光学系统及摄像装置的制作方法

本发明涉及一种具有较高成像性能的光学系统及具备该光学系统的摄像装置。

背景技术：

近年来，随着图像自动识别技术的发展，既能获取视野周边的信息还能在其整个视野进行高精度的测距和位置探测的系统的需求在提高。这些系统中，多采用根据向被测量对象的投射光及该被投射光的反射光的光接收定时，来进行测距和位置检测的方法。该系统中，为了提高测距精度，需要在整个视野范围内均匀且高效率地接受反射光，尤其，要求一种在视野的周边部也能与视野的中心部同样地高效接受反射光的明亮的透镜。另外，由于用于设置/搭载摄像装置的空间受限，因此要求该透镜是广角/小型/轻便的。

现有技术中，作为上述系统用的透镜，提出了如下这样的广角透镜系统：从物体侧起依次排列：凹面朝向像侧的负透镜的第1透镜l1以及第2透镜l2、正的第3透镜l3、光圈4、凸面朝向像侧的正的第4透镜l4、以及带通滤波器3(例如，参照专利文献1)。该广角透镜系统，既能实现小型化、轻量化，又能成为一种使近红外波段的拍摄良好的系统，且能够良好地修正以畸变像差为始的各种像差。

作为其它现有的上述系统用的透镜，提出了从物体侧起依次由具有负的屈光力的第1透镜、具有负的屈光力的第2透镜、具有正的屈光力的第3透镜、开口光阑、和具有正的屈光力的第4透镜构成的摄像透镜(参照例如专利文献2)。该广角摄像透镜，为可搭载于汽车等各个地方的大小，既能确保较广的视野，又能在整个画面具有良好的成像性能，具有较高的光学性能。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2007-094032号公报

【专利文献2】日本特开2017-027001号公报

上述现有技术的透镜，是由4枚透镜构成的单焦点广角透镜，但由于出射光瞳和摄像元件的传感器面之间在光轴上的距离近，在视野周边部，成像光束斜着入射向传感器面，因此实质的孔径效率减少，不利于抑制周边部的光量降低。

技术实现要素：

鉴于现有的单焦点广角透镜的上述问题点，本发明的一个目的在于提供一种低成本、广角且抑制视野周边部的光量的降低，具有较高的成像性能的光学系统以及具备该光学系统的摄像装置。

本发明涉及的光学系统，从物体侧起依次由具有负的屈光力的第1透镜l1、具有负的屈光力的第2透镜l2、具有正的屈光力的第3透镜l3、及具有正的屈光力的第4透镜l4构成，且满足以下条件：

-0.2≦f/exp···(1)

其中，

f表示光学系统的焦距，

exp表示在将从物体侧朝向成像面的方向作为正方向时的光学系统的出射光瞳和成像面之间在光轴上的距离。

本发明涉及的摄像装置，其特征在于，具备：上述光学系统；和在该光学系统的像侧，将通过该光学系统所形成的光学图像变换成电信号的摄像元件。

通过本发明，能够提供一种实现高倍率且能够得到较高的光学性能的变焦透镜及具备该变焦透镜的摄像装置。

附图说明

图1是本发明的第1实施例涉及的光学系统的透镜结构图。

图2是本发明的第1实施例涉及的光学系统在波长587.6nm处的纵像差图。

图3是本发明的第2实施例涉及的光学系统的透镜结构图。

图4是本发明的第2实施例涉及的光学系统在波长587.6nm处的纵像差图。

图5是本发明的第3实施例涉及的光学系统的透镜结构图。

图6是本发明的第3实施例涉及的光学系统在波长587.6nm处的纵像差图。

图7是本发明的实施例的摄像装置的结构说明图。

具体实施方式

本发明涉及的光学系统，优选至少满足一个以上的以下条件式或者条件。

以下针对本发明的优选实施方式进行说明。本发明的优选实施方式中，条件式的数值以d线为基准。

本发明涉及的光学系统，从物体侧起依次由：具有负的屈光力的第1透镜l1、具有负的屈光力的第2透镜l2、具有正的屈光力的第3透镜l3、及具有正的屈光力的第4透镜l4构成。

