CN104076495B - 变焦透镜以及包含该变焦透镜的图像拾取设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及变焦透镜以及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；以及具有正折光力的第四透镜单元。在变焦期间，第一透镜单元不移动，并且第二透镜单元、第三透镜单元和第四透镜单元移动以改变相邻透镜单元之间的间隔。从广角端到望远端变焦期间的第二透镜单元的移动量m2、第二透镜单元的焦距f2、以及整个***在广角端的焦距fw被适当地设定。

Description

变焦透镜以及包含该变焦透镜的图像拾取设备

技术领域

本发明涉及变焦透镜，并且尤其适合于诸如视频照相机、监控照相机、数字静物照相机、广播照相机或者卤化银胶片照相机的图像拾取设备中使用的图像拾取光学***。

背景技术

存在对于图像拾取设备中的图像拾取光学***具有如下变焦透镜的需求，该变焦透镜具有小尺寸、宽视角、低像差以及高变焦比。作为容易实现高变焦比的变焦透镜，已知如下这样的正引导型变焦透镜，其中从物侧到像侧依次布置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、以及具有正折光力的第四透镜单元。

日本专利申请特开No.H8-82743以及美国专利No.8284498公开了一种后聚焦型四单元变焦透镜，其中第二透镜单元和第三透镜单元被移动以用于变倍（variablemagnification），并且第四透镜单元被移动以用于与变倍相关联的像面变化的校正以及用于聚焦。

这样的正引导型四单元变焦透镜相对容易实现高变焦比，且整个***的尺寸减小。但是，为了在具有宽视角的情况下在整个变焦范围上实现高光学性能，重要地是适当地设定各透镜单元的折光力（尤其是第二透镜单元的折光力）、各透镜单元的透镜结构等。

发明内容

根据本发明的变焦透镜是如下的变焦透镜，其从物侧到像侧依次包括：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、以及具有正折光力的第四透镜单元；其中在变焦期间，所述第一透镜单元不移动，并且第二透镜单元、第三透镜单元和第四透镜单元移动以改变相邻透镜单元之间的间隔，并且其中，满足以下条件式

-4.9<m2/f2<-3.7

-2.0<f2/fw<-1.5

这里，m2是从广角端到望远端变焦期间的第二透镜单元的移动量，f2是第二透镜单元的焦距，并且fw是整个***在广角端的焦距。

参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。

附图说明

图1是实施例1中的变焦透镜的在广角端处的透镜截面图。

图2A是实施例1中的变焦透镜的在广角端处的像差图。

图2B是实施例1中的变焦透镜的在中间变焦位置处的像差图。

图2C是实施例1中的变焦透镜的在望远端处的像差图。

图3是实施例2中的变焦透镜的在广角端处的透镜截面图。

图4A是实施例2中的变焦透镜的在广角端处的像差图。

图4B是实施例2中的变焦透镜的在中间变焦位置处的像差图。

图4C是实施例2中的变焦透镜的在望远端处的像差图。

图5是实施例3中的变焦透镜的在广角端处的透镜截面图。

图6A是实施例3中的变焦透镜的在广角端处的像差图。

图6B是实施例3中的变焦透镜的在中间变焦位置处的像差图。

图6C是实施例3中的变焦透镜的在望远端处的像差图。

图7是实施例4中的变焦透镜的在广角端处的透镜截面图。

图8A是实施例4中的变焦透镜的在广角端处的像差图。

图8B是实施例4中的变焦透镜的在中间变焦位置处的像差图。

图8C是实施例4中的变焦透镜的在望远端处的像差图。

图9是包括根据本发明的变焦透镜的视频照相机（图像拾取设备）的主要部件的示意图。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的优选实施例。

以下参照附图描述根据本发明的变焦透镜以及包含该变焦透镜的图像拾取设备的实施例。根据本发明的变焦透镜从物侧到像侧依次包括：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、以及具有正折光力的第四透镜单元。在变焦期间，所述第一透镜单元不移动，而第二透镜单元、第三透镜单元和第四透镜单元移动。

