CN102654631B - 照相机装置和包括它的图像拾取装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及照相机装置和包括它的图像拾取装置。提供一种照相机装置，该照相机装置具有能够附接到照相机装置并能够从照相机装置拆卸的透镜装置，该照相机装置包括：光学系统；和能够插入光学系统的光路并能够从光学系统的光路去除的光学元件，其中，光学元件包含具有正折光力的面；并且，光学系统包含具有负折光力的面。

Description

照相机装置和包括它的图像拾取装置

技术领域

本发明涉及包括光学系统的照相机装置，更特别地，涉及包括能够插入光学系统的光路中并且能够从光学系统的光路去除的光学元件的照相机装置和包括该照相机装置的图像拾取装置。

背景技术

常规上，已知存在这样的图像拾取装置，该图像拾取装置通过给予被插入光路中的光学元件折光力来抑制由于光路中的光学元件的插入和去除而导致的图像形成位置的变化。

例如，日本专利申请公开No.S63-025612公开了为了校正当插入光学元件时的图像形成位置的变化而给予要插入的光学元件折光力的发明。当平板光学元件被插入图像拾取透镜和图像形成表面之间或者插入图像拾取透镜的透镜系统中时，图像形成位置向过侧(over side)(即，物侧的相对侧)偏移。在日本专利申请公开No.S63-025612中，给予要插入的光学元件正折光力，使得图像形成位置的移动被消除。

但是，在日本专利申请公开No.S63-025612中描述的常规技术中，光学元件的插入和去除导致光学特性的变化。例如，如果如在日本专利申请公开No.S63-025612中描述的那样给予要插入的光学元件折光力以消除图像形成位置的偏移，那么，当插入光学元件时，出现欠校正的球面像差。图9示出如在日本专利申请公开No.S63-025612中描述的那样消除图像形成位置的偏移时的球面像差的示意图。在图9中，点划线902表示不在光路中插入光学元件时的像差，虚线901表示在光路中插入光学元件时的像差，并且，位置SA205是图像拾取面。由于该球面像差，获得的图像的质量劣化。另外，最佳焦点位置(903和904)，即，可表现为斑点图901中的轴上光束的斑点直径的均方根(RMS)变得最小的位置，不在焦点深度(903)上。从而，光学元件的插入和去除对于图像的影响变得太明显，以至于获得的图像大大改变。

发明内容

因此，本发明的图像拾取装置即使在插入和去除厚的光学元件时也可抑制图像质量的劣化。

为了实现上述的目的，根据本发明的示例性实施例，提供一种照相机装置，其包括能够附接到所述照相机装置并能够从所述照相机装置拆卸的透镜装置。该照相机装置包括：光学系统；和能够插入光学系统的光路并能够从光学系统的光路去除的光学元件。此外，光学元件包含具有正折光力的面；并且，光学系统包含具有负折光力的面

根据本发明的示例性实施例，能够提供即使在插入和去除厚的光学元件时也可抑制图像质量的劣化的图像拾取装置。

参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1A是根据本发明的示例性实施例的照相机装置的光学系统结构的示意图(在插入光学元件的状态中)。

图1B是根据本发明的示例性实施例的照相机装置的光学系统结构的示意图(在去除光学元件的状态中)。

图2是根据本发明的示例性实施例的照相机装置的纵向像差的示意图。

图3是根据本发明的示例性实施例的纵向像差的示意图。

图4A、图4B和图4C是表观出射光瞳位置和表观像面之间的关系的示意图。

图5是根据本发明的第一实施例的照相机装置的透镜截面图。

图6A是去除光学元件时的根据本发明的第一实施例的照相机装置的纵向像差图。

图6B是插入光学元件时的根据本发明的第一实施例的照相机装置的纵向像差图。

图7是根据本发明的第二实施例的照相机装置的透镜截面图。

图8A是去除光学元件时的根据本发明的第二实施例的照相机装置的纵向像差图。

图8B是插入光学元件时的根据本发明的第二实施例的照相机装置的纵向像差图。

图9是常规例子的纵向像差的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图详细描述本发明的示例性实施例。

