CN103123415A - 光学系统和包含光学系统的光学装置 - Google Patents

光学系统和包含光学系统的光学装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学系统和包含光学系统的光学装置。本发明提供在整个屏幕上很好地校正色差从而实现高的光学性能的成像光学系统和包括所述成像光学系统的光学装置。在后焦距比焦距长的成像光学系统中，位于孔径光阑的缩小共轭侧的透镜单元包含至少一个正透镜。正透镜的部分色散比和阿贝数被设定，使得折射率、位置和光焦度满足适当的关系。

Description

光学系统和包含光学系统的光学装置
本分案申请是基于申请号为200910262249.9，申请日为2009年12月22日，发明名称为“光学系统和包含光学系统的光学装置”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及光学系统，更具体地，涉及适于卤化银膜照相机、数字静态照相机或摄像机的图像拾取光学系统或者适于投影仪的投影光学系统的光学系统，并涉及包含光学系统的光学装置。
背景技术
近年来，随着数字图像拾取装置的图像质量的改善，图像拾取元件的尺寸减小。特别地，每个像素的尺寸（面积）减小。随着这种减小，还要求图像拾取透镜是与常规的透镜相比各种像差被进一步减小的高性能透镜。
迄今为止，作为有利于实现广角（广场角）的透镜系统，反焦（retrofocus）（负先导型（negative-lead-type））透镜是已知的。在反焦透镜中，在光学系统的前侧（在照相机等的图像拾取光学系统的情况下，为在被摄对象侧，或者，在投影仪等的投影光学系统的情况下，为在屏幕侧）设置总体具有负折光力的透镜单元。
在光学系统的后侧（在照相机等的图像拾取光学系统的情况下，为在图像侧，或者，在投影仪等的投影光学系统的情况下，为在原始图像侧）设置具有正折光力的透镜单元，以由此实现短的焦距和长的后焦距（back focus）。
反焦透镜具有在光学系统的前侧设置具有负折光力的透镜单元的不对称折光力布置，由此可能产生负畸变（桶型畸变）。
为了减少负畸变，会希望具有负折光力的透镜单元的负透镜由高折射率材料制成。但是，高折射率材料一般具有高的色散（dispersion）特性，由此可能产生负的横向色差。
日本专利申请公开No.H09-033801公开了用于图像拾取光学系统中的反焦透镜。所述反焦透镜具有单个的焦距，并且包含从物侧到像侧依次设置的具有负折光力的第一透镜单元和具有正折光力的第二透镜单元。
在日本专利申请公开No.H09-033801中，为了校正横向色差，设置具有负折光力的第一透镜单元，并且，在接近第一透镜单元的透镜单元中设置由高色散玻璃制成的正透镜。但是，在这种结构中，高次横向色差不被充分校正而仍残留。因此，高的像高部分（大场角区域）中的g线的横向色差沿正方向改变，并由此可能进行过度的校正。
日本专利申请公开No.H06-082689公开了用于投影光学系统中的反焦透镜。所述反焦透镜具有单个的焦距，并且包含从屏幕侧到原始图像侧依次设置的具有负折光力的第一透镜单元和具有正折光力的第二透镜单元。
在日本专利申请公开No.H06-082689中，为了校正负的横向色差，在入射透镜的旁轴主光线的高度“h”（距光轴的距离）相对高的孔径光阑的后面，设置由具有异常部分色散的低色散材料制成的正透镜。但是，在这种结构中，高次横向色差不被充分校正而仍残留。因此，高的像高部分（大场角区域）中的g线的横向色差沿正方向改变，由此会进行过度的校正。
美国专利No.7,426,079公开了用于反焦图像拾取光学系统中的反焦透镜和变焦透镜。所述反焦透镜具有单个的焦距，并且包含从物侧到像侧依次设置的具有负折光力的第一透镜单元和具有正折光力的第二透镜单元。
根据美国专利No.7,426,079，为了校正负的横向色差，对于在入射透镜表面的旁轴主光线的高度“h”（距光轴的距离）相对高的孔径光阑的后面设置的透镜单元，使用具有异常部分色散的高色散树脂材料。但是，由于将树脂材料用于透镜，因此透镜自身（alone）的光焦度（power）不可增加。因此，不能充分校正色差以外的像差。即使当透镜的光焦度增加时，由于透镜的折射率低，因此包含基准波长的畸变的各种像差残留下来，由此需要用于校正像差的另外的透镜。
发明内容
根据本发明的光学系统包括：孔径光阑；和被设置在孔径光阑的缩小共轭侧的第一正透镜，其中，满足以下条件：
0.79<θgFR-(1.00×10-4×νdR 2-9.10×10-3×νdR)<0.86，
10<νdR<30，和
0.5<fGR/f＜1.9，
这里，fGR表示第一正透镜的焦距，f表示整个光学系统的焦距，NgR、NFR、NdR和NCR分别表示第一正透镜相对于g线、F线、d线和C线的折射率，θgFR和vdR分别表示第一正透镜的部分色散比和阿贝数，并且，这里，vdR和θgFR被如下表示：
νdR=(NdR-1)/(NFR-NCR)，
θgFR=(NgR-NFR)/(NFR-NCR)。
根据本发明，可以提供能够很好地校正色差并具有高的光学性能的光学系统和包括所述光学系统的光学装置。
从参照附图对示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征变得明显。
附图说明
图1是示出当物距为无限大时本发明的数值实施例1的透镜横截面图。
图2是当物距为1.6m时本发明的数值实施例1中的纵向像差图。
图3是示出当投影距离为无限大时本发明的数值实施例2的透镜横截面图。
图4A、图4B和图4C是当投影距离为1.35m时本发明的数值实施例2中的纵向像差图。
图5是示出当投影距离为无限大时本发明的数值实施例3的透镜横截面图。
图6A、图6B和图6C是当投影距离为2.5m时本发明的数值实施例3中的纵向像差图。
图7是示出当物距为无限大时本发明的数值实施例4的透镜横截面图。
