CN101271248B

CN101271248B - 电子图像拾取装置

Info

Publication number: CN101271248B
Application number: CN2008100858464A
Authority: CN
Inventors: 儿玉裕; 渡边正仁
Original assignee: Olympus Imaging Corp
Current assignee: Aozhixin Digital Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2028-03-21
Also published as: JP4827193B2; US8159532B2; CN101271248A; US20080231696A1; JP2008236635A

Abstract

本发明提供电子图像拾取装置。所述电子图像拾取装置包括：变焦透镜系统，所述变焦透镜系统是拍摄光学系统；电子图像拾取元件，其置于所述拍摄光学系统即变焦透镜系统的像侧，并将所述拍摄光学系统即变焦透镜系统形成的像转换为电信号；以及图像恢复部，其根据所述拍摄光学系统即变焦透镜系统在空气环境拍摄时和在水下环境拍摄时产生的像差的差异，对所拍摄的图像进行电子恢复。

Description

电子图像拾取装置

技术领域

本发明涉及能够在空气中正常拍摄(图像拍摄)并在水中拍摄的图像拾取装置。

背景技术

即使在其中在陆上拍摄光学系统中令人满意地校正了失真的光学系统中，当安装了在入射窗具有平面平行板的水下外壳并且尝试在水下拍摄时，发生枕形失真(pin-cushion distortion)。这是因为空气的折射率大约为1.00，而水的折射率大约是1.33306。

图12所示的曲线图是示出了当进行了失真校正的光在水中经由平面平行板形式的入射窗入射到拍摄光学系统时的水中入射半图像角和产生的失真量之间的关系的曲线图。纵轴示出入射半图像角(度)而横轴示出所产生的失真量(％)。其揭示了随着图像角变大，枕形失真变得明显。

另一方面，当朝向(在)水下外壳侧的入射窗被制成圆顶形状时，并且当使每个主要光线都相对于入射窗基本垂直入射时，抑制了失真拍摄。然而，在此情况下，入射窗和水介质一起充当凹透镜，并且产生场曲率。此外，圆顶形状的入射窗的生产成本变高。

此外，当在陆地上令人满意地校正了倍率色差时，在通过平面平行板的水下拍摄中，由于水的色散(阿贝数为约62)，在正方向(离开图像平面中心的方向)产生短波长的倍率色差。另一方面，在负方向(靠近图像平面中心的方向)产生长波长的倍率色差，并且容易产生颜色扩展(color spreading)。

日本特开平7-159689号公报和特开2004-252219号公报中公开了在水下拍摄时对像差变化进行补偿的发明。日本特开平7-159689号公报公开了添加透镜部件和衍射滤光器以校正在水下拍摄期间发生的倍率色差或失真的发明。此外，日本特开2004-252219号公报公开了通过在水下外壳的入射窗中使用衍射面以校正色差的理念。

然而，在通过添加透镜部件和衍射滤光器以校正水下拍摄时的像差的方法中，在水下拍摄时的装置整体容易变得较大。此外，在利用衍射面进行像差校正的情况下，由于不必要的次数光(order light)，图像质量容易变差。而且，不可能校正枕形失真。当对在水下拍摄时具有枕形失真的拍摄图像进行电子恢复时，经过图像平面中心的长边方向和短边方向的图像角变得更窄。

考虑到上述问题提出了本发明，而且本发明的目的是提供一种电子图像拾取装置，其无需使用特殊的光学元件就能够在抑制在陆地上拍摄时和水下拍摄时发生变化的像差的影响的同时记录图像。

发明内容

本发明的电子图像拾取装置包括：拍摄光学系统；图像拾取元件，所述图像拾取元件置于所述拍摄光学系统的像侧，并将所述拍摄光学系统形成的像转换为电信号；以及图像恢复部，所述图像恢复部根据拍摄光学系统在空气环境拍摄时和在水下环境拍摄时产生的像差的差异，对所拍摄的图像进行电子恢复。

附图说明

图1A、图1B、图1C和图1D是示出了图像恢复部的恢复功能的概况的图；

图2是示出根据本发明第一实施方式的数字摄像机的示意结构的图；

图3是示出电子图像拾取元件的像素排列的实施例的图；

图4A、图4B和图4C是沿光轴的截面图，示出根据第一实施方式的变焦透镜系统对无穷远物点聚焦时的光学装置，其中，图4A示出广角端状态，图4B示出本发明限定的中间变焦状态，图4C示出了摄远端状态；

图5A、图5B和图5C是示出第一实施方式在陆地上拍摄时对无穷远物点聚焦时的球差、像散、失真、以及倍率色差的图，其中，图5A示出广角端状态，图5B示出中间变焦状态，图5C示出了摄远端状态；

图6A、图6B和图6C是示出第一实施方式在水下拍摄时对无穷远物点聚焦时的球差、像散、失真、以及倍率色差的图，其中，图6A示出广角端状态，图6B示出中间变焦状态，图6C示出了摄远端状态；

图7是示出根据本发明第二实施方式的数字摄像机的示意结构的图；

图8A、图8B和图8C是沿光轴的截面图，示出根据第二实施方式的变焦透镜系统在陆地上拍摄时对无穷远物点聚焦时的光学装置，其中，图8A示出广角端状态，图8B示出本发明限定的中间变焦状态，图8C示出了摄远端状态；

图9A、图9B和图9C是沿光轴的截面图，示出根据第二实施方式的变焦透镜系统在水下上拍摄时对无穷远物点聚焦时的光学装置，其中，图9A示出广角端状态，图9B示出本发明限定的中间变焦状态，图9C示出了摄远端状态；

