CN104101991A - 变焦透镜和包含变焦透镜的图像拾取装置 - Google Patents

变焦透镜和包含变焦透镜的图像拾取装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及变焦透镜和包含变焦透镜的图像拾取装置。变焦透镜从物侧到像面侧依次包含具有正、负、正、负和正的折光力的第一至第五透镜单元。至少第二透镜单元和第四透镜单元在变焦期间移动，使得：在望远端，与广角端相比，第一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔增大，第二透镜单元与第三透镜单元之间的间隔减小，第三透镜单元与第四透镜单元之间的间隔改变，以及第四透镜单元与第五透镜单元之间的间隔增大，并且第五透镜单元不移动。变焦透镜还在第四透镜单元与第五透镜单元之间包含用于弯曲光路的反射单元。

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，并适合于例如视频照相机、数字静物照相机、监视照相机、TV照相机和银卤化物摄影照相机。
背景技术
包含于图像拾取装置中的成像光学***要求高变焦比、在整个变焦范围之上的高光学性能、小尺寸、以及照相机的前后方向上的小厚度。为了减小照相机的厚度，在光路上布置将成像光学***的光轴弯曲90°的反射单元（反射镜构件和棱镜构件之一）的折叠变焦透镜已经是已知的。
日本专利申请公开No.H10-020191公开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和具有正折光力的第四透镜单元的变焦透镜。在该变焦透镜中，第二透镜单元和第四透镜单元在变焦期间移动，并且弯曲光路的反射单元被布置在第三透镜单元与第四透镜单元之间。
日本专利申请公开No.2007-279541公开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和具有正折光力的第四透镜单元的变焦透镜。在该变焦透镜中，第一透镜单元和第三透镜单元在变焦期间移动，并且用于弯曲光路的反射单元被布置在第二透镜单元与第三透镜单元之间。
日本专利申请公开No.2008-191291公开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变焦透镜。该变焦透镜在第一透镜单元和第二透镜单元之一中具有弯曲光路的反射单元。
为了实现在实现高变焦比的同时允许减小照相机厚度并在整个变焦范围之上具有高光学性能的变焦透镜，适当地设定光路中的反射单元的位置、变焦透镜的透镜配置、以及可变倍率透镜单元的折光力和移动条件是重要的。
常规上，在许多折叠变焦透镜中，为了减小照相机的厚度，在透镜***的前侧（接近物体侧）布置反射单元。由此，可减小透镜***的深度方向上的尺度。但是，在反射单元之后（像侧），在与进入透镜***的入射光轴垂直的方向上需要用于容纳包含移动透镜单元的多个透镜单元的大空间。由此，难以将该配置应用于具有难以确保足够空间的配置的图像拾取装置。
作为这种图像拾取装置，例如，在手掌竖立且手指包绕照相机的状态中被保持的视频照相机已经是已知的。另一例子是包含被容纳于共用机架中的镜筒的监视照相机，该共用机架具有像长方体的形状，用于允许在具有不同规格的透镜之间共用壳体和摇摄-倾斜（pan-tilt）驱动机构。
由此，为了允许向各种图像拾取装置应用折叠变焦透镜并为了在应用于照相机的情况下减小厚度，适当地选择变焦类型并设定光路上的反射单元的位置是重要的。如果这些配置不合适，那么各种像差在变焦期间大大改变，并且难以实现高变焦比并减小整个透镜***的厚度。
发明内容
本发明的变焦透镜从物侧到像面侧依次包含：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；以及具有正折光力的第五透镜单元，其中，至少第二透镜单元和第四透镜单元在变焦期间移动，使得：在望远端，与广角端相比，第一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔增大，第二透镜单元与第三透镜单元之间的间隔减小，第三透镜单元与第四透镜单元之间的间隔改变，以及第四透镜单元与第五透镜单元之间的间隔增大，并且第五透镜单元不移动，以及所述变焦透镜还在第四透镜单元与第五透镜单元之间包含用于弯曲光路的反射单元。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得明显。
附图说明
图1是本发明实施例1的广角端的透镜截面图。
图2A是与本发明实施例1对应的数值例1的广角端的像差图。
