CN100388039C - 变焦透镜 - Google Patents

Abstract

一种变焦透镜，包括具有负折射能力的第一透镜组、具有正折射能力并且比第一透镜组更靠近像面的第二透镜组、以及包括用于弯曲光轴的反射表面并且比第二透镜组更靠近像面的第三透镜组。当变焦透镜执行从广角位置向远摄位置的变焦动作时，第一和第二透镜组之间的距离缩短，第二和第三透镜组之间的距离加长，第三透镜组保持固定，以及所述变焦透镜满足如下公式：0.6≤d1pw/d1iw≤0.8，其中dlpw表示沿着光轴从第一透镜组的物侧正面到所述反射表面的距离，并且dliw表示沿着光轴从所述正面到所述像面的距离。

Description

变焦透镜

技术领域

本发明涉及变焦透镜。更具体地，本发明涉及适于小型摄像机或数码相机的小型变焦透镜。

背景技术

用于具有高变焦比的相机的传统变焦透镜在本领域中是公知的。这种透镜包括固定且具有正折射能力的第一透镜组、具有负折射能力并且沿着光轴可移动以进行变焦的第二透镜组、固定且具有正折射能力的第三透镜组、以及具有正折射能力并且沿着光轴可移动以实现焦点矫正的第四透镜组。第一至第四透镜组从变焦透镜的物侧到像面依次排列。变焦比是指广角位置中的焦距(fw)与远摄位置中的焦距(ft)之间的比值，即，ft/fw。变焦透镜在广角位置中具有最小焦距，并且在远摄位置中具有最大焦距。

最新设计的小型相机的特征在于小型变焦透镜和小型相机机身。提高变焦透镜的每个透镜组的折射能力，以便最小化变焦透镜的总长度。然而，如果每个透镜组的折射能力增加，Petzval和可能增加。结果，不仅变焦透镜的光学性能恶化，而且在将变焦透镜组装到相机中时，偏心率可能严重增加。因此，这种变焦透镜不适于高像素相机。

如本领域公知的那样，可以在变焦透镜中排列反射镜和棱镜，以便减小变焦透镜的总长。反射镜或棱镜通过使变焦透镜的光轴以直角弯曲，实现该目的。例如，日本专利未审查申请No.8-248318公开了这样一种变焦透镜，其中在变焦透镜的第一透镜组中安装了直角棱镜，以便弯曲变焦透镜的光轴。然而，日本专利未审查申请No.8-248318中公开的变焦透镜不足以实现变焦透镜的小型化，因为相对于物体排列在第一透镜组的正面部分的第一透镜的直径和尺寸必须加大，并且形成变焦透镜的透镜数目必须增加。

虽然对于适合于小型摄像机或数码相机的小型变焦透镜的需求逐渐增加，但是传统的变焦透镜不能满足这种需求。

因此，需要具有适于小型摄像机或数码相机的高性能的小型变焦透镜。

发明内容

本发明是为了解决现有技术的上述缺点，并且本发明在一个方面中提供了一种小型变焦透镜，其具有适于小型摄像机或数码相机的高性能。

根据本发明的一个方面，提供了一种变焦透镜，包括：具有负折射能力的第一透镜组；第二透镜组，其具有正折射能力，并且比第一透镜组更靠近像面；以及包括用于弯曲光轴的反射表面的第三透镜组，比第二透镜组更靠近像面，其中当变焦透镜执行从广角位置向远摄位置的变焦动作时，第一和第二透镜组之间的距离缩短，第二和第三透镜组之间的距离加长，第三透镜组保持固定，以及变焦透镜满足如下公式：

$0.6\≤\frac{\mathrm{dlpw}}{\mathrm{dliw}}\≤0.8,$ 其中dlpw表示沿着光轴从第一透镜组的物侧正面到反射表面的距离，并且dliw表示沿着光轴从第一透镜组的物侧正面到像面的距离。

附图说明

从下面结合附图的详细描述中，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更加清楚，其中：

图1至3是图示了根据本发明第一实施例的变焦透镜的侧视图；

图4A、4B、4C是图示了图1所示的变焦透镜的广角位置中像差曲线的曲线图；

图5A、5B、5C是图示了图3所示的变焦透镜的远摄位置中像差曲线的曲线图；

图6至8是图示了根据本发明第二实施例的变焦透镜的图；

图9A、9B、9C是图示了图6所示的变焦透镜的广角位置中像差曲线的曲线图；以及

图10A、10B、10C是图示了图8所示的变焦透镜的远摄位置中像差曲线的曲线图。

具体实施方式

在下面的讨论中，为了表述清楚，省略了对于这里所结合的已知功能和配置的详细描述。

在解释本发明的实施例之前，描述本发明的操作和效果。

本发明的变焦透镜包括具有负折射能力并且可移动地排列在最靠近物侧的第一透镜组、具有正折射能力并且可移动地排列在相对于第一透镜组更加靠近像面处的第二透镜组、以及具有负折射能力并且固定排列在最靠近像面处的第三透镜组。第一和第二透镜组每一个优选地是被设计为作为一个单元来移动的光学系统。

