CN110730922A - 透镜系统、摄像机系统以及摄像系统 - Google Patents

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Abstract

本公开的透镜系统是在配置于光轴的矩形的摄像元件成像的透镜系统，具备相对于光轴非对称的第2自由曲面透镜，从光轴离开相对于最短像高的给定的比率的长度的圆上的第2自由曲面透镜的凹陷量在与穿过光轴并与摄像元件的长边平行的第1面以及穿过光轴并与摄像元件的短边平行的第2面的交点以外具有极值。

Description

透镜系统、摄像机系统以及摄像系统
技术领域
本公开涉及透镜系统、摄像机系统以及摄像系统。
背景技术
通过不是中心投影方式的透镜成像的像从矩形走样，若使用矩形的摄像元件，光学像和摄像元件不重叠而未被使用的感光面的区域就会变多。
专利文献1公开了用长方形的图像传感器对全景图像摄像的方法。专利文献1公开了一种摄像元件，通过在鱼眼物镜中使用圆环透镜来使圆形图像成为矩形图像并使其成像到矩形的摄像元件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第03/101599号
发明内容
提供一种能有效利用矩形的摄像元件的感光面的区域的透镜系统、包含该透镜的摄像机系统以及摄像系统。
本公开的透镜系统是在配置于光轴的矩形的摄像元件成像的透镜系统，具备相对于光轴非对称的第2自由曲面透镜，从光轴离开相对于最短像高的给定的比率的长度的圆上的第2自由曲面透镜的凹陷量在穿过光轴并与摄像元件的长边平行的第1面与该圆的交点以及穿过光轴并与摄像元件的短边平行的第2面与该圆的交点以外具有极值。
本公开的摄像机系统具备：本公开的上述透镜系统；和在光轴配置于透镜系统进行成像的位置的矩形的摄像元件。
本公开的摄像系统具备：本公开的上述透镜系统；在光轴配置于透镜系统进行成像的位置的矩形的摄像元件；和对摄像元件生成的图像进行处理的图像处理部。
在本发明中，能实现成像大致矩形的像的透镜系统、包含该透镜系统的摄像机系统以及摄像系统。
附图说明
图1是表示实施方式1所涉及的透镜系统的无限对焦状态的透镜配置图。
图2是表示实施方式2所涉及的透镜系统的无限对焦状态的透镜配置图。
图3是表示实施方式3所涉及的透镜系统的无限对焦状态的透镜配置图。
图4是实施方式1～3所涉及的摄像元件的感光面的概要图。
图5是表示实施方式1所涉及的透镜系统的自由曲面透镜的凹陷量与围绕光轴的角度(相位)的关系的图。
图6是表示实施方式2所涉及的透镜系统的自由曲面透镜的凹陷量与围绕光轴的角度(相位)的关系的图。
图7是表示实施方式3所涉及的透镜系统的自由曲面透镜的凹陷量与围绕光轴的角度(相位)的关系的图。
图8是实施方式4所涉及的摄像机系统的概略结构图。
图9是实施方式5所涉及的摄像系统的概略结构图。
图10是表示数值实施例1所涉及的透镜系统的无限对焦状态的球面像差与像面弯曲的像差图。
图11是表示数值实施例1所涉及的透镜系统的无限对焦状态的视角与像点的关系的图。
图12是表示数值实施例2所涉及的透镜系统的无限对焦状态的球面像差与像面弯曲的像差图。
图13是表示数值实施例2所涉及的透镜系统的无限对焦状态的视角与像点的关系的图。
图14是表示数值实施例3所涉及的透镜系统的无限对焦状态的球面像差与像面弯曲的像差图。
图15是表示数值实施例3所涉及的透镜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
以下适宜参考附图来详细说明实施方式。但有省略需要以上的详细的说明的情况。例如有省略已经广为人知的事项的详细说明、对实质相同结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明的不必要地变得冗长，使本领域技术人员的理解容易。
另外，附图以及以下的说明为了本领域技术人员充分理解本公开而提供，并不意图以此限定记载于权利要求书的主题。
(实施方式1)
图1是实施方式1所涉及的透镜系统的配置图，表征无限远对焦状态。
另外，图1的(a)是YZ截面，图1的(b)是XZ截面，表征具有8片透镜元件的透镜系统111和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。另外，YZ截面是包含光轴并与Y方向和Z方向平行的平面。XZ截面是包含光轴并与X方向和Z方向平行的平面。
如图1所示那样，实施方式1所涉及的透镜系统111从物体侧向像面侧依次具备5片透镜元件L1～L5、孔径光阑A、3片透镜元件L6～L8。透镜系统111的成像的位置成为摄像元件102的像面。在图1的(b)中省略附图标记。
进而详细说明透镜系统111。透镜系统111从物体侧向像面侧由如下要素构成：将凸面朝向物体侧的负弯月形状的透镜元件L1；两凹形状的透镜元件L2；两凹形状的透镜元件L3；两凸形状的透镜元件L4；两面以非球面形成并将凸面朝向物体侧的正弯月形状的透镜元件L5；孔径光阑A；两凸形状的透镜元件L6；将凸面朝向像面侧的负弯月形状的透镜元件L7；和将凸面朝向物体侧的正弯月形状的透镜元件L8。透镜元件L6和透镜元件L7接合。在此，透镜元件L1是第1透镜元件的一例，透镜元件L2是第2透镜元件的一例。