图2B是与本发明实施例1对应的数值例1的中间变焦位置的像差图。
图2C是与本发明实施例1对应的数值例1的望远端的像差图。
图3是本发明实施例2的广角端的透镜截面图。
图4A是与本发明实施例2对应的数值例2的广角端的像差图。
图4B是与本发明实施例2对应的数值例2的中间变焦位置的像差图。
图4C是与本发明实施例2对应的数值例2的望远端的像差图。
图5是本发明实施例3的广角端的透镜截面图。
图6A是与本发明实施例3对应的数值例3的广角端的像差图。
图6B是与本发明实施例3对应的数值例3的中间变焦位置的像差图。
图6C是与本发明实施例3对应的数值例3的望远端的像差图。
图7是本发明实施例4的广角端的透镜截面图。
图8A是与本发明实施例4对应的数值例4的广角端的像差图。
图8B是与本发明实施例4对应的数值例4的中间变焦位置的像差图。
图8C是与本发明实施例4对应的数值例4的望远端的像差图。
图9是本发明实施例5的广角端的透镜截面图。
图10A是与本发明实施例5对应的数值例5的广角端的像差图。
图10B是与本发明实施例5对应的数值例5的中间变焦位置的像差图。
图10C是与本发明实施例5对应的数值例5的望远端的像差图。
图11是本发明实施例1的变焦透镜的透镜截面图。
图12是本发明的图像拾取装置的要部示意图。
具体实施方式
现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。
以下描述本发明的变焦透镜和包含变焦透镜的图像拾取装置。本发明的变焦透镜从物侧到像面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。
与广角端相比，在望远端，第一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔增大，第二透镜单元与第三透镜单元之间的间隔减小，并且第三透镜单元与第四透镜单元之间的间隔变动。并且，至少第二透镜单元和第四透镜单元在变焦期间移动，以增大第四透镜单元与第五透镜单元之间的间隔。第五透镜单元不移动。在第四透镜单元与第五透镜单元之间设置用于弯曲光路的反射单元。
图1是本发明实施例1的变焦透镜的广角端（短焦距端）的透镜截面图。图2A、图2B和图2C是实施例1的变焦透镜分别在广角端、中间变焦位置和望远端（长焦距端）的像差图。图3是本发明实施例2的变焦透镜在广角端的透镜截面图。图4A、图4B和图4C是实施例2的变焦透镜分别在广角端、中间变焦位置和望远端的像差图。
图5是本发明实施例3的变焦透镜在广角端的透镜截面图。图6A、图6B和图6C是实施例3的变焦透镜分别在广角端、中间变焦位置和望远端的像差图。图7是本发明实施例4的变焦透镜在广角端的透镜截面图。图8A、图8B和图8C是实施例4的变焦透镜分别在广角端、中间变焦位置和望远端的像差图。图9是本发明实施例5的变焦透镜在广角端的透镜截面图。图10A、图10B和图10C是实施例5的变焦透镜分别在广角端、中间变焦位置和望远端的像差图。
每个实施例采用内部反射棱镜作为反射单元。通过在棱镜中提供的内部反射表面，光路被弯曲90度。但是，为了方便的目的，每个透镜截面图示出光路未被折叠的状态。
图11是在本发明实施例1中通过反射单元（棱镜）的内部反射表面使光路弯曲90度的情况下的透镜截面图。图12是包含本发明的变焦透镜的照相机（图像拾取装置）的要部示意图。每个实施例的变焦透镜是包含于诸如视频照相机、数字照相机或银卤化物胶片照相机的图像拾取装置（照相机）中的成像透镜***。
在透镜截面图中，左方向代表对象侧（物侧）（前方），而右方向代表像侧（后方）。在透镜截面图中，i表示从物侧起的透镜单元的顺序。Li表示第i个透镜单元。孔径光阑SP调节F数光束（light flux）。反射单元PR是包含内部反射表面、处于光路上、并使光路弯曲90度左右（±10度）的棱镜。反射单元PR可以是反射镜而不是棱镜。光学块G与光学滤波器、面板（faceplate）、石英低通滤波器和红外截止滤波器对应。
在像面IP上，在被用作视频照相机和数字静物照相机中的任一个的成像光学***的情况下，设置诸如CCD传感器或CMOS传感器的固体图像拾取元件（光电转换元件）的图像拾取平面，或者，在银卤化物胶片照相机的情况下，设置与胶片表面对应的感光表面。在像差图之中的球面像差图中，实线d和交替的长及两短划线g分别代表d线和g线。在像散图中，虚线ΔM和实线ΔS分别代表子午像面和弧矢像面。
横向色差由g线代表。还示出半视角ω（成像视角的值的一半）（度）和F数Fno。在每个实施例中，广角端和望远端是可变倍率透镜单元被设置在光轴上机械可移动范围的各端时的变焦位置。
