CN102346292A - 变焦透镜和成像装置 - Google Patents

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CN102346292A CN2011102168395A CN201110216839A CN102346292A CN 102346292 A CN102346292 A CN 102346292A CN 2011102168395 A CN2011102168395 A CN 2011102168395A CN 201110216839 A CN201110216839 A CN 201110216839A CN 102346292 A CN102346292 A CN 102346292A
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Abstract

本发明提供了一种变焦透镜，包括正第一透镜组、负第二透镜组、正第三透镜组，和正第四透镜组，这些透镜组从变焦透镜的物体侧以此顺序布置。通过改变第二透镜组与第三透镜组之间的距离来改变变焦透镜的整个***的焦距。第一透镜组包括两个接合透镜，和正透镜，两个接合透镜和正透镜从物体侧以此顺序布置，每个接合透镜由负凹凸透镜和正透镜从物体侧以此顺序接合在一起而构成。此外，满足与第一透镜组的焦距和整个***的焦距相关联的预定公式。

Description

变焦透镜和成像装置
技术领域
本发明涉及变焦透镜和成像装置。具体地，本发明涉及具有高可变放大比率的变焦透镜，以及包括该变焦透镜的成像装置，该变焦透镜适合用于用来监测长距离区域的监视摄像机。
背景技术
传统地，变焦透镜作为光学***用于监视摄像机，用来在港口等地监测或观察长距离区域。用于这种目的的变焦透镜需要具有至少50倍的高可变放大比率以及高性能。此外，这种变焦透镜需要应对近红外区中的波长从而在夜晚或浓雾中执行照相。此外，由于变焦透镜是高放大比率光学***，所以期望提供抗振动功能。
针对具有高可变放大比率且适合于监测长距离区域的摄像机的变焦透镜，例如，日本未审专利公开No.2006-039005(专利文件1)公开了具有大约60倍的可变放大比率的变焦透镜。该透镜***由正第一透镜组、负第二透镜组、正第三透镜组以及负第四透镜组构成。此外，通过将第二透镜组和第三透镜组沿着变焦透镜的光轴移动可以改变放大率。此外，日本未审专利公开No.2008-241884(专利文件2)公开了具有大约20倍的可变放大比率的变焦透镜。在专利文件2所公开的透镜***中，用卓越的方法通过在第一透镜组中适当地设置折射能力的布置、阿贝数等来校正像差，尤其是色差。
专利文件1公开的变焦透镜获得了高可变放大比率。然而，为满足近年来高性能变焦透镜的要求，需要改进像差的校正，尤其是远摄端的色差的校正。同时，专利文件2所公开的变焦透镜具有高性能，但是可变放大比率大约为20倍。因此，当变焦透镜用于在港口等地的监视操作中监测长距离区域时，期望更高的可变放大比率。如上所述，很难在获得高可变放大比率的同时提供在整个可变放大范围内都具有卓越性能，并且在可见光到近红外光的波长带中可用的光学***。此外，光学***的尺寸具有变大的趋势以同时满足这些要求。然而，近年来，装置的紧凑性变得十分必要。
发明内容
考虑到以上情况，本发明的目的是提供具有高可变放大比率和高性能的变焦透镜，该变焦透镜可用在可见光到近红外光的波长带中而不会造成透镜***尺寸变大。此外，本发明的另一目的是提供包括该变焦透镜的成像装置。
本发明的变焦透镜包括：
具有正折射能力的第一透镜组；
具有负折射能力的第二透镜组；
具有正折射能力的第三透镜组；以及
具有正折射能力的第四透镜组，这些透镜组从变焦透镜的物体侧按此顺序布置，
其中，通过沿变焦透镜的光轴移动第二透镜组和第三透镜组来改变它们之间的距离，从而改变变焦透镜的整个***的焦距，以及
其中，第一透镜组包括两个接合透镜，和正透镜，两个接合透镜和正透镜从物体侧以此顺序布置，每个接合透镜由负凹凸透镜和正透镜从物体侧以此顺序接合在一起构成，负凹凸透镜是负透镜，以及
其中，满足以下公式(1)：
0.14＜fG1/ft＜0.26(1)，其中，
fG1是第一透镜组的焦距，以及
ft是整个***在远摄端上的焦距。
在本发明的变焦透镜的第一透镜组中的两个接合透镜的每一个接合透镜中，负凹凸透镜和正透镜从变焦透镜的物体侧以此顺序接合在一起。
在本发明的变焦透镜中，第一透镜组可以由五个透镜构成(换言之，第一透镜组可以仅由五个透镜构成)，即：由负凹凸透镜和正透镜从物体侧以此顺序接合在一起所构成的接合透镜、由负凹凸透镜和正透镜从物体侧以此顺序接合在一起所构成的接合透镜，以及正透镜；两个接合透镜和正透镜从物体侧以此顺序布置。
在本发明的变焦透镜中，期望满足以下公式(2)和公式(3)：
vn＞48(2)；以及
vp＞75(3)，其中
vn是包括在第一透镜组中的所有负透镜针对d线的阿贝数的平均值，以及
