CN105093505A - 光学系统和包括该光学系统的图像拾取装置 - Google Patents

光学系统和包括该光学系统的图像拾取装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学系统和包括该光学系统的图像拾取装置。提供了一种光学系统，所述光学系统保持在任何物距处的增强的光学性能，并且具有紧凑的和轻重量的聚焦透镜单元。所提供的光学系统包括多个透镜单元，在所述光学系统中相邻的透镜单元之间的间隔在聚焦期间改变，所述光学系统包括：被布置为最靠近物侧的正透镜单元；被配置为在聚焦期间移动的具有负折光力的第一和第二聚焦透镜单元；以及具有正折光力且被布置在所述第一和第二聚焦透镜单元之间的中间透镜单元。所述第一和第二聚焦透镜单元被配置为在聚焦期间朝向像侧移动。

Description

光学系统和包括该光学系统的图像拾取装置
技术领域
本发明涉及光学系统和包括该光学系统的图像拾取装置，其适合于例如在诸如数字静态照相机、数字视频照相机、电视(TV)照相机、监控照相机、卤化银胶片照相机等的图像拾取装置中使用的图像拾取光学系统。
背景技术
希望用于图像拾取装置中的图像拾取光学系统在聚焦期间保持减少的像差变动和在任何物距的增强的光学性能，并且具有紧凑的和轻重量的便于高速聚焦的聚焦透镜单元。对于图像拾取光学系统典型地采用的聚焦类型包括图像拾取光学系统中的透镜单元的部分用于聚焦的内聚焦类型。与图像拾取光学系统的全部组件都需要被移动的一些其它聚焦类型相比，内聚焦类型更容易使得能够实现用于聚焦的透镜单元(聚焦透镜单元)的尺寸缩小和重量减少并且便于高速聚焦。
一般而言，在图像拾取光学系统中，较近的拍摄距离造成更多的各种像差。特别是，当被拍摄的物体在如此近的范围以至于像对物之比大约是1时，各种像差显著地增加，从而导致劣化的光学性能。主要用于拍摄近距离处的物体的拍摄镜头被已知为“微距(macro)镜头”。在日本专利申请公开No.2006-153942和日本专利申请公开No.2011-048232中，公开了浮动(floating)类型的图像拾取光学系统，其中，透镜单元中的两个或更多个被配置为在聚焦期间移动以减少由于聚焦造成的像差变动。
在日本专利申请公开No.2006-153942中，公开了由四个透镜单元(即，从物侧到像侧依次布置的第一正透镜单元、第二负透镜单元、第三正透镜单元和第四负透镜单元)构成的图像拾取光学系统。为了从无限远处的物体聚焦到近距离处的物体，第二透镜单元朝向像侧移动，而第三透镜单元朝向物侧移动。
在日本专利申请公开No.2011-048232中，公开了由六个透镜单元(即，从物侧到像侧依次布置的第一正透镜单元、第二负透镜单元、第三正透镜单元、第四正透镜单元、第五负透镜单元和第六正透镜单元)构成的图像拾取光学系统。为了从无限远处的物体聚焦到近距离处的物体，至少移动三个透镜单元。
一般而言，在内聚焦类型和浮动类型的聚焦中，恰当地设置图像拾取光学系统的每一个透镜单元的折光力和配置是重要的。特别是，恰当地选择多个透镜单元中的哪些透镜单元将作为浮动透镜元件而移动是重要的。
除非恰当地指定了那些因素，否则在以下方面出现困难：使聚焦透镜单元更紧凑并且重量更轻，减少聚焦期间的像差变动，以及对于在从无限远处的物体到近距离处的物体的任何物距处聚焦获得增强的光学性能。
发明内容
根据本发明的一个实施例的光学系统包括多个透镜单元，其中相邻的透镜单元之间的间隔在聚焦期间改变，所述光学系统包括：被布置为最靠近物侧的正透镜单元；被配置为在聚焦期间移动的具有负折光力的第一聚焦透镜单元和具有负折光力的第二聚焦透镜单元；以及具有正折光力并且被布置在具有负折光力的第一聚焦透镜单元和具有负折光力的第二聚焦透镜单元之间的中间透镜单元，其中，具有负折光力的第一聚焦透镜单元和具有负折光力的第二聚焦透镜单元被配置为在从无限远处的物体聚焦于近距离处的物体期间朝向像侧移动。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得明显。
附图说明
图1A是根据本发明实施例1的聚焦在无限远处的物体上时的透镜截面图。
图1B是根据实施例1的聚焦在近距离处的物体上时的透镜截面图。
图2A是根据实施例1的聚焦在无限远处的物体上时的像差图。
图2B是根据实施例1的聚焦在近距离处的物体上时的像差图。
图3A是根据本发明实施例2的聚焦在无限远处的物体上时的透镜截面图。