图1是本发明的实施例1中的变焦透镜的在广角端（短焦距端）处的透镜截面图。图2A、2B和2C分别是实施例1中的变焦透镜的在广角端处、中间变焦位置处、以及望远端（长焦距端）处的像差图。实施例1中的变焦透镜的变焦比为19.69并且f数为1.85至2.88。

图3是本发明的实施例2中的变焦透镜的在广角端处的透镜截面图。图4A、4B和4C分别是实施例2中的变焦透镜的在广角端处、中间变焦位置处、以及望远端处的像差图。实施例2中的变焦透镜的变焦比为29.59并且f数为1.85至3.30。

图5是本发明的实施例3中的变焦透镜的在广角端处的透镜截面图。图6A、6B和6C分别是实施例3中的变焦透镜的在广角端处、中间变焦位置处、以及望远端处的像差图。实施例3中的变焦透镜的变焦比为22.27并且f数为1.85至2.88。

图7是本发明的实施例4中的变焦透镜的在广角端处的透镜截面图。图8A、8B和8C分别是实施例4中的变焦透镜的在广角端处、中间变焦位置处、以及望远端处的像差图。实施例4中的变焦透镜的变焦比为19.34并且f数为1.85至2.88。图9是包含根据本发明的变焦透镜的视频照相机（图像拾取设备）的主要部件的示意图。

各实施例中的变焦透镜是用于图像拾取设备中的成像光学***。在透镜截面图中，左侧是对象侧（物侧），右侧是像侧。在透镜截面图中，L1指示具有正折光力的第一透镜单元，L2指示具有负折光力的第二透镜单元，L3指示具有正折光力的第三透镜单元，并且L4指示具有正折光力的第四透镜单元。此外，SP指示孔径光阑，该孔径光阑位于第二透镜单元L2和第三透镜单元L3之间。各箭头指示在从广角端到望远端变焦期间的移动轨迹以及聚焦期间的移动方向。

尽管在各实施例中的变焦透镜中孔径光阑SP在变焦期间不移动，但是孔径光阑SP可在适当范围中移动。这有助于进一步减小整个***的尺寸。在各实施例中，孔径光阑SP在变焦期间不移动，由此简化了图像拾取设备。P指示对应于滤光器、面板等的光学块。I指示像面，并且对应于：在变焦透镜用作数字静物照相机或者视频照相机中的成像光学***时的诸如CCD传感器或CMOS传感器的固态图像拾取元件的图像拾取表面；以及变焦透镜用于卤化银胶片照相机中时的胶片表面。

在像差图的球面像差中，d指示d线，并且g指示g线。在像散图中，△M和△S分别指示子午像面和弧矢像面。横向色差由g线表示。Fno指示f数，并且ω指示半视角（度）。应指出，在各实施例中，广角端和望远端指的是在变倍透镜单元在该机构中位于光轴的方向上的可动范围的两端中的每一端处时的相应聚焦位置。

在各实施例中，当从广角端到望远端变焦时，透镜单元如箭头所指示地移动。具体而言，第二透镜单元L2朝像侧单调移动。第三透镜单元L3移动以便在望远端比在广角端更位于物侧，以便执行变倍。

第四透镜单元L4在凸轨迹上朝物侧移动，以校正与变倍相关联的像面改变。此外，各实施例采用后聚焦类型，其中第四透镜单元L4在光轴上移动以执行聚焦。与第四透镜单元L4有关的实线曲线4a和虚线曲线4b分别指示在聚焦于无限远物体时以及聚焦于近物体时用于校正与变焦相关联的像面改变的移动轨迹。通过在凸轨迹上朝物侧移动第四透镜单元L4来有效地使用第三透镜单元L3与第四透镜单元L4之间的空间。这使得能够减小总透镜长度。

在各实施例中，通过如箭头4c所指示地向前移动第四透镜单元L4来执行在望远端处从无限远物体向近物体的聚焦。在各实施例中，在成像期间，第三透镜单元L3的全部或一部分可在具有垂直于光轴的分量的方向上移动，以校正在变焦透镜振动时导致的被捕获图像的模糊，即执行图像模糊校正。