vp是包括在第一透镜组中的所有正透镜针对d线的阿贝数的平均值。
在本发明的变焦透镜中，期望的是，当第一透镜组中的接合透镜(每个接合透镜由负凹凸透镜和正透镜接合在一起所构成)中的最靠近物体侧的接合透镜是第一接合透镜，并且第一透镜组中的接合透镜中位于距物体侧第二位置处的接合透镜是第二接合透镜时，满足以下公式(4)和公式(5)：
Δv1＜11    (4)；以及
Δv2＞50    (5)，其中
Δv1是组成第一接合透镜的负凹凸透镜与正透镜针对d线的阿贝数之间的差的绝对值，以及
Δv2是组成第二接合透镜的负凹凸透镜与正透镜针对d线的阿贝数之间的差的绝对值。
在本发明的变焦透镜中，期望第四透镜组包括第一负透镜组和布置在第一负透镜组的图像侧的第二负透镜组。此外，期望第一负透镜组包括正透镜和负透镜。此外，期望在与光轴相垂直的方向上移动第二负透镜组以补偿摄影图像中的抖动模糊。此外，期望满足以下公式(6)：
1.5＜f4a/f4b＜3.5    (6)，其中
f4a是第一负透镜组的焦距，以及
f4b是第二负透镜组的焦距。
此外，本发明的变焦透镜中的第二透镜组可以具有“3组5元件”构造，在该构造中，负凹凸透镜、由负透镜和正透镜从物体侧以此顺序接合在一起所构成的接合透镜、由正透镜和负透镜从物体侧以此顺序接合在一起所构成的接合透镜从物体侧以此顺序布置。
在本发明的变焦透镜中，可以以可拆卸的方法将扩展器直接布置在第四透镜组中的第二负透镜组的图像侧，通过将扩展器***变焦透镜的光路，来将变焦透镜的整个***的焦距向长焦侧改变。“直接”的意思是没有光学组件布置在第二负透镜组与扩展器之间。
在可能的或期望的本发明的变焦透镜中，术语“负凹凸透镜”、术语“正透镜”，和术语“负透镜”指的是当透镜是非球面透镜时透镜的近轴区域。
本发明的成像装置包括本发明的上述变焦透镜中的任何一个变焦透镜。
本发明的变焦透镜包括正第一透镜组、负第二透镜组、正第三透镜组，和正第四透镜组，这些透镜组从变焦透镜的物体侧以此顺序布置。此外，可以通过沿变焦透镜的光轴移动第二透镜组和第三透镜组以改变它们之间的距离从而来改变变焦透镜的整个***的焦距。在变焦透镜中，适当地设置第一透镜组的结构，并满足公式(1)。因此，变焦透镜具有高可变放大比率和高性能，并可用在可见光到近红外光的很宽的波长带中而不会造成透镜***的尺寸变大。
本发明的成像装置包括本发明的变焦透镜。因此，成像装置是紧凑的，并且可用在可见光到近红外光的很宽的波长带中。此外，成像装置可以在高可变放大比率上获得高质量的视频图像(图像)。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的变焦透镜的结构的截面图；
图2示出了图1所示的第四透镜组的结构的截面图；
图3示出了当将扩展器(extender)***第四透镜组时图2所示的第四透镜组的结构的截面图；
图4A示出了在广角端的本发明的示例1中的变焦透镜的截面图；
图4B示出了在远摄端的本发明的示例1中的变焦透镜的截面图；
图5A示出了在广角端的本发明的示例2中的变焦透镜的截面图；
图5B示出了在远摄端的本发明的示例2中的变焦透镜的截面图；
图6A示出了在广角端的本发明的示例3中的变焦透镜的截面图；
图6B示出了在远摄端的本发明的示例3中的变焦透镜的截面图；
图7A示出了在广角端的本发明的示例4中的变焦透镜的截面图；
图7B示出了在远摄端的本发明的示例4中的变焦透镜的截面图；
图8A示出了在广角端的本发明的示例5中的变焦透镜的截面图；
图8B示出了在远摄端的本发明的示例5的变焦透镜的截面图；
图9A至9L的图表示出了本发明的示例1中的变焦透镜的多种像差；
图10A至10L的图表示出了本发明的示例2中的变焦透镜的多种像差；
图11A至11L的图表示出了本发明的示例3中的变焦透镜的多种像差；
图12A至12L的图表示出了本发明的示例4中的变焦透镜的多种像差；
图13A至13L的图表示出了本发明的示例5中的变焦透镜的多种像差；
图14A示出了当将扩展器***变焦透镜时在广角端的本发明的示例1中的变焦透镜的截面图；
图14B示出了当将扩展器***变焦透镜时在远摄端的本发明的示例1中的变焦透镜的截面图；
图15A示出了当将扩展器***变焦透镜时在广角端的本发明的示例2中的变焦透镜的截面图；
图15B示出了当将扩展器***变焦透镜时在远摄端的本发明的示例2中的变焦透镜的截面图；
图16的示意图示出了根据本发明实施例的成像装置的配置。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例。首先，将参考图1描述根据本发明的实施例的变焦透镜。图1示出了根据本发明的实施例的变焦透镜的构成的示例的截面图。图1与示例1中的变焦透镜相对应，之后将描述示例1中的变焦透镜。在图1中，左侧是变焦透镜的物体侧，右侧是变焦透镜的图像侧。图1示出了当变焦透镜聚焦于无限远处的物体时，在广角端的透镜的布置。