图3B是根据实施例2的聚焦在近距离处的物体上时的透镜截面图。
图4A是根据实施例2的聚焦在无限远处的物体上时的像差图。
图4B是根据实施例2的聚焦在近距离处的物体上时的像差图。
图5A是根据本发明实施例3的聚焦在无限远处的物体上时的透镜截面图。
图5B是根据实施例3的聚焦在近距离处的物体上时的透镜截面图。
图6A是根据实施例3的聚焦在无限远处的物体上时的像差图。
图6B是根据实施例3的聚焦在近距离处的物体上时的像差图。
图7是示出根据本发明的图像拾取装置的主要部分的示意图。
具体实施方式
现在将根据附图详细地描述本发明的优选实施例。
现在，描述根据本发明的光学系统和包括该光学系统的图像拾取装置。根据本发明，提供了包括多个透镜单元的光学系统，其中，相邻的透镜单元之间的间隔在聚焦期间改变。在所述多个透镜单元的全部透镜单元之中，具有正折光力的透镜单元被布置为最靠近物侧。并且，光学系统包括在聚焦期间被移动的各自具有负折光力的聚焦透镜单元LF1和LF2、以及被布置在两个聚焦透镜单元之间的具有正折光力的中间透镜单元。
图1A和1B是根据本发明实施例1的光学系统的当焦点分别在无限远和近距离的物体时的透镜截面图。图2A和2B是根据实施例1的光学系统的当焦点分别在无限远和近距离的物体时的纵向像差图。实施例1是具有28.52度的场角和大约3.5的F数的光学系统。
图3A和3B是根据本发明实施例2的光学系统的当焦点分别在无限远和近距离的物体时的透镜截面图。图4A和4B是根据实施例2的光学系统的当焦点分别在无限远和近距离的物体时的纵向像差图。实施例2是具有32.82度的场角和大约3.5的F数的光学系统。
图5A和5B是根据本发明实施例3的光学系统的当焦点分别在无限远和近距离的物体时的透镜截面图。图6A和6B是根据实施例3的光学系统的当焦点分别在无限远和近距离的物体时的纵向像差图。实施例3是具有26.44度的场角和大约2.92的F数的光学系统。
图7是示出根据本发明的图像拾取装置的主要部分的示意图。在每一个透镜截面图上，左边是物侧(前侧、放大侧)，而右边是像侧(后侧、缩小侧)。在透镜截面图中，光学系统由OL代表。
第一透镜单元L1具有正折光力，第二透镜单元L2具有负折光力，第三透镜单元具有正折光力，第四透镜单元具有负折光力，以及第五透镜单元具有正折光力。根据本发明的透镜单元依赖于在聚焦期间透镜单元之间的间隔的变化而彼此分开。任何透镜单元可以具有至少单个透镜，而不是必须由至少一个透镜构成。
光学系统包括孔径光阑SP和具有固定的孔径比的辅助光阑SSP(光斑截止(flare-cut)光阑)。在从无限远处的物体到近距离处的物体的聚焦期间透镜单元所跟随的移动轨迹由带有“聚焦”描述的箭头表示。当用作视频照相机或数字静态照相机的成像光学系统时，像平面IP对应于诸如CCD传感器或CMOS传感器的固态图像拾取元件(光电转换元件)的图像拾取平面，并且当用于卤化银胶片照相机时，像平面IP对应于胶片平面。在球面像差图中，符号d、g、C和F分别代表d线、g线、C线和F线。
在像散图中，符号dM代表d线上的子午像平面，符号dS代表d线上的弧矢像平面，符号gM代表g线上的子午像平面,以及符号gS代表g线上的弧矢像平面。在横向色差图中，符号g、C和F分别代表g线、C线和F线。符号Fno代表F数。在任何实施例中，具有负折光力的透镜单元中的至少两个(聚焦透镜单元LF1和LF2)被配置成为了聚焦而移动。
具有正折光力的中间透镜单元被布置在聚焦透镜单元LF1和LF2之间。在根据本发明的光学系统中，中间透镜单元被布置在孔径光阑SP的附近，以便减小中间透镜单元的有效孔径。另外，入射束被具有正折光力的中间透镜单元会聚，从而使得能够实现将被布置在中间透镜单元的像侧的聚焦透镜单元LF2的尺寸减小。结果，可以有效地减小聚焦透镜单元的尺寸和重量。
满足下面的条件表达式：
-0.80<mn1/fn1<-0.22...(1)
-0.80<mn2/fn2<-0.22...(2)
这里，fn1和fn2分别代表聚焦透镜单元LF1和LF2的焦距，并且mn1和mn2分别代表聚焦透镜单元LF1和LF2的为了从无限远处的物体聚焦到近距离处的物体上的移动量。
此处描述的“移动量”是从光学系统对焦在无限远时的每一个聚焦透镜单元的位置到光学系统对焦在近距离处的物体上时的聚焦透镜单元的另一位置的轴向距离差。关于用于表达移动量的正或负的数学符号，当对焦在近距离处的物体上的聚焦透镜单元的位置处于对焦在无限远处的物体上的聚焦透镜单元的位置的像侧时，使用正的。