图8A、图8B和图8C是当物距为1.2m时本发明的数值实施例4中的纵向像差图。
图9是示出当投影距离为无限大时本发明的数值实施例5的透镜横截面图。
图10A、图10B和图10C是当投影距离为1.35m时本发明的数值实施例5中的纵向像差图。
图11是示出当物距为无限大时本发明的数值实施例6的透镜横截面图。
图12A、图12B和图12C是当物距为1.2m时本发明的数值实施例6中的纵向像差图。
图13是示出当物距为无限大时本发明的数值实施例7的透镜横截面图。
图14A、图14B和图14C是当物距为无限大时本发明的数值实施例7中的纵向像差图。
图15是示出根据本发明的图像拾取装置的解释图。
图16是示出根据本发明的投影装置的解释图。
图17是示出根据本发明的图像拾取装置的解释图。
具体实施方式
现在根据附图来详细描述本发明的优选实施例。
根据本发明的光学系统中的每一个是具有单个焦距的透镜系统（实施例1）以及从放大共轭侧（放大侧）依次包含具有负折光力的第一透镜单元和具有正折光力或负折光力的第二透镜单元的变焦透镜（实施例1以外的实施例）中的任一个。
（类型1）
在根据实施例的光学系统中，描述类型1的光学系统，即具有单个焦距的透镜系统。
在根据实施例1的具有单个焦距的透镜系统中，在设置在孔径光阑的缩小共轭侧的透镜单元中包含满足以下条件的第一正透镜（正透镜A）。假定第一正透镜的材料相对于g线（波长为435.8nm）、F线（波长为486.1nm）、d线（波长为587.6nm）和C线（波长为656.3nm）的折射率分别用NgR、NFR、NdR和NCR来表示。
在这种情况下，正透镜的部分色散比θgFR和阿贝数vdR被定义如下。
νdR=(NdR-1)/(NFR-NCR)
θgFR=(NgR-NFR)/(NFR-NCR)
当用fGR表示第一正透镜的焦距并且用f表示整个系统的焦距时，第一正透镜满足以下条件。
0.79<θgFR-(1.00×10-4×νdR 2-9.10×10-3×νdR)<0.86（1）
10<νdR<30…（2）
0.5<fGR/f＜1.9…（3）
并且，在位于孔径光阑的缩小共轭侧的多个负透镜中，相对于d线的阿贝数最小的第一负透镜满足以下条件：
0 < | v NR min &times; f NR f | < 25 &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 4 )
这里，vNRmin表示第一负透镜的阿贝数，fNR表示第一负透镜的焦距。
并且，第一正透镜满足以下条件：
1.7<NdR<2.2…（5）
并且，在根据实施例1的光学透镜中，在第一正透镜以外的位于孔径光阑的缩小共轭侧的正透镜之中，相对于d线的阿贝数最大的第二正透镜满足以下条件：
65<νPRmax<98…（6）
这里，vPRmax表示第二正透镜的阿贝数。
会希望如上所述的具有单个焦距的透镜系统具有比焦距长的后焦距。后焦距指的是设置在最缩小共轭侧的透镜的缩小共轭侧表面和像面之间的距离。当在光路上存在玻璃块（例如棱镜或低通滤波器）时，通过将与玻璃块的厚度对应的等效空气值（通过将玻璃块的厚度转换成空气值而得到的值）与除了玻璃块的厚度以外的空气距离相加来获得后焦距。
（类型2）
接着，在根据实施例的光学系统中，以下描述类型2的光学系统即变焦透镜。
作为根据实施例的光学系统之一的变焦透镜从放大共轭侧依次包含具有负折光力的第一透镜单元和具有正折光力或负折光力的后组（rear group）。单元之间的间隔在变焦期间改变。在孔径光阑的缩小共轭侧设置第一正透镜（正透镜A）。第一正透镜满足下面的条件式（7）、（8）和（9）。
假定第一正透镜的材料的部分色散比、第一正透镜的阿贝数和第一正透镜的焦距分别用θgFz、vdz和fGz来表示。另外，假定整个系统在广角端处的焦距和整个系统在望远端处的焦距分别用fw和fT来表示。在这种情况下，满足以下条件。
0.79<θgFz-(1.00×10-4×νdz 2-9.10×10-3×νdz)<0.86···（7）
10<νdz<30…（8）
0.5 < f Gz / f W &times; f T < 1.9 &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 9 )
部分色散比和阿贝数与在（类型1）中定义的相同。即，当第一正透镜的材料相对于g线（波长为435.8nm）、F线（波长为486.1nm）、d线（波长为587.6nm）和C线（波长为656.3nm）的折射率分别用Ngz、NFz、Ndz和NCz来表示时，阿贝数vdz和部分色散比θgFz被表示如下。
νdz=(Ndz-1)/(NFz-NCz)
θgFz=(Ngz-NFz)/(NFz-NCz)
变焦透镜包含第一透镜单元和第二透镜单元，所述第一透镜单元被设置在最放大共轭侧并具有负折光力，所述第二透镜单元被设置在第一透镜单元的缩小共轭侧并具有正折光力。上述的后组可仅包含第二透镜单元（实施例3），或者可包含第二透镜单元和第二透镜单元以外的透镜单元。在包含于变焦透镜中的透镜单元中，会希望位于最缩小共轭侧的透镜单元为具有正折光力的透镜单元。
在位于孔径光阑（表面）的缩小共轭侧的多个负透镜中，相对于d线的阿贝数最小的第一负透镜满足以下条件：
0 < | v Nz min &times; f Nz f W &times; f T | < 25 &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 10 )
这里，vNzmin表示第一负透镜的阿贝数，fNz表示第一负透镜的焦距。
并且，第一正透镜可优选满足以下条件：
1.7<Ndz<2.2···（11）
在第一正透镜以外的位于孔径光阑的缩小共轭侧的正透镜之中，相对于d线的阿贝数最大的第二正透镜满足以下条件：
65<νPzmax<98…（12）
这里，vPzmax表示第二正透镜的阿贝数。
以下描述与如上所述的结构对应的效果。