关于广角系透镜，优选设置为在光学系统的前方配置了具有负的屈光力的透镜、在后方配置了具有正的屈光力的透镜的逆望远型。

本发明涉及的光学系统，通过从物体侧起依次将具有负的屈光力的第1透镜l1和具有负的屈光力的第2透镜l2这两枚具有负的屈光力的透镜配置在光学系统的前方，从而具有将较大的入射角的轴外主光线渐渐地变换成沿着光轴的较小角度的作用。另外，通过在第2透镜l2的像侧，将具有正的屈光力的第3透镜l3和具有正的屈光力的第4透镜l4这两枚具有正的屈光力的透镜配置在光学系统的后方，从而具有进一步使轴外主光线与光轴之间所形成的角度变小的作用。这样便能够使出射光瞳位置远离成像面，确保光学系统的出射光瞳位置和成像面之间在光轴上的距离。结果为，可抑制光线相对于成像面的入射角，抑制周边光量的降低。

另外，通过由第1透镜l1和第2透镜l2这两枚透镜来分担负的屈光力，由第3透镜l3和第4透镜l4这两枚透镜来分担正的屈光力，从而各透镜的屈光力不会变的过强，能够抑制像差的产生。因为若透镜枚数增加，则会涉及到成本增加，因此通过设计成本发明的结构，从而能够以低成本实现一种既是广角又抑制了周边部的光量降低的光学系统。

构成本发明涉及的光学系统的透镜，更优选为单透镜，即，通过将各透镜彼此隔着空气间隔来配置，从而能够更加良好地进行像差修正。

另外，第1透镜l1、第2透镜l2、第3透镜l3、第4透镜l4的各透镜，分别由一种玻璃材料构成，从而能够实现低成本和小型化。

本发明涉及的光学系统，优选满足以下的条件式(1)：

-0.2≦f/exp···(1)

其中：

f表示光学系统的焦距，exp表示将从物体侧朝向成像面的方向作为正向时的光学系统的出射光瞳和成像面之间在光轴上的距离。

条件式(1)是用于规定适当的出射光瞳位置的条件。

通过满足条件式(1)，从而能够将出射光瞳位置最优化并抑制周边光量的降低。

若低于条件式(1)的下限，则光学系统的出射光瞳与成像面之间在光轴上的距离变近，周边光量的降低变大。

另外，exp表示光学系统的出射光瞳与成像面之间在光轴上的距离，将成像面设为基准(0)，将从物体侧朝向成像面的方向设为正方向。即，在exp为负时，在比成像面更靠近物体侧存在出射光瞳，在exp为正时，在比成像面更靠近内侧，即在远离光学系统的方向存在出射光瞳。

另外，上述条件式(1)的下限优选为-0.19，更优选为-0.18。

另外，通过满足下限从而能抑制周边光量的降低，故而不需要设置上限。然而，虽然关于数值越大，越能抑制周边光量的降低这点来说是有利的，但需要使全长变大或者使各个透镜的屈光力增大。在使全长变大的情况下，难以实现光学系统的小型化，另外，在使屈光力变大的情况下，难以进行像面弯曲或彗形像差的修正。因而，在设置上限的情况下，优选设置为小于0(＜0)，更优选设置为-0.08以下，从而即使将出射光瞳位置设远，但不将出射光瞳位置设置为无限远的情况下、即在未形成远心光学系统的情况下，能够将在光学系统的后方配置的透镜抑制为小直径。

本发明涉及的光学系统，优选满足以下的条件式(2)。

0.5≦f1/f2≦1.5···(2)

