CN108983404B - 变焦透镜和包括变焦透镜的图像拾取装置 - Google Patents

变焦透镜和包括变焦透镜的图像拾取装置 Download PDF

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Abstract

本公开涉及变焦透镜和包括变焦透镜的图像拾取装置。一种变焦透镜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以及至少一个透镜单元，其中第一透镜单元、第二透镜单元和至少一个透镜单元按照以上的顺序从物侧到像侧布置。第一透镜单元由单片透镜元件形成，并且变焦透镜在最靠近图像的一侧包括正透镜。正透镜的阿贝数、在广角端和望远端的后焦距以及变焦透镜在广角端和望远端的焦距被各自适当地设定。

Description

变焦透镜和包括变焦透镜的图像拾取装置
技术领域
本公开涉及适用于数码相机、摄像机等的变焦透镜，并涉及包括变焦透镜的图像拾取装置。
背景技术
在包括图像拾取元件的图像拾取装置(诸如数码相机)中，需要在全部变焦区域中具有小色差的同时具有高变焦比并且尺寸小的变焦透镜。
迄今为止，已经提出了一种变焦透镜，该变焦透镜按照从物侧到像侧的顺序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以及至少一个透镜单元。通过使第一透镜单元由单片正透镜形成来减小变焦透镜的尺寸(美国专利申请公开No.2008/0218875和No.2016/0054550，以及日本专利公开No.2015-169931)。
发明内容
一种变焦透镜，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以及至少一个透镜单元。在该变焦透镜中，按照第一透镜单元、第二透镜单元和至少一个透镜单元的顺序从物侧到像侧布置第一透镜单元、第二透镜单元和至少一个透镜单元，彼此相邻的透镜单元之间的距离在变焦时改变，第一透镜单元由单片透镜元件形成，变焦透镜在最靠近图像的一侧包括正透镜，并且以下条件表达式得到满足
15.0<νdp<30.0
0.96<(skt/skw)/(ft/fw)<2.0
其中，νdp是正透镜的阿贝数，skw是在广角端的后焦距，skt是在望远端的后焦距，fw是变焦透镜在广角端的焦距，以及ft是变焦透镜在望远端的焦距。
根据参照附图对示例性实施例的以下描述，本公开的其他特征将变得清楚。
附图说明
图1是第一实施例的变焦透镜的透镜在广角端的横截面图。
图2A至图2C是第一实施例的变焦透镜的像差图。
图3是第二实施例的变焦透镜的透镜在广角端的横截面图。
图4A至图4C是第二实施例的变焦透镜的像差图。
图5是第三实施例的变焦透镜的透镜在广角端的横截面图。
图6A至图6C是第三实施例的变焦透镜的像差图。
图7是第四实施例的变焦透镜的透镜在广角端的横截面图。
图8A至图8C是第四实施例的变焦透镜的像差图。
图9是例示图像捕获装置的一部分的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本公开的实施例。
每个实施例的变焦透镜是在诸如数码相机、摄像机或卤化银相机之类的图像拾取装置中使用的变焦透镜。注意到，每个实施例的变焦透镜也可以用作投影设备(投影仪)的投影光学***。
在图1、图3、图5和图7中的透镜的横截面图中，左侧是物侧(前侧)，以及右侧是像侧(后侧)。另外，在透镜的横截面图中，当假设i表示透镜单元从物侧起的顺序时，Li是第i个透镜单元。SP表示孔径光阑。IP表示像平面。在变焦透镜被用在诸如数码相机或摄像机之类的图像拾取装置中的情况下，像平面IP相当于诸如CCD传感器或CMOS传感器之类的固态图像拾取元件(光电转换元件)的图像拾取平面。当变焦透镜被用在卤化银胶片相机的图像拾取装置中时，像平面IP相当于胶片平面。当变焦透镜被用在投影仪中时，像平面IP相当于诸如液晶面板之类的图像形成元件中的图像形成平面。当从广角端到望远端变焦时，每个透镜单元以箭头所示的方式移动。
与第六透镜单元L6的焦点有关的箭头表示当从无穷远到近距离聚焦时的移动方向。
