CN100383592C - 变焦透镜和图像摄取装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有放大率高于0.5的微距模式的变焦透镜。该变焦透镜包括：第一正透镜组；第二负透镜组，可根据放大率变化而活动；以及多个活动透镜组，可与第二透镜组协作形成微距透镜组，以上透镜组从物体侧按顺序设置。活动透镜组包括单聚焦组，以及在成像侧进一步设置的附加负透镜组。变焦透镜具有微距模式，在该模式中，当第一透镜组固定在远摄端时，通过从远摄端位置向物体侧整体移动微距透镜组，变焦透镜能以比普通区域短的距离聚焦。

Description

变焦透镜和图像摄取装置
相关申请的交叉参考
本发明包含于2005年4月25日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2005-125957的主题，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种新型变焦透镜和图像摄取装置，更具体来说，涉及一种具有微距模式的变焦透镜和使用该变焦透镜的图像摄取装置。
背景技术
近年来，使用固态图像摄取器件的图像摄取装置(如数码照相机)已经并正在流行。首先，随着数码照相机的普及，需要一种致密性优良的变焦透镜，它具有能够通过单个透镜在覆盖从超广角端到远摄(telephoto)端的广阔范围的同时实现高摄像放大率的微距模式(macro mode)。
传统上，已经提出了各种类型的具有微距模式的变焦透镜。例如，日本专利公开第Hei 1-298307号(以下称作专利文献1)公开了一种变焦透镜，其中，第一透镜组用于在普通区域中聚焦，与第一透镜组不同的多个透镜组沿光轴方向彼此独立地移动，以执行在微距区域(macro region)中的聚焦，从而实现高放大率。然而，对于具有大张角并采用对比检测方式的具备自动聚焦功能的透镜集成型图像摄取装置来说，不适宜使用第一透镜组在普通区域中执行聚焦。此外，也不适宜使用不同的透镜组执行普通区域中的聚焦以及微距区域中的聚焦，因为这会使结构变复杂。
日本专利公开第Hei 11-235232号(以下称作专利文献2)公开了一种变焦透镜，它解决了上述专利文献1中变焦透镜的问题，并可与采用对比检测方式的图像摄取装置一起使用。根据专利文献2的变焦透镜，微距区域通过移动具有正、负、正和正折射率(refractingpower)的四组变焦透镜中的第二和第三组来实现。此外，第四透镜组不但用于在普通区域中聚焦，还用于在微距区域中聚焦。
发明内容
然而，由于专利文献2中公开的变焦透镜是具有正、负、正和正折射率的四组变焦透镜，因而存在的问题是，难以同时实现角度和放大率的进一步增加，并且放大率较低。
本发明期望提供一种变焦透镜和图像摄取装置，可适用于摄影机和照相机，并且由于具有小的前透镜直径而在紧密性方面具有优势，同时能够实现视角和放大率变化的增加，此外还具有放大率高于0.5的微距模式。
为了实现上述期望，根据本发明的实施例，提供了一种变焦透镜，包括：第一透镜组，具有正折射率；第二透镜组，具有负折射率，并作为变焦透镜的放大率变化时可活动的透镜组；以及多个活动透镜组，可与第二透镜组协作形成微距透镜组，第一透镜组、第二透镜组和活动透镜组从物体侧按顺序设置，活动透镜组包括单聚焦组以及相对于单聚焦组设置在成像侧并具有负折射率的附加透镜组，该变焦透镜具有微距模式，在该微距模式中，当第一透镜组固定在远摄端时，通过从远摄端位置向物体侧整体移动微距透镜组，该变焦透镜能以比普通区域短的距离聚焦。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种图像摄取装置，包括变焦透镜，以及用于将由变焦透镜形成的光学图像转换成电信号的图像摄取元件，变焦透镜包括：第一透镜组，具有正折射率；第二透镜组，具有负折射率，并作为变焦透镜的放大率变化时可活动的透镜组；以及多个活动透镜组，可与第二透镜组协作形成微距透镜组，第一透镜组、第二透镜组和活动透镜组从物体侧按顺序设置，活动透镜组包括单聚焦组以及相对于单聚焦组设置在成像侧并具有负折射率的附加透镜组，该变焦透镜具有微距模式，在该微距模式中，当第一透镜组固定在远摄端时，通过从远摄端位置向物体侧整体移动微距透镜组，变焦透镜能以比普通区域短的距离聚焦。
该变焦透镜和图像摄取装置的变焦透镜由于具有小的前透镜直径而在紧密性方面具有优势，同时，实现了视角和放大率变化的增加，这是因为它包括：第一透镜组，具有正折射率；第二透镜组，具有负折射率，并作为变焦透镜的放大率变化时可活动的组；以及多个活动透镜组，可与第二透镜组协作形成微距透镜组，这些透镜组从物体侧按顺序设置，并且，活动透镜组包括单聚焦组以及相对于单聚焦组设置在成像侧并具有负折射率的附加透镜组。特别是，由于具有负折射率的透镜组设置在聚焦组的成像侧，因而提供了放大图像的作用，因此，不仅可以实现小型化和变焦透镜的角度增加，还可以减小近距摄像的距离。
此外，该变焦透镜具有微距模式，在该微距模式中，当第一透镜组固定在远摄端时，通过从远摄端位置向物体侧整体移动微距透镜组，变焦透镜能以比普通区域短的距离聚焦。因此，该变焦透镜可以具有放大率高于0.5的微距模式。此外，因为同一透镜组在普通图像摄取和微距图像摄取时都可聚焦，所以该变焦透镜可以合适地应用于使用具有小视角变化的对比检测方式并具有AF功能的透镜集成型图像摄取装置。
优选地，变焦透镜和图像摄取装置被设置为，多个活动透镜组包括：第三透镜组，具有正折射率；第四透镜组，具有正折射率，并在光轴方向上移动时执行聚焦；第五透镜组，具有低折射率；以及第六透镜组，具有负折射率，第二至第六透镜组形成微距透镜组。在变焦透镜和图像摄取装置中，因为第六透镜组具有负折射率并能够一下子(at a stroke)放大图像，所以整个透镜系统可以进一步小型化。
