CN101315458A - 变焦透镜和包含该变焦透镜的图像拾取设备 - Google Patents

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CN101315458A CNA2008101093050A CN200810109305A CN101315458A CN 101315458 A CN101315458 A CN 101315458A CN A2008101093050 A CNA2008101093050 A CN A2008101093050A CN 200810109305 A CN200810109305 A CN 200810109305A CN 101315458 A CN101315458 A CN 101315458A
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Abstract

本发明提供一种变焦透镜和包含该变焦透镜的图像拾取设备。该变焦透镜从物侧到像侧依次包括具有正折射光焦度的第一透镜单元、具有负折射光焦度的第二透镜单元、具有正折射光焦度的第三透镜单元和具有正折射光焦度的第四透镜单元。通过改变所述透镜单元之间的距离来进行变焦。该第一透镜单元包括两个或更少的透镜，并且所述第二透镜单元从物侧到像侧依次包括负透镜和正透镜。该变焦透镜满足下面的条件：其中，fw和fT分别是整个透镜单元在广角端和摄远端处的焦距，而m1是在从广角端到摄远端的变焦期间第一透镜单元沿光轴方向的移动量。

Description

变焦透镜和包含该变焦透镜的图像拾取设备
技术领域
本发明涉及适用于在诸如静物照相机、摄像机、广播照相机以及数字静物照相机的图像拾取设备中使用的变焦透镜。
背景技术
近来，诸如摄像机和数字静物照相机的包含固态图像拾取装置的图像拾取设备(照相机)随着增加的功能而变得更小。
因此，增加了对于在整个变焦范围内具有小的长度和高的光学性能的小的高变焦比的变焦透镜的需求，以便用于图像拾取设备的图像形成光学***中。
在具有当不使用照相机时能够收缩的透镜单元的可伸缩的变焦透镜中，必需减少包含在每个透镜单元内的透镜的数量并减小每个透镜单元的尺寸以减小变焦透镜的整体尺寸。
通常，可以通过减少每个透镜单元在变焦期间的移动量，同时增大每个透镜单元的折射光焦度(refractive power)，并减少包含在每个透镜单元内的透镜数量来减小变焦透镜的尺寸。
然而，在增大变焦透镜内的每个透镜单元的折射光焦度的情况下，也增大了变焦期间的像差变化。因此，变得难以在整个变焦范围和整个像平面内获得高的光学性能。
因此，为了获得高变焦比和高光学性能，同时减小整个透镜***的尺寸，重要的是适当地设置每个透镜单元的折射光焦度和在变焦期间使每个透镜单元移动的条件。
作为具有4.5或更大的变焦比的小变焦透镜的实例，包含四个透镜单元并通过移动这些透镜单元来进行变焦的变焦透镜描述于美国专利No.6853496、美国专利No.7286298以及美国专利No.7193790中。变焦透镜包括从物侧到像侧依次设置的具有正折射光焦度的透镜单元、具有负折射光焦度的透镜单元、具有正折射光焦度的透镜单元以及具有正折射光焦度的透镜单元。
在包含四个透镜单元的变焦透镜中，第二透镜单元可以由负透镜和正透镜构成以减小整个***的尺寸，如在美国专利No.5134524和美国专利No.6577450中所述。
在包含四个透镜单元的这种类型的变焦透镜中，除非适当地设置第一透镜单元的透镜结构、该第一透镜单元在变焦期间的移动量、以及提供改变放大率的功能的第二透镜单元的透镜结构，否则不能获得高的变焦比和高的光学性能。
发明内容
本发明涉及小的高变焦比的变焦透镜和包含该变焦透镜的图像拾取设备，该变焦透镜能够在整个变焦范围上提供高的光学性能。
根据本发明的实施例，一种变焦透镜包括：具有正折射光焦度的第一透镜单元；具有负折射光焦度的第二透镜单元；具有正折射光焦度的第三透镜单元；以及具有正折射光焦度的第四透镜单元。从物侧到像侧依次设置该第一透镜单元、该第二透镜单元、该第三透镜单元和该第四透镜单元。该变焦透镜通过改变所述透镜单元之间的距离来执行变焦。该第一透镜单元包括两个或更少的透镜，该第二透镜单元从物侧到像侧依次包括负透镜和正透镜。该变焦透镜满足下面的条件：
- 1.3 < m 1 / ( fw &CenterDot; fT ) < - 0.8
其中，fw和fT分别是整个透镜***在广角端和摄远端处的焦距，m1是在从广角端到摄远端的变焦期间该第一透镜单元沿光轴方向的移动量，当该第一透镜单元朝向像侧移动时，移动量m1为正，当该第一透镜单元朝向物侧移动时，移动量m1为负。
从下面参照附图对示例实施例所进行的描述，本发明的进一步特征将变得清楚。
附图简要说明
图1示出根据第一实施例的变焦透镜在广角端处的截面图。
图2A示出根据第一实施例的变焦透镜在广角端处的像差图。
图2B示出根据第一实施例的变焦透镜在中间变焦位置处的像差图。
图2C示出根据第一实施例的变焦透镜在摄远端处的像差图。
图3示出根据第二实施例的变焦透镜在广角端处的截面图。
图4A示出根据第二实施例的变焦透镜在广角端处的像差图。
图4B示出根据第二实施例的变焦透镜在中间变焦位置处的像差图。
图4C示出根据第二实施例的变焦透镜在摄远端处的像差图。
图5示出根据第三实施例的变焦透镜在广角端处的截面图。
图6A示出根据第三实施例的变焦透镜在广角端处的像差图。
图6B示出根据第三实施例的变焦透镜在中间变焦位置处的像差图。
图6C示出根据第三实施例的变焦透镜在摄远端处的像差图。
图7示出根据第四实施例的变焦透镜在广角端处的截面图。
图8A示出根据第四实施例的变焦透镜在广角端处的像差图。
图8B示出根据第四实施例的变焦透镜在中间变焦位置处的像差图。
图8C示出根据第四实施例的变焦透镜在摄远端处的像差图。
图9示出显示图像拾取设备的主要部分的示意图。
图10示出显示F数光阑(F-number stop)的示意图。
具体实施方式
现在描述根据本发明的各实施例的变焦透镜和包含根据这些实施例的变焦透镜中的任何一种的图像拾取设备。
根据这些实施例的变焦透镜中的每一个从物侧到像侧依次包括具有正折射光焦度的第一透镜单元、具有负折射光焦度的第二透镜单元、具有正折射光焦度的第三透镜单元和具有正折射光焦度的第四透镜单元。变焦透镜通过改变所述透镜单元之间的距离来执行变焦。
图1示出根据本发明的第一实施例的变焦透镜在广角端(短焦距端)处的截面图。
图2A、2B和2C分别是根据第一实施例的变焦透镜在广角端、中间变焦位置和摄远端(长焦距端)处的像差图。
