專利名稱：變焦透鏡系統(tǒng)和包括變焦透鏡系統(tǒng)的攝像機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變焦透鏡系統(tǒng)和包括變焦透鏡系統(tǒng)的攝像機(jī)。

背景技術(shù)：
近年來，圖像拾取設(shè)備已經(jīng)在功能上得到發(fā)展，所述圖像拾取設(shè)備包括諸如視頻攝像機(jī)、數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)、廣播用攝像機(jī)、和安全攝像機(jī)之類的固態(tài)圖像拾取元件，以及鹵化銀膜攝像機(jī)。此外，圖像拾取設(shè)備的尺寸已經(jīng)減小。
因此，要求在這些圖像拾取設(shè)備中使用的成像光學(xué)系統(tǒng)(變焦透鏡)具有短透鏡長度、小尺寸、高變焦比、以及高分辨率。
為了滿足這些要求，已經(jīng)開發(fā)出后對焦型變焦透鏡。后對焦型變焦透鏡包括最接近于物體而設(shè)置的第一透鏡單元，以及其它透鏡單元。通過移動其它透鏡單元，進(jìn)行對焦。
一種類型的后對焦型變焦透鏡是四單元變焦透鏡，該四單元變焦透鏡從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有正折光力的第一透鏡單元；具有負(fù)折光力的第二透鏡單元；具有正折光力的第三透鏡單元；以及具有正折光力的第四透鏡單元。
在這些變焦透鏡中，一些變焦透鏡移動第二透鏡單元來改變放大率。此外，這些變焦透鏡移動第四透鏡單元以便補(bǔ)償因放大引起的像面變化(例如參見日本專利特開第7-270684號(對應(yīng)于美國專利第5963378號)、日本專利特開第11-305124號(對應(yīng)于美國專利第6166864號)、以及日本專利特開第2005-215518號(對應(yīng)于美國專利第7193787號))。在這些變焦透鏡中，只有兩個透鏡單元是可移動的。因此，這些變焦透鏡是通過使用相對簡單的驅(qū)動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的。
相反，一些變焦透鏡在進(jìn)行變焦時移動所有這四個透鏡單元(例如參見日本專利特開第2000-347102號(對應(yīng)于美國專利第686725號)，以及日本專利特開第2003-315676號(對應(yīng)于美國專利第6975461號))。
這些變焦透鏡可以控制對于每個透鏡單元的偏心的靈敏度。因此，這些變焦透鏡適合于可收縮安裝型圖像拾取設(shè)備，在該可收縮安裝型圖像拾取設(shè)備中，當(dāng)圖像拾取設(shè)備未使用時透鏡單元被收縮，以使得圖像拾取設(shè)備便于攜帶。
另一方面，近年來，已經(jīng)開發(fā)出透光陶瓷，并且因而，已經(jīng)開發(fā)出使用這種透光陶瓷作為其光學(xué)材料的透鏡設(shè)備。
透光陶瓷的折射率高于光學(xué)玻璃的折射率。此外，透光陶瓷具有優(yōu)良的硬度和強(qiáng)度。通過使用透光陶瓷的這些特性，已經(jīng)開發(fā)出整個透鏡系統(tǒng)厚度減小的光學(xué)系統(tǒng)(例如參見日本專利特開第2006-84887號(對應(yīng)于美國專利第2006/0062569號))。
近年來，強(qiáng)烈要求用于圖像拾取設(shè)備的變焦透鏡具有高變焦比以及整個透鏡系統(tǒng)的小尺寸。
通常，通過減小變焦透鏡的透鏡數(shù)目同時增大每個透鏡單元的折射率，可以減小變焦透鏡的尺寸。
然而，對于這些變焦透鏡，透鏡的厚度傾向于增大。因此，透鏡系統(tǒng)無法令人滿意地被減小。此外，難于校正透鏡的各種像差。
為了獲得高變焦比以及整個透鏡系統(tǒng)的小尺寸，重要的是以最優(yōu)方式確定變焦類型、每個透鏡單元的折射率、以及每個透鏡單元中的透鏡元件的組合。
具體的，對于上述后對焦型變焦透鏡，重要的是最優(yōu)地設(shè)計用于主要改變放大率的第二透鏡單元的結(jié)構(gòu)。
例如，對于第二透鏡單元中的透鏡，需要在考慮到折射率和阿貝數(shù)的情況下選擇可以減小任何變焦位置處的各種像差(包括色差)的材料。
在日本專利特開第2006-84887號中描述的透鏡設(shè)備包括粘合透鏡，該粘合透鏡具有相互粘結(jié)的正透鏡元件和負(fù)透鏡元件。負(fù)透鏡元件的材料是透光陶瓷。通過這種方式，粘合透鏡的厚度被減小，并且因此，透鏡設(shè)備的尺寸被減小。
陶瓷的折射率、硬度和彎曲強(qiáng)度高于玻璃。在日本專利特開第2006-84887中，使用陶瓷的這些特性，通過一個負(fù)透鏡元件厚度的減小量來有利地減小透鏡設(shè)備的尺寸。
考慮這樣的曲線圖，該曲線圖具有向上增大的代表折射率的縱坐標(biāo)以及向左增大的代表阿貝數(shù)的橫坐標(biāo)(下文中稱為“nd-vd數(shù)”)。通常，當(dāng)將玻璃映射在該曲線圖上時，玻璃的特性沿著幾條直線之一分布。
通常，隨著光學(xué)玻璃的折射率增大，光學(xué)玻璃的阿貝數(shù)減小并且分散性增大。
在nd-vd圖中，在可見光范圍內(nèi)具有高透光率的一些陶瓷、單晶氧化物材料和多晶氧化物材料所具有的折射率與阿貝數(shù)之間的關(guān)系不同于普通光學(xué)玻璃的所述關(guān)系。
也就是說，這些材料所具有的折射率高于具有相同阿貝數(shù)的光學(xué)玻璃的折射率。
當(dāng)使用具有這種特性的陶瓷作為光學(xué)材料時，可以容易地校正像差，并且可以容易地減小整個透鏡系統(tǒng)的尺寸。
然而，即使由陶瓷制成的透鏡被簡單地用于變焦透鏡，也難于對于整個變焦范圍獲得高光學(xué)性能。
為了增大變焦比以及減小整個透鏡系統(tǒng)的尺寸，重要的是以最優(yōu)方式確定變焦類型、每個透鏡單元的折射率、以及每個透鏡單元中的透鏡元件的組合。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在一種緊湊的變焦透鏡系統(tǒng)，該變焦透鏡系統(tǒng)通過適當(dāng)?shù)厥褂弥T如透光陶瓷之類的具有高折射率的材料，而具有高變焦比以及在整個變焦范圍上的高光學(xué)性能。
根據(jù)本發(fā)明，所述變焦光學(xué)系統(tǒng)可以適當(dāng)?shù)赜糜趫D像拾取設(shè)備，該圖像拾取設(shè)備包括諸如視頻攝像機(jī)、數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)、廣播用攝像機(jī)或安全攝像機(jī)之類的固態(tài)圖像拾取元件，以及諸如鹵化銀膜攝像機(jī)之類的使用鹵化銀膜的圖像拾取設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種變焦透鏡系統(tǒng)從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有正光焦度(optical power)的第一透鏡單元；具有負(fù)光焦度的第二透鏡單元；以及包括至少一個透鏡單元的后透鏡組件。當(dāng)進(jìn)行變焦時，所述第二透鏡單元能夠移動以使得所述第一透鏡單元與所述第二透鏡單元之間的距離在遠(yuǎn)攝端處大于廣角端處。所述第二透鏡單元包括由滿足以下條件的材料制成的負(fù)透鏡元件 Nd＞2.3-0.01·vd，以及 1.75＜Nd＜2.7， 其中，Nd是用于d線的材料的折射率，并且vd是該材料的阿貝數(shù)。
根據(jù)以下參照附圖對示例性實施例的說明，本發(fā)明的其它特征將變得顯而易見。



圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的變焦透鏡在廣角端處的截面視圖。
圖2是根據(jù)第一實施例的變焦透鏡在廣角端處的像差圖。
圖3是根據(jù)第一實施例的變焦透鏡在中間變焦位置處的像差圖。
圖4是根據(jù)第一實施例的變焦透鏡在遠(yuǎn)攝端處的像差圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的變焦透鏡在廣角端處的截面視圖。
圖6是根據(jù)第二實施例的變焦透鏡在廣角端處的像差圖。
圖7是根據(jù)第二實施例的變焦透鏡在中間變焦位置處的像差圖。
圖8是根據(jù)第二實施例的變焦透鏡在遠(yuǎn)攝端處的像差圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的變焦透鏡在廣角端處的截面視圖。
圖10是根據(jù)第三實施例的變焦透鏡在廣角端處的像差圖。
圖11是根據(jù)第三實施例的變焦透鏡在中間變焦位置處的像差圖。
圖12是根據(jù)第三實施例的變焦透鏡在遠(yuǎn)攝端處的像差圖。
圖13是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的變焦透鏡在廣角端處的截面視圖。
圖14是根據(jù)第四實施例的變焦透鏡在廣角端處的像差圖。
圖15是根據(jù)第四實施例的變焦透鏡在中間變焦位置處的像差圖。
圖16是根據(jù)第四實施例的變焦透鏡在遠(yuǎn)攝端處的像差圖。
圖17是根據(jù)本發(fā)明第五實施例的變焦透鏡在廣角端處的截面視圖。
圖18是根據(jù)第五實施例的變焦透鏡在廣角端處的像差圖。
圖19是根據(jù)第五實施例的變焦透鏡在中間變焦位置處的像差圖。
圖20是根據(jù)第五實施例的變焦透鏡在遠(yuǎn)攝端處的像差圖。
圖21是根據(jù)本發(fā)明第六實施例的變焦透鏡在廣角端處的截面視圖。
圖22是根據(jù)第六實施例的變焦透鏡在廣角端處的像差圖。
圖23是根據(jù)第六實施例的變焦透鏡在中間變焦位置處的像差圖。
圖24是根據(jù)第六實施例的變焦透鏡在遠(yuǎn)攝端處的像差圖。
圖25是根據(jù)本發(fā)明第七實施例的變焦透鏡在廣角端處的截面視圖。
圖26是根據(jù)第七實施例的變焦透鏡在廣角端處的像差圖。
圖27是根據(jù)第七實施例的變焦透鏡在中間變焦位置處的像差圖。
圖28是根據(jù)第七實施例的變焦透鏡在遠(yuǎn)攝端處的像差圖。
圖29是根據(jù)本發(fā)明第八實施例的變焦透鏡在廣角端處的截面視圖。
圖30是根據(jù)第八實施例的變焦透鏡在廣角端處的像差圖。
圖31是根據(jù)第八實施例的變焦透鏡在中間變焦位置處的像差圖。
圖32是根據(jù)第八實施例的變焦透鏡在遠(yuǎn)攝端處的像差圖。
圖33是根據(jù)本發(fā)明實施例的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的主要部分的示意性例示圖。
圖34是根據(jù)本發(fā)明實施例的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的示意性例示圖。

具體實施例方式 下面描述根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的變焦透鏡系統(tǒng)和包括變焦透鏡系統(tǒng)之一的圖像拾取設(shè)備。
根據(jù)每個實施例的變焦透鏡從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有正折光力(即，光焦度＝焦距的倒數(shù))的第一透鏡單元；具有負(fù)折光力的第二透鏡單元；以及包括至少一個透鏡單元的后組件。當(dāng)進(jìn)行變焦時，至少所述第二透鏡單元移動，以使得所述第一透鏡單元與所述第二透鏡單元之間的距離在遠(yuǎn)攝端處大于廣角端處。
此外，該后組件包括至少一個具有正折光力的透鏡單元。
例如，該后組件從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有正折光力的第三透鏡單元和具有正折光力的第四透鏡單元。
圖1是根據(jù)第一實施例的變焦透鏡在廣角端處的主要部分的截面視圖。圖2、3和4是根據(jù)第一實施例的變焦透鏡分別在廣角端(最小焦距端)處、中間焦距位置(中間變焦位置)處、和遠(yuǎn)攝端(最大焦距端)處的像差圖。
圖5是根據(jù)第二實施例的變焦透鏡在廣角端處的主要部分的截面視圖。圖6、7和8是根據(jù)第二實施例的變焦透鏡分別在廣角端(最小焦距端)處、中間焦距位置(中間變焦位置)處、和遠(yuǎn)攝端(最大焦距端)處的像差圖。
圖9是根據(jù)第三實施例的變焦透鏡在廣角端處的主要部分的截面視圖。圖10、11和12是根據(jù)第三實施例的變焦透鏡分別在廣角端(最小焦距端)處、中間焦距位置(中間變焦位置)處、和遠(yuǎn)攝端(最大焦距端)處的像差圖。
圖13是根據(jù)第四實施例的變焦透鏡在廣角端處的主要部分的截面視圖。圖14、15和16是根據(jù)第四實施例的變焦透鏡分別在廣角端(最小焦距端)處、中間焦距位置(中間變焦位置)處、和遠(yuǎn)攝端(最大焦距端)處的像差圖。
圖17是根據(jù)第五實施例的變焦透鏡在廣角端處的主要部分的截面視圖。圖18、19和20是根據(jù)第五實施例的變焦透鏡分別在廣角端(最小焦距端)處、中間焦距位置(中間變焦位置)處、和遠(yuǎn)攝端(最大焦距端)處的像差圖。
圖21是根據(jù)第六實施例的變焦透鏡在廣角端處的主要部分的截面視圖。圖22、23和24是根據(jù)第六實施例的變焦透鏡分別在廣角端(最小焦距端)處、中間焦距位置(中間變焦位置)處、和遠(yuǎn)攝端(最大焦距端)處的像差圖。
圖25是根據(jù)第七實施例的變焦透鏡在廣角端處的主要部分的截面視圖。圖26、27和28是根據(jù)第七實施例的變焦透鏡分別在廣角端(最小焦距端)處、中間焦距位置(中間變焦位置)處、和遠(yuǎn)攝端(最大焦距端)處的像差圖。
圖29是根據(jù)第八實施例的變焦透鏡在廣角端處的主要部分的截面視圖。圖30、31和32是根據(jù)第八實施例的變焦透鏡分別在廣角端(最小焦距端)處、中間焦距位置(中間變焦位置)處、和遠(yuǎn)攝端(最大焦距端)處的像差圖。
圖33和34是包括根據(jù)本發(fā)明實施例之一的變焦透鏡的攝像機(jī)(圖像拾取設(shè)備)的示意性例示圖。
根據(jù)本發(fā)明每個實施例的變焦透鏡是用于視頻攝像機(jī)和數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)的圖像拍取透鏡系統(tǒng)。在變焦透鏡的截面視圖中，物體位于左邊(前側(cè))，圖像位于右邊(后側(cè))。
在實施例的變焦透鏡用作例如投影儀的投影透鏡的情況下，屏幕位于左側(cè)，要投影的圖像位于右側(cè)。
在變焦透鏡的截面視圖中，“L1”表示具有正折光力(即，光焦度＝焦距的倒數(shù))的第一透鏡單元；“L2”表示具有負(fù)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；“L5”表示具有弱折光力的第五透鏡單元。注意，第五透鏡單元僅在第八實施例中使用(參照圖29)。
此外，后透鏡組件包括兩個透鏡單元第三透鏡單元L3和第四透鏡單元L4。另選的，后透鏡組件包括三個透鏡單元第三透鏡單元L3、第四透鏡單元L4和第五透鏡單元L5。然而，后透鏡組件可以另外包括另一透鏡單元。
“SP”代表孔徑光闌?？讖焦怅@SP設(shè)置在圖1、5、9、21和25所例示的實施例1到3以及實施例6和7的變焦透鏡中的第三透鏡單元L3的物側(cè)上。
