CN102298201B - 变焦透镜和包含变焦透镜的图像拾取装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及变焦透镜和包含其的图像拾取装置。该变焦透镜从物侧到像侧依次包含：具有正折光力的第一透镜单元；具有负折光力的第二透镜单元；具有正折光力的第三透镜单元；和包含一个或更多个透镜单元的后透镜组。在变焦中，第一透镜单元沿朝像侧凸起的轨迹移动，第二透镜单元和第三透镜单元移动，使得第一和第二透镜单元之间的间隔变得在望远端处比在广角端处大，第二和第三透镜单元之间的间隔变得在望远端处比在广角端处小。第三透镜单元包含正透镜和负透镜。在广角端和望远端处的第二透镜单元的图像形成倍率β2W和β2T、在广角端和望远端处的第三透镜单元的图像形成倍率β3W和β3T、第二透镜单元的焦距f2和在望远端处的整个变焦透镜的焦距fT被适当设定。

Description

变焦透镜和包含变焦透镜的图像拾取装置

技术领域

本发明涉及变焦透镜和包含变焦透镜的图像拾取装置。更特别地，本发明涉及作为在图像拾取装置中使用的拍摄光学***而有用的变焦透镜。

背景技术

在前面使用凸透镜组的变焦透镜被称为正引导(positive-lead)型变焦透镜。作为正引导型变焦透镜，使用四单元变焦透镜。正引导型的四单元变焦透镜一般从物侧到像侧依次包含具有正折光力的第一透镜单元、具有负折光力的第二透镜单元、具有正折光力的第三透镜单元和具有正折光力的第四透镜单元。

美国专利No.7382549讨论了第一透镜单元由一个负透镜和一个正透镜构成并且第二透镜单元由两个负透镜和一个正透镜构成的小尺寸变焦透镜。美国专利No.7206137讨论了第一透镜单元在变焦期间单调地向物侧移动的小尺寸变焦透镜。美国专利No.7304805讨论了从物侧到像侧依次包含具有正折光力的第一透镜单元、具有负折光力的第二透镜单元、具有正折光力的第三透镜单元、具有负折光力的第四透镜单元和具有正折光力的第五透镜单元的五单元变焦透镜。

为了实现具有预定的变焦比水平的小尺寸正引导型变焦透镜，必须以尽可能少的透镜的数量增大包含在变焦透镜中的各透镜单元的折光力。但是，随着各透镜表面的折光力变大，正引导型变焦透镜必然需要厚的透镜。

作为结果，如果整个变焦透镜的总尺寸没有充分地减小，那么常常出现各种类型的像差。基于此，提出具有小的尺寸、宽的视角和高的变焦比的正引导型变焦透镜。但是，在当照相机不被使用或者关机时各透镜单元可回缩的图像拾取装置(照相机)中，由于其结构特性，会出现诸如透镜或透镜单元的倾斜的明显的误差。

在这种情况下，如果透镜或透镜单元对于误差具有高的敏感度，那么光学性能会大大劣化。例如，会在变焦期间出现图像抖动的现象。为了防止上述的问题，希望在不影响性能的情况下将透镜或透镜单元的敏感度抑制到尽可能低的水平。

在四单元变焦透镜或五单元变焦透镜中，为了实现同时具有高的变焦比和高光学性能的小尺寸变焦透镜，可希望对于在包含于变焦透镜中的透镜单元之中的第二透镜单元和第三透镜单元中所包含的各构成透镜，适当地设定尺寸和光学参数。更具体而言，当希望具有高光学性能的小尺寸变焦透镜时，适当地设定诸如变焦类型(透镜单元的数量和各透镜单元的折光力)、变焦期间的各透镜单元的移动轨迹和在用于变倍的各透镜单元上的焦度分担的透镜配置变得重要。

实现上述目的的主要障碍之一是，当增加变焦比时，变焦透镜的总尺寸变大。另外，在大尺寸变焦透镜中，在变焦期间出现的各种像差的变化量会增加。作为结果，变得非常难以对于整个变焦范围以及对于整个像面实现高的光学性能。

发明内容

本发明旨在一种对于从广角端到望远端的整个变焦范围具有高的光学性能并且具有高的变焦比的小尺寸变焦透镜，并且旨在一种具有该变焦透镜的图像拾取装置。

根据本发明的一个方面，一种变焦透镜从物侧到像侧依次包含：具有正折光力的第一透镜单元；具有负折光力的第二透镜单元；具有正折光力的第三透镜单元；和包含一个或更多个透镜单元的后透镜组。在变焦期间，第一透镜单元沿朝像侧凸起的轨迹移动，并且，第二透镜单元和第三透镜单元移动，使得第一透镜单元和第二透镜单元之间的间隔变得在望远端处比在广角端处大，并且第二透镜单元和第三透镜单元之间的间隔变得在望远端处比在广角端处小。第三透镜单元包含正透镜和负透镜。当β2W和β2T分别是在广角端和望远端处的第二透镜单元的图像形成倍率、β3W和β3T分别是在广角端和望远端处的第三透镜单元的图像形成倍率、f2是第二透镜单元的焦距并且fT是在望远端处的整个变焦透镜的焦距时，满足以下的条件：