各实施例中的变焦透镜从物侧到像侧依次包括具有正折光力的第一透镜单元L1、具有负折光力的第二透镜单元L2、具有正折光力的第三透镜单元L3、以及具有正折光力的第四透镜单元L4。在变焦期间，第一透镜单元L1不移动，而第二透镜单元L2、第三透镜单元L3和第四透镜单元L4移动以改变相邻透镜单元之间的间隔。设m2是从广角端到望远端变焦期间第二透镜单元L2的移动量，f2是第二透镜单元L2的焦距，并且fw是整个***在广角端处的焦距。

在此情况中，满足以下条件式。

-4.9<m2/f2<-3.7···(1)

-2.0<f2/fw<-1.5···(2).

这里，从广角端到望远端变焦期间透镜单元的移动量是在广角端处和在望远端处透镜单元在光轴上的位置的差。当透镜单元在望远端比在广角端更位于像侧时，透镜单元的移动量的符号为正，并且当透镜单元在望远端比在广角端更位于物侧时，透镜单元的移动量的符号为负。

根据本发明的变焦透镜的上述结构适合于确保具有高变焦比的小的整个***。第一透镜单元L1偏心是不希望的，这是因为它使得望远端处的像场弯曲不旋转对称，并且例如，使得用于聚焦的对象距离在画面的左侧和右侧之间不同。因此，第一透镜单元L1在变焦期间不移动。此时，第二透镜单元L2和第三透镜单元L3移动以变倍。

第三透镜单元L3移动以缩短中间变焦位置处的入射光瞳位置，从而减小前透镜有效直径。第四透镜单元L4移动以校正与变倍相关联的像面改变。从而满足上述条件式（1）和（2）。

下文描述条件式（1）和（2）的技术含义。条件式（1）涉及在从广角端到望远端变焦期间第二透镜单元L2的位置的差与第二透镜单元L2的焦距之间的比。如果超过条件式（1）的上限，则需要使得第三透镜单元L3在广角端更接近像侧，以便增大第三透镜单元L3的位置的差，从而获得预定变焦比。这使得第三透镜单元L3的位置和第四透镜单元L4的位置在广角端彼此更接近，作为结果使得用于驱动第三透镜单元L3和第四透镜单元L4的凸轮或致动器接近，使得难以对它们进行精确地布置。

另一方面，如果超出下限，则前透镜有效直径以及总透镜长度（从第一透镜表面到像面的距离）增大，或者第二透镜单元L2的负折光力变得过高。这使得在变焦期间像场弯曲发生更大变化，这难以被校正。

条件式（2）涉及第二透镜单元L2的焦距与在广角端的焦距之间的比。如果超出条件式（2）的上限，则需要增大第一透镜单元L1的折光力，以便在广角端维持预定视角。作为结果，尤其在从中间变焦位置到望远端的范围中球面像差和轴向色差增加，这难以被校正。另一方面，如果超出下限，则前透镜有效直径和总透镜长度增加。

此外，在根据本发明的变焦透镜中，可满足以下条件式中的至少一个。设m3是在从广角端到望远端变焦期间第三透镜单元L3的移动量。假定第一透镜单元L1包括最接近像侧的具有正折光力的透镜G1pr。设N1pr是透镜G1pr的材料的折射率，并且N1pf是第一透镜单元L1中包括的除透镜G1pr之外的具有正折光力的透镜的材料的折射率的均值。

设N34n是第三透镜单元L3和第四透镜单元L4中包括的负透镜的材料的折射率的均值，并且N34p是第三透镜单元L3和第四透镜单元L4中包括的正透镜的材料的折射率的均值。在此情况中，可满足以下条件式中的至少一个。

-25.0<m2/m3<-2.0···(3)

1.05<N1pr/N1pf<1.40···(4)

1.1<N34n/N34p<1.3···(5).

