CN107918202A - 变焦透镜和包括变焦透镜的图像拾取装置 - Google Patents

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Abstract

提供了变焦透镜和包括变焦透镜的图像拾取装置。一种变焦透镜，按从物侧到像侧的顺序包括：负的第一透镜单元；负的第二透镜单元；以及正的第三透镜单元，其中在变焦期间，第一透镜单元不被移动用于变焦，第二透镜单元和第三透镜单元被移动，并且每对相邻透镜单元之间的间隔在变焦期间被改变，其中第一透镜单元包括至少两个负透镜，并且第一透镜单元的焦距、在广角端变焦透镜的焦距、在望远端变焦透镜的焦距、在广角端在第一透镜单元和第二透镜单元之间的光轴上的间隔以及在广角端的后焦距被适当地设置。

Description

变焦透镜和包括变焦透镜的图像拾取装置
技术领域
本发明涉及变焦透镜，更具体地，涉及适合作为在图像拾取装置(诸如监视照相机、数字照相机、视频照相机和广播摄像机)中使用的图像拾取光学***的变焦透镜。
背景技术
近年来，要在使用图像拾取元件的图像拾取装置中使用的图像拾取光学***需要是能够以各种倍率拍摄图像并且具有允许变焦透镜支持像素数增加(分辨率增大)的图像拾取元件的高光学性能的广角变焦透镜。就增加的清晰度而言，例如，从标准清晰度(SD)分辨率到百万像素分辨率、全高清晰度(HD)分辨率和4K分辨率的过渡已经被加速。因而，要在图像拾取装置中使用的图像拾取光学***需要是允许变焦透镜支持那些高分辨率图像拾取元件的具有高光学性能的变焦透镜。
另外，用于监视照相机的图像拾取光学***需要具有高变焦比和监视时的高自由度，同时使得能够容易地通过一个照相机在广泛的区域上进行图像拍摄(具有增加的视角)。此外，这种图像拾取光学***的整个***需要是紧凑的，使得例如图像拾取光学***可以容易地被安装在室内和室外并且不显眼。作为满足这些需要的变焦透镜，已知有负导型(negative lead type)变焦透镜，在每个负导型变焦透镜中，具有负折光力的透镜单元布置得最靠近物侧(定位成最靠近物侧)(日本专利申请公开No.2013-250338、日本专利申请公开No.2009-25801和日本专利申请公开No.2014-219543)。
在日本专利申请公开No.2013-250338中，公开了一种变焦透镜，该变焦透镜按从物侧到像侧的顺序包括具有负、正、负和正折光力的第一透镜单元至第四透镜单元，其中在变焦期间每个透镜单元被配置为移动并且每对相邻透镜单元之间的间隔被改变。在日本专利申请公开No.2009-25801和日本专利申请公开No.2014-219543中的每个中，公开了一种变焦透镜，该变焦透镜按从物侧到像侧的顺序包括具有负、负、正和正折光力的第一透镜单元至第四透镜单元，其中在变焦期间第二透镜单元和第三透镜单元被配置为移动并且每对相邻透镜单元之间的间隔被改变。
为了实现将高光学性能与小型化的整个透镜***尺寸、增加的视角和增加的变焦比组合的负导型变焦透镜，重要的是适当地设置每个透镜单元的折光力、每个透镜单元的透镜配置以及其它因素。
在其中第一透镜单元被配置为在从广角端变焦到望远端期间移动的负导型变焦透镜的情况下，视角的进一步增加导致第一透镜单元的尺寸的增加。另外，变焦比的增加导致第一透镜单元的移动量的增加，这意味着整个透镜***的尺寸增加。同时，在变焦期间第一透镜单元被配置为不移动的负导型变焦透镜的情况下，有必要适当地选择变倍透镜单元并且设置在变焦期间变倍透镜单元的移动量。否则难以在获得预定变焦比(高变焦比)的同时使整个透镜***小型化。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种变焦透镜，该变焦透镜作为整个透镜***是紧凑的，并且具有宽视角、高变焦比和在整个变焦范围上的高光学性能。
根据本发明的一个实施例，提供了一种变焦透镜，该变焦透镜按从物侧到像侧的顺序包括：具有负折光力的第一透镜单元；具有负折光力的第二透镜单元；以及具有正折光力的第三透镜单元，其中在变焦期间第一透镜单元不被移动用于变焦，第二透镜单元和第三透镜单元被移动，并且每对相邻透镜单元之间的间隔在变焦期间被改变，其中第一透镜单元包括至少两个负透镜，并且其中满足以下条件表达式：
0.70<|f1/(fw×ft)(1/2)|<2.70；以及
0.60<D12w/BFw<5.30，
其中f1表示第一透镜单元的焦距，fw表示变焦透镜在广角端的焦距，ft表示变焦透镜在望远端的焦距，D12w表示在广角端在第一透镜单元和第二透镜单元之间的光轴上的间隔，并且BFw表示在广角端的后焦距。
从以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的另外特征将变得清楚。
附图说明
图1是在根据本发明的实施例1的变焦透镜的广角端的透镜横截面视图和移动轨迹图。
图2A是在实施例1的变焦透镜的广角端的像差图。
图2B是在实施例1的变焦透镜的中间变焦位置处的像差图。
图2C是在实施例1的变焦透镜的望远端的像差图。
图3是在根据本发明的实施例2的变焦透镜的广角端的透镜横截面视图和移动轨迹图。
图4A是在实施例2的变焦透镜的广角端的像差图。
图4B是在实施例2的变焦透镜的中间变焦位置处的像差图。
图4C是在实施例2的变焦透镜的望远端的像差图。
图5是在根据本发明的实施例3的变焦透镜的广角端的透镜横截面视图和移动轨迹图。
图6A是在实施例3的变焦透镜的广角端的像差图。
图6B是在实施例3的变焦透镜的中间变焦位置处的像差图。
图6C是在实施例3的变焦透镜的望远端的像差图。
图7是在根据本发明的实施例4的变焦透镜的广角端的透镜横截面视图和移动轨迹图。