0.10＜(β2T/β2W)/(β3T/β3W)＜1.65

0.01＜|f2|/fT＜0.15。

参照附图阅读示例性实施例的以下详细说明，对于本领域技术人员来说，本发明的其它特征和方面将变得明显。

附图说明

包含于说明书中并构成其一部分的附图示出本发明的示例性实施例、特征和方面，并与说明一起用于解释本发明的原理。

图1A、图1B、图1C和图1D是根据本发明的第一示例性实施例的变焦透镜分别在广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置和望远端处的透镜截面图。

图2A、图2B、图2C和图2D是根据第一示例性实施例的变焦透镜分别在广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置和望远端处的像差图。

图3A、图3B、图3C和图3D是根据本发明的第二示例性实施例的变焦透镜分别在广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置和望远端处的透镜截面图。

图4A、图4B、图4C和图4D是根据第二示例性实施例的变焦透镜分别在广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置和望远端处的像差图。

图5A、图5B、图5C和图5D是根据本发明的第三示例性实施例的变焦透镜分别在广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置和望远端处的透镜截面图。

图6A、图6B、图6C和图6D是根据第三示例性实施例的变焦透镜分别在广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置和望远端处的像差图。

图7示出根据本发明的示例性实施例的作为图像拾取装置的例子的视频记录装置的主要部件。

图8示出根据本发明的另一示例性实施例的作为图像拾取装置的例子的拍摄装置的主要部件。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的各种示例性实施例。应当注意，除非另外特别陈述，否则在这些实施例中阐述的部件的相对布置、数值表达式和数值不限制本发明的范围。

至少一个示例性实施例的以下描述在本质上仅是解释性的，并且决不是要限制本发明、其应用或用途。

被视为本领域技术人员已知的过程、技术、装置和材料可能出于简化的原因不被详细讨论，但是，在适当的情况下要成为生效的描述的一部分。例如，透镜元件和它们的材料的制造在这里没有被详细讨论，但是认为本领域技术人员会熟悉这些细节。

在这里示出和讨论的全部例子中，例如变焦比和F数的任何特定的值应被解释为仅是解释性的并且非限制性的。因此，示例性实施例以外的其它例子可具有不同的值。

注意，在以下的附图中，类似的附图标记和文字指的是类似的项目，因此一旦项目在一个附图中被定义，就可能不在随后的图中讨论它。

这里注意，当提到误差(例如，像差)的校正时，意图是减少误差和/或校正误差。另外，如这里使用的那样，要成像的物体所位于的透镜的一侧被称为透镜的物侧或前侧；形成物体的图像的透镜的一侧被称为透镜的像侧或后侧。

根据本发明的示例性实施例的变焦透镜从物侧到像侧依次包含具有正折光力(被定义为焦距的倒数的光焦度)的第一透镜单元、具有负折光力的第二透镜单元、具有正折光力的第三透镜单元和包含一个或更多个透镜单元的后透镜组。

在从广角端(短焦距端)到望远端(长焦距端)的变焦期间，第一透镜单元沿朝像侧凸起的轨迹移动，并且，第二透镜单元和第三透镜单元移动，使得第一透镜单元和第二透镜单元之间的间隔(距离)变得在望远端处比在广角端处大，并且，第二透镜单元和第三透镜单元之间的间隔(距离)变得在望远端处比在广角端处小。

图1A～1D是根据第一示例性实施例的变焦透镜在广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置和望远端处的透镜截面图。图2A～2D是根据第一示例性实施例的变焦透镜在广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置和望远端处的像差图。第一示例性实施例是具有13.56的变焦比和范围从3.40到6.21的孔径比的变焦透镜。

图3A～3D是根据第二示例性实施例的变焦透镜在广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置和望远端处的透镜截面图。图4A～4D是根据第二示例性实施例的变焦透镜在广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置和望远端处的像差图。第二示例性实施例是具有11.45的变焦比和范围从3.50到5.73的孔径比的变焦透镜。

图5A～5D是根据第三示例性实施例的变焦透镜在广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置和望远端处的透镜截面图。图6A～6D是根据第三示例性实施例的变焦透镜在广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置和望远端处的像差图。第三示例性实施例是具有13.61的变焦比和范围从2.88到6.00的孔径比的变焦透镜。

图7示出包含根据本发明的示例性实施例的变焦透镜的视频照相机(图像拾取装置)的主要部件。图8示出包含根据本发明的示例性实施例的变焦透镜的数字静态照相机(图像拾取装置)的主要部件。

根据各示例性实施例的变焦透镜是在诸如视频照相机、数字静态照相机、卤化银胶片照相机或TV照相机的图像拾取装置中使用的拍摄透镜***。根据各示例性实施例的变焦透镜还可被用作用于投影装置(投影仪)的投影光学***。

