CN107390351A - 光学系统及光学设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学系统，从物侧到像侧依次配置：前群透镜组、孔径光阑和后群透镜组；在所述后群透镜组最接近所述物侧至少配置一片正透镜L_rp，满足以下条件式：u_rp＜25，和Δθ_rp＞0.015，其中，F表示所述光学系统的焦距，F_f表示所述前群透镜组的焦距，F_r表示所述后群透镜组的焦距，u_rp和Δθ_rp分别表示所述正透镜Lrp材料的阿贝数和部分色散比差。本发明还提供了一种光学设备。该光学系统具有大视场角、长后截距、成像性能优秀的优点。

Description

光学系统及光学设备

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及光学系统及光学设备。

背景技术

近年，在用于图像拾取设备(诸如视频照相机)的照相光学系统和用于图像投影设备(诸如投影仪)的投影光学系统中，具有大视场范围的图像拾取和图像投影能力的所谓广角光学系统被广泛需求。在物侧配置具有负光焦度的透镜组，在像侧配置具有正光焦度透镜组的光学系统，通常被称为反向望远系统(Retro-Focus system)，由于其具有焦点距离短，视场角大，后截距长等特点，作为常见的广角光学系统所被人熟知。

由于在孔径光阑靠近物侧的前群透镜组的光焦度为负，而在孔径光阑像方的后群透镜组的光焦度为正，造成反向望远系统光焦度的配置呈非对称性，使前后群透镜组的像差无法抵消，造成系统的诸像差变大，成像性能的劣化。特别是在反向望远系统中，由于前后群透镜组的负方向畸变相互叠加，造成桶形畸变，对成像质量影响极大。因此，一般在具有负光焦度的透镜组与孔径光阑之间配置具有正光焦度的透镜组，通过引入正方向的畸变以降低畸变像差。然而为了产生大角度的光线折转，往往需要过剩的正光焦度，致使前群透镜组具有正的光焦度，在光学系统中引入大量正方向的倍率色差，特别是由于二级光谱的校正不足造成g线和F线对d线产生正方向偏移，造成系统成像性能的低下。为了降低正方向的倍率色差，在负光焦度的透镜组中引入低色散和高异常部分色散比的玻璃材料，能够在校正C线和F线之间的倍率色差的同时减小g线和F线之间的倍率色差，满足光学系统的成像要求，但是由于此类玻璃材料的折射率过低，容易引起球差为代表的诸像差的校正不足，造成系统性能劣化。

发明内容

本发明中，为了消除上述现有技术的问题点，其目的在于提供一种色差和赛德尔五像差都能被良好地校正，具有优异成像性能的光学系统和具有该光学系统的光学设备。

本发明提供了一种光学系统，从物侧到像侧依次配置有前群透镜组、孔径光阑和后群透镜组，在所述后群透镜组最接近所述物侧至少配置一片正透镜L_rp，满足以下条件式

υ_rp＜25 (1b)，和

Δθ_rp＞0.015 (1c)，

其中：F表示所述光学系统的焦距，F_f表示所述前群透镜组的焦距，F_r表示所述后群透镜组的焦距，υ_rp和Δθ_rp分别表示所述正透镜L_rp玻璃材料的阿贝数和部分色散比差。玻璃材料阿贝数υ_d和部分色散比θ_gF的定义为：

和

其中：n_g,n_F,n_d,n_C分别为波长g线(435.8nm)，F线(486.1nm)，d线(587.6nm)，C线(656.3nm)时玻璃材料的折射率。一般玻璃材料的阿贝数与部分色散比成反比关系，其关系式表达为：

θ_gF＝-1.61783×10^-3×υ_d+0.64146。

而当材料存在异常色散特性时，其部分色差比的值与玻璃图上绘制的标准线之间的差被称为部分色散比差Δθ_gF，其关系式表达为：

Δθ_gF＝θ_gF+1.61783×10^-3×υ_d-0.64146。

条件式(1a)通过合理设定孔径光阑物侧的前群透镜组和孔径光阑像方的后群透镜组的光焦度，能够容易地将光学系统的像方主点设在最接近像方透镜的像侧，实现全光学系统的焦点距离比最接近像方透镜到像面的距离更短，使系统满足对视场角及后截距的要求。由于规定了孔径光阑物侧的前群透镜组的光焦度在一定范围内变化，能够随着像高的增大使g线在像面上朝负方向偏移，减小g线和F线之间的倍率色差。当小于条件式(1a)的下限时，前后群透镜组的光焦度过小，不利于光学系统全长的短缩。当大于条件式(1a)的上限时，则前后群透镜组的光焦度过大，不利于像差校正，造成整个系统的成像性能低下。

