CN110730921A - 镜头系统、相机系统以及摄像系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种镜头系统、相机系统以及摄像系统，所述镜头系统是在配置于光轴的矩形的摄像元件进行成像的镜头系统，具备相对于光轴不对称的第1自由曲面透镜。在与光轴相距相对于最短像高的给定比率的长度的圆、和穿过光轴且与摄像元件的长边平行的第1面的交点，第1自由曲面透镜的自由曲面针对与光轴平行的光线具有正的屈光力，在与光轴相距相对于最短像高的给定比率的长度的圆、和穿过光轴且与摄像元件的短边平行的第2面的交点，第1自由曲面透镜的自由曲面针对与光轴平行的光线具有负的屈光力。

Description

镜头系统、相机系统以及摄像系统
技术领域
本公开涉及镜头系统、相机系统以及摄像系统。
背景技术
由不是中心射影方式的透镜成像的像会从矩形变形，若使用矩形的摄像元件，则光学像和摄像元件不重叠而不被使用的感光面的区域会变多。
此外，从被摄体检测/识别的观点出发，要求将远离光轴的周边部的被摄体大幅放大来使其成像在摄像元件上，但比较困难。
专利文献1公开了一种通过长方形的图像传感器来摄像全景图像的方法。专利文献1公开了如下内容，即，对于鱼眼物镜而使用圆环透镜，由此使圆形图像变为矩形图像地成像在矩形的摄像元件。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第03/101599号
发明内容
本公开提供一种能够在有效地利用矩形的摄像元件的感光面的区域的同时将远离光轴的周边部的被摄体进行放大的镜头系统、包含该透镜的相机系统以及摄像系统。
本公开的镜头系统是在配置于光轴的矩形的摄像元件进行成像的镜头系统，具备相对于光轴不对称的第1自由曲面透镜。第1自由曲面透镜的自由曲面在与光轴相距相对于最短像高的给定比率的长度的圆、和穿过光轴且与摄像元件的长边平行的第1面的交点，针对与光轴平行的光线具有正的屈光力，在与光轴相距相对于最短像高的给定比率的长度的圆、和穿过光轴且与摄像元件的短边平行的第2面的交点，针对与光轴平行的光线具有负的屈光力。
本公开的相机系统具备：本公开的上述镜头系统；和矩形的摄像元件，在光轴配置于镜头系统进行成像的位置。
本公开的摄像系统具备：本公开的上述镜头系统；矩形的摄像元件，在光轴配置于镜头系统进行成像的位置；和图像处理部，对摄像元件所生成的图像进行处理。
在本发明中，能够实现一种在成像大致矩形的像的同时将远离光轴的周边部的被摄体进行放大的镜头系统、包含该镜头系统的相机系统以及摄像系统。
附图说明
图1是示出实施方式1涉及的镜头系统的无限对焦状态的透镜配置图。
图2是示出实施方式2涉及的镜头系统的无限对焦状态的透镜配置图。
图3是示出实施方式3涉及的镜头系统的无限对焦状态的透镜配置图。
图4是实施方式4涉及的相机系统的概要结构图。
图5是实施方式5涉及的摄像系统的概要结构图。
图6是示出数值实施例1涉及的镜头系统的无限对焦状态的球面像差和像面弯曲的像差图。
图7是示出数值实施例1涉及的镜头系统的无限对焦状态的视角与像点的关系的图。
图8是示出数值实施例2涉及的镜头系统的无限对焦状态的球面像差和像面弯曲的像差图。
图9是示出数值实施例2涉及的镜头系统的无限对焦状态的视角与像点的关系的图。
图10是示出数值实施例3涉及的镜头系统的无限对焦状态的球面像差和像面弯曲的像差图。
图11是示出数值实施例3涉及的镜头系统的无限对焦状态的视角与像点的关系的图。
具体实施方式
以下，边适当参照附图边详细地说明实施方式。但是，有时省略必要以上的详细说明。例如，有时省略已经熟知的事项的详细说明、对于实质上相同的结构的重复说明。这是为了避免以下的说明变得不必要地冗余，使本领域技术人员容易理解。
另外，添加的附图以及以下的说明是为使本领域技术人员充分理解本公开而提供的，并非意图通过这些来限定权利要求书记载的主题。
(实施方式1)
图1是实施方式1涉及的镜头系统的配置图，表示无限远对焦状态。
另外，图1的(a)为YZ剖面，图1的(b)为XZ剖面，表示具有7片透镜元件的镜头系统111、以及具有短边和长边的矩形的摄像元件102。X方向是与摄像元件102的长边平行的方向，Y方向是与摄像元件102的短边方向平行的方向，Z方向是与光轴平行的方向。此外，YZ剖面是包含光轴且与Y方向和Z方向平行的平面。XZ剖面是包含光轴且与X方向和Z方向平行的平面。
如图1所示，实施方式1涉及的镜头系统111从物体侧向像面侧依次具备4片透镜元件L1～L4、孔径光圈A、3片透镜元件L5～L7。镜头系统111的成像的位置成为摄像元件102的像面。在图1的(b)中，省略了附图标记。
进而，对镜头系统111详细地说明。镜头系统111从物体侧向像面侧依次由使凸面朝向物体侧的负凹凸透镜形状的透镜元件L1、两面由非球面形成且为双凹形状的透镜元件L2、像面侧面由非球面形成且为双凹形状的透镜元件L3、物体侧面由非球面形成且为双凸形状的透镜元件L4、孔径光圈A、物体侧面由非球面形成且为双凸形状的透镜元件L5、像面侧面由非球面形成且使凸面朝向像面侧的负凹凸透镜形状的透镜元件L6、和双凸形状的透镜元件L7构成。透镜元件L5和透镜元件L6被接合。在此，透镜元件L1为第1透镜元件的一例，透镜元件L2为第2透镜元件的一例。
