CN102338927A - 变焦透镜和装备有变焦透镜的图像拾取设备 - Google Patents

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CN102338927A CN2011101916806A CN201110191680A CN102338927A CN 102338927 A CN102338927 A CN 102338927A CN 2011101916806 A CN2011101916806 A CN 2011101916806A CN 201110191680 A CN201110191680 A CN 201110191680A CN 102338927 A CN102338927 A CN 102338927A
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Abstract

本发明涉及变焦透镜和装备有变焦透镜的图像拾取设备。一种变焦透镜从物体侧到像侧依次包括：具有负折光力的第一透镜单元、具有正折光力的第二透镜单元、具有负折光力的第三透镜单元、以及具有正折光力的第四透镜单元。为了变焦改变第一到第四透镜单元中的连续的透镜单元之间的距离。第一透镜单元从物体侧到像侧依次包括：负透镜和其物体侧的表面具有凸形的正透镜。在该变焦透镜中，适当地设定焦距f1、焦距f3、阿贝数vd1p、焦距f3i以及阿贝数vd3i。

Description

变焦透镜和装备有变焦透镜的图像拾取设备
技术领域
本发明涉及变焦透镜和具有该变焦透镜的图像拾取设备。特别地，本发明涉及可用于诸如数字照相机、视频照相机、监视照相机、卤化银胶片照相机或电视(TV)照相机之类的图像拾取设备的变焦透镜。
背景技术
已经使用了负引导(negative lead)型变焦透镜作为其总尺寸小且能够容易地增大视角的变焦透镜。负引导型变焦透镜典型地包括位于变焦透镜的物体侧(前面)的具有负折光力的透镜单元(透镜组)。在负引导型变焦透镜的已知的配置中，已经使用了四单元变焦透镜。负型的四单元变焦透镜一般从物体侧到像侧依次由具有负折光力的透镜单元、具有正折光力的透镜单元、具有负折光力的透镜单元和具有正折光力的透镜单元构成。操作中，四单元变焦透镜被配置为通过机械地改变透镜单元之间的距离来执行倍率的变化(变焦)。
为了适应近来发展的每单位面积包括大量像素的图像传感器，诸如静态图像照相机和视频记录照相机之类的新的图像拾取设备要求具有小的总尺寸和高光学性能的变焦透镜。除此之外，为了实现大的成像区，还期望变焦透镜具有广视角。
在负引导型变焦透镜的领域中，美国专利No.7,777,967讨论了四单元变焦透镜，其具有高达5倍的变焦比以及在广角端处的约40°的成像半视角的广视角。日本专利申请公开No.2003-131130讨论了小尺寸的四单元变焦透镜，其具有约3倍的变焦比以及在广角端处的约35°的成像半视角，并且其第一透镜单元由两个透镜构成。
通常，负引导型变焦透镜在实现广视角方面是有用的，但是具有显著不对称的透镜配置。因此，在其中各个透镜单元在变焦期间移动的四单元变焦透镜中，可能增大像差的变化。因此，变得非常难以在实现变焦透镜的小的总尺寸的同时对于整个变焦范围实现高光学性能。
特别地，如果在四单元变焦透镜中增大视角，则像场弯曲和色差可能增大。在美国专利No.7,777,967中讨论的变焦透镜中，第一透镜单元由两个负透镜和一个正透镜构成。利用该配置，美国专利No.7,777,967中讨论的变焦透镜校正像场弯曲和倍率色差(横向色差)。然而，由于第一透镜单元包括三个透镜，因此第一透镜单元的厚度可能增大。结果，在透镜镜筒缩回时变焦透镜在光轴方向上的厚度可能增大。
在日本专利申请公开No.2003-131130中讨论的变焦透镜中，第一透镜单元由一个负透镜和一个正透镜构成。利用该配置，在日本专利申请公开No.2003-131130中讨论的变焦透镜减少了在透镜镜筒缩回时变焦透镜在光轴方向上的厚度。然而，日本专利申请公开No.2003-131130中讨论的变焦透镜由于广角端处的成像半视角低到35°而不具有足够宽的成像视角。
在上述四单元变焦透镜中，为了实现其总尺寸小、具有广视角且对于整个变焦范围具有高光学性能的变焦透镜，重要的是适当地设定每个透镜单元的折光力(焦度)、透镜配置和用于构成每个透镜单元的透镜的材料的阿贝数(色散)。更具体地说，除非适当地设定具有负折光力的第一透镜单元和具有负折光力的第三透镜单元的折光力以及第一透镜单元和第三透镜单元内包括的透镜的材料，否则变得难以实现具有广视角且对于整个变焦范围具有高光学性能的变焦透镜。
发明内容
根据在本申请中公开的各种实施例，本发明涉及如下的变焦透镜，该变焦透镜能够在维持倍率变化期间的广视角和透镜缩回时短的总长度的同时有效地校正诸如像场弯曲或色差之类的各种像差并且对于整个变焦范围实现高光学性能。
根据本发明一个方面，一种变焦透镜从物体侧到像侧依次包括：具有负折光力的第一透镜单元、具有正折光力的第二透镜单元、具有负折光力的第三透镜单元和具有正折光力的第四透镜单元。在该变焦透镜中，为了变焦改变第一到第四透镜单元中的相邻透镜单元之间的间隔。在该变焦透镜中，第一透镜单元从物体侧到像侧依次包括：负透镜和其物体侧的表面具有凸形的正透镜。在f1是第一透镜单元的焦距、f3是第三透镜单元的焦距、vd1p是第一透镜单元的正透镜的材料的阿贝数、f3i是第三透镜单元内包括的从物体侧数起的第i个单透镜的空气中的焦距、vd3i是第三透镜单元内包括的从物体侧数起的第i个单透镜的材料的阿贝数并且∑是对于第三透镜单元内包括的所有单透镜的焦距f3i和阿贝数vd3i的和时，满足以下条件式：
