CN114585957A - 成像光学系统和照相机 - Google Patents

Abstract

一种成像光学系统，包括第一透镜组、第二透镜组、孔径光阑、第三透镜组和第四透镜组，按从物体侧到像侧的顺序排列，第一透镜组由第一透镜组成，第一透镜是负弯月形透镜，具有面向像侧的凹面，第二透镜组由作为正透镜的第二透镜组成，第三透镜组由接合透镜组成，接合透镜包括第三透镜和第四透镜，第三透镜是负透镜，具有面向物体侧的凹面，第四透镜是正透镜，具有面向像侧的凸面，从物体侧到像侧，第三透镜和第四透镜接合而成，第三透镜组整体具有负折射光焦度，第四透镜组由作为正透镜的第五透镜组成，成像光学系统由四组透镜构成，按照从物体侧向像侧排列的顺序具有负、正、负、正的折射光焦度分配，满足以下第一～第四条件表达式：0.3＜f/|f1|＜0.70.4＜f/|f2|＜0.70.4＜f/|f4|＜0.7以及1.2＜f/|f1|+f/|f2|+f/|f3|+f/|f4|＜1.9其中，fi表示第i透镜组的焦距，i表示1～4中的一个，f表示成像光学系统整体的焦距。

Description

成像光学系统和照相机

技术领域

本公开的实施例涉及成像光学系统和照相机

背景技术

目前，具有成像光学系统的成像设备不仅通常用于图像捕获照相机，而且还用于各种照相机，例如车载照相机、立体照相机、检查照相机和监视照相机。如本领域已知的那样，希望为各种成像装置提供的这种成像光学系统实现高分辨率和低失真，此外，希望这种成像光学系统实现具有小f数的大口径和具有广角小型，从而即使在诸如夜间等黑暗使用环境下也能捕获良好的图像。

作为用于由诸如电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)之类的成像器件读取的成像光学系统形成的图像的成像装置的优选成像光学系统，在本领域中已知一种逆向聚焦(retrofocus)成像光学系统(见专利文献1～5)。在逆向聚焦成像光学系统中，至少一个具有负光焦度的透镜组设置在物体侧的前组，至少一个具有正光焦度的透镜组设置在像侧的后组，由于这种结构，前组和后组的出射光瞳可以与像面分开，可以减小离轴光线向受光面的入射角，因此，可以有效地利用入射到成像装置的入射光。此外，由于可以增加后聚焦，因此，可以容易地确保在成像光学系统和成像装置之间用于配置诸如光学低通滤光器和红外截止滤光器之类的滤光器等的空间。成像装置用于非常宽范围的环境(使用环境)中。例如，当成像装置用作车载照相机时，这种成像装置如国际赛车那样，可用于极热区域，或可用于高纬度的极冷区域，使用环境中的环境温度范围为摄氏-30℃～70℃。

由于这个原因，这种成像光学系统需要能够在不受这种宽范围环境温度影响的情况下工作，然而，实际上，这种成像光学系统可能会受到如下所述的环境温度的大变化的影响。

一旦成像光学系统的环境温度改变，构成成像光学系统的多个透镜在垂直于光轴的方向上移动，多个透镜在垂直于光轴的方向上的相对位置改变。由于每个透镜的位移导致的多个透镜间的相对位置的这种改变在以下描述中称为透镜偏心。由透镜偏心产生的成像光学系统形成图像的位置在成像面上朝垂直于光轴的方向上移动。在成像光学系统中，由于透镜偏心产生的在垂直于光轴的方向上形成图像的位置的位移在以下描述中称为像的光轴位移。

引文列表

专利文献

【专利文献1】JP-6372744号专利

【专利文献2】JP-6459521号专利

【专利文献3】日本专利申请公开第2015-118152号

【专利文献4】日本专利申请公开第2018-077291号

【专利文献5】日本专利申请公开第2019-020505号

发明内容

技术问题

当成像光学系统用于例如车载照相机或检查照相机时，由于透镜偏心而发生像的光轴位移时，要捕获的对象的位置信息或形状信息的精度降低。当由于透镜偏心而发生像的光轴位移时，不仅像的位置发生位移，而且各种像差，特别是畸变也趋于恶化。

本发明的实施例的一个目的是提供一种具有少量透镜即四组五个透镜的逆向聚焦型小型的成像光学系统，能够获得明亮和广角，能够有效地减小由于环境温度变化引起的像光轴位移。

解决问题的方案

一种成像光学系统，包括:第一透镜组，第二透镜组，孔径光阑，第三透镜组，以及第四透镜组，按从物体侧到像侧的顺序排列。所述第一透镜组由第一透镜组成，所述第一透镜是负弯月形透镜，具有面向像侧的凹面，所述第二透镜组由作为正透镜的第二透镜组成。所述第三透镜组由接合透镜组成，所述接合透镜包括第三透镜和第四透镜，所述第三透镜是负透镜，具有面向物体侧的凹面，所述第四透镜是正透镜，具有面向像侧的凸面，从物体侧到像侧，所述第三透镜和所述第四透镜接合而成。所述第三透镜组整体具有负折射光焦度，所述第四透镜组由作为正透镜的第五透镜组成。所述成像光学系统的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组按照从物体侧向像侧排列的顺序具有负、正、负、正的折射光焦度分配。在成像光学系统中，满足以下第一～第四条件表达式：

