CN101382645B

CN101382645B - 变焦透镜系统和包括该系统的图像拾取设备

Info

Publication number: CN101382645B
Application number: CN2008102125538A
Authority: CN
Inventors: 和田健
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2028-09-05
Also published as: JP2009080483A; JP5253051B2; US7580202B2; US20090059387A1; CN101382645A

Abstract

本发明公开了一种变焦透镜系统和包括该系统的图像拾取设备。按从物侧到像侧的顺序，该变焦透镜系统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和包括至少一个透镜单元的后续透镜单元集。透镜单元之间的间隔在变焦期间改变。第一透镜单元包括负透镜元件、光学元件和正透镜元件。适当地设置各种参数，包括构成光学元件的材料的阿贝数vn和部分色散比θgF、负透镜元件的焦距f_1n和构成负透镜元件的材料的阿贝数v_1n、第一透镜单元的焦距f₁以及后续透镜单元集在广角端和望远端的相应横向缩放倍率β_3iw和β_3it。

Description

变焦透镜系统和包括该系统的图像拾取设备

技术领域

本发明涉及变焦透镜系统和包括该变焦透镜系统的图像拾取设备，特别涉及诸如数字静止相机、摄像机、胶片相机和广播相机的图像拾取设备中包括的变焦透镜系统。

背景技术

随着固态图像拾取装置的像素密度增加，提供有固态图像拾取装置的最新图像拾取设备(相机)(诸如摄像机和数字静止相机)具有很强的功能性，而且尺寸小。期望这样的图像拾取设备中将包括的用作图像摄取光学系统的变焦透镜系统是紧凑的并具有高变焦比。

具有高变焦比的变焦透镜系统的示例包括正引导变焦透镜系统(positive-lead zoom lens system)，在该正引导变焦透镜系统中，按从物侧到像侧的顺序排列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和后续透镜单元集，后续透镜单元集包括至少一个透镜单元并通常具有正折光力。

广泛已知的具有紧凑本体和高变焦比的变焦透镜系统的示例包括可伸缩变焦透镜系统，在该可伸缩变焦透镜系统中，使得透镜单元之间的间隔在当不执行图像拍摄操作时的时间段期间比在当正执行图像拍摄操作时的时间段期间短。

通常，变焦透镜系统中的每个透镜单元具有越多的透镜元件，每个透镜单元沿光轴的长度变得越大。这使得难以减小变焦透镜系统的收缩长度。为了使这样的变焦透镜系统可收纳在紧凑尺寸中，应该减小透镜单元在缩回状态下的厚度。从这个意义上来说，减少第一透镜单元中包括的透镜元件的数量是有效的，这趋向于具有大的有效直径。

在第7206139、6704149和6606200号USP中公开了示例性正引导变焦透镜系统，在这些正引导变焦透镜系统的每个中，第一透镜单元仅包括负透镜元件和正透镜元件。在第7304805号USP中公开了另一示例性正引导变焦透镜系统，在该正引导变焦透镜系统中，第一透镜单元中包括的透镜元件由反常色散材料构成，从而色差被很好地校正。

通常，可通过在增加每个透镜单元的折光力的同时减少变焦透镜系统的每个透镜单元中包括的透镜元件的数量来减小变焦透镜系统的总尺寸。

然而，由于各个透镜表面中的折光力的提高，而使得以所述方式构造的变焦透镜系统的透镜元件趋向于变厚。因此，可能不能充分地减小整个变焦透镜系统的长度，并且各种像差的校正可能变得困难。

特别是，如果每个透镜单元中包括的透镜元件的数量减少，则可能变得难以校正与单色成像性能相关的像差，诸如球面像差和慧差。

而且，由于可用于制作透镜元件的材料的类型有限，所以难以校正色差。通常，变焦透镜系统的尺寸减小和图像质量改进的目标相互矛盾，因此，同时实现这两个目标是不容易的。

在第7206139号USP中公开的正引导变焦透镜系统中，第一透镜单元包括由具有高折射率的玻璃材料构成的透镜元件，从而可减少透镜元件的数量和在第一透镜单元中包括的正透镜元件中发生的像差量。

然而，如果具有高折射率的材料用于第一透镜单元的透镜元件，则随着变焦比增加，色差量可在望远端附近的变焦范围中变大。这种色差不易被很好地校正

第6704149和6606200号USP中公开的变焦透镜系统每个具有通过使用第一透镜单元中提供的衍射光学元件满意地校正色差而实现的高变焦比。然而，通常，制造衍射光学元件是困难的。

第7304805号USP中公开的变焦透镜系统通过使用由反常色散材料构成的光学元件满意地校正色差来实现高性能。第7304805号USP中的变焦透镜系统的第一透镜单元包括负透镜元件、前述光学元件、正透镜元件和另一正透镜元件。由于第一透镜单元包括三个透镜元件，所以变焦透镜系统当收缩以被收纳时的长度趋向于很大。

为了在增加变焦比和减小整个尺寸(特别是，收缩尺寸)的同时实现满意的正引导变焦透镜系统的光学性能，适当地设计在变焦期间移动的第一透镜单元是重要的。

如果第一透镜单元的构造不合适，则在保持紧凑性和高变焦比的同时在整个变焦范围中实现高光学性能是非常困难的。

发明内容

根据本发明的一方面，一种变焦透镜系统包括(按从物侧到像侧的顺序)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和包括至少一个透镜单元的后续透镜单元集。第一透镜单元、第二透镜单元和后续透镜单元集中包括的透镜单元之间的间隔在变焦期间改变。第一透镜单元包括负透镜元件、光学元件和正透镜元件。在该变焦透镜系统中，满足以下条件表达式：