在图2A至图2C、图4A至图4C、图6A至图6C和图8A至图8C的像差图中，图2A、图4A、图6A和图8A描绘了在广角端的像差图，图2B、图4B、图6B和图8B描绘了在中间变焦位置处的像差图，以及图2C、图4C、图6C和图8C描绘了在望远端的像差图。
在球面像差图中，Fno是F数。另外，d是d线(波长为587.6nm)，以及g是g线(波长为435.8nm)。在像散图中，M是d线的子午像平面，S是d线的弧矢像平面。畸变像差图各自描绘了d线。倍率色差图各自描绘了g线。符号ω是半视角(度)。
在变焦透镜中，为了获得在尺寸小且具有高变焦比的同时具有令人满意的光学特性的变焦透镜，构成变焦透镜的元件将被适当地设定。特别地，为了在整个变焦范围内顺利地校正色差，重要的是适当地选择光学材料以及适当地设定透镜的位置。
根据本公开的实施例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以及至少一个透镜单元。另外，相邻的透镜单元之间的距离在变焦时改变。
如果具有正折光力并且布置在最靠近物体的一侧的第一透镜单元的折光力增大，则将获得望远型折光力布置，这有利于减小变焦透镜的整体长度。然而，如果第一透镜单元的折光力增大，则第一透镜单元中的透镜的数目将增加并且第一透镜单元将变厚。如果第一透镜单元较厚，则入射到第一透镜单元的离轴光线的角度在广角端处较大，并且构成第一透镜单元的透镜的有效直径也将变大。因此，为了减小变焦透镜的尺寸，重要的是减少构成第一透镜单元的透镜的数目。
根据本公开的实施例的变焦透镜在最靠近物体的一侧包括具有正折光力的第一透镜单元L1，并且通过利用单片透镜元件配置第一透镜单元来实现变焦透镜的尺寸减小。
当第一透镜单元由单片透镜元件构成时，在校正第一透镜单元中出现的倍率色差时将出现问题。为了顺利地校正全部变焦区域中的倍率色差，全部变焦区域中的整个***的倍率色差系数的值将较小。倍率色差系数T被表达为
Figure GDA0002908905790000041
其中，透镜的折光力是
Figure GDA0002908905790000042
轴向光线的入射高度是hn，离轴主光线的入射高度是hbn，以及阿贝数是νn。
倍率色差系数与轴向光线的入射高度hn成比例，并且其符号根据离轴主光线的入射高度hbn的符号而变化。特别地，当专注于第一透镜单元的倍率色差系数时，在从广角端向望远端改变光焦度(power)时，最靠近物体的一侧的透镜的轴向光线的入射高度hn的绝对值与焦距成比例地变大，并且离轴主光线的符号变为负。另一方面，在将正透镜布置在相对于光阑的像侧的情况下，离轴主光线的符号变为正。因此，通过将正透镜布置在相对于光阑的像侧，可以校正在第一透镜单元中出现的倍率色差。
另外，当透镜被布置在变焦透镜中最靠近图像的一侧时，穿过透镜的轴向光线的光线高度的增加与后焦距成比例。因此，通过在从广角端到望远端改变光焦度时将正透镜移动到物侧以使得正透镜被布置在变焦透镜中最靠近图像的一侧并且使得后焦距增加，可以校正在第一透镜单元中出现的倍率色差。
本公开的特征在于，根据本公开的实施例的变焦透镜在最靠近图像的一侧包括正透镜，并且以下条件表达式得到满足。
15.0<νdp<30.0 (1)
0.96<(skt/skw)/(ft/fw)<2.00 (2)
注意到，νdp是被布置在变焦透镜中最靠近图像的一侧的正透镜的阿贝数。另外，skw是在广角端的后焦距，skt是在望远端的后焦距，fw是变焦透镜在广角端的焦距，以及ft是变焦透镜在望远端的焦距。
注意到，后焦距是从位于最靠近图像的一侧的透镜的像侧的透镜表面到像平面的沿着光轴的距离(空气转换长度)。
条件表达式(1)涉及被布置在变焦透镜中最靠近图像的一侧的正透镜的阿贝数。通过在被布置在最靠近图像的一侧的正透镜中使用具有大色散的材料，能够促进对在第一透镜单元中出现的倍率色差的适当校正。可能不希望色散变小到超过条件表达式(1)的上限，因为将变得难以校正在第一透镜单元中出现的倍率色差，并且倍率色差在变焦时变得大幅波动。虽然在校正倍率色差时可能是有利的，但是可能不希望色散变大到低于条件表达式(1)的下限，因为由第一透镜单元L1与被布置在最靠近图像一侧的正透镜之间的偏心而产生的对色差的敏感性变得过大，并且制造变得困难。