当变焦透镜执行变焦动作时，第一和第二透镜组沿着光轴移动，以实现焦点矫正。具体地说，第一和第二透镜组按照如下方式来移动：可以同时实现变焦透镜的变焦动作和焦点矫正。优选地，因为从广角位置到远摄位置，变焦透镜的放大能力逐渐增加，所以缩短第一和第二透镜组之间的距离，并且相应加长第二和第三透镜组之间的距离。因为仅通过移动第一和第二透镜组，就可以实现变焦透镜的变焦动作和焦点矫正，所以不必额外提供可移动的透镜组用于焦点矫正。因此，可以制造小型化的变焦透镜。另外，因为从变焦透镜的物侧开始依次放置了具有负折射能力的第一透镜组和具有正折射能力的第二透镜组，所以可以在广角位置中提供大于60°的广阔视角，同时确保足量的光。

优选地，第二透镜组包括光阑，其可以是排列在第二透镜组的物侧正面的光学表面，或者是单独安装在第二透镜组的物侧正面的器件。因为第二透镜组包括光阑，所以可以减小安装在第一透镜组的物侧正面的第一透镜的直径。光学表面包括曲面，例如透镜表面、反射表面、棱镜表面或者IR(红外)截止滤镜的表面。光学表面还包括能够改变光路的预定反射表面和预定折射表面。这里将平坦表面认为具有无穷大的曲率半径。

第三透镜组优选地包括反射表面，用于弯曲光轴。可以以棱镜或反射镜的形式提供反射表面。因为第三透镜组弯曲光轴，所以可以在第一透镜和反射表面之间而不是在第一透镜和像面之间的范围中建立变焦透镜的总长。另外，因为不必额外提供用于焦点矫正的可移动透镜组，所以可以缩短反射表面和像面之间的距离，从而可以制造小尺寸的变焦透镜。

在优选实施例中，第一透镜组包括至少一个具有负折射能力的透镜和至少一个具有正折射能力的透镜。进一步优选地，具有负折射能力的透镜由具有低阿贝数的材料制成，并且具有正折射能力的透镜由具有高阿贝数的材料制成。利用这种构造，可以矫正第一透镜组的放大的色差。第一透镜组有利地可以包括至少一个非球面透镜，以便最小化畸变，并获得适于高像素相机的卓越成像性能。在这种情形中，具有负折射能力和正折射能力的透镜中至少一个是以一侧为非球面透镜或者两侧都为非球面透镜的形式制造的。

优选地，第二透镜组包括至少一个具有正折射能力的透镜和至少一个具有负折射能力的透镜。具有负折射能力的透镜优选地由具有低阿贝数的材料制成，并且具有正折射能力的透镜优选地由具有高阿贝数的材料制成。因此，可以矫正第二透镜组的放大的色差。

优选地，变焦透镜满足公式1。

公式1

$0.6\≤\frac{\mathrm{dlpw}}{\mathrm{dliw}}\≤0.8$

在公式1中，dlpw表示沿着光轴从第一透镜组的物侧正面到反射表面的距离，并且dliw表示沿着光轴从第一透镜组的物侧正面到像面的距离。

如果变焦透镜满足公式1，则可以在第一透镜和反射表面之间而不是第一透镜和像面之间的范围中建立变焦透镜的总长。特别地，如果

的值超过0.8，则难以确保后焦距并获得小型化变焦透镜。另一方面，如果

的值小于0.6，则难以确保变焦长度并获得所希望的变焦比。

优选地，变焦透镜同样满足公式2。

公式2

$2.8\≤\frac{\mathrm{ft}}{\mathrm{fw}}$

在公式2中，fw表示广角位置中的总焦距，并且ft表示远摄位置中的总焦距。公式2实际上规定变焦透镜的变焦比高于2.8。

实施例1

图1至3是示出了根据本发明第一实施例的变焦透镜的图，它们是说明性的而非限制性的示例。图1至3分别示出了根据变焦透镜的变焦动作位于广角位置、中间位置和远摄位置中的变焦透镜。为了有助于解释，假设相对于光轴X具有不同角度的五组光入射到图1至3所示的变焦透镜。