在镜头系统111中，透镜元件L3是物体侧面为XY多项式的自由曲面，透镜元件L7是物体侧和像面侧的两面为XY多项式的自由曲面。在图1中，对自由曲面标注*标记。在此，透镜元件L3为第1自由曲面透镜的一例，透镜元件L7为第2自由曲面透镜的一例。
透镜元件L3的物体侧的自由曲面在与光轴相距最短像高的90％以上的长度的各个圆、和穿过光轴且与摄像元件的长边平行的XZ面(第1面)的交点，针对与光轴平行的光线具有正的屈光力，在与光轴相距最短像高的90％以上的长度的各个圆、和穿过光轴且与摄像元件的短边平行的YZ面(第2面)的交点，针对与光轴平行的光线具有负的屈光力。关于各透镜元件的面数据将后述。另外，自由曲面透镜以及非球面透镜的面的形状通过Y方向的光轴附近(顶点)处的形状来表现。
(实施方式2)
图2为实施方式2涉及的镜头系统的配置图。图2的(a)为YZ剖面，图2的(b)为XZ剖面，表示由7片透镜元件构成的镜头系统121、以及具有短边和长边的矩形的摄像元件102。在图2的(b)中，省略了附图标记。实施方式2的镜头系统121与实施方式1的镜头系统111相比较，透镜元件的片数、以及配置顺序相同，透镜元件L5和透镜元件L6的种类以及各镜头系统元件L1～L7的面数据不同。关于透镜元件L5以及透镜元件L6，两面由非球面形成。关于面数据的不同点将后述。在镜头系统121中，透镜元件L1为第1透镜元件的一例，透镜元件L2为第2透镜元件的一例，透镜元件L3为第1自由曲面透镜的一例，透镜元件L7为第2自由曲面透镜的一例。
在实施方式2的镜头系统121中，透镜元件L3的物体侧的自由曲面在与光轴相距最短像高的60％以上的长度的各个圆、和穿过光轴且与摄像元件的长边平行的XZ面(第1面)的交点，针对与光轴平行的光线具有正的屈光力，在与光轴相距最短像高的60％以上的长度的各个圆、和穿过光轴且与摄像元件的短边平行的YZ面(第2面)的交点，针对与光轴平行的光线具有负的屈光力。
(实施方式3)
图3为实施方式3涉及的镜头系统的配置图。图3的(a)为YZ剖面，图3的(b)为XZ剖面，表示具有7片透镜元件的镜头系统131、以及具有短边和长边的矩形的摄像元件102。在图3的(b)中，省略了附图标记。实施方式3的镜头系统131与实施方式1的镜头系统111相比较，透镜元件的片数相同，透镜元件L4、透镜元件L5以及透镜元件L6的种类以及各镜头系统元件L1～L7的面数据不同。透镜元件L4是使凸面朝向物体侧的正凹凸透镜形状，透镜元件L6是双凹形状。此外，关于透镜元件L5以及透镜元件L6，两面由非球面形成。关于面数据的不同点将后述。在镜头系统131中，透镜元件L1为第1透镜元件的一例，透镜元件L2为第2透镜元件的一例，透镜元件L3为第1自由曲面透镜的一例，透镜元件L7为第2自由曲面透镜的一例。
在实施方式3的镜头系统131中，透镜元件L3的物体侧的自由曲面在与光轴相距最短像高的60％以上的长度的各个圆、和穿过光轴且与摄像元件的长边平行的XZ面(第1面)的交点，针对与光轴平行的光线具有正的屈光力，在与光轴相距最短像高的60％以上的长度的各个圆、和穿过光轴且与摄像元件的短边平行的YZ面(第2面)的交点，针对与光轴平行的光线具有负的屈光力。
(实施方式1～3的共同的结构)
实施方式1～3涉及的镜头系统具有多片透镜元件，在具有短边和长边的矩形的摄像元件102进行成像。而且，镜头系统作为透镜元件而包含相对于光轴旋转不对称的自由曲面透镜，从物体侧向像面侧依次具备多片透镜元件、孔径光圈、多片透镜元件。根据该结构，能够成像接近矩形的大致矩形的像。
此外，实施方式1～3涉及的镜头系统呈如下结构，即，至少具有3个以上的相对于光轴旋转对称的透镜元件。根据该结构，能够减少自由曲面透镜的片数，减小方向引起的性能的偏颇。进而，实施方式1～3涉及的镜头系统还具有在设计时能够缩短计算时间的优点。
构成实施方式1～3涉及的镜头系统的自由曲面透镜的所有的自由曲面具有相对于XZ面以及YZ面分别对称的形状，能够判别自由曲面的中心，因此具有在制造时能够容易进行形状的管理的优点。
在实施方式1～3涉及的镜头系统中，呈如下结构，即，从物体侧起依次具有透镜元件L1和透镜元件L2，该透镜元件L1是在物体侧为凸形状且具有负的光焦度的凹凸透镜，该透镜元件L2为双凹形状且具有负的光焦度。根据该结构，具有如下优点，即，能够聚集以宽的角度入射的光，因此容易将镜头系统广角化，通过使2片负透镜连续从而能够减小各自的光焦度，能够做成为容易制造的形状。
实施方式1～3涉及的镜头系统中，处于最靠像面侧的自由曲面透镜由于物体侧和像面侧的两面呈自由曲面的结构，因此具有容易进行像高的位置控制和降低像差的优点。
实施方式1～3涉及的镜头系统是半视角为80°以上的鱼眼镜头，因此能够覆盖宽的视角。此外，一般地，在鱼眼镜头的情况下，难以在摄像元件的对角附近进行成像。然而，通过使用本公开涉及的自由曲面透镜，还能够在摄像元件的对角附近进行成像。