其中

f1表示第1透镜l1的焦距，

f2表示第2透镜l2的焦距。

条件式(2)是用于将第1透镜l1的焦距和第2透镜l2的焦距之比设置为恰当的条件。

通过满足条件式(2)，从而能够实现广角化的同时，实现良好的光学性能。

若低于条件式(2)的下限，则第1透镜l1的屈光力相对变强，容易确保后焦距(backfocus)，但难以修正轴外的像散。

若提高条件式(2)的上限，则第2透镜l2的屈光力相对变强，难以修正彗形像差、像面弯曲。另外，既难以确保足够的后焦距，又难以实现广角化。

另外，优选上述条件式(2)的下限为0.55，更优选为0.60。优选上述条件式(2)的上限为1.20，更优选为1.00。

本发明涉及的光学系统，优选满足以下的条件式(3)。

-10.0≦f1/f≦-2.0···(3)

其中

f1表示第1透镜l1的焦距，

f表示光学系统的焦距。

条件式(3)是用于将第1透镜l1与整个系统的焦距之比设置为恰当的適条件。

通过满足条件式(3)，从而能在实现广角化的基础上确保后焦距，能够既确保出射光瞳与成像面之间在光轴上的距离，又平衡性良好地修正像散和像面弯曲。

若低于条件式(3)的下限，则不但第1透镜l1的负的屈光力变弱，难以实现广角化，而且难以确保后焦距。

若超过条件式(3)的上限，则对于广角化和确保后焦距来说是有利的，进而容易使得出射光瞳位置远离成像面。但是，第1透镜l1的负的屈光力变得过强，难以修正像散和像面弯曲。

另外，上述条件式(3)的下限优选为-8.0，更优选为-7.0。优选上述条件式(3)的上限为-2.5，更优选为-3.0。

本发明涉及的光学系统，优选满足以下的条件式(4)。

0.0≦(r2l+r2r)/(r2l-r2r)≦5.0···(4)

其中：

r2l表示第2透镜l2的物体侧的透镜面的近轴曲率半径，

r2r表示第2透镜l2的像侧的透镜面的近轴曲率半径。

条件式(4)规定具有负的屈光力的第2透镜l2的形状。

通过满足条件式(4)，从而能平衡性良好地尤其对彗形像差、像散进行修正。

若低于条件式(4)的下限，则成为第2透镜l2的物体侧的透镜面的曲率比像侧的透镜面的曲率更强的双凹透镜形状。因此，第2透镜l2的物体侧的透镜面的发散作用变得过强，由于对从主光线起通过透镜的周边侧的光线的发散作用变强，因此难以修正彗形像差。另外，像散也增大，像面弯曲也会向正的方向增大。

若超过条件式(4)的上限，则不但第2透镜l2的物体侧的透镜面的正的曲率变得更强，作为第2透镜l2整体难以确保负的屈光力，而且，由于对从第2透镜l2的物体侧的面的主光线起通过透镜的周边部的光线的收敛作用变强，因此难以修正彗形像差。另外，像散也增大，像面弯曲也会向负的方向增大。

另外，优选上述条件式(4)的下限为0.5，更优选为1.0。优选上述条件式(4)的上限为4.0，更优选为3.8。

本发明涉及的光学系统，优选满足以下的条件式(5)。

2.0≦f4/f≦6.0···(5)

其中：

f4表示第4透镜l4的焦距，

f表示光学系统的焦距。

条件式(5)是用于将具有正的屈光力的第4透镜l4的焦距和整个系统的焦距之比设置为恰当的条件。

通过满足条件式(5)，从而在使出射光瞳位置远离成像面这点来说是有利的，能够平衡性良好地修正像散和彗形像差。

若低于条件式(5)的下限，则第4透镜l4的正的屈光力变得过强，虽然能够使出射光瞳位置远离成像面，但难以修正像散和彗形像差。

若超过条件式(5)的上限，则第4透镜l4的正的屈光力变弱，不但难以确保出射光瞳位置和成像面之间在光轴上的距离，而且难以进行彗形像差的修正。

另外，优选上述条件式(5)的下限为2.3，更优选为2.5。优选上述条件式(5)的上限为5.5，更优选为5.0。

优选本发明涉及的光学系统满足以下的条件式(6)。

1.1≦(r1l+r1r)/(r1l-r1r)≦4.0···(6)

