CN103518153B - 可变放大倍率光学系统和成像设备 - Google Patents

可变放大倍率光学系统和成像设备 Download PDF

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Abstract

为了获得一种紧凑的、具有高孔径比和高变焦比、并且具有从可见光范围到近红外线光范围的高光学性能的可变放大倍率光学系统。[技术方案]可变放大倍率光学系统从物体侧顺序地包括负的第一透镜组(G1)和正的第二透镜组(G2)，其中这些透镜组之间沿光轴方向的间隔在放大倍率的改变期间变化。第一透镜组(G1)的最靠近图像侧的透镜和从图像侧开始的第二个透镜分别是具有面向物体侧的凹面的负的单透镜和正的单透镜。第二透镜组(G2)从物体侧顺序地包括设置在最靠近物体侧且至少一个表面为非球面的正透镜、由负透镜和正透镜形成的第一粘合透镜和由负透镜和正透镜形成的第二粘合透镜。形成第一粘合透镜的负透镜的图像侧表面和形成第二粘合透镜的负透镜的图像侧表面是凹面。进一步地，满足关于形成第一粘合透镜的正透镜的表面形状的条件表达式。

Description

可变放大倍率光学系统和成像设备
技术领域
本发明涉及一种用于与摄影机、电子静态式照相机等一起使用的可变放大倍率光学系统、和一种成像设备。更具体地，本发明涉及一种适用于与监控照相机一起使用并可在从可见光范围到近红外光范围的宽波长范围内使用的可变放大倍率光学系统和一种设有该可变放大倍率光学系统的成像设备。
背景技术
传统地，监控照相机用于安全、录音等的目的。与这种监控照相机一起使用的光学系统需要是紧凑的并且能够低成本地形成，具有允许即使在低照度成像条件下识别对象的高孔径比，具有能够从可以拍摄宽范围图像的广角端适应到可以放大窄范围的摄远端的高变焦比，以及具有高光学性能。
对于与通常放置在无人设施处并在白天执行可见光成像而在夜晚执行近红外光成像的日夜兼用的监视照相机一起使用的光学系统来说，理想的是在从可见光范围到近红外光范围的宽波长范围内保持色差被良好校正的高光学性能。
作为从可见光范围到近红外光范围具有被良好校正的色差的可变放大倍率光学系统，已知一种例如在专利文献1中公开的可变放大倍率光学系统。专利文献1中所公开的光学系统从物体侧顺序地包括负的第一透镜组和正的第二透镜组，其中通过使第二透镜组沿着光轴移动来实现放大倍率的改变，并且通过移动第一透镜组实现像平面位置的校正和放大倍率的改变。进一步地，例如在专利文献2和3中公开了具有两组结构的可变放大倍率光学系统的示例，其中通过改变两个透镜组之间的间隔实现放大倍率的改变。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本未审查专利公开No.2009-230122
专利文献2：日本未审查专利公开No.2006-78535
专利文献3：日本未审查专利公开No.2004-271668
发明内容
然而，专利文献2中公开的光学系统揭露的是与单反照相机一起使用的变焦透镜，其具有太大而不能与监视照相机一起使用的F数，并因此认为没有高孔径比。专利文献3中所公开的光学系统是投影镜头，该投影镜头具有太大而不能与监视照相机一起使用的F数并具有不足的变焦比。进一步地，专利文献2和3中公开的两个光学系统必然地不能用于覆盖从可见光范围到近红外光范围的宽波长范围。虽然专利文献1中公开的光学系统适于与监视照相机一起使用，在近年来引入了设有具有3,000,000或更大像素的图像传感器的监视照相机，并且对高质量图像的需求越来越多。
鉴于上述情况，本发明涉及提供一种可变放大倍率光学系统和设有所述可变放大倍率光学系统的成像设备，其中所述可变放大倍率光学系统是紧凑的、具有高孔径比和高变焦比并保持允许在从可见光范围到近红外光范围的宽波长带获得高质量图像的高光学性能。
本发明的第一方面，提供一种可变放大倍率光学系统，从物体侧顺序地包括具有负屈光力的第一透镜组、光阑和具有正屈光力的第二透镜组，所述可变放大倍率光学系统被构造成通过改变第一透镜组与第二透镜组之间沿光轴方向的间隔来实现放大倍率的改变，并且通过沿光轴方向移动第一透镜组来实现像平面位置的校正和放大倍率的改变，其中：
第一透镜组中的最靠近图像侧的透镜是具有负的屈光力的单透镜，所述单透镜具有面向物体侧的凹面，并且第一透镜组中的从图像侧开始的第二个透镜是具有正屈光力的单透镜，
第二透镜组从物体侧顺序地包括设置在最靠近物体侧位置且至少一个表面为非球面的正透镜、由从物体侧顺序地粘合在一起的负透镜和正透镜形成的第一粘合透镜、和由从物体侧顺序地粘合在一起的负透镜和正透镜形成的第二粘合透镜，
形成第一粘合透镜的负透镜的图像侧表面和形成第二粘合透镜的负透镜的图像侧表面是凹面，以及
满足以下条件表达式(1)：
