CN103443686B - 可变放大率光学系统和成像设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种小尺寸、低成本、高性能并具有小F数和从可见光波长带至近红外波长带的色像差的出色校正的可变放大率光学系统。该可变放大率光学系统配备有从物体侧顺序地设置的正的第一透镜组(G1)、负的第二透镜组(G2)、光阑、正的第三透镜组(G3)、和正的第四透镜组(G4)。在放大率变化期间，第一透镜组(G1)、光阑和第三透镜组(G3)是固定的，而第二透镜组(G2)和第四透镜组(G4)沿光轴方向移动，并且第四透镜组(G4)具有聚焦功能。第三透镜组(G3)具有至少一个非球面表面，并包括从物体侧顺序地设置的正透镜(L31)以及由粘合在一起的正透镜(L32)和双凹透镜(L33)形成的粘合透镜。可变放大率光学系统满足关于第三透镜组(G3)的焦距、透镜(L31)的焦距、第三透镜组(G3)中的粘合透镜的焦距、粘合透镜的阿贝数等的条件表达式。

Description

可变放大率光学系统和成像设备

技术领域

本发明涉及一种用在摄像机、电子式静态相机等中的可变放大率光学系统和一种成像设备。具体地，本发明涉及一种特别适合监视相机并且可以用在可见光波长带和近红外波长带二者中的可变放大率光学系统，以及一种包括该可变放大率光学系统的成像设备。

背景技术

传统上，已经开发了用于CCTV(闭路电视)的可变放大率光学系统作为用在成像设备中的光学系统，所述成像设备例如是摄像机、电子式静态照相机和监视相机，所述光学系统采用成像装置，如CCD(电荷耦接器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)作为记录介质。作为用于CCTV的这种可变放大率光学系统，由四组构成的系统具有许多优点，例如简化镜筒-可变放大率机构以及操纵简单，并且已经提出了多种这种类型的光学系统。

例如，专利文献1和2公开了四组式变焦镜头。四组式变焦镜头由从物体侧顺序地设置的第一透镜组、第二透镜组、光阑、第三透镜组和第四透镜组构成。第一透镜组具有正屈光力，并且在放大率变化期间是固定的。第二透镜组具有负屈光力，并且在放大率变化期间沿光轴方向移动。光阑在放大率变化期间是固定的。第三透镜组具有正屈光力，并且在放大率变化期间是固定的。第四透镜组具有正屈光力，并且在放大率变化期间沿光轴方向移动。

相关技术文献 

专利文献

专利文献1：

日本专利No.4454731

专利文献2：

日本未审查专利公开No.2003-295055

发明内容

同时，由于监视相机的市场近年来急剧地膨胀，监视相机的研发中的竞争已经变得白热化。同时，需要一种透镜系统，其满足多种有利因素的，如大的相对光阑，使得透镜系统甚至能够用在低照明度摄像条件中，并且具有高性能，以及小且以低成本被构造而成。进一步，用于监视相机的透镜系统需要能够在可见光波长带和近红外波长带二者中使用，以便不仅在白天而且在夜间也能够进行拍摄，并且强烈地需要高的成像性能。

然而，对常规透镜系统来说难以同时满足所有前述要求。如在专利文献1和2中公开的可变焦镜头中一样，多种常规透镜系统用于去除可见光波长带中的色像差。因此，当可变焦镜头应用于包括可见光波长带至近红外波长带的宽波长范围时，出现大的色像差问题。

考虑到前述情况，本发明的目标是提供一种可变放大率光学系统，其具有小的F数和高的光学性能，其中在包括可见光波长带至近红外波长带的宽波长范围内出色地校正色像差，并且小且低成本。进一步，本发明的另一个目标是提供包括该可变放大率光学系统的成像设备。

本发明的可变放大率光学系统是一种可变放大率光学系统，包括：

具有正屈光力的第一透镜组；

具有负屈光力的第二透镜组；

光阑；

具有正屈光力的第三透镜组；和

具有正屈光力的第四透镜组，所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述光阑、所述第三透镜组和所述第四透镜组从物体侧顺序地设置，

其中第一透镜组、光阑和第三透镜组相对于像面是固定的，而第二透镜组和第四透镜组在放大率变化期间沿光轴方向移动，并且

其中第四透镜组具有聚焦功能，并且

其中第三透镜组至少包括非球面表面，并由从物体侧顺序地设置的正透镜和粘合透镜构成，所述粘合透镜由粘合在一起的正透镜和双凹透镜形 成，并且

其中满足下述公式(1)至(4)：

3.5<f3／fw<6...(1)

