CN103797395B - 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

[目标]在一种可变放大倍率光学系统，其中可变放大倍率光学系统维持小的尺寸和大的孔径比，可以用在从可见区至近红外区，并具有可以应付高像素成像元件的高光学性能。[技术方案]可变放大倍率光学系统(1)包括由从物体侧顺序地设置的正的第一透镜组(1)、负的第二透镜组(2)、正的第三透镜组(3)和正的第四透镜组(4)。在放大倍率从广角端改变至长焦端时，第一透镜组(G1)和第三透镜组(G3)固定，并且通过向着图像侧移动第二透镜组(G2)，放大倍率从广角端改变至长焦端，并且通过移动第四透镜组(G4)，执行与放大倍率变化有关的像面的修正和聚焦。第一透镜组(G1)包括从物体侧顺序地设置的两个正透镜(L11)、(L12)和负透镜(L13)。第二透镜组(G2)包括从物体侧顺序地设置的负的第21透镜(L21)、负的第22透镜(L22)、负的第23透镜(L23)和负的第24透镜(L24)。

Description

可变放大倍率光学系统和成像设备
技术领域
本发明涉及可用在摄像机、电子静态式照相机等中的可变放大倍率光学系统，以及成像设备。特别地，本发明涉及一种可变放大倍率光学系统，其适合监视相机，并且可用在从可见区至近红外区的宽波长带中，以及涉及包括该可变放大倍率光学系统的成像设备。
背景技术
传统上监视相机用于防止犯罪、记录等。用于这种监视相机的光学系统需要能够以小尺寸和低成本构造而成。进一步，该光学系统需要具有大的相对孔径以便即使在低亮度拍摄条件下也能够识别物体，以及具有高可变放大倍率和高光学性能。
例如，在专利文献1和2中已经提出了用于监视相机的光学系统。在专利文献1和2中公开的两种光学系统中，光学系统由从物体侧顺序地设置的具有正折射本领的第一透镜组、具有负折射本领的第二透镜组、具有正折射本领的第三透镜组和具有正折射本领的第四透镜组构成。在放大倍率改变期间，第一透镜组合第三透镜组固定，第二透镜组和第四透镜组移动。第一透镜组由从物体侧顺序地设置的正透镜、正透镜和负透镜这三个透镜构成。
相关技术文献
专利文献
专利文献1
日本未审查专利公开No.2007-328006
专利文献2
日本未审查专利公开No.2009-237400
发明内容
近年来，对监视相机来说对具有较高图像质量的图像的需求也已经增加。特别地，对可以应付包括具有1百万像素或更多像素的成像装置的相机的可变放大倍率光学系统的需求不断增加。同时，用于白天和夜间使用的监视相机的光学系统通常在自动化工厂中被设置，并且在白天期间进行借助于可见光的拍摄，在夜间期间进行借助于近红外光的拍摄。因此，需要在从可见区至近红外区的宽波长带中出色地修正色像差，并且需要维持高光学性能。近年来，需要可以满足这两种需求的光学系统。
同时，专利文献1中公开的光学系统试图应付可见区至近红外区。然而，在一些情况中，近年来，根据设备的规格需要较高的分辨率性能，并且该设备的分辨率变高。专利文献2的光学系统可以应付较高的分辨率。然而，仅可见区被采用。
考虑到前述情况，本发明的目标是提供一种可变放大倍率光学系统，其可以用在从可见区至近红外区的宽波长带并具有用于应付高分辨率成像装置的高的光学性能，同时维持光学系统的小尺寸和大的相对孔径。进一步，本发明的另一个目标是提供包括该可变放大倍率光学系统的成像设备。
本发明的可变放大倍率光学系统是一种如下所述的可变放大倍率光学系统，其基本上由从物体侧顺序地设置的具有正折射本领的第一透镜组、具有负折射本领的第二透镜组、具有正折射本领的第三透镜组和具有正折射本领的第四透镜组这四个透镜组构成，
其中在放大倍率从广角端改变至长焦端时，第一透镜组和第三透镜组相对于光轴方向固定，并且通过沿着光轴向图像侧移动第二透镜组，放大倍率从广角端改变至长焦端，并且通过沿着光轴移动第四透镜组，执行由于放大倍率变化而需要进行的像面的修正和聚焦，并且
其中第一透镜组基本上由从物体侧顺序地设置的具有正折射本领的透镜、具有正折射本领的透镜和具有负折射本领的透镜这三个透镜构成，并且
第二透镜组基本上由从物体侧顺序地设置的具有负折射本领的第21透镜、具有负折射本领的第22透镜、具有负折射本领的第23透镜和具有负折射本领的第24透镜这四个透镜构成。
在本发明的可变放大倍率光学系统中，希望的是，第22透镜的图像侧表面是凸的，并且第23透镜的物体侧表面是凹的。
在本发明的可变放大倍率光学系统中，希望的是，第22透镜和第23透镜粘合在一起。当第22透镜和第23透镜粘合在一起时，希望的是满足下述条件公式(1)：
-2.0<Rc／fw<-0.6(1)，其中
Rc：第22透镜和第23透镜的粘合表面的曲率半径，以及
fw：整个系统在广角端处的焦距。
进一步，在本发明的可变放大倍率光学系统中，希望的是满足下述条件公式(2)和(3)：
70.0<vlp(2)，和
34.0<v2n<40.0(3)，其中
vlp：第一透镜组中包括的正透镜关于d线的阿贝数的平均值，以及
v2n：第二透镜组中包括的负透镜关于d线的阿贝数的平均值。
进一步，在本发明的可变放大倍率光学系统中，希望的是，第24透镜是具有朝向物体侧的凹面的弯月透镜。
进一步，在本发明的可变放大倍率光学系统中，希望的是，第22透镜是双凸透镜，第23透镜是双凹透镜。
在本发明的可变放大倍率光学系统中，希望的是，满足下述条件公式(4)：
0.50<(R21f+R21r)／(R21f-R21r)<1.30(4)，其中
R21f：第21透镜的物体侧表面的曲率半径，以及
