CN100578284C - 变焦镜头和成像设备 - Google Patents

Abstract

一种变焦镜头，从物方起依次包括：第一透镜组，具有负屈光度；第二透镜组，具有正屈光度；和第三透镜组，具有正屈光度。在镜头位置状态从最大广角状态向最大摄远状态改变时，所述第二透镜组沿光轴向物运动，所述第一透镜组和所述第三透镜组也在光轴方向上运动，使得所述第一透镜组与所述第二透镜组之间的间隙减小而所第二透镜组与所述第三透镜组之间的间隙增大。通过所述第三透镜组的运动来在对象位置发生改变时执行近距聚焦，并通过使所述第二透镜组在大体垂直于所述光轴的方向上移动来提供像的移动。

Description

变焦镜头和成像设备

技术领域

本发明涉及新颖的变焦镜头和成像设备。更具体地说，本发明涉及可移动图像的变焦镜头以及装有该变焦镜头的成像设备，所述镜头可以通过使部分透镜沿大体上垂直于光轴的方向移动来移动图像。

背景技术

作为相机的记录装置，公知一种方法，其中，利用使用光电转换元件的成像装置，在由各个光电转换元件将对象图像的光强度转换成电输出之后，对成像装置面上形成的对象图像执行记录，所述光电转换元件例如电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)。

近年来，随着光电转换元件的象素数目增加，对于一个象素尺寸而言的视角变窄，在松开快门时会由于相机抖动和其他因素而造成图像模糊。因此，容易出现明显的问题，即图像在不清晰的状态下被记录。

此外，相机中所包括的高度集成的电路衬底使相机体能够尺寸更小、更轻，随着更多的相机设置大尺寸液晶显示器，在采集图像期间，相机体被与用户的身体分开以观看液晶显示器。由于上述以及其他的原因，用户比以往有更加频繁的机会在相机体容易抖动的状况下采集图像。因此，相机抖动造成的图像模糊成为一个严重问题。

公知光学相机抖动校正***，作为对由相机抖动和其他因素造成的图像模糊进行校正的相机抖动校正***。

作为光学相机抖动校正***之一，有一种镜头移动方案，该方案中，镜头***的一部分沿与光轴锤子的方向移动。例如，已知日本专利申请公开JP H1-116619(专利文献1)、日本专利申请公开JP H6-337374(专利文献2)、日本专利申请公开JP H11-174329(专利文献3)等文献中公开的光学***，作为采用了这种镜头移动方案的光学***。

专利文献1中提出的变焦镜头从物方起依次包括三个透镜组：第一透镜组具有负屈光度、第二透镜组具有正屈光度，第三透镜组具有负屈光度，其中，通过使第二透镜组沿大体上垂直于光轴的方向移动来提供图像移动。

专利文献2中提出的变焦镜头从物方起依次包括两个透镜组：第一透镜组具有负屈光度，第二透镜组具有正屈光度，其中，通过使第二透镜组沿大体上垂直于光轴的方向移动来提供图像移动。

专利文献3中提出的变焦镜头从物方起依次包括四个透镜组：第一透镜组具有负屈光度，第二透镜组具有正屈光度，第三透镜组具有负屈光度，第四透镜组具有正屈光度，其中，通过使第三透镜组沿大体上垂直于光轴的方向移动来提供图像移动。

发明内容

但是，包括了负、正、正三个透镜组的变焦镜头具有的镜头座是可缩回座类型的结构。因此，如果第二透镜组设置成移动透镜组，则这种类型的变焦镜头会造成移动驱动量增大的问题，换句话说，模糊校正系数的减小使移动驱动机构的尺寸增大，从而使镜头座的直径增大或者可缩回座的镜头座厚度增大。

此外，专利文献1中提出的变焦镜头包括位于最接近像那侧的负透镜组，其出瞳位置接近像面。因此，这种类型的变焦镜头具有这样的问题：由于微透镜阵列造成的渐晕(vignette)，显示器周边的光强度不足变得更加明显，其中所述微透镜阵列适于增大成像装置的光接收单元处的光强度。

专利文献2提出的变焦镜头具有这样的问题：第二透镜组中所包括的镜头数目较大，因此驱动机构变得复杂，造成不能实现变焦镜头的尺寸减小。

专利文献3中提出的变焦镜头在最大广角状态下与在最大摄远状态下相比，具有更大的总镜头长度，因此经过第一透镜组的轴外光通量变得离光轴较远，因而不能充分减小尺寸。

因此，希望提供一种变焦镜头以及装有该变焦镜头的成像设备，所述变焦镜头能够移动图像并适于减小镜头***的直径和厚度。本发明是考虑到这些问题而作出的。

根据本发明一种实施例的变焦镜头，从物方起依次包括：第一透镜组，具有负屈光度；第二透镜组，具有正屈光度；和第三透镜组，具有正屈光度。在镜头位置状态从最大广角状态向最大摄远状态改变时，所述第二透镜组沿光轴向物运动，所述第一透镜组和所述第三透镜组也在光轴方向上运动，使得所述第一透镜组与所述第二透镜组之间的间隙减小而所第二透镜组与所述第三透镜组之间的间隙增大。通过所述第三透镜组的运动来在对象位置发生改变时执行近距聚焦，并通过使所述第二透镜组在大体垂直于所述光轴的方向上移动来提供像的移动。此外，还满足如下所示的关系式(1)和(2)。

(1)0.8＜TLw/TLt＜0.95

(2)0.6＜|f1|/ft＜0.8

其中，TLw为所述最大广角状态下的总镜头长度，TLt为所述最大摄远状态下的总镜头长度，f1为所述第一透镜组的焦距，ft为所述最大摄远状态下，整个镜头***的焦距。

