦的状态下的像差图。

在数值例2的光学系统中，由分散有TiO₂颗粒的材料构成的透镜被引入到对象侧上，在其上从旁轴边缘光线的光轴的通过位置比较高。此外，当给予由分散有TiO₂颗粒的材料构成的透镜(层)GNL1正折光力并且主要是轴向色差被校正时，获得了具有0.700的远视率的非常紧凑的超远摄透镜。

图5是按照数值例3的光学系统的截面图，并表示一个例子，其中在具有300mm的焦距的超远摄透镜中使用通过在UV固化树脂2中以20％的体积比分散TiO₂颗粒而获得的混合物。在图5中，由分散有TiO₂颗粒的材料构成的透镜(层)由GNL1表示，SP表示孔径光阑，IP表示像面。图6是在数值例3的光学系统的无穷远处的对象被聚焦的状态下的像差图。

在数值例3的光学系统中，由分散有TiO₂颗粒的材料构成的透镜被引入到对象侧上，在其上从旁轴边缘光线的光轴的通过位置比较高。此外，当给予由分散有TiO₂颗粒的材料构成的透镜(层)GNL1正折光力并且主要是轴向色差被校正时，获得了具有0.700的远视率的非常紧凑的超远摄透镜。

图7是按照数值例4的光学系统的截面图，其表示一个例子，其中在变焦比大约为4的具有4个单元构造的变焦透镜的一部分中使用由N-聚乙烯咔唑构成的透镜。

在图7中，L1表示具有正折光力的第一透镜单元，L2代表具有负折光力的第二透镜单元，L3表示具有正折光力的第三透镜单元，L4表示具有正折光力的第四透镜单元。此外，由N-聚乙烯咔唑构成的透镜(层)由GNL1表示，SP表示孔径光阑，IP表示像面。

在该图中，G表示插入的滤光器、光学低通滤光器、红外截止滤光器或其类似物。

图8(A)-(C)分别是在数值例4的光学系统的广角端、中焦距和远摄端无穷远的对象聚焦状态下的像差图。

在数值例4的光学系统中，由N-聚乙烯咔唑构成的透镜(层)被引入图像侧上的第三透镜单元L3中，在其上在构成变焦透镜的透镜单元当中从旁轴主光线的光轴的通过位置较高。

此外，当正折光力被给予由N-聚乙烯咔唑构成的透镜(层)GNL1，并且主要是放大色差被校正时，获得一种紧凑的结构。

图9是按照数值例5的光学系统的截面图，其表示一个例子，其中在变焦比大约为4的具有4个单元构造的变焦透镜的一部分中使用由在UV固化树脂2中分散TiO₂而获得的混合物所构成的透镜。

在图9中，L1表示具有正折光力的第一透镜单元，L2代表具有负折光力的第二透镜单元，L3表示具有正折光力的第三透镜单元，L4表示具有正折光力的第四透镜单元。此外，由分散有TiO₂颗粒的材料而构成的透镜(层)由GNL1表示，SP表示孔径光阑，G表示玻璃块。图10(A)-10(C)分别是在数值例5的光学系统的广角端、中焦距和远摄端无穷远的对象聚焦状态下的像差图。

在数值例5的光学系统中，由在分散有TiO₂颗粒的材料而构成的透镜(层)被引入图像侧上的第三透镜单元L3中，在其上在构成变焦透镜的透镜单元当中从旁轴主光线的光轴的通过位置较高。

此外，当正折光力被给予由在UV固化树脂2中以3％的体积比分散TiO₂而获得的材料所构成的透镜(层)GNL1，并且主要是放大色差被校正时，获得一种紧凑的结构。

数值例1-5的特定数值数据将在后面示出。在每个数值例中，i表示从对象侧算起的表面的数量，Ri表示第i个光学表面(第i表面)的曲率半径，Di表示在第i个表面和第(i+1)个表面之间的轴向间隔，Ni和vi分别表示相对于d线第i个(由树脂或分散有TiO₂颗粒的材料形成的透镜(层)除外)光学元件的材料的折射率和Abbe数。由树脂或分散有TiO₂颗粒的材料形成的透镜GNLj相对于d线的折射率和Abbe数分别用NGNLj(j＝1，2，...)和vGNLj(j＝1，2，...)单独表示。此外，f表示焦距，Fno表示F数，ω表示半场角。