0.755＜θgF-(-1.665×10^-7·vn³+5.213×10^-5·vn²-5.656×10^-3·vn)＜1.011

0.023＜|f₁/(f_1n·v_1n)|＜0.050

3.2＜β_3it/β_3iw＜6.0

其中，vn和θgF分别表示构成光学元件的材料的阿贝数和部分色散比(partial dispersion ratio)；f_1n和v_1n分别表示负透镜元件的焦距和构成负透镜元件的材料的阿贝数；f₁表示第一透镜单元的焦距；β_3iw和β_3it分别表示后续透镜单元集在广角端和望远端的横向缩放倍率。

根据本发明的这个方面和其它方面，可提供具有短的总收缩长度的变焦透镜系统和包括这样的变焦透镜系统的图像拾取设备，所述变焦透镜系统能够通过满意地校正色差来实现满意的光学性能。

从以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征和方面将变得清楚。

附图说明

图1是根据本发明的第一示例性实施例的示例变焦透镜系统的截面图。

图2是显示根据第一示例性实施例的变焦透镜系统在广角端的像差的示图。

图3是显示根据第一示例性实施例的变焦透镜系统在望远端的像差的示图。

图4是根据本发明的第二示例性实施例的示例变焦透镜系统的截面图。

图5是显示根据第二示例性实施例的变焦透镜系统在广角端的像差的示图。

图6是显示根据第二示例性实施例的变焦透镜系统在望远端的像差的示图。

图7是根据本发明的第三示例性实施例的示例变焦透镜系统的截面图。

图8是显示根据第三示例性实施例的变焦透镜系统在广角端的像差的示图。

图9是显示根据第三示例性实施例的变焦透镜系统在望远端的像差的示图。

图10是根据本发明的第四示例性实施例的示例变焦透镜系统的截面图。

图11是显示根据第四示例性实施例的变焦透镜系统在广角端的像差的示图。

图12是显示根据第四示例性实施例的变焦透镜系统在望远端的像差的示图。

图13是根据本发明的第五示例性实施例的示例变焦透镜系统的截面图。

图14是显示根据第五示例性实施例的变焦透镜系统在广角端的像差的示图。

图15是显示根据第五示例性实施例的变焦透镜系统在望远端的像差的示图。

图16示意性地显示根据本发明的第六示例性实施例的示例图像拾取设备的相关部分。

具体实施方式

按从物侧到像侧的顺序，根据本发明的示例性实施例的变焦透镜系统可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和后续透镜单元的集合(以下称为后续透镜单元集)。透镜单元(包括后续透镜单元集中的那些透镜单元)之间的间隔在变焦期间改变。

根据第一至第五示例性实施例的变焦透镜系统为诸如摄像机、数字静止相机和卤化银胶片相机的图像拾取设备中包括的图像拍摄透镜系统。

在每个变焦透镜系统的截面图中，物体位于左(前)侧，在右(后)侧形成图像。

此外，在截面图中，当将从物侧计数的透镜单元的顺序表示为i时，将第i透镜单元表示为Li。将后续透镜单元集表示为LR。此外，将孔径光阑表示为SP，将光学块(诸如滤光器、面板、石英低通滤光器或红外截止滤光器)表示为GB。

当变焦透镜系统被用作摄像机或数字静止相机的图像拍摄光学系统时，表示为IP的像面等同于诸如电荷耦合器件(CCD)传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器的固态图像拾取装置(光电转换元件)的图像拾取表面，当变焦透镜系统被用作卤化银胶片相机中的图像拍摄光学系统时，表示为IP的像面等同于胶片表面。

每个截面图中的箭头显示各个透镜单元在从广角端变焦到望远端期间和在聚焦期间移动所沿着的轨迹。

在每个像差图中，d和g分别表示d线和g线，ΔM和ΔS分别表示子午(meridional)像面和弧矢(sagittal)像面。对g线显示横向色差。此外，ω表示半视角，F表示f数。

在下述第一至第五示例性实施例的每个中，广角端和望远端为缩放倍率改变透镜单元可机械地沿光轴移动的范围的末端处的变焦位置。

按从物侧到像侧的顺序，根据第一至第五示例性实施例的变焦透镜系统每个包括具有正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和后续透镜单元集LR。

后续透镜单元集LR包括至少一个透镜单元，通常具有正折光力。

透镜单元之间的间隔在变焦期间改变。后续透镜单元集LR仅需要包括至少一个透镜单元。如果后续透镜单元集LR仅包括单个透镜单元，则应理解，变焦透镜系统总共包括三个透镜单元。以下提供后续透镜单元集LR的示例性构造。

在一种情况下，按从物侧到像侧的顺序，后续透镜单元集LR包括具有正折光力的第三透镜单元和具有正折光力的第四透镜单元。

在另一情况下，按从物侧到像侧的顺序，后续透镜单元集LR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和具有正折光力的第五透镜单元。