在透镜系统111中，、透镜元件L3和透镜元件L8的物体侧和像面侧的两面是XY多项式的自由曲面。在图1中，在自由曲面附有*印。在此，透镜元件L3是第1自由曲面透镜的一例，透镜元件L8是第2自由曲面透镜的一例。
透镜元件L8的像面侧的自由曲面的从光轴离开最短像高的40％以上的长度的各个圆上的凹陷量在与穿过光轴并与摄像元件102的长边平行的XZ面(第1面)以及穿过光轴并与摄像元件102的短边平行的YZ面(第2面)的交点以外有极值。在此，所谓凹陷量，在将包含与透镜元件的面的交点的与光轴正交的平面作为基准面时，是从基准面到透镜元件的面上的某点的与光轴平行的方向的距离。表示凹陷量的数学式以及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以在Y方向的光轴近旁(顶点)的形状表现。
(实施方式2)
图2是实施方式2所涉及的透镜系统的配置图。图2的(a)是YZ截面，图2的(b)是XZ截面，表征由8片透镜元件构成的透镜系统121和具有短边和长边的矩形的摄像元件102。在图2的(b)中省略附图标记。实施方式2的透镜系统121与实施方式1的透镜系统111比较，透镜元件的片数、种类以及配置顺序相同，各透镜系统元件L1～L8的面数据不同。关于面数据的相异点将后述。在透镜系统121中，透镜元件L1是第1透镜元件的一例，透镜元件L2是第2透镜元件的一例，透镜元件L3是第1自由曲面透镜的一例，透镜元件L8是第2自由曲面透镜的一例。
在实施方式2的透镜系统121中，从光轴离开最短像高的20％以上的长度的各个圆上的透镜元件L8的像面侧的自由曲面的凹陷量在与穿过光轴并与摄像元件102的长边平行的XZ面(第1面)以及穿过光轴并与摄像元件102的短边平行的YZ面(第2面)的交点以外具有极值。
(实施方式3)
图3是实施方式3所涉及的透镜系统的配置图。图3的(a)是YZ截面，图3的(b)是XZ截面，表征具有7片透镜元件的透镜系统131和具有短边和长边的矩形的摄像元件102。在图3的(b)中省略附图标记。实施方式3的透镜系统131与实施方式1的透镜系统111比较，透镜元件的片数(7片)以及各透镜系统元件L1～L7的面数据不同。
如图3所示那样，实施方式3所涉及的透镜系统131从物体侧向像面侧依次具备4片透镜元件L1～L4、孔径光阑A、3片透镜元件L5～L7。透镜系统131的成像的位置成为摄像元件102的像面。关于面数据的相异点将后述。
进而详细说明透镜系统131。透镜系统131从物体侧向像面侧依次由如下要素构成：将凸面朝向物体侧的负弯月形状的透镜元件L1；两面以非球面形成并两凹形状的透镜元件L2；两凹形状的透镜元件L3；物体侧的面以非球面形成并两凸形状的透镜元件L4；孔径光阑A；物体侧的面以非球面形成并两凸形状的透镜元件L5；像面侧的面以非球面形成并将凸面朝向像面侧的负弯月形状的透镜元件L6；和两凸形状的透镜元件L7。透镜元件L5和透镜元件L6接合。在此、透镜元件L1是第1透镜元件的一例，透镜元件L2是第2透镜元件的一例。
在透镜系统131中，透镜元件L3的物体侧的面是XY多项式的自由曲面，像面侧的面是非球面。透镜元件L7的物体侧和像面侧的两面是XY多项式的自由曲面。在图3中，在自由曲面附有*印。在此，透镜元件L3是第1自由曲面透镜的一例，透镜元件L7是第2自由曲面透镜的一例。
透镜元件L7的物体侧的自由曲面的从光轴离开最短像高的30％以上的长度的圆上的凹陷量在与穿过光轴并与摄像元件102的长边短边平行的XZ面(第1面)以及穿过光轴并与摄像元件102的短边平行的YZ面(第2面)的交点以外具有极值。
(实施方式1～3的共通的结构)
实施方式1～3所涉及的透镜系统具有多片透镜元件，使具有短边和长边的矩形的摄像元件102成像。而且，透镜系统作为透镜元件而包含相对于光轴旋转非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、孔径光阑、多片透镜元件。通过该结构，能成像接近于矩形的大致矩形的像。
另外，实施方式1～3所涉及的透镜系统设为至少具有3个以上相对于光轴旋转对称的透镜元件的结构。通过该结构，能减少自由曲面透镜的片数，能减小方向导致的性能的偏倚。进而实施方式1～3所涉及的透镜系统还有能在设计时缩短计算时间的优点。
构成实施方式1～3所涉及的透镜系统的自由曲面透镜的全部自由曲面都具有相对于XZ面以及YZ面分别对称的形状，由于能判别自由曲面的中心，因此有制造时能易于进行形状的管理的优点。
在实施方式1～3所涉及的透镜系统中，设为从物体侧依次具有向物体侧凸形状的有负的光焦度的弯月透镜即透镜元件L1、有负的光焦度的透镜元件L2的结构。通过该结构，由于能汇集以宽的角度入射的光，因此易于将透镜系统广角化，能通过使负透镜2片连续来减少各自的光焦度，有能设为易于制造的形状的优点。
由于位于最靠像面侧的自由曲面透镜的物体侧和像面侧两面设为自由曲面的结构，因此实施方式1～3所涉及的透镜系统有易于进行像高的位置控制和像差减低的优点。