条件表达式(1)和(2)分别涉及聚焦透镜单元LF1和LF2的移动量和焦距。随着聚焦透镜单元LF1和LF2的折光力(即，负折光力)的绝对值减小到比值mn1/fn1和mn2/fn2超过条件表达式(1)和(2)中定义的上限的程度，聚焦透镜单元在聚焦期间的移动量增加，由此增加镜头的整个长度。随着聚焦透镜单元LF1和LF2的折光力(即，负折光力)的绝对值增加到比值mn1/fn1和mn2/fn2小于条件表达式(1)和(2)中定义的下限的程度，光学系统中造成的各种像差的变动增加，从而防止光学系统保持令人满意的光学性能。
如下设置条件表达式(1)和(2)的数值范围是优选的：
-0.60<mn1/fn1<-0.30...(1a)
-0.60<mn2/fn2<-0.30...(2a)。
满足条件表达式中的至少一个是更优选的。满足以下条件表达式中的至少一个是优选的。
0.2<fp/finf<2.0...(3)
-1.0<fn1<finf<-0.2...(4)
-1.0<fn2<finf<-0.2...(5)
1.0<βinf1/βmod1<10.0...(6)
1.0<βinf2/βmod2<10.0...(7)
0.1<f1/finf<1.0...(8)
这里，fp代表中间透镜单元的焦距，finf代表光学系统的对焦在无限远处的物体上时的焦距，βinf1和βinf2分别代表聚焦透镜单元LF1和LF2的对焦在无限远处的物体上时的横向倍率,βmod1和βmod2分别代表聚焦透镜单元LF1和LF2的对焦在近距离处的物体上时的横向倍率，以及f1代表被布置为最靠近物侧的正透镜单元的焦距。
以下描述条件表达式的技术意义。条件表达式(3)涉及被布置在两个聚焦透镜单元LF1和LF2之间的中间透镜单元的焦距。当中间透镜单元的正焦度(power)减小到比值fp/finf超过条件表达式(3)中定义的上限的程度时，中间透镜以相应减小的焦度会聚入射束，由此增大聚焦透镜单元LF1和LF2的尺寸。当中间透镜单元的正焦度增大到比值fp/finf小于条件表达式(3)中定义的下限的程度时，在聚焦期间造成的像差的变动增加，并且难以充分补偿各种像差。
条件表达式(4)和(5)分别涉及聚焦透镜单元LF1和LF2的焦距。当聚焦透镜单元LF1和LF2的负焦度增大到不满足条件表达式(4)和(5)的上限条件的程度时，难以充分补偿各种像差。当聚焦透镜单元LF1和LF2的负焦度减小到不满足条件表达式(4)和(5)的下限条件的程度时，聚焦透镜单元在聚焦期间的移动量增加，由此增加镜头的整个长度。
条件表达式(6)和(7)涉及各自具有负折光力的聚焦透镜单元LF1和LF2的横向倍率。当横向倍率的变动增大到比值βinf1/βmod1和βinf2/βmod2超过条件表达式(6)和(7)中定义的上限的程度时，难以充分补偿各种像差。当横向倍率的变动减小到比值βinf1/βmod1和βinf2/βmod2小于条件表达式(6)和(7)中定义的下限的程度时，聚焦透镜单元在聚焦期间的移动量增加，由此整体增大光学系统的尺寸。
条件表达式(8)涉及第一透镜单元L1的焦距，所述第一透镜单元L1具有正折光力并且被布置为最靠近物侧。当比值f1/finf超过条件表达式(8)中定义的上限时，第一透镜单元L1以相应减小的折光力会聚入射束，由此增加光学系统的整个长度。当第一透镜单元L1的折光力过度地强到比值f1/finf小于条件表达式(8)中定义的下限的程度时，光学系统中造成的各种像差增加，从而防止光学系统获得令人满意地增强的光学性能。如下设置条件表达式(3)到(8)的数值范围是优选的：
0.3<fp/finf<0.5...(3a)
-0.40<fn1<finf<-0.25...(4a)
-0.80<fn2<finf<-0.40...(5a)
1.0<βinf1/βmod1<3.9...(6a)
1.0<βinf2/βmod2<3.9...(7a)
0.4<f1/finf<0.63...(8a)。
如到目前已描述的那样，本发明的实施例可以有效地减少在从无限远处的物体到近距离处的物体(其中像对物之比大约是1)的聚焦期间造成的各种像差的变动。
根据实施例的光学系统从物侧到像侧依次由具有正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、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构成。第二和第四透镜单元L2和L4是聚焦透镜单元，其被配置成为了从无限远处的物体到近距离处的物体的聚焦而朝向像侧移动。在这样的情形中，第二和第四透镜单元L2和L4被配置为在聚焦期间以不同轨迹移动。
