CN101206302A

CN101206302A - 变焦透镜以及包括该变焦透镜的摄像装置

Info

Publication number: CN101206302A
Application number: CNA2007101822111A
Authority: CN
Inventors: 浜野博之
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2027-10-12
Also published as: CN101206302B; EP1933185B1; DE602007001661D1; JP4898410B2; US7616385B2; US20080144188A1; EP1933185A1; JP2008151846A; ATE437380T1

Abstract

本发明提供一种变焦透镜以及包括该变焦透镜的摄像装置，该变焦透镜通过移动多个透镜单元来执行变焦，包括：设置在孔径光阑的物体侧的前透镜单元，该前透镜单元至少包括一个具有正能力的衍射光学部；以及设置在孔径光阑的像侧的后透镜单元，该后透镜单元至少包括一个由固体材料制成且具有正折射力的折射光学元件。当υd和θgF分别是折射光学元件的材料的阿贝数和部分分散比、fD和fN分别是衍射光学部和折射光学元件在空气中的焦距时，满足以下表达式：0.755＜θgF－(－1.665×10^－7·νd³＋5.213×10^－5·νd²－5.656×10^－3·νd)＜1.011，80＜fD/fN＜800。

Description

变焦透镜以及包括该变焦透镜的摄像装置

技术领域

本发明涉及一种变焦透镜以及包括该变焦透镜的摄像装置。本发明适用于例如数字相机、摄像机和胶片相机。

背景技术

近来，在用于数字相机等摄像装置的摄像元件中，像素数量增加。相应地，用于包括具有大量像素的摄像元件的摄像装置的摄影透镜(摄像光学系统)要求具有高分辨率。

在高分辨率摄影透镜中，必须精确地校正影响单色图像质量的球面象差和慧形象差等各种象差。

另外，当白光被用作照明光时，还必须精确地校正色象差，使得在所获得的图像中不产生渗色。

另外，为了得到大的成像区域，对于摄影透镜来说最好是具有高变焦比的变焦透镜。一般来说，为了增加变焦比而使望远端的焦距增加时，在广角变焦位置倍率色象差增加，并且在望远变焦位置，倍率色象差和轴上色象差都增加。

因此，为了实现高图像质量，不仅对于一次频谱，而且对于二次频谱也执行精确校正是很重要的。

一般地，用于校正望远端的色象差的二次频谱的各种结构是已知的。在这样的结构中，在包括在变焦透镜中的透镜单元中，靠近物体侧的透镜单元包括由反常部分分散玻璃形成的透镜。

例如，US 7,088,521讨论了一种通过在变焦透镜中放置具有反常部分分散特性的复制层(折射光学元件)来校正色象差的结构。

使用衍射光学部(衍射光学面)而不是使用反常部分分散材料来校正色象差的变焦透镜也是已知的。

例如，包括设置在光学系统的光圈前面和后面的多个衍射光学部的变焦透镜是已知的(日本专利申请公开No.2004-117826、US6,275,342和US 6,081,389)。

另外，具有从物体侧开始按顺序包括具有正折射力的透镜单元、具有负折射力的透镜单元、具有正折射力的透镜单元和具有正折射力的透镜单元的四透镜单元结构的变焦透镜是已知的。

US 6,404,561和US 6,594,087讨论了具有上述的四透镜单元结构并且使用反常分散玻璃来校正色象差的变焦透镜。

具有从物体侧开始按顺序包括具有正折射力的透镜单元、具有负折射力的透镜单元、具有正折射力的透镜单元、具有负折射力的透镜单元和具有正折射力的透镜单元的五透镜单元结构的变焦透镜也是已知的(US6,025,962)。

一般地，当变焦透镜的变焦比增加时，在变焦期间发生的色象差的变动和大小增加。特别是，轴上色象差和倍率色象差的二次频谱在望远侧增加，从而难以精确地校正二次频谱。

望远侧的色象差可以利用通过在靠近物体侧的透镜单元中放置衍射光学部而获得的反常分散效应来降低。

但是，当通过在靠近物体侧的透镜单元中放置衍射光学部来校正望远侧的色象差时，广角端的色象差不能由衍射光学部有效地校正。相反，如果衍射光学部的折射力增加，从而极大地降低了望远侧的色象差，则广角端的倍率色象差增加。

相比较而言，通过在光学系统中放置多个衍射光学部或者通过在像面侧附近放置具有高的反常分散特性的光学组件，可以在广角端和望远端容易地校正色象差。

一般地，对应于光线的入射角，衍射光栅的衍射效率改变。因此，在具有在变焦期间改变的光线入射条件的变焦透镜中，存在的风险是，除非放置衍射光栅的位置被适当设定，否则衍射效率在变焦期间会降低。

另外，如果仅利用衍射光学部来校正光学系统的色象差，则难以通过在增加变焦比的同时在整个变焦区域上校正色象差来提高图像质量。

为了通过在增加变焦比的同时在整个变焦区域上精确地校正色象差来获得高的光学性能，适当地设定衍射光学部和由反常部分分散材料制成的透镜的位置及其光学特性等是很重要的。

发明内容

本发明提供一种可以在整个变焦区域充分地校正包括色象差在内的象差的、具有高光学性能的变焦透镜以及包括该变焦透镜的摄像装置。

根据本发明的实施例，变焦透镜通过移动多个透镜单元来执行变焦。该变焦透镜包括：设置在孔径光阑的物体侧的前透镜单元，该前透镜单元至少包括一个具有正能力的衍射光学部；以及设置在孔径光阑的像侧的后透镜单元，该后透镜单元至少包括一个由固体材料制成且具有正折射力的折射光学元件。当υd和θgF分别是折射光学元件的材料的阿贝数和部分分散比、fD和fN分别是衍射光学部和折射光学元件在空气中的焦距时，满足以下表达式：