R21r：第21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中，希望的是，第四透镜组基本上由从物体侧顺序地设置的具有正折射本领的第41透镜、具有负折射本领的第42透镜和具有正折射本领的第43透镜这三个透镜构成，并且第41透镜具有至少一个非球面表面。
在本发明的可变放大倍率光学系统中，希望的是，第三透镜组包括具有正折射本领的透镜以及由具有正折射本领的透镜和具有负折射本领的透镜形成的粘合透镜。
进一步，表述“基本上由四个透镜组构成”，表述“基本上由三个透镜构成”，以及表述“基本上由四个透镜构成”中的术语“基本上”是指除了被提及作为构成元件的透镜组或透镜之外，还可以包括实质上不具有任何折射本领的透镜、除透镜之外的光学元件，如光阑和盖玻璃，机械部件，如透镜法兰、透镜镜筒、成像装置，和手抖模糊修正机构等。
进一步，术语“透镜组”没有必要表示由多个透镜构成的透镜组。透镜组可以仅由一个透镜构成。进一步，本发明的可变放大倍率光学系统可以是可变焦距镜头或变焦镜头。
在本发明的可变放大倍率光学系统中，在透镜包括非球面表面时，在近轴区域中考虑透镜的表面形状和透镜的折射本领的符号。进一步，曲率半径的符号在表面形状凸向物体侧时为正，在表面形状凸向图像侧时为负。
根据本发明的成像设备包括本发明的如上所述的可变放大倍率光学系统、和对对象的由可变放大倍率光学系统形成的图像进行成像的成像装置。
本发明的可变放大倍率光学系统由从物体侧顺序地设置的、在放大倍率改变期间固定的正的第一透镜组、负的第二透镜组、在放大倍率改变期间固定的正的第三透镜组、和正的第四透镜组构成。在放大倍率从广角端改变至长焦端时，第二透镜组移向图像侧，通过移动第四透镜组，执行由于放大倍率变化而需要进行的像面的修正和聚焦。在这种方式构造的镜头系统中，第一透镜组和第二透镜组的透镜结构被适当地详细地设置。因此，能够实现对从可见区至近红外区的宽波长带的色像差进行出色的修正，以及可以应付高分辨率成像装置的高光学性能，同时维持光学系统的小尺寸和大的相对孔径。
本发明的成像设备包括本发明的可变放大倍率光学系统。因此，能够以小的尺寸构造成像设备。进一步，成像设备可以应付低照度条件和从可见区至近红外区的宽波长带。成像设备可以获得具有高图像质量的图像。
附图说明
图1是图示本发明的示例1中的可变放大倍率光学系统的透镜结构的横截面；
图2是图示本发明的示例2中的可变放大倍率光学系统的透镜结构的横截面；
图3是图示本发明的示例3中的可变放大倍率光学系统的透镜结构的横截面；
图4是图示本发明的示例4中的可变放大倍率光学系统的透镜结构的横截面；
图5是图示本发明的示例5中的可变放大倍率光学系统的透镜结构的横截面；
图6(A)至图6(L)是本发明的示例1中的可变放大倍率光学系统的像差示意图；
图7(A)至图7(L)是本发明的示例2中的可变放大倍率光学系统的像差示意图；
图8(A)至图8(L)是本发明的示例3中的可变放大倍率光学系统的像差示意图；
图9(A)至图9(L)是本发明的示例4中的可变放大倍率光学系统的像差示意图；
图10(A)至图10(L)是本发明的示例5中的可变放大倍率光学系统的像差示意图；以及
图11是图示根据本发明的一个实施例的成像设备的结构的示意图。
具体实施方式
接下来，将参照附图详细描述本发明的实施例。图1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1对应于稍后将被描述的示例1中的可变放大率光学系统。图2至图5是图示根据本发明的该实施例的可变放大率光学系统的其它结构示例的横截面。图2至图5分别对应于稍后将被描述的示例2至5中的可变放大率光学系统。图1至图5中图示的基本结构彼此相似，并且图示方法也相似。因此，将主要参照图1描述根据本发明的一个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基本上由从物体侧顺序地设置的具有正折射本领的第一透镜组G1、具有负折射本领的第二透镜组G2、具有正折射本领的第三透镜组G3、和具有正折射本领的第四透镜组G4这四个透镜组构成。在放大倍率从广角端改变至长焦端时，第一透镜组G1和第三透镜组G3相对于光轴方向固定，通过沿着光轴Z向图像侧移动第二透镜组G2，放大倍率从广角端改变至长焦端，并且通过沿着光轴Z移动第四透镜组G4，进行由于放大倍率变化而成为必要的像面的修正和聚焦。
图1中图示的透镜结构示出光学系统在广角端处聚焦在位于无穷远处的物体上时的透镜布置。第二透镜组G2和第四透镜组G4下面的箭头分别示意性地图示在放大倍率从广角端改变至长焦端时第二透镜组G2和第四透镜组G4的运动路径。在图1中，左侧是物体侧，右侧是图像侧。
在图1中图示的示例中，孔径光阑St设置在第二透镜组G2和第三透镜组G3之间。孔径光阑St在放大倍率改变期间相对于像面Sim固定。在这里，图1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。
当可变放大倍率光学系统安装在成像设备上时，希望的是，成像设备被构造成使得，基于成像设备的规格，可以适当地设置用于保护成像装置的成像表面的盖玻璃、棱镜，如分色棱镜，以及各种滤光器，如低通滤光器和红外线截止滤光器。图1图示了一种示例，其中被假设是这些元件的平行平板光学构件PP设置在最靠近图像侧透镜组和像面Sim之间。
如图1所示，第一透镜组G1由从物体侧顺序地设置的具有正折射本领的第11透镜L11、具有正折射本领的第12透镜L12、和具有负折射本领的第13透镜L13这三个透镜构成。与其中布置负折射本领、正折射本领和正折射本领的光焦度布置相比，第一透镜组G1的其中从物体侧顺序地布置正折射本领、正折射本领和负折射本领的光焦度布置对减小光学系统的总长度是有好处的。
