CN111812800B

CN111812800B - 光学系统和具有光学系统的成像装置

Info

Publication number: CN111812800B
Application number: CN202010263252.9A
Authority: CN
Inventors: 井野友裕; 横谷真树
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2019-04-11
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2040-04-07
Also published as: US11372201B2; US20200326504A1; CN111812800A

Abstract

本发明涉及光学系统和具有光学系统的成像装置。一种光学系统，从物侧到像侧依次由具有正折光力的第一透镜单元、具有正折光力的第二透镜单元、具有负折光力的第三透镜单元组成。相邻透镜单元之间的距离在聚焦期间改变。第二透镜在聚焦期间移动。满足以下条件表达式：‑0.20<f3/f<‑0.05其中，f是聚焦在无限远处的物体上的光学系统的焦距，并且f3是第三透镜单元的焦距。

Description

光学系统和具有光学系统的成像装置

技术领域

本发明涉及适用于数字摄像机、数字静态相机、广播相机、卤化银胶片相机、监视相机等的光学系统。

背景技术

常规地，光学系统通过移动整个光学系统或移动光学系统中的透镜的一部分来执行聚焦。当光学系统是具有长焦距的远摄镜头时，镜头又大又重，使得难以通过移动整个光学系统来执行聚焦。因此，远摄镜头使用所谓的内部聚焦方法，其中通过移动除重的前透镜单元以外的相对小且轻的透镜单元来执行聚焦。使用内部聚焦方法的远摄镜头包括三个透镜单元，从物侧到像侧依次为具有正折光力的第一透镜单元、具有正或负折光力的第二透镜单元以及具有正或负折光力的第三透镜单元，并且使用第二透镜单元执行聚焦。

常规地，已经提出了一种光学系统，其中该光学系统在与光轴正交的方向上驱动部分或全部透镜，以便校正由抖动造成的图像模糊(即，执行图像稳定)。当光学系统是具有长焦距的远摄镜头时，镜头又大又重。因此，光学系统使用在垂直于光轴的方向上驱动全部或部分相对小且轻的后透镜单元来执行图像稳定的方法。

日本专利公开No.(“JP”)2012-242504公开了一种远摄镜头，其从物侧到像侧依次包括具有正折光力的第一透镜单元、具有正折光力的第二透镜单元以及具有负折光力的第三透镜单元，并使用第三透镜单元中的中间组来执行图像稳定。

JP 2014-211496公开了一种远摄镜头，其从物侧到像侧依次包括具有正折光力的第一透镜单元、具有负折光力的第二透镜单元以及具有正折光力的第三透镜单元，并使用第三透镜单元中的中间组执行图像稳定。

使用内部聚焦方法的光学系统可以通过移动小且轻的透镜单元来执行高速聚焦，但是由于聚焦透镜单元移动期间进入聚焦透镜单元的光线的高度发生很大变化，因此其光学性能可能会发生变化。特别地，在从物侧到像侧依次包括具有正折光力的第一透镜单元和具有负折光力的第二透镜单元并使用第二透镜单元执行聚焦的远摄镜头中，第二透镜单元中的像差被配置为抵消在第一透镜单元中出现的球面像差、彗差等。因此，有必要在第二透镜单元中生成大的像差，并且在聚焦期间光学性能的恶化增加。由偏心造成的光学性能的变化也增加，从而使得难以制造具有高光学性能的光学系统。

此外，有必要适当地布置每个透镜的折光力以便获得良好的图像稳定性能，同时减小远摄镜头中可能增加的重量并减小光学系统的总透镜长度。

JP 2012-242504或JP 2014-211496都没有公开在透镜数量少以减轻光学系统的重量的情况下在减少聚焦期间的光学性能恶化的同时减小总透镜长度的方法。

发明内容

本发明提供一种可以减小由于聚焦而引起的光学性能变化的轻且小的光学系统，以及具有该光学系统的成像装置。

根据本发明的一个方面的光学系统从物侧到像侧依次由具有正折光力的第一透镜单元、具有正折光力的第二透镜单元、具有负折光力的第三透镜单元组成。相邻透镜单元之间的距离在聚焦期间改变。第二透镜在聚焦期间移动。满足以下条件表达式：