-0.5＜(R23f+R23r)/(R23f-R23r)＜0.5  (1)，
其中，R23f是形成第一粘合透镜的正透镜的物体侧表面的曲率半径，且R23r是形成第一粘合透镜的正透镜的图像侧表面的曲率半径。
本发明的第二面，提供一种可变放大倍率光学系统，从物体侧顺序地包括具有负屈光力的第一透镜组、光阑和具有正屈光力的第二透镜组，所述可变放大倍率光学系统被构造成通过改变第一透镜组与第二透镜组之间沿光轴方向的间隔来实现放大倍率的改变，并且通过沿光轴方向移动第一透镜组来实现像平面位置的校正和放大倍率的改变，其中：
第一透镜组中的最靠近图像侧的透镜是具有负屈光力的单透镜，所述单透镜具有面向物体侧的凹面，并且第一透镜组中的从图像侧开始的第二个透镜是具有正屈光力的单透镜，
第二透镜组从物体侧顺序地包括设置在最靠近物体侧位置且至少一个表面为非球面的正透镜、由从物体侧顺序地粘合在一起的负透镜和正透镜形成的第一粘合透镜、和由从物体侧顺序地粘合在一起的负透镜和正透镜形成的第二粘合透镜，
第一粘合透镜和第二粘合透镜紧邻彼此设置，以及
形成第一粘合透镜的负透镜的图像侧表面和形成第二粘合透镜的负透镜的图像侧表面是凹面。
在本发明的可变放大倍率光学系统的第一和第二方面中，优选的是满足以下条件表达式(2)和(3)：
vd23＞70.0  (2)和
vd25＞70.0  (3)，
其中vd23是形成第一粘合透镜的正透镜的关于d线的阿贝数，而vd25是形成第二粘合透镜的正透镜的关于d线的阿贝数。
在本发明的可变放大倍率光学系统的第一和第二方面中，优选的是满足以下条件表达式(4)：
-1＜R23r/R22f＜0  (4)，
其中R23r是形成第一粘合透镜的正透镜的图像侧表面的曲率半径，而R22f是形成第一粘合透镜的负透镜的物体侧表面的曲率半径。
在本发明的可变放大倍率光学系统的第一和第二方面中，优选的是满足以下条件表达式(5)：
|R22r|-|R24r|＞0  (5)，
其中R22r是形成第一粘合透镜的负透镜的图像侧表面的曲率半径，而R24r是形成第二粘合透镜的负透镜的图像侧表面的曲率半径。
在本发明的可变放大倍率光学系统的第一和第二方面中，优选的是设置在第一透镜组中的从图像侧开始的第二个位置处的、具有正屈光力的所述单透镜包括具有面向图像侧的凸面的形状。
在本发明的可变放大倍率光学系统的第一和第二方面中，优选的是满足以下条件表达式(6)：
3.0＜fG2/fw＜5.0  (6)，
其中fG2是第二透镜组的焦距，而fw是整个系统在广角端处的焦距。
本发明的可变放大倍率光学系统的第一和第二方面可以具有两组式结构，在该两组式结构中，可变放大倍率光学系统的透镜组仅包括第一透镜组和第二透镜组。
可替换地，本发明的可变放大倍率光学系统的第一和第二方面可以进一步包括设置在第二透镜组的图像侧并具有正屈光力的第三透镜组，所述第三透镜组在放大倍率的改变期间被固定。在这种情况下，本发明的可变放大倍率光学系统的第一和第二方面可以具有三组式结构，在该三组式结构中，可变放大倍率光学系统的透镜组仅包括第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组。
在本发明的可变放大倍率光学系统的第一和第二方面中，第一透镜组可以包括具有负屈光力且其至少一个表面为非球面的至少一个透镜。
应该注意的是本发明的上述可变放大倍率光学系统的包括非球面的任何透镜的表面形状和屈光力的符号(正或负)是近轴范围的表面形状和屈光力。
应该注意的是“透镜组”这里可以不是必须包括多个透镜，而是可以是仅包括一个透镜的透镜组。
应该注意的是“单透镜”在这里表示不是粘合透镜的透镜。
应该注意的是曲率半径的符号在这里表示朝向物体侧凸起的形状为正而朝向图像侧凸起的形状为负。
本发明的成像设备包括本发明的第一或第二方面的可变放大倍率光学系统。
在从物体侧顺序地包括负的第一透镜组和正的第二透镜组并且其中放大倍率的改变通过改变第一透镜组与第二透镜组之间沿光轴方向的间隔来实现并且像平面位置的校正以及放大倍率的改变通过使第一透镜组沿光轴方向移动而实现的本发明的可变放大倍率光学系统的第一方面中，设置在第一透镜组的最靠近图像侧位置和从图像侧开始的第二个位置处的透镜的结构被适当设定，并且第二透镜组的透镜结构被详细地适当设定。更具体地，第二透镜组包括设置在最靠近物体侧的非球面透镜和两组粘合透镜，其中两组粘合透镜中的每一个的粘合表面的形状被适当设定，并且形成第一粘合透镜的正透镜的形状被设定成满足条件表达式(1)。因此，根据本发明的可变放大倍率光学系统的第一方面，可以实现一种紧凑、具有高孔径比和高变焦比、并具有允许在从可见光范围到近红外光范围的宽波长内获得高质量图像的高光学性能的可变放大倍率光学系统。