相反，孔徑光闌SP設(shè)置在圖13、17和29所例示的實施例4、5和8的變焦透鏡的第三透鏡單元L3中。
“G”代表包括濾光器、面板、石英低通濾光器和紅外截止濾光器的光學(xué)模塊。
此外，在圖中例示出像面IP。當(dāng)變焦透鏡用于視頻攝像機(jī)或數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)的圖像攝取光學(xué)系統(tǒng)時，像面IP用作諸如電荷耦合器件(CCD)傳感器或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)之類的固態(tài)圖像拾取元件(光電轉(zhuǎn)換元件)的成像面。
當(dāng)變焦透鏡用于鹵化銀膜攝像機(jī)的圖像攝取光學(xué)系統(tǒng)時，像面IP對應(yīng)于膜表面。
在像差圖中，“d”和“g”分別代表d線和g線?！唉”和“ΔS”分別代表子午像面(meridional image plane)和弧式像面(sagittalimage plane)。放大率色差是使用相對于d線的g線來代表的。“ω”表示半場角。“Fno”表示F數(shù)。在球面像差圖中，縱坐標(biāo)代表F數(shù)。在像散圖、畸變像差圖和放大率色差圖中，縱坐標(biāo)代表半場角。
在以下實施例中，術(shù)語“廣角端”和“遠(yuǎn)攝端”是指當(dāng)用于改變放大率的主透鏡單元位于可機(jī)械地沿光軸移動的范圍的任一端點處時的變焦位置。
當(dāng)從廣角端向遠(yuǎn)攝端進(jìn)行變焦時，透鏡單元在圖中箭頭所表示的軌線上移動。
在每個以下實施例中，當(dāng)從廣角端向遠(yuǎn)攝端進(jìn)行變焦時，至少第二透鏡單元L2移動以便第一透鏡單元L1與第二透鏡單元L2之間的距離在遠(yuǎn)攝端處大于廣角端處。
在根據(jù)第一到第六實施例以及第八實施例的變焦透鏡中，當(dāng)從廣角端向遠(yuǎn)攝端進(jìn)行變焦時，第二透鏡單元L2移動以進(jìn)行主要放大。此外，第四透鏡單元L4在朝著物側(cè)凸起的軌跡上移動，以便補(bǔ)償因放大引起的像面變化。此外，第四透鏡單元L4用于進(jìn)行對焦。
通過在朝著物側(cè)凸起的軌跡上移動第四透鏡單元L4，可以有效地使用在第三透鏡單元L3與第四透鏡單元L4之間形成的空間。因此，可以有效地減小總透鏡長度。
第四透鏡單元L4沿實曲線4a和虛曲線4b移動，以便分別補(bǔ)償在執(zhí)行對無限遠(yuǎn)物體的對焦和執(zhí)行近距離對焦時的放大引起的像面變化。
當(dāng)執(zhí)行對無限遠(yuǎn)物體的對焦，并且隨后執(zhí)行近距離對焦時，第四透鏡單元L4向前移動，如箭頭4c所例示的。
在第一到第六實施例以及第八實施例中，當(dāng)執(zhí)行變焦或?qū)箷r，第一透鏡單元L1、第三透鏡單元L3和孔徑光闌SP沿光軸是固定的。然而，為了補(bǔ)償像差，可以在需要時移動第一透鏡單元L1、第三透鏡單元L3和孔徑光闌SP。
根據(jù)第八實施例，變焦透鏡包括具有弱折光力的第五變焦透鏡L5，以便減小在進(jìn)行變焦時出射光瞳的變化，以及減小在進(jìn)行對焦時像差的變化。
根據(jù)第七實施例，當(dāng)進(jìn)行變焦時，變焦透鏡中的所有透鏡單元都移動。
根據(jù)第七實施例，當(dāng)從廣角端向遠(yuǎn)攝端進(jìn)行變焦時，第二透鏡單元L2在朝著像側(cè)凸起的軌跡上移動。第一透鏡單元L1和第三透鏡單元L3朝著物側(cè)移動，以使得與廣角端相比，在遠(yuǎn)攝端處位于更為接近于對焦物體的位置處。
當(dāng)進(jìn)行變焦時，第四透鏡單元L4在朝著物側(cè)凸起的軌跡上移動。
由于當(dāng)進(jìn)行變焦時，第一透鏡單元L1朝著物側(cè)移動，以使得與廣角端相比，在遠(yuǎn)攝端處位于更為接近于對焦物體的位置處，所以可以獲得高變焦比，同時使總透鏡長度保持短。
由于當(dāng)進(jìn)行變焦時，第三透鏡單元L3朝著物側(cè)移動，以使得與廣角端相比，在遠(yuǎn)攝端處位于更為接近于對焦物體的位置處，所以第三透鏡單元L3可以提供大的放大效果。根據(jù)第七實施例，第三透鏡單元L3用作主要可變放大率透鏡單元。
此外，由于具有正折光力的第一透鏡單元L1朝著物側(cè)移動，所以第二透鏡單元L2也可以具有可變放大率功能。由此，變焦透鏡可以提供大于或等于五的變焦比，而不顯著增大第一透鏡單元L1和第二透鏡單元L2的折光力。
變焦透鏡采用后對焦方法，在該后對焦方法中，第四透鏡單元L4沿光軸移動以進(jìn)行對焦。
第四透鏡單元L4沿實曲線4a和虛曲線4b移動，以便分別補(bǔ)償在執(zhí)行對無限遠(yuǎn)物體的對焦和執(zhí)行近距離對焦時從廣角端向遠(yuǎn)攝端變焦而引起的像面變化。
類似于上述實施例，根據(jù)第七實施例，當(dāng)執(zhí)行對無限遠(yuǎn)物體的對焦，并且隨后在遠(yuǎn)攝端執(zhí)行近距離對焦時，第四透鏡單元L4向前移動，如箭頭4c所例示的。
根據(jù)第八實施例，當(dāng)進(jìn)行變焦時，孔徑光闌SP與第三透鏡單元L3一起移動。然而，孔徑光闌SP可以獨立于第三透鏡單元L3移動。另選的，孔徑光闌SP可以是固定的。如果孔徑光闌SP與第三透鏡單元L3一起移動，則被移動和可移動單元的數(shù)目可以減小，并且因此，可以容易地簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)。
如果孔徑光闌SP獨立于第三透鏡單元L3移動，則可以有利地減小前透鏡的直徑。
相反，如果孔徑光闌SP是固定的，則孔徑單元無需移動。因此，當(dāng)進(jìn)行變焦時，變焦所需的致動器的驅(qū)動扭矩可以較小。由此，可以有利地減小功率消耗。
在實施例中，變焦透鏡包括四個透鏡單元或五個透鏡單元。然而，如果需要，可以將具有折光力的附加透鏡單元或轉(zhuǎn)換器透鏡單元設(shè)置在第一透鏡單元L1的物側(cè)上或者設(shè)置在作為最后透鏡單元的第四透鏡單元L4或第五透鏡單元L5的像側(cè)上。
如上所述，根據(jù)每個實施例，變焦透鏡從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有正折光力的第一透鏡單元；具有負(fù)折光力的第二透鏡單元；以及包括至少一個透鏡單元的后透鏡組件。當(dāng)進(jìn)行變焦時，至少所述第二透鏡單元移動，以使得所述第一透鏡單元與所述第二透鏡單元之間的距離在遠(yuǎn)攝端處大于廣角端處。
根據(jù)本發(fā)明，在這種變焦透鏡中，第二透鏡單元L2包括由滿足以下條件表達(dá)式的材料制成的至少一個負(fù)透鏡元件L2na Nd＞2.3-0.01·vd，以及...(1) 1.75＜Nd＜2.7， ...(2) 其中，Nd是用于d線(波長＝587.6nm)的材料的折射率，并且vd是阿貝數(shù)。
此處，阿貝數(shù)vd由下式表示 vd＝(Nd-1)/(NF-NC)， 其中Nd是用于d線(波長＝587.6nm)的材料的折射率，NF是用于F線(波長＝486.1nm)的材料的折射率，NC是用于C線(波長＝656.3nm)的材料的折射率。
在每個實施例中，變焦透鏡的第二透鏡單元L2包括由具有高折射率的無機(jī)材料形成的負(fù)透鏡，該無機(jī)材料滿足上述條件表達(dá)式(1)和(2)。這種無機(jī)材料的示例包括透光陶瓷。通過這種方式，根據(jù)每個實施例的變焦透鏡可以具有緊湊尺寸、高變焦比、和在整個變焦范圍上的優(yōu)良光學(xué)性能。