在本发明的实施例中的每一个中描述的反焦光学系统具有相对于孔径光阑的位置不对称的折光力布置。当如上所述具有不对称折光力布置的光学系统的场角增加时，低次畸变和高次畸变均可能产生。即使对于基准波长以外的波长也可以这样说。大量的低次和高次色差（颜色畸变）均可能产生。
在旁轴理论中，低次畸变或低次横向色差被表示为三次像差系数。高次畸变或高次横向色差被表示为至少五次的像差系数。
当产生大量的如上所述的低次像差时，由于像高的变化导致的像差的变化量变大。当产生大量的高次像差时，由于像高的变化，所以在像差曲线中出现拐点（inflection point）（大的拐点），由此像差曲线弯曲。为了很好地校正上述结构中的各种像差，会希望增加透镜单元中的每一个的透镜的数量从而提高设计的自由度。但是，当透镜的数量增加时，存在整个透镜系统的尺寸和重量增加的缺点。
在根据实施例中的每一个的反焦光学系统的情况下，可能在光路上在轴上光束直径最大的孔径光阑的附近产生轴上色差。在上述结构中，为了很好地校正（减少）轴上色差，会希望在孔径光阑的附近使用这样的透镜，所述透镜具有正光焦度，并由具有对于基准线的偏差（ΔθgF）为正值的异常部分色散特性的材料制成。但是，当在孔径光阑的放大共轭侧设置具有正光焦度并由具有对于基准线的偏差（ΔθgF）为正值的异常部分色散特性的材料制成的透镜时，轴上色差被校正，但横向色差却进一步增加。注意，基准线是用“θgF=-1.625×10-3×νd+0.642”来表达的直线。
在本发明的实施例中的每一个中，在孔径光阑SP的缩小共轭侧设置满足条件式（1）至（3）或条件式（7）至（9）的正透镜A（第一正透镜）。
因此，在第一透镜单元L1中产生的各种像差，特别是相对于g线和F线的横向色差量之间的差被减小，以校正在孔径光阑SP附近产生的轴上色差。当采用如上所述的透镜结构时，在整个屏幕上减少在整个光学系统中产生的轴上色差量和横向色差量。
下面，更加详细地描述上述的条件式的技术含义。注意，条件式（1）至（3）与条件式（7）至（9）对应，并且，条件式（1）至（3）与根据本发明的光学系统包含单焦点透镜的情况对应，条件式（7）至（9）与光学系统包含可变倍率（magnification）变焦透镜的情况对应。
条件式（1）和（7）各涉及反焦透镜中设置在孔径光阑SP的缩小共轭侧的正透镜A（第一正透镜）的部分色散比。当不满足条件式（1）和（7）的上限条件时，部分色散比变大，从而存在减小g线和F线之间的轴上色差量和横向色差量中的每一个的差的效果。但是，g线和C线之间的轴上色差量和横向色差量中的每一个的差加宽，并且变得难以减小该差。因此，不可避免地增加透镜的数量，由此增加整个透镜系统的尺寸和重量。另一方面，当不满足条件式（1）和（7）的下限条件时，部分色散比变小，由此高次色差的校正力变弱。因此，为了减少残留的高次色差，不可避免地增加透镜的数量，由此增加整个透镜系统的尺寸和重量。
条件式（1）和（7）可被更优选地如下设定。
0.793<θgFR-(1.00×10-4×νdR 2-9.10×10-3×νdR)<0.85…（1a）
0.793<θgFz-(1.00×10-4×νdz 2-9.10×10-3×νdz)<0.85…（7a）
条件式（1）和（7）可被进一步更优选地如下设定。
0.796<θgFR-(1.00×10-4×νdR 2-9.10×10-3×νdR)<0.84…（1b）
0.796<θgFz-(1.00×10-4×νdz 2-9.10×10-3×νdz)<0.84···（7b）
条件式（2）和（8）各涉及设置在孔径光阑SP的缩小共轭侧的正透镜A的阿贝数值。当不满足条件式（2）和（8）的上限条件时，正透镜A的色散减小，由此，减小g线和F线之间的轴上色差量和横向色差量中的每一个的差的效果变小。因此，为了获得相同的效果，需要提供具有大光焦度的正透镜A，由此变得难以校正其它各种像差。另一方面，当不满足条件式（2）和（8）的下限条件时，正透镜A的色散增加。因此，减小g线和F线之间的轴上色差量和横向色差量中的每一个的差的效果变大。但是，g线和C线之间的差加宽，并且变得难以减小该差。因此，不可避免地增加透镜的数量，由此增加整个透镜系统的尺寸和重量。
条件式（2）和（8）可被更优选地如下设定。
15<νdR<29…（2a）
15<νdz<29…（8a）
条件式（3）和（9）各涉及设置在孔径光阑SP的缩小共轭侧的正透镜A的折光力。当不满足条件式（3）和（9）的上限条件时，设置在孔径光阑SP的缩小共轭侧的正透镜A（第一正透镜）的折光力变弱，由此减小g线和F线之间的轴上色差量和横向色差量中的每一个的差的效果变小。因此，为了校正残留的高次色差，不可避免地增加透镜的数量，由此增加整个透镜系统的尺寸和重量。另一方面，当不满足条件式（3）和（9）的下限条件时，设置在孔径光阑SP的缩小共轭侧的正透镜A的折光力变得太强，由于变得难以校正g线和C线之间的轴上色差量和横向色差量中的每一个的差，因此这不是优选的。
为了进一步改善光学性能，条件式（3）和（9）的数值范围被优选地如下设定。
0.8<fGR/f＜1.85…（3a）
0.8 < f Gz / f W &times; f T < 1.85 &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 9 a )
根据实施例中的每一个，当如上面描述的那样规定各自的结构条件时，可以在反焦成像光学系统中在整个屏幕上很好地校正色差，并由此可获得高质量图像。
然后，当满足条件式（4）和（10）、条件式（5）和（11）、或条件式（6）和（12）时，可获得更加优异的光学性能。
条件式（4）和（10）各涉及设置在孔径光阑的缩小共轭侧的负透镜的色差的校正力。当不满足条件式（4）和（10）的上限条件时，设置在孔径光阑的缩小共轭侧的负透镜的色差校正力变弱。因此，为了校正残留的色差，不可避免地增加透镜的数量，由此增加整个透镜系统的尺寸和重量。另一方面，当不满足条件式（4）和（10）的下限条件时，设置在孔径光阑的缩小共轭侧的负透镜的焦距减小至零，由此变得难以执行均衡的像差校正。