图10A、图10B和图10C是示出第二实施方式在陆地上拍摄时对无穷远物点聚焦时的球差、像散、失真、以及倍率色差的图，其中，图10A示出广角端状态，图10B示出中间变焦状态，图10C示出了摄远端状态；

图11A、图11B和图11C是示出第二实施方式在水下拍摄时对无穷远物点聚焦时的球差、像散、失真、以及倍率色差的图，其中，图11A示出广角端状态，图11B示出中间变焦状态，图11C示出了摄远端状态；

图12是示出所产生的失真量和水下侧入射半图像角之间的关系的图；以及

图13是示出没有失真时的像高和实际像高之间的关系的图。

具体实施方式

为了解决上述问题并达到目的，根据本发明，提供了一种电子图像拾取装置，该电子图像拾取装置包括：

拍摄光学系统；

图像拾取元件，所述图像拾取元件置于所述拍摄光学系统的像侧，并将所述拍摄光学系统形成的像转换为电信号；以及

图像恢复部，所述图像恢复部根据所述拍摄光学系统在空气环境拍摄时和在水下环境拍摄时产生的像差的差异，对所拍摄的图像进行电子恢复。

因此，执行其中考虑了空气环境拍摄和水下环境拍摄所产生的像差的差异的图像恢复。从而，水下拍摄不需要新的光学部件，而且用小尺寸同时保持低成本地执行像差校正。

此外，根据本发明的优选方面，优选的是，电子恢复的像差是失真。在拍摄光学系统能够在陆上拍摄和水下拍摄中进行广角拍摄的情况下，失真的变化是明显的。因此，优选地通过电子图像恢复进行失真校正。

此外，根据本发明的优选方面，优选的是，电子恢复的像差是倍率色差。在陆上拍摄和水下拍摄中的倍率色差发生变化。因此，优选地通过电子图像恢复进行倍率色差校正。

此外，根据本发明的优选方面，优选的是，所述电子图像拾取装置包括操作部，在所述操作部中进行关于所述电子图像拾取装置处于空气环境中还是处于水下环境中的设置。因此，根据处于空气环境中还是水下环境中的设置来进行图像恢复。

此外，根据本发明的优选方面，优选的是，所述电子图像拾取装置包括传感器，所述传感器检测所述电子图像拾取装置处于空气环境中还是水下环境中，并且根据来自所述传感器的信息执行图像恢复。

因此，可以省略由用户来设置使用所述装置的环境的工作。此外，设置可以如下：所述传感器进行压力测量，并且当超过特定压力时，进行水下环境拍摄的图像恢复。或者，设置可以如下：当所述传感器在与液体接触时检测到电流变化或通电时，进行水下环境拍摄的图像恢复。或者，设置可以如下：所述传感器检测水下外壳的安装状态，并且当安装了水下外壳时，进行水下环境拍摄的图像恢复。

根据本发明的优选方面，优选的是，在所述拍摄光学系统中，在空气环境中发生桶形失真，而且失真量的绝对值大于在水下环境的失真量。

通过使得在陆上拍摄时产生桶形失真，能够减小水下拍摄时产生的失真。此外，通过使得空气环境中产生的失真的绝对值较大，抑制了由于水下拍摄时的图像处理而引起的图像质量劣化。此外，通过使得拍摄光学系统中产生桶形失真，对于减小拍摄光学系统中透镜的数目是有利的，并且对与进一步减小尺寸是有利的。此外，在所述电子图像拾取装置中，设置可以如下：失真和倍率色差的电子校正的程度是可以根据水下外壳的入射窗的形状而改变的。因此，对于平面形状的入射窗和圆顶形状的入射窗中的任一种，可以进行失真和倍率色差的电子调整。

此外，根据本发明的优选方面，优选的是，所述电子图像拾取装置还包括：

信息保持部，所述信息保持部具有用于所述拍摄光学系统的失真校正的数据；以及

电路，所述电路根据拍摄状态的信号和所述数据来判断失真校正的程度。

因此，根据陆上拍摄和水下拍摄的变化而执行对失真的电子校正。

此外，根据本发明的优选方面，优选的是，所述拍摄光学系统是满足以下条件式的变焦系统：

0.50＜Ih/f_w＜1.50...(A)

-40％＜DIS＜-12％...(B)

其中，

f_w代表所述拍摄光学系统在广角端拍摄时的焦距，

Ih代表有效图像拾取区域的半对角线长度，并且

DIS代表在空气拍摄时在广角端的像高Ih的失真量。波长设置为d线(587.56nm)。

当拍摄光学系统是变焦透镜系统时，陆上和水下的失真的最大变化在广角端。因此，优选地在广角端满足上述条件(A)和(B)。

条件(B)可变为以下的条件(B’)：

-40％＜DIS＜-8％...(B’)

进行设置以使得下限值不小于条件式(A)的下限值对于确保水下拍摄时的图像角是有利的。通过进行设置以使得上限值不大于条件式(A)的上限值，容易将图像角抑制为适度，以抑制当水下拍摄时的入射窗为平面平行板时陆上拍摄和水下拍摄时失真的变化，并且抑制由于图像处理校正引起的图像质量劣化。

通过进行设置以使得下限值不小于条件式(B)的下限值，能够容易地抑制陆上拍摄时的桶形失真，并抑制当由图像处理来校正失真时图像平面周围部分的图像质量的劣化。通过进行设置以使得上限值不大于条件式(B)的上限值，能够容易地抑制在水下拍摄时产生枕形失真。或者，可以确保适当的桶形失真，并且对于确保自然角度的表达是有利的。