0.4<f31p／f3<1.2...(2)；

-0.8<f3／f3C<0.1...(3)；和

45<ν3Cn<ν3Cp...(4)，其中

f3：第三透镜组的焦距，

fw：整个系统在广角端处的焦距，

f31p：第三透镜组中最靠近物体侧的正透镜的焦距，

f3C：第三透镜组中的粘合透镜的焦距，

ν3Cn：构成第三透镜组中的粘合透镜的双凹透镜关于d线的阿贝数，以及

ν3Cp：构成第三透镜组中的粘合透镜的正透镜关于d线的阿贝数。

在本发明的可变放大率光学系统中，希望的是，第三透镜组中的双凹透镜的图像侧表面的曲率半径的绝对值大于该双凹透镜的物体侧表面的曲率半径的绝对值。

在本发明的可变放大率光学系统中，希望的是，第二透镜组由从物体侧顺序地设置的负透镜、具有凹物体侧表面的正弯月透镜、双凹透镜和正透镜构成，并且

其中满足下述公式(5)至(7)：

1.0<|f2|／fw<1.4...(5)；

20<ν2p<60...(6)；和

2.8<dz2／fw<3.5...(7)，其中

f2：第二透镜组的焦距，

ν2p：第二透镜组中的正弯月透镜关于d线的阿贝数，以及

dz2：第二透镜组在放大率从广角端改变至长焦端时沿光轴方向的移动量。

dz2的值的符号在向着图像侧移动时为正。

在本发明的可变放大率光学系统中，希望的是，第一透镜组由从物体侧顺序地设置的具有凹图像侧表面的负透镜、以及具有凹图像侧表面的三 个正透镜构成，并且

其中满足下述公式(8)至(10)：

1.0<|f1n|／f1<2.6...(8)；

1.7<N1n<2.0...(9)；和

33<ν1n<43...(10)，其中

f1n：第一透镜组中的负透镜的焦距，

f1：第一透镜组的焦距，

N1n：第一透镜组中的负透镜关于d线的折射率，以及

ν1n：第一透镜组中的负透镜关于d线的阿贝数。

在本发明的可变放大率光学系统中，希望的是，第四透镜组由从物体侧顺序地设置的双凸透镜、具有凹图像侧表面的负弯月透镜、和正透镜构成，并且，

其中满足下述公式(11)和(12)：

0.8<f4pF／f4pR<2.0...(11)；和

-1.3<f4n／f4<-0.6...(12)，其中

f4pF：第四透镜组中的双凸透镜的焦距，

f4pR：第四透镜组中最靠近图像侧的正透镜的焦距，

f4n：第四透镜组中的负弯月透镜的焦距，以及

f4：第四透镜组的焦距。

在本发明的可变放大率光学系统中，当透镜包括非球面表面时，在近轴区中考虑透镜的表面的形状和透镜的屈光力的符号。

在本发明的可变放大率光学系统中，透镜的数量是组成元件透镜的数量。例如，当系统包括由彼此不同的材料制成并粘合在一起的多个单透镜构成的粘合透镜时，对构成粘合透镜的单透镜的数量进行计数。

本发明的成像设备包括本发明的前述可变放大率光学系统。

本发明的可变放大率光学系统包括从物体侧顺序地设置的正的第一透镜组、负的第二透镜组、光阑、正的第三透镜组和正的第四透镜组。在该可变放大率光学系统中，第一透镜组、光阑和第三透镜组在放大率变化期间相对于像面固定，第二透镜组和第四透镜组在放大率变化期间沿光轴方向移动，并且第四透镜组具有聚焦功能。在该可变放大率光学系统中， 第三透镜组中的透镜的组成被恰当地设置，并且同时满足公式(1)至(4)。因此，能够实现小F数、在包括可见光波长带至近红外波长范围的宽波长范围内出色的色像差校正、以及高的光学性能，同时光学系统小且是低成本的。

本发明的成像设备包括本发明的可变放大率光学系统。因此，该成像设备小，并且能够以低成本够造而成。进一步，在低照明度条件下的拍摄是可能的。成像设备可以处理包括可见光波长带至近红外波长范围的宽波长范围，并获得优质图像。

附图说明

图1A是图示根据本发明的一个实施例的可变放大率光学系统在广角端处的透镜结构的横截面；

图1B是图示根据本发明的一个实施例的可变放大率光学系统在长焦端处的透镜结构的横截面；

图2(A)至2(C)是分别图示本发明的示例1中的可变放大率光学系统在广角端处、在中焦距状态下、和在长焦端处的透镜结构的横截面；

图3(A)至3(C)是分别图示本发明的示例2中的可变放大率光学系统在广角端处、在中焦距状态下、和在长焦端处的透镜结构的横截面；

图4(A)至4(C)是分别图示本发明的示例3中的可变放大率光学系统在广角端处、在中焦距状态下、和在长焦端处的透镜结构的横截面；

图5(A)至5(C)是分别图示本发明的示例4中的可变放大率光学系统在广角端处、在中焦距状态下、和在长焦端处的透镜结构的横截面；

图6(A)至6(C)是分别图示本发明的示例5中的可变放大率光学系统在广角端处、在中焦距状态下、和在长焦端处的透镜结构的横截面；

图7(A)至7(C)是分别图示本发明的示例6中的可变放大率光学系统在广角端处、在中焦距状态下、和在长焦端处的透镜结构的横截面；

图8(A)至8(C)是分别图示本发明的示例7中的可变放大率光学系统在广角端处、在中焦距状态下、和在长焦端处的透镜结构的横截面；

图9(A)至9(C)是分别图示本发明的示例8中的可变放大率光学系统在广角端处、在中焦距状态下、和在长焦端处的透镜结构的横截面；

图10(A)至10(C)是分别图示本发明的示例9中的可变放大率光学系统在广角端处、在中焦距状态下、和在长焦端处的透镜结构的横截面；

图11(A)至图11(I)是本发明的示例1中的可变放大率光学系统的像差示意图；

图12(A)至图12(I)是本发明的示例2中的可变放大率光学系统的像差示意图；

图13(A)至图13(I)是本发明的示例3中的可变放大率光学系统的像差示意图；

图14(A)至图14(I)是本发明的示例4中的可变放大率光学系统的像差示意图；

图15(A)至图15(I)是本发明的示例5中的可变放大率光学系统的像差示意图；

图16(A)至图16(I)是本发明的示例6中的可变放大率光学系统的像差示意图；

图17(A)至图17(I)是本发明的示例7中的可变放大率光学系统的像差示意图；

图18(A)至图18(I)是本发明的示例8中的可变放大率光学系统的像差示意图；

图19(A)至图19(I)是本发明的示例9中的可变放大率光学系统的像差示意图；以及

图20是图示根据本发明的一个实施例的成像设备的配置的示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图描述本发明的实施例。图1A和1B是图示根据本发明的一个实施例的可变放大率光学系统的结构示例的横截面。图1A和1B分别图示光学系统聚焦在无限远的物体上时广角端和长焦端处的透镜的配置，并且所述透镜对应于稍后将被描述的示例1中的可变放大率光学系统。在图1A和1B中，左侧是物体侧，右侧是图像侧。在图1A和图1B中的横截面二者中，还图示了最大视场角处的近轴光线2A，2B和离轴光线3A，3B。

可变放大率光学系统沿着光轴Z包括从物体侧顺序地设置的具有正屈光力的第一透镜组G1、具有负屈光力的第二透镜组G2、孔径光阑St、具有正屈光力的第三透镜组G3、具有正屈光力的第四透镜组G4。图1A和1B中图示的孔径光阑St没有必要表示孔径光阑St的尺寸或形状，而是表示孔径光阑St在光轴Z上的位置。