根据本发明一种实施例的成像设备包括变焦镜头和成像装置，所述成像装置用于将所述变焦镜头形成的光学图像转换成电信号。所述变焦镜头从物方起依次包括：第一透镜组，具有负屈光度；第二透镜组，具有正屈光度；和第三透镜组，具有正屈光度。在镜头位置状态从最大广角状态向最大摄远状态改变时，所述第二透镜组沿光轴向物方运动，所述第一透镜组和所述第三透镜组也在光轴方向上运动，使得所述第一透镜组与所述第二透镜组之间的间隙减小而所第二透镜组与所述第三透镜组之间的间隙增大。通过所述第三透镜组的运动来在对象位置发生改变时执行近距聚焦，并通过使所述第二透镜组在大体垂直于所述光轴的方向上移动来提供像的移动。此外，还满足如下关系式(1)和(2)。

(1)0.8＜TLw/TLt＜0.95

(2)0.6＜|f1|/ft＜0.8其中，TLw为所述最大广角状态下的总镜头长度，TLt为所述最大摄远状态下的总镜头长度，f1为所述第一透镜组的焦距，ft为所述最大摄远状态下，整个镜头***的焦距。

附图说明

图1示出了根据本发明的变焦镜头实施例的屈光度分配；

图2示出了根据本发明的变焦镜头第一实施例的镜头构造；

图3至图5分别图示了对于将实际数值用于第一实施例的数值实施例1的各个像差曲线图，其中，图3的曲线图示出了在最大广角状态下的球差、像散、畸变和横向像差。图4示出了在中间焦距位置处的球差、像散、畸变和横向像差。图5示出了在最大摄远状态下的球差、像散、畸变和横向像差；

图6至图8分别图示了对于将实际数值用于第一实施例的数值实施例1，在相当于约0.5度的透镜移动的状况下的横向像差曲线图，其中，图6的曲线图示出了最大广角状态下的横向像差。图7示出了中间焦距位置的横向像差。图8示出了最大摄远状态下的横向像差。

图9示出了根据本发明的变焦镜头第二实施例的镜头构造；

图10至图12分别图示了对于将实际数值用于第二实施例的数值实施例2的各个像差曲线图，其中，图10的曲线图示出了在最大广角状态下的球差、像散、畸变和横向像差。图11示出了在中间焦距位置处的球差、像散、畸变和横向像差。图12示出了在最大摄远状态下的球差、像散、畸变和横向像差；

图13至图15分别图示了对于将实际数值用于第二实施例的数值实施例2，在相当于约0.5度的透镜移动的状况下的横向像差曲线图，其中，图13的曲线图示出了最大广角状态下的横向像差。图14示出了中间焦距位置的横向像差。图15示出了最大摄远状态下的横向像差。

图16示出了根据本发明的变焦镜头第三实施例的镜头构造；

图17至图19分别图示了对于将实际数值用于第三实施例的数值实施例3的各个像差曲线图，其中，图17的曲线图示出了在最大广角状态下的球差、像散、畸变和横向像差。图18示出了在中间焦距位置处的球差、像散、畸变和横向像差。图19示出了在最大摄远状态下的球差、像散、畸变和横向像差；

图20至图22分别图示了对于将实际数值用于第三实施例的数值实施例3，在相当于约0.5度的透镜移动的状况下的横向像差曲线图，其中，图20的曲线图示出了最大广角状态下的横向像差。图21示出了中间焦距位置的横向像差。图22示出了最大摄远状态下的横向像差。

图23是示出对于可缩回座式相机的镜头座结构的示意性剖视图；

图24是示出根据本发明的成像设备一种实施例的框图。

具体实施方式

下面将参考附图对根据本发明的变焦镜头和成像设备的实施例进行说明。

首先说明本发明的变焦镜头。

本发明的变焦镜头从物方起依次包括：第一透镜组，具有负屈光度；第二透镜组，具有正屈光度；和第三透镜组，具有正屈光度。在镜头位置状态从最大广角状态向最大摄远状态改变时，第二透镜组沿光轴方向朝向物体运动，第一、第三透镜组沿光轴方向运动，使第一透镜组与第二透镜组之间的间隙减小，而第二透镜组与第三透镜组之间的间隙增大。当物***置改变时，通过第三透镜组的移动来执行近距聚焦，并通过第二透镜组沿大体上垂直于光轴的方向移动来移动像。此外，还满足如下所示的关系式(1)和(2)。

(1)0.8＜TLw/TLt＜0.95

(2)0.6＜|f1|/ft＜0.8

其中，TLw为最大广角状态下的总镜头长度，TLt为最大摄远状态下的总镜头长度，f1为第一透镜组的焦距，ft为最大摄远状态下整个镜头***的焦距。

这样能够进行图像移动，还能够减小镜头***的直径和厚度。

在镜头位置状态从最大广角状态向最大摄远状态改变时，使第一透镜组与第二透镜组之间的间隙减小会造成第二透镜组的横向放大率改变，以及整个镜头***的焦距改变。第三透镜组通过沿光轴方向运动，对与镜头位置状态改变相关地造成的像面弯曲起伏提供了令人满意的校正。

在近距聚焦时使第三透镜组运动能够简化镜头座结构。这是因为第三透镜组中包括的透镜直径较小。

通过对变焦时第二透镜组的移动量以及第二透镜组的横向放大率进行适当限定，根据本发明实施例的变焦镜头能够减小总的镜头长度，并减小镜头外径。具体地说，关系式(1)是限定了最大广角状态和最大摄远状态下总镜头长度改变量的等式，换句话说，限定了变焦时第二透镜组的横向放大率以及第二透镜组的移动量。

在超过了关系式(1)的上限时，在最大广角状态下第一透镜组与第二透镜组之间的间隙加宽，因此难以对最大广角状态下造成的负畸变进行适当校正。第二透镜组也可用于进行校正，但是在这种情况下，轴外光通量变得离光轴较远，第二透镜组的透镜需要更大的透镜直径，从而不利地造成了移动驱动机构变大。

