CN106680982A - 光学系统和包括该光学系统的摄像装置 - Google Patents

光学系统和包括该光学系统的摄像装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光学系统和包括该光学系统的摄像装置。所述光学系统包括孔径光阑和光学构件，所述光学构件能够被以可移除的方式插入由所述光学系统的物侧和像侧限定的光路中，所述光学构件被布置在所述孔径光阑的像侧。在无限远与第一有限距离之间的第一聚焦范围中，所述光学构件被从光路中移除。在比所述第一有限距离短的第二有限距离与比所述第二有限距离短的第三有限距离之间的第二聚焦范围中，所述光学构件被插入所述光路中。适当地确定所述光学构件在所述光轴上的厚度和所述光学构件的焦距。

Description

光学系统和包括该光学系统的摄像装置
技术领域
本公开总体上涉及一种光学系统，更具体地涉及一种诸如微距镜头的光学系统，并且涉及一种包括该光学系统的摄像装置，例如，数字静态照相机、摄像机、监视照相机或广播照相机或者使用卤化银胶片的照相机。
背景技术
近来，针对使用诸如数字照相机或摄像机的摄像装置来拍摄图像的微距摄影的需求日益增大。微距摄影是一种用于在放大诸如雪晶或昆虫头部的小被摄体的同时来拍摄该被摄体的图像的技术。为了能够进行微距摄影，需要具有高成像倍率的光学系统。
一种用于增大成像倍率的已知技术包括使用后转换镜头(rear conversionlens)。根据该已知技术，后转换镜头被附装在成像透镜的像侧。日本特开昭63-205627号公报讨论了一种插入主透镜系统与像面之间的后转换镜头。与仅使用主透镜系统相比，除了主透镜系统之外还使用后转换镜头能够实现成像倍率的增大。
一般地，成像倍率的增大往往会引起光学系统的光学性能的劣化。这使得难以增大光学系统的成像倍率且同时保持高的光学性能。在日本特开昭63-205627号公报中，成像透镜通过增大后转换镜头的折光力(refractive power)并通过增大后转换镜头中包括的透镜元件的数量，来同时实现增大的成像倍率和高的光学性能。
然而，在日本特开昭63-205627号公报中，摄像光学系统的后转换镜头中包括的透镜元件的数量增大，会导致后转换镜头的厚度增大。这反过来可能会增大摄像光学系统的整体尺寸。另外，后转换镜头的折光力增大往往会引起诸如场曲的像差，这进一步造成光学性能的劣化并且影响成像质量。
发明内容
根据本发明的各种实施例，一种光学系统包括：孔径光阑；以及光学构件，所述光学构件能够被以可移除的方式插入由所述光学系统的物侧和像侧限定的光路中，所述光学构件被布置在所述孔径光阑的像侧，其中，在无限远与第一有限距离之间的第一聚焦范围中，所述光学构件被从所述光路中移除，而在比所述第一有限距离短的第二有限距离与比所述第二有限距离短的第三有限距离之间的第二聚焦范围中，所述光学构件被插入所述光路中。所述光学系统满足下述条件：
|dA/fA|<0.10
其中，dA是所述光学构件在光轴上的厚度，fA是所述光学构件的焦距，并且
所述第二聚焦范围包含满足下述条件的对焦状态：
0.01<KA/LTK<0.19
其中，LTK是所述光学系统的总长度，KA是在所述光轴上的、从所述光学构件的最靠近物侧的透镜表面顶点到像面的距离。
根据下面参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。
附图说明
图1是例示根据本发明的第一示例性实施例的聚焦在无限远物体上的光学系统的透镜的横截面图，其中光学构件被从光路中移除。
图2A、图2B和图2C各自是根据第一示例性实施例的聚焦在无限远物体上的光学系统分别在广角端位置、中间变焦位置和远摄端位置的一系列像差图。
图3是例示根据第一示例性实施例的、第二聚焦范围中的光学系统的透镜的横截面图，其中光学构件被插入光路中。
图4是根据第一示例性实施例的、第二聚焦范围中的光学系统在远摄端位置的一系列像差图。
图5是例示根据第二示例性实施例的、第二聚焦范围中的光学系统的透镜的横截面图，其中光学构件被插入光路中。
图6是根据第二示例性实施例的、第二聚焦范围中的光学系统在远摄端位置的一系列像差图。
图7是例示根据第三示例性实施例的、第二聚焦范围中的光学系统的透镜的横截面图，其中光学构件被插入光路中。
图8是根据第三示例性实施例的、第二聚焦范围中的光学系统在远摄端位置的一系列像差图。
图9是例示根据第四示例性实施例的聚焦在无限远物体上的光学系统的透镜的横截面图，其中光学构件被从光路中移除。
图10A、图10B和图10C是根据第四示例性实施例的聚焦在无限远物体上的光学系统分别在广角端位置、中间变焦位置和远摄端位置的一系列像差图。
图11是例示根据第四示例性实施例的、第二聚焦范围中的光学系统的透镜的横截面图，其中光学构件被插入光路中。
