專(zhuān)利名稱(chēng)：變焦透鏡系統(tǒng)和包括變焦透鏡系統(tǒng)的照相機(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)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及適于用作在比如攝像機(jī)、監(jiān)控照相機(jī)、數(shù)字靜態(tài)照相機(jī)、廣播照相機(jī)和鹵化銀膠卷照相機(jī)之類(lèi)的照相機(jī)中包括的成像透鏡的變焦透鏡系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，包括固態(tài)圖像拾取裝置的比如攝像機(jī)、數(shù)字靜態(tài)照相機(jī)、廣播照相機(jī)和鹵化銀膠卷照相機(jī)之類(lèi)的照相機(jī)已變得更小，而功能增多。因此，對(duì)供照相機(jī)的成像光學(xué)系統(tǒng)之用的長(zhǎng)度小的小型、高變焦比變焦透鏡系統(tǒng)的需求已增長(zhǎng)。作為符合上述需求的變焦透鏡系統(tǒng)，已知一種四單元變焦透鏡系統(tǒng)，其包括從物側(cè)到像側(cè)依次排列的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，和具有正折光力的第四透鏡單元。四單元變焦透鏡系統(tǒng)的例子是所謂的后對(duì)焦(rear-focus)變焦透鏡系統(tǒng)，其中通過(guò)移動(dòng)第二透鏡單元改變放大率，改變放大率時(shí)造成的像面變化由第四透鏡單元補(bǔ)償(例如，參見(jiàn)日本專(zhuān)利No. 2002-182109，曰本專(zhuān)利特開(kāi)No. 2002-287027,日本專(zhuān)利 No. 2000-89116(對(duì)應(yīng)于美國(guó)專(zhuān)利No. 6118593)，和日本專(zhuān)利特開(kāi)No. 2000-227548)。在后對(duì)焦變焦透鏡系統(tǒng)中，與在其中通過(guò)移動(dòng)第一透鏡單元進(jìn)行聚焦的變焦透鏡系統(tǒng)中相比，第一透鏡單元的有效直徑通常是小的。于是，能夠減小整個(gè)透鏡系統(tǒng)的尺寸。 但是，在聚焦過(guò)程中發(fā)生大的像差變化，難以在從無(wú)限遠(yuǎn)的物體到近距離的物體的整個(gè)物距上獲得高的光學(xué)性能。于是，為了獲得具有高變焦比的變焦透鏡系統(tǒng)，重要的是恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置變焦類(lèi)型、每個(gè)透鏡單元的折光力和每個(gè)透鏡單元的透鏡結(jié)構(gòu)。特別地，在上述四單元后對(duì)焦變焦透鏡系統(tǒng)中，重要的是恰當(dāng)設(shè)置第三透鏡單元的透鏡結(jié)構(gòu)和整個(gè)系統(tǒng)的后焦距(back focus)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有新結(jié)構(gòu)的小型變焦透鏡系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有高的變焦比，并且在整個(gè)變焦范圍內(nèi)提供高的光學(xué)性能。按照本發(fā)明的一個(gè)方面的變焦透鏡系統(tǒng)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，第二透鏡單元在變焦過(guò)程中移動(dòng)；具有正光焦度的第三透鏡單元，其中第三透鏡單元為了變焦而不移動(dòng)；和具有正光焦度的第四透鏡單元，第四透鏡單元在變焦過(guò)程中移動(dòng)，其中第一透鏡單元、第二透鏡單元、第三透鏡單元和第四透鏡單元從物側(cè)到像側(cè)依次排列。變焦透鏡系統(tǒng)滿(mǎn)足下述條件10. 0 < f3/fw < 26. 01. 2 < bft/fw < 3. 5其中fw是在廣角端的變焦透鏡系統(tǒng)的焦距，f3是在廣角端的第三透鏡單元的焦距，bft是在遠(yuǎn)攝端的后焦距的等效空氣距離。根據(jù)參考附圖對(duì)下面的示例性實(shí)施例的說(shuō)明，本發(fā)明的其它特征將變得明顯。