变焦透镜包括沿着光轴X可移动的第一和第二透镜组G1、G2、以及固定排列的第三透镜组G3。从变焦透镜的物侧到像面I依次排列第一至第三透镜组G1至G3。

第一透镜组G1由第一和第二透镜L1、L2组成，它们从变焦透镜的物侧到像面I依次排列。第一和第二透镜是具有负折射能力的双面非球面透镜。

第二透镜组G2由第三和第四透镜L3、L4组成，它们从变焦透镜的物侧到像面I依次排列。第三透镜L3是双面凸球面透镜，并且透镜L4是双面非球面透镜。第三和第四透镜L3、L4具有正折射能力。第三透镜L3的第五光学表面充当变焦透镜的光阑。

第三透镜组G3由直角棱镜P和红外(IR)滤镜组成，它们从变焦透镜的物侧到像面I依次排列。直角棱镜P以直角弯曲光轴X，并且具有第九至第十一光学表面，它们从变焦透镜的物侧到像面I依次排列。在图1至3所示的示例性实施例中，第九和第十一光学表面是非球面，并且第十光学表面是平坦反射面。IR滤镜具有遮蔽红外线的功能，并且其两面都是平坦的。第三透镜组G3可以具有正或负的折射能力。

当变焦透镜执行从广角位置向远摄位置的变焦动作时，第一和第二透镜组G1、G2之间的距离缩短，并且第二和第三透镜组G2、G3之间的距离加长。更具体地，当变焦透镜执行从广角位置向远摄位置的变焦动作时，第二透镜组G2从像面I向物侧移动，并且第一透镜组G1在其略微移向像面I之后向着物侧移动。同时，第三透镜组G3保持固定。

参考图2，在从广角位置向该位置与远摄位置之间的中间位置转变时，第一透镜组G1移向像面I，并且第二透镜组G2移向物侧。

参考图3，在从中间位置向远摄位置转变时，第一和第二透镜组G1、G2可能移向物侧。

简而言之，在变焦透镜的变焦动作并同时执行焦点矫正期间，第一透镜组G1与第二透镜组G2一起移动。

表1包含广角位置中变焦透镜的多个数据特性。参考表1，ri是第i个光学表面的曲率半径，di是第i个光学表面的厚度或空气隙(或者，第i个光学表面与第(i+1)个光学表面之间的距离)，ndi是在第i个光学表面的d线处的折射率，并且vi是第i个光学表面的阿贝数。第i个光学表面的曲率半径和厚度以毫米来表示，单位是“mm”。符号“i”表示沿着从物侧到像面I的方向，依次分配给各个光学表面的号码。该规则同样适用于实施例2。

根据本发明的实施例1，当变焦透镜执行从广角位置向远摄位置的变焦动作时，总焦距f从5变为14，F数从3.2变为5.7，并且视角ω从35.75°变为14.42°。于是，总视角2ω从71.5°变为28.84°。

表1

表面号码(i)	曲率半径(r)	厚度(d)	折射率(nd)	阿贝数(υ)
					*1	60.804	0.848	1.625	59.31
*2	3.732	1.298
					*3	4.290	1.293	1.755	27.66
*4	5.348	7.199
					5(光阑)	2.882	1.504	1.625	59.31
6	-11.442	0.362
					*7	-3.659	0.8	1.755	27.66
*8	-13.386	0.500
					*9(棱镜)	24.753	2.173	1.530	55.80
10	∞	2.229	1.530	55.80
					*11	88.626	2.571
12(IR滤镜)	∞	0.52	1.516	64.14
					13	∞	1.05

(注意：*I表示非球面)

非球面可以根据公式3来定义。

公式3

$x=\frac{c^2{y}^2}{1+\sqrt{1-(K+1)}{c}^2{y}^2}+{\mathrm{Ay}}^4+{\mathrm{By}}^6+{\mathrm{Cy}}^8+{\mathrm{Dy}}^{10}+{\mathrm{Ey}}^{12}$

在公式3中，x表示光学表面的顶点与光轴之间的距离，y是距离光轴的垂直距离，c是光学表面顶点处的曲率(曲率半径的倒数)，K是二次曲线系数，并且A至E是非球面系数。

表2中示出了非球面的非球面系数。

表2

表面号码	K	A	B	C	D	E
							1	0	0.00427646	-0.00016197	-0.104706×10-4	0.848132×10-6	-0.161769×10-7
2	0	0.000778410	0.000876590	-0.708153×10-5	-0.130187×10-4	0.667016×10-6
							3	0	-0.00744448	0.000907077	-0.258852×10-4	-0.320149×10-5	0.108725×10-6
4	0	-0.00737076	0.000881571	-0.534411×10-4	-0.607481×10-6	0.395697×10-7
							7	0	0.0224737	-0.00314643	0.00150939	-0.000587088	0.803848×10-4
8	3.355488	0.0270110	-0.000508616	0.00125927	-0.000435923	0.803387×10-4
							9	0	0.000448534	-0.356040×10-4	0.249040×10-5	-0.191488×10-6	0
11	0	0.00124689	-0.302562×10-4	-0.299056×10-5	0.137899×10-6	0.170754×10-6