实施方式1～3所涉及的透镜系统由于是半视角80°以上的鱼眼镜头，因此能覆盖大的视角。另外，一般在鱼眼镜头的情况下，在摄像元件的对角附近难以成像。但通过使用本公开所涉及的自由曲面透镜，在摄像元件的对角附近也能进行成像。
例如如实施方式1～3所涉及的透镜系统那样，在配置于光轴的矩形的摄像元件成像且具备相对于光轴非对称的自由曲面透镜的透镜系统优选：从光轴离开最短像高的40％以上的长度的圆上的自由曲面透镜的自由曲面的凹陷量在与穿过光轴并与摄像元件的长边平行的XZ面以及穿过光轴并与摄像元件的短边平行的YZ面的交点以外具有极值(以下将该结构称作实施方式的基本结构)。
在此，所谓最短像高，表示从垂直入射到摄像元件102的光线所引起的像点到透镜系统所形成的像圈的端为止的像面上的距离当中最短的距离。在实施方式1～3所涉及的透镜系统中，在摄像元件102的短边方向上具有最短像高。
通过自由曲面透镜的面的凹陷量在与XZ面以及YZ面的交点以外具有极值，特别在摄像元件102的对角附近的方向上易于将像放大。通过具有极值的距光轴的范围是径向上离开最短像高的40％以上的长度的范围，能得到良好的像的放大效果。与本实施方式的基本结构不同，在不具备离开最短像高的40％以上的长度的圆上的凹陷量在与穿过光轴并与摄像元件的长边以及短边平行的XZ面以及YZ面的交点以外具有极值的自由曲面的情况下，不能充分利用矩形的摄像元件的感光面的区域。或者透镜元件的片数增加，会招致透镜系统的大型化。另外，在从光轴离开最短像高的40％～80％的长度的圆上的自由曲面的凹陷量在与XZ面以及YZ面的交点以外具有极值的情况下，能进一步起到上述的效果。
对用于有效利用摄像元件的感光面的区域的凹陷量的极值的位置进行说明。图4是摄像元件的感光面的概要图。在图4中，将摄像元件102的透镜系统侧的整面设为是感光面。或者，在摄像元件102的周围有不是感光面的部位的情况下，设为将该部位去除的状态。另外，在图4中，将透镜系统的光轴与摄像元件102的感光面的交点O设为摄像元件102的感光面的中心。
在从交点O(感光面的中心)向摄像元件102的角部C1～C4的各个方向上有凹陷量的极值时，能最有效地利用摄像元件102的感光面的区域。并且若是角度θ±25°的范围，就能成像大致矩形的像。在此，角度θ如图4所示那样，是将交点O和角部C1连起来的线段OC1与X轴所成的角度。在图4中，对线段OC1所位于的第一象限示出角度θ，但由于自由曲面透镜的自由曲面关于XZ面以及YZ面分别对称，因此关于线段OC2、OC3、OC4各自所位于的第二～四象限也同样。
图5表示实施方式1所涉及的透镜系统111的透镜元件L8的像面侧的自由曲面的凹陷量与从光轴离开最短像高的60％的长度的圆上的围绕光轴的角度(相位)的关系。图6表示实施方式2所涉及的透镜系统121的透镜元件L8的像面侧的自由曲面的凹陷量与从光轴离开最短像高的60％的长度的圆上的围绕光轴的角度(相位)的关系。图7表示实施方式3所涉及的透镜系统131的透镜元件L7的物体侧的自由曲面的凹陷量与从光轴离开最短像高的60％的长度的圆上的围绕光轴的角度(相位)的关系。在图5～7中示出从光轴离开最短像高的60％的长度的圆的全周(即第一～第四象限)上的凹陷量。
如图5～7所示那样，第一象限(相位0°～90°)和第三象限(相位180°～270°)中示出的凹陷量相同，第二象限(相位90°～180°)和第四象限(相位270°～360°)中示出的凹陷量相同。另外，第一象限和第二象限中示出的凹陷量关于相位90°对称，第二象限和第三象限中示出的凹陷量关于相位180°对称，第三象限和第四象限中示出的凹陷量关于相位270°对称，第四象限和第一象限中示出的凹陷量关于相位360°对称。在此，相位0°、180°与穿过光轴并与摄像元件102的长边平行的XZ面(第1面)的位置对应，相位90°、270°与穿过光轴并与摄像元件102的短边平行的YZ面(第2面)的位置对应。
图5～7所示的透镜系统111、121、131中的凹陷量的第一象限的极值分别是相位约38°、约49°、约42°。如此地，实施方式1～3中的透镜系统被设计成在相对于从光轴与摄像元件102的感光面的交点O向感光面的角部C1～C4的各个方向±25°的范围内具有凹陷量的极值。以下说明第一象限中的角度θ，但关于第二～四象限也同样。
透镜系统例如根据摄像元件102的感光面的长边与短边的长宽比被如以下那样设计。在摄像元件102的感光面的长边与短边之比是a比b时，在相对于与摄像元件102的长边平行的方向(X方向)tan-1(b/a)±25°的范围内具有凹陷量的极值。例如在摄像元件102的长边与短边之比是16比9时，在相位29±25°的范围具有凹陷量的极值。在摄像元件102的长边与短边之比是4比3时，在X方向起的相位37±25°的范围内具有凹陷量的极值。
另外，在成为相对于X方向范围29±25°和范围37±25°的共通范围的相对于X方向33±21°的范围内具有凹陷量的极值的透镜系统能使用长宽比16比9以及4比3的摄像元件的两方。
凹陷量具有极值是指在从光轴离开给定的距离的圆上凹陷量翻转，优选该圆上的最大凹陷量的至少3％发生翻转。虽然制造具有这样的自由曲面的透镜是困难的，但伴随近年的加工、成型技术的进步，已经变得能制作了。