根据本发明，能够提供一种电子图像拾取装置，所述电子图像拾取装置无需特殊的光学元件就能够在抑制在陆地拍摄和水下拍摄时变化的像差的影响的同时记录图像。

下面将结合附图描述根据本发明的电子图像拾取装置的实施方式。然而，本发明不限于下面描述的实施方式。

首先，下面将描述实施方式中使用的拍摄光学系统的概况。下面将描述的每个实施方式中的拍摄光学系统是变焦透镜系统。在广角端导致产生桶形失真，并且使得失真量是在水下拍摄时抑制失真的量。在陆上拍摄时，在任意变焦状态下，都令人满意地校正倍率色差。

图1A、图1B、图1C和图1D的概念图示出了图像恢复部的恢复功能的概况。在图1A、图1B、图1C和图1D中，示出的像差是是被夸大的。如图1A和图1B所示，在陆上拍摄(具体是广角端拍摄)时，电子地进行主要对于失真的校正。此外，如图1C和图1D所示，在水下拍摄时，电子地进行主要对于倍率色差的校正。当然，可以电子地校正其他像差。在除了广角端之外的其他区域，根据产生的像差的量进行校正。

对于通过图像恢复对倍率色差的校正和对失真的校正，能够使用已知的算法。例如，在图像恢复校正软件Adobe Photoshop(商标)中，对R(红)、G(绿)、B(蓝)每种色彩进行了图像失真的调整。当然，不必进行如此高程度的校正。

例如，在图13的示例性图中，没有失真的像高设为理想像高Y，实际像高设为Y′，并且能够针对R、G、和B信号中的每一个使得失真电子校正值近似于下式。

Y′＝Y+AY³+BY⁵+CY⁷(A、B、和C是根据拍摄状态的系数)。

系数A、B、和C可以存储在存储器，作为可以根据诸如水下或陆上状态，焦距以及目标点距离的因素而改变的系数。不在存储器中的信息的系数可以根据在近似状态的系数进行计算。

此外，由于当用于校正的系数减少时能够快速进行信号处理，所以可以将电子失真校正简化为Y′＝Y+AY³，并且可减少乘法的数目。此外，通过对信号R、G、和B中的每一个进行失真校正，可同时进行对倍率色差的校正。

[第一实施方式]

图2示出了作为根据本发明第一实施方式的电子图像拾取装置的数字摄像机100的示意结构。第一透镜单元G1、第二透镜单元G2、第三透镜单元G3以及第四透镜单元G4是形成作为拍摄光学系统的变焦透镜系统的透镜单元。与装置主体集成的孔径光阑(aperture stop)S置于第三透镜单元G3的物侧。

在此，作为变焦透镜系统，使用了具有下面将描述的结构的变焦透镜系统。当然，也可使用其他变焦透镜系统。

在所述变焦透镜系统的后面，放置了电子图像拾取元件105(在此情况下可以是CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体))，以及诸如红外线阻挡滤光器和低通滤光器的光学滤光器F。盖玻璃C被设置为朝向作为电子图像拾取元件105的CCD的入射面。透过盖玻璃C的光线被引入由多个光接收元件组成的图像拾取面。

通过透镜单元驱动部103和104使得变焦透镜系统的第二透镜单元G2、第三透镜单元G3以及第四透镜单元G4沿光轴AX的方向移动，并改变透镜单元之间的距离，由此进行从广角端到摄远端的变焦。

尽管在示意图中以简化形式示出，作为透镜单元驱动机构，能够使用已知的机构，例如置于透镜单元周围并通过螺旋旋转移动透镜单元的机构，以及在保持透镜单元的保持架中设置有螺孔并且通过旋转穿过所述螺孔的螺旋钉而使得透镜单元前后移动的机构。

该结构使得第四透镜单元G4通过单独地在光轴AX方向上移动而进行从长距离到短距离的聚焦。由所述变焦透镜系统在CCD的图像拾取上形成图像。

所述变焦透镜系统的物侧设置有与数字摄像机100的主体外部101集成的由透明平面平行板制成的入射窗102。在第一实施方式中，除了陆上拍摄之外，可以通过将摄像机主体置于水下而进行拍摄，并且规范是防水的以使得在水下拍摄时水不会进入。在水下拍摄时，在水下拍摄时平面平行板的物侧的介质是水。

此外，所述结构可设为如下：通过将摄像机主体装在水下外壳中来进行水下拍摄。在下面将描述的第二实施方式中的光入射侧的平面平行板是水下外壳的入射窗。

图像拾取面I由多个光接收元件组成。在此，下面将描述有效图像拾取区域。图3是示出电子图像拾取元件的像素排列的实施例的图。对应于R(红)、G(绿)、和B(蓝)的光接收元件或对应于4种颜色(即青、品红、黄、和绿)的光接收元件按像素间距Pa排列为马赛克形式。

有效图像拾取区域是指利用对所拍摄图像的再现(例如在个人计算机的显示或用打印机的打印)的电子图像拾取元件上的图像拾取面中的区域。将图中所示的有效图像拾取区域调整到可确保所示变焦透镜系统的性能的图像圈，并将其设置为比设置有图像拾取元件的全部光接收元件的区域窄的区域。

在图3，Ih对应于图像拾取面I的有效图像拾取区域的半对角线长度。例如，通过改变图像拾取区域可进行模拟变焦，并且可以使用于再现所投影图像的图像拾取区域可按不同方式变化。

此外，通常，尽管有效图像拾取区域的形状是矩形，但是在本发明中，由图像处理来校正变焦透镜系统的失真。在此情况下有效图像拾取区域的形状是接近由变焦透镜系统产生的失真的形状。此形状根据变焦透镜系统的焦距状态而变化，并且电子地进行图像恢复。

当有效图像拾取区域以此方式变化时，将本发明的Ih定义为可能值中的最大值。由该图像拾取元件105(例如CCD和CMOS)拍摄的图像转换为指示图像的电信号，并被引入信号处理部120。