圖1是按照第一實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在廣角端的截面視圖。圖2圖解說(shuō)明按照第一實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在廣角端的像差圖。圖3圖解說(shuō)明按照第一實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在中間變焦位置的像差圖。圖4圖解說(shuō)明按照第一實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在遠(yuǎn)攝端的像差圖。圖5是按照第二實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在廣角端的截面視圖。圖6圖解說(shuō)明按照第二實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在廣角端的像差圖。圖7圖解說(shuō)明按照第二實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在中間變焦位置的像差圖。圖8圖解說(shuō)明按照第二實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在遠(yuǎn)攝端的像差圖。圖9是按照第三實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在廣角端的截面視圖。圖10圖解說(shuō)明按照第三實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在廣角端的像差圖。圖11圖解說(shuō)明按照第三實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在中間變焦位置的像差圖。圖12圖解說(shuō)明按照第三實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在遠(yuǎn)攝端的像差圖。圖13是按照第四實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在廣角端的截面視圖。圖14圖解說(shuō)明按照第四實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在廣角端的像差圖。圖15圖解說(shuō)明按照第四實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在中間變焦位置的像差圖。圖16圖解說(shuō)明按照第四實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在遠(yuǎn)攝端的像差圖。圖17是圖解說(shuō)明包括按照本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)的數(shù)字照相機(jī)的主要部分的示意圖。圖18是圖解說(shuō)明包括按照本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)的攝像機(jī)的主要部分的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將說(shuō)明按照本發(fā)明的實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)，和包括按照至少一個(gè)實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)的照相機(jī)(圖像拾取設(shè)備、圖像捕獲裝置)。按照本發(fā)明的實(shí)施例的每個(gè)變焦透鏡系統(tǒng)從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有正折光力 (即，光焦度，其為焦距的倒數(shù))的第一透鏡單元，具有負(fù)折光力的第二透鏡單元，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。第二和第四透鏡單元在變焦過(guò)程中(為了變焦)移動(dòng)。第三透鏡單元為了變焦不移動(dòng)。圖1是按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在廣角端(短焦距端)的截面視圖。圖2、3和4分別圖解說(shuō)明按照第一實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在廣角端、中間變焦位置和遠(yuǎn)攝端(長(zhǎng)焦距端)的像差圖。圖5是按照本發(fā)明的第二實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在廣角端的截面視圖。圖6、7和 8分別圖解說(shuō)明按照第二實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在廣角端、中間變焦位置和遠(yuǎn)攝端的像差圖。圖9是按照本發(fā)明的第三實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在廣角端的截面視圖。圖10、11 和12分別圖解說(shuō)明按照第三實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在廣角端、中間變焦位置和遠(yuǎn)攝端的