在另一情况下，按从物侧到像侧的顺序，后续透镜单元集LR包括具有负折光力的第三透镜单元、具有正折光力的第四透镜单元和具有正折光力的第五透镜单元。

在另一情况下，按从物侧到像侧的顺序，后续透镜单元集LR包括具有正折光力的第三透镜单元、具有负折光力的第四透镜单元和具有正折光力的第五透镜单元。

除了上述情况，后续透镜单元集LR可包括任意数量的至少一个透镜单元，只要后续透镜单元集LR总地产生正折光力。

在第一至第五示例性实施例的每个中，第一透镜单元L1包括负透镜元件、光学元件和正透镜元件。

将构成第一透镜单元L1中的光学元件的材料的阿贝数和部分色散比分别表示为vn和θgF。

将第一透镜单元L1中的负透镜元件的焦距和构成负透镜元件的材料的阿贝数分别表示为f_1n和v_1n。

将第一透镜单元L1的焦距表示为f₁。将后续透镜单元集LR在广角端和望远端的横向缩放倍率分别表示为β_3iw和β_3it。

这里，满足以下条件：

0.755＜θgF-(-1.665×10^-7·vn³+5.213×10^-5·vn²-5.656×10^-3·vn)＜1.011…(1)

0.023＜|f₁(f_1n·v_1n)|＜0.050…(2)

3.2＜β_3it/β_3iw＜6.0…(3)

当将波长436nm(g线)、486nm(F线)、588nm(d线)和656nm(C线)的材料的折射率分别表示为ng、nF、nd和nC时，如下表达阿贝数vd和部分色散比θgF：

vd＝(nd-1)/(nF-nC)

θgF＝(ng-nF)/(nF-nC)

条件表达式(1)表示构成光学元件的材料的特性。如果超过条件表达式(1)的下限，则光学元件仅可具有小于或等于普通玻璃的特性的特性。因此，不可能充分地特别是在以高变焦比进行变焦期间望远端处的二次色差。相反，超过条件表达式(1)的上限，色差被不期望地过校正。

条件表达式(1)的更理想的范围如下：

0.76＜θgF-(-1.665×10^-7·vn³+5.213×10^-5·vn²-5.656×10^-3·vn)＜1.011…(1a)

条件表达式(2)表示在第一透镜单元L1中包括的负透镜元件中发生的色差的校正能力，即，当在第一透镜单元L1中提供光学元件时要求的色差的校正程度。

如果超过条件表达式(2)的下限，则第一透镜单元L1中的色差的校正能力变得非常小。因此，在变焦期间发生的色差的变化增加。

相反，如果超过条件表达式(2)的上限，则色差的校正能力变得非常大。这不期望地引起过校正。

用于光学元件的示例性反常色散材料包括高色散材料，诸如在第7304805号USP中公开的紫外线可固化树脂。

更理想地，可将条件表达式(2)的范围设置为以下提供的条件表达式(2a)，从而可进一步减少颜色模糊。

0.023＜|f₁/(f_1n·v_1n)|＜0.040…(2a)

条件表达式(3)规定变焦透镜系统中的后续透镜单元集LR的缩放倍率。如果超过条件表达式(3)的下限，则布置在物侧附近的第一透镜单元L1和第二透镜单元L2需要对增加的缩放倍率改变操作的比例负责。因此，由于第一透镜单元L1的构造而导致在变焦期间发生的像差的变化增加。

相反，如果超过条件表达式(3)的上限，则后续透镜单元集LR需要对过大部分的缩放倍率改变操作的比例负责。因此，例如在变焦期间发生的球面像差和慧差中的变化增加。

更理想地，可将条件表达式(3)的范围设置为以下提供的条件表达式(3a)，从而可进一步减小在变焦期间发生的像差变化。

3.2＜β_3it/β_3iw＜4.5…(3a)

通过满足以上提供的条件，尤其是当变焦透镜系统收缩以便被收纳时，第一至第五示例性实施例的每个实现总尺寸小的变焦透镜系统，同时将较少数量的透镜元件包括在第一透镜单元L1中并保持6-10的变焦比。

为了在进一步增加变焦比和减小总尺寸的同时实现高光学性能，理想情况是满足以下提供的条件中的至少一个。因而，可产生与各个条件对应的有利效果。

将第一透镜单元L1中包括的光学元件的焦距表示为f_N，将变焦透镜系统在广角端和望远端的焦距分别表示为f_w和f_t。

将构成第一透镜单元L1中包括的正透镜元件的材料的折射率表示为N_1p。

将后续透镜单元集LR在广角端和望远端的焦距分别表示为f_3iw和f_3it。

将第一透镜单元L1的焦距表示为f₁，将第一透镜单元L1中包括的负透镜元件的焦距表示为f_1n。

将第一透镜单元L1中包括的负透镜元件的物侧表面和像侧表面的曲率半径分别表示为r₁和r₂。

将光学元件沿光轴的厚度表示为t，将第一透镜单元L1中从第一透镜表面到最后透镜表面的长度表示为L。

此外，提供以下表达式：

f_{3 i} = \sqrt{(f_{3 iw} \cdot f_{3 it})}

这里，理想情况是满足以下条件中的至少一个：

0.01 < \sqrt{(f_{w} \cdot f_{t})} / f_{N} < 0.12 \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (4)

1.65＜N_1p＜1.90…(5)

0.6 < \sqrt{(f_{w} \cdot f_{t})} / f_{3 i} < 2.0 \cdot \cdot \cdot (6)

0.5＜|f₁/f_1n|＜1.0…(7)

-1＜(r₁+r₂)/(r₁-r₂)＜7…(8)

0.01＜t/L＜0.20…(9)

条件表达式(4)表示光学元件的焦距。如果超过条件表达式(4)的下限，则光学元件的折射率变得非常弱。因此，变得难以校正特别是望远端处的二次色差。相反，如果超过条件表达式(4)的上限，则二次色差被不期望地过校正。