在从物体侧顺序地包括负的第一透镜组和正的第二透镜组并且其中放大倍率的改变通过改变第一透镜组与第二透镜组之间沿光轴方向的间隔来实现并且像平面位置的校正以及放大倍率的改变通过使第一透镜组沿光轴方向移动而实现的本发明的可变放大倍率光学系统的第二方面中，设置在第一透镜组的最靠近图像侧位置和从图像侧开始的第二个位置处的透镜的结构被适当设定，并且第二透镜组的透镜结构被详细地适当设定。更具体地，第二透镜组包括设置在最靠近物体侧的非球面透镜和两组粘合透镜，其中两组粘合透镜中的每一个的粘合表面的形状被适当设定，并且两组粘合透镜之间的位置关系被设定。因此，根据本发明的可变放大倍率光学系统的第二方面，可以实现一种紧凑、具有高孔径比和高变焦比、并具有允许在从可见光范围到近红外光范围的宽波长内获得高质量图像的高光学性能的可变放大倍率光学系统。
本发明的成像设备包括本发明的第一或第二方面的可变放大倍率光学系统，因此可以被紧凑形成，并且即使在低照明条件下也可以拍摄图像，可以具有高放大率，并且可以在从可见光范围到近红外光范围的宽波长内获得很好的图像。
附图说明
图1是显示本发明的示例1的可变放大倍率光学系统的透镜结构的剖视图；
图2是显示本发明的示例2的可变放大倍率光学系统的透镜结构的剖视图；
图3是显示本发明的示例3的可变放大倍率光学系统的透镜结构的剖视图；
图4是显示本发明的示例4的可变放大倍率光学系统的透镜结构的剖视图；
图5是显示本发明的示例5的可变放大倍率光学系统的透镜结构的剖视图；
图6是显示本发明的示例6的可变放大倍率光学系统的透镜结构的剖视图；
图7是显示本发明的示例7的可变放大倍率光学系统的透镜结构的剖视图；
图8是显示本发明的示例8的可变放大倍率光学系统的透镜结构的剖视图；
图9(A)-(I)显示本发明的示例1的可变放大倍率光学系统的像差图；
图10(A)-(I)显示本发明的示例2的可变放大倍率光学系统的像差图；
图11(A)-(I)显示本发明的示例3的可变放大倍率光学系统的像差图；
图12(A)-(I)显示本发明的示例4的可变放大倍率光学系统的像差图；
图13(A)-(I)显示本发明的示例5的可变放大倍率光学系统的像差图；
图14(A)-(I)显示本发明的示例6的可变放大倍率光学系统的像差图；
图15(A)-(I)显示本发明的示例7的可变放大倍率光学系统的像差图；
图16(A)-(I)显示本发明的示例8的可变放大倍率光学系统的像差图；以及
图17是根据本发明的一个实施例的成像设备的示意性结构图。
具体实施方式
在下文中，参照附图详细地描述本发明的实施例。图1是显示根据本发明的一个实施例的可变放大倍率光学系统的结构示例的剖视图并且对应于随后将要被描述的示例1的可变放大倍率光学系统。图2-8是显示根据本发明的实施例其它结构示例的剖视图并分别对应于随后将要被描述的示例2-8的可变放大倍率光学系统。图1-8中所示的示例具有相同的基本结构并且在附图中以相同的方式被示出。因此，主要参照图1描述根据本发明的实施例的可变放大倍率光学系统。
该可变放大倍率光学系统从物体侧顺序地包括具有负屈光力的第一透镜组G1、孔径光阑St、和具有正屈光力的第二透镜组G2，其中通过改变第一透镜组G1与第二透镜组G2之间沿光轴方向的间隔来实现放大倍率的改变，并且通过沿光轴方向移动第一透镜组G1来实现像平面位置的校正以及放大倍率的改变。
本发明的可变放大倍率光学系统可以是通过沿光轴方向移动第二透镜组G2实现放大倍率的改变并通过沿光轴方向移动第一透镜组G1实现像平面位置的校正以及放大倍率的改变的变焦距镜头。可选地，本发明的可变放大倍率光学系统可以是变焦镜头。例如，图1中所示的示例是变焦距镜头的示例，其中通过使第二透镜组G2沿着光轴朝向物体侧移动来实现从广角端到摄远端的放大倍率的改变。
在图1所述的示例中，孔径光阑St在放大倍率的改变期间相对于像平面Sim固定。应该注意的是图1所示的孔径光阑St不是表示其尺寸和形状，而是表示其沿光轴Z的位置。在图1中，左侧对应于物体侧，而右侧对应于图像侧。图1中所示的透镜结构显示当无限远距离处的对象在广角端处被聚焦时的透镜位置，并且由透镜组下方的箭头显示在放大倍率从广角端变化到摄远端期间每一个透镜组的移动的轨迹。
在其中可变放大倍率光学系统安装在成像设备上的情况下，优选的是使成像设备设有用于保护图像传感器的成像表面的玻璃罩、基于成像设备的规格的诸如分色棱镜的棱镜、和诸如低通滤光器、红外线切断滤光器等的各种滤光器。在这种假设下，在图1所示的示例中，平行板状光学构件PP设置在最靠近图像侧的透镜组与像平面Sim之间。
如图1所示，例如，第一透镜组G1可以具有五透镜结构，所述五透镜结构从物体侧顺序地包括：为具有面向物体侧的凸面的负弯月透镜的透镜L11、为具有面向物体侧的凸面的负弯月透镜的透镜L12、为负透镜的透镜L13、为正透镜的透镜L14、以及为负透镜的透镜L15。