此外，假定X是沿光轴方向离开表面顶点的位移量，h是沿垂直于光轴的方向离开光轴的高度，r表示旁轴曲率半径，k表示锥形常数，B，C，D，E，...表示各级的非球面系数，非球面形状由下式表示：

$x\left(h\right)=\frac{(1/r)h^2}{1+\sqrt{\{1-(1+k){(h/r)}^2\}}}+{\mathrm{Bh}}^4+{\mathrm{Ch}}^6+D{h}^8+E{h}^{10}\·\·\·$

应当注意，在每个非球面系数中，“E±XX”指的是“×10^±XX”。

在数值例4和5中，最接近于像侧的平面(每个具有无穷大曲率半径的平面)R18-R22相当于插入滤光器、光学低通滤光器、红外截止滤光器或其类似物。

在数值例1和4中，UV固化树脂1和N-聚乙烯咔唑被单独使用。在数值例2，3和5中，在这样的状态下使用材料，其中TiO₂被分散在主聚合物中，并使用由上述公式(d)计算的值计算分散有TiO₂颗粒的材料的折射率。在数值例2中，使用UV固化树脂1作为主聚合物，并且TiO₂的体积比是20％。在数值例3和5中，使用UV固化树脂2作为主聚合物，并且TiO₂的体积比分别是20％和3％。

表1

	例1	例2	例3	例4	例5
							UV固化树脂1	TiO<sub>2</sub>20％-UV固化树脂1	TiO<sub>2</sub>20％-UV固化树脂2	N-聚乙烯咔唑	TiO<sub>2</sub>3％-UV固化树脂2
d-线折射率	1.63555	1.78927	1.70877	1.69591	1.55624
						g-线折射率	1.67532	1.85809	1.75988	1.75164	1.57249
C-线折射率	1.62807	1.77777	1.70033	1.68528	1.54936
						F-线折射率	1.65604	1.82254	1.73310	1.72465	1.56326
vd	22.7	17.6	21.6	17.7	39.8
						θgd	1.422	1.537	1.559	1.415	1.385
θgF	0.689	0.794	0.817	0.686	0.665

表2

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

(数值例1)