当可变放大率光学系统应用于成像设备时，希望基于上面安装有透镜的相机侧的结构在光学系统和像面Sim之间设置盖玻璃、棱镜、以及各种滤波器，如红外线截止滤光器和低通滤波器。因此，图1A和1B图示了其中假设是这种元件的平行平板形光学构件PP设置在第四透镜组G4和像面Sim之间的示例。

在可变放大率光学系统中，第一透镜组G1、孔径光阑St和第三透镜组G3在放大率变化期间相对于像面Sim是固定的。第二透镜组G2和第四透镜组G4在放大率变化期间沿光轴方向移动。可变放大率光学系统被构造成使得第二透镜组G2具有可变放大率功能，第四透镜组G4具有在至物体的距离波动时或放大率改变时的聚焦功能。

根据本发明的一个实施例的可变放大率光学系统的四组式结构具有多个优点，如具有大约十倍的可变放大比率的变焦镜头或变焦镜头，如简化镜筒-可变放大率机构和操纵简易。

根据本发明的一个实施例的可变放大率光学系统的目标是实现小F数高和光学性能，同时光学系统小且是低成本的。具体地，可变放大率光学系统的目标是在从广角端至长焦端的整个可变放大率范围内出色地校正包括可见光波长带至近红外波长带的宽波长范围内的色像差。

如上所述，需要在从可见光波长带至近红外波长带的波长范围将纵向色像差保持为小以校正色像差。为此目的，由于下述原因需要优化第三透镜组G3的透镜结构。第三透镜G3中在广角侧的的近轴光线的高度在整个系统中是最高的。进一步，由于孔径光阑St紧邻第三透镜组的物体侧设置，因此离轴光线的主光线的高度低。因此，各种离轴像差对第三透镜组的影响小，并且第三透镜组可以容易地校正纵向色像差。

特别地，第三透镜组G3可以通过消色像差最小化近红外波长带和可见光波长带中特别是广角侧的纵向色像差。在这里，近红外波长带中的消 色像差基于近红外波长带的部分分散比的分布使用具有大阿贝数的材料用于负透镜，使用具有比所述大阿贝数大的阿贝数的材料用于正透镜，并且负透镜和正透镜粘合在一起。

相反，在长焦侧，第一透镜组G1中的近轴光线的高度是最高的。因此，第一透镜组G1对纵向色像差的影响强。因此，第一透镜组G1的结构的优化对长焦侧的色像差的校正是有利的。希望在第一透镜组G1中使用异常色散材料以抑制纵向色像差的产生。

在色像差的校正中，当正透镜的材料的阿贝数和负透镜的材料的阿贝数之间的差较大时，正透镜的屈光力和负透镜的屈光力两者都变得较弱。这对于保持小的球面像差并实现小F数是有效的。因此，材料的选择对于将球面像差和色像差保持处于出色的状态来说是重要的。因为异常色散材料的成本和异常色散材料的工艺成本二者都高，因此，希望外径和中心厚度尽可能地小。

例如，当通过增加第二透镜组G2的负屈光力减小第二透镜组G2从广角端到长焦端的移动量时，第一透镜组G1中的离轴光线在广角侧的高度变低。因此，能够使透镜直径变小，并且可以抑制成本。因此，屈光力对第二透镜组G2的分配也是重要要素。在具有大约十倍的大放大比率的可变放大率光学系统中，希望注意负责可变放大率的第二透镜组2的结构，以将在中等放大比率处各种像差(如色像差和球面像差)的波动限制到小的量。

因此，以下述方式构造根据本发明的一个实施例的可变放大率光学系统。首先，作为对色像差的校正来说最重要的透镜组的第三透镜组G3包括至少一个非球面表面。如图1A，第三透镜组G3由从物体侧按下述顺序由为正透镜的透镜L31和粘合透镜构成，所述粘合透镜由粘合在一起的、为正透镜的透镜L32和为双凹透镜的透镜L33构成。

进一步，第三透镜组G3满足下述公式(1)至(4)：

3.5<f3／fw<6...(1)；

0.4<f31p／f3<1.2...(2)；

-0.8<f3／f3C<0.1...(3)；和

45<ν3Cn<ν3Cp...(4)，其中

f3：第三透镜组G3的焦距，

fw：整个系统在广角端处的焦距，

f31p：第三透镜组G3中最靠近物体侧的、为正透镜的透镜L31的焦距，

f3C：第三透镜组G3中的粘合透镜的焦距，

ν3Cn：构成第三透镜组中的粘合透镜的、为双凹透镜的透镜L33关于d线的阿贝数，以及

ν3Cp：构成第三透镜组中的粘合透镜的、为正透镜的透镜L32关于d线的阿贝数。

当考虑近红外波长带的部分分散比的分布时，构成第三透镜组G3中的粘合透镜的透镜L32，L33的材料的组合对近红外波长带中的消色像差是有效的。具有大于45的阿贝数的材料用于负透镜，具有大于负透镜的阿贝数的阿贝数并且其中近红外波长带的部分分散比与负透镜的差极其小的材料用于正透镜。因此，能够最小化近红外波长带和可见光波长带两者特别是在广角侧的纵向色像差。

此时，如果组合使用的正透镜和负透镜的阿贝数的差小，则正透镜和负透镜中的每一个的屈光力变强，并且特别地，球面像差的产生增加。因此，组合使用的正透镜和负透镜粘合在一起以减小与空气接触的表面。因此，球面像差的产生被抑制。

进一步，希望的是，第三透镜组3中的粘合透镜的粘合表面具有大的曲率。如果构成粘合透镜的正透镜和负透镜的折射率的差小，则粘合表面处的表面的屈光力弱，并且在具有大曲率的粘合表面处产生的除色像差之外的各种像差的量小。因此，对校正粘合表面处的色像差是有效的。相反，如果粘合表面的曲率被限制到较小的值，则必须适当地保持正透镜和负透镜中的每一个的屈光力；否则，色像差的校正变得不充分。如果正透镜和负透镜中的每一个的屈光力在除粘合表面之外的表面处得到补充，则需要增大与空气接触的表面的曲率，在所述与空气接触的表面处往往会产生多种像差。因此，球面像差和像面弯曲变大，并且不能够保持出色的成像性能。因此，希望的是透镜L33的图像侧表面的曲率半径的绝对值大于透镜L33的物体侧表面的曲率半径的绝对值。