另外，例如优选如实施方式1～3所涉及的透镜系统那样，具有本实施方式的基本结构的透镜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)是用于规定透镜系统的半视角的条件。若低于条件(1)的下限，透镜系统的视角就会变窄，即使没有本实施方式的基本结构，像圈也接近于矩形，易于有效利用矩形的摄像元件102的感光面的区域，与本申请的意图背离。另外，球面像差的控制变得困难。
另外，进而，通过满足以下的条件(1)’以及(1)”的至少一者，能进一步起到所述效果。
ωLONG＞80°…(1)’
ωLONG＞90°…(1)”
例如优选如实施方式1～3所涉及的透镜系统那样，具有本实施方式的基本结构的透镜系统满足以下的条件(2)。
1＜DLSHORT/DSSHORT…(2)
在此，
DLSHORT：与摄像元件的短边方向的最大半视角相等的视角的针对摄像元件的长边方向的入射光的像点与针对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：针对摄像元件的短边方向的最大半视角的入射光的像点与针对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)是用于对针对摄像元件的短边方向的最大半视角的入射光的像点规定与摄像元件的短边方向的像高相比而长边方向的像高更长的条件。若低于条件(2)的下限，矩形的摄像元件102的感光面的区域的有效利用就变得困难。或者像面弯曲的控制变得困难。
另外，进而，通过满足以下的条件(2)’以及(2)”的至少一者，能进一步起到所述效果。
1.2＜DLSHORT/DSSHORT…(2)’
1.6＜DLSHORT/DSSHORT…(2)”
例如优选如实施方式1～3所涉及的透镜系统，具有本实施方式的基本结构的透镜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：针对摄像元件的长边方向的最大半视角的入射光的像点与针对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：针对摄像元件的短边方向的最大半视角的入射光的像点与针对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比较会变得过宽，成像性能特别是像面弯曲的控制变得困难。或者像圈在长边方向上变得过长，矩形的摄像元件102的感光面的区域的有效利用变得困难。若超过条件(3)的上限，则长边方向的视角与短边方向的视角比较会变得过宽，成像性能特别是像面弯曲的控制变得困难。或者像圈在短边方向上变得过长，矩形的摄像元件102的感光面的区域的有效利用变得困难。
另外，进而，通过满足以下的条件(3)’以及(3)”的至少一者，能进一步起到所述效果。
0.55＜DSSHORT×ωLONG/(DLLONG×ωSHORT)＜0.9…(3)’
0.6＜DSSHORT×ωLONG/(DLLONG×ωSHORT)＜0.8…(3)”
例如优选如实施方式1～3所涉及的透镜系统那样，具有本实施方式的基本结构的透镜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)是对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，短边方向的视角就会与长边方向的视角比较而相等或变得更大，会以极其压扁的形状成像，每个视角的分辨度会在长边方向和短边方向上较大改变。另外，球面像差在长边方向和短边方向有较大变化，控制变得困难。
另外，通过还满足以下的条件(4)’，能进一步起到所述效果。
ωLONG-ωSHORT＞8…(4)’
例如优选如实施方式1～3所涉及的透镜系统那样，具有本实施方式的基本结构的透镜系统满足以下的条件(5)。
L×Fno./DLLONG＜40…(5)
在此，
L：透镜系统的光学全长
Fno.：透镜系统的F值
DLLONG：针对摄像元件的长边方向的最大半视角的入射光的像点与针对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)是规定透镜系统的光学全长与透镜系统的F值、长边方向的像高的关系的条件。若超过条件(5)的上限，则相对于透镜系统的F值、像圈而透镜系统过于肥大化，不能实现小型化，此外像面弯曲的控制变得困难。
另外，通过还满足以下的条件(5)’以及(5)”的至少一者，能进一步起到所述效果。
L×Fno./DLLONG＜30…(5)’
L×Fno./DLLONG＜25…(5)”
例如优选如实施方式1～3所涉及的透镜系统那样，具有本实施方式的基本结构的透镜系统满足以下的条件(6)。
nFREE＜1.7…(6)
在此，
nFREE：自由曲面透镜的相对于d线的折射率
条件(6)是规定自由曲面透镜的相对于d线的折射率的条件。若超过条件(6)的上限，自由曲面透镜的折射率就会变得过高，会将光线急剧折弯，因此像散差的控制变得困难。另外，本条件即使透镜系统中的1片自由曲面透镜满足也能得到效果，在多片自由曲面透镜满足的情况下，能进一步起到效果。