以下描述根据本发明的每一个实施例的光学系统的透镜配置的特征。实施例中的每一个采用各自具有负折光力的第二和第四透镜单元L2和L4为了从无限远处的物体到近距离处的物体的聚焦而朝向像侧移动的聚焦类型。将第三正透镜单元(即，中间透镜单元)L3布置在孔径光阑SP的附近的配置减小了第三正透镜单元L3的有效孔径。另外，由第三正透镜单元L3会聚入射束便于第四透镜单元L4的尺寸缩小。并且，第二和第四透镜单元L2和L4被配置为满足条件表达式(1)。
在根据实施例1到3的光学系统中，至少第二和第四透镜单元L2和L4为了从无限远处的物体到近距离处的物体的聚焦而朝向像侧移动。在实施例1中，第一、第三和第五透镜单元L1、L3和L5被配置为在聚焦期间不移动。第二和第四透镜单元L2和L4单独被配置成为了从无限远处的物体到近距离处的物体的聚焦而朝向像侧移动。
在实施例2中，第一、第三和第五透镜单元L1、L3和L5被配置为在从无限远处的物体到近距离处的物体的聚焦期间沿着凸向像侧的轨迹移动。并且，第二和第四透镜单元L2和L4被配置成为了从无限远处的物体到近距离处的物体的聚焦而朝向像侧移动。
在实施例3中，第一和第三透镜单元L1和L3被配置为在聚焦期间不移动。为了从无限远处的物体到近距离处的物体的聚焦，第二和第四透镜单元L2和L4被配置为朝向像侧移动，并且第五透镜单元L5被配置为沿着凸向物侧的轨迹移动。
接下来，以下描述根据本发明的包括光学系统的单镜头反光照相机系统(图像拾取装置)的实施例。参照图7，照相机系统包括单镜头反光照相机体10、其中安装有根据本发明的光学系统的可交换(interchangeable)透镜11、用于记录由可交换透镜11形成的对象的图像(从该对象接收光)的诸如胶片或图像拾取元件的存储器单元12、用于观看由可交换透镜11形成的对象的图像的取景器光学系统13、以及绕轴转动以将射束从可交换透镜11选择性地引导到存储器单元12和取景器光学系统13的快速返回反射镜14。
当通过取景器观察对象的图像时，对象的图像由快速返回反射镜14反射并成像在聚焦玻璃15上，并且由五棱镜16被反转成正像。然后，正像被目镜光学系统17放大。在拍摄期间，快速返回反射镜14在箭头指示的方向上绕轴转动，以在存储器单元12中形成并且存储对象的图像。副反射镜18和焦点检测设备19也被提供。
以此方式，将本发明的光学系统应用到诸如单镜头反光照相机的可交换透镜的图像拾取装置实现了便于任何物距处的增强光学性能的成像的图像拾取装置。注意，本发明也可被类似地应用于不具有快速返回反射镜的照相机。
接下来，以下示出对应于根据本发明的光学系统的实施例1到3的数值实施例1到3。在数值实施例1到3中，符号i代表从物侧起计数的表面编号。符号ri代表按照从物侧起的顺序的第i个透镜表面的曲率半径，符号di代表第i个表面和第(i+1)个表面之间的透镜厚度或空气间隔，以及符号ndi和νdi分别代表从物侧起计数的第i个表面和第(i+1)个表面之间的透镜材料的d线中的折射率和阿贝(Abbe)常数。代替相邻透镜表面之间的间隔的实际值的“可变”的描述指的是物距(拍摄的倍率)改变的量。
由以下表达式表示非球面表面：
x＝(h2/r)/[1+{1-(1+K)×(h/r)2}1/2]+A4×h4+A6×h6+A8×h8+A10×h10
这里，光沿着正方向行进，x代表距非球面表面的顶点的轴向偏移量，h代表在正交于光轴的方向上的距光轴的高度，r代表近轴的曲率半径，K代表圆锥常数，以及A4、A6、A8和A10代表非球面表面系数。
并且，数值中的“E±XX”意味着“×10±XX”。并且，在表1中示出上述的各个条件表达式和数值实施例之间的关系。在表1中，Li指示第i个表面和第(i+1)个表面之间的透镜单元。
【数值实施例1】
【数值实施例2】
【数值实施例3】
表1
数值实施例和条件表达式之间的关系
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但要理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附的权利要求的范围要被赋予最宽的解释，以便包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (12)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括多个透镜单元，在所述光学系统中相邻的透镜单元之间的间隔在聚焦期间改变，所述光学系统包括：