为了进一步改善光学性能，条件式（4）和（10）的数值范围被优选地如下设定。
5 < | v NR min &times; f NR f | < 20 &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 4 a )
5 < | v Nz min &times; f Nz f W &times; f T | < 20 &CenterDot; &CenterDot; &CenterDot; ( 10 a )
条件式（5）和（11）各涉及设置在孔径光阑SP的缩小共轭侧的正透镜A（第一正透镜）的折射率值。难以将不满足条件式（5）和（11）的上限条件的材料用作光学部件。另一方面，当不满足条件式（5）和（11）的下限条件时，基准波长的像差校正力（特别是畸变校正力）变弱，由此变得难以用均衡的方式校正各种像差。
条件式（5）和（11）可被更优选地如下设定。
1.71<NdR<2.0…（5a）
1.71<Ndz<2.0…（11a）
条件式（6）和（12）各涉及设置在孔径光阑的缩小共轭侧的正透镜的最大阿贝数。当不满足条件式（6）和（12）的上限条件时，设置在孔径光阑的缩小共轭侧的正透镜的色散变得太低，由此色差被过度校正。另一方面，当不满足条件式（6）和（12）的下限条件时，设置在孔径光阑的缩小共轭侧的正透镜的色散变高。因此，为了以均衡的方式校正色差，不可避免地增加透镜的数量，由此增加整个透镜系统的尺寸和重量。
为了进一步改善光学性能，条件式（6）和（12）的数值范围被优选地如下设定。
70<νPRmax<96…（6a）
70<νPzmax<96…（12a）
下面，参照附图详细描述根据实施例的成像光学系统的结构。
首先，描述实施例的透镜横截面图。
在透镜横截面图（图1、图3、图5、图7、图9、图11和图13）中，附图标记LA表示成像光学系统LA，SP表示孔径光阑，L1表示第一透镜单元，L2表示第二透镜单元，L3表示第三透镜单元，L4表示第四透镜单元，L5表示第五透镜单元，L6表示第六透镜单元，LF表示浮动（floating）透镜单元。像面IP与固态图像拾取元件（光电变换器）或液晶板（液晶显示装置）的原始图像（投影图像）对应。
在像差图中，d线和g线分别由附图标记d和g表示，子午像面和弧矢像面分别由附图标记M和S表示。横向色差由g线表示。f数由附图标记fno表示，半场角由附图标记ω表示。
在关于实施例1的像差图（图2）中，以0.4mm的刻度（scale）绘制球面像差曲线，以0.4mm的刻度绘制像散曲线，以2%的刻度绘制畸变曲线，以0.05mm的刻度绘制横向色差曲线。在关于实施例2的像差图（图4A、图4B和图4C）中，以0.2mm的刻度绘制球面像差曲线，以0.2mm的刻度绘制像散曲线，以2%的刻度绘制畸变曲线，以0.02mm的刻度绘制横向色差曲线。在关于实施例3的像差图（图6A、图6B和图6C）中，以0.4mm的刻度绘制球面像差曲线，以0.4mm的刻度绘制像散曲线，以2%的刻度绘制畸变曲线，以0.05mm的刻度绘制横向色差曲线。在关于实施例4的像差图（图8A、图8B和图8C）中，以0.4mm的刻度绘制球面像差曲线，在0.4mm的刻度绘制像散曲线，以5%的刻度绘制畸变曲线，以0.05mm的刻度绘制横向色差曲线。在关于实施例5的像差图（图10A、图10B和图10C）中，以0.2mm的刻度绘制球面像差曲线，以0.2mm的刻度绘制像散曲线，在2%的刻度绘制畸变曲线，以0.02mm的刻度绘制横向色差曲线。在关于实施例6的像差图（图12A、图12B和图12C）中，以0.4mm的刻度绘制球面像差曲线，以0.4mm的刻度绘制像散曲线，以5%的刻度绘制畸变曲线，以0.05mm的刻度绘制横向色差曲线。在关于实施例7的像差图（图14A、图14B和图14C）中，以0.1mm的刻度绘制球面像差曲线，以0.1mm的刻度绘制像散曲线，以5%的刻度绘制畸变曲线，以0.02mm的刻度绘制横向色差曲线。
广角端与最小焦距的情况对应，而望远端与最大焦距的情况对应。具体而言，在实施例2至5和实施例7中的每一个中，广角端和望远端与用于改变倍率的第二透镜单元L2位于第二透镜单元在机械上沿光轴方向可移动的范围的两端中的一个上的情况对应。在实施例6中，广角端和望远端与第四透镜单元L4位于第四透镜单元沿光轴方向可移动的范围的两端中的一个上的情况对应。
<实施例1>
根据实施例1的成像光学系统是具有40.9°的半场角的广场角透镜。图1是示出根据本发明的实施例1的成像光学系统的透镜横截面图。图2是根据实施例1的成像光学系统的物距（其为距像面IP的距离（在以下描述中同样适用））为1.6m的情况下的纵向像差图。
根据实施例1的成像光学系统LA是单焦点透镜，其从放大共轭侧依次包括具有负折光力的固定透镜单元LFix、具有正折光力的第一浮动透镜单元LF1、孔径光阑SP、和具有正折光力的第二浮动透镜单元LF2。
对于聚焦，固定透镜单元LFix不移动。第一浮动透镜单元LF1在从无限远（infinite-distance）物体到近距离物体的聚焦期间向放大共轭侧移动。第二浮动透镜单元LF2也在从无限远物体到近距离物体的聚焦期间向放大共轭侧移动。在这种情况下，第一浮动透镜单元LF1和第二浮动透镜单元LF2向放大共轭侧移动，同时第一浮动透镜单元LF1和第二浮动透镜单元LF2之间的间隔减小。孔径光阑SP与第二浮动透镜单元LF2一起移动。
在第二浮动透镜单元LF2中，最靠近像面IP设置的正透镜A（Nd＝1.73000，vd＝26.0，θgF＝0.635）满足条件式（1）至（3）。
在实施例1中，可在第二浮动透镜单元LF2的缩小共轭侧进一步设置在聚焦期间移动或不移动的至少一个透镜单元。
<实施例2>