0.30＜f1/f3＜0.68
10.0＜vd1p＜23.0
2.1＜f3×∑(100/(f3i×vd3i))＜5.0。
根据以下参考附图的示例性实施例的详细描述，本发明更多的特征和方面将变得清晰。
附图说明
被加入说明书且构成说明书一部分的附图示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且与描述一起用来解释本发明的原理。
图1是根据本发明第一示例性实施例的变焦透镜在广角端处的截面。
图2A、图2B和图2C是根据第一示例性实施例的变焦透镜分别在广角端处、中间焦距处和望远端处的像差图。
图3是根据本发明第二示例性实施例的变焦透镜在广角端处的截面。
图4A、图4B和图4C是根据第二示例性实施例的变焦透镜分别在广角端处、中间焦距处和望远端处的像差图。
图5是根据本发明第三示例性实施例的变焦透镜在广角端处的截面。
图6A、图6B和图6C是根据第三示例性实施例的变焦透镜分别在广角端处、中间焦距处和望远端处的像差图。
图7是根据本发明第四示例性实施例的变焦透镜在广角端处的截面。
图8A、图8B和图8C是根据第四示例性实施例的变焦透镜分别在广角端处、中间焦距处和望远端处的像差图。
图9是根据本发明第五示例性实施例的变焦透镜在广角端处的截面。
图10A、图10B和图10C是根据第五示例性实施例的变焦透镜分别在广角端处、中间焦距处和望远端处的像差图。
图11是根据本发明第六示例性实施例的变焦透镜在广角端处的截面。
图12A、图12B和图12C是根据第六示例性实施例的变焦透镜分别在广角端处、中间焦距处和望远端处的像差图。
图13示出了根据本发明示例性实施例的图像拾取设备的示例性的主要组件。
具体实施方式
下面将参考附图来详细描述本发明的各个示例性实施例、特征以及方面。
根据本发明示例性实施例的变焦透镜从物体侧到像侧依次包括：具有负折光力的第一透镜单元、具有正折光力的第二透镜单元、具有负折光力的第三透镜单元和具有正折光力的第四透镜单元。通过移动各透镜单元以便改变透镜单元之间的间隔来执行变焦。
在从广角端到望远端的变焦期间，第一透镜单元沿朝向像侧凸起的轨迹的路径移动。第二透镜单元和第三透镜单元彼此独立地朝向物体侧移动。第四透镜单元朝向像侧或者朝向物体侧移动，或者沿朝向物体侧凸起的轨迹移动。本文中使用的术语“透镜单元”指的是包含一个或更多个透镜的透镜组。即，即使某个透镜单元可以包含仅仅一个透镜，为了便于说明，该单透镜也仍然被称为“透镜单元”。
图1是根据第一示例性实施例的变焦透镜在广角端(短焦距端)处的截面。图2A～2C是根据第一示例性实施例的变焦透镜分别在广角端处、中间焦距处和望远端(长焦距端)处的像差图。第一示例性实施例是具有3.87的变焦比和2.82～5.96的孔径比(aperture ratio)(F数)的变焦透镜。
图3是根据本发明第二示例性实施例的变焦透镜在广角端处的截面。图4A～4C是根据第二示例性实施例的变焦透镜分别在广角端处、中间焦距处和望远端处的像差图。第二示例性实施例是变焦比为3.81且孔径比为2.88～5.96的变焦透镜。
图5是根据本发明第三示例性实施例的变焦透镜在广角端处的截面。图6A～6C是根据第三示例性实施例的变焦透镜分别在广角端处、中间焦距处和望远端处的像差图。第三示例性实施例是变焦比为3.87且孔径比为2.88～5.75的变焦透镜。
图7是根据本发明第四示例性实施例的变焦透镜在广角端处的截面。图8A～8C是根据第四示例性实施例的变焦透镜分别在广角端处、中间焦距处和望远端处的像差图。第四示例性实施例是变焦比为3.81且孔径比为2.88～5.77的变焦透镜。
图9是根据本发明第五示例性实施例的变焦透镜在广角端处的截面。图10A～10C是根据第五示例性实施例的变焦透镜分别在广角端处、中间焦距处和望远端处的像差图。第五示例性实施例是变焦比为4.76且孔径比为2.88～5.96的变焦透镜。
图11是根据本发明第六示例性实施例的变焦透镜在广角端处的截面。图12A～12C是根据第六示例性实施例的变焦透镜分别在广角端处、中间焦距处和望远端处的像差图。第六示例性实施例是变焦比为2.93且孔径比为2.88～5.36的变焦透镜。图13示出了具有根据本发明示例性实施例的变焦透镜的照相机(图像拾取设备)的示例性的主要组件。
根据各示例性实施例的变焦透镜可以被用作图像拾取设备(诸如视频照相机、数字照相机或卤化银胶片照相机)的摄影透镜系统。另外，根据至少一个示例性实施例的变焦透镜可以被用作图像投影设备(投影仪)的透镜系统。
在各个截面(图1、图3、图5、图7、图9和图11)中，物体侧(前侧)被示出在图的左手部分处，而像侧(后侧)被示出在其右手部分处。根据各个示例性实施例的变焦透镜可以被用于投影仪。如果根据本发明的各个示例性实施例的变焦透镜被用作投影仪的投影透镜，则在示出光学系统的截面的图(图1、图3、图5、图7、图9和图11)中的每一个中，投影屏那一侧被示出在图的左手部分处，而要被投影的图像那一侧被示出在其右手部分处。