图1A和图1B是根据本发明的实施例的光学系统结构的示意图。这里，照相机光学系统102包括将来自物体(被照体)即来自图像拾取透镜的图像拾取光束分割成具有多个不同的颜色的光束的颜色分离光学系统和诸如ND滤波器或偏光滤波器的特殊效果滤波器。图像拾取透镜101可被附接到包括照相机光学系统102的照相机装置并且可从照相机装置拆卸。图1A和图1B示意性地示出图像传感器104，但是，可提供与通过颜色分离光学系统分割的多个不同的颜色对应的多个图像传感器104。图1A示出在包括图像传感器104的光学系统的光路中插入光学元件103的状态的结构，图1B示出去除光学元件103的状态的结构。被插入和去除的光学元件103是诸如减光滤波器、色温转换滤波器、交叉滤波器(cross screen filter)、软焦点滤波器或红外截止滤波器的光学特性转换滤波器。本发明具有给予要插入和去除的光学元件103正折光力并且固定于光轴的照相机光学系统具有负折光力的特征。在图1A中，给予照相机光学系统中的表面105负折光力，并且，给予要插入和去除的光学元件103的表面106正折光力。通过给予要插入和去除的光学元件103的正折光力，由于元件的插入和去除导致的成像位置的变化被抑制。并且，通过给予照相机光学系统102的负折光力，当插入光学元件103时产生的欠校正球面像差被抑制。

图2是在图1A和图1B的光学结构中当在光路中插入光学元件103时以及当从光路去除光学元件103时设定相同的近轴图像位置的情况下的球面像差的示意图。虚线201表示当插入光学元件103时产生的球面像差，并且，点划线202表示当去除光学元件103时产生的球面像差。给予表面105的负折光力在去除光学元件103时导致过校正的球面像差，并由此可减少当插入光学元件103时产生的欠校正的球面像差的变化。注意，关于图像传感器的物侧被视为欠侧，并且，相对方向被视为过侧。另外，两点划线203表示插入光学元件103时的最佳焦点位置，并且，两点划线204表示去除光学元件103时的最佳焦点位置。优选将最佳焦点位置控制到焦点深度内。因此，球面像差变化对于图像的影响可被抑制。从与图9所示的常规球面像差的示意图的比较清楚地看出，在本发明的结构中，由于光学元件的插入和去除导致的球面像差的变化可被控制为小的。因此，可以在焦点深度内控制最佳焦点位置。并且，通过在图像拾取面上设定最佳焦点位置，可以在不插入和去除光学元件的情况下保持最佳聚焦状态。注意，最佳焦点位置被定义为斑点图中的轴上光束的斑点直径的均方根(RMS)变得最小的位置。

图3是在图1A和图1B的光学结构中偏移近轴图像位置使得最佳焦点位置与图像拾取面对准的情况下的球面像差的示意图。虚线301表示当插入光学元件103时产生的球面像差，并且，点划线302表示当去除光学元件103时产生的球面像差。与图2的情况类似，当去除光学元件103时产生的球面像差被设为过校正球面像差。但是，近轴图像位置从图像拾取面向欠侧偏移，并且，最佳焦点位置与图像拾取面对准，以使得当去除元件时球面像差对于图像的影响被抑制。另外，插入元件时的近轴图像位置从图像拾取面向过侧偏移，并且，最佳焦点位置与图像拾取面对准，使得当插入元件时球面像差对于图像的影响也被抑制。通过该结构，光学元件的插入和去除对于图像的影响可被进一步抑制。另外，一般地，当被插入和去除的玻璃元件具有更大的厚度时，用于抑制图像形成位置的变化的正折光力变得更强，并且，球面像差的产生量增加。因此，由于光学元件的插入和去除导致的图像的劣化增加。但是，在本发明的结构中，图像拾取面和最佳焦点位置在插入和去除光学元件的情况下均被对准。因此，能够在没有图像劣化的状态下减轻被插入和去除的光学元件的厚度的限制。

当X表示光学元件与表观出射光瞳之间的距离、Y表示光学元件与表观像面之间的距离、从具有正折光力的光学元件的表面的像侧被视为正并且从表面的物侧被视为负时，可通过利用以下的结构更多地减小光束入射角来减少像差。即，如果满足(X/Y)≥0或者满足(X/Y)＜0和|X|≥|Y|，那么，具有正折光力的光学元件的表面被设为物侧的表面，并且，如果满足(X/Y)＜0和|X|＜|Y|，那么具有正折光力的光学元件的表面被设为像侧的表面。