更理想地，可将条件表达式(4)的范围设置为以下提供的条件表达式(4a)，从而可进一步减少颜色模糊(二次色差)。

0.01 < \sqrt{(f_{w} \cdot f_{t})} / f_{N} < 0.10 \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (4 a)

条件表达式(5)规定构成第一透镜单元L1中包括的正透镜元件的材料的折射率。

如果超过条件表达式(5)的下限，则例如，主要地，第一透镜单元L1中发生的匹兹阀和(Petzval sum)以及像场弯曲变大。相反，具有超过条件表达式(5)的上限的折射率的玻璃材料的使用导致高色散率。因此，变得难以校正色差。

更理想地，可将条件表达式(5)的范围设置为以下提供的条件表达式(5a)，从而可进一步减少颜色模糊。

1.65＜N_1p＜1.85…(5a)

条件表达式(6)规定后续透镜单元集LR的平均焦距比。如果超过条件表达式(6)的下限，则后续透镜单元集LR的折射率变得非常弱。因此，变得难以获得期望的变焦比。

在另一情况下，布置在物侧附近的第一透镜单元L1和第二透镜单元L2需要对增加的缩放倍率改变操作的比例负责。因此，在变焦期间发生的像差不期望地增加。

相反，如果超过条件表达式(6)的上限，则折光力变得太强。因此，变得难以获得期望长度的后焦点。

更理想地，可将条件表达式(6)的范围设置为以下提供的条件表达式(6a)，从而可进一步减少在变焦期间发生的像差变化。

0.80 < \sqrt{(f_{w} \cdot f_{t})} / f_{3 i} < 1.75 \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (6 a)

条件表达式(7)表示第一透镜单元L1中的负透镜元件的焦距比。如果超过条件表达式(7)的上限或下限，则第一透镜单元L1中的各种像差变得过校正或欠校正。因此，在变焦期间发生的像差变化增加。

更理想地，可将条件表达式(7)的范围设置为以下提供的条件表达式(7a)：

0.55＜|f₁/f_1n|＜0.95…(7a)

条件表达式(8)规定第一透镜单元L1中包括的负透镜元件的形状因子。如果超过条件表达式(8)的下限，则广角端附近的变焦范围的像场弯曲不期望地向着下侧变大。

相反，如果超过条件表达式(8)的上限，则对在负透镜元件中发生的各种像差的校正能力降低。因此，在变焦期间发生的像差变化增加。

更理想地，可将条件表达式(8)的范围设置为以下提供的条件表达式(8a)，从而可更好地校正像场弯曲。

-0.7＜(r₁+r₂)/(r₁-r₂)＜5…(8a)

条件表达式(9)规定第一透镜单元L1中包括的光学元件的中心厚度(沿光轴的厚度)和第一透镜单元L1的块厚度(第一透镜单元L1中从第一透镜表面到最后透镜表面的长度)的比率。

如果超过条件表达式(9)的下限，则光学元件变得太薄。因此，变得难以给予光学元件折光力。因此，二次色差的校正能力变得不足。相反，如果超过条件表达式(9)的上限，则光学元件变得太厚。因此，变得难以减小变焦透镜系统当其收缩以被收纳时的长度。

更理想地，可将条件表达式(9)的范围设置为以下提供的条件表达式(9a)，从而可进一步减小变焦透镜系统当其收缩以被收纳时的长度。因而，可实现紧凑型变焦透镜系统。

0.01＜t/L＜0.16…(9a)

接下来，将描述根据第一至第五示例性实施例的每个的变焦透镜系统的构造。

第一示例性实施例

图1是根据第一示例性实施例的变焦透镜系统在广角端(短焦距端)的截面图。图2和图3分别是显示根据第一示例性实施例的变焦透镜系统在广角端和望远端(长焦距端)的像差的示图。

按从物侧到像侧的顺序，根据第一示例性实施例的变焦透镜系统包括具有正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和具有正折光力的第四透镜单元L4。

在从广角端变焦到望远端期间，第一透镜单元L1沿朝像侧凸起的轨迹向着物侧移动。

可替换地，第一透镜单元L1可向着物侧单调地移动。第二透镜单元L2沿朝像侧凸起的轨迹移动。第三透镜单元L3向着物侧移动。第四透镜单元L4沿朝物侧凸起的轨迹移动。第四透镜单元L4负责当图像拍摄距离(距物体的距离)改变时执行的聚焦。

在望远端，为了从聚焦在无限远的物体上到聚焦在附近的物体上，第四透镜单元L4如在对应的截面图中显示的箭头4c所指示的那样向前移动。

对第四透镜单元L4显示的实线曲线4a和虚线曲线4b为这样的轨迹，第四透镜单元L4沿着所述轨迹移动以校正在从广角端变焦到望远端期间发生的像面中的变化。实线曲线4a指示焦点在无限远的物体上的情况，虚线曲线4b指示焦点在附近的物体上的情况。

第一透镜单元L1为接合透镜，在该接合透镜中，按从物侧到像侧的顺序，负透镜元件、光学元件和正透镜元件接合在一起。

因而，实现紧凑型构造。正透镜元件由具有Nd＝1.772的高折射率的材料(由OHARA制造的s-lah66)形成，从而可减少在正透镜元件中发生的诸如慧差和像场弯曲的像差。

在具有高变焦比并且其焦距在望远端附近的变焦范围中变大的变焦透镜系统中，如果第一透镜单元L1的正透镜元件由具有高折射率的材料形成，则特别是在望远端附近的变焦范围中二次色差增加。