第一透镜组G1被构造成使得具有面向物体侧的凹面的负的单透镜(图1中所示的示例中的透镜L15)设置在最靠近图像侧位置处，而正的单透镜(图1中所示的示例中的透镜L14)设置在从图像侧开始的第二个位置处。将这些单透镜设置在第一透镜组G1的最靠近图像侧位置和从图像侧开始的第二个位置允许在摄远端处成功地校正球面像差和纵向色差，从而确保从可见光范围到近红外光范围良好的光学性能。
优选的是为第一透镜组G1中从图像侧开始的第二个透镜的单透镜包括具有面向图像侧的凸面的形状。通过使用第一透镜组G1中的分别设置在最靠近图像侧位置和从图像侧开始的第二个位置处的负的单透镜和正的单透镜的组合，这种结构允许主要在摄远端处成功地校正纵向色差。
进一步地，优选的是第一透镜组G1包括具有负屈光力的至少一个透镜，且所述透镜的至少一个表面是非球面。这种结构允许成功地控制广角端处的像散以及允许成功地校正摄远端处的球面像差。
在其中重要的是减小尺寸并降低成本的情况下，优选的是第一透镜组G1具有如图1-5中所示的示例中的五透镜结构。另一方面，在重要的是具有高光学性能和高规格的情况下，第一透镜组G1可以如图6-8中所示的示例中的具有六透镜结构或七透镜结构。
如图1所示，第二透镜组G2被构造成从物体侧顺序地包括：为设置在最靠近物体侧位置处且其至少一个表面为非球面的正透镜的透镜L21、由从物体侧顺序地粘合在一起的为负透镜的透镜L22和为正透镜的透镜L23形成的第一粘合透镜、和由从物体侧顺序地粘合在一起的为负透镜的透镜L24和为正透镜的透镜L25形成的第二粘合透镜。
将至少一个表面为非球面的正透镜L21设置在第二透镜组G2的最靠近物体侧位置处允许在实现高孔径比和高变焦比的情况下获得高光学性能。与此同时，将具有上述结构的两个粘合透镜(即，第一粘合透镜和第二粘合透镜)设置在透镜L21的图像侧允许实现从可见光范围到近红外光范围的高光学性能。
如果形成第一粘合透镜和第二粘合透镜中的每一个的正透镜和负透镜的顺序不同于上述结构，则难以实现球面色像差的成功校正。如上所述，理想的是与监视照相机一起使用的光学系统具有高孔径比，因此与具有大F数的光学系统的球面像差的校正相比较，球面像差的校正更加困难。因为本发明的可变放大倍率光学系统涉及获得从可见光范围到近红外光范围良好的光学性能，因此包括在第二透镜组G2中的粘合透镜的结构是重要的。
在其中重要的是减小尺寸并降低成本的情况下，优选的是第二透镜组G2具有包括透镜L21-L25的上述五透镜结构。
第二透镜组G2中的第一个粘合透镜的负透镜L22的图像侧表面和第二粘合透镜的负透镜L24的图像侧表面两者都具有凹面形状。这两个表面中的每一个都是在负透镜与正透镜之间的粘合表面，并且这种形状允许成功地校正从可见光范围到近红外光范围的色差。
优选的是第二透镜组G2中的第一粘合透镜和第二粘合透镜紧邻于彼此设置，且在所述第一粘合透镜与第二粘合透镜之间没有设置透镜构件。这种结构在实现尺寸减小同时实现从可见光范围到近红外光范围的色差的成功校正方面是有利的。
优选的是本发明的可变放大倍率光学系统满足以下条件表达式(1)下方：
-0.5＜(R23f+R23r)/(R23f-R23r)＜0.5  (1)，
其中R23f是形成第一粘合透镜的正透镜L23的物体侧表面的曲率半径，而R23r是形成第一粘合透镜的正透镜L23的图像侧表面的曲率半径。
条件表达式(1)与形成第一粘合透镜的正透镜L23的形状有关。如果超过条件表达式(1)的上限，则第一粘合透镜的色差校正效果降低，并且难以实现从可见光范围到近红外光范围的高光学性能。如果达不到条件表达式(1)的下限，则难以实现尤其在广角端处的球面像差的成功校正。
鉴于上述情况，更加优选的是代替条件表达式(1)满足以下条件表达式(1-1)：
-0.25＜(R23f+R23r)/(R23f-R23r)＜0.25  (1-1)。
进一步地，优选的是本发明的可变放大倍率光学系统满足以下条件表达式(2)和(3)：
vd23＞70.0  (2)以及
vd25＞70.0  (3)，
其中vd23是形成第一粘合透镜的正透镜L23的关于d线的阿贝数，而vd25是形成第二粘合透镜的正透镜L25的关于d线的阿贝数。
条件表达式(2)和(3)与形成第一粘合透镜的正透镜L23和形成第二粘合透镜的正透镜L25的材料有关。如果达不到条件表达式(2)和(3)的下限，则在从广角端到摄远端的整个范围上纵向色差增加，并且难以确保从可见光范围到近红外光范围良好的光学性能。
鉴于上述情况，更加优选的是代替条件表达式(2)满足以下条件表达式(2-1)并代替条件表达式(3)满足以下条件表达式(3-1)：
vd23＞80.0  (2-1)以及
vd25＞80.0  (3-1)。
进一步地，优选的是本发明的可变放大倍率光学系统满足以下条件表达式(4)：
-1＜R23r/R22f＜0  (4)，