本发明的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、具有负折光力的第四透镜单元L4和具有正折光力的第五透镜单元L5。
在从广角端到望远端的变焦期间，如箭头所示，至少第二透镜单元L2向图像移动并且第四透镜单元L4非直线（nonlinearly）移动，由此执行变焦。与第四透镜单元L4有关的实线的曲线4a和虚线的曲线4b分别代表用于校正由于被聚焦于无限远和近距离的情况下的倍率变动所导致的像面变动的移动轨迹。在光轴上移动第四透镜单元L4以执行聚焦的后聚焦***被采用。在望远端，为了从无限远到近距离聚焦，如箭头4c所示，第四透镜单元L4向后偏移。
该配置实现高变焦比，同时减小整个***的尺寸。例如，与包含具有正、负、正和正的折光力的第一到第四透镜单元的四组变焦透镜相比，本发明将具有发挥发散效果的负折光力的透镜单元布置为比孔径光阑更接近像面。该配置特别有助于减小前透镜有效直径的尺寸，并增加用于校正像差的灵活性以由此有助于实现高变焦比。
在每个实施例中，至少第二透镜单元L2和第四透镜单元L4被移动以实现变焦。这里，与在广角端相比，在望远端，第一透镜单元L1与第二透镜单元L2之间的间隔变宽，并且第二透镜单元L2与第三透镜单元L3之间的间隔变窄；第三透镜单元L3与第四透镜单元L4之间的间隔变动，并且第四透镜单元L4与第五透镜单元L5之间的间隔因此增大。第五透镜单元L5在变焦期间不移动。具有正折光力的第五透镜单元L5由此被布置为比像面更接近物体，从而改善远心性（telecentricity）。
用于弯曲光路的反射单元PR被设置在第四透镜单元L4与第五透镜单元L5之间。反射单元PR使光路弯曲90°左右，由此减小进入透镜***的入射光轴方向上的尺寸。关于傍轴折光力布置，第四透镜单元L4与第五透镜单元L5之间的间隔的增大可减小第三透镜单元L3、第四透镜单元L4和第五透镜单元L5的折光力，由此有助于像差校正。
由此，第四透镜单元L4与第五透镜单元L5之间的光轴上的间隔被增大，并且反射单元PR被布置于其空间中，由此实现高变焦比和变焦透镜的尺寸的减小。具有负折光力的第四透镜单元L4被布置于具有正折光力的第三透镜单元L3和具有正折光力的第五透镜单元L5之间，由此将通过第四透镜单元L4的近旁的轴上光束的入射高度和进入透镜表面中的轴外光束的入射高度抑制为低。
该布置减小反射单元PR的有效直径，并有助于整个***的尺寸的减小。反射单元PR可以是具有内部反射表面的棱镜和反射镜之一。与大的元件相比，小的棱镜或小的反射镜可更容易地实现高的表面精度和角精度。在与反射构件PR相比更接近图像侧，第五透镜单元L5和图像拾取平面被布置在与变焦透镜的入射光轴垂直或者基本上垂直的方向上。这些部件具有相对小的有效直径，这允许变焦透镜的光轴上的空间小。
同时，与变焦透镜的入射光轴垂直或者基本上垂直的方向上的光路长度是第五透镜单元L5的光轴方向上的厚度与其前后间隔的相加，这使得不需要大的空间。在许多情况下，根据本发明的五组配置变焦类型的变焦透镜的镜筒的外径由具有最大有效直径的第一透镜单元L1的前透镜有效直径限定。
根据本发明，可易于将镜筒的与变焦透镜的入射光轴垂直的方向上的突出抑制为小。在每个实施例中，在从无限远到近距离聚焦期间，如箭头4c所示，具有负折光力的第四透镜单元向像面移动。采用轻重量的第四透镜单元L4作为聚焦透镜单元，由此有助于快速聚焦。
根据本发明，以上的配置实现这样的变焦透镜：整个***的尺寸小并具有高变焦比，并且在整个变焦范围之上实现高光学性能。在每个实施例中，实现以下条件中的至少一个是合适的。
整个***的焦距fw和ft分别处于广角端和望远端。f1、f2、f3、f4和f5分别是第一透镜单元L1、第二透镜单元L2、第三透镜单元L3、第四透镜单元L4和第五透镜单元L5的焦距。从广角端到望远端的变焦期间第四透镜单元L4与第五透镜单元L5之间的间隔的最小值是D45min。这里，用于聚焦的第四透镜单元L4处于用于聚焦于无限远的位置处。在反射单元PR是棱镜构件的情况下，反射单元PR的出射表面与像面之间的间隔是Dpi，并且望远端的透镜总长度（从第一透镜表面到像面的距离）是Lt。
这里，在反射单元是棱镜构件的情况下，间隔Dpi是从棱镜构件的出射表面到像面的距离。在反射单元是反射镜的情况下，该间隔是从自反射镜的有效反射表面的像侧的端部的垂线与光轴的交点到像面的距离。半径Ymax针对由变焦透镜形成的各变焦位置处的有效图像直径之中的最大有效图像直径。m2是从广角端到望远端的变焦期间的第二透镜单元L2的移动量。