图8A是在实施例4的变焦透镜的广角端的像差图。
图8B是在实施例4的变焦透镜的中间变焦位置处的像差图。
图8C是在实施例4的变焦透镜的望远端的像差图。
图9是在根据本发明的实施例5的变焦透镜的广角端的透镜横截面视图和移动轨迹图。
图10A是在实施例5的变焦透镜的广角端的像差图。
图10B是在实施例5的变焦透镜的中间变焦位置处的像差图。
图10C是在实施例5的变焦透镜的望远端的像差图。
图11是在根据本发明的实施例6的变焦透镜的广角端的透镜横截面视图和移动轨迹图。
图12A是在实施例6的变焦透镜的广角端的像差图。
图12B是在实施例6的变焦透镜的中间变焦位置处的像差图。
图12C是在实施例6的变焦透镜的望远端的像差图。
图13是用于利用附图标记示出在广角端和望远端的透镜横截面的视图。
图14A是本发明在监视照相机中的使用的实施例的视图。
图14B是本发明在监视照相机中的使用的实施例的视图。
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。
现在，描述本发明的变焦透镜和包括变焦透镜的图像拾取装置。本发明的变焦透镜按从物侧到像侧的顺序包括：具有负折光力的第一透镜单元；具有负折光力的第二透镜单元；以及具有正折光力的第三透镜单元。在变焦期间，第一透镜单元被配置为不移动，第二透镜单元和第三透镜单元被配置为移动，并且每对相邻透镜单元之间的间隔被改变。
图1是在根据本发明的实施例1的变焦透镜的广角端(短焦距端)的透镜横截面视图。图2A、图2B和图2C分别是在根据本发明的实施例1的变焦透镜的广角端、中间变焦位置和望远端(长焦距端)的像差图。根据实施例1的变焦透镜具有4.86的变焦比和从1.86至4.28的F数。
图3是在根据本发明的实施例2的变焦透镜的广角端的透镜横截面视图。图4A、图4B和图4C分别是在根据本发明的实施例2的变焦透镜的广角端、中间变焦位置和望远端的像差图。根据实施例2的变焦透镜具有3.90的变焦比和从1.84至3.80的F数。
图5是在根据本发明的实施例3的变焦透镜的广角端的透镜横截面视图。图6A、图6B和图6C分别是在根据本发明的实施例3的变焦透镜的广角端、中间变焦位置和望远端的像差图。根据实施例3的变焦透镜具有2.89的变焦比和从1.67至3.00的F数。
图7是在根据本发明的实施例4的变焦透镜的广角端的透镜横截面视图。图8A、图8B和图8C分别是在根据本发明的实施例4的变焦透镜的广角端、中间变焦位置和望远端的像差图。根据实施例4的变焦透镜具有3.90的变焦比和从1.86至4.63的F数。
图9是在根据本发明的实施例5的变焦透镜的广角端的透镜横截面视图。图10A、图10B和图10C分别是在根据本发明的实施例5的变焦透镜的广角端、中间变焦位置和望远端的像差图。根据实施例5的变焦透镜具有3.94的变焦比和从1.86至4.28的F数。
图11是在根据本发明的实施例6的变焦透镜的广角端的透镜横截面视图。图12A、图12B和图12C分别是在根据本发明的实施例6的变焦透镜的广角端、中间变焦位置和望远端的像差图。根据实施例6的变焦透镜具有5.90的变焦比和从1.82至5.05的F数。
图13是本发明的变焦透镜的透镜单元在广角端和望远端的位置关系的解释视图。图14A和图14B是包括本发明的变焦透镜的图像拾取装置(例如，监视照相机)的示意视图。
每个实施例的变焦透镜是在图像拾取装置中使用的图像拾取光学***。在透镜横截面视图中，左侧是物侧(前侧)，并且右侧是像侧(后侧)。每个实施例的变焦透镜可以用于投影仪或其它光学设备的投影光学***。在这种情况下，左侧是屏幕，并且右侧是要被投影的图像。在透镜横截面视图中，F数确定构件(下文也称为“孔径光阑”)SP具有用于确定(限制)开口(open)F数(Fno)光束的孔径光阑的功能。
光学块G与滤光器(filter)、面板、晶体低通滤光器、红外截止滤光器等对应。当变焦透镜用作视频照相机或数字静态照相机的成像光学***时，固态图像拾取元件(光电变换器)(诸如CCD传感器或CMOS传感器)的图像拾取表面作为像面IP被布置。
实心箭头指示透镜单元用于从广角端变焦到望远端的移动轨迹。关于第二透镜单元L2的实心箭头2a指示当聚焦在无穷远处时用于从广角端变焦到望远端的移动轨迹。而且，虚线箭头2b指示当聚焦在短距离处时从广角端变焦到望远端的的移动轨迹。箭头F指示从无穷远到短距离聚焦的移动方向。
第二透镜单元L2与补偿器透镜单元对应，该补偿器透镜单元被配置为校正伴随变倍的像面变化。广角端和望远端是指当变倍透镜单元定位于其中变倍透镜单元在光轴上可机械移动的范围的端部处的变焦位置。
实施例1、2、3和5中的每一个的变焦透镜按从物侧到像侧的顺序包括具有负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和具有负折光力的第四透镜单元L4。透镜单元被配置为在从广角端变焦到望远端期间如箭头所指示的那样移动。实施例4的变焦透镜按从物侧到像侧的顺序包括具有负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和具有正折光力的第三透镜单元L3。透镜单元被配置为在从广角端变焦到望远端期间如箭头所指示的那样移动。
实施例6的变焦透镜按从物侧到像侧的顺序包括具有负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、具有正折光力的第四透镜单元L4和具有负折光力的第五透镜单元L5。透镜单元被配置为在从广角端变焦到望远端期间如箭头所指示的那样移动。