-0.20<f3/f<-0.05

其中，f是聚焦在无限远处的物体上的光学系统的焦距，并且f3是第三透镜单元的焦距。

包括上述光学系统的成像装置也构成本发明的另一方面。

通过以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得清晰。

附图说明

图1图示了根据示例1的聚焦在无限远处的物体上的光学系统的截面图。

图2A和2B是根据示例1的聚焦在无限远处的物体上和4.5m距离处的物体上的光学系统的像差图。

图3图示了根据示例2的聚焦在无限远处的物体上的光学系统的截面图。

图4A和4B是根据示例2的聚焦在无限远处的物体上和6m距离处的物体上的光学系统的像差图。

图5图示了根据示例3的聚焦在无限远处的物体上的光学系统的截面图。

图6A和6B是根据示例3的聚焦在无限远处的物体上和4.5m距离处的物体上的光学系统的像差图。

图7图示了根据示例4的聚焦在无限远处的物体上的光学系统的截面图。

图8A和8B是根据示例4的聚焦在无限远处的物体上和4.5m距离处的物体上的光学系统的像差图。

图9A和9B图示了根据示例5的聚焦在无限远处的物体上的光学系统的截面图和像差图。

图10A和10B图示了根据示例6的聚焦在无限远处的物体上的光学系统的截面图和像差图。

图11A和11B图示了根据示例7的聚焦在无限远处的物体上的光学系统的截面图和像差图。

图12A和12B图示了根据示例8的聚焦在无限远处的物体上的光学系统的截面图和像差图。

图13A和13B图示了根据示例9的聚焦在无限远处的物体上的光学系统的截面图和像差图。

图14A和14B图示了根据示例10的聚焦在无限远处的物体上的光学系统的截面图和像差图。

图15A和15B图示了根据示例11的聚焦在无限远处的物体上的光学系统的截面图和像差图。

图16图示了根据本发明的成像装置的主要部分的示意图。

具体实施方式

现在参考附图，将给出根据本发明的示例的详细描述。相应附图中的对应元件将由相同的附图标记表示，并且将省略其重复描述。

图1、3、5和7中的每一个分别图示了根据示例1至4的聚焦在无限远处的物体上的光学系统(镜头)的截面图。图2A和2B、图4A和4B、图6A和6B以及图8A和8B中的每一个分别是根据示例1至4中的每一个的聚焦在无限远处的物体上和4.5m距离处的物体上的光学系统的像差图。示例1的光学系统具有582mm的焦距和11.3的F数。示例2的光学系统具有776mm的焦距和11.3的F数。示例3的光学系统具有582mm的焦距和11.3的F数。示例4的光学系统具有582mm的焦距和8.2的F数。

图9A和9B至15A和15B中的每一个分别是示例5至11中的每一个中聚焦在无限远处的物体上的光学系统的截面图和像差图。示例5的光学系统具有582mm的焦距和11.3的F数。示例6的光学系统具有776mm的焦距和11.3的F数。示例7的光学系统具有412mm的焦距和8.2的F数。示例8的光学系统具有582mm的焦距和11.3的F数。示例9的光学系统具有776mm的焦距和11.3的F数。示例10的光学系统具有585mm的焦距和11.3的F数。示例11的光学系统具有776mm的焦距和11.3的F数。

每个示例中的光学系统被用于成像装置，诸如数字摄像机、数字静态相机、广播相机、卤化银胶片相机和监视相机。每个数值示例的光学系统可以被用作用于投影装置(投影仪)的投影光学系统。

在每个截面图中，左侧是物侧(前)，而右侧是像侧(后)。每个示例中的光学系统包括多个透镜单元。在本申请的这个说明书中，透镜单元包括一个透镜或多个透镜，并且在透镜单元中，各透镜在聚焦期间一体地移动。即，在每个示例中的光学系统中，在从无限远处的物体到近处的物体的聚焦期间，相邻透镜单元之间的距离改变。透镜单元可以包括单个透镜，或者可以包括多个透镜。而且，透镜单元可以包括孔径光阑。

在每个截面图中，当i是从物侧起的透镜单元的次序时，Li表示第i个透镜单元。SP表示孔径光阑。IP表示像面。当每个示例的光学系统被用在数字静态相机或数字摄像机中时，像面IP是诸如CCD传感器或CMOS传感器之类的固体图像传感器(光电转换元件)的成像面。当每个示例的光学系统被用在卤化银胶片相机中时，像面IP是与胶片表面对应的感光表面。在像面IP的物侧，可以部署与滤光器、面板、低通滤波器、红外截止滤波器等对应的光学块。

在球面像差图中，Fno是F数，并且表示相对于d线(波长587.6nm)和g线(波长435.8nm)的球面像差量。在像散图中，S表示对于d线的矢状像面上的像散量，并且M表示对于d线的子午像面上的像散量。畸变图表示d线的畸变量。色差图表示对于g线的色差量。ω表示半视角。

本发明的光学系统从物侧到像侧依次包括具有正折光力的第一透镜单元L1、具有正折光力的第二透镜单元L2和具有负折光力的第三透镜单元L3。在第二透镜单元L2和第三透镜单元L3之间设置有孔径光阑SP。通过使第二透镜单元L2向物侧移动，光学系统执行从无限远处的物体到近处的物体的聚焦。

本发明的光学系统通过使用远摄型折光力布置来减小总透镜长度(总光学长度)，该远摄型折光力布置包括：由具有正折光力的第一透镜单元L1和具有正折光力的第二透镜单元L2组成的具有正折光力的前组，以及由具有负折光力的第三透镜单元L3组成的后组。

本发明的光学系统可以通过使具有正折光力的第二透镜单元L2分享其中近轴边缘光线高并且球面像差、彗差、轴上色差等大量生成的第一透镜单元L1的折光力来特别抑制高阶像差的生成。