作为第一透镜组G1的详细的透镜结构，例如，第11透镜L11可以是双凸透镜，第12透镜L12可以是双凸透镜，第13透镜L13可以是双凹透镜。进一步，第12透镜L12和第13透镜L13可以粘合在一起以构成粘合透镜。当第12透镜L12和第13透镜L13是粘合透镜时，这可以通过消除第12透镜L12和第13透镜L13之间的气隙而有助于减小光学系统的尺寸。进一步，能够降低由组装误差引起的性能下降。
如图1所示，第二透镜组G2由从物体侧顺序地设置的具有负折射本领的第21透镜L21、具有正折射本领的第22透镜L22、具有负折射本领的第23透镜L23和具有负折射本领的第24透镜L24这四个透镜构成。
当负的第21透镜L21和正的第22透镜L22从物体侧顺序地设置在第二透镜组G2中时，能够出色地修正特别是在广角侧的横向色像差。进一步，当正的第22透镜L22和负的第23透镜L23作为从物体侧开始的第二透镜和第三透镜设置在第二透镜组G2中时，能够出色地修正特别是在长焦侧的纵向色像差。进一步，当负的第24透镜L24设置在负的第23透镜L23的图像侧时，能够出色地修正在中间放大倍率处往往会被过度修正的球面像差。
在第二透镜组G2中，希望的是，第22透镜L22的图像侧表面是凸的，第23透镜L23的物体侧表面是凹的。当所述表面具有这种形状时，能够以出色的方式容易地修正色像差，同时将第22透镜L22的图像侧表面的曲率半径的绝对值和第23透镜L23的物体侧表面的曲率半径的绝对值维持为合适的值。
进一步，希望的是，第22透镜L22是双凸透镜，第23透镜L23是双凹形的。透镜的这种形状可以抑制由放大倍率变化引起的横向色像差的波动。
希望的是，第22透镜L22和第23透镜L23粘合在一起。当第22透镜L22和第23透镜L23粘合在一起时，能够出色地修正色像差，并且对从可见区至近红外区的宽波长带确保出色的光学性能。进一步，能够降低由组装误差引起的性能下降。
当第22透镜L22和第23透镜L23粘合在一起时，希望的是，满足下述条件公式(1)：
-2.0<Rc／fw<-0.6(1)，其中
Rc：第22透镜L22和第23透镜L23的粘合表面的曲率半径，以及
fw：整个系统在广角端处的焦距。
如果所述值低于条件公式(1)的下限，则特别是在长焦侧蓝光的纵向色像差被过度修正。如果所述值超过条件公式(1)的上限，则在长焦侧蓝光的纵向色像差被修正不足。当满足条件公式(1)时，能够出色地修正长焦侧的纵向色像差。
更希望的是，满足下述代替条件公式(1)的条件公式(1’)以进一步增强通过满足条件公式(1)能够实现的效果：
-1.7<Rc／fw<-0.8(1’)。
希望的是，第24透镜L24是具有朝向物体侧的凹面的弯月透镜。这可以在长焦侧抑制球面像差在短波长范围内的产生。
例如，第三透镜组G3可以由从物体侧顺序地设置的具有正折射本领的第31透镜L31的具有负折射本领的第32透镜这两个透镜构成，如图1所示。在这种两透镜结构中。希望的是，正的第31透镜L31和负的第32透镜粘合在一起。当正的第31透镜L31和负的第32透镜粘合在一起时，能够对从可见区至近红外区的宽波长带出色地修正色像差。进一步，能够降低由组装误差引起的性能下降。
可替换地，第三透镜组G3可以由三个或更多个透镜构成，其包括具有正折射本领的透镜以及其中具有正折射本领的透镜和具有负折射本领的透镜粘合在一起的粘合透镜。当第三透镜组G3包括粘合透镜时，能够对从可见区至近红外区的宽波长带出色地修正色像差。进一步，能够降低由组装误差引起的性能下降。
例如，当第三透镜组G3由三个透镜构成时，该结构与两透镜结构相比对修正像差是有利的。特别地，能够更出色地修正在第三透镜组G3中产生的球面像差。当需要具有较高规格，如具有较宽视场角和较高可变放大倍率的光学系统时，希望的是，第三透镜组G3由三个透镜构成。
当第三透镜组G3如上所述由三个透镜构成时，希望的是，具有正折射本领的第31透镜L31、具有正折射本领的第32透镜L32、和具有负折射本领的第33透镜L33从物体侧顺序地设置，例如，如图2和图4所示。当透镜以这种方式布置时，能够更出色地修正在第三透镜组G3中产生的球面像差。
例如，第四透镜组G4可以由从物体侧顺序地设置的具有正折射本领的第41透镜L41、具有负折射本领的第42透镜L42和具有正折射本领的第43透镜L43这三个透镜构成，如图1所示。第四透镜组G4的这种光焦度布置对出色修正场曲是有利的。
进一步，布置在第四透镜组G4中最靠近物体侧的第41透镜L41可以是非球面透镜。在这种情况中，能够容易地实现小F数和高光学性能，同时确保紧凑性。
希望的是，根据本发明的一个实施例的可变放大倍率光学系统满足下述条件公式(2)和(3)：
70.0<vlp(2)；和
34.0<v2n<40.0(3)，其中
vlp：第一透镜组G1中包括的正透镜关于d线的阿贝数的平均值，以及
v2n：第二透镜组G2中包括的负透镜于d线的阿贝数的平均值。
如果所述值低于条件公式(2)的下限，则特别是在长焦侧的纵向色像差修正不足。当满足条件公式(2)时，能够出色地修正在长焦侧的纵向色像差。希望的是满足代替条件公式(2)的条件公式(2’)以进一步增强通过满足条件公式(2)能够实现的效果：
75.0<vlp(2’)。
如果所述值低于条件公式(3)的下限，则变得难以抑制横向色像差和纵向色像差在放大倍率改变期间的波动。如果所述值超过条件公式(3)的上限，则产生二次色像差，并且变得难以同时处理可见光和近红外光。当满足条件公式(3)时，能够抑制色像差在放大倍率改变期间的波动，并处理从可见区至近红外区的宽波长带。
希望的是满足代替条件公式(3)的条件公式(3’)以进一步增强通过满足条件公式(3)能够实现的效果：
35.0<v2n<39.0(3’)。
进一步，希望的是，根据本发明的一个实施例的可变放大倍率光学系统满足下述条件公式(4)：