根据该实施例的变焦透镜包括具有正折射能力的第一透镜组G1、具有负折射能力的第二透镜组G2、具有正折射能力的第三透镜组G3，以及具有正折射能力的第四透镜组G4，G1、G2、G3和G4按此顺序从变焦透镜的物体侧沿光轴Z布置。在图1所示的变焦透镜中，孔径光阑St和ND滤光器ND布置在第三透镜组G3与第四透镜组G4之间，当变焦透镜的放大率改变时，孔径光阑St是固定的。图1所示的孔径光阑St不一定表示孔径光阑St的尺寸和形状，但表示了孔径光阑St位于光轴Z上的位置。
ND滤光器ND不是本发明的变焦透镜中的必要元件。然而，例如，当ND滤光器ND具有从光轴上的点开始在直径方向上的密度分布时，可以减小由放大率改变而引起的图像平面上的照明强度的波动。
该变焦透镜可以获得大约60倍的高可变放大比率，并且适合用在监视摄像机中以在港口等地监测长距离区域。当变焦透镜应用于成像装置时，基于安装有变焦透镜的摄像机的结构，期望将盖玻璃、多种滤光器等布置在光学***与图像平面Sim之间。在图1中，假设平行平板形状的光学组件GC是这种元件，则将平行平板形状的光学组件GC布置在第四透镜组G4与图像平面Sim之间。
通过沿光轴Z移动第二透镜组G2和第三透镜组G3来改变它们之间的距离，从而连续地改变变焦透镜的整个***的焦距，变焦透镜的放大率是可改变的。图1示意地示出了当放大率从广角端改变为远摄端时，第二透镜组G2和第三透镜组G3的移动路径。第二透镜组G2和第三透镜组G3下面的箭头分别表示了这些透镜组的移动路径。同时，当放大率改变时，第一透镜组G1和第四透镜组G3相对于光轴的方向是固定的。
第一透镜组G1包括由透镜L1和透镜L2组成的接合透镜、由透镜L3和透镜L4组成的接合透镜，以及透镜L5，其中透镜L1是负凹凸透镜，透镜L2是正透镜，透镜L1和L2从物体侧以此顺序接合在一起，透镜L3是负凹凸透镜，透镜L4是正透镜，透镜L3和透镜L4从物体侧以顺序接合在一起，透镜L5是正透镜。这两个接合透镜和正透镜从物体侧以此顺序布置。第一透镜组G1可以进一步包括一个或多个透镜。然而，考虑到变焦透镜的尺寸的减小，期望第一透镜组G1具有“3组5元件”构造，在这种构造中布置有上述5个透镜。
第一透镜组G1的构造包括两个接合透镜，每个接合透镜由正透镜和负透镜组成，第一透镜组G1的构造有利于色差的校正。此外，由于具有被规定的能力和形状的每个透镜以上述顺序布置在第一透镜组G1中，与专利文件1的示例所描述的光学***相对比，可以实现更灵活的像差校正。在本发明中，可以以均衡的方式来校正纵向色差和参考波长上的像差，纵向色差包括远摄端的残余次级光谱，在高放大率变焦透镜中对其校正是困难的。此外，可以提供高性能的光学***，其可用于可见光到近红外光的宽波长带中。
特别地，例如，第一透镜组G1可以具有“3组5元件”构造，在该构造中，由具有面向物体侧的凸面表面的负凹凸透镜和双凸面透镜从物体侧以此顺序接合在一起组成的接合透镜、由具有面向物体侧的凸面表面的负凹凸透镜和具有面向物体侧的凸面表面的正凹凸透镜从物体侧以此顺序接合在一起组成的接合透镜，以及具有面向物体侧的凸面表面的正凹凸透镜从物体侧以此顺序布置。
将变焦透镜按这种方式构造以满足以下公式(1)：
0.14＜fG1/ft＜0.26    (1)，其中，
fG1是第一透镜组G1的焦距，以及
ft是整个***在远摄端上的焦距。
公式(1)规定了第一透镜组G1的焦距与整个***在远摄端上的焦距的比率。当fG1/ft的值比由公式(1)所限定的下限低时，第一透镜组G1的折射能力变强。从而，远摄端的负球差增加，而这是不期望的，因为像差的校正变得困难。当fG1/ft的值超过由公式(1)所限定的上限时，用于获得期望放大率的变焦冲程变长。因此，光学***的尺寸变大，而这是不期望的。
更期望满足以下公式(1-1)：
0.16＜fG1/ft＜0.24    (1-1)。
当满足公式(1-1)时，与满足公式(1)的情况相比较，可以获得甚至更好的效果。
此外，在该变焦透镜中，期望满足公式(2)和公式(3)：
vn＞48    (2)；以及
vp＞75    (3)，其中
vn是包括在第一透镜组G1中的所有负透镜的针对d线的阿贝数的平均值，以及
vp是包括在第一透镜组G1中的所有正透镜的针对d线的阿贝数的平均值。
公式(2)规定了第一透镜组G1中的负透镜的阿贝数，公式(3)规定了第一透镜组G1中的正透镜的阿贝数。为了提供具有高可变放大比率和高性能，并且可以用于利用近红外光成像的变焦透镜，残余次级光谱必须小，并且甚至当放大率改变为高可变放大比率时，色差的波动量必须小。为此，期望正透镜的材料和负透镜的材料都具有大的阿贝数。当vn的值比由公式(2)所限定的下限低并且vp的值比由公式(3)所限定的下限低时，纵向色差的残余次级光谱增加，在所获得的图像中产生色模糊。因此，变得难以获得卓越图像。
更期望满足以下公式(2-1)：
48＜vn＜60    (2-1)。
当vn的值超过由公式(2-1)所限定的上限时，正透镜的阿贝数的平均值与负透镜的阿贝数的平均值之间的差距变得太小，则初级消色差变得困难。
更期望满足以下公式(2-2)：
50＜vn＜58    (2-2)。