其中：

r1l表示第1透镜l1的物体侧的透镜面的曲率半径，

r1r表示第1透镜l1的像侧的透镜面的曲率半径。

条件式(6)规定具有负的屈光力的第1透镜l1的形状。

广角透镜中，关于物体侧的透镜，轴外光束对透镜面的入射角大，产生的像差大。因此，通过将第1透镜l1的物体侧的面设置为向物体侧凸出的形状(负透镜)，从而能够确保轴外光线对第1透镜l1的物体侧的面的入射角较小，且能够抑制像差的产生。

通过满足条件式(6)，从而能平衡性良好地尤其对像散和像面弯曲进行修正。

若低于条件式(6)的下限，则不但能使第1透镜l1的物体侧的透镜面接近平面，而且能成为像侧的透镜面的负的曲率较强的弯月形状。因此，轴外光束对第1透镜l1的物体侧的透镜面的入射角变大，对于广角化不利。另外，第1透镜l1的像侧的透镜面的发散作用变得过强，不但像散增大，而且像面弯曲也向正的方向增大。

若超过条件式(6)的上限，则第1透镜l1的物体侧的透镜面的正的曲率变得过大，作为第1透镜l1整体由于难以确保负的屈光力，因此难以实现广角化。另外，不但像散增大，而且像面弯曲也向负的方向增大。

另外，上述条件式(6)的下限，优选为1.2，更优选为1.3。上述条件式(6)的上限优选为3.8，更优选为3.6。

本发明涉及的光学系统，优选满足以下的条件式(7)。

0.05≦f/r3l≦0.4···(7)

其中：

r3l表示第3透镜l3的物体侧的透镜面的曲率半径，

f表示光学系统的焦距。

条件式(7)是用于将光学系统的焦距与第3透镜l3的物体侧的透镜面的曲率半径之比设置为恰当的条件。

优选第3透镜l3的物体侧的透镜面为向物体侧凸出，通过满足条件式(7)，从而能平衡性良好地尤其对球面像差和彗形像差进行修正。

若低于条件式(7)的下限，则第3透镜l3的物体侧的透镜面的曲率半径变大，不但难以修正彗形像差，而且球面像差会向正的方向增大。

若超过条件式(7)的上限，则第3透镜l3的物体侧的透镜面的曲率半径变小，不但难以修正彗形像差，而且球面像差会向负的方向增大。

另外，优选上述条件式(7)的下限为0.08，更优选为0.10。优选上述条件式(7)的上限为0.38，更优选为0.36。

优选本发明涉及的光学系统满足以下的条件式(8)。

0.03≦f/r4l≦0.5···(8)