但是条件式(1a)也容易造成g线与F线之间的位置色差增加，不利于中心成像性能，因此条件式(1b)和(1c)通过合理设定孔径光阑像侧的正透镜Lr_p的阿贝数和部分色散比差，对光学系统的位置色差进行良好地校正。

当条件式(1b)和(1c)超出设定范围时，正透镜的阿贝数过大，异常部分色散比差过小，则对位置色差的校正不足，造成光学系统中心成像性能低下。

优选地，在所述前群透镜组最接近所述像侧至少配置一片具有正透镜L_fp，该透镜材料的折射率和阿贝数分别用n_fp和v_fp表示，满足以下条件式：

1.65＜n_fp＜1.76 (2a)，和

25＜v_fp＜35 (2b)。

条件式(2a)和(2b)通过合理设定孔径光阑物侧正透镜材料的折射率和阿贝数，将光学系统的位置色差和倍率色差控制在一定的范围内。若超过公式(2a)的上限时，则正透镜的光焦度过大，倍率色差向正方向移动，造成倍率色差的校正不足，周边成像性能低下。若超过公式(2a)的下限时，则正透镜的光焦度过小，畸变向负方向移动，造成畸变校正不足，周边成像性能低下。若超过公式(2b)的上限时，则正透镜材料的色散过小，造成位置色差的校正不足，中心成像性能低下。若超过公式(2b)的下限时，则正透镜材料的色散过大，造成位置色差的校正过剩，中心成像性能低下。

优选地，所述前群透镜组满足以下的条件式：

条件式(3)通过合理设定前群透镜组的光焦度，能够容易实现短焦距和长后截距的要求。若超过公式(3)的下限时，前群透镜组的光焦度过小，则光路长度增加，不利于光学系统的小型化。若超过公式(3)的上限时，前群透镜组的光焦度过大，则产生像差无法靠后群透镜组校正，系统成像性能低下。

优选地，在本发明的光学系统中，从所述物侧到所述像侧依次配置：具有负光焦度的第一透镜组、具有正光焦度的第二透镜组和具有正光焦度的第三透镜组，在调焦过程中所述第三透镜组沿着光轴移动，所述第一透镜组和所述第二透镜组相对于像面均被固定。

该光学结构，在调焦过程中无需移动孔径光阑，保证入瞳位置的同时，降低调焦机械结构的负载，有利于光学系统和具有该光学系统设备的小型化和轻量化。

优选地，所述第三透镜组至少配置一片正透镜，该第三透镜组的正透镜材料的阿贝数平均值和部分色散比差平均值分别用AVE(υ_L3P)和AVE(Δθ_L3P)表示，满足以下条件式：

AVE(υ_L3P)>60 (4a)，和

AVE(Δθ_L3P)>0.015 (4b)。

条件式(4a)和(4b)通过合理设定调焦群内正透镜玻璃材料的阿贝数和部分色散比差，将光学系统的位置色差和倍率色差控制在一定的范围内。若超过公式(4a)的下限时，正透镜的色散过大，在调焦过程中C线和F线相对于d线的变化量大，造成光学系统成像性能低下。若超过公式(4b)的下限时，正透镜的部分色散比过小，二级光谱校正不足，在调焦过程中g线的变化较大，造成系统成像性能低下。

优选地，所述第一透镜组从物侧起连续配置至少两片负透镜，该负透镜材料的阿贝数的平均值和部分色散差比的总和分别用AVE(υ_L1N)和SUM(Δθ_L1N)表示，满足以下条件式：

40<AVE(υ_L1N)<60 (5a)，和

SUM(Δθ_L1N)<0.00 (5b)。

条件式(5a)和(5b)通过合理设定第一透镜组内负透镜材料的阿贝数和部分色散比差，将光学系统的位置色差和倍率色差控制在一定的范围内。若超过公式(5a)的上限时，则负透镜的色散过小，则倍率色差的校正不足，系统成像性能低下。若超过公式(5a)的下限时，则负透镜的色散过大，则倍率色差的校正过剩，系统成像性能低下。若超过公式(5b)的上限时，负透镜材料的部分色散比过大，则g线的位置色差向正方向移动，造成中心成像性能低下。

