CN102628981A - 变焦镜头、照相机以及携带型信息终端装置 - Google Patents

变焦镜头、照相机以及携带型信息终端装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及变焦镜头、照相机以及携带型信息终端装置，其目的在于提供一种高性能小型变焦镜头，该镜头广角时的半视角为38度以上，变倍比为10倍以上，虽然仅有9片镜片，但却具有对应1000万～1500万像素的摄像元件的分辨能。镜头从被摄体起依次设置折射能力为正·负·正·正的四组镜片组(G1)～(G4)，在第二镜片组(G2)和第三镜片组(G3)之间设置光圈，该光圈在变倍时能够独立地在光轴方向上移动，而且变焦镜头位于广角时第二镜片组和第三镜片组之间的距离Lsw和变焦镜头位于广角时第一镜片组和第二镜片组的合成焦距f12w满足条件式1.0＜Lsw/|f12w|＜2.5。

Description

变焦镜头、照相机以及携带型信息终端装置
技术领域
本发明涉及变焦镜头、用该变焦镜头作为摄影光学系统的照相机以及携带型信息终端装置。
背景技术
近年来，随着数码相机市场的日渐庞大，用户要求也随之多样化。然而，用户自始至终要求的仍然是数码相机的高画质和小型化，而且该要求仍占相当大的比重。在这种情况下，有必要采用小型而且高性能的变焦镜头作为数码相机的摄影镜头。
关于变焦镜头的小型化，其关键首先在于缩短使用时的镜头全长(从最接近被摄体一方的镜片表面到成像面之间的距离)，其次是减小各组镜片组的厚度以抑制收纳时的镜头全长。另一方面，数码相机性能的提高需要整个变焦区域的分辨率至少能够对应1000万～1500万像素的摄像元件。
此外，还有不少用户要求变焦镜头视角广角化，要求半视角达到38度左右，该视角大小相当于以35mm银盐照相机换算时约为28mm的焦距。
进而，要求尽可能提高变倍率。通常，变焦镜头若具有相当于以35mm的银盐照相机换算时的焦距约为28～200mm(约为7.1倍)的变倍率，便足以满足各种摄影，但是，近年来越来越多的用户要求相当于以35mm银盐照相机换算的焦距约为28～300mm(约为10.7倍)的变倍率。
目前存在多种适用于数码相机的变焦镜头，其中，适用于高变倍的镜头类型构成如下，从被摄体一方开始依次设置具有正焦距的第一镜片组、具有负焦距的第二镜片组、具有正焦距的第三镜片组、以及具有正焦距的第四镜片组，而且在从广角向望远变倍时，第一镜片组和第二镜片组之间的距离增大，第二镜片组和第三镜片组之间的距离减小，第三镜片组和第四镜片组之间的距离发生变化。
作为现有技术的这类变焦镜头在变倍时，第一镜片组固定或者以向成像面一方突出的弧形轨迹移动，此时若要确保主要负担变倍的第二镜片组具有较大移动量，则位于第三镜片组附近的光圈在广角时远离第一镜片组，这样，在广角化及高变倍时第一镜片组将趋于大型化。为此，为了实现广角及高变倍加之小型化，这类镜头优选构成为在从广角向望远变倍时，移动第一镜片组，使得望远位置比广角位置更接近被摄体。也就是说，通过使得广角时的镜头全长小于望远时的镜头全长，来抑制第一镜片组的大型化，同时满足广角化。
进而，第一镜片组以色差补偿所要的最少镜片数量2片镜片构成，减小了第一镜片组厚度，而且，在第二镜片组和第三镜片组之间的适当位置上设置光圈，抑制通过第一镜片组的近轴光的入射高度，从而抑制第一镜片组口径增大，同时还获得充分大的视角且提高变倍比。
专利文献1(JP特开2008-203453号公报)是本申请人在本发明之前提出的专利申请，其中公开的变焦镜头具有以下结构，即从被摄体一方开始依次设置包括负镜片以及在被摄体一方具有凸面的正镜片且整体上具有正折射能力的第一镜片组、具有负折射能力的第二镜片组，具有正折射能力的第三镜片组、以及具有正折射能力的第四镜片组，从广角向望远变倍时，第一镜片组和第二镜片组之间的距离增大，第二镜片组和第三镜片组之间的距离减小，第三镜片组和第四镜片组之间的距离发生变化，其中第二镜片组和第三镜片组之间设置光圈，该光圈在变倍时能够独立地在光轴方向上移动。此外，还有专利文献2(JP特开2005-326743号公报)和专利文献3(JP特开2001＝318312号公报)等也公开的这类变焦镜头。
但是，上述专利文献1至3中描述的实施例的变倍比均不够大，仅有3～4.5倍，而且，望远时的镜头全长以及收纳时的全长也未能得到充分缩短。
发明内容
鉴于上述问题，本发明第1个方面的目的在于提供一种变焦镜头，该变焦镜头在广角时具有充分大的半视角，大约可达到38度以上，同时具有10倍以上的变倍比，该变焦镜头小型，所具有的镜片数量虽然较少，仅有9片镜片，但具有能够对应1000万～1500万像素的摄像元件的分辨能。
本发明第2个方面的目的也在于提供一种变焦镜头，该变焦镜头在广角时具有充分大的半视角，大约可达到38度以上，同时具有10倍以上的变倍比，该变焦镜头小型，所具有的镜片数量虽然较少，仅有9片镜片，但具有能够对应1000万～1500万像素的摄像元件的分辨能。
本发明第3个方面的目的在于提供色差补偿性能良好的变焦镜头。
本发明第4个方面的目的在于以高质量低成本提供一种的变焦镜头，该变焦镜头在广角时具有充分大的半视角，大约可达到38度以上，同时具有10倍以上的变倍比，该变焦镜头小型，所具有的镜片数量虽然较少，仅有9片镜片，但具有能够对应1000万～1500万像素的摄像元件的分辨能。
本发明第5以及第6个方面的目的在于以高质量低成本提供一种能够更好地补偿各种像差的高性能小型变焦镜头。
本发明第7个方面的目的在于以高质量低成本提供一种能够良好地补偿球面像差和彗星像差的变焦镜头。
本发明第8至第10个方面的目的在于提供一种能够进一步改善各种像差补偿的高性能变焦镜头。
本发明第11个方面的目的在于提供一种用以下变焦镜头作为摄影光学系统的画质良好的小型照相机，该变焦镜头在广角时具有充分大的半视角，大约可达到38度以上，同时具有10倍以上的变倍比，该变焦镜头小型，所具有的镜片数量虽然较少，仅有9片镜片，但具有能够对应1000万～1500万像素的摄像元件的分辨能。
本发明第12个方面的目的在于提供一种用以下变焦镜头作为摄影光学系统的画质良好的携带型信息终端装置，该变焦镜头在广角时具有充分大的半视角，大约可达到38度以上，同时具有10倍以上的变倍比，该变焦镜头小型，所具有的镜片数量虽然较少，仅有9片镜片，但具有能够对应1000万～1500万像素的摄像元件的分辨能。
为了达到上述目的，本发明第1～第9个方面(以下也为本发明的(1)～(9))所述的变焦镜头首先构成如下，即从被摄体一方开始向成像面一方依次设置具有正折射能力的第一镜片组、具有负折射能力的第二镜片组、具有正折射能力的第三镜片组、以及具有正折射能力的第四镜片组，在从广角向望远变倍时，第一镜片组和第二镜片组之间的距离增大，第二镜片组和第三镜片组之间的距离减小，第三镜片组和第四镜片组之间的距离增大，第一镜片组以及第三镜片组在望远时向比广角时更接近被摄体的位置移动。进而，上述各项发明分别具有下特征。
本发明(1)提供的变焦镜头的特征在于，在第二镜片组和第三镜片组之间设置光圈，该光圈在变倍时能够独立地在光轴方向上移动，而且满足以下条件式(1)，
1.0＜Lsw/|f12w|＜2.5       式(1)
在此，Lsw表示变焦镜头位于广角时第二镜片组和第三镜片组之间的距离，f12w表示变焦镜头位于广角时第一镜片组和第二镜片组的合成焦距。
本发明(2)提供根据上述本发明(1)所述的变焦镜头，其特征在于，进一步满足以下条件式(2)，
0.05＜dSW/fT＜0.20        式(2)
在此，dSW表示变焦镜头位于广角时光圈和第三镜片组中最接近被摄体的面之间的轴向间距，fT表示变焦镜头位于望远时的整个系统的焦距。
本发明(3)提供根据上述本发明(1)或(2)所述的变焦镜头，其特征在于，第一镜片组中的正镜片满足以下条件式(3)和(4)，
60＜vdp＜95               式(3)
0.007＜ΔPg.Fp＜0.05      式(4)
在此，ΔPg.Fp＝Pg.Fp-(-0.001802×vdp+0.6483)，vdp表示第一镜片组内的正镜片的分散，Pg.Fp表示该正镜片的部分分散比，其中，部分分散比Pg.Fp用下式定义，Pg.Fp(ng-nF)/(nF-nC)，在此ng，nF，nC分别表示g线、F线、C线的折射率。
本发明(4)提供根据上述本发明(1)所述的变焦镜头，其特征在于，满足以下式(5)，
5.0＜f1/fW＜8.0           式(5)
在此，f1表示第一镜片组的焦距，fW表示整个系统位于广角时的焦距。
本发明(5)提供根据上述本发明(1)所述的变焦镜头，其特征在于，第一镜片组的正镜片中具有非球面。
本发明(6)提供根据上述本发明(5)所述的变焦镜头，其特征在于，结合第一镜片组中的正镜片和负镜片。
本发明(7)提供根据上述本发明(1)所述的变焦镜头，其特征在于，在所述第三镜片组中最接近成像面一方设置负镜片，该负镜片中面向成像面一方的凹面具有较大的曲率，而且，满足以下条件式(6)，
0.5＜|r3R|/fW＜1.2     式(6)
在此，r3R表示所述第三镜片组中最接近成像面一方的面的曲率半径，fW表示该变焦镜头位于广角时的焦距。
本发明(8)提供根据上述本发明(1)所述的变焦镜头，其特征在于，从广角向望远变倍时第一镜片组的总移动量X1和变焦镜头位于望远时的焦距fT之间满足以下条件式(7)，
0.10＜X1/fT＜0.35      式(7)。
本发明(9)提供根据上述本发明(1)所述的变焦镜头，其特征在于，从广角向望远变倍时所述第三镜片组的总移动量X3和整个系统位于望远时的焦距fT之间满足以下条件式(8)，
0.10＜X3/fT＜0.30      式(8)。
本发明(10)提供根据上述本发明(1)所述的变焦镜头，其特征在于，第二镜片组的焦距f2和第三镜片组的焦距f3之间满足以下条件式(9)，
0.5＜|f2|/f3＜0.85     式(9)
本发明(11)提供一种照相机，其特征在于，用上述本发明(1)～(10)中任意一项所述的变焦镜头作为摄影用光学系统。
本发明(12)提供一种携带型信息终端装置，其特征在于用(1)～(10)中任意一项所述的变焦镜头作为照相机功能部的摄影用光学系统。
本发明的效果如下。
本发明(1)的变焦镜头从被摄体一方开始向成像面一方依次设置具有正折射能力的第一镜片组、具有负折射能力的第二镜片组、具有正折射能力的第三镜片组、以及具有正折射能力的第四镜片组，在从广角向望远变倍时，第一镜片组和第二镜片组之间的距离增大，第二镜片组和第三镜片组之间的距离减小，第三镜片组和第四镜片组之间的距离增大，第一镜片组以及第三镜片组在望远时向比广角时更接近被摄体的位置移动，其中，在第二镜片组和第三镜片组之间设置光圈，该光圈在变倍时能够独立地在光轴方向上移动，而且满足以下条件式(1)，