图4A～4C是示出在包含图像拾取光学系统401、图像拾取照相机中的照相机光学系统402、可插入和去除的光学元件403和图像拾取面404的光学系统中，给予正折光力的表面106与表观出射光瞳之间的距离X以及表面106与表观像面之间的距离Y之间的关系的示意图。注意，图4A～4C示出轴上边缘光线405和轴外主光线406。从给予曲率的表面的像侧被视为正，并且，从该表面的物侧被视为负。

图4A示出表观像面和表观出射光瞳位置均被设置在从光学元件的像侧的情况。由于满足X/Y≥0，因此，光学元件的凸面面向物侧。与光学元件的凸面面向像侧的情况相比，轴上光线和轴外光线中的每一个的光束入射角变小，并由此可减少产生的像差。

图4B示出X/Y＜0和|X|≥|Y|均得到满足的情况。光学元件的凸面面向物侧。与光学元件的凸面面向像侧的情况相比，轴上光线的光束入射角可减小。注意，光束入射角对于轴外光线变有点大，但是，由于出射光瞳位置足够远，因此，影响是小的。通过该结构，可以减少产生的像差。

图4C示出X/Y＜0和|X|＜|Y|均得到满足的情况。光学元件的凸面面向像侧。与光学元件的凸面面向物侧的情况相比，轴外光线的光束入射角可减小。注意，光束入射角对于轴上光线变有点大，但是，由于像面足够远，因此，影响是小的。通过该结构，可以减少产生的像差。

如果图像拾取装置为透镜可交换类型，则考虑这些条件并且基于被交换的透镜的规格执行优化，使得由于光学元件的插入和去除导致的图像质量的劣化可被抑制。

第一实施例

以下，参照图5、图6A和图6B，描述根据本发明的第一实施例的图像拾取装置。

图5是第一实施例的透镜截面图。在变焦透镜系统501的图像拾取面侧，设置包含于图像拾取照相机中的照相机光学系统502。变焦透镜系统501包含光阑507。照相机光学系统502包含颜色分离光学系统和诸如ND滤波器或CC滤波器的光学特性转换滤波器。在照相机光学系统中包括可被插入和去除的光学元件503。光学元件503的物侧的面506是凸面以具有正折光力，并且，被构成为使得近轴图像位置不由于光学元件503的插入和去除而改变。另外，当在光路中插入光学元件503时面向光学元件503的物侧的凸面506的面505是与光学元件503相邻的面，并且是凹面以具有负折光力。该凹面抑制插入光学元件503时的欠校正球面像差，并且减少由于光学元件的插入和去除导致的球面像差的改变。通过在光学元件503的凸面附近形成的凹面，慧形像差或像场弯曲等对于轴外像差的影响减小。

在本实施例中，X/Y为11.4，并且，被插入和去除的光学元件的凸面面向物侧。另外，当RA表示面506的曲率半径并且RB表示面505的曲率半径时，满足|RA/RB|＝0.54。如果该值小于0.1，那么给予要插入和去除的光学元件的正折光力太强，由此，过校正的球面像差变大。如果该值大于0.8，那么给予照相机光学系统的负折光力太强，由此，欠校正的球面像差变大。

图6A是去除光学元件503时的纵向像差图。像散的实线表示子午截面，并且，其虚线表示弧矢截面。另外，图6A示出g线的横向色差。由于在照相机光学系统中形成凹面，因此产生过校正的球面像差。但是，由于最佳焦点位置的变化在焦点深度内，因此，对于图像的影响被抑制。另外，由于近轴图像位置不变，因此，通过使光阑507变窄减小最佳焦点位置的变化。因此，对于图像的影响进一步减小。

图6B是插入光学元件503时的纵向像差图。存在产生的欠校正的球面像差。但是，由于照相机光学系统中的凹面的效果，因此最佳焦点位置的变化在焦点深度内，由此，对于图像的影响被抑制。