图12是根据第四示例性实施例的、第二聚焦范围中的光学系统在远摄端位置的一系列像差图。
图13是例示根据第五示例性实施例的聚焦在无限远物体上的光学系统的透镜的横截面图，其中光学构件被从光路中移除。
图14A、图14B和图14C是根据第五示例性实施例的聚焦在无限远物体上的光学系统分别在广角端位置、中间变焦位置和远摄端位置的一系列像差图。
图15是例示根据第五示例性实施例的、第二聚焦范围中的光学系统的透镜的横截面图，其中光学构件被插入光路中。
图16是根据第五示例性实施例的、第二聚焦范围中的光学系统在远摄端位置的一系列像差图。
图17是根据本发明的一个示例性实施例的摄像装置的主要部分的示意图。
图18是例示光学构件的驱动机构的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图详细地描述根据本发明的各种示例性实施例的光学系统和包括该光学系统的摄像装置。在某些示例性实施例中，光学系统包括孔径光阑和光学构件。光学构件被布置在孔径光阑的像侧，并且能够被以可移除的方式插入光学系统的光路中。
在从无限远到第一有限距离的第一聚焦范围中，光学构件A被从光学系统的光路中移除。在从比第一有限距离短的第二有限距离到比第二有限距离短的第三有限距离的第二聚焦范围中，光学构件A被插入光学系统的光路中。在第二聚焦位置范围中，光学系统的成像倍率增大，使得光学构件A被插入光路中以校正像差。如图18所示，光学构件A由驱动机构B驱动，使得光学构件A被插入光路中或从光路中移除。例如，在本发明的特定示例性实施例的光学系统被应用于能够可拆卸地附装到摄像装置的可更换镜头的情况下，驱动机构B被包括在可更换镜头中。驱动机构B包括诸如音圈电机或步进电机的致动器。
图1是例示根据第一示例性实施例(以下简称为“第一实施例”)的聚焦在无限远物体上的光学系统的透镜的横截面图。图2A、图2B和图2C各自是根据第一实施例的聚焦在无限远物体上的光学系统的一系列像差图。在第一实施例中，光学系统具有约4.71的变焦比和约1.85至5.87的F数。
图3是例示根据第一实施例的、第二聚焦范围中的光学系统的透镜的横截面图。图3例示了在远摄端位置位于第三透镜单元L3的像侧的光学构件A。图4是根据第一实施例的、第二聚焦范围中的光学系统的一系列像差图。在图4中，各像差图例示了在远摄端位置的第二聚焦范围中的特定对焦状态下的像差。
在第二示例性实施例(以下简称为“第二实施例”)中，光学系统包括具有与根据第一实施例的光学系统不同的构造的光学构件A。除了光学构件A之外的部分的构造与第一实施例的光学系统的构造相似或相同。图5是例示根据第二实施例的、第二聚焦范围中的光学系统的透镜的横截面图。图5例示了在远摄端位置位于第三透镜单元L3的像侧的光学构件A。图6是根据第二实施例的、第二聚焦范围中的光学系统的一系列像差图。在图6中，各像差图例示了在远摄端位置的第二聚焦范围中的特定对焦状态下的像差。
在第三示例性实施例(以下简称为“第三实施例”)中，光学系统包括具有与根据第一实施例的光学系统不同的构造的光学构件A。除了光学构件A之外的部分的构造与第一实施例的光学系统的构造相似或相同。图7是例示根据第三实施例的、第二聚焦位置范围中的光学系统的透镜的横截面图。图7例示了在远摄端位置位于第三透镜单元L3的像侧的光学构件A。图8是根据第三实施例的、第二聚焦位置范围中的光学系统的一系列像差图。在图8中，各像差图例示了在远摄端位置的第二聚焦位置范围中的特定对焦状态下的像差。
图9是根据第四示例性实施例(以下简称为“第四实施例”)的、聚焦在无限远物体上的光学系统的透镜横截面图。如图9所示，由于光学系统被聚焦在无限远物体上，所以光学元件A被从光路中移除，因此在图9中未例示光学元件A。图10A、图10B和图10C各自是根据第四实施例的聚焦在无限远物体上的光学系统的一系列像差图。在第四实施例中，光学系统具有约2.88的变焦比和约2.06至4.90的F数。
图11是例示根据第四实施例的、第二聚焦位置范围中的光学系统的透镜的横截面图。图11例示了在远摄端位置位于第三透镜单元L3的像侧的光学构件A。图12是根据第四实施例的、第二聚焦位置范围中的光学系统的一系列像差图。在图12中，各像差图例示了在远摄端位置的第二聚焦位置范围中的特定对焦状态下的像差。
图13是根据第五示例性实施例(以下简称为“第五实施例”)的聚焦在无限远物体上的光学系统的透镜横截面图。如图13所示，由于光学系统被聚焦在无限远物体上，所以光学元件A被从光路中移除，因此在图13中未例示光学元件A。图14A、图14B和图14C各自是根据第五实施例的聚焦在无限远物体上的光学系统的一系列像差图。在第五实施例中，光学系统具有约11.40的变焦比和约3.67至7.19的F数。
