CN110221417A - 广角光学系统及光学设备 - Google Patents

Abstract

一种广角光学系统及光学设备，属于光学技术领域，该广角光学系统包括：自物侧至像侧顺次配置的：具有负光焦度的第一透镜组；具有正光焦度的第二透镜组；孔径光阑；以及，具有正光焦度的第三透镜组；在调焦过程中，所述第三透镜组能够沿着光轴移动，所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述孔径光阑相对于像面固定。该广角光学系统及光学设备，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。

Description

广角光学系统及光学设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种广角光学系统及光学设备。

背景技术

近年，在用于图像拾取设备的照相光学系统和用于图像投影设备的投影光学系统中，具有大视场范围的图像拾取和图像投影能力的广角光学系统被广泛需求。而如何达到高性能的成像性能一直是待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种色差和赛德尔五像差能够良好校正，具有优异成像性能的广角光学系统。

本发明的另一目的在于提供一种采用上述广角光学系统的光学设备。

本发明的实施例是这样实现的：

一种广角光学系统，其包括，自物侧至像侧顺次配置的：

具有负光焦度的第一透镜组；

具有正光焦度的第二透镜组；

孔径光阑；

以及，具有正光焦度的第三透镜组；

在调焦过程中，所述第三透镜组能够沿着光轴移动，所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述孔径光阑相对于像面固定。

在本发明较佳的实施例中，所述第一透镜组中最接近物侧至少配置一片负透镜L_1P，所述负透镜L_1P的材料的折射率为n_1p，阿贝数为v_1p，并满足以下条件式:

1.7<n_1p<1.9； (1)

20<v_1p<45。 (2)

条件式(1)和(2)通过合理设定第一透镜组内的负透镜L_1P的材料的折射率和阿贝数，将广角光学系统的位置色差和倍率色差控制在一定的范围内。

若阿贝数v_1p超过公式(2)的上限时，负透镜L_1P的色散过小，倍率色差的校正不足，系统成像性能低下。若阿贝数v_1p超过公式(2)的下限时，负透镜L_1P的色散过大，倍率色差的校正过剩，系统成像性能低下。若折射率n_1p超过公式(1)的上限时，负透镜L_1P的光焦度过大，倍率色差向负方向移动，造成倍率色差的校正过量，周边成像性能低下。若折射率n_1p超过公式(1)的下限时，则负透镜L_1P的光焦度过小，畸变向正方向移动，造成畸变校正过量，周边成像性能低下。

在本发明较佳的实施例中，所述第一透镜组满足以下的条件式：

其中，F表示光学系统的焦距，F₁表示所述第一透镜组的焦距。

条件式(3)通过合理设定第一透镜组的光焦度，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，第一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，第一透镜组的光焦度过大，则产生像差无法靠第二透镜组和第三透镜组校正，系统成像性能低下。

在本发明较佳的实施例中，所述第二透镜组中至少配置一片正透镜L_2P，所述正透镜L_2P的材料的折射率为n_2p，阿贝数为v_2p，并满足以下条件式：

1.70<n_2p<1.9； (4)

20<v_2p<45。 (5)

条件式(4)和(5)通过合理设定第二透镜组内正透镜材料的折射率和阿贝数，能有效的校正第一透镜组和第二透镜组产生的球差，以及合理的控制了第二透镜组的倍率色差。若折射率n_2p超过条件式(4)的下限，则整个镜头的球差会校正不足，造成镜头中心成像不佳，若折射率n_2p超过(4)上限，则会导致其他像差过高，整体成像不佳。若阿贝数v_2p超过条件式(5)上限或下限，倍率色差校正不足或过度校正，周边成像性能都会变差。

在本发明较佳的实施例中，所述第二透镜组满足以下的条件式：

其中F₂表示所述第二透镜组的焦距。

条件式(6)通过合理设定第二透镜组的光焦度，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，第二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，第二透镜组的光焦度过小，不利于光学系统的小型化。