这里，从广角端到望远端的变焦期间的透镜单元的移动量是在广角端与望远端的光轴方向上的透镜单元的位置之间的差。透镜单元被设置为在望远端比在广角端更接近图像的情况下，位置差的符号为正；在望远端比在广角端更接近物体的设置的情况下，该符号为负。β2w和β2t分别是第二透镜单元L2在广角端和望远端的横向倍率。第二透镜单元L2包含至少一个正透镜。其中的至少一个正透镜的材料对d线具有阿贝数νd2。这里，满足以下的条件式中的至少一个是合适的。
0.8<-f3/f4<1.5......(1)
0.02<-f4/ft<0.12......(2)
0.4<f3/f5<1.1......(3)
2.0<D45min/fw<3.5......(4)
0.03<Dpi/Lt<0.40.......(5)
0.03<Ymax/|m2|<0.15.......(6)
0.02<-f2/ft<0.07......(7)
8.0<f1/fw<20.0......(8)
20<β2t/β2w<70......(9)
0.40<-f4/f5<0.95......(10)
0.06<f5/ft<0.15......(11)
10.0<vd2<20.0......(12)
接下来，描述以上的条件式的技术含义。条件式（1）限定被布置为比反射单元PR更接近物体的具有正折光力的第三透镜单元L3和具有负折光力的第四透镜单元L4之间的折光力分配。如果与第三透镜单元L3的焦距的绝对值相比第四透镜单元L4的焦距的绝对值变得太低（负折光力变强）从而超出条件式（1）的上限，那么对轴外光线的发散效果变强。因此，反射单元PR上的轴外光线的入射高度增大。由此，反射单元PR所需要的有效直径变得太大，这增大整个***的尺寸。
相反，如果与第三透镜单元L3的焦距的绝对值相比第四透镜单元L4的焦距的绝对值变得太高（负折光力变弱）从而达不到条件式（1）的下限，那么第四透镜单元L4的倍率变动所导致的像面校正和聚焦期间的位置灵敏度变低。结果，变焦和聚焦期间的第四透镜单元L4的移动行程变得太大，因此需要预先确保对于反射单元PR的空间大，这使得难以减小透镜总长度。
条件式（2）限定第四透镜单元L4的负折光力。如果第四透镜单元L4的焦距的绝对值变得太高（负折光力变弱）从而超出条件式（2）的上限，那么第四透镜单元L4的变焦和聚焦期间的移动行程变大。因此，需要预先确保与反射单元PR的间隔大，这增大透镜总长度的尺寸。相反，如果第四透镜单元L4的焦距的绝对值变得太低（负折光力变强）从而达不到条件式（2）的下限，那么由于聚焦导致的诸如横向色差、像面弯曲和像散的各种像差的变动变大。
条件式（3）限定被布置为比孔径光阑SP更接近图像的具有正折光力的第三透镜单元L3与具有正折光力的第五透镜单元L5之间的折光力分配。第三透镜单元L3是被布置为比孔径光阑SP更接近图像但与孔径光阑SP相邻的透镜单元。因此，该组具有校正轴上光线和轴外光线两者的像差的责任。同时，第五透镜单元L5是被布置为比像面更接近物体但与像面相邻的透镜单元。因此，在整个变焦范围之上，与轴上光线相比，轴外光线通过更高的位置。因此，第五透镜单元L5基本上对像面用作场透镜（field lens）。
如果第五透镜单元L5的折光力分配变得比第三透镜单元L3的分配高得多从而超出条件式（3）的上限，那么对轴外光线的会聚效果在整个变焦范围之上变得太强，并且出射光瞳位置向像面移动。因此，远心性降低。远心性的降低根据图像高度（视角）使布置于像面上的光电转换元件上的入射角大大变动。该变动趋于在输出图像中导致照明不均匀和颜色阴影（color shading）。
相反，如果第三透镜单元L3的折光力分配变得比第五透镜单元L5的分配高得多从而达不到条件式（3）的下限，那么第三透镜单元L3导致大的轴上色差、球面像差、像面弯曲和像散。难以使用其它的透镜单元校正这些像差。
条件式（4）限定变焦期间的第四透镜单元L4与第五透镜单元L5之间的间隔。如果该间隔变得太大从而超出条件式（4）的上限，那么第四透镜单元L4和第五透镜单元L5的折光力可被弱化，这有利于像差校正。但是，透镜总长度变大。相反，如果该间隔变小从而达不到条件式（4）的下限，那么第四透镜单元L4和第五透镜单元L5的折光力变强。诸如横向色差、像面弯曲和像散的各种像差的变动在变焦和聚焦期间增大。
条件式（5）限定反射单元的出射表面与像面之间的间隔。如果该间隔变得太大从而超出条件式（5）的上限，那么第四透镜单元L4和第五透镜单元L5的折光力可被弱化，这有利于像差校正。但是，通过反射单元PR弯曲光路之后的光轴上的光路长度变得太长，这增大透镜***的尺寸。相反，如果该间隔变得太小从而达不到条件式（5）的下限，那么第四透镜单元L4和第五透镜单元L5的折光力变强，并且变焦和聚焦期间的诸如横向色差、像面弯曲和像散的各种像差的变动增大，这是不利的。