孔径光阑SP被布置在第三透镜单元L3的物侧，并且被配置为在变焦时与第三透镜单元L3一体地移动。但是，孔径光阑SP可以被配置为独立地移动，这增加了切割耀斑(flarerays)的自由度，因此是优选的。在像差图的球面像差图和横向色差图中，实线d表示d线(587.56nm)，并且虚线g表示g线(435.84nm)。在像散图中，点线ΔM表示d线上的子午像面，并且实线ΔS表示d线上的弧矢像面。畸变相对于d线而被示出。F数由Fno表示，并且半视角(度)由ω表示。
本发明的变焦透镜作为整个透镜***是紧凑的，并且具有宽视角、高变焦比和在整个变焦范围上的高光学性能。本发明的变焦透镜的变焦类型是负导型，其中具有负折光力的透镜单元定位于前方。
相关领域的负导型变焦透镜按从物侧到像侧的顺序包括具有负折光力的第一透镜单元和具有正折光力的第二透镜单元。在许多情况下，第一透镜单元被配置为在变焦期间移动。在这种透镜配置中，视角的增加导致第一透镜单元的有效直径的增加，这增加了用于驱动第一透镜单元的负荷。结果，驱动马达的尺寸增加，因此难以使透镜筒小型化。此外，难以执行高速变焦或聚焦。
与此相反，在本发明中，在具有负折光力的第一透镜单元L1(其被配置为在变焦期间不移动)的像侧，布置有具有负折光力的第二透镜单元L2。第二透镜单元L2充当聚焦透镜单元和被配置为校正由于变焦引起的像面变化的透镜单元(补偿器透镜单元)。
在这种情况下，具有倾向于随着视角增加而增加的有效直径的第一透镜单元L1被配置为在变焦期间不移动，使得作为移动透镜单元的第二透镜单元L2被小型化。此外，用于变焦或聚焦的驱动负荷被减小，这促进马达的小型化和透镜筒的小型化。另外，第一透镜单元L1包括两个或更多个负透镜。利用这种配置，每个透镜表面的曲率被减小，同时维持强的负折光力，使得通过抑制球面像差的生成而获得高光学性能，并且促进视角的增加。
另外，在每个实施例中，第一透镜单元L1的焦距由f1表示。整个透镜***在广角端的焦距由fw表示。整个透镜***在望远端的焦距由ft表示。在广角端在第一透镜单元L1和第二透镜单元L2之间的光轴上的间隔由D12w表示。在广角端的后焦距由BFw表示。在这种情况下，满足以下条件表达式。
0.70<|f1/(fw×ft)(1/2)|<2.70...(1)
0.60<D12w/BFw<5.30...(2)
接下来，参考图13，描述了在本发明的变焦透镜中在广角端和望远端的透镜单元的位置关系以及在变焦期间与移动量相关的数值。在图13中，在广角端，从第一透镜单元L1的最靠近像侧的透镜表面到第二透镜单元L2的最靠近物侧的透镜表面的光轴上的距离由D12w表示。另外，从广角端到望远端第三透镜单元L3的移动量由M3wt表示，并且总透镜长度(从第一透镜表面到像面的按空气换算的距离)由TL表示。
在从广角端变焦到望远端时，作为变倍透镜单元的第三透镜单元L3被配置为朝着物侧单调移动，并且第二透镜单元L2被配置为沿着朝像侧凸出的轨迹移动。在这种情况下，第三透镜单元L3被配置为移动使得第三透镜单元L3的最靠近物侧的表面定位于比在广角端第二透镜单元L2的最靠近物侧的透镜表面更靠近物侧。如上所述，作为主变倍透镜单元的第三透镜单元L3被配置为朝着物侧大大移动，以便与作为补偿器透镜单元的第二透镜单元L2的移动轨迹重叠。以这种方式，在使整个透镜***小型化的同时获得高变焦比。
接下来，描述上面提到的条件表达式的技术含义。条件表达式(1)设置第一透镜单元L1的焦距与整个透镜***在广角端的焦距和整个透镜***在望远端的焦距的乘积之间的关系。第一透镜单元L1具有相对强的负折光力，以增加视角。当第一透镜单元L1的负焦距增加(负焦距的绝对值增加)，并且比率超过条件表达式(1)的上限时，难以获得增加视角的效果。
当第一透镜单元L1的负焦距减小(负焦距的绝对值减小)，并且该比率降至低于条件表达式(1)的下限时，在望远端的球面像差增加，这不是优选的。
条件表达式(2)限定在广角端第一透镜单元L1和第二透镜单元L2之间的间隔(光轴上的距离)与后焦距的比率。为了使整个透镜***小型化并且增加变焦比，有必要适当地设置在广角端第一透镜单元L1和第二透镜单元L2之间的位置关系。后焦距BFw是广角端的从最后透镜表面到像面的按空气换算的距离(玻璃块构件G的长度为按空气换算的长度)。
当第一透镜单元L1和第二透镜单元L2之间的间隔被减小并且比率降至低于条件表达式(2)的下限时，作为补偿器透镜单元的第二透镜单元L2的移动轨迹被限制。结果，难以在变倍时充分确保第二透镜单元L2的移动轨迹，从而导致难以增加变焦比。当第一透镜单元L1和第二透镜单元L2之间的间隔增加并且比率超过条件表达式(2)的上限时，光束的直径大的第一透镜单元L1定位于物侧，因此透镜的有效直径增加，从而导致难以使整个透镜***小型化。
如上所述，根据本发明，获得了以下变焦透镜：该变焦透镜具有60°或更大的图像拾取半视角和2.5的变焦比，因此可以支持具有全HD或4K的像素数的图像拾取元件。
第一透镜单元L1的焦距由f1表示，并且第二透镜单元L2的焦距由f2表示。第三透镜单元L3在从广角端变焦到望远端时的移动量由M3wt表示。在这里，当由于从广角端变焦到望远端的移动，透镜单元定位于在望远端比在广角端更靠近物侧时，透镜单元的移动量的符号为负。另一方面，当透镜单元定位于更靠近像侧时，符号为正。
从第一透镜单元L1的最靠近物侧的透镜表面到第一透镜单元L1的最靠近像侧的透镜表面的距离(透镜单元长度)由TL1G表示。第三透镜单元L3的焦距由f3表示。在广角端第三透镜单元L3的横向倍率由β3w表示，并且在望远端第三透镜单元L3的横向倍率由β3t表示。从最靠近物侧的透镜表面到像面的距离(总透镜长度)由TL表示。在广角端的后焦距由BFw表示。在广角端整个透镜***的焦距由fw表示。在望远端整个透镜***的焦距由ft表示。
在这种情况下，优选的是满足以下条件表达式中的至少一个。