条件表达式(2)是适当校正在正透镜被布置在最靠近图像的一侧的情况下已经在第一透镜单元中出现的倍率色差的条件表达式。如上所述，当从广角端到望远端改变光焦度时，在第一透镜单元中出现的倍率色差与焦距成比例地变大。同时，在被布置在最靠近图像的一侧的正透镜中出现的倍率色差与后焦距成比例地变大。因此，通过适当地设定变焦透镜在广角端的焦距与在望远端的焦距之间的比率(变焦比)以及在广角端的后焦距与在望远端的后焦距之间的比率，促进了在全部变焦区域中的倍率色差的适当校正。可能不希望后焦距的比率变小到低于条件表达式(2)的下限，因为利用已被布置在最靠近图像的一侧的正透镜对倍率色差进行的校正变得不充分，并且倍率色差由于变焦引起的波动变大。可能不希望后焦距的比率变大到超过条件表达式(2)中的上限，因为在广角端的后焦距变得过小。
在一个实施例中，以下面的方式来设定条件表达式(1)和条件表达式(2)的数值的范围。
17.0<νdp<28.5 (1a)
1.05<(skt/skw)/(ft/fw)<1.90 (2a)
在另一个实施例中，以下面的方式来设定条件表达式(1)和条件表达式(2)的数值的范围。
19.0<νdp<27.0 (1b)
1.10<(skt/skw)/(ft/fw)<1.80 (2b)
如上所述，根据本公开的实施例之一，能够获得在尺寸小且具有高变焦比的同时具有令人满意的光学特性的变焦透镜。
在一个实施例中，根据本公开的实施例之一的变焦透镜满足以下条件表达式中的至少一个。
3.0<f1/f2<6.0 (3)
0.5<fp/fw<2.5 (4)
2.0<f1/fw<7.4 (5)
0.32<f2/ft<0.50 (6)
3.0<lw/fw<6.0 (7)
0.161<t1/fw<0.285 (8)
注意到，f1是第一透镜单元的焦距，以及f2是第二透镜单元的焦距。另外，fp是变焦透镜中已被布置在最靠近图像的一侧的正透镜的焦距，以及fw和ft分别是变焦透镜在广角端和望远端的焦距。另外，lw是在广角端从变焦透镜的在最靠近物体的一侧的表面到像平面的沿着光轴的距离，以及t1是从第一透镜单元的在最靠近物体的一侧的表面到第一透镜单元的在最靠近图像的一侧的表面的沿着光轴的距离。
条件表达式(3)涉及第一透镜单元的焦距和第二透镜单元的焦距之间的比率。由于整体长度变长，所以可能不希望第一透镜单元的焦距变长到超过条件表达式(3)的上限或者第二透镜单元的焦距变短。由于后焦距变短，所以可能不希望第一透镜单元的焦距变短到低于条件表达式(3)的下限或者第二透镜单元的焦距变长。
条件表达式(4)涉及已被布置在最靠近图像的一侧的正透镜的焦距。可能不希望正透镜的焦距变长到超过条件表达式(4)的上限，因为倍率色差的校正变得不充分，并且在变焦期间倍率色差的波动变大。可能不希望正透镜的焦距变短到低于条件表达式(4)的下限，因为制造敏感性变高。
条件表达式(5)涉及第一透镜单元的焦距。可能不希望第一透镜单元的焦距变长到超过条件表达式(5)的上限，因为第一透镜单元在变焦时的移动距离变得过大并且变焦透镜的尺寸变大。可能不希望第一透镜单元的焦距变短到低于条件表达式(5)的下限，因为已经在第一透镜单元中出现的倍率色差的移位在变焦时变大并且校正变得困难。
条件表达式(6)涉及第二透镜单元的焦距。可能不希望第二透镜单元的焦距变长到超过条件表达式(6)的上限，因为第一透镜单元在变焦时将朝向物侧大量地移动，并且第一透镜单元的有效直径变大。可能不希望第二透镜单元的焦距变短到低于条件表达式(6)的下限，因为畸变像差的波动在变焦时变大。
条件表达式(7)涉及在广角端总体透镜长度与变焦透镜的焦距之间的比率。可能不希望总体透镜长度变长到超过条件表达式(7)的上限，因为构成第一透镜单元的透镜的有效直径变大。可能不希望总体透镜长度变短到低于条件表达式(7)的下限，因为球面像差和场曲的校正变得困难。
条件表达式(8)涉及第一透镜单元的厚度与变焦透镜在广角端的焦距之间的比率。可能不希望第一透镜单元的总体厚度变大到超过条件表达式(8)的上限，因为构成第一透镜单元的透镜的有效直径变大。可能不希望第一透镜单元变薄到低于条件表达式(8)的下限，因为第一透镜单元的折光力变弱或者透镜的外周部分的厚度(边缘厚度)变得太薄从而使得制造困难。
在一个实施例中，以下面的方式来设定条件表达式(3)至条件表达式(8)的数值的范围。
3.5<f1/f2<5.8 (3a)
0.6<fp/fw<2.4 (4a)
2.5<f1/fw<7.0 (5a)
0.33<f2/ft<0.45 (6a)