图15是例示根据第五实施例的、第二聚焦范围中的光学系统的透镜的横截面图。图15例示了在远摄端位置位于第四透镜单元的像侧的光学构件A。图16是根据第五实施例的、第二聚焦位置范围中的光学系统的一系列像差图。在图16中，各像差图例示了在远摄端位置的第二聚焦位置范围中的特定对焦状态下的像差。
图17是根据本发明的一个示例性实施例的、包括光学系统的数字静态照相机(摄像装置)的主要部分的示意图。各示例性实施例中的光学系统是在诸如摄像机、数字静态照相机、卤化银胶片照相机或电视(TV)照相机的摄像装置中使用的成像透镜系统。在透镜的各横截面图中，物侧(前侧)被例示在左侧，并且像侧(后侧)被例示在右侧。此外，在透镜的各横截面图中，符号“Li”表示第i个透镜单元，其中后缀“i”是按从物侧到像侧的排列顺序表示该透镜单元的位置的数字。在某些示例性实施例中，光学系统还包括孔径光阑SP和耀斑截止光阑(flare cut-off stop)FS。
光学系统还可以包括光学块G和像面IP，该光学块G可以是，例如，滤光器、面板、低通滤波器或红外截止滤波器。当将特定示例性实施例的光学系统应用于摄像机或监视照相机的成像光学系统时，像面IP可以是固态图像传感器(光电转换元件)，例如，电荷耦合器件(CCD)传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。当将特定示例性实施例的光学系统应用于卤化银胶片照相机的成像光学系统时，像面IP可以是胶片面。
球面像差图例示了对于d线(波长：587.6nm)和对于g线(波长：435.8nm)的球面像差，其中F数被例示为Fno。像散图例示了对于矢状像面的像散S和对于子午像面的像散M。畸变像差图例示了对于d线的畸变像差。色像差图例示了对于d线和g线的色像差，其中成像半视角为ω。
在某些示例性实施例中，当光学系统处于提供高成像倍率的第二聚焦范围中时，光学构件A被插入光学系统的光路中。光学构件A的插入使得像差(例如场曲)能够被校正到令人满意的程度。因此，能够既增大成像倍率又减小/消除光学性能的劣化。
所讨论的各示例性实施例的光学系统满足以下条件(1)：
|dA/fA|<0.10…(1)
并且，至少部分地在第二聚焦范围中，满足以下条件(2)：
0.01<KA/LTK<0.19…(2)
其中dA是光学构件A在光轴上的厚度；fA是光学构件A的焦距；LTK是光学系统在第二聚焦位置范围中的总长度；KA是在光轴上的、从光学构件A的最靠近物侧的透镜表面的顶点到像面的距离。
条件(1)规定光学构件A在光轴上的厚度dA与光学构件A的焦距fA的比率的范围。高于由条件(1)限定的上限的比率，意味着光学构件A的过高的折光力，因此造成过大的佩兹伐和。这使得难以将场曲校正到足够的程度，因此是不期望的。高于由条件(1)限定的上限的比率，还意味着光学构件A的过高的厚度dA。这导致光学系统的尺寸增大，因此是不期望的。
条件(2)规定光学系统在第二聚焦范围中的总长度LTK、与在光轴上的从第二聚焦范围中的光学构件A的最靠近物侧的透镜表面的顶点到像面的距离KA的比率的范围。这里，在第二聚焦范围中的聚焦操作期间，光学构件A不移动，即，距离KA保持恒定不变。第二聚焦范围优选地包含满足条件(2)的对焦状态。
低于由条件(2)限定的下限的比率，由此在光轴上的、从第二聚焦范围中的光学构件A的最靠近物侧的透镜表面的顶点到像面的距离KA短，使得难以确保足够的后焦距，因此是不期望的。高于由条件(2)限定的上限的比率，由此在光轴上的、从第二聚焦位置范围中的光学构件A的最靠近物侧的透镜表面的顶点到像面的距离KA长，使得难以将场曲和/或像散校正到足够的程度，因此是不期望的。
在各示例性实施例中，可应用的元件被适当地设置为满足上述条件(1)和(2)。这确保提供既具有高成像倍率又具有高光学性能的光学系统。
在所讨论的各示例性实施例中，条件(1)和(2)的极限值优选地被设置如下：
|dA/fA|<0.09…(1a)和
0.02<KA/LTK<0.17…(2a)
更优选地，条件(1)和(2)的极限值被设置如下：
|dA/fA|<0.08…(1b)和
0.03<KA/LTK<0.15…(2b)
在各示例性实施例中，光学系统的聚焦单元位于孔径光阑SP的像侧。光线高度在孔径光阑SP的像侧变得相对低(光通量的直径变得相对小)，这有助于减小聚焦单元的尺寸。
光学构件A由不多于两个的透镜构成。尽可能减小光学构件A中包括的透镜的数量有助于减小光学系统的尺寸和重量。
还更优选地，在各示例性实施例中满足下面给出的条件中的至少一个：
0.30<|βK|<2.70…(3)，
0.005<dA/LTK<0.100…(4)，
-15.0<LTK/rA<-0.1…(5)，
0.85<|βA|<1.25…(6)，和
0.75<LT/LTK<1.20…(7)