0.10<f1/f2<1.00...(3)
0.50<|M3wt|/f3<3.00...(4)
3.00<TL1G/fw<6.00...(5)
-3.20<f2/f3<-1.20...(6)
0.30<f3/ft<1.00...(7)
5.0<TL/BFw<35.0...(8)
另外，当将本发明的变焦透镜应用于包括图像拾取元件的图像拾取装置时，满足以下条件表达式是优选的。在广角端的图像拾取半视角由ωw表示，并且在望远端的图像拾取半视角由ωt表示。在广角端第三透镜单元L3的横向倍率由β3w表示，并且在望远端第三透镜单元L3的横向倍率由β3t表示。在这种情况下，优选的是满足以下条件表达式。
1.50<(tanωw/tanωt)/(β3t/β3w)<7.00...(9)
接下来描述每个条件表达式的技术含义。条件表达式(3)限定具有相对强的负折光力以增加视角的第一透镜单元L1的焦距与被配置为移动以校正伴随变倍的像面变化并执行聚焦的第二透镜单元L2的焦距之间的关系。当第一透镜单元L1的负焦距增加(负焦距的绝对值增加)，并且比率超过条件表达式(3)的上限时，没有充分获得增加视角的效果，并且透镜的有效直径增加，从而导致难以使整个透镜***小型化。
另外，当第二透镜单元L2的负焦距减小(负焦距的绝对值减小)，并且比率超过条件表达式(3)的上限时，场曲率(curvature of field)增加。当第一透镜单元L1的焦距减小并且比率降至低于条件表达式(3)的下限时，在望远端球面像差增加。另外，当第二透镜单元L2的负焦距增加并且比率降至低于条件表达式(3)的下限时，在从广角端变焦到望远端期间第二透镜单元L2的移动量增加，从而导致难以使整个透镜***小型化。
条件表达式(4)适当地设置在从广角端变焦到望远端时作为主变倍透镜单元的第三透镜单元L3的焦距与第三透镜单元L3的移动量之间的关系。当第三透镜单元L3的焦距相对于第三透镜单元L3的移动量被减小并且比率超过条件表达式(4)的上限时，场曲率和色差在整个变焦范围上增加，并且难以校正那些各种像差。当第三透镜单元L3的焦距相对于第三透镜单元L3的移动量增加并且比率降至低于条件表达式(4)的下限时，变倍透镜单元的正折光力被减弱，从而导致难以增加变焦比。
条件表达式(5)限定第一透镜单元L1的透镜单元长度。当满足条件表达式(5)时，在视角增加的同时像差被令人满意地校正。当第一透镜单元L1的透镜单元长度增加并且比率超过条件表达式(5)的上限时，难以使整个透镜***小型化。当第一透镜单元L1的透镜单元长度减小并且比率降至低于条件表达式(5)的下限时，有必要减小负焦距，以便给予第一透镜单元L1预定的负折光力，其结果是在望远端球面像差增加。
条件表达式(6)设置充当主变倍透镜单元的第三透镜单元L3的焦距与作为聚焦透镜单元需要具有负折光力的第二透镜单元L2的焦距之间的关系。当第二透镜单元L2的负焦距减小并且比率超过条件表达式(6)的上限时，场曲率增加。另外，当执行变倍的第三透镜单元L3的焦距增加太多并且比率超过条件表达式(6)的上限时，在从广角端变焦到望远端期间第三透镜单元L3的移动量增加，从而导致难以使整个透镜***小型化。
当第二透镜单元L2的负焦距增加并且比率降至低于条件表达式(6)的下限时，在从广角端变焦到望远端期间第二透镜单元L2的移动量增加，从而导致难以使整个透镜***小型化。另外，当第三透镜单元L3的焦距减小并且比率降至低于条件表达式(6)的下限时，在整个变焦范围上场曲率和色差增加，并且难以校正那些各种像差。
条件表达式(7)适当地设置执行变倍的第三透镜单元L3的焦距与在望远端整个透镜***的焦距之间的关系，使得在变焦比增加并且整个透镜***被小型化的同时获得令人满意的光学性能。当执行变倍的第三透镜单元L3的焦距增加太多并且比率超过条件表达式(7)的上限时，在从广角端变焦到望远端期间第三透镜单元L3的移动量增加，从而导致难以使整个透镜***小型化。当第三透镜单元L3的焦距减小并且比率降至低于条件表达式(7)的下限时，在整个变焦范围上场曲率和色差增加，并且难以校正那些各种像差。
条件表达式(8)限定在广角端总透镜长度与后焦距的比率。当后焦距减少太多并且比率超过条件表达式(8)的上限时，最后透镜表面与像面之间的布置有滤波器(例如，低通滤波器)的空间被减小，这不是优选的。当后焦距增加太多并且比率降至低于条件表达式(8)的下限时，难以在变倍时确保用于每个透镜单元的移动的足够空间并且难以使整个透镜***小型化。
条件表达式(9)限定充当主变倍透镜单元的第三透镜单元L3在变倍期间的图像拾取视角的改变的关系。图像拾取半视角ωw和图像拾取半角视角ωt这两者都指示包括畸变的图像拾取可能范围。当改变超过条件表达式(9)的上限时，在广角端畸变增加，这不是优选的。当改变降至低于条件表达式(9)的下限时，难以通过变焦获得图像拾取视角的所需要的变化(较高的变焦比)。
更优选的是如下设置条件表达式(1)至(9)的数值范围。
1.00<|f1/(fw×ft)(1/2)|<2.40...(1a)
0.90<D12w/BFw<5.00...(2a)
0.25<f1/f2<0.95...(3a)
0.80<|M3wt|/f3<2.50...(4a)
3.40<TL1G/fw<5.50...(5a)
-3.10<f2/f3<-1.50...(6a)
0.40<f3/ft<0.95...(7a)
7.0<TL/BFw<30.0...(8a)
2.00<(tanωw/tanωt)/(β3t/β3w)<6.60...(9a)
更优选地是如下设置条件表达式(1a)至(9a)的数值范围。
1.50<|f1/(fw×ft)(1/2)|<1.90...(1b)
1.20<D12w/BFw<4.70...(2b)
