光学系统和成像装置的制作方法

本发明涉及光学系统和成像装置。
背景技术：
：为了高速聚焦和聚焦期间的小的像差变动，对具有2.0或更小的f数并且意欲用于中望远成像(mediumtelephotoimaging)的大孔径透镜存在需求。欧洲专利no.3015897a讨论了由从物侧到像侧依次布置的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和具有正折光力的第三透镜单元构成的光学系统。该光学系统是其中具有相对轻重量的第二透镜单元在聚焦期间移动的内聚焦型光学系统。在欧洲专利no.3015897a中讨论的光学系统包括被布置为最接近第一透镜单元的像侧的孔径光阑，并且具有2.9或更大的f数。如果实现具有与在欧洲专利no.3015897a中讨论的配置相同的配置但具有更小的f数和更短的后焦距的透镜系统，则诸如球面像差、畸变像差和像场弯曲的像差以及聚焦期间的像差变动可能增大。技术实现要素：根据本发明的某个方面，一种光学系统，包括：邻近的透镜单元之间的距离在聚焦期间改变的多个透镜单元，所述多个透镜单元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和具有负折光力的第三透镜单元，并且第一到第三透镜单元从物侧到像侧被依次布置，其中，第二透镜单元在从无限远到最近距离的聚焦期间向物侧移动，第二透镜单元包括孔径光阑，并且，满足以下的条件式：1.0<d3/bf<3.0这里，d3是第三透镜单元在光学系统的光轴上的长度，并且bf是后焦距。从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。附图说明图1是示出根据第一示例性实施例的变焦透镜的截面图。图2是示出根据第一示例性实施例的变焦透镜的像差图的示图。图3是示出根据第二示例性实施例的变焦透镜的截面图。图4是示出根据第二示例性实施例的变焦透镜的像差图的示图。图5是示出根据第三示例性实施例的变焦透镜的截面图。图6是示出根据第三示例性实施例的变焦透镜的像差图的示图。图7是示出成像装置的配置的示图。具体实施方式以下将参照附图详细描述根据本发明的示例性实施例的光学系统和成像装置。以下描述的本发明的实施例中的每一个可被单独地实现，或者，在必要的情况下或者在在单个实施例中组合来自各单个实施例的要素或特征有益的情况下，实现为多个实施例或其特征的组合。[光学系统的示例性实施例]根据示例性实施例的光学系统是在诸如视频照相机、数字照相机、卤化银胶片照相机和电视照相机的成像装置中实现的成像光学系统。图1、图3和图5是分别示出光学系统的截面图，其中，物侧(前方)被示为左，像侧(后方)被示为右。在截面图中的每一个中，第i个透镜单元由li表示，这里，i表示从物侧到像侧的透镜单元的次序。孔径光阑sp确定(限制)最大孔径(f-no)处的发光通量。如果在诸如视频照相机和数字照相机的成像装置中实现根据示例性实施例的光学系统，则像面ip对应于诸如电荷耦合器件(ccd)传感器和互补金属氧化物(cmos)传感器的固态图像传感器(光电转换元件)。如果在作为卤化银胶片照相机的成像装置中实现根据示例性实施例的光学系统，则像面ip对应于胶片表面。在从无限远到最近距离的聚焦期间，如各图中的箭头所示的那样，作为聚焦透镜单元的第二透镜单元l2向物侧移动。在各球面像差图中，实线代表d线(波长587.60nm)处的球面像差，点线代表f线(波长486.10nm)处的球面像差，虚线代表c线(波长656.30nm)处的球面像差，双点虚线代表g线(波长435.80nm)处的球面像差。在像散图中，实线s代表弧矢像面处的像散，虚线m代表子午像面处的像散。在各畸变像差图中示出d线处的畸变像差。在各色差图中示出g线处的色差。根据本发明的示例性实施例的光学系统包括从物侧到像侧依次布置的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。根据后面描述的各示例性实施例的光学系统包括从物侧到像侧依次布置的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。在从无限远到最近距离的聚焦期间，第二透镜单元l2移动以改变邻近的透镜单元之间的距离。第二透镜单元l2包括孔径光阑sp。在聚焦期间，也可以通过移动孔径光阑sp减少由于聚焦导致的像差变动。