     f＝294           Fno＝4.14     2ω＝8.42°

R1＝∞              D1＝3.30      N1＝1.58600    v1＝58.6

R2＝∞              D2＝0.15

R3＝150.401         D3＝8.04      N2＝1.60311    v2＝60.6

R4＝-313.692        D4＝0.15

R5＝66.327          D5＝815       N3＝1.60311    v3＝60.6

R6＝201.453         D6＝422       NGNL1＝1.63555 vGNL1＝22.7

*R7＝-356.398(非球面)D7＝0.33

R8＝-330.180        D8＝3.40      N4＝1.84666    v4＝23.8

R9＝95.662          D9＝0.15

R10＝48.361          D10＝7.95     N5＝1.48749    v5＝70.2

R11＝122.204         D11＝4.88

R12＝48.049          D12＝3.00     N6＝1.77250    v6＝49.6

R13＝33.155          D13＝11.77

R14＝∞(孔径光阑)    D14＝400

R15＝217.377         D15＝2.69     N7＝1.84666    v7＝23.8

R16＝-291.113        D16＝2.00     N8＝1.88300    v8＝40.8

R17＝61.708          D17＝31.54

R18＝51.063          D18＝1.60     N9＝1.84665    v9＝238

R19＝21.417          D19＝6.71     N10＝1.59551   v10＝39.2

R20＝-114.152        D20＝0.15

R21＝97.843          D21＝358      N11＝1.84666   v11＝23.8

R22＝-57.175         D22＝150      N12＝1.77250   v12＝49.6

R23＝25.819          D23＝842

R24＝-34.289         D24＝1.50     N13＝1.77250   v13＝49.6

R25＝-117.034        D25＝0.44

R26＝56.461          D26＝11.42    N14＝1.51633   v14＝64.1

R27＝-17.994         D27＝1.80     N15＝1.48749   v15＝70.2

R28＝-70708

非球面系数

          k             B            C             D            E

第7平面   -1.440392E+01 4.995320E-09 -1.621980E-11 3.159500E-15 -2.18060E-19

(数值例2)

f＝294      Fno＝4.14       2ω＝8.42°

R1＝∞             D1＝3.30      N1＝1.58600     v1＝58.6

R2＝∞             D2＝0.15

R3＝145.785        D3＝7.78      N2＝1.66196     v2＝56.7

R4＝-409.049       D4＝1.26      NGNL 1＝1.78927 vGNL 1＝17.6

R5＝-225.487       D5＝0.15

R6＝79.549         D6＝6.24      N3＝1.63119     v3＝59.2

R7＝189.549        D7＝5.19

R8＝-231.046       D8＝3.40      N4＝1.85000     v4＝23.0

R9＝205.144        D9＝25.48

R10＝83.098        D10＝6.53     N5＝1.60363     v5＝40.0

R11＝-503.582      D11＝0.15

R12＝52.453        D12＝4.00     N6＝1.85000     v6＝23.0

R13＝35.937        D13＝10.06

R14＝∞(孔径光阑)  D14＝091

R15＝54.529        D15＝4.69     N7＝1.65301     v7＝31.6

R18＝288972        D16＝2.00     N8＝1.88500     v8＝41.0

R17＝42.732        D17＝2815

R18＝123.421       D18＝2.40     N9＝1.85000     v9＝23.0

R19＝32.856        D19＝7.01     N10＝1.61831    v10＝34.8

R20＝-57.494       D20＝0.15

R21＝181625        D21＝3.65     N11＝1.77638    v11＝25.2

R22＝-70.687       D22＝2.40     N12＝1.86287    v12＝42.5

R23＝39.430        D23＝530

R24＝-29.062       D24＝2.40     N13＝1.53724    v13＝65.6

R25＝-69.241       D25＝3.31

R26＝68.420        D26＝6.07     N14＝1.61596    v14＝35.0

R27＝-47.070       D27＝2.40     N15＝1.88500    v15＝41.0

R28＝-112.533

(数值例3)

f＝294            Fno＝4.14        2ω＝8.42°

R1＝∞            D1＝3.30      N1＝1.58600       v1＝586

R2＝∞            D2＝0.15

R3＝131.852       D3＝8.56      N2＝1.71943       v2＝530

R4＝-346.555      D4＝0.15

R5＝72.296        D5＝6.28      N3＝1.60168       v3＝61.3

R6＝148.006       D6＝1.39      NGNL1＝1.70877    vGNL 1＝21.6

R7＝244.534       D7＝2.79

R8＝-3838.833     D8＝3.40      N4＝1.86248       v4＝27.4

R9＝108.486       D9＝14.62

R10＝50.572       D10＝6.71     N5＝154721        v5＝511

R11＝143.866      D11＝0.15

R12＝51.210       D12＝4.00     N6＝1.85000       v6＝23.0

R13＝34.493       D13＝10.79

R14＝∞(孔径光阑) D14＝1.67

R15＝74.863       D15＝9.03     N7＝1.64171       v7＝325

R16＝-738.691     D16＝2.00     N8＝1.88500       v8＝41.0

R17＝54.049       D17＝29.05

R18＝l79.692      D18＝2.40     N9＝1.85000       v9＝230

R19＝32.167       D19＝6.33     N10＝1.56211      v10＝42.8

R20＝-46.491      D20＝0.15

R21＝390.958      D21＝4.60     N11＝1.85000      v11＝23.0

R22＝-30.396      D22＝2.40     N12＝1.81818      v12＝46.0

R23＝37.035       D23＝4.93

R24＝-24.978      D24＝2.40     N13＝1.78000      v13＝50.0

R25＝-38.861      D25＝7.69

R26＝73.090       D26＝7.16     N14＝1.84039      v14＝32.7

R27＝-32.869      D27＝2.40     N15＝1.85000      v15＝23.0

R28＝-73.397

(数值例4)