另外，本实施例中的光阑507与图像传感器504的图像拾取面之间的距离LP为151.89mm，并且，光学元件503和图像传感器504的图像拾取面之间的距离CO为36.00mm。因此，CO/LP为0.24。如果CO/LP为0.1或更小，那么光学元件503在更加会聚光束的位置处被插入和去除。如果当插入和去除光学元件503时灰尘粘附于光学元件503，那么出现光束的渐晕(vignetting)，并且，易于在图像中出现灰尘的阴影的幻像。另外，如果CO/LP为0.6或更大，那么通过光学元件503的光束的直径增加，由此，由于光学元件503的插入产生的球面像差增加。因此，变得难以将插入和去除光学元件503时的最佳焦点位置抑制到焦点深度内。

另外，本实施例中的照相机安装面(mount surface)508处于表面号36的表面和表面号37的表面之间。照相机安装面508和图像传感器504的图像拾取面之间的距离CP为57.00mm，并且，光学元件503和图像传感器504的图像拾取面之间的距离CO为36.00mm。因此，CO/CP为0.63。如果CO/CP为0.4或更小，那么在更加会聚光束的位置处插入和去除光学元件503。如果当插入和去除光学元件503时灰尘粘附于光学元件503，那么出现光束的渐晕，并且，易于在图像中出现灰尘的阴影的幻像。另外，如果CO/CP为0.9或更大，那么通过光学元件503的光束的直径增加，由此，由于光学元件503的插入产生的球面像差增加。因此，变得难以将插入和去除光学元件503时的最佳焦点位置抑制到焦点深度内。

注意，本实施例例示了当在光路中插入光学元件503时面向光学元件503的物侧的凸面506的面505是与光学元件503相邻的面并且是凹面以具有负折光力的情况。但是，本发明不限于此。应当注意，即使当在光路中插入光学元件503时面向光学元件503的凸面506的面(相邻面)以外的面是具有负折光力的面，也可获得本发明的效果。

第二实施例

以下，参照图7、图8A和图8B，描述根据本发明的第二实施例的图像拾取装置。

图7是第二实施例的透镜截面图。在变焦透镜系统501的图像拾取面侧，布置包含于图像拾取照相机中的照相机光学系统702。照相机光学系统702包含颜色分离光学系统和诸如ND滤波器或CC滤波器的光学特性转换滤波器。在照相机光学系统中包括可被插入和去除的光学元件703。光学元件703的物侧的面706是凸面。在本实施例中，插入光学元件703时的近轴图像位置从图像拾取面向过侧偏移，使得完全打开光阑507时的最佳焦点位置与图像拾取面对准。另外，面向光学元件703的物侧的凸面706的面705是凹面。该凹面抑制插入光学元件703时的欠校正的球面像差，并且减少由于光学元件的插入和去除导致的球面像差的变化。并且，去除光学元件时的近轴图像位置向欠侧偏移，使得完成打开光阑507时的最佳焦点位置与图像拾取面对准。

当光阑507变窄时，最佳焦点位置变化，但是，由于焦点深度同时变深，因此对于图像的影响是小的。

在本实施例中，X/Y为11.4，并且，要插入和去除的光学元件的凸面面向物侧。另外，当RA表示面706的曲率半径并且RB表示面705的曲率半径时，满足|RA/RB|＝0.54。如果该值小于0.1，那么给予要插入和去除的光学元件的正折光力太强，由此，过校正的球面像差变大。如果该值大于0.8，那么给予照相机光学系统的负折光力太强，由此，欠校正的球面像差变大。

图8A是去除光学元件703时的纵向像差图。由于在照相机光学系统中形成凹面，因此轻微产生过校正的球面像差。但是，由于近轴图像位置从图像拾取面向欠侧偏移5μm，因此，对于图像的影响被抑制。

图8B是插入光学元件703时的纵向像差图。虽然产生欠校正的球面像差，但是，通过照相机光学系统中的凹面的效果，球面像差被抑制。并且，近轴图像位置从图像拾取面向过侧偏移20μm，使得最佳焦点位置与图像拾取面对准。因此，对于图像的影响被抑制。需要考虑图像拾取透镜的F数和整个光学系统的轴上像差和轴外像差优化从近轴图像位置的偏移量。例如，如果F数减小，那么产生的球面像差增加。因此，需要增加从近轴图像位置的偏移量。换句话说，通过适当地设定偏移量，能够提供不限制要插入和去除的光学元件的厚度的图像拾取装置。