0.755＜θgF-(-1.665×10^-7·νd³+5.213×10^-5·νd²-

5.656×10^-3·νd)＜1.011，

80＜fD/fN＜800

从参照附图对示例性实施例的以下说明，可以明确本发明的其它特征。

附图说明

图1是第一实施例的透镜的剖面图。

图2示出第一实施例在广角端的象差图。

图3示出第一实施例在中间焦距位置的象差图。

图4示出第一实施例在望远端的象差图。

图5是第二实施例的透镜的剖面图。

图6示出第二实施例在广角端的象差图。

图7示出第二实施例在中间焦距位置的象差图。

图8示出第二实施例在望远端的象差图。

图9是第三实施例的透镜的剖面图。

图10示出第三实施例在广角端的象差图。

图11示出第三实施例在中间焦距位置的象差图。

图12示出第三实施例在望远端的象差图。

图13是第四实施例的透镜的剖面图。

图14示出第四实施例在广角端的象差图。

图15示出第四实施例在中间焦距位置的象差图。

图16示出第四实施例在望远端的象差图。

图17是具有单层结构的衍射光学部的剖面图。

图18是具有单层结构的衍射光学部的衍射效率的图。

图19是具有多层结构的衍射光学部的剖面图。

图20是具有多层结构的衍射光学部的衍射效率的图。

图21是衍射光学部的剖面图。

图22是包括本发明的一个实施例的变焦透镜的数字相机的示意图。

具体实施方式

图1是本发明第一实施例的变焦透镜在广角端(短焦距端)的剖面图。图2、3、4分别是第一实施例的变焦透镜在广角端、中间变焦位置和望远端的象差图。

图5是本发明第二实施例的变焦透镜在广角端的剖面图。图6、7、8分别是第二实施例的变焦透镜在广角端、中间变焦位置和望远端的象差图。

图9是本发明第三实施例的变焦透镜在广角端的剖面图。图10、11、12分别是第三实施例的变焦透镜在广角端、中间变焦位置和望远端的象差图。

图13是本发明第四实施例的变焦透镜在广角端的剖面图。图14、15、16分别是第四实施例的变焦透镜在广角端、中间变焦位置和望远端的象差图。

图22是示出本发明的摄像装置的主要部分的示意图。

本发明的变焦透镜可以用于数字相机、摄像机和卤化银胶片相机等摄像装置、望远镜和双目镜等观察装置、或者复印机和投影仪等光学装置。

在图1、5、9、13所示的透镜的剖面图中，左侧示出前部(物体侧、放大侧)，右侧示出后部(像侧、缩小侧)。

使用孔径光阑SP来调整光量。

前透镜单元LF位于比孔径光阑SP更靠近物体侧的位置，并且包括多个透镜单元。

后透镜单元LR位于比孔径光阑SP更靠近像侧的位置，并且包括多个透镜单元。

这里，i指从物体侧开始数起的号码，Li指第i个透镜单元。

IP表示像面。当使用变焦透镜作为摄像机或数字照相机的摄影光学系统时，对应于CCD传感器和CMOS传感器等固体摄像元件(光电转换元件)的摄像面的感光面位于像面IP上。

G表示滤光器、显像管等玻璃块。

箭头示出透镜单元在从广角端变焦到望远端期间的轨迹。

在象差图中，d和g分别表示d线和g线，ΔM和ΔS分别表示子午面和矢状面。倍率色象差利用g线示出。

另外，fno是F数，ω是半视角。

在各实施例中，广角端和望远端是对应于变倍率透镜单元位于可沿光轴机械移动的范围的一端和另一端的状态的变焦位置。

在各实施例中，变焦透镜由位于孔径光阑SP的物体侧的前透镜单元LF和位于孔径光阑SP的像侧的后透镜单元LR构成或者包括上述两者。前透镜单元LF和后透镜单元LR中的每一个都由多个透镜单元构成。通过移动这多个透镜单元来执行变焦。

前透镜单元LF至少包括一个具有正能力的衍射光学部。后透镜单元LR至少包括一个由固体材料制成且具有正折射力的折射光学元件GN。

在图1和5所示的第一和第二实施例中，前透镜单元LF从物体侧到像侧按顺序包括具有正折射力的第一透镜单元L1和具有负折射力的第二透镜单元L2。后透镜单元LR从物体侧到像侧按顺序包括具有正折射力的第三透镜单元L3和具有正折射力的第四透镜单元L4。

在图9所示的第三实施例中，前透镜单元LF从物体侧到像侧按顺序包括具有正折射力的第一透镜单元L1和具有负折射力的第二透镜单元L2。后透镜单元LR从物体侧到像侧按顺序包括具有正折射力的第三透镜单元L3、具有正折射力的第四透镜单元L4和具有正折射力的第五透镜单元L5。

在图13所示的第四实施例中，前透镜单元LF包括具有负折射力的第一透镜单元L1、具有正折射力的第二透镜单元L2和具有负折射力的第三透镜单元L3。后透镜单元LR包括具有正折射力的第四透镜单元L4、具有负折射力的第五透镜单元L5和具有正折射力的第六透镜单元L6。

形成折射光学元件GN的材料的阿贝数和部分分散比分别表述为υd和θgF。

衍射光学部和折射光学元件GN在空气中的焦距分别表述为fD和fN。在此满足以下表达式：

0.755＜θgF-(-1.665×10^-7·νd³+5.213×10^-5·νd²-

5.656×10^-3·νd)＜1.011...(1)