本发明可以减少由偏心造成的光学性能的变化，并且可以提高制造的容易性。

在本发明的光学系统中，与其中第二透镜单元具有负折光力的负折光力布置中相比，第一透镜单元L1的折光力较小，从而使得能够减小进入作为聚焦透镜单元的第二透镜单元L2的光线的入射角。因此，本发明可以减小在聚焦期间进入第二透镜单元L2的光线的高度变化，从而使得能够减小在聚焦期间光学性能的变化。

在本发明的光学系统中，第一透镜单元L1中最靠近像侧的透镜是负透镜。通过将具有负折光力的透镜部署在聚焦透镜单元的物侧，本发明可以进一步减小进入聚焦透镜单元的光线的入射角和聚焦期间光学性能的变化。

本发明的光学系统可以将远摄型布置用于第一透镜单元L1中的折光力的布置，因此能够减小透镜的尺寸。

本发明的光学系统满足以下条件表达式(1)：

-0.32<f3/f<-0.05(1)

其中，f是聚焦在无限远处的物体上的光学系统的焦距，并且f3是第三透镜单元L3的焦距。

条件表达式(1)用于减小总透镜长度，同时确保良好的光学性能。如果第三透镜单元L3的折光力如此之大以至于该值高于条件表达式(1)的上限，那么对于孔径光阑SP而言不对称的远摄型折光力布置的效果太强，从而增强离轴像差，诸如场曲和畸变。另一方面，如果第三透镜单元L3的折光力如此之小以至于该值低于条件表达式(1)的下限，那么远摄型折光力布置的效果减小，并且整个透镜长度增加。

在每个数值示例中，第三透镜单元L3从物侧到像侧依次包括具有负折光力的第一部分单元3A、具有负折光力的第二部分单元3B和具有正折光力的第三部分单元3C。在图像稳定(模糊校正)期间，第二部分单元3B在包括与光轴正交的分量的方向上移动。

由于第一部分单元3A具有负折光力，因此第三透镜单元L3的前主点在物侧，从而使得能够减小总透镜长度。

本发明的光学系统可以满足以下条件表达式(2)：

0.01<D3A/f<0.05(2)

其中D3A是第一部分单元3A和第二部分单元3B之间在光轴上的空气距离。

条件表达式(2)用于减小总透镜长度，同时适当地维持图像稳定中的灵敏度。如果在第一部分单元3A和第二部分单元3B之间的光轴上的空气距离D3A过长，使得该值大于条件表达式(2)的上限，那么总透镜长度增加。这种情况减小了第三部分单元3C和像面之间的距离以及第三部分单元3C的横向倍率，结果，图像稳定中的灵敏度减小。此外，由于第二部分单元3B部署在后方，因此透镜直径变大以获得周边光束，并且因此透镜重量增加，使得在图像稳定时难以驱动。另一方面，如果第一部分单元3A和第二部分单元3B之间的光轴上的空气距离D3A如此之短以至于该值小于条件表达式(2)的下限，那么第三透镜单元L3和像面之间的距离增加，并且第三部分单元3C的横向倍率增加。结果，图像稳定中的灵敏度如此之高，以至于第二部分单元3B响应于在成像时的诸如快门震动之类的微小振动而微小地移动，从而造成图像模糊。

本发明的光学系统可以满足以下条件表达式(3)：

-0.30<f3B/f<-0.05(3)

其中，f3B是第二部分单元3B的焦距。

条件表达式(3)用于减小总透镜长度，同时适当地设置图像稳定中的灵敏度。如果第二部分单元3B的折光力如此之小以至于该值高于条件表达式(3)的上限，那么在图像稳定期间必须使透镜在光轴方向上大量移动。因此，透镜驱动机构的尺寸增加，并且光学系统的尺寸增加。另一方面，如果第二部分单元3B的折光力如此之大以至于该值低于条件表达式(3)的下限，那么第三透镜单元L3不能完全校正各种像差，特别地是像散增加。

本发明的光学系统可以满足以下条件表达式(4)：

0.40<L/f<0.70(4)

其中，L是聚焦于无限远处的物体上的光学系统的总透镜长度。

条件表达式(4)用于减小总透镜长度，同时确保优良的光学性能。如果总透镜长度如此之长以至于该值大于条件表达式(4)的上限，那么光学系统的尺寸增大。另一方面，如果总透镜长度如此之小以至于该值小于条件表达式(4)的下限，那么第一透镜单元L1球面像差、彗差、轴上色差、以及横向色差的生成增加太多以至于不能充分校正每个像差，从而难以确保高光学性能。在这种情况下，为了确保高光学性能，有必要增加第一透镜单元L1中的透镜数量，从而使得不可能减轻重量。

另外，本发明的光学系统可以满足以下条件表达式(5)。

-1.20<f3A/f<-0.20(5)

其中，f3A是第一部分单元3A的焦距。

条件表达式(5)用于减小总透镜长度，同时确保优良的光学图像性能。如果第一部分单元3A的光焦度如此之大以至于该值大于条件表达式(5)的上限，那么场曲增加，因此光学性能减小。另一方面，如果第一部分单元3A的光焦度如此之小以至于该值低于条件表达式(5)的下限，那么远摄型布置的效果减小，从而使得难以减小总透镜长度。