0.50<(R21f+R21r)／(R21f-R21r)<1.30(4)，其中
R21f：第21透镜L21的物体侧表面的曲率半径，以及
R21r：第21透镜L21的图像侧表面的曲率半径。
如果所述值低于条件公式(4)的下限，则周边图像形成区域中的畸变和横向色像差在广角端处恶化。如果所述值超过条件公式(4)的上限，则变得难以修正在长焦端处的短波长的球面像差。当满足条件公式(4)时，能够出色地修正广角端和长焦端处的像差。
更希望的是满足代替条件公式(4)条件公式(4’)以进一步增强通过满足条件公式(4)能够实现的效果，甚至更希望的是满足条件公式(4”)：
0.70<(R21f+R21r)／(R21f-R21r)<1.20(4’)；和
0.75<(R21f+R21r)／(R21f-R21r)<1.10(4”)。
当在恶劣环境中，例如，在室外使用根据本发明的一个实施例的可变放大倍率光学系统时，希望的是，设置在最靠近物体侧的透镜的材料抵抗由风雨和直射阳光带来的温度变化引起的表面的下降。进一步，希望的是，该材料耐化学物，如油脂和清洁剂。换句话说，希望采用具有出色的防水性、耐温性、耐酸性、耐化学性等的材料。希望的是，该材料是硬的且不易破裂。当重要的是满足这些要求时，希望的是，设置在最靠近物体侧的透镜的材料是玻璃。可替换地，可以采用透明陶瓷。
当在恶劣环境中使用根据本发明的一个实施例的可变放大倍率光学系统时，希望的是涂覆用于保护的多层涂层。除了用于保护的涂层之外，可以涂覆用于减少使用期间的重影光的抗反射涂层。
在图1中图示的示例中，光学构件PP设置在最靠近图像侧透镜的图像侧。代替地，各种滤光器可以设置在透镜之间。可替换地，具有与各种滤光器相同作用的涂层可以涂覆至一个透镜的透镜表面。
接下来，将描述本发明的可变放大倍率光学系统的数值示例。图1至图5分别图示示例1至5中的可变放大倍率光学系统的透镜横截面。
在稍后将被呈现的表1至表15中示出了关于示例1至5中的可变放大倍率光学系统的各种数据。在接下来的描述中，示例1将主要用作例子。由于描述方法、符号的含义等在其它示例中基本上相似，因此将省略重复的说明。
表1示出在可变放大倍率光学系统聚焦在无穷远的物体上时示例1中的可变放大倍率光学系统的基本透镜数据。在表1中，Si栏示出第i(i=1，2，3，...)个表面的表面编号。最靠近物体侧元件的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栏示出第i个表面和第(i+1)个表面之间在光轴Z上的距离。在这里，在Di栏的底部处的数值示出表中的最后一个表面和像面Sim之间的表面距离。曲率半径的符号在表面的形状凸向物体侧时为正，在表面的形状凸向图像侧时为负。
在基本透镜数据中，Ndj栏示出在靠近物体侧构成元件是第一个元件时第j(j=1，2，3，...)个构成元件关于d线(波长是587.6nm)的折射率，j的值向着图像侧顺序地增加。vdj栏示出第j个构件元件关于d线的阿贝数。
基本透镜数据的表包括孔径光阑St和光学构件PP。在表面编号一栏中，还针对对应于孔径光阑St的表面写下用语“(St)”。进一步，在表1中，标记“*”附于非球面表面的表面编号。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。
在基本透镜数据的表中，在改变放大倍率时变化的表面距离一行中写下“变量1”，“变量2”，“变量3”和“变量4”。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2示出示例1中的可变放大倍率光学系统在广角端处、在中焦状态中和在长焦端处的项和可变距离。项的值表示出可变放大倍率、整个系统的焦距f’、后焦距Bf’(空气中距离)、F数Fno.和全视场角2ω。项的值表示出关于d线的值。可变距离的表分别示出针对变量1、变量2、变量3和变量4的表面距离的值。
表3示出示例1中的可变放大倍率光学系统的非球面表面的表面编号，以及非球面表面的非球面系数。在表3的非球面系数的数值中，“E-n(n：整数)”表示“×10-n’。非球面系数是下述非球面公式中的系数K，Am(m=3，4，5...20)的值：
[公式1]
Zd = C &times; Y 2 1 + 1 - K &times; C 2 &times; Y 2 + &Sigma; m A m Y m ，其中
Zd：非球面表面的深度(从非球面表面上具有高度Y的点至接触非球面表面的顶点且垂直于光轴的平面的垂直长度)，
Y：高度(从光轴至透镜表面的长度)，
C：近轴曲率，以及
K，Am：非球面系数(m=3，4，5...20)。
在下述表中，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地放大或缩小光学系统而利用光学系统，因此可以采用其它合适的单位。进一步，在本发明的说明书中描述的每个表中的数值已经被四舍五入到预定数位。
[表1]
示例1
基本透镜数据
Si Ri Di Ndj y dj
1 90.7531 4.23 1.49700 81.54
2 -90.7531 0.10
3 27.0812 6.29 1.49700 81.54
4 -250.0000 4.06 1.80518 25.42
5 106.6329 变量1
6 ∞ 0.80 1.80100 34.97
7 15.8269 0.57
8 37.6275 2.83 1.92286 18.90
9 -14.3113 0.71 1.59551 39.24
10 15.3959 1.62
11 -10.5906 0.86 1.80610 33.27
12 -47.3592 变量2