以下描述条件式的技术含义。条件式（3）涉及在从广角端到望远端变焦期间第二透镜单元L2的移动量与在从广角端到望远端变焦期间第三透镜单元L3的移动量之间的比。

如果第二透镜单元L2的移动量减小而第三透镜单元L3的移动量增大，并且条件式（3）的上限被超出，则第三透镜单元L3上的变倍的负担增大。但是，与第二透镜单元L2相比，第三透镜单元L3对于变倍的贡献较小。因此，难以获得高变焦比。另一方面，如果第三透镜单元L3的移动量减小并且下限被超出，则在变焦期间，入射光瞳位置的移动量由于第三透镜单元L3的移动而减小。这使得难以减小前透镜有效直径和拓宽视角。

条件式（4）涉及第一透镜单元L1中的最接近像侧的正透镜G1pr的材料的折射率与第一透镜单元L1中的除最接近像侧的正透镜G1pr之外的正透镜的材料的折射率的均值之间的比。在第一透镜单元L1中，通过透镜的光与光轴之间的角度在最接近像侧的正透镜G1pr中最大。因此，当使得第一透镜单元L1中的最接近像侧的正透镜G1pr较薄时，物侧的透镜表面和像侧的透镜表面之间的光有效直径差较小。这有助于减小前透镜有效直径。

但是，如果第一透镜单元L1中的最接近像侧的正透镜G1pr的折光力被削弱，则光将以在物侧更多地与光轴成陡角度地通过的方式结束，使得前透镜有效直径增大。对于较小的前透镜有效直径，有效地是增加第一透镜单元L1中的最接近像侧的正透镜G1pr的材料的折射率以增大透镜表面的曲率半径，并且在预定位置处维持折光力的同时使得透镜较薄。

如果超出条件式（4）的上限，则有利地是减小前透镜有效直径，但是Petzval和增大以及像场弯曲难以被校正。另一方面，如果超出下限，则前透镜有效直径增大。

条件式（5）限定了第三透镜单元L3和第四透镜单元L4中的负透镜的材料的折射率的均值与第三透镜单元L3和第四透镜单元L4中的正透镜的材料的折射率的均值之间的比。如果正透镜的材料的折射率减小并且条件式（5）的上限被超出，则透镜表面的曲率半径减小，导致许多高次像差。每波长的球面像差、彗形像差等难以被校正。另一方面，如果下限被超出，则球面像差在广角端增大，并且像场弯曲在变焦期间也更变化更大，它们难以被校正。还希望如下地指定条件式（1）至（5）的数值范围。

-4.85<m2/f2<-3.80···(1a)

-2.00<f2/fw<-1.55···(2a)

-23.5<m2/m3<-5.5···(3a)

1.08<N1pr/N1pf<1.35···(4a)

1.15<N34n/N34p<1.25···(5a).

在根据本发明的变焦透镜中，第一透镜单元L1希望地包括一个负透镜以及至多三个正透镜。

当减小具有宽视角和高变焦比的变焦透镜中的前透镜有效直径时，在物侧布置具有与宽转换器相同的结构的第一透镜单元L1的方法可用于如下变焦类型，在该变焦类型中，从第二透镜单元L2以来的透镜单元的复合焦距长。但是，此方法增大了总透镜长度，并且还增加了第一透镜单元L1的重量。

因此，在根据本发明的变焦透镜中，第一透镜单元L1具有上述结构以在最小化总透镜长度的增大以及第一透镜单元L1的重量的同时减小前透镜有效直径。尤其希望地是，第一透镜单元L1包括用于消色差的一个负透镜以及用于主要在望远端的球面像差、彗形像差、轴向色差等的校正的至多三个正透镜。在根据本发明的变焦透镜中，孔径光阑SP被设置在第二透镜单元L2和第三透镜单元L3之间，并且孔径光阑SP在变焦期间不移动。

在根据本发明的四单元变焦透镜中，孔径光阑SP可设置在第二透镜单元L2和第三透镜单元L3之间或者设置在第三透镜单元L3中，以便即使孔径光阑SP的光阑直径减小仍允许离轴光线通过光阑。但是，在变焦期间移动孔径光阑SP需要更多的致动器或者更大的透镜筒。