0.40<f1/f2<0.90...(3b)
1.10<|M3wt|/f3<2.00...(4b)
3.80<TL1G/fw<5.00...(5b)
-2.9<f2/f3<-1.80...(6b)
0.50<f3/ft<0.90...(7b)
9.0<TL/BFw<26.0...(8b)
2.30<(tanωw/tanωt)/(β3t/β3w)<6.30...(9b)
另外，在望远端从第一透镜单元L1的最靠近像侧的透镜表面到第三透镜单元L3的最靠近物侧的透镜表面的距离由D13t表示。在从广角端变焦到望远端时第三透镜单元L3的移动量由M3表示。在这种情况下，满足以下条件表达式。
D13t<D12w...(10)
0.10<|M3|/TL<1.00...(11)
接下来，描述上面提到的条件表达式的技术含义。条件表达式(10)限定在广角端从第一透镜单元L1到第二透镜单元L2的光轴上的距离与在望远端从第一透镜单元L1到第三透镜单元L3的光轴上的距离之间的关系。
在从广角端变焦到望远端期间，作为变倍透镜单元的第三透镜单元L3被配置为朝着物侧单调移动，并且第二透镜单元L2被配置为沿着朝像侧凸出的轨迹移动。在这种情况下，第三透镜单元L3被配置为移动使得第三透镜单元L3的最靠近物侧的透镜表面定位于比在广角端第二透镜单元L2的最靠近物侧的透镜表面更靠近物侧。如上所述，作为主变倍透镜单元的第三透镜单元L3被配置为朝着物侧大大移动，以便与作为补偿器透镜单元的第二透镜单元L2的移动轨迹重叠。以这种方式，在使整个透镜***小型化的同时获得高变焦比。
条件表达式(11)限定在从广角端变焦到望远端时第三透镜单元L3的移动量M3与总透镜长度的比率。作为主变倍透镜单元的第三透镜单元L3的移动量相对于总透镜长度被适当地设置，使得变焦透镜的整个***小型化并且变焦比增加。
当第三透镜单元L3的移动量相对于总透镜长度增加并且比率超过条件表达式(11)的上限时，作为聚焦透镜单元的第二透镜单元L2的移动轨迹被限制，从而导致难以校正伴随变倍的像面变化。当第三透镜单元L3的移动量相对于总透镜长度减小并且比率降至低于条件表达式(11)的下限时，难以获得期望的变焦比，即，难以增加变焦比。
如上所述，根据本发明，获得了以下变焦透镜：该变焦透镜具有60°或更大的图像拾取半视角和2.5的变焦比，因此可以支持具有全HD或4K的像素计数的图像拾取元件。
在每个实施例中，优选的是满足以下条件表达式中的至少一个。
-5.00<f1/fw<-2.00...(12)
1.5<β3t/β3w<7.0...(13)
条件表达式(12)限定第一透镜单元L1的焦距与在广角端整个透镜***的焦距fw的比率。当第一透镜单元L1的负焦距的绝对值减小并且比率超过条件表达式(12)的上限值时，在望远端球面像差增加。另外，当第一透镜单元L1的负焦距f1的绝对值增加并且比率降至低于条件表达式(12)的下限值时，难以增加视角，即，难以在广角端获得期望的视角。
条件表达式(13)限定在望远端作为主变倍透镜单元的第三透镜单元L3的横向倍率与在广角端第三透镜单元L3的横向倍率的比率(即，变倍比率)。当比率超过条件表达式(13)的上限时，第三透镜单元L3的变倍比率大，但是第三透镜单元L3的折光力太强，其结果是在整个变焦范围上场曲率和色差增加，并且难以校正那些各种像差。当比率降至低于条件表达式(13)的下限时，难以获得期望的变焦比，即，难以增加整个透镜***的变焦比。
更优选的是如下设置条件表达式(11)至(13)的数值范围。
0.15<|M3|/TL<0.70...(11a)
-4.60<f1/fw<-2.50...(12a)
1.5<β3t/β3w<5.0...(13a)
更优选的是如下设置条件表达式(11a)至(13a)的数值范围。
0.20<|M3|/TL<0.40...(11b)
-4.20<f1/fw<-2.90...(12b)
2.0<β3t/β3w<4.0...(13b)
在每个实施例中，第二透镜单元L2包括一个透镜或通过接合多个透镜而获得的一个接合透镜，并且第二透镜单元L2的最靠近物侧的透镜表面具有凹形状。第二透镜单元L2被配置为在聚焦期间移动。在从广角端变焦到望远端期间，第二透镜单元L2被配置为朝着像侧移动，然后朝着物侧移动，并且第三透镜单元L3被配置为朝着物侧移动。实施例1、2、3和5还包括在第三透镜单元L3的像侧的具有负折光力的第四透镜单元L4。第四透镜单元L4被配置为在变焦期间移动。
实施例6的变焦透镜包括具有正折光力的第四透镜单元L4(其布置在第三透镜单元L3的像侧)和具有负折光力的第五透镜单元L5(其在第四透镜单元L4的像侧邻近第四透镜单元L4布置)。第四透镜单元L4和第五透镜单元L5被配置为在变焦期间移动。
现在，描述每个实施例的每个透镜单元的透镜配置。在下文中，除非另有说明，否则在每个透镜单元的透镜配置中，透镜单元都按从物侧到像侧的顺序布置。
(实施例1)
第一透镜单元L1包括具有朝物侧凸出的表面的弯月负透镜G11、具有朝物侧凸出的表面的弯月负透镜G12、双凹负透镜G13和具有朝物侧凸出的表面的弯月正透镜G14。负透镜G11具有弯月形状，因此透镜的有效直径尽可能多地被减小。另外，第一透镜单元L1包括多个负透镜以减少由于第一透镜单元L1的负折光力而生成的各种像差，其中使得该第一透镜单元L1所具有的负折光力强以便增加视角。
第二透镜单元L2包括具有朝像侧凸出的表面的弯月正透镜G21和具有朝像侧凸出的表面的弯月负透镜G22。被接合以形成接合透镜的正透镜G21和负透镜G22由具有非常不同的阿贝(Abbe)数的材料制成，使得色差被令人满意地校正。