f＝7.21～17.5～27.16  Fno＝2.91～4.20～4.37  2ω＝63.9°～28.8°～18.8°

R1＝19.170          D1＝299       N1＝1.58913    v1＝611

R2＝112.807         D2＝可变

R3＝25388           D3＝0.80      N2＝1.88300    v2＝40.8

R4＝6.500           D4＝3.02

R5＝-30.977         D5＝0.70      N3＝1.69350    v3＝53.2

R6＝20.725          D6＝1.21

R7＝13.953          D7＝1.94      N4＝1.84666    v4＝23.8

R8＝51013           D8＝可变

R9＝∞(孔径光阑)    D9＝0.24

*R10＝9809(非球面)  D10＝1.83     N5＝174330     v5＝49.3

R11＝-47.985        D11＝2.07

R12＝13.438         D12＝1.80     N6＝1.77250    v6＝49.6

R13＝-10.398        D13＝0.60     N7＝1.84666    v7＝23.8

R14＝4820           D14＝0.52     NGNL1＝1.69590 vGNL 1＝17.7

*R15＝8.435(非球面) D15＝可变

*R16＝21.777(非球面)D16＝1.87     N8＝1.81474    v8＝37.0

R17＝-82.851        D17＝可变

R18＝∞             D18＝1.20     N9＝1.51033    v9＝64.1

R19＝∞             D19＝0.72     N10＝1.55232   v10＝63.5

R20＝∞             D20＝0.80

R21＝∞             D21＝0.50     N11＝150378    v11＝66.9

R22＝∞

非球面系数

              k            B             C             D              E

10-th plane   -3178062E+00 3.229590E-04  -4.974120E-06 2.067310E-07   -6.753400E-09

15-th plane   0.00000E+00  2.35824E-04   -1.81916E-07  1.74006E-06    -1.35627E-07

16-th plane   940402E+00   -1.39576E-04  -1.60857E-06  1.02301E-08    -117795E-09

(数值例5)

f＝7.21～17.5～27.16Fno＝2.91～4.20～4.372ω＝63.9°～28.8°～18.8°

R1＝20.730          D1＝2.71       N1＝1.69680     v1＝55.5

R2＝97.208          D2＝可变

R3＝27.911          D3＝0.80       N2＝1.83400     v2＝37.2

R4＝6.364           D4＝2.87

R5＝-33.353         D5＝0.70       N3＝1.60311     v3＝60.6

R6＝14.282          D6＝1.27

R7＝12.159          D7＝1.90       N4＝1.84666     v4＝23.8

R8＝33.437          D8＝可变

R9＝∞(孔径光阑)    D9＝0.24

*R10＝8.628(非球面) D10＝1.85      N5＝1.81474     v5＝37.0

R11＝-71.270        D11＝2.00

R12＝84.706         D12＝1.68      N6＝1.83481     v6＝42.7

R13＝-7.749         D13＝0.60      N7＝1.84666     v7＝23.8

R14＝5.171          D14＝0.73      NGNL1＝1.55324  vGNL 1＝39.8

*R15＝32.215(非球面)D15＝可变

*R16＝20.945(非球面)D16＝1.77      N8＝1.83918     v8＝23.9

R17＝-101.499       D17＝可变

R18＝∞             D18＝1.20      N9＝1.51633     v9＝64.1

R19＝∞             D19＝0.72      N10＝1.55232    v10＝63.5

R20＝∞             D20＝0.80

R21＝∞             D21＝0.50      N11＝1.50378    v11＝66.9

R22＝∞

非球面系数

               k             B             C             D            E

10-th plane    -2.534032E+00 3.877650E-04  -3.83270E-06  1.003040E-07 -1.228490E-09