如果負(fù)透鏡元件L2na的折射率小于條件表達(dá)式(1)的右側(cè)的值，則在離軸光線在高光線位置處通過負(fù)透鏡元件L2na的廣角端處，因離軸光線引起的色散變得過高。因此，難于使用第二透鏡單元L2中的正透鏡元件校正色差。
結(jié)果，在廣角端處，放大率色差增大。
相反，如果負(fù)透鏡元件L2na的折射率小于條件表達(dá)式(2)的下限，即，如果負(fù)透鏡元件L2na的折射率過低，則需要增大第二透鏡單元L2的移動量，以便使用第二透鏡單元L2獲得充分變焦比。結(jié)果，難于減小透鏡系統(tǒng)的尺寸。
然而，如果負(fù)透鏡元件L2na的折射率大于條件表達(dá)式(2)的上限，即，如果負(fù)透鏡元件L2na的折射率過高，則負(fù)透鏡元件L2na無法令人滿意地將Petzval Sum校正到校正不足側(cè)。結(jié)果，場曲率不利地并且顯著地朝著校正不足側(cè)下降。
當(dāng)變焦透鏡滿足以下條件表達(dá)式時，可以實現(xiàn)本發(fā)明。下面描述用于解決與變焦透鏡有關(guān)的各種技術(shù)問題的條件。
首先，負(fù)透鏡元件L2na滿足以下條件表達(dá)式 0.5＜f2na/f2＜2.0...(3) 其中，f2na是負(fù)透鏡元件L2na的焦距，f2是第二透鏡單元L2的焦距。如果第二透鏡單元L2包括由滿足條件表達(dá)式(1)和(2)的材料形成的多個負(fù)透鏡元件，則f2na代表具有最高折射率的負(fù)透鏡元件L2na的焦距。如此處所使用的，術(shù)語“最高折射率”是指最大的折射率絕對值，即，最小的焦距絕對值。
條件表達(dá)式(3)定義了在第二透鏡單元L2中的負(fù)透鏡元件L2na的與折射率有關(guān)的責(zé)任。
如果負(fù)透鏡元件L2na的焦距小于條件表達(dá)式(3)的下限，即，如果負(fù)透鏡元件L2na的焦距過小，則因負(fù)透鏡元件L2na在廣角端處的離軸光線引起的像差顯著增大。結(jié)果，在廣角端處放大率色差增大，并且因此，發(fā)生大的桶形畸變像差。
相反，如果負(fù)透鏡元件L2na的焦距大于條件表達(dá)式(3)的上限，則第二透鏡單元L2的其它透鏡元件所需的折光力程度需要顯著增大。結(jié)果，第二透鏡單元的透鏡元件的數(shù)目增大，并且因此，整個透鏡系統(tǒng)的尺寸增大。
其次，在第二透鏡元件L2包括由不滿足條件表達(dá)式(1)和(2)的材料形成的負(fù)透鏡元件(即非負(fù)透鏡元件L2na的負(fù)透鏡元件)的情況下，期望滿足以下條件表達(dá)式 0.1＜f2na/f2nb＜1.0...(4) 其中f2nb是非負(fù)透鏡元件L2na的負(fù)透鏡元件的焦距，即，在由不滿足條件表達(dá)式(1)和(2)的材料形成的負(fù)透鏡元件當(dāng)中具有最高折射率的負(fù)透鏡元件的焦距。
如果負(fù)透鏡元件L2na的焦距f2na被減小到小于條件表達(dá)式(4)的下限的值，則在廣角端處因離軸光線引起的負(fù)透鏡元件L2na的像差變得過大。結(jié)果，在廣角端處放大率色差增大。此外，發(fā)生大的桶形畸變像差。
然而，如果負(fù)透鏡元件L2na的焦距f2na被增大到大于條件表達(dá)式(4)的上限的值，則負(fù)透鏡元件L2nb極大地負(fù)責(zé)光的折射。
因此，在負(fù)透鏡L2nb中，在廣角端處離軸光線引起的像差變得過大。結(jié)果，在廣角端處放大率色差增大。此外，不利地發(fā)生大的桶形畸變像差。
第三，在第二透鏡單元L2包括多個透鏡元件的情況下，滿足以下表達(dá)式 1.65＜N2ave＜2.3...(5) 其中N2ave是用于d線的第二單元L2的透鏡元件的材料的折射率的平均值。
第二透鏡單元L2是負(fù)責(zé)可變放大率的透鏡單元。因此，為了減小整個透鏡系統(tǒng)的尺寸，第二透鏡單元L2需要具有高折光力。
如果折射率的平均值減小到小于條件表達(dá)式(5)的下限的值，則第二透鏡單元L2的每個透鏡元件的曲率增大(即，曲率半徑減小)過多。因此，在透鏡元件的每個表面上顯著地發(fā)生高次像差。因此，難于補(bǔ)償像差，并且因而，光學(xué)性能劣化。
相反，如果折射率的平均值增大到大于條件表達(dá)式(5)的上限，則第二透鏡單元L2無法令人滿意地將Petzval Sum校正到校正不足側(cè)。結(jié)果，場曲率不利地并且顯著地朝著校正不足側(cè)下降。
第四，被設(shè)置為最接近于對焦物體的負(fù)透鏡元件滿足以下條件表達(dá)式 0.3＜(1/f2)/Φ21＜1.8...(6) 其中Φ21是在第二透鏡單元L2的負(fù)透鏡元件當(dāng)中設(shè)置在最接近于對焦物體的位置處的負(fù)透鏡元件(實施例中的負(fù)透鏡元件G21)的像側(cè)表面的折光力。
Φ21由下式定義 Φ21＝(1-n21)/R21， 其中，n21＝用于d線的負(fù)透鏡元件G21的材料的折射率，并且 R21＝負(fù)透鏡元件G21的像側(cè)表面的曲率半徑。
條件表達(dá)式(6)表示第二透鏡單元L2的折光力(1/f2)與第二透鏡單元L2中的被設(shè)置為最接近于對焦物體的負(fù)透鏡元件G21的像側(cè)表面的折光力(Φ21)的比率。
在廣角端處，離軸光線在與光軸遠(yuǎn)距離的位置處，入射到第二透鏡單元L2中的被設(shè)置為最接近于對焦物體的負(fù)透鏡元件G21上。此外，離軸光線以相對于光軸的大角度從負(fù)透鏡元件G21的外側(cè)入射到內(nèi)側(cè)。
相反，軸向光線通過具有正折射率的第一透鏡單元L1并且被收集。隨后，軸向光線進(jìn)入負(fù)透鏡元件G21。因此，在任何變焦位置處，軸向光線都不具有大直徑。由此，負(fù)透鏡元件G21對球面像差的影響小。
為此，負(fù)透鏡元件G21應(yīng)當(dāng)具有彎月形狀，以使得在廣角端處離軸光線具有小入射角。通過這種方式，在廣角端處可以減小畸變像差和彗形像差的發(fā)生。
此外，由于在任何變焦位置處減小了對球面像差的影響，所以負(fù)透鏡元件G21可以具有高負(fù)折光力。因此，作為可移動透鏡單元的第二透鏡單元L2可以具有高折光力。結(jié)果，變焦所需的移動行程可以減小，并且因而，總透鏡長度可以減小。
如果負(fù)透鏡元件G21的像側(cè)表面的折光力Φ21增大，以致于該比率超出條件表達(dá)式(6)的下限，則在光線高度高的廣角端處，負(fù)透鏡元件G21的像側(cè)表面對離軸光線的分散效果變得過大。
因此，在廣角端處，難于使第二透鏡單元L2中的正透鏡元件補(bǔ)償負(fù)透鏡元件G21的像側(cè)表面上發(fā)生的放大率色差和彗形像差。
相反，如果折光力Φ21減小，以致于該比率超出條件表達(dá)式(6)的上限，則作為可移動透鏡單元的第二透鏡單元L2無法具有足夠的負(fù)折光力。結(jié)果，變焦所需的移動行程增大，因而，難于減小整個透鏡系統(tǒng)的尺寸。
對于條件表達(dá)式(2)到(6)，滿足以下條件 1.8＜Nd＜2.6，...(2a) 0.7＜f2na/f2＜1.8， ...(3a) 0.2＜f2na/f2nb＜0.9， ...(4a) 1.7＜N2ave＜2.2，和 ...(5a) 0.5＜(1/f2)/Φ21＜1.6 ...(6a) 此外，以下范圍內(nèi)的值進(jìn)一步增加上述條件表達(dá)式預(yù)期的效果 1.8＜Nd＜2.5，...(2b) 0.9＜f2na/f2＜1.6， ...(3b) 0.3＜f2na/f2nb＜0.8， ...(4b) 1.75＜N2ave＜2.1，和 ...(5b) 0.6＜(1/f2)/Φ21＜1.4 ...(6b) 接下來描述每個實施例中的第二透鏡單元L2的透鏡結(jié)構(gòu)。