进一步，通过将粘合透镜的组合焦距设置在从0附近到稍微负值的范围内，轻微的色散特性被提供给粘合透镜。进一步，正透镜L31设置在粘合透镜的物体侧以保持第三透镜组G3的正屈光力。进一步，能够通过在第三透镜组G3中采用非球面表面进一步减少球面像差。在该情况中，考虑到制造，希望选择为单透镜的透镜L31作为具有非球面表面的透镜。

公式(1)限定整个系统中屈光力向第三透镜组G3的分配。当所述值低于公式(1)的下限，需要使第一透镜组G1和第二透镜组G2的屈光力变强。这对减小整个透镜系统的尺寸是有效的，但像差在放大率变化期间的波动变得太大，并且变得不能够在整个可变放大率范围中保持出色的成像性能。当所述值超过公式(1)的上限时，成像性能变得较好，但第二透镜组G2的移动量在放大率变化期间变大，并且整个透镜系统的尺寸变大，这是不希望的。

公式(2)关于第三透镜组G3与屈光力向第三透镜组G3中最靠近物体侧的正透镜L31的分配有关。公式(2)应当被满足以将球面像差和纵向色像差二者都保持在出色的状态下。

当所述值低于公式(2)的下限时，正透镜L31的正屈光力变得太强。进一步，第三透镜组G3中的粘合透镜的负屈光力变强以进行平衡。因此，第三透镜组G3变为具有小广角比的透镜系统，并且整个系统的后焦距变得太短。进一步，离轴光线的色散作用得到促进，并且整个成像区域中的像面弯曲的平整度恶化。

当所述值超过公式(2)的上限时，透镜L31的正屈光力变得太弱，并且整个系统的后焦距变得太长。进一步，第四透镜组G4中周边离轴光线的高度变高，并且变得需要使第四透镜组G4中的透镜的外径变大。这与整个透镜系统的尺寸减小相矛盾。

公式(3)关于第三透镜组G3与屈光力向第三透镜组G3中的粘合透镜的分配有关。当满足公式(3)时，能够将球面像差和纵向色像差二者都保持在出色的状态下。当所述值低于公式(3)的下限时，粘合透镜的负屈光力变得太强，并且第三透镜组G3的长焦比变小，并且离轴光线的色散作用得到促进，且整个图像形成区域中的像面弯曲的平整度恶化。当所述值超过公式(3)的上限，需要减小透镜L31的正屈光力。因此，类似于超过公式(2) 的上限时的情况的问题的问题出现。

公式(4)与第三透镜组G3中的粘合透镜中使用的正透镜和负透镜的材料的阿贝数有关。当所述值低于公式(4)的下限时，第三透镜组G3中的粘合透镜是近红外波长带内具有大的部分分散率差的材料的组合，并且近红外波长带和可见光波长带中的纵向色像差变为不可接受的量。进一步，当ν3Cn和ν3Cp值之间的关系与公式(4)相矛盾时，正透镜和负透镜的光学材料的选择是不合适的，并且消色像差是不可行的。

因此，更希望的是代替公式(4)满足下述公式(4-1)：

55<ν3Cn<ν3Cp...(4-1)。

例如，如图1A所示，希望的是第二透镜组G2由从物体侧顺序地设置的为负透镜的透镜L21、为具有凹物体侧表面的正弯月透镜的透镜L22、为双凹透镜的透镜L23、以及为正透镜的透镜L24构成。进一步，希望的是，满足下述公式(5)至(7)：

1.0<|f2|／fw<1.4...(5)；

20<ν2p<60...(6)；和

2.8<dz2／fw<3.5...(7)，其中

f2：第二透镜组G2的焦距，

ν2p：第二透镜组G2中为正弯月透镜的透镜L22关于d线的阿贝数，以及

dz2：当放大率从广角端改变至长焦端时第二透镜组G2沿光轴方向的移动量。

如上所述，屈光力变高以减小尺寸的第二透镜组G2由上述透镜L21至L25构成。在这种情况中，能够在不增加透镜系统的尺寸情况下在整个可变放大率范围内抑制可见光波长带至近红外波长带中的纵向色像差的波动、离轴光线的横向色像差、针对每种波长的彗形像差等。

公式(5)限制第二透镜组G2的负屈光力对整个系统的影响。当所述值低于公式(5)的下限时，第二透镜组G2关于预定的放大比率的移动量变小。因此，能够使整个透镜系统的长度变小。进一步，能够使第一透镜组G1中的透镜的外径变小等，并且对于减小透镜系统的尺寸是有效的。然而，第一透镜组G1的正屈光力和第三透镜组G3的正屈光力增大，并且像差 的波动变得太大。因此，变得不能在整个可变放大率范围内一致并且出色地保持成像性能。

当所述值超过公式(5)的上限时，从广角端到长焦端的移动量变得太长，并且整个透镜系统的长度变长，第一透镜组G1中的透镜的直径变大，并且与尺寸减小相矛盾。当第二透镜组G2由从物体侧顺序地设置的负透镜L21、具有凹物体侧表面的正弯月透镜L22、双凹透镜L23和正透镜L24构成并满足公式(5)时，能够在不失去系统的紧凑性的情况下抑制球面像差、像面弯曲、色像差等的波动。进一步，能够在整个成像区域中保持出色的成像性能。

在第二透镜组G2中，在广角端处，离轴光线3A的高度高于近轴光线2A的高度，并且离轴光线大大地远离光轴。相反，在长焦端处，近轴光线2B的高度高于离轴光线3B的主光线的高度。

为了抑制由这些光线的高度差引起的各种像差的波动，当负透镜L21在第二透镜组G2中设置在最靠近物体侧时，正透镜L22应当紧邻负透镜L21的图像侧设置，以减轻透镜L21的色散特性。同时，不能使整个第二透镜组G2的负屈光力太强，这是因为负屈光力由公式(5)限制。因此，需要将透镜L22的正屈光力保持在合适的弱水平内，使得对整个第二透镜组G2的负屈光力的贡献最大的透镜L21的负屈光力不会变得太强。因此，当透镜L22是具有凹物体侧表面的正弯月透镜时，能够将合适的正屈光力以及强的会聚特性给予透镜L22。