根据第一实施例的变焦透镜具有4.85的变焦比和2.63至4.96的F数。
图3示出根据本发明的第二实施例的变焦透镜在广角端处的截面图。
图4A、4B和4C分别是根据第二实施例的变焦透镜在广角端、中间变焦位置和摄远端处的像差图。
根据第二实施例的变焦透镜具有4.84的变焦比和2.64至5.41的F数。
图5示出根据本发明的第三实施例的变焦透镜在广角端处的截面图。
图6A、6B和6C分别是根据第三实施例的变焦透镜在广角端、中间变焦位置和摄远端处的像差图。
根据第三实施例的变焦透镜具有4.81的变焦比和2.88至4.84的F数。
图7示出根据本发明的第四实施例的变焦透镜在广角端处的截面图。
图8A、8B和8C分别是根据第四实施例的变焦透镜在广角端、中间变焦位置和摄远端处的像差图。
根据第四实施例的变焦透镜具有4.85的变焦比和2.88至4.90的F数。
图9是示出包含根据本发明的至少一个实施例的变焦透镜的图像拾取设备的主要部分的示意图。
根据每个实施例的变焦透镜可以用作图像拾取设备例如数字静物照相机和摄像机中的摄影透镜***。
在变焦透镜的各截面图中，物侧(前面)在左边，像侧(后面)在右边。
在根据每个实施例的变焦透镜用作投影仪等中的投影透镜的情况下，屏幕在左边，而将要被投影的图像在右边。
参照截面图，每个变焦透镜包括具有正折射光焦度(光焦度是焦距的倒数)的第一透镜单元L1、具有负折射光焦度的第二透镜单元L2、具有正折射光焦度的第三透镜单元L3和具有正折射光焦度的第四透镜单元L4。
SP表示确定(限定)全孔径F数(Fno)光线的F数光阑(以下，也称作孔径光阑)。孔径光阑SP在第三透镜单元L3的物侧上，并在变焦期间与第三透镜单元L3一起移动或独立于第三透镜单元L3移动。
G表示与例如滤光器、面板、石英低通滤波器、红外截止滤波器等相对应的光学装置(optical block)。
IP表示像平面。当每个实施例的变焦透镜被用作数字静物照相机或摄像机中的图像形成光学***时，将像平面IP设置在固态图像拾取装置(光电转换器)例如电荷耦合器件(CCD)传感器和互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器的图像拾取平面上。
当将每个实施例的变焦透镜用作银盐胶片照相机的图像形成光学***时，像平面IP对应于胶片平面。
在像差图中，Fno表示F数，d和g分别表示d线和g线，ΔM和ΔS分别表示子午像平面和弧矢像平面。放大率的色差由g线示出。
在下面所述的每个实施例中，广角端和摄远端是与具有改变放大率的功能的透镜单元处于光轴上的可移动范围的一端和另一端的状态相对应的变焦位置。
现在在下面描述透镜单元的折射光焦度。
由于第一透镜单元L1具有正折射光焦度，因此可以容易地校正球面像差和轴向色差，特别是在摄远端处。
由于第二透镜单元L2具有负折射光焦度，因此可以减少由于张角(field-angle)特性而引起的像平面变化。另外，通过增大第二透镜单元L2的负折射光焦度，可以容易地增大张角，并且可以容易地减小透镜***的整体尺寸。
由于第三透镜单元L3具有正折射光焦度，因此可以在整个变焦范围内精确地校正球面像差和象散。
由于第四透镜单元L4具有正折射光焦度，因此可以在像侧处提供高的远心度(telecentricity)。第四透镜单元L4提供作为场透镜的功能。因此，可以容易地将每个实施例的变焦透镜用于包含固态图像拾取装置的图像拾取设备中。
现在解释每个透镜单元在变焦期间的运动。
在每个实施例中，在从广角端到摄远端的变焦期间透镜单元L1至L4如箭头所示的那样移动。将详细描述每个透镜单元的移动。
第一透镜单元L1沿朝向像侧凸起的轨迹移动。第一透镜单元L1在摄远端处的位置比在广角端处的位置更靠近物侧。
通常，在通过在广角端处的离轴光线确定前透镜直径的情况下，通过张角确定前透镜直径。更具体地，前透镜直径随着张角增大而增大。与此相比较，在通过在摄远端处的光线确定前透镜直径的情况下，通过在摄远端处的Fno光线确定前透镜直径。更具体地，前透镜直径随着摄远端处的F数(Fno)的减小而增大。
在每个实施例中，将变焦期间第一透镜单元L1的移动量设置为适当的值，使得在摄远端处确定前透镜直径。在摄远端处的F数(Fno)在不造成摄影操作中的损害的范围内减小，并将Fno的变化设置在适当的范围内，使得该直径可以在广角端处增大。
可以将变焦期间第一透镜单元L1的移动量设置为满足下面给出的条件表达式(1)。因此，可以改进通过第一透镜单元L1和第二透镜单元L2获得的改变放大率的功能，并可以容易地增大变焦比。
第二透镜单元L2沿朝向像侧凸起的轨迹移动。第二透镜单元L2在摄远端处的位置比在广角端处的位置更靠近像侧。
第三透镜单元L3连续朝向物侧移动。在每个实施例中，第三透镜单元L3与第二透镜单元L2一起提供改变放大率的功能。可以将第三透镜单元L3的移动量设置为满足下面给出的条件表达式(3)。在这种情况下，能够获得高变焦比。
另外，可以将变焦期间第三透镜单元L3的横向放大率的变化设置为满足下面给出的条件表达式(6)。因此，能够适当设置变焦期间Fno的变化。
通常，将光学***的Fno定义为如下：
Fno＝D/fA，
其中，D是直径(光瞳直径)，f是整个光学***的焦距。
在每个实施例中，变焦透镜包括具有正折射光焦度、负折射光焦度、正折射光焦度和正折射光焦度的透镜单元。将孔径光阑SP设置在第三透镜单元L3附近。如果第四透镜单元L4在广角端处的位置基本上与在摄远端处的位置相同，则第三透镜单元L3和第三透镜单元L3的像点之间的距离基本上等于孔径光阑SP和像平面之间的距离。
如果光瞳直径恒定，则Fno随着孔径光阑SP和像平面之间的距离增加而增加(亮度减小)。换句话说，Fno的变化随着第三透镜单元L3的移动量的增大而增大。
利用等式解释上述关系。首先，第三透镜单元L3和第三透镜单元L3的像点之间的距离可以表达为如下：
S3＝(1-β3T)·f3    (B)
其中，β3T是第三透镜单元L3在摄远端处的横向放大率，f3是第三透镜单元的焦距，S3是第三透镜单元L3的主点和第三透镜单元L3的像点之间的距离。Fno的变化可以利用等式(B)表达为如下：
ΔFno＝{(1-β3T)·f3}/{(1-β3W)·f3}    (C)
其中，β3W是第三透镜单元L3在广角端处的横向放大率。
当FnoW和FnoT分别是在广角端和摄远端处的F数时，ΔFno可以表达为如下：
ΔFno≈FnoT/FnoW    (D)
在每个实施例中，可以将第三透镜单元的移动量设置为满足下面给出的条件表达式(3)，使得在摄远端处的Fno可以在不造成摄影操作中的损害的范围内减小。因此，将变焦期间的Fno的变化设置在合适的水平，以便增大在广角端处的直径。