1.0＜Lsw/|f12w|＜2.5    式(1)
在此，Lsw表示变焦镜头位于广角时第二镜片组和第三镜片组之间的距离，f12w表示变焦镜头位于广角时第一镜片组和第二镜片组的合成焦距。据此，变焦镜头在广角时具有充分大的半视角，大约可达到38度以上，同时具有10倍以上的变倍比，该变焦镜头小型，所具有的镜片数量虽然较少，仅有9片镜片，但却具有对应1000万～1500万像素的摄像元件的分辨能。
本发明(2)是根据上述本发明(1)所述的变焦镜头，其特征在于，进一步满足以下条件式(2)，
0.05＜dSW/fT＜0.20     式(2)
在此，dSW表示变焦镜头位于广角时所述光圈和所述第三镜片组中最接近被摄体的面之间的轴向间距，fT表示变焦镜头位于望远时的整个系统的焦距。据此，变焦镜头在广角时具有充分大的半视角，大约可达到38度以上，同时具有10倍以上的变倍比，该变焦镜头小型，所具有的镜片数量虽然较少，仅有9片镜片，但却具有对应1000万～1500万像素的摄像元件的分辨能。
本发明(3)是根据上述本发明(1)或(2)所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一镜片组中的所述正镜片满足以下条件式(3)和(4)，
60＜vdp＜95            式(3)
0.007＜ΔPg.Fp＜0.05   式(4)
在此，ΔPg.Fp＝Pg.Fp-(-0.001802×vdp+0.6483)，vdp表示第一镜片组内的正镜片的分散，Pg.Fp表示该正镜片的部分分散比，其中，部分分散比Pg.Fp用下式定义，PgFp(ng-nF)/(nF-nC)，在此ng，nF，nC分别表示g线、F线、C线的折射率。据此，本发明能够提供色差补偿性能良好的高性能变焦镜头。
本发明(4)是根据上述本发明(1)所述的变焦镜头，其特征在于，满足以下式(6)表示的关系，
5.0＜f1/fW＜8.0       式(5)
在此，f1表示第一镜片组的焦距，fW表示整个系统位于广角时的焦距。据此，能够以高质量低成本提供变焦镜头，该变焦镜头在广角时具有充分大的半视角，大约可达到38度以上，同时具有10倍以上的变倍比，该变焦镜头小型，所具有的镜片数量虽然较少，仅有9片镜片，但却具有对应1000万～1500万像素的摄像元件的分辨能。
本发明(5)是根据上述本发明(1)所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一镜片组内的所述正镜片中至少具有非球面。据此，能够以高质量低成本提供一种更好地补偿各种像差的高性能小型变焦镜头。
本发明(6)是根据上述本发明(5)所述的变焦镜头，其特征在于，结合所述第一镜片组中的正镜片和负镜片。据此，能够以高质量低成本提供更好地补偿各种像差的高性能小型变焦镜头。
本发明(7)是根据上述本发明(1)所述的变焦镜头，其特征在于，在所述第三镜片组中最接近成像面一方设置负镜片，该负镜片中面向成像面一方的凹面具有较大的曲率，而且，满足以下条件式(6)，
0.5＜|r3R|/fW＜1.2     式(6)
在此，r3R表示所述第三镜片组中最接近成像面一方的面的曲率半径。据此以高质量低成本提供一种能够良好地补偿球面像差和彗星像差的变焦镜头。
本发明(8)是根据上述本发明(1)所述的变焦镜头，其特征在于，从广角向望远变倍时所述第一镜片组的总移动量X1和整个系统位于望远时的焦距fT之间满足以下条件式(7)，
0.10＜X1/fT＜0.35     式(7)。
据此，本发明(8)能够提供进一步改善各种像差补偿的高性能变焦镜头。
本发明(9)是根据上述本发明(1)所述的变焦镜头，其特征在于，从广角向望远变倍时所述第三镜片组的总移动量X3和整个系统位于望远时的焦距fT之间满足以下条件式(8)，
0.10＜X3/fT＜0.30     式(8)。
据此能够进一步高质量低成本地提供更加良好地补偿各种像差的变焦镜头。
本发明(10)提供根据上述本发明(1)所述的变焦镜头，其特征在于，所述第二镜片组的焦距f2和所述第三镜片组的焦距f3之间满足以下条件式(9)，
0.50＜|f2|/f3＜0.85   式(9)。
本发明(11)是一种照相机，其特征在于，用上述本发明(1)～(10)中任意一项所述的变焦镜头作为摄影用光学系统。据此，本发明(11)能够提供一种小型且画质良好的照相机，其中的变焦镜头在广角时具有充分大的半视角，大约可达到38度以上，同时具有10倍以上的变倍比，该变焦镜头小型，所具有的镜片数量虽然较少，仅有9片镜片，但却具有对应1000万～1500万像素的摄像元件的分辨能。
本发明(12)是一种携带型信息终端装置，其特征在于用(1)～(10)中任意一项所述的变焦镜头作为照相机功能部的摄影用光学系统。据此，据此，本发明(12)能够提供一种小型且画质良好的携带型信息终端装置，其中的变焦镜头在广角时具有充分大的半视角，大约可达到38度以上，同时具有10倍以上的变倍比，该变焦镜头小型，所具有的镜片数量虽然较少，仅有9片镜片，但却具有对应1000万～1500万像素的摄像元件的分辨能。
附图说明
图1是本发明第一实施方式中的实施例1的变焦镜头光学系统结构以及该变焦镜头光学系统的变焦轨迹的示意图，其中(a)是在短焦距(也称为广角)位置时、(b)是在短焦距与中焦距中间的焦距位置时、(c)是在中焦距位置时、(d)是在中焦距与长焦距(也称为望远)中间的焦距位置时、(e)是在长焦距(望远)位置时沿着光轴的截面。
图2是图1所示本发明实施例1的变焦镜头在短焦距(广角)时所发生的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的像差曲线图。
图3是图1所示本发明实施例1的变焦镜头位在中焦距时所发生的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的像差曲线图。
图4是图1所示本发明实施例1的变焦镜头在长焦距(望远)时所发生的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的像差曲线图。
图5是本发明第一实施方式中的实施例2的变焦镜头光学系统结构以及该变焦镜头光学系统的变焦轨迹的示意图，其中(a)是在短焦距(也称为广角)位置时、(b)是在短焦距与中焦距中间的焦距位置时、(c)是在中焦距位置时、(d)是在中焦距与长焦距(也称为望远)中间的焦距位置时、(e)是在长焦距(望远)位置时沿着光轴的截面。
图6是图5所示本发明实施例2的变焦镜头在中焦距时所发生的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的像差曲线图。。
图7是图5所示本发明实施例2的变焦镜头在中焦距时所发生的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的像差曲线图。
图8是图5所示本发明实施例2的变焦镜头在长焦距(望远)时所发生的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的像差曲线图。
图9是本发明第一实施方式中的实施例3的变焦镜头光学系统结构以及该变焦镜头光学系统的变焦轨迹的示意图，其中(a)是在短焦距(也称为广角)位置时、(b)是在短焦距与中焦距中间的焦距位置时、(c)是在中焦距位置时、(d)是在中焦距与长焦距(也称为望远)中间的焦距位置时、(e)是在长焦距(望远)位置时沿着光轴的截面。
图10是图9所示本发明实施例3的变焦镜头在短焦距(广角)时所发生的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的像差曲线图。
图11是图9所示本发明实施例3的变焦镜头在中焦距时所发生的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的像差曲线图。
图12是图9所示本发明实施例3的变焦镜头在长焦距(望远)时所发生的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的像差曲线图。
图13是本发明第一实施方式中的实施例4的变焦镜头光学系统结构以及该变焦镜头光学系统的变焦轨迹的示意图，其中(a)是在短焦距(也称为广角)位置时、(b)是在短焦距与中焦距中间的焦距位置时、(c)是在中焦距位置时、(d)是在中焦距与长焦距(也称为望远)中间的焦距位置时、(e)是在长焦距(望远)位置时沿着光轴的截面。
图14是图13所示本发明实施例4的变焦镜头在短焦距(广角)时所发生的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的像差曲线图。
图15是图13所示本发明实施例4的变焦镜头位于中焦距位置时所发生的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的像差曲线图。
图16是图13所示本发明实施例4的变焦镜头在长焦距(望远)时所发生的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的像差曲线图。
图17是本发明第一实施方式中的实施例5的变焦镜头光学系统结构以及该变焦镜头光学系统的变焦轨迹的示意图，其中(a)是在短焦距(也称为广角)位置时、(b)是在短焦距与中焦距中间的焦距位置时、(c)是在中焦距位置时、(d)是在中焦距与长焦距(也称为望远)中间的焦距位置时、(e)是在长焦距(望远)位置时沿着光轴的截面。
图18是图17所示本发明实施例5的变焦镜头在短焦距(广角)时所发生的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的像差曲线图。
图19是图17所示本发明实施例5的变焦镜头在中焦距时所发生的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的像差曲线图。
图20是图17所示本发明实施例5的变焦镜头在长焦距(望远)时所发生的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的像差曲线图。
图21是一例作为本发明第二实施方式的摄影装置的数码像机外观的斜视图，该图是从被摄体方向观察时的图。
图22是从拍摄者方向观察图21所示的数码像机外观的斜视图。
图23是用于说明图21所示装置的功能结构的示意图。
图24是用于说明用本发明中使用的图像处理对畸变进行补偿时的摄像视野的示意图。
标记的说明：