当如上所述设置透镜L22时，需要限制透镜L22的材料的阿贝数，如在公式(6)中所限定的那样。当所述值低于公式(6)的下限时，近红外波长带侧的横向色像差在广角侧增加，近红外波长带侧的纵向色像差在长焦侧增加。当所述值超过公式(6)的上限时，短波长侧的横向色像差在广角侧增加，短波长侧的纵向色像差在长焦侧增加。即使第二透镜组G2中的其它透镜元件改变，像面弯曲和彗形像差的波动也会增加。因此，不能够在整个范围内保持出色的性能。

因此，更希望的是，代替公式(6)满足下述公式(6-1)：

20<ν2p<45...(6-1)。

公式(7)被设置以满足对透镜系统的紧凑性的要求。公式(7)和公式(5) 彼此补偿。当所述值低于公式(7)的下限时，透镜系统变短，并且对紧凑性是有利的。然而，第一透镜组G1至第三透镜组G3中的每一个的屈光力变得太强，并且不能够在整个区域中保持出色的成像性能。当所述值超过公式(7)的上限时，成像性能是良好的，但直径变大，并且紧凑性丧失。即使透镜系统主要用于监视，透镜镜筒的直径变大，并且需要大的空间，且与尺寸减小相矛盾。

在这里，希望的是，透镜L21是具有凸起物体侧表面的负弯月透镜。当透镜L21的物体侧表面凸起时，能够最小化当从第一透镜组G1输出的光线进入第二透镜组G2时产生的像差量。进一步，希望的是，透镜L23和透镜L24粘合在一起。在这种情况中，能够将粘合透镜设置在孔径光阑St附近，并且有利于校正纵向色像差。

例如，如图1A所示，希望的是，第一透镜组G1由从物体侧顺序地设置的为具有凹图像侧表面的负透镜的透镜L11、以及为具有凹图像侧表面的三个正透镜的透镜L12至L14构成。进一步，希望的是，满足下述公式(8)至(10)：

1.0<|f1n|/f1<2.6...(8)；

1.7<N1n<2.0...(9)；和

33<ν1n<43...(10)，其中

f1n：第一透镜组G1中为负透镜的透镜L11的焦距，

f1：第一透镜组G1的焦距，

N1n：第一透镜组G1中为负透镜的透镜L11关于d线的折射率，以及

ν1n：第一透镜组G1中为负透镜的透镜L11关于d线的阿贝数。

当在第一透镜组G1中采用前述期望的结构时，能够抑制特别是在从中间可变放大率到长焦端的范围内的色像差的产生。

传统上，本发明涉及的领域的可变放大率透镜系统具有四组式结构，并且透镜系统由具有正屈光力的第一透镜组、具有负屈光力的第二透镜组、光阑、具有正屈光力的第三透镜组、以及具有正屈光力的第四透镜组构成。进一步，第一透镜组由从物体侧顺序地设置的负透镜、正透镜和正弯月透镜构成。

然而，在本实施例的可变放大率光学系统中，由于下述原因，第一透镜组G1中包括的多个正透镜的组合屈光力需要强于常规可变放大率光学系统的多个正透镜的组合屈光力。因此，希望的是，第一透镜组G1中的正透镜的数量是三个。

与第三透镜组G3中一样，特别必要的是在第一透镜组G1中纵向色像差小以在包括可见光波长带至近红外波长带的宽波长范围内实现可变放大率透镜系统。

在长焦侧，第一透镜组G1的近轴光线2B的高度高于第三透镜组G3的高度。因此，第一透镜组G1对纵向色像差的影响较强。为了在长焦侧相对于可见光波长带减少近红外波长带中的纵向色像差，希望的是代替仅仅依赖于第三透镜组G3的结构的优化，考虑第一透镜组G1的透镜结构和材料的选择。

异常色散材料在第一透镜组G1中的使用可以抑制纵向色像差的产生。因此，在第一透镜组G1中，需要使负透镜的阿贝数大于任意值。因此，需要使第一透镜组G1中所包括的多个正透镜的组合屈光力较强以满足消色像差条件。

然而，这增加了特别是长焦侧的球面像差的量。因此，第一透镜组G1中的正透镜的数量是三个，并且屈光力被分配至这三个透镜以使球面像差变小。因此，希望的是，第一透镜组G1由负透镜和在负透镜之后的三个正透镜构成。

公式(8)限定了第一透镜组G1中为负透镜的透镜L11的负屈光力和第一透镜组G1的屈光力之间的关系。当所述值低于公式(8、)的下限时，透镜L11的负屈光力强，并且透镜L11的阿贝数对消色像差来说变大，纵向色像差改善。然而，组合的所述三个正透镜的正屈光力也变强，并且球面像差的校正尤其在长焦侧变得不充分。变得需要使第一透镜组G1的屈光力变弱以避免这种问题。第二透镜组G2和第三透镜组G3的屈光力变弱以构造其中第一透镜组G1和第三透镜组G3是固定组的可变放大率系统。因此，第二透镜组G2的移动量变大，并且整个透镜系统变大。因此，紧凑性和成本二者都未得到满足。

当所述值超过公式(8)的上限时，透镜L11的负屈光力变弱。与其中所 述值低于公式(8)的下限的情况相反，球面像差的产生进一步减小，并且这是希望的。然而，对消色像差来说需要使负透镜L11的阿贝数变小。长焦侧的纵向色像差变大，并且在可见光波长带和近红外波长带内出现散焦，且近红外波长带中的性能恶化。

公式(9)抑制通常主要在第一透镜组G1中产生的球面像差。在第一透镜组G1中，通常特别在长焦端处产生球面像差。同时，透镜L11是第一透镜组G1中包括的仅有的负透镜，并且透镜L11必须与在透镜L11之后为正透镜的透镜L12粘合在一起，以抑制在透镜L11处产生的像差的量。因此，粘合表面处的折射率的差是重要的。

具有大的阿贝数和异常色散特性的材料在与透镜L11粘合在一起的正透镜L12中的使用是消色像差的先决条件。因此，具有1.5或更低的低折射率的材料用在透镜L12中，因此，希望通过使透镜L11的折射率变高而利用透镜L11和透镜L12之间的折射率差，并且希望使透镜L11的图像侧表面向着图像侧凹。透镜L11的图像侧表面的这种形状对于广角端处的像面弯曲的校正是有利的。希望将尽可能强的色散特性给予透镜L11，使得透镜L11补偿由具有正屈光力的第一透镜组G1中的强会聚产生的球面像差。