当满足公式(2-2)时，与满足公式(2-1)的情况相比，获得甚至更好的效果。
相对于公式(3)，更期望满足以下公式(3-1)：
vp＞78    (3-1)。
当满足公式(3-1)时，与满足公式(3)的情况相比，获得甚至更好的效果。
此外，在该变焦透镜中，更期望的是，当第一透镜组G1中的接合透镜(每个接合透镜由负凹凸透镜和正凹凸透镜接合在一起所构成)的最靠近物体侧的接合透镜是第一接合透镜，并且第一透镜组G1中的接合透镜中位于距物体侧第二位置处的接合透镜是第二接合透镜时，满足以下公式(4)和公式(5)：
Δv1＜11    (4)；以及
Δv2＞50    (5)，其中
Δv1是组成第一接合透镜的负凹凸透镜与正透镜的针对d线的阿贝数之间的差的绝对值，以及
Δv2是组成第二接合透镜的负凹凸透镜与正透镜的针对d线的阿贝数之间的差的绝对值。
第一透镜组G1中的第一接合透镜校正远摄端的参考波长上的色差、像差，尤其是球差。第一透镜组G1中的第二接合透镜主要校正远摄端的色差。当Δv1的值超过由公式(4)所限定的上限时，色差的波动量变大。此外，当第一接合透镜由超过由公式(4)所限定的上限的光学材料所制成的负凹凸透镜和正凹凸透镜的组合而构成时，以卓越方式在参考波长上校正像差变得困难。当Δv2的值比由公式(5)所限定的下限低时，以卓越方式校正色差，尤其是远摄端的色差变得困难。
相对于公式(4)和公式(5)，更期望满足以下公式(4-1)和公式(5-1)：
Δv1＜9    (4-1)；以及
Δv2＞52   (5-1)。
当满足公式(4-1)和公式(5-1)时，分别与满足公式(4)和公式(5)的情况相比，获得甚至更好的效果。
例如，第二透镜组G2可以具有“3组5元件”构造，在该构造中，负凹凸透镜、由负透镜和正透镜从物体侧以此顺序接合在一起所构成的接合透镜，以及由正透镜和负透镜从物体侧以此顺序接合在一起所构成的接合透镜从物体侧以此顺序布置。当以这种方法构造第二透镜组G2时，可以以卓越的方式贯穿整个可变放大率范围来校正多种像差，而通过在第二透镜组G2中使用最少数量的透镜来减小变焦透镜的尺寸。特别地，可以在中间焦距至远摄端的范围内轻易地校正纵向色差和横向色差。
更特别地，第二透镜组G2可以具有“3组5元件”构造，例如如图1所示。在图1中，透镜L6、由透镜L7和L8从物体侧以此顺序接合在一起所构成的接合透镜，以及由透镜L9和L10从物体侧以此顺序接合在一起所构成的接合透镜从物体侧以此顺序布置。透镜L6是具有面向物体侧的凸面表面的负凹凸透镜。透镜L7是具有面向物体侧的凸面表面的负凹凸透镜，透镜L8是具有面向物体侧的凸面表面的正凹凸透镜。透镜L9是具有面向图像侧的凸面表面的正凹凸透镜，透镜L10是双凹面透镜。第二透镜组G2是可移动组，包括两个接合透镜，并使用许多凹凸透镜，每个接合透镜由正透镜和负透镜构成。第二透镜组G2的这种结构有利于色差的校正。此外，可以以卓越的方式贯穿整个可变放大率范围来校正多种像差。
第三透镜组G3可以具有“3组4元件”构造，例如图1所示。在图1中，透镜L11、由透镜L12和L13从物体侧以此顺序接合在一起所构成的接合透镜，以及透镜L14从物体侧以此顺序布置。透镜L11是双凸面透镜。透镜L12是具有面向物体侧的凸面表面的负凹凸透镜，透镜L13是双凸面透镜。透镜L14是具有面向物体侧的凸面表面的正凹凸透镜。
图2的放大图示出了图1所示的变焦透镜中第四透镜组G4及其周围区域。在图2所示的示例中，第四透镜组G4具有由透镜L15至透镜L25所构成的“8组11元件”构造。
期望第四透镜组G4包括第一负透镜组G4a和布置在第一负透镜组G4a的图像侧的第二负透镜组G4b。此外，期望第一负透镜组G4a包括至少一个正透镜和至少一个负透镜，并且总体上具有负折射能力。期望第二负透镜组G4b通过在与光轴Z相垂直的方向上移动而具有用于补偿摄影图像中的抖动模糊的抗振动功能，并期望第二负透镜组G4b总体上具有负折射能力。
此外，如之后所描述的，期望将扩展器***第四透镜组G4以增加可变放大比率。此外，期望光的平行射线进入扩展器，使得当***扩展器时，相对于光轴方向的扩展器的位置的更大的误差是可允许的。通常，从第三透镜组G3输出的光射线是汇聚射线。因此，期望位于第三透镜组G3与扩展器之间的透镜组整体上具有负折射能力。
当第三透镜组G3与在第四透镜组G4中的第一负透镜组G4a之间的距离变长时，进入第一负透镜组G4a的射线的高度变低。因此，组成第一负透镜组G4a的每个透镜的折射能力变强以获得期望的出射视角，而制造(production)中的可允许误差变小，这是不期望的。相似地，当第四透镜组G4中的第一负透镜组G4a与第二负透镜组G4b之间的距离变长时，进入第二负透镜组G4b的射线高度变低。因此，构成第二负透镜组G4b的每个透镜的折射能力变强以获得期望的出射视角，而制造中的可允许误差变小，这是不期望的。