另外，进而，通过满足以下的条件(6)’，能进一步起到所述效果。
nFREE＜1.6…(6)’
例如优选如实施方式1～3所涉及的透镜系统那样，具有本实施方式的基本结构的透镜系统在物体与摄像元件之间具有孔径光阑A，满足以下的条件(7)。
-3≤No-Ni≤3…(7)
在此，
No：比孔径光阑更靠物体侧的透镜元件的片数
Ni：比孔径光阑更靠像面侧的透镜元件的片数
条件(7)是规定孔径光阑A前后的透镜元件的片数差的条件。若低于条件(7)的下限，则比孔径光阑A更靠像面侧的透镜元件的片数就会过于增加，会招致透镜系统的光轴方向的大型化。另外，比孔径光阑A更靠物体侧的透镜元件的片数少，像面弯曲的控制变得困难。若超过条件(7)的上限，则比孔径光阑A更靠物体侧的透镜元件的片数就会过于增加，会招致透镜系统向径向的大型化。另外，比孔径光阑A更靠像面侧的透镜元件的片数少，球面像差的控制变得困难。
另外，通过还满足以下的条件(7)’，能进一步起到所述效果。
-2≤No-Ni≤2…(7)’
例如优选如实施方式1～3所涉及的透镜系统那样，具有本实施方式的基本结构的透镜系统在物体与摄像元件102之间具有孔径光阑A，在比孔径光阑A更靠物体侧具有至少1片第1自由曲面透镜，在比孔径光阑A更靠像面侧具有至少1片第2自由曲面透镜。通过采用本结构，有在长边方向、短边方向、对角方向的哪个方向上都能减小像面弯曲的优点。
例如优选如实施方式1～3所涉及的透镜系统那样，具有本实施方式的基本结构的透镜系统不在摄像元件102中包含透镜系统的像圈。特别在使用自由曲面透镜的透镜系统中，由于确保像圈的端附近的分辨度在设计上、制造上困难，因此通过不在摄像元件102中包含像圈，能在摄像元件102上确保良好的成像性能。
构成实施方式1～3所涉及的透镜系统的各透镜元件仅由使入射光线通过折射而偏向的折射型透镜元件(即，在具有不同的折射率的媒介彼此的界面进行偏向的类型的透镜元件)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向的衍射型透镜元件、通过衍射作用与折射作用的组合使入射光线偏向的折射/衍射混合型透镜元件、使入射光线通过媒介内的折射率分布而偏向的折射率分布型透镜元件等构成各透镜系统。特别在折射/衍射混合型透镜元件中，若在折射率不同的媒介的界面形成衍射结构，就会改善衍射效率的波长依赖性，因而优选。
构成实施方式1～3所涉及的透镜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，但在使用非对称的面的情况下，只要满足本实施方式的基本结构、各条件，也能得到充分的效果。
(实施方式4)
图8是实施方式4所涉及的摄像机系统的概略结构图。实施方式4所涉及的摄像机系统100具备：透镜系统111；将由透镜系统111形成的光学像受光并将其变换成电的图像信号的摄像元件102；和摄像机主体103。实施方式4的透镜系统能使用实施方式1～3任一者所涉及的透镜系统。图8图示了作为透镜系统而使用实施方式1所涉及的透镜系统111的情况。
在实施方式4中，由于使用实施方式1～3任一项所涉及的透镜系统，因此能使摄像元件102成像大致矩形的像，能实现能得到有效利用了矩形的摄像元件102的感光面的区域的图像的摄像机系统100。
(实施方式5)
图9是实施方式5所涉及的摄像系统的概略结构图。实施方式5所涉及的摄像系统200中所用的摄像光学系统201如实施方式4的摄像机系统100那样，包含实施方式1～3任一者所涉及的透镜系统。通过对摄像光学系统201中得到的图像在图像处理部202进行处理，能变形、加工成能应用于各种用途的图像。另外，图像处理部202可以位于摄像机主体103(参考图8)的内部或外部的任一者。
(数值实施例1)
以下说明具体实施实施方式1所涉及的透镜系统111的数值实施例1。另外，在数值实施例1中，图、表中的长度的单位是“mm”，视角的单位是“°”。另外，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、相当于d线的阿贝数vd。非球面以及自由曲面的与Z轴平行的面的凹陷量z分别在数学式1以及数学式2定义。
[数学式1]
Figure BDA0002308646430000131
在此，
h：径向的高度
k：二次曲线常数
An：n阶的非球面系数
[数学式2]
Figure BDA0002308646430000141
Figure BDA0002308646430000142
在此，
c：顶点曲率
k：二次曲线常数
cj：系数
图10是数值实施例1所涉及的透镜系统111的无限远对焦状态的球面像差图以及像散差图，从左侧起依次示出摄像元件102的短边方向的球面像差(SA)、像散差(AST-V)、摄像元件102的长边方向的像散差(AST-H)、对角方向的像散差(AST-D)。在球面像差的图中，横轴表征球面像差，纵轴表征光瞳高度。并且，实线是d线的特性，短虚线是C线的特性，长虚线是F线的特性。在像散差的图中，横轴表征像散差，纵轴表征视角。并且实线是YZ平面(图中、y方向)的特性，虚线是XZ平面(图中、x方向)的特性。