相反，当低于关系式(1)的下限时，在改变镜头位置状态时，第二透镜组所需的移动量增大，这样使得难以充分减小总的镜头座厚度。

包括负、正、正三个透镜组的变焦镜头已经常用于所谓的可缩回座式相机，这种相机适于在透镜组之间间隙减小的情况下将透镜组容纳在相机体中。

已经需要可缩回座式相机中所用的变焦镜头减小总的镜头长度，同时减小镜头厚度，以便实现相机体的厚度减小。这是因为用于支撑透镜并使之在光轴方向移动的镜头座由多个镜筒形成，因而这些镜筒容纳在相机体中，在可缩回座的情况下各个镜头座发生重叠。

为了减小相机体厚度，在镜头位置状态从最大广角状态向最大摄远状态改变时，第一透镜组在向像方运动之后向物方运动，因而最大广角状态的总镜头长度变成与最大摄远状态下大体相同的状况。

在第二透镜组的横向放大率在-1到0的范围内时，第一透镜组向像方运动，而在该横向放大率小于-1时向物方运动。因此，在镜头位置状况从广角端向最大摄远状态改变的过程中，包括负、正、正三个透镜组的变焦镜头包含这样的位置：在该位置处，第二透镜组的横向放大率为-1。

作为一种可缩回式结构，例如，已知一种两级可缩回座式结构，它具有重叠的三个镜头座A(用于支撑第一透镜组1g)、B(用于支撑第二透镜组2g)和C(用于支撑第三透镜组3g)，两个镜头座A和B沿光轴方向受到驱动，如图23所示。注意，图23的右侧和左侧分别示出了处于被容纳状态和正在使用时的镜头座。

镜头座B以可旋转方式受到驱动，以沿着镜头座B、C之间设置的凸轮槽在光轴方向运动。镜头座B能够沿光轴方向从可缩回安装位置向最大广角状态伸出，而在从最大广角状态向最大摄远状态改变期间在光轴方向是固定的。镜头座A能够沿镜头座B内设置的凸轮槽在光轴方向运动。镜头座A能够相对于镜头座椅B从可缩回安装位置向最大广角状态伸出，随后从最大广角状态向最大摄远状态沿预定凸轮轨在光轴方向受到驱动。第二透镜组2g沿着镜头座B的内壁设置的凸轮槽在光轴方向上受到驱动。

在透镜位置状态从最大广角状态向最大摄远状态改变需要的第二透镜组2g的移动量增大时，镜头座B的内壁上设置的凸轮槽在光轴方向上的长度变长，因此镜头座椅B在光轴方向上变厚。因此，为了减小尺寸，重要的是应当尽可能地抑制第二透镜组2g的移动量。

光学相机抖动校正***中所包括的镜头移动方案是通过使移动透镜组在与光轴垂直的方向上移动一个移动量来校正图像模糊的，所述移动量对应于相机抖动等因素造成的图像模糊量。在假定f为整个光学***的焦距、θ为相机抖动角度(或倾斜)的情况下，图像模糊量δb表示如下。

δb＝f·tanθ

因此，对于移动量Δ，移动镜头组的图像移动量表示如下。

δs＝βΔ

其中，β称为模糊校正系数。

因此，执行模糊校正的条件由下式表示。

δb+δs＝0

在本实施例中，假定第二透镜组是移动透镜组，通过使第二透镜组在大体垂直于光轴的方向上移动来移动图像。

移动第二透镜组时的模糊校正系数β由如下所示的等式(A)表示。

β＝(1-β2)·β3…(A)

其中，β2为第二透镜组的横向放大率，β3为第三透镜组的横向放大率。

如上所述，本实施例的变焦镜头确保了对于第二透镜组的横向放大率，从最大广角状态到最大摄远状态的范围内包括了-1这个横向放大率，并确保了通过由第三透镜组将第二透镜组形成的像的尺寸减小这样的方式来实现整个镜头尺寸减小。简言之，假定β2取接近于-1的值，而β3落在从0至1的范围内。

如上所述，在假定第二透镜组为移动透镜组时，模糊校正系数较高，使图像模糊校正能够通过较小的移动量来实现，因而，对所包括的第二透镜组(作为移动透镜组)进行驱动所用的驱动***实现了尺寸减小。

在将包括负、正、正三个透镜组的变焦镜头设置成通过使第二透镜组在大体垂直于光轴的方向上移动来移动图像时，如果使第三透镜组的横向放大率β3接近1，则等式(a)中的模糊校正系数较高，但是第三透镜组的正屈光度变弱。因此，近距聚焦所需的第三透镜组的移动量增大，使得第三透镜组的驱动机构复杂。

相反，在使第三透镜组的横向放大率β3接近0时，模糊校正系数较低，对预定相机抖动角度进行校正所需的移动量δs增大，使得移动镜头组(即第二镜头组)的移动驱动机构复杂。

通过使第二透镜组的横向放大率β在负的一侧增大并增强模糊校正系数，本实施例的变焦镜头以较小的透镜移动量实现了对预定相机抖动角度的校正。

在设定了较高的模糊校正系数时，可以通过较小的透镜移动量来实现模糊校正。因此，透镜移动量越小，经过移动透镜组(即第二透镜组)的光线在高度方向的改变越小，因而可以容易地实现更高性能。

关系式(2)限定了第一透镜组的焦距。

在超过了关系式(2)的上限时，经过第一透镜组的轴外光通量离光轴较远，造成难以实现第一透镜组的尺寸减小。相反，当低于关系式(2)的下限时，难以实现总的镜头长度减小。另外，进入第二透镜组的轴外光通量发散较小，使得第二透镜组的透镜直径尺寸增大并使沿与光轴垂直的方向移动第二透镜组作用的驱动机构复杂。

根据本发明一种实施例的变焦镜头确保了可以抑制与第二透镜组的移动相关地造成的各种像差起伏，并可以通过设置孔径光阑位置以及第二透镜组的透镜结构来实现减小尺寸。具体地说，优选地使孔径光阑位置与第二透镜组的物方邻近并满足如下关系式(3)，其中，第二透镜组由正透镜L21和胶合负透镜L22形成，胶合负透镜L22设在正透镜L21的像方并由双凸正透镜和双凹负透镜组成。