0.3＜f/|f1|＜0.7

0.4＜f/|f2|＜0.7

0.4＜f/|f4|＜0.7以及

1.2＜f/|f1|+f/|f2|+f/|f3|+f/|f4|＜1.9

在此，fi表示第i透镜组的焦距，i表示1～4中的一个，f表示成像光学系统整体的焦距。

本发明的效果

根据本发明的一个方面，可以实现具有少量透镜即四组五个透镜的逆向聚焦型小型的成像光学系统，同时实现明亮和广角，此外，可以实现有效地减小由于环境温度变化引起的像光轴位移的成像光学系统。

附图说明

附图旨在描绘本公开的示例实施例，并且不应被解释为限制其范围。除非明确指出，否则附图不应视为按比例绘制。同样，在几个视图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的组件。

图1是说明根据本发明的实施例的成像光学系统的配置的图。

图2A和图2B分别表示根据本发明的第一实施例的成像光学系统的透镜数据。

图3A、图3B、图3C和图3D是表示根据本发明的第一实施例的成像光学系统的各种数据的图。

图4是说明根据本发明的第一实施例的成像光学系统中的像差的图。

图5A和图5B是根据本发明的第二实施例的成像光学系统的透镜数据的图。

图6A、图6B、图6C和图6D是表示根据本发明的第二实施例的成像光学系统的各种数据的图。

图7是说明根据本发明第二实施例的成像光学系统中的像差的图。

图8A和图8B是表示根据本发明第三实施例的成像光学系统的透镜数据的图。

图9A、图9B、图9C和图9D是表示根据本发明的第三实施例的成像光学系统的各种数据的图。

图10是表示根据本发明第三实施例的成像光学系统中的像差的图。

图11A和图11B是表示根据本发明第四实施例的成像光学系统的透镜数据的图。

图12A、图12B、图12C和图12D是表示根据本发明的第四实施例的成像光学系统的各种数据的图。

图13是说明根据本发明第四实施例的成像光学系统中的像差的图。

图14A和图14B是表示根据本发明的实施例的图像捕获照相机的图。

图15是根据本本发明的实施例的图像捕获照相机的图。

图16A和图16B是根据本发明发明的实施例的检查照相机的图。

图17是说明根据本公开的实施例的立体照相机的图。

图18A和图18B是表示根据本发明的实施例的车载照相机的图。

具体实施方式

以下参照附图描述本发明的一些示例和实施例。图1是根据本发明的示例或实施例的成像光学系统的结构示意图。在图1中，右侧和左侧分别对应于像侧和物体侧。如图1所示，成像光学系统由第一透镜组G10、第二透镜组G21、孔径光阑S、第三透镜组G22和第四透镜组G23组成，按从物体侧到像侧的顺序排列。所述第一透镜组G10由第一透镜L1组成，所述第一透镜L1是负弯月形透镜，具有面向像侧的凹面，所述第二透镜组G21由作为正透镜的第二透镜L22组成。所述第三透镜组G22由接合透镜组成，所述接合透镜包括第三透镜L23a和第四透镜L23b，所述第三透镜L23a是负透镜，具有面向物体侧的凹面，所述第四透镜L23b是正透镜，具有面向像侧的凸面，所述第三透镜组G22相对孔径光阑S配置在像侧。从物体侧到像侧，所述第三透镜和所述第四透镜接合而成。所述第三透镜组整体具有负折射光焦度。所述第四透镜组G23由作为正透镜的第五透镜L24组成。因此，如图1所示的成像光学系统由四组五个透镜组成作为一个整体，按照从物体侧到像侧的顺序具有负、正、负、正的折射光焦度分配。

根据本发明的示例或实施例的成像光学系统具有上述透镜结构，并满足以下条件表达式1～4:

条件表达式1:

0.3＜f/|f1|＜0.7

条件表达式2:

0.4＜f/|f2|＜0.7

条件表达式3:

0.4＜f/|f4|＜0.7

条件表达式4:

1.2＜f/|f1|+f/|f2|+f/|f3|+f/|f4|＜1.9

在这些条件表达式1～4中，f表示成像光学系统整体的焦距,fi表示第i透镜组的焦距，i表示1～4中的一个。

条件表达式4也可以写为如下:

1.2＜f{1/|f1|+1/|f2|+1/|f3|+1/|f4|}＜1.9

条件表达式4也可以写为如下:

1.2＜fΣ(1/fi)＜1.9

在该条件表达式4中，i表示1到4中的一个。如图1所示，根据本发明的示例或实施例，假定成像装置用于成像光学系统。在图1中，参考标记CG表示用于成像装置的盖玻璃CG，而参考标记Im表示在成像装置的受光面上形成的图像。此外，参考标记F1表示透明平行板，其由玻璃制成，并且在光学上等同于例如红外截止滤光器或低通滤光器等的各种滤光器。在以下描述中，第一透镜组G10可以称为前透镜组G10，与前透镜组G10相比，第二透镜组G21、第三透镜组G22和第四透镜组G23可以统称为后透镜组G20。

下面进行进一步说明。构成第一透镜组G10的第一透镜L11是具有面向像侧的凹面的负弯月形透镜，保持由第一透镜组G10获得的负折射力的同时，起到防止畸变的作用。如果欲用逆向聚焦型获得广角，则各种像差如彗差、像散、像面弯曲、和畸变倾向于增加，尤其是畸变倾向于增加，如果要获得大口径，则彗差和球形像差倾向于增加，尤其球形像差倾向于增加。为了确保逆向聚焦型的广角和后焦，需要使得第一透镜L11具有将轴外主光线弯曲作用的某种程度。当第一透镜L11所需的负折射力变强时，更容易发生畸变。而且，像光轴位移很容易受到第一透镜L11的与光轴正交方向上的偏心的强烈影响。为了减少畸变的产生，减小轴外光束的主光线入射到透镜表面的角度有效。但是，如果减小轴外光束的主光线入射到透镜表面的角度，则减小前透镜组G10所需的负折射力。