其中R23r是形成第一粘合透镜的正透镜L23的图像侧表面的曲率半径，而R22f是形成第二粘合透镜的负透镜L22的物体侧表面的曲率半径。
条件表达式(4)涉及与当第一粘合透镜被认为是一个透镜时第一粘合透镜的图像侧表面的曲率半径与物体侧表面的曲率半径的比值。因为本发明的可变放大倍率光学系统从物体侧顺序地包括具有负屈光力的第一透镜组G1和具有正屈光力的第二透镜组G2，包括在第二透镜组G2中的第一粘合透镜通常总体上具有正屈光力。如果超过条件表达式(4)的上限，则第一粘合透镜具有弯月形状，并且第二透镜组G2的正屈光力降低，并且难以实现尺寸减小和提供高放大率。
在其中第一粘合透镜总体上具有正屈光力的情况下，第一粘合透镜具有在满足条件表达式(4)的上限的范围内的双凸形状。因此，透镜L22的物体侧表面是凸面。如上所述，透镜L22的图像侧表面是凹面。因此，在其中满足条件表达式(4)的上限的范围内，透镜L22是具有面向图像侧的凹面的弯月形透镜。如果达不到条件表达式(4)的下限，则R22f变小并接近透镜L22的图像侧表面的曲率半径，从而导致透镜L22的负屈光力变弱。这降低了第一粘合透镜的色差校正效果，并且难以实现从可见光范围到近红外光范围的高光学性能。
鉴于上述情况，更加优选的是代替条件表达式(4)满足以下条件表达式(4-1)：
-0.7＜R23r/R22f＜0  (4-1)。
进一步地，优选的是本发明的可变放大倍率光学系统满足以下条件表达式(5)：
|R22r|-|R24r|＞0  (5)，
其中R22r是形成第一粘合透镜的负透镜L22的图像侧表面的曲率半径，而R24f是形成第二粘合透镜的负透镜L24的图像侧表面的曲率半径。
条件表达式(5)涉及包括在第二透镜组G2中的两个粘合透镜的粘合表面的曲率半径。如果达不到条件表达式(5)的下限，则具有高纵向色差校正效果的透镜L22和透镜L24的粘合表面的色差校正效果降低，并且难以实现从可见光范围到近红外光范围的高光学性能。
进一步地，优选的是本发明的可变放大倍率光学系统满足以下条件表达式(6)：
3.0＜fG2/fw＜5.0  (6)，
其中fG2是第二透镜组G2的焦距，而fw是整个系统在广角端处的焦距。
条件表达式(6)涉及第二透镜组G2的屈光力和整个系统的屈光力的比值。如果超过条件表达式(6)的上限，则第二透镜组G2的移动量以及放大倍率的改变增加，并且这抑制了光学系统的尺寸减小。如果达不到条件表达式(6)的下限，则第二透镜组G2的屈光力变强，从而导致对球面像差的过度校正，并因此降低了性能。
应该注意的是，如在图8中所示的示例中，例如，本发明的可变放大倍率光学系统可以进一步包括设置在第二透镜组G2的图像侧的具有正屈光力的第三透镜组。第三透镜组在放大倍率的改变期间固定。这种结构允许改进在变焦范围中在中间位置处的球面像差的过度校正的趋势，从而不仅在广角端和摄远端而且在中间区域处也能够保持良好的光学性能。
根据本发明的上述实施例的可变放大倍率光学系统，同时可以是获得具有包括至少两个透镜组以及大约十个透镜的紧凑结构，并且具有大约2.6倍至4倍的高变焦比、在广角端处具有大约1.3至1.6的F数的高孔径比、和在广角端处具有大约110度至140度的总视场角的宽角度的透镜系统。
应该注意的是，在其中本发明的可变放大倍率光学系统在诸如室外环境的恶劣环境中使用的情况下优选的是使用耐由于天气导致的表面磨损的材料、耐由于被暴露给阳光直射而导致的温度变化的材料(例如，油、洗涤剂等)，即，具有高耐水性、高抗天气性、高度耐酸性、高度耐化学性等且坚硬并不易碎的材料，形成设置在最靠近物体侧位置处的透镜。在其中重要的满足这些要求的情况下，形成最靠近物体侧透镜的优选材料是玻璃，或者可以使用透明陶瓷。
进一步地，在本发明的可变放大倍率光学系统在恶劣环境中使用的情况下，优选的是涂覆多层保护涂层。除了保护涂层之外，可以涂覆抗反射涂层以在使用期间减少鬼光等。
应该注意的是虽然光学构件PP设置在图1中所示的示例中的最靠近图像侧的透镜的图像侧，但是各种滤光器中的任一种都可以设置在透镜之间，或具有与各种滤光器中的任一种相同效果的涂层可以涂覆到任一透镜的透镜表面。
接下来，描述本发明的可变放大倍率光学系统的数字示例。图1-8分别显示了示例1-8的可变放大倍率光学系统的透镜剖视图。示例1-8的可变放大倍率光学系统中的每一个被构造成通过使第二透镜组G2沿着光轴朝向物体侧移动获得从广角端到摄远端的放大倍率的改变，并且通过使第一透镜组G1在光轴方向上移动获得像平面位置的校正以及放大倍率的改变。