本发明的光学系统可以满足以下条件表达式(6)

-4.00<(1-β3B)×β3C<-2.00(6)

其中，β3B是第二部分单元3B的横向倍率，并且β3C是第三部分单元3C的横向倍率。

条件表达式(6)用于适当地设置作为图像稳定光学系统的第二部分单元3B的横向倍率和部署在第二部分单元3B的像侧的第三部分单元3C的横向倍率的组合。如果该值高于条件表达式(6)的上限，那么在图像稳定期间第二部分单元3B的移动量会增加，并且光学系统的直径会增加。另一方面，如果该值小于条件表达式(6)的下限，那么在图像稳定期间像差的变化会增加。如果该值小于条件表达式(6)的下限，那么图像稳定中的灵敏度如此之大以至于当图像稳定光学系统由于除图像稳定以外的原因而移动时出现图像模糊。

条件表达式(1)至(6)的数值范围可以分别设置为以下条件表达式(1a)至(6a)中的数值范围。

-0.260<f3/f<-0.075 (1a)

0.0125<D3A/f<0.0375 (2a)

-0.200<f3B/f<-0.055 (3a)

0.43<L/f<0.65 (4a)

-1.15<f3A/f<-0.30 (5a)

-3.50<(1-β3B)×β3C<-2.20 (6a)

条件表达式(1)至(6)的数值范围可以分别设置为以下条件表达式(1b)至(6b)中的数值范围。

-0.20<f3/f<-0.10 (1b)

0.015<D3A/f<0.025 (2b)

-0.15<f3B/f<-0.05 (3b)

0.46<L/f<0.60 (4b)

-1.10<f3A/f<-0.40 (5b)

-3.00<(1-β3B)×β3C<-2.40 (6b)

将描述本发明的光学系统的其它条件。首先，可以满足以下条件表达式：

4.50≤fDOE/f≤30.00(7)

其中，fDOE是第一透镜单元L1中包括的衍射光学元件的衍射表面D的焦距。

条件表达式(7)与衍射光学元件的衍射表面D的折光力相关，并且表示用于获得良好光学性能的条件。通过考虑由衍射表面给出的光谱曲线，可以使用以下多项式表示衍射表面D的相位形状ψ：

ψ(h,m)＝{2πm/(λ₀)}(C2h²+C4h⁴+C6h⁶+C8h⁸+C10h¹⁰…)

其中，h是在垂直于光轴的方向上距光轴的高度，m是衍射光的衍射阶数，λ₀是参考波长，并且Ci是相位系数(i＝2，4，6，8，10...)。

此时，以下表达式可以表示在参考波长λ₀处衍射阶数m＝1的光的衍射表面的折光力

其中，C2是相位系数。作为参考波长，例如，可以使用d线。

以下表达式可以表示衍射表面的焦距：

fDOE＝-1/(2×C2)

由于衍射光学元件的材料具有负的阿贝数(νd＝-3.453)，因此，对衍射表面给予正的折光力可以校正在第一透镜单元L1中生成的轴上色差和横向色差。另外，由于衍射表面具有正折光力，因此可以在衍射表面与第一透镜单元L1之间分享正折光力。因此，能够校正球面像差和彗差。据此，通过改变衍射光学元件的周期性结构可以获得非球面效果，并且第一透镜单元L1可以包括最少数量的正透镜，从而使得能够减轻第一透镜单元L1和光学系统的重量。

如果衍射表面的折光力如此之小以至于fDOE/f的值高于条件表达式(7)的上限，那么可能无法令人满意地校正轴上色差和横向色差。另一方面，如果衍射表面的折光力如此之大以至于fDOE/f的值低于条件表达式(7)的下限，那么纵向色差和横向色差可能被过度校正，因此会大量生成颜色球面像差。

条件表达式(7)的数值范围可以如下。

5.50≤fDOE/f≤28.00 (7a)

条件表达式(7)的数值范围可以如下。

6.50≤fDOE/f≤26.00 (7b)

可以满足以下条件表达式中的至少一个：

0.20≤f1/f≤1.60 (8)

0.10≤f2/f≤0.72 (9)

其中，f1是第一透镜单元的焦距，并且f2是第二透镜单元的焦距。

条件表达式(8)涉及第一透镜单元L1的折光力(焦距的倒数)，并且表示在确保光学性能的同时减小光学系统的尺寸的条件。如果第一透镜单元L1的折光力如此之小以至于f1/f的值高于条件表达式(8)的上限，那么远摄型折光力布置的效果会减小，从而使得难以减小光学系统的尺寸。如果第一透镜单元L1的折光力如此之大以至于f1/f的值低于条件表达式(8)的下限，那么第一透镜单元L1会大量生成球面像差、彗差、轴上色差和横向色差，从而使得在使用衍射光学元件的配置中在第一透镜单元L1包括最少数量的透镜时难以确保高光学性能。