优选地，变焦透镜被设置为，在广角端整个透镜系统的焦距用fw表示，在远摄端整个透镜系统的焦距用fT表示，第一透镜组的焦距用f1表示，在远摄端微距透镜组的焦距用fmgT表示，以及在广角端的后焦点(back focus)长度用Twbf表示，可满足下列表达式(1)0.6＜f1/fT＜2.0，(2)0.1＜fmgT/fT＜0.4，以及(3)0.2＜|Twbf/fw|＜1.2。通过该变焦透镜，可以实现进一步的小型化和画面质量的进一步提高。
优选地，变焦透镜被设置为，在放大率为最高的微距位置包括在微距透镜组中的负透镜的横向放大率用βmgT表示，可满足以下表达式(4)1.1＜βmgT＜2.0。利用该变焦透镜，可以期望整个透镜系统的进一步小型化，在使用大尺寸的图像摄取元件的情况下，可以期望在更近的位置进行图像摄取，并可以实现更高的图像摄取放大率。
优选地，变焦透镜被设置为，聚焦组的焦距用ff表示，在远摄端微距透镜组的焦距用fmgT表示，可满足以下表达式(5)1.0＜ff/fmgT＜5.0。利用该变焦透镜，可以更好地校正球面像差，并可以期望实现进一步的小型化。
从以下的描述和权利要求中，联系附图，本发明的上述和其他的目标、特征、和优势将会变得更加明显，附图中相同的部分或元件用相同的附图标号表示。
附图说明
图1是示出本发明所应用的变焦透镜的透镜结构的示意图；
图2是示出根据数值实例1在无限远聚焦状态下在变焦透镜的广角端的球面像差、像散、和畸变像差的示意图，在例1中，图1的变焦透镜应用了具体的数值；
图3是相似的图，但示出的是根据数值实例1在中间焦距的球面像差、像散、和畸变像差；
图4是相似的图，但示出的是根据数值实例1在变焦透镜的远摄端的球面像差、像散、和畸变像差；
图5是相似的图，但示出的是根据数值实例1在微距模式下变焦透镜的放大率为0.6时变焦透镜的球面像差、像散、和畸变像差；
图6是示出本发明所应用的另一个变焦透镜的透镜结构的示意图；
图7是示出根据数值实例2在无限远聚焦状态下在变焦透镜广角端的球面像差、像散、和畸变像差的示意图，在例2中，图6的变焦透镜应用了具体的数值；
图8是相似的图，但示出的是根据数值实例2在中间焦距的球面像差、像散、和畸变像差；
图9是相似的图，但示出的是根据数值实例2在变焦透镜的远摄端的球面像差、像散、和畸变像差；
图10是相似的图，但示出的是根据数值实例2在微距模式下变焦透镜的放大率为0.6时变焦透镜的球面像差、像散、和畸变像差；
图11是示出本发明所应用的又一个变焦透镜的透镜结构的示意图；
图12是示出根据数值实例3在无限远聚焦状态下在变焦透镜的广角端的球面像差、像散、和畸变像差的示意图，其中，图11的变焦透镜应用了具体的数值；
图13相似的图，但示出的是根据数值实例3在中间焦距的球面像差、像散、和畸变像差；
图14是相似的图，但示出的是根据数值实例3在变焦透镜的远摄端的球面像差、像散、和畸变像差；
图15是相似的图，但示出的是根据数值实例3在微距模式下变焦透镜的放大率为0.6时变焦透镜的球面像差、像散、和畸变像差；以及
图16是示出本发明所应用的图像摄取装置的方框图。
具体实施方式
以下，描述本发明应用于变焦透镜和图像摄取装置的优选实施例。
本发明的变焦透镜包括：第一透镜组，具有正折射率；第二透镜组，具有负折射率，并作为变焦透镜的放大率变化时可活动的组；以及多个活动透镜组，可与第二组协作形成微距透镜组。第一透镜组、第二透镜组和活动透镜组从物体侧按顺序设置。活动透镜组包括：第三透镜组；相对于第三透镜组设置在成像侧的单聚焦组；以及相对于聚焦组在设置成像侧并具有负折射率的附加透镜组。当第一透镜组固定在远摄端时，通过从远摄端位置向物体侧整体移动微距透镜组，变焦透镜可以实现放大率高于0.5的微距模式。
因此，该变焦透镜在广角端具有60到100度广角的图像摄取视角，以及具有大概3至7倍的放大率。此外，该变焦透镜由于具有小的前透镜直径而在紧密性方面具有优势，而且具有放大率高于0.5的微距模式。此外，该变焦透镜可以容易地在微距模式下执行聚焦操作。因此，该变焦透镜适合用于使用对比检测方式并具有AF功能的图像摄取装置。
特别是在微距模式下，在只将具有正折射率的第一透镜组固定在远摄端的位置的同时，通过整体移动微距透镜组到物体侧，该变焦透镜可以实现与整体进给(entirely feeding)型变焦透镜类似的高成像性能，而不改变透镜的总长。
此外，由于微距透镜组中位于聚焦组后面(即，位于成像侧)的透镜组具有负折射率并具有高放大率，因而图像可以一下子被扩大。因此，整个透镜系统可以小型化。另外，在使用大尺的图像摄取元件的情况下，同样可以期望即使在很近的位置上进行图像摄取，并且可以期望实现更高的图像摄取放大率。
特别地，变焦透镜被设置为，第三透镜组具有正折射率，并且聚焦组形成为具有正折射率并在光轴方向上移动时执行聚焦的第四透镜组，以及附加透镜组包括具有低折射率的第五透镜组和具有负折射率的第六透镜组，此外，第二至第六透镜组形成微距透镜组。从而，变焦透镜在广角端具有60到100度广角的图像摄取视角，此外还具有大概3至7倍的放大率。而且，该变焦透镜由于具有小的前透镜直径而在紧密性方面具有优势，并具有放大率高于0.5的微距模式。此外，变焦透镜可以容易地在微距模式下执行聚焦操作。因此，变焦透镜适合用于使用对比检测方式并具有AF功能的图像摄取装置。
特别在微距区域中，在只将具有不是很高正折射率的第一透镜组固定在远摄端的位置的情况下，通过向物体侧整体移动第二至第六透镜组，该变焦透镜可以实现类似于整体进给型变焦透镜的高成像性能，而不改变透镜的总长。
此外，由于第六透镜组具有负折射率并具有高放大率，因而图像可以一下子被扩大。因此，整个透镜系统可以小型化。另外，在使用大尺寸图像摄取元件的情况下，可以期望即使在很近的位置也可以进行图像摄取，并可以期望实现更高的图像摄取放大率。
优选地，变焦透镜被设置为，在广角端整个透镜系统的焦距用fw表示，在远摄端整个透镜系统的焦距用fT表示，第一透镜组的焦距用f1表示，在远摄端微距透镜组的焦距用fmgT表示，以及在广角端的后焦点长度用Twbf表示，可满足下列表达式(1)至(3)：
(1)0.6＜f1/fT＜2.0
(2)0.1＜fmgT/fT＜0.4
(3)0.2＜|Twbf/fw|＜1.2.