在根据本发明的示例或实施例的成像光学系统中，具有面向物体侧的凸面的弯月形透镜用于第一透镜L11，以便使畸变的产生最小，此外，作为正透镜的第二透镜L22设置在第一透镜L11的像侧，以便减小轴外光与成像面形成的入射角，该入射角伴随广角化趋于增大。在根据本发明的示例或实施例的成像光学系统中，作为正透镜的第三透镜组G22设置在第一透镜L11的像侧，以孔径光阑S为基准设置在像侧的第三透镜组G22是负接合透镜，其像面特性得到改善。此外，在像侧的第四透镜L23b的表面是凸面。由于这种结构，包括第五透镜L24(在下面的描述中可以称为最后透镜L24)的三个透镜表面以分开的方式折射轴外主光束。当最后透镜L24的折射力过强时，最后透镜L24的偏心强烈地影响像光轴的位移，并且出射光瞳离开成像面，而没有过度增强最后透镜L24的正折射力。由于这种结构，与透镜偏心有关的元件的数目可以减少，并且当由于环境温度变化而发生透镜偏心时，有利地减小像光轴的位移。

下面详细描述条件表达式1至4，条件表达式1至4是用于有效地减小像光轴位移的条件，该位移是当环境温度变化时由于每个透镜的偏心引起，同时将包括轴外光在内的光的像差的特性保持良好。

条件表达式1涉及第一透镜组G10的光功率。如果第一透镜L11的折射力增强且条件表达式1中间值超过上限，则第一透镜L11在透镜的整个偏心中的偏心分量(在垂直于光轴的方向上的位移)增加，结果，像光轴的位移容易受到第一透镜L11的偏心的影响，并且当环境温度改变时，由于第一透镜组G10的偏心引起的像光轴的位移增加。

如果折射力降低，条件表达式1的中间值超过下限，则难以确保后焦距长。如果第一透镜组G10的负光焦度由后透镜组G20补充以确保后焦距长，则难以降低整个光学系统的佩兹伐(Petzval)和，并且容易产生大的像面弯曲。如果在不增强后透镜组G20的折射力的情况下使出射光瞳远离成像面，则透镜的总长度变长。更优选地，条件表达式1的参数，即f/|f1|满足比条件表达式1稍窄的条件表达式1A。

条件表示式1A：

0.3＜f/|f1|＜0.60

条件表达式2涉及第二透镜组G21的光功率。如果第二透镜组G21的折射力增强，且条件表达式2中间值超过上限，则像光轴的位移响应第二透镜组的偏心敏感地变化，并且当环境温度变化时，由于第二透镜组G21的偏心引起的像光轴的位移增加。此外，球形像差、彗差、畸变和像散不能充分地校正。如果第二透镜组G21的折射力减少，且条件表达式2中间值超过下限，则成像光学系统的后焦距变长，难以通过减小整个光学系统的长度使得成像光学系统小型化。更优选地，条件表达式2的参数，即f/|f2|满足比条件表达式2稍窄的条件表达式2A。

0.4＜f/|f2|＜0.60

条件表达式3涉及第四透镜组G23的光功率。如果第四透镜组G23的折射力强，且条件表达式3的中间值超过上限，则像光轴的位移响应第四透镜组G23的偏心，敏感地变化，结果，当环境温度变化时，由于第四透镜组G23的偏心引起的像光轴的位移变大，在第四透镜组G23中，畸变、像面弯曲、和像散过度发生，校正困难。如果第四透镜组G23的折射力弱，条件表达式3的中间值超过下限时，就难以确保后焦距的长度。更优选地，作为条件表达式3的参数的f/|f4|满足比条件表达式3稍窄的条件表达式3A。

条件表达式3A：

0.4＜f/|f4|＜0.60

条件表达式4涉及第一透镜组G10到第四透镜组G23的光功率的平衡。如果条件表达式4中间值超过上限值，则当环境温度变化时，第一透镜组G10到第四透镜组G23同时偏心时，透镜偏心引起像光轴的位移变大。如果条件表达式4中间值超过下限，则不能在缩短总透镜长度的同时有效地校正各种像差。更优选地，条件表达式4的参数，即fΣ(1/fi)(i＝1～4)，满足比条件表达式4稍窄的条件表达式4A。

条件表示式4A：

1.2＜fΣ(1/fi)＜1.7

在条件表达式4A中，i表示1和4之间的值。在根据本发明的示例或实施例的成像光学系统中，除了条件表达式1至4之外，优选满足下面的条件表达式5和6中的任何一个或两个。

条件表达5：

-3.0＜(R1+R2)/(R2-R1)＜-1.0

条件表达式6：

|α3-α4|＜13×10^-7/℃

条件表达式5和条件表达式6的参数中的每个符号的含义如下:R1表示第一透镜L11(G10)的物体侧面的曲率半径，R2表示第一透镜L11(G10)的像侧面的曲率半径。