因此，期望第一负透镜组G4a位于第四透镜组G4中的最靠近物体侧。此外，期望第二负透镜组G4b直接位于第四透镜组G4中的第一负透镜组G4a的图像侧。特别地，期望第一负透镜组G4a和第二负透镜组G4b布置在第三透镜组G3与扩展器所***的位置之间。如上所述，期望位于第三透镜组G3与扩展器之间的透镜组整体上具有负折射能力。如果第一负透镜组G4a和第二负透镜组G4b中的一个是正透镜组，则作为负透镜组的其他透镜组需要具有强的负能力以消除正透镜组的正能力。因此，生产中的可允许误差变小，这是不期望的。因此，期望第四透镜组G4中的第一负透镜组G4a和第二负透镜组G4b都是负透镜组。
例如，如图2所示，第一负透镜组G4a可以具有“2组3元件”构造，在该构造中由透镜L15和透镜L16从物体侧以此顺序接合在一起所构成的接合透镜，和透镜L17从物体侧以此顺序布置。透镜L15是具有面向物体侧的凸面表面的负凹凸透镜，透镜L16是具有面向物体侧的凸面表面的正凹凸透镜。透镜L17是具有面向物体侧的凸面表面的负凹凸透镜。
例如，如图2所示，第二负透镜组G4b可以具有“2组2元件”构造，在该构造中，透镜L18和透镜L19从物体侧以此顺序布置。透镜L18是具有面向物体侧的凸面表面的正凹凸透镜，透镜L19是双凹面透镜。
不一定将第一负透镜组G4a和第二负透镜组G4b构造为如图2所示。例如，第一负透镜组G4a可以具有由接合透镜所构成的“1组2元件”构造。此外，接合透镜可由具有面向物体侧的凸面表面的负凹凸透镜，和具有面向物体侧的凸面表面的正凹凸透镜从物体侧以此顺序接合在一起而构成。此外，第二负透镜组G4b可以具有“3组3元件”构造，在该构造中，具有面向物体侧的凸面表面的负凹凸透镜、具有面向物体侧的凸面表面的正凹凸透镜，以及双凹面透镜从物体侧以此顺序布置。
当由正透镜和负透镜构成的接合透镜布置在第一负透镜组G4a中的最靠近物体侧时，该接合透镜与孔径光阑St之间的距离变短。因此，可以以合适的方式来校正纵向色差而实质上不影响横向色差。
在第二负透镜组G4b中，期望位于布置在最靠近图像侧的负单一透镜的物体侧的透镜组具有正折射能力。例如，在图2中，期望透镜L18是正透镜，透镜L18位于透镜L19的物体侧。在第二负透镜组G4b中，如果位于布置在最靠近图像侧的负单一透镜的物体侧的透镜组具有负折射能力，那么从位于负单一透镜的物体侧的该透镜组所输出的光射线是发散射线。因此，第二负透镜组G4b中位于最靠近图像侧的负单一透镜的直径变大，负单一透镜的重量变重。因此，当移动第二负透镜组G4b时，驱动***上的负载变大，而这是不期望的。
当第四透镜组G4包括第一负透镜组G4a和布置在第一负透镜组G4a的图像侧上的第二负透镜组G4b，并且第一负透镜组G4a包括正透镜和负透镜，并且在与光轴相垂直的方向上移动第二负透镜组G4b以补偿摄影图像中的抖动模糊时，期望满足以下公式(6)：
1.5＜f4a/f4b＜3.5    (6)，其中
f4a是第一负透镜组G4a的焦距，以及
f4b是第二负透镜组G4b的焦距。
公式(6)规定了第一负透镜组G4a的焦距与第二负透镜组G4b的焦距的比率，第二负透镜组G4b在与光轴相垂直的方向上是可移动的以实现抗振动功能。当f4a/f4b的值比由公式(6)所限定的下限低时，第一负透镜组G4a的折射能力变强，第一负透镜组G4a的射线的发散程度变高。因此，第二负透镜组G4b的尺寸变大，第二负透镜组G4b的重量变重。因此，快速抗振动控制变得困难。当f4a/f4b的值超过由公式(6)所限定的上限时，第一负透镜组G4a的折射能力变弱，组成第二负透镜组G4b的透镜的生产误差或装配误差极大地改变第二负透镜组G4b的性能。因此，图像质量容易恶化，而这是不期望的。
因此，更期望满足以下公式(6-1)而不是公式(6)：
1.8＜f4a/f4b＜3.2    (6-1)。
当满足公式(6-1)时，与满足公式(6)的情况相比，甚至更好的效果是可获得的。
在该变焦透镜中，可以以可拆卸的方法来布置扩展器，通过将扩展器***变焦透镜的光路，来将变焦透镜的整个***的焦距向长焦侧改变。在这种情况中，期望将扩展器直接布置在第二负透镜组G4b的图像侧，如图3所示。图3示出了第四透镜组G4’的结构的截面图，在第四透镜组G4’中，扩展器Ex***图2所示的第四透镜组G4。第二负透镜组G4b和扩展器需要由驱动设备来驱动，第二负透镜组G4b是抗振动组。因此，如果将固定的组布置在抗振动组与扩展器之间，机制变得复杂，而这是不期望的。
此外，当变焦透镜需要具有环境耐受性时，换言之，需要耐严酷条件时，期望变焦透镜的整个***中的最靠近物体侧透镜由玻璃制成。当变焦透镜通过安装在监视摄像机等上而用在户外时，布置在变焦透镜的最靠近物体侧的透镜经常暴露在阳光中。因此，如果最靠近物体侧透镜是塑料玻璃，会有最靠近物体侧透镜的质量恶化或改变的风险。
当该变焦透镜用在严酷环境或条件中时，期望应用用于保护的多层涂层。此外，可以单独使用用于减小虚光(ghost light)的抗反射涂层，或将其与保护涂层一起使用。
在图1所示的示例中，光学组件GC布置在透镜***与图像形成平面之间。可以布置低通滤光器、用于滤除特定波长带等的多种滤光器等作为光学组件GC。这种滤光器可以布置在透镜之间而不是布置在透镜***与图像形成平面之间。备选地，与滤光器具有相似作用的涂层可以应用于透镜之一的表面。