上述条件表达式(1)限定了具有正折射率的第一透镜组的焦距与在远摄端整个透镜系统的焦距之间的比率。如果比率f1/fT等于或小于0.6，则第一透镜组的折射率就会非常高，并且由球面像差引起的各种像差的影响将变得很显著。因此，即使利用整个透镜系统，也难以校正从广角端到远摄端的整个微距区域上的像差。另一方面，如果比率f1/fT大于2.0，第一透镜组的折射率将会变得很低，以至于难以达到高放大率且难以达到尺寸和重量的减小。
上述条件表达式(2)限定了包括具有正折射率的第二透镜组和聚焦组以及位于聚焦组后面并具有负折射率的附加透镜组的微距透镜组在远摄区域中的焦距与整个透镜系统在远摄端的焦距之间的比率。如果比率fmgT/fT等于或低于0.1，则微距透镜组的折射率就会变得非常高，并且由球面像差引起的各种像差的影响变得很显著。因此，即使通过整个透镜系统，也难以校正从广角端到远摄端的整个微距区域上的像差。另一方面，如果比率fmgT/fT高于0.4，那么微距透镜组的折射率就会变得很低，以至于难以达到高放大率并且难以达到尺寸和重量的减小。此外，为了达到期望的放大率，微距透镜组的活动区域必须增加，这在尺寸以及结构方面不是可取的。
上述条件表达式(3)限定了广角端的后焦点长度(BF长度)与在广角端整个透镜系统的焦距之间的比率。具体来说，如果比率|Twbf/fw|的值等于或小于0.2，那么通常插入透镜系统的最后透镜面与图像摄取平面之间的低通滤波器或IR(红外切割)玻璃板非常靠近图像摄取元件的表面，并且，在最小光圈状态下，低通滤波器或IR玻璃板的缺陷或附着在低通滤波器或IR玻璃板上的杂质可能会变得显著。另一方面，如果比率|Twbf/fw|的值大于1.2，那么前透镜半径将变得很大，以至于难以小型化，此外角度的增加变得困难。更优选的是，比率|Twbf/fw|的值在0.3至0.8的范围内。
优选地，变焦透镜被设置为，在放大率为最高的微距位置包括在微距透镜组中的负透镜的横向放大率用βmgT表示，可满足以下表达式(4)：
(4)1.1＜βmgT＜2.0
由于包括在微距透镜组中的附加透镜组具有负折射率和高放大率，因而图像可以一下子被扩大。因此，整个透镜系统可以小型化。此外，在使用大尺寸图像摄取元件的情况下，如上所述，可以期望即使在更近的位置进行图像摄取，以及可以实现更高的图像摄取放大率。然而，如果βmgT的值等于或小于1.1，那么具有负折射率并包括在微距透镜组中的附加透镜组的放大率变低。因此，整个透镜系统的小型化变得困难，并且最近距离变长。另一方面，如果βmgT的值大于2.0，那么相对于具有负折射率的附加透镜组位于物体侧的透镜组的残留像差增加，导致成像性能变差。同样，透镜的偏心敏感度(eccentricity sensitivity)增加，并且透镜的组合精度变得非常差，不适合变焦透镜的制造。
优选地，变焦透镜被设置为，聚焦组的焦距用ff表示，微距透镜组在远摄端的焦距用fmgT表示，可满足以下表达式(5)：
(5)1.0＜ff/fmgT＜5.0
条件表达式(5)限定了聚焦组的焦距与微距透镜组在远摄端的焦距之间的比率。具体而言，如果比率ff/fmgT的值等于或小于1.0，那么聚焦组的放大率变高，以至由于物体距离的变化而引起的像差波动变大，尤其在中间焦距的球面像差的变化变大。另一方面，如果比率ff/fmgT的值等于或大于5.0，则聚焦组的放大率将变低，使得聚焦组的活动范围变大，导致小型化的困难。
在本发明的变焦透镜中，优选地，光圈设置在微距透镜组中或设置在微距透镜组附近，并在微距模式下与微距透镜组一起整体移动。
在本发明的变焦透镜中，优选地，在微距模式下聚焦组的活动范围与普通图像摄取区域的在远摄端的活动范围基本上相同。这是因为，由于可以在不改变聚焦组的活动范围的情况下添加微距模式，因而不必要在普通图像摄取区域中聚焦组的前后提供附加的空间，这对小型化是最适宜的。
应该注意，本发明的变焦透镜的任一透镜组不一定由折射入射光线的折光透镜(即，通过彼此具有不同折射率的不同介质之间的界面发生光的偏转的透镜类型)组成。例如，任一透镜组可由通过衍射使入射光线偏转的衍射型透镜、通过衍射作用和折射作用的结合来使入射光线偏转的衍射折射混合型透镜、通过在介质中折射率分布来使入射光线偏转的折射率分布型透镜等类似透镜组成。
此外，可在光路中插入没有任何光功率(optical power)的面(例如，反射面、折射面、或衍射面)，以在变焦透镜之前、之后、或中间使光路弯曲。偏转位置可根据场合需要来设置，并且，可以通过光路的合适偏转来实现图像摄取装置(例如，相机)在厚度上的明显减小。
也能通过移动组成本发明的变焦透镜的透镜组中的一个或多个透镜组或通过在与光轴基本垂直的方向上移动一个透镜组中的一个或一些透镜，来移动图像。如果将用于检测相机模糊的检测系统、用于移动透镜组的驱动系统、以及响应于检测系统的输出而向驱动系统提供移位量的控制系统结合，那么它们可以作为振动预防光学系统。
尤其在本发明的变焦透镜中，可以通过在与光轴基本垂直的方向上移动一些或所有的作为微距透镜组的一部分的第三、第四、和第五透镜组，以小的像差变化来移动图像。因为第三透镜组设置在孔径光阑的附近，光轴外的光通量经过光轴的附近，因此当移动图像时出现的彗形像差(comatic abberation)的波动很小。
下面，参考图1至图15以及表1至表13描述根据本发明的不同实施例的三个变焦透镜和具体数值应用于实施例的数值实例。
注意到，这些实施例中使用了非球面，并且该非球面的形状由以下表达式(1)定义：
x = y 2 · c 2 1 + 1 - ( 1 + K ) · y 2 · c 2 + Σ A i · y i · · · ( 1 )
其中，x为在光轴方向上与透镜面顶点的距离，y为在与光轴垂直的方向上的高度，c为透镜顶点的旁轴曲率半径，K为圆锥常数(conic constant)，以及Ai为i阶非球面常数。