像差圖。圖13是按照本發(fā)明的第四實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在廣角端的截面視圖。圖14、 15和16分別圖解說(shuō)明按照第四實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)在廣角端、中間變焦位置和遠(yuǎn)攝端的像差圖。圖17是圖解說(shuō)明包括按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的變焦透鏡的數(shù)字照相機(jī)的主要部分的示意圖。圖18是圖解說(shuō)明包括按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的變焦透鏡的攝像機(jī)的主要部分的示意圖。按照每個(gè)實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)是用在照相機(jī)中的成像透鏡系統(tǒng)。在每個(gè)變焦透鏡系統(tǒng)的截面視圖中，左側(cè)表示物側(cè)(前側(cè))，右側(cè)表示像側(cè)(后側(cè))。參見(jiàn)這些截面視圖，每個(gè)變焦透鏡系統(tǒng)包括具有正折光力的第一透鏡單元Li，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，和具有正折光力的第四透鏡單元L4。SP表示孔徑光闌，它被放置在第三透鏡單元L3的物側(cè)。G表示對(duì)應(yīng)于例如濾光器、面板等的光學(xué)塊。IP表示像面。在按照每個(gè)實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)用作攝像機(jī)或者數(shù)字照相機(jī)的成像光學(xué)系統(tǒng)的情況下，諸如CCD傳感器和CMOS傳感器之類(lèi)的固態(tài)圖像拾取裝置(光電轉(zhuǎn)換元件)的圖像拾取平面對(duì)應(yīng)于像面IP。在變焦透鏡系統(tǒng)用作鹵化銀膠卷照相機(jī)的成像光學(xué)系統(tǒng)的情況下，膠卷表面對(duì)應(yīng)于像面IP。在像差圖中，d和g分別表示d線(xiàn)和g線(xiàn)，ΔΜ和AS分別表示子午像面和弧矢像面。另外，F(xiàn)表示F數(shù)，ω表示成像半場(chǎng)角。在每個(gè)實(shí)施例中，廣角端和遠(yuǎn)攝端是與放大率改變透鏡單元(第二透鏡單元)位于沿光軸可機(jī)械移動(dòng)的范圍的一端和另一端的狀態(tài)對(duì)應(yīng)的變焦位置。在每個(gè)實(shí)施例中，在從廣角端到遠(yuǎn)攝端的變焦過(guò)程中，通過(guò)朝著像側(cè)移動(dòng)第二透鏡單元L2改變放大率，通過(guò)沿朝著像側(cè)凸起的軌跡移動(dòng)第四透鏡單元L4，補(bǔ)償當(dāng)改變放大率時(shí)造成的像面變化。另外，變焦透鏡系統(tǒng)是其中通過(guò)沿光軸移動(dòng)第四透鏡單元L4來(lái)進(jìn)行聚焦的后對(duì)焦變焦透鏡系統(tǒng)。每個(gè)截面視圖中的實(shí)線(xiàn)如和虛線(xiàn)4b分別表示為了補(bǔ)償當(dāng)無(wú)限遠(yuǎn)的物體焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的情況下和近距離的物體焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的情況下的放大率變化造成的像面變化而移動(dòng)第四透鏡單元L4的軌跡。從而，第四透鏡單元L4是沿朝著像側(cè)凸起的軌跡移動(dòng)的。于是，能夠有效地使用第三透鏡單元L3和第四透鏡單元L4之間的空氣，能夠有效地減小整個(gè)透鏡長(zhǎng)度。