第三透镜单元L3包括双凸正透镜G31、双凸正透镜G32、双凹负透镜G33和双凸正透镜G34。被接合以形成接合透镜的正透镜G32和负透镜G33由具有非常不同的阿贝数的材料制成，使得色差被令人满意地校正。另外，正透镜G31和正透镜G34的两个表面具有非球面形状。
由此，非球面表面被适当地布置在第三透镜单元L3中，在该第三透镜单元L3处，用于确定F数(Fno)的轴向光束扩展，使得趋于随着孔径比的增加而生成的球面像差可以被令人满意地校正。第四透镜单元L4包括具有朝像侧凸出的表面的弯月正透镜G41和具有朝像侧凸出的表面的弯月负透镜G42。
(实施例2)
实施例2中第一透镜单元L1至第四透镜单元L4的透镜配置与实施例1中第一透镜单元L1至第四透镜单元L4的透镜配置相同。术语“透镜配置相同”是指透镜的布置和透镜的形状相同。
(实施例3)
实施例3中第一透镜单元L1和第三透镜单元L3的透镜配置与实施例1中第一透镜单元L1和第三透镜单元L3的透镜配置相同。第二透镜单元L2包括具有朝像侧凸出的表面的弯月负透镜G21。第四透镜单元L4包括具有朝像侧凸出的表面的弯月正透镜G41和双凹负透镜G42。
(实施例4)
实施例4中第二透镜单元L2的透镜配置与实施例1中第二透镜单元L2的透镜配置相同。第一透镜单元L1包括具有朝物侧凸出的表面的弯月负透镜G11、具有朝物侧凸出的表面的弯月负透镜G12，具有朝物侧凸出的表面的弯月负透镜G13，以及具有朝物侧凸出的表面的弯月正透镜G14。负透镜G11具有弯月形状，因此透镜的有效直径尽可能多地减小。另外，第一透镜单元L1包括多个负透镜，以减少由于第一透镜单元L1的负折光力而生成的各种像差，其中使得该第一透镜单元L1所具有的负折光力强以便增加视角。
第三透镜单元L3包括双凸正透镜G31、双凸正透镜G32、双凹负透镜G33、具有朝物侧凸出的表面的弯月正透镜G34和具有朝物侧凸出的表面的弯月正透镜G35。被接合以形成接合透镜的正透镜G32和负透镜G33由具有非常不同的阿贝数的材料制成，使得色差被令人满意地校正。
另外，正透镜G31和正透镜G34的两个表面具有非球面形状。由此，在第三透镜单元L3中适当地布置非球面表面，在该第三透镜单元L3处，用于确定F数的轴向光束扩展，使得趋于随着孔径比的增加而生成的球面像差可以被令人满意地校正。
(实施例5)
实施例5中第一透镜单元L1和第二透镜单元L2的透镜配置与实施例1中第一透镜单元L1和第二透镜单元L2的透镜配置相同。第三透镜单元L3包括具有朝物侧凸出的表面的弯月正透镜G31、双凸正透镜G32、双凹负透镜G33和双凸正透镜G34。被接合以形成接合透镜的正透镜G32和负透镜G33由具有非常不同的阿贝数的材料制成，使得色差被令人满意地校正。另外，正透镜G31的表面和正透镜G34的表面都具有非球面形状。
由此，在第三透镜单元L3中适当地布置非球面表面，在该第三透镜单元L3处，用于确定F数的轴向光束扩展，使得趋于随着孔径比的增加而生成的球面像差可以被令人满意地校正。第四透镜单元L4包括具有朝像侧凸出的表面的弯月负透镜G41。
(实施例6)
实施例6中第一透镜单元L1和第二透镜单元L2的透镜配置与实施例1中第一透镜单元L1和第二透镜单元L2的透镜配置相同。第三透镜单元L3包括双凸正透镜G31、双凸正透镜G32、双凹负透镜G33，以及具有朝物侧凸出的表面的弯月正透镜G34。被接合以形成接合透镜的正透镜G32和负透镜G33由具有非常不同的阿贝数的材料制成，使得色差被令人满意地校正。另外，正透镜G31的表面和正透镜G34的表面都具有非球面形状。
由此，在第三透镜单元L3中适当地布置非球面表面，在该第三透镜单元L3处，用于确定F数的轴向光束扩展，使得趋于随着孔径比的增加而生成的球面像差可以被令人满意地校正。第四透镜单元L4包括具有朝物侧凸出的表面的弯月正透镜G41。第五透镜单元L5包括具有朝像侧凸出的表面的弯月负透镜G51。
接下来，参照图14A和图14B描述根据本发明的实施例的、使用本发明的变焦透镜作为图像拾取光学***的图像拾取装置(监视照相机)。
图14A是监视照相机10的图示。监视照相机10包括监视照相机主体11和图像拾取光学***16，图像拾取光学***16是根据实施例1至6中任一项所述的变焦透镜。监视照相机主体11具有被配置为接收由图像拾取光学***16形成的物体图像的内置图像拾取元件(光电变换器)12。图像拾取元件12是例如CCD传感器或CMOS传感器。存储器部分13记录与已经由图像拾取元件12光电转换的物体图像对应的信息。
网络电缆14传送已经由图像拾取元件12光电转换的物体图像。另外，图14B是图像拾取装置10的示例的图示，其中覆盖有穹顶(dome)盖15的变焦透镜被安装在天花板上以用于使用。
本发明的图像拾取装置不限于监视照相机，并且可以是视频照相机、数字照相机等。
如上所述，根据每个实施例，可以获得实现紧凑的整个***、超宽视角和高变焦比的变焦透镜，以及包括该变焦透镜的图像拾取装置。
在每个实施例中，可以采用以下配置。
·适当地改变透镜形状和透镜的数量，而不限于每个实施例中所描述的那些。
·通过移动透镜和透镜单元中的一些以便在垂直于光轴的方向上具有分量来校正伴随振动的图像模糊，例如抖动。
·通过电校正单元校正畸变和横向色差。
虽然到目前为止已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明绝不限于那些实施例或光学规范(视角和Fno)，因此可以在本发明的要点的范围内做出各种改变。
接下来，描述与各个实施例对应的实施例的数值数据。在每个实施例的数值数据中，表面编号i表示从物侧计数的光学表面的顺序。符号ri表示第i个光学表面的曲率半径，di表示第i个表面和第(i+1)个表面之间的表面间隔，并且ndi和νdi分别表示第i个表面和第(i+1)个表面之间的光学介质相对于d线的折射率和阿贝常数。另外，最靠近和第二靠近像侧的两个表面是玻璃构件(例如，面板)的表面。带后缀“*”的表面编号表示非球面表面。