13(St) ∞ 1.29
14 14.0000 5.84 1.49700 81.54
15 -9.3025 0.80 1.80100 34.97
16 -22.7767 变量3
*17 9.9792 4.95 1.56867 58.27
*18 -13.6820 1.11
19 -14.3852 2.49 1.59551 39.24
20 7.8970 1.44
21 12.6687 3.87 1.80400 46.58
22 ∞ 变量4
23 ∞ 1.50 1.51633 64.14
24 ∞ 0.12
[表2]
示例1
项(d线)
广角 中间 长焦8 -->
可变放大倍率 1.00 2.12 3.23
f′ 15.03 31.79 48.55
Bf′ 7.71 9.09 7.81
Fno. 1.55 1.81 2.11
2ω[°] 24.8 12.2 8.0
可变距离
广角 中间 长焦
变量1 7.79 15.23 19.26
变量2 12.28 4.84 0.81
变量3 3.38 2.00 3.28
变量4 6.60 7.98 6.70
[表3]
示例1
非球面系数
表面编号 17 18
K 7.48146E-01 2.90934E+00
A3 5.71011E-05 -2.97126E-05
A4 -2.31568E-06 4.44917E-04
A5 -1.80372E-04 -1.15400E-04
A6 2.07119E-04 3.69275E-05
A7 -1.14436E-04 -8.40462E-06
A8 3.21692E-05 4.48843E-06
A9 -3.41645E-06 -1.45663E-06
A10 -2.84012E-07 1.64943E-07
A11 7.76152E-08 -4.28226E-08
A12 -1.06476E-08 1.47621E-08
A13 5.92619E-09 1.31708E-09
A14 -1.41322E-09 -6.68616E-10
A15 1.75353E-10 -7.42931E-11
A16 -3.14001E-11 1.34379E-11
A17 4.73706E-12 3.12924E-12
A18 -5.36021E-15 1.62497E-13
A19 -6.40320E-14 -1.70227E-13
A20 4.15402E-15 1.32511E-14
[表4]
示例2
基本透镜数据
Si Ri Di Ndj v dj
1 45.1691 5.49 1.49700 81.54
2 -123.7704 0.10
3 31.1109 5.42 1.49700 81.54
4 -131.3519 1.28 1.80518 25.42
5 144.5124 变量1
6 -153.9919 0.80 1.80100 34.97
7 17.6670 0.38
8 31.4790 2.95 1.92286 18.90
9 -14.7513 0.71 1.66680 33.05
10 15.8776 1.28
11 -12.2716 0.70 1.80400 46.58
12 -243.4626 变量2
13(St) ∞ 2.03
14 17.8644 3.05 1.49700 81.54
15 -59.2097 0.35
16 15.4525 4.49 1.49700 81.54
17 -14.0543 0.70 1.80100 34.97
18 106.4230 变量3
*19 9.1654 5.00 1.56867 58.27
*20 -15.6984 1.45
21 -13.5158 0.70 1.59551 39.24
22 7.6932 0.48
23 11.1881 2.56 1.80610 40.92
24 147.0455 变量4
25 ∞ 1.50 1.51633 64.14
26 ∞ 0.16
[表5]
示例2
项(d线)
广角 中间 长焦
可变放大倍率 1.00 2.11 3.22
f′ 15.09 31.80 48.51
Bf′ 7.75 9.19 7.78
Fno. 1.55 1.74 2.04
2ω[°] 24.6 12.0 7.8
可变距离
广角 中间 长焦
变量1 8.24 15.23 18.91
变量2 11.62 4.63 0.95
变量3 6.47 5.02 6.44
变量4 6.60 8.05 6.63
[表6]
示例2
非球面系数
表面编号 19 20
K -1.91548E-01 4.55221E+00
A3 -5.42034E-04 -1.04351E-03
A4 7.24078E-04 1.49772E-03
A5 -4.66621E-04 -6.26584E-04
A6 2.11112E-04 -6.84020E-05
A7 -5.75186E-05 2.59240E-04
A8 8.73797E-06 -1.34665E-04
A9 -4.20279E-07 2.77117E-05
A10 -1.73166E-07 1.60399E-07
A11 7.12832E-08 -7.96512E-07
A12 -1.35423E-08 6.42781E-09
A13 1.93965E-09 -8.75150E-09
A14 -4.89184E-10 1.76418E-08
A15 5.88004E-11 -2.17395E-09
A16 9.39526E-12 -6.98300E-10
A17 -1.21768E-12 9.51015E-11
A18 -4.47559E-13 3.20588E-11