G1第一组镜片(正)，G2第二组镜片(负)，G3第三组镜片(正)，G4第四组镜片(正)，L1第一镜片，L2第二镜片，L3第三镜片，L4第四镜片，L5第五镜片，L6第六镜片，L7第七镜片，L8第八镜片，L9第九镜片，AD光圈，FM滤光片等，101摄影镜头，102光学取景器，103曝光灯，104快门键，105相机主机，106电源开关，107液晶显示器，108操作键，109存储卡插槽，110变焦键，111中央运算处理器(CPU)，112图像处理装置，113受光元件，114信号处理装置，115半导体存储器，116通信卡等。
具体实施方式
以下基于本发明的实施方式并参考附图，说明本发明的变焦镜头、摄像装置以及信息终端装置。在具体说明实施例之前，首先说明本发明实施方式的原理。
《第一实施方式》
本发明第一实施方式涉及的变焦镜头构成为，从被摄体一方开始向成像面一方依次设置具有正折射能力的第一镜片组、具有负折射能力的第二镜片组、具有正折射能力的第三镜片组、以及具有正折射能力的第四镜片组，在从短焦距(广角)位置向长焦距(望远)位置变倍时，该第一镜片组和该第二镜片组之间的距离增大，该第二镜片组和该第三镜片组之间的距离减小，该第三镜片组和该第四镜片组之间的距离增大，该第一镜片组以及该第三镜片组在长焦距(望远)位置时向比短焦距(广角)位置时更接近被摄体的位置移动，该变焦镜头进而具有以下特征。
在一般情况下，具有类似本发明的、具有正·负·正·正四组镜片组的变焦镜头主要以第二镜片组构成所谓的变倍件，承担变倍。而在本发明的变焦镜头中，第三镜片组也分担变倍，用以减轻第二镜片组的负担，确保伴随广角化及高变倍所造成的逐渐减少的像差补偿自由度。此外，在从广角(短焦距)向望远(长焦距)变倍时，第一镜片组向被摄体一方大幅度移动，降低广角时通过第一镜片组的入射高度，抑止广角化带来的第一镜片组的大型化，同时还确保望远时第一镜片组和第二镜片组之间的距离，实现长焦距化。
在从广角向望远变倍时，第一镜片组和第二镜片组之间的距离增大，第二镜片组和第三镜片组之间的距离减小，第二和第三镜片组的倍率绝对值均得以增加，互相还分担变倍。
进而，该变焦镜头中，第一镜片组从被摄体开始依次设置负镜片和被摄体一方具有凸面的正镜片，并在第二镜片组和第三镜片组之间设置光圈，该光圈在变倍时能够独立地在光轴方向上移动，而且满足以下条件式(1)，
1.0＜Lsw/|f12w|＜2.5    式(1)
在此，Lsw表示变焦镜头位于广角时第二镜片组和第三镜片组之间的距离，f12w表示变焦镜头位于广角时第一镜片组和第二镜片组的合成焦距。
第一镜片组仅有上述两片镜片，因此能够抑制近轴光的入射高度，防止径向尺寸增大。加之，还具有正·负·正·正四组镜片类型的变焦镜头中常见的效果，即相比于以负镜片和正镜片构成的结合镜片以及正镜片的三片镜片构成的第一镜片组，该两片镜片构成的第一镜片组可将主点位置设置到前方，使得在第一镜片组和第二镜片组互相分离的望远时，全长可以得到缩短。
其次，在第二镜片组和第三镜片组之间设置光圈，该光圈可独立于相邻的镜片组移动，能够在10倍以上的宽阔的变倍区域中的任意位置上选择合适的光线路径，尤其有利于提高彗星像差或像场弯曲等的补偿自由度，改善光轴外性能。
优选广角时光圈和第三镜片组之间的距离大于望远时光圈和第三镜片组之间的距离。使用异常分散材料的第三镜片组在广角时远离光圈，而在望远时则接近光圈，从而该异常分散性在广角时对倍率色差的二次特征补偿发挥作用，而在望远时则对轴向色差的二次特征补偿发挥作用。因此，整个变倍区域均能够获得良好的色差补偿。加之，在广角时光圈接近第一镜片组，因而降低通过第一镜片组的入射高度，从而产生有利于第一镜片组进一步小型化的效果。
本发明构成为，将光圈设置在广角时该光圈能够接近第一镜片组的位置，以抑止第一镜片组和第二镜片组中的近轴光的入射高度，加之，对第一镜片组和第二镜片组的合成折射力以及第二镜片组和第三镜片组之间的距离付与恰当的条件。这样能够抑制光学系统的大型化并有利于广角化。
如果超过条件式(1)的上限值，则通过第一镜片组的近轴光的入射高度增加，可能造成第一镜片组在径向以及厚度方向的大型化。而如果低于条件式(1)的下限值，则将使得从光圈到被摄体一方的负折射能力不够充分，给广角化带来困难。或者，第二镜片组和第三镜片组之间像差交换发生过度，使得偏心感度上升。
条件式(1)的参数进一步优选为满足条件式(1)’
1.5＜Lsw/|f12w|＜2.0       式(1)’
出于上述理由，当广角时光圈和第三镜片组之间的距离大于望远时的距离时，该距离优选满足以下条件式(2)(对应本发明(2))，
0.05＜dSW/fT＜0.20         式(2)
在此，dSW表示变焦镜头位于广角时所述光圈和所述第三镜片组中最接近被摄体的面之间的轴向间距，fT表示变焦镜头位于望远时的整个系统的焦距。
如果低于条件式(2)的下限值，虽然广角时通过第三镜片组的入射高度有所减小，广角时的倍率色差的二次特征有所下降，但效果不大。而且同样在广角时通过第一镜片组的入射高度过大，致使第一镜片组大型化。另一方面，如果大于条件式(2)的上限值，则广角时通过第三镜片组的入射高度过大，引起像面倾斜，或增大两端小中间大的酒桶形畸变，难以确保广角时的性能。
在提高变倍率以实现高变倍化、尤其是增加望远时的焦距时，将对望远时的轴向色差的二次特征的补偿带来困难。而且，缩短广角时的焦距以进一步实现广角化，将使得广角时的变倍色差的二次特征的补偿变得困难。将特殊低分散性玻璃用于轴向入射高度大的镜片组将对减小轴向色差的二次特征十分有效。由于望远时第一镜片组中的轴向入射高度最大，而采用特殊分散性玻璃至少能够充分减小该轴向色差的二次特征。然而，特殊低分散性玻璃的折射率一般较低，会降低单色差补偿能力。因此，若在第一镜片组中既要采用少量镜片结构又要在单色差与色差的减小之间保持平衡，利用特殊分散性玻璃并不一定有效。
对此，本发明为了能够在仅用两片镜片构成第一镜片组的情况下，即减小色差的二次特征，又使得单色差获得良好的补偿，将第一镜片组中的正镜片满足以下条件式(3)和(4)，
60＜vdp＜95               式(3)
0.007＜ΔPg.Fp＜0.05      式(4)
在此，ΔPg.Fp＝Pg.Fp-(-0.001802×vdp+0.6483)，vdp表示第一镜片组内的正镜片的分散，Pg.Fp表示该正镜片的部分分散比，其中，部分分散比Pg.Fp用下式定义，Pg.Fp(ng-nF)/(nF-nC)，在此ng，nF，nC分别表示g线、F线、C线的折射率(对应本发明(3))。
小于条件式(3)的下限值会造成色差补偿不充分，而小于条件式(4)的下限值，则会造成色差的二次特征补偿不充分。而超过条件式(3)或(4)上限值的玻璃材料不存在，即便存在这样的材料，也会因价格过于昂贵而不可能被采纳。
进而，为了对其他像差实行良好补偿，同时使得光学系同整体小型化，优选满足以下式(6)，
5.0＜f1/fW＜8.0          式(5)
在此，f1表示第一镜片组的焦距，fW表示整个系统位于广角时的焦距(对应本发明(4))。
如果小于条件式(5)的下限值，则第二镜片组的成像倍率接近等倍，变倍效率提高，但是第一镜片组被要求其中的各片镜片具有较大的折射能力，不但会使得望远时的色差进一步恶化，而且还将增大第一镜片组厚度以及口径，尤其不利于收纳时的小型化。而如果超过条件式(5)的上限值，则会减小第二镜片组的变倍作用，难以实现高变倍化。
为了增加像差补偿自由度，本发明优选第一镜片组内的正镜片至少有一面为非球面(对应本发明(5))。
目前已开发了多种适用于以玻璃铸模技术形成非球面的光学玻璃，而且存在多种满足本发明(3)中的条件式(3)和(4)的玻璃铸模用光学玻璃，利用这类玻璃可以低成本地获得性能稳定的非球面透镜镜片。
在这种情况下，优选将第一镜片组中的负镜片和正镜片粘接起来形成结合镜片(对应本发明(6))。
望远时，通过第一镜片组的光束较粗，为此要求第一镜片组中的各个镜面具有高精度，铸模成形的非球面镜片需要进行切削加工，其相对于成形球面镜片难以确保较高的镜面精度，因此，粘接非球面镜片的正镜片和球面镜片的负镜片得到的结合镜片，能够抑制粘接面的面精度下降所带来的图像性能下降。
为了进一步获得良好的像差补偿，优选第三镜片组中最接近成像面一方设置面向成像面且具有较大曲率的凹面的负镜片，并满足条件式(6)(对影本发明(7))，
0.5＜|r3R|/fW＜1.2     式(6)
在此，r3R表示所述第三镜片组中最接近成像面一方的面的曲率半径。
如果小于条件式(6)的下限值，则容易发生球面像差补偿过剩，而如果超过上限值，反而容易发生球面像差补偿不足。进而，如果落在条件式(3)的范围以外，则彗星像差与球面像差相同，也难以达到平衡，轴外的周围部分容易发生外向性或内向性彗星像差。
进一步优选满足以下的条件式(6)’，
0.7＜|r3R|/fW＜1.0     式(6)’
进而，关于对广角化和长焦距化起到关键作用的第一镜片组的移动量，从广角向望远变倍时第一镜片组的总移动量X1和整个系统位于望远时的焦距fT之间满足条件式(7)，可得到充分的像差补偿(对应本发明(8))，
0.10＜X1/fT＜0.35     式(7)。
如果小于条件式(7)，则第二镜片组的移动量范围受到限制，为此减小第二镜片组所起的变倍作用，使第三镜片组的负担增加，或者有必要增强第一镜片组以及第二镜片组的折射能力。总之，小于条件式(7)的下限值不但会引起各种像差恶化，而且将增大广角时的镜片全长，致使通过第一镜片组的入射高度增大，造成第一镜片组大型化。
而如果超过条件式(7)的上限值，则广角时镜片全长变得过短或望远时的镜片全长变得过大。广角时镜片全长过短，会使得第三镜片组的移动范围受到限制，减小第三镜片组起的变倍作用，难以实行整体上的像差补偿。而望远时镜片全长过长，不但会妨碍长度方向的小型化，而且为了确保望远时的周围的进光量，必然会引起径向尺寸增加，或者容易发生因镜头倾斜等制造误差所带来的图像性能下降。
进一步优选满足以下的条件式(7)’，
0.15＜X1/fT＜0.30    式(7)’。
关于与第二镜片组同时起变倍作用的第三镜片组的移动量，优选从广角向望远变倍时所述第三镜片组的总移动量X3和整个系统位于望远时的焦距fT之间满足以下条件式(8)(对应本发明(9))，
0.10＜X3/fT＜0.30    式(8)。
该条件式(8)的参数如果小于下限值，则第三镜片组对变倍所起的作用减小，从而使第二镜片组的负担增加，或者有必要增强第三镜片组的折射能力。总之，小于下限值将造成各种像差的恶化。对此，如果超过条件式(8)的上限值，则第三镜片组的移动量增大，而为了确保该移动量，必须增加广角时的镜片全长，这将致使通过第三镜片组的入射高度增大，造成第三镜片组大型化。
进而，条件式(8)的参数进一步优选为满足条件式(8)’，
0.14＜X3/fT＜0.25     (8)’
在像差补偿的基础上，优选各组镜片组之间的折射能力满足以下条件(9)(对应本发明(10))，
