專利名稱：光學系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學系統(tǒng)，并適用于光學系統(tǒng)，例如銀鹽膠卷照相機、數(shù)字照相機、攝像機、電話、雙目鏡、投影儀或復印機。
背景技術(shù)：
一般地說，在用于數(shù)字照相機、攝像機或其類似物的光學系統(tǒng)中，當總的透鏡長度被減小以便使整個光學系統(tǒng)小型化時，便產(chǎn)生大量的像差，特別是色差例如軸向色差(縱向色差)和放大的色差(橫向色差)，因而光學性能趨于下降。尤其是在總的透鏡長度被減小的遠攝類型的光學系統(tǒng)中，焦距越大，產(chǎn)生的色差越多。其中，總透鏡長度指的是總的光學長度，是從前方第一透鏡表面到像面(物面)的長度。
作為減小這種色差的方法，一種已知的方法是在光學材料中使用特殊局部色散(dispersion)的材料，或者在光路中使用衍射光學元件的方法。
在遠攝型光學系統(tǒng)中，一般使用正折光力的透鏡和負折光力的透鏡減小色差，前者由低色散的光學材料(具有大的阿貝(Abbe)數(shù)的光學元件)例如具有特殊局部色散的氟石構(gòu)成，后者由在前透鏡單元中的高色散的光學材料構(gòu)成，在前透鏡單元中從光軸的通路位置比較高。已經(jīng)提出了這種遠攝型的各種光學系統(tǒng)(見日本審查的專利公開60-49883(相當于US4241983)，日本審查的專利公開60-55805(相當于US4348084)，日本未審查的專利公開11-119092(相當于US6115188)。
其中，旁軸邊緣光線是關(guān)于這樣的情況下的一種旁軸光線，即，整個光學系統(tǒng)的焦距被標稱化為1，允許距離光軸的高度為1的光線與光學系統(tǒng)的光軸平行地進入該系統(tǒng)。此外，假定對象處于光學系統(tǒng)的左側(cè)，從對象側(cè)進入光學系統(tǒng)的光被作為從左到右行進的光來處理。旁軸主光線是在整個光學系統(tǒng)的焦距被標稱化為1的情況下，在相對于光軸呈-45度角的入射光線當中的這樣一種旁軸光線，其通過入射光瞳和光學系統(tǒng)的光軸的交點。在光學系統(tǒng)上的入射角從光軸被測量，順時針的角認為是正，逆時針的角認為是負。
此外，已知一種這樣的遠攝型光學系統(tǒng)，其中使用衍射光學元件而不使用分散在光學材料中的任何的異常部分來校正色差(見日本未審查的專利公開6-324262(相當于US5790321)和日本未審查的專利公開6-331887(相當于US5629799))。在日本未審查的專利公開6-324262和日本未審查的專利公開6-331887中，披露了一種具有大約F 2.8的F數(shù)的遠攝型光學系統(tǒng)，其中，衍射光學元件和折射光學元件結(jié)合，從而相當滿意地校正色差。
一般地說，衍射光學元件，相應于Abbe數(shù)的數(shù)值的絕對值像3.45那樣小。這種元件具有這樣的特性當焦度(power)(焦距的倒數(shù))只發(fā)生輕微的改變時，色差可以發(fā)生大的改變，而幾乎不影響球面像差、色差和像散。因為衍射光要被處理，所以焦度相對于入射光的波長的改變而線性地改變，色差系數(shù)的波長特性形成一條完全的直線。
因此，為了減小總透鏡長度，在進行像差校正時，可以規(guī)定球面像差、彗形像差和像散的校正。此外，因為色差通過衍射光學元件校正，作為組成部分的透鏡的玻璃材料以及材料的折光力可被優(yōu)化以允許用這種方式設(shè)計，使得獲得色差系數(shù)的線性的波長特性，而不管由于總長度的減小而變差的色差的絕對量。結(jié)果，可以獲得其中總透鏡長度被減小的遠攝型光學系統(tǒng)。
此外，作為具有和衍射光學元件的光學特性類似的校正色差的功能的光學材料，一種液晶材料是已知的，其呈現(xiàn)比較高的色散的和比較特殊的局部色散特性，并提出了一種使用所述材料的消色差的光學系統(tǒng)(見US5731907和US5638215)。
在其中于光學材料中使用氟石或其類似物的遠攝型光學系統(tǒng)中，如日本審查專利公開60-49883、日本審查專利公開60-55805和日本未審專利公開11-119092中披露的，在使總透鏡長度較長的情況下容易校正色差。不過，當總透鏡長度被減小時，便產(chǎn)生許多色差，并且難于滿意地校正它們。在這種方法中，利用低的色散和在例如氟石的材料中存在的特殊局部色散，在具有正折光力的前透鏡系統(tǒng)中產(chǎn)生的色差被簡單地減小。即使當伴隨著總透鏡長度的減小的惡化的色差要被校正時，色差也不會發(fā)生大的改變，除非在使用低色散玻璃例如具有大的Abbe數(shù)的氟石的透鏡中透鏡表面的折光力被較大地改變。因此，難于建立兩種校正，即色差的校正和像差例如球面像差、彗形像差和由增加折光力而產(chǎn)生的像散的校正。