例如，如实施方式1～3涉及的镜头系统那样，在配置于光轴的矩形的摄像元件进行成像的镜头系统具备相对于光轴不对称的第1自由曲面透镜。而且，优选的是，第1自由曲面透镜的自由曲面在与光轴相距相对于最短像高的给定比率的长度的圆、和穿过光轴且与摄像元件的长边平行的XZ面的交点，针对与光轴平行的光线具有正的屈光力，在与光轴相距相对于最短像高的给定比率的长度的圆、和穿过光轴且与摄像元件的短边平行的YZ面的交点，针对与光轴平行的光线具有负的屈光力(以下，将该结构称为实施方式的基本结构)。在此，相对于最短像高的给定比率在实施方式1涉及的镜头系统111中为90％以上，在实施方式2、3涉及的镜头系统121、131中为60％以上，能够根据用途等适当设计。例如，从设计容易度等的观点出发，优选为60％～100％，更优选为60％。
在此，所谓最短像高，是指从垂直地入射到摄像元件102的光线所引起的像点到镜头系统所形成的像圈的端部为止的像面上的距离中的最短距离。在实施方式1～3涉及的镜头系统中，在摄像元件102的短边方向上具有最短像高。
通过具有如第1自由曲面透镜那样的自由曲面，由此放大远离光轴的像圈周边部的像，通过将远离光轴而存在于周边的被摄体摄影得较大，从而能够实现高的检测/识别率。进而，尤其能够在长边方向上放大通常成为圆形的鱼眼镜头的像圈。通过具有自由局面的屈光力正负反转的地方，从而可获得良好的像的放大效果。屈光力正负反转的地方处于在径向上与光轴相距最短像高的60％～100％(更优选为60％)的长度之处，从而可获得良好的像的放大效果。
在与本实施方式的基本结构不同而第1自由曲面透镜不具备下述自由曲面的情况下，无法在矩形的摄像元件的感光面的周边区域将像充分放大，上述自由曲面在与光轴相距相对于最短像高的给定比率的长度的圆和XZ面的交点，针对与光轴平行的光线具有正的屈光力，在与光轴相距相对于最短像高的给定比率的长度的圆和YZ面的交点，针对与光轴平行的光线具有负的屈光力。或者，透镜元件的片数增加，会导致镜头系统的大型化。虽然制作具有这样的自由曲面的透镜曾经比较困难，但伴随着近年来的加工/成型技术的进步，已经变得能够进行制作。
例如，优选的是，如实施方式1～3涉及的镜头系统那样，具有本实施方式的基本结构的镜头系统满足以下的条件(1)。
ωLONG＞60° (1)
在此，
ωLONG：摄像元件的长边方向的最大半视角
条件(1)是用于规定镜头系统的半视角的条件。若低于条件(1)的下限，则镜头系统的视角变窄，纵使不具有本实施方式的基本结构也能够使像圈接近矩形，容易有效利用矩形的摄像元件102的感光面的区域，背离本申请的意图。此外，难以控制球面像差。
另外，通过进一步满足以下的条件(1)’以及(1)”的至少一个，从而能够进一步发挥上述效果。
ωLONG＞80° (1)’
ωLONG＞90°(1)”
例如，优选的是，如实施方式1～3涉及的镜头系统那样，具有本实施方式的基本结构的镜头系统满足以下的条件(2)。
1＜DLSHORT/DSSHORT (2)
在此，
DLSHORT：相对于与摄像元件的短边方向的最大半视角相等的视角的摄像元件的长边方向的入射光的像点、和相对于与摄像元件垂直的入射光的像点的长边方向的最大距离
DSSHORT：相对于摄像元件的短边方向的最大半视角的入射光的像点和相对于与摄像元件垂直的入射光的像点的短边方向的最大距离
条件(2)是关于相对于摄像元件的短边方向的最大半视角的入射光的像点，用于规定与摄像元件的短边方向的像高相比长边方向的像高更长的条件。若低于条件(2)的下限，则难以有效利用矩形的摄像元件102的感光面的区域。或者，难以控制像面弯曲。
另外，通过进一步满足以下的条件(2)’以及(2)”的至少一个，从而能够进一步发挥上述效果。
1.2＜DLSHORT/DSSHORT (2)’
1.6＜DLSHORT/DSSHORT (2)”
例如，优选的是，如实施方式1～3涉及的镜头系统那样，具有本实施方式的基本结构的镜头系统满足以下的条件(3)。
0.5＜DSSHORT×ωLONG/(DLLONG×ωSHORT)＜1 (3)
在此，
ωLONG：摄像元件的长边方向的最大半视角
ωSHORT：摄像元件的短边方向的最大半视角
DLLONG：相对于摄像元件的长边方向的最大半视角的入射光的像点和相对于与摄像元件垂直的入射光的像点的长边方向的最大距离
DSSHORT：相对于摄像元件的短边方向的最大半视角的入射光的像点和相对于与摄像元件垂直的入射光的像点的短边方向的最大距离
条件(3)是用于规定摄像元件的短边方向和长边方向的、最大半视角与像高之比的条件。若低于条件(3)的下限，则短边方向的视角与长边方向的视角相比较变得过宽，难以控制成像性能，尤其是像面弯曲。或者，像圈在长边方向上变得过长，难以有效利用矩形的摄像元件102的感光面的区域。若高于条件(3)的上限，则长边方向的视角与短边方向的视角相比较变得过宽，难以控制成像性能，尤其是像面弯曲。或者，像圈在短边方向上变得过长，难以有效利用矩形的摄像元件102的感光面的区域。
另外，通过进一步满足以下的条件(3)’以及(3)”的至少一个，从而能够进一步发挥上述效果。
0.55＜DSSHORT×ωLONG/(DLLONG×ωSHORT)＜0.9 (3)’
0.6＜DSSHORT×ωLONG/(DLLONG×ωSHORT)＜0.8 (3)”
例如，优选的是，如实施方式1～3涉及的镜头系统那样，具有本实施方式的基本结构的镜头系统满足以下的条件(4)。
ωLONG-ωSHORT＞0 (4)
在此，
ωLONG：摄像元件的长边方向的最大半视角
ωSHORT：摄像元件的短边方向的最大半视角