α3表示第三透镜L23a的材料在摄氏-30度至70度之间的温度范围的平均线膨胀系数，α4表示第四透镜L23b的材料在摄氏-30度至70度之间的温度范围的平均线膨胀系数。如上所述，根据本发明的示例或实施例的成像光学系统通过控制第一透镜组G10至第四透镜组G23的透镜形状、光功率的配置，满足条件表达式1至4，有效地防止和减小由于透镜偏心引起的像光轴位移，同时将各种像差特性保持在所需的条件下。此外，可以选择构成第一透镜组G10的第一透镜L11的形状或构成第三透镜组G22的第三透镜L23a和第四透镜L23b的材料，以便获得有利的效果。

条件表达式5涉及第一透镜L11的负弯月透镜形状的期望范围。由于第一透镜L11是凹面向着像侧的负弯月形透镜，R1＞0、R2＞0，且R1＞

R2。因此，条件表达式5中间的分母取负值，并且当条件表达式5的参数变大时，弯月形透镜的负折射力变小。相反，当条件表达式5的参数变小时，弯月形透镜的负折射力变大。

当条件表达式5的参数增大时，畸变也增大。随着与后组G20内透镜的畸变的相互作用的增大，由第一透镜L11的偏心引起的偏心畸变的程度也增大。

如果条件表达式5的中间的参数减小，则周边光束通过的光线高度增大，第一透镜L11的透镜系统的尺寸趋于增大。当满足条件表达式5时，像光轴的位移可以有效地减小，并且可以有效地避免偏心畸变的增大或第一透镜L11的透镜直径的增大。

更优选地，条件表达式5的中间参数(R1+R2)/(R2-R1)满足比条件表达式5略窄的条件表达式5A。

条件表达式5A：

-2.5＜(R1+R2)/(R2-R1)＜-1.0

当条件表达式6的中间参数|α3-α4|增大时，由于第三透镜L23a和第四透镜L23b之间的温度变化而引起的变形量的差增大。当参数|α3-α4|减少时，构成第三透镜组G22的两个接合透镜的材料受到限制，并且能够有效地校正色差的折射率和阿贝数的玻璃类型的选择变得更少。

当满足条件表达式6时，容易选择玻璃类型，该玻璃类型具有一边能取得佩兹伐(Petzval)和的平衡一边能良好地校正色差的折射率和阿贝数。由于这种玻璃类型的选择，可以有效地减小因环境温度变化引起的第三透镜L23a和第四透镜L23b之间的热变形的差异，可以在宽的温度变化范围内减小或消除接合透镜剥离的可能性。

更优选地，条件表达式6的参数|α3-α4|满足比条件表达式6略窄的条件表达式6A。

条件表示式6A：

3×10^-7/℃＜|α3-α4|＜13×10^-7/℃

由于成像光学系统中的所有透镜都使用由玻璃制成的透镜，因此，可以实现对环境变化和随时间变化具有良好耐受性的成像光学系统，这是因为由玻璃制成的透镜比由树脂材料制成的透镜具有更小的热膨胀系数，并且在由玻璃制成的透镜中，由于环境变化引起的光学性能变化比由树脂材料制成的透镜小。

在根据本发明的示例或实施例的成像光学系统中，当然，可以采用一个以上非球面。当采用两个或多个非球面时，第一透镜L11和第二透镜L22中的一个具有至少一个非球面，而第五透镜L24具有至少一个非球面。

构成第四透镜组G23的第五透镜L24是根据本发明的示例或实施例的成像光学系统中的最后透镜。当在最后透镜的至少一面采用非球面时，可以校正诸如畸变、球形像差、像面弯曲、和彗差等各种像差，并且与所有透镜都是球面透镜的配置或结构相比，可以缩短透镜全长，此外，可以防止最后透镜L24的折射力过度强。此外，可以容易地保持整个透镜系统中折射力的平衡，使得第一透镜L11的偏心不会以极端的方式影响像光轴的位移。

第一透镜L11和第二透镜L22中的一个采用非球面，以便防止第一透镜L11和第二透镜L22的折射力过度强，同时保持广角和良好的成像性能。当第一透镜L11采用非球面时，可以有效地减小畸变的产生，同时保持第一透镜L11的负折射力。有效地减小轴外光束的主光线向透镜面入射的角度，以便减小在第一透镜L11的欠曝光畸变的产生。通过在第一透镜L11的像侧的凹面设定从光轴向周边发散力弱那样的非球面，可以防止第一透镜L11的折射力过度增强，同时校正畸变、彗差、像散。通过抑制第一透镜L11的畸变的产生，从而抵消第一透镜L11的畸变，因此，可以有效地减小在后组G20内的透镜发生的畸变，结果，可以有效地减小各透镜因环境温度变化引起的偏心产生的畸变。

通过第二透镜L22采用非球面，以防止第二透镜L22的折射力过度增强，同时校正在第一透镜L11处发生的畸变、彗差和像散。在本发明的后述实施例中，为了校正在第一透镜L11处发生的畸变、彗差和像散，在第二透镜L22的物体侧凸面设定从光轴向周边折射力强那样的非球面，由于上述结构，在校正畸变、彗差和像散的同时，可以防止第二透镜L22的折射力过度增强。还需要注意的是，非球面透镜比球面透镜昂贵，为此，考虑到成像光学系统的成本降低，非球面透镜的使用当然要最小限度化。