在另一方面，雖然衍射光學元件具有足夠的校正色差的功能，但是除去實際使用的具有所需的衍射級的衍射光之外，還產(chǎn)生具有不需要的衍射級的衍射光，因而發(fā)生的一個問題是，不需要的衍射光形成彩色的閃爍光，因而損壞圖像形成性能。作為一種減少不需要的衍射光的方法，已知一種方法，其中使用所謂的層疊型的衍射光學元件，其包括沿光軸方向?qū)盈B的多個定向型衍射光柵。因此，能夠把注意力集中在設(shè)計的衍射級上，因而大大減少不需要的衍射光。不過，具有的一個問題是，當拍攝高亮度的對象時，仍然出現(xiàn)由不需要的衍射光造成的閃爍。
此外，作為一種制造衍射光學元件的方法，已知一種方法，其中的元件是由紫外線固化的樹脂或其類似物模制的。不過，在這種方法中，因為衍射光學元件的衍射效率的靈敏度在制造期間明顯地較高，需要非常高的注模精度或模制精度。結(jié)果，難于制造這種元件，因而制造成本增加。
因為在US5731907和US5638215中披露的材料是液體的，需要引入和密封該液體的結(jié)構(gòu)。在光學材料中使用液體的情況下，制造元件是困難的。例如折射率和色散等特性隨溫度改變而大地改變，對于環(huán)境的耐受不夠。此外，因為不能獲得在液體和空氣之間的界面，所以不容易獲得用于校正色差的足夠的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于提供一種光學系統(tǒng)，其滿意地校正包括色差在內(nèi)的各種各樣的像差，并且其容易制造，并對環(huán)境具有好的耐受力。
按照本發(fā)明，提供一種光學系統(tǒng)，其包括在光入射側(cè)和光出射側(cè)兩側(cè)上的折射表面，并具有滿足以下條件的固體材料-2.100×10-3·νd+0.693＜θgF；和0.555＜θgF＜0.9，其中，νd表示Abbe數(shù)，θgF是局部色散率。
此外，假定這種固體材料的局部色散率是θgd，該材料還最好滿足以下條件-2.407×10-3·νd+1.420＜θgd；和1.2555＜θgd＜1.67。
其中，Abbe數(shù)νd以及局部色散率θgF、θgd的定義和通用的相同。即，假定材料對于g線(波長為435.8nm)、F線(486.1nm)、d線(587.6nm)和C線(656.3nm)的折射率分別是Ng，Nd，NF和NC，側(cè)Abbe數(shù)和局部色散率分別由下式表示νd＝(Nd-1)/(NF-NC)；θgd＝(Ng-Nd)/(NF-NC)；和θgF＝(Ng-NF)/(NF-NC)由下面參照附圖進行的示例的實施例的說明將會清楚地看出本發(fā)明的其它特征。


圖1是第一實施例的光學系統(tǒng)的截面圖；圖2是第一實施例的光學系統(tǒng)的像差圖；圖3是第二實施例的光學系統(tǒng)的截面圖；圖4是第二實施例的光學系統(tǒng)的像差圖；
圖5是第三實施例的光學系統(tǒng)的截面圖；圖6是第三實施例的光學系統(tǒng)的像差圖；圖7是第四實施例的光學系統(tǒng)的截面圖；圖8是第四實施例的光學系統(tǒng)的像差圖；圖9是第五實施例的光學系統(tǒng)的截面圖；圖10是第五實施例的光學系統(tǒng)的像差圖；圖11是一種成像裝置的主要部分的示意圖；圖12說明條件公式(1)和(2)的范圍；以及圖13說明條件公式(3)和(4)的范圍。
具體實施例方式
下面詳細說明本發(fā)明的光學系統(tǒng)。
本發(fā)明的光學系統(tǒng)用在圖像拍攝設(shè)備中，例如數(shù)字照相機、攝像機、或用于銀鹽膠卷的照相機、觀察設(shè)備例如望遠鏡或雙目鏡，以及例如復印機或投影儀等設(shè)備。
本發(fā)明的光學系統(tǒng)的特征在于，使具有大的(高的)局部色散率的固體材料(常溫的和常壓的)具有折射功能。即，由具有大的局部色散率的固體材料形成具有焦度(power)的折射光學元件(光學元件)。
應當注意，這里的折射光學元件指的是例如折射透鏡或其類似物，其借助于折射功能產(chǎn)生其焦度，并且不包括借助于衍射功能來產(chǎn)生其焦度的任何衍射光學元件。
此外，固體材料指的是在使用這種光學系統(tǒng)時呈固態(tài)的材料，并且在光學系統(tǒng)被使用之前例如在制造時，其狀態(tài)可以是任何狀態(tài)。例如，即使在制造時是液態(tài)，但是其被固化而形成相當于此處所述的固體材料的材料。
在每個實施例的光學系統(tǒng)中使用的光學元件在光入射側(cè)和光出射側(cè)上都具有折射表面，并且折射表面的至少一個具有焦度。此外，假定Abbe數(shù)是νd，并且局部色散率是θgF，所述元件由滿足下述條件公式(1)、(2)并且在常溫和常壓下是固體的材料構(gòu)成。