图1示出了根据本发明的第一实施例的变焦透镜的结构。参考图1，所示变焦透镜1包括：第一透镜组GR1，具有正折射率；第二透镜组GR2，具有负折射率；第三透镜组GR3，具有正折射率；第四透镜组GR4，具有正折射率；第五透镜组GR5，具有低折射率；以及第六透镜组GR6，具有负折射率，以上透镜组从物体侧开始按顺序设置。放大率变化时，透镜组如图1中实线箭头标记所指出的在光轴上移动。
第一透镜组GR1包括由负透镜和正透镜组成的粘合透镜G1，和正透镜G2。第二透镜组GR2包括在物体侧具有复合非球面的负透镜G3、负透镜G4、正透镜G5，以及另一个负透镜G6。第三透镜组GR3包括在相对两侧具有非球面的正透镜G7、光圈S、以及负透镜G8。第四透镜组GR4形成聚焦组，并包括由正透镜和负透镜组成的粘合透镜G9。第五透镜组GR5包括具有低折射率并在物体侧具有非球面的透镜G10。第六透镜组GR6包括负透镜G11、以及在物体侧具有非球面的正透镜G12。
变焦透镜1可以设为微距模式，在该微距模式中，通过从透镜组在图1中的中段所示的变焦透镜1的远摄端状态的位置到图1中的下段所示的状态的位置，朝物体侧整体地移动从第二透镜组GR2至第六透镜组GR6的透镜组(微距透镜组)，可以实现比在普通图像摄取区域中高的放大率。
此外，在根据第一实施例的变焦透镜1中，以及在根据下文中描述的第二和第三实施例的变焦透镜中，平行平板形状的低通滤波器LPF插入最后的透镜面与图像摄取平面IMG之间。应该注意，低通滤波器LPF可由用晶体取向经过调整的石英等制成的双折射型低通滤波器、通过衍射效应实现用于光截止频率的必要特征的相位型低通滤波器或其他合适的低通滤波器形成。
表1示出了具体数值应用于上述第一实施例的变焦透镜1的数值实例1的多个尺寸的值。在数值实例1和在下文中描述的数值实例的尺寸表中，项“面号”表示从物体侧开始的第i个面，“R”表示第i个面的曲率半径，“D”表示第i个面和第i+1个面之间的轴上面距离，“Nd”表示在物体侧具有第i面的玻璃材料相对于d线(λ＝587.6nm)的折射率，以及“Vd”表示在物体侧具有第i面的玻璃材料相对于d线的阿贝数。此外，由“ASP”表示的面是非球面。曲率半径“INFINITY”表示该面是平面。
表1
  面号   R   D   Nd   Vd
  1   236.679   1.800   1.8467   23.7848
  2   74.730   4.800   1.7725   49.6243
  3   404.369   0.200
  4   63.998   4.387   1.8350   42.9842
  5   200.000   可变的
  6   -14234.997   ASP   0.200   1.5361   41.2000
  7   139.743   1.600   1.8350   42.9842
  8   15.504   8.212
  9   -76.456   1.100   1.8350   42.9842
  10   31.572   0.347
  11   30.386   5.020   1.8467   23.7848
  12   -59.027   1.164
  13   -38.000   1.100   1.8350   42.9842
  14   -71.863   可变的
  15   17.169   ASP   4.053   1.5831   59.4596
  16   -39.298   ASP   2.500
  光圈   INFINITY   3.000
  18   32.633   1.200   1.9229   20.8835
  19   15.818   可变的
  20   25.189   5.001   1.4970   81.6084
  21   -15.000   0.900   1.8340   37.3451
  22   -23.528   可变的
  23   -74.636   ASP   2.000   1.8061   40.7344
  24   -116.955   可变的
  25   -14.063   1.000   1.8340   37.3451
  26   -102.927   0.200
  27   24.380   ASP   3.091   1.8467   23.7848
  28   -1000.000   可变的
  29   INFINITY   1.200   1.5168   64.1983
  30   INFINITY   1.620   1.5523   63.4241
  31   INFINITY   1.000   1.0000
  32   INFINITY   0.500   1.5567   58.6492
  33   INFINITY   1.000   1.0000
  IMG   INFINITY
表2中示出了在数值实例1中，广角端、广角端与远摄端之间的中间焦距、以及远摄端的焦距f、F数Fno、以及半视角ω。
表2
  f   14.726   33.938   78.218
  Fno.   2.866   3.951   4.967
  ω   42.228   20.580   9.230
在变焦透镜1中，放大率变化时，透镜组距离d5、d14、d19、d22、d24、以及d28发生改变。另一方面，聚焦时，第三透镜组GR3与第四透镜组GR4之间的距离d19和第四透镜组GR4与第五透镜组GR5之间的距离d22变化。因此，在表3中与放大率一起示出了数值实例1中在普通图像摄取区域内在无限远聚焦时在广角端(f＝14.726)、中间焦距(f＝33.938)、和远摄端(f＝78.218)聚焦时，以及在短距离(离物体的距离＝0.34m)聚焦时在广角端、中间焦距、和远摄端聚焦时；以及在微距区域内在最长距离(0.58m)和在最短距离(0.24m)聚焦时，上述可变距离的值。
表3
Figure C20061007499900191