接下来，将描述本发明的变焦透镜的数值示例。图4A和4B示出了示例1中的变焦透镜的截面图。图4A示出了广角端的透镜的布置，图4B示出了当变焦透镜聚焦于无限远处的物体时，远摄端的透镜的布置。在图4A和4B中，左侧是物体侧，右侧是图像侧。以与图1类似的方法，图4A和4B中也示出了孔径光阑St、ND滤光器ND以及光学组件GC。
类似地，图5A和5B是示例2中的变焦透镜的截面图。图6A和6B是示例3中的变焦透镜的截面图。图7A和7B是示例4中的变焦透镜的截面图。图8A和8B是示例5中的变焦透镜的截面图。
此外，表格1显示了关于示例1的变焦透镜的基本透镜数据，表格2显示了关于示例1的变焦透镜的变焦的数据。类似地，表格3至表格10显示了关于示例2至示例5的变焦透镜的基本透镜数据和变焦的数据。表格中标记的含义将通过使用用于示例1的表格来描述。示例2至示例5中的含义基本上类似于示例1。
在表格1的基本透镜数据中，列Si显示了第i(I＝1，2，3，...)表面的表面号。最靠近物体侧元件的物体侧表面的表面号是1，表面号向图像侧连续地增加。列Ri显示了第i表面的曲率半径。列Di显示在光轴Z上在第i表面与第(i+1)表面之间的距离。列Ndj显示了当最靠近物体侧光学元件是第一光学元件时，第j(j＝1，2，3，...)光学组件针对d线(波长是587.6nm)的折射率，j的值向图像侧连续地增加。此外，vdj的列显示了j-th光学组件针对d线的阿贝数。
当朝向物体侧的表面是凸面时，曲率半径的标记(+或-)为正，当朝向图像侧的表面是凸面时，曲率半径的标记为负。此外，透镜数据包括孔径光阑St、ND滤光器ND，和光学组件GC。在曲率半径的列中，术语“(孔径光阑)”是写在与孔径光阑St相对应的行上。在表面间距的列的底部的数值是光学组件GC的表面与图像平面之间的距离。
表格1中的表面间距的列显示了透镜数据，在该列中，D8、D16和D23写在当放大率改变时表面距离也改变的行中。D8是第一透镜组G1与第二透镜组G2之间的距离。D16是第二透镜组G2与第三透镜组G3之间的距离。D23是第三透镜组G3与孔径光阑St之间的距离。
表格2显示了关于变焦的数据。表格2显示了整个***针对d线的焦距f、F值(Fno.)、视角的全角度2ω，以及D8、D16和D23在广角端、中间焦距位置以及远摄端的值。
在以下表格中，按预定的小数位四舍五入。此外，“度”用作角度单位，“mm”用作长度单位。然而，可以通过按比例放大或按比例缩小来使用光学***。因此，其他合适的单位可用于这些值。
[表格1]
示例1：基本透镜数据
Figure BDA0000079579290000151
[表格2]
示例1：关于变焦的数据
  广角端   中间   远摄端
  f   16.972   128.133   967.384
  Fno.   3.6   3.601   9.042
  2ω   28.113   3.881   0.516
  D8   28.907   89.878   108.12
  D16   150.303   68.143   4.961
  D23   2.473   23.662   68.601
[表格3]
示例2：基本透镜数据
[表格4]
示例2：关于变焦的数据
  广角端   中间   远摄端
  f   16.972   128.133   967.379
  Fno.   3.6   3.6   9.051
  2ω   25.675   3.544   0.47
  D8   40.725   96.664   113.322
  D16   138.681   63.073   4.964
  D23   2.529   22.197   63.648
[表格5]
示例3：基本透镜数据
Figure BDA0000079579290000191
[表格6]
示例3：关于变焦的数据
  广角端   中间   远摄端
  f   16.107   121.605   918.094
  Fno.   3.6   3.601   8.596
  2ω   29.397   3.997   0.469
  D8   19.605   73.2   88.871
  D16   137.121   63.235   5.626
  D23   2.178   22.469   64.407
[表格7]
示例4：基本透镜数据
[表格8]
示例4：关于变焦的数据
  广角端   中间   远摄端
  f   14.219   107.352   810.492
  Fno.   3.6   3.599   7.596
  2ω   33.401   4.541   0.541
  D8   19.548   89.355   110.646
  D16   158.928   69.948   8.081