此外，在示出变焦透镜的截面的图(图1、图3、图5、图7、图9和图11)中的每一个中，“i”表示从物体侧起的透镜单元的序号。“Li”表示第i个透镜单元。“Gij”表示第i个透镜单元Li的第j个透镜。在图9中，“SP”表示孔径光阑。在需要时，孔径光阑SP被设置在第二透镜单元L2内。“G”表示相当于滤光器、面板、低通滤波器或红外线截止滤波器的光学块。
“IP”表示像面。在根据本发明示例性实施例的变焦透镜被用作视频照相机或数字照相机的摄影光学系统时，像面IP相当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)传感器之类的固态图像传感器(光电转换元件)的成像面。在光学系统被用作卤化银胶片照相机的摄影光学系统时，像面IP相当于胶片(感光性的)表面的位置。箭头表示各个透镜单元在从广角端到望远端的变焦期间的移动的轨迹。
在各个像差图(图2A～2C、图4A～4C、图6A～6C、图8A～8C、图10A～10C和图12A～12C)中，“d”和“g”分别表示d线光和g线光。此外，“ΔM”和“ΔS”分别表示子午像面和弧矢像面。相对于g线光来表示倍率色差。“ω”表示半视角。“Fno”表示F数。
在下列示例性实施例中的每一个中，广角端和望远端中的每一个指的是在倍率变化透镜单元(例如，第二透镜单元L2)位于该倍率变化透镜单元可以沿光轴机械地移动的范围的每个端部处时的变焦位置。
根据各个示例性实施例的变焦透镜从物体侧到像侧依次包括：具有负折光力的第一透镜单元L1、具有正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和具有正折光力的第四透镜单元L4。
在变焦期间，改变连续的透镜单元之间的间隔(距离)。更具体地说，在从广角端到望远端的变焦期间，第一透镜单元L1沿朝向像侧凸起的轨迹移动，以便校正在变倍期间可能发生的像面的变化。
第二透镜单元L2朝向物体侧移动。第三透镜单元L3朝向物体侧移动。第四透镜单元L4朝向像侧或朝向物体侧单调地移动，或者沿朝向物体侧凸起的轨迹移动，或者在变焦期间是不动的。
第一透镜单元L1从物体侧到像侧依次包括：负透镜和其物体侧的表面具有凸形的正透镜。
在f1是第一透镜单元L1的焦距、f3是第三透镜单元L3的焦距、vd1p是第一透镜单元L1的正透镜的材料的阿贝数、f3i是第三透镜单元L3内包括的从物体侧数起的第i个单透镜的空气中的焦距、vd3i是第三透镜单元L3内包括的从物体侧数起的第i个单透镜的材料的阿贝数并且∑是对于第三透镜单元L3内包括的所有单透镜的焦距f3i和阿贝数vd3i的和时，满足以下条件式：
0.30＜f1/f3＜0.68                             (1)
10.0＜vd1p＜23.0                              (2)
2.1＜f3×∑(100/(f3i×vd3i))＜5.0             (3)。
在各个示例性实施例中，第一透镜单元L1包括负透镜和正透镜。利用该配置，各个示例性实施例减少了第一透镜单元L1的厚度并且能够容易地实现在缩回时其总厚度薄的变焦透镜。
在具有上述折光力布置的四单元变焦透镜中，为了实现广角端处的广视角(拍摄成像角度)，必须增大折光力(光焦度＝焦距的倒数)。
下面将详细描述通过适当地校正各个透镜单元内可能发生的色差来有效地校正整个变焦透镜中的色差的示例性方法。
如果为了在第一透镜单元L1内消色差而将第一透镜单元内包括的单透镜的材料的阿贝数的比设定为高值，则第一透镜单元内包括的负透镜的折光力减小。因此，可以校正像场弯曲和色差。然而，如果进一步增大视角，则在校正第一透镜单元内的色差中，被用作第一透镜单元内的一对的正透镜的材料的阿贝数可能仅在有限范围内可用。
因此，第一透镜单元内包括的负透镜的折光力可能变得非常高。结果，如果第一透镜单元要由一个负透镜构成，则可能变得难以校正像场弯曲。
在本示例性实施例中，第一透镜单元内的消色差被有意设定为校正不足的，并且由其它透镜单元来补偿残存的色差。换句话说，通过将构成第一透镜单元的透镜的消色差有意设定为校正不足的，第一透镜单元内包括的负透镜的折光力被减少到足够低以有效地校正像场弯曲的水平。
另外，通过由具有负折光力的第三透镜单元补偿残存的色差，本示例性实施例可以对于整个变焦范围平衡地校正像场弯曲和色差。
在用于对于整个变焦范围校正色差的方法之中，下面将首先特别地描述用于校正在广角端处可能变得显著的倍率色差的示例性方法。
如上所述，在第一透镜单元中，第一透镜单元内的消色差是校正不足的。另一方面，具有负折光力的第三透镜单元被设置在广角端处的最离轴角处的主光线与光轴的交叉的位置的像侧。在第三透镜单元中，透镜单元内的色差被设定为校正不足的。
利用上述配置，通过利用变焦透镜的透镜配置的对称性，可以对于整个变焦范围校正倍率色差。
现在，下面将详细描述用于校正在望远端处变得显著的轴向色差(纵向色差)的示例性方法。
如上所述，第一透镜单元是具有负折光力的透镜单元。另外，第一透镜单元被设置在对色差校正不足的状态中。由于整个变焦透镜的折光力是正的，因此第二到第四透镜单元的组合透镜单元的总焦距变为正的。
更具体地说，为了对于整个变焦透镜校正轴向色差，必须将具有正折光力的组合透镜单元中的色差设定为被过校正。因此，通过将构成组合透镜单元的具有负折光力的第三透镜单元设置在对透镜单元内的色差校正不足的状态中来实现上述状态，可以对于整个变焦透镜来校正轴向色差。
如上所述，在本示例性实施例中，在第一透镜单元中的消色差被设定为校正不足的同时，设置其中对透镜单元内的色差校正不足的第三透镜单元。利用上述配置，本示例性实施例可以对于整个变焦范围校正色差。