因此，在第一示例性实施例中，使由反常色散材料形成的凸形光学元件在第一透镜单元L1中的负透镜元件和正透镜元件之间作用。

因而，二次色差被很好地校正。应用于第一至第五示例性实施例的光学元件可由玻璃或树脂形成，只要满足条件表达式(1)中表示的特性即可。

在第一示例性实施例中，为了抑制在变焦期间发生的诸如像场弯曲的像差变化，将分配给后续透镜单元集LR的缩放倍率的比例设置为和3.56一样大的值。因而，可实现具有和10一样大的变焦比的变焦透镜系统。

根据第二示例性实施例的变焦透镜系统的变焦类型和聚焦方法与第一示例性实施例中的变焦类型和聚焦方法相同。

第一透镜单元L1为接合透镜，在该接合透镜中，按从物侧到像侧的顺序，光学元件、正透镜元件和负透镜元件接合在一起。因而，实现紧凑型构造。

第二示例性实施例

图4是根据第二示例性实施例的变焦透镜系统在广角端的变焦透镜系统的截面图。图5和图6分别是显示根据第二示例性实施例的变焦透镜系统在广角端和望远端的像差的示图。

在第二示例性实施例中，光学元件的物侧表面具有非球面形状，从而诸如像场弯曲的离轴像差被很好地校正。另外，正透镜元件由具有Nd＝1.678的高折射率的材料(由OHARA制造的s-la112)形成，从而减少在正透镜元件中发生的诸如慧差和像场弯曲的像差。

第三示例性实施例

图7是根据第三示例性实施例的变焦透镜系统在广角端的截面图。图8和图9分别是显示根据第三示例性实施例的变焦透镜系统在广角端和望远端的像差的示图。

按从物侧到像侧的顺序，根据第三示例性实施例的变焦透镜系统包括具有正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和具有正折光力的第五透镜单元L5。

在从广角端变焦到望远端期间，第一透镜单元L1沿朝像侧凸起的轨迹向着物侧移动。可替换地，第一透镜单元L1可向着物侧单调地移动。第二透镜单元L2沿朝像侧凸起的轨迹移动。第三透镜单元L3和第四透镜单元L4向着物侧移动。第五透镜单元L5沿朝物侧凸起的轨迹移动。第五透镜单元L5负责当图像拍摄距离改变时执行的聚焦。

在望远端，为了从聚焦在无限远的物体上到聚焦在附近的物体上，第五透镜单元L5如对应的截面图中显示的箭头5c所指示的那样向着物侧移动。

对第五透镜单元L5显示的实线曲线5a和虚线曲线5b为第五透镜单元L5沿其移动以校正当缩放倍率从广角端到望远端发生变化时发生的像面中的变化的轨迹。实线曲线5a指示焦点在无限远的物体上的情况，虚线曲5b指示焦点在附近的物体上的情况。

第一透镜单元L1为接合透镜，在该接合透镜中，按从物侧到像侧的顺序，负透镜元件、光学元件和正透镜元件接合在一起。因而，实现紧凑型构造。正透镜元件由具有Nd＝1.729的高折射率的材料(由OHARA制造的s-la118)形成，从而减少在正透镜元件中发生的诸如慧差和像场弯曲的像差。因而，可产生与第一示例性实施例中的效果类似的效果。

第四示例性实施例

图10是根据第四示例性实施例的变焦透镜系统在广角端的截面图。图11和图12分别是显示根据第四示例性实施例的变焦透镜系统在广角端和望远端的像差的示图。

按从物侧到像侧的顺序，根据第四示例性实施例的变焦透镜系统包括具有正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、具有负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和具有正折光力的第五透镜单元L5。

可替换地，第一透镜单元L1可向着物侧单调地移动。第二透镜单元L2和第三透镜单元L3沿朝像侧凸起的轨迹移动。第四透镜单元L4向着物侧移动。第五透镜单元L5沿朝物侧凸起的轨迹移动。

第五透镜单元L5负责当图像拍摄距离改变时执行的聚焦。

第五透镜单元L5在聚焦期间移动的方式与第三示例性实施例中的方式相同。

第一透镜单元L1为接合透镜，在该接合透镜中，按从物侧到像侧的顺序，负透镜元件、光学元件和正透镜元件接合在一起。因而，实现紧凑型构造。正透镜原由具有Nd＝1.773的高折射率的材料(由OHARA制造的s-lah66)形成，从而减少在正透镜元件中发生的诸如慧差和像场弯曲的像差。

因而，可得到与第一示例性实施例中的效果类似的效果。

第五示例性实施例

图13是根据第五示例性实施例的变焦透镜系统在广角端的截面图。图14和图15分别是显示根据第五示例性实施例的变焦透镜系统在广角端和望远端的像差的示图。

按从物侧到像侧的顺序，根据第五示例性实施例的变焦透镜系统包括具有正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、具有负折光力的第四透镜单元L4和具有正折光力的第五透镜单元L5。

在从广角端变焦到望远端期间，第一透镜单元L1沿朝像侧凸起的轨迹向着物侧移动。可替换地，第一透镜单元L1可向着物侧单调地移动。第二透镜单元L2沿朝像侧凸起的轨迹移动。

第三透镜单元L3和第四透镜单元L4向着物侧移动。第五透镜单元L5沿朝物侧凸起的轨迹移动。第五透镜单元L5负责当图像拍摄距离改变时执行的聚焦。

第五透镜单元L5在聚焦期间移动的方式与第三示例性实施例中的方式相同。第一透镜单元L1为接合透镜，在该接合透镜中，按从物侧到像侧的顺序，负透镜元件、光学元件和正透镜元件接合在一起。因而，实现紧凑型构造。正透镜元件由具有Nd＝1.773的高折射率的材料(由OHARA制造的s-lah66)形成，从而减少在正透镜元件中发生的诸如慧差和像场弯曲的像差。