0.50＜|f2|/f3＜0.85  式(9)
其中，f2表示第二镜片组的焦距，f3表示第三镜片组的焦距。
如果小于条件式(9)的下限值，则第二镜片组的折射能力过大，而超过条件式(9)的上限值，则第三镜片组的折射能力过大，无论在哪一种情况下，均会增加变倍时的像差变动。
条件式(9)的参数进一步优选为满足条件式(9)’，
0.60＜|f2|/f3＜0.75   式(9)’
优选第一镜片组中从被摄体一方开始依次设置一片负镜片和一片正镜片。具体为从被摄体一方开始向成像面一方依次设置凸面面向被摄体的负弯月形镜片、以及面向被摄体的凸面具有较大曲率的正镜片，共计两片镜片。
若要提高变倍倍率，尤其是要增加望远时的焦距时，需要加大第二至第四镜片组的合成倍率，而合成倍率的增大将使得第一镜片组中发生的像差在成像面上被放大。为此，在提高变倍倍率时必须充分减小第一镜片组中的像差，出于上述原因，优先第一镜片组具有上述结构。
优选第二镜片组以三片镜片构成，即从被摄体一方开始依次设置负镜片、负镜片、以及正镜片，最接近被摄体的负镜片中面对成像面的面的曲率较大，在此之后的负镜片中面对成像面的面的曲率较大，正镜片中面对被摄体的面的曲率较大。该从被摄体一方开始依次设置负镜片、负镜片、以及正镜片的构成，使得第二镜片组的主点向成像面一方移动，有助于望远时整个光学系统全长的缩短。
此时，优选第二镜片组的各片镜片满足以下条件式(10)、(11)、(12)。
1.75＜N21＜2.10、25＜v21＜55(10)
1.75＜N22＜2.10、25＜v22＜55(11)
1.75＜N23＜2.10、15＜v23＜35(12)
其中，N2i(i＝1～3)表示第二镜片组中从被摄体一方开始第i片镜片的材料的折射率，v2i(i＝1～3)表示第二镜片组中从被摄体一方开始第i片镜片的材料的阿贝数。
根据上述条件选择玻璃种类作为第二镜片组中各片镜片的材料，可充分抑制单色差，获得良好的色差补偿。
优选第三镜片组以三片镜片构成，即从被摄体一方起依次设置正镜片、正镜片、以及负镜片。在此，可根据情况将从被摄体一方起第二片镜片和第三片镜片粘结起来。此外，第三镜片组中至少一片正镜片采用满足以下条件尤(13)、(14)的光学玻璃，则能够取得良好的色差补偿效果。
60.0＜vdp3＜93.0       式(13)
0.007＜Pg.Fp3-(-0.001802×vd+0.6483)＜0.055     式(14)
在此，vdp3表示第三镜片组中的正镜片的分散，Pg.Fp3表示改正镜片的部分分散比。
本发明的变焦镜头中，第四镜片组主要用于确保远心性能以及移动聚焦。为了减小镜片系统的大小，第四镜片组需要尽可能简化结构，如下述的实施例所述，优选用一片正镜片构成第四镜片组。
本发明的变焦镜头并不局限于以四组镜片构成。如果出于为确保镜头性能，如抑制变倍时发生的像差变动等而增加必要的自由度的需要，还可以在第四组镜片组之后的成像面一方设置第五镜片组。
为了在获得良好的补偿的同时进一步促进小型化，必须采用非球面镜片，优选至少第二镜片组以及第三镜片组分别有一个以上非球型面。尤其在第二镜片组中，若将最接近被摄体的第一负镜片中面对被摄体的面设为非球面，则伴随广角化而增大的畸变以及象散可得到有效补偿。
非球面镜片既可以采用光学玻璃或光学塑料的成型品，也可以采用在玻璃镜片表面上形成树脂薄膜将该表面形成为非球形表面(也称为混合非球面、复制成形(replica)非球面等)等镜片。
可以采用与孔径变倍无关且保持一定的光圈用以简化光圈机构。但是，光圈如果构成为望远时的孔径大于广角时的孔径，将有助于减小F值的变化。
此外，光圈孔径如果能够随着焦距范围变化而细微调整将有利于提高光圈设置自由度，可将该光圈设置到任意位置。在需要减少到达成像面的进光量时，可以减小光圈孔径，但是优选不改变光圈孔径，而是通过插入ND滤光片等来减少进光量，这样有利于防止发生衍射现象导致分辨能力下降。
以下基于上述本发明第一实施方式，详细说明变焦镜头的实施例。实施例1～实施例5是根据具体数值构成的本发明的变焦镜头的实施例。在以下的实施例1～实施例5中具体显示了构成本发明变焦镜头的数值。
在实施例1～实施例5中，位于第四镜片组之后的成像面一方的平行平板表示的光学元件是指光学低通滤光片以及排除红外线的红外滤光片等各种滤光片或CMOS图像传感器之类的受光元件的盖玻璃(密封玻璃)，在此用标记FM表示，统称为滤光片等。
此外，实施例1～实施例5的变焦镜头所包含的镜的材料除第四镜片组的正镜片采用光学塑料以外，所有镜片材料均为光学玻璃。
以下示出本发明变焦镜头的实施例的数值。所有实施例中，最大像高均为3.93mm。在此，用放大图像生成畸变补偿图像来处理广角时发生的负畸变的量，为此，如下表所示，考虑到畸变量而将最大象高设定得较小。
  广角时的畸变量   广角时的最大象高
  実施例1   12.7％   3.698
  実施例2   15.0％   3.511
  実施例3   14.6％   3.613
  実施例4   13.7％   3.613
  実施例5   16.3％   3.470
如上所述，用图像处理对实施例1～实施例5的变焦镜头实行畸变补偿。即如图24所示，在实施例1～实施例5的变焦镜头中，标记TF表示受光元件的摄像范围(以及中焦距和长焦距即望远)，标记WF表示受光元件的在短焦距即望远广角附近的摄像范围。如图所示，相对于呈矩形的摄像范围TF，在广角时发生畸变，摄像范围WF呈两端小中间大的酒桶形状。
与短焦距时相比，中焦距和其附近以及长焦距时畸变较小。为了用电子处理来补偿畸变，将有效摄像范围在短焦距时形成为酒桶形状WF，而在中焦距或长焦距时形成为矩形TF。而后，用图像处理对短焦距时的有效摄像范围(WF)进行图像转换，减小畸变，转换成呈矩形的图像信息。为了实行上述图像处理，本实施例1～实施例5中将短焦距时的像高设定为大于中焦距以及长焦距时的像高。其结果，各例实施例中的像差均获得了充分补偿，能够对应1000万～1500万像素的受光元件。以下所示的实施例1～实施例5明确显示了本发明的变焦镜头能够在小型化的同时充分保证具有良好的图像性能。
实施例1～实施例5中的标记如下。
f：整个系统的焦距
F：F值
ω：半视角
R：曲率半径(非球面为傍轴曲率半径)
D：面间距
Nd：折射率
vd：阿贝数
K：非球面圆锥常数
A4：四次方非球面系数
A6：六次方非球面系数
A8：八次方非球面系数
A10：十次方非球面系数
A12：十二次方非球面系数
A14：十四次方非球面系数
非球面用公知的下式表示，其中，C为傍轴曲率半径的倒数即傍轴曲率、H为到光轴的高度、K为上述圆锥常数、A4～A12为非球面系数。
X = CH 2 1 + 1 - ( 1 + K ) C 2 H 2 + A 4 H 4 + A 6 H 6 + A 8 H 8 + A 10 H 10 + A 12 H 12 + A 14 H 14 式(15)
<实施例1>
图1是本发明第一实施方式中的实施例1的变焦镜头光学系统结构以及该变焦镜头光学系统的变焦轨迹的示意图，其中(a)是在短焦距(也称为广角)位置时、(b)是在短焦距与中焦距中间的焦距位置时、(c)是在中焦距位置时、(d)是在中焦距与长焦距(也称为望远)中间的焦距位置时、(e)是在长焦距(望远)位置时沿着光轴的截面。图1中的左侧为被摄体即被摄体一方。
如图1所示，变焦镜头中沿着光轴从被摄体一方即图的左侧开始，依次设置具有正折射能力的第一镜片组G1、具有负折射能力的第二镜片组G2、具有正折射能力的第三镜片组G3、以及具有正折射能力的第四镜片组G4，第二镜片组G2和第三镜片组G3之间设有光圈AD。第一镜片组G1包括第一镜片L1和第二镜片L2，第二镜片组G2包括第三镜片L3和第四镜片L4以及第五镜片L5，第三镜片组G3包括第六镜片L6和第七镜片L7以及第八镜片L8，第四镜片组G4包括唯一一片镜片L9。
第一镜片组G1～第四镜片组G4各自受到支持框等支持，并在变焦等时各组镜片分别一体动作，光圈AD独立于各组镜片动作。图1中还显示了各片镜片的光学镜面的标记。关于图中的标记，出于简化的目的，各项实施例均采用相同的标记，但这并不表示各项实施例构成相同。
从短焦距(广角)向长焦距(望远)变倍时，第一镜片组G1～第四镜片组全部发生移动。第一镜片组G1和第二镜片组G2之间的距离增大，第二镜片组G2和第三镜片组G3之间的距离减小，第三镜片组G3和第四镜片组G4之间的距离增大，并且，第一镜片组G1和第三镜片组G3在短焦距时移动到比长焦距时更接近被摄体的位置。
第一镜片组G1从被摄体开始，依次设置负的第一镜片L1和第二镜片L2，该第二镜片L2为双凸正镜片，以曲率较大的凸面面向被摄体，并且该镜片中位于成像面一方的面被形成为非球面。第一镜片L1和第二镜片L2紧贴在一起成为一体，形成两片镜片的结合镜片。
第二镜片组G2从被摄体开始向成像面一方，依次设置第三镜片L3、第四镜片L4以及第五镜片L5。其中第三镜片L3为凸面面向被摄体的负的弯月形镜片，而且该镜片的两侧的面均形成为非球面。第四镜片L4为凹面面向成像面的凹平镜片。第五镜片L5为凸面面向被摄体的正的弯月形镜片。
光圈AD被插设在第二镜片组G2和第三镜片组G3之间。
第三镜片组G3从被摄体一方开始，依次设置第六镜片L6和第七镜片L7以及第八镜片L8。第六镜片L6为以曲率较大的凸面面向被摄体的双凸正镜片，并且其两侧镜面被形成为非球面。第七镜片L7为以曲率较大凸面面向被摄体的双凸正镜片。第八镜片L8为以曲率较大的凹面面向成像面的双凹负镜片。在此，可根据情况将从被摄体一方开始的第二片镜片和第三片镜片粘结起来。本实施例中第七镜片L7和第八镜片L8紧贴在一起成为一体，形成两片镜片的结合镜片。
第四镜片组G4仅包括一片第九镜片L9，其为以曲率较大的凸面面向被摄体的正的弯月形镜片，并且，位于被摄体一方的面为非球面。
如图1所示，随着变焦镜头从短焦距(广角)向长焦距(望远)变倍，第一镜片组G1保持从成像面向被摄体移动，第二镜片组G2则以一定轨迹向成像面移动，第三镜片组G3从成像面向被摄体移动，第四镜片组G4以向被摄体突出的弧形轨迹移动。
表1显示实施例1中的各个光学元件的光学特性。
实施例中用玻璃制造企业名来表示玻璃种类，其中，HOYA表示豪雅(HOYA)公司，OHARA表示小原公司。该表示在以下的各个实施例中相同。
表1
f＝5.049～51.936，F＝3.67～5.79，ω＝40.00～4.42
  面编号   R   D   Nd   vd   备考   玻璃种类
  1   19.286   0.90   1.92286   20.88   L1   E-FDS1(HOYA)
  2   14.880   4.20   1.61881   63.85   L2   M-PCD4(HOYA)
  3*   -159.598   可变(DA)