在本发明较佳的实施例中，所述第三透镜组至少配置一片正透镜L_3P，所述正透镜L_3P的材料的阿贝数平均值为AVE(υ_L3P)，部分色散比差平均值分别用为AVE(Δθ_L3P)表示，并满足以下条件式：

AVE(υ_L3P)>50； (7)

AVE(Δθ_L3P)>0.015。 (8)

条件式(7)和(8)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AVE(υ_L3P)超过公式(7)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AVE(Δθ_L3P)超过公式(8)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。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。

在本发明较佳的实施例中，所述广角光学系统满足以下条件式：

其中，Bf表示所述广角光学系统中最接近像侧的透镜表面和像面之间的距离。

根据条件式(9)，能增加成像镜头的后截距，满足单透镜反光照相机的结构需求。

一种光学设备，包括上述的广角光学系统。

在本发明较佳的实施例中，所述光学设备为照相机时，还包括：相连接的相机镜头和相机本体；

所述相机镜头包括透镜镜筒，所述透镜镜筒用于承载所述广角光学系统；

所述相机本体包括第一反射镜、聚焦屏、多边形棱镜、目镜透镜、固态图像传感器或者卤化银胶片；

所述第一反射镜用于将来自相机镜头的光束向上反射；

聚焦屏布置在相机镜头的图像形成位置；

所述多边形棱镜用于将聚焦屏上形成的倒像转换成正像；

所述目镜透镜用于形成放大的正像；

照相机镜头将图像形成在所述固态图像传感器或卤化银胶片的感光表面。

在本发明较佳的实施例中，所述固态图像传感器包括CCD传感器或CMOS传感器。

本发明实施例提供的广角光学系统的有益效果是：

该广角光学系统，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

图1是本发明实施例一的广角光学系统的截面图；

图2a是当物体处于无限远距离时，第一数值实施例的光学系统的球面像差的示意图；

图2b是当物体处于无限远距离时，第一数值实施例的光学系统的图解说明像散的示意图；

图3是本发明实施例二的广角光学系统的截面图；

图4a是当物体处于无限远距离时，第二数值实施例的光学系统的球面像差的示意图；

图4b是当物体处于无限远距离时，第二数值实施例的光学系统的图解说明像散的示意图；

图5是本发明第三实施例的广角光学系统的截面图；

图6a是当物体处于无限远距离时，第三数值实施例的光学系统的球面像差的示意图；

图6b是当物体处于无限远距离时，第三数值实施例的光学系统的图解说明像散的示意图；

图7是本发明的光学设备的主要组件的示意图。

图中：1-光学系统；2-透镜镜筒；3-第一反射镜；4-聚焦屏；5-多边形棱镜；6-目镜透镜；7-感光表面；10-相机镜头；20-相机本体。

具体实施方式

下面，基于附图详细说明本发明实施例中的广角光学系统和具有该广角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。

其中，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；“f”是光学系统的焦距。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：

表达式：

实施例一

图1是本发明实施例一的广角光学系统的沿光轴的剖面图。

其中：G₁₁、G₂₁、G₃₁为第一透镜组；

G₁₂、G₂₂、G₃₂为第二透镜组；

G₁₃、G₂₃、G₃₃为第三透镜组；

IMG为成像面；GL为平行玻璃板；

SP为孔径光阑。

该广角光学系统从物体侧开始配置有第一透镜组G₁₁、第二透镜组G₁₂、孔径光阑SP和第三透镜组G₁₃，在第一透镜组G₁₁中最接近物体侧至少配置一片负透镜L_1p，在第二透镜组G₁₂中最接近像侧至少配置一片正透镜L_2p，在第三透镜组中至少配置一片正透镜L_3p。