因而，可得到与第一示例性实施例中的效果类似的效果。

在第一至第五示例性实施例的每个中，所有的透镜单元在从广角端变焦到望远端期间移动，从而实现范围为7-10的高变焦比。

如果光学元件由树脂形成，则容易制造光学元件。当然，光学元件可由玻璃形成。

理想情况是，光学元件的至少一个表面为非球面形状。这有助于诸如慧差和像差弯曲的各种像差的校正能力的提高。

示例1-5

以下将给出与第一至第五示例性实施例对应的数字示例1至5。

在每个数字示例中，i表示从物侧计数的透镜表面的顺序，Ri表示透镜表面的曲率半径，Di表示第i表面和第(i+1)表面之间的透镜厚度和空气间隙，Ni表示d线的折射率，vi表示阿贝数，θgf表示部分色散比。

离像侧最近的四个表面例如对应于光学块GB或颜色合成棱镜。

将焦距、f数和半视角分别表示为f、FNO和ω。

将非球面系数表示为k、A、B、C、D和E。

当将从光轴方向上距光轴高度h处的表面顶点的位移表示为x时，如下表示非球面表面的形状：

x＝(h2/R)/[1+{1-(1+k)(h/R)2}1/2]+Ah4+Bh6+Ch8+Dh10+Eh12

其中，R表示曲率半径。

在表1中总结了以上提供的条件表达式(1)至(9)和数字示例1至5中的值之间的关系。

[数字示例1]

f：4.8～46.0mm FNO：2.85～5.87 ω：37.21～4.52°

R D N v θgF

1 24.037 1.20 1.847 23.8

2 14.388 0.80 1.633 23.0 0.6747

3 15.748 4.60 1.772 49.6

4 151.929 (可变)

5 52.003 0.95 1.883 40.8

6 6.627 3.28

7 (非球面) 1.35 1.860 40.3

8 12.158 0.99

9 12.279 1.91 1.923 18.9

10 49.360 (可变)

11 (非球面) 1.50 1.678 55.3

12 -80.221 0.10

13 4.838 2.19 1.487 70.2

14 12.070 0.60 2.003 28.3

15 4.221 0.40

16 16.466 1.18 1.487 70.2

17 -34.172 (可变)

18 (非球面) 2.00 1.487 70.2

19 36.606 (可变)

20 inf. 0.60 1.516 64.1

21 inf. 0.90

22 inf. 0.40 1.516 64.1

23 inf.

间隔数据

W T

d4 0.40 17.57

d10 21.9 12.41

d17 4.96 22.39

d19 1.98 1.26

非球面形状数据

7 1/r＝-5.191e-003 k＝-6.325e+002 A＝1.424e-005 B＝2.903e-006

C＝-8.749e-008 D＝1.624e-009 E＝0.000e+000

11 1/r＝1.068e-001 k＝1.608e+000 A＝-3.950e-004 B＝-6.682e-006

C＝-1.364e-007 D＝0.000e+000 E＝0.000e+000

18 1/r＝9.179e-002 k＝-5.182e-002 A＝-1.210e-005 B＝1.989e-006

C＝-8.621e-008 D＝3.989e-009 E＝0.000e+000

[数字示例2]

f：4.7～31.6mm FNO：2.88～5.67 ω：37.17～6.44°

R D N v θgF

1 (非球面) 0.50 1.633 23.0 0.6747

2 26.434 4.67 1.678 55.3

3 -79.835 1.00 1.847 23.8

4 332.271 (可变)

5 44.219 1.00 1.772 49.6

6 6.788 2.87

7 (非球面) 1.40 1.860 40.3

8 9.980 1.38

9 11.273 1.81 1.923 18.9

10 30.555 (可变)

11 (非球面) 1.50 1.589 61.1

12 -24.353 0.10

13 4.734 1.90 1.589 61.1

14 13.243 0.60 2.003 28.3

15 4.119 0.71

16 -65.346 1.15 1.487 70.2

17 -13.219 (可变)

18 11.706 2.36 1.516 64.1

19 -718.292 (可变)

20 inf. 0.60 1.516 64.1

21 inf. 0.90

22 inf. 0.40 1.516 64.1

23 inf.

间隔数据

W T

d4 0.48 12.66

d10 19.50 2.41

d17 4.44 24.55

d19 1.90 3.23

非球面形状数据

1 1/r＝4.027e-002 k＝9.435e-002 A＝1.108e-006 B＝-3.584e-009

C＝1.443e-011 D＝0.000e+000 E＝0.000e+000

7 1/r＝-5.116e-004 k＝-4.516e+003 A＝3.298e-005 B＝-1.249e-007

C＝3.967e-009 D＝0.000e+000 E＝0.000e+000

11 1/r＝1.046e-001 k＝1.233e+000 A＝-4.468e-004 B＝-3.690e-006

C＝-1.436e-007 D＝0.000e+000 E＝0.000e+000

[数字示例3]

f：4.8～46.1mm FNO：2.85～5.88 ω：37.19～4.52°

R D N v θgF

1 23.426 1.20 1.847 23.8

2 14.630 0.93 1.633 23.0 0.6747

3 16.434 4.58 1.729 54.7

4 181.281 (可变)

5 60.813 0.95 1.883 40.8

6 6.939 3.26

7 (非球面) 1.35 1.860 40.3

8 11.669 1.04

9 12.302 1.98 1.923 18.9

10 49.156 (可变)

11 (非球面) 1.50 1.678 55.3

12 -72.650 0.10

13 4.691 2.22 1.487 70.2

14 11.750 0.60 2.003 28.3

15 4.040 (可变)

16 13.552 1.18 1.487 70.2

17 -78.895 (可变)

18 (非球面) 2.00 1.487 70.2

19 34.837 (可变)

20 inf. 0.60 1.516 64.1

21 inf. 0.90

22 inf. 0.40 1.516 64.1

23 inf.