80＜fD/fN＜800 ...(2)

用于各实施例的变焦透镜的光学组件的阿贝数和部分分散比如下所述。

当作为夫琅禾费(Fraunhofer)线的g线(波长435.8nm)、F线(486.1nm)、d线(587.6nm)和C线(656.3nm)处的折射率分别为N_g、N_F、N_d、N_C时，阿贝数υd和部分分散比θgF如下被类似地定义成通用定义。

νd＝(N_d-1)/(N_F-N_C)

θgF＝(N_g-N_F)/(N_F-N_C)

折射光学元件例如是利用折射产生能力的折射透镜或折射层，不包括利用衍射产生能力的衍射光学元件。

这里，固体材料是在使用变焦透镜时处于固态的材料，在用于光学系统之前，制造流程等中的材料状态不限。例如，也可以使用在制造流程中处于液态然后被固化成固体材料的材料作为本发明实施例的固体材料。

衍射光学部的能力(焦距的倒数)D如下所述得到。

对于用作衍射光学部的衍射光栅的形状，将参考波长(d线)表述为λD，将离光轴的距离表述为h，将相位系数表述为C2、C4、C6、...、C2·i，并将相位表述为(h)。

相位(h)如下定义：

(h)＝(2π/λd)·(C2×h²+C4×h⁴+...C2×i·h²ⁱ)

折射力D可以使用二次项系数C2如下表述：

D＝-2·C2

衍射光学部具有高的反常分散特性。因此，当衍射光学部包含在第一透镜单元L1中时，望远侧的轴上色象差和倍率色象差可以得到有效校正。

当具有高的反常分散特性的衍射光学部放置在第一透镜单元L1中时，广角端的倍率色象差增加。

因此，由具有高的反常分散特性的材料制成的折射光学元件GN放置在位于像面附近的第四透镜单元L4中。因此，广角端的倍率色象差的二次频谱可以得到适当校正。当折射光学元件GN具有正折射力时，折射光学元件GN的材料的反常分散特性使得特定阿贝数的部分分散比高于正常玻璃材料的部分分散比，即，使得相对于波长的折射率的非线性增加。

如果条件式(1)的值小于下限，则折射光学元件GN不能提供足够的反常分散效应。因此，广角端的倍率色象差不能被有效校正。如果条件式(1)的值大于上限，则难以校正望远端的倍率色象差。

条件式(2)用于适当地设定包括在前透镜单元LF中的衍射光学部的折射力与包括在后透镜单元LR中的用于提供反常分散效应的折射光学元件GN的折射力之间的关系。

如果折射光学元件GN的折射力降低，或者衍射光学部的折射力增加，使得条件式(2)的值下降到低于下限，则难以校正广角端的倍率色象差。如果折射光学元件GN的折射力增加，使得条件式(2)的值增加到超过上限，则难以校正望远端的倍率色象差。

满足条件式(1)的固体光学材料的一个例子是树脂。特别是，可以使用下列树脂材料来作为满足条件式(1)的光学材料。但本发明不限于下述材料。

●UV硬化树脂(nd＝1.635，υd＝22.7，θgF＝0.69)

●聚乙烯咔唑(N-polyvinyl carbazole)(nd＝1.696，υd＝17.7，θgF＝0.69)

另外，可以使用通过将下述无机氧化物的微粒分散到合成树脂中得到的混合物来作为光学特性不同于正常玻璃材料的材料。

·TiO₂(nd＝2.304，νd＝13.8)

·Nb₂O₅(nd＝2.367，νd＝14.0)

·ITO(nd＝1.8581，νd＝5.53)

·Cr₂O₃(nd＝2.2178，νd＝13.4)

·BaTiO₃(nd＝2.4362，νd＝11.3)

例如，可以通过将TiO₂(nd＝2.304，υd＝13.8，θgF＝0.87)的微粒分散到合成树脂中来得到满足条件式(1)的光学材料。TiO₂是用于各种应用的材料，例如在光学领域用作用于形成防反射膜等光学膜的沉积材料。TiO₂还用作光触媒、白色颜料等，其微粒用作化妆品材料。

当考虑到散射影响时，TiO₂微粒的平均直径可以设定为约2nm到50nm，并且可以使用分散剂等来抑制凝聚。

可以使用聚合物作为TiO₂颗粒分散的媒介，通过使用成形模具的光聚合成形或热聚合成形，可以提供高的规模生产力。

另外，关于光学常数的特性，可以使用部分分散比较大的聚合物、阿贝数较小的聚合物、或者部分分散比较大且阿贝数较小的聚合物。例如，可以使用聚乙烯咔唑、苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(丙稀)等。在下述实施例中，使用UV硬化树脂和聚乙烯咔唑来作为TiO₂微粒分散的受体聚合物。但本发明不限于此。

以下将说明用于各实施例的衍射光学元件的结构。

图17是示出包括在衍射光学元件1中的衍射光学部1a的一部分的放大剖面图。图17所示的衍射光学部1a包括具有单层结构且设置在基板(透镜、透明基板等)2上的衍射光栅3。

图18是示出衍射光学部1a的衍射效率特性的图。在图18中，水平轴表示波长，垂直轴表示衍射效率。

衍射效率是衍射光量与总的透射光量之比。这里不考虑在光栅的边界面上反射的光。

紫外线硬化树脂(折射率nd＝1.513，阿贝数υd ＝51.0)被用作衍射光栅3的光学材料。光栅厚度d1被设定为1.03μm。具有530nm的波长的+1次衍射光的衍射效率最大。换言之，设计次数是+1次，设计波长是530nm。在图18中，用实线来表示+1次衍射光的衍射效率。