第四透镜单元L4沿朝向物侧凸起的轨迹移动。
关于透镜单元之间的距离，在摄远端处第一透镜单元L1和第二透镜单元L2之间的距离大于在广角端处第一透镜单元L1和第二透镜单元L2之间的距离。在摄远端处第二透镜单元L2和第三透镜单元L3之间的距离小于在广角端处第二透镜单元L2和第三透镜单元L3之间的距离。在摄远端处第三透镜单元L3和第四透镜单元L4之间的距离大于在广角端处第三透镜单元L3和第四透镜单元L4之间的距离。
在每个实施例中，在从广角端到摄远端的变焦期间，通过彼此独立地移动第三透镜单元L3和第二透镜单元L2来获得改变放大率的功能。
在每个实施例中，改变放大率的功能主要通过第三透镜单元L3朝向物侧的移动来提供。改变放大率的功能也通过第二透镜单元L2沿朝向像侧凸起的轨迹移动来获得。
在每个实施例中，透镜单元的折射光焦度和布置被设置为使得能够在广角端处在整体上获得基本上焦点后移型的折射光焦度分布。
另外，透镜单元的折射光焦度和布置被设置为使得能够在摄远端处在整体上获得基本上摄远型的折射光焦度分布。结果，能够获得具有高变焦比的变焦透镜。
通过移动所有透镜单元来执行变焦操作和对由放大率改变而造成的像平面变化的校正。因此，能够容易地提供折射光焦度的有效分布。
另外，减小了在广角端处的光学***的整体长度，使得能够获得适合在例如数字照相机中使用的小的高变焦比的变焦透镜。
在每个实施例中，使用了后聚焦方法，其中通过沿光轴移动第四透镜单元L4来进行聚焦。
通过如箭头4c所示向前移动第四透镜单元，能够执行从在无穷远处的物体到在摄远端处的近处物体的聚焦。
实曲线4a表示在无穷远处的物体焦点对准的同时在从广角端到摄远端的变焦期间用于校正像平面变化的第四透镜单元L4的轨迹。虚曲线4b表示在近处的物体焦点对准的同时在从广角端到摄远端的变焦期间用于校正像平面变化的第四透镜单元L4的轨迹。
在每个实施例中，由于移动被构造为较轻的第四透镜单元L4来用于聚焦，因此能够快速实现聚焦。
尽管在实施例中未示出，但是，在从广角端到摄远端的变焦期间，第一透镜单元L1也可以连续朝向物侧移动，并且第二透镜单元L2也可以连续朝向像侧移动。在这种情况下，同样能够获得上述效果。
在每个实施例中，第三透镜单元L3可以沿具有垂直于光轴的分量的方向移动，以防止当整个光学***振动时的图像模糊。
因此，在不使用附加光学元件例如可变角度棱镜、或专用于图像稳定功能的透镜单元的情况下，能够获得图像稳定功能。因此，防止了整个光学***的尺寸的增大。
在每个实施例中，变焦透镜包括四个透镜单元。然而，根据需要，可以将具有折射光焦度的透镜单元或转换透镜单元设置在第一透镜单元L1的物侧或第四透镜单元L4的像侧上。
现在描述包含在每个实施例的变焦透镜中的每个透镜单元的透镜结构的特性。
在每个实施例中，透镜单元从物侧到像侧依次包括下面描述的透镜元件。
首先，描述第一实施例至第三实施例。
在第一实施例至第三实施例中，透镜单元从物侧到像侧依次包括下面描述的透镜元件。
第一透镜单元L1包括由负透镜和正透镜构成的胶合透镜。胶合透镜具有弯月形并在物侧上凸起。
包含在第一透镜单元L1中的透镜数量为两个或更少。
第二透镜单元L2包括在像侧上具有凹表面的负透镜和在物侧上具有凸表面的正透镜。该负透镜在其两侧上都具有非球面表面。
第三透镜单元L3包括双凸正透镜和由正透镜和负透镜构成的胶合透镜。该胶合透镜具有弯月形状并在物侧上凸起。
第四透镜单元L4包括一个双凸正透镜或在物侧上具有凸表面的具有弯月形状的一个正透镜。
因此，在第一实施例至第三实施例中，总共使用八个透镜，并且在减小了光学***的整体尺寸的同时提供了高的光学性能。
将不对包含在根据第一实施例至第三实施例的变焦透镜中的透镜单元的透镜结构的特性进行描述。
在根据第一实施例至第三实施例的变焦透镜中，具有正折射光焦度的第一透镜单元L1具有最大的有效直径。由于第一透镜单元L1包括胶合透镜，因此减小了第一透镜单元L1的厚度，并能够减小离轴光线入射在广角端处的第一透镜单元L1上的高度。结果，减小了第一透镜单元L1的尺寸。
另外，由于第一透镜单元L1包括两个透镜，这两个透镜为正透镜和负透镜，因此在从广角端到摄远端的变焦期间能够精确地校正放大率的色差。另外，能够在摄远端处精确地校正轴向色差。
将第二透镜单元L2构造为具有高的负折射光焦度以减小前透镜的直径。在第一实施例至第三实施例中，包含在第二透镜单元L2中的透镜数量为两个。因此，与其中第二透镜单元L2由一个透镜构成的结构相比，在保持高折射光焦度的同时能够更精确地校正像差。
另外，与其中第二透镜单元L2由三个透镜构成的结构相比，通过用高折射率玻璃材料形成包含在第二透镜单元L2中的透镜，在保持高变焦比的同时使透镜结构更简单。
具有负折射光焦度的第二透镜单元L2与第三透镜单元L3一起提供改变放大率的功能。在第一实施例至第三实施例中，可以将第二透镜单元L2和第三透镜单元L3的折射光焦度设置为满足下面给出的条件表达式(4)。在这种情况下，在确保高变焦比的同时能够减小前透镜的直径。
包含在第二透镜单元L2中的负透镜具有至少一个非球面表面。更具体地，该负透镜在其两侧上都具有非球面表面。因此，能够精确地校正变焦期间的像差变化。
具有正折射光焦度的第三透镜单元L3设置在孔径光阑SP附近。第三透镜单元L3在整个变焦范围上产生大的球面像差和轴向像差，例如轴向色差。
因此，在第一实施例至第三实施例中，将第三透镜单元L3的折射光焦度设置为满足下面给出的条件表达式(2)，以便能够获得高的光学性能。
通过两个透镜获得第三透镜单元L3的正折射光焦度，以便能够精确地校正球面像差。通过负透镜校正由正透镜造成的轴向色差。由于这样的透镜结构，所以，可以通过小数量的透镜来获得高的光学性能。
在根据第一实施例至第三实施例中的每一个的变焦透镜中，为了在图像稳定操作中精确地校正光学性能，将第三透镜单元L3的横向放大率和第四透镜单元L4的横向放大率设置为满足下面给出的条件表达式(5)，其中，该第三透镜单元L3为偏移透镜单元，该第四透镜单元L4设置在该第三透镜单元L3的后面。通常，当偏移透镜单元A偏移1mm时，在像平面上所产生的像点的移动量Δ可以表达为如下：
Δ＝(1-βA)·βB    (E)
其中Δ是像平面上的像点的移动量，βA是偏移透镜单元的横向放大率，βB是设置在偏移透镜单元的后面的透镜单元的横向放大率。
在根据第一实施例至第三实施例中的每一个的变焦透镜中，通过使第三透镜单元L3偏移来执行图像稳定操作(图像模糊的校正)。换句话说，第三透镜单元L3充当偏移透镜单元，第四透镜单元L4充当设置在偏移透镜单元的后面的透镜单元。
在第一实施例至第三实施例中，将第三透镜单元L3和第四透镜单元L4的横向放大率设置为使得能够将等式(E)中的移动量Δ设置到适当的值。