条件表达式(9)涉及第二透镜单元L2的折光力，并且表示在确保光学性能的同时减小光学系统的尺寸的条件。如果第二透镜单元L2的折光力如此之大以至于f2/f的值低于条件表达式(9)的下限，那么第二透镜单元L2中生成的像差会增加，因此聚焦期间光学性能的变化会增加，从而使得难以确保高光学性能。如果第二透镜单元L2的折光力如此之小以至于f2/f的值大于条件表达式(9)的上限，那么第二透镜单元L2在聚焦期间的移动量会如此之大以至于光学系统的尺寸会大。

条件表达式(8)的数值范围可以如下。

0.25≤f1/f≤1.40 (8a)

条件表达式(8)的数值范围可以如下。

0.30≤f1/f≤1.20 (8b)

条件表达式(9)的数值范围可以如下。

0.12≤f2/f≤0.70 (9a)

条件表达式(9)的数值范围可以如下。

0.14≤f2/f≤0.65 (9b)

在每个示例中，第一透镜单元L1从物侧到像侧依次包括具有正折光力的包括衍射光学元件的第1a透镜单元(第一部分单元)和具有负折光力的与第1a透镜单元相距一距离而部署的第1b透镜单元(第二部分单元)。当将具有正折光力的第1a透镜单元部署在第一透镜单元L1的物侧时，能够减小第一透镜单元L1的像侧的透镜直径和光学系统的重量。通过在近轴边缘光线和近轴主光线在距光学系统中的光轴最高的高度处通过的第1a透镜单元中包括衍射光学元件，可以大大减少色差。衍射光学元件以高色散生成颜色球面像差。但是，通过将具有负折光力的第1b透镜单元部署在第一透镜单元L1的像侧，衍射表面和负第1b透镜单元可以校正在正的第1a透镜单元中生成的球面像差，从而使得能够确保良好的光学性能。

可以满足以下条件表达式中的至少一个：

0.09≤f1a/f1≤1.20 (10)

-1.60≤f2b/f1≤-0.03 (11)

其中，f1a是第1a透镜单元的焦距，并且f1b是第1b透镜单元的焦距。

条件表达式(10)涉及第1a透镜单元的折光力，并且表示在确保光学性能的同时减小光学系统的尺寸的条件。如果第1a透镜单元的折光力如此之小以至于f1a/f1的值大于条件表达式(10)的上限，那么像侧透镜单元上的透镜直径可以大于第一透镜单元L1的透镜直径，从而使得不可能减小成像光学系统的尺寸。第一透镜单元L1具有远摄型折光力布置，包括具有正折光力的第1a透镜单元和具有负折光力的第1b透镜单元。但是，如果第1a透镜单元的折光力小，那么可能无法减小第一透镜单元L1的总长度。如果第一透镜单元L1的折光力如此之大以至于f1a/f1的值小于条件表达式(10)的下限，那么第1a透镜单元增加球面像差、彗差、纵向色差和横向色差的生成。因此，可能难以在使用衍射光学元件的配置中在第一透镜单元L1包括最少数量的透镜的同时确保高光学性能。

条件表达式(11)涉及第1b透镜单元的折光力，并且表示用于在确保光学性能的同时减小光学系统的尺寸的条件。如上所述，第一透镜单元L1具有远摄型折光力布置。但是，如果第1b透镜单元的折光力如此之小以至于f2b/f1的值高于条件表达式(11)的上限，那么第一透镜单元L1的远摄型折光力布置的上述效果可能减小，从而使得不可能减小第一透镜单元L1的总长度。如果第一透镜单元L1的折光力如此之大以至于f2b/f1的值低于条件表达式(11)的下限，那么可能难以校正在第1a透镜单元中生成的球面像差、彗差、轴上色差和横向色差。

条件表达式(10)的数值范围可以如下。

0.12≤f1a/f1≤1.00 (10a)

条件表达式(10)的数值范围可以如下。

0.15≤f1a/f1≤0.90 (10b)

条件表达式(11)的数值范围可以如下。

-1.50≤f2b/f1≤-0.05 (11a)

条件表达式(11)的数值范围可以如下。

-1.20≤f2b/f1≤-0.06 (11b)

第二透镜单元L2可以包括具有正折光力的单个透镜。这可以减轻在聚焦期间移动的第二透镜单元L2的重量。

可以满足以下条件表达式：

ρGp≤3.00[g/cm³] (12)

其中，ρGp是包括在第一透镜单元L1和第二透镜单元L2中的至少一个中的所有正透镜Gp的材料的比重。

条件表达式(12)指定正透镜Gp的材料的比重ρGp。如果正透镜Gp的材料的比重ρGp大于条件表达式(12)的上限，那么正透镜Gp的重量会增加，从而使得难以减小光学系统的重量。

条件表达式(12)的数值范围可以如下。

ρGp≤2.90[g/cm³] (12a)

条件表达式(12)的数值范围可以如下。

ρGp≤2.80[g/cm³] (12b)