本发明涉及一种成像光学系统，特别是一种像光轴位移的具体实施例如下。本发明涉及一种像光轴位移的具体实例，其中，使像光轴位移的透镜偏心是由构成成像光学系统的多个透镜中的每一个在与光轴垂直的方向的偏心引起，这种偏心由成像光学系统的环境温度变化引起。由于环境温度变化引起的透镜偏心在每个透镜上互不相同，在以下列举的实施例或与其同样的构成中，在环境温度范围-30度至70度之间，偏心度最大不超过2μm。每个透镜的偏心发生在与成像光学系统的光轴垂直的方向上，但是，这种偏心方向在多个透镜中互相不同，即使在多个透镜中，偏心量相同的情况下，因偏心方向不同，透镜偏心也不同，像光轴位移也互不相同。当各透镜在包含光轴的同一平面内偏心，使得光轴位移互相加强时，像光轴位移变为最大。为了处理这种情况，下面给出一个式子，其中，将表示包含光轴的同一平面内的第一透镜组G10、第二透镜组G21、第三透镜组G22和第四透镜组G23的偏心量的变量分别设为h1、h2、h3和h4，像光轴的位置Z设为使用函数f(h1、h2、h3、h4)：

Z＝f(h1，h2，h3，h4)

Z(0)＝f(0、0、0、0)

上式是因透镜偏心引起的像光轴没有偏移情况下的像光轴位置。

在该状态下，将第一透镜组G10到第四透镜组G23设为分别偏心Δh1、Δh2、Δh3和Δh4时，在这样的条件下像光轴的位置由下式表示：

f(Δh1，Δh2，Δh3，Δh4)

一阶近似如下：

像光轴的位移如下：

因为所有的Δh1、Δh2、Δh3和Δh4都很小，小于2μm，因此，可以忽略二阶或更高阶的变化。如上所述，构成多个透镜组的透镜的偏心不超过2μm，基于该前提，假设偏心量Δh1、Δh2、Δh3和Δh4都是2μm，像光轴的位移可以用下式表示：

在上式中，例如，当第一透镜组G10到第四透镜组G23中的第三透镜组G22偏离1微米(μm)，其它三个透镜组固定在光轴上时，

表示像光轴的位移量。

当第一透镜组G10到第四透镜组G23中的每一个偏心2μm时，像光轴位移可以通过如下计算获得:首先，当四个透镜组中只有一个偏心且其他三个透镜组固定时，计算像光轴位移，对所有四个透镜组重复此计算，将所有结果相加，最后，通过将相加结果加倍，获得像光轴的上述位移。

当执行上述计算时，每个透镜组的偏心方向设定为使得像光轴的位移互相增强。

像光轴位移优选相对最大像高为0.5％以下。

对于由成像装置读取的图像，可以电子地校正其畸变，然而，考虑到校正方法或由于校正引起的图像质量劣化，希望在成像光学系统中引起的畸变最大小于-2％。

[实施例]

下面描述成像光学系统的更具体的四个例子。各例子共同使用的符号意义如下：

f:整个光学系统的焦距

Fno:F数

半视角(度)

R:曲率半径

D:面间隔

Nd:折射率

νd:阿贝数

X表示非球面，C表示近轴曲率(近轴曲率半径为R的倒数)，H表示距光轴的高度，K表示非球面的圆锥常数，A_i表示非球面系数，i表示数2～14中的一个。X用下式表示：

X＝CH²/[1+√(1-(1+K)C²H²)]

+A₄·H⁴+A₆·H⁶+A₈·H⁸+A₁₀·H¹⁰+A₁₂·H¹²+A₁₄·H¹⁴

[第一实施例]

图2A是说明根据本发明的第一实施例的成像光学系统的透镜数据的图。

图2A的左侧栏中的数字表示从物体侧向像侧的面编号。在该面编号栏，包括孔径光阑的面编号5、对应于各种滤光器的透明平行板F1的面编号12、13、以及摄像装置的盖玻片CG的面编号14、15。图2A中的D表示面间隔，D栏最下方的BF表示盖玻片CG的从像侧面到像面Im的距离。关于透镜材料用玻璃，“OHARA”表示透镜由OHARA公司生产的玻璃制成，“SUMITA”表示透镜由SUMITA OPTICAL GLASS公司生产的玻璃制成。光学玻璃的名称(产品名称)也附在玻璃制造厂商的每一个名称之后。这一点同样适用于下文所述的其他例子。“R”表示曲率半径，“R＝∞”表示透镜面为平面。面编号附加符号“*”表示透镜面为非球面。

图2B是说明根据本发明第一实施例的成像光学系统的非球面数据的图。

关于图2B描述的数值，例如，“5.8534E-04”表示“5.8534×10^-4”。这同样适用于下面给出的其它例子。在图3A中，“f”表示第一实施例的整个光学系统的焦距，“Fno”表示F数，“2ω”表示视角，在图3A中表示各自的值。在图3B中描述与条件表达式1至6的各参数有关的量的值，在图3C中描述与条件表达式1至6的各参数的值，在图3D中描述像光轴位移的值。关于图3D中描述的像光轴位移补充说明。如上所述，像光轴位移由透镜偏心引起。根据本发明的示例或实施例的成像光学系统由包括接合透镜L23a和L23b的五个透镜构成。在图3D的左栏中，L1、L2、L34和L5分别表示第一透镜组的第一透镜L11、第二透镜组的第二透镜L22、第三透镜组的第三透镜L23a和第四透镜组的第四透镜L23b的接合透镜、以及第四透镜组的第五透镜L24。

在图3D的右栏中，对应于上述标记L1至L5之一的每个值分别表示这些透镜中仅一个偏心1微米(μm)、其他透镜的偏心量都是0场合的像光轴位移。

例如，对应于L5的“7.8E-04mm(＝0.78μm)”相当于上述描述中的

图3D中的“SUM1”表示在L1～L5的每一个中的像光轴位移之和。如上所述，该值相当于当第一透镜组到第四透镜组的每一个偏心1μm时的像光轴位移。“SUM2”相当于当第一透镜组到第四透镜组的每一个偏心2μm时的像光轴位移。