第三透镜单元L3包括一个或多个非球面表面，以便能够精确地校正变焦期间的像差变化。
图10示出提供在第三透镜单元L3上的F数光阑SP的布置。
如图10所示，将F数光阑SP沿光轴方向设置在透镜G31的物侧表面R9的顶点G31a、和透镜G31的物侧表面R9与周边部分(边缘部分)P5的交点G31b之间。在第三透镜单元L3中透镜G31最靠近物侧。
因此，将F数光阑SP设置在第三透镜单元L3中，并在变焦期间与第三透镜单元L3一起移动，以便在广角区域内减小入射光瞳和第二透镜单元L2之间的距离。
当如上所述的那样设置孔径光阑SP时，能够在摄远端处减小第二透镜单元L2和第三透镜单元L3之间的距离。因此，确保了在变焦期间第三透镜单元L3能够朝向物侧移动的距离，并且能够在摄远端处在不增大透镜***的整体长度的情况下增大变焦比。
具有正折射光焦度的第四透镜单元L4有效地校正了不能通过第三透镜单元L3充分地校正的离轴像差和轴向像差。
第四透镜单元L4在物侧上具有非球面表面，以便在聚焦期间能够减小像差变化。
现在将描述在第四实施例中的每个透镜单元的透镜结构。
在第四实施例中，第一透镜单元L1和第四透镜单元L4的透镜结构与在第一实施例至第三实施例中的那些不同。其他透镜单元的结构与在第一实施例至第三实施例中的那些相似。
在第四实施例中，透镜单元从物侧到像侧依次包括下面描述的透镜元件。
第一透镜单元L1包括一个正透镜。该正透镜具有弯月形状，并且在物侧上凸起。
第二透镜单元L2包括双凹负透镜和在物侧上具有凸表面的正透镜。该负透镜在其两侧上都具有非球面表面。
第三透镜单元L3包括双凸正透镜和由正透镜和负透镜构成的胶合透镜。该胶合透镜具有弯月形状，并且在物侧上凸起。
第四透镜单元L4包括由正透镜和负透镜构成的胶合透镜。该胶合透镜具有弯月形状，并在物侧上凸起。
在第四实施例中，总共使用八个透镜，并在减小了光学***的整体尺寸的同时提供了高的光学性能。
在根据第四实施例的变焦透镜中，具有正折射光焦度的第一透镜单元L1具有最大的有效直径。第一透镜单元L1包括一个透镜，以便减小光学***的整体尺寸。
包含在第一透镜单元L1中的正透镜由低色散材料制成，以便能够精确地校正轴向色差，特别是在摄远端处。
第二透镜单元L2和第三透镜单元L3的透镜结构的特性与第一实施例至第三实施例的那些相似。
具有正折射光焦度的第四透镜单元L4有效地校正了不能通过第三透镜单元L3充分地校正的离轴像差和轴向像差。另外，在第四实施例中，通过包含在第四透镜单元L4中的正透镜和负透镜，校正了不能通过包含一个正透镜的第一透镜单元L1充分地校正的放大率的色差，特别是在摄远端处。
如上所述，尽管根据上述实施例中的每一个的变焦透镜包括八个透镜，并且减小了透镜***的整体尺寸，但是，能够获得具有4.5或更大的变焦比和高亮度的高的光学性能。
在根据每个实施例的变焦透镜中，为了进一步改进光学性能或者进一步减小透镜***的整体尺寸，可以满足下面给出的一个或多个条件表达式。在这种情况下，能够获得对应于条件表达式的效果。
在条件表达式中，整个透镜***在广角端和摄远端处的焦距分别用fw和fT表示。
在从广角端到摄远端的变焦期间第一透镜单元L1和第三透镜单元L3沿光轴方向的移动量分别用m1和m3表示。关于移动量的符号，正号表示朝向像侧移动，而负号表示朝向物侧移动。
如果移动是往复移动，则将在广角端处的位置用作参考，并将在广角端处的位置和在摄远端处的位置之间的差确定为移动量。
第二透镜单元L2和第三透镜单元L3的焦距分别用f2和f3表示。
第三透镜单元L3在广角端和摄远端处的横向放大率分别用β3w和β3T表示。
第四透镜单元L4在摄远端处的横向放大率用β4T表示。
包含在第二透镜单元L2中的负透镜和正透镜的材料的折射率分别用N2N和N2P表示。
形成包含在第三透镜单元L3中的胶合透镜的正透镜和负透镜的材料的阿贝数分别用v3P和v3N表示。
条件表达式如下：
- 1.3 < m 1 / ( fw &CenterDot; fT ) < - 0.8 - - - ( 1 )
1.0＜f3/fw＜2.5                 (2)
-2.2＜m3/fw＜-1.6               (3)
-1.5＜f2/f3＜-0.8               (4)
1.0＜(1-β3T)·β4T＜3.0        (5)
1.0＜(1-β3T)/(1-β3W)＜2.0     (6)
(N2P+N2N)/2＞1.85               (7)
18＜v3P-v3N＜24。               (8)
现在描述每个条件表达式的技术含义。
条件表达式(1)表示当减小了前透镜直径并获得4.5或更大的变焦比时，用于在变焦期间充分地设置第一透镜单元L1的移动量以及在变焦期间精确地校正像差变化的条件。
如果第一透镜单元L1的移动量m1小，并且条件表达式(1)的值超过其上限，则通过第一透镜单元L1和第二透镜单元L2获得的改变放大率的功能小。
在这种情况下，必须增大第三透镜单元L3的移动量以获得期望的变焦比。然而，必须增大在广角端处第二透镜单元L2和第三透镜单元L3之间的距离以防止第三透镜单元L3干扰第二透镜单元L2。因此，在广角端处增大了透镜***的整体长度。
如果第一透镜单元L1的移动量m1大，并且条件表达式(1)的值低于其下限，则在摄远端处增大了透镜***的整体长度。结果，当变焦透镜具有能够使透镜单元收缩的可伸缩结构时，则增加了收缩单元的数量，并且透镜筒结构变得复杂。
通过用整个***在广角端处的焦距fw对第三透镜单元L3的焦距进行归一化来获得条件表达式(2)的值。
如果增大第三透镜单元L3的焦距使得条件表达式(2)的值高于其上限，也就是，如果第三透镜单元L3的折射光焦度太小，则减小了变焦期间的像差变化。但是，增大了变焦期间第三透镜单元L3的移动量，并在摄远端处增大了透镜***的整体长度。
如果减小第三透镜单元L3的焦距使得条件表达式(2)的值低于其下限，也就是，如果第三透镜单元L3的折射光焦度太高，则变得难以校正整个变焦范围内的球面像差和在摄远端处的球面色差。
通过用在广角端处整个***的焦距fw对在变焦期间第三透镜单元L3的移动量m3进行归一化来获得条件表达式(3)的值。
如果增大第三透镜单元L3的移动量m3使得条件表达式(3)的值高于其上限，则增大了在变焦期间用于校正像平面变化的第一透镜单元L1的移动量。结果，在摄远端处增大了透镜***的整体长度并因此增大了前透镜直径。
如果减小第三透镜单元L3的移动量m3使得条件表达式(3)的值低于下限，则减小了变焦期间Fno的变化。因此，在广角端处不能增大直径。