(3)0.5＜RN2/Ds＜0.85

其中，RN2是胶合负透镜L22的像方透镜表面的曲率半径，Ds是从孔径光阑到胶合负透镜L22像方透镜表面的距离。

首先，优选地使孔径光阑位于第二透镜组的物方。在用成像装置记录对象图像时，用于投射光学***的光通量以大体上平行于光轴的状态射出。对于根据本发明一种实施例的变焦镜头，经过孔径光阑中心的主光线也以大体上平行于光轴的状态射出第三透镜组。总的看来，孔径光阑设置成与第二透镜组和第三透镜组所得的复合物方焦面邻近。

第二透镜组具有较大的屈光度。因此，如果轴外光通量在距光轴一段距离的情况下通过，则随着透镜移动而发生的轴外像差增大。重要的是使由经过孔径光阑位置的主光线与光轴形成的角度较小，以使轴外光通量更靠近光轴。为此，需要保持孔径光阑离像面较远，因此孔径光阑被设置在第二透镜组的物方。另外，由于在最大广角状态下进入第一透镜组的轴外光通量更接近光轴，所以也能够减小透镜直径的尺寸。

下面对第二透镜组的结构进行说明。

如上所述，重要的是使经过孔径光阑位置的主光线与光轴形成的角度较小，以抑制与透镜移动相关地造成的轴外像差的起伏。但是，在孔径光阑的像方，只有第二、第三透镜组，二者均具有正屈光度，使得难以将如上所述形成的角度减小。

因此，根据本发明一种实施例的变焦镜头试图以下述方式来使经过孔径光阑位置的主光线与光轴所形成的角度变小：所述方式通过用正透镜L21和胶合负透镜L22构成第二透镜组，而使第二透镜组的屈光度分配采取负-正结构，其中所述胶合负透镜L22位于正透镜L21的像方并由双凸正透镜和双凹负透镜组成。另外，利用正一负结构还可以实现对最大广角状态下的负畸变像差进行校正。

关系式(3)限定了第二透镜组中设置的胶合负透镜的像方透镜表面的曲率半径。

在超过了关系式(3)中上限的情况下，难以对最大广角状态下发生的负畸变进行满意的校正。

相反，在低于关系式(3)中下限的情况下，第二透镜组中所包括的正透镜L21和胶合负透镜L22各自的屈光度增大，制造过程中发生的相对倾斜会造成光学性能的显著变差，使得难以保持稳定的光学质量。

在根据本发明一种实施例的变焦镜头中，优选地，正透镜L21的物方透镜表面或像方透镜表面中至少一者为非球面形状，并满足如下关系式

(4)。

(4)1＜fw/faw＜1.5

其中，faw是第一透镜组与第二透镜组中正透镜L21的复合焦距，fw是最大广角状态下整个镜头***的焦距。

这样能够区分下述项：各个透镜组的与像差校正有关的功能、对制造过程中发生的制造误差所造成的性能变差的抑制、以及各个透镜组中所包括的透镜数目的减小。具体地说，第二透镜组主要用于执行轴向像差校正，还使对于最大广角状态的出瞳位置保持远离像面。

因此，用正透镜L21作为非球面托架能够对负球差实现满意的校正。如上所述，第二透镜组采取正-负结构，以抑制最大广角状态下发生的负畸变，并保持出瞳位置远离像面。还优选地满足关系式(4)以在制造过程中保持更加稳定的光学质量。

关系式(4)限定了第一透镜组与第二透镜组中所包括的正透镜L21的复合焦距。

在超过了关系式(4)的上限时，第二透镜组中包括的胶合负透镜的屈光度较大，正透镜与负透镜之间的失准造成的性能变差显著增加，使得难以在制造过程中保持稳定的光学质量。由此，不能实现较高的光学质量。

相反，在低于关系式(4)的下限时，难以对最大广角状态下发生的负畸变进行满意的校正。这可能造成不能实现较高性能。

在根据本发明一种实施例的变焦镜头中，优选地满足如下关系式

(5)。

(5)Ymax./Da＜0.26

其中，Ymax.是最大像高度，Da为从最大广角状态下的孔径光阑至像面的距离。

这样可以对与第二镜头组的移动相关地发生的轴外像差起伏进行满意的抑制。

如上所述，对于本实施例的变焦镜头，提出了以下两种方法，它们可以对与第二透镜组的移动相关地发生的轴外像差起伏进行更加满意的校正。

一种是通过增大模糊校正系数，来减小使图像位置发生与预定量对应的移动所需的第二透镜组移动量。

另一种是使孔径光阑处主光线与光轴所形成的角度变小。

前者是通过增大模糊校正系数来实现的，作为一种使移动驱动机构的尺寸减小并且节电的方法，本实施例的变焦镜头的目的包括了这些目的。

后者是希望获得更高性能的一种方法。

该角度(即孔径光阑位置处主光线与光轴所形成的角度)越小，就约可能抑制经过第一透镜组的轴外光通量的高度改变，所述改变是与第二透镜组的移动相关地造成的。对高度改变进行约束确保了轴外像差难以发生改变。

可以想到通过简单地增大第一透镜组的屈光度并保持孔径光阑远离像面位置来实现。但是，它们中的任何一者都会造成总的透镜长度增大并因而不能减小尺寸。

关系式(5)限定了对于最大广角状态的孔径光阑位置。

在超过了关系式(5)中的上限时，不能通过对与第二透镜组的移动相关地发生的轴外像差起伏进行更满意的校正来实现更高性能。

在根据本发明一种实施例的变焦镜头中，优选地满足如下关系式

(6)。

(6)1.8＜f3/fw＜3其中f3为第三透镜组的焦距。

这样可以抑制近距聚焦所需的移动量，并实现较高的模糊校正系数。

关系式(6)限定了第三透镜组的焦距。

在超过了关系不等式(6)的上限时，第三透镜组的横向放大率更接近1，近距聚焦所需的第三透镜组移动量过度增大。

相反，当低于关系式(6)的下限时，第三透镜组的横向放大率更接近0，因此模糊校正系数降低，造成不能充分减小尺寸以及使第二透镜组在垂直于光轴的方向上移动所需的移动驱动机构节电。