“SUM2/Y’”表示当第一透镜组到第四透镜组中的每一个偏心2μm时，在透镜单元的整个系统中的像光轴位移相对最大像高的比值。

在本发明的第一实施例中，即使当第一透镜组G10到第四透镜组G23中的每一个在像光轴位移互相加强方向偏心时，透镜单元的整个光学系统中的像光轴位移相对最大像高Y′为0.18％，充分小于0.5％。

图4是说明根据本发明第一实施例的成像光学系统中的各种像差的图。

当在环境温度为20℃的条件下形成无限远处物体的图像时，测量图4上侧所示的球形像差(spherical aberration)、像散(astigmatism)和畸变(distortion)以及图4下侧所示的彗形像差(coma aberration)。在这些表示各种像差的图中，d表示d线(λ＝587.6纳米(nm))，g表示g线(λ＝435.8纳米(nm))。在像散图中，实线表示弧矢像差，虚线表示子午像差。

[第二实施例]

图5A和图5B分别以与图2A和图2B类似的方式表示根据本发明的第二实施例的透镜数据和非球面数据。

图6A描述根据本发明的第二实施例的成像光学系统的“f:整个光学系统的焦距”、“Fno:F数”、以及“2ω:视角”。

图6B描述根据本发明的第二实施例的与条件表达式1至6的参数相关的量的值。

图6C描述根据本发明的第二实施例的条件表达式1至6的参数值。

图6D仿照图3D描述根据本发明的第二实施例的像光轴位移值。

图7是以与图4类似的方式说明根据本发明第二实施例的成像光学系统中的像差的图。

[第三实施例]

图8A和图8B分别以与图2A和图2B类似的方式表示根据本发明的第三实施例的透镜数据和非球面数据。

图9A描述根据本发明第三实施例的成像光学系统的“f:整个光学系统的焦距”、“Fno:F数”、以及“2ω:视角”。

图9B描述根据本发明的第三实施例的与条件表达式1至6的参数相关的量的值。

图9C描述根据本发明的第三实施例的条件表达式1至6的参数值。

图9D仿照图3D描述根据本发明的第三实施例的像光轴位移值。

图10是以与图4类似的方式说明根据本发明第三实施例的成像光学系统中的像差的图。

[第四实施例]

图11A和图11B分别以与图2A和图2B类似的方式表示根据本发明的第四实施例的透镜数据和非球面数据。

图12A描述根据本发明第四实施例的成像光学系统的“f:整个光学系统的焦距”、“Fno:F数”、以及“2ω:视角”。

图12B描述根据本发明的第四实施例的与条件表达式1至6的参数相关的量的值。

图12C描述根据本发明的第四实施例的条件表达式1至6的参数值。

图12D仿照图3D描述根据本发明的第四实施例的像光轴位移值。

图13是以与图4类似的方式说明根据本发明第四实施例的成像光学系统中的像差的图。

在根据本发明的上述多个实施例的成像光学系统中，不管哪一个实施例，亮度高达F数＝1.9，视角大到半视角大约为30度。如图4、7、10和13所示，在本发明的上述多个实施例中，像差以高电平校正，球形像差和轴向色差小到不会引起问题，可以忽略。像散、像面弯曲和倍率色差也足够小，彗差及其色差紊乱也很好地控制到最周边部。此外，畸变也成为绝对值小于2.0％，因此，可以减小由于环境温度变化引起的像光轴位移，以确保良好的光学性能。

在本发明的上述实施例中，描述在-30℃～70℃的环境温度范围内，由环境温度变化引起的透镜偏心从亚微米量级最大不超过2μm的情况。由于环境温度变化引起的第一透镜组G10至第四透镜组G23的透镜偏心量根据每个透镜的外径、保持透镜方式、以及透镜和保持器的线膨胀系数而不同，对于具有大外径的透镜，有时会发生10μm左右的偏心。这样，如上所述，即使在一些透镜中发生大的偏心，也可以实现一种成像光学系统，其中通过满足根据本发明的示例或实施例的透镜结构、条件表达式1至4以及条件表达式5或6，可以有效地减小由于环境温度变化引起的像光轴位移。

根据本发明实施例的照相机采用根据本发明实施例的上述成像光学系统，并且可以实现为各种成像装置，例如图像捕获照相机、检查照相机、立体照相机、车载照相机和监视照相机。作为图像捕获照相机的数字照相机的一些实施例参照图14A、图14B和图15描述。

图14A和图14B是表示根据本实施例的数字照相机100的外部外观的图。

更具体地说，图14A是数字照相机100的从前侧的透视图，图14B是数字照相机100的另一个从后侧的透视图，如图14A和图14B所示，根据本实施例的数字照相机100包括外壳(照相机主体)5，在外壳5设置例如成像光学系统1、光学取景器2、闪光灯(电子闪光)3、快门释放按钮4、电源开关6、液晶显示器7、操作键8和存储卡插槽9。如图15所示，根据本实施例的数字照相机100在外壳5内设置例如中央处理单元(CPU)11、图像处理单元12、光接收器13、信号处理单元14、半导体存储器15和数据通信卡16。在图15中，光学取景器2简单地称为“取景器”，成像光学系统1称为“摄影透镜”。光接收器13是上述成像装置。