在信号处理部120，进行信号处理，例如，根据诸如水下、陆上的拍摄环境的差异的图像修整、图像恢复，基于由电子图像拾取元件105拍摄的图像信号的对比度调整和伽马校正，并且产生进行了图像恢复的图像信号。

此外，对比度检测部106读取由于第四透镜单元G4的移动而引起的图像对比度的变化，并检测聚焦区域内的对比度。另外，对比度检测部106将第四透镜单元G4移动到对比度为最大值的位置，并产生进行聚焦操作的信号。

此外，在数字摄像机100内，将驱动信号发送到透镜组驱动部103和104，以根据来自变焦和聚焦操作部110(例如位于数字摄像机100外部的变焦操作杆和聚焦按钮)的信号进行变焦和聚焦操作。同时，其电连接到变焦和聚焦指示和存储部109，变焦和聚焦指示和存储部109保持与变焦和聚焦操作相关的信息。

另外，变焦和聚焦指示和存储部109还电连接到信号处理部120，并接收基于信号处理部120的对比度检测的聚焦操作信号，并且给出了用于上述聚焦操作的指令。

此外，数字摄像机100包括拍摄模式操作部113，拍摄模式操作部113向摄像机通知其在水下拍摄。当用户在拍摄模式进行了用于水下拍摄的设置时，向图像恢复部107给出变为适合于水下拍摄的图像恢复的指令。

此外，水下检测传感器114位于数字摄像机100的主体。即使在并非想要将水下拍摄作为拍摄模式的情况下，当识别出数字摄像机主体在水下环境中时，水下检测传感器114向图像恢复部107给出指令以进行用于水下拍摄的图像恢复。

此外，在水下检测传感器114进行了压力检测之后，当压力大于特定压力时，可以进行用于水下环境拍摄的图像恢复。或者，当水下检测传感器114在其接触到液体时检测到电流的通过或电流的变化时，可以进行用于水下环境拍摄的图像恢复。或者，当水下检测传感器114检测水下外壳的安装状态时，当安装了水下外壳时，可以进行对于(用于)水下环境拍摄的图像恢复。

此外，在数字摄像机100的主体中，具有信息保持部111，信息保持部111保持了用于根据变焦透镜系统的焦距、聚焦状态、对拍摄模式的指令、以及对水下检测的指令而对R、G、和B信号中的每一个进行不同失真校正的系数的数据表。在此实施例中，信息保持部111保持了近似于如下表1概念性所示地指定的失真的系数数据。

在表1中，FFL表示焦点对准的焦距，OL表示陆上，UW表示水下，COE表示系数。

表1

FFL a到b FFL b到c

FL COE A B C COE A B C

OL R AR111 BR111 CR111 OL R AR211 BR211 CR211

A～B G AG111 BG111 CG111 G AG211 BG211 CG211

B AB111 BB111 CB111 B AB211 BB211 CB211

UW R AR112 BR112 CR112 UW R AR212 BR212 CR212

G AG112 BG112 CG112 G AG212 BG212 CG212

B AB112 BB112 CB112 B AB212 BB212 CB212

FL COE A B C COE A B C

OL R AR121 BR121 CR121 OL R AR221 BR221 CR221

B～C G AG121 BG121 CG121 G AG221 BG221 CG221

B AB121 BB121 CB121 B AB221 BB221 CB221

UW R AR122 BR122 CR122 UW R AR222 BR222 CR222

G AG122 BG122 CG122 G AG222 BG222 CG222

B AB122 BB122 CB122 B AB222 BB222 CB222

FL COE A B C COE A B C

OL R AR131 BR131 CR131 OL R AR231 BR231 CR231

C～D G AG131 BG131 CG131 G AG231 BG231 CG231

B AB131 BB131 CB131 B AB231 BB231 CB231

UW R AR132 BR132 CR132 UW R AR232 BR232 CR232

G AG132 BG132 CG132 G AG232 BG232 CG232

B AB132 BB132 CB132 B AB232 BB232 CB232

FL COE A B C COE A B C

OL R AR141 BR141 CR141 OL R AR241 BR241 CR241

D～E G AG141 BG141 CG141 G AG241 BG241 CG241

B AB141 BB141 CB141 B AB241 BB241 CB241

UW R AR142 BR142 CR142 UW R AR242 BR242 CR242

G AG142 BG142 CG142 G AG242 BG242 CG242

B AB142 BB142 CB142 B AB242 BB242 CB242

当然，可以在将变焦状态和聚焦状态更加详细分类时保持数据。在此，使得系数数据是3次项、5次项以及7次项。然而，可减少系数的数量。此外，也可增加系数的数量。此外，可设置为如下：根据焦距和焦点对准的焦距，通过从所保持的多个系数的相关性的计算而获得最佳系数。

信息保持部111基于变焦和聚焦指示和存储部109中的信息、拍摄模式操作部113以及水下检测传感器114，将B、G、和R根据其对应的焦距、聚焦焦距以及拍摄状态的失真信息发送到信号处理部120的图像恢复部107。

信号处理部120包括图像恢复部107，并且，在使得CCD拾取的图像数据以及进行了诸如伽马校正的预处理的图像数据为原始数据时，利用上述系数对R、G、和B颜色的每一个进行失真校正。在电子地校正像差之后添加诸如亮度调节和色彩调节的处理。

此外，数字摄像机100中可具有加速度传感器，并可进行对由于模糊引起的图像劣化进行电子校正的处理。

将进行了图像恢复的图像信号发送到置于装置背面的液晶监视器108，并将其显示为可见图像。此外，将图像数据发送到与数字摄像机100(装置)集成或可从数字摄像机100拆下的记录介质112，并且可以将图像数据在恢复后记录在记录介质112中。