在上述式子中，βK是光学系统在第二聚焦范围中的成像倍率，rA是光学构件A的最靠近物侧的透镜表面的曲率半径，βA是光学构件A的横向倍率，并且LT是聚焦在无限远处的光学系统的总长度。如本文所使用的，光学系统的总长度是指在光轴上的从光学系统的最靠近物侧的透镜表面到最靠近像侧的透镜表面的距离与后焦距之和。
条件(3)规定光学系统在第二聚焦范围中的成像倍率βK的范围。当光学系统处于第二聚焦范围中时，光学构件A被插入光路中，从而使得光学系统的成像倍率增大。第二聚焦范围优选地包含满足条件(3)的对焦状态。
低于由条件(3)限定的下限的低成像倍率βK，使得难以以足够的倍率拍摄小的被摄体的图像，因此是不期望的。高于由条件(3)限定的上限的高成像倍率βK，使得难以将诸如场曲的像差校正到令人满意的程度，因此是不期望的。
条件(4)规定光学系统在第二聚焦范围中的总长度LTK与光学构件A在光轴上的厚度dA的比率的范围。第二聚焦范围优选地包含满足条件(4)的对焦状态。导致低于由条件(4)限定的下限的比率的光学构件A的低厚度dA，造成光学构件A对诸如场曲的像差的校正效果降低，因此使得难以在整个光学系统中将诸如场曲的像差达校正到令人满意的程度。因此，这种低厚度dA是不期望的。导致高于由条件(4)限定的上限的比率的光学构件A的高厚度dA，造成光学构件A的大尺寸。这导致整个光学系统的尺寸增大，因此是不期望的。
条件(5)规定光学构件A的最靠近物侧的透镜表面的形状。光学构件A的最靠近物侧的透镜表面为凹形。这使得像散能够被校正到令人满意的程度。更具体地，条件(5)规定光学系统在第二聚焦位置范围中的总长度LTK与光学构件A的最靠近物侧的透镜表面的曲率半径rA的比率。第二聚焦位置范围优选地包含满足条件(5)的对焦状态。
导致低于由条件(5)限定的下限的比率的、光学构件A的最靠近物侧的透镜表面的小曲率半径rA，造成在光学构件A的最靠近物侧的透镜表面处的过高的折光力。这引起像散被过度校正，因此是不期望的。导致高于由条件(5)限定的上限的比率的、光学构件A的最靠近物侧的透镜表面的大曲率半径rA，造成在光学构件A的最靠近物侧的透镜表面处的过低的折光力。这使得难以将像散校正到足够的程度，因此是不期望的。
条件(6)规定光学构件A的横向倍率βA。第二聚焦范围优选地包含满足条件(6)的对焦状态。低于由条件(6)限定的下限的光学构件A的低横向放大率βA，造成整个光学系统的低成像倍率。这使得难以以足够的倍率拍摄小的被摄体的图像，因此是不期望的。高于由条件(6)限定的上限的光学构件A的高横向倍率βA，使得难以将诸如场曲的像差校正到令人满意的程度，因此是不期望的。
条件(7)规定聚焦在无限远处的光学系统的总长度LT与光学系统在第二聚焦范围中的总长度LTK的比率的范围。第二聚焦位置范围优选地包含满足条件(7)的对焦状态。导致低于由条件(7)限定的下限的比率的、光学系统在第二聚焦范围中的长的总长度LTK，导致光学系统的尺寸增大，因此是不期望的。导致高于由条件(7)限定的上限的比率的、光学系统在第二聚焦范围中的短的总长度LTK，意味着第二聚焦范围中的可用于聚焦的长度短，使得难以执行聚焦操作，因此是不期望的。
优选地，条件(3)至(7)的极限值被设置如下：
0.35<|βK|<2.60…(3a)，
0.007<dA/LTK<0.090…(4a)，
-14.0<LTK/rA<-0.2…(5a)，
0.87<|βA|<1.22…(6a)，和
0.77<LT/LTK<1.15…(7a)
更优选地，条件(3)至(7)的极限值被设置如下：
0.39<|βK|<2.50…(3b)
0.010<dA/LTK<0.080…(4b)
-13.0<LTK/rA<-0.3…(5b)
0.90<|βA|<1.20…(6b)，和
0.80<LT/LTK<1.10…(7b)
现在将描述所讨论的各示例性实施例的透镜构造。根据第一实施例的光学系统从物侧到像侧依次包括：具有负折光力的第一透镜单元L1、孔径光阑SP、具有正折光力的第二透镜单元L2、耀斑截止光阑FS、具有正折光力的第三透镜单元L3以及具有负折光力的光学构件A。在第一聚焦范围中，如图1所示，从光路中移除光学构件A。在第二聚焦范围中，如图3所示，具有负折光力的光学构件A位于第三透镜单元L3的像侧。光学构件A从物侧到像侧依次由各自具有面向物体的凹表面的负透镜和正透镜构成。图3所示的对焦状态的光学系统具有-1.0x的成像倍率。
在变焦操作中，移动第一透镜单元L1、第二透镜单元L2和第三透镜单元L3，使得与在广角端位置相比，在远摄端位置，第一透镜单元L1与第二透镜单元L2之间的距离减小，并且第二透镜单元L2与第三透镜单元L3之间的距离增大。在变焦操作中，孔径光阑SP沿着与透镜单元L1、L2和L3的路径不同的路径移动，同时耀斑截止光圈FS以一体的方式随着第二透镜单元L2而移动。在第一聚焦范围中，在从无限远到近处物体的方向的聚焦操作期间，第三透镜单元L3向物侧移动。在第二聚焦范围中，在聚焦操作期间，第二透镜单元L2向像侧移动，而第三透镜单元L3向物侧移动。在聚焦操作期间移动多个透镜单元，既实现增大的成像倍率又实现高的光学性能。