在表示变焦透镜的截面图的示图(图1A～1D、图3A～3D和图5A～5D)中的每一个中，当“i”表示透镜单元的从物侧到像侧的次序时，“Bi”表示第i个透镜单元。“LR”表示包含一个或更多个透镜单元的后透镜组。并且，“SP”表示孔径光阑。孔径光阑SP确定(限制)全孔径F数(Fno)的光束。“FP”表示开口直径不可变并且被配置为截止不需要光的耀斑截止光阑(flare cut stop)。

“G”表示诸如滤光器、面板、低通滤波器或红外截止滤波器的光学块。“IP”表示像面。当根据本发明的示例性实施例的变焦透镜被用作视频照相机或数字照相机的拍摄光学***时，像面IP等同于诸如电荷耦合器件(CCD)传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器的固态图像传感器(光电转换元件)的成像面。如果根据本发明的示例性实施例的变焦透镜被用作卤化银胶片照相机的拍摄光学***，那么像面IP是等同于卤化银胶片照相机的光学***的胶片表面的感光表面。在表示变焦透镜的截面图的示图(图1A～1D、图3A～3D和图5A～5D)中的每一个中，在从广角端到望远端的变焦(变倍)期间各透镜单元沿由箭头表示的移动轨迹移动。

在各像差图(图2A～2D、图4A～4D和图6A～6D)中，“Fno”表示F数。“ω”表示半视角，该半视角等同于基于通过光线跟踪获取的值确定的视角。

在表示球面像差的各像差图(图2A～2D、图4A～4D和图6A～6D)的一部分中，实线表示关于d线光(波长：587.6nm)的球面像差。交替的一长两短虚线表示关于g线光(波长：435.8nm)的球面像差。

在表示像散的各像差图(图2A～2D、图4A～4D和图6A～6D)的一部分中，实线和虚线分别表示关于d线光的弧矢像面和子午像面。畸变是关于d线光表示的。

在表示倍率色差的各像差图(图2A～2D、图4A～4D和图6A～6D)的一部分中，交替的一长两短虚线表示关于g线光的倍率色差。

在以下的示例性实施例的每一个中，广角端和望远端中的每一个指的是当变倍透镜单元位于该变倍透镜单元可沿光轴机械移动的范围的端部中的每一个处时的变焦位置。

根据各示例性实施例的变焦透镜从物侧到像侧依次包含沿其光轴布置的具有正折光力的第一透镜单元B1、具有负折光力的第二透镜单元B2、具有正折光力的第三透镜单元B3以及包含一个或更多个透镜单元的后透镜组LR。在变焦期间，第一透镜单元B1沿朝像侧凸起的轨迹移动。

另外，在变焦期间，第二透镜单元B2和第三透镜单元B3移动，使得第一透镜单元B1和第二透镜单元B2之间的间隔变得在望远端处比在广角端处大，并且第二透镜单元B2和第三透镜单元B3之间的间隔变得在望远端处比在广角端处小。

在第一和第二示例性实施例中，后透镜组LR由在变焦期间移动的具有正折光力的第四透镜单元B4构成。在第三示例性实施例中，后透镜组LR由在变焦期间移动的具有负折光力的第四透镜单元B4和具有正折光力的第五透镜单元B5构成。但是，在各示例性实施例中，后透镜组LR可包含任意数量的透镜单元。换句话说，在各示例性实施例中，后透镜组LR可包含至少一个透镜单元。孔径光阑SP在变焦期间与第三透镜单元B3一体化移动。

为了实现高的变焦比并适当地校正各种像差，根据各示例性实施例的变焦透镜包含分别具有正折光力、负折光力和正折光力的第一到第三透镜单元。在从广角端到望远端的变焦期间，第一透镜单元B1和第二透镜单元B2之间的间隔改变以执行变倍。另外，具有孔径光阑SP的第三透镜单元B3也移动以任意地移位望远端处的入射光瞳。因此，根据各示例性实施例的变焦透镜可减小其总尺寸。

另外，第三透镜单元B3在变焦期间移动。因此，第一透镜单元B1和第二透镜单元B2的变倍的效果可以由第三透镜单元B3分担。因此，可以减少第一透镜单元B1和第二透镜单元B2在变焦期间的移动量。作为结果，根据各示例性实施例的变焦透镜可容易地减少其在望远端处的透镜总长(从第一透镜表面到像面的距离)。

在从广角端到望远端的变焦期间，前透镜的有效直径在广角端处的变焦位置处或者在从广角端向望远端轻微变焦的位置处变得最大。为了从像侧向物侧移位上述变焦位置处的入射光瞳的位置，在变焦期间沿朝像侧凸起的轨迹移动第一透镜单元B1。

通过沿朝像侧凸起的轨迹移动第一透镜单元B1，可以在有效地防止或抑制像面周围的光量的大量减少的同时减小前透镜的有效直径。

在各示例性实施例中，第三透镜单元B3包含至少一个正透镜和至少一个负透镜。通过使用上述配置的第三透镜单元B3，各示例性实施例可抑制由于用于变倍的第三透镜单元B3的焦度分担的增加而会在变焦期间出现的轴上色差的变化。