条件式(1)提供了对于第一透镜单元L1的焦距与第三透镜单元L3的焦距之间的比率的条件式。如果变焦透镜具有可以满足条件式(1)的透镜配置，则光学系统可以具有广视角并且变焦透镜可以有效地校正像场弯曲和色差。
如果超过条件式(1)的上限值，则第一透镜单元L1的折光力可能变得非常低。因此，变得难以增大变焦透镜的视角。此外，第三透镜单元L3的折光力可能变得非常高。结果，在整个变焦透镜中可能发生的色差可能变得被过校正。
另一方面，如果超过条件式(1)的下限值，则第一透镜单元L1的折光力可能变得非常高。因此，变得难以校正像场弯曲。此外，第三透镜单元L3的折光力可能变得非常低。结果，在整个变焦透镜中可能发生的色差可能变得校正不足。
条件式(2)提供了对于第一透镜单元L1内包括的正透镜G12的材料的阿贝数的条件式。通过将第一透镜单元L1内包括的正透镜G12的材料的阿贝数设定为高可色散的，正透镜G12的材料的阿贝数和与正透镜G12一起被包括在第一透镜单元L1内的负透镜G11的阿贝数之间的比变高，并且各个单透镜的折光力被设定为低。利用上述配置，本示例性实施例可以有效地校正广角端处的像场弯曲。
如果超过条件式(2)的上限值，则第一透镜单元L1的正透镜的材料的阿贝数可能变得非常高。因此，第一透镜单元的各个单透镜的材料的阿贝数之间的比可能变低。因此，第一透镜单元L1的各个单透镜的折光力变高。结果，可能变得难以校正像场弯曲。
另一方面，如果超过条件式(2)的下限值，则第一透镜单元L1的正透镜的材料的阿贝数可能变得非常低。因此，第一透镜单元L1中的消色差可能变得强烈。结果，在整个变焦透镜中可能发生的色差可能变得被过校正。
条件式(3)提供了对于第三透镜单元L3内的消色差的状态的条件式。通过将第三透镜单元L3内的消色差有意设定为校正不足的，可以较好地补偿第一透镜单元L1中的残存的色差，并且可以对于整个变焦范围有效地校正色差。
如果超过条件式(3)的上限值，则第三透镜单元L3中发生的色差相对于为校正第一透镜单元L1中残存的色差所需的量而言可能变得非常大。另一方面，如果超过条件式(3)的下限值，则第三透镜单元L3中发生的色差相对于为校正第一透镜单元L1中残存的色差所需的量而言可能变得非常小。
在各个示例性实施例中，条件式(1)到(3)中的值的范围可以被改变如下：
0.35＜f1/f3＜0.67                             (1a)
12.0＜vd1p＜22.5                              (2a)
2.2＜f3×∑(100/(f3i×vd3i))＜4.5             (3a)。
在各个示例性实施例中，条件式(1a)到(3a)中的值的范围可以被改变如下：
0.40＜f1/f3＜0.66                             (1b)
14.0＜vd1p＜22.0                              (2b)
2.3＜f3×∑(100/(f3i×vd3i))＜4.0             (3b)。
根据各个示例性实施例，在负引导型四单元变焦透镜中，如上所述地优化第一透镜单元L1和第三透镜单元L3的透镜配置。利用上述最佳的透镜配置，本发明的各个示例性实施例可以实现如下的变焦透镜，即该变焦透镜具有广视角，可伸缩的透镜镜筒在缩回时的厚度可以变得足够薄，能够对于整个变焦范围有效地校正像场弯曲和色差，并且具有高光学性能。
为了在更有效地实现高光学性能的同时更有效地减少变焦透镜的总尺寸并且增大视角，可以满足以下条件式中的至少一个。更具体地说，在fw是整个变焦透镜在整个变焦透镜的广角端处的焦距、D23w是在变焦透镜的广角端处第二透镜单元L2与第三透镜单元L3之间的间隔、D23t是在变焦透镜的望远端处第二透镜单元L2与第三透镜单元L3之间的间隔并且f2是第二透镜单元L2的焦距时，满足以下条件式中的至少一个：
3.7＜|f3/fw|＜6.5                            (4)
0.2＜D23w/D23t＜0.9                          (5)
1.9＜|f1/fw|＜3.0                            (6)
1.5＜|f2/fw|＜3.0                            (7)。
下面将详细描述各个条件式的技术含义。
条件式(4)提供了对于第三透镜单元L3的焦距的条件式。通过将可以满足条件式(4)的折光力分配给第三透镜单元L3，可以对于整个变焦范围有效地校正色差。
如果超过条件式(4)的上限值，则第三透镜单元L3的折光力可能变得非常低。结果，在整个变焦透镜中的色差可能变得被校正不足。另一方面，如果超过条件式(4)的下限值，则第三透镜单元L3的折光力可能变得非常高。结果，在整个变焦透镜中的色差可能变得被过校正。
条件式(5)提供了对于第三透镜单元L3在广角端处与在望远端处的光轴方向上的相对位置的条件式。通过将第三透镜单元L3定位在可以满足条件式(5)的位置处，可以较好平衡地校正倍率色差和轴向色差。
如果超过条件式(5)的上限值，则第三透镜单元L3在广角端处和在望远端处的位置的变化可能减小。因此，可能变得难以校正广角端处的倍率色差和望远端处的轴向色差。
另一方面，如果超过条件式(5)的下限值，则在望远端处第三透镜单元L3的位置可能变得太过远离第二透镜单元L2。结果，可能变得难以校正轴向色差。