除了光学构件A具有与第一实施例的光学构件A的构造不同的构造之外，第二实施例的光学系统与第一实施例的光学系统类似或相同。如图5所示，根据第二示例性实施例的光学构件A由具有面向物侧的凹表面的负透镜构成。在第二聚焦范围中，在聚焦操作期间，第三透镜单元L3向物侧移动。图5所示的对焦状态的光学系统具有-0.5x的成像倍率。
除了光学构件A具有与第一实施例和第二实施例的光学构件A的构造不同的构造之外，根据第三实施例的光学系统与第一实施例的光学系统类似或相同。根据第三示例性实施例的光学构件A从物侧到像侧依次由各自具有面向物侧的凹表面的负透镜和正透镜构成，如图7所示。在第二聚焦范围中，在聚焦操作期间，第一透镜单元L1向物侧移动，第二透镜单元L2向物侧移动，并且第三透镜单元L3也向物侧移动。图7所示的对焦状态的光学系统具有-2.1x的成像倍率。在聚焦操作期间移动多个透镜单元，既实现增大的成像倍率又实现高的光学性能。
根据第四实施例的光学系统从物侧到像侧依次包括：具有负折光力的第一透镜单元L1、孔径光阑SP、具有正折光力的第二透镜单元L2、耀斑截止光阑FS、具有正折光力的第三透镜单元L3以及光学元件A。在第一聚焦范围中，如图9所示，从光路中移除光学构件A。在第二聚焦范围中，如图11所示，具有正折光力的光学构件A位于第三透镜单元L3的像侧。光学构件A从物侧到像侧依次由各自具有面向物侧的凹表面的正透镜和负透镜构成。图11所示的对焦状态的光学系统具有-0.7x的成像倍率。
在变焦操作中，移动第一透镜单元L1、第二透镜单元L2和第三透镜单元L3，使得与在广角端位置相比，在远摄端位置，第一透镜单元L1与第二透镜单元L2之间的距离减小，并且第二透镜单元L2与第三透镜单元L3之间的距离增大。在变焦操作中，孔径光阑SP沿着与透镜单元L1、L2和L3的路径不同的路径移动，同时耀斑截止光圈FS以一体的方式随着第二透镜单元L2而移动。在第一聚焦范围中，在从无限远到近处物体的方向的聚焦操作期间，第三透镜单元L3向物侧移动。在第二聚焦范围中，在聚焦操作期间，第二透镜单元L2向像侧移动，而第三透镜单元L3向物侧移动。为了聚焦而移动多个透镜单元，既实现增大的成像倍率又实现高的光学性能。
根据第五实施例的光学系统从物侧到像侧依次包括：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、孔径光阑SP、具有正折光力的第三透镜单元L3、具有正折光力的第四透镜单元L4以及光学构件A。在第一聚焦范围中，如图13所示，从光路中移除光学构件A。在第二聚焦范围中，如图15所示，具有负折光力的光学构件A位于第四透镜单元L4的像侧。光学构件A由各自具有面向物侧的凹表面的负透镜和正透镜的胶合透镜构成。图15所示的对焦状态的光学系统具有-0.4x的成像倍率。
在变焦操作中，移动透镜单元L1、L2和L3，使得与在广角端位置相比，在远摄端位置，第一透镜单元L1与第二透镜单元L2之间的距离增大，第二透镜单元L2与第三透镜单元L3之间的距离减小，并且第三透镜单元L3与第四透镜单元L4之间的距离增大。在变焦操作中，孔径光阑SP沿着与透镜单元L1、L2和L3的路径不同的路径移动。在第一聚焦范围中，在从无限远到近处物体的方向的聚焦操作期间，第四透镜单元L4向物侧移动。在第二聚焦范围中，在聚焦操作期间，第三透镜单元L3向像侧移动，而第四透镜单元L4向物侧移动。在聚焦操作期间移动多个透镜单元，既实现增大的成像倍率又实现高的光学性能。
接下来，将在下面呈现分别对应于上述的第一实施例至第五实施例的数值示例1至数值示例5的透镜数据。在这些数值示例中，后缀“i”表示按从物侧到像侧的排列顺序指示各光学表面(或光学元件)的位置的数字。例如，ri是第i个光学表面的曲率半径；di是第i个表面与第(i+1)个表面之间的距离；并且，ndi和νdi分别是第i个光学元件的对于d线的折光率和阿贝数。
一些光学表面是非球面的，并且，这种非球面表面由表面编号的右边的星号“*”指定。非球面形状由下式给出：
x＝(h2/r)/[1+[1-(1+K)(h/r)2]1/2]+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12
其中K是离心率，A4、A6、A8、A10和A12是非球面系数，x是相对于表面顶点的、在距光轴的高度h处沿光轴方向的偏差，并且，r是近轴曲率半径。符号“e-Z”用于表示指数表达式“10-Z”。