条件(4)是关于最大半视角规定摄像元件的长边方向与短边方向之差的条件。若低于条件(4)的下限，则短边方向的视角与长边方向的视角相比较相等或者会变大，会以极其走形的形状成像，每个视角的分辨率会在长边方向和短边方向上大幅改变。此外，球面像差在长边方向和短边方向上会大幅变化，难以控制。
另外，通过进一步满足以下的条件(4)’，从而能够进一步发挥上述效果。
ωLONG-ωSHORT＞8 (4)’
例如，优选的是，如实施方式1～3涉及的镜头系统那样，具有本实施方式的基本结构的镜头系统满足以下的条件(5)。
L×Fno./DLLONG＜40(5)
在此，
L：镜头系统的光学全长
Fno.：镜头系统的F值
DLLONG：相对于摄像元件的长边方向的最大半视角的入射光的像点和相对于与摄像元件垂直的入射光的像点的长边方向的最大距离
条件(5)是规定镜头系统的光学全长和镜头系统的F值、长边方向的像高的关系的条件。若高于条件(5)的上限，则相对于镜头系统的F值、像圈而镜头系统过于庞大化，无法实现小型化，而且，难以控制像面弯曲。
另外，通过进一步满足以下的条件(5)’以及(5)”的至少一个，从而能够进一步发挥上述效果。
L×Fno./DLLONG＜30 (5)’
L×Fno./DLLONG＜25 (5)”
例如，优选的是，如实施方式1～3涉及的镜头系统那样，具有本实施方式的基本结构的镜头系统满足以下的条件(6)。
nFREE＜1.7 (6)
在此，
nFREE：自由曲面透镜相对于d线的折射率
条件(6)是规定自由曲面透镜相对于d线的折射率的条件。若高于条件(6)的上限，则自由曲面透镜的折射率变得过高，使光线急剧弯曲，从而难以控制像散。另外，即便镜头系统中的1片自由曲面透镜满足本条件也可获得效果，在多片自由曲面透镜满足本条件的情况下，能够进一步发挥效果。
另外，通过进一步满足以下的条件(6)’，从而能够进一步发挥上述效果。
nFREE＜1.6 (6)’
例如，优选的是，如实施方式1～3涉及的镜头系统那样，具有本实施方式的基本结构的镜头系统在物体与摄像元件之间具有孔径光圈A，满足以下的条件(7)。
-3≤No-Ni≤3 (7)
在此，
No：比孔径光圈更靠物体侧的透镜元件的片数
Ni：比孔径光圈更靠像面侧的透镜元件的片数
条件(7)是规定孔径光圈A前后的透镜元件的片数差的条件。若低于条件(7)的下限，则比孔径光圈A更靠像面侧的透镜元件的片数过于增大，会导致镜头系统的光轴方向的大型化。此外，比孔径光圈A更靠物体侧的透镜元件的片数少，难以控制像面弯曲。若高于条件(7)的上限，则比孔径光圈A更靠物体侧的透镜元件的片数过于增大，会导致镜头系统的朝径向的大型化。此外，比孔径光圈A更靠像面侧的透镜元件的片数少，难以控制球面像差。
另外，通过进一步满足以下的条件(7)’，从而能够进一步发挥上述效果。
-2≤No-Ni≤2 (7)’
例如，优选的是，如实施方式1～3涉及的镜头系统那样，具有本实施方式的基本结构的镜头系统在物体与摄像元件102之间具有孔径光圈A，在比孔径光圈A更靠物体侧至少具有1片第1自由曲面透镜，在比孔径光圈A更靠像面侧至少具有1片第2自由曲面透镜。通过采用本结构，从而具有在长边方向、短边方向、对角方向、任意的方向均能够减小像面弯曲的优点。
例如，优选的是，如实施方式1～3涉及的镜头系统那样，具有本实施方式的基本结构的镜头系统在摄像元件102中不包含镜头系统的像圈。尤其是，在使用了自由曲面透镜的镜头系统中，确保像圈的端附近处的分辨率在设计上、生产制造上是困难的，因此通过使得在摄像元件102中不包含像圈，从而能够在摄像元件102上确保良好的成像性能。
构成实施方式1～3涉及的镜头系统的各透镜元件仅由通过折射使入射光线偏转的折射型透镜元件(即，在具有不同折射率的媒介物彼此的界面进行偏转的类型的透镜元件)构成，但并不限定于此。例如，也可以由通过衍射使入射光线偏转的衍射型透镜元件、通过衍射作用和折射作用的组合使入射光线偏转的折射-衍射混合型透镜元件、通过媒介物内的折射率分布使入射光线偏转的折射率分布型透镜元件等来构成各镜头系统。尤其是，在折射-衍射混合型透镜元件中，若在折射率不同的媒介物的界面形成衍射构造，则可改善衍射效率的波长依赖性，因此优选。
构成实施方式1～3涉及的镜头系统的各透镜具有相对于摄像元件102的长边或短边对称的面，但即便在使用了不对称的面的情况下，只要满足本实施方式的基本结构、各条件，就可获得充分的效果。
(实施方式4)
图4是实施方式4涉及的相机系统的概要结构图。实施方式4涉及的相机系统100包含：镜头系统111；摄像元件102，对由镜头系统111形成的光学像进行受光，并变换为电图像信号；和相机主体103。实施方式4的镜头系统能够使用实施方式1～3任一个实施方式涉及的镜头系统。图4图示了作为镜头系统而使用实施方式1涉及的镜头系统111的情况。
在实施方式4中，使用实施方式1～3任一个实施方式涉及的镜头系统，因此能够在摄像元件102成像大致矩形的像，能实现能够获得有效利用了矩形的摄像元件102的感光面的区域的图像的相机系统100。
(实施方式5)
图5是实施方式5涉及的摄像系统的概要结构图。实施方式5涉及的摄像系统200所使用的摄像光学系统201如实施方式4的相机系统100那样包含实施方式1～3任一个实施方式涉及的镜头系统。通过图像处理部202对由摄像光学系统201获得的图像进行处理，从而能够变形、加工成能够应用于各种各样的应用程序的图像。另外，图像处理部202可以处于相机主体103(参照图4)的内部或外部的任何地方。