根据各示例性实施例的光学系统满足以下的条件式：1.0<d3/bf<3.0(1)d3是第三透镜单元l3的光轴上的长度。bf是光学系统的后焦距。后焦距指的是以空气换算长度(air-equivalentlength)表达的、从最接近光学系统的像侧的透镜表面到像面ip的距离。条件式(1)涉及第三透镜单元l3的长度与后焦距之间的比。如果第三透镜单元l3的长度减小为低于条件式(1)的下限值、即第三透镜单元l3的透镜的数量相对少，则多个透镜的组合中的petzval和难以减小。这导致难以校正例如像场弯曲的像差。如果第三透镜单元l3的长度增大为超出条件式(1)的上限值，则第二透镜单元l2在聚焦期间的可移动范围变窄。这特别地导致难以在短距离处进行聚焦。条件式(1)的数值范围可被设定如下：1.2<d3/bf<2.6(1a)条件式(1)的数值范围可进一步被设定如下：1.4<d3/bf<2.2(1b)光学系数的上述配置可以提供其中在聚焦期间减小像差变动的大孔径光学系统。光学系统可进一步满足以下的条件式(2)～(7)中的至少一个：2.0<f1/f<10.0(2)0.3<f2/f<1.2(3)-10.0<f3/f<-0.1(4)20<νd2-νd1<80(5)0.59<θgf<0.67，和(6)1.70<nd1<1.90(7)在条件式(2)～(7)中，f1是第一透镜单元l1的焦距，f2是第二透镜单元l2的焦距，f3是第三透镜单元l3的焦距，f是整个光学系统的焦距。在布置于孔径光阑sp的物侧的第二透镜单元l2的两个正透镜中，νd1是物侧的正透镜(以下，称为第一正透镜)的材料的abbe数，νd2是像侧的正透镜(以下，称为第二正透镜)的材料的abbe数。第一正透镜的材料的部分分散比为θgf，第一正透镜的材料在d线处的折光力为nd1。材料的abbe数νd和部分分散比θgf由下式表达：νd＝(nd-1)/(nf-nc)，以及θgf＝(ng-nf)/(nf-nc)这里，ng是对于g线(波长435.80nm)的折射率。nd是对于d线(587.60nm)的折射率，nf是对于f线(波长486.10nm)的折射率，nc是对于c线(波长656.30nm)的折射率。以下将描述条件式(2)～(7)的技术含义。条件式(2)涉及第一透镜单元l1的焦距f1与整个光学系统的焦距f之间的比。如果第一透镜单元l1的焦距f1减小为低于条件式(2)的下限值即第一透镜单元l1的折光力增大，则第二透镜单元l2的折光力相应减小。这降低聚焦灵敏度并且增大第二透镜单元l2在聚焦期间的移动量，这因此不合意地增大光学系统的尺寸。如果第一透镜单元l1的焦距f1增大为超出条件式(2)的上限值，则透过第一透镜单元l1的光的光线可能发散。这导致第二透镜单元l2的径向尺寸不合意地增大。条件式(3)涉及第二透镜单元l2的焦距f2与整个光学系统的焦距f之间的比。如果第二透镜单元l2的焦距f2减小为低于条件式(3)的下限值，则需要的周边光量被确保时的到第二透镜单元l2的光线的入射角增大，因此，布置于第二透镜单元l2的物侧的第一透镜单元l1的直径增大。这不合意地增大光学系统的尺寸和重量。如果第二透镜单元l2的焦距f2增大为超出条件式(3)的上限值即第二透镜单元l2的折光力减小，则聚焦灵敏度减小，这因此增大第二透镜单元l2在聚焦期间的移动量。这导致光学系统的尺寸不合意地增大。条件式(4)涉及第三透镜单元l3的焦距f3与整个光学系统的焦距f之间的比。如果第三透镜单元l3的焦距f3增大为低于条件式(4)的下限值即第三透镜单元l3的折光力减小，则光学系统的聚焦灵敏度减小，这因此增大第二透镜单元l2在聚焦期间的移动量。这导致光学系统的尺寸不合意地增大。如果第三透镜单元l3的焦距f3减小为超出条件式(4)的上限值即第三透镜单元l3的折光力增大，则构成第三透镜单元l3的透镜的直径增大。这导致第三透镜单元l3的重量不合意地增大。条件式(5)涉及包含于第二透镜单元l2中的正透镜的材料的abbe数。条件式(5)表明，第二正透镜具有比第一正透镜的abbe数高的abbe数。如果abbe数νd1和νd2下降为低于条件式(5)的下限值，则轴向色差的校正不合意地变得困难。如果abbe数νd1和νd2之间的差值超出条件式(5)的上限值，则材料的选择变得困难。由具有abbe数νd1的材料制成的第一正透镜可以被布置为最接近第二透镜单元l2的物侧。在该位置处使用高分散材料的透镜可以减小第二透镜单元l2的二次轴向色差。条件式(6)涉及第一正透镜的部分分散比θgf。