鉴于此，在根据本发明的变焦透镜中，孔径光阑SP被设置在第二透镜单元L2和第三透镜单元L3之间，并且孔径光阑SP在变焦期间不移动。

如上所述，根据各实施例，容易实现采用少量透镜的具有令人满意的光学性能和高的变焦比的变焦透镜，即使考虑制造误差也是如此。

以下描述各透镜单元的透镜结构。第一透镜单元L1包括其中负透镜（具有负折光力的透镜）和正透镜（具有正折光力的透镜）胶合在一起的胶合透镜，以及其物侧表面为凸形的至少一个正弯月形透镜。在各实施例中的变焦透镜中，第一透镜单元L1的折光力增大以减小整个***的尺寸。当增大折光力时，在第一透镜单元L1中频繁出现各种像差。特别地，在望远侧频繁出现球面像差。因此，第一透镜单元L1的正折光力由该胶合透镜和该至少一个正透镜分担，从而减小这些各种像差。

第二透镜单元L2的在像侧的折光力的绝对值高于在物侧的折光力的绝对值，并且包括四个独立的透镜，即其像侧透镜表面为凹形的负透镜、两个负透镜和一个正透镜。在各实施例中的变焦透镜中，第二透镜单元L2的折光力增大以在确保广角端的宽视角的同时减小第一透镜单元L1的有效直径。

当增大第二透镜单元L2的折光力时，在第二透镜单元L2中频繁出现各种像差。特别地，在广角侧频繁出现像场弯曲和横向色差。在各实施例中，第二透镜单元L2的负折光力由三个负透镜分担。另外，通过正透镜减小横向色差。这样的透镜结构使得能够在宽视角的情况下实现较小的前透镜有效直径以及高光学性能。

第三透镜单元L3包括物侧透镜表面为凹形的正透镜、负透镜和正透镜。在各实施例的变焦透镜中，第三透镜单元L3的折光力被增大以减小变焦期间的移动量（位置差），同时减小广角端处的总透镜长度。当增大折光力时，在第三透镜单元L3中频繁出现各种像差。特别地，频繁出现轴向色差和彗形像差。

因此，第三透镜单元L3的折光力被负透镜和两个正透镜分担，并且从物侧起的第一正透镜的一个透镜表面也为非球面形以减小彗形像差。此外，使用低色散材料（其阿贝数大于或等于70）作为从物侧起的第二正透镜的材料，以减小轴向色差。

第四透镜单元L4包括其中正透镜和负透镜胶合在一起的胶合透镜。在各实施例中，第四透镜单元L4的胶合透镜结构减小了变焦期间的横向色差以及像场弯曲变化。

在各实施例中，各透镜单元的上述结构使得能够获得如下这样的变焦透镜，该变焦透镜的整个***小并且支持在广角端的宽视角（即，65°到72°的成像视角）以及高变焦比（即，大约19到30的变焦比）。当各实施例中的变焦透镜用于图像拾取设备中时，可通过电气图像处理来校正来自各种像差中的畸变像差。特别地，通过将广角侧的图像拾取范围相对于最大图像拾取范围设定为小并且校正上述畸变像差,可容易地减小前透镜有效直径。

在根据本发明的变焦透镜中，广角端的有效图像直径可小于望远端的有效图像直径。

下文示出分别对应于实施例1至4的数值例1至4。在各数值例中，i指示从物侧起的表面的顺序位置，ri指示第i表面的曲率半径，di指示第i表面与第（i+1）表面之间的间隔，并且ndi和νdi分别指示相对于d线的第i光学部件的材料的折射率和阿贝数。

在数值例1至4中，最接近像侧的两个表面均是对应于光学块的平面。BF指示后焦距，其是从最后透镜表面到像面的空气换算距离。关于非球面，设X为相对于表面顶点在距光轴的高度H处在光轴方向上的位移。光行进方向被设定为正。设R为旁轴曲率半径，k是圆锥常数，并且A4和A6是非球面系数。在此情况中，X由下式给出。