当所述值低于公式(9)的下限，折射率差变得太小，透镜L11的色散特性变弱，并且球面像差的校正变得不充分。因此，成像性能恶化。当所述值超过公式(9)的上限时，可以预期性能的进一步改善，但这种光学材料是不能获得的，或者材料的成本极其高。因此，这种材料在实际情况中不采用。

因此，更希望的是，代替公式(9)，满足下述公式(9-1)：

1.8<N1n<2.0...(9-1)。

公式(10)限定特别地在长焦侧用于在从可见光波长带至近红外波长带的范围内保持良好的纵向色像差的条件。当所述值低于公式(10)的下限时，变得不能够在长焦侧在从可见光波长带至近红外波长带的范围内保持良好的纵向色像差。当所述值超过公式(10)的上限时，能够保持良好的纵向色像差。然而，第一透镜组G1中的三个正透镜的总屈光力对消色像差来说变强，并且长焦侧的球面像差和彗形像差恶化。

例如，如图1A所示，希望的是，第四透镜组G4由从物体侧顺序地设置的为双凸透镜的透镜L41、为具有凹图像侧表面的负弯月透镜的透镜L42、以及正透镜L43构成。进一步，希望的是，满足下述公式(11)和(12)：

0.8<f4pF／f4pR<2.0...(11)；和

-1.3<f4n／f4<-0.6...(12)，其中

f4pF：第四透镜组G4中为双凸透镜的透镜L41的焦距，

f4pR：第四透镜组G4中最靠近图像侧的、为正透镜的透镜L43的焦距，

f4n：第四透镜组G4中为负弯月透镜的透镜L42的焦距，以及 

f4：第四透镜组G4的焦距。

第四透镜组G4的前述期望结构与第四透镜组G4的详细结构和屈光力的分配有关。当第四透镜组G4的屈光力被布置成使得正透镜、负透镜和正透镜从物体侧按此顺序设置时，彗形像差小，并且确保小的F数，例如，在广角侧的F1.6和在长焦侧的F2.3。进一步，能够在整个成像区域中获得高性能图像质量。

公式(11)限定了第四透镜组G4中最靠近物体侧的正透镜L41的屈光力与第四透镜组G4中最靠近图像侧的正透镜L43的屈光力的比值。该公式应当得到满足以在球面像差和离轴像差(如像面弯曲和畸变)之间保持良好的平衡。

当所述值低于公式(11)的下限时，透镜L41的正屈光力变强，整个系统的后焦距变得较短。进一步，球面像差的校正变得不充分，并且这是不希望的。即使试图通过弯曲随后的负透镜L42的物体侧表面和图像侧表面来校正球面像差，像面弯曲和彗形像差也会恶化，这是因为过度的色散特性被给予离轴光线。

当所述值超过公式(11)的上限时，透镜L41的正屈光力变弱，所产生的球面像差的量减少，并且这是希望的。然而，透镜L43的正屈光力的比值变大，并且负像面弯曲增加。当所述值在由公式(11)限定的范围内时，在球面像差和像面弯曲或彗形像差之间保持良好的平衡。进一步，能够在整个成像区域中保持出色的成像性能。

公式(12)关于第四透镜组G4的屈光力与屈光力至负透镜L42的分配 有关。当所述值低于公式(12)的下限时，第四透镜组G4中的负屈光力变弱，并且球面像差的校正变得不充分，或像面弯曲的校正变得不充分。因此，不能够获得出色的成像性能。当所述值超过公式(12)的上限时，第四透镜组G4中的负屈光力变得太强，并且球面像差被过度地校正，这是不希望的。当所述值在由公式(12)限定的范围内时，能够在整个图像形成区域中保持出色的成像性能。

当本实施例的可变放大率光学系统用在苛刻环境中时，希望的是，涂敷用于保护的多层涂层。除了用于保护的涂层之外，还可以涂敷用于减少使用期间的幻影光等的抗反射涂层。

在图1A和图1B中图示的示例中，光学构件PP设置在透镜系统和像面Sim之间。代替设置各种滤波器，如使特定波长带截止的低通滤波器和滤光器等，所述各种滤波器可以设置在透镜之间。可替换地，具有类似于各种滤波器的作用的涂层可以涂敷至透镜中的一个的透镜表面。

接下来，将描述本发明的可变放大率光学系统的数值示例。图2(A)，图2(B)和图2(C)分别图示示例1中的可变放大率光学系统的透镜在广角端处、在中焦距状态下、在长焦端处的配置。在图2(A)至图2(C)中，还图示了光学构件PP，左侧是物体侧，并且右侧是图像侧。所图示的孔径光阑St不是必须表示孔径光阑St的尺寸或形状，而是表示孔径光阑St在光轴Z上的位置。进一步，图2(A)和图2(B)之间的箭头以及图2(B)和图2(C)之间的箭头示意性地指示在放大率改变时移动的第二透镜组G2和第四透镜组G4的移动路径。

类似地，图3(A)至图3(C)，图4(A)至图4(C)，图5(A)至图5(C)，图6(A)至图6(C)，图7(A)至图7(C)，图8(A)至图8(C)，图9(A)至图9(C)和图10(A)至图10(C)分别示例2至9中可变放大率光学系统的透镜在广角端处、在中焦距状态下、在长焦端处的布置。示例1至10中的可变放大率光学系统被构造为变焦镜头。

表1的上部示出示例1中的可变放大率光学系统的基本透镜数据，表1的下部示出可变放大率的数据。表2示出非球面系数。类似地，表3至表18示出示例2至9中的可变放大率光学系统的数据。接下来，将采用示例1的表作为示例描述表中的符号的含义。示例2至9的表中的符号的 含义基本上类似。