图18还示出设计次数周围的次数的衍射效率(即，相对于+1次±1次的0次和+2次)。从图18可看出，设计次数的衍射效率在设计波长处增大到最大，随着与设计波长的差别增大而慢慢降低。

设计次数的衍射效率的降低产生其它次数的衍射光，从而导致模糊的产生。在衍射光学部1用于光学系统中的多个位置时，在设计波长以外的波长处的衍射效率的降低导致透射率的降低。

在各实施例中，还可以使用包括用不同材料制成的多个衍射光栅的多层结构的衍射光学部。图19是示出包括形成多层结构的衍射光栅的衍射光学部的一部分的放大剖面图。图20是示出图19所示的衍射光栅针对+1次衍射光的衍射效率的波长依赖性的图。图19所示的衍射光学部包括用紫外线硬化树脂制成的、形成在基板102上的第一衍射光栅104和设置在第一衍射光栅104上的第二衍射光栅105。

紫外线硬化树脂的折射率nd和阿贝数υd分别为1.499和54。

第二衍射光栅105的材料的折射率nd和阿贝数υd分别为1.598和28。

在上述材料的组合中，第一衍射光栅104的光栅厚度d1被设定为d1＝13.8μm，第二衍射光栅105的光栅厚度d2被设定为d2＝10.5μm。

从图20可知，当使用包括形成为多层结构的衍射光栅的衍射光学部时，在所要使用的整个波长范围(在本例中为可见光范围)内对设计次数的衍射光获得例如95％以上的高衍射效率。

包括在具有多层结构的衍射光学部中的衍射光栅的材料不限于紫外线硬化树脂，也可以使用其它的塑料材料来代替。另外，取决于基材，也可以在基材上直接形成第一层。

衍射光栅不一定具有不同的光栅厚度。例如，如图21所示，取决于其材料，两个层104和105可以具有相同的光栅厚度。在这种情况下，光栅结构不具有脊状面。因此，可以获得良好的防尘性能，并且可以将衍射光学元件以高的工作效率来组装。另外，两个衍射光栅104和105不一定彼此紧密接触。两个衍射光栅也可以设置为在其间具有空气层。

以下说明本发明实施例的变焦透镜的条件。

为了适当地校正广角端的倍率色象差，可以满足以下条件：

3.0＜fN/fw＜12.0...(3)

其中，fw是整个系统在广角端的焦距。

如果条件式(3)的值小于下限，则倍率色象差在望远端增加。另外，折射光学元件GN的厚度必须增加，从而难以形成具有树脂层的折射光学元件GN。如果条件式(3)的值大于上限，则倍率色象差在广角端不能得到充分校正。

在各实施例中，如果折射光学元件GN由树脂材料形成，则第四透镜单元L4可以包括至少一个正透镜和至少一个负透镜，折射光学元件GN可以放在正透镜和负透镜之间。这样的结构可以缓和透镜的轮廓公差，从而可以使用具有较大的面不均匀性的透镜，在对抗恶劣环境方面是有利的。

为了适当地校正望远侧的色象差，可以满足以下条件：

50＜fD/fP＜1000...(4)

其中，fP为离物体侧最近的正透镜的焦距。

如果衍射光学部的能力增加，使得条件式(4)的值降低到低于下限，则轴上色象差的二次频谱在望远端被过度校正。如果衍射光学部的能力减小，使得条件式(4)的值增大到高于上限，则轴上色象差和倍率色象差在望远端不能充分校正。

在各实施例中，具有高光学性能的变焦透镜可以通过满足条件式(1)至(4)来得到。但为了进一步提高光学性能，数值范围可以如下设定：

0.76＜θgF-(-1.665×10^-7·νd³+5.213×10^-5·νd²-

5.656×10^-3·νd)＜0.85 ...(1a)

120＜fD/fN＜600 ...(2a)

4.0＜fN/fw＜10.0 ...(3a)

90＜fD/fP＜800 ...(4a)

以下说明各实施例的具体结构。

(第一实施例)

在图1所示的第一实施例的变焦透镜中，第一透镜单元L1具有正折射力、第二透镜单元L2具有负折射力、第三透镜单元L3具有正折射力、第四透镜单元L4具有正折射力。

孔径光阑SP位于第三透镜单元L3的前面(物体侧)，并且在变焦期间沿着光轴移动。在图1中，箭头示出透镜单元在从广角端变焦到望远端期间移动的轨迹。

在第一实施例中，使用后组对焦(rear-focusing)方法，在该方法中，通过沿光轴移动第四透镜单元L4来执行对焦。

在图1中，实线曲线4a和点线曲线4b示出当无限远处的物体和近距离的物体分别位于焦点时，第四透镜单元L4在从广角端变焦到望远端期间移动以校正像面变化的轨迹。

在第一实施例中，如曲线4a和4b所示，第四透镜单元L4在从广角端变焦到望远端期间沿着凸向物体侧的轨迹移动。从而，第三透镜单元L3与第四透镜单元L4之间的空间被有效利用，总的透镜长度被有效降低。

用于对焦的第四透镜单元L4具有较小的有效直径。因此，可以减小致动器上的负荷，从而增加对焦速度。在望远端从无限远物体向近距离物体对焦时，第四透镜单元L4如箭头4c所示向前移动。