(数值实施例1)
以下，对具体实施了实施方式1涉及的镜头系统111的数值实施例1进行说明。另外，在数值实施例1中，图、表中的长度的单位为“mm”，视角的单位为“°”。此外，在数值实施例1中，示出曲率半径r、面间隔d、相对于d线的折射率nd、相对于d线的阿贝数vd。与非球面以及自由曲面的Z轴平行的面的凹陷量z分别由数学式1以及数学式2来定义。
[数学式1]
Figure BDA0002304396490000121
在此，
h：径向的高度
k：圆锥常数
An：n次的非球面系数
[数学式2]
Figure BDA0002304396490000131
Figure BDA0002304396490000132
在此，
c：顶点曲率
k：圆锥常数
cj：系数
图6是数值实施例1涉及的镜头系统111的无限远对焦状态的球面像差图以及像散图，从左侧起依次示出摄像元件102的短边方向的球面像差(SA)、像散(AST-V)、摄像元件102的长边方向的像散(AST-H)、对角方向的像散(AST-D)。在球面像差的图中，横轴表示球面像差，纵轴表示瞳孔高度。而且，实线为d线的特性，短虚线为C线的特性，长虚线为F线的特性。在像散的图中，横轴表示像散，纵轴表示视角。而且，实线为YZ平面(图中为y方向)的特性，虚线为XZ平面(图中为x方向)的特性。
另外，实施方式1仅使用XY多项式的x以及y的偶数项，因此相对于x轴和y轴是对称的，因此对角方向的像散AST-D在任何方向上均相同。
图7是示出数值实施例1涉及的镜头系统111的无限远对焦状态的视角与像点的关系的图。图7以光轴为原点(0，0)，在像面的第一象限中，每隔10°的视角绘制像点。关于其他象限，与第一象限之间具有如相对于纵轴、横轴成线对称的关系。与通常的旋转对称透镜相比较可知，像面的形状被放大，能够有效利用矩形的摄像元件102的感光面的区域。进而，尤其在X像高方向上显著的那样，可知远离光轴的周边部的像能够比光轴附近的中央部的像放大得更大。
数值实施例1的镜头系统111对应于图1所示的实施方式1。将数值实施例1的镜头系统111的面数据示于表1，将各种数据示于表2，将第3面、第4面、第5面、第6面、第7面、第10面、第12面、第13面、以及第14面的非球面/自由曲面数据分别示于表3、表4、表5、表6、表7、表8、表9、表10以及表11。
[表1]
s 面的类型 r d nd vd
1 球面 20.939 1.000 1.77250 49.6
2 球面 7.827 3.400
3 非球面 -139.965 1.000 1.53459 56.3
4 非球面 4.258 2.900
5 XY多项式面 -4.556 1.000 1.53459 56.3
6 非球面 2.964 1.459
7 非球面 6.400 5.600 1.63450 23.9
8 球面 -11.781 0.600
9 平面 光圈 0.200
10 非球面 3.191 2.600 1.61800 63.4
11 球面 -2.170 0.700 1.84666 23.8
12 非球面 -172.623 0.488
13 XY多项式面 6.035 1.280 1.53459 56.3
14 XY多项式面 -2.336 2.153
[表2]
F数 3.70
垂直半视角 82°
水平半视角 92°
垂直像高@垂直半视角 1.709
水平像高@水平半视角 2.503
水平像高@垂直半视角 2.116
光学全长 24.380
[表3]
s3
K -1.00000E+02
A4 6.12133E-03
A6 -2.60579E-04
A8 4.55896E-06
A10 -2.68030E-08
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表4]
s4
K 0.00000E+00
A4 3.58941E-03
A6 2.61463E-04
A8 -5.43945E-05
A10 1.34565E-06
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表5]
s5
[表6]
s6
K 0.00000E+00
A4 2.78169E-02
A6 1.41362E-03
A8 -1.11609E-03
A10 4.81727E-05
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表7]
s7
K 0.00000E+00
A4 3.21014E-03
A6 8.92253E-04
A8 -3.51402E-04
A10 7.04325E-05
A12 -8.00000E-06
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表8]
s10
K 0.00000E+00
A4 -5.03765E-03
A6 8.78710E-03
A8 8.54763E-03
A10 -2.92401E-02
A12 1.82766E-21
A14 5.72302E-24
A16 1.79149E-26