优选地，所述第三透镜组的光焦度满足以下条件式：

其中，F₃表示所述第三透镜组的焦距。

条件式(6)通过合理设定第三透镜组的光焦度，能够容易实现短焦距和长后截距的要求。若超过公式(6)的下限时，调焦透镜组的光焦度过大，在大口径的前提下不利于长后截距的实现，无法满足光学设备的使用。若超过公式(6)的上限时，调焦透镜组的光焦度过小，不利于光学系统的小型化。

优选地，入射所述第一透镜组最接近物侧的透镜的轴外主光线的高度和入射所述第二透镜组最接近物侧的透镜的轴外主光线的高度分别用H₁和H₂表示，满足以下条件式：

条件式(7)通过对所述第一透镜组的主光线入射像高和主光线出射像高进行合理设定，能够保证光学系统在满足小型化和性能的要求。若超过公式(7)的上限，则主光线出射像高过小，造成畸变过大，成像性能低下。若超过公式(7)的下限，则主光线出射像高过大，镜片尺寸过大，重量过重，不利于光学设备的小型化和轻量化。

本发明还提供了一种光学设备，使用上述光学系统。

优选地，所述光学设备还包括快速返回反射镜、聚焦屏、五边形屋脊棱镜、目镜透镜和感光表面。

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，至少具有如下有益效果：在满足大视场角，长后截距的要求以外，通过合理设定透镜组的光焦度和合理选择光学玻璃材料在校正反向望远系统所具有的负畸变的同时，对位置色差和倍率色差进行校正，达到高性能的成像性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明提供的光学系统的截面图。

图2是本发明第一实施例的光学系统的截面图。

图3是本发明第一实施例的光学系统的诸像差曲线图。

图4是本发明第二实施例的光学系统的截面图。

图5是本发明第二实施例的光学系统的诸像差曲线图。

图6是本发明第三实施例的光学系统的截面图。

图7是本发明第三实施例的光学系统的诸像差曲线图。

图8示出了本发明一种光学设备的主要组件的结构示意图。

主要元件符号说明：

G_f-前群透镜组；G_r-后群透镜组；L_fp-前群透镜组中的正透镜；L_rp-后群透镜组中的正透镜；IMG-像表面；GL-平行玻璃板；SP-孔径光阑；G₁₁-第一透镜组；G₁₂-第二透镜组；G₁₃-第三透镜组；G₂₁-第一透镜组；G₂₂-第二透镜组；G₂₃-第三透镜组；G₃₁-第一透镜组；G₃₂-第二透镜组；G₃₃-第三透镜组；1-光学系统；2-透镜镜筒；3-快速返回反射镜；4-聚焦屏；5-五边形屋脊棱镜；6-目镜透镜；7-感光表面；10-照相镜头；20-照相机主体。

具体实施方式

以下基于附图详细说明本发明的光学系统和具有该光学系统的光学设备。透镜数据中，折射率和焦距为d线的值。其中，光学镜头相关数据中，长度的单位为mm，将省略示出其单位。

要注意的是，在表格和以下描述中使用的符号如下：

“S_i”表示表面号；“R_i”是曲率半径；“d_i”是第i个表面和第i+1个表面之间的轴上表面距离；“n_d”是折射率；“ν_d”是阿贝数；“Fno”是F数；“ω”是半视场角。关于表面号，“ASP”表示该表面是非球面，并且关于曲率半径，“∞”表示该表面是平面。

在数值实例中使用的透镜包括具有非球面透镜表面的一些透镜。其中在光轴的方向中距离表面顶点的距离(即、矢高量Sag amount)由x表示；在垂直于光轴方向上的高度(即、径高)由“y”表示；在透镜的顶点的近轴曲率(即、曲率半径的倒数)由“c”表示；锥度常数由“k”表示；并且第四、第六、第八、第十级非球面系数分别有“C₄”、“C₆”、“C₈”和“C₁₀”表示，非球面形状由以下表达式定义：

如图1所示，一种光学系统，从物侧到像侧依次配置：前群透镜组G_f、孔径光阑SP和后群透镜组G_r；在后群透镜组G_r最接近所述物侧至少配置一片正透镜L_rp，满足以下条件式：