從無(wú)限遠(yuǎn)的物體到近距離物體的聚焦操作是通過(guò)如箭頭F所示，向前移動(dòng)第四透鏡單元L4來(lái)執(zhí)行的。第一透鏡單元Ll不為了變焦或聚焦沿光軸移動(dòng)。但是，在需要時(shí)可移動(dòng)第一透鏡單元Ll以校正像差。根據(jù)需要，可在第一透鏡單元Ll的物側(cè)和/或第四透鏡單元L4的像側(cè)布置具有折光力的透鏡單元。在每個(gè)實(shí)施例中，下述條件被滿(mǎn)足10. 0 < f3/fw < 26. 0... (1)1. 2 < bft/fw < 3. 5... (2)在上面的表達(dá)式中，fw是在廣角端的整個(gè)系統(tǒng)的焦距，f3是第三透鏡單元的焦距，bft是當(dāng)無(wú)限遠(yuǎn)的物體在遠(yuǎn)攝端焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)時(shí)的后焦距。后焦距bft是當(dāng)無(wú)折光力的比如玻璃塊G之類(lèi)的光學(xué)元件被除去時(shí)最后的透鏡表面和像面之間的等效空氣距離。為了獲得具有高變焦比的小型變焦透鏡，設(shè)置條件表達(dá)式(1)和(2)。如果第三透鏡單元L3的焦距太大并且條件表達(dá)式(1)的值大于其上限，那么第三透鏡單元L3的正折光力的負(fù)擔(dān)被降低，能夠充分校正像差。但是，變得必須增大(增強(qiáng))第四透鏡單元L4的折光力，以防止整個(gè)透鏡長(zhǎng)度(第一透鏡表面和像面之間的距離)增大。 從而，難以抑制整個(gè)變焦范圍上的像差變化。另外，如果第三透鏡單元L3的焦距被增大，那么第四透鏡單元L4的有效透鏡直徑增大，并且整個(gè)系統(tǒng)的尺寸相應(yīng)增大。另外，移動(dòng)第四透鏡單元L4以便聚焦的致動(dòng)器的負(fù)擔(dān)增大。如果第三透鏡單元L3的焦距太小并且條件表達(dá)式(1)的值小于其下限，那么正折光力的負(fù)擔(dān)增大，并且難以獲得良好的光學(xué)性能。特別地，在廣角端產(chǎn)生大的球面像差。另外，難以均衡地校正整個(gè)變焦范圍上的像差。為了適當(dāng)?shù)卦O(shè)置后焦距，提供了條件表達(dá)式(2)。在高變焦比后對(duì)焦變焦透鏡系統(tǒng)中，第四透鏡單元被布置成在遠(yuǎn)攝端最接近像側(cè)。于是，必須把遠(yuǎn)攝端的后焦距設(shè)為所需的長(zhǎng)度。如果后焦距太大并且條件表達(dá)式(2)的值大于其上限，那么第一透鏡單元Ll和像面之間的距離增大，并且第一透鏡單元Ll的有效直徑相應(yīng)增大。于是，變得難以減小整個(gè)系統(tǒng)的尺寸。
另外，從第三透鏡單元L3到第四透鏡單元L4的光發(fā)散增大，第四透鏡單元L4的有效直徑相應(yīng)增大。于是，在變焦、像差校正和聚焦操作中，致動(dòng)器的負(fù)擔(dān)增大。另外，當(dāng)?shù)谒耐哥R單元L4被移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生大的像差變化。如果條件表達(dá)式O)的值小于其下限，那么后焦距變得太短，并且變得難以提供放置濾光器等的空間。條件表達(dá)式⑴和⑵的數(shù)值范圍也可被設(shè)置成如下所示10. 5 < f3/fw < 23. 0— (la)1. 5 < bft/fw < 2. 5…Oa)在每個(gè)實(shí)施例中，由于上述透鏡結(jié)構(gòu)，獲得高的變焦比(約40)。另外，獲得在整個(gè)變焦范圍上像差被充分校正并且具有大的孔徑比以致F數(shù)約為1.65的后對(duì)焦變焦透鏡系
通過(guò)采用上述結(jié)構(gòu)，獲得按照本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施例的變焦透鏡系統(tǒng)。此外，為了在獲得高變焦比的同時(shí)保持令人滿(mǎn)意的光學(xué)性能，至少一個(gè)下述條件可被滿(mǎn)足。S卩，第三透鏡單元L3可包括具有非球面表面的正透鏡元件G3p。另外，當(dāng)f3asp是正透鏡元件G3p的焦距時(shí)，下述條件可被滿(mǎn)足8. 0 < f3asp/fw < 30. 0.....(3)另外，第一透鏡單元Ll可包括三個(gè)或者更多的正透鏡元件。當(dāng)vdl是包括在第一透鏡單元Ll中的正透鏡元件的材料的阿貝數(shù)的平均值時(shí)，下述條件可被滿(mǎn)足58 < vdl.....(4)另外，第二透鏡單元L2可包括負(fù)透鏡元件G2n。當(dāng)nd2是負(fù)透鏡元件G2n的材料的折射率時(shí)，下述條件可被滿(mǎn)足1. 9 < nd2.....(5)另外，第四透鏡單元L4可包括具有非球面表面的正透鏡元件G4p。另外，當(dāng)f4asp 是正透鏡元件G4p的焦距時(shí)，下述條件可被滿(mǎn)足4. 5 < f4asp/fw <10.....(6)另外，當(dāng)ft是在遠(yuǎn)攝端的整個(gè)系統(tǒng)的焦距，f2是第二透鏡單元L2的焦距時(shí)，下述條件可被滿(mǎn)足
權(quán)利要求