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表9]
s12
K 0.00000E+00
A4 -1.23149E-02
A6 1.28353E-03
A8 1.39797E-04
A10 -5.42405E-05
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表10]
s13
Figure BDA0002304396490000181
[表11]
s14
Figure BDA0002304396490000191
(数值实施例2)
图8是数值实施例2涉及的镜头系统121的无限远对焦状态的球面像差图以及像散图。此外，图9是示出数值实施例2涉及的镜头系统121的无限远对焦状态的视角与像点的关系的图。即便在图9所示的镜头系统121的情况下也可知，与通常的旋转对称透镜向比较，像面的形状被放大，能够有效利用矩形的摄像元件102的感光面的区域。尤其在X像高方向上显著的那样，可知远离光轴的周边部的像能够比光轴附近的中央部的像放大得更大。数值实施例2的镜头系统121对应于图2所示的实施方式2。将数值实施例2的镜头系统121的面数据示于表12，将各种数据示于表13，将第3面、第4面、第5面、第6面、第7面、第10面、第11面、第12面、第13面以及第14面的非球面/自由曲面数据分别示于表14、表15、表16、表17、表18、表19、表20、表21、表22以及表23。
[表12]
s 面的类型 r d nd vd
1 球面 23.661 1.083 1.77250 49.6
2 球面 8.410 3.653
3 非球面 -6.697 1.019 1.53459 56.3
4 非球面 4.798 3.130
5 XY多项式面 -4.561 0.892 1.53459 56.3
6 非球面 3.105 1.274
7 非球面 4.672 5.688 1.63450 23.9
8 球面 -98.709 0.191
9 平面 光圈 0.191
10 非球面 3.653 2.739 1.61881 63.9
11 非球面 -1.751 0.764 1.82115 24.1
12 非球面 -8.299 0.382
13 XY多项式面 10.663 1.721 1.53459 56.3
14 XY多项式面 -2.648 2.672
[表13]
F数 2.06
垂直半视角 82°
水平半视角 92°
垂直像高@垂直半视角 1.873
水平像高@水平半视角 2.842
水平像高@垂直半视角 2.384
光学全长 25.400
[表14]
s3
K -1.00000E+02
A4 3.22229F-03
A6 -1.16356E-04
A8 1.83378E-06
A10 -1.04335E-08
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表15]
s4
K 0.00000E+00
A4 1.69711E-03
A6 -1.51228E-04
A8 -3.59835E-06
A10 1.46556E-07
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表16]
s5
Figure BDA0002304396490000221
[表17]
s6
K 0.00000E+00
A4 2.92444E-02
A6 1.16376E-03
A8 -6.84714E-04
A10 2.09539E-05
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表18]
s7
K 0.00000E+00
A4 6.31260E-03
A6 2.10954E-04
A8 -1.73862E-04
A10 3.89404E-05
A12 -3.63035E-06
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表19]
s10
K 0.00000E+00
A4 -2.35666E-03
A6 3.58787E-03
A8 -2.18692E-03
A10 4.77832E-04
A12 8.29381E-22
A14 2.24955E-24
A16 6.09950E-27
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表20]
s11
K 0.00000E+00
A4 -2.93755E-02
A6 8.09546E-03
A8 -8.90163E-04
A10 1.91931E-03
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表21]
s12
K 0.00000E+00
A4 -9.41644E-03
A6 3.40667E-04
A8 1.24606E-05
A10 1.00125E-04
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表22]
s13
Figure BDA0002304396490000241
[表23]
s14
Figure BDA0002304396490000251