A19 8.76249E-14 -7.72372E-12
A20 -4.30667E-15 4.68919E-13
[表7]
示例3
基本透镜数据
Si Ri Di Ndj v dj
1 49.9846 5.25 1.49700 81.54
2 -116.6595 0.12
3 31.6724 4.92 1.49700 81.54
4 -250.0000 1.20 1.80518 25.4211 -->
5 100.7189 变量1
6 -318.1443 0.80 1.80100 34.97
7 20.7602 0.92
8 20.8765 2.71 1.92286 18.90
9 -20.8765 0.71 1.66680 33.05
10 12.3192 1.38
11 -13.2882 0.77 1.83481 42.73
12 -1748.0569 变量2
13(St) ∞ 1.72
14 13.6175 5.68 1.49700 81.54
15 -9.8279 0.70 1.80610 33.27
16 -24.8907 变量3
*17 10.0624 5.00 1.56867 58.27
*18 -13.5960 0.95
19 -14.6504 3.82 1.58144 40.75
20 7.8863 0.78
21 12.4257 2.64 1.80400 46.58
22 112.7571 变量4
23 ∞ 1.50 1.51633 64.14
24 ∞ 0.17
[表8]
示例3
项(d线)
广角 中间 长焦
可变放大倍率 1.00 2.11 3.22
f′ 15.09 31.81 48.53
Bf′ 7.76 9.24 8.10
Fno. 1.55 1.83 2.16
2ω[°] 24.8 12.2 7.6
可变距离
广角 中间 长焦
变量1 9.29 16.86 21.05
变量2 12.75 5.18 0.99
变量3 4.14 2.66 3.79
变量4 6.60 8.08 6.95
[表9]
示例3
非球面系数
表面编号 17 18
K 8.81412E-01 2.91546E+00
A3 -1.69335E-04 -3.55196E-04
A4 2.28852E-04 9.97619E-04
A5 -1.99669E-04 -5.43012E-04
A6 5.86965E-05 2.04484E-04
A7 3.12400E-06 -2.72935E-05
A8 -5.00577E-06 -1.39863E-06
A9 2.85041E-07 -1.90929E-07
A10 2.49815E-07 1.66509E-07
A11 -2.40617E-08 1.15171E-08
A12 -6.65677E-09 1.27260E-08
A13 5.22915E-10 -6.26375E-09
A14 8.22301E-11 -5.77970E-11
A15 7.06724E-12 1.92343E-10
A16 1.03129E-12 -3.61404E-12
A17 -8.57764E-13 1.57868E-12
A18 -6.52771E-15 -1.70862E-12
A19 1.92255E-14 2.66020E-13
A20 -1.29507E-15 -1.23786E-14
[表10]
示例4
基本透镜数据
Si Ri Di Ndj v dj
1 45.0514 5.32 1.49700 81.54
2 -141.1626 0.10
3 31.7435 6.59 1.49700 81.54
4 -248.5359 1.20 1.80518 25.42
5 96.5535 变量1
6 -390.3541 0.80 1.80100 34.97
7 15.3129 1.64
8 17.5780 3.06 1.92286 20.88
9 -16.7595 0.71 1.67270 32.10
10 14.4592 1.09
11 -14.0409 0.70 1.83481 42.73
12 113.5397 变量2 13 -->
13(St) ∞ 1.50
14 13.3608 2.40 1.51633 64.14
15 -719.6306 0.23
16 146.6843 3.70 1.49700 81.54
17 -9.9629 0.70 1.81907 30.44
18 -29.5764 变量3
*19 9.8349 4.75 1.56867 58.27
*20 -14.3927 1.28
21 -13.3109 2.41 1.57125 41.64
22 8.2631 0.44
23 14.7561 3.92 1.81310 43.86
24 -378.3289 变量4
25 ∞ 1.50 1.51633 64.14
26 ∞ 0.08
[表11]
示例4
项(d线)
广角 中间 长焦
可变放大倍率 1.00 2.10 3.21
f′ 15.09 31.76 48.43
Bf′ 7.67 9.09 7.84
Fno. 1.56 1.82 2.13
2ω[°] 24.8 12.2 8.0
可变距离
广角 中间 长焦
变量1 7.22 14.74 18.91
变量2 12.84 5.32 1.15
变量3 3.81 2.39 3.64
变量4 6.60 8.02 6.77
[表12]
示例4
非球面系数
表面编号 19 20
K 1.36436E+00 3.23307E+00
A3 -3.94933E-04 -7.06165E-04
A4 7.01392E-04 1.50494E-0314 -->
A5 -9.16196E-04 -8.18298E-04