υ_rp＜25，和

Δθ_rp＞0.015，其中：F表示该光学系统的焦距，F_f表示前群透镜组G_f的焦距，F_r表示后群透镜组G_r的焦距，υ_rp和Δθ_rp分别表示该正透镜L_rp材料的阿贝数和部分色散比差。

实施例1

如图2所示，一种光学系统，从物侧到像侧依次配置有前群透镜组G_f、孔径光阑SP和后群透镜组G_r，在后群透镜组Gr最接近物侧配置一片正透镜L_rp，在前群透镜组G_f最接近像侧配置一片正透镜L_fp。G₁₁为具有负光焦度的第一透镜组；G₁₂为具有正光焦度的第二透镜组；G₁₃为具有正光焦度的第三透镜组。在调焦过程中第三透镜组G₁₃沿着光轴移动，第一透镜组G₁₁和第二透镜组G₁₂相对于像面均被固定。本实施例中相关条件式的计算值具体参阅表7。

由一种滤光器配置的平行玻璃板GL布置在后群透镜组G_r和像表面IMG之间。后截距是从G_r的像侧面到像表面IMG的距离，其中平行玻璃平板GL变换为空气。

以下，示出关于实施例1的光学系统的各种数值数据。

光学系统的基本数据：光学系统焦距f＝14.42mm，Fno＝2.81，2ω＝114.4°。

表1列出了第一实施例的光学系统的球面数据

表2列出了第一实施例的光学系统的非球面数据

实施例2

如图4所示，一种光学系统，从物侧到像侧依次配置有前群透镜组G_f、孔径光阑SP和后群透镜组G_r，在后群透镜组Gr最接近物侧配置一片正透镜L_rp，在前群透镜组G_f最接近像侧配置一片正透镜L_fp。G₂₁为具有负光焦度的第一透镜组；G₂₂为具有正光焦度的第二透镜组；G₂₃为具有正光焦度的第三透镜组。在调焦过程中第三透镜组G₂₃沿着光轴移动，第一透镜组G₂₁和第二透镜组G₂₂相对于像面均被固定。本实施例中相关条件式的计算值具体参阅表7。

由一种滤光器配置的平行玻璃板GL布置在后群透镜组G_r和像表面IMG之间。后截距是从G_r的像侧面到像表面IMG的距离，其中平行玻璃平板GL变换为空气。

以下，示出关于实施例2的光学系统的各种数值数据。

光学系统的基本数据：光学系统焦距f＝14.42mm，Fno＝2.79，2ω＝114.3°。

表3列出了第二实施例的光学系统的球面数据

表4列出了第二实施例的光学系统的非球面数据

实施例3

如图6所示，一种光学系统，从物侧到像侧依次配置有前群透镜组G_f、孔径光阑SP和后群透镜组G_r，在后群透镜组Gr最接近物侧配置一片正透镜L_rp，在前群透镜组G_f最接近像侧配置一片正透镜L_fp。G₃₁为具有负光焦度的第一透镜组；G₃₂为具有正光焦度的第二透镜组；G₃₃为具有正光焦度的第三透镜组。在调焦过程中第三透镜组G₃₃沿着光轴移动，第一透镜组G₃₁和第二透镜组G₃₂相对于像面均被固定。本实施例中相关条件式的计算值具体参阅表7。

由一种滤光器配置的平行玻璃板GL布置在后群透镜组G_r和像表面IMG之间。后截距是从G_r的像侧面到像表面IMG的距离，其中平行玻璃平板GL变换为空气。

以下，示出关于实施例3的光学系统的各种数值数据。

光学系统的基本数据：光学系统焦距f＝14.42mm，Fno＝2.82，2ω＝114.6°。

表5列出了第三实施例的光学系统的球面数据

表6列出了第三实施例的光学系统的非球面数据

图3、图5和图7均是图解说明在无限远聚焦(β＝0.0)时，分别按照第一实施例、第二实施例和第三实施例的光学系统的诸像差图。在球面像差的示意图中，实线、虚线和短划线代表在d线(波长587.6nm)，c线(波长656.3nm)，g线(波长435.8nm)的球面像差；另外，在图解说明像散的示意图中，实线S表示在弧矢像面的值，虚线M表示在子午像面的值。有关各种像差曲线图的上述说明与其他例子相同，并且省略重复说明。在图3、图5和图7中光学系统的球面像差都在0.4mm左右，像散都在0.4mm左右，畸变都在5％左右，色差都在0.1mm左右，成像效果均表现优秀。