下面将例示为具有此结构的数字摄像机100(电子图像拾取装置)而适当地设计的变焦透镜系统。根据该变焦透镜系统，由于陆上拍摄时广角端的桶形失真是较大的，所以主要校正此桶形失真。由于在摄远端抑制了失真和倍率色差，所以减少了图像处理的负担，而不用校正失真和倍率色差。

在水下拍摄状态，抑制了失真，但由于倍率色差的影响较大，所以对倍率色差进行电子校正。当然，还可以进行减小球差和彗差的影响的图像处理。

在下面例示的两个变焦透镜系统中，由于在陆上拍摄以及无穷远物点聚焦时的摄远端拍摄中不执行对失真和倍率色差的电子校正，所以该拍摄状态下的有效图形拾取区域具有最宽的光接收区域。结果，Ih变为此状态的有效图像拾取区域的半对角线长度。

示出每个实施方式的变焦透镜系统中的像散、失真和倍率色差的产生量的像差图的上端对应于像高为Ih的位置。如图2所示，第一实施方式是其中给予了数字摄像机100防水功能的实施方式。

因此，在陆上拍摄和水下拍摄时，在物体和变焦透镜系统之间具有平面平行板。在陆上拍摄中，待摄物体和平面平行板之间是空气，而在水下拍摄中，物体和平面平行板之间是水(例如海水)。此外，在截面图中，略去了第一透镜系统G1中的棱镜的反射面，并且光路以放大形式示出。另外，提供了保护变焦透镜系统不受外界环境影响的作为平面平行板的盖玻璃C。

本实施方式的变焦透镜系统从其物侧开始按顺序包括：具有正折射率、变焦时固定的第一透镜单元；具有负折射率、在从广角端向摄远端变焦时向像侧移动的第二透镜单元；变焦时在光轴方向上固定的孔径光阑；具有正折射率、在从广角端向摄远端变焦时向物侧移动的第三透镜单元；以及具有正折射率、在变焦时和聚焦时移动以调整像位置的第四透镜单元。

CCD盖玻璃和涂覆有红外线截止层的低通滤光器置于变焦透镜系统的像侧，在CCD的光接收面上形成像。

下面将参考附图详细描述本发明的变焦透镜系统的实施方式。然而，本发明不限于下面描述的实施方式。

下面将描述第一实施方式中的变焦透镜系统。图4A、图4B和图4C示出了根据第一实施方式的变焦透镜系统在陆上拍摄(对于水下拍摄，透镜横截面的排列是相同的)无穷远物点聚焦时的光学装置沿光轴的截面图，其中，图4A示出广角端状态，图4B示出中间变焦状态，图4C示出摄远端状态。在图4A到图4C中，G1代表第一透镜单元，G2代表第二透镜单元，S代表孔径光阑，G3代表第三透镜单元，G4代表第四透镜单元，F代表形成低通滤光器(其中涂覆了限制红外光的波长区域限制涂层)的平面平行板，C代表电子图像拾取元件的碳玻璃的平面平行板，I代表图像面。可以对碳玻璃C的表面涂覆用于限制波长区域的多层膜。此外，可以使碳玻璃C具有低通滤光效果。

如图4A到图4C所示的第一实施方式中的变焦透镜系统从其物侧开始按顺序包括：具有正折射率的第一透镜单元G1，具有负折射率的第二透镜单元G2，孔径光阑S，具有正折射率的第三透镜单元G3，具有正折射率的第四透镜单元G4。

在从广角端到摄远端的变焦中，第一透镜单元G1固定，第二透镜单元G2向像侧移动，孔径光阑S固定，第三透镜单元G3向物侧移动，并且第四透镜单元G4固定。

按从物侧开始的顺序，第一透镜单元G1包括平面平行板，具有朝向物侧的凸面的第一负凹凸透镜，第二棱镜，以及第三两面凸正透镜。第二透镜单元G2包括第四两面凹负透镜，第五两面凹负透镜，以及第六两面凸正透镜。第五两面凹负透镜和第六两面凸正透镜是粘合的。第三透镜单元G3包括第七两面凸正透镜，第八两面凸正透镜，第九两面凸正透镜，以及第十两面凹负透镜。第九两面凸正透镜和第十两面凹负透镜是粘合的。第四透镜单元G4包括第十一两面凸正透镜。

对六个表面使用非球面，即，第三两面凸正透镜的两个表面，第七两面凸正透镜的两个表面，以及第十一两面凸正透镜的两个表面。

下面示出了上述每个实施方式的数值数据。除了上述的符号之外，f代表整个变焦透镜系统的焦距，BF表示后焦距(back focus)，f₁，f₂，...的每一个代表各个透镜单元的焦距，Im代表像高，F_NO代表F数，ω代表半图像角，WE代表广角端，ST代表中间状态，TE代表摄远端，r₁，r₂，...的每一个代表各个透镜表面的曲率半径，d₁，d₂，...的每一个代表两个透镜之间的距离，n_d1，n_d2，...的每一个代表各个透镜的d线折射率，v_d1，v_d2，...的每一个代表各个透镜的阿贝数。将在下面描述的透镜系统的总长度是通过将后焦距加到从第一透镜面到最后透镜面的距离而获得的长度。BF(后焦距)是从最后透镜面到近轴像面的距离的空气转换表达单位。此外，半图像角根据陆上拍摄和水下拍摄而变化，即使当像高为恒定时。另外，像高根据每个变焦状态下对失真进行电子校正的方法而变化。