实施例2描述广角端处的半场角为33.3°、望远端处的半场角为22.9°、变焦比为1.56的变焦透镜。图3是示出根据本发明的实施例2的成像光学系统在广角端处的透镜横截面图。图4A、图4B和图4C分别是在根据实施例2的成像光学系统的物距为1.35m的情况下的广角端、中间变焦位置和望远端处的纵向像差图。
根据实施例2的成像光学系统从放大共轭侧依次包括设置的第一、第二、第三、第四、第五和第六透镜单元L1至L6。第一、第二、第三、第四、第五和第六透镜单元L1至L6分别具有负折光力、正折光力、正折光力、负折光力、正折光力和正折光力。
第一透镜单元L1在从无限远到近距离的聚焦期间向放大共轭侧移动。在从广角端向望远端的变焦期间，第一透镜单元L1和第六透镜单元L6不移动。在从广角端到望远端的变焦期间，第二、第三、第四和第五透镜单元L2、L3、L4和L5向放大共轭侧移动，以改变倍率或校正由于倍率导致的像面变化。
在本实施例中，第二、第三、第四和第五透镜单元L2、L3、L4和L5在变焦期间相互独立地移动。
第三透镜单元L3包含孔径光阑SP。设置在孔径光阑SP的缩小共轭侧的正透镜A（Nd＝1.77071，vd＝23.0，θgF＝0.668）满足条件式（7）至（9）。
玻璃块GB与颜色合成棱镜、偏振滤光器、滤色器等对应。
<实施例3>
实施例3描述广角端处的半场角为27.9°、望远端处的半场角为18.6°、变焦比为1.58的变焦透镜。图5是示出根据本发明的实施例3的成像光学系统在广角端处的透镜横截面图。图6A、图6B和图6C分别是根据实施例3的成像光学系统的物距为2.5m的情况下的广角端、中间变焦位置和望远端处的纵向像差图。
根据实施例3的成像光学系统从放大共轭侧依次包括具有负折光力的第一透镜组L1、具有正折光力的第二透镜单元L2、具有正折光力的第三透镜单元L3、具有负折光力的第四透镜单元L4和具有正折光力的第五透镜单元L5。
在从无限远到近距离的聚焦期间，包含于第一透镜组L1中的聚焦单元L1F向放大共轭侧移动。在从广角端向望远端的变焦期间，第一透镜单元L1和第五透镜单元L5不移动。在从广角端向望远端的变焦期间，第二、第三和第四透镜单元L2、L3和L4向放大共轭侧移动，以改变倍率或校正由于倍率导致的像面变化。在本实施例中，第二、第三和第四透镜单元L2、L3和L4在变焦期间相互独立地移动。
第二透镜单元L2包含孔径光阑SP。被设置在孔径光阑SP的缩小共轭侧并且最靠近像面IP的正透镜A（Nd＝1.77071，vd＝23.0，θgF＝0.668）满足条件式（7）至（9）。
玻璃块GB与颜色合成棱镜、偏振滤光器、滤色器等对应。
<实施例4>
实施例4描述广角端处的半场角为40.5°、望远端处的半场角为23.8°、变焦比为1.93的变焦透镜。图7是示出根据本发明的实施例4的成像光学系统在广角端处的透镜横截面图。图8A、图8B和图8C分别是根据实施例4的成像光学系统的物距为1.2m的情况下的广角端、中间变焦位置和望远端处的纵向像差图。
根据实施例4的成像光学系统从放大共轭侧依次包括具有负折光力的第一透镜单元L1和具有正折光力的第二透镜单元L2。在从无限远到近距离的聚焦期间，第一透镜单元L1向放大共轭侧移动。在从广角端向望远端的变焦期间，第一透镜单元L1和第二透镜单元L2移动。在本实施例中，第一透镜单元L1和第二透镜单元L2在变焦期间相互独立地移动。
第二透镜单元L2包含孔径光阑SP。设置在孔径光阑SP的缩小共轭侧的正透镜A（Nd＝1.77071，vd＝23.0，θgF＝0.668）满足条件式（7）至（9）。
<实施例5>
实施例5描述广角端处的半场角为33.4°、望远端处的半场角为23.0°、变焦比为1.55的变焦透镜。图9是示出根据本发明的实施例5的成像光学系统在广角端处的透镜横截面图。图10A、图10B和图10C分别是根据实施例5的成像光学系统的物距为1.35m的情况下的广角端、中间变焦位置和望远端处的纵向像差图。
根据实施例5的成像光学系统从放大共轭侧依次包括第一到第六透镜单元L1至L6。第一到第六透镜单元L1至L6分别具有负折光力、正折光力、正折光力、负折光力、正折光力和正折光力。在从无限远到近距离的聚焦期间，第一透镜单元L1向放大共轭侧移动。在从广角端向望远端的变焦期间，第一透镜单元L1和第六透镜单元L6不移动。在从广角端向望远端的变焦期间，第二、第三、第四和第五透镜单元L2、L3、L4和L5向放大共轭侧移动，以改变倍率或校正由于倍率导致的像面变化。在本实施例中，第二、第三、第四和第五透镜单元L2、L3、L4和L5在变焦期间相互独立地移动。
第三透镜单元L3包含孔径光阑SP。设置在孔径光阑SP的缩小共轭侧的正透镜A（Nd＝1.77071，vd＝23.0，θgF＝0.645）满足条件式（7）至（9）。
玻璃块GB与颜色合成棱镜、偏振滤光器、滤色器等对应。
<实施例6>
实施例6描述广角端处的半场角为39.8°、望远端处的半场角为23.8°、变焦比为1.88的变焦透镜。图11是示出根据本发明的实施例6的成像光学系统在广角端处的透镜横截面图。图12A、图12B和图12C分别是根据实施例6的成像光学系统的物距为1.2m的情况下的广角端、中间变焦位置和望远端处的纵向像差图。
根据实施例6的成像光学系统从放大共轭侧依次包括具有负折光力的第一透镜单元L1、具有负折光力的第二透镜单元L2、具有正折光力的第三透镜单元L3和具有正折光力的第四透镜单元L4。在从无限远到近距离的聚焦期间，第一透镜单元L1向放大共轭侧移动。在从广角端向望远端的变焦期间，第一透镜单元L1、第二透镜单元L2、第三透镜单元L3和第四透镜单元L4移动。在本实施例中，第一、第二、第三和第四透镜单元L1、L2、L3和L4在变焦期间相互独立地移动。
在根据本实施例的成像光学系统中，第四透镜单元L4包含孔径光阑SP。设置在孔径光阑SP的缩小共轭侧的正透镜A（Nd＝1.77071，vd＝23.0，θgF＝0.668）满足条件式（7）至（9）。
<实施例7>