间隔数据

W T

d4 0.40 18.18

d10 22.89 2.41

d15 0.63 0.50

d17 4.61 21.45

d19 1.86 1.22

非球面形状数据

7 1/r＝-6.137e-005 k＝7.235e+006 A＝3.255e-005 B＝2.423e-006

C＝-5.992e-008 D＝1.122e-009 E＝0.000e+000

11 1/r＝1.074e-001 k＝1.606e+000 A＝-3.974e-004 B＝-6.626e-006

C＝-1.609e-007 D＝0.000e+000 E＝0.000e+000

18 1/r＝9.410e-002 k＝-2.296e-001 A＝-5.365e-005 B＝9.557e-006

C＝-5.699e-007 D＝1.562e-008 E＝0.000e+000

[数字示例4]

f：4.8～46.0mm FNO：2.85～5.88 ω：37.20～4.52°

R D N v θgF

1 24.802 1.20 1.847 23.8

2 14.899 0.80 1.633 23.0 0.6747

3 16.223 4.86 1.772 49.6

4 157.596 (可变)

5 58.913 0.95 1.883 40.8

6 7.032 (可变)

7 (非球面) 1.35 1.860 40.3

8 12.927 1.07

9 13.219 1.98 1.923 18.9

10 57.024 (可变)

11 (非球面) 1.50 1.678 55.3

12 -88.003 0.10

13 4.726 2.14 1.487 70.2

14 11.138 0.60 2.003 28.3

15 4.070 0.39

16 13.841 1.16 1.487 70.2

17 -118.206 (可变)

18 (非球面) 1.99 1.487 70.2

19 35.723 (可变)

20 inf. 0.60 1.516 64.1

21 inf. 0.90

22 inf. 0.40 1.516 64.1

23 inf.

间隔数据

W T

d4 0.40 17.71

d6 3.69 3.30

d10 23.95 2.41

d17 5.17 21.91

d19 2.57 2.07

非球面形状数据

7 1/r＝-4.461e-003 k＝-9.100e+001 A＝2.848e-005 B＝2.065e-006

C＝-5.264e-008 D＝9.579e-010 E＝0.000e+000

11 1/r＝1.086e-001 k＝1.595e+000 A＝-4.020e-004 B＝-6.543e-006

C＝-1.853e-007 D＝0.000e+000 E＝0.000e+000

18 1/r＝9.257e-002 k＝-1.937e-001 A＝-5.763e-005 B＝9.487e-006

C＝-5.879e-007 D＝1.644e-008 E＝0.000e+000

[数字示例5]

f：4.8～46.0mm FNO：2.85～5.88 ω：37.24～4.53°

R D N v θgF

1 24.978 1.20 1.847 23.8

2 14.735 0.80 1.633 23.0 0.6747

3 16.100 4.51 1.772 49.6

4 192.890 (可变)

5 58.245 0.95 1.883 40.8

6 6.741 3.23

7 (非球面) 1.35 1.860 40.3

8 12.220 0.95

9 12.397 1.93 1.923 18.9

10 52.971 (可变)

11 (非球面) 1.50 1.678 55.3

12 -79.965 (可变)

13 4.796 2.20 1.487 70.2

14 12.144 0.60 2.003 28.3

15 4.165 0.39

16 14.735 1.29 1.487 70.2

17 -41.494 (可变)

18 (非球面) 2.00 1.487 70.2

19 52.914 (可变)

20 inf. 0.60 1.516 64.1

21 inf. 0.90

22 inf. 0.40 1.516 64.1

23 inf.

间隔数据

W T

d4 0.40 17.83

d10 22.17 2.41

d12 0.10 0.39

d17 4.89 21.89

d19 1.95 1.25

非球面形状数据

7 1/r＝-4.898e-003 k＝-7.832e+002 A＝1.098e-005 B＝2.728e-006

C＝-6.939e-008 D＝1.186e-009 E＝0.000e+000

11 1/r＝1.069e-001 k＝1.620e+000 A＝-3.913e-004 B＝-6.672e-006

C＝-1.528e-007 D＝0.000e+000 E＝0.000e+000

18 1/r＝8.492e-002 k＝-1.858e-002 A＝-1.255e-005 B＝3.766e-006

C＝-1.908e-007 D＝6.398e-009 E＝0.000e+000

【表1】

	数字示例1	数字示例2	数字示例3	数字示例4	数字示例5
	数字示例1	数字示例2	数字示例3	数字示例4	数字示例5	表达式(1)	0.78	0.78	0.78	0.78	0.78
表达式(2)	0.038	0.024	0.036	0.037	0.038	表达式(1)	0.78	0.78	0.78	0.78	0.78
表达式(2)	0.038	0.024	0.036	0.037	0.038	表达式(3)	3.56	3.90	3.35	3.28	3.28
表达式(4)	0.07	0.02	0.08	0.06	0.07	表达式(3)	3.56	3.90	3.35	3.28	3.28
表达式(4)	0.07	0.02	0.08	0.06	0.07	表达式(5)	1.77	1.68	1.73	1.77	1.77
表达式(6)	0.96	1.11	1.56	1.59	0.88	表达式(5)	1.77	1.68	1.73	1.77	1.77
表达式(6)	0.96	1.11	1.56	1.59	0.88	表达式(7)	0.90	0.57	0.85	0.89	0.91
表达式(8)	3.98	-0.61	4.33	4.01	3.88	表达式(7)	0.90	0.57	0.85	0.89	0.91
表达式(8)	3.98	-0.61	4.33	4.01	3.88	表达式(9)	0.12	0.08	0.14	0.12	0.12