另外，本实施例中的光阑507与图像传感器504的图像拾取面之间的距离LP为151.67mm，并且，光学元件703与图像传感器504的图像拾取面之间的距离CO为35.74mm。因此，CO/LP为0.24。如果CO/LP为0.1或更小，那么光学元件703在更加会聚光束的位置处被插入和去除。如果当插入和去除光学元件703时灰尘粘附于光学元件703，那么出现光束的渐晕，并且，易于在图像中出现灰尘的阴影的幻像。另外，如果CO/LP为0.6或更大，那么通过光学元件703的光束的直径增加，由此，由于光学元件703的插入产生的球面像差增加。因此，变得难以将插入和去除光学元件703时的最佳焦点位置抑制到焦点深度内。

另外，本实施例中的照相机安装面508处于表面号36的表面和表面号37的表面之间。照相机安装面508与图像传感器404的图像拾取面之间的距离CP为57.00mm，并且，光学元件703与图像传感器504的图像拾取面之间的距离CO为36.00mm。因此，CO/CP为0.63。如果CO/CP为0.4或更小，那么在更加会聚光束的位置处插入和去除光学元件703。如果当插入和去除光学元件703时灰尘粘附于光学元件703，那么出现光束的渐晕，并且，易于在图像中出现灰尘的阴影的幻像。另外，如果CO/CP为0.9或更大，那么通过光学元件703的光束的直径增加，由此，由于光学元件703的插入产生的球面像差增加。因此，变得难以将插入和去除光学元件703时的最佳焦点位置抑制到焦点深度内。

以上描述的实施例例示了光学元件的物侧的面是具有正折光力的凸面并且当在光路中插入光学元件时面向光学元件的物侧的凸面的面是具有负折光力的凹面的情况，但是，本发明不限于此。在要插入的光学元件的像侧的面是具有正折光力的凸面并且当在光路中插入光学元件时面向光学元件的像侧的凸面的面是具有负折光力的凹面的结构中，也可获得本发明的效果。并且，不必将凹面和凸面设为面对的位置，但是，如上所述，通过在光学元件的凸面的附近形成的凹面，对于诸如慧形像差或像场弯曲的轴外像差的影响可减小，结果是可确保更好的光学性能。

虽然上面描述了本发明的示例性实施例，但是，本发明不限于这些实施例，可在本发明的精神的范围内以各种方式修改或改变这些实施例。

(数值实施例1)

单位：mm

表面数据(图像拾取光学系统)

表面数据(照相机光学系统，在去除光学元件时)

表面数据(照相机光学系统，在插入光学元件时)

＊表面39和40分别是插入和去除的光学元件

各种数据

(数值实施例2)

单位：mm

表面数据(图像拾取光学系统)

表面数据(照相机光学系统，在去除光学元件时)

表面数据(照相机光学系统，在插入光学元件时)

＊表面39和40分别是插入和去除的光学元件

各种数据

表1

	第一实施例	第二实施例
			X	307.3mm	307.3mm
Y	27.0mm	27.0mm
			X/Y	11.4	11.4
RA/RB	0.54	0.57
			LO/LP	0.24	0.24
CO/CP	0.64	0.64

虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式和等同的结构和功能。

Claims (8)

1.一种照相机装置，透镜装置能够附接到所述照相机装置并能够从所述照相机装置拆卸，该照相机装置包括：

光学系统；和

能够插入光学系统的光路并能够从光学系统的光路去除的光学元件，其中：

光学元件包含给予该光学元件正折光力的凸面；

光学系统包含给予该光学系统负折光力的凹面；以及

光学元件插入光路中的光学系统的近轴图像位置相对于所述照相机装置的图像拾取面在光学系统侧的另一侧，光学元件从光路去除的光学系统的近轴图像位置相对于所述图像拾取面在光学系统侧，