在表1的上部中的基本透镜数据中，Si栏示出第i(i=1，2，3，…)个表面的表面编号。元件的最靠近物体侧表面的表面编号是第一表面，表面编号向着图像侧顺序地增加。Ri栏示出第i个表面的曲率半径。Di栏示出在光轴Z上第i个表面和第(i+1)个表面之间的距离。Ndi栏示出第i个表面和第(i+1)个表面之间的介质关于d线(波长是587.6nm)的折射率，νdj栏示出当最靠近物体侧光学元件是第一光学元件时第j(j=1，2，3，...)个光学元件关于d线的阿贝数，j的值向着图像侧顺序地增加。

曲率半径的符号在表面的形状向着物体侧凸起时为正，在表面的形状向着图像侧凸起时为负。基本透镜数据包括孔径光阑St和光学构件PP。为对应于Ri栏的孔径光阑St的表面写下符号“∞(孔径光阑)”。进一步，为对应于Ri栏的像面的表面写下符号“∞(像面)”。

在表的基本透镜数据中，”变量1”，”变量2”，”变量3”和“变量4”被写在当放大率改变时而变化的表面距离行中。变量1是第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的距离，变量2是第二透镜组G2和孔径光阑St之间的距离，变量3是第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的距离，变量4是第四透镜组G4和光学构件PP之间的距离。

表1的下部的可变放大率的数据示出了在广角端处、中焦距状态下和长焦端处变量1、变量2、变量3、变量4、整个系统的焦距、后焦距Bf’、F数(Fno.)，全视场角2ω。在基本透镜数据和可变放大率的数据中，度用作角度的单位，mm用作长度的单位。然而，由于可以通过按比例放大或缩小光学系统而使用该光学系统，因此可以使用其它合适的单位。

在表1的基本透镜数据中，标记*附在非球面表面的表面编号之后。表1示出作为非球面表面的曲率半径的近轴曲率半径的数值。表2示出关于非球面表面的非球面系数。在表2的数值中，“E-n”(n：整数)是指“×10^-n”。非球面系数是由下述方程式(A)表示的非球面方程式中的系数κ，Am(m=4，6，8，10)的值。在这里，方程式(A)中的∑表示关于m(m=4，6，8，10)项的和。

Zd=C·h2／{1+(1-κ·C2·h2)1／2}+∑Am·hm...(A)，其中

Zd：非球面表面的深度(从非球面表面上高度h处的点到与非球面表 面的顶点接触并垂直于光轴的平面的垂直长度)，

h：高度(从光轴至透镜表面的长度)，

C：近轴曲率，以及

κ，Am：非球面系数(m=4，6，8，10)。

[表1]

[表2]

[表3]

[表4]

[表5]

[表6]

[表7]

[表8]

[表9]

[表10]

[表11]

[表12]

[表13]

[表14]

[表15]

[表16]

[表17]

[表18]

表19示出示例1至9中的可变放大率光学系统的公式(1)至(12)的对应值和相关值。在所有示例中，d线是参考波长。可变放大率的数据表和接下来的表19示出参考波长处的值。

[表19]

图11(A)至图11(I)示出示例1中的可变放大率光学系统的像差示意图。图11(A)，图11(B)和图11(C)分别图示广角端处的球面像差、像面弯曲和畸变像差(畸变)。图11(D)，图11(E)和图11(F)分别图示中焦距状态下的球面像差、像面弯曲和畸变像差(畸变)。图11(G)，图11(H)和图11(I)分别图示长焦端处的球面像差，像面弯曲和畸变像差(畸变)。

在球面像差的示意图中，关于d线的像差由实线指示，关于g线(435.8nm的波长)的像差由短划线指示。进一步，关于C线(656.3nm的波长)的像差由长划线指示，关于880nm波长的像差由点划线指示。在像面弯曲的示意图，图示了关于d线，g线和C线的像差，并且沿径向方向的像差由实线指示，沿切向方向的像差由短划线指示。畸变像差的示意图图示关于d线的像差。球面像差的示意图的垂直轴线对应于F数。在像面弯曲和畸变的示意图中，垂直轴线表示图像高度(单位是mm)，垂直轴线的最小值是0。

由于0图像高度表示光轴上的位置，因此沿径向方向的像面弯曲和沿切向方向的像面弯曲在0图像高度处的值相同。在像面弯曲的示意图中，0图像高度处的关于波长的像差曲线以与在与球面像差的示意图中的垂直轴线的最低位置的关于波长像差曲线相同的顺序定位。例如，当关于d线，g线和C线的像差曲线以此顺序从球面像差的示意图中的垂直轴线的最低位置处的左侧开始定位时，在相同可变放大率状态下处于像面弯曲的示意图中的0图像高度的位置处的像差曲线以类似的顺序定位，并且沿径向方向和切向方向关于d线的像差曲线、沿径向方向和切向方向关于g线的像差曲线、以及沿径向方向和切向方向关于C线的像差曲线以此顺序从所述左侧开始定位。

在这里，畸变的示意图由TV畸变表示。当平面物体垂直于光轴，并且光学系统形成平面物体的图像时，物体图像沿垂直于光轴的方向的畸变程度被表示为畸变。用于拍摄等的透镜采用通过将理想图像高度和实际图像高度之间的差除以理想图像高度并且以百分比表示所获得的值获得的普通数值。然而，TV透镜领域采用不同的定义表达式，其被区分为TV畸变。根据该定义，TV屏幕的长边的弯曲量用作畸变量的目标。

具体地，通过将长边的弯曲深度Δh除以垂直屏幕长度2h并以百分 比表示所获得的值来获得TV畸变DTV。TV畸变DTV由下述表达式表示：

DTV=Δh／2h×100。

在畸变的示意图中，离光轴的实际图像高度Y是至在屏幕的四条对角方向上离开光轴的四个点的长度，并且采用连接这四个点的平面图像的物体侧的矩形平面物体。图像的长边的中心处的实际图像高度是h，并且从对角线上的点的垂直高度到光轴的差是Δh。因此，数值根据屏幕的纵横比变化。在图11(C)，图11(F)和图11(I)中图示的畸变示意图中，基于3：4的比例计算畸变，其中3：4的比例是TV屏幕的通常比例。