条件式(6)提供了对于第一透镜单元L1的焦距的条件式。通过将可以满足条件式(6)的折光力分配给第一透镜单元L1，各个示例性实施例可以增大视角并且有效地校正像场弯曲。
如果超过条件式(6)的上限值，则第一透镜单元L1的折光力可能变得非常低。结果，可能变得难以实现变焦透镜中的广视角。另一方面，如果超过条件式(6)的下限值，则第一透镜单元L1的折光力可能变得非常高。结果，可能变得难以校正像场弯曲。
条件式(7)提供了对于第二透镜单元L2的焦距的条件式。通过将可以满足条件式(7)的折光力分配给第二透镜单元L2，各个示例性实施例可以在实现其总尺寸小的变焦透镜的同时有效地校正在变焦期间可能发生的像场弯曲的变化。
如果超过条件式(7)的上限值，则第二透镜单元L2的折光力可能变得非常低。结果，为了实现期望的适当的变焦比，在变焦期间必需的第二透镜单元L2的行程(stroke)可能变得非常长。因此，在该情况下，变焦透镜的总尺寸可能增大。
另一方面，如果超过条件式(7)的下限值，则第二透镜单元L2的折光力可能变得非常高。结果，可能变得难以校正在变焦期间可能发生的像场弯曲的变化。
如果条件式(4)到(7)中的值的范围被如下改变则更有用：
3.8＜|f3/fw|＜6.0                            (4a)
0.2＜D23w/D23t＜0.8                          (5a)
2.0＜|f1/fw|＜2.9                            (6a)
1.7＜|f2/fw|＜2.8                            (7a)。
如果条件式(4a)到(7a)中的值的范围被如下改变则更有用：
3.9＜|f3/fw|＜5.5                        (4b)
0.2＜D23w/D23t＜0.7                      (5b)
2.0＜|f1/fw|＜2.8                        (6b)
1.8＜|f2/fw|＜2.6                        (7b)。
在本发明的各个示例性实施例中，第三透镜单元L3由一个透镜组件构成。在本示例性实施例中，术语“透镜组件”(即，代替使用单纯术语“透镜”)表示第三透镜单元L3由单透镜或胶合透镜构成。在第三透镜单元L3由一个透镜组件构成的情况下，变得易于减少可伸缩的透镜镜筒的厚度。如果第三透镜单元L3被用作聚焦透镜单元，则可以容易地减少变焦透镜的总重量并且可以迅速地执行聚焦。
在各个示例性实施例中，第四透镜单元L4由一个透镜组件构成。在第四透镜单元L4由一个透镜组件构成的情况下，变得易于减少可伸缩的透镜镜筒的厚度。如果第四透镜单元L4被用作聚焦透镜单元，则可以容易地减少变焦透镜的总重量并且可以迅速地执行聚焦。
在第一到第五示例性实施例中，第四透镜单元L4在变焦期间是可移动的。在第四透镜单元L4在变焦期间可移动的情况下，可以有效地校正在变焦期间可能发生的像场弯曲的变化。
如果第四透镜单元L4在从广角端到望远端的变焦期间沿朝向物体侧凸起的轨迹移动，则第四透镜单元L4可以被分配有分担焦度增大功能。结果，变得易于实现具有高变焦比的变焦透镜。
如上所述，根据本发明的各个示例性实施例，可以实现如下的负引导型四单元变焦透镜，即该负引导型四单元变焦透镜的厚度可以在缩回时变薄，该负引导型四单元变焦透镜能够有效地校正诸如像场弯曲和色差之类的各种像差，并且对于整个变焦范围具有高光学性能。
下面将参考图1详细描述根据本发明第一示例性实施例的变焦透镜。
参考图1，在从广角端到望远端的变焦期间，根据第一示例性实施例的变焦透镜的第一透镜单元L1沿朝向像侧凸起的轨迹移动，如图1中的箭头所指出的，以便补偿由于变倍而可能发生的像面的变化。
另外，第二透镜单元L2、第三透镜单元L3和第四透镜单元L4是倍率变化透镜单元。在变倍期间，第二透镜单元L2朝向物体侧移动，第三透镜单元L3朝向物体侧移动，并且第四透镜单元L4朝向像侧移动。
在本示例性实施例中，通过沿光轴移动第三透镜单元L3或第四透镜单元L4来执行聚焦。换句话说，本示例性实施例利用内部对焦(inner focus)方法。通过使用重量轻的透镜单元作为聚焦透镜单元，可以迅速地执行聚焦。
在下面的描述中，将从物体侧到像侧依次描述各个透镜单元的透镜配置。
第一透镜单元L1包括具有弯月形状的负透镜G11和具有弯月形状的正透镜G12，负透镜G11的像侧的透镜表面具有非球面形状，正透镜G12的物体侧的透镜表面具有非球面形状。利用上述透镜配置，可以容易地减少透镜单元的厚度。
第二透镜单元L2包括正透镜G21、其两个表面具有凹形的负透镜G22和正透镜G23，正透镜G21的两个表面具有凸形并且其物体侧的表面具有非球面形状，正透镜G23的两个表面具有凸形并且其物体侧的表面具有非球面形状。
第三透镜单元L3包括其两个表面具有凹形的负透镜G31。利用上述透镜配置，可以校正第一透镜单元L1中残存的色差。另外，可以对于整个变焦范围适当地校正色差。
第四透镜单元L4包括一个正透镜G41，正透镜G41的两个表面具有凸形并且其物体侧的透镜表面具有非球面形状。
下面将参考图3详细描述根据本发明第二示例性实施例的变焦透镜。
参考图3，在从广角端到望远端的变焦期间，根据本示例性实施例的变焦透镜的第一透镜单元L1沿朝向像侧凸起的轨迹移动，如图3中的箭头所指出的，以便补偿由于变倍而可能发生的像面的变化。