在所有實施例中，第二透鏡單元L2包括至少兩個負(fù)透鏡元件和至少一個正透鏡元件。
滿足條件表達(dá)式(1)和(2)的負(fù)透鏡元件L2na被放置為使得在第二透鏡單元L2的透鏡元件當(dāng)中最為接近對焦物體。在每個實施例中，被放置為使得最為接近對焦物體的負(fù)透鏡元件G21用作負(fù)透鏡元件L2na。
在每個實施例中，負(fù)透鏡元件G21具有在像側(cè)上為凹面的彎月形狀。至少一個負(fù)透鏡元件和至少一個正透鏡元件設(shè)置在負(fù)透鏡元件L2na的像側(cè)上。
根據(jù)第一、第二和第三實施例，在負(fù)透鏡元件G21的像側(cè)上從物側(cè)到像側(cè)依次設(shè)置有以下透鏡元件具有兩個凹面的雙凹形狀的負(fù)透鏡元件G22；具有兩個凸面的雙凸形狀的正透鏡元件G23；以及具有兩個凹面的雙凹形狀的負(fù)透鏡元件G24。
根據(jù)第四實施例，在負(fù)透鏡元件G21的像側(cè)上從物側(cè)到像側(cè)依次設(shè)置有以下透鏡元件具有兩個凹面的雙凹形狀的負(fù)透鏡元件G22；具有兩個凸面的雙凸形狀的正透鏡元件G23；以及在物側(cè)上具有凹面的負(fù)透鏡元件G24。
根據(jù)第五、七和八實施例，在負(fù)透鏡元件G21的像側(cè)上從物側(cè)到像側(cè)依次設(shè)置有以下透鏡元件具有兩個凹面的雙凹形狀的負(fù)透鏡元件G22以及在物側(cè)上具有凸面的正透鏡元件G23。
根據(jù)第六實施例，在負(fù)透鏡元件G21的像側(cè)上從物側(cè)到像側(cè)依次設(shè)置有以下透鏡元件在像側(cè)上具有凹面的負(fù)透鏡元件G22；具有兩個凹面的雙凹形狀的負(fù)透鏡元件G23；以及在物側(cè)上具有凸面的正透鏡元件G24。
接下來描述每個實施例中的第三透鏡單元L3的透鏡結(jié)構(gòu)。
在每個實施例中，第三透鏡單元L3包括至少一個正透鏡元件和至少一個負(fù)透鏡元件。
此外，第三透鏡單元L3中的正透鏡元件的至少一個表面是非球面的。
接下來描述這些實施例的具體結(jié)構(gòu)。在以下描述中，除非另外指出，否則從物側(cè)到像側(cè)依次描述透鏡元件。
根據(jù)第一實施例，如圖1所例示的，變焦透鏡包括具有正折光力的第一透鏡單元L1；具有負(fù)折光力的第二透鏡單元L2；具有正折光力的第三透鏡單元L3；以及具有正折光力的第四透鏡單元L4。
當(dāng)從廣角端向遠(yuǎn)攝端進(jìn)行變焦時，第二透鏡單元L2朝著圖像側(cè)移動以改變放大率。第四透鏡單元L4在朝著物側(cè)凸起的軌跡上移動以補(bǔ)償因放大引起的像面變化。
第一透鏡單元L1包括由具有在物側(cè)上為凸面的彎月形狀的負(fù)透鏡元件G11和正透鏡元件G12構(gòu)成的粘合透鏡。第一透鏡單元L1進(jìn)一步包括具有在物側(cè)上為凸面的彎月形狀的正透鏡元件G13。
通過包括具有三個透鏡元件的第一透鏡單元L1，變焦透鏡可以補(bǔ)償球面像差、軸向色差和放大率色差，同時保持高變焦比。
第二透鏡單元L2包括四個透鏡元件具有在像側(cè)上為凹面的彎月形狀的負(fù)透鏡元件G21；具有兩個凹面的雙凹形狀的負(fù)透鏡元件G22；具有兩個凸面的雙凸形狀的正透鏡元件G23；以及具有兩個凹面的雙凹形狀的負(fù)透鏡元件G24。負(fù)透鏡元件G21對應(yīng)于上述負(fù)透鏡元件L2na。
負(fù)透鏡元件G21的材料是可從Murata Manufacturing Co.，Ltd獲得的半透明陶瓷LUMICERA(注冊商標(biāo))。半透明陶瓷LUMICERA滿足條件表達(dá)式(1)和(2)。
LUMICERA具有對于d線的2.095的高折射率，以及29.4的阿貝數(shù)。由此，LUMICERA具有相對低的分散特性。
在nd-vd圖中，該材料表現(xiàn)出在如下范圍內(nèi)的特性曲線，在該范圍內(nèi)不存在廣泛使用的光學(xué)玻璃材料的特性曲線。通常，該材料的特性曲線位于如下范圍內(nèi)，該范圍位于廣泛使用的玻璃材料的特性曲線的范圍左上側(cè)。
通過增加用作可變放大率透鏡單元的第二透鏡單元L2的折光力，在進(jìn)行變焦時可以減小可變放大率透鏡單元的移動行程。因此，可以減小整個透鏡系統(tǒng)的尺寸。
為了增大第二透鏡單元L2的折光力并且補(bǔ)償像差，有利的是增大當(dāng)軸向光線通過其時具有低光線高度的負(fù)透鏡元件G21的折光力，因為無法顯著增大球面像差。
在廣角端處，離軸光線在負(fù)透鏡元件G21的高位置處以陡峭角度入射到負(fù)透鏡元件G21上。為了減小入射角，負(fù)透鏡元件G21可以具有彎月形狀并且在像側(cè)上為凹面。該形狀有利于補(bǔ)償在廣角端處發(fā)生的彗形像差和畸變像差。
當(dāng)負(fù)透鏡元件G21的屈光力增大時，負(fù)透鏡元件G21的像側(cè)上的表面的曲率增大。然而，考慮到因在非廣角端的變焦位置處的離軸光線引起的像差，曲率具有上限。
如果使用具有高折射率的材料用于負(fù)透鏡元件G21時，可以減小像側(cè)上的表面的曲率。
然而，對于廣泛使用的光學(xué)玻璃材料，其阿貝數(shù)隨著其折射率的增大而減小。也就是說，隨著其折射率增大，玻璃材料具有更高的分散性。因此，在負(fù)透鏡元件G21中，因離軸光線引起的色差增大，并且因而，在任何變焦位置處放大率色差增大。
為了補(bǔ)償放大率色差，正透鏡元件G23的材料的分散性需要高于負(fù)透鏡元件G21的材料的分散性。
也就是說，負(fù)透鏡元件G21的材料需要相對于正透鏡元件G23的材料來選擇。難于使廣泛使用的光學(xué)玻璃材料提供可用于負(fù)透鏡元件G21的高折射率。
如上所述，如果對于負(fù)透鏡元件G21可以使用具有與廣泛使用的材料不同的高折射率和低分散性的材料，則可以有利地減小整個透鏡系統(tǒng)的尺寸。此外，可以有利地減小像差。
根據(jù)第一實施例，具有比廣泛使用的材料更高的折射率和比廣泛使用的材料更低的分散性的陶瓷材料被用于負(fù)透鏡元件G21。由此，可以實現(xiàn)高于30的變焦比和整個透鏡系統(tǒng)的小尺寸，同時保持高光學(xué)性能。
第三透鏡單元L3包括具有兩個凸面的雙凸形狀的正透鏡元件G31和具有在像側(cè)上為凹面的彎月形狀的負(fù)透鏡元件G32。通過在物側(cè)和像側(cè)上采用非球面，正透鏡元件G31可以令人滿意地補(bǔ)償球面像差。
第四透鏡單元L4由粘合透鏡構(gòu)成，該粘合透鏡通過粘結(jié)具有兩個凸面的雙凸形狀的正透鏡元件G41和具有在像側(cè)上為凸面的彎月形狀的負(fù)透鏡元件G42形成。通過采用由正透鏡元件G41和負(fù)透鏡元件G42構(gòu)成的粘合透鏡，當(dāng)進(jìn)行變焦或?qū)箷r可以減小像差的變化。
接下來參照圖5描述第二實施例。包括每個透鏡單元的折射率的參考符號和變焦過程中每個透鏡單元的移動條件的第二實施例的基本透鏡結(jié)構(gòu)類似于圖1例示的第一實施例的基本透鏡結(jié)構(gòu)。
第二透鏡單元L2的負(fù)透鏡元件G21對應(yīng)于上述負(fù)透鏡元件L2na。負(fù)透鏡元件G21由釔鋁石榴石陶瓷形成，該釔鋁石榴石陶瓷是在折射率和阿貝數(shù)方面滿足條件表達(dá)式(1)和(2)的材料。
釔鋁石榴石簡稱為“YAG”。YAG是在可見光范圍內(nèi)透光的氧化物。YAG被表示為Y3AL5O12。
YAG具有由折射率1.83和阿貝數(shù)59定義的光學(xué)特性。在nd-vd圖中，該特性曲線位于其中不存在廣泛使用的光學(xué)玻璃材料的特性曲線的范圍內(nèi)。通常，該特性曲線位于如下范圍內(nèi)，該范圍位于廣泛使用的玻璃材料的特性曲線的范圍左上側(cè)。