在示例1、2和4的每一个中，为了进一步减少透镜的数量，将衍射光学元件部署在最物侧的正透镜单元上，其中近轴边缘光线和近轴主光线在距光学系统中的光轴最高的高度处通过。因此，能够用少量透镜大大减少色差。由于衍射光学元件具有负阿贝数(νd＝-3.453)，因此当衍射表面具有正折光力时，能够校正在第一透镜单元L1中生成的轴上色差和横向色差。通过具有正折光力，衍射表面可以在第一透镜单元L1中分享正折光力，并且可以校正球面像差和彗差。同时，通过使用由改变衍射光学元件的周期性结构造成的非球面效果，第一透镜单元L1的正透镜可以包括最少数量的透镜，从而使得能够减轻光学系统的重量。

在示例5至11中的每一个中，光学系统包括11个或更少的透镜。在使具有小直径的第三透镜单元L3校正在第一和第二透镜单元L1和L2中生成的像差的同时，每个示例通过减少构成具有大直径的第一透镜单元L1和第二透镜单元L2中的每一个的透镜的数量来减轻光学系统的重量。在这种情况下，随着第三透镜单元L3中透镜数量的增加，像差被更好地校正。但是，如果透镜的总数为12或更多，那么不可能减轻光学系统的重量。因此，可以使用11个或更少的透镜。

现在将给出每个透镜单元的构造的描述。在示例1和4中的每一个中，第一透镜单元L1从物侧到像侧依次包括胶合透镜(该胶合透镜包括双凸透镜和在物侧具有凹表面的负弯月形透镜)，以及在物侧具有凹表面的负弯月形透镜。胶合透镜在胶合表面上具有衍射表面。上述方法被用于减少由纵向色差、横向色差和聚焦造成的光学性能的变化。在示例2中，第一透镜单元L1从物侧到像侧依次包括在物侧具有凸表面的正弯月形透镜、双凸透镜和双凹透镜的胶合透镜，以及在物侧具有凹表面的负弯月形透镜。胶合透镜在胶合表面上具有衍射表面。在示例3中，第一透镜单元L1从物侧到像侧依次包括在物侧具有凸表面的正弯月形透镜、双凸透镜、在物侧具有凸表面的正弯月形透镜、以及双凹透镜。

在示例1中，第二透镜单元L2仅包括单个双凸透镜。在示例2至4中，第二透镜单元L2仅包括在物侧具有凸表面的单个正弯月形透镜。通过使用具有单个正透镜的第二透镜单元L2，能够减轻透镜重量，因此可以实现高速聚焦。在每个示例中，第二透镜单元L2具有单个透镜，以减轻透镜重量并提高聚焦速度。但是，能够使用多个透镜来配置第二透镜单元L2以改善光学系统的性能。

在示例1、2和4中的每一个中，第三透镜单元L3包括：第一部分单元3A，其包括双凹透镜和双凸透镜的胶合透镜；第二部分单元3B，其由双凹透镜、以及双凸透镜与双凹透镜的胶合透镜构成；以及第三部分单元3C，其由双凸透镜构成。在示例3中，第三透镜单元L3包括：由双凹透镜和双凸透镜的胶合透镜构成的第一部分单元3A，由双凹透镜、以及双凸透镜和双凹透镜的胶合透镜构成的第二部分单元3B，以及由在像侧具有凸表面的正弯月形透镜构成的第三部分单元3C。

在示例1至4中的每个示例中，第二部分单元3B通过在与光轴正交的方向上移动来执行图像稳定。在示例1至4中的每个示例中，第二部分单元3B包括三个单元。为了抑制图像稳定期间色差的变化，第二部分单元3B可以包括两个或更多个单元。

在示例5至11中的每个示例中，第一透镜单元L1中的第1a透镜单元包括具有衍射表面D的衍射光学元件DOE。示例5、7、8和10中的每个示例在第1a透镜单元L1a中最靠近物体的透镜上设置衍射光学元件DOE，并且示例6、9和11中的每个示例在第1a透镜单元L1a中从物侧起的第二透镜上设置衍射光学元件DOE。

在示例5和7中的每个示例中，第一透镜单元L1包括三个透镜。在示例6、8、9和11中的每个示例中，第一透镜单元L1包括四个透镜。在示例10中，第一透镜单元L1包括两个透镜。在示例5至11中的每个示例中，第1b透镜单元Llb包括单个负透镜。如上所述，在示例5至11中的每个示例中，第一透镜单元L1包括四个或更少的透镜。

在示例5和7中的每个示例中，整个系统包括十个透镜，并且在示例6、8、9和11中的每个示例中，整个系统包括十一个透镜。在示例10中，整个系统包括八个透镜。如上所述，在示例5至11中，整个系统包括11个或更少的透镜。

以下给出分别与示例1至11对应的数值示例1至11。在每个数值示例的表面数据中，r表示每个光学表面的曲率半径，并且d(mm)表示第m个表面和第(m+1)个表面之间的轴上距离(光轴上的距离)。在此，m是从光入射侧起计数的表面的次序。nd表示每个光学构件相对于d线的折射率，并且νd表示光学构件的阿贝数。某种材料的阿贝数νd由以下表达式表述：