在从广角端变焦到望远端期间，移动第一透镜单元L1，使其在望远端的位置比在广角端的位置更靠近物体侧。移动第二透镜单元L2，使其在望远端的位置比在广角端的位置更靠近像面。移动第三透镜单元L3，使其在望远端的位置比在广角端的位置更靠近物体侧。

在第一实施例中，第三透镜单元L3沿着凸向物体侧的轨迹移动。这可以抑制为了在中间变焦位置得到足够的周边光线而使前透镜直径增加。结果可以减小前透镜直径。

在以下说明中，除非另有说明，假设透镜单元从物体侧到像侧按照所提及的顺序排列。第一透镜单元L1具有如下结构。即，在最靠近物体侧的位置设置包括第一透镜G1和第二透镜G2的粘合透镜。第一透镜G1是具有面向物体侧的凸面的半月形透镜，具有负折射力。第二透镜G2具有正折射力。

第一透镜单元L1还包括第三透镜G3和第四透镜G4。第三透镜G3是具有面向物体侧的凸面的半月形透镜，具有正折射力。第三透镜G3在物体侧的折射力的绝对值高于在像侧。第四透镜G4是具有面向物体侧的凸面的半月形透镜，具有正折射力。第四透镜G4在物体侧的折射力的绝对值高于在像侧。

关于光轴旋转对称并且包括具有正能力的衍射光栅的衍射光学部设置在具有负折射力的第一透镜G1和具有正折射力的第二透镜G2之间的粘合面上。衍射光学部和粘合透镜形成衍射光学元件。

通过设定设置了衍射光学部的粘合面的曲率，将入射到衍射光学部(衍射光学面)上的、基于视角的光线角度设定在期望范围内。因此，可以在整个变焦区域和所有视角提供高的衍射效率。

(第二实施例)

以下说明图5所示的第二实施例的变焦透镜。第二实施例的变焦透镜的变焦类型与第一实施例的变焦透镜相同。在第二实施例中，第一透镜单元L1从物体侧到像侧依次包括具有负折射力的第一透镜G1、具有正折射力的第二透镜G2和具有正折射力的第三透镜G3。

具有正折射力的衍射光学部设置在第一透镜G1和第二透镜G2之间的粘合面上。

在第二实施例中，色象差被衍射光学部有效地校正，从而可以降低在第一透镜单元L1处产生的色象差。另外，第三透镜G3由具有高折射率的材料形成，以同时实现象差的校正和尺寸的减小。

第四透镜单元L4包括具有反常分散特性并且包括具有正折射力的层的折射光学元件GN。因此，可以在广角端适当地校正倍率色象差。

第二实施例的其它结构与第一实施例类似。

(第三实施例)

以下参照图9说明第三实施例的变焦透镜。

在图9所示的第三实施例的变焦透镜中，第一透镜单元L1具有正折射力、第二透镜单元L2具有负折射力、第三透镜单元L3具有正折射力、第四透镜单元L4具有负折射力、第五透镜单元L5具有正折射力。

孔径光阑SP位于第三透镜单元L3的前面，并且在变焦期间沿着光轴移动。在变焦期间，孔径光阑SP可以独立于第三透镜单元L3移动。替代地，孔径光阑SP可以与第三透镜单元L3一起移动。

在从广角端变焦到望远端期间，第一透镜单元L1、第三透镜单元L3、第四透镜单元L4和第五透镜单元L5向物体侧移动。第二透镜单元L2非线性地移动。

透镜单元的移动轨迹和折射力被设定成使得摄影视角在广角端为75°以上，并且在保持约5X的变焦比的同时，整个透镜系统的尺寸减小。通过沿光轴移动第二透镜单元L2来执行对焦。

在第三实施例中，第一透镜单元L1从物体侧到像侧依次包括具有负折射力的第一透镜G1、具有正折射力的第二透镜G2和具有正折射力的第三透镜G3。衍射光学部设置在第一透镜G1和第二透镜G2之间的粘合面上。

衍射光学部在望远端适当地校正轴上色象差和倍率色象差。第五透镜单元L5包括具有高的反常分散特性和正折射力的折射光学元件GN。因此，可以在广角端有效地校正倍率色象差。

在第三实施例中，在从广角端变焦到望远端的期间，包括衍射光学部的第一透镜单元向物体侧较大地移动。因此，离轴光线的高度在广角端减小，而在望远端增加。

因此，在望远端可以有效地校正倍率色象差，同时减小在广角端的影响。另外，移动第五透镜单元L5，使得包括折射光学元件GN的第五透镜单元L5的离轴光线的高度在广角端增加，而在望远端减小。因此，折射光学元件GN对色象差的影响在广角端增加，而在望远端减小。

为了抑制变焦期间象散的变动，第五透镜单元可以至少包括2个正透镜和一个负透镜。折射光学元件GN可以设置在两个正透镜之一与负透镜之间。

(第四实施例)

以下参照图13说明第四实施例的变焦透镜。

在图13所示的第四实施例的变焦透镜中，第一透镜单元L1具有负折射力、第二透镜单元L2具有正折射力、第三透镜单元L3具有负折射力、第四透镜单元L4具有正折射力、第五透镜单元L5具有负折射力、第六透镜单元L6具有正折射力。

孔径光阑SP位于第四透镜单元L4的前面，并且在变焦期间沿着光轴移动。

在变焦期间，孔径光阑SP可以独立于第四透镜单元L4移动。替代地，孔径光阑SP可以与第四透镜单元L4一起移动。在从广角端变焦到望远端期间，第一透镜单元L1、第二透镜单元L2、第四透镜单元L4、第五透镜单元L5和第六透镜单元L6向物体侧移动。第三透镜单元L3非线性地移动。