  4*   66.189   0.80   1.86400   40.58   L3   L-LAH83(0HARA)
  5*   5.000   1.87
  6   ∞   0.80   1.72000   50.23   L4   S-LAL10(OHARA)
  7   9.967   0.21
  8   7.507   1.41   1.92286   18.90   L5   S-NPH2(OHARA)
  9   18.016   可变(DB)
  10   光圈   可变(DC)
  11*   6.009   2.61   1.5532   71.68   L6   M-FCD500(HOYA)
  12*   -9.311   0.10
  13   6.848   1.91   1.59282   68.63   L7   FCD505(HOYA)
  14   -19.188   0.80   1.91082   35.25   L8   TAFD35(HOYA)
  15   4.382   可变(DD)
  16*   10.147   1.79   1.52528   56.20   L9   480R(ZEONEX)
  17   98.422   可变(DE)
  18   ∞   0.28   1.53770   66.60   各种滤光片
  19   ∞   0.5   1.50000   64.00   各种滤光片
  20   ∞
表1中尾部加有标记*的面编号表示非球面。
表1中附有标记“*”的第3面、第4面、第5面、第11面、第12面以及第16面的光学面为非球面，上述式(15)中使用的各项非球面参数如下。
第3面：K＝0.0，A4＝1，38534E-05，A6＝-1.36558E-07，A8＝4.23666E-09，A10＝-7.91700E-11，A12＝7.38515E-13，A14＝-2.69924E-15
第4面：K＝0.0，A4＝-9.98880E-04，A6＝8.92076E-05，A8＝-4.18167E-06，A10＝1.11131E-07，A12＝-1.55688E-09，A14＝8.27730E-12
第5面：K＝-2.19466，A4＝8.79976E-04，A6＝8.83949E-05，A8＝-7.03657E-07，A10＝2.18952E-09，A12＝-1.14906E-09，A14＝4.93038E-11
第11面：K＝-0.92885，A4＝-2.87456E-04，A6＝8.66987E-06，A8＝-6.95226E-08，A10＝-4.94536E-08，A12＝3.37194E-10，
第12面：K＝-0.26012，A4＝3.33383E-04，A6＝1.65180E-05，A8＝-1.35670E-06
第16面：K＝2.72476，A4＝-3.92208E-04，A6＝1.65553E-05，A8＝-2.19423E-06，A10＝7.28806E-08，A12＝-3.73628E-10，A14＝-4.47617E-11
此外，实施例1的整个光学系统的焦距f、第一镜片组G1和第二镜片组G2之间的可变距离DA、第二镜片组G2和光圈AD之间的可变间隔DB、光圈AD和第三镜片组G3之间的可变距离DC、第三镜片组G3和第四镜片组G4之间的可变距离DD、以及第四镜片组和滤光片FM等之间的可变距离DE，这些参数随着变倍而发生的变动如表2所示。
[0043]
  广角   中焦距   望远
  f   5.049   16.192   51.936
  DA   0.5000   9.5761   17.4431
  DB   8.4756   3.7977   1.7616
  DC   7.1061   3.1114   0.1000
  DD   4.0640   6.5016   12.9909
  DE   3.0027   5.9088   2.4150
参见图24，广角时的像高的值如上所述。用畸变像差的图像处理进行像差补偿，需要望远以及中焦距时的受光元件的摄像范围与受光元件的摄像范围保持一致，呈矩形摄像范围，而在广角时发生畸变，用上述像高的值作为广角时的摄影范围，该摄影范围呈酒桶形形状。在此，对广角时呈酒桶形状的有效摄像范围进行图像处理，将该酒桶形状转换成矩形。
实施例1中对应条件式(1)～(9)的值如下表所示，均分别满足条件式(1)～(9)。
  条件式   计算结果
  (1)   1.67
  (2)   0.137
  (3)   63.85
  (4)   0.0084
  (5)   6.31
  (6)   0.87
  (7)   0.223
  (8)   0.161
  (9)   0.650
图2～图4分别为显示了实施例1在广角、中焦距、以及望远时的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的各种像差图。这些图中，球面像差曲线图中的虚线表示正弦条件、象散曲线图中的实线表示弧矢，虚线表示子午。各个像差图中，d表示d线，e表示e线。这些表示在以下其他实施例中相同。
<实施例2>
图5是本发明第一实施方式中的实施例2的变焦镜头光学系统结构以及该变焦镜头光学系统的变焦轨迹的示意图，其中(a)是在短焦距(也称为广角)位置时、(b)是在短焦距与中焦距中间的焦距位置时、(c)是在中焦距位置时、(d)是在中焦距与长焦距(也称为望远)中间的焦距位置时、(e)是在长焦距(望远)位置时沿着光轴的截面。
如图5所示，变焦镜头中沿着光轴从被摄体一方即图的左侧开始，依次设置
具有正折射能力的第一镜片组G1、具有负折射能力的第二镜片组G2、具有正折射能力的第三镜片组G3、以及具有正折射能力的第四镜片组G4，第二镜片组G2和第三镜片组G3之间设有光圈AD。第一镜片组G1包括第一镜片L1和第二镜片L2，第二镜片组G2包括第三镜片L3和第四镜片L4以及第五镜片L5，第三镜片组G3包括第六镜片L6和第七镜片L7以及第八镜片L8，第四镜片组G4包括唯一一片镜片L9。
第一镜片组G1～第四镜片组G4各自受到支持框等支持，并在变焦等之际各组镜片分别一体动作，光圈AD独立于各组镜片动作。图5中还显示了各片镜片的光学镜面的标记。关于图中的标记，出于简化的目的，各项实施例均采用相同的标记，但这并不表示各项实施例构成相同。
从短焦距(广角)向长焦距(望远)变倍时，第一镜片组G1～第四镜片组全部发生移动。第一镜片组G1和第二镜片组G2之间的距离增大，第二镜片组G2和第三镜片组G3之间的距离减小，第三镜片组G3和第四镜片组G4之间的距离增大，并且，第一镜片组G1和第三镜片组G3在短焦距时移动到比长焦距时更接近被摄体的位置。
第一镜片组G1从被摄体开始，依次设置负的第一镜片L1和第二镜片L2，该第二镜片L2为双凸正镜片，以曲率较大的凸面面向被摄体，并且该镜片中位于成像面一方的面被形成为非球面。第一镜片L1和第二镜片L2紧贴在一起成为一体，形成两片镜片的结合镜片。
第二镜片组G2从被摄体开始向成像面一方，依次设置第三镜片L3、第四镜片L4以及第五镜片L5。其中第三镜片L3为凸面面向被摄体的负的弯月形镜片，而且该镜片的两侧的面均形成为非球面。第四镜片L4为凹面面向成像面的凹平镜片。第五镜片L5为凸面面向被摄体的正的弯月形镜片。
光圈AD被插设在第二镜片组G2和第三镜片组G3之间。
第三镜片组G3从被摄体一方开始，依次设置第六镜片L6和第七镜片L7以及第八镜片L8。第六镜片L6为以曲率较大的凸面面向被摄体的双凸正镜片，并且其两侧镜面被形成为非球面。第七镜片L7为以曲率较大凸面面向被摄体的双凸正镜片。第八镜片L8为以曲率较大的凹面面向成像面的双凹负镜片。在此，可根据情况将从被摄体一方开始的第二片镜片和第三片镜片粘结起来。本实施例中第七镜片L7和第八镜片L8紧贴在一起成为一体，形成两片镜片的结合镜片。
第四镜片组G4仅包括一片第九镜片L9，其为以曲率较大的凸面面向被摄体的双凸镜片，并且，位于被摄体一方的面为非球面。
如图5所示，随着变焦镜头从短焦距(广角)向长焦距(望远)变倍，第一镜片组G1保持从成像面向被摄体移动，第二镜片组G2则以一定轨迹向成像面移动，第三镜片组G3从成像面向被摄体移动，第四镜片组G4以向被摄体突出的弧形轨迹移动。
表3显示实施例2中的各个光学元件的光学特性。
表3
f＝5053～51.981，F＝3.68～5.87，ω＝39.28～4.46
  面编号   R   D   Nd   vd   备考   玻璃种类
  1   19.346   0.9   1.80809   22.76   L1   S-NPH1(OHARA)
  2   14.393   3.9   1.59201   67.02   L2   M-PCD51(HOYA)
  3*   -118.990   可变(DA)
  4*   84.527   0.8   1.86400   40.58   L3   L-LAH83(OHARA)
  5*   4.962   1.78
  6   ∞   0.8   1.71700   47.93   L4   S-LAM3(OHARA)
  7   10.643   0.1
  8   7.680   1.44   1.92286   18.90   L5   S-NPH2(OHARA)
  9   20.253   可变(DB)
  10   光圈   可变(DC)
  11*   5.821   2.71   1.55332   71.68   L6   M-FCD500(HOYA)
  12*   -9.023   0.1
  13   8.166   1.83   1.64850   53.02   L7   S-BSM71(OHARA)
  14   -8.496   1.19   1.91082   35.25   L8   TAFD35(HOYA)
  15   4.603   可变(DD)
  16*   10.933   2.4   1.52528   56.20   L9   480R(ZEONEX)
  17   -130.719   可变(DE)
  18   ∞   0.28   1.53770   66.60   各种滤光片
  19   ∞   0.5   1.50000   64.00   各种滤光片
  20   ∞
表3中尾部加有标记*的面编号表示非球面。
表3中附有标记“*”的第3面、第4面、第5面、第11面、第12面以及第16面的光学面为非球面，上述式(15)中使用的各项非球面参数如下。
第3面：K＝0.0，A4＝1.60890E-05，A6＝-1.80391E-07，A8＝4.53264E-09，A10＝-6.60808E-11，A12＝4.50767E-13，A14＝-1.03037E-15