表7是各实施例的条件式计算值的一览表。

需要注意的是，上述表格中的具体参数仅仅是例示性的，各透镜的参数不限于由上述各数值实施例所示出的值，可以采用其他的值，都可以达到类似的技术效果。

接下来，将参考图8描述其中根据实施例1至实施例3提供的光学系统中的每一被应用于光学设备(诸如单镜头反射式照相机)的示例。图8是示出了单镜头反射式照相机的主要组件的示意图。单镜头反射式照相机包括：照相镜头10和照相机主体20。照相镜头10包括：光学系统1和透镜镜筒2。

光学系统1由作为保持部件的透镜镜筒2保持。照相机主体20包括：将来自照相镜头10的光束向上反射的快速返回反射镜3以及布置在照相镜头10的图像形成位置处的聚焦屏4。另外，照相机主体20还包括将聚焦屏4上形成的倒像转换成正像的五边形屋脊棱镜5，形成放大的正像的目镜透镜6，固态图像传感器(光电转换元件，诸如CCD传感器或CMOS传感器)或卤化银胶片形成的感光表面7。在照相期间，快速返回反射镜3被从光路收回，并且由照相机镜头10将图像形成在感光表面7上。根据各个示例性实施例的光学系统也可以适用于投影仪、TV照相机。

虽然上面描述了本发明的原理以及具体实施方式，但是，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，从物侧到像侧依次配置：前群透镜组、孔径光阑和后群透镜组；在所述后群透镜组最接近所述物侧至少配置一片正透镜L_rp，满足以下条件式：

<mrow> <mo>-</mo> <mn>50</mn> <mo>&lt;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>r</mi> </msub> </mrow> <mi>F</mi> </mfrac> <mo>&lt;</mo> <mn>15</mn> <mo>,</mo> </mrow>

υ_rp＜25，和

Δθ_rp＞0.015，其中：F表示所述光学系统的焦距，F_f表示所述前群透镜组的焦距，F_r表示所述后群透镜组的焦距，υ_rp和Δθ_rp分别表示所述正透镜L_rp材料的阿贝数和部分色散比差。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，在所述前群透镜组最接近所述像侧至少配置一片正透镜L_fp，所述正透镜L_fp材料的折射率和阿贝数分别用n_fp和v_fp表示，满足以下条件式：

1.65<n_fp<1.76，和

25<v_fp<35。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述前群透镜组满足以下条件式：

<mrow> <mo>-</mo> <mn>1.60</mn> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <msub> <mi>F</mi> <mi>f</mi> </msub> <mi>F</mi> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mo>-</mo> <mn>0.80.</mn> </mrow>

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，从所述物侧到所述像侧依次配置：具有负光焦度的第一透镜组、具有正光焦度的第二透镜组和具有正光焦度的第三透镜组，在调焦过程中所述第三透镜组沿着光轴移动，所述第一透镜组和所述第二透镜组相对于像面均被固定。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述第三透镜组至少配置一片正透镜，该第三透镜组的正透镜材料的阿贝数平均值和部分色散比差平均值分别用AVE(υ_L3P)和AVE(Δθ_L3P)表示，满足以下条件式：

AVE(υ_L3P)>60，和

AVE(Δθ_L3P)>0.015。

6.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜组从物侧起连续配置至少两片负透镜，该负透镜材料的阿贝数的平均值和部分色差比的总和分别用AVE(υ_L1N)和SUM(Δθ_L1N)表示，满足以下条件式：

40<AVE(υ_L1N)<60，和

SUM(Δθ_L1N)<0.00。

7.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述第三透镜组满足以下条件式：

其中，F₃表示所述第三透镜组的焦距。

8.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，入射所述第一透镜组最接近物侧的透镜的轴外主光线的高度和入射所述第二透镜组最接近物侧的透镜的轴外主光线的高度分别用H₁和H₂表示，满足以下条件式：

9.一种光学设备，包括根据权利要求1-8任一项所述的光学系统。

10.根据权利要求9所述的光学设备，其特征在于，所述光学设备还包括快速返回反射镜、聚焦屏、五边形屋脊棱镜、目镜透镜和感光表面。