(数值实施例3)
图10是数值实施例3涉及的镜头系统131的无限远对焦状态的球面像差图以及像散图。此外，图11是示出数值实施例3涉及的镜头系统131的无限远对焦状态的视角与像点的关系的图。即便在图11所示的镜头系统131的情况下也可知，与通常的旋转对称透镜相比较，像面的形状被放大，能够有效利用矩形的摄像元件102的感光面的区域。尤其在X像高方向上显著的那样，可知远离光轴的周边部的像能够比光轴附近的中央部的像放大得更大。数值实施例3的镜头系统131对应于图3所示的实施方式3。将数值实施例3的镜头系统131的面数据示于表24，将各种数据示于表25，将第3面、第4面、第5面、第6面、第7面、第10面、第11面、第12面、第13面以及第14面的非球面/自由曲面数据分别示于表26、表27、表28、表29、表30、表31、表32、表33、表34以及表35。
[表24]
s 面的类型 r d na vd
1 球面 18.574 0.850 1.77250 49.6
2 球面 6.601 2.868
3 非球面 -22.637 0.800 1.53459 56.3
4 非球面 3.526 2.109
5 XY多项式面 -3.516 0.700 1.53459 56.3
6 非球面 2.668 1.000
7 非球面 4.276 5.655 1.63450 23.9
8 球面 14.014 0.150
9 平面 光圈 0.150
10 非球面 2.122 2.150 1.61881 63.9
11 非球面 -2.435 0.600 1.82115 24.1
12 非球面 5000.000 0.293
13 XY多项式面 7.629 1.223 1.53459 56.3
14 XY多项式面 -1.938 2.098
[表25]
F数 2.06
垂直半视角 82°
水平半视角 92°
垂直像高@垂直半视角 1.468
水平像高@水平半视角 2.300
水平像高@垂直半视角 1.930
光学全长 20.650
[表26]
s3
K -1.00000E+02
A4 6.06014E-03
A6 -4.01764E-04
A8 1.16902E-05
A10 -1.08935E-07
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表27]
s4
K 0.00000E+00
A4 -5.62162E-03
A6 -8.59849E-05
A8 2.56561E-06
A10 -1.19048E-06
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表28]
s5
Figure BDA0002304396490000281
[表29]
s6
K 0.00000E+00
A4 5.40968E-02
A6 4.19991E-03
A8 -3.75348E-03
A10 2.33577E-04
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表30]
s7
K 0.00000E+00
A4 1.25941E-02
A6 1.09001E-03
A8 -9.70328E-04
A10 3.37883E-04
A12 -5.20452E-05
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表31]
s10
K 0.00000E+00
A4 -9.99115E-03
A6 3.48622E-03
A8 -3.10593E-03
A10 1.14748E-03
A12 1.18901E-20
A14 5.23344E-23
A16 2.30275E-25
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表32]
s11
K 0.00000E+00
A4 -6.76747E-02
A6 3.48787E-02
A8 6.84668E-03
A10 -6.64058E-03
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表33]
s12
K 0.00000E+00
A4 -1.02019E-02
A6 4.08638E-03
A8 1.39932E-03
A10 7.73252E-04
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表34]
s13
Figure BDA0002304396490000301
[表35]
s14
Figure BDA0002304396490000311
在以下的表36中示出各数值实施例的镜头系统中的各条件的对应值。
(条件的对应值)
[表36]
数值实施例1 数值实施例2 数值实施例3
条件(1) 92.0 92.0 92.0
条件(2) 1.238 1.273 1.315
条件(3) 0.766 0.740 0.716
条件(4) 10 10 10
条件(5) 36.045 18.410 18.495
条件(6) 1.53459 1.53459 1.53459
条件(7) 1 1 1
产业上的可利用性