另外，实施方式1由于仅使用XY多项式的x以及y的偶数项，因此相对于x轴和y轴对称，因此对角方向的像散差AST-D在哪个方向上都相同。
图11是表示数值实施例1所涉及的透镜系统111的无限远对焦状态的视角与像点的关系的图。图11将光轴作为原点(0，0)，在像面的第一象限每视角的10°绘制像点。关于其他象限，在与第一象限之间具有相对于纵轴、横轴成为线对称那样的关系。与通常的旋转对称透镜比较可知，像面的形状被扩大，能有效地利用矩形的摄像元件102的感光面的区域。
数值实施例1的透镜系统111与图1所示的实施方式1对应。将数值实施例1的透镜系统111的面数据在表1示出，将各种数据在表2示出，将第5面、第6面、第9面、第10面、第15面以及第16面的非球面/自由曲面数据分别在表3、表4、表5、表6、表7以及表8示出。
[表1]
S 面的类型 r d nd vd
1 球面 16.180 1.000 1.72916 54.7
2 球面 5.450 3.291
3 球面 -42.838 0.800 1.77250 49.6
4 球面 3.975 2.580
5 XY多项式面 -5.534 2.000 1.49176 57.5
6 XY多项式面 22.705 0.400
7 球面 16.681 1.500 1.80518 25.4
8 球面 -21.386 0.150
9 非球面 3.354 1.700 1.49176 57.5
10 非球面 14.169 1.083
11 平面 光圈 0.150
12 球面 12.980 2.370 1.59522 67.7
13 球面 -3.270 0.700 1.95906 17.5
14 球面 -7.511 1.380
15 XY多项式面 3.672 1.800 1.49176 57.5
16 XY多项式面 6.963 3.565
[表2]
F值 2.73
垂直半视角 82°
水平半视角 92°
垂直像高@垂直半视角 1.687
水平像高@水平半视角 2.977
水平像高@垂直半视角 2.841
光学全长 24.470
[表3]
s5
Figure BDA0002308646430000161
[表4]
s6
[表5]
s9
K -1.00000E+00
A4 1.46543E-04
A6 8.27051E-04
A8 5.32119E-05
A10 7.88739E-07
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表6]
s10
K 0.00000E+00
A4 2.48173E-03
A6 -3.56816E-05
A8 4.54625E-04
A10 -4.02723E-05
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表7]
s15
Figure BDA0002308646430000181
[表8]
s16
Figure BDA0002308646430000191
(数值实施例2)
图12是数值实施例2所涉及的透镜系统121的无限远对焦状态的球面像差图以及像散差图。另外，图13是表示数值实施例2所涉及的透镜系统121的无限远对焦状态的视角与像点的关系的图。在图13所示的透镜系统121的情况下，也是与通常的旋转对称透镜比较，像面的形状被扩大，能有效利用矩形的摄像元件102的感光面的区域。数值实施例2的透镜系统121与图2所示的实施方式2对应。将数值实施例2的透镜系统121的面数据在表9示出，将各种数据在表10示出，将第5面、第6面、第9面、第10面、第15面以及第16面的非球面/自由曲面数据分别在表11、表12、表13、表14、表15以及表16示出。
[表9]
S 面的类型 r d nd vd
1 球面 12.146 1.000 1.72916 54.7
2 球面 6.000 3.132
3 球面 -63.845 0.800 1.72916 54.7
4 球面 3.118 2.388
5 XY多项式 -4.986 2.000 1.49176 57.5
6 XY多项式 15.806 0.429
7 球面 17.9397 1.500 1.80610 40.9
8 球面 -12.577 0.150
9 非球面 2.800 1.700 1.49176 57.5
10 非球面 3.914 1.256
11 平面 光圈 0.150
12 球面 5.525 3.096 1.59522 67.7
13 球面 -3.672 0.600 1.95906 17.5
14 球面 -9.084 0.922
15 XY多项式面 5.053 1.600 1.49176 57.5
16 XY多项式面 142.714 3.366
[表10]
F值 2.62
垂直半视角 82°
水平半视角 92°
垂直像高@垂直半视角 1.689
水平像高@水乎半视角 2.980
水平像高@垂直半视角 2.852
光学全长 24.090
[表11]
s5
Figure BDA0002308646430000211
[表12]
s6
Figure BDA0002308646430000221
[表13]
s9
K -1.00000E+00