条件式（6）限定第二透镜单元L2的变焦行程（移动量）。如果第二透镜单元L2的变焦行程变得太短从而超出条件式（6）的上限，那么要求第二透镜单元L2的折光力强以实现高的变焦比。由此，诸如横向色差、像面弯曲和像散的各种像差的变动在变焦期间增大。相反，如果第二透镜单元L2的变焦行程变得太长从而达不到条件式（6）的下限，那么透镜总长度变长，这使得难以减小整个透镜***的尺寸。
条件式（7）限定第二透镜单元L2的负折光力。如果第二透镜单元L2的焦距的绝对值变得太大（负折光力被弱化）从而超出条件式（7）的上限，那么用于实现高变焦比的第二透镜单元L2的变焦行程变得太长，并且透镜总长度变长。相反，如果第二透镜单元L2的焦距的绝对值变得太小（负折光力强）从而达不到条件式（7）的下限，那么第二透镜单元L2处的诸如横向色差、像面弯曲和像散的各种像差的出现增加。并且，各种像差的变动在变焦期间增大。因此，难以实现高变焦比。
条件式（8）限定第一透镜单元L1的正折光力。如果第一透镜单元L1的焦距变得太长（正折光力被弱化）从而超出条件式（8）的上限，那么第二透镜单元L2在望远端的横向倍率的绝对值变得太小。因此，第二透镜单元L2不能实现足够的可变倍率比。由此难以实现高变焦比。相反，如果第一透镜单元L1的焦距变得太短（正折光力强）从而达不到条件式（8）的下限，那么在望远端和与其相邻的位置处出现大的轴上色差和球面像差，这使得难以实现高的光学性能。
条件式（9）限定第二透镜单元L2的可变倍率比。如果第二透镜单元L2的可变倍率比变得太高从而超出条件式（9）的上限，那么高值对实现高变焦比是有利的。但是，在第二透镜单元L2处根据变焦的诸如横向色差、像面弯曲和像散的各种像差的变动变得太大。因此，变得难以在整个变焦范围中实现高的光学性能。相反，如果第二透镜单元L2的可变倍率比变得太低从而达不到条件式（9）的下限，那么变得难以实现高变焦比。
条件式（10）限定作为分别比反射单元PR更接近物体和更接近图像的两个透镜单元的第四透镜单元L4和第五透镜单元L5的折光力。如果与第五透镜单元L5的焦距相比第四透镜单元L4的焦距的绝对值变得高得多（负折光力被弱化）从而超出条件式（10）的上限，那么通过反射单元PR的轴外光线的入射高度增大，这继而又增大反射单元PR的尺寸。并且，第四透镜单元L4的像面校正和聚焦所需要的移动量变得太大。因此，变得难以减小整个透镜***的尺寸。
相反，如果与第五透镜单元L5的焦距相比第四透镜单元L4的焦距的绝对值变得低得多(负折光力变强)从而达不到条件式(10)的下限，那么由于以下原因，这是不利的。根据变焦和聚焦的诸如横向色差、像面弯曲和像散的各种像差的变动变得太大。因此，变得难以实现高变焦比。
条件式(11)限定第五透镜单元L5的正折光力。如果第五透镜单元L5的焦距变得太长(正折光力被弱化)从而超出条件式(11)的上限，那么变得难以给轴外光线施加足够的会聚效果，并且远心性降低。如果第五透镜单元L5的焦距变得太短(正折光力变强)从而达不到条件式(11)的下限，那么第五透镜单元L5大大导致诸如横向色差、像面弯曲和像散的各种像差。因此，变得难以使另一透镜单元校正这些各种像差。
条件式(12)限定包含于第二透镜单元L2中的正透镜的材料。如果该正透镜的材料的对于d线的阿贝数变得太高(色散(dispersion)变小)从而超出条件式(12)的上限，那么由第二透镜单元L2的负透镜导致的负横向色差的校正变得不足。因此，变得难以实现高变焦比。相反，如果该正透镜的材料的对于d线的阿贝数变得太小(色散变大)从而达不到条件式(12)的下限，那么由第二透镜单元L2的负透镜导致的负横向色差被过度校正。因此，变得难以实现高变焦比。如下设定条件式(1)至(12)的数值范围是更合适的。
0.9<-f3／f4<1.4......(1a)
0.03<-f4／ft<0.10......(2a)
0.5<f3／f5<1.0......(3a)
2.2<D45min／fw<3.2......(4a)
0.06<Dpi／Lt<0.30......(5a)
0.05<Ymax／|m2|<0.12......(6a)
0.025<-f2／ft<0.065......(7a)
9.0<f1／fw<17.0......(8a)
25<β2t／β2w<60......(9a)
0.50<-f4／f5<0.85......(10a)
0.07<f5／ft<0.13......(11a)
12.0<vd2<21.0......(12a)
并且，如果如下设定条件式(1a)至(12a)的数值范围，则可确保发挥各条件式所意图的有利效果。