第4面：K＝0.0，A4＝-1.59015E-03，A6＝1.25181E-04，A8＝-5.06732E-06，A10＝1.14533E-07，A12＝-1.30081E-09，A14＝4.79409E-12
第5面：K＝-0.38578，A4＝-1.72646E-03，A6＝1.39845E-04，A8＝-2.34125E-06，A10＝4.33206E-08，A12＝-7.99599E-10，A14＝1.91470E-11
第11面：K＝0.81202，A4＝-1.22486E-03，A6＝-4.81345E-05，A8＝2.13060E-06，A10＝-1.87468E-07，A12＝-3.08470E-09，
第12面：K＝-7.04399，A4＝-7.35147E-04，A6＝3.77826E-05，A8＝-1.14398E-06
第16面：K＝3.13290，A4＝-2.51764E-04，A6＝6.28570E-06，A8＝-1.32660E-06，A10＝4.61734E-08，A12＝-5.37347E-10，A14＝-2.06217E-11
此外，实施例2的整个光学系统的焦距f、第一镜片组G1和第二镜片组G2之间的可变距离DA、第二镜片组G2和光圈AD之间的可变间隔DB、光圈AD和第三镜片组G3之间的可变距离DC、第三镜片组G3和第四镜片组G4之间的可变距离DD、以及第四镜片组和滤光片FM等之间的可变距离DE，这些参数随着变倍而发生的变动如表4所示。
表4
  广角   中焦距   望远
  f   5.049   16.192   51.936
  DA   0.5720   9.3110   17.4365
  DB   8.7000   4.1679   1.3898
  DC   7.2465   2.8108   0.4578
  DD   3.2822   6.1393   12.4667
  DE   3.0348   5.9676   2.4968
参见图24，广角时的像高的值如上所述。用畸变像差的图像处理进行像差补偿，需要望远以及中焦距时的受光元件的摄像范围与受光元件的摄像范围保持一致，呈矩形摄像范围，而在广角时发生畸变，用上述像高的值作为广角时的摄影范围，该摄影范围呈酒桶形形状。在此，对广角时呈酒桶形状的有效摄像范围进行图像处理，将该酒桶形状转换成矩形。
实施例2中对应条件式(1)～(9)的值如下表所示，均分别满足条件式(1)～(9)。
[0053]
  条件式   计算结果
  (1)   1.66
  (2)   0.140
  (3)   67.02
  (4)   0.0081
  (5)   6.27
  (6)   0.91
  (7)   0.220
  (8)   0.166
  (9)   0.656
图6～图8分别为显示了实施例2在广角、中焦距、以及望远时的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的各种像差图。
<实施例3>
图9是本发明第一实施方式中的实施例3的变焦镜头光学系统结构以及该变焦镜头光学系统的变焦轨迹的示意图，其中(a)是在短焦距(也称为广角)位置时、(b)是在短焦距与中焦距中间的焦距位置时、(c)是在中焦距位置时、(d)是在中焦距与长焦距(也称为望远)中间的焦距位置时、(e)是在长焦距(望远)位置时沿着光轴的截面。
如图9所示，变焦镜头中沿着光轴从被摄体一方即图的左侧开始，依次设置
具有正折射能力的第一镜片组G1、具有负折射能力的第二镜片组G2、具有正折射能力的第三镜片组G3、以及具有正折射能力的第四镜片组G4，第二镜片组G2和第三镜片组G3之间设有光圈AD。第一镜片组G1包括第一镜片L1和第二镜片L2，第二镜片组G2包括第三镜片L3和第四镜片L4以及第五镜片L5，第三镜片组G3包括第六镜片L6和第七镜片L7以及第八镜片L8，第四镜片组G4包括唯一一片镜片L9。
第一镜片组G1～第四镜片组G4各自受到支持框等支持，并在变焦等之际各组镜片分别一体动作，光圈AD独立于各组镜片动作。图9中还显示了各片镜片的光学镜面的标记。关于图中的标记，出于简化的目的，各项实施例均采用相同的标记，但这并不表示各项实施例构成相同。
从短焦距(广角)向长焦距(望远)变倍时，第一镜片组G1～第四镜片组全部发生移动。第一镜片组G1和第二镜片组G2之间的距离增大，第二镜片组G2和第三镜片组G3之间的距离减小，第三镜片组G3和第四镜片组G4之间的距离增大，并且，第一镜片组G1和第三镜片组G3在短焦距时移动到比长焦距时更接近被摄体的位置。
第一镜片组G1从被摄体开始，依次设置负的第一镜片L1和第二镜片L2，该第二镜片L2为双凸正镜片，以曲率较大的凸面面向被摄体，并且该镜片中位于成像面一方的面被形成为非球面。第一镜片L1和第二镜片L2紧贴在一起成为一体，形成两片镜片的结合镜片。
第二镜片组G2从被摄体开始向成像面一方，依次设置第三镜片L3、第四镜片L4以及第五镜片L5。其中第三镜片L3为凸面面向被摄体的负的弯月形镜片，而且该镜片的两侧的面均形成为非球面。第四镜片L4为凹面面向成像面的凹平镜片。第五镜片L5为凸面面向被摄体的正的弯月形镜片。
光圈AD被插设在第二镜片组G2和第三镜片组G3之间。
第三镜片组G3从被摄体一方开始，依次设置第六镜片L6和第七镜片L7以及第八镜片L8。第六镜片L6为以曲率较大的凸面面向被摄体的双凸正镜片，并且其两侧镜面被形成为非球面。第七镜片L7为以曲率较大凸面面向被摄体的双凸正镜片。第八镜片L8为以曲率较大的凹面面向成像面的双凹负镜片。在此，可根据情况将从被摄体一方开始的第二片镜片和第三片镜片粘结起来。本实施例中第七镜片L7和第八镜片L8紧贴在一起成为一体，形成两片镜片的结合镜片。
第四镜片组G4仅包括一片第九镜片L9，其为以曲率较大的凸面面向被摄体的正的弯月形镜片，并且，位于被摄体一方的面为非球面。
如图9所示，随着变焦镜头从短焦距(广角)向长焦距(望远)变倍，第
一镜片组G1保持从成像面向被摄体移动，第二镜片组G2则以一定轨迹向成像面移动，第三镜片组G3从成像面向被摄体移动，第四镜片组G4以向被摄体突出的弧形轨迹移动。
表5显示实施例3中的各个光学元件的光学特性。
表5
f＝5.051～51.950、F＝3.68～5.78、ω＝39.95～4.44
  面编号   R   D   Nd   vd   备考   玻璃种类
  1   19.286   0.9   1.92286   18.90   L1   S-NPH2(OHARA)
  2   15.930   4.17   1.55332   71.68   L2   M-FCD500(HOYA)
  3*   -118.751   可变(DA)
  4*   76.835   0.8   1.86400   40.58   L3   L-LAH83(OHARA)
  5*   5.200   2.05
  6   ∞   0.8   1.70000   48.08   L4   S-LAM51(OHARA)
  7   10.599   0.17
  8   8.126   1.5   1.92286   18.90   L5   S-NPH2(OHARA)
  9   21.271   可交(DB)
  10   光圈   可变(DC)
  11*   6.312   2.42   1.55332   71.68   L6   M-FCD500(HOYA)
  12*   -10.268   0.1
  13   6.690   1.81   1.61800   63.33   L7   S-PHM52(OHARA)
  14   -20.688   0.8   1.91082   35.25   L8   TAFD35(HOYA)
  15   4.494   可变(DD)
  16*   9.714   2.1   1.52528   56.20   L9   480R(ZEONEX)
  17   44.767   可变(DE)
  18   ∞   0.28   1.53770   66.60   各种滤光片
  19   ∞   0.5   1.50000   64.00   各种滤光片
  20   ∞
表5中尾部加有标记*的面编号表示非球面。
表5中附有标记“*”的第3面、第4面、第5面、第11面、第12面以及第16面的光学面为非球面，上述式(15)中使用的各项非球面参数如下。
第3面：K＝0.0，A4＝1.47088E-05，A6＝-1.27888E-07，A8＝3.95861E-09，A10＝-7.48959E-11，A12＝7.10833E-13，A14＝-2.64943E-15
第4面：K＝0.0，A4＝-1.26621E-03，A6＝1.03053E-04，A8＝-4.35090E-06，A10＝1.06357E-07，A12＝-1.45333E-09，A14＝8.62186E-12
第5面：K＝-2.38476，A4＝4.68507E-04，A6＝8.47748E-05，A8＝-2.61143E-07，A10＝-2.70309E-08，A12＝-1.14906E-09，A14＝4.93038E-11
第11面：K＝-0.95725，A4＝-2.26398E-04，A6＝1.23171E-05，A8＝-1.22399E-06，A10＝-2.39294E-08，A12＝3.37194E-10
第12面：K＝0.02305，A4＝2.46666E-04，A6＝1.51715E-05，A8＝-1.84438E-06
第16面：K＝2.40182，A4＝-4.38803E-04，A6＝1.44573E-05，A8＝-2.12058E-06，A10＝7.12042E-08，A12＝-3.73628E-10，A14＝-4.47617E-11
此外，实施例3的整个光学系统的焦距f、第一镜片组G1和第二镜片组G2之间的可变距离DA、第二镜片组G2和光圈AD之间的可变间隔DB、光圈AD和第三镜片组G3之间的可变距离DC、第三镜片组G3和第四镜片组G4之间的可变距离DD、以及第四镜片组和滤光片FM等之间的可变距离DE，这些参数随着变倍而发生的变动如表6所示。
表6
  广角   中间焦距   望远
  f   5.051   16.198   51.198
  DA   0.5000   9.9635   18.3351
  DB   11.0394   3.6173   1.9607
  DC   5.8941   3.5401   0.1000
  DD   4.6593   7.1299   14.5604
  DE   2.8436   5.9217   2.7462