在各示例性实施例中，第一透镜单元B1和第三透镜单元B3在望远端处比在广角端处更接近物侧。并且，第一透镜单元B1沿朝像侧凸起的轨迹移动。因此，各示例性实施例可减小第一透镜单元B1的有效直径。

并且，在根据各示例性实施例的变焦透镜中，第一透镜单元B1被分配低折光力，并且，第二透镜单元B2被分配相对高的折光力。因此，各示例性实施例可在广角端处减小第一透镜单元B1和孔径光阑SP之间的距离。通过上述的配置，各示例性实施例可减小第一透镜单元B1的透镜有效直径。

并且，在各示例性实施例中，第三透镜单元B3被分配相对高的折光力。因此，各示例性实施例可减小孔径光阑SP和像面IP之间的距离。作为结果，各示例性实施例可在广角端处减小透镜总长。

另外，在各示例性实施例中，第一透镜单元B1移动到在望远端处比广角端处更接近物侧的位置。并且，在各示例性实施例中，第一透镜单元B1和第二透镜单元B2之间的间隔在望远端处比在广角端处大。通过该配置，各示例性实施例可实现高的变倍效果。

并且，在从广角端到望远端的变焦期间，第三透镜单元B3向物侧移动。换句话说，第二透镜单元B2和第三透镜单元B3之间的间隔在望远端处比在广角端处小。通过该配置，各示例性实施例可实现高的变倍效果。

如上所述，在各示例性实施例中，在多个位置处分担变倍的效果。通过上述的配置，各示例性实施例可在实现高的变焦比的同时减少用于变倍的各透镜单元的移动量(行程)。并且，各示例性实施例可特别地在望远端处减小透镜总长。

根据各示例性实施例的变焦透镜通过向物侧移动最后的透镜单元，执行从无限远物体到近距离物体的聚焦。更具体而言，第一和第二示例性实施例通过移动第四透镜单元B4执行聚焦。第三示例性实施例通过移动第五透镜单元B5执行聚焦。

通过上述的配置，本发明的各示例性实施例可容易地同时在实现高的变焦比时在广角端和望远端处减小透镜总长。

在第一和第二示例性实施例中，耀斑截止光阑FP位于第三透镜单元B3和第四透镜单元B4之间，以防止像面周围的光量的急剧减少。根据各示例性实施例的变焦透镜对于第三透镜单元B3使用非球面透镜。因此，各示例性实施例可在确保预定的亮度水平的同时适当地在广角端处校正球面像差和彗形像差。

在第三示例性实施例中，第二透镜单元B2包含非球面透镜。特别地，通过该配置，第三示例性实施例可提高光学性能，并且有效地防止广角端处的像面的倾斜。

特别地，如果包含于第二透镜单元B2中的被设置为最接近物侧的负透镜在像侧的表面具有负折光力从透镜的中心向其周边变弱的非球面形状，那么是有用的。在根据各示例性实施例的变焦透镜中，可通过以具有与光轴垂直的分量来移动第三透镜单元B3，减少当整个变焦透镜振动(倾斜)时会出现的拍摄图像的抖动。作为替代方案，任意的透镜单元可沿与光轴垂直的方向移动以校正图像抖动。

在各示例性实施例中，当β2W和β2T分别是在广角端和望远端处的第二透镜单元B2的图像形成倍率、β3W和β3T分别是在广角端和望远端处的第三透镜单元B3的图像形成倍率、f2是第二透镜单元B2的焦距并且fT是在望远端处的变焦透镜的焦距时，满足以下的条件：

0.10＜(β2T/β2W)/(β3T/β3W)＜1.65                (1)

0.01＜|f2|/fT＜0.15            (2)。

以下将详细描述上述的条件(1)和(2)的技术意义。条件(1)提供第二透镜单元B2和第三透镜单元B3的变倍的焦度分担的条件。

如果分配给第二透镜单元B2的用于变倍的焦度变得太大以超出条件(1)的上限值，那么在广角端处像面周围的整个光束在第二透镜单元B2上(在折射面(透镜面)上)的入射角与在望远端处像面周围的整个光束在第二透镜单元B2上的入射角之间的差值变得过大。作为结果，可出现变焦期间的像场弯曲的大量的变化。因此，在这种情况下，变得难以适当地校正整个变焦范围的像场弯曲。

另一方面，如果分配给第三透镜单元B3的用于变倍的焦度变得太大以超出条件(1)的下限值，那么对于第三透镜单元B3设定高的折光力变得必要。在这种情况下，包含于第三透镜单元B3中的各透镜的表面的曲率半径变小。作为结果，变得难以对于整个变焦范围校正彗形像差。

条件(2)关于望远端处的整个变焦透镜的焦距提供对于第二透镜单元B2的焦距的条件。

如果第二透镜单元B2的焦距变得太长以超出条件(2)的上限值，那么，为了实现高的变焦比，变得必须在变焦期间大量地移动第一透镜单元B1。作为结果，望远端处的透镜总长会增加。另一方面，如果第二透镜单元B2的焦距变得太短以超出条件(2)的下限值，那么Petzval和的值会沿负号的方向变得非常大。作为结果，像场弯曲会增加。如果不超出上述条件(1)和(2)的范围，那么不可能出现上述的问题。