-2.100×10-3·νd+0.693＜θgF...(1)0.555＜θgF＜0.9 ...(2)通過使用滿足條件公式(1)和(2)的固體材料作為光學系統(tǒng)中的光學折射元件，可以在g線到C線的一個寬的波長帶上滿意地校正色差。
此外，滿足條件公式(1)和(2)的固體材料最好滿足下述的條件公式(3)和(4)-2.407×10-3·νd+1.420＜θgd...(3)1.2555＜θgd＜1.67 ...(4)當除去條件公式(1)和(2)之外同時滿足條件公式(3)和(4)時，能夠校正在g線和d線之間的色差。因而，能夠在g線到C線的波長帶內(nèi)進行較密的色差校正。
從色差校正的觀點看來，所述固體材料最好還滿足νd＜60 (5)滿足條件公式(1)和(2)的固體材料(下文也稱為“光學材料”)的一些特定例子包括樹脂。在各類樹脂當中，尤其是UV固化的樹脂(Nd＝1.635，νd＝22.7，θgF＝0.69)或N-聚乙烯咔唑(Nd＝1.696，νd＝17.7，θgF＝0.69)是滿足條件公式(1)和(2)的光學材料。應當注意，所述樹脂不限于這些，只要滿足條件公式(1)和(2)即可。
此外，作為具有和普通玻璃材料的性能不同的光學材料，具有一種在合成樹脂中分散有下述無機氧化物毫微顆粒的混合物。這種混合物的例子包括TiO2(Nd＝2.304，νd＝13.8)，Nb2O5(Nd＝2.367，νd＝14.0)，ITO(Nd＝1.8581，νd＝5.53)，Cr2O3(Nd＝2.2178，νd＝13.4)，BaTiO3(Nd＝2.4362，νd＝11.3)等。
當在這些無機氧化物當中的TiO2(Nd＝2.304，νd＝13.8，θgF＝0.87)的顆粒以合適的體積比被分散在合成樹脂中時，獲得滿足上述的條件公式(1)和(2)的光學材料。
此外，TiO2是一種在多種應用中使用的材料，并且被用作蒸發(fā)材料，用于構(gòu)成光學薄膜，例如在光學領(lǐng)域中的防反射膜。此外，其用作光催化劑，白顏料等，并且TiO2顆粒被用作化妝品材料。
在每個實施例中，分散在樹脂中的TiO2顆粒的平均直徑在考慮分散等因素的影響下最好大約是2nm-50nm，為了抑制聚集，可以加入分散劑之類。
作為用于分散TiO2的中間材料，聚合物是優(yōu)選的，并且使用模制注?；蚱漕愃莆锝柚诠獾幕驘岬木酆夏Ｖ疲梢垣@得高的批量生產(chǎn)率。
此外，關(guān)于聚合物的光學恒定的特性，具有比較大的局部色散率的聚合物、具有比較小的Abbe數(shù)的聚合物、或滿足所述兩個特性的聚合物是優(yōu)選的。例如，可以應用N-聚乙烯咔唑、苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(亞克力)或類似物。在后面所述的實施例中，使用UV固化的樹脂或N-聚乙烯咔唑作為用于分散TiO2顆粒的主聚合物。不過，這不應當認為是對本發(fā)明的限制。
其中分散有毫微顆粒的混合物的色散特性N(λ)可以通過下面從熟知的Drude公式導出的公式被容易地計算。即，在波長λ下的折射率N(λ)如下N(λ)＝[1+V{NTiO2(λ)-1}+(1-V){Np2(λ)-1}]1/2，其中，λ表示任意波長，NTiO表示TiO2的折射率，Np表示聚合物的折射率，V表示TiO2顆粒的總體積對聚合物體積的分數(shù)比。
此外，滿足條件公式(1)和(2)的光學材料最好滿足以下條件，假定在0℃-40℃d線的折射率的溫度改變的絕對值是|dn/dT|。
即，|dn/dT|＜2.5×10-4(1/℃) (6)其中，當范圍偏離條件公式(6)的范圍時，在0℃-40℃的溫度范圍內(nèi)難于保持滿意的光學性能。
在每個實施例中，滿足條件公式(1)和(2)的光學材料被應用于光學系統(tǒng)的透鏡或應用于被設(shè)置在透鏡的表面上并具有折光力的層表面。
此外，當由這種光學材料構(gòu)成的折射表面被制成非球面時，色差閃爍例如球面色差可被滿意地校正。當這種光學元件和大氣例如空氣形成一個界面，或者這種元件和具有比較低的折射率的光學材料形成所述界面時，借助于該界面的輕微的曲率改變，色差可有利地相當大地改變。
下面說明在光學系統(tǒng)中使用具有大的局部色散率并具有焦度的的光學元件的情況下對光學系統(tǒng)的色差校正的影響。
在光學材料的折射率的波長相關(guān)特性(色散特性)中，Abbe數(shù)表示色散特性曲線的總的傾斜度，局部色散率表示色散特性曲線的彎曲度。
一般地說，關(guān)于光學材料，在短波長側(cè)上的折射率比在長波長側(cè)上的高(Abbe數(shù)表示一個正值)，色散特性曲線具有向下凸的(局部色散率表示一個正值)軌跡，折射率的改變相對于波長的改變朝向短波長側(cè)增加。此外，具有較小的Abbe數(shù)和較大的色散的光學材料具有較大的局部色散率，色散特性曲線趨于具有增強的向下凸的形狀。