这里，*指示具有非球面形状的表面，并且“e-x”指示10^-x。视角被以tan^-1（y/f）计算，其中y是像高而f是焦距。表1示出上述条件式与数值例中的数值之间的关系。

(数值例1)

单位mm

表面数据

非球面数据

第十五表面

K=-1.03637e+000A4=5.15644e-005A6=8.02003e-008

第十九表面

K=-7.32904e-001A4=-2.11685e-005A6=5.90416e-007

各种数据

变焦透镜单元数据

(数值例2)

单位mm

表面数据

非球面数据

第十七表面

K=-2.48235e-001A4=-1.62827e-005A6=-1.20469e-007

第二十一表面

K=-5.88650e+000A4=3.74746e-005A6=-5.23611e-007

各种数据

变焦透镜单元数据

(数值例3)

单位mm

表面数据

非球面数据

第十七表面

K=-4.50803e-001A4=-1.33946e-005A6=-2.84777e-007

第二十一表面

K=-1.31826e+000A4=2.06647e-005A6=1.32008e-006

各种数据

变焦透镜单元数据

(数值例4)

单位mm

表面数据

非球面数据

第十七表面

K=-3.95101e-001A4=-7.22781e-006A6=-1.67185e-007

第二十一表面

K=-1.49619e+000A4=-5.51867e-007A6=7.68037e-007

各种数据

变焦透镜单元数据

表1

下文参照图9描述使用根据本发明的变焦透镜作为成像光学***的图像拾取设备的示例（视频照相机）。

在图9中，视频照相机主体10是视频照相机的主体。成像光学***11包括在实施例1至4中任一个中描述的变焦透镜。诸如CCD传感器或CMOS传感器的固态图像拾取元件12被包括在照相机主体中，并且接收通过成像光学***11形成的对象图像。存储器13记录对应于通过固态图像拾取元件12光电转换的对象图像的信息。电子取景器14被用于观察通过固态图像拾取元件12光电转换的对象图像。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的变型以及等同的结构和功能。

Claims (7)

1.一种变焦透镜，所述变焦透镜从物侧到像侧依次包括：

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；以及

具有正折光力的第四透镜单元，

其中在变焦期间，所述第一透镜单元不移动，并且第二透镜单元、第三透镜单元和第四透镜单元移动以改变相邻透镜单元之间的间隔，并且

其中，满足以下条件式

-4.9＜m2/f2＜-3.7

-2.0＜f2/fw＜-1.5

-25.0＜m2/m3＜-5.5

这里，m2是从广角端到望远端变焦期间的第二透镜单元的移动量，m3是从广角端到望远端变焦期间的第三透镜单元的移动量，f2是第二透镜单元的焦距，并且fw是整个变焦透镜在广角端的焦距。

2.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，第一透镜单元包括一个负透镜和至多三个正透镜。

3.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，第二透镜单元从物侧到像侧依次包括负透镜、负透镜、负透镜和正透镜。

4.根据权利要求1所述的变焦透镜，包括：

设置在第二透镜单元和第三透镜单元之间的孔径光阑，

其中，所述孔径光阑在变焦期间不移动。

5.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，满足以下条件式

1.05＜N1pr/N1pf＜1.40

这里，第一透镜单元包括最接近像侧的具有正折光力的透镜G1pr，N1pr是透镜G1pr的材料的折射率，并且N1pf是第一透镜单元中的除透镜G1pr之外的具有正折光力的透镜的材料的折射率的均值。

6.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，满足以下条件式

1.1＜N34n/N34p＜1.3

这里，N34n是第三透镜单元和第四透镜单元中包括的负透镜的材料的折射率的均值，并且N34p是第三透镜单元和第四透镜单元中包括的正透镜的材料的折射率的均值。

7.一种图像拾取设备，包括：

根据权利要求1-6中任一项所述的变焦透镜；以及

用于接收通过所述变焦透镜形成的图像的图像拾取元件。