透镜单元的移动轨迹和折射力被设定成使得摄影视角在广角端为80°以上，并且在保持4X以上的变焦比的同时，整个透镜系统的尺寸减小。通过沿光轴移动第三透镜单元L3来执行对焦。

在第四实施例中，具有负折射力的第一透镜单元L1和具有正折射力的第二透镜单元L2对应于第三实施例的第一透镜单元L1。在变焦期间，第一透镜单元L1和第二透镜单元L2独立地移动，使得由于视角的增加引起的变焦期间的失真的变动和望远端的球面象差得到适当校正。

另外，衍射光学部设置在第一透镜单元L1中的第一透镜单元G1的像面侧。因此，倍率色象差在望远端被有效校正。另外，第六透镜单元L6包括具有反常分散特性和正折射力的折射光学元件GN。因此，倍率色象差在广角端被有效地校正。

在各实施例中，通过沿垂直于光轴的方向移动第三透镜单元L3整体或第三透镜单元L3的一部分，可以校正运动模糊(图像模糊)。

在各实施例中，可以在第一透镜单元L1的物体侧或最后的透镜单元的像侧增加具有小的折射力的光学滤波器或透镜单元。

另外，还可以在物体侧或像侧设置增距镜头(teleconverter lens)、广角透镜(wide converter lens)等。

根据本发明，如上所述，在设置在变焦透镜的物体侧的前透镜单元中设置衍射光学部，并且在像侧的后透镜单元中设置具有反常分散特性的折射光学元件。因此，可以获得在整个变焦区域能够适当校正色象差的具有高光学性能的变焦透镜。

以下说明本发明的数值例。在各数值例中，i表示从物体侧数起的面数，Ri表示从物体侧数起的第i个透镜面的曲率半径。Di表示从物体侧数起的第i个透镜面的透镜厚度和空气间隙。Ni和υi分别表示从物体侧数起的第i个透镜的玻璃的折射率和阿贝数。

当定义了沿光轴方向延伸的X轴和垂直于光轴的H轴时，光传播的方向被定义为正，R为曲率的近轴半径，K、A、B、C、D和E为球面系数，球面形状如下表达：

X = \frac{(1 / R) H^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + K) {(H / R)}^{2}}} + {BH}^{4} + {CH}^{6} + {DH}^{8} + {EH}^{10}

另外，当相位为(h)时，衍射光学部的形状可以如下表达：

(h)＝2π/λ·(C2·h² +C4·h⁴+...C2·i·h²ⁱ)