在具有大的局部色散率的光學材料中，使用這種光學材料的透鏡表面的色差系數(shù)的波長相關(guān)特性曲線，和使用具有小的局部色散率的光學材料的情況下相比，在短波長側(cè)呈現(xiàn)較大的彎曲。
在另一方面，在具有小的局部色散率的光學材料中，使用這種光學材料的透鏡表面的色差系數(shù)的波長相關(guān)特性曲線在整個波長帶內(nèi)呈更接近直線的形狀。
普通光學材料例如玻璃材料的局部色散率相對于Abbe數(shù)基本上線性地改變。具有偏離這種線性改變的特性的光學材料是一種呈現(xiàn)異常局部色散特性的光學材料。作為具有特殊局部色散的光學材料，一般地說具有小的色散的氟石是已知的。不過，甚至具有小的色散和異常局部色散的光學材料相對于Abbe數(shù)基本上均勻地改變。在使用具有特殊局部色散的光學材料作為具有焦度的透鏡的情況下，和使用普通玻璃材料的情況相比，透鏡表面的色差系數(shù)的波長相關(guān)特性曲線具有較高的線性度(較小的局部色散率)或較大的曲度(較大的局部色散率)。
衍射光學元件具有顯著小的局部色散率，這是因為色差系數(shù)的波長相關(guān)特性曲線具有高的線性度。在使用衍射光學元件的光學系統(tǒng)中，可以在整個波長帶范圍內(nèi)滿意地校正色差。不過，衍射對光的影響和折射的影響完全不同。至于一般的光學材料，Abbe數(shù)總是呈現(xiàn)正值，如上所述，并且色散特性曲線或多或少地向下凸出。
與此相反，在衍射光學元件中，在長波長側(cè)上的折射率比在短波長側(cè)的高，并且折射率相對于波長的改變是均勻的。因此，衍射光學元件的Abbe數(shù)呈-3.45的負值，色散特性是線性的。
在使用衍射光學元件的光學系統(tǒng)中，其利用和這種一般的折射材料完全不同的特性，在衍射光學元件之外的部分中產(chǎn)生的較大的色散被衍射光學元件部分抵消，因此可以在整個波長帶范圍內(nèi)滿意地校正色差。
因而，在使用具有顯著小的局部色散率的光學材料的整個光學系統(tǒng)中，可以滿意地校正色差。
在每個實施例中，在使用特殊局部色散材料當中具有比普通玻璃材料高的局部色散率的光學材料的整個光學系統(tǒng)中，在整個波長帶范圍內(nèi)色差被滿意地校正。
和普通玻璃材料相比，在透鏡中使用具有較小的局部色散率的光學材料和具有較高的局部色散率的光學材料的情況下，其差別在于，在短波長側(cè)上在透鏡表面中的色差系數(shù)的波長相關(guān)特性曲線的曲率較小或較大。
此外，在短波長側(cè)上的曲率和光學材料的色散特性的曲率有關(guān)。為了簡化，這里說明其中d線折射率等于Abbe數(shù)的光學材料。對于當使用具有大的局部色散率的材料、具有平常的局部色散率的平常的材料(普通光學材料)和具有小的局部色散率的材料作為具有相同焦度的透鏡的情況，假定在短波長側(cè)和長波長側(cè)的色差系數(shù)的差值是ΔNH，ΔNM，ΔNL，關(guān)系由下式表示ΔNH＞ΔNM＞ΔNL＞0...(a)將說明由兩種透鏡的組合構(gòu)成的光學系統(tǒng)，其中一個透鏡由特殊局部色散材料構(gòu)成。
首先，假定排列存在具有相同焦度的由具有平常局部色散率的材料和具有小的局部色散率的材料構(gòu)成的兩個透鏡，在短和長波長側(cè)上光學系統(tǒng)的色差系數(shù)之間的差值是ΔNM+ΔNL。和使用具有平常局部色散率的兩個透鏡相比，這減少了ΔNM-ΔNL。
即，和使用由具有平常局部色散率的材料構(gòu)成的兩個透鏡的情況相比，可以減少色差。
下面說明具有平常局部色散率的材料和具有大的局部色散率的材料的組合。在短和長波長側(cè)上光學系統(tǒng)的色差系數(shù)之間的差值是ΔNM+ΔNH。
和使用具有平常的局部色散率的材料的兩個透鏡相比，這增加了ΔNH-ΔNM。因此，假定在使用具有小的曲率和小的局部色散率的情況下在短波長側(cè)的色差可被減小，相反地，在使用具有大的曲率和大的局部色散率的材料的情況下在短波長側(cè)的色差被增加。不過，這是使用具有相同焦度的具有大的局部色散率的材料和具有小的局部色散率的材料的情況。
在這種情況下，使用具有大的局部色散率的材料的透鏡的焦度的符號被反向。即，所布置的兩個透鏡之一的焦度的符號被反向，并且使用具有大的局部色散率的材料。那么，在使用具有大的局部色散率的材料的情況下，相反地，和使用由具有平常的局部色散率的材料構(gòu)成的兩個透鏡的情況相比，在短波長側(cè)上的像差可被減小ΔNH-ΔNM。