A4 1.53994E-03
A6 1.18079E-03
A8 -1.21875E-04
A10 2.44032E-05
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表14]
s10
K 0.00000E+00
A4 4.82378E-03
A6 3.63028E-04
A8 3.22947E-04
A10 3.85786E-05
A12 0.00000E+00
A14 0.00000E+00
A16 0.00000E+00
A18 0.00000E+00
A20 0.00000E+00
[表15]
s15
Figure BDA0002308646430000231
[表16]
s16
Figure BDA0002308646430000241
(数值实施例3)
图14是数值实施例3所涉及的透镜系统131的无限远对焦状态的球面像差图以及像散差图。另外，图15是表示数值实施例3所涉及的透镜系统131的无限远对焦状态的视角与像点的关系的图。在图15所示的透镜系统131的情况下，也是与通常的旋转对称透镜比较可知，像面的形状被扩大，能有效利用矩形的摄像元件102的感光面的区域。数值实施例3的透镜系统131与图3所示的实施方式3对应。将数值实施例3的透镜系统131的面数据在表17示出，将各种数据在表18示出，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/自由曲面数据分别在表19、表20、表21、表22、表23、表24、表25、表26以及表27示出。
[表17]
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 6.399863 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18]
F值 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19]
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20]
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21]
s5
Figure BDA0002308646430000261
[表22]
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23]
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24]
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25]
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26]
s13
Figure BDA0002308646430000281
[表27]
s14
Figure BDA0002308646430000291
在以下的表28示出各数值实施例的透镜系统中的各条件的对应值。
(条件的对应值)
[表28]
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) 1.684 1.689 1.238
条件(3) 0.636 0.636 0.766
条件(4) 10 10 10
条件(5） 22.438 21.177 36.045
条件(6) 1.49175 1.49175 1.53459
条件(7) 2 2 1
产业上的可利用性
本实施所涉及的透镜系统能运用在数字静态摄像机、数字视频摄像机、便携电话设备的摄像机、PDA(Personal Digital Assistance，个人数字助理)的摄像机、监视系统中的监视摄像机、Web摄像机、车载摄像机等中，特别适合用在数字静态摄像机系统、数字视频摄像机系统这样要求高画质的摄影光学系统中。
另外，本实施所涉及的透镜系统在本实施所涉及的交换镜头装置中也能被配备于数字视频摄像机系统。
附图标记的说明
100 摄像机系统
111、121、131 透镜系统
102 摄像元件
103 摄像机主体
200 摄像系统
201 摄像光学系统
202 图像处理部
A 孔径光阑
L1～L8 透镜元件。

Claims (21)

1.一种透镜系统，在配置于光轴的矩形的摄像元件成像，
所述透镜系统具备：相对于所述光轴非对称的第2自由曲面透镜，
从所述光轴离开相对于最短像高的给定的比率的长度的圆上的所述第2自由曲面透镜的凹陷量在穿过所述光轴并与所述摄像元件的长边平行的第1面与所述圆的交点以及穿过所述光轴并与所述摄像元件的短边平行的第2面与所述圆的交点以外具有极值。
2.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，
所述给定的比率是40％～80％。
3.根据权利要求1或2所述的透镜系统，其中，
在物体侧与像面侧之间具有孔径光阑，