另外，第二透镜单元L2、第三透镜单元L3和第四透镜单元L4是倍率变化透镜单元。在变倍期间，第二透镜单元L2和第三透镜单元L3朝向物体侧移动。第四透镜单元L4沿朝向物体侧凸起的轨迹移动。通过与根据上面参考图1描述的第一示例性实施例的聚焦方法类似的方法来执行聚焦。
在下面的描述中，将从物体侧到像侧依次描述各个透镜单元的透镜配置。
第一透镜单元L1包括负透镜G11和具有弯月形状的正透镜G12，负透镜G11的两个表面具有凹形并且其像侧的透镜表面具有非球面形状，正透镜G12的物体侧的透镜表面具有非球面形状。利用上述透镜配置，可以容易地减少透镜单元L1的厚度。
第二透镜单元L2包括具有弯月形状的正透镜G21、其两个表面具有凸形的正透镜G22和具有弯月形状的负透镜G23，正透镜G21的物体侧的透镜表面具有非球面形状，负透镜G23的像侧的透镜表面具有非球面形状。第三透镜单元L3包括负透镜G31，负透镜G31的两个表面具有凹形并且其两个表面具有非球面形状。
利用上述透镜配置，可以补偿第一透镜单元L1中残存的色差。另外，可以对于整个变焦范围适当地校正色差。
第四透镜单元L4包括正透镜G41，正透镜G41的两个表面具有凸形并且其物体侧的表面具有非球面形状。
下面将参考图5详细描述根据第三示例性实施例的变焦透镜。图5中示出的本示例性实施例的变焦类型和聚焦方法与上面参考图3描述的第二示例性实施例的变焦类型和聚焦方法类似。与第二示例性实施例的不同点在于，本示例性实施例具有与第二示例性实施例不同的各个透镜单元的透镜配置。
在下面的描述中，将从物体侧到像侧依次描述图5的各个透镜单元的透镜配置。
第一透镜单元L1包括具有弯月形状的负透镜G11和具有弯月形状的正透镜G12，负透镜G11的像侧的透镜表面具有非球面形状，正透镜G12的物体侧的透镜表面具有非球面形状。利用上述透镜配置，可以容易地减少透镜单元的厚度。第二透镜单元L2包括正透镜G21、其两个表面具有凹形的负透镜G22和正透镜G23，正透镜G21的两个表面具有凸形并且其物体侧的表面具有非球面形状，正透镜G23的两个表面具有凸形并且其物体侧的表面具有非球面形状。
第三透镜单元L3包括胶合透镜，其通过将其两个表面具有凸形并且其物体侧的表面具有非球面形状的正透镜G31与其两个表面具有凹形的负透镜G32接合在一起而构成。利用上述透镜配置，可以补偿第一透镜单元L1中残存的色差。另外，可以对于整个变焦范围适当地校正色差。
第四透镜单元L4包括正透镜G41，正透镜G41的两个表面具有凸形并且其物体侧的表面具有非球面形状。
下面将参考图7详细描述根据第四示例性实施例的变焦透镜。
参考图7，在从广角端到望远端的变焦期间，根据本示例性实施例的变焦透镜的第一透镜单元L1沿朝向像侧凸起的轨迹移动，如图7中的箭头所指出的，以便补偿由于变倍而可能发生的像面的变化。
另外，第二透镜单元L2、第三透镜单元L3和第四透镜单元L4是倍率变化透镜单元。在变倍期间，第二透镜单元L2、第三透镜单元L3和第四透镜单元L4朝向物体侧移动。通过与根据上面参考图1描述的第一示例性实施例的聚焦方法类似的方法来执行聚焦。
在下面的描述中，将从物体侧到像侧依次描述各个透镜单元的透镜配置。
第一透镜单元L1包括具有弯月形状的负透镜G11和具有弯月形状的正透镜G12，负透镜G11的像侧的透镜表面具有非球面形状，正透镜G12的物体侧的透镜表面具有非球面形状。利用上述透镜配置，可以容易地减少透镜单元L1的厚度。
第二透镜单元L2包括具有弯月形状的正透镜G21、具有弯月形状的负透镜G22和其两个表面具有凸形的正透镜G23，正透镜G21的物体侧的透镜表面具有非球面形状，正透镜G23的物体侧的表面具有非球面形状。第三透镜单元L3包括具有弯月形状的负透镜G31，负透镜G31的像侧的表面具有非球面形状。
利用上述透镜配置，可以补偿第一透镜单元L1中残存的色差。另外，可以对于整个变焦范围适当地校正色差。
第四透镜单元L4包括胶合透镜，其通过将其两个表面具有凸形并且其物体侧的表面具有非球面形状的正透镜G41与具有弯月形状的负透镜G42接合在一起而构成。
下面将参考图9详细描述根据第五示例性实施例的变焦透镜。
图9中示出的本示例性实施例的变焦类型和聚焦方法与上面参考图3描述的第二示例性实施例的变焦类型和聚焦方法类似。与第二示例性实施例的不同点在于，本示例性实施例具有与第二示例性实施例不同的变焦比和各个透镜单元的透镜配置。
在下面的描述中，将从物体侧到像侧依次描述各个透镜单元的透镜配置。
第一透镜单元L1包括负透镜G11和具有弯月形状的正透镜G12，负透镜G11的两个表面具有凹形并且其像侧的透镜表面具有非球面形状，正透镜G12的物体侧的透镜表面具有非球面形状。利用上述配置，本示例性实施例可以容易地减少透镜单元L1的厚度。
第二透镜单元L2包括具有弯月形状的正透镜G21、胶合透镜、孔径光阑SP和其两个表面具有凸形的正透镜G24，正透镜G21的物体侧的透镜表面具有非球面形状，该胶合透镜通过将其两个表面具有凸形的正透镜G22与其两个表面具有凹形的负透镜G23接合在一起而构成。第三透镜单元L3包括具有弯月形状的负透镜G31，负透镜G31的两个表面具有非球面形状。
利用上述配置，本示例性实施例可以补偿第一透镜单元L1中残存的色差。另外，可以对于整个变焦范围适当地校正色差。第四透镜单元L4包括具有弯月形状的正透镜G41，正透镜G41的像侧的透镜表面具有非球面形状。