A6 6.14179E-04 -4.84847E-05
A7 -2.60024E-04 4.04198E-04
A8 7.09212E-05 -2.36542E-04
A9 -1.22118E-05 4.93036E-05
A10 1.29502E-06 3.88713E-06
A11 -1.49569E-07 -3.65271E-06
A12 4.02518E-08 6.21355E-07
A13 -6.64949E-09 -5.56475E-08
A14 2.43278E-10 1.01268E-08
A15 -5.34042E-11 -1.44752E-09
A16 4.29862E-11 1.42393E-10
A17 -8.24092E-12 -1.12926E-10
A18 6.18842E-13 3.47902E-11
A19 -1.39306E-14 -4.13160E-12
A20 -1.91634E-16 1.75061E-13
[表13]
示例5
基本透镜数据
Si Ri Di Ndj v dj
1 87.6419 4.44 1.49700 81.54
2 -87.6419 0.11
3 27.0983 5.65 1.49700 81.54
4 -239.4277 2.59 1.80518 25.42
5 110.6769 变量1
6 -357.0443 0.80 1.80100 34.97
7 16.3634 0.51
8 36.6575 2.83 1.92286 18.90
9 -15.1061 1.07 1.59551 39.24
10 16.0265 1.34
11 -11.3909 0.84 1.80610 33.27
12 -65.0735 变量2
13(St) ∞ 1.51
14 13.2662 5.83 1.49700 81.54
15 -9.5747 0.70 1.80100 34.97
16 -25.2858 变量3
*17 9.9074 5.00 1.56867 58.27
*18 -13.0538 0.88 15 -->
19 -14.4768 2.84 1.58144 40.75
20 7.5428 1.44
21 11.5840 2.77 1.80400 46.58
22 100.0007 变量4
23 ∞ 1.50 1.51633 64.14
24 ∞ 0.48
[表14]
示例5
项(d线)
广角 中间 长焦
可变放大倍率 1.00 2.11 3.22
f′ 15.08 31.79 48.50
Bf′ 8.07 9.26 7.73
Fno. 1.55 1.80 2.09
2ω[°] 24.6 12.2 7.8
可变距离
广角 中间 长焦
变量1 8.89 16.35 20.43
变量2 12.40 4.94 0.86
变量3 3.52 2.32 3.86
变量4 6.60 7.80 6.26
[表15]
示例5
非球面系数
表面编号 17 18
K 7.74906E-01 2.77479E+00
A3 1.14126E-04 3.43965E-04
A4 1.70153E-04 2.37665E-04
A5 -4.33139E-04 -5.63385E-05
A6 3.33793E-04 3.60211E-05
A7 -1.23579E-04 1.01526E-06
A8 1.53343E-05 -3.16343E-06
A9 3.18754E-06 -4.78042E-07
A10 -6.98791E-07 4.16444E-07
A11 -2.05137E-07 3.91219E-09
A12 5.53383E-08 -2.29180E-0816 -->
A13 3.56395E-09 6.68807E-10
A14 -1.64549E-09 7.88270E-10
A15 -1.94472E-11 -4.96255E-11
A16 2.01584E-11 -1.68023E-11
A17 1.02892E-12 2.23926E-12
A18 -3.17252E-14 4.48561E-14
A19 -5.85849E-14 -2.66102E-14
A20 4.54890E-15 1.63883E-15
在所有示例1至5中，光学系统由从物体侧顺序地设置的具有正折射本领的第一透镜组G1、具有负折射本领的第二透镜组G2、具有正折射本领的第三透镜组G3和具有正折射本领的第四透镜组G4构成。进一步，在放大倍率从广角端改变至长焦端时，第一透镜组G1和第三透镜组G3在光轴方向上相对于像面Sim固定，并且通过沿着光轴Z向图像侧移动第二透镜组G2，放大倍率从广角端改变至长焦端，并且通过沿着光轴Z移动第四透镜组G4，执行由于放大倍率变化而需要进行的像面的修正和聚焦。
表16示出示例1至5中的可变放大倍率光学系统的对应于条件公式(1)至(4)的值。表16示出关于d线的值。
[表16]
图6(A)至图6(D)分别图示示例1的可变放大倍率光学系统在广角端处的球面像差、像散、畸变(畸变像差)和横向色像差(放大倍率的色像差)。图6(E)至图6(H)分别图示示例1的可变放大倍率光学系统在中焦位置处的球面像差、像散、畸变(畸变像差)和横向色像差(放大倍率的色像差)。图6(I)至图6(L)分别图示示例1的可变放大倍率光学系统在长焦端处的球面像差、像散、畸变(畸变像差)和横向色像差(放大倍率的色像差)。在每个像差示意图中，d线用作参考。在球面像差的示意图，还图示关于g线(波长是435.8nm)，C线(波长是656.3nm)和880nm波长的像差。在像散的示意图中，由实线指示径向方向的像差，由虚线指示切向方向的像差。在球面像差的示意图中，Fno.表示F数，在其它像差示意图中，ω表示半视场角。