如果部分分散比θgf下降为低于条件式(6)的下限值，则轴向色差不合意地增大。如果部分分散比θgf超出条件式(6)的上限值，则材料的选择变得困难。条件式(7)涉及第一正透镜的折射率nd1。如果折射率nd1下降为低于条件式(7)的下限值即透镜表面的曲率变大，则球面像差由于第一正透镜上的光线的入射角的增大而不合意地增大。如果折射率nd1超出条件式(7)的上限值，则光透过率不合意地减小。条件式(2)～(7)的数值范围可以被设定如下：2.0<f1/f<8.0(2a)0.4<f2/f<1.1(3a)-8.0<f3/f<-0.2(4a)30<νd2-νd1<70(5a)0.60<θgf<0.66，和(6a)1.73<nd1<1.87(7a)条件式(2)～(7)的数值范围可以进一步被设定如下：2.0<f1/f<7.0(2b)0.5<f2/f<1.0(3b)-6.0<f3/f<-0.2(4b)40<νd2-νd1<60(5b)0.61<θgf<0.65，和(6b)1.75<nd1<1.85(7b)在第二透镜单元l2中，孔径光阑sp可以被布置于被布置在孔径光阑sp的物侧的正透镜与被布置在孔径光阑sp的像侧的正透镜之间。如果孔径光阑sp被布置为最接近第二透镜单元l2的物侧，则由于孔径直径增大并且布置于孔径光阑sp的像侧的透镜的直径增大，轴向色差的校正不合意地变得困难。如果孔径光阑sp被布置为最接近第二透镜单元l2的像侧，则向孔径光阑sp行进的光的轴向光束的周边光线更可能被阻挡。以第二透镜单元l2被配置为在孔径光阑sp前后之间在折光力上具有基本上对称的平衡的方式，由于聚焦导致的像差变动可以容易地减小。第二透镜单元l2还可以在被布置于孔径光阑sp的物侧的正透镜与孔径光阑sp之间包含负透镜。通过这种负透镜，通过第一透镜单元l1转换的光束可以被整形，使得光束基本上垂直入射于孔径光阑sp上，由此，孔径光阑sp对轴向光束的周边光线的阻挡可以被抑制。负透镜可以是具有非球面形状的弯月透镜，这可以有助于球面像差的校正和光学系统的小型化。第二透镜单元l2可以包括被布置为邻近孔径光阑sp的包含正透镜和负透镜的胶合透镜。胶合透镜被布置于光束变窄的位置处，以减少轴向色差。根据本示例性实施例，胶合透镜不仅指通过使用聚合粘接剂胶合的多个透镜。胶合透镜可以指邻接表面被整形以相互接合并且被布置为相互接近且邻接透镜之间具有可忽略的空气间隙的多个透镜。胶合透镜的部件可以是由低折射率、高分散材料制成的负透镜和由高折射率、低分散材料制成的正透镜。这可以减少petzval和并且减少像场弯曲。第三透镜单元l3可以由多个正透镜和多个负透镜组成以有利于petzval和的校正。在第三透镜单元l3由两个正透镜和两个负透镜组成的情况下的一个例子中，petzval和可以被校正并且可以减少弧矢耀斑。下面将具体描述根据示例性实施例的光学系统的配置。[第一示例性实施例]第一示例性实施例涉及具有83.5mm的焦距和1.24的f数的光学系统ol。图1是示出当无限远物体处于对焦时的根据第一示例性实施例的光学系统ol的截面图。图2示出当无限远物体处于对焦时的根据第一示例性实施例的光学系统ol的像差图。根据第一示例性实施例的光学系统ol由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组成。通过具有负折光力的第三透镜单元l3，整个光学系统ol具有望远配置。即使整个光学系统ol的焦距增大，这也促进有利的光学性能。第一透镜单元l1被配置为具有低折光力的无焦系统。第一透镜单元l1包含从物侧到像侧依次布置的正透镜、正透镜和负透镜。第一透镜单元l1因此具有望远配置。除了以上的效果，第一透镜单元l1可以被配置为即使通过具有小的f数和相对大的焦距的配置也具有小的透镜直径。在从无限远到最近距离的聚焦期间，第二透镜单元l2向物侧移动以改变邻近的透镜单元之间的距离。第一透镜单元l1和第三透镜单元l3在聚焦期间保持静止。由于第一透镜单元l1趋于具有大的前透镜直径，因此，如果光学系统ol是具有2.0或更小的f数的中间望远光学系统，则希望第一透镜单元l1如在本示例性实施例中那样被固定。使用第一透镜单元l1作为聚焦透镜单元会不合意地增加聚焦时间。第二透镜单元l2由从物侧到像侧依次布置的正透镜lp1、正透镜lp2、负透镜ln、孔径光阑sp、胶合透镜b1和胶合透镜b2组成。胶合透镜b1由负透镜和正透镜lp3组成。胶合透镜b2由负透镜和正透镜组成。