本发明的一个优选实施例中，第一透镜组只有一个负透镜L_1p，该负透镜L_1p的第二面为非球面；第二透镜组由正透镜L_2P、负透镜L₃、负透镜L₄,、正透镜L₅依次排列组成，其中L₄和L₅为胶合透镜；第三透镜组由正透镜L₆、负透镜L₇、正透镜L_3p、正透镜L₈依次排列组成，其中L₇和L_3p为胶合透镜，L₈为双面非球面镜片。

由一种滤光器配置的平行玻璃板GL布置在第三透镜组G₁₃和像表面IMG之间。后截距是从G₁₃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。

下表为实施例一的广角光学系统的相关数据。

(广角光学系统的基本数据)

f＝28.81mm Fno＝1.72 2ω＝75°

(非球面数据)

需要说明的是，图2a和图2b是图解说明在无限远聚焦(β＝0.0)时，按照实施例一的广角光学系统的诸像差图。参照图2a，在球面像差的示意图中，三条线为光学系统在d线(波长587.6nm)，C线(波长656.3nm)，F线(波长487nm)的球面像差；参照图2b，在图解说明像散的示意图中，S表示在弧矢像面的值，M表示在子午像面的值。

实施例二

图3是本发明实施例二的广角光学系统的沿光轴的剖面图。

该广角光学系统从物体侧开始配置有第一透镜组G₂₁、第二透镜组G₂₂、孔径光阑SP和第三透镜组G₂₃，在第一透镜组G₂₁中最接近物体侧至少配置一片负透镜L_1p，在所述第二透镜组G₂₂中最接近像侧至少配置一片正透镜L_2p，在第三透镜组中至少配置一片正透镜L_3p。

本发明的优选实施例中，第一透镜组由负透镜L_1P、正透镜L₂、负透镜L₃依次排列组成；第二透镜组由负透镜L₄、正透镜L_2P、正透镜L₆依次排列组成；第三透镜组由正透镜L₇、负透镜L₈、正透镜L₉、负透镜L_3P依次排列组成；其中L₈和L₉为胶合透镜，正透镜L₉的第二面为非球面。

由一种滤光器配置的平行玻璃板GL布置在第三透镜组G₂₃和像表面IMG之间。后截距是从G₂₃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，示出关于实施例二的广角光学系统的各种数值数据。

(广角光学系统的基本数据)

f＝28.84mm Fno＝1.75 2ω＝75°

(非球面数据)

图4a和图4b是图解说明在无限远聚焦(β＝0.0)时，按照实施例二的广角光学系统的诸像差图。参照图4a，在球面像差的示意图中，三条线为光学系统在d线，C线，F线的球面像差；另外，参照图4b，在图解说明像散的示意图中，S表示在弧矢像面的值，M表示在子午像面的值。

实施例三

图5是本发明实施例三的广角光学系统的沿光轴的剖面图。

该光学系统从物体侧开始配置有第一透镜组G₃₁、第二透镜组G₃₂、孔径光阑SP和第三透镜组G₃₃；在第一透镜组G₃₁中最接近物体侧至少配置一片负透镜L_1p，在第二透镜组G₃₂中最接近像侧至少配置一片正透镜L_2p，在第三透镜组中至少配置一片正透镜L_3p。

本实施例中，第一透镜组由负透镜L_1P、负透镜L₂依次排列组成；第二透镜组由负透镜L_2P、负透镜L₄、正透镜L₅、负透镜L₆依次排列组成；其中L₅和L₆为胶合镜片；第三透镜组由负透镜L₇、正透镜L₈、负透镜L₉、正透镜L_3P依次排列组成，其中负透镜L₇为双面非球面，L₈和L₉为胶合透镜。

由一种滤光器配置的平行玻璃板GL布置在第三透镜组G₃₃和像表面IMG之间。后截距是从G₃₃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。

(广角光学系统的基本数据)

f＝28.36mm Fno＝1.84 2ω＝75°

(非球面数据)