1.0<-f3／f4<1.3......(1b)
0.04<-f4／ft<0.09......(2b)
0.6<f3／f5<0.9......(3b)
2.4<D45min／fw<3.0......(4b)
0.08<Dpi／Lt<0.25......(5b)
0.07<Ymax／|m2|<0.10......(6b)
0.03<-f2／ft<0.06......(7b)
9.5<f1／fw<15.0......(8b)
28<β2t／β2w<50......(9b)
0.55<-f4／f5<0.80......(10b)
0.08<f5／ft<0.12......(11b)
13.0<vd2<19.0......(12b)
接下来，描述各实施例的透镜配置的特性。
第四透镜单元L4被设置在具有正折光力的第三透镜单元L3与具有正折光力的第五透镜单元L5之间。透镜表面上的轴上光线和轴外光线的入射高度均通过低位置。因此，第四透镜单元L4可具有相对大的折光力。结果，第四透镜单元L4可具有大的横向倍率和短的聚焦行程(用于聚焦的移动量)，由此有助于减小透镜总长度。
第四透镜单元L4由一个透镜部件(单个透镜和其中将多个透镜接合(cement)在一起的接合透镜之一)制成。这种配置可减小聚焦所需要的驱动扭矩。因此，可采用较小的致动器，由此有助于减小整个透镜***的尺寸。第四透镜单元L4是包含被接合在一起的一个正透镜和一个负透镜的接合透镜是合适的。该配置有助于减小根据聚焦的诸如横向色差和像面弯曲的像差的变动。
第五透镜单元L5由一个透镜部件构成。这种配置可减小通过反射构件PR弯曲光轴之后的光路长度，并有助于透镜***的尺寸的减小。第五透镜单元L5是包含被接合在一起的一个正透镜和一个负透镜的接合透镜是合适的。该配置有助于减小横向色差。
接下来，描述各实施例的具体透镜配置的特性。还描述各实施例的透镜配置。除非另外规定，否则，在从物侧到像面侧布置部件的假定下描述透镜配置。在每个实施例中，在从广角端到望远端的变焦期间，通过向像面移动第二透镜单元L2来改变倍率，并且通过移动第四透镜单元L4根据倍率变化来校正像面变动并执行聚焦。
在从广角端到望远端的变焦期间，在实施例1、2、3和5中，第一透镜单元L1不移动，而在实施例4中，第一透镜单元L1沿凸向图像的轨迹移动。如果第一透镜单元不可动，那么变焦机构可被简化。作为代替，如果第一透镜单元可移动，那么从广角端到中间变焦范围（在其处限定前透镜有效直径），入射光瞳距离减小，由此有助于前透镜有效直径的尺寸的减小。在从广角端到望远端的变焦期间，在实施例1和4中，第三透镜单元L3不移动，而在实施例2、3和5中，该透镜单元向物体移动。
如果第三透镜单元不可动，那么变焦机构可被简化。作为代替，如果第三透镜单元可移动，那么校正像差的灵活性得到改善，这可适当地校正根据变焦的诸如色差、像面弯曲和像散的各种像差的变动。并且，可容易地确保用于使用第四透镜单元L4聚焦的聚焦行程的空间。孔径光阑SP被布置为比第三透镜单元L3更接近物体。在变焦期间，孔径光阑SP在实施例1和4中不移动，而在实施例2、3和5中与第三透镜单元L3一起向物体移动。
在每个实施例中，孔径光阑SP的孔径光阑直径在变焦期间是可变的，并且从中间变焦位置到望远端截去不必要的闪光（flare），由此有利地保持光学性能，同时实现高变焦比。孔径光阑SP可在变焦期间独立于第三透镜单元L3（沿不同的轨迹）移动。在这种情况下，光阑直径可减小尺寸，并且可有利地在中间变焦位置处遮蔽轴外闪光。
在实施例1、2、3和5中，第一透镜单元L1从物侧到像侧依次包括：包含具有朝向物体的凸表面的弯月形负透镜和具有朝向物体的凸表面的正透镜的接合透镜，所述透镜被接合在一起；以及具有朝向物体的凸表面的两个弯月形正透镜。在实施例4中，第一透镜单元L1从物侧到像侧依次包括：包含具有朝向物体的凸表面的弯月形负透镜和具有朝向物体的凸表面的正透镜的接合透镜，所述透镜被接合在一起；以及具有朝向物体的凸表面的弯月形正透镜。
包含多个正透镜的第一透镜单元L1的配置有利地校正诸如随着高变焦比的实现而增大的望远端的球面像差以及根据变焦而导致的轴上色差和横向色差的各种像差的变动。
在实施例5中，第一透镜单元L1的被布置为最接近图像的正透镜具有更接近物体并具有非球面形状的透镜表面。因此，可抑制根据变焦的像面弯曲和像散的变动，由此有助于实现高变焦比。在实施例1至4中，第二透镜单元L2从物侧到像侧依次包括：具有折光力绝对值比朝向物体的表面的该值高（大）的朝向图像的凹表面的负透镜；双凹形负透镜；以及具有朝向物体的凸表面的正透镜。在实施例5中，第二透镜单元L2从物侧到像侧依次包括：具有折光力绝对值比朝向物体的表面的该值高的朝向图像的凹表面的负透镜；双凹形负透镜；以及包含具有朝向物体的凸表面的正透镜和具有光焦度（power）更强的朝向图像的凹表面的负透镜的接合透镜，所述透镜被接合在一起。