因此，在这种情况下，不必向第二透镜单元B2或第三透镜单元B3添加另一透镜以增加各透镜表面的曲率半径。因此，可以减少包含于各透镜单元中的透镜的数量。作为结果，各示例性实施例可实现总尺寸小并且具有高的光学性能的变焦透镜。

如果根据各示例性实施例的变焦透镜满足以下条件中的至少一个，那么是更加有用的。在这些条件中，nd3i、vd3i和θgF3i分别是在第三透镜单元B3中包含的正透镜中的至少一个正透镜的材料的折射率、阿贝数和相对部分分散。m3是在从广角端到望远端的变焦期间第三透镜单元B3的移动量，这里，移动量m3是与第三透镜单元B3沿光轴关于像面在广角端处的位移量相比较的第三透镜单元B3沿光轴关于像面在望远端处的位移量(即，位置差)，并且，移动量m3在物侧具有负值并在像侧具有正值。fW是广角端处的整个变焦透镜的焦距。f3n是包含于第三透镜单元B3中的负透镜中的至少一个负透镜的焦距。f3是第三透镜单元B3的焦距。f1是第一透镜单元B1的焦距(f1)。TDT是望远端处的变焦透镜的总长(从第一透镜表面到像面的空气等效距离)(TDT)。DSP是望远端处的从孔径光阑SP到像面的空气等效距离(当去除诸如滤波器的平行平板部件时计算的孔径光阑SP和像面之间的距离)。可以满足以下条件中的至少一个：

2.7＜β3T/β3W＜5.0              (3)

1.54＜nd3i＜2.0                  (4)

55＜vd3i＜100                    (5)

0.5＜|m3|/√(fW×fT)＜2.0        (6)

0.5＜f3/√(fW×fT)＜1.5          (7)

0.1＜|f3n|/f3＜3.0               (8)

0.3＜DSP/TDT＜0.8                (9)

0.2＜f1/fT＜1.2                  (10)

-0.00162×vd3i+0.642＜θgF3i     (11)。

以下将详细描述上述的条件(3)～(11)中的每一个的技术意义。

条件(3)关于广角端处的第三透镜单元B3的图像形成倍率β3W提供望远端处的第三透镜单元B3的图像形成倍率β3T的条件。如果分配给第三透镜单元B3的用于变倍的焦度变得太高以超出条件(3)的上限值，那么变得难以校正球面像差和彗形像差。

另外，如果第三透镜单元B3被分配高的变倍用焦度，那么变得必须增加第三透镜单元B3的折光力。如果第三透镜单元B3被分配高的折光力，那么第三透镜单元B3对于望远端处的像差的敏感度变高。作为结果，会增加对于制造误差(透镜的偏心或倾斜)的影响。

另一方面，如果分配给第三透镜单元B3的用于变倍的焦度变得太低以超出条件(3)的下限值，那么变得难以同时实现高的变焦比并且减小整个变焦透镜的尺寸。并且，在这种情况下，由于第三透镜单元B3的变倍效果的减小，因此变得必须通过第二透镜单元B2增加变倍效果。

在这种情况下，变得必须增加第二透镜单元B2的焦度(折光力)或变焦期间的第二透镜单元B2的移动量。作为结果，变得难以同时在实现高的光学性能时减小变焦透镜的总尺寸。

条件(4)、(5)和(11)提供包含于第三透镜单元B3中的至少一个正透镜的材料的条件。材料的阿贝数vd和相对部分分散θgF由下式定义：

vd＝(Nd-1)/(NF-NC)

θgF＝(Ng-NF)/(NF-NC)

这里，“Nd”、“NF”、“NC”和“Ng”分别表示Fraunhofer线关于d线光、F线光、C线光和g线光的折射率。

在各示例性实施例中，对于构成第三透镜单元B3的透镜使用由同时满足条件(4)、(5)和(11)的材料构成的正透镜。因此，根据各示例性实施例的变焦透镜可有效地执行一次消色并且适当地校正二次光谱。

第一和第二示例性实施例中的从物侧计数的第七个透镜和第三示例性实施例中的从物侧计数的第六个透镜由同时满足条件(4)、(5)和(11)的材料构成。

条件(4)提供包含于第三透镜单元B3中的至少一个正透镜的材料的折射率的条件。如果超出条件(4)的上限值，那么，由于随着现有光学玻璃的材料的折射率变高，由重力导致的材料的重量增加，因此，变焦透镜的总重量不能有效地减小。

作为结果，在这种情况下，如第一到第三示例性实施例那样，不能通过沿与光轴垂直的方向移动第三透镜单元B3来适当地校正当整个变焦透镜抖动(倾斜)时会出现的拍摄图像的图像抖动。