15-th plane    000000E+00    5.01589E-04   8.65560E-06   1.77645E-06  -1.19313E-07

16-th plane    848546E+00    -1.35129E-04  -1.69060E-06  151943E-08   -1.25786E-09

下面参照图11说明使用本发明的光学系统作为拍摄光学系统的数字照相机(图像拍摄设备)的例子。

在图11中，标号20代表照相机主体，21代表由本发明的光学系统构成的拍摄光学系统，22代表固态图像拍摄元件(光电转换元件)例如CCD传感器或CMOS传感器，其被装在照相机主体中，并接收由光学拍摄系统21形成的对象的图像的光。标号23代表存储器，其记录对应于由成像元件22光电转换的图像的信息，24代表取景器，其由液晶显示板构成，经由其观察在固态成像元件22上形成的对象的图像。

当本发明的光学系统用这种方式被应用于图像拍摄元件例如数字照相机时，实现了具有高的光学性能的小的图像拍摄设备。

虽然已经参照示例的实施例对本发明进行了说明，应当理解，本发明不限于所披露的示例的实施例。下面的权利要求应当被给予最宽的解释，使得包括所有这种改变和等同结构与功能。

Claims (14)

1. 一种光学系统，包括：具有在光入射侧和光出射侧两侧上的折射表面的固体材料，其特征在于：

所述固体材料的Abbe数vd和局部色散率θgF满足条件：

-2.100×10^-3·vd+0.693＜θgF；和

0.555＜θgF＜0.9，

其中，g线对应于波长435.8nm，F线对应于波长486.1nm，d线对应于波长587.6nm，而C线对应于波长656.3nm，

Ng、NF、Nd和NC分别是所述固体材料对于g线、F线、d线和C线的折射率，

vd＝(Nd-1)/(NF-NC)；

θgF＝(Ng-NF)/(NF-NC).

2. 如权利要求1所述的光学系统，其中，所述固体材料的局部色散率θgd满足条件：

-2.407×10^-3·vd+1.420＜θgd；和

1.2555＜θgd＜1.67，

其中

θgd＝(Ng-Nd)/(NF-NC).

3. 如权利要求1或2所述的光学系统，其中，所述固体材料的Abbe数vd满足条件：

vd＜60.

4. 如权利要求1或2所述的光学系统，其中，所述固体材料是树脂.

5. 如权利要求1或2所述的光学系统，其中，所述固体材料是混合物，在所述混合物中在一种透明介质中分散有无机颗粒.

6. 如权利要求5所述的光学系统，其中，所述无机颗粒是TiO₂颗粒.

7. 如权利要求1或2所述的光学系统，其中，假定d线相对于在固体材料中0℃-40℃范围内的温度的折射率的改变比的绝对值是|dn/dT|，满足以下条件：

|dn/dT|＜2.5×10^-4/℃.

8. 如权利要求1或2所述的光学系统，其中，所述固体材料是使用模制模型进行光或热聚合模制成的材料.

9. 如权利要求1或2所述的光学系统，其中，所述固体材料的两个折射表面中的至少一个具有非球面形状.

10. 如权利要求1或2所述的光学系统，其中，所述固体材料的两个折射表面中的至少一个和空气接触.

11. 如权利要求1或2所述的光学系统，其中，所述光学系统在光电转换元件上形成图像.

12. 一种图像拍摄设备，包括：

按照权利要求1-10中任何一项的光学系统；以及

用于接收由所述光学系统形成的图像的光的光电转换元件.

13. 一种观察设备，包括：

按照权利要求1-10中任何一项的光学系统.

14. 一种投影仪，包括：

按照权利要求1-10中任何一项的光学系统.

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