在第一实施方式中，当发生桶形失真时，设置为使得在经过有效图像拾取区域的中心的短侧方向上不丢失图像，并假设通过图像处理几乎消除了由于透镜系统造成的失真。因此，在透镜系统中发生桶形失真的状态下，像高是小于有效图像拾取区域的半对角线长度(Ih)的值。

然而，当发生枕形失真时，设置为使得在有效图像拾取区域的对角线方向上不丢失图像，并假设通过图像处理完全消除由于透镜系统造成的失真。在此情况下，像高是等于有效图像拾取区域的半对角线长度的值。

Im是当有效图像拾取区域的对角线长度为最大时的像高，并等于有效图像拾取区域的半对角线长度。

ω是当使像高为Im时的半图像角。

Im_L是当假设对失真进行校正时的陆上拍摄的像高。ω_L是当使陆上拍摄的像高为Im_L时的半图像角。

Im_UW是当假设对失真进行校正时的水下拍摄的像高。ω_UW是当使水下拍摄的像高为Im_UW时的半图像角。

每个像差图是仅根据光学系统的像差图，并且，按对应于与有效图像拾取区域的半对角线长度(Ih)相同的像高Im的图像角ω，输出像散、失真、以及倍率色差作为上端。

数值数据的每一个是用于当聚焦无穷远物体时的状态的数据。每个值的长度单位是mm，角度单位是度(°)。

当设x为光轴(其中光传播的方向为正方向)并且设y为垂直于光轴的方向时，非球面的形状用下式描述。

x＝(y²/r)/[1+{1-(K+1)(y/r)²}^1/2]+A₄y⁴+A₆y⁶+A₈y⁸+A₁₀y¹⁰+A₁₂y¹²

其中，r代表近轴曲率半径，K代表圆锥系数，A₄、A₆、A₈、A₁₀、以及A₁₂分别代表4次、6次、8次、10次和12次的非球面系数。此外，在非球面系数中，“e-n”(“e^-n”)(其中n是整数)代表“10^-n”。

实施例1

r₁＝∞ d₁＝0.50 n_d1＝1.51633 v_d1＝64.14

r₂＝∞ d₂＝0.50

r₃＝33.155 d₃＝0.80 n_d2＝1.98000 v_d2＝23.90

r₄＝8.765 d₄＝2.83

r₅＝∞ d₅＝9.00 n_d3＝1.83400 v_d3＝37.16

r₆＝∞ d₆＝0.20

r₇＝15.823(A) d₇＝2.56 n_d4＝1.71788 v_d4＝55.40

r₈＝-13.703(A) d₈＝(可变)

r₉＝-49.582 d₉＝0.70 n_d5＝1.88300 v_d5＝40.76

r₁₀＝14.876 d₁₀＝1.15

r₁₁＝-9.382 d₁₁＝0.70 n_d6＝1.88300 v_d6＝40.76

r₁₂＝19.484 d₁₂＝1.80 n_d7＝1.92286 v_d7＝20.88

r₁₃＝-19.306 d₁₃＝(可变)

r₁₄＝∞(s) d₁₄＝(可变)

r₁₅＝9.011(A) d₁₅＝2.25 n_d8＝1.61680 v_d8＝59.68

r₁₆＝-48.402(A) d₁₆＝0.20

r₁₇＝9.335 d₁₇＝2.28 n_d9＝1.49895 v_d9＝81.11

r₁₈＝-26.130 d₁₈＝0.38

r₁₉＝12.676 d₁₉＝2.05 n_d10＝1.50693 v_d10＝79.22

r₂₀＝-21.026 d₂₀＝0.70 n_d11＝1.88500 v_d11＝25.70

r₂₁＝4.519 d₂₁＝(可变)

r₂₂＝16.046(A) d₂₂＝2.50 n_d12＝1.48862 v_d12＝72.03

r₂₃＝-16.192(A) d₂₃＝(可变)

r₂₄＝∞ d₂₄＝0.50 n_d13＝1.54771 v_d13＝62.84

r₂₅＝∞ d₂₅＝0.50

r₂₆＝∞ d₂₆＝0.50 n_d14＝1.51633 v_d14＝64.14

r₂₇＝∞ d₂₇＝0.40

r₂₈＝∞(电子图像拾取装置的光接收面，像平面)

非球面系数

第七表面

K＝0.000

A₄＝-1.11031e-04

A₆＝2.64619e-06

A₈＝3.25997e-08

A₁₀＝-1.69342e-09

第八表面

K＝0.000

A₄＝-3.76191e-06

A₆＝4.98938e-06

A₈＝-5.97314e-08

A₁₀＝-4.72190e-10

第十五表面

K＝0.000

A₄＝-1.39053e-04

A₆＝2.90971e-06

A₈＝3.06185e-07

A₁₀＝-1.60871e-08

第十六表面

K＝0.000

A₄＝2.29605e-04

A₆＝8.72514e-06

A₈＝-1.19586e-07

第二十二表面

K＝0.000

A₄＝8.96710e-05

A₆＝-4.44501e-05

A₈＝2.10020e-06

A₁₀＝-1.17105e-07

第二十三表面

K＝0.000

A₄＝1.21501e-05

A₆＝-3.42471e-05

A₈＝1.14648e-06

A₁₀＝-7.02379e-08

变焦数据(∞)