即使當組合具有平常的局部色散率的材料時，也難于同時對于色差系數(shù)的波長相關(guān)特性曲線的曲率分量和傾斜度分量滿意地校正在整個波長帶內(nèi)的色差。因此，使用和具有平常的局部色散率的玻璃材料相比具有小的局部色散率并且其在短波長側(cè)上的曲率分量可被減小的材料，可以合適地校正色差。不過，從被減小的在短波長側(cè)上的色差的觀點看來，這同樣可以應用于這樣的情況，其中使用具有大的局部色散率的材料，其具有和具有小的局部色散率的材料相反的焦度。應當注意，當焦度的符號不同時，具有大的局部色散率的材料和具有小的局部色散率的材料甚至在短波長側(cè)之外的部分也具有相反的功能。因此，用于選擇光學系統(tǒng)的用于平衡的另一種玻璃材料的方式也相反。
這將用在遠攝透鏡中的消色差功能的一個例子來說明，所述遠攝透鏡由折射光學系統(tǒng)部分GNL和折射光學系統(tǒng)部分G構(gòu)成，前者使用具有大的局部色散率的材料，后者使用其局部色散率不大的平常材料。
首先，對于這部分系統(tǒng)的部分G的色差被校正到某種程度。由這個狀態(tài)，選擇具有比較大的局部色散率的材料作為構(gòu)成部分G的負透鏡。一般地說，具有大的局部色散率的材料同時具有大的色散。因此，和原始狀態(tài)相比，部分G的色差系數(shù)的波長相關(guān)特性曲線彎曲更大，并且整個頃斜度改變。
在這個狀態(tài)下，給予部分GNL合適的焦度。此外，還選擇具有比較大的色散的材料作為構(gòu)成部分G的正透鏡。此外，在部分GNL由相對于Abbe數(shù)具有均勻的局部色散率的普通光學材料構(gòu)成的情況下，部分GNL同時以某個比例貢獻于部分G的色差系數(shù)的波長相關(guān)特性曲線的曲率分量和頃斜度分量。結(jié)果，這些分量不能同時被消除。
在另一方面，當部分GNL由和普通材料相比具有大的局部色散率的材料構(gòu)成時，部分GNL主要貢獻于部分G的色差的整個波長相關(guān)特性曲線的曲率分量。因此，主要只能消除曲率分量。
結(jié)果，主要是在部分GNL中的部分G的色差的整個波長相關(guān)特性曲線的曲率分量，以及主要是在構(gòu)成部分G的正透鏡中的頃斜分量可以分別被獨立地和同時地消除。
此外，當部分GNL的Abbe數(shù)的絕對值小時，即，當色散大時，最好能夠獨立地校正色差。這將使用軸向色差系數(shù)和透鏡表面的放大色差系數(shù)進行說明。
假定折射透鏡的表面的焦度改變是ΔΨ，在透鏡表面中軸向色差系數(shù)的改變ΔL和放大色差系數(shù)的改變ΔT由下式表示ΔL∝Δψ/ν ...(b)ΔT∝Δψ/ν ...(c)由式(b)，(c)可以看出，當Abbe數(shù)v的絕對值較小(即色散較大)時，各個色差系數(shù)的改變ΔL和ΔT相對于透鏡表面的焦度的改變而增加。因此，當使用具有小的Abbe數(shù)v的絕對值和具有大的色散的材料時，用于獲得所需的色差的焦度改變量可被減小。
這意味著色差可以被控制而對球面像差、彗形像差和像散中的散光沒有大的影響，因而色差校正的獨立性被增強。
相反地，當使用具有小的色散的材料時，為獲得所需的色差的焦度改變量增加。因而，混雜像差例如球面像差大大地改變，并且色差校正的獨立性變?nèi)?。因此，在像差校正中重要的是，?gòu)成光學系統(tǒng)的透鏡的至少一個的表面是由高色散材料構(gòu)成的折射透鏡表面。
此外，因為部分GNL和普通光學材料組合使用，在部分GNL中使用的材料的局部色散率需要和普通光學材料的局部色散率不同，但是差別過大不是優(yōu)選的。
在使用和普通光學材料差別太大的材料作為透鏡的情況下，在短波長側(cè)上的透鏡表面的色差系數(shù)的波長相關(guān)特性曲線的曲率特別大。為了抵消這個大的曲率，另一個透鏡的焦度必須被加強。最后，大的影響施加于球面像差、彗形像差、像散或其類似物上，因此難于校正像差。
即，重要的是，部分GNL的材料應當是具有比普通光學材料較大的局部色散率的光學材料，并且局部色散率不應當和普通光學材料相差太大。條件公式(1)和(2)表示在根據(jù)上述原理用于滿意地校正色差的Abbe數(shù)νd以及局部色散率θgF之間的關(guān)系。
應當注意，當條件公式(1)的數(shù)值范圍被設(shè)置為以下范圍時，可以期望達到更滿意的色差校正效果-2.100×10-3·νd+0.693＜θgF＜-1.231×10-3·νd+0.900 ...(1a)該范圍更優(yōu)選地設(shè)置為下述的范圍-2.100×10-3·νd+0.693＜θgF＜-1.389×10-3·νd+0.823...(1b)該范圍更優(yōu)選地設(shè)置為下述的范圍