在变焦透镜1中，第6、第15、第16、第23和第27面中的每个面都由非球面构成。因此，在表4中与圆锥常数一起示出了数值实例1中的每个面的非球面系数。应该注意，在示出非球面常数的表4和随后的表中，“E-i”是底数为10的指数表达式，也就是，“10-i”，例如，“0.12345E-05”表示“0.12345×10-5”。
表4
  面号   K   A<sup>4</sup>   A<sup>6</sup>   A<sup>8</sup>   A<sup>10</sup>
  6   0.000E+00   1.745E-05   -3.647E-08   5.90E-11   -5.19E-14
  15   0.000E+00   -3.017E-05   -6.668E-08   4.48E-10   -3.90E-13
  16   0.000E+00   1.724E-05   -4.398E-08   4.88E-10   0.00E+00
  23   0.000E+00   4.904E-05   -1.037E-07   3.21E-10   2.90E-12
  27   0.000E+00   -7.598E-05   3.521E-07   -1.64E-09   3.9E-12
图2至图4示出了在数值实例1中在无限远聚焦时的各种像差。具体来说，图2示出了变焦透镜在广角端(f＝14.726)的球面像差、像散、和畸变像差；图3示出了在中间焦距(f＝33.938)的球面像差、像散、和畸变像差；以及图4示出了在远摄端(f＝78.218)的球面像差、像散、和畸变像差。此外，图5示出了在微距模式下变焦透镜的放大率为0.6的情况下变焦透镜的球面像差、像散、和畸变像差。应该注意，在图2至图5中，对于球面像差，纵轴表示与开放状态下的F值的比，横轴表示散焦量，实线表示相对于d线的球面像差；点划线表示相对于C线的球面像差；以及虚线表示相对于g线的球面像差。对于像散，纵轴表示图像高度，横轴表示聚焦量，实线表示弧矢(sagittal)像面，而虚线表示子午(meridional)像面。对于畸变像差，纵轴表示图像高度，而横轴表示百分比。
图6示出了根据本发明第二实施例的变焦透镜的结构。参考图6，所示变焦透镜2包括：第一透镜组GR1，具有正折射率；第二透镜组GR2，具有负折射率；第三透镜组GR3，具有正折射率；第四透镜组GR4，具有正折射率；第五透镜组GR5，具有低折射率；以及第六透镜组GR6，具有负折射率，以上透镜组从物体侧按顺序设置。放大率变化时，透镜组如图6中实线箭头标志所指出的在光轴上移动。
第一透镜组GR1包括由负透镜和正透镜组成的粘合透镜G1，和正透镜G2。第二透镜组GR2包括在物体侧具有复合非球面的负透镜G3、由负透镜和正透镜组成的粘合透镜G4、和负透镜G5。第三透镜组GR3包括在相对两侧为非球面的正透镜G6、光圈S、以及负透镜G7。第四透镜组GR4包括由正透镜和负透镜组成的粘合透镜G8。第五透镜组GR5包括具有低折射率并在物体侧具有非球面的透镜G9。第六透镜组GR6包括负透镜G10以及相对两侧具有非球面的正透镜G11。
变焦透镜2可以设为微距模式，在该模式中，通过从透镜组在图6中的中段所示的变焦透镜2的远摄端状态的位置到图6中的下段所示的状态的位置，朝向物体侧整体地移动从第二透镜组GR2至第六透镜组GR6的透镜组(微距透镜组)，可以在比普通图像摄取区域短的距离聚焦。
表5示出了具体数值应用于上述第二实施例的变焦透镜2的数值实例2的多个尺寸的值。
表5
  面号   R   D   Nd   Vd
  1   500.000   1.700   1.8467   23.785
  2   89.433   4.558   1.7292   54.674
  3   30368.607   0.200
  4   63.257   4.175   1.8350   42.984
  5   236.092   可变的
  6   -893.765   ASP   0.200   1.5361   41.200
  7   165.419   1.500   1.8350   42.984
  8   16.144   7.827
  9   -66.815   1.100   1.8350   42.984
  10   31.665   5.303   1.8467   23.785
  11   -41.056   1.173
  12   -30.000   1.100   1.8350   42.984
  13   -67.131   可变的
  14   16.904   ASP   3.476   1.6180   63.396
  15   -42.387   ASP   2.500
  光圈   INFINITY   3.000
  17   30.101   0.900   1.9229   20.880
  18   15.438   可变的
  19   24.046   4.988   1.4970   81.608
  20   -12.476   0.900   1.8350   42.984
  21   -19.662   可变的
  22   -18.069   ASP   1.600   1.8061   40.734
  23   -24.363   可变的
  24   -11.833   1.000   1.7292   54.674
  25   -343.116   0.200
  26   20.764   ASP   3.700   1.8340   37.345
  27   -120.143   ASP   可变的
  28   INFINITY   1.200   1.5168   64.198
  29   INFINITY   1.620   1.5523   63.424
  30   INFINITY   1.000   1.0000