其中，λ是参考波长(d线)，h是离光轴的距离。

以下说明每个数值例。条件式(1)到(4)的值之间的关系如表1所示。

第一数值例

f＝6.10～117.00，Fno＝2.72～3.98，2ω＝60.6°～3.5°

R1＝98.091 D1＝1.60 N1＝1.806100 ν1＝33.3

R2＝41.343 (衍射光学部) D2＝4.80 N2＝

1.487490 ν2＝70.2

R3＝-180.741 D3＝0.20

R4＝33.778 D4＝4.10 N3＝1.487490 ν3＝70.2

R5＝140.918 D5＝0.20

R6＝40.293 D6＝2.00 N4＝1.4874 90 ν4＝70.2

R7＝64.337 D7＝可变

R8＝66.287 D8＝0.90 N5＝1.882997 ν5＝40.8

R9＝8.276 D9＝4.35

R10＝-19.971 D10＝0.75 N6＝1.603112 ν6＝60.6

R11＝33.185 D11＝0.20

R12＝17.871 D12＝1.90 N7＝1.922860 ν7＝18.9

R13＝84.088 D13＝可变

R14＝孔径 D14＝8.75

R15＝9.463 D15＝2.50 N8＝1.772499 ν8＝49.6

R16＝72.943 D16＝1.85

R17＝15.988 D17＝0.70 N9＝1.846660 ν9＝23.9

R18＝7.237 D18＝0.98

R19＝28.931 D19＝1.40 N10＝1.487490 ν10＝70.2

R20＝-335.950 D20＝1.80

R21＝∞D21＝可变

R22＝16.713 D22＝2.50 N11＝1.496999 ν11＝81.5

R23＝-16.265 D23＝0.60 N12＝1.761821 ν12＝26.5 θgF＝

0.675

R24＝-11.718 D24＝0.60 N13＝1.84 6660 ν13＝23.9

R25＝-25.617 D25＝可变

R26＝∞ D26＝0.30 N14＝1.544270 ν14＝70.6

R27＝∞ D27＝0.50 N15＝1.494000 ν15＝75.0

R28＝∞ D28＝0.80

R29＝∞ D29＝0.50 N16＝1.498310 ν16＝65.1

R30＝∞

\焦点距离 6.10 39.17 117.00

可变间隔\

D7 0.80 25.97 35.16

D13 28.95 7.99 2.07

D21 6.15 3.59 17.60

D25 8.00 16.32 1.51

非球面系数

R15：k＝-3.65320 B＝4.60770e-4 C＝-5.65097e-6 D＝1.00362e-7 E＝-1.06006e-9

R25：k＝1.42111e+01 B＝1.01907e-04 C＝4.57497e-07 D＝5.24065e-9

相位系数

C2＝-8.27465e-5

第二数值例

f＝6.10～90.03，Fno＝2.85～3.96，2ω＝60.6°～4.5°

R1＝80.481 D1＝1.50 N1＝1.805181 ν1＝25.4

R2＝35.918 (衍射光学部) D2＝4.50 N2＝1.603112 ν2＝60.6

R3＝523.8 90 D3＝0.20

R4＝40.005 D4＝3.40 N3＝1.806098 ν3＝40.9

R5＝138.940 D5＝可变

R6＝48.864 D6＝0.90 N4＝1.882997 ν4＝40.8

R7＝8.998 D7＝4.84

R8＝-28.826 D8＝0.75 N5＝1.487490 ν5＝70.2

R9＝23.395 D9＝0.20

R10＝15.368 D10＝1.90 N6＝1.922860 ν6＝18.9

R11＝33.013 D11＝可变

R12＝孔径 D12＝8.83

R13＝8.721 D13＝2.50 N7＝1.772499 ν7＝49.6

R14＝92.267 D14＝1.85

R15＝16.423 D15＝0.70 N8＝1.84 6660 ν8＝23.9

R16＝6.518 D16＝0.98

R17＝16.179 D17＝1.40 N9＝1.487490 ν9＝70.2

R18＝57.994 D18＝1.80

R19＝∞D19＝可变

R20＝16.008 D20＝2.50 N10＝1.496999 ν10＝81.5

R21＝-46.532 D21＝0.75 N11＝1.7 61821 ν11＝2 6.5 θgF＝0.701

R22＝-15.896 D22＝0.60 N12＝1.84 6660 ν12＝23.9

R23＝-38.630 D23＝可变

R24＝∞ D24＝0.30 N13＝1.544270 ν13＝70.6

R25＝∞ D25＝0.50 N14＝1.494000 ν14＝75.0

R26＝∞ D26＝0.80

R27＝∞ D27＝0.50 N15＝1.498310 ν15＝65.1

R28＝∞

\焦点距离 6.10 36.29 90.03

可变间隔\

D5 0.90 27.29 36.73

D11 31.79 9.01 2.58

D19 4.18 3.87 13.43

D23 5.00 11.07 0.70

非球面系数

R13：k＝-1.8060 B＝2.3785e-4 C＝-5.2576e-7 D＝1.07052e-8 E＝-1.06054e-10

R23：k＝2.10086 B＝1.62706e-6 C＝-4.24617e-7 D＝-7.19769e-10

相位系数

C2＝-1.36157e-4

第三数值例

f＝27.81～130.65，Fno＝4.12～5.77，2ω＝75.8°～18.8°

R1＝155.787 D1＝3.70 N1＝1.846660 ν1＝23.9

R2＝77.67 5 (衍射光学部) D2＝11.50 N2＝1.622 992 ν2＝58.2

R3＝1816.968 D3＝0.20

R4＝63.954 D4＝8.00 N3＝1.712995 ν3＝53.9

R5＝165.120 D5＝可变

R6＝99.211 D6＝1.90 N4＝1.7724 99 ν4＝49.6

R7＝15.912 D7＝8.71

R8＝-115.032 D8＝1.00 N5＝1.882997 ν5＝40.8

R9＝52.320 D9＝0.24

R10＝26.129 D10＝6.18 N6＝1.805181 ν6＝25.4

R11＝-77.759 D11＝0.55

R12＝-46.788 D12＝1.58 N7＝1.670029 ν7＝47.2

R13＝54.512 D13＝可变

R14＝孔径 D14＝5.27

R15＝90.939 D15＝1.20 N8＝1.712995 ν8＝53.9

R16＝22.432 D16 ＝4.80 N9＝1.4874 90 ν9＝70.2

R17＝-75.648 D17＝0.20

R18＝35.936 D18＝6.00 N10＝1.4874 90 ν10＝70.2

R19＝-18.522 D19＝1.10 N11＝1.698947 ν11＝30.1

R20＝-28.821 D20＝可变

R21＝-108.656 D21＝3.30 N12＝1.805181 ν12＝25.4

R22＝-26.521 D22＝1.20 N13＝1.74 3997 ν13＝44.8

R23＝101.143 D23＝7.68

R24＝-28.961 D24＝1.90 N14＝1.603112 ν14＝60.6