  D23   1.818   20.99   61.567
[表格9]
示例5：基本透镜数据
Figure BDA0000079579290000231
[表格10]
示例5：关于变焦的数据
  广角端   中间   远摄端
  f   15.671   118.31   893.222
  Fno.   3.6   3.6   8.351
  2ω   30.093   4.099   0.486
  D8   18.02   71.956   87.705
  D16   138.092   64.077   7.047
  D23   2.097   22.176   63.456
表格11显示了根据公式(1)至公式(6)的相对于示例1至示例5中的变焦透镜的值。表格11显示了针对d线的值。
[表格11]
  示例1   示例2   示例3   示例4   示例5
  (1)fG1/ft   0.178   0.176   0.168   0.223   0.171
  (2)vn   53.4   53.4   51.3   56.5   51.3
  (3)vp   84.4   84.4   86.1   79.9   87.1
  (4)Δv1   0.8   0.8   8.5   6.9   11.5
  (5)Δv2   52.2   52.2   52.2   52.2   52.2
  (6)f4a/f4b   3.03   3.01   2.06   2.42   2.67
  fG1   172.309   169.958   154.659   180.521   152.962
  f4a   -157.60   -154.58   -122.35   -130.86   -142.27
  f4b   -52.08   -51.43   -59.38   -54.07   -53.35
图9A至9D的图表示出了在广角端示例1中的变焦透镜的多种像差(分别是球差、像散、失真，以及横向色差)。图9E至9H的图表示出了在中间焦距位置示例1中的变焦透镜的多种像差(分别是球差、像散、失真，以及横向色差)。图9I至9L的图表示出了在远摄端示例1的变焦透镜的多种像差(分别是球差、像散、失真，以及横向色差)。
图表示出了针对d线的像差。此外，球差的图表示出了针对g线(波长是435.8nm)、C线(波长是656.3nm)和880nm的波长的球差。此外，横向色差的图表示出了针对g线、C线和880nm的波长的横向色差。此外，在像散的图表中，针对径向方向的像差由实线表示，针对切线方向的像差由虚线表示。在球差的图表中，标记“Fno.”表示F值，在其他图表中，ω表示视角的半角度。
类似地，图10A至10L的图表示出了在广角端、中间焦距位置和远摄端示例2中的变焦透镜的多种像差。图11A至11L的图表示出了在广角端、中间焦距位置和远摄端示例3中的变焦透镜的多种像差。图12A至12L的图表示出了在广角端、中间焦距位置和远摄端示例4中的变焦透镜的多种像差。图13A至13L的图表示出了在广角端、中间焦距位置和远摄端示例5中的变焦透镜的多种像差。所有的像差的图表示出了当与物体的距离是50m时的像差。
示例1至示例5中的变焦透镜具有大约57倍的高可变放大比率。尽管变焦透镜作为高可变放大率光学***而言相对紧凑，但变焦透镜仍可以获得高光学性能，其中可以以卓越的方式方法贯穿整个可变放大率范围在可见光至近红外域的很宽的波长带中校正像差。
图14A至14B是当***具有2倍放大率(倍数)的扩展器Ex时，示例1中变焦透镜的横截面。图15A和15B是当***具有2倍的放大率(倍数)的扩展器Ex时，示例2中变焦透镜的横截面。在图14A、14B、15A和15B所示的每个变焦透镜中，扩展器Ex直接***在第四透镜组G4中的第二负透镜组G4b的图像侧。当扩展器Ex***第四透镜组G4时，第四透镜组由标记“G4”表示。
表格12显示了当***扩展器时示例1中变焦透镜的基本透镜数据。表格13显示了当***扩展器时关于示例1中变焦透镜的变焦的数据。表格14显示了当***扩展器时示例2中变焦透镜的基本透镜数据。表格15显示了当***扩展器时关于示例2中变焦透镜的变焦的数据。表格12至表格15中标记的含义与已描述的示例1中的标记含义类似。
[表格12]
示例1+扩展器：基本透镜数据
Figure BDA0000079579290000261
[表格13]
示例1+扩展器：关于变焦的数据
  广角端   中间   远摄端
  f   33.171   250.435   1890.744
  Fno.   7.059   7.061   17.495
  2ω   15.005   2.008   0.266
  D8   28.907   89.878   108.12
  D16   150.303   68.143   4.961
  D23   2.473   23.662   68.601
[表格14]：示例2+扩展器：基本透镜数据