参见图24，广角时的像高的值如上所述。用畸变像差的图像处理进行像差补偿，需要望远以及中焦距时的受光元件的摄像范围与受光元件的摄像范围保持一致，呈矩形摄像范围，而在广角时发生畸变，用上述像高的值作为广角时的摄影范围，该摄影范围呈酒桶形形状。在此，对广角时呈酒桶形状的有效摄像范围进行图像处理，将该酒桶形状转换成矩形。
实施例3中对应条件式(1)～(9)的值如下表所示，均分别满足条件式(1)～(9)。
  条件式   计算结果
  (1)   1.71
  (2)   0.115
  (3)   71.68
  (4)   0.0211
  (5)   6.73
  (6)   0.89
  (7)   0.244
  (8)   0.185
图10～图12分别为显示了实施例3在广角、中焦距、以及望远时的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的各种像差图。
<实施例4>
图13是本发明第一实施方式中的实施例4的变焦镜头光学系统结构以及该变焦镜头光学系统的变焦轨迹的示意图，其中(a)是在短焦距(也称为广角)位置时、(b)是在短焦距与中焦距中间的焦距位置时、(c)是在中焦距位置时、(d)是在中焦距与长焦距(也称为望远)中间的焦距位置时、(e)是在长焦距(望远)位置时沿着光轴的截面。
如图13所示，变焦镜头中沿着光轴从被摄体一方即图的左侧开始，依次设置具有正折射能力的第一镜片组G1、具有负折射能力的第二镜片组G2、具有正折射能力的第三镜片组G3、以及具有正折射能力的第四镜片组G4，第二镜片组G2和第三镜片组G3之间设有光圈AD。第一镜片组G1包括第一镜片L1和第二镜片L2，第二镜片组G2包括第三镜片L3和第四镜片L4以及第五镜片L5，第三镜片组G3包括第六镜片L6和第七镜片L7以及第八镜片L8，第四镜片组G4包括唯一一片镜片L9。
第一镜片组G1～第四镜片组G4各自受到支持框等支持，并在变焦等之际各组镜片分别一体动作，光圈AD独立于各组镜片动作。图13中还显示了各片镜片的光学镜面的标记。关于图中的标记，出于简化的目的，各项实施例均采用相同的标记，但这并不表示各项实施例构成相同。
从短焦距(广角)向长焦距(望远)变倍时，第一镜片组G1～第四镜片组全部发生移动。第一镜片组G1和第二镜片组G2之间的距离增大，第二镜片组G2和第三镜片组G3之间的距离减小，第三镜片组G3和第四镜片组G4之间的距离增大，并且，第一镜片组G1和第三镜片组G3在短焦距时移动到比长焦距时更接近被摄体的位置。
第一镜片组G1从被摄体开始，依次设置负的第一镜片L1和第二镜片L2，该第二镜片L2为双凸正镜片，以曲率较大的凸面面向被摄体，并且该镜片中位于成像面一方的面被形成为非球面。第一镜片L1和第二镜片L2紧贴在一起成为一体，形成两片镜片的结合镜片。
第二镜片组G2从被摄体开始向成像面一方，依次设置第三镜片L3、第四镜片L4以及第五镜片L5。其中第三镜片L3为凸面面向被摄体的负的弯月形镜片，而且该镜片的两侧的面均形成为非球面。第四镜片L4为凹面面向成像面的凹平镜片。第五镜片L5为凸面面向被摄体的正的弯月形镜片。
光圈AD被插设在第二镜片组G2和第三镜片组G3之间。
第三镜片组G3从被摄体一方开始，依次设置第六镜片L6和第七镜片L7以及第八镜片L8。第六镜片L6为以曲率较大的凸面面向被摄体的双凸正镜片，并且其两侧镜面被形成为非球面。第七镜片L7为以曲率较大凸面面向被摄体的双凸正镜片。第八镜片L8为以曲率较大的凹面面向成像面的双凹负镜片。在此，可根据情况将从被摄体一方开始的第二片镜片和第三片镜片粘结起来。本实施例中第七镜片L7和第八镜片L8紧贴在一起成为一体，形成两片镜片的结合镜片。
第四镜片组G4仅包括一片第九镜片L9，其为以曲率较大的凸面面向被摄体的正的弯月形镜片，并且，位于被摄体一方的面为非球面。
如图13所示，随着变焦镜头从短焦距(广角)向长焦距(望远)变倍，第一镜片组G1保持从成像面向被摄体移动，第二镜片组G2则以一定轨迹向成像面移动，第三镜片组G3从成像面向被摄体移动，第四镜片组G4以向被摄体突出的弧形轨迹移动。
表7显示实施例1中的各个光学元件的光学特性。
实施例中用玻璃制造企业名来表示玻璃种类，其中，HOYA表示豪雅(HOYA)公司，OHARA表示小原公司。该表示在以下的各个实施例中相同。
表7
f＝5.048～51.994，F＝3.67～5.79，ω＝39.67～4.42
  面编号   R   D   Nd   vd   备考   玻璃种类
  1   19.286   0.9   1.92286   20.88   L1   E-FDS1(HOYA)
  2   15.554   4.2   1.55332   71.68   L2   M-FCD500(HOYA)
  3*   -105.275   可变(DA)
  4*   65.471   0.8   1.86400   40.58   L3   L-LAH83(OHARA)
  5*   5.129   2.11
  6   ∞   0.8   1.70000   48.08   L4   S-LAM51(OHARA)
  7   10.213   0.1
  8   7.713   1.4   1.92286   18.9   L5   S-NPH2(OHARA)
  9   19.054   可变(DB)
  10   光圈   可变(DC)
  11*   6.198   2.69   1.55332   71.68   L6   M-FCD500(HOYA)
  12*   -9.69   0.1
  13   7.022   1.97   1.61800   63.33   L7   S-PHM52(OHARA)
  14   -15.037   0.7   1.91082   35.25   L8   TAFD35(HOYA)
  15   4.546   可变(DD)
  16*   9.823   2.1   1.52528   56.2   L9   480R(ZEONEX)
  17   56.166   可变(DE)
  18   ∞   0.28   1.53770   66.60   各种滤光片
  19   ∞   0.5   1.50000   64.00   各种滤光片
  20   ∞
表7中尾部加有标记*的面编号表示非球面。
表7中附有标记“*”的第3面、第4面、第5面、第11面、第12面以及第16面的光学面为非球面，上述式(15)中使用的各项非球面参数如下。
第3面：K＝0.0，A4＝1.49894E-05，A6＝-1.40144E-07，A8＝4.23245E-09，A10＝-7.76864E-11，A12＝7.14614E-13，A14＝-2.58018E-15
第4面：K＝0.0，A4＝-1.20047E-03，A6＝9.84183E-05，A8＝-4.31381E-06，A10＝1.11173E-07，A12＝-1.54068E-09，A14＝8.27730E-12
第5面：K＝-2.38739，A4＝6.43740E-04，A6＝9.06969E-05，A8＝-1.76778E-06，A10＝6.78323E-08，A12＝-1.14906E-09，A14＝4.93038E-11
第11面：K＝-0.91650，A4＝-2.51890E-04，A6＝8.55324E-06，A8＝-2.78172E-07，A10＝-4.11220E-08，A12＝3.37194E-10
第12面：K＝-0.04544，A4＝2.91654E-04，A6＝1.67121E-05，A8＝-1.39509E-06
第16面：K＝2.46757A4＝-4.24，708E-04，A6＝1.47288E-05，A8＝-2.13510E-06，A10＝7.15894E-08，A12＝-3.73628E-10，A14＝-4.47617E-11
此外，实施例4的整个光学系统的焦距f、第一镜片组G1和第二镜片组G2之间的可变距离DA、第二镜片组G2和光圈AD之间的可变间隔DB、光圈AD和第三镜片组G3之间的可变距离DC、第三镜片组G3和第四镜片组G4之间的可变距离DD、以及第四镜片组和滤光片FM等之间的可变距离DE，这些参数随着变倍而发生的变动如表8所示。
表8
  广角   中间焦距   望远
  f   5.048   16.202   51.994
  DA   0.5000   9.9631   18.5708
  DB   7.9693   3.8369   1.7615
  DC   7.9966   3.0693   0.1000
  DD   3.8178   6.5415   13.4554
  DE   2.9993   5.9165   2.7619
参见图24，广角时的像高的值如上所述。用畸变像差的图像处理进行像差补偿，需要望远以及中焦距时的受光元件的摄像范围与受光元件的摄像范围保持一致，呈矩形摄像范围，而在广角时发生畸变，用上述像高的值作为广角时的摄影范围，该摄影范围呈酒桶形形状。在此，对广角时呈酒桶形状的有效摄像范围进行图像处理，将该酒桶形状转换成矩形。
实施例4中对应条件式(1)～(9)的值如下表所示，均分别满足条件式(1)～(9)。
  条件式   计算结果
  (1)   1.66
  (2)   0.154
  (3)   71.68
  (4)   0.0211
  (5)   6.74
  (6)   0.90
  (7)   0.257
  (8)   0.181
  (9)   0.667
图14～图16分别为显示了实施例1在广角、中焦距、以及望远时的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的各种像差图。
<实施例5>
图17是本发明第一实施方式中的实施例5的变焦镜头光学系统结构以及该变焦镜头光学系统的变焦轨迹的示意图，其中(a)是在短焦距(也称为广角)位置时、(b)是在短焦距与中焦距中间的焦距位置时、(c)是在中焦距位置时、(d)是在中焦距与长焦距(也称为望远)中间的焦距位置时、(e)是在长焦距(望远)位置时沿着光轴的截面。
如图17所示，变焦镜头中沿着光轴从被摄体一方即图的左侧开始，依次设置具有正折射能力的第一镜片组G1、具有负折射能力的第二镜片组G2、具有正折射能力的第三镜片组G3、以及具有正折射能力的第四镜片组G4，第二镜片组G2和第三镜片组G3之间设有光圈AD。第一镜片组G 1包括第一镜片L1和第二镜片L2，第二镜片组G2包括第三镜片L3和第四镜片L4以及第五镜片L5，第三镜片组G3包括第六镜片L6和第七镜片L7以及第八镜片L8，第四镜片组G4包括唯一一片镜片L9。