νd＝(Nd-1)/(NF-NC)

其中Nd、NF和NC是夫琅和费(Fraunhofer)d线(587.6nm)，F线(486.1nm)，C线(656.3nm)和g线(435.8nm)处的折射率。

在每个数值示例中，d，焦距(mm)，F值和半视角(度)都是当根据每个示例的光学系统聚焦在无限远处的物体上时的值。后焦距(BF)表示从最后一个透镜表面(最靠近像侧的透镜表面)到像面(近轴像面)的光轴上的表示为空气转换长度的距离。“总透镜长度”是通过将后焦距加到从光学系统的前透镜表面(最靠近物侧的透镜表面)到最后一个透镜表面的光轴上的距离而获得的长度。“透镜单元”不限于由多个透镜组成的透镜单元，而是还包括由单个透镜组成的透镜单元。

衍射光栅的相位形状ψ可以用以下表达式表述：

ψ(h,m)＝(2π/mλ₀)×(C1·h²+C2·h⁴+C3·h⁶+…)

其中，m是衍射光的衍射阶数，λ₀是设计波长，h是在与光轴正交的方向上距光轴的高度，并且Ci(i＝1，2，3…)是相位系数。

当光学表面是非球面时，在表面编号的右侧显示(衍射)。非球面形状由以下表达式表述：

x＝(h²/R)/[1+{1-(1+k)(h/R)²}^1/2+A4×h⁴+A6×h⁶+A8×h⁸+A10×h¹⁰

其中，X是在光轴方向上距表面顶点的位移量，h是在与光轴正交的方向上距光轴的高度，R是近轴曲率半径，k是圆锥常数，A4、A6、A8和A10是各阶的非球面系数。各个非球面系数中的“e±XX”表示“×10^±XX”。

表1总结了与以上在数值示例1至4中描述的条件表达式(1)至(6)对应的值。表2总结了与以上在数值示例5至11中描述的条件表达式(1)和(7)至(11)对应的值。表2中的条件表达式(12)的数值表示第一透镜单元L1和第二透镜单元L2的所有正透镜Gp的材料的比重ρGp当中的最大值。

[数值示例1]

单位mm

表面数据

非球面数据

第二表面(衍射表面)

A2＝-4.47403e-005 A4＝1.03980e-008 A6＝-5.47538e-012A8＝2.97170e-015A10＝-1.66936e-018

各种数据

变焦比 1.00

聚焦在无限远处聚焦在4.5m距离的物体上的状态处的物体上的状态

d5 17.42 2.51

d7 19.23 34.14

透镜单元数据

[数值示例2]

单位mm

表面数据

非球面数据

第四表面(衍射表面)

A2＝-4.52286e-005 A4＝6.40571e-009 A6＝-8.87101e-013 A8＝-7.49305e-016 A10＝5.24559e-019

各种数据

变焦比 1.00

聚焦在无限远处聚焦在6m距离处的物体上的状态的物体上的状态

d7 32.49 16.04

d9 20.22 36.67

透镜单元数据

[数值示例3]

单位mm

表面数据

各种数据

变焦比 1.00

d8 73.90 55.33

d10 2.10 20.67

透镜单元数据

[数值示例4]

单位mm

表面数据

非球面数据

第二表面(衍射表面)

A2＝-3.30742e-005 A4＝3.39180e-009 A6＝-3.87395e-013 A8＝-4.34279e-016 A10＝1.36105e-019

各种数据

变焦比 1.00

d5 21.82 2.50

d7 38.83 58.15

透镜单元数据

[数值示例5]

单位mm

表面数据

可变距离数据

表面编号聚焦在无限远处聚焦在近处的物体的物体上的状态上的状态

5 16.25 3.50

7 22.19 34.94

非球面数据

第二表面(衍射表面)

C2＝-4.69717e-005 C4＝1.13471e-008 C6＝-2.69625e-012C8＝-4.35136e-015C10＝2.95662e-018

各种数据

透镜单元数据

[数值示例6]

单位mm

表面数据

可变距离数据

7 35.90 21.25

9 21.43 36.08

非球面数据

第四表面(衍射表面)

C2＝-5.38010e-005 C4＝6.66877e-009 C6＝-3.04640e-013

C8＝-3.57268e-015 C10＝2.50469e-018

各种数据

透镜单元数据

[数值示例7]

单位mm

表面数据

可变距离数据

5 8.12 2.30

7 4.43 10.25

非球面数据

第二表面(衍射表面)

C2＝-5.69880e-005 C4＝2.16776e-008 C6＝-4.89942e-012

C8＝-1.44578e-014 C10＝9.74023e-018

各种数据

透镜单元数据

[数值示例8]

单位mm

表面数据

可变距离数据

7 15.03 9.03

9 19.84 25.85

非球面数据

第二表面(衍射表面)

C2＝-3.73550e-005 C4＝7.81816e-009 C6＝-1.24575e-012

C8＝-3.88784e-015 C10＝2.19731e-018

各种数据

透镜单元数据

[数值示例9]