被布置为最靠近物侧的正透镜单元；被配置为在聚焦期间移动的具有负折光力的第一聚焦透镜单元；被配置为在聚焦期间移动的具有负折光力的第二聚焦透镜单元；以及具有正折光力、并被布置在具有负折光力的所述第一聚焦透镜单元和具有负折光力的所述第二聚焦透镜单元之间的中间透镜单元，
其中，具有负折光力的所述第一聚焦透镜单元和具有负折光力的所述第二聚焦透镜单元被配置为在从无限远处的物体聚焦于近距离处的物体期间朝向像侧移动。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，满足以下条件表达式：
-0.80<mn1/fn1<-0.22；以及
-0.80<mn2/fn2<-0.22，
这里，fn1代表具有负折光力的所述第一聚焦透镜单元的焦距，fn2代表具有负折光力的所述第二聚焦透镜单元的焦距，mn1代表具有负折光力的所述第一聚焦透镜单元在从无限远处的物体聚焦于近距离处的物体期间的移动量，以及mn2代表具有负折光力的所述第二聚焦透镜单元在从无限远处的物体聚焦于近距离处的物体期间的移动量。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，满足以下条件表达式：
0.2<fp/finf<2.0，
这里，fp代表所述中间透镜单元的焦距，以及finf代表所述光学系统的在对焦于无限远处的物体时的焦距。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，满足以下条件表达式：
-1.0<fn1<finf<-0.2；以及
-1.0<fn2<finf<-0.2，
这里，fn1代表具有负折光力的所述第一聚焦透镜单元的焦距，fn2代表具有负折光力的所述第二聚焦透镜单元的焦距，以及finf代表所述光学系统的在对焦于无限远处的物体时的焦距。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，满足以下条件表达式：
1.0<βinf1/βmod1<10.0；以及
1.0<βinf2/βmod2<10.0，
这里，βinf1代表具有负折光力的所述第一聚焦透镜单元的在对焦于无限远处的物体时的横向倍率，βinf2代表具有负折光力的所述第二聚焦透镜单元的在对焦于无限远处的物体时的横向倍率，βmod1代表具有负折光力的所述第一聚焦透镜单元的在对焦于近距离处的物体时的横向倍率，以及βmod2代表具有负折光力的所述第二聚焦透镜单元的在对焦于近距离处的物体时的横向倍率。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，满足以下条件表达式：
0.1<f1/finf<1.0，
这里，f1代表被布置为最靠近物侧的所述正透镜单元的焦距，以及finf代表所述光学系统的在对焦于无限远处的物体时的焦距。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，具有负折光力的所述第一聚焦透镜单元和具有负折光力的所述第二聚焦透镜单元被配置为沿着彼此不同的各自轨迹移动。
8.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学系统从物侧到像侧依次由具有正折光力的第一透镜单元、具有负折光力的第二透镜单元、具有正折光力的第三透镜单元、具有负折光力的第四透镜单元、以及具有正折光力的第五透镜单元构成。
9.根据权利要求8所述的光学系统，其中，所述第一透镜单元和所述第三透镜单元被配置成针对聚焦不移动。
10.根据权利要求8所述的光学系统，其中，所述第五透镜单元被配置为在聚焦期间移动。
11.根据权利要求8所述的光学系统，其中，所述第一透镜单元、所述第三透镜单元和所述第五透镜单元被配置为在聚焦期间沿着彼此不同的各自轨迹移动。
12.一种图像拾取装置，包括：
根据权利要求1至11中任一项所述的光学系统；以及
图像传感器，所述图像传感器被配置为接收由所述光学系统形成的图像。
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