第二透镜单元L2是发挥变动倍率的主要效果的透镜单元，并包含多个负透镜以具有强的负折光力。该配置有效地抑制根据变焦的诸如像面弯曲、像散和横向色差的各种像差的变动。第二透镜单元L2可具有至少一个具有非球面形状的透镜表面。该配置有助于减小根据变焦的诸如像面弯曲和像散的各种像差的变动。
在实施例1至4中，第三透镜单元L3从物侧到像侧依次包括：具有朝向物体的凸表面的正透镜；具有折光力绝对值比朝向物体的表面的该值高的朝向像面的凹表面的负透镜；以及双凸形正透镜。在实施例5中，第三透镜单元L3从物侧到像侧依次包括：具有朝向物体的凸表面的正透镜；包含被接合在一起的具有朝向物体的凸表面的正透镜和负透镜的接合透镜，该负透镜具有折光力绝对值比朝向物体的表面的值高的朝向图像的凹表面；以及双凸形正透镜。
这种具有包含至少两个正透镜和一个负透镜的第三透镜单元L3的配置减小球面像差和轴上色差、以及根据变焦的像面弯曲和像散的变动。在每个实施例中，第三透镜单元L3的最接近物体的正透镜具有非球面表面，这有效地校正球面像差。并且，最接近图像的正透镜具有更接近图像并具有非球面形状的表面，这抑制根据变焦的像面弯曲和像散的变动，并有助于实现高变焦比。
在每个实施例中，第四透镜单元L4是包含被接合在一起的正透镜和负透镜的接合透镜。因此，变焦和聚焦期间的色差、像面弯曲和像散的变动被减小。并且，正透镜和负透镜被接合以配置所述一个透镜部件，这有助于第四透镜单元L4的组装和尺寸减小、以及整个***的尺寸减小。
第五透镜单元L5是包含被接合在一起的正透镜和负透镜的接合透镜。作为替代方案，该透镜单元是包含被接合在一起的负透镜和正透镜的接合透镜。因此，在采用单部件透镜配置的同时，有效地校正对于轴外光线的诸如横向色差、像面弯曲和像散的像差，由此实现第五透镜单元L5的厚度的减小。在每个实施例中，第四透镜单元L4和第五透镜单元L5具有相同次序的正透镜和负透镜，以允许光线依次通过折光力具有不同符号的透镜，由此有效地校正色闪（color flare）。
在每个实施例中，如图11所示，弯曲来自物体的光的反射单元PR***在第四透镜单元L4与第五透镜单元L5之间。反射单元PR是棱镜。作为替代方案，该单元可以是反射镜。棱镜的入射表面和出射表面可具有球面或非球面形状的折光力。该配置可提高校正像差的灵活性。
以上已经描述了本发明的有利的实施例。但是，本发明不限于这些实施例。而是，可在其要旨的范围内作出各种修改和变化。
接下来，参照图12描述采用本发明的变焦透镜作为成像光学***的视频照相机（光学装置）的实施例。
图12示出视频照相机体10、包含实施例1至5中描述的任何变焦透镜的成像光学***11。诸如CCD传感器或CMOS传感器的固体图像拾取元件12（光电转换元件）被嵌入在照相机体中，并接收通过成像光学***11形成的对象图像。监视器13包含用于观看被固体图像拾取元件12光电转换的对象图像的液晶面板。将本发明的变焦透镜这样应用于诸如视频照相机的图像拾取装置可实现小且具有高光学性能的图像拾取装置。
在实施例4中，在广角端周围大大导致负畸变，并且固体图像拾取元件的其成像范围被配置为处于比用于其它变焦位置的范围小的范围内。即，实施例4的变焦透镜的广角端及与其相邻的变焦位置处的有效图像直径（图像高度）比其它变焦位置（望远端）处的有效图像直径（图像高度）小。在图像拾取装置中采用实施例4的变焦透镜的情况下，可通过使用处理固体图像拾取元件的图像数据的信号处理电路电校正所获取的图像信息的畸变，来输出具有小畸变的图像。
在每个实施例中，以上配置可实现整个光学***小并且具有高变焦比以及整个变焦范围之上的高光学性能的变焦透镜。并且，如图11所示，每个实施例的变焦透镜包含弯曲来自物体的光并被布置于第四透镜单元L4与第五透镜单元L5之间的反射构件PR，由此有助于减小照相机的厚度。
接下来，描述与本发明的各实施例1至5对应的数值例1至5。在每个数值例中，光学表面的顺序i从物侧起取。ri是第i个光学表面（第i个）的曲率半径。di是第i个表面与第（i+1）个表面之间的间隔。ndi和νdi是第i个光学构件的材料对d线的折射率和阿贝数。k表示偏心率。A4、A6、A8和A10是非球面系数。x是距光轴高度为h的位置处的光轴方向上的相对于表面顶点的位移。非球面形状被如下表达。
x=(h2/R)/[1+[1-(1+k)(h/R)2]1/2]+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10.