R25＝-54.533 D25＝可变

R26＝118.960 D26＝9.00 N15＝1.570989 ν15＝50.8

R27＝-34.718 D27＝0.30

R28＝-245.511 D28＝8.10 N16＝1.496999 ν16＝81.5

R29＝-28.299 D29＝3.20 N17＝1.63555 ν17＝22.7 θgF＝0.689

R30＝-22.015 D30＝2.00 N18＝1.846660 ν18＝23.9

R31＝-56.593 D31＝可变

\焦点距离 27.81 88.15 130.65

可变间隔\

D5 3.00 36.32 47.68

D13 23.82 9.04 2.92

D20 2.09 12.50 14.15

D25 14.70 3.92 2.16

非球面系数

R27：k＝-6.98542e-2 B＝1.62029e-6 C＝-1.96781e-9 D＝2.81192e-12 E＝-1.20730e-14

相位系数

C2＝-2.48754e-5

第四数值例

f＝24.70～100.00，Fno＝4.12～5.77，2ω＝82.4°～24.4°

R1＝140.391 D1＝3.50 N1＝1.846660 ν1＝23.9

R2＝72.128 (衍射光学部) D2＝可变

R3＝76.150 D3＝10.20 N2＝1.622992 ν2＝58.2

R4＝387.369 D4＝0.18

R5＝64.630 D5＝7.30 N3＝1.712995 ν3＝53.9

R6＝178.513 D6＝可变

R7＝94.225 D7＝1.90 N4＝1.772499 ν4＝49.6

R8＝16.108 D8＝9.13

R9＝-181.139 D9＝1.30 N5＝1.882997 ν5＝40.8

R10＝42.713 D10＝0.20

R11＝25.526 D11＝6.30 N6＝1.805181 ν6＝25.4

R12＝-111.990 D12＝0.50

R13＝-73.009 D13＝1.30 N7＝1.666718 ν7＝48.3

R14＝50.888 D14＝可变

R15＝孔径 D15＝4.86

R16＝113.251 D16＝1.20 N8＝1.712995 ν8＝53.9

R17＝26.489 D17＝4.40 N9＝1.487490 ν9＝70.2

R18＝-44.341 D18＝0.20

R19＝32.653 D19＝5.50 N10＝1.487490 ν10＝70.2

R20＝-18.337 D20＝1.00 N11＝1.688931 ν11＝31.1

R21＝-30.856 D21＝可变

R22＝-64.763 D22＝3.00 N12＝1.805181 ν12＝25.4

R23＝-21.090 D23＝1.00 N13＝1.743997 ν13＝44.8

R24＝121.610 D24＝7.08

R25＝-38.363 D25＝1.80 N14＝1.603112 ν14＝60.6

R26＝-90.966 D26＝可变

R27＝-303.487 D27＝7.20 N15＝1.570989 ν15＝50.8

R28＝-32.726 D28＝0.20

R29＝274.537 D29＝7.90 N16＝1.496999 ν16＝81.5

R30＝-26.510 D30＝3.00 N17＝1.63555 ν17＝22.7 θgF＝0.689

R31＝-20.376 D31＝1.80 N18＝1.846660 ν18＝23.9

R32＝-51.294 D32＝可变

\焦点距离 24.70 77.06 100.00

可变间隔\

D2 10.14 3.67 5.29

D6 2.76 37.32 46.58

D14 27.46 8.39 3.50

D21 1.92 11.00 12.37

D26 13.56 3.61 1.99

非球面系数

R28：k＝4.31517e-1 B＝1.67864e-6 C＝-1.71793e-9 D＝8.15241e-12 E＝-3.72129e-14

相位系数

C2＝-1.60416e-5

[表1]

	条件式
	条件式				实施例	(1)	(2)	(3)	(4)
1	0.7795	188.75	8.931	194.72	实施例	(1)	(2)	(3)	(4)
1	0.7795	188.75	8.931	194.72	2	0.7837	165.34	6.197	111.57
3	0.7 930	262.67	4.683	314.47	2	0.7837	165.34	6.197	111.57
3	0.7 930	262.67	4.683	314.47	4	0.7 930	455.54	4.714	722.15

在各数值例中，获得色象差被适当校正并且可以用于数字相机或摄像机的具有高变焦比的高性能变焦透镜。

以下参照图22说明包括本发明实施例的变焦透镜作为摄影光学系统的数字相机(摄像装置)。

参照图22，数字相机包括相机本体20、包括本发明实施例的变焦透镜的摄影光学系统21、CCD等接收由摄影光学系统21形成的物体像的固体摄像元件(光电转换元件)22、记录对应于由摄像元件22接收的物体像的信息的存储器23、以及用于观察显示在显示单元(未示出)上的物体像的取景器24。

显示单元包括液晶显示板等，显示形成在摄像元件22上的物体像。

这样，通过使用本发明实施例的变焦透镜，得到数字相机等小的、高光学性能的摄像装置。

本发明还适用于单透镜反光相机。

尽管参照示例性实施例说明了本发明，但应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。对以下权利要求应当进行最广泛的解释，以便包括所有的改进、等同结构和功能。

Claims

1.一种通过移动多个透镜单元来执行变焦的变焦透镜，该变焦透镜包括：

设置在孔径光阑的物体侧的前透镜单元，该前透镜单元至少包括一个具有正能力的衍射光学部；以及

设置在孔径光阑的像侧的后透镜单元，该后透镜单元至少包括一个由固体材料制成且具有正折射力的折射光学元件，

其中，当υd和θgF分别是折射光学元件的材料的阿贝数和部分分散比、fD和fN分别是衍射光学部和折射光学元件在空气中的焦距时，满足以下表达式：

0.755＜θgF-(-1.665×10^-7·νd³+5.213×10^-5·νd²-

5.656×10^-3·νd) ＜1.011，

80＜fD/fN＜800

2.如权利要求1所述的变焦透镜，其中，当fw是整个系统在广角端的焦距时，满足以下表达式：

3.0＜fN/fw＜12.0

3.如权利要求1所述的变焦透镜，其中，当fP是离物体侧最近的正透镜在空气中的焦距时，满足以下表达式：

50＜fD/fP＜1000。

4.如权利要求1所述的变焦透镜，其中，

前透镜单元从物体侧到像侧依次包括具有正折射力的第一透镜单元和具有负折射力的第二透镜单元，并且，

后透镜单元从物体侧到像侧依次包括具有正折射力的第三透镜单元和具有正折射力的第四透镜单元。

5.如权利要求1所述的变焦透镜，其中，

后透镜单元从物体侧到像侧依次包括具有正折射力的第三透镜单元、具有负折射力的第四透镜单元和具有正折射力的第五透镜单元。

6.如权利要求1所述的变焦透镜，其中，

前透镜单元从物体侧到像侧依次包括具有负折射力的第一透镜单元、具有正折射力的第二透镜单元和具有负折射力的第三透镜单元，并且，

后透镜单元从物体侧到像侧依次包括具有正折射力的第四透镜单元、具有负折射力的第五透镜单元和具有正折射力的第六透镜单元。

7.一种摄像装置，包括：

权利要求1所述的变焦透镜；和

接收由上述变焦透镜形成的像的光电转换元件。