示例1-5是从物体侧顺序地包括第一透镜组G1和第二透镜组的两组结构，其中所述第一透镜组G1具有包括透镜L11至L15的五透镜结构，所述第二透镜组具有包括透镜L21至L25的五透镜结构。示例6是从物体侧顺序地包括第一透镜组G1和第二透镜组G2的两组结构，其中所述第一透镜组G1具有包括透镜L11至L16的六透镜结构，所述第二透镜组G2具有包括透镜L21至L25的五透镜结构。示例7是从物体侧顺序地包括第一透镜组G1和第二透镜组G2的两组结构，其中所述第一透镜组G1具有包括透镜L11至L17的七透镜结构，所述第二透镜组G2具有包括透镜L21至L25的五透镜结构。示例8是从物体侧顺序地包括第一透镜组G1、第二透镜组G2和第三透镜组G3的三组结构，其中所述第一透镜组G1具有包括透镜L11至L17的七透镜结构，所述第二透镜组G2具有包括透镜L21至L25的五透镜结构，而所述第三透镜组G3具有包括透镜L31至L32的两透镜结构。示例8的第三透镜组G3具有正屈光力并在放大倍率的改变期间是固定的。所有示例1-8都包括设置在第一透镜组G1与第二透镜组G2之间并在放大倍率的改变期间被固定的孔径光阑St。
分别在表1、表2和表3中示出了示例1的可变放大倍率光学系统的基本透镜数据、非球面系数、和放大倍率的改变相关数据。类似地，分别在表3-24中示出了示例2-8的可变放大倍率光学系统的基本透镜数据和非球面系数。以下使用例如关于示例1的表描述表中所使用的符号的含义。在关于示例2-8的表中使用基本上相同的符号，并且对于关于示例2-8的表不再重复相同的说明。
在显示基本透镜数据的表1中，列“Si”中的每一个值表示第i(i＝1，2，3，...)个表面的表面编号其中最靠近物体侧元件的物体侧表面是第一个表面并且编号朝向图像侧顺序增加；列“Ri”中的每一个值表示第i个表面的曲率半径；列“Di”中的每一个值表示第i个表面与第i+1个表面之间沿着光轴Z的表面间隔，其中列“Di”中的最低数值表示表中所示的最后一个表面与像平面Sim之间的表面间隔；列“Ndj”中的每一个值表示第j(j＝1，2，3，...)个光学元件的关于d线(波长为587.6nm)的折射率，其中最靠近物体侧光学元件是第一个元件，并且数字朝向图像侧顺序增加；而列“vdj”中的每一个值表示第j个光学元件的关于d线的阿贝数。
应该注意的是曲率半径的符号表示朝向物体侧凸起的表面形状为正，而朝向图像侧凸起的表面形状为负。基本透镜数据表还包括孔径光阑St和光学构件PP的数据。在表面编号列中对应于孔径光阑St的表面编号的位置处，文字“(孔径光阑)”也被示出。
在基本透镜数据表中，表面间隔列中所示的文字“变量1”、“变量2”以及“变量3”表示在放大倍率的改变期间变化的表面间隔。变量1是第一透镜组G1与孔径光阑St之间的间隔，而变量2是孔径光阑St与第二透镜组G2之间的间隔。示例1-7中的变量3是第二透镜组G2与光学构件PP之间的间隔，而示例8中的变量3是第二透镜组G2与第三透镜组G3之间的间隔。
在基本透镜数据表中，非球面由附于其表面编号的符号“*”表示，而近轴曲率半径的数值被显示为每一个非球面的曲率半径。表2显示了每一个非球面的非球面系数，其中在表2中所示的非球面系数的每一个数值之后的“E-n”(其中n为整数)表示“×10-n，而“E+n”表示“×10n”。非球面系数是以下非球面公式中的系数K和Am(其中m＝3，4，5，...，20)的值：
Zd = C × Y 2 1 + 1 - K × C 2 × Y 2 + Σ m A m Y m ,
其中Zd是非球面的深度(从非球面上高度Y处的点到与非球面的顶点相切并垂直于光轴的平面的垂直线的长度)，Y是高度(从光轴到透镜表面的距离)，C是近轴曲率，以及K和Am是非球面系数(其中，m＝3，4，5，...，20)。
在显示放大倍率的改变相关数据的表3中，显示了在广角端、中间焦点位置和摄远端处的整个系统的焦距、Fno.(F数)、总视场角、变量1、变量2和变量3的值。在如下所述的表中，角度的单位是度，而长度的单位是毫米；然而，由于可以通过按比例放大或缩小来使用光学系统，因此可以使用任何其它适当的单位。这里的表中所示的数值以预定小数位被四舍五入。
表1
示例1
表2
示例1
表3
示例1
表4
示例2
表5
示例2
表6
示例2
表7
示例3
表8
示例3
表9
示例3
表10
示例4
表11
示例4
表12
示例4
表13
示例5
表14
示例5
表15
示例5
表16
示例6
表17
示例6
表18
示例6
表19
示例7
表20
示例7
表21
示例7
表22
示例8
表23
示例8
表24
示例8
相对于示例1的可变放大倍率光学系统，在图9(A)-(C)中分别示出了广角端处的球面像差、像散和畸变，在图9(D)-(F)中分别示出了中间焦点位置处的球面像差、像散和畸变，以及图9(G)-(I)中分别显示了摄远端处的球面像差、像散和畸变。每一个畸变图相对于作为参考的d线。球面像差图还显示了关于g线(435.8nm的波长)、C线(656.3nm的波长)和880nm波长的畸变。在像散图中，径向方向上的畸变由实线显示，而切线方向上的畸变由虚线显示。球面像差图中的“Fno.”表示F数。其它畸变图中的符号“ω”表示半视场角。