后焦距(BF)是最后透镜表面和旁轴像面之间的按空气换算的等效距离。总透镜长度被限定为通过将后焦距(BF)添加到前透镜表面和最后透镜表面之间的距离而获得的值。此外，符号K表示偏心率(eccentricity)，符号A4、A6、A8和A10表示非球面系数，并且在离光轴高度为H的位置处相对于表面顶点在光轴方向上的位移由符号X表示。于是，非球面形状由以下表达式来表达。
其中R表示曲率半径。另外，例如，“e-Z”的表达意指“10-z”。此外，上述条件表达式和实施例之间的关系在表1中示出。符号F表示焦距(d线)，符号Fno表示F数，并且半视角(ω)是关于在考虑畸变量的情况下可以被拍摄的视角的数值。
[数值数据1]
单位mm
表面数据
非球面表面数据
第十三表面
K＝0.00000e+000 A4＝-4.61684e-005 A6＝3.50702e-007
A8＝-3.35096e-009 A10＝-4.83765e-011
第十四表面
K＝0.00000e+000 A4＝-2.05089e-005 A6＝1.13431e-006
A8＝-1.50419e-008 A10＝1.60944e-011
第十八表面
K＝0.00000e+000 A4＝-2.33042e-004 A6＝4.11749e-006
A8＝-3.74200e-008 A10＝5.65495e-010
第十九表面
K＝0.00000e+000 A4＝2.55599e-004 A6＝4.35425e-006
A8＝6.13415e-009 A10＝1.02214e-009
各种数据
变焦透镜单元数据
[数值数据2]
单位mm
表面数据
非球面表面数据
第十三表面
K＝0.00000e+000 A4＝-4.63158e-005 A6＝4.90655e-007
A8＝-2.56615e-009 A10＝-7.48627e-011
第十四表面
K＝0.00000e+000 A4＝-2.80673e-005 A6＝1.33478e-006
A8＝-1.48174e-008 A10＝-2.75633e-011
第十八表面
K＝0.00000e+000 A4＝-2.52457e-004 A6＝4.57873e-006
A8＝-3.79259e-008 A10＝5.90443e-010
第十九表面
K＝0.00000e+000 A4＝2.74061e-004 A6＝4.18580e-006
A8＝1.07312e-008 A10＝1.05423e-009
各种数据
变焦透镜单元数据
[数值数据3]
单位mm
表面数据
非球面表面数据
第十二表面
K＝0.00000e+000 A4＝-8.19120e-005 A6＝5.73929e-007
A8＝-1.56980e-009 A10＝-2.53005e-010
第十三表面
K＝0.00000e+000 A4＝-6.12498e-005 A6＝2.10300e-006
A8＝-2.09520e-008 A10＝-1.87732e-010
第十七表面
K＝0.00000e+000 A4＝-3.11039e-004 A6＝4.63120e-006
A8＝-4.78806e-008 A10＝2.26405e-010
第十八表面
K＝0.00000e+000 A4＝2.43140e-004 A6＝3.08615e-006
A8＝1.32269e-010 A10＝3.15201e-010
各种数据
变焦透镜单元数据
[数值数据4]
单位mm
表面数据
非球面表面数据
第十三表面
K＝0.00000e+000 A4＝1.28333e-005 A6＝3.96145e-007
A8＝-8.52497e-009 A10＝-4.16640e-011
第十四表面
K＝0.00000e+000 A4＝9.89357e-005 A6＝-5.06533e-008
A8＝-2.57349e-008 A10＝1.87913e-010
第十八表面
K＝0.00000e+000 A4＝-1.95853e-004 A6＝-6.38323e-006
A8＝-3.89524e-007 A10＝-7.96355e-009
第十九表面
K＝0.00000e+000 A4＝4.11532e-004 A6＝5.70748e-006
A8＝-7.64341e-007 A10＝7.54527e-009
各种数据
变焦透镜单元数据
[数值数据5]
单位mm
表面数据
非球面表面数据
第十三表面
K＝0.00000e+000 A4＝-4.71946e-005 A6＝-5.94910e-007
A8＝3.15429e-009 A10＝-2.94864e-010
第十四表面
K＝0.00000e+000 A4＝-1.40642e-005 A6＝6.52379e-007
A8＝-4.60192e-008 A10＝3.18797e-010
第十八表面
K＝0.00000e+000 A4＝-3.07501e-004 A6＝5.74877e-007
A8＝-3.64648e-008 A10＝-6.56242e-009
第十九表面
K＝0.00000e+000 A4＝3.37333e-004 A6＝3.52790e-006
A8＝-1.00775e-007 A10＝-5.00773e-009
各种数据
变焦透镜单元数据
[数值数据6]
单位mm
表面数据
非球面表面数据
第十三表面
K＝0.00000e+000 A4＝-3.56184e-005 A6＝3.77001e-007
A8＝-4.93177e-009 A10＝-6.61398e-011