图6a和图6b是图解说明在无限远聚焦(β＝0.0)时，按照实施例三的广角光学系统的诸像差图。参照图6a，在球面像差的示意图中，三条线为光学系统在d线，C线，F线的球面像差；另外，参照图6b，在图解说明像散的示意图中，S表示在弧矢像面的值，M表示在子午像面的值。

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。

下面，参考图7描述其中根据实施例一、实施例二及实施例三的广角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7是示出了单镜头反射式照相机的主要组件的示意图。在图7中，附图标记“10”代表包括根据第一到第三示例性实施例中的每一个的光学系统的相机镜头。

光学系统1由作为保持部件的透镜镜筒2保持。附图标记“20”代表相机本体，其包括来自相机镜头10的光束向上反射的第一反射镜3以及布置在相机镜头10的图像形成位置处的聚焦屏4。另外，相机本体20还包括将聚焦屏4上形成的倒像转换成正像的多边形棱镜5，形成放大的正像的目镜透镜6等元件。

另外，相机本体20还包括固态图像传感器(诸如CCD传感器或CMOS传感器)或卤化银胶片的感光表面7。在照相期间，第一反射镜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照相机等。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种广角光学系统，其特征在于，包括：自物侧至像侧顺次配置的：

具有负光焦度的第一透镜组；

具有正光焦度的第二透镜组；

孔径光阑；

以及，具有正光焦度的第三透镜组；

在调焦过程中，所述第三透镜组能够沿着光轴移动，所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述孔径光阑相对于像面固定。

2.根据权利要求1所述的广角光学系统，其特征在于，所述第一透镜组中最接近物侧至少配置一片负透镜L_1P，所述负透镜L_1P的材料的折射率为n_1p，阿贝数为v_1p，并满足以下条件式：

1.7＜n_1p＜1.9；

20＜v_1p＜45。

3.根据权利要求2所述的广角光学系统，其特征在于，所述第一透镜组满足以下的条件式：

其中，F表示光学系统的焦距，F₁表示所述第一透镜组的焦距。

4.根据权利要求1所述的广角光学系统，其特征在于，所述第二透镜组中至少配置一片正透镜L_2P，所述正透镜L_2P的材料的折射率为n_2p，阿贝数为v_2p，并满足以下条件式：

1.70＜n_2p＜1.9；

20＜v_2p＜45。

5.根据权利要求4所述的广角光学系统，其特征在于，所述第二透镜组满足以下的条件式：

其中F₂表示所述第二透镜组的焦距。

6.根据权利要求1所述的广角光学系统，其特征在于，所述第三透镜组至少配置一片正透镜L_3P，所述正透镜L_3P的材料的阿贝数平均值为AVE(υ_L3P)，部分色散比差平均值分别用AVE(Δθ_L3P)表示，并满足以下条件式：

AVE(υ_L3P)＞50；

AVE(Δθ_L3P)＞0.015。

7.根据权利要求5所述的广角光学系统，其特征在于，所述广角光学系统满足以下条件式：

其中，Bf表示所述广角光学系统中最接近像侧的透镜表面和像面之间的距离。

8.一种光学设备，其特征在于，包括根据权利要求1-7中任意一项所述的广角光学系统。

9.根据权利要求8所述的光学设备，其特征在于，所述光学设备为照相机时，还包括：相连接的相机镜头和相机本体；

所述相机镜头包括透镜镜筒，所述透镜镜筒用于承载所述广角光学系统；

所述相机本体包括第一反射镜、聚焦屏、多边形棱镜、目镜透镜、固态图像传感器或者卤化银胶片；

所述第一反射镜用于将来自相机镜头的光束向上反射；

聚焦屏布置在相机镜头的图像形成位置；

所述多边形棱镜用于将聚焦屏上形成的倒像转换成正像；

所述目镜透镜用于形成放大的正像；

照相机镜头将图像形成在所述固态图像传感器或卤化银胶片的感光表面。

10.根据权利要求9所述的光学设备，其特征在于，所述固态图像传感器包括CCD传感器或CMOS传感器。