注意，关系式(6)的下限优选地设定为2，以通过减小对于最大摄远状态下像面弯曲随对象距离的起伏，来实现更高性能。

在根据本发明一种实施例的变焦镜头中，优选地，第一透镜组包括负透镜和弯月形正透镜且满足如下关系式(7)，所述负透镜具有面向像方的凹面且像方表面为非球面，所述弯月形正透镜设置在所述负透镜的像方且二者之间有空气间隙，弯月形正透镜具有正屈光度且凸面面向物方。

(7)0.18＜D12/fw＜0.3

其中D12是第一透镜组中包括的负透镜与正透镜之间形成的空气间隙的轴向光学长度。

这样可以进一步减小镜头***的厚度。

在本发明的变焦镜头中，第一透镜组主要执行对轴外像差的校正。

第一透镜组设置成在最大广角状态下远离孔径光阑，并设置成在最大摄远状态下较接近孔径光阑，因而在最大广角状态下轴外光在与光轴保持距离的情况下通过，而在最大摄远状态下它通过与光轴接近的位置。这种差别被用来对在最大广角状态下容易与视角改变相关地发生的轴外像差起伏进行抑制，同时用来对与镜头位置状态改变相关地发生的轴外像差起伏进行满意的校正。

在根据本发明一种实施例的变焦镜头中，优选地，第一透镜组中包括的负透镜的像方透镜表面被形成为非球面形状，以对正透镜造成的正像面弯曲进行满意的校正，因此，正透镜与负透镜之间形成的空气间隙被缩窄到满足关系式(7)。

在超过了关系式(7)的上限时，造成了第一透镜组的透镜厚度增大，此外，经过负透镜的轴外光通量保持远离光轴，使得难以充分减小镜头直径。

相反，在低于关系式(7)的下限时，正透镜的屈光度较大。透镜应当有较大的重心厚度以获得适于制造的透镜结构。，造成第一透镜组的厚度减小效果较差。另外，与制造过程中发生的偏心有关的性能变差也显著增大，造成难以保持稳定的光学质量。

注意，可用的非球面透镜包括通过模制或机加工(例如研磨)形成的非球面玻璃透镜、或者复合透镜，所述复合透镜具有经抛光的球面玻璃透镜，该玻璃透镜的透镜表面由塑料制成的薄的非球面树脂层覆盖。

在根据本发明一种实施例的变焦镜头中，优选地设置低通滤波器来防止镜头***的像方发生莫尔条纹，和/或取决于光接收元件的光谱灵敏度特性来设置红外截止滤波器。

下面将参考附图和附表，说明根据本发明的变焦镜头的具体实施例，以及将实际数值应用于这些实施例而得的数值实施例。

注意，在各个实施例中引入了非球面，非球面的形状由如下所示的表达式1限定。

[表达式1]

x＝cy²/(1+(1-(1+κ)c²y²)^1/2)+Ay⁴+By⁶+…

其中，y为离光轴的高度，x为垂度(sag)量，c为曲率，κ为圆锥常数，A、B…为非球面系数。

图1示出了根据本发明各个实施例的变焦镜头的屈光度分配情况，其中从物方起依次包括：第一透镜组G1，具有负屈光度；第二透镜组G2，具有正屈光度；第三透镜组G3，具有正屈光度。在从最大广角状态向最大摄远状态改变放大率时，各个透镜组以下述方式运动：所述方式使第一透镜组G1与第二透镜组G2之间的空气间隙减小，而第二透镜组G2与第三透镜组G3之间的空气间隙增大。在变焦过程中，第一透镜组G1在曾经向像方运动之后向物方运动，第二透镜组G2向物方运动，而第三透镜组G3向像方运动。第三透镜组G3可以以下述方式运动：对与各个透镜组的运动相关的像面位置改变进行校正，还在近距聚焦过程中向像方运动。

图2示出了根据本发明第一实施例的变焦镜头1的透镜结构。第一透镜组G1从物方至像方依次包括：负透镜L11，具有面向像方的凹面；以及弯月形正透镜L12，具有面向物方的凸面。第二透镜组G2从物方至像方依次包括：双凸正透镜L21；以及由双凸正透镜和双凹负透镜组成的胶合负透镜L22。第三透镜组G3包括双凸正透镜L3。第一透镜组G1中包括的负透镜L11是复合透镜，其像方透镜表面覆盖有由塑料制成的薄的非球面树脂层。孔径光阑S位置与第二透镜组G2的物方邻近，滤波器FL设在像面IMG与第三透镜组G3之间。因此，整个第二透镜组G2在大体垂直于光轴的方向上移动以使图像移动。

表1中列出了对于数值实施例1的透镜数据，在数值实施例1中，将实际数值应用于第一实施例的变焦镜头1。注意，在表1以及随后示出透镜数据的附表中，“表面号”表示从物方起的第i个表面，“曲率半径”表示从物方起第i个表面的曲率半径，“表面间隙”表示从物方起第i个表面与第i+1个表面之间的轴向表面间隙，“折射率”表示具有从物方起第i个表面的玻璃材料对d线(λ＝587.6nm)的折射率，而“阿贝数”表示具有从物方起第i个表面的玻璃材料对d线的阿贝数。这样，曲率半径所涉及的“0.0000”表示该表面是平面形状，表面间隙所涉及的“(Di)”表示该表面间隙是可变的。

表1

第一透镜组G1中包括的负透镜L11的像方树脂表面(第三表面)、第二透镜组G2中包括的正透镜L21的两个表面(第七表面和第八表面)、以及第三透镜组G3中包括的正透镜L3的像方表面(第十三表面)为非球面形状。这样，表2中列出了对于树脂实施例1，各个表面的四阶、六阶、八阶和十阶非球面系数A、B、C和D及其圆锥常数κ。注意，在表2以及随后的非球面系数表中，“E-i”是以10为底数的指数记号，即“10-i”，具体地说例如，“0.12345E-05”表示“0.12345×10^-5”。