通过用第三透镜单元L3的焦距对第二透镜单元L2的焦距进行归一化来获得条件表达式(4)的值。如果增大第二透镜单元L2的焦距使得条件表达式(4)的值高于其上限，也就是说，如果第二透镜单元L2的折射光焦度太低，则变得难以校正在变焦期间的放大率的色差。
如果减小第二透镜单元L2的焦距使得条件表达式(4)的值低于其下限，也就是说，如果第二透镜单元L2的折射光焦度太高，则沿负方向增大了佩兹伐和(Petzval sum)。因此，过分地校正了像平面，特别是在广角端处。为了防止这种情况，必须通过两个或更多个透镜来提供折射光焦度，并且必须增大包含在第二透镜单元L2中的透镜的数量。
条件表达式(5)涉及对第三透镜单元L3的偏心率的敏感度。如果条件表达式(5)的值高于其上限，则对偏心率的敏感度就太高。因此，尽管能够减小在图像稳定操作中所需要的偏移透镜单元(第三透镜单元L3)的移动量，但是用于充分地执行图像稳定操作的机械控制变得困难。
如果条件表达式(5)的值低于其下限，对偏心率的敏感度就太低。因此，尽管能够简化用于图像稳定操作的机械控制，但是增大了在图像稳定操作中所需要的偏移透镜单元的移动量。结果，由于图像稳定操作而使光学性能大大劣化。
条件表达式(6)涉及变焦期间F数(Fno)的变化。
如果条件表达式(6)的值高于其上限，则变焦期间Fno的变化太大，并且在广角端处Fno变得低于期望的值。结果，变得在广角端处难以校正球面像差和慧差。
如果条件表达式(6)的值低于其下限，则变焦期间Fno的变化就太小，并且在广角端处不能增大直径。
条件表达式(7)涉及包含在第二透镜单元L2中的透镜的平均折射率。
如果平均折射率低于条件表达式(7)的下限，则增大了每个透镜的表面曲率。因此，增大了负透镜的不均匀的厚度比，并因此增大了透镜体积。另外，增大正透镜的轴上透镜厚度以确保其边缘厚度，并因此增大了第二透镜单元L2的尺寸。另外，如果平均折射率低于条件表达式(7)的下限，则增大了第二透镜单元L2的体积，并因此增大了透镜***的整体长度。
条件表达式(8)涉及形成第三透镜单元L3中的胶合透镜的正透镜和负透镜的材料之间的阿贝数之差。
如果阿贝数之差大于条件表达式(8)的上限，则过分校正了轴向色差，特别是在摄远端处。
如果阿贝数之差小于条件表达式(8)的下限，则不能充分地校正球面色差，特别是在摄远端处。
在每个上述实施例中，也可以将条件表达式(1)至(8)的数值范围设置如下：
- 1.2 < m 1 / ( fw &CenterDot; fT ) < - 0.9 - - - ( 1 a )
1.6＜f3/fw＜1.9                 (2a)
-2.1＜m3/fw＜-1.6               (3a)
-1.0＜f2/f3＜-0.8               (4a)
1.3＜(1-β3T)·β4T＜2.0        (5a)
1.3＜(1-β3T)/(1-β3W)＜1.8     (6a)
(N2P+N2N)/2＞1.88               (7a)
20＜v3P-v3N＜22。               (8a)
如上所述，根据上述每个实施例，充分地确定每个透镜单元的结构、非球面表面的位置、变焦期间移动每个透镜单元的方法等。因此，提供一种变焦透镜，该变焦透镜包括小数量的透镜以便能够减小其整体长度，能够提供具有4.5或更大的变焦比和小的Fno的高光学性能，并且例如适用于数字静物照相机。
现在描述根据本发明的数值实例。在每个数值实例中，i表示从物侧开始计算的表面号，Ri表示第i个透镜表面(第i个表面)的曲率半径，Di表示第i个透镜表面和第(i+1)个透镜表面之间的距离，Ni和vi分别表示基于d线的折射率和阿贝数。
最靠近像侧的两个表面是形成滤波器元件的表面，例如石英低通滤波器、红外截止滤波器等。
当X是在距光轴h的高度处沿光轴方向离非球面表面的顶点的位移时，该非球面表面的形状表达为如下：
X＝(h2/R)/[1+{1-(1+k)(h/R)2}1/2]Ah2+Bh4+Ch6+Dh8+Eh10+Fh12，
其中，k是锥体常数，A、B、C、D和E分别是第二阶、第四阶、第六阶、第八阶、第十阶和第十二阶的非球面系数，并且R是旁轴曲率半径。
另外，“e-0X”表示“×10-x”。另外，f是焦距，Fno是F数，并且ω是半张角。
下面提供的表1示出了每个数值实例中的上述条件表达式的值。
由于从物侧起依次计数第三透镜单元L3中的F数光阑和透镜G31，所以，在第一数值实例至第三数值实例中的D8的值和在第四数值实例中的D7的值是负的。
更具体地，F数光阑(孔径光阑)SP比在第三透镜单元L3中最靠近物侧设置的透镜G31的物侧表面R9(或R8)的顶点G31a更靠近像侧对应于D8(或D7)的绝对值的距离。
第一数值实例
f＝6.58～31.89     Fno＝2.63～4.96    2ω＝60.5°～13.7°
  R1＝       18.156 D1＝           0.87 N1＝      1.84666 v1＝     23.93
  R2＝       13.919 D2＝           2.76 N2＝      1.62299 v2＝     58.16
  R3＝       72.157 D3＝           可变的
* R4＝    19895.562 D4＝           0.70 N4＝      1.85960 v4＝     40.40
* R5＝        5.273 D5＝           2.48
  R6＝       10.771 D6＝           1.71 N6＝      1.92286 v6＝     18.90
  R7＝       26.012 D7＝           可变的
  R8＝         孔径 D8＝          -0.30
* R9＝        5.591 D9＝           2.50 N9＝      1.51823 v9＝     58.90
  R10＝     -13.388 D10＝             0
  R11＝       5.522 D11＝          2.03 N11＝     1.74400 v11＝    44.78
  R12＝      52.417 D12＝          0.89 N12＝     1.84666 v12＝    23.78
  R13＝       3.636 D13＝          可变的
* R14＝       8.090 D14＝          2.60 N14＝     1.58313 v14＝    59.40