如果超出条件(4)的下限值，那么正透镜的材料的折射率会变得非常低。在这种情况下，变得必须增加正透镜的表面的曲率。作为结果，与低阶像差对应的像差量会增加。换句话说，特别是彗形像差会增加。

条件(5)提供包含于第三透镜单元B3中的至少一个正透镜的材料的阿贝数的条件。更具体而言，条件(5)提供用于将在变焦期间会出现的轴上色差的变化抑制到最小的条件。

如果超出条件(5)的下限值，那么变焦期间的轴上色差的变化量会增加。作为结果，当变焦比增加时，在望远端处会出现大量的色差。

在各示例性实施例中，通过使用同时满足条件(4)、(5)和(11)的材料，可以有效地执行一次消色，可以适当地校正二次光谱，并且，可以容易地实现高的变焦比。

条件(6)提供第三透镜单元B3在变焦期间的移动量的条件。更具体而言，条件(6)主要提供用于有效地减小整个变焦透镜的尺寸的条件。

如果第三透镜单元B3在变焦期间的移动量变得太大以超出条件(6)的上限值，那么，在第三透镜单元B3中，广角端和望远端处的像面周围的光束的上光线和下光线到光轴的距离变化量会增加。作为结果，变得难以对于整个变焦范围校正彗形像差。

如果超出条件(6)的下限值，那么变得必须增加第二透镜单元B2在变焦期间的移动量，以增加第二透镜单元B2的变倍用焦度(焦度分担)。在这种情况下，会在变焦期间出现的像场弯曲的变化量会增加。作为结果，变得难以对于整个变焦范围适当地校正像场弯曲。

条件(7)提供分配给第三透镜单元B3的折光力的条件。更具体而言，条件(7)主要提供用于同时在适当地校正球面像差和彗形像差时实现宽的视角的条件。

如果第三透镜单元B3的折光力变得太低以超出条件(7)的上限值，那么变得难以减小透镜总长。并且，变得难以实现高的变焦比。另一方面，如果第三透镜单元B3的折光力变得太高以超出条件(7)的下限值，那么，虽然变得更容易实现宽的视角，但是，变得难以校正球面像差和彗形像差。

条件(8)提供包含于第三透镜单元B3中的至少一个负透镜的焦距的条件。如果超出条件(8)的上限值，那么包含于第三透镜单元B3中的负透镜的折光力变低。因此，变得难以减小第三透镜单元B3的透镜总长。另一方面，如果第三透镜单元B3的负透镜的折光力变得太高以超出条件(8)的下限值，那么Petzval和的值会沿负号的方向变得非常大。作为结果，变得难以校正像场弯曲。

条件(9)提供用于将整个变焦透镜内的望远端处的孔径光阑的位置归一化的条件。如果超出条件(9)的下限值，那么望远端处的第一透镜单元B1的轴外光束到光轴的距离会变长。作为结果，包含于第一透镜单元中的透镜的外径会增加。

如果超出条件(9)的上限值，那么光轴和入射到设置在孔径光阑SP后面的透镜单元的像面的周边上的周边光束之间的距离的变化量会增加。

作为结果，为了适当地校正入射到像面周边的光束的像差，变得必须增加透镜的数量并且使用大量的非球面。

条件(10)提供第一透镜单元的焦距与望远端处的整个变焦透镜的焦距的比值的条件。如果第一透镜单元B1的折光力变得太低以超出条件(10)的上限值，那么变倍需要的第一透镜单元B1或第二透镜单元B2的移动量会增加。作为结果，变得难以减小透镜总长。

另一方面，如果第一透镜单元B1的折光力变得太高以超出条件(10)的下限值，那么，虽然变得更容易减小望远端处的透镜总长，但是，会由于制造误差出现的像面的倾斜和会在变焦期间出现的图像抖动的量会增加。作为结果，需要以非常高的精度制造和组装透镜镜筒。

在各示例性实施例中，第三透镜单元B3可包含至少一个非球面。更具体而言，使用非球面以将广角端处的F数限制到相对小的值并且对于后透镜组LR提供具有简单的透镜配置的透镜是有用的。

在第一到第三示例性实施例中，包含于第三透镜单元B3中的正透镜的表面中的至少一个具有非球面形状。通过该配置，第一到第三示例性实施例可将在正透镜中出现的像差量抑制为小。

更具体而言，通过利用非球面，产生与由于正透镜的基准球面形状出现的像差相反的像差。通过使用由非球面产生的相反像差，适当地抵消由于正透镜的基准球面形状出现的像差。

如果根据各示例性实施例的变焦透镜被应用于包含图像传感器的图像拾取装置，那么可以使用用于以电气的方式校正畸变和倍率色差中的至少一个的电路单元。如果使用能够以电气的方式容许在变焦透镜上出现的畸变的透镜配置，那么各示例性实施例可实现具有少量的构成透镜的小尺寸变焦透镜。

通过以电气的方式校正倍率色差，变得容易抑制拍摄图像上的混色并增加拍摄图像的分辨率。

在各示例性实施例中，如果如下改变条件(1)～(10)中的值的范围，那么是更加有用的。

0.70＜(β2T/β2W)/(β3T/β3W)＜1.65      (1a)