3.3<lw/fw<5.5 (7a)
0.165<t1/fw<0.265 (8a)
在另一个实施例中，以下面的方式来设定条件表达式(3)至条件表达式(8)的数值的范围。
3.8<f1/f2<5.6 (3b)
0.8<fp/fw<2.3 (4b)
3.0<f1/fw<6.6 (5b)
0.33<f2/ft<0.40 (6b)
3.6<lw/fw<5.0 (7b)
0.170<t1/fw<0.245 (8b)
另外，当在图像区域的周边部分处入射在图像拾取元件上的光线的角度变大时，周边亮度降低并且出现阴影和颜色偏移。因此，在数码相机透镜中，要考虑在透镜的像侧相对于主光线的光轴的平行度(远心度(telecentricity))。为了获得远心度，将正透镜布置在像侧是有效的。利用布置在透镜的像侧的正透镜的会聚效应，容易获得远心度。通过将正透镜布置在最靠近图像的一侧，在实施例中获得充足的远心度。
每个实施例中的变焦透镜在第二透镜单元的像侧包括至少一个透镜单元。具体而言，该透镜单元包括：具有正折光力的第三透镜单元，具有正折光力的第四透镜单元，具有正折光力的第五透镜单元，具有负折光力的第六透镜单元，以及具有正折光力的第七透镜单元。
当从无穷远到近距离聚焦时，具有负折光力的第六透镜单元向像侧移动。在聚焦时，通过相对于第二透镜单元移动被布置在像侧的透镜单元，便于减小透镜直径并且能够减小变焦透镜的尺寸。
另外，通过在孔径光阑SP的像侧布置具有负折光力的透镜单元，总体变焦透镜能够具有望远型折光力布置，并且总体透镜长度能够被缩短。
在每个实施例中，在聚焦时移动的第六透镜单元由单个透镜元件构成。在上述情况下，能够减小在聚焦时移动的透镜单元(聚焦透镜单元)的重量，并且能够减小在驱动聚焦透镜单元时的负载；相应地，能够减小变焦透镜的尺寸。另外，通过利用具有负折光力的单个透镜元件来配置聚焦透镜单元，能够校正在第一透镜单元和已被布置在最靠近图像的一侧的正透镜中出现的轴上色差。
另外，在存在诸如相机抖动等的振动时，需要校正成像图像的模糊的图像稳定功能。在每个实施例的变焦透镜中，能够通过在包含垂直于光轴的分量的方向上驱动某些透镜单元来减少图像模糊。在每个实施例的变焦透镜中，通过在包含垂直于光轴的分量的方向上移动具有正折光力的第四透镜单元，能够减少图像模糊。作为在校正图像模糊时移动的透镜单元(振动控制透镜单元)的第四透镜单元由单个透镜元件构成。通过减小振动控制透镜单元的重量，能够减小驱动该振动控制透镜单元的驱动单元的尺寸，以及能够减小变焦透镜的尺寸。
在每个实施例的变焦透镜中，当从广角端到望远端变焦时，相邻透镜单元的距离改变。在每个实施例中，通过改变振动控制透镜单元和聚焦透镜单元前后的距离，实现了在变焦时出现的像差波动的进一步减小。
虽然上面已经描述了本公开的变焦透镜的实施例，但不言而喻的是，本公开不限于这些实施例，并且可以在本公开的主旨内进行各种变形和修改。例如，当变焦时，第三透镜单元、第四透镜单元和第五透镜单元能够以一体方式移动以简化驱动机构。
将参照图9来描述使用根据本公开的实施例的变焦透镜作为图像拾取光学***的数码相机(图像拾取装置)的实施例。在图9中，相机主体10包括由上述实施例的变焦透镜之一构成的图像拾取光学***。内置在相机主体10中的图像拾取元件12是接收由图像拾取光学***11形成的被摄体的图像的光的CCD传感器或CMOS传感器。
注意到，本公开可以以类似的方式应用于不具有快速返回镜(quick-returnmirror)的单镜头反光(single lens reflex,SLR)相机。另外，本公开的变焦透镜可以以类似的方式应用于摄像机。
在下文中，将阐述对应于第一实施例至第四实施例的第一数值实施例至第四数值实施例的具体数值数据。在每个数值实施例中，i表示从物侧起的表面的顺序。在每个数值实施例中，r表示透镜表面的曲率半径，d表示透镜厚度或空气距离，以及nd和νd分别表示透镜材料的折射率和阿贝数。BF表示后焦距。
非球面形状由以下公式表示，其中X轴在光轴方向上延伸，H轴在垂直于光轴的方向上延伸，光的行进方向为正，R是旁轴曲率半径，以及K、A2、A4、A6、A8、A10、A12各自是非球面系数。
[数学1]
Figure GDA0002908905790000101