即，YAG的分散性低于具有相同折射率的廣泛使用的光學(xué)玻璃材料的分散性。
根據(jù)第二實施例，使用具有廣泛使用的光學(xué)玻璃材料所不具有的光學(xué)特性的YAG陶瓷用于負(fù)透鏡元件G21。由此，可以實現(xiàn)高于30的變焦比和整個透鏡系統(tǒng)的小尺寸，同時保持高光學(xué)性能。
即使當(dāng)YAG是單晶體時，YAG也具有類似于陶瓷的光學(xué)特性。因此，即使使用單晶體代替陶瓷來用于負(fù)透鏡元件G21時，也可以提供相同的優(yōu)點。注意，上述折射率和阿貝數(shù)按照制造陶瓷過程中的條件而略微變化。
接下來參照圖9更具體地描述第三實施例。基本透鏡結(jié)構(gòu)與第一實施例類似。
第二透鏡單元L2的負(fù)透鏡元件G21和負(fù)透鏡元件G22中的每一個對應(yīng)于上述負(fù)透鏡元件L2na。負(fù)透鏡元件G21和負(fù)透鏡元件G22中每一個的材料的折射率和阿貝數(shù)滿足條件表達(dá)式(1)和(2)。由此，可以增大第二透鏡單元L2的折光力，同時補(bǔ)償各種像差。通過這種方式，可以同時實現(xiàn)高于35的變焦比以及整個光學(xué)系統(tǒng)的小尺寸。
接下來參照圖13更詳細(xì)地描述第四實施例?；就哥R結(jié)構(gòu)類似于第一實施例。
與第一實施例不同，根據(jù)第四實施例，第三透鏡單元L3包括三個透鏡元件。此外，孔徑光闌SP設(shè)置在第三透鏡單元L3中。
當(dāng)孔徑光闌SP設(shè)置在第三透鏡單元L3中時，與孔徑光闌SP設(shè)置在第三透鏡單元L3的物側(cè)上的情況相比，在遠(yuǎn)攝端處，第二透鏡單元L2與第三透鏡單元L3之間的距離可以減小。由此，總長度可以容易地減小。
第二透鏡單元L2的負(fù)透鏡元件G21對應(yīng)于上述負(fù)透鏡元件L2na。類似于第一實施例，可從Murata Manufacturing Co.，Ltd獲得的半透明陶瓷LUMICERA(注冊商標(biāo))可以用作負(fù)透鏡元件G21的材料。
接下來參照圖17更詳細(xì)地描述第五實施例?；就哥R結(jié)構(gòu)類似于第四實施例。
與第四實施例不同，根據(jù)第五實施例，第二透鏡單元L2包括三個透鏡元件。類似于第四實施例，光闌孔徑SP設(shè)置在第三透鏡單元L3中。
通過在第二透鏡單元L2中設(shè)置三個透鏡元件，可以減小第二透鏡單元L2的厚度，并且因此，可以減小總透鏡長度。
因為作為可移動透鏡單元的第二透鏡單元L2的重量減小，所以可以減小驅(qū)動致動器的扭矩。因此，可以減小致動器的尺寸。此外，可以容易地減小致動器的功率消耗。
第二透鏡單元L2的負(fù)透鏡元件G21對應(yīng)于上述負(fù)透鏡元件L2na。負(fù)透鏡元件G21的材料的折射率和阿貝數(shù)滿足條件表達(dá)式(1)和(2)。由此，可以增大第二透鏡單元L2的折光力，同時補(bǔ)償各種像差。通過這種方式，可以實現(xiàn)大約10的高變焦比以及整個光學(xué)系統(tǒng)的小尺寸。
接下來參照圖21更詳細(xì)地描述第六實施例?；就哥R結(jié)構(gòu)類似于第四實施例。
與第四實施例不同，根據(jù)第六實施例，第二透鏡單元L2包括在最接近圖像的位置處的正透鏡元件G24，并且第三透鏡單元L3包括在與對焦物體最接近的位置處的光闌孔徑SP。因此，第二透鏡單元L2的透鏡元件的形狀不同于第四實施例。
因為孔徑光闌SP在第三透鏡單元L3中設(shè)置在與對焦物體最接近的位置處，所以可以減小第一透鏡單元L1與入射光瞳的位置之間的距離。由此，可以有利地減小前透鏡的直徑。
第二透鏡單元L2包括四個透鏡元件具有在像側(cè)上為凹面的彎月形狀的負(fù)透鏡元件G21；具有在像側(cè)上為凹面的彎月形狀的負(fù)透鏡元件G22；具有在物側(cè)上為凹面的彎月形狀的負(fù)透鏡元件G23；以及具有在物側(cè)上為凸面的彎月形狀的正透鏡元件G24。
第二透鏡單元L2的負(fù)透鏡元件G21對應(yīng)于上述負(fù)透鏡元件L2na。負(fù)透鏡元件G21的材料的折射率和阿貝數(shù)滿足條件表達(dá)式(1)和(2)。類似于第二實施例，該材料是YAG陶瓷。
由此，可以增大第二透鏡單元的折光力，同時補(bǔ)償各種像差。通過這種方式，可以實現(xiàn)大約10的高變焦比以及整個光學(xué)系統(tǒng)的小尺寸，同時保持高光學(xué)性能。
接下來參照圖25更詳細(xì)地描述第七實施例。透鏡單元的折光力的分布類似于第一實施例。根據(jù)第七實施例，變焦透鏡通過移動所有透鏡單元進(jìn)行變焦。
第一透鏡單元L1包括具有正折光力的粘合透鏡。粘合透鏡由具有在物側(cè)上為凸面的彎月形狀的負(fù)透鏡元件G11和粘結(jié)到負(fù)透鏡元件G11的正透鏡元件G12構(gòu)成。通過采用由負(fù)透鏡元件G11和正透鏡元件G12構(gòu)成的粘合透鏡，可以減小在第一透鏡單元中發(fā)生的色差。
第二透鏡單元L2包括三個透鏡元件具有在像側(cè)上為凹面的彎月形狀的負(fù)透鏡G21；具有兩個凹面的雙凹形狀的負(fù)透鏡元件G22；以及具有在物側(cè)上為凸面的正透鏡元件G23。
第二透鏡單元L2的負(fù)透鏡元件G21對應(yīng)于上述負(fù)透鏡元件L2na。負(fù)透鏡元件G21的材料的折射率和阿貝數(shù)滿足條件表達(dá)式(1)和(2)。
由此，第二透鏡單元L2的折射率可以增大，同時補(bǔ)償各種像差。通過這種方式，可以實現(xiàn)大于或等于五的高變焦比以及整個透鏡系統(tǒng)的小尺寸，同時保持高光學(xué)性能。
第三透鏡單元L3包括兩個透鏡元件具有兩個凸面的雙凸形狀的正透鏡元件G31以及具有負(fù)合成屈光力的粘合透鏡。粘合透鏡是通過粘結(jié)具有在物側(cè)上為凸面的彎月形狀的正透鏡元件G32和具有在像側(cè)上為凹面的彎月形狀的負(fù)透鏡元件G33形成的。
通過對于正透鏡元件G31的兩個表面中的每一個采用非球面形狀，可以令人滿意地減小球面像差。
第四透鏡單元L4包括具有朝向物側(cè)的凸面的正透鏡元件G41。
根據(jù)第八實施例，如圖29所例示的，變焦透鏡包括具有正折光力的第一透鏡單元L1；具有負(fù)折光力的第二透鏡單元L2；具有正折光力的第三透鏡單元L3；具有正折光力的第四透鏡單元L4；以及具有弱折光力的第五透鏡單元L5。
當(dāng)從廣角端向遠(yuǎn)攝端進(jìn)行變焦時，朝著像側(cè)移動第二透鏡單元L2以進(jìn)行主要放大。此外，第四透鏡單元L4在朝著物側(cè)凸起的軌跡上移動，以便補(bǔ)償因放大引起的像面變化。
具有弱折光力的第五透鏡單元L5設(shè)置在第四透鏡單元L4與像面IP之間。第五透鏡單元L5減小因變焦引起的出射光瞳距離的變化以及因通過移動第四透鏡單元L4而進(jìn)行的對焦引起的像差變化。
根據(jù)第八實施例，第五透鏡單元L5在變焦過程中是固定的。然而，第五透鏡單元L5在變焦過程中可以移動。此外，根據(jù)第八實施例，第五透鏡單元L5具有正折光力，然而，即使第五透鏡單元L5具有負(fù)折光力，也可以提供上述優(yōu)點。
使f4和f5分別表示第四透鏡單元L4和第五透鏡單元L5的焦距。那么，第五透鏡單元L5的折光力滿足 -0.7＜f4/f5＜0.7。
進(jìn)一步的，滿足以下條件 -0.5＜f4/f5＜0.5。
更進(jìn)一步的，滿足以下條件 -0.3＜f4/f5＜0.3。
類似于第四實施例，孔徑光闌SP設(shè)置在第三透鏡單元L3中。