在比所述孔径光阑更靠物体侧具有第1自由曲面透镜，在比所述孔径光阑更靠像面侧具有所述第2自由曲面透镜。
4.根据权利要求3所述的透镜系统，其中，
所述第2自由曲面透镜配置于最靠像面侧，物体侧和像面侧的两面是自由曲面。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的透镜系统，其中，
从物体侧起依次具有：向物体侧凸形状的有负的光焦度的弯月透镜即第1透镜元件；和有负的光焦度的第2透镜元件。
6.根据权利要求5所述的透镜系统，其中，
所述第1自由曲面透镜配置于所述第2透镜元件的像面侧，至少物体侧是自由曲面。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的透镜系统，其中，
至少有3个以上的相对于所述光轴旋转对称的透镜元件。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的透镜系统，其中，
在从所述摄像元件的感光面与所述光轴的交点向所述感光面的角部的方向的±25°的范围内具有所述极值。
9.根据权利要求1～7中任一项所述的透镜系统，其中，
在所述摄像元件的感光面的长边与短边之比是a比b时，在相对于所述第1面tan-1(b/a)±25°的范围内具有所述极值。
10.根据权利要求1～7中任一项所述的透镜系统，其中，
在所述摄像元件的长边与短边之比是16比9时，在相对于所述第1面29±25°的范围内具有所述极值。
11.根据权利要求1～7中任一项所述的透镜系统，其中，
在相对于所述第1面33±21°的范围内具有所述极值。
12.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，
所述透镜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。
13.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，
所述透镜系统满足以下的条件(2)：
1＜DLSHORT/DSSHORT …(2)
在此，
DLSHORT：与摄像元件的短边方向的最大半视角相等的视角的针对摄像元件的长边方向的入射光的像点与针对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：针对摄像元件的短边方向的最大半视角的入射光的像点与针对与摄像元件垂直的入射光的像点的短边方向的最大距离。
14.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，
所述透镜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：针对摄像元件的长边方向的最大半视角的入射光的像点与针对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：针对摄像元件的短边方向的最大半视角的入射光的像点与针对与摄像元件垂直的入射光的像点的短边方向的最大距离。
15.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，
所述透镜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。
16.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，
所述透镜系统满足以下的条件(5)：
L×Fno./DLLONG＜40 …(5)
在此，
L：透镜系统的光学全长，
Fno.：透镜系统的F值，
DLLONG：针对摄像元件的长边方向的最大半视角的入射光的像点与针对与摄像元件垂直的入射光的像点的长边方向的最大距离。
17.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，
所述透镜系统满足以下的条件(6)：
nFREE＜1.7 …(6)
在此，
nFREE：第1或第2自由曲面透镜的相对于d线的折射率。
18.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，
所述透镜系统还具备透镜元件和孔径光阑，并满足以下的条件(7)：
-3≤No-Ni≤3 …(7)
在此，
No：比孔径光阑更靠物体侧的透镜元件的片数，
Ni：比孔径光阑更靠像面侧的透镜元件的片数，其中该透镜元件包含第2自由曲面透镜。
19.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，
不在所述摄像元件中包含所述透镜系统的像圈。
20.一种摄像机系统，具备：
权利要求1所述的透镜系统；和
在所述光轴配置于所述透镜系统进行成像的位置的矩形的所述摄像元件。
21.一种摄像系统，具备：
权利要求1所述的透镜系统；
在所述光轴配置于所述透镜系统进行成像的位置的矩形的所述摄像元件；和
对所述摄像元件生成的图像进行处理的图像处理部。
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