-1.682×10-3·νd+0.700＜θgF＜-1.682×10-3·νd+0.756...(1c)當條件公式(2)的數(shù)值范圍滿足條件公式(1)，(1a)，(1b)，或(1c)，并且被設(shè)置為下述范圍時，可以期望達到更滿意的色差校正效果0.555＜θgF＜0.86 ...(2a)該范圍更優(yōu)選地設(shè)置為下述范圍0.555＜θgF＜0.80 ...(2b)當條件公式(3)的數(shù)值范圍被設(shè)置為下述范圍時，可以期望達到更滿意的色差校正效果-2.407×10-3·νd+1.420＜θgd＜-1.152×10-3·νd+1.651 ...(3a)該范圍更優(yōu)選地設(shè)置為下述范圍-2.407×10-3·νd+1.420＜θgd＜-1.865×10-3·νd+1.572 ...(3b)可以期望達到更滿意的色差校正效果-2.076×10-3·νd+1.426＜θgd＜-2.076×10-3·νd+1.512 ...(3c)當條件公式(4)的數(shù)值范圍滿足條件公式(3)，(3a)，(3b)或(3c)并被設(shè)置為下述范圍時，可以期望達到更滿意的色差校正效果1.255＜θgd＜1.61 ...(4a)該范圍更優(yōu)選地設(shè)置為下述范圍1.255＜θgd＜1.54 ...(4b)當條件公式(5)的數(shù)值范圍被設(shè)置為下述范圍時，可以期望達到更滿意的色差校正效果νd＜45 ...(5a)該范圍更優(yōu)選地設(shè)置為下述范圍
νd＜30 ...(5b)下面說明一個實施例，其中由滿足條件公式(1)和(2)的光學材料構(gòu)成的光學元件(透鏡或?qū)?被應用于一個特定的光學系統(tǒng)。這里，作為滿足條件公式(1)和(2)的光學材料，使用UV固化的樹脂1，N-聚乙烯咔唑，或分散有TiO2顆粒的材料，其中TiO2被分散在作為主聚合物的UV固化的樹脂或N-聚乙烯咔唑中。應當注意，使用兩種類型的其中分散有TiO2的UV固化樹脂(UV固化樹脂1，UV固化樹脂2)。
在后面所述的例1-例5中使用的光學材料(UV固化樹脂1，分散有TiO2顆粒的材料，N-聚乙烯咔唑)的光學常數(shù)值如表1所示，UV固化樹脂2或構(gòu)成分散有TiO2顆粒的材料的TiO2的單一的光學常數(shù)值如表2所示。每個表表示各個光學材料相對于d線，g線，C線和F線的折射率和Abbe數(shù)的值，以及局部色散率。圖12，13表示在這些光學材料和條件公式(1)-(5)之間的關(guān)系。
圖1是按照用數(shù)字表示的例1的光學系統(tǒng)的截面圖，并表示其中在具有300mm的焦距的超遠攝透鏡中使用UV固化樹脂1。在圖1中，由UV固化樹脂1形成的透鏡(層)由GNL1表示，SP表示孔徑光闌。
在圖1中，IP表示像面。在固態(tài)圖像拍攝元件(光電轉(zhuǎn)換元件)，例如在使用該光學系統(tǒng)作為攝像機或數(shù)字照相機的拍攝光學系統(tǒng)的情況下的CCD傳感器或CMOS傳感器的成像表面中，以及在使用這種系統(tǒng)作為用于銀鹽膠卷的照相機的拍攝光學系統(tǒng)的情況下的膠卷表面中，設(shè)置有相應的光敏表面。
在圖1中，左側(cè)相應于對象側(cè)(前側(cè))，右側(cè)相應于圖像側(cè)(后側(cè))，并且這也適用于其它數(shù)值例子。
圖2是在數(shù)值例1的光學系統(tǒng)的無窮遠處的對象被聚焦的狀態(tài)下的像差圖。
在該像差圖中，d和g分別表示d線和g線，ΔM和ΔS是縱向像面和徑向像面，F(xiàn)no表示F數(shù)，ω表示半場角，放大色差由g線表示。這也適用于其它的像差圖。
在數(shù)值例1的光學系統(tǒng)中，由UV固化樹脂1(表-1)構(gòu)成的透鏡(具有焦度的光學元件)被引入到對象側(cè)上，在其上從旁軸邊緣光線的光軸的通過位置比較高。此外，當給予由UV固化樹脂1構(gòu)成的透鏡(層)GNL1正折光力并且主要是軸向色差被校正時，獲得了具有0.667的遠視率的非常緊湊的超遠攝透鏡。
圖3是按照數(shù)值例2的光學系統(tǒng)的截面圖，并表示一個例子，其中在具有300mm的焦距的超遠攝透鏡中使用通過在UV固化樹脂1中以20％的體積比分散TiO2顆粒而獲得的混合物。在圖3中，由分散有TiO2顆粒的材料構(gòu)成的透鏡(層)由GNL1表示，SP表示孔徑光闌，IP表示像面。
圖4是在數(shù)值例2的光學系統(tǒng)的無窮遠處的對象被聚焦的狀態(tài)下的像差圖。
在數(shù)值例2的光學系統(tǒng)中，由分散有TiO2顆粒的材料構(gòu)成的透鏡被引入到對象側(cè)上，在其上從旁軸邊緣光線的光軸的通過位置比較高。此外，當給予由分散有TiO2顆粒的材料構(gòu)成的透鏡(層)GNL1正折光力并且主要是軸向色差被校正時，獲得了具有0.700的遠視率的非常緊湊的超遠攝透鏡。
圖5是按照數(shù)值例3的光學系統(tǒng)的截面圖，并表示一個例子，其中在具有300mm的焦距的超遠攝透鏡中使用通過在UV固化樹脂2中以20％的體積比分散TiO2顆粒而獲得的混合物。在圖5中，由分散有TiO2顆粒的材料構(gòu)成的透鏡(層)由GNL1表示，SP表示孔徑光闌，IP表示像面。圖6是在數(shù)值例3的光學系統(tǒng)的無窮遠處的對象被聚焦的狀態(tài)下的像差圖。