  31   INFINITY   0.500   1.5567   58.649
  32   INFINITY   1.000   1.0000
  IMG   INFINITY
表6中示出了在数值实例2中，广角端、广角端与远摄端之间的中间焦距、以及远摄端的焦距f、F数Fno.、以及半视角ω。
表6
  f   14.730   33.943   78.213
  Fno.   2.887   4.214   4.965
  ω   42.240   20.929   9.187
在变焦透镜2中，放大率变化时，透镜组距离d5、d13、d 18、d21、d23、以及d27发生改变。另一方面，聚焦时，第三透镜组GR3与第四透镜组GR4之间的距离d18和第四透镜组GR4与第五透镜组GR5之间的距离d21变化。因此，在表7中与放大率一起示出了数值实例2中在普通图像摄取区域内在无限远聚焦时在广角端(f＝14.730)、中间焦距(f＝33.943)、和远摄端(f＝78.213)聚焦时，以及在短距离(与物体的距离＝0.35m)聚焦时在广角端、中间焦距、和远摄端聚焦时；以及在微距区域内在最长距离(0.57m)和在最短距离(0.23m)聚焦时，上述可变距离的值。
表7
Figure C20061007499900231
在变焦透镜2中，第6、第14、第15、第22、第26和第27面中的每一个面都由非球面构成。因此，在表8中与圆锥常数一起示出了数值实例2中的每个面的非球面系数。
表8
  面号   K   A<sup>4</sup>   A<sup>6</sup>   A<sup>8</sup>   A<sup>10</sup>
  6   0.000E+00   1.827E-05   -3.819E-08   5.78E-11   -5.15E-14
  14   0.000E+00   -3.253E-05   -3.77E-08   3.48E-10   -7.49E-12
  15   0.000E+00   1.411E-05   2.309E-08   -5.17E-10   0.00E+00
  22   0.000E+00   1.125E-04   -4.59E-07   2.68E-09   7.51E-14
  26   0.000E+00   -1.580E-04   6.55E-07   -4.60E-09   1.21E-11
  27   0.000E+00   -2.90E-05   -2.00E-07   0.00E+00   0.00E+00
图7至图9示出了在数值实例2中在无限远聚焦时的各种像差，具体来说，图7示出了变焦透镜的广角端(f＝14.730)的球面像差、像散、和畸变像差；图8示出了在中间焦距(f＝33.943)的球面像差、像散、和畸变像差；以及图9示出了在远摄端(f＝78.213)的球面像差、像散、和畸变像差。此外，图10示出了在微距模式下变焦透镜的放大率为0.6的情况下变焦透镜的球面像差、像散、和畸变像差。应该注意，在图7至图10中，对于球面像差，纵轴表示与开放状态下的F值的比，横轴表示散焦量，实线表示相对于d线的球面像差；点划线表示相对于C线的球面像差；以及虚线表示相对于g线的球面像差。对于像散，纵轴表示图像高度，横轴表示聚焦量，实线表示弧矢面，而虚线表示子午像面。对于畸变像差，纵轴表示图像高度，而横轴表示百分比。
图11示出了根据本发明第三实施例的变焦透镜的结构。参考图11，变焦透镜3包括：第一透镜组GR1，具有正折射率；第二透镜组GR2，具有负折射率；第三透镜组GR3，具有正折射率；第四透镜组GR4，具有正折射率；第五透镜组GR5，具有低折射率；第六透镜组GR6，具有负折射率；以及第七透镜组GR7，具有正折射率，以上透镜组从物体侧按顺序设置。放大率变化时，除第七透镜组GR7之外的透镜组如图11中实线箭头标志所示在光轴上移动。
第一透镜组GR1包括由负透镜和正透镜组成的粘合透镜G1，和正透镜G2。第二透镜组GR2包括在物体侧具有复合非球面的负透镜G3、由负透镜和正透镜组成的粘合透镜G4、和负透镜G5。第三透镜组GR3包括在相对侧具有非球面的正透镜G6、光圈S、以及负透镜G7。第四透镜组GR4包括由正透镜和负透镜组成的粘合透镜G8。第五透镜组GR5包括具有低折射率并在其相对侧具有非球面的透镜G9。第六透镜组GR6包括负透镜G10、以及在相对侧具有非球面的正透镜G11。第七透镜组GR7包括放大率变化时固定的正单透镜G12。
变焦透镜3可以设为微距模式，在该模式中，通过从透镜组在图11中的中段所示的变焦透镜3的远摄端状态的位置到图11中的下段所示的状态的位置，朝向物体侧整体地移动从第二透镜组GR2至第六透镜组GR6的透镜组(微距透镜组)，可以在比普通图像摄取区域短的距离聚焦。
表9示出了具体数值应用于上述第三实施例的变焦透镜3的数值实例3的多个尺寸的值。
表9
  面号   R   D   Nd   Vd
  1   500.000   1.700   1.8467   23.785
  2   96.989   4.500   1.7292   54.674
  3   2473.469   0.200
  4   64.654   4.590   1.8350   42.984
  5   200.000   可变的
  6   -3827.285   ASP   0.200   1.5361   41.200
  7   145.379   1.500   1.8350   42.984
  8   16.013   8.791
  9   -40.623   1.100   1.8350   42.984
  10   40.924   5.442   1.8467   23.785
  11   -34.735   0.861
  12   -30.382   1.100   1.8350   42.984
  13   -46.217   可变的