第二透鏡單元L2的負(fù)透鏡元件G21對應(yīng)于上述負(fù)透鏡元件L2na。負(fù)透鏡元件G21的材料的折射率和阿貝數(shù)滿足條件表達(dá)式(1)和(2)。由此，可以增加第二透鏡單元L2的折光力，同時補(bǔ)償像差的變化。通過這種方式，可以實現(xiàn)大約10的高變焦比和整個透鏡系統(tǒng)的小尺寸，同時保持高光學(xué)性能。
下面描述對應(yīng)于上述實施例的第一到第八數(shù)值實施例。
在以下數(shù)值實施例中，“i”表示從物側(cè)起編號的光學(xué)表面或光學(xué)元件的序號?！癛i”表示第i個光學(xué)表面的曲率半徑，并且“Di”表示沿著光軸的第i個表面與第(i+1)個表面之間的距離?！癗i”和“vi”分別表示用于d線的第i個光學(xué)元件的材料的折射率和阿貝數(shù)。
非球面的形狀由以下公式表示 其中，X是在距光軸高度H處在光軸方向上相對于表面頂點的位移量， k是錐形常數(shù)(conic constant)， B、C、D、E、B’、C’、D’、E’和F’是各序號處的非球面系數(shù)，以及 R是近軸曲率半徑。
在以下表中以及在每個非球面系數(shù)中，“e±Z”是指“×10±Z”。表1例示出與在每個數(shù)值實施例中的上述條件表達(dá)式對應(yīng)的值。此處，“f”表示焦距?！癋no”表示F數(shù)。“ω”表示半場角。
第一數(shù)值實施例 f＝3.53-13.64-120.0，F(xiàn)no＝1.44-2.17-4.42，和2ω＝66.8°-18.6°-2.1°
非球面 R15k＝-8.17593e-01B′＝-1.94933e-06C′＝-2.81176e-08 D′＝3.33386e-09 E′＝-4.50518e-11F′＝6.97919e-14 R16k＝-1.10625e+01B′＝-3.77972e-06C′＝-2.74413e-07 D′＝-3.66539e-09 E′＝7.81978e-12 第二數(shù)值實施例 f＝3.57-14.16-120.9，F(xiàn)no＝1.55-2.31-4.49，和2ω＝66.2°-18.0°-2.1°
非球面 R15k＝-7.85117e-01B′＝-5.54389e-06C′＝-8.84334e-09 D′＝2.50686e-09 E′＝1.91750e-11 F′＝-1.42887e-12 R16k＝-1.35260e+01B′＝-1.05015e-05C′＝4.01295e-07 D′＝-2.57908e-09E′＝-6.21843e-11 第三數(shù)值實施例 f＝3.53-13.76-125.0，F(xiàn)no＝1.44-2.17-4.64，和2ω＝67.1°-18.5°-2.0°
非球面 R15k＝-6.70844e-01B′＝-2.43294e-06C′＝-5.50811e-08 D′＝4.11454e-09 E′＝-5.59271e-11F′＝2.33980e-13 R16k＝-9.42350e+00B′＝-5.62082e-06C′＝3.36368e-07 D′＝-4.59240e-09 E′＝2.09729e-11 第四數(shù)值實施例 f＝4.80-11.25-47.99，F(xiàn)no＝1.85-2.03-2.38，和2ω＝60.4°-26.3°-6.2°
非球面 R14k＝-1.06835e+00 B＝5.14480e-05 C＝3.21192e-07 D＝4.22231e-09E＝-2.91408e-10 第五數(shù)值實施例 f＝4.84-11.48-46.54，F(xiàn)no＝1.85-2.01-2.37，和2ω＝60.0°-25.9°-6.5°
非球面 R12k＝2.31410e-01B＝-1.87458e-04 C＝-1.24981e-06 D＝-1.18548e-08 E＝-2.91408e-10 第六數(shù)值實施例 f＝5.00-11.68-50.00，F(xiàn)no＝1.85-1.97-2.45，和2ω＝58.4°-25.6°-6.0°
非球面 R15k＝4.83478e-02B＝-2.80855e-04 C＝-1.59886e-06 D＝-1.34324e-07 第七數(shù)值實施例 f＝7.59-20.82-43.53，F(xiàn)no＝2.79-3.49-4.90，和2ω＝64.6°-25.1°-12.0°
非球面 R11k＝-1.07677e+00B＝-3.09467e-05C＝-9.71833e-07 D＝-1.71799e-08E＝-1.11015e-09 R12k＝-1.37996e+00B＝2.41367e-05C＝-7.60626e-07 D＝-5.98159e-08 第八數(shù)值實施例 f＝4.83-11.60-46.54，F(xiàn)no＝1.85-2.02-2.29，和2ω＝60.0°-25.9°-6.5°
非球面 R12k＝2.00416e-01B＝-1.78751e-04 C＝-1.60758e-06 D＝-7.35439e-09E＝-2.91408e-10 [表1] 在每個實施例中，實現(xiàn)可以并入高分辨率數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)和數(shù)字音頻攝像機(jī)中的高性能變焦透鏡。高放大率和緊湊變焦透鏡可以有效地校正球面像差、彗形像差、場曲率、軸向色差以及放大率色差。
接下來參照圖33描述包括根據(jù)上述實施例的變焦透鏡作為成像光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)的實施例。
如圖33所例示的，數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)包括攝像機(jī)本體20和成像光學(xué)系統(tǒng)21，該成像光學(xué)系統(tǒng)21包括根據(jù)第一到第八實施例之一的變焦透鏡。
數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)進(jìn)一步包括諸如CCD傳感器或CMOS傳感器之類的固態(tài)圖像拾取元件(光電轉(zhuǎn)換元件)22，和存儲器23。固態(tài)圖像拾取元件22被并入攝像機(jī)本體20中。固態(tài)圖像拾取元件22接收由成像光學(xué)系統(tǒng)21形成的物體圖像的光。存儲器23存儲與經(jīng)固態(tài)圖像拾取元件22光電轉(zhuǎn)換的物體圖像對應(yīng)的信息。
數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)進(jìn)一步包括取景器24。取景器24包括例如液晶顯示板。取景器24用于查看形成在固態(tài)圖像拾取元件22上的物體圖像。
接下來參照圖34描述包括根據(jù)上述實施例的一個變焦透鏡作為成像光學(xué)系統(tǒng)的視頻攝像機(jī)的實施例。
如圖34所例示的，視頻攝像機(jī)包括攝像機(jī)本體10和成像光學(xué)系統(tǒng)11，該成像光學(xué)系統(tǒng)11包括根據(jù)第一到第八實施例之一的變焦透鏡。
視頻攝像機(jī)進(jìn)一步包括諸如CCD傳感器或CMOS傳感器之類的固態(tài)圖像拾取元件(光電轉(zhuǎn)換元件)12，和存儲器13。固態(tài)圖像拾取元件12被并入攝像機(jī)本體10中。固態(tài)圖像拾取元件12接收由成像光學(xué)系統(tǒng)11形成的物體圖像的光。存儲器13存儲與經(jīng)固態(tài)圖像拾取元件12光電轉(zhuǎn)換的物體圖像對應(yīng)的信息。