Figure BDA0000079579290000281
[表格15]
示例2+扩展器：关于变焦的数据
  广角端   中间   远摄端
  f   32.946   248.734   1877.898
  Fno.   7.038   7.019   17.545
  2ω   13.727   1.835   0.243
  D8   40.725   96.664   113.322
  D16   138.681   63.073   4.964
  D23   2.529   22.197   63.648
图16的示意图示出了根据本发明的实施例的成像装置的示例的配置。成像装置使用根据本发明的实施例的变焦透镜。成像装置是例如监视摄像机、摄影机、电子照相机等。
图16所示的成像装置10包括变焦透镜1、滤光器2、成像设备3、信号处理单元4，和变焦控制单元5。滤光器2布置在变焦透镜1的图像侧。成像设备3在由变焦透镜1形成的物体的图像上执行成像。信号处理单元4对成像设备3输出的信号执行运算处理。提供变焦控制单元5以改变变焦透镜1的放大率。
变焦透镜1包括具有正折射能力的第一透镜组G1、具有负折射能力的第二透镜组G2、具有正折射能力的第三透镜组G3、孔径光阑St和具有正折射能力的第四透镜组G4。在图16中，示意性地示出了这些透镜组。成像设备3将变焦透镜1所形成的光学图像转换为电信号。以这样的方式放置成像设备3使得成像设备3的成像表面与变焦透镜的图像平面成为同一平面。例如，CCD、CMOS等可以用作成像设备3。
到目前为止，已经通过利用实施例和示例描述了本发明。然而，本发明不限制于实施例和示例，可以有多种修改。例如，诸如每个透镜元件的曲率半径、表面间距、折射率和阿贝数等值不限制于数字示例中的值，而可以是其它值。

Claims (8)

1.一种变焦透镜，包括：
具有正折射能力的第一透镜组；
具有负折射能力的第二透镜组；
具有正折射能力的第三透镜组；以及
具有正折射能力的第四透镜组，第一、第二、第三和第四透镜组从变焦透镜的物体侧以此顺序布置，
其中，通过沿变焦透镜的光轴移动第二透镜组和第三透镜组来改变第二透镜组和第三透镜组之间的距离，从而改变变焦透镜的整个***的焦距，以及
其中，第一透镜组包括两个接合透镜，和正透镜，所述两个接合透镜和所述正透镜从物体侧以此顺序布置，每个接合透镜由负凹凸透镜和正透镜从物体侧以此顺序接合在一起构成，负凹凸透镜是负透镜，以及
其中，满足以下公式(1)：
0.14＜fG1/ft＜0.26   (1)，其中，
fG1是第一透镜组的焦距，以及
ft是整个***在远摄端上的焦距。
2.根据权利要求1所限定的变焦透镜，其中，满足以下公式(2)和公式(3)：
vn＞48  (2)；以及
vp＞75  (3)，其中
vn是包括在第一透镜组中的所有负透镜针对d线的阿贝数的平均值，以及
vp是包括在第一透镜组中的所有正透镜针对d线的阿贝数的平均值。
3.根据权利要求1所限定的变焦透镜，其中，当第一透镜组中的由负凹凸透镜和正透镜接合在一起所构成的接合透镜中的最靠近物体侧的接合透镜是第一接合透镜，并且第一透镜组中的接合透镜中位于距物体侧第二位置处的接合透镜是第二接合透镜时，满足以下公式(4)和公式(5)：
Δv1＜11  3(4)；以及
Δv2＞50  3(5)，其中
Δv1是组成第一接合透镜的负凹凸透镜与正透镜针对d线的阿贝数之间的差的绝对值，以及
Δv2是组成第二接合透镜的负凹凸透镜与正透镜针对d线的阿贝数之间的差的绝对值。
4.根据权利要求1所限定的变焦透镜，其中，第一透镜组由五个透镜组成，所述五个透镜是：由负凹凸透镜和正透镜从物体侧以此顺序接合在一起所构成的接合透镜、由负凹凸透镜和正透镜从物体侧以此顺序接合在一起所构成的接合透镜、以及正透镜；所述两个接合透镜和所述正透镜从物体侧以此顺序布置。
5.根据权利要求1所限定的变焦透镜，其中，第四透镜组包括第一负透镜组和布置在第一负透镜组的图像侧的第二负透镜组，以及
其中，第一负透镜组包括正透镜和负透镜，以及
其中，将第二负透镜组在与光轴相垂直的方向上移动，以补偿摄影图像中的抖动模糊，以及
其中，满足以下公式(6)：
1.5＜f4a/f4b＜3.5   (6)，其中
f4a是第一负透镜组的焦距，以及
f4b是第二负透镜组的焦距。
6.根据权利要求1所限定的变焦透镜，其中，第二透镜组具有“3组5元件”构造，在该构造中，负凹凸透镜、由负透镜和正透镜从物体侧以此顺序接合在一起所构成的接合透镜、由正透镜和负透镜从物体侧以此顺序接合在一起所构成的接合透镜从物体侧以此顺序布置。
7.根据权利要求1所限定的变焦透镜，其中，以可拆卸的方法将扩展器直接布置在第四透镜组中的第二负透镜组的图像侧，通过将扩展器***变焦透镜的光路，来将变焦透镜的整个***的焦距向长焦侧改变。
8.一种成像装置，包括：
根据权利要求1至权利要求7中任一权利要求所限定的变焦透镜。
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