表2

对于变焦镜头1，在从最大广角状态向最大摄远状态变焦时，第一透镜组G1与第二透镜组G2(孔径光阑S)之间的表面间隙D5、第二透镜组G2与第三透镜组G3之间的表面间隙D11、以及第三透镜组G3与滤波器FL之间的表面间隙D13发生改变。这样，表3中列出了对于数值实施例1，最大广角状态(f＝1.000)、中间焦距位置(f＝1.632)与最大摄远状态(f＝2.825)下各个表面间隙的值以及焦距f、F数FNO和视角2ω。

表3

表4中列出了对于数值实施例1，关系式(1)至(7)中的各个关系所用的各个数值，以及各个关系式的相应值。

表4

f1＝-1.971

faw＝0.737

fa＝2.388

(1)TLw/TLt＝0.872

(2)|f1|/ft＝0.698

(3)RN2/Ds＝0.744

(4)fw/faw＝1.356

(5)Ymax./Da＝0.241

(6)f3/fw＝2.388

(7)D12/fw＝0.251

图3至图5分别图示了对于数值实施例1，聚焦在无穷远处的状况下各个像差的曲线图，其中，图3示出了最大广角状态(f＝1.000)下的像差，图4示出了中间焦距位置(f＝1.632)下的像差，图5示出了最大摄远状态(f＝2.825)下的像差。

对于图3至图5中的各个曲线图，各个球差曲线图中的实线表示球差，而各个像散曲线图中的实线和虚线分别表示弧矢像面和子午像面。在横向像差曲线图中，A表示视角，y表示像高度。

图6至图8分别图示了对于数值实施例1，聚焦在无穷远处的状况下，与0.5度的透镜移动相当的横向像差曲线图，其中，图6的曲线图示出了最大广角状态(f＝1.000)下的横向像差，图7的曲线图示出了中间焦距位置(f＝1.632)处的横向像差，而图8的曲线图示出了最大摄远状态(f＝2.825)下的横向像差。

由各个像差曲线图可见，数值实施例1能够对各种像差进行满意的校正，并提供了优秀的成像性能。

图9示出了根据本发明第二实施例的变焦镜头2的透镜结构。第一透镜组G1从物方至像方依次包括：负透镜L11，具有面向像方的凹面；以及弯月形正透镜L12，具有面向物方的凸面。第二透镜组G2从物方至像方依次包括：双凸正透镜L21；以及由双凸正透镜和双凹负透镜组成的胶合负透镜L22。第三透镜组G3包括双凸正透镜L3。孔径光阑S位置与第二透镜组G2的物方邻近，滤波器FL设在像面IMG与第三透镜组G3之间。这样，整个第二透镜组G2在大体垂直于光轴的方向上移动以使图像移动。

表5中列出了对于数值实施例2的透镜数据，数值实施例2涉及将实际数值应用于第二实施例的变焦镜头2。

表5

第一透镜组G1中包括的负透镜L11的像方表面(第二表面)、第二透镜组G2中包括的正透镜L21的物方表面(第六表面)、以及第三透镜组G3中包括的正透镜L3的像方表面(第十二表面)为非球面形状。这样，表6中列出了对于树脂实施例2，各个表面的四阶、六阶、八阶和十阶非球面系数A、B、C和D及其圆锥常数κ。

表6

对于变焦镜头2，在从最大广角状态向最大摄远状态变焦时，第一透镜组G1与第二透镜组G2(孔径光阑S)之间的表面间隙D4、第二透镜组G2与第三透镜组G3之间的表面间隙D10、以及第三透镜组G3与滤波器FL之间的表面间隙D12发生改变。这样，表7中列出了对于数值实施例2，最大广角状态(f＝1.000)、中间焦距位置(f＝1.702)与最大摄远状态(f＝2.826)下各个表面间隙的值以及焦距f、F数FNO和视角2ω。

表7

表8中列出了对于数值实施例2，关系式(1)至(7)中的各个关系所用的各个数值，以及各个关系式的相应值。

表8

f1＝-1.971

faw＝0.877

f3＝2.611

(1)TLw/TLt＝0.868

(2)|f1|/ft＝0.697

(3)RN2/Ds＝0.654

(4)fw/faw＝1.140

(5)Ymax./Da＝0.235

(6)f3/fw＝2.611

(7)D12/fw＝0.244

图10至图12分别图示了对于数值实施例2，聚焦在无穷远处的状况下各个像差的曲线图，其中，图10示出了最大广角状态(f＝1.000)下的像差，图11示出了中间焦距位置(f＝1.702)下的像差，图12示出了最大摄远状态(f＝2.826)下的像差。

对于图10至图12中的各个曲线图，各个球差曲线图中的实线表示球差，而各个像散曲线图中的实线和虚线分别表示弧矢像面和子午像面。在横向像差曲线图中，A表示视角，y表示像高度。

图13至图15分别图示了对于数值实施例2，聚焦在无穷远处的状况下，与大约0.5度的透镜移动相当的横向像差曲线图，其中，图13的曲线图示出了最大广角状态(f＝1.000)下的横向像差，图14的曲线图示出了中间焦距位置(f＝1.702)处的横向像差，而图15的曲线图示出了最大摄远状态(f＝2.826)下的横向像差。

由各个像差曲线图可见，数值实施例2能够对各种像差进行满意的校正，并提供了优秀的成像性能。

图16示出了根据本发明第三实施例的变焦镜头3的透镜结构。第一透镜组G1从物方至像方依次包括：负透镜L11，具有面向像方的凹面；以及弯月形正透镜L12，具有面向物方的凸面。第二透镜组G2从物方至像方依次包括：双凸正透镜L21；以及由双凸正透镜和双凹负透镜组成的胶合负透镜L22。第三透镜组G3包括双凸正透镜L3。孔径光阑S位置与第二透镜组G2的物方邻近，滤波器FL设在像面IMG与第三透镜组G3之间。这样，整个第二透镜组G2在大体垂直于光轴的方向上移动以使图像移动。