在各数值示例中，后焦距(BF)是以空气转换长度表达的、从该透镜系统的最靠近像侧的表面到像面的距离。数值示例与上述数学条件之间的关系总结在表1中。
[数值示例1]
(1)聚焦在无限远处的物体上
单位：mm
关于非球面表面的数据
第一表面
K＝0.00000e+000 A4＝-2.02625e-004 A6＝7.87010e-006 A8＝-1.26746e-007A10＝7.76461e-010
第二表面
K＝0.00000e+000 A4＝-4.77965e-004 A6＝1.90614e-006 A8＝5.66789e-008A10＝-4.59701e-009
第六表面
K＝0.00000e+000 A4＝-2.98216e-004 A6＝-4.10038e-006 A8＝-5.92404e-008
第七表面
K＝0.00000e+000 A4＝-4.58162e-004 A6＝7.11715e-006 A8＝-3.73866e-009
第十一表面
K＝0.00000e+000 A4＝-5.15595e-004 A6＝4.42038e-006 A8＝1.67647e-006
其他数据
变焦比4.71
关于变焦透镜单元的数据
·聚焦单元:第三透镜单元
(2)在远摄端位置的第二聚焦位置范围中的特定对焦状态
单位：mm
关于表面的数据
关于非球面表面的数据
第一表面
K＝0.00000e+000 A4＝-2.02625e-004 A6＝7.87010e-006 A8＝-1.26746e-007A10＝7.76461e-010
第二表面
K＝0.00000e+000 A4＝-4.77965e-004 A6＝1.90614e-006 A8＝5.66789e-008A10＝-4.59701e-009
第六表面
K＝0.00000e+000 A4＝-2.98216e-004 A6＝-4.10038e-006 A8＝-5.92404e-008
第七表面
K＝0.00000e+000 A4＝-4.58162e-004 A6＝7.11715e-006 A8＝-3.73866e-009
第十一表面
K＝0.00000e+000 A4＝-5.15595e-004 A6＝4.42038e-006 A8＝1.67647e-006
关于变焦透镜单元的数据
·聚焦单元：第二透镜单元和第三透镜单元
·成像倍率：-1.0x
[数值示例2]
(1)聚焦在无限远处的物体上
在聚焦在无限远处的物体上时，所有的值与数值示例1相同。
(2)在远摄端位置的第二聚焦位置范围中的特定对焦状态
单位：mm
关于表面的数据
关于非球面表面的数据
第一表面
K＝0.00000e+000 A4＝-2.02625e-004 A6＝7.87010e-006 A8＝-1.26746e-007A10＝7.76461e-010
第二表面
K＝0.00000e+000 A4＝-4.77965e-004 A6＝1.90614e-006 A8＝5.66789e-008A10＝-4.59701e-009
第六表面
K＝0.00000e+000 A4＝-2.98216e-004 A6＝-4.10038e-006 A8＝-5.92404e-008
第七表面
K＝0.00000e+000 A4＝-4.58162e-004 A6＝7.11715e-006 A8＝-3.73866e-009
第十一表面
K＝0.00000e+000 A4＝-5.15595e-004 A6＝4.42038e-006 A8＝1.67647e-006
关于变焦透镜单元的数据
·聚焦单元：第三透镜单元
·成像倍率：-0.5x
[数值示例3]
(1)聚焦在无限远处的物体上
在聚焦在无限远处的物体上时，所有的值与数值示例1相同。
(2)在远摄端位置的第二聚焦位置范围中的特定对焦状态
单位：mm
关于表面的数据
关于非球面表面的数据
第一表面
K＝0.00000e+000 A4＝-2.02625e-004 A6＝7.87010e-006 A8＝-1.26746e-007A10＝7.76461e-010
第二表面
K＝0.00000e+000 A4＝-4.77965e-004 A6＝1.90614e-006 A8＝5.66789e-008A10＝-4.59701e-009
第六表面
K＝0.00000e+000 A4＝-2.98216e-004 A6＝-4.10038e-006 A8＝-5.92404e-008
第七表面
K＝0.00000e+000 A4＝-4.58162e-004 A6＝7.11715e-006 A8＝-3.73866e-009
第十一表面
K＝0.00000e+000 A4＝-5.15595e-004 A6＝4.42038e-006 A8＝1.67647e-006