下面将参考图11详细描述根据第六示例性实施例的变焦透镜。
参考图11，在从广角端到望远端的变焦期间，根据本示例性实施例的变焦透镜的第一透镜单元L1沿朝向像侧凸起的轨迹移动，如图11中的箭头所指出的，以便补偿由于变倍而可能发生的像面的变化。
另外，第二透镜单元L2和第三透镜单元L3是倍率变化透镜单元。第二透镜单元L2和第三透镜单元L3朝向物体侧移动。第四透镜单元L4相对于像面是不动的。在本示例性实施例中，通过沿光轴移动第三透镜单元L3或第四透镜单元L4来执行聚焦。换句话说，本示例性实施例利用内部对焦方法。通过使用重量轻的透镜单元作为聚焦透镜单元，可以容易地执行迅速的聚焦。
在下面的描述中，将从物体侧到像侧依次描述各个透镜单元的透镜配置。
第一透镜单元L1包括具有弯月形状的负透镜G11和具有弯月形状的正透镜G12，负透镜G11的像侧的透镜表面具有非球面形状，正透镜G12的物体侧的透镜表面具有非球面形状。利用上述透镜配置，可以容易地减少透镜单元L1的厚度。
第二透镜单元L2包括正透镜G21、其两个表面具有凹形的负透镜G22和正透镜G23，正透镜G21的两个表面具有凸形并且其物体侧的表面具有非球面形状，正透镜G23的两个表面具有凸形并且其物体侧的表面具有非球面形状。第三透镜单元L3包括其两个表面具有凹形的负透镜G31。利用上述透镜配置，可以补偿第一透镜单元L1中残存的色差。另外，可以对于整个变焦范围适当地校正色差。
第四透镜单元L4包括一个正透镜G41，正透镜G41的两个表面具有凸形并且其物体侧的透镜表面具有非球面形状。
下面陈述分别与本发明的第一到第六示例性实施例对应的数值例1到6。在数值例1到6中的每一个中，“i”表示从物体侧开始的表面的序号，“ri”表示第i个光学表面(第i个透镜表面)的曲率半径，“di”表示在第i个表面与第i+1个表面之间的轴向间距，“ndi”和“vdi”分别表示第i个光学部件的材料的对于d线光的折射率和阿贝数。
另外，在表面号一侧用星号(＊)标记非球面表面，并且“B”、“C”、“D”和“E”中的每一个表示对于每个相应阶次的非球面系数。非球面形状被表示为
x＝(h2/R)/[1+{1-(1+k)＊(h/R)2}1/2]+B＊h4+C＊h6
          +D＊h8+E＊h10
其中非球面形状在光传播的方向上具有正值，“x”表示在距离光轴的高度“h”处的位置中沿光轴距离表面顶点的位移，“R”表示旁轴曲率半径，并且“k”表示圆锥常数。此外，对于每个非球面系数的科学记数法“e±XX”相当于指数记数法“1×10±XX”。在表1中阐述了在上述每个条件与每个数值例之间的关系。
数值例1
单位：mm
表面数据
Figure BDA0000074823330000191
Figure BDA0000074823330000201
非球面系数
各种数据
Figure BDA0000074823330000203
Figure BDA0000074823330000211
各透镜单元的各种数据
单透镜数据
Figure BDA0000074823330000213
Figure BDA0000074823330000221
数值例2
单位：mm
表面数据
Figure BDA0000074823330000222
Figure BDA0000074823330000231
非球面系数
Figure BDA0000074823330000232
各种数据
Figure BDA0000074823330000233
Figure BDA0000074823330000241
各透镜单元的各种数据
Figure BDA0000074823330000242
单透镜数据
Figure BDA0000074823330000243
Figure BDA0000074823330000251
数值例3
单位：mm
表面数据
Figure BDA0000074823330000252
非球面系数
各种数据
Figure BDA0000074823330000263
Figure BDA0000074823330000271
各透镜单元的各种数据
Figure BDA0000074823330000272
单透镜数据
Figure BDA0000074823330000281
数值例4
单位：mm
表面数据
Figure BDA0000074823330000282
Figure BDA0000074823330000291
非球面系数
Figure BDA0000074823330000292
各种数据
Figure BDA0000074823330000293
Figure BDA0000074823330000301
各透镜单元的各种数据
Figure BDA0000074823330000302
单透镜数据
Figure BDA0000074823330000303
Figure BDA0000074823330000311
数值例5
单位：mm
表面数据
Figure BDA0000074823330000312
Figure BDA0000074823330000321
非球面系数
Figure BDA0000074823330000322
各种数据
Figure BDA0000074823330000323
Figure BDA0000074823330000331
各透镜单元的各种数据