类似地，图7(A)至图7(L)，图8(A)至图8(L)，图9(A)至图9(L)，和图10(A)至图10(L)分别图示示例2至5中的可变放大倍率光学系统在广角端处、在中焦位置处和在长焦端处的像差示意图。所有的像差示意图都图示光学系统聚焦在无穷远处的物体上时的像差。
图11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的成像设备的结构的示意图，其作为根据本发明的一个实施例的成像设备的一个示例。成像设备例如是监视相机、摄像机、电子静态式照相机等。
图11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、和对从成像装置3输出的信号进行处理的信号处理单元4。可变放大倍率光学系统1包括正的第一透镜组G1，负的第二透镜组G2，孔径光阑St，正的第三透镜组G3和正的第四透镜组G4。在图11中，示意性地图示了每个透镜组。成像装置3对对象的由可变放大率光学系统形成的图像进行成像，并将该图像转换成电信号。以使得成像装置3的成像表面位于与可变放大倍率光学系统的像面相同的位置的方式设置成像装置3。例如，CCD、CMOS等可以用作成像装置3。
进一步，成像设备10包括用于改变可变放大倍率光学系统1的放大倍率的可变放大倍率控制单元5、和用于调整可变放大倍率光学系统1的聚焦的聚焦控制单元6。进一步，成像设备10可以包括用于改变孔径光阑St的孔径的光阑控制单元，其未在图11中示出。
到此为此，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，并且多种修改是可行的。例如，各种值，如每个透镜元件的曲率半径、表面间距、折射率、阿贝数和非球面系数，不限于数值示例中的值，而是可以是其它值。

Claims (16)

1.一种可变放大倍率光学系统，基本上由从物体侧顺序地设置的具有正折射本领的第一透镜组、具有负折射本领的第二透镜组、具有正折射本领的第三透镜组和具有正折射本领的第四透镜组这四个透镜组构成，
在放大倍率从广角端改变至长焦端时，第一透镜组和第三透镜组相对于光轴方向固定，并且通过沿着光轴向图像侧移动第二透镜组，放大倍率从广角端改变至长焦端，并且通过沿着光轴移动第四透镜组，执行由于放大倍率变化而需要进行的像面的修正和聚焦，其特征在于，
第一透镜组基本上由从物体侧顺序地设置的具有正折射本领的透镜、具有正折射本领的透镜和具有负折射本领的透镜这三个透镜构成，并且
第二透镜组基本上由从物体侧顺序地设置的具有负折射本领的第21透镜、具有正折射本领的第22透镜、具有负折射本领的第23透镜和具有负折射本领的第24透镜这四个透镜构成。
2.根据权利要求1所述的可变放大倍率光学系统，
其中第22透镜的图像侧表面是凸的，并且
其中第23透镜的物体侧表面是凹的。
3.根据权利要求1或2所述的可变放大倍率光学系统，其中第22透镜和第23透镜粘合在一起。
4.根据权利要求3所述的可变放大倍率光学系统，其中满足下述条件公式(1)：
-2.0＜Rc/fw＜-0.6(1)，其中
Rc：第22透镜和第23透镜的粘合表面的曲率半径，以及
fw：整个系统在广角端处的焦距。
5.根据权利要求4所述的可变放大倍率光学系统，其中满足下述条件公式(1’)：
-1.7＜Rc/fw＜-0.8(1’)。
6.根据权利要求1或2所述的可变放大倍率光学系统，其中满足下述条件公式(2)和(3)：
70.0＜v1p(2)，和
34.0＜v2n＜40.0(3)，其中
v1p：第一透镜组中包括的正透镜关于d线的阿贝数的平均值，以及
v2n：第二透镜组中包括的负透镜关于d线的阿贝数的平均值。
7.根据权利要求6所述的可变放大倍率光学系统，其中满足下述条件公式(2’)：
75.0＜v1p(2’)。
8.根据权利要求6所述的可变放大倍率光学系统，其中满足下述条件公式(3’)：
35.0＜v2n＜39.0(3’)。
9.根据权利要求1或2所述的可变放大倍率光学系统，其中第24透镜是具有朝向物体侧的凹面的弯月透镜。
10.根据权利要求1或2所述的可变放大倍率光学系统，
其中第22透镜是双凸透镜，并且
其中第23透镜是双凹透镜。
11.根据权利要求1或2所述的可变放大倍率光学系统，其中满足下述条件公式(4)：
0.50＜(R21f+R21r)/(R21f-R21r)＜1.30(4)，其中
R21f：第21透镜的物体侧表面的曲率半径，以及
R21r：第21透镜的图像侧表面的曲率半径。
12.根据权利要求11所述的可变放大倍率光学系统，其中满足下述条件公式(4’)：
0.70＜(R21f+R21r)/(R21f-R21r)＜1.20(4’)。
13.根据权利要求11所述的可变放大倍率光学系统，其中满足下述条件公式(4”)：
0.75＜(R21f+R21r)/(R21f-R21r)＜1.10(4”)。
14.根据权利要求1或2所述的可变放大倍率光学系统，其中第四透镜组基本上由从物体侧顺序地设置的具有正折射本领的第41透镜、具有负折射本领的第42透镜和具有正折射本领的第43透镜这三个透镜构成，并且
其中第41透镜具有至少一个非球面表面。
15.根据权利要求1或2所述的可变放大倍率光学系统，其中第三透镜组包括具有正折射本领的透镜以及由具有正折射本领的透镜和具有负折射本领的透镜形成的粘合透镜。
16.一种成像设备，包括：
根据权利要求1-15中任一项所述的可变放大倍率光学系统，和
对对象的由可变放大倍率光学系统形成的图像进行成像的成像装置。
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