关于变焦透镜单元的数据
·聚焦单元：第一透镜单元、第二透镜单元和第三透镜单元
·成像倍率：-2.1x
[数值示例4]
(1)聚焦在无限远处的物体上
单位：mm
关于表面的数据
关于非球面表面的数据
第一表面
K＝0.00000e+000 A4＝-4.65961e-005 A6＝8.04510e-007 A8＝-5.60379e-009A10＝-1.81010e-011 A12＝2.63709e-013
第二表面
K＝1.32245e-001 A4＝-9.53359e-005 A6＝-4.31947e-007 A8＝2.83384e-008A10＝-6.45846e-010 A12＝3.74432e-012
第六表面
K＝0.00000e+000 A4＝-1.14474e-004 A6＝-6.39836e-007 A8＝-4.86347e-009A10＝-3.57225e-011
第七表面
K＝0.00000e+000 A4＝-5.86274e-006 A6＝2.50952e-007 A8＝-3.51576e-009
第十三表面
K＝0.00000e+000 A4＝-7.75182e-005 A6＝1.40589e-007 A8＝-1.78341e-007
第十六表面
K＝0.00000e+000 A4＝2.07327e-005 A6＝-1.89462e-007 A8＝8.61167e-010
其他数据
变焦比 2.88
关于变焦透镜单元的数据
·聚焦单元：第三透镜单元
(2)在远摄端位置的第二聚焦位置范围中的特定对焦状态
单位：mm
关于表面的数据
关于非球面表面的数据
第一表面
K＝0.00000e+000 A4＝-4.65961e-005 A6＝8.04510e-007 A8＝-5.60379e-009A10＝-1.81010e-011 A12＝2.63709e-013
第二表面
K＝1.32245e-001 A4＝-9.53359e-005 A6＝-4.31947e-007 A8＝2.83384e-008A10＝-6.45846e-010 A12＝3.74432e-012
第六表面
K＝0.00000e+000 A4＝-1.14474e-004 A6＝-6.39836e-007 A8＝-4.86347e-009A10＝-3.57225e-011
第七表面
K＝0.00000e+000 A4＝-5.86274e-006 A6＝2.50952e-007 A8＝-3.51576e-009
第十三表面
K＝0.00000e+000 A4＝-7.75182e-005 A6＝1.40589e-007 A8＝-1.78341e-007
第十六表面
K＝0.00000e+000 A4＝2.07327e-005 A6＝-1.89462e-007 A8＝8.61167e-010
第十七表面
K＝0.00000e+000 A4＝-7.99946e-005 A6＝-3.84014e-007
关于变焦透镜单元的数据
·聚焦单元：第二透镜单元和第三透镜单元
·成像倍率：-0.7x
[数值示例5]
(1)聚焦在无限远处的物体上
单位：mm
关于表面的数据
关于非球面表面的数据
第三表面
K＝-2.06794e+002 A4＝6.57153e-006 A6＝-6.93126e-009 A8＝2.42994e-011
第四表面
K＝-3.19343e+003 A4＝-3.86449e-005 A6＝3.74941e-007 A8＝-2.06972e-009
第五表面
K＝-2.98780e-002 A4＝2.58045e-004 A6＝1.93724e-006 A8＝1.60099e-007
第十一表面
K＝-3.89688e-001 A4＝-4.72376e-004 A6＝-2.12855e-006
第十二表面
K＝-6.13957e+000 A4＝7.76455e-005
其他数据
变焦比11.40
关于变焦透镜单元的数据
·聚焦单元：第四透镜单元
(2)在远摄端位置的第二聚焦位置范围中的特定对焦状态
单位：mm
关于表面的数据
关于非球面表面的数据
第三表面
K＝-2.06794e+002 A4＝6.57153e-006 A6＝-6.93126e-009 A8＝2.42994e-011
第四表面
K＝-3.19343e+003 A4＝-3.86449e-005 A6＝3.74941e-007 A8＝-2.06972e-009
第五表面
K＝-2.98780e-002 A4＝2.58045e-004 A6＝1.93724e-006 A8＝1.60099e-007
第十一表面
K＝-3.89688e-001 A4＝-4.72376e-004 A6＝-2.12855e-006
第十二表面
K＝-6.13957e+000 A4＝7.76455e-005