注意，R是傍轴曲率半径。例如，“E-Z”代表“10-Z”。数值例1、2和3中的r24和r25，数值例4中的r22和r23，以及数值例5中的r26和r27表示反射单元的入射表面和出射表面。每个数值例中的最后两个表面是诸如滤波器和面板的光学块的表面。在每个例子中，后焦距（BF）是从最后的透镜表面到傍轴像面的空气中距离。通过将后焦距加到从最接近物体的透镜表面到最后的透镜表面的距离来获取透镜总长度。
在数值例4中，广角端的有效直径（图像高度）小于望远端的有效图像直径（图像高度）。表1描述与每个数值例中的上述条件式的对应关系。
表1
条件式 数值例1 数值例2 数值例3 数值例4 数值例5
(1) 1.15 1.13 1.22 1.03 1.16
(2) 0.0704 0.0750 0.0590 0.0800 0.0507
(3) 0.875 0.808 0.787 0.810 0.688
(4) 2.64 2.73 2.74 2.77 2.89
(5) 0.100 0.116 0.115 0.102 0.185
(6) 0.0844 0.0752 0.0774 0.0844 0.0775
(7) 0.0466 0.0554 0.0444 0.0518 0.0328
(8) 10.27 12.48 12.72 11.76 13.30
(9) 30.06 34.90 46.33 29.87 37.65
(10) 0.761 0.713 0.645 0.784 0.594
(11) 0.093 0.105 0.091 0.102 0.085
(12) 17.5 14.3 16.8 17.5 16.8
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但要理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附的权利要求的范围要被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (18)

1.一种变焦透镜，所述变焦透镜从物侧到像面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，
其中，至少第二透镜单元和第四透镜单元在变焦期间移动，使得：在望远端，与广角端相比，第一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔增大，第二透镜单元与第三透镜单元之间的间隔减小，第三透镜单元与第四透镜单元之间的间隔改变，以及第四透镜单元与第五透镜单元之间的间隔增大，并且第五透镜单元不移动，以及
所述变焦透镜还在第四透镜单元与第五透镜单元之间包含用于弯曲光路的反射单元。
2.根据权利要求1的变焦透镜，其中，满足条件式：
0.8<-f3／f4<1.5
这里，第三透镜单元的焦距是f3，并且第四透镜单元的焦距是f4。
3.根据权利要求1的变焦透镜，其中，满足条件式：
0.02<-f4／ft<0.12
这里，第四透镜单元的焦距是f4，并且整个***在望远端的焦距是ft。
4.根据权利要求1的变焦透镜，其中，满足条件式：
0.4<f3／f5<1.1
这里，第三透镜单元的焦距是f3，并且第五透镜单元的焦距是f5。
5.根据权利要求1的变焦透镜，其中，第四透镜单元在聚焦期间移动。
6.根据权利要求1的变焦透镜，其中，第五透镜单元由一个透镜部件构成。
7.根据权利要求1的变焦透镜，其中，第四透镜单元由一个透镜部件构成。
8.根据权利要求1的变焦透镜，其中，满足条件式：
2.0<D45min／fw<3.5
这里，整个***在广角端的焦距是fw，并且从广角端到望远端的变焦期间的第四透镜单元与第五透镜单元之间的间隔的最小值为D45min。
9.根据权利要求1的变焦透镜，其中，满足条件式：
0.03<Dpi／Lt<0.40
这里，反射单元的出射表面与像面之间的间隔为Dpi，并且望远端的透镜总长度为Lt。
10.根据权利要求1的变焦透镜，其中，满足条件式：
0.03<Ymax／|m2|<0.15
这里，由所述变焦透镜形成的各变焦位置处的有效图像直径之中的最大有效图像直径的半径为Ymax，并且从广角端到望远端的变焦期间的第二透镜单元的移动量为m2。
11.根据权利要求1的变焦透镜，其中，满足条件式。
0.02<-f2／ft<0.07
这里，第二透镜单元的焦距是f2，并且整个***在望远端的焦距是ft。
12.根据权利要求1的变焦透镜，其中，满足条件式：
8.0<f1／fw<20.0
这里，第一透镜单元的焦距是f1，并且整个***在广角端的焦距是fw。
13.根据权利要求1的变焦透镜，其中，满足条件式：
20<β2t／β2w<70
这里，第二透镜单元在广角端的横向倍率为p2w，并且第二透镜单元在望远端的横向倍率为p2t。
14.根据权利要求1的变焦透镜，其中，满足条件式：
0.40<-f4／f5<0.95
这里，第四透镜单元的焦距是f4，并且第五透镜单元的焦距是f5。
15.根据权利要求1的变焦透镜，其中，满足条件式：
0.06<f5／ft<0.15
这里，第五透镜单元的焦距是f5，并且整个***在望远端的焦距是ft。
16.根据权利要求1的变焦透镜，其中，第二透镜单元包含一个或更多个正透镜，并且满足条件式：
10·0<vd2<20.0
这里，至少一个所述正透镜的材料的对于d线的阿贝数为νd2。
17.根据权利要求1的变焦透镜，其中，图像形成在固体图像拾取元件上。
18.一种图像拾取装置，包括：根据权利要求1至17中任一项的变焦透镜；以及接收由所述变焦透镜形成的图像的固体图像拾取元件。
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