通过将第二透镜单元l2的一部分配置为ernostar类型，即使通过具有小的f数的中间望远光学系统，也可以获得有利的成像性能。被布置为最接近第二透镜单元l2的物侧的正透镜lp1(第一正透镜)的材料是满足以上的条件式(7)的高折射率材料，使得较不可能出现球面像差。另外，正透镜lp1的材料是满足条件式(5)的高分散材料，以减少二次轴向色差。通过在孔径光阑sp的像侧布置胶合透镜b1和b2，一次轴向色差进一步得到校正。具有小的f数的光学系统趋于包括厚的透镜以获得足够的折光力。如果使得透镜更薄以构成具有小的透镜总长的光学系统，则球面像差可能增大。在本示例性实施例中，具有非球面形状的透镜表面的负透镜ln被布置于第二透镜单元l2的物侧。这可以抑制球面像差的增大，同时配置具有小的透镜总长的光学系统。可以通过将光学系统的从最接近物侧的透镜表面到最接近像侧的透镜表面的在光轴上的距离与后焦距的距离加在一起，获得透镜总长。紧临着孔径光阑sp，两个胶合透镜b1和b2被布置于孔径光阑sp的像侧。胶合透镜b1和b2中的每一个由负透镜和正透镜构成。因此，通过包含孔径光阑sp的第二透镜单元l2在聚焦期间移动的配置，可以减少由于聚焦导致的像差变动，并且可以跨着整个聚焦区域实现高的光学性能。第三透镜单元l3被配置为具有负折光力的透镜单元。与第三透镜单元l3被配置为具有正折光力的透镜单元的情况相比，这可以增大像面ip上的光线的最大入射角度。换句话说，就形成相同尺寸的图像而言，通过第三透镜单元l3为具有负折光力的透镜单元的配置，可以使得透镜直径更小。通过第三透镜单元l3为具有负折光力的透镜单元的配置，第二透镜单元l2的折光力可以增大。这可以减少第二透镜单元l2在聚焦期间的移动量。第三透镜单元l3由从物侧到像侧依次布置的由正透镜和负透镜组成的胶合透镜、正透镜和负透镜lr组成。以这种方式，至少以望远光学系统由从物侧到像侧依次布置的正透镜和负透镜组成的方式，可以形成具有减小的后焦距的光学系统。由于后焦距减小了，布置于第三透镜单元l3中的透镜的数量可以相应增大，由此，petzval和可被减小。因此，可以在不增大趋于具有大的直径的第一透镜单元l1的透镜的情况下减小像场弯曲。被布置为最接近第三透镜单元l3的像侧的负透镜lr在物侧和像侧包括非球面形状的透镜表面。在具有小的f数的中间望远透镜中，大量的中心光束通过最接近像侧的位置。在该位置处，负透镜lr被布置以减小像场弯曲和畸变像差。为了减少像场弯曲，以物侧和像侧的负透镜lr的透镜表面在旁轴区域中具有凹形形状的方式，减小petzval和。第二示例性实施例涉及具有98.0mm的焦距和1.43的f数的光学系统ol。图3是示出当无限远物体处于对焦时的根据第二示例性实施例的光学系统ol的截面图。图4示出当无限远物体处于对焦时的根据第二示例性实施例的光学系统ol的像差图。除了使用不同的玻璃材料以外，根据第二示例性实施例的光学系统ol具有与根据第一示例性实施例的光学系统ol的配置类似的配置。由此将省略详细的描述。第三示例性实施例涉及具有133.0mm的焦距和1.80的f数的光学系统ol。图5是示出当无限远物体处于对焦时的根据第三示例性实施例的光学系统ol的截面图。图6示出当无限远物体处于对焦时的根据第三示例性实施例的光学系统ol的像差图。根据第三示例性实施例的光学系统ol由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组成。在从无限远到最近距离的聚焦期间，第二透镜单元l2向物侧移动以改变邻近的透镜单元之间的距离。第一透镜单元l1和第三透镜单元l3在聚焦期间保持静止。第二透镜单元l2包含孔径光阑sp。除了使用不同的玻璃材料以外，根据第三示例性实施例的第一透镜单元l1具有与根据第一示例性实施例的第一透镜单元l1的配置类似的配置。因此将省略第一透镜单元l1的详细的描述。根据第三示例性实施例的第二透镜单元l2由从物侧到像侧依次布置的正透镜lp1、正透镜lp2、负透镜ln、胶合透镜b1、孔径光阑sp和正透镜lp3组成。即，除了胶合透镜b1被布置于孔径光阑sp的物侧、不包含胶合透镜b2并且使用不同的玻璃材料以外，根据第三示例性实施例的第二透镜单元l2与根据第一示例性实施例的第二透镜单元l2类似。因此将省略第二透镜单元l2的详细的描述。除了向像侧凹进的弯月透镜被布置为最接近物侧并且使用不同的玻璃材料以外，根据第三示例性实施例的第三透镜单元l3具有与根据第一示例性实施例的第三透镜单元l3的配置类似的配置。