类似地，在图10(A)-(I)、图11(A)-(I)、图12(A)-(I)、图13(A)-(I)、图14(A)-(I)、图15(A)-（I)和图16(A)-(I)中示出了示例2-8的可变放大倍率光学系统的广角端、中间焦点位置和摄远端处的畸变图。
表25显示了对应于示例1-8的可变放大倍率光学系统的条件表达式(1)-(6)的值。示例1-8的所有可变放大倍率光学系统满足条件表达式(1)-(6)。
表25
图17显示了采用本发明的实施例的可变放大倍率光学系统的成像设备的示意性结构图作为根据本发明的一个实施例的成像设备的一个示例。所述成像设备例如可以是监视照相机、摄像机、电子静态式照相机等。
图17所示的成像设备10包括可变放大倍率光学系统1、设置在可变放大倍率光学系统1的图像侧的滤光器2、用于获得被可变放大倍率光学系统聚焦的对象的图像的图像传感器3、和用于处理来自图像传感器3的输出信号的信号处理单元4。可变放大倍率光学系统1包括负的第一透镜组G1、孔径光阑St和正的第二透镜组G2。在图17中，每一个透镜组被概念地显示。图像传感器3将由可变放大倍率光学系统1形成的光学图像转换成电信号，并且图像传感器3的成像表面被定位成对应于可变放大倍率光学系统的像平面。例如可以使用CCD或CMOS作为图像传感器3。
成像设备10包括用于执行可变放大倍率光学系统1的放大倍率的改变的放大倍率改变控制器5、用于控制可变放大倍率光学系统1的聚焦的聚焦控制器6、和用于改变孔径光阑St的孔径直径的孔径控制器7。应该注意的是可以省略孔径控制器7。
已经参照实施例和示例描述了本发明。然而，本发明不局限上述实施例和示例，而使可以对本发明进行各种修改。例如，每一个透镜的曲率半径的值、表面间隔、折射率、阿贝数、非球面系数等不局限于上述数字示例，而使可以采用不同的值。

Claims (28)

1.一种可变放大倍率光学系统，从物体侧顺序地包括具有负屈光力的第一透镜组、光阑和具有正屈光力的第二透镜组，
所述可变放大倍率光学系统被构造成通过改变第一透镜组与第二透镜组之间沿光轴方向的间隔来实现放大倍率的改变，并且通过沿光轴方向移动第一透镜组来实现像平面位置的校正和放大倍率的改变，其中：
第一透镜组中的最靠近图像侧的透镜是具有负屈光力的单透镜，所述单透镜具有面向物体侧的凹面，并且第一透镜组中的从图像侧开始的第二个透镜是具有正屈光力的单透镜，
第二透镜组从物体侧顺序地包括设置在最靠近物体侧位置且至少一个表面为非球面的正透镜、由从物体侧顺序地粘合在一起的负透镜和正透镜形成的第一粘合透镜、和由从物体侧顺序地粘合在一起的负透镜和正透镜形成的第二粘合透镜，
形成第一粘合透镜的负透镜的图像侧表面和形成第二粘合透镜的负透镜的图像侧表面是凹面，以及
满足以下条件表达式(1)：
-0.5＜(R23f+R23r)/(R23f-R23r)＜0.5   (1)，
其中，R23f是形成第一粘合透镜的正透镜的物体侧表面的曲率半径，且R23r是形成第一粘合透镜的正透镜的图像侧表面的曲率半径。
2.根据权利要求1所述的可变放大倍率光学系统，其中满足以下条件表达式(1-1)：
-0.25＜(R23f+R23r)/(R23f-R23r)＜0.25   (1-1)。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的可变放大倍率光学系统，其中满足以下条件表达式(2)和(3)：
vd23＞70.0   (2)以及
vd25＞70.0   (3)，
其中，vd23是形成第一粘合透镜的正透镜的关于d线的阿贝数，而vd25是形成第二粘合透镜的正透镜的关于d线的阿贝数。
4.根据权利要求3所述的可变放大倍率光学系统，其中满足以下条件表达式(2-1)：
vd23＞80.0   (2-1)。
5.根据权利要求3所述的可变放大倍率光学系统，其中满足以下条件表达式(3-1)：
vd25＞80.0   (3-1)。
6.根据权利要求1-2中任一项所述的可变放大倍率光学系统，其中满足以下条件表达式(4)：
-1＜R23r/R22f＜0   (4)，
其中，R23r是形成第一粘合透镜的正透镜的图像侧表面的曲率半径，且R22f是形成第一粘合透镜的负透镜的物体侧表面的曲率半径。
7.根据权利要求6所述的可变放大倍率光学系统，其中满足以下条件表达式(4-1)：
-0.7＜R23r/R22f＜0   (4-1)。
8.根据权利要求1-2中任一项所述的可变放大倍率光学系统，其中满足以下条件表达式(5)：
|R22r|-|R24r|＞0   (5)，
其中，R22r是形成第一粘合透镜的负透镜的图像侧表面的曲率半径，且R24r是形成第二粘合透镜的负透镜的图像侧表面的曲率半径。