在數(shù)值例3的光學系統(tǒng)中，由分散有TiO2顆粒的材料構(gòu)成的透鏡被引入到對象側(cè)上，在其上從旁軸邊緣光線的光軸的通過位置比較高。此外，當給予由分散有TiO2顆粒的材料構(gòu)成的透鏡(層)GNL1正折光力并且主要是軸向色差被校正時，獲得了具有0.700的遠視率的非常緊湊的超遠攝透鏡。
圖7是按照數(shù)值例4的光學系統(tǒng)的截面圖，其表示一個例子，其中在變焦比大約為4的具有4個單元構(gòu)造的變焦透鏡的一部分中使用由N-聚乙烯咔唑構(gòu)成的透鏡。
在圖7中，L1表示具有正折光力的第一透鏡單元，L2代表具有負折光力的第二透鏡單元，L3表示具有正折光力的第三透鏡單元，L4表示具有正折光力的第四透鏡單元。此外，由N-聚乙烯咔唑構(gòu)成的透鏡(層)由GNL1表示，SP表示孔徑光闌，IP表示像面。
在該圖中，G表示插入的濾光器、光學低通濾光器、紅外截止濾光器或其類似物。
圖8(A)-(C)分別是在數(shù)值例4的光學系統(tǒng)的廣角端、中焦距和遠攝端無窮遠的對象聚焦狀態(tài)下的像差圖。
在數(shù)值例4的光學系統(tǒng)中，由N-聚乙烯咔唑構(gòu)成的透鏡(層)被引入圖像側(cè)上的第三透鏡單元L3中，在其上在構(gòu)成變焦透鏡的透鏡單元當中從旁軸主光線的光軸的通過位置較高。
此外，當正折光力被給予由N-聚乙烯咔唑構(gòu)成的透鏡(層)GNL1，并且主要是放大色差被校正時，獲得一種緊湊的結(jié)構(gòu)。
圖9是按照數(shù)值例5的光學系統(tǒng)的截面圖，其表示一個例子，其中在變焦比大約為4的具有4個單元構(gòu)造的變焦透鏡的一部分中使用由在UV固化樹脂2中分散TiO2而獲得的混合物所構(gòu)成的透鏡。
在圖9中，L1表示具有正折光力的第一透鏡單元，L2代表具有負折光力的第二透鏡單元，L3表示具有正折光力的第三透鏡單元，L4表示具有正折光力的第四透鏡單元。此外，由分散有TiO2顆粒的材料而構(gòu)成的透鏡(層)由GNL1表示，SP表示孔徑光闌，G表示玻璃塊。圖10(A)-10(C)分別是在數(shù)值例5的光學系統(tǒng)的廣角端、中焦距和遠攝端無窮遠的對象聚焦狀態(tài)下的像差圖。
在數(shù)值例5的光學系統(tǒng)中，由在分散有TiO2顆粒的材料而構(gòu)成的透鏡(層)被引入圖像側(cè)上的第三透鏡單元L3中，在其上在構(gòu)成變焦透鏡的透鏡單元當中從旁軸主光線的光軸的通過位置較高。
此外，當正折光力被給予由在UV固化樹脂2中以3％的體積比分散TiO2而獲得的材料所構(gòu)成的透鏡(層)GNL1，并且主要是放大色差被校正時，獲得一種緊湊的結(jié)構(gòu)。
數(shù)值例1-5的特定數(shù)值數(shù)據(jù)將在后面示出。在每個數(shù)值例中，i表示從對象側(cè)算起的表面的數(shù)量，Ri表示第i個光學表面(第i表面)的曲率半徑，Di表示在第i個表面和第(i+1)個表面之間的軸向間隔，Ni和vi分別表示相對于d線第i個(由樹脂或分散有TiO2顆粒的材料形成的透鏡(層)除外)光學元件的材料的折射率和Abbe數(shù)。由樹脂或分散有TiO2顆粒的材料形成的透鏡GNLj相對于d線的折射率和Abbe數(shù)分別用NGNLj(j＝1，2，...)和vGNLj(j＝1，2，...)單獨表示。此外，f表示焦距，F(xiàn)no表示F數(shù)，ω表示半場角。
此外，假定X是沿光軸方向離開表面頂點的位移量，h是沿垂直于光軸的方向離開光軸的高度，r表示旁軸曲率半徑，k表示錐形常數(shù)，B，C，D，E，...表示各級的非球面系數(shù)，非球面形狀由下式表示x(h)=(1/r)h21+(1-(1+k)(h/r)2)+Bh4+Ch6+Dh8+Eh10···]]>應當注意，在每個非球面系數(shù)中，“E±XX”指的是“×10±XX”。
在數(shù)值例4和5中，最接近于像側(cè)的平面(每個具有無窮大曲率半徑的平面)R18-R22相當于插入濾光器、光學低通濾光器、紅外截止濾光器或其類似物。
在數(shù)值例1和4中，UV固化樹脂1和N-聚乙烯咔唑被單獨使用。在數(shù)值例2，3和5中，在這樣的狀態(tài)下使用材料，其中TiO2被分散在主聚合物中，并使用由上述公式(d)計算的值計算分散有TiO2顆粒的材料的折射率。在數(shù)值例2中，使用UV固化樹脂1作為主聚合物，并且TiO2的體積比是20％。在數(shù)值例3和5中，使用UV固化樹脂2作為主聚合物，并且TiO2的體積比分別是20％和3％。
表1