0.05＜|f2|/fT＜0.15                      (2a)

2.7＜β3T/β3W＜4.0                      (3a)

1.54＜nd3i＜1.80                         (4a)

55＜vd3i＜80                             (5a)

0.6＜|m3|/√(fW×fT)＜1.8                (6a)

0.6＜f3/√(fW×fT)＜1.5                  (7a)

0.2＜|f3n|/f3＜2.7                       (8a)

0.3＜DSP/TDT＜0.7                        (9a)

0.4＜f1/fT＜1.2                (10a)。

通过满足条件(1a)，分配给第二透镜单元B2和第三透镜单元B3的用于变倍的焦度分担可变得更加合适。作为结果，变得更加容易抑制在变焦期间出现的像场弯曲和彗形像差的变化。

通过满足条件(2a)，变得更加容易适当地校正整个变焦范围的像场弯曲。通过满足条件(3a)，变得更加容易在小尺寸变焦透镜中实现高的变焦比。

通过满足条件(4a)，可以在校正球面像差和彗形像差的同时更为简化第三透镜单元B3的透镜配置。通过满足条件(5a)，变得更加容易进一步减少变焦期间的轴上色差的变化。

通过满足条件(6a)，变焦期间的第三透镜单元B3的移动量会更加合适。另外，变得更加容易实现高的变焦比并抑制彗形像差。通过满足条件(7a)，可更加合适地设定第三透镜单元B3的折光力。作为结果，变得更加容易实现高的变焦比并减小望远端处的透镜总长。

通过满足条件(8a)，变得更加容易减小透镜总长并校正球面像差和彗形像差。通过满足条件(9a)，可以更容易地减小前透镜的有效直径，并且，可以更容易地校正轴外光束的像差。并且，通过满足满足(10a)，变得更容易减小前透镜的有效直径，并且校正望远端处的轴上色差。

在各示例性实施例中，如果如下改变条件(1a)～(10a)中的值的范围，那么是更加有用的。

1.00＜(β2T/β2W)/(β3T/β3W)＜1.65     (1b)

0.10＜|f2|/fT＜0.15                     (2b)

3.0＜β3T/β3W＜4.0                     (3b)

1.55＜nd3i＜1.70                        (4b)

60＜vd3i＜80                            (5b)

0.8＜|m3|/√(fW×fT)＜1.5               (6b)

0.7＜f3/√(fW×fT)＜1.0                 (7b)

0.3＜|f3n|/f3＜2.4    (8b)

0.4＜DSP/TDT＜0.6     (9b)

0.6＜f1/fT＜1.0       (10b)。

现在，以下将参照图7描述使用根据本发明的各示例性实施例的变焦透镜作为拍摄光学***的摄像机(视频照相机)的示例性实施例。

参照图7，摄像机包含照相机体10和拍摄光学***11。拍摄光学***11由根据本发明的上述第一到第三示例性实施例中的任一个的变焦透镜构成。

另外，照相机体10包含位于变焦透镜的像面IP处的诸如电荷耦合器件(CCD)传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器的固态图像传感器(光电转换元件)12。并且，固态图像传感器12接收当光从物侧到像侧穿过变焦透镜时由拍摄光学***11形成的物体图像。另外，照相机体10包含摄像机的用户可观察在固态图像传感器12上形成的物体图像的取景器13。

现在，以下将参照图8描述使用根据本发明的任何示例性实施例的变焦透镜作为拍摄光学***的数字静态照相机(图像拾取装置)的示例性实施例。图8示出使用根据本发明的示例性实施例的变焦透镜的数字静态照相机(图像拾取装置)的主要部件。

参照图8，数字静态照相机包含照相机体20和由根据本发明的上述示例性实施例中的任一个的变焦透镜构成的拍摄光学***21。另外，照相机体20包含诸如CCD传感器或CMOS传感器的固态图像传感器(光电转换元件)22。固态图像传感器22被设置在照相机体20内。并且，图像传感器22接收由拍摄光学***21形成的物体图像。

以下阐述分别与本发明的第一到第三示例性实施例对应的数值例1～3。在数值例1～3中的每一个中，“i”(这里，i＝1、2、3...)表示从物侧到像侧的表面的次序，“ri”表示第i个光学表面(第i个透镜表面)的曲率半径，“di”表示第i个表面和第(i+1)个表面之间的轴上空间，“ndi”和“vdi”分别表示第i个光学部件的材料关于d线光的折射率和阿贝数。最接近像侧的最后的两个表面等同于玻璃块G。

当给定的表面是非球面时，表面号后的星号(“＊”)表示该表面是非球面。另外，“K”表示锥形系数。“A4”、“A6”、“A8”和“A10”中的每一个表示非球面系数。非球面的非球面形状被表达为：