  R15＝     -53.744 D15＝          可变的
  R16＝          ∞ D16＝          0.72 N16＝     1.51633 v16＝    64.14
  R17＝          ∞
  可变距离/焦距   6.58   15.91   31.89
  D3   1.14   8.88   15.38
  D7   11.50   2.07   0.78
  D13   4.55   7.30   17.38
  D15   3.20   5.82   2.26
非球面系数
第4表面     K＝    -1.55114E+11
            A＝    -8.57773E-03 B＝     1.96683E-05 C＝     5.26031E-06
            D＝    -6.22285E-08 E＝     9.76602E-10 F＝    -4.03491E-11
第5表面     K＝    -3.68708E+00
            A＝    -2.22979E-03 B＝     2.45160E-03 C＝    -7.87695E-05
            D＝     2.81346E-06 E＝    -3.11063E-09 F＝    -1.50969E-09
第9表面     K＝    -1.26302E+00
            A＝    -2.90768E-02 B＝    -3.16506E-05 C＝    -6.33294E-06
            D＝     4.21168E-07 E＝    -2.46592E-08 F＝     1.82632E-09
第14表面    K＝    -2.98146E-01
            A＝    -1.33524E-02 B＝    -6.71518E-05 C＝    -3.48944E-07
            D＝    -2.22719E-08 E＝     7.60882E-09 F＝    -2.27799E-10
第二数值实例
f＝6.59～31.87       Fno＝2.64～5.41        2ω＝60.5°～13.7°
  R1＝      16.292 D1＝       0.87 N1＝       1.84666 v1＝       23.93
  R2＝      12.874 D2＝       2.50 N2＝       1.62299 v2＝       58.16
  R3＝      34.101 D3＝       可变的
* R4＝   24213.428 D4＝       0.70 N4＝       1.85960 v4＝       40.40
* R5＝       5.290 D5＝       2.58
  R6＝      10.918 D6＝       1.59 N6＝       1.92286 v6＝       18.90
  R7＝      25.415 D7＝       可变的
  R8＝        孔径 D8＝      -0.30
* R9＝       6.143 D9＝       2.88 N9＝       1.51823 v9＝       58.90
  R10＝    -13.828 D10＝         0
  R11＝      5.238 D11＝      1.95 N11＝      1.74400 v11＝      44.78
  R12＝     33.706 D12＝      0.86 N12＝      1.84666 v12＝      23.78
  R13＝      3.727 D13＝      可变的
* R14＝      8.339 D14＝      2.76 N14＝      1.58313 v14＝      59.40
  R15＝    142.503 D15＝      可变的
  R16＝         ∞ D16＝      0.72 N16＝      1.51633 v16＝      64.14
  R17＝         ∞
  可变距离/焦距   6.59   15.94   31.87
  D3   1.06   10.11   17.45
  D7   13.40   2.51   1.05
  D13   4.77   8.13   19.41
  D15   3.20   5.52   1.75
非球面系数
第4表面     K＝    -1.55114E+11
            A＝    -1.70246E-03 B＝     1.21945E-04 C＝     1.49847E-06
            D＝    -5.62598E-08 E＝     9.94957E-10 F＝    -1.19636E-11
第5表面     K＝    -3.45531E+00
            A＝    -5.12588E-03 B＝     2.46889E-03 C＝    -7.60693E-05
            D＝     3.12341E-06 E＝    -6.58254E-08 F＝     4.53055E-10
第9表面     K＝    -1.27815E+00
            A＝    -3.20280E-02 B＝    -2.15613E-05 C＝    -3.61988E-06
            D＝     6.10894E-07 E＝    -6.13940E-08 F＝     7.11943E-10
第14表面    K＝    -8.07022E-02
            A＝    -3.90466E-03 B＝    -1.10500E-04 C＝     3.39318E-06
            D＝    -1.08638E-07 E＝     3.07644E-09 F＝    -4.19083E-11
第三数值实例
f＝6.58～31.65        Fno＝2.88～4.84      2ω＝60.6°～13.8°
  R1＝       17.446 D1＝      0.87 N1＝     1.84666 v1＝     23.93