9.根据权利要求1-2中任一项所述的可变放大倍率光学系统，其中第一透镜组中的从图像侧开始的第二个透镜是具有正屈光力的单透镜，并且具有正屈光力的所述单透镜具有包括面向图像侧的凸面的形状。
10.根据权利要求1-2中任一项所述的可变放大倍率光学系统，其中满足以下条件表达式(6)：
3.0＜fG2/fw＜5.0   (6)，
其中，fG2是第二透镜组的焦距，且fw是整个系统在广角端处的焦距。
11.根据权利要求1-2中任一项所述的可变放大倍率光学系统，其中可变放大倍率光学系统的透镜组由第一透镜组和第二透镜组构成。
12.根据权利要求1-2中任一项所述的可变放大倍率光学系统，还包括设置在第二透镜组的图像侧并具有正屈光力的第三透镜组，所述第三透镜组在放大倍率的改变期间被固定。
13.根据权利要求12所述的可变放大倍率光学系统，其中可变放大倍率光学系统的透镜组由第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组构成。
14.根据权利要求1-2中任一项所述的可变放大倍率光学系统，其中第一透镜组包括具有负屈光力且至少一个表面为非球面的至少一个透镜。
15.一种可变放大倍率光学系统，从物体侧顺序地包括具有负屈光力的第一透镜组、光阑和具有正屈光力的第二透镜组，所述可变放大倍率光学系统被构造成通过改变第一透镜组与第二透镜组之间沿光轴方向的间隔来实现放大倍率的改变，并且通过沿光轴方向移动第一透镜组来实现像平面位置的校正和放大倍率的改变，其中：
第一透镜组中的最靠近图像侧的透镜是具有负屈光力的单透镜，所述单透镜具有面向物体侧的凹面，并且第一透镜组中的从图像侧开始的第二个透镜是具有正屈光力的单透镜，
第二透镜组从物体侧顺序地包括设置在最靠近物体侧位置且至少一个表面为非球面的正透镜、由从物体侧顺序地粘合在一起的负透镜和正透镜形成的第一粘合透镜、和由从物体侧顺序地粘合在一起的负透镜和正透镜形成的第二粘合透镜，
第一粘合透镜和第二粘合透镜紧邻彼此设置，以及
形成第一粘合透镜的负透镜的图像侧表面和形成第二粘合透镜的负透镜的图像侧表面是凹面。
16.根据权利要求15所述的可变放大倍率光学系统，其中满足以下条件表达式(2)和(3)：
vd23＞70.0   (2)以及
vd25＞70.0   (3)，
其中，vd23是形成第一粘合透镜的正透镜的关于d线的阿贝数，而vd25是形成第二粘合透镜的正透镜的关于d线的阿贝数。
17.根据权利要求16所述的可变放大倍率光学系统，其中满足以下条件表达式(2-1)：
vd23＞80.0   (2-1)。
18.根据权利要求16所述的可变放大倍率光学系统，其中满足以下条件表达式(3-1)：
vd25＞80.0   (3-1)。
19.根据权利要求15所述的可变放大倍率光学系统，其中满足以下条件表达式(4)：
-1＜R23r/R22f＜0   (4)，
其中，R23r是形成第一粘合透镜的正透镜的图像侧表面的曲率半径，且R22f是形成第一粘合透镜的负透镜的物体侧表面的曲率半径。
20.根据权利要求19所述的可变放大倍率光学系统，其中满足以下条件表达式(4-1)：
-0.7＜R23r/R22f＜0   (4-1)。
21.根据权利要求15所述的可变放大倍率光学系统，其中满足以下条件表达式(5)：
|R22r|-|R24r|＞0   (5)，
其中，R22r是形成第一粘合透镜的负透镜的图像侧表面的曲率半径，且R24r是形成第二粘合透镜的负透镜的图像侧表面的曲率半径。
22.根据权利要求15所述的可变放大倍率光学系统，其中第一透镜组中的从图像侧开始的第二个透镜是具有正屈光力的单透镜，并且具有正屈光力的所述单透镜具有包括面向图像侧的凸面的形状。
23.根据权利要求15所述的可变放大倍率光学系统，其中满足以下条件表达式(6)：
3.0＜fG2/fw＜5.0   (6)，
其中，fG2是第二透镜组的焦距，且fw是整个系统在广角端处的焦距。
24.根据权利要求15所述的可变放大倍率光学系统，其中可变放大倍率光学系统的透镜组由第一透镜组和第二透镜组构成。
25.根据权利要求15所述的可变放大倍率光学系统，还包括设置在第二透镜组的图像侧并具有正屈光力的第三透镜组，所述第三透镜组在放大倍率的改变期间被固定。
26.根据权利要求25所述的可变放大倍率光学系统，其中可变放大倍率光学系统的透镜组由第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组构成。
27.根据权利要求15所述的可变放大倍率光学系统，其中第一透镜组包括具有负屈光力且至少一个表面为非球面的至少一个透镜。
28.一种成像设备，包括根据权利要求1-27中任一项所述的可变放大倍率光学系统。
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