当变焦透镜执行从广角位置向远摄位置的变焦动作时，焦距从5.0变为14，第一和第二透镜组G1、G2之间的空气隙(d4)从7.199变为0.500，并且第二和第三透镜组G2、G3之间的空气隙(d8)从0.500变为7.990。

图4A、4B、4C示出了变焦透镜的广角位置中的像差曲线。图4A表示纵向球面像差曲线，图4B表示像散像差曲线，并且图4C表示畸变像差曲线。图4A中的实线轨迹表示d线(587.5618nm)，虚线表示c线(656.2725nm)，并且点划线表示f线(486.1327nm)。像散像差曲线和畸变像差曲线是相对于d线表示的。

图5A、5B、5C示出了变焦透镜的远摄位置中的像差曲线。图5A表示纵向球面像差曲线，图5B表示像散像差曲线，并且图5C表示畸变像差曲线。图5A中的实线轨迹表示d线，虚线表示c线，并且点划线表示f线。像散像差曲线和畸变像差曲线是相对于d线表示的。

实施例2

图6至8示出了根据本发明第二实施例的各个变焦透镜配置。根据变焦透镜的变焦动作，变焦透镜分别位于广角位置、中间位置和远摄位置中。为了简化解释，假设相对于光轴X具有不同角度的五组光入射到图6至8所示的变焦透镜。

变焦透镜包括沿着光轴X可移动的第一和第二透镜组G1、G2、以及固定排列的第三透镜组G3。从变焦透镜的物侧到像面I依次排列第一至第三透镜组G1至G3。

第一透镜组G1由第一和第二透镜L1、L2组成，它们从变焦透镜的物侧到像面I依次排列。第一和第二透镜是具有负折射能力的双面非球面透镜。

第二透镜组G2由第三和第四透镜L3、L4组成，它们从变焦透镜的物侧到像面I依次排列。第三透镜L3是双面凸球面透镜，并且透镜L4是双面非球面透镜。第三和第四透镜L3、L4具有正折射能力。第三透镜L3的第五光学表面充当变焦透镜的光阑。

第三透镜组G3由直角棱镜P、第五透镜L5和红外(IR)滤镜组成，它们从变焦透镜的物侧到像面I依次排列。直角棱镜P以直角弯曲光轴X，并且具有第九至第十一光学表面，它们从变焦透镜的物侧到像面I依次排列。在所图示的实施例中，第九和第十一光学表面是平坦表面，并且第十光学表面是平坦反射面。第五透镜L5是上面非球面透镜。IR滤镜具有遮蔽红外线的功能，并且其两面都是平坦的。第三透镜组G3可以具有正或负的折射能力。

当变焦透镜执行从广角位置向远摄位置的变焦动作时，第一和第二透镜组G1、G2之间的距离缩短，并且第二和第三透镜组G2、G3之间的距离加长。更具体地，当变焦透镜执行从广角位置向远摄位置的变焦动作时，第二透镜组G2从像面I向物侧移动，并且第一透镜组G1在其略微移向像面I之后向着物侧移动。

参考图7，第一透镜组G1移向像面I，并且第二透镜组G2移向物侧。

参考图8，第一和第二透镜组G1、G2可能移向物侧。

实际上，在变焦透镜的变焦动作并同时执行焦点矫正期间，第一透镜组G1与第二透镜组G2一起移动。

表3包含广角位置中变焦透镜的多个数据特性。根据实施例2，当变焦透镜执行从广角位置向远摄位置的变焦动作时，总焦距f从5变为14，F数从3.1变为5.5，并且视角ω从35.75°变为14.42°。

表3

表面号码(i)	曲率半径(r)	厚度(d)	折射率(nd)	阿贝数(υ)
					*1	-29.337	1.019	1.620	60.32
*2	4.357	1.256
					*3	4.236	1.368	1.755	27.57
*4	5.288	7.5
					5(光阑)	3.008	1.693	1.620	60.32
6	-9.869	0.333
					*7	-4.185	0.8	1.755	27.57
*8	-19.965	0.564
					9(棱镜)	∞	2.167	1.720	46.83
10	∞	2.274	1.720	46.83
					11	∞	0.2
*12	13.781	1.2	1.530	55.80
					*13	20.542	2.077
14(IR滤镜)	∞	0.52	1.516	64.14
					15	∞	1.05