其中：

r4l表示第4透镜l4的物体侧的透镜面的曲率半径，

f表示光学系统的焦距。

条件式(8)是用于将光学系统的焦距与第4透镜l4的物体侧的面的曲率半径之比设置为恰当的条件。

优选第4透镜l4的物体侧的透镜面为向物体侧凸起，因满足条件式(8)，故而能平衡性良好地尤其对彗形像差进行修正。

若低于条件式(8)的下限，则第4透镜l4的物体侧的透镜面的曲率半径变大，由于从主光线起通过透镜的周边侧的光线的收敛作用变弱，因此难以修正彗形像差。

若超过条件式(8)的上限，则第4透镜l4的物体侧的透镜面的曲率半径变小，由于从主光线起通过透镜的周边侧的光线的收敛作用变强，因此难以修正彗形像差。

另外，优选上述条件式(8)的下限为0.10，更优选为0.15。优选上述条件式(8)的上限为0.45，更优选为0.40。

本发明涉及的光学系统，优选在第2透镜l2与第3透镜l3之间具有光圈。

通过在第2透镜l2与第3透镜l3之间配置光圈位置，从而使出射光瞳位置远离成像面，在这点上是有利的，容易确保周边光量。

本发明涉及的光学系统，优选至少具有一枚树脂透镜。

通过采用树脂透镜从而可实现低成本化。另外，通过对树脂透镜采用非球面，从而既能实现低成本化，又能有效实施像差修正。

优选树脂透镜用于具有负的屈光力的第2透镜l2、和具有正的屈光力的第4透镜l4。通过对第2透镜l2和第4透镜l4使用树脂透镜，从而能抑制伴随温度变化而产生的焦距变动。

本发明涉及的光学系统，优选具有选择使特定波段的光透射的带通滤波器bpf。

通过具有上述带通滤波器bpf，从而即使采用较少的透镜枚数也能够进行像差修正，能够设置为小型且简易的结构。

另外，带通滤波器bpf，通过配置在比第3透镜l3更靠近成像面侧，从而即使是广角透镜也能使光的入射角的偏差减小，由于能够抑制伴随向带通滤波器bpf入射的光线的角度变化所产生的透射率特性的偏差，因此是为优选。

更优选的是，若在第4透镜l4与成像面之间配置带通滤波器bpf则更好。

通过在第4透镜l4与成像面之间配置带通滤波器bpf，从而由于可减小向带通滤波器bpf入射的光线角度的偏差，因此有利于带通滤波器bpf的透過率特性的偏差的抑制，是为优选。

本发明涉及的光学系统，优选任何一枚透镜在d线的折射率为1.85以上。

通过采用折射率高的玻璃材料，从而能以较少的透镜枚数良好地进行像差修正。更优选的是，任何一枚透镜在d线的折射率为1.88以上。

本发明涉及的摄像装置，其特征在于，具备：本发明涉及的光学系统；和在该光学系统的像侧，将通过该光学系统形成的光学图像变换成电信号的摄像元件。作为摄像元件，例示cmos-tof距离图像传感器。

本发明涉及的摄像装置的摄像元件中，不但在视野中心，而且在视野周边部，成像光束也都会大约垂直地入射至光接收面，抑制视野周边部的光电变换效率的降低，具有较高的成像性能。

(实施例)

以下，基于数值实施例及附图，对本发明涉及的光学系统及具备光学系统的摄像装置进行说明。

针对本发明涉及的光学系统的应用了具体数值的数值实施例进行说明。表中的f表示整个系统的焦距，fno表示f数值，ω表示半视场角，r表示曲率半径，d表示透镜厚度或者透镜间隔，nd表示d线处的折射率，νd表示d线处的阿贝数，面编号的隔壁记载的asp表示该面为非球面，stop表示配置开口光阑。

另外，在将与光轴垂直的高度设为h，将面顶部作为原点时的高度h处的光轴方向的位移量设为x(h)，将近轴曲率半径设为r，将圆锥系数设为k，将2次、4次、6次、8次、10次的非球面系数分别设为a、b、c、d、e时，各非球面形状由以下所示的非球面式来表示。

※非球面式

在各实施例的纵像差图(图2、图4、图6)中，从左侧起依次示出球面像差(sa(mm))、像散(ast(mm))、畸变像差(dis(％))。在球面像差图中，纵轴表示f数值(图中，由fno表示)，是d线(d-line)的特性。在像散图中，纵轴表示视场角(图中，由ω表示)，实线表示弧矢平面(图中由s表示)，虚线表示子午平面(图中用t表示)的特性。畸变像差图中，纵轴表示半视场角(图中用ω表示)。

(第1实施例)