  14   17.600   ASP   3.966   1.6180   63.396
  15   -37.418   ASP   2.500
  光圈   INFINITY   3.000
  17   34.527   0.900   1.9229   20.880
  18   15.915   可变的
  19   22.526   4.791   1.4970   81.608
  20   -13.749   0.900   1.8350   42.984
  21   -21.169   可变的
  22   -24.258   ASP   1.600   1.8061   40.734
  23   -43.741   ASP   可变的
  24   -11.063   1.000   1.6833   57.744
  25   -58.348   0.200
  26   28.135   ASP   4.000   1.8340   37.345
  27   -10000.000   ASP   可变的
  28   -468.799   2.700   1.8467   23.785
  29   -51.710   2.755   1.0000
  30   INFINITY   1.200   1.5168   64.198
  31   INFINITY   1.620   1.5523   63.424
  32   INFINITY   1.000   1.0000
  33   INFINITY   0.500   1.5567   58.649
  34   INFINITY   1.000   1.0000
  IMG   INFINITY
表10中示出了在数值实例3中，广角端、广角端与远摄端之间的中间焦距、以及在远摄端的焦距f、F数Fno.、以及半视角ω。
表10
  f   14.730   33.943   78.214
  Fno.   2.887   3.995   4.927
  ω   42.169   20.500   9.183
在变焦透镜3中，放大率变化时，透镜组距离d5、d13、d18、d21、d23以及d27发生变化。另一方面，聚焦时，第三透镜组GR3与第四透镜组GR4之间的距离d18和第四透镜组GR4与第五透镜组GR5之间的距离d21变化。因此，在表11中与放大率一起示出了在数值实例3中在普通图像摄取区域内在无限远聚焦时在广角端(f＝14.730)、中间焦距(f＝33.943)、和远摄端(f＝78.214)聚焦时，以及在短距离(与物体的距离＝0.35m)聚焦时在广角端、中间焦距、和远摄端聚焦时；以及在微距区域内在最长距离(0.70m)和在最短距离(0.23m)聚焦时，上述可变距离的值。
表11
Figure C20061007499900271
在变焦透镜3中，第6、第14、第15、第22、第23、第26和第27面中的每个面都由非球面构成。因此，在表12中与圆锥常数一起示出了数值实例3中的每个面的非球面系数。
表12
  面号   K   A<sup>4</sup>   A<sup>6</sup>   A<sup>8</sup>   A<sup>10</sup>
  6   0.000E+00   1.80E-05   -3.55E-08   4.58E-11   -3.32E-14
  14   0.000E+00   -3.16E-05   -4.92E-08   2.70E-10   -3.21E-12
  15   0.000E+00   1.63E-05   -2.10E-08   -5.78E-12   0.00E+00
  22   0.000E+00   1.95E-04   -7.12E-07   9.03E-09   -3.19E-11
  23   0.000E+00   1.02E-04   -1.25E-07   3.73E-09   0.00E+00
  26   0.000E+00   -1.87E-04   3.94E-07   -4.61E-09   1.56E-11
  27   0.000E+00   -9.26E-05   -1.70E-07   0.00E+00   0.00E+00
图12至图14示出了在数值实例3中在无限远聚焦时的各种像差。具体来说，图12示出了变焦透镜的广角端(f＝14.730)的球面像差、像散、和畸变像差；图13示出了在中间焦距(f＝33.943)的球面像差、像散、和畸变像差；以及图14示出了在远摄端(f＝78.214)的球面像差、像散、和畸变像差。此外，图15示出了在微距模式下变焦透镜的放大率为0.6的情况下变焦透镜的球面像差、像散、和畸变像差。应该注意，在图12至图15中，对于球面像差，纵轴表示与开放状态下的F值的比，横轴表示散焦量，实线表示相对于d线的球面像差；点划线表示相对于C线的球面像差；以及虚线表示相对于g线的球面像差。对于像散，纵轴表示图像高度，横轴表示聚焦量，实线表示弧矢像面，而虚线表示子午像面。对于畸变像差，纵轴表示图像高度，而横轴表示百分比。
表13中示出了上述第一至第三数值实例中对应于条件表达式(1)至(5)的值。
表13
  条件表达式   (1)   (2)   (3)   (4)   (5)
  数值实例   f1/fT   fmgT/fT   |Twbf/fw|   mgT   ff/fmgT
  1   1.328   0.160   0.704   1.346   2.498
  2   1.264   0.162   0.721   1.301   2.252
  3   1.412   0.184   0.469   1.385   1.929
从上述表13中可以看到，数值实例1至3满足条件表达式1至5，并且普通图像摄取时在广角端、广角端与远摄端之间的中间焦距、和远摄端的所有像差以及在微距模式下的所有像差都被校正为很平衡的状态。