实施例7描述广角端处的半场角为33.6°、望远端处的半场角为8.40°并且变焦比为4.48的变焦透镜。图13是示出根据本发明的实施例7的成像光学系统在广角端处的透镜横截面图。图14A、图14B和图14C分别是根据实施例7的成像光学系统的物距为无限远的情况下的广角端、中间变焦位置和望远端处的纵向像差图。
根据实施例7的成像光学系统从放大共轭侧依次包括具有负折光力的第一透镜单元L1、具有负折光力的第二透镜单元L2、具有正折光力的第三透镜单元L3和具有正折光力的第四透镜单元L4。在从无限远到近距离的聚焦期间，第四透镜单元L4向放大共轭侧移动。在从广角端向望远端的变焦期间，第二、第三和第四透镜单元L2、L3和L4移动。在本实施例中，第二、第三和第四透镜单元L2、L3和L4在变焦期间相互独立地移动。
第三透镜单元L3包含孔径光阑SP。设置在孔径光阑SP的缩小共轭侧的正透镜A（Nd＝1.77071，vd＝23.0，θgF＝0.645）满足条件式（7）至（9）。
以下，描述与本发明的实施例1至7对应的数值实施例1至7。在各自的数值实施例中，系统聚焦于无限远物体上的情况下的整个系统的焦距（mm）、F数和场角（度）分别由f、fno和2ω表示。r（mm）表示光学表面的曲率半径，d（mm）表示透镜厚度或光学表面之间的空气间隔，nd表示相对于d线的折射率，且νd表示相对于d线的阿贝数。此外，数值实施例中的“可变间隔”的单位为“mm”。
假定光轴方向是X轴，与光轴垂直的方向是H轴，并且，光行进方向为正。在这种情况下，当R表示旁轴曲率半径，k表示偏心率，A、B、C、D和E表示非球面系数时，用下式来表示非球面表面形状。
X = ( H 2 R ) { 1 + 1 - ( 1 + K ) &CenterDot; ( H R ) 2 } + A &CenterDot; H 2 + B &CenterDot; H 4 + C &CenterDot; H 6 + D &CenterDot; H 8 + E &CenterDot; H 10
上述的各自条件式和数值实施例中的各数值之间的关系在表1中示出。
（数值实施例1）
f＝25.00  Fno=1.46  2ω=81.8°
Figure BDA00002812651100181
非球面数据
第18表面
K=0.00000e+000    A=0                   B=1.29928e-005    C=9.54236e-009
D=-1.36553e-010   E=3.48384e-013
第19表面
K=0.00000e+000    A=0                   B=3.56049e-007    C=-3.33936e-008
D=7.24902e-011    E=-3.40933e-014
（数值实施例2）
f＝18.55~21.99~28.98  Fno=1.85~2.12~2.60  2ω=66.7°~58.0°~45.7°
Figure BDA00002812651100191
Figure BDA00002812651100201
非球面数据
第7表面
K=4.92437e+003     A=0                          B=2.00194e-005    C=-4.37081e-008
D=8.87604e-011     E=-1.81134e-013
第8表面
K=0.00000e+000     A=0                          B=1.23110e-005    C=-3.65955e-008
E=-6.55099e-014    F=-7.73723e-017
Figure BDA00002812651100211
（数值实施例3）
f＝48.85~62.70~77.00    Fno=2.50~2.85~3.20    2ω=55.86°~44.88°~37.18°
Figure BDA00002812651100212
Figure BDA00002812651100221
非球面数据
第9表面
K=-6.03718e-001   A=0        B=2.23798e-007    C=-1.13330e-009
D=3.04999e-012
第17表面
K=1.93656e-003    A=0        B=1.30289e-007    C=-1.61419e-009
D=5.48305e-012
可变间隔    焦距     48.85    62.70    77.00
d8          38.51    21.05    7.80
d11         9.62     12.27    12.56
d14         0.76     7.11     18.60
d18         10.90    19.35    20.83
（数值实施例4）
f＝25.33~38.00~48.94    Fno=3.33~3.99~4.68    2ω=81.00°~59.31°~47.70°
Figure BDA00002812651100222
Figure BDA00002812651100231
非球面数据
第2表面
K=-7.74650e-001    A=0    B=2.09451e-005    C=1.23678e-008
D=2.76193e-010
第15表面
K=-5.17403e+000    A=0    B=2.07003e-005    C=-1.16063e-007
D=6.03801e-010
可变间隔    焦距    25.33    38.00    48.94
d6                  22.78    7.49    0.65
（数值实施例5）
f＝18.48~22.08~28.72    Fno=1.85~2.14~2.59    2ω=66.86°~57.84°~46.03°