符号*指示非球面。在每个非球面系数中，“e-x”表示“10-x”。另外，总体透镜长度是作为从最靠近物侧的透镜表面到最靠近图像的透镜表面的沿着光轴的距离和后焦距BF的总和的值。后焦距BF表示从最靠近图像的透镜表面到像平面的长度(空气转换长度)。另外，关于数值实施例，表1指示对应于上述条件表达式的数值。
表1
Figure GDA0002908905790000102
Figure GDA0002908905790000111
Figure GDA0002908905790000121
Figure GDA0002908905790000131
Figure GDA0002908905790000141
Figure GDA0002908905790000151
Figure GDA0002908905790000161
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
条件表达式(1) 20.88 20.88 20.88 25.46
条件表达式(2) 1.250 1.138 1.675 1.147
条件表达式(3) 4.143 5.300 4.151 4.282
条件表达式(4) 1.920 2.209 1.621 1.030
条件表达式(5) 4.206 5.903 3.972 4.280
条件表达式(6) 0.369 0.332 0.348 0.363
条件表达式(7) 4.113 4.611 3.937 4.021
条件表达式(8) 0.196 0.225 0.181 0.188
虽然上面已经描述了本公开的实施例，但是本公开不限于各种实施例，并且可以在其主旨内对其进行变形和修改。
虽然已经参考示例性实施例描述了本公开，但是将理解，本公开不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释以便涵盖所有这种修改以及等同的结构和功能。

Claims (8)

1.一种变焦透镜，其特征在于，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；以及
至少一个透镜单元，
其中，按照第一透镜单元、第二透镜单元和所述至少一个透镜单元的顺序从物侧到像侧布置第一透镜单元、第二透镜单元和所述至少一个透镜单元，
其中，彼此相邻的透镜单元之间的距离在变焦时改变，
其中，第一透镜单元由单片透镜元件形成，
其中，所述变焦透镜在最靠近图像的一侧包括正透镜，以及
其中，满足以下条件表达式：
15.0<νdp<30.0
0.96<(skt/skw)/(ft/fw)<2.0
3.0<lw/fw<5.0，
其中，νdp是所述正透镜的阿贝数，skw是在广角端的后焦距，skt是在望远端的后焦距，fw是所述变焦透镜在广角端的焦距，ft是所述变焦透镜在望远端的焦距，以及lw是在广角端从所述变焦透镜在最靠近物体的一侧的表面到像平面的在光轴上的距离。
2.根据权利要求1所述的变焦透镜，
其中，满足以下条件表达式：
3.0<|f1/f2|<6.0，
其中，f1是第一透镜单元的焦距，以及f2是第二透镜单元的焦距。
3.根据权利要求1所述的变焦透镜，
其中，满足以下条件表达式：
0.5<fp/fw<2.5，
其中fp是所述正透镜的焦距。
4.根据权利要求1所述的变焦透镜，
其中，满足以下条件表达式：
2.0<f1/fw<7.4，
其中f1是第一透镜单元的焦距。
5.根据权利要求1所述的变焦透镜，
其中，满足以下条件表达式：
0.32<|f2/ft|<0.50，
其中f2是第二透镜单元的焦距。
6.根据权利要求1所述的变焦透镜，
其中，满足以下条件表达式：
0.161<t1/fw<0.245，
其中t1是从第一透镜单元在最靠近物体的一侧的表面到第一透镜单元在最靠近图像的一侧的表面的沿着光轴的距离。
7.根据权利要求1所述的变焦透镜，
其中，所述至少一个透镜单元包括：具有正折光力的第三透镜单元，具有正折光力的第四透镜单元，具有正折光力的第五透镜单元，具有负折光力的第六透镜单元，以及具有正折光力的第七透镜单元。
8.一种图像拾取装置，其特征在于，包括：
根据权利要求1至7中任一项所述的变焦透镜；以及
接收由所述变焦透镜形成的图像的光的图像拾取元件。
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