(注意：*I表示非球面)

如上所述，非球面可以根据公式3来定义。

表4中示出了非球面的非球面系数。

表4

表面号码	K	A	B	C	D	E
							1	0	0.00558739	-0.000182999	-0.102264×10-4	0.807042×10-6	-0.148633×10-7
2	0	0.00181265	0.00111252	0.744483×10-5	-0.126567×10-4	0.667016×10-6
							3	0	-0.00795852	0.000968497	-0.227580×10-4	-0.300105×10-5	0.108725×10-6
4	0	-0.00721300	0.000827879	-0.312715×10-4	-0.145766×10-5	0.395697×10-7
							7	0	0.0162901	-0.00343194	0.00188939	-0.000651692	0.803848×10-4
8	3.355488	0.0220772	-0.00145508	0.00169868	-0.000542781	0.803387×10-4
							12	0	0.00280883	-0.000607273	0.794611×10-4	-0.407337×10-5	0.471611×10-7
13	0	0.00414615	-0.000536377	0.4029996×10-4	0.806464×10-6	0.144110×10-6

当变焦透镜执行从广角位置向远摄位置的变焦动作时，焦距从5.0变为14，第一和第二透镜组G1、G2之间的空气隙(d4)从7.5变为0.500，并且第二和第三透镜组G2、G3之间的空气隙(d8)从0.500变为7.585。

图9A、9B、9C示出了变焦透镜的广角位置中的像差曲线。图9A表示纵向球面像差曲线，图9B表示像散像差曲线，并且图9C表示畸变像差曲线。图9A中的实线轨迹表示d线，虚线表示c线，并且点划线表示f线。像散像差曲线和畸变像差曲线是相对于d线表示的。

图10A、10B、10C示出了变焦透镜的远摄位置中的像差曲线。图10A表示纵向球面像差曲线，图10B表示像散像差曲线，并且图10C表示畸变像差曲线。图10A中的实线轨迹表示d线，虚线表示c线，并且点划线表示f线。像散像差曲线和畸变像差曲线是相对于d线表示的。

如上所述，根据本发明的变焦透镜可以小型化制造，并且可以提供大于2.8的变焦比。具体地说，当本发明的变焦透镜用于大于70°的广角位置中时，变焦透镜具有卓越的分辨率特性。

虽然以及参考本发明的特定优选实施例图示并描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以做出各种形式和细节的变化和改变。

Claims (8)

1.一种变焦透镜，被配置为创建像面，所述变焦透镜包括：

具有负折射能力的第一透镜组；

第二透镜组，其具有正折射能力，并且比所述第一透镜组更靠近所述像面；以及

包括用于弯曲光轴的反射表面的第三透镜组，比所述第二透镜组更靠近所述像面，其中当所述变焦透镜执行从广角位置向远摄位置的变焦动作时，所述第一和第二透镜组之间的距离缩短，所述第二和第三透镜组之间的距离加长，所述第三透镜组保持固定，以及所述变焦透镜满足如下公式：

$0.6\≤\frac{d\mathrm{lpw}}{\mathrm{dliw}}\≤0.8,$ 其中dlpw表示沿着光轴从所述第一透镜组的物侧正面到所述反射表面的距离，并且dliw表示沿着光轴从所述正面到所述像面的距离。

2.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中所述第二透镜组包括光阑。

3.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中所述第一透镜组包括至少一个具有负折射能力的透镜以及至少一个具有正折射能力的透镜。

4.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中所述第二透镜组包括至少一个具有正折射能力的透镜以及至少一个具有负折射能力的透镜。

5.根据权利要求1所述的变焦透镜，被配置为：所述第一透镜组作为一个单元可移动，并且所述第二透镜组作为一个单元可移动。

6.根据权利要求1所述的变焦透镜，被配置为：沿着所述光轴移动所述第一和第二透镜组，以同时实现所述变焦和焦点矫正，而不需要第一和第二透镜组之外的可移动透镜用于焦点矫正。

7.根据权利要求1所述的变焦透镜，具有广角位置和远摄位置之间的中间位置，所述变焦透镜被配置为在所述广角位置和所述中间位置之间转变时向着所述第三透镜组移动所述第一透镜组。

8.根据权利要求7所述的变焦透镜，还被配置为在所述转变中，移动所述第二透镜组远离所述第三透镜组。

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