Figure BDA00002812651100232
Figure BDA00002812651100241
Figure BDA00002812651100251
非球面数据
第7表面
K=4.92437e+003     A=0                         B=2.00194e-005    C=-4.37081e-008
D=8.87604e-011     E=10=-1.81134e-013
第8表面
K=0.00000e+000     A=0                         B=1.23110e-005    C=-3.65955e-008
D=3.61352e-011     E=-6.55099e-014             F=-7.73723e-017
Figure BDA00002812651100252
（数值实施例6）
f＝26.00~38.00~49.00    Fno=3.40~4.00~4.69    2ω=79.53°~59.31°~47.65°
Figure BDA00002812651100253
Figure BDA00002812651100261
非球面数据
第2表面
K=-7.94601e-001    A=0    B=1.16488e-005    C=3.23331e-008
D=7.35835e-011
第15表面
K=-5.94583e+000    A=0    B=1.76388e-005    C=-1.53351e-007
D=5.88307e-010
（数值实施例7）
f＝5.45~13.02~24.22    Fno=2.80~4.00~5.60    2ω=66.45°~30.67°~16.77°
Figure BDA00002812651100271
非球面数据
第2表面
K=0.00000e+000     A=0                       B=-4.76782e-005    C=-1.33978e-006
D=1.87321e-008     E=-1.43601e-010
第7表面
K=0.00000e+000     A=0                       B=-4.04618e-005    C=-3.22721e-007
D=9.56895e-009     E=-1.77075e-010
第12表面
K=0.00000e+000     A=0                       B=-1.25054e-005    C=-2.08374e-007
D=-5.06991e-009    E=-3.83585e-011
第17表面
K=0.00000e+000     A=0                       B=3.09708e-004    C=4.27334e-006
D=1.39680e-008     E=2.88779e-009
第20表面
K=0.00000e+000     A=0                       B=-1.55949e-004    C=9.47994e-006
D=-5.56983e-007    E=1.14305e-008
Figure BDA00002812651100281
<表1>
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 实施例7
条件式(1) 0.804 --- --- --- --- --- ---
条件式(2) 26 --- --- --- --- --- ---
条件式(3) 1.85 --- --- --- --- --- ---
条件式(4) 13.73 --- --- --- --- --- ---
条件式(5) 1.73000 --- --- --- --- --- ---
条件式(6) 94.99 --- --- --- --- --- ---
条件式(7) --- 0.825 0.825 0.825 0.802 0.825 0.802
条件式(8) --- 23 23 23 23 23 23
条件式(9) --- 1.72 1.45 1.42 1.52 1.40 1.57
条件式(10) --- 17.01 16.76 11.35 16.68 11.45 18.60
条件式(11) --- 1.77071 1.77071 1.77071 1.77071 1.77071 1.77071
条件式(12) --- 81.54 70.23 70.23 81.54 70.23 70.23
下面，描述根据本发明的成像光学系统被应用于图像拾取装置（照相机系统）的例子。图15是示出根据本发明的成像光学系统被应用于单镜头反射照相机（single-lens reflex camera）的图像拾取光学系统的例子的主要部分示意图。在图15中，图像拾取透镜10包含根据实施例1至7中的任一个的图像拾取光学系统1和用于支撑图像拾取光学系统1的镜筒2。照相机主体20包含用于向上反射来自图像拾取透镜10的光束的快速返回镜3、设置在图像拾取透镜10的图像形成位置中的聚焦板4、和用于将在聚焦板4上形成的倒像转换成正像的五角屋脊棱镜（penta roofprism）5。照相机主体20还包括用于观察通过转换获得的正像的目镜6和感光面7。在感光面7处设置诸如CCD传感器或CMOS传感器的固态图像拾取元件（光电变换器）或者卤化银膜。当要使用图像拾取装置来执行图像拾取（在图像拾取的情况下）时，快速返回镜3从光路移除，并且，通过图像拾取透镜10在感光面7上形成图像。
下面，参照图16描述根据本发明的成像光学系统被应用于图像投影装置的投影光学系统的例子。