图16示出了应用本发明的图像摄取装置。
参考图16，所示图像摄取装置10包括变焦透镜20，以及用于将通过变焦透镜20形成的光学图像转换为电信号的图像摄取元件30。尽管图像摄取元件30可以是任何使用例如CCD(电荷耦合器件)元件或CMOS(互补金属氧化物半导体)元件等光电转换元件的图像摄取装置，但也可以由任何其他能将光信号转换为电信号的元件组成。同时，根据本发明的变焦透镜可以应用于变焦透镜20，并且在图16中，上述根据第一实施例的变焦透镜1的透镜组以单透镜的简化方式分别显示。当然，不仅根据第一实施例的变焦透镜，而且根据本发明的第二和第三实施例的变焦透镜2和3，以及任何以不同于在本申请中公开的第一至第三实施例的那些变焦透镜的任何其他形式形成的本发明的变焦透镜都可以应用于变焦透镜20。
图像摄取装置10还包括控制电路50，用于响应于例如变焦按钮的操作接收输入其中的外部操作信号，并响应于操作信号执行各种处理。例如，如果响应于变焦按钮的操作而输入了变焦指令，则控制电路50通过驱动电路60操作驱动部70，以移动透镜组到各自预定的位置，从而建立对应于该指令的焦距条件。由各自的传感器80检测到的透镜组的位置信息输入到控制电路50，然后进行参考，从而产生将被输出给驱动电路60的指令信号。此外，控制电路50响应于从图像分离电路40送入其中的信号来检查聚焦条件，并控制获得最佳的聚焦条件。应该注意，尽管在图16中仅简化地示出了一条驱动路径，但实际上，图像摄取装置10包括彼此分离的变焦系统、聚焦系统、和图像模式切换系统。此外，在图像摄取装置10还包括模糊校正功能的情况下，其可进一步包括振动防止驱动系统，用于驱动模糊校正透镜(组)。此外，上面提到的一些驱动系统可能形成为共通的驱动系统。例如，通过使用具有在普通图像摄取模式中使用的凸轮(cam)区域和在微距模式中使用的其他区域的共同凸轮机构，并用于形成微距模式的凸轮区域设置在普通图像摄取凸轮区域中对应于远摄端的部分的前面，变焦系统和图像摄取模式切换系统可以形成为共同的驱动系统。
上述图像摄取装置10可采用形成为特殊产品的各种形式。例如，图像摄取装置10可以作为照相机部而广泛地应用于例如，数码相机、数码摄影机、结合了照相机的便携式电话机、以及结合了照相机的PDA(个人数字助理)的数字输入/输出设备。
虽然上文中使用特定的术语描述了本发明的优选实施例，但这样的描述只是用于解释说明的目的，应该知道，在不背离权利要求的精神或范围的情况下，可以进行各种改变和变化。

Claims (7)

1.一种变焦透镜，包括：
第一透镜组，具有正折射率；
第二透镜组，具有负折射率，并作为所述变焦透镜的放大率变化时可活动的组；以及
多个活动透镜组，可与所述第二透镜组协作形成微距透镜组；其中
所述第一透镜组、第二透镜组和多个活动透镜组从物体侧按顺序设置；
所述多个活动透镜组包括单个聚焦组，以及相对于所述单个聚焦组设置在成像侧、并具有负折射率的附加透镜组；以及
所述变焦透镜具有微距模式，在所述微距模式中，当所述第一透镜组固定在远摄端时，通过从远摄端位置向物体侧整体移动所述微距透镜组，所述变焦透镜能以比普通区域短的距离聚焦。
2.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，所述多个活动透镜组包括：第三透镜组，具有正折射率；第四透镜组，具有正折射率，并在光轴方向上移动时执行聚焦，所述第四透镜组形成为所述单个聚焦组；第五透镜组，具有低折射率；以及第六透镜组，具有负折射率，所述第五透镜组和所述第六透镜组形成为所述附加透镜组，所述第二至第六透镜组形成所述微距透镜组。
3.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，在广角端整个透镜系统的焦距用fw表示，在远摄端整个透镜系统的焦距用fT表示，所述第一透镜组的焦距用f1表示，在远摄端所述微距透镜组的焦距用fmgT表示，以及在广角端的后焦点长度用Twbf表示，满足以下表达式(1)，(2)和(3)：
(1)0.6＜f1/fT＜2.0
(2)0.1＜fmgT/fT＜0.4
(3)0.2＜|Twbf/fw|＜1.2
4.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，在放大率为最高的微距位置时包括在所述微距透镜组中的负透镜的横向放大率用βmgT表示，满足以下表达式(4)：
(4)1.1＜βmgT＜2.0
5.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，所述单个聚焦组的焦距用ff表示，以及在远摄端所述微距透镜组的焦距用fmgT表示，满足以下表达式(5)：
(5)1.0＜ff/fmgT＜5.0
6.一种图像摄取装置，包括：
变焦透镜；以及
图像摄取元件，用于将通过所述变焦透镜形成的光学图像转换为电信号；
所述变焦透镜包括：第一透镜组，具有正折射率；第二透镜组，具有负折射率，并作为所述变焦透镜放大率变化时可活动的组；以及多个活动透镜组，可与所述第二透镜组协作形成微距透镜组，所述第一透镜组、第二透镜组和多个活动透镜组从物体侧按顺序设置，所述多个活动透镜组包括单个聚焦组，以及相对于所述单个聚焦组设置在成像侧、并具有负折射率的附加透镜组；
所述变焦透镜具有微距模式，在所述微距模式中，当所述第一透镜组固定在远摄端时，通过从远摄端位置向物体侧整体移动所述微距透镜组，所述变焦透镜能以比普通区域短的距离聚焦。
7.根据权利要求6所述的图像摄取装置，其中，所述多个活动透镜组包括：第三透镜组，具有正折射率；第四透镜组，具有正折射率，并在光轴方向上移动时执行聚焦，所述第四透镜组形成为所述单个聚焦组；第五透镜组，具有低折射率；以及第六透镜组，具有负折射率，所述第五透镜组和所述第六透镜组形成所述附加透镜组，所述第二至第六透镜组形成所述微距透镜组。
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