WE ST TE

f(mm) 5.07 9.36 17.42

F_NO 3.57 4.27 5.10

d₈ 0.50 4.14 6.08

d₁₃ 6.86 3.22 1.28

d₁₄ 7.52 5.19 0.72

d₂₁ 3.02 5.36 9.82

d₂₃ 3.51 3.51 3.50

透镜总长度 53.1 53.1 53.1

BF 5.08 5.08 5.09

Im＝3.84

ω(°)：陆上 41.06 21.79 12.18

ω(°)：水下 29.52 16.17 9.11

Im_L 3.56 3.84 3.84

ω_L(°) 38.65 21.79 12.18

Im_UW 3.84 3.84 3.84

ω_UW(°) 29.52 16.17 9.11

每个透镜单元的焦距

f₁ 12.655

f₂ -8.715

f₃ 11.208

f₄ 16.925

变焦比 3.44

图5A、图5B和图5C示出了第一实施方式中的陆上拍摄时的像差，并且图6A、图6B和图6C示出了第一实施方式中的水下拍摄时的像差。图5A和图6A示出了广角端的球差、像散、失真、以及倍率色差。图5B和图6B示出了中间状态的球差、像散、失真、以及倍率色差。图5C和图6C示出了摄远端状态的球差、像散、失真、以及倍率色差。在各图中，“ω”代表半图像角。

[第二实施方式]

接着，下面描述根据本发明第二实施方式的数字摄像机200。第二实施方式中的变焦透镜系统是适用于在不使用摄像机时将透镜容纳在摄像机主体之内的类型的摄像机的变焦透镜系统的实施例。

在此结构的情况下，很难使得摄像机为既用于陆上又用于水下的摄像机。因此，在第二实施方式中，假设摄像机主体容纳在水下外壳中以进行水下拍摄而设计变焦透镜系统。

图7是示出根据第二实施方式的容纳于水下外壳220中的数字摄像机200的示意结构的图。数字摄像机主体210容纳于水下外壳220中。入射窗102形成在水下外壳220的物侧。入射窗102对应于下面将描述的变焦透镜系统的最接近物体的平面平行板H。即使数字摄像机200容纳于水下外壳220中，用户也能够用液晶监视器108观察物体。

此外，在数字摄像机主体210和水下外壳220的入射窗102的外侧可设置有安装部201，可将圆顶形状的入射窗可拆除地设置在安装部201。通过使得圆顶形状的入射窗的接合是可安装的，能够在水下拍摄时拓宽图像角。

此外，可以使得接合透镜(例如将图像角拓宽的接合透镜，或用于短距离拍摄的接合透镜)可安装在数字摄像机主体210和水下外壳220的入射窗102的外侧。

为了使得能够根据安装了上述附件时的像差变化进行适当的电子校正，数字摄像机200优选地包括：操作部，其使得能够输入关于摄像机主体上是否安装了这些附件的信息；以及校正部，其包括用于根据输入的信息进行像差校正的数据，并且根据是否存在附件还对像差的波动进行电子校正，并且优选地设置为能够对各种像差进行电子校正。

接着，下面描述第二实施方式的变焦透镜。图8A、图8B和图8C示出根据第二实施方式的变焦透镜系统的陆上拍摄无穷远物点聚焦时的光学装置的沿光轴的截面图，其中图8A示出广角端状态，图8B示出中间状态，图8C示出摄远端状态。图9A、图9B、和图9C示出根据第二实施方式的变焦透镜系统的水下拍摄无穷远物点聚焦时的光学装置的沿光轴的截面图，其中图9A示出广角端状态，图9B示出中间状态，图9C示出摄远端状态。

第二实施方式中的变焦透镜系统从其物侧开始按顺序包括：具有负折射率的第一透镜单元G1，孔径光阑S，具有正折射率的第二透镜单元G2，以及具有正折射率的第三透镜单元G3。

在从广角端向摄远端变焦时，入射窗H固定，第一透镜单元G1在向像侧移动一次之后反向，向物侧移动，第二透镜单元G2与孔径光阑S整体地向物侧移动，第三透镜单元G3向物侧移动。

此外，孔径光阑S与第二透镜单元G2整体地移动，第二透镜单元G2的物侧透镜面的顶点进入了孔径光阑S的开口。第三透镜单元G3在变焦时和聚焦时移动以调整像位置。在变焦时每个透镜单元的移动轨迹在陆上拍摄和水下拍摄是相同的。

平面平行板H(＝入射窗102)被设置为最接近物体。按从物侧开始的顺序，第一透镜单元G1包括第一两面凹负透镜，以及具有朝向物侧的凸表面的第二正凹凸透镜。第二透镜单元G2包括具有朝向物侧的凸表面的第三正凹凸透镜，具有朝向物侧的凸表面的第四负凹凸透镜，以及具有朝向物侧的凸表面的第五正凹凸透镜。第三正凹凸透镜、第四负凹凸透镜和第正五凹凸透镜是粘合的。第三透镜单元G3包括具有朝向物侧的凸表面的第六正凹凸透镜。

对六个表面使用非球面，即第一两面凹负透镜的像侧表面，第三正凹凸透镜的物侧表面，第五正凹凸透镜的像侧表面，第六正凹凸透镜的像侧表面。

另外，在变焦透镜系统的像侧设置了其上涂覆有红外线截止涂层的低通滤光器、以及CCD盖玻璃，在CCD的光接收面上形成图像。此外，在水下拍摄时，在变焦透镜系统的像侧设置有形成外壳的入射窗的平面平行板的盖玻璃(平面平行板H)。在水下拍摄时，盖玻璃的物侧的介质是水(例如海水)。

在空气环境中，这是数字摄像机主体的变焦数据。此外，在水下环境中，是否存在外壳的该玻璃，该玻璃和变焦透镜系统的入射面之间的距离D(HL)以及图像角发生变化。其他值是共同的。

实施例2

水下外壳的数值数据

表面号码 r d nd vd

1H ∞ 0.50 1.51633 64.14

2H ∞ D(HL)