  R2＝       13.487 D2＝      2.47 N2＝     1.69680 v2＝     55.53
  R3＝       39.058 D3＝      可变的
* R4＝    -6037.659 D4＝      0.70 N4＝     1.85960 v4＝     40.40
* R5＝        4.913 D5＝      2.03
  R6＝         7.95 D6＝      1.90 N6＝     1.92286 v6＝     18.90
  R7＝       12.632 D7＝      可变的
  R8＝         孔径 D8＝     -0.30
* R9＝        8.051 D9＝       2.0 N9＝     1.51823 v9＝     58.90
  R10＝      -15.46 D10＝        0
  R11＝       4.763 D11＝     1.27 N11＝    1.74400 v11＝    44.78
  R12＝      10.422 D12＝     0.41 N12＝    1.84666 v12＝    23.78
  R13＝       3.924 D13＝     可变的
* R14＝       6.706 D14＝      2.0 N14＝    1.62299 v14＝    58.16
  R15＝      32.811 D15＝     可变的
  R16＝          ∞ D16＝     0.72 N16＝    1.51633 v16＝    64.14
  R17＝          ∞
  可变距离/焦距   6.58   15.00   31.65
  D3   0.72   9.01   16.24
  D7   17.14   6.31   2.38
  D13   8.77   10.00   19.13
  D15   3.15   6.40   5.29
非球面系数
第4表面     K＝    -1.55114E+11
            A＝     1.06745E-02 B＝    -1.15013E-04 C＝     2.08934E-06
            D＝    -4.57323E-08 E＝     1.32157E-09 F＝    -1.17922E-11
第5表面     K＝    -3.00904E+00
            A＝     2.17624E-03 B＝     2.59865E-03 C＝    -7.76675E-05
            D＝     3.26179E-06 E＝    -8.77024E-08 F＝     1.27384E-09
第9表面     K＝    -8.36940E-01
            A＝    -1.75826E-04 B＝    -8.04904E-06 C＝     120622E-06
            D＝    -1.63321E-07 E＝     7.24849E-09 F＝     0.00000E+00
第14表面    K＝    -7.59824E-01
            A＝    -2.38772E-02 B＝    -1.10606E-04 C＝     2.94734E-06
            D＝    -1.59962E-07 E＝     3.85088E-09 F＝     0.00000E+00
第四数值实例
f＝6.58～31.89       Fno＝2.88～4.90       2ω＝60.5°～13.7°
  R1＝       21.336 D1＝        3.02 N1＝     1.51633 v1＝     64.14
  R2＝      303.173 D2＝        可变的
* R3＝    -2090.826 D3＝        1.42 N3＝     1.88300 v3＝     40.76
* R4＝        6.286 D4＝        2.01
  R5＝        9.351 D5＝         2.0 N5＝     1.92286 v5＝     18.90
  R6＝       19.123 D6＝        可变的
  R7＝         孔径 D7＝       -0.30
* R8＝        7.148 D8＝        2.50 N8＝     1.69350 v8＝     53.21
  R9＝      -28.612 D9＝        0.27
  R10＝       7.585 D10＝       1.86 N10＝    1.69680 v10＝    55.53
  R11＝     -20.366 D11＝       0.62 N11＝    1.84666 v11＝    23.93
  R12＝       4.072 D12＝       可变的
* R13＝      -4.980 D13＝       2.63 N13＝    1.80486 v13＝    24.74
  R14＝     -19.934 D14＝       0.71 N14＝    1.69680 v14＝    55.53
  R15＝      73.422 D15＝       可变的
  R16＝          ∞ D16＝       0.72 N16＝    1.51633 v16＝    64.14
  R17＝          ∞
  可变距离/焦距   6.58   11.52   31.89
  D2   0.49   6.49   17.35
  D6   14.71   7.40   1.90
  D12   2.34   3.67   14.49
  D15   4.25   5.33   3.05
非球面系数
第3表面     K＝    -9.29016E+05
            A＝    -3.93124E-03 B＝     5.82504E-05 C＝     2.06060E-06
            D＝    -6.70513E-09 E＝    -7.36062E-10 F＝     7.67359E-12
第4表面     K＝    -1.81424E-01
            A＝     2.48639E-03 B＝    -3.99043E-05 C＝     5.95228E-06