表2

(數(shù)值例1)f＝294 Fno＝4.14 2ω＝8.42°

非球面系數(shù)

(數(shù)值例2)f＝294 Fno＝4.14 2ω＝8.42°

(數(shù)值例3)f＝294 Fno＝4.14 2ω＝8.42°

(數(shù)值例4)f＝7.21～17.5～27.16 Fno＝2.91～4.20～4.37 2ω＝63.9°～28.8°～18.8°


非球面系數(shù)

(數(shù)值例5)f＝7.21～17.5～27.16 Fno＝2.91～4.20～4.37 2ω＝63.9°～28.8°～18.8°


非球面系數(shù)

下面參照圖11說明使用本發(fā)明的光學系統(tǒng)作為拍攝光學系統(tǒng)的數(shù)字照相機(圖像拍攝設(shè)備)的例子。
在圖11中，標號20代表照相機主體，21代表由本發(fā)明的光學系統(tǒng)構(gòu)成的拍攝光學系統(tǒng)，22代表固態(tài)圖像拍攝元件(光電轉(zhuǎn)換元件)例如CCD傳感器或CMOS傳感器，其被裝在照相機主體中，并接收由光學拍攝系統(tǒng)21形成的對象的圖像的光。標號23代表存儲器，其記錄對應于由成像元件22光電轉(zhuǎn)換的圖像的信息，24代表取景器，其由液晶顯示板構(gòu)成，經(jīng)由其觀察在固態(tài)成像元件22上形成的對象的圖像。
當本發(fā)明的光學系統(tǒng)用這種方式被應用于圖像拍攝元件例如數(shù)字照相機時，實現(xiàn)了具有高的光學性能的小的圖像拍攝設(shè)備。
雖然已經(jīng)參照示例的實施例對本發(fā)明進行了說明，應當理解，本發(fā)明不限于所披露的示例的實施例。下面的權(quán)利要求應當被給予最寬的解釋，使得包括所有這種改變和等同結(jié)構(gòu)與功能。
權(quán)利要求
1.一種光學系統(tǒng)，包括具有在光入射側(cè)和光出射側(cè)兩側(cè)上的折射表面的固體材料，其特征在于所述固體材料的Abbe數(shù)vd和局部色散率θgF滿足條件-2.100×10-3·vd+0.693＜θgF；和0.555＜θgF＜0.9。
2.如權(quán)利要求1所述的光學系統(tǒng)，其中，所述固體材料的局部色散率θgd滿足條件-2.407×10-3·vd+1.420＜θgd；和1.2555＜θgd＜1.67。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光學系統(tǒng)，其中，所述固體材料的Abbe數(shù)vd滿足條件vd＜60。
4.如權(quán)利要求1-3所述的光學系統(tǒng)，其中，所述固體材料是樹脂。
5.如權(quán)利要求1-4所述的光學系統(tǒng)，其中，所述固體材料是混合物，在所述混合物中在一種透明介質(zhì)中分散有無機顆粒。
6.如權(quán)利要求5所述的光學系統(tǒng)，其中，所述無機顆粒是TiO2顆粒。
7.如權(quán)利要求1-6所述的光學系統(tǒng)，其中，假定d線相對于在固體材料中0℃-40℃范圍內(nèi)的溫度的折射率的改變比的絕對值是|dn/dT|，滿足以下條件|dn/dT|＜2.5×10-4/℃。
8.如權(quán)利要求1-7所述的光學系統(tǒng)，其中，所述固體材料是使用模制模型進行光或熱聚合模制成的材料。
9.如權(quán)利要求1-8所述的光學系統(tǒng)，其中，所述固體材料的兩個折射表面中的至少一個具有非球面形狀。
10.如權(quán)利要求1-9所述的光學系統(tǒng)，其中，所述固體材料的兩個折射表面中的至少一個和空氣接觸。
11.如權(quán)利要求1-10所述的光學系統(tǒng)，其中，所述光學系統(tǒng)在光電轉(zhuǎn)換元件上形成圖像。
12.一種圖像拍攝設(shè)備，包括按照權(quán)利要求1-10的光學系統(tǒng)；以及用于接收由所述光學系統(tǒng)形成的圖像的光的光電轉(zhuǎn)換元件。
13.一種觀察設(shè)備，包括按照權(quán)利要求1-10的光學系統(tǒng)。
14.一種投影儀，包括按照權(quán)利要求1-10的光學系統(tǒng)。
全文摘要
在一種光學系統(tǒng)中，設(shè)置有具有在光入射側(cè)和光出射側(cè)兩側(cè)上的折射表面的固體材料，并且Abbe數(shù)νd和局部色散率θgF滿足條件－2.100×10
文檔編號G02B13/00GK1782774SQ20051012047
公開日2006年6月7日 申請日期2005年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月19日
發(fā)明者前瀧聰 申請人:佳能株式會社