1. 一種變焦透鏡系統(tǒng)，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，其中第二透鏡單元在變焦過(guò)程中移動(dòng)； 具有正光焦度的第三透鏡單元，其中第三透鏡單元為了變焦而不移動(dòng)；和具有正光焦度的第四透鏡單元，其中第四透鏡單元在變焦過(guò)程中移動(dòng)， 其中第一透鏡單元、第二透鏡單元、第三透鏡單元和第四透鏡單元從物側(cè)到像側(cè)依次排列，其中下述條件被滿(mǎn)足 10. 0 < f3/fw < 26. 01.2 < bft/fw < 3. 5這里fV是在廣角端的變焦透鏡系統(tǒng)的焦距，f3是第三透鏡單元的焦距，bft是在遠(yuǎn)攝端的后焦距的等效空氣距離，其中第三透鏡單元包括具有非球面表面的正透鏡元件，并且其中下述條件被滿(mǎn)足 8. 0 < f3asp/fw < 30. 0這里f3asp是包括在第三透鏡單元中的該正透鏡元件的焦距，其中第一透鏡單元包括三個(gè)或者更多的正透鏡元件，并且其中下述條件被滿(mǎn)足58 < vdl這里vdl是包括在第一透鏡單元中的正透鏡元件的材料的阿貝數(shù)的平均值。
2.按照權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中第二透鏡單元包括滿(mǎn)足下述條件的負(fù)透鏡元件1.9 < nd2這里nd2是該負(fù)透鏡元件的材料的折射率。
3.按照權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中第四透鏡單元包括具有非球面表面的正透鏡元件，并且其中下述條件被滿(mǎn)足4.5 < f4asp/fw < 10這里f^asp是包括在第四透鏡單元中的該正透鏡元件的焦距。
4.按照權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中下述條件被滿(mǎn)足
5.按照權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，還包括 為了變焦而不移動(dòng)的孔徑光闌，其中第一透鏡單元為了變焦而不移動(dòng)， 其中下述條件被滿(mǎn)足2.0 < OAL/OALs < 2. 8這里OAL是包括在變焦透鏡系統(tǒng)中的透鏡表面之中最接近物側(cè)的一個(gè)透鏡表面和像面之間的距離，OALs是孔徑光闌和像面之間的距離。
6.按照權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中第一透鏡單元由從物側(cè)到像側(cè)依次排列的以下部分組成包括在物側(cè)凸起的負(fù)彎月透鏡元件和正透鏡元件的粘合透鏡，在物側(cè)凸起的正彎月透鏡元件，和在物側(cè)凸起的正彎月透鏡元件，其中第二透鏡單元由從物側(cè)到像側(cè)依次排列的以下部分組成在物側(cè)凸起的負(fù)彎月透鏡元件，和包括雙凹負(fù)透鏡元件及在物側(cè)凸起的正透鏡元件的粘合透鏡，和其中第四透鏡單元由從物側(cè)到像側(cè)依次排列的以下部分組成雙凸正透鏡元件，和包括在物側(cè)凸起的負(fù)彎月透鏡元件及雙凸正透鏡元件的粘合透鏡。
7. 一種照相機(jī)，包括 按照權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)；和接收由所述變焦透鏡系統(tǒng)形成的圖像的固態(tài)圖像拾取裝置。
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)的照相機(jī)。變焦透鏡系統(tǒng)包括具有正光焦度的第一透鏡單元，在變焦過(guò)程中移動(dòng)的具有負(fù)光焦度的第二透鏡單元，為了變焦而不移動(dòng)的具有正光焦度的第三透鏡單元，和在變焦過(guò)程中移動(dòng)的具有正光焦度的第四透鏡單元。第一透鏡單元、第二透鏡單元、第三透鏡單元和第四透鏡單元從物側(cè)到像側(cè)依次排列。變焦透鏡系統(tǒng)的后焦距和第三透鏡單元的焦距被恰當(dāng)設(shè)置。并且，包括在第三透鏡單元中的正透鏡元件的焦距和包括在第一透鏡單元中的正透鏡元件的材料的阿貝數(shù)的平均值被恰當(dāng)設(shè)置。
文檔編號(hào)G03B17/12GK102540431SQ20121000545
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2009年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月12日
發(fā)明者山崎真司 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社