第1实施例涉及的光学系统，从物体侧起依次由下述透镜构成：具有负的屈光力、且向物体侧凸出的弯月形状的第1透镜l1；及具有负的屈光力且向物体侧凸出的弯月形状，将双面设置为非球面形状的第2透镜l2；具有正的屈光力且为双凸形状的第3透镜l3；及具有正的屈光力且为双凸形状，将双面设置为非球面形状的第4透镜l4。开口光阑s，配置在第2透镜l2与第3透镜l3之间，带通滤波器bpf，配置在第4透镜l4与成像面img之间。另外，第2透镜l2和第4透镜l4为树脂透镜。

带通滤波器bpf，配置在第4透镜l4与成像面img之间，但也可以配置在第3透镜l3与第4透镜l4之间。

第1实施例涉及的光学系统，在中心波长850nm、波长范围±50nm的近红外区域为最佳，但即使在中心波长587.6nm(d线)处，也能修正像差。

下方为表示第1实施例的元素数据。各数值记载d线(587.6nm)处的值，作为参考值，还记载850nm处的值。

元素数据

透镜数据

非球面数据(未显示的非球面系数为0.00000)

(第2实施例)

第2实施例涉及的光学系统，从物体侧起依次由：具有负的屈光力且向物体侧凸起的弯月形状的第1透镜l1以及具有负的屈光力且为向物体侧凸起的弯月形状的、并将双面设置为非球面形状的第2透镜l2组成的前透镜组；和具有正的屈光力且为双凸形状的第3透镜l3以及具有正的屈光力且为双凸形状的、并将双面设置为非球面形状的第4透镜l4组成的后透镜组构成。开口光阑s配置在第2透镜l2与第3透镜l3之间，带通滤波器bpf配置在第4透镜l4与成像面img之间。另外，第2透镜l2和第4透镜l4为树脂透镜。

带通滤波器bpf虽然配置在第4透镜l4与成像面img之间，但也可以配置在第3透镜l3与第4透镜l4之间。

第2实施例涉及的光学系统，在中心波长850nm、波长范围±50nm的近红外区域为最佳，但即使在中心波长587.6nm(d线)处也能修正像差。

下方示出第2实施例的元素数据。各数值记载d线(587.6nm)处的值，作为参考值还记载有850nm处的值。

元素数据

透镜数据

非球面数据(未显示的非球面系数为0.00000。)

(第3实施例)

第3实施例涉及的光学系统，从物体侧起依次由：具有负的屈光力且向物体侧凸起的弯月形状的第1透镜l1以及具有负的屈光力且为向物体侧凸起的弯月形状的、并将双面设置为非球面形状的第2透镜l2组成的前透镜组；和具有正的屈光力且为双凸形状的第3透镜l3以及具有正的屈光力且为双凸形状的、并将双面设置为非球面形状的第4透镜l4组成的后透镜组构成。开口光阑s被配置在第2透镜l2与第3透镜l3之间，带通滤波器bpf被配置在第4透镜l4与成像面img之间。另外，第2透镜l2和第3透镜l3以及第4透镜l4为树脂透镜。

带通滤波器bpf虽然配置在第4透镜l4与成像面img之间，但也可以配置在第3透镜l3与第4透镜l4之间。

第3实施例涉及的光学系统，在中心波长850nm、波长范围±50nm的近红外区域为最佳，但即使在中心波长587.6nm(d线)处，像差也能修正。

下方表示第3实施例涉及的光学系统的元素数据。各数值记载d线(587.6nm)处的值，作为参考值，还记载有850nm处的值。

元素数据

透镜数据

非球面数据(未显示的非球面系数为0.00000。)

(摄像装置)

实施例的摄像装置100，如图7所示，将光学系统102安装于摄像装置壳体104而构成。在光学系统102的成像面bpf配置光电元件pc。

(条件式对应值)在d线计算出的结果

(条件式对应值)在850nm处计算出的结果

【符号的说明】

bpf带通滤波器

img成像面

s开口光阑

pc光电元件

l1第1透镜

l2第2透镜

l3第3透镜

l4第4透镜

100摄像装置

102光学系统

104摄像装置壳体。