因此将省略第三透镜单元l3的更详细的描述。以上描述了本发明的示例性实施例。但是，根据本发明的示例性实施例的光学系统不限于这样的示例性实施例，并且，可以在不背离其要旨的情况下提出各种变化和修改。例如，透镜单元可以完全或部分地被配置为图像稳定化透镜单元，并且可以出于图像稳定化的目的在具有垂直于光轴的方向分量的方向上移动。胶合透镜b1和b2可以包括以相反顺序布置的正透镜和负透镜。[例子]以下将描述分别对应于第一到第三示例性实施例的例子1～3。表1示出例子1～3中的对应于条件式(1)～(7)的数值。在例子1～3中，l表示从物侧起的透镜单元的次序。表面号表示从物侧起的光学表面的次序。r是光学表面的曲率半径，d是光学表面之间的距离(表面距离)，并且nd和νd分别是光学部件的材料在d线处的折射率和abbe数。abbe数νd的定义与上述的定义相同。bf代表后焦距。在例子中，非球面表面由各表面号的右边的星号(*)标记。非球面形状由下式表达：这里，x轴代表光轴方向，h轴代表垂直于光轴的方向，r是以光的行进方向为正的旁轴曲率半径，k是圆锥常数，a、b、c和d是非球面系数。非球面系数中的“e-x”意指10-x。第一行中的表面距离d的值表示距像面的距离。(例子1)单位：mm非球面系数表面距离∞4114.7714.7第5表面13.63411.7122.5第18表面23.92113.134各种数据透镜单元数据单元焦距厚度1554.921.3279.461.43-409.622.0单个透镜数据透镜开始表面焦距11292.723122.835-90.447142.45978.0611-46.1714-68.581642.1918-28.6102027.7112252.01224-42.2132690.01428-92.1表面距离∞4114.7714.7第5表面13.63411.7122.5第18表面23.92113.134各种数据(例子2)单位：mm非球面系数表面距离透镜单元数据单元焦距厚度1388.021.0292.663.43-208.825.8单个透镜数据透镜开始表面焦距11383.123128.035-114.447139.35997.7611-51.1714-33.481628.0918-30.7102029.1112266.61224-52.81326232.31428-168.4各种数据焦距f98.0f数1.43半视角(度)12.4图像高度21.6bf16.5透镜总长145.0(例子3)单位：mm非球面系数表面距离∞6600543.9第5表面15.7414.632.5第16表面23.1115.24透镜单元数据单个透镜数据透镜开始表面焦距11139.123157.535-85.44782.15973.7611-35.271352.2815-29.291840.01020-61.2112235.31224-38.81326164.41428-95.7各种数据焦距f133.0f数1.80半视角(度)9.2图像高度21.6bf18.0透镜总长150.0表1[成像装置的示例性实施例]下面将参照图7描述使用根据本发明的示例性实施例的光学系统作为其成像光学系统的成像装置的示例性实施例。例如，成像装置10是使用图像传感器的成像装置(例如，数字静态照相机、视频照相机、监视照相机和广播照相机)或者使用卤化银照相胶片的成像装置(比如照相机)。在图7中，照相机主体13包括成像光学系统11和固态图像传感器(光电转换元件)12。成像光学系统11是在第一到第三示例性实施例中描述的光学系统中的任一种。固态图像传感器12内置于照相机主体13中，并且接收通过成像光学系统11形成的被照体图像。固态图像传感器12的例子包括ccd传感器和cmos传感器。存储器(未示出)是用于记录通过固态图像传感器12接收的被照体图像的记录单元。取景器24是用于观察在固态图像传感器12上形成并且显示于显示设备(未示出)上的被照体图像的取景器。包括成像光学系统11的透镜装置可以与照相机主体13一体化地被配置，或者可以可拆卸地安装于照相机主体13上。由此，可通过将根据本发明的示例性实施例的光学系统应用于诸如数字静态照相机的成像装置，提供从无限远到最近距离具有高光学性能的小型化成像装置。虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。当前第1页12