            D＝     1.06950E-08 E＝     2.70297E-09 F＝    -1.67932E-10
第8表面     K＝    -1.48111E+00
            A＝     2.76751E-03 B＝     1.66592E-04 C＝    -9.77407E-06
            D＝     1.13625E-06 E＝    -8.76335E-08 F＝     4.99308E-09
第13表面    K＝    -9.83818E-01
            A＝     1.44170E-01 B＝     8.71054E-05 C＝     1.74646E-06
            D＝    -8.69182E-08 E＝     1.86508E-09 F＝     0.00000E+00
表1
  第1实例   第2实例   第3实例   第4实例
 表达式(1)   -1.06   -1.19   -0.92   -1.04
 表达式(2)   1.61   1.75   1.82   1.89
 表达式(3)   -1.81   -2.00   -1.90   -1.66
 表达式(4)   -0.91   -0.96   -0.81   -0.91
 表达式(5)   1.91   1.91   1.84   1.45
 表达式(6)   1.57   1.59   1.75   1.37
 表达式(7)   1.89   1.89   1.89   1.89
 表达式(8)   21.0   21.00   21.00   21.0
接下来，下面参照图9描述包含根据第一实施例至第四实施例中的任一个的变焦透镜的数字静物照相机，其中，该变焦透镜作为图像形成光学***。
参照图9，数字静物照相机包括：照相机主体20；包含根据第一实施例至第四实施例中的任一个的变焦透镜的图像形成光学***21；固态图像拾取装置(光电转换器)22，例如CCD传感器和CMOS传感器，该固态图像拾取装置安装在照相机主体20中并接收由图像形成光学***21形成的物体图像；记录与作为由固态图像拾取装置22执行的光电转换的结果而获得的物体图像相对应的信息的存储器23；以及包含液晶显示面板或其他显示器并能够用于观察在固态图像拾取装置22上形成的物体图像的取景器24。
因此，通过应用根据本发明的实施例的变焦透镜，能够获得小的高光学性能的图像拾取设备，例如数字静物照相机。
也可以将根据本发明的实施例的变焦透镜用于单透镜反射照相机、摄像机等。
尽管已经参考示例实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明并不局限于所披露的示例实施例。下面的权利要求的范围应当赋予最广义的解释，以便包括所有的改进以及等同的结构和功能。

Claims (10)

1.一种变焦透镜，包括：
具有正折射光焦度的第一透镜单元；
具有负折射光焦度的第二透镜单元；
具有正折射光焦度的第三透镜单元；以及
具有正折射光焦度的第四透镜单元，
其中从物侧到像侧依次设置所述第一透镜单元、所述第二透镜单元、所述第三透镜单元和所述第四透镜单元，
其中所述变焦透镜通过改变所述透镜单元之间的距离来进行变焦，
其中所述第一透镜单元包括两个或更少的透镜，并且所述第二透镜单元从物侧到像侧依次包括负透镜和正透镜，并且
其中满足下面的条件：
- 1.3 < m 1 / ( fw &CenterDot; fT ) < - 0.8 ,
其中，fw和fT分别是整个变焦透镜在广角端和摄远端处的焦距，而m1是在从广角端到摄远端的变焦期间所述第一透镜单元沿光轴方向的移动量，当所述第一透镜单元朝向像侧移动时，该移动量m1为正，当所述第一透镜单元朝向物侧移动时，该移动量m1为负。
2.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中满足下面的条件：
1.0＜f3/fw＜2.5
其中，f3是所述第三透镜单元的焦距。
3.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中满足下面的条件：
-2.2＜m3/fw＜-1.6
其中，m3是在从广角端到摄远端的变焦期间所述第三透镜单元沿光轴方向的移动量，当所述第三透镜单元朝向像侧移动时，该移动量m3为正，当所述第三透镜单元朝向物侧移动时，该移动量m3为负。
4.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中满足下面的条件：
-1.5＜f2/f3＜-0.8
其中，f2和f3分别为所述第二透镜单元和所述第三透镜单元的焦距。
5.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中满足下面的条件：
1.0＜(1-β3T)·β4T＜3.0
其中，β3T和β4T分别是所述第三透镜单元和所述第四透镜单元在摄远端处的横向放大率。
6.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中满足下面的条件：
1.0＜(1-β3T)/(1-β3W)＜2.0
其中，β3W和β3T分别是所述第三透镜单元在广角端和摄远端处的横向放大率。
7.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中包含在所述第二透镜单元中的所述负透镜具有非球面表面，并且
其中满足下面的条件：
(N2P+N2N)/2＞1.85
其中N2N和N2P分别是包含在所述第二透镜单元中的所述负透镜和所述正透镜的材料的折射率。
8.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中所述第三透镜单元包含至少一个胶合透镜，所述胶合透镜包含正透镜和负透镜，并且
其中满足下面的条件：
18＜v3P-v3N＜24
其中，v3P和v3N分别是形成所述胶合透镜的所述正透镜和所述负透镜的材料的阿贝数。
9.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中所述第四透镜单元沿从物侧朝向像侧的方向移动以执行从无穷远处的物体到近处物体的聚焦。
10.一种图像拾取设备，包括：
根据权利要求1至9之一所述的变焦透镜；以及
接收由所述变焦透镜形成的图像的固态图像拾取装置。
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