类似地，图12(A)至图12(I)示出示例2中的可变放大率光学系统在广角端处、在中焦距状态下、和在长焦端处的像差示意图。图13(A)至图13(I)示出示例3中的可变放大率光学系统在广角端处、在中焦距状态下、和在长焦端处的像差示意图。图14(A)至图14(I)示出示例4中的可变放大率光学系统在广角端处、在中焦距状态下、和在长焦端处的像差示意图。图15(A)至图15(I)示出示例5中的可变放大率光学系统在广角端处、在中焦距状态下、和在长焦端处的像差示意图。图16(A)至图16(I)示出示例6中的可变放大率光学系统在广角端处、在中焦距状态下、和在长焦端处的像差示意图。图17(A)至图17(I)示出示例7中的可变放大率光学系统在广角端处、在中焦距状态下、和在长焦端处的像差示意图。图18(A)至图18(I)示出示例8中的可变放大率光学系统在广角端处、在中焦距状态下、和在长焦端处的像差示意图。图19(A)至图19(I)示出示例9中的可变放大率光学系统在广角端处、在中焦距状态下、和在长焦端处的像差示意图。

接下来，将描述根据本发明的一个实施例的成像设备。图20是图示采用根据本发明的一个实施例的可变放大率光学系统1的成像设备10的配置作为根据本发明的一个实施例的成像设备的示例的示意图。成像设备例如是监视相机、摄像机、电子式静态相机等。

图20中图示的成像设备10包括可变放大率光学系统1、设置在可变放大率光学系统1的图像侧的滤光器2、对对象的由可变放大率光学系统形成的图像进行成像的成像装置3、对从成像装置3输出的信号进行运算处理的信号处理单元4、用于改变可变放大率光学系统1的可变放大率控 制单元5、和用于调整聚焦的聚焦控制单元6。

可变放大率光学系统1包括在放大率变化期间固定的正的第一透镜组G1、在放大率变化期间沿着光轴Z移动的负的第二透镜组G2、孔径光阑St、在放大率变化期间固定的正的第三透镜组G3、以及在聚焦调整期间沿着光轴Z移动的正的第四透镜组G4。在图20中，这些透镜组被示意性地图示。成像装置3对由可变放大率光学系统1获得的光学图像进行成像，并将光学图像转换成电信号。以成像装置3的成像平面和可变放大率光学系统的像面变为相同的方式放置成像装置3。例如，CCD，CMOS等可以用作成像装置3。

到目前为止，已经通过采用实施例和示例描述了本发明。然而，本发明不限于上述实施例和示例，并且多种修改是可能的。例如，诸如每个透镜的曲率半径、表面之间的距离、折射率、阿贝数和非球面系数的值不限于数值示例中的值，而是可以是其它值。

Claims (8)

1.一种可变放大率光学系统，包括：

具有正屈光力的第一透镜组；

具有负屈光力的第二透镜组；

光阑；

具有正屈光力的第三透镜组；和

具有正屈光力的第四透镜组，所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述光阑、所述第三透镜组和所述第四透镜组从物体侧顺序地设置，

其中第一透镜组、光阑和第三透镜组相对于像面是固定的，而第二透镜组和第四透镜组在放大率变化期间沿光轴方向移动，并且

其中第四透镜组具有聚焦功能，并且

其中第三透镜组至少包括非球面表面，并由从物体侧顺序地设置的正透镜和粘合透镜构成，所述粘合透镜由粘合在一起的正透镜和双凹透镜形成，并且

其中满足下述公式(1)至(3)以及(4-1)：

3.5<f3/fw<6…(1)

0.4<f31p/f3<1.2…(2)；

-0.8<f3/f3C<0.1…(3)；和

55<ν3Cn<ν3Cp…(4-1)，其中

f3：第三透镜组的焦距，

fw：整个系统在广角端处的焦距，

f31p：第三透镜组中最靠近物体侧的正透镜的焦距，

f3C：粘合透镜的焦距，

ν3Cn：构成粘合透镜的双凹透镜的关于d线的阿贝数，以及

ν3Cp：构成粘合透镜的正透镜的关于d线的阿贝数。

2.根据权利要求1所述的可变放大率光学系统，其中，第三透镜组中的双凹透镜的图像侧表面的曲率半径的绝对值大于所述双凹透镜的物体侧表面的曲率半径的绝对值。

3.根据权利要求1所述的可变放大率光学系统，其中，第二透镜组由从物体侧顺序地设置的负透镜、具有凹物体侧表面的正弯月透镜、双凹透镜和正透镜构成，并且

其中满足下述公式(5)至(7)：

1.0<|f2|/fw<1.4…(5)；

20<ν2p<60…(6)；和

2.8<dz2/fw<3.5…(7)，其中

f2：第二透镜组的焦距，

ν2p：第二透镜组中的正弯月透镜关于d线的阿贝数，以及

dz2：第二透镜组在放大率从广角端改变至长焦端时沿光轴方向的移动量。

4.根据权利要求3所述的可变放大率光学系统，其中，满足下述公式(6-1)：

20<ν2p<45…(6-1)。

5.根据权利要求1所述的可变放大率光学系统，其中，第一透镜组由从物体侧顺序地设置的具有凹图像侧表面的负透镜和具有凹图像侧表面的三个正透镜构成，并且

其中满足下述公式(8)至(10)：

1.0<|f1n|/f1<2.6…(8)；

1.7<N1n<2.0…(9)；和

33<ν1n<43…(10)，其中

f1n：第一透镜组中的负透镜的焦距，

f1：第一透镜组的焦距，

N1n：第一透镜组中的负透镜关于d线的折射率，以及

ν1n：第一透镜组中的负透镜关于d线的阿贝数。

6.根据权利要求5所述的可变放大率光学系统，其中，满足下述公式(9-1)：

1.8<N1n<2.0…(9-1)。

7.根据权利要求1所述的可变放大率光学系统，其中，第四透镜组由从物体侧顺序地设置的双凸透镜、具有凹图像侧表面的负弯月透镜、和正透镜构成，并且，

其中满足下述公式(11)和(12)：

0.8<f4pF/f4pR<2.0…(11)；和

-1.3<f4n/f4<-0.6…(12)，其中

f4pF：第四透镜组中的双凸透镜的焦距，

f4pR：第四透镜组中最靠近图像侧的正透镜的焦距，

f4n：第四透镜组中的负弯月透镜的焦距，以及

f4：第四透镜组的焦距。

8.一种成像设备，包括：

根据权利要求1-7中任一项所述的可变放大率光学系统。