表9中列出了对于数值实施例3的透镜数据，数值实施例3涉及将实际数值应用于第三实施例的变焦镜头3。

表9

第一透镜组G1中包括的负透镜L11的像方表面(第二表面)、第二透镜组G2中包括的正透镜L21的物方表面(第六表面)、以及第三透镜组G3中包括的正透镜L3的像方表面(第十二表面)为非球面形状。这样，表10中列出了对于树脂实施例3，各个表面的四阶、六阶、八阶和十阶非球面系数A、B、C和D及其圆锥常数κ。

表10

对于变焦镜头3，在从最大广角状态向最大摄远状态变焦时，第一透镜组G1与第二透镜组G2(孔径光阑S)之间的表面间隙D4、第二透镜组G2与第三透镜组G3之间的表面间隙D10、以及第三透镜组G3与滤波器FL之间的表面间隙D12发生改变。这样，表11中列出了对于数值实施例3，最大广角状态(f＝1.000)、中间焦距位置(f＝1.702)与最大摄远状态(f＝2.820)下各个表面间隙的值以及焦距f、F数FNO和视角2ω。

表11

表12中列出了对于数值实施例3，关系式(1)至(7)中的各个关系所用的各个数值，以及各个关系式的相应值。

表12

f1＝-2.075

faw＝0.895

f3＝2.269

(1)TLw/TLt＝0.876

(2)|f1|/ft＝0.734

(3)RN2/Ds＝0.704

(4)fw/faw＝1.118

(5)Ymax./Da＝0.240

(6)f3/fw＝2.269

(7)D12/fw＝0.233

图17至图19分别图示了对于数值实施例3，聚焦在无穷远处的状况下各个像差的曲线图，其中，图17示出了最大广角状态(f＝1.000)下的像差，图18示出了中间焦距位置(f＝1.702)下的像差，图19示出了最大摄远状态(f＝2.820)下的像差。

对于图17至图19中的各个曲线图，各个球差曲线图中的实线表示球差，而各个像散曲线图中的实线和虚线分别表示弧矢像面和子午像面。在横向像差曲线图中，A表示视角，y表示像高度。

图20至图22分别图示了对于数值实施例3，聚焦在无穷远处的状况下，与大约0.5度的透镜移动相当的横向像差曲线图，其中，图20的曲线图示出了最大广角状态(f＝1.000)下的横向像差，图21的曲线图示出了中间焦距位置(f＝1.702)处的横向像差，而图22的曲线图示出了最大摄远状态(f＝2.820)下的横向像差。

由各个像差曲线图可见，数值实施例3能够对各种像差进行满意的校正，并提供了优秀的成像性能。

现在将说明根据本发明一种实施例的成像设备。

根据本发明一种实施例的成像设备包括变焦镜头和成像装置，成像装置用于将变焦镜头形成的光学图像转换成电信号。该变焦镜头从物方起依次包括：第一透镜组，具有负屈光度；第二透镜组，具有正屈光度；和第三透镜组，具有正屈光度。在镜头位置状态从最大广角状态向最大摄远状态改变时，第二透镜组沿光轴方向朝向物方运动，同时第一、第三透镜组沿光轴方向运动，其方式是使第一透镜组与第二透镜组之间的间隙减小，而第二透镜组与第三透镜组之间的间隙增大。当对象位置改变时，通过第三透镜组的移动来执行近距聚焦，并通过使第二透镜组沿大体上垂直于光轴的方向移动来提供像的移动。此外，还满足如下所示的关系式(1)和

(2)。

(1)0.8＜TLw/TLt＜0.95

(2)0.6＜|f1|/ft＜0.8其中，TLw为最大广角状态下的总镜头长度，TLt为最大摄远状态下的总镜头长度，f1为第一透镜组的焦距，ft为最大摄远状态下整个镜头***的焦距。

图24是是示出数码相机结构一种示例的框图，该数码相机带有根据本发明一种实施例的变焦镜头。

数码相机10具有镜头单元20和相机体单元30，镜头单元20用于以光学方式获取对象凸现，相机体单元30提供将镜头单元20获取的光学对象图像转换成电图像信号的功能，并对图像信号进行各种处理，同时控制镜头单元。

镜头单元20包括：变焦镜头21，具有例如透镜和滤波器的光学元件；变焦驱动单元22，用于在变焦过程中使变焦镜头运动；聚焦驱动单元23，用于使聚焦透镜组运动；移动透镜驱动单元24，用于使移动透镜组在垂直于光轴的方向上移动；以及光圈驱动单元25，用于控制孔径光阑的开启程度。可应用到变焦镜头21的变焦镜头包括变焦镜头1至3中任一种以及根据它们的数值实施例的变焦镜头，或者是根据本发明中除了这些实施例和数值实施例之外的实施例的变焦镜头。

相机体单元30具有成像装置31，用于将变焦镜头21所形成的光学图像转换成电信号。

电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)可以应用于成像装置31。在图像处理电路32处对从成像装置31输出的电图像信号执行各种处理，然后以预定方式对数据进行压缩并将其作为图像数据临时储存在图像存储器33中。

相机控制中央处理单元(CPU)34总体上控制整个相机体单元30以及镜头单元20，并从图像存储器33执行所临时储存的图像数据的取出，以在液晶显示器单元35上显示和/或储存在外部存储器36中。另外，它读出储存在外部存储器36中的图像数据以显示在液晶显示器单元35上。

来自操作单元40的信号被输入相机控制CPU 34以响应于来自操作单元40的信号对单元进行控制，所述操作单元40包括开关，例如快门释放开关和变焦开关。例如，在操作快门释放开关时，从相机控制CPU 34向定时控制单元37输出命令，使来自变焦镜头21的光线进入成像装置31，并由定时控制单元37对与成像装置31有关的信号读取定时进行控制。