D(HL)是外壳和摄像机侧的变焦透镜系统之间的可变距离；

摄像机主体的变焦透镜数据

r₁＝-200.434 d₁＝0.90 n_d1＝1.80610 v_d1＝40.92

r₂＝6.474(A) d₂＝1.53

r₃＝9.933 d₃＝2.02 n_d2＝2.00069 v_d2＝25.46

r₄＝21.902 d₄＝(可变)

r₅＝∞(S) d₅＝-0.63

r₆＝5.753(A) d₆＝2.06 n_d3＝1.80610 v_d3＝40.92

r₇＝35.230 d₇＝1.27 n_d4＝1.84666 v_d4＝23.78

r₈＝5.202 d₈＝2.06 n_d5＝1.58313 v_d5＝59.38

r₉＝16.552(A) d₉＝(可变)

r₁₀＝14.000(A) d₁₀＝1.24 n_d6＝1.52542 v_d6＝55.78

r₁₁＝41.056 d₁₁＝(可变)

r₁₂＝∞ d₁₂＝0.50 n_d7＝1.51633 v_d7＝64.14

r₁₃＝∞ d₁₃＝0.50

r₁₄＝∞ d₁₄＝0.50 n_d8＝1.51633 v_d8＝64.14

r₁₅＝∞ d₁₅＝0.40

r₁₆＝∞(电子图像拾取装置的光接收面，像平面)

非球面系数

第二表面

K＝-3.501

A₄＝1.39590e-03

A₆＝-2.94154e-05

A₈＝6.73010e-07

A₁₀＝-7.13429e-09

第六表面

K＝-2.429

A₄＝1.61259e-03

A₆＝-1.94631e-05

A₈＝2.01443e-06

A₁₀＝-5.44542e-08

第九表面

K＝-4.333

A₄＝2.27790e-03

A₆＝1.03782e-05

A₈＝2.09837e-05

A₁₀＝-4.69417e-07

第十表面

K＝0.000

A₄＝-1.47199e-04

A₆＝5.67379e-06

A₈＝4.82046e-07

A₁₀＝-1.84788e-08

变焦数据(∞)

WE ST TE

f(mm) 7.51 14.38 21.64

F_NO 2.88 3.78 4.75

d₄ 16.35 5.11 1.03

d₉ 4.20 4.23 4.65

d₁₁ 5.83 10.67 15.64

D(HL) 16.35 5.11 1.03

透镜总长度 38.42 32.04 33.29

BF 7.42 12.25 17.17

Im＝4.55

ω(°)：陆上 34.67 17.91 11.95

ω(°)：水下 25.26 13.34 8.93

Im_L 4.23 4.48 4.52

ω_L(°) 32.17 17.63 11.87

Im_UW 4.44 4.55 4.55

ω_UW(°) 24.67 13.34 8.93

每个透镜单元的焦距

f₁ -15.832

f₂ 12.196

f₃ 39.804

变焦比 2.88

图10A、图10B和图10C示出第二实施方式中陆上拍摄时的像差图，图11A、图11B和图11C示出第二实施方式中水下拍摄是的像差图。

(对应于条件式的数值)

下面给出第一实施方式和第二实施方式的条件式对应值和条件表达式因素值。

fw Ih DIS Ih/f_w

实施方式1 5.07mm 3.84mm -13.0％ 0.759

实施方式2 7.51mm 4.55mm -12.4％ 0.606

如上所述，本发明对于能够记录图像的电子图像拾取装置是有用的，其中抑制了在陆上拍摄时和水下拍摄时发生变化的像差的影响，而无需使用特殊的光学元件。

Claims

1.一种电子图像拾取装置，该电子图像拾取装置包括：

拍摄光学系统；

图像恢复部，所述图像恢复部根据所述拍摄光学系统在空气环境拍摄时和在水下环境拍摄时产生的像差的差异，对所拍摄的图像进行电子恢复，

其中，所述拍摄光学系统是满足以下条件式的变焦系统：

0.50＜Ih/f_w＜1.50...(A)

-40％＜DIS＜-8％...(B’)

其中，

f_w代表所述拍摄光学系统的广角端拍摄时的焦距，

Ih代表有效图像拾取区域的半对角线长度，并且

DIS代表在空气拍摄时在广角端的像高Im的失真量，其中Im是当有效图像拾取区域的对角线长度为最大时的像高并等于有效图像拾取区域的半对角线长度，

其中，所述像差是失真。

2.如权利要求1所述的电子图像拾取装置，该电子图像拾取装置还包括：

操作部，在所述操作部中进行关于所述电子图像拾取装置处于空气环境中还是处于水下环境中的设置。

3.如权利要求1所述的电子图像拾取装置，该电子图像拾取装置还包括：

4.如权利要求1所述的电子图像拾取装置，该电子图像拾取装置还包括：

传感器，所述传感器检测所述电子图像拾取装置处于空气环境中还是水下环境中，其中

根据来自所述传感器的信息执行图像恢复。

5.如权利要求1所述的电子图像拾取装置，其中，在所述拍摄光学系统中，在空气环境中发生桶形失真，并且失真量的绝对值大于在水下环境的失真量。

6.如权利要求1所述的电子图像拾取装置，该电子图像拾取装置还包括：

7.如权利要求1所述的电子图像拾取装置，其中，所述拍摄光学系统是满足以下条件式的变焦系统：

0.50＜Ih/f_w＜1.50...(A)

-40％＜DIS＜-12％...(B)

其中，

f_w代表所述拍摄光学系统的广角端拍摄时的焦距，

Ih代表有效图像拾取区域的半对角线长度，并且

DIS代表在空气拍摄时在广角端的像高Im的失真量，其中Im是当有效图像拾取区域的对角线长度为最大时的像高并等于有效图像拾取区域的半对角线长度。