数字照相机100包括成像光学系统1和光接收器13，光接收器13读取由成像光学系统1形成的物体的光学图像，光接收器13配置为使用例如互补金属氧化物半导体(CMOS)或电荷耦合器件(CCD)的图像传感器。根据上述第一至第四实施例的成像光学系统可用作成像光学系统1。CPU11控制信号处理单元14将光接收器13的输出转换成数字图像数据，由信号处理单元14数字化的数字图像数据在CPU11的控制下由图像处理单元12进行预定的图像处理，然后记录在半导体存储器15中，例如非易失性存储器。在这样的结构中，半导体存储器15可以是安装在存储卡插槽9中的存储卡或结合在数字照相机主体中的板载半导体存储器。

液晶显示器7可以显示正在捕获的图像或记录在半导体存储器15中的图像，记录在半导体存储器15中的图像可以通过例如插入到可用作存储卡插槽9的通信卡插槽中的通信卡16发送到外部设备。

成像光学系统1的对物面由透镜挡板覆盖，当使用者操作电源开关6使电源接通时，透镜挡板打开，使对物面露出，操作键8将记录在半导体存储器15中的图像显示在液晶显示器7上，或通过例如通信卡16将图像发送到外部设备，例如，半导体存储器15和通信卡16安装在存储卡插槽9等专用插槽或通信卡插槽等通用插槽使用。

下面参照图16A和图16B描述根据本发明的实施例的检查照相机。

检查用照相机是进行以下详细说明的所谓的产品检查的检查装置。在产品检查中可能有各种检查或检查项目，为了便于说明，描述生产和检查大量产品的情况，以检查是否存在缺损或其他类型的损坏。在图16A中，描述成像装置20、检查处理执行单元23和显示单元24。此外，描述多个产品W和产品传送带26，它们在下面的描述中简单地称为传送带26。成像装置20用作检查装置的照相机，包括成像光学系统21和图像处理单元22。要检查的产品W等间隔地放置在传送带26上，由传送带26以恒定速度沿箭头(图16A的右侧)所指示的方向传送。成像光学系统21配置为形成要检查的产品W的图像，可以是根据本发明的第一至第四实施例的成像光学系统中的任意一个。图16B是产品检查的流程图，包括准备步骤、检查步骤和结果显示步骤。根据本发明的实施例，检查步骤和结果显示步骤对应于检查过程。

在准备步骤中，设定检查条件。换句话说，成像光学系统21捕获图像的捕获位置和成像光学系统21的捕获方向(成像透镜的方向或到要捕获的物体的距离)是基于例如由传送带26传送的产品W的尺寸或形状、以及检查是否存在缺损或其它种类损坏的部位或部分来确定。然后，根据检测是否存在缺损或其它种类损坏的位置或尺寸确定成像光学系统21的位置。另一方面，将确认没有任何缺损或其它种类损坏的模型产品放置在传送带26上的检查位置，由成像透镜系统21进行拍摄，这种拍摄由图像处理单元22提供的成像装置执行，并对所拍摄图像执行图像处理以获得数字化图像数据。

作为图像处理结果获得的数字化图像数据发送到检查处理执行单元23，检查处理执行单元23将数字化图像数据存储为模型数据。在检查步骤中，产品W以与模型产品相同的方向或姿势放置在传送带26上，由传送带26顺序地传送。当产品W中的每一个传送并通过检查位置时，成像光学系统21捕获产品W的图像，图像处理单元22将捕获的图像数字化，将数字化图像数据发送到检查处理执行单元23，检查处理执行单元23由计算机或中央处理单元CPU构成，控制图像处理器22调整成像光学系统21的捕获操作或聚焦操作。

一旦接收到由图像处理单元22数字化的产品W的图像数据，检查处理执行单元23就确定所接收的图像数据是否与所存储的模型数据相匹配，当在所捕获的产品W上存在缺损或其它种类的损坏时，产品W的图像数据与模型数据不匹配，在这种情况下，产品W确定为不良产品。当捕获的产品W上不存在缺损或其它种类的损坏时，产品W的图像信息与模型信息匹配，在这种情况下，产品W确定为合格产品。在结果显示步骤中，检查处理执行单元23在显示单元24上显示每个产品是合格产品还是不良产品的确定结果。在检查装置的结构中，检查处理执行单元23和显示单元24一起构成检查处理执行单元。

参照图17，说明本发明实施例的立体照相机。在图17中，一对成像光学系统111A和111B的规格相同，根据权利要求1至4中的任何一个的成像光学系统用于一对成像光学系统111A和111B中的每一个。更具体地说，根据本发明第一至第四实施例的成像光学系统中的任何一个的成像光学系统可用于一对成像光学系统111A和111B。在图17中，说明一对成像装置112A和112B。例如，电荷耦合器件(CCD)传感器或互补金氧半导体(CMOS)传感器可用于成像装置112A和112B。一对成像光学系统111A和111B的光轴AXA和光轴AXB设置为彼此平行，隔开预定距离D配置，该预定距离D可称为基线长。成像光学系统111A在成像装置112A的受光面形成物体Ob的像，成像光学系统111B在成像装置112B的受光面上形成物体Ob的像。