本实施方式涉及的镜头系统能够适用于数字静态相机、数字摄像机、便携式电话设备的相机、PDA(Personal Digital Assistance，个人数字助理)的相机、监视系统中的监视相机、Web相机、车载相机等，尤其是适合数字静态相机系统、数字摄像机系统等的要求高画质的摄影光学系统。
此外，本实施方式涉及的镜头系统还可配备于更换镜头装置。
附图标记说明
100 相机系统；
111，121，131 镜头系统；
102 摄像元件；
103 相机主体；
200 摄像系统；
201 摄像光学系统；
202 图像处理部；
A 孔径光圈；
L1～L7 透镜元件。

Claims (18)

1.一种镜头系统，在配置于光轴的矩形的摄像元件进行成像，
所述镜头系统具备相对于所述光轴不对称的第1自由曲面透镜，
在与所述光轴相距相对于最短像高的给定比率的长度的圆、和穿过所述光轴且与所述摄像元件的长边平行的第1面的交点，所述第1自由曲面透镜的自由曲面针对与所述光轴平行的光线具有正的屈光力，
在与所述光轴相距相对于最短像高的给定比率的长度的圆、和穿过所述光轴且与所述摄像元件的短边平行的第2面的交点，所述第1自由曲面透镜的自由曲面针对与所述光轴平行的光线具有负的屈光力。
2.根据权利要求1所述的镜头系统，其中，
所述给定比率为60％～100％。
3.根据权利要求1或2所述的镜头系统，其中，
所述镜头系统具有孔径光圈，
所述第1自由曲面透镜位于比所述孔径光圈更靠物体侧。
4.根据权利要求3所述的镜头系统，其中，
在比所述孔径光圈更靠像面侧具有第2自由曲面透镜。
5.根据权利要求4所述的镜头系统，其中，
所述第2自由曲面透镜配置在最靠像面侧，并且物体侧和像面侧的两面为自由曲面。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的镜头系统，其中，
从物体侧起依次具有第1透镜元件和第2透镜元件，所述第1透镜元件是在物体侧为凸形状且具有负的光焦度的凹凸透镜，所述第2透镜元件具有负的光焦度。
7.根据权利要求6所述的镜头系统，其中，
所述第1自由曲面透镜配置在所述第2透镜元件的像面侧，并且至少物体侧为自由曲面。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的镜头系统，其中，
至少具有3个以上的相对于所述光轴旋转对称的透镜元件。
9.根据权利要求1所述的镜头系统，其中，
满足以下的条件(1)：
ωLONG＞60° (1)
在此，
ωLONG：摄像元件的长边方向的最大半视角。
10.根据权利要求1所述的镜头系统，其中，
满足以下的条件(2)：
1＜DLSHORT/DSSHORT (2)
在此，
DLSHORT：相对于与摄像元件的短边方向的最大半视角相等的视角的摄像元件的长边方向的入射光的像点、和相对于与摄像元件垂直的入射光的像点的长边方向的最大距离；
DSSHORT：相对于摄像元件的短边方向的最大半视角的入射光的像点和相对于与摄像元件垂直的入射光的像点的短边方向的最大距离。
11.根据权利要求1所述的镜头系统，其中，
满足以下的条件(3)：
0.5＜DSSHORT×ωLONG/(DLLONG×ωSHORT)＜1 (3)
在此，
ωLONG：摄像元件的长边方向的最大半视角；
ωSHORT：摄像元件的短边方向的最大半视角；
DLLONG：相对于摄像元件的长边方向的最大半视角的入射光的像点和相对于与摄像元件垂直的入射光的像点的长边方向的最大距离；
DSSHORT：相对于摄像元件的短边方向的最大半视角的入射光的像点和相对于与摄像元件垂直的入射光的像点的短边方向的最大距离。
12.根据权利要求1所述的镜头系统，其中，
满足以下的条件(4)：
ωLONG-ωSHORT＞0 (4)
在此，
ωLONG：摄像元件的长边方向的最大半视角；
ωSHORT：摄像元件的短边方向的最大半视角。
13.根据权利要求1所述的镜头系统，其中，
满足以下的条件(5)：
L×Fno./DLLONG＜40 (5)
在此，
L：镜头系统的光学全长；
Fno.：镜头系统的F值；
DLLONG：相对于摄像元件的长边方向的最大半视角的入射光的像点和相对于与摄像元件垂直的入射光的像点的长边方向的最大距离。
14.根据权利要求1所述的镜头系统，其中，
满足以下的条件(6)：
nFREE＜1.7 (6)
在此，
nFREE：第1自由曲面透镜或者第2自由曲面透镜相对于d线的折射率。
15.根据权利要求1所述的镜头系统，其中，
所述镜头系统还具有透镜元件和孔径光圈，并且满足以下的条件(7)：
-3≤No-Ni≤3 (7)
在此，
No：比孔径光圈更靠物体侧的包含第1自由曲面透镜在内的透镜元件的片数；
Ni：比孔径光圈更靠像面侧的透镜元件的片数。
16.根据权利要求1所述的镜头系统，其中，
在所述摄像元件中不包含所述镜头系统的像圈。
17.一种相机系统，具备：
权利要求1所述的镜头系统；和
矩形的所述摄像元件，在所述光轴配置于所述镜头系统进行成像的位置。
18.一种摄像系统，具备：
权利要求1所述的镜头系统；
矩形的所述摄像元件，在所述光轴配置于所述镜头系统进行成像的位置；和
图像处理部，对所述摄像元件所生成的图像进行处理。
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