Figure BDA0000074823330000332
单透镜数据
Figure BDA0000074823330000333
Figure BDA0000074823330000341
数值例6
单位：mm
表面数据
Figure BDA0000074823330000342
Figure BDA0000074823330000351
非球面系数
Figure BDA0000074823330000352
各种数据
Figure BDA0000074823330000353
Figure BDA0000074823330000361
各透镜单元的各种数据
Figure BDA0000074823330000362
单透镜数据
Figure BDA0000074823330000363
表1
Figure BDA0000074823330000371
注意：在表1中，“LLV”表示下限值，而“ULV”表示上限值。
现在，下面将参考图13描述使用根据本发明的各个示例性实施例的变焦透镜作为摄影光学系统的数字照相机的示例性实施例。
参考图13，数字照相机主体20包括由根据本发明的上述示例性实施例中的任何一个的变焦透镜构成的摄影光学系统21。另外，数字照相机主体20包括图像传感器22，诸如CCD传感器或者CMOS传感器。图像传感器22接收由摄影光学系统21形成的物体图像。
记录单元23记录由图像传感器22接收的物体图像。摄影者可以经由取景器24来观察由显示装置(未示出)显示的物体图像。显示装置由液晶显示器(LCD)面板构成。显示装置显示在图像传感器22上形成的物体图像。
通过将根据本发明的各个示例性实施例的变焦透镜应用到诸如数字照相机之类的光学设备，本发明可以实现具有高光学性能的图像拾取设备。
在根据本发明示例性实施例的变焦透镜被用在使用光电转换元件的光学设备中时，可以通过使用已知的方法来校正畸变。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围将被给予最宽的解释从而包括所有的修改、等同结构与功能。

Claims (10)

1.一种变焦透镜，从其物体侧到像侧依次包括：
具有负折光力的第一透镜单元；
具有正折光力的第二透镜单元；
具有负折光力的第三透镜单元；
以及具有正折光力的第四透镜单元，
其中为了变焦改变第一到第四透镜单元中的连续的透镜单元之间的距离，
其中第一透镜单元从物体侧到像侧依次包括：负透镜和其物体侧的表面具有凸形的正透镜，以及
其中，在f1是第一透镜单元的焦距、f3是第三透镜单元的焦距、vd1p是第一透镜单元的正透镜的材料的阿贝数、f3i是第三透镜单元内包括的从物体侧数起的第i个单透镜的空气中的焦距、vd3i是第三透镜单元内包括的从物体侧数起的第i个单透镜的材料的阿贝数并且∑是对于第三透镜单元内包括的所有单透镜的焦距f3i和阿贝数vd3i的和时，满足以下条件式：
0.30＜f1/f3＜0.68
10.0＜vd1p＜23.0
2.1＜f3×∑(100/(f3i×vd3i))＜5.0，
其中i是等于或大于1的整数。
2.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，在fw是整个变焦透镜在变焦透镜的广角端处的焦距时，满足以下条件式：
3.7＜|f3/fw|＜6.5。
3.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，在D23w是在变焦透镜的广角端处第二透镜单元与第三透镜单元之间的间隔、D23t是在变焦透镜的望远端处第二透镜单元与第三透镜单元之间的距离时，满足以下条件式：
0.2＜D23w/D23t＜0.9。
4.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，在fw是整个变焦透镜在变焦透镜的广角端处的焦距时，满足以下条件式：
1.9＜|f1/fw|＜3.0。
5.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，在fw是整个变焦透镜在变焦透镜的广角端处的焦距并且f2是第二透镜单元的焦距时，满足以下条件式：
1.5＜|f2/fw|＜3.0。
6.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中第三透镜单元包括一个透镜组件。
7.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中第四透镜单元包括一个透镜组件。
8.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，在从广角端到望远端的变焦期间，第一透镜单元沿着朝向像侧凸起的轨迹的一部分移动，第二透镜单元和第三透镜单元彼此独立地朝向物体侧移动，并且第四透镜单元朝向像侧或朝向物体侧移动，或者沿朝向物体侧凸起的轨迹移动。
9.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中所述变焦透镜被配置为在位于所述变焦透镜的像面处的胶片或者光电转换元件上形成图像。
10.一种图像拾取设备，包括：
根据权利要求1到9中的任何一个所述的变焦透镜；以及
光电转换元件，被配置为接收由所述变焦透镜形成的图像。
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