图16示出使用根据本发明的成像光学系统的三板型彩色液晶投影仪，该投影仪是基于多个液晶显示元件的多个色束的图像信息被颜色合成单元合成并且被投影透镜放大投影到屏幕上的图像投影装置。在图16所示的彩色液晶投影仪100中，来自用于R（红光）、G（绿光）和B（蓝光）的三个板5R、5G和5B的R、G和B的各自的色束被充当颜色合成单元的棱镜200合成，以由此形成单个光路。在图16中，单个棱镜200被示为颜色合成单元。但是，本发明不限于这种棱镜。可以使用多个棱镜（二向色棱镜或偏振光束分离器）。通过颜色合成单元获得的合成色束（具有颜色图像信息的光束）通过包含上述的成像光学系统之一的投影透镜300被投影到屏幕400。
下面，参照图17描述使用根据本发明的光学系统（特别是在实施例7中描述的变焦透镜）作为图像拾取光学系统的数字静态照相机的例子。在图17中，数字静态照相机包含照相机主体30、图像拾取光学系统31、诸如CCD传感器或CMOS传感器的固态图像拾取元件32、存储器33和取景器34。固态图像拾取元件32包含于照相机主体30中，并且从通过图像拾取光学系统31形成的被摄对象的图像接收光。存储器33存储与由固态图像拾取元件32通过光电转换而获得的被摄对象的图像对应的信息。取景器34包含液晶显示板，并被用于观察在固态图像拾取元件32上形成的被摄对象的图像。
如上所述，当根据实施例1至7中的任一个的成像光学系统被应用于单镜头反射照相机、数字照相机或投影仪时，可以实现具有高的光学性能的光学装置。
已描述了本发明的示例性实施例，但本发明不限于所述实施例，并且，在不背离本发明的范围的情况下，可以进行各种修改和变化。例如，在实施例1至7中，可以在第一透镜单元L1的物侧和位置最接近像侧的透镜单元的像侧中的至少一侧设置诸如转换透镜（converter lens）或远焦（afocal）透镜的透镜单元。
根据如上所述的本发明实施例中的每一个，可以获得在整个屏幕上校正色差以实现高的光学性能的成像光学系统、可在整个屏幕上校正色差以投影高质量图像的图像投影装置、和能够拾取高质量被摄对象的图像的图像拾取装置。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (4)

1.一种光学系统，所述光学系统从放大共轭侧依次包括第一透镜单元和后组，所述第一透镜单元具有负折光力，所述后组具有正折光力和负折光力中的一种并且包含至少一个透镜单元，其中，在包含所述第一透镜单元和所述后组的所述至少一个透镜单元的各透镜单元之间的各间隔在变焦期间变化，所述光学系统进一步包括：
孔径光阑；和
设置在所述孔径光阑的缩小共轭侧的第一正透镜，
其中，第一透镜单元被设置在最放大共轭侧，
其中，满足以下条件：
0.802≤θgFz-(1.00×10-4×νdz 2-9.10×10-3×νdz)<0.86，
10<νdz<30，以及
0.5 < f Gz / f W &times; f T < 1.9
这里，fGz表示所述第一正透镜的焦距，fW表示整个光学系统在广角端处的焦距，fT表示整个光学系统在望远端处的焦距，Ngz、NFz、Ndz和NCz分别表示所述第一正透镜相对于g线、F线、d线和C线的折射率，θgFz和vdz分别表示所述第一正透镜的部分色散比和阿贝数，并且，
这里，vdz和θgFz被如下表达：
νdz=(Ndz-1)/(NFz-NCz)，
θgFz=(Ngz-NFz)/(NFz-NCz)，以及
其中所述光学系统包括第一负透镜，所述第一负透镜在位于所述孔径光阑的缩小共轭侧的负透镜之中相对于d线的阿贝数最小；并且，
所述第一负透镜满足以下条件：
0 < | v Nz min &times; f Nz f W &times; f T | < 25
这里，vNzmin表示所述第一负透镜的阿贝数，fNz表示所述第一负透镜的焦距。
2.根据权利要求1的光学系统，其中，所述第一正透镜满足1.7<Ndz<2.2。
3.根据权利要求1的光学系统，其中，所述光学系统包括第二正透镜，所述第二正透镜在除第一正透镜之外的位于所述孔径光阑的缩小共轭侧的正透镜之中相对于d线的阿贝数最大；并且，
所述第二正透镜满足以下条件：
65<νPzmax<98
这里，vPzmax表示所述第二正透镜的阿贝数。
4.一种包括光学系统的光学装置，所述光学系统从放大共轭侧依次包括第一透镜单元和后组，所述第一透镜单元具有负折光力，所述后组具有正折光力和负折光力中的一种并且包含至少一个透镜单元，其中，在包含所述第一透镜单元和所述后组的所述至少一个透镜单元的各透镜单元之间的各间隔在变焦期间变化，所述光学系统进一步包括：
孔径光阑；和
设置在所述孔径光阑的缩小共轭侧的第一正透镜，
其中，第一透镜单元被设置在最放大共轭侧，
其中，满足以下条件：
0.802≤θgFz-(1.00×10-4×νdz 2-9.10×10-3×νdz)<0.86，
10<νdz<30，以及
0.5 < f Gz / f W &times; f T < 1.9
这里，fGz表示所述第一正透镜的焦距，fW表示整个光学系统在广角端处的焦距，fT表示整个光学系统在望远端处的焦距，Ngz、NFz、Ndz和NCz分别表示所述第一正透镜相对于g线、F线、d线和C线的折射率，θgFz和vdz分别表示所述第一正透镜的部分色散比和阿贝数，并且，
这里，vdz和θgFz被如下表达：
νdz=(Ndz-1)/(NFz-NCz)，
θgFz=(Ngz-NFz)/(NFz-NCz)，以及
其中所述光学系统包括第一负透镜，所述第一负透镜在位于所述孔径光阑的缩小共轭侧的负透镜之中相对于d线的阿贝数最小；并且，
所述第一负透镜满足以下条件：
0 < | v Nz min &times; f Nz f W &times; f T | < 25
这里，vNzmin表示所述第一负透镜的阿贝数，fNz表示所述第一负透镜的焦距。
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