单位mm

表面数据

可变距离数据

7 27.95 2.00

9 10.31 36.25

非球面数据

第四表面(衍射表面)

C2＝-8.46209e-005 C4＝8.05036e-009 C6＝4.47418e-012

C8＝-3.09391e-014 C10＝2.99779e-017

各种数据

透镜单元数据

[数值示例10]

单位mm

表面数据

可变距离数据

4 15.97 3.00

6 35.15 48.12

非球面数据

第二表面(衍射表面)

C2＝-3.44607e-005 C4＝3.35845e-009 C6＝2.47911e-012

C8＝-6.28763e-015 C10＝3.08099e-018

各种数据

透镜单元数据

[数值示例11]

单位mm

表面数据

可变距离数据

7 31.57 20.19

9 20.65 32.03

非球面数据

第四表面(衍射表面)

C2＝-5.30685e-005 C4＝6.50309e-009 C6＝8.51402e-014

C8＝-4.32035e-015 C10＝3.14377e-018

各种数据

透镜单元数据

[表1]

[表2]

成像装置

现在将参考图16给出使用本发明的光学系统作为成像光学系统的数字静态相机(成像装置)的描述。图16图示了本发明中成像装置的主要部分的示意图。在图16中，附图标记10表示相机主体，并且附图标记11表示使用根据示例1至11中的任一个的光学系统之一的成像光学系统。附图标记12表示被配置为接收由成像光学系统11形成的光学图像并执行光电转换的固体图像传感器(光电转换元件)，诸如CCD传感器或CMOS传感器。相机主体10可以是具有快速转向镜的所谓的单镜头反光相机，或者可以是不具有快速转向镜的所谓无镜相机。

通过将本发明的光学系统应用于诸如数字静态相机之类的成像装置，本发明可以提供具有短的总长度和小的透镜系统、同时确保高聚焦性能的成像装置。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims

1.一种光学系统，所述光学系统包括多个透镜单元，

其中，所述多个透镜单元从物侧到像侧依次由以下单元组成：

具有正折光力的第一透镜单元；

具有正折光力的第二透镜单元；以及

具有负折光力的第三透镜单元，

其特征在于，在聚焦期间相邻透镜单元之间的距离改变，

其中，第二透镜单元在聚焦期间移动，

其中，第三透镜单元从物侧到像侧依次由具有负折光力的第一部分单元、具有负折光力的第二部分单元、以及具有正折光力的第三部分单元组成，

其中，第二部分单元在图像稳定期间在包括与光轴正交的分量的方向上移动，并且

其中，满足以下条件表达式：

-0.20<f3/f<-0.05

-1.10<f3A/f<-0.40

其中，f是聚焦在无限远处的物体上的光学系统的焦距，f3是第三透镜单元的焦距，并且f3A是第一部分单元的焦距。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，满足以下条件表达式：

0.01<D3A/f<0.05

其中，D3A是第一部分单元和第二部分单元之间的光轴上的距离。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，满足以下条件表达式：

-0.30<f3B/f<-0.05

其中，f3B是第二部分单元的焦距。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，满足以下条件表达式：

-4.00<(1-β3B)×β3C<-2.00

其中，β3B是第二部分单元的横向倍率，并且β3C是第三部分单元的横向倍率。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，第二部分单元由至少一个正透镜和至少一个负透镜组成。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，满足以下条件表达式：

0.40<L/f<0.70

其中，L是在聚焦在无限远处的物体上的状态下光学系统的总透镜长度。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，第一透镜单元由四个或更少的透镜组成。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，第一透镜单元包括衍射光学元件。

9.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，满足以下条件表达式：

4.50≤fDOE/f≤30.00

其中，fDOE是衍射光学元件的衍射表面的焦距。

10.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，满足以下条件表达式：

0.20≤f1/f≤1.60

其中，f1是第一透镜单元的焦距。

11.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，满足以下条件表达式：

0.10≤f2/f≤0.72

其中，f2是第二透镜单元的焦距。

12.根据权利要求8所述的光学系统，

其特征在于，第一透镜单元从物侧到像侧依次由具有正折光力的包括衍射光学元件的第一子单元、以及具有负折光力的部署在距第一子单元一距离处的第二子单元组成。

13.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，衍射光学元件设置在第一子单元中最靠近物侧的透镜上。

14.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，衍射光学元件设置在第一子单元中从物侧起的第二透镜上。

15.根据权利要求12或13所述的光学系统，其特征在于，满足以下条件表达式：

0.09≤f1a/f1≤1.20

其中，f1a是第一子单元的焦距。

16.根据权利要求12或13所述的光学系统，其特征在于，满足以下条件表达式：

-1.60≤f1b/f1≤-0.03

其中，f1b是第二子单元的焦距。

17.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，满足以下条件表达式：

ρGp≤3.00

其中，ρGp是包括在第一透镜单元和第二透镜单元中的每个正透镜的最大比重。

18.一种成像装置，其特征在于，包括：

根据权利要求1至17中的任一项所述的光学系统；以及

图像传感器，被配置为接收由光学系统形成的图像。