成像装置112A和112B将由一对成像光学系统111A和111B形成的图像输入到控制计算单元113作为捕获图像的数据。由至少一个计算机或中央处理单元CPU配置的控制计算单元113将从成像装置112A和112B输入的图像数据数字化。然后，根据数字化的图像数据计算和获得到物体Ob的距离。换句话说，控制计算单元113电子地校正从成像装置112A和112B输入的数字化的图像数据的畸变，根据已经如上所述校正了畸变的图像数据计算和获得到物体Ob的距离。控制计算单元113根据形成在一对成像装置112A和112B上的物体Ob的像位置计算一对像位置之间的距离D+Δ。f表示成像光学系统的焦距，D表示基线长度，根据上述求得的距离D+Δ，从摄像面到物体Ob之间的距离Z可以使用下式计算：

Z＝f{1+(D/Δ)}

该距离测量由上述的立体照相机执行。

图18A和图18B是根据本发明的实施例的车载照相机114的示意图。

如图18A所示，作为摄像装置的车载照相机114提供给车辆AU，以获得车辆AU外部的视野的图像数据。如图18B所示，车载照相机114包括摄像系统120和控制计算单元113C。摄像系统120包括成像光学系统111C和摄像装置112C。提供给车辆AU的车载照相机114获得车辆外部图像的图像数据并数字化。控制计算单元113C对该数字化图像数据进行诸如图像处理之类的数字处理，处理的图像数据可以通过任何期望的装置显示。根据权利要求1至4中任一项所述的成像光学系统用于成像光学系统111C，更具体地说，根据本发明的第一至第四实施例的成像光学系统中任一项所述的成像光学系统可以用于成像光学系统111C。另外，如图18B所示，对应于车载照相机114的部件，包括成像系统120和控制计算单元113C，可以由如图17所示的立体照相机代替。换句话说，如图18A和18B所示的立体照相机可以作为车载照相机提供给车辆。

根据本发明实施例的成像光学系统用于参照图14A、图14B和图15描述的数字照相机、参照图16A和图16B描述的检查照相机、参照图17描述的立体照相机以及参照图18A和图18B描述的车载照相机，由于这些照相机能够捕获具有广视角的明亮图像并且不受环境温度的显著变化的影响，因此，这些照相机能够在宽范围的使用环境中使用。

本发明不限于上述示例实施例的细节，可以进行各种修改和改进。根据本发明实施例的照相机可以用作专门用于成像的照相机，例如主要用于记录视频的数字摄像机和使用所谓卤化银胶片的常规胶片摄像机。在许多情况下，与数字摄像机等相当的成像能力不仅集成在上述摄像机中，而且集成在各种信息终端中，包括诸如移动电话和个人数字助理(PDA)的移动信息终端和诸如具有上述终端或装置的功能的所谓智能手机和平板电脑(PC)的移动装置，根据本发明实施例的成像光学系统可以用于这样的信息终端。本发明实施例中描述的有利效果是本发明提供的优选效果，仅仅列举了优选效果，因此，本发明的有利效果不限于实施例中描述的效果。

本专利申请是基于2019年10月7日在专利厅提出的日本专利申请第2019-184705号，并要求优先权，其全部公开内容在此通过引用并入。

附图标记列表

G10 第一透镜组

L11 第一透镜

G21 第二透镜组

L22 第二透镜

G22 第三透镜组

L23a 第三透镜

L23b 第四透镜

G23 第四透镜组

L24 第五透镜

Im 成像面

CG 用于成像装置的盖玻片

F1 各种滤光器

Claims (6)

1.一种成像光学系统，包括:

第一透镜组；

第二透镜组；

孔径光阑；

第三透镜组；以及

第四透镜组；

按从物体侧到像侧的顺序排列，

所述第一透镜组由第一透镜组成，所述第一透镜是负弯月形透镜，具有面向像侧的凹面，

所述第二透镜组由作为正透镜的第二透镜组成，

所述第三透镜组由接合透镜组成，所述接合透镜包括第三透镜和第四透镜，所述第三透镜是负透镜，具有面向物体侧的凹面，所述第四透镜是正透镜，具有面向像侧的凸面，从物体侧到像侧，所述第三透镜和所述第四透镜接合而成，

所述第三透镜组整体具有负折射光焦度，

所述第四透镜组由作为正透镜的第五透镜组成，

其中，所述成像光学系统的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组按照从物体侧向像侧排列的顺序具有负、正、负、正的折射光焦度分配，

其中，满足以下第一～第四条件表达式：

0.3＜f/|f1|＜0.7

0.4＜f/|f2|＜0.7

0.4＜f/|f4|＜0.7以及

1.2＜f/|f1|+f/|f2|+f/|f3|+f/|f4|＜1.9

其中，fi表示第i透镜组的焦距，

i表示1～4中的一个，

f表示成像光学系统整体的焦距。

2.根据权利要求1所述的成像光学系统，

其中，满足第五条件表达式：

-3.0＜(R1+R2)/(R2-R1)＜-1.0

其中，R1表示所述第一透镜的物体侧面的曲率半径，R2表示所述第一透镜的像侧面的曲率半径。

3.根据权利要求1或2所述的成像光学系统，

其中，满足第六条件表达式：

|α3-α4|＜13×10^-7/℃

其中，αj表示第j透镜材料在-30℃～70℃的工作温度的平均线膨胀系数，j表示3或4。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的成像光学系统，

其中，所述第一透镜和所述第二透镜之一具有至少一个非球面，

其中，所述第五透镜具有至少一个非球面。

5.一种照相机，包括:

根据权利要求1至4中的任一项所述的成像光学系统。

6.根据权利要求5所述的照相机，

其中，所述照相机是图像捕获照相机、检查照相机、立体照相机、车载照相机和监视照相机中的任意一个。

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