第六示例性实施例

接下来，将参考图16描述根据本发明的第六示例性实施例的数字静止相机。该数字静止相机包括作为图像拍摄光学系统的根据第一至第五示例性实施例中的任何一个的变焦透镜系统。

图16示意性地显示包括根据本发明的第一至第五示例性实施例中的任何一个的变焦透镜系统的相机(图像拾取设备)的相关部分。

在图16中，相机本体20被提供有图像拍摄光学系统21，其为在第一至第五示例性实施例中的任何一个中描述的变焦透镜系统。相机本体20装有固态图像拾取装置(光电转换元件)22，诸如CCD传感器或CMOS传感器，其接收由图像拍摄光学系统21形成的物体图像的光。

相机本体20还被提供有存储器23和取景器24，存储器23存储关于已进行由固态图像拾取装置22执行的光电转换的物体图像的信息，取景器24为例如液晶显示屏，通过取景器24，观察在固态图像拾取装置22上形成的物体图像。

通过将根据本发明的第一至第五示例性实施例中的任何一个的变焦透镜系统应用于诸如数字静止相机的图像拾取设备，可提供具有高光学性能的紧凑型图像拾取设备。

尽管已参考示例性实施例描述了本发明，但是将理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。将给予权利要求的范围最广泛的解释，以包括所有修改和等同的结构和功能。

Claims

1.一种变焦透镜系统，按从物侧到像侧的顺序包括：

第一透镜单元，具有正折光力；

第二透镜单元，具有负折光力；和

后续透镜单元集，包括至少一个透镜单元，

其中，第一透镜单元、第二透镜单元和后续透镜单元集中包括的透镜单元之间的间隔在变焦期间改变，

其中，第一透镜单元包括负透镜元件、光学元件和正透镜元件，以及

其中，满足以下条件表达式：

0.755＜θgF-(-1.665×10^-7·vn³+5.213×10^-5·vn²-5.656×10^-3·vn)＜1.011

0.023＜|f₁/(f_1n·v_1n)|＜0.050

3.2＜β_3it/β_3iw＜6.0

其中，vn和θgF分别表示构成光学元件的材料的阿贝数和部分色散比；f_1n和v_1n分别表示负透镜元件的焦距和构成负透镜元件的材料的阿贝数；f₁表示第一透镜单元的焦距；β_3iw和β_3it分别表示后续透镜单元集在广角端和望远端的横向缩放倍率。

2.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，满足以下条件表达式：

0.01 < \sqrt{(f_{w} \cdot f_{t})} / f_{N} < 0.12

其中，f_N表示光学元件的焦距，f_w和f_t分别表示变焦透镜系统在广角端和望远端的焦距。

3.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，满足以下条件表达式：

1.65＜N_1p＜1.90

其中，N_1p表示构成第一透镜单元中包括的正透镜元件的材料的折射率。

4.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，当提供以下表达式时：

f_{3 i} = \sqrt{(f_{3 iw} \cdot f_{3 it})}

满足以下条件表达式：

0.6 < \sqrt{(f_{w} \cdot f_{t})} / f_{3 i} < 2.0

其中，f_3iw和f_3it分别表示后续透镜单元集在广角端和望远端的焦距；f_w和f_t分别表示变焦透镜系统在广角端和望远端的焦距。

5.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，满足以下条件表达式：

0.5＜|f₁/f_1n|＜1.0

其中，f₁表示第一透镜单元的焦距，f_1n表示第一透镜单元中包括的负透镜元件的焦距。

6.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，满足以下条件表达式：

-1＜(r₁+r₂)/(r₁-r₂)＜7

其中，r₁和r₂分别表示第一透镜单元中包括的负透镜元件的物侧表面和像侧表面的曲率半径。

7.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，满足以下条件表达式：

0.01＜t/L＜0.20

其中，t表示光学元件沿光轴的厚度，L表示第一透镜单元中从第一透镜表面到最后透镜表面的长度。

8.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，按从物侧到像侧的顺序，后续透镜单元集包括具有正折光力的第三透镜单元和具有正折光力的第四透镜单元。

9.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，按从物侧到像侧的顺序，后续透镜单元集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和具有正折光力的第五透镜单元。

10.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，按从物侧到像侧的顺序，后续透镜单元集包括具有负折光力的第三透镜单元、具有正折光力的第四透镜单元和具有正折光力的第五透镜单元。

11.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，按从物侧到像侧的顺序，后续透镜单元集包括具有正折光力的第三透镜单元、具有负折光力的第四透镜单元和具有正折光力的第五透镜单元。

12.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，该变焦透镜系统在光电转换元件上形成图像。

13.一种图像拾取设备，包括：

根据权利要求1至12中的任何一个所述的变焦透镜系统；和

光电转换元件，被配置为接收由变焦透镜系统形成的图像的光。