与变焦镜头21的控制有关的信号(例如自动聚焦(AF)信号、自动曝光(AE)信号和变焦信号)被从相机控制CPU 34送到镜头控制单元38，由镜头控制单元38对变焦控制单元22、聚焦驱动单元23和光圈驱动单元25进行控制，使得变焦镜头成为预定状况。

另外，该成像设备还具有相机抖动传感器39，用于对例如成像装置31的相机抖动或振动进行检测。在相机抖动传感器39检测到相机抖动时，相机抖动检测信号被输入相机控制CPU 34，由相机控制CPU 34产生校正信号。然后，所产生的校正信号通过镜头控制单元38发送到相机单元20中所包括的移动透镜驱动单元24，并使移动透镜(第二透镜组G2)移动，从而通过透镜移动驱动单元24消除由相对于成像装置31的相机抖动所造成的图像移动。

注意，尽管这些实施例以数码相机的形式表示成像器件，但是本发明的实施例不限于数码相机，也可以应用于数码摄像机形式。此外，也可以应用于信息设备(例如个人电脑和个人数字助理(PDA))中集成的相机单元。

还应注意，各个实施例中此前所述的所有各种部件结构以及数值只应当解释成为实施本发明而进行的说明，不应理解为对本发明技术范围的限制。

根据本发明的实施例，可以移动图像，还可以实现镜头***的直径和厚度减小。

本领域技术人员应当明白，在权利要求及其等同形式的范围内，根据设计要求和其他因素，可以产生各种变更、组合、子组合和替换形式。

本申请包含与2006年12月27日提交给日本特许厅的日本专利申请No.2006-350560有关的主题，该申请的全部内容通过引用而结合于此。

Claims (7)

1.一种变焦镜头，从物方起依次包括：

第一透镜组，具有负屈光度；

第二透镜组，具有正屈光度；和

第三透镜组，具有正屈光度；

其中，在镜头位置状态从最大广角状态向最大摄远状态改变时，所述第二透镜组沿光轴向物运动，所述第一透镜组和所述第三透镜组在光轴方向上运动，使得所述第一透镜组与所述第二透镜组之间的间隙减小而所第二透镜组与所述第三透镜组之间的间隙增大；

在对象位置发生改变时，通过所述第三透镜组的运动来执行近距聚焦；

通过使所述第二透镜组在垂直于所述光轴的方向上移动来提供像的移动；并且

满足如下关系式(1)和(2)

(1)0.8＜TLw/TLt＜0.95

(2)0.6＜|f1|/ft＜0.8

其中，TLw为所述最大广角状态下的总镜头长度，TLt为所述最大摄远状态下的总镜头长度，f1为所述第一透镜组的焦距，ft为所述最大摄远状态下，整个镜头***的焦距。

2.根据权利要求1所述的变焦镜头，其中：

孔径光阑设置成与所述第二透镜组的物方邻近，并且

所述第二透镜组包括正透镜和胶合负透镜，所述胶合负透镜设置在所述正透镜的像方并由双凸正透镜和双凹负透镜形成，并且

满足如下关系式(3)

(3)0.5＜RN2/Ds＜0.85

其中，RN2为所述胶合负透镜的像方透镜表面的曲率半径，Ds为从所述孔径光阑至所述胶合负透镜的像方透镜表面的距离。

3.根据权利要求2所述的变焦镜头，其中：

所述正透镜的物方透镜表面与像方透镜表面中至少一者为非球面形状，并且

满足如下关系式(4)

(4)1＜fw/faw＜1.5

其中，faw为所述最大广角状态下所述第一透镜组与所述正透镜的复合焦距，fw为所述最大广角状态下整个镜头***的焦距。

4.根据权利要求1所述的变焦镜头，其中：

孔径光阑设置成与所述第二透镜组的物方邻近，并且

满足如下关系式(5)

(5)Ymax./Da＜0.26

其中，Ymax.为最大像高度，Da为所述最大广角状态下所述孔径光阑与像面之间的距离。

5.根据权利要求3所述的变焦镜头，其中：

满足关系式(6)

(6)1.8＜f3/fw＜3

其中，f3为所述第三透镜组的焦距。

6.根据权利要求3所述的变焦镜头，其中：

所述第一透镜组包括负透镜和弯月正透镜，所述负透镜具有面向像方的非球面凹面，所述弯月正透镜设置在所述负透镜的像方且与所述负透镜之间有空气间隙，所述弯月正透镜具有正屈光度并具有面向物的凸面，

并且满足如下关系式(7)

(7)0.18＜D12/fw＜0.3

其中，D12为所述第一透镜组中包括的所述负透镜和所述正透镜之间形成的空气间隙的轴向光学长度。

7.一种图像捕捉设备，包括：

变焦镜头；和

成像装置，用于将所述变焦镜头形成的光学图像转换成电信号；

其中，所述变焦镜头从物方起依次包括：第一透镜组，具有负屈光度；第二透镜组，具有正屈光度；和第三透镜组，具有正屈光度；

在镜头位置状态从最大广角状态向最大摄远状态改变时，所述第二透镜组沿光轴向物运动，同时所述第一透镜组和所述第三透镜组也在光轴方向上运动，使得所述第一透镜组与所述第二透镜组之间的间隙减小而所第二透镜组与所述第三透镜组之间的间隙增大；

通过所述第三透镜组的运动来在对象位置发生改变时执行近距聚焦，通过使所述第二透镜组在垂直于所述光轴的方向上移动来提供像的移动；并且

满足如下关系式(1)和(2)

(1)0.8＜TLw/TLt＜0.95

(2)0.6＜|f1|/ft＜0.8

其中，TLw为所述最大广角状态下的总镜头长度，TLt为所述最大摄远状态下的总镜头长度，f1为所述第一透镜组的焦距，ft为所述最大摄远状态下，整个镜头***的焦距。

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