視頻攝像機(jī)進(jìn)一步包括取景器14。取景器24用于查看形成在顯示設(shè)備(未示出)上的物體圖像。
顯示設(shè)備包括例如液晶顯示板。形成在固態(tài)圖像拾取元件12上的物體圖像被顯示在顯示設(shè)備上。
如上所述，通過將根據(jù)一個上述實施例的變焦透鏡應(yīng)用于諸如數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)或視頻攝像機(jī)之類的圖像拾取設(shè)備，可以實現(xiàn)緊湊和高性能的圖像拾取設(shè)備。
雖然已經(jīng)參照示例性實施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所公開的示例性實施例。以下權(quán)利要求的范圍應(yīng)當(dāng)被給予最寬的解釋，以包含所有改變、等價結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
1、一種變焦透鏡系統(tǒng)，從物側(cè)到像側(cè)依次包括
具有正光焦度的第一透鏡單元；
具有負(fù)光焦度的第二透鏡單元，所述第二透鏡單元能夠移動以使得所述第一透鏡單元與所述第二透鏡單元之間的距離在遠(yuǎn)攝端處大于廣角端處；以及
包括至少一個透鏡單元的后透鏡組件，
其中所述第二透鏡單元包括由滿足以下第一條件的材料制成的負(fù)透鏡元件
Nd＞2.3-0.01·vd，以及
1.75＜Nd＜2.7，
其中，Nd是用于d線的材料的折射率，并且vd是由下式表示的阿貝數(shù)
vd＝(Nd-1)/(NF-NC)，
其中NF是用于F線的材料的折射率，NC是用于C線的材料的折射率。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中滿足以下條件
0.5＜f2na/f2＜2.0，
其中f2na是所述負(fù)透鏡元件的焦距，f2是所述第二透鏡單元的焦距。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述第二透鏡單元包括由滿足所述第一條件的材料形成的負(fù)透鏡元件以及由不滿足所述第一條件的材料形成的負(fù)透鏡元件，并且其中滿足以下條件
0.1＜f2na/f2nb＜1.0，
其中f2na是由滿足所述第一條件的材料形成的所述負(fù)透鏡元件的焦距，f2nb是由不滿足所述第一條件的材料形成的所述負(fù)透鏡元件的焦距。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述第二透鏡單元包括多個透鏡元件，并且滿足以下條件
1.65＜N2ave＜2.3，
其中N2ave是上述多個透鏡元件的材料的折射率的平均值。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述負(fù)透鏡元件在所述第二透鏡單元中位于最接近物側(cè)的位置處。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中滿足以下條件
0.3＜(1/f2)/Φ21＜1.8，
其中Φ21是所述負(fù)透鏡元件的像側(cè)表面的折光力，f2是所述第二透鏡單元的焦距。
7、根據(jù)權(quán)利要求5所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述第二透鏡單元包括在所述負(fù)透鏡元件的像側(cè)上的至少一個負(fù)透鏡元件和至少一個正透鏡元件。
8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述第二透鏡單元從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有在所述像側(cè)上為凹面的彎月形狀的第一負(fù)透鏡元件；具有雙凹形狀的第二負(fù)透鏡元件；具有雙凸形狀的第一正透鏡元件；以及具有雙凹形狀的第三負(fù)透鏡元件，其中所述第一負(fù)透鏡元件由滿足所述第一條件的材料形成。
9、根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述第二透鏡單元從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有在所述像側(cè)上為凹面的彎月形狀的第一負(fù)透鏡元件；具有雙凹形狀的第二負(fù)透鏡元件；具有雙凸形狀的第一正透鏡元件；以及在所述物側(cè)上為凹面的第三負(fù)透鏡元件，其中所述第一負(fù)透鏡元件由滿足所述第一條件的材料形成。
10、根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述第二透鏡單元從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有在所述像側(cè)上為凹面的彎月形狀的第一負(fù)透鏡元件；具有雙凹形狀的第二負(fù)透鏡元件；以及在所述物側(cè)上為凸面的正透鏡元件，其中所述第一負(fù)透鏡元件由滿足所述第一條件的材料形成。
11、根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述第二透鏡單元從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有在所述像側(cè)上為凹面的彎月形狀的第一負(fù)透鏡元件；在所述像側(cè)上為凹面的第二負(fù)透鏡元件；具有雙凹形狀的第三負(fù)透鏡元件；以及在物側(cè)上為凸面的正透鏡元件，其中所述第一負(fù)透鏡元件由滿足所述第一條件的材料形成。
12、根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述后透鏡組件從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有正光焦度的第三透鏡單元以及具有正光焦度的第四透鏡單元。
13、根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中滿足所述第一條件的材料是無機(jī)材料。
14、根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述變焦透鏡系統(tǒng)在固態(tài)圖像拾取元件上形成圖像。
15、一種攝像機(jī)，包括
根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)；以及
固態(tài)圖像拾取元件，被配置為接收由所述變焦透鏡系統(tǒng)所形成圖像的光。
全文摘要
本發(fā)明提供變焦透鏡系統(tǒng)和包括變焦透鏡系統(tǒng)的攝像機(jī)。一種變焦透鏡系統(tǒng)從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有正光焦度的第一透鏡單元；具有負(fù)光焦度的第二透鏡單元；以及包括至少一個透鏡單元的后透鏡組件。當(dāng)進(jìn)行變焦時，所述第二透鏡單元能夠移動以使得所述第一透鏡單元與所述第二透鏡單元之間的距離在遠(yuǎn)攝端處大于廣角端處。所述第二透鏡單元包括由具有高折射率并且滿足預(yù)定條件的材料制成的負(fù)透鏡元件。
文檔編號G02B15/16GK101251637SQ20081000965
公開日2008年8月27日 申請日期2008年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月19日
發(fā)明者木村友紀(jì) 申請人:佳能株式會社