关于变焦透镜单元的数据
·聚焦单元：第三透镜单元和第四透镜单元
·成像倍率：-0.4x
[表1]
条件(1) 条件(2) 条件(3) 条件(4) 条件(5) 条件(6) 条件(7)
示例1 0.009 0.088 1.000 0.0337 -6.84 1.083 1.000
示例2 0.007 0.066 0.500 0.0119 -6.82 1.069 1.000
示例3 0.069 0.124 2.100 0.0354 -9.00 1.069 0.851
示例4 0.038 0.142 0.700 0.0706 -0.55 1.069 1.000
示例5 0.006 0.092 0.400 0.0335 -9.19 1.127 1.000
接下来将参照图17描述使用根据示例性实施例的光学系统的数字照相机(摄像装置)的一个示例性实施例。图17例示了包括摄像光学系统21、固态图像传感器(光电转换元件)22、记录器23和取景器24的数字照相机主体20。摄像光学系统21包括第一实施例至第五实施例的光学系统中的任一光学系统。图像传感器22例如是合并在照相机主体20中的CCD传感器或CMOS传感器，并且接收由摄像光学系统21形成的被摄体图像。记录器23记录由图像传感器22接收的被摄体图像。取景器24用于观察显示设备(未例示)上显示的被摄体图像。
将根据本发明的示例性实施例的光学系统应用于诸如数字照相机的摄像装置，提供了既具有增大的成像倍率又具有高的光学性能的摄像装置。
虽然参照示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应当被赋予最宽的解释，以便涵盖所有这类变型例以及等同的结构和功能。

Claims (10)

1.一种光学系统，所述光学系统包括：
孔径光阑；以及
光学构件，其能够被以可移除的方式插入由所述光学系统的物侧和像侧限定的光路中，所述光学构件被布置在所述孔径光阑的像侧，
其中，在无限远与第一有限距离之间的第一聚焦范围中，所述光学构件被从所述光路中移除，而在比所述第一有限距离短的第二有限距离与比所述第二有限距离短的第三有限距离之间的第二聚焦范围中，所述光学构件被插入所述光路中，
其中，所述光学系统满足下述条件：
|dA/fA|<0.10
其中，dA是所述光学构件在光轴上的厚度，fA是所述光学构件的焦距，并且
其中，所述第二聚焦范围包含满足下述条件的对焦状态：
0.01<KA/LTK<0.19
其中，LTK是所述光学系统的总长度，KA是在所述光轴上的、从所述光学构件的最靠近物侧的透镜表面顶点到像面的距离。
2.根据权利要求1所述的光学系统，所述光学系统还包括在所述孔径光阑的像侧的聚焦透镜单元，所述聚焦透镜单元被构造为在聚焦操作期间被移动。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学构件由两个或更少的透镜构成。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第二聚焦范围包含满足下述条件的对焦状态：
0.30<|βK|<2.70
其中，βK是所述光学系统的成像倍率。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，在所述第二聚焦范围中，所述光学构件被插入所述光路中，但所述光学构件在所述第二聚焦范围中的聚焦操作期间不移动。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第二聚焦范围包含满足下述条件的对焦状态：
0.005<dA/LTK<0.100。
7.根据权利要求1所述的光学系统，
其中，所述光学构件的最靠近物侧的透镜表面为凹形，并且
其中，所述第二聚焦范围包含满足下述条件的对焦状态：
-15.0<LTK/rA<-0.1
其中，rA是所述光学构件的最靠近物侧的透镜表面的曲率半径。
8.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第二聚焦范围包含满足下述条件的对焦状态：
0.85<|βA|<1.25
其中，βA是所述光学构件的横向倍率。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第二聚焦范围包含满足下述条件的对焦状态：
0.75<LT/LTK<1.20
其中，LT是聚焦在无限远处的所述光学系统的总长度。
10.一种摄像装置，所述摄像装置包括：
根据权利要求1至9中的任一项所述的光学系统；以及
图像传感器，其被构造为接收由所述光学系统形成的图像。
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