第十四表面
K＝0.00000e+000 A4＝7.28817e-006 A6＝1.02043e-006
A8＝-2.06961e-008 A10＝7.28757e-011
第十八表面
K＝0.00000e+000 A4＝-1.78046e-004 A6＝2.77005e-007
A8＝-9.53773e-008 A10＝-1.70793e-009
第十九表面
K＝0.00000e+000 A4＝2.67227e-004 A6＝5.88560e-006
A8＝-3.01472e-007 A10＝1.98075e-009
各种数据
变焦透镜单元数据
表1
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应当被赋予最广泛的解释，以便涵盖所有此类修改以及等同的结构和功能。

Claims (17)

1.一种变焦透镜，其特征在于，该变焦透镜按从物侧到像侧的顺序包括：
具有负折光力的第一透镜单元；
具有负折光力的第二透镜单元；以及
具有正折光力的第三透镜单元，
其中在变焦期间，第一透镜单元不被移动用于变焦，第二透镜单元和第三透镜单元被移动，并且每对相邻透镜单元之间的间隔在变焦期间被改变，
其中第一透镜单元包括至少两个负透镜，以及
其中满足以下条件表达式：
0.70<|f1/(fw×ft)(1/2)|<2.70；以及
0.60<D12w/BFw<5.30，
其中f1表示第一透镜单元的焦距，fw表示在广角端变焦透镜的焦距，ft表示在望远端变焦透镜的焦距，D12w表示在广角端在第一透镜单元和第二透镜单元之间的光轴上的间隔，并且BFw表示在广角端的后焦距。
2.如权利要求1所述的变焦透镜，其中满足以下条件表达式：
0.10<f1/f2<1.00，
其中f2表示第二透镜单元的焦距。
3.如权利要求1所述的变焦透镜，其中满足以下条件表达式：
0.50<|M3wt|/f3<3.00，
其中M3wt表示在从广角端变焦到望远端时第三透镜单元的移动量，并且f3表示第三透镜单元的焦距。
4.如权利要求1所述的变焦透镜，其中满足以下条件表达式：
3.00<TL1G/fw<6.00，
其中TL1G表示从第一透镜单元的最靠近物侧的透镜表面到第一透镜单元的最靠近像侧的透镜表面的距离，并且fw表示在广角端变焦透镜的焦距。
5.如权利要求1所述的变焦透镜，其中满足以下条件表达式：
-3.20<f2/f3<-1.20，
其中f2表示第二透镜单元的焦距，并且f3表示第三透镜单元的焦距。
6.如权利要求1所述的变焦透镜，其中满足以下条件表达式：
0.30<f3/ft<1.00，
其中f3表示第三透镜单元的焦距，并且ft表示在望远端变焦透镜的焦距。
7.如权利要求1所述的变焦透镜，其中满足以下条件表达式：
5.0<TL/BFw<35.0，
其中TL表示从最靠近物侧的透镜表面到像面的距离，并且BFw表示在广角端的后焦距。
8.如权利要求1所述的变焦透镜，其中第二透镜单元包括单个透镜和通过接合多个透镜而获得的接合透镜中的一个，并且第二透镜单元的最靠近物侧的透镜表面具有凹形状。
9.如权利要求1所述的变焦透镜，其中第二透镜单元在聚焦期间被移动。
10.如权利要求1所述的变焦透镜，其中，在从广角端变焦到望远端期间，第二透镜单元被朝着像侧移动，然后被朝着物侧移动，并且第三透镜单元被朝着物侧移动。
11.如权利要求1所述的变焦透镜，还包括在第三透镜单元的像侧的具有负折光力的第四透镜单元，
其中第四透镜单元在变焦期间被移动。
12.如权利要求1所述的变焦透镜，还包括：
具有正折光力的第四透镜单元，该第四透镜单元被布置在第三透镜单元的像侧；以及
具有负折光力的第五透镜单元，在第四透镜单元的像侧邻近第四透镜单元布置，
其中第四透镜单元和第五透镜单元在变焦期间被移动。
13.一种变焦透镜，其特征在于，该变焦透镜按从物侧到像侧的顺序包括：
具有负折光力的第一透镜单元；
具有负折光力的第二透镜单元；以及
具有正折光力的第三透镜单元，
其中第一透镜单元在变焦期间不被移动，第二透镜单元和第三透镜单元在变焦期间被移动，并且每对相邻透镜单元之间的间隔在变焦期间被改变，
其中第一透镜单元包括至少两个负透镜，以及
其中满足以下条件表达式：
D13t<D12w；以及
0.10<|M3|/TL<1.00，
其中D12w表示在广角端从第一透镜单元的最靠近像侧的透镜表面到第二透镜单元的最靠近物侧的透镜表面的距离，D13t表示在望远端从第一透镜单元的最靠近像侧的透镜表面到第三透镜单元的最靠近物侧的透镜表面的距离，M3表示在从广角端变焦到望远端时第三透镜单元的移动量，并且TL表示从最靠近物侧的透镜表面到像面的距离。
14.如权利要求13所述的变焦透镜，其中满足以下条件表达式：
-5.00<f1/fw<-2.00，
其中f1表示第一透镜单元的焦距，并且fw表示在广角端变焦透镜的整个***的焦距。
15.如权利要求13所述的变焦透镜，其中满足以下条件表达式：
1.5<β3t/β3w<7.0，
其中β3w表示在广角端第三透镜单元的横向倍率，并且β3t表示在望远端第三透镜单元的横向倍率。
16.一种图像拾取装置，其特征在于，该图像拾取装置包括：
如权利要求1至15中任一项所述的变焦透镜；以及
图像拾取元件，接收由变焦透镜形成的图像。
17.如权利要求16所述的图像拾取装置，其中满足以下条件表达式：
1.50<(tanωw/tanωt)/(β3t/β3w)<7.00，
其中ωw表示在广角端的半视角，ωt表示在望远端的半视角，β3w表示在广角端第三透镜单元的横向倍率，并且β3t表示在望远端第三透镜单元的横向倍率。
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