其中，所述凸面相对于物侧是凸的并且所述凹面相对于像侧是凹的；或者，所述凹面相对于物侧是凹的并且所述凸面相对于像侧是凸的，

其中，当在光路中插入光学元件时，光学系统的所述凹面和光学元件的所述凸面彼此相邻。

2.根据权利要求1的照相机装置，其中，

当满足(X/Y)≥0或

(X/Y)＜0且|X|≥|Y|时，

所述凸面面对物侧；并且，

当满足(X/Y)＜0且|X|＜|Y|时，所述凸面面对像侧，

其中，X表示所述凸面和表观出射光瞳之间的距离，Y表示所述凸面与表观像面之间的距离，在相对于所述凸面的像侧的各距离被视为正，并且在相对于所述凸面的物侧的各距离被视为负。

3.根据权利要求1的照相机装置，其中，满足0.1＜|RA/RB|＜0.8，其中RA表示所述凸面的曲率半径并且RB表示所述凹面的曲率半径。

4.根据权利要求1的照相机装置，还包括：

与多个不同的颜色对应的多个图像传感器；和

将来自物体的光束分割成多个不同的颜色的光束的颜色分离光学系统，

其中，颜色分离光学系统包含所述凹面。

5.根据权利要求1的照相机装置，其中，满足0.4＜CO/CP＜0.9，其中，CP表示照相机装置的照相机安装面与照相机装置的图像拾取面之间的距离并且CO表示光学元件与照相机装置的图像拾取面之间的距离。

6.一种图像拾取装置，包括：

照相机装置，该照相机装置包括：

光学系统；和

能够插入光学系统的光路并能够从光学系统的光路去除的光学元件，其中：

光学元件包含给予该光学元件正折光力的凸面；

光学系统包含给予该光学系统负折光力的凹面；以及

光学元件插入光路中的光学系统的近轴图像位置相对于所述照相机装置的图像拾取面在光学系统侧的另一侧，光学元件从光路去除的光学系统的近轴图像位置相对于所述图像拾取面在光学系统侧，

其中，所述凸面相对于物侧是凸的并且所述凹面相对于像侧是凹的；或者，所述凹面相对于物侧是凹的并且所述凸面相对于像侧是凸的；和

能够附接到照相机装置并能够从照相机装置拆卸的透镜装置，

其中，当在光路中插入光学元件时，光学系统的所述凹面和光学元件的所述凸面彼此相邻。

7.一种图像拾取装置，包括：

照相机装置，该照相机装置包括：

光学系统；和

能够插入光学系统的光路并能够从光学系统的光路去除的光学元件，其中：

光学元件包含给予该光学元件正折光力的凸面；

光学系统包含给予该光学系统负折光力的凹面；以及

光学元件插入光路中的光学系统的近轴图像位置相对于所述照相机装置的图像拾取面在光学系统侧的另一侧，光学元件从光路去除的光学系统的近轴图像位置相对于所述图像拾取面在光学系统侧，

其中，所述凸面相对于物侧是凸的并且所述凹面相对于像侧是凹的；或者，所述凹面相对于物侧是凹的并且所述凸面相对于像侧是凸的；和

能够附接到照相机装置并能够从照相机装置拆卸的透镜装置，

其中，满足0.1＜CO/LP＜0.6，其中LP表示透镜装置的光阑与照相机装置的图像拾取面之间的距离并且CO表示光学元件与所述图像拾取面之间的距离，

其中，当在光路中插入光学元件时，光学系统的所述凹面和光学元件的所述凸面彼此相邻。

8.一种用于将来自物体的光束分割成具有多个不同的颜色的光束的颜色分离光学系统，该颜色分离光学系统包括：

光学系统；和

能够插入光学系统的光路并能够从光学系统的光路去除的光学元件，其中：

光学元件包含给予该光学元件正折光力的凸面；

光学系统包含给予该光学系统负折光力的凹面，以及

光学元件插入光路中的光学系统的近轴图像位置相对于所述颜色分离光学系统的图像拾取面在光学系统侧的另一侧，光学元件从光路去除的光学系统的近轴图像位置相对于所述图像拾取面在光学系统侧，

其中，所述凸面相对于物侧是凸的并且所述凹面相对于像侧是凹的；或者，所述凹面相对于物侧是凹的并且所述凸面相对于像侧是凸的，

其中，当在光路中插入光学元件时，光学系统的所述凹面和光学元件的所述凸面彼此相邻。