X＝(H²/R))/[1+{1-(1+K)(H/R)²}^1/2]+A4H⁴+A6H⁶

+A8H⁸+A10H¹⁰

这里，“X”表示距光轴的高度“H”处的位置处的沿光轴从表面顶点的位移，“R”表示旁轴曲率半径。

各非球面系数的科学表示法“e-x”等同于指数表示法“1×10^-X”。“BF”表示空气等效的后焦点。在表1中阐述上述各条件和各数值例之间的关系。在各数值例中，诸如广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置和望远端的四个不同位置处的诸如焦距、F数、视角、像高、透镜总长和BF的各种数据的值被阐述。

数值例1

单位：mm

表面数据

非球面系数

r13    K＝-2.94966e-002   A4＝-2.56243e-004

       A6＝-3.86058e-006  A8＝5.95265e-007

       A10＝-2.52991e-008

r14    K＝-2.14324e+001   A4＝1.47358e-004

       A6＝1.04081e-005

各种数据

各单元的各种数据

数值例2

单位：mm

表面数据

非球面系数

r13 K＝-2.10117e-002   A4＝-3.88986e-004

    A6＝-6.43941e-006  A8＝4.92457e-007

    A10＝-2.84254e-008

r14 K＝-9.71597e+000    A4＝6.29353e-005

    A6＝4.07868e-006

各种数据

各单元的各种数据

数值例3

单位：mm

表面数据

非球面系数

r5 K＝1.29368e-001  A4＝-1.88809e-005

    A6＝4.74092e-007

r11 K＝-2.12053e-001    A4＝-1.33629e-004

    A6＝2.87874e-007    A8＝-1.88648e-008

    r14K＝-1.10715e+000 A4＝4.87229e-005

各种数据

各单元的各种数据

表1

虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。例如，可使用变焦透镜的图像拾取装置可包含数字静态照相机、视频照相机、电视(TV)照相机、监视(监测)照相机或卤化银胶片照相机。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式、等同的结构和功能。

Claims (10)

1.一种变焦透镜，从物侧到像侧依次包含：

具有正折光力的第一透镜单元；

具有负折光力的第二透镜单元；

具有正折光力的第三透镜单元；和

包含一个或更多个透镜单元的后透镜组，

其中，在变焦期间，第一透镜单元沿朝像侧凸起的轨迹移动，并且，第二透镜单元和第三透镜单元移动，使得第一透镜单元和第二透镜单元之间的间隔变得在望远端处比在广角端处大，并且第二透镜单元和第三透镜单元之间的间隔变得在望远端处比在广角端处小，

其中，第三透镜单元包含正透镜和负透镜，并且，

其中，当β2W和β2T分别是在广角端和望远端处的第二透镜单元的图像形成倍率、β3W和β3T分别是在广角端和望远端处的第三透镜单元的图像形成倍率、f2是第二透镜单元的焦距、fT是望远端处的整个变焦透镜的焦距、f3是第三透镜单元的焦距并且fW是广角端处的整个变焦透镜的焦距时，满足以下的条件：

0.10＜(β2T/β2W)/(β3T/β3W)＜1.65

0.01＜|f2|/fT＜0.15

$0.5<f3/\sqrt{(\mathrm{fW}/\mathrm{fT})}\&le;0.809.$

2.根据权利要求1的变焦透镜，其中，满足以下的条件：

2.7＜β3T/β3W＜5.0。

3.根据权利要求1的变焦透镜，其中，当nd3i和vd3i是包含于第三透镜单元中的至少一个正透镜的材料的折射率和阿贝数时，满足以下的条件：

1.54＜nd3i＜2.0

55＜vd3i＜100。

4.根据权利要求1的变焦透镜，其中，当m3是在从广角端到望远端的变焦期间的第三透镜单元的移动量时，满足以下的条件：

$0.5<\left|m3\right|/\sqrt{(\mathrm{fW}\&times;\mathrm{fT})}<2.0.$

5.根据权利要求1的变焦透镜，其中，当f3n是包含于第三透镜单元中的至少一个负透镜的焦距并且f3是第三透镜单元的焦距时，满足以下的条件：

0.1＜|f3n|/f3＜3.0。

6.根据权利要求1的变焦透镜，还包括被配置为位于第三透镜单元的物侧的在变焦期间与第三透镜单元一体化移动的孔径光阑，

其中，当TDT是望远端处的变焦透镜的总长并且DSP是望远端处的从孔径光阑到像面的空气等效距离时，满足以下的条件：

0.3＜DSP/TDT＜0.8。

7.根据权利要求1的变焦透镜，其中，当f1是第一透镜单元的焦距时，满足以下的条件：

0.2＜f1/fT＜1.2。

8.根据权利要求1的变焦透镜，其中，后透镜组由具有正折光力的第四透镜单元组成，并且，

其中，第四透镜单元在变焦期间移动。

9.根据权利要求1的变焦透镜，其中，后透镜组由具有负折光力的第四透镜单元和具有正折光力的第五透镜单元组成，并且，

其中，第四透镜单元和第五透镜单元在变焦期间移动。

10.一种图像拾取装置，包括：

根据权利要求1～9中的任一项的变焦透镜；和

位于变焦透镜的像面处并被配置为接收由变焦透镜形成的图像的图像传感器。

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