第一镜片组G1～第四镜片组G4各自受到支持框等支持，并在变焦等之际各组镜片分别一体动作，光圈AD独立于各组镜片动作。图1中还显示了各片镜片的光学镜面的标记。关于图中的标记，出于简化的目的，各项实施例均采用相同的标记，但这并不表示各项实施例构成相同。
从短焦距(广角)向长焦距(望远)变倍时，第一镜片组G1～第四镜片组全部发生移动。第一镜片组G1和第二镜片组G2之间的距离增大，第二镜片组G2和第三镜片组G3之间的距离减小，第三镜片组G3和第四镜片组G4之间的距离增大，并且，第一镜片组G1和第三镜片组G3在短焦距时移动到比长焦距时更接近被摄体的位置。
第一镜片组G1从被摄体开始，依次设置负的第一镜片L1和第二镜片L2，该第二镜片L2为双凸正镜片，以曲率较大的凸面面向被摄体，并且该镜片中位于成像面一方的面被形成为非球面。第一镜片L1和第二镜片L2紧贴在一起成为一体，形成两片镜片的结合镜片。
第二镜片组G2从被摄体开始向成像面一方，依次设置第三镜片L3、第四镜片L4以及第五镜片L5。其中第三镜片L3为凸面面向被摄体的负的弯月形镜片，而且该镜片的两侧的面均形成为非球面。第四镜片L4为凹面面向成像面的凹平镜片。第五镜片L5为凸面面向被摄体的正的弯月形镜片。
光圈AD被插设在第二镜片组G2和第三镜片组G3之间。
第三镜片组G3从被摄体一方开始，依次设置第六镜片L6和第七镜片L7以及第八镜片L8。第六镜片L6为以曲率较大的凸面面向被摄体的双凸正镜片，并且其两侧镜面被形成为非球面。第七镜片L7为以曲率较大凸面面向被摄体的双凸正镜片。第八镜片L8为以曲率较大的凹面面向成像面的双凹负镜片。在此，可根据情况将从被摄体一方开始的第二片镜片和第三片镜片粘结起来。本实施例中第七镜片L7和第八镜片L8紧贴在一起成为一体，形成两片镜片的结合镜片。
第四镜片组G4仅包括一片第九镜片L9，其为以曲率较大的凸面面向被摄体的正的弯月形镜片，并且，位于被摄体一方的面为非球面。
如图17所示，随着变焦镜头从短焦距(广角)向长焦距(望远)变倍，第一镜片组G1保持从成像面向被摄体移动，第二镜片组G2则以一定轨迹向成像面移动，第三镜片组G3从成像面向被摄体移动，第四镜片组G4以向被摄体突出的弧形轨迹移动。
表9显示实施例5中的各个光学元件的光学特性。
表9
f＝5.042～51.906、F＝3.67～5.78、ω＝39.88～4.43
  面编号   R   D   Nd   vd   备考   玻璃种类
  1   19.467   0.9   1.92286   20.88   L1   S-NPH2(OHARA)
  2   15.461   4.2   1.61881   63.85   L2   M-PCD4(HOYA)
  3*   -176.307   可变(DA)
  4*   -580.600   0.8   1.85400   40.58   L3   L-LAH83(OHARA)
  5*   5.751   2.07
  6   ∞   0.8   1.69700   48.52   L4   S-LAM59(OHARA)
  7   10.672   0.26
  8   8.767   1.56   1.92286   18.90   L5   S-NPH2(OHARA)
  9   25.025   可变(DB)
  10   光圈   可变(DC)
  11*   6.275   2.61   1.55332   71.68   L6   M-FCD500(HOYA)
  12*   -9.311   0.10
  13   6.848   1.91   1.59282   68.63   L7   FCD505(HOYA)
  14   -19.188   0.80   1.91082   35.25   L8   TAFD35(HOYA)
  15   4.382   可变(DD)
  16*   10.147   1.79   1.52528   56.20   L9   480R(ZEONEX)
  17   98.422   可变(DE)
  18   ∞   0.28   1.53770   66.60   各种滤光片
  19   ∞   0.5   1.50000   64.00   各种滤光片
  20   ∞
表9中尾部加有标记*的面编号表示非球面。
表9中附有标记“*”的第3面、第4面、第5面、第11面、第12面以及第16面的光学面为非球面，上述式(15)中使用的各项非球面参数如下。
第3面：K＝0.0，A4＝1.32759E-05，A6＝-1.27159E-07，A8＝4.01608E-09，A10＝-7.60338E-11，A12＝7.16671E-13，A14＝-2.62900E-15
第4面：K＝0.0，A4＝-1.02996E-03，A6＝9.62879E-05，A8＝-4.27896E-06，A10＝1.09299E-07，A12＝-1.54650E-09，A14＝9.38849E-12
第5面：K＝-2.80066，A4＝4.78146E-04，A6＝8.02750E-05，A8＝-1.04189E-06，A10＝-3.41761E-09，A12＝-1.14906E-09，A14＝4.93038E-11
第11面：K＝-0.87344，A4＝-2.59886E-04，A6＝1.02268E-05，A8＝-6.00996E-07，A10＝-2.57211E-08，A12＝3.37194E-10
第12面：K＝-0.15171，A4＝2.54774E-04，A6＝1.23862E-05，A8＝-1.20226E-06
第16面：K＝2.85885，A4＝-3.58595E-04，A6＝1.26921E-05，A8＝-2.00267E-06，A10＝6.96542E-08，A12＝-3.73628E-10，A14＝-4.47617E-11
此外，实施例5的整个光学系统的焦距f、第一镜片组G1和第二镜片组G2之间的可变距离DA、第二镜片组G2和光圈AD之间的可变间隔DB、光圈AD和第三镜片组G3之间的可变距离DC、第三镜片组G3和第四镜片组G4之间的可变距离DD、以及第四镜片组和滤光片FM等之间的可变距离DE，这些参数随着变倍而发生的变动如表10所示。
表10
  广角   中间焦距   望远
  f   5.042   16.202   51.906
  DA   0.5000   9.4696   16.9683
  DB   12.2268   4.4225   1.7402
  DC   6.6610   3.3608   0.1000
  DD   5.3192   6.5784   14.1241
  DE   2.3108   5.8606   2.0055
参见图24，广角时的像高的值如上所述。用畸变像差的图像处理进行像差补偿，需要望远以及中焦距时的受光元件的摄像范围与受光元件的摄像范围保持一致，呈矩形摄像范围，而在广角时发生畸变，用上述像高的值作为广角时的摄影范围，该摄影范围呈酒桶形形状。在此，对广角时呈酒桶形状的有效摄像范围进行图像处理，将该酒桶形状转换成矩形。
实施例5中对应条件式(1)～(9)的值如下表所示，均分别满足条件式(1)～(9)。
  条件式   计算结果
  (1)   1.82
  (2)   0.128
  (3)   63.85
  (4)   0.0084
  (5)   6.33
  (6)   0.89
  (7)   0.153
  (8)   0.163
  (9)   0.645
图18～图20分别为显示了实施例1在广角、中焦距、以及望远时的球面像差、像散、畸变以及彗星像差的各种像差图。这些图中，球面像差曲线图中的虚线表示正弦条件、象散曲线图中的实线表示弧矢，虚线表示子午。各个像差图中，d表示d线，e表示e线。这些表示在以下其他实施例中相同。
《第二实施方式》
参考图21图～图23说明用本发明的第一实施方式的变焦镜头作为摄像用光学系统构成的数码相机，该数码相机作为本发明第二实施方式的摄像系统。图21是从被摄体一方观察到的数码像机前面的外观的示意图，图22是从拍摄者观察到的数码像机背面的外观的示意图。图23是表示数码相机的功能结构的模块图。在此以数码相机为例说明，但是本发明也适用于现有的图像记录媒体即利用银盐胶卷的银盐胶卷照相机中的变焦镜头。另外，目前普遍使用的所谓个人数据助手(personal data assistant)或手机等携带型信息终端装置之类的信息装置中也安装照相机功能，这类信息装置在外观上虽然与数码相机不同，但是其中包含的功能以及结构在本质上与数码相机相同。为此，本发明亦可用于作为这类信息装置中搭载的摄像用光学系统。
如图21所示，数码相机包括摄影镜头101、光学取景器102、曝光灯103、快门键104、相机主机105、电源开关106、液晶显示器107、操作键108、存储卡插槽109以及变焦开关110等。进而如图23所示，数码相机中还包括中央运算装置(CPU)111、图像处理装置112、受光元件113、信号处理装置114、半导体存储器115以及通信卡116等。
数码相机还包括设应用光学系统的摄影镜头101和用CMOS(互补金属氧化物半导体)摄像元件或CCD(电荷耦合元件)摄像元件等作为图像传感器的受光元件113，受光元件113读取摄影镜头101拍摄的摄影对象的像。该摄影镜头101采用本发明第一实施方式所述的本发明的变焦镜头(对应于本发明(11)或(12))。
受中央运算处理器111控制的信号处理装置114处理该受光元件的输出，并将其转换为数字信息。即这类数码像机中包含将拍摄了的被摄体图像转换成数字图像信息的装置，该装置实际上构成为包括受光元件113、信号处理装置114以及实行控制的中央运算处理器(CPU)111。
上述数字信息的图象在同样受中央运算处理器111控制的图像处理装置112中受到规定的图像处理之后，被保存到非易失性存储装置等半导体存储装置115。此时的半导体存储装置115既可以是插在存储卡插槽109中的存储卡，也可以是相机主机内藏的半导体存储器。液晶显示器107即可显示正在拍摄之中的图像，何可显示保存在半导体存储器115中的图像。半导体存储器115中的图像能够通过通信卡16向外部输出。
携带期间数码相机中的摄影镜头101的对物面被镜盖盖住，用户操作电源开关106接通电源后，镜盖被打开，露出对物面。此时，摄影镜头101的镜筒内部变焦镜头中的各组镜片比如呈短焦距(广角)时的设置，通过操作变焦键110，来改变各组镜片的设置，经由中焦距向长焦距(望远)变倍。此时，优选取景器102的光学系统连动于摄影镜头101的视角变化而进行变倍。
在一般情况下，半按快门键104来进行聚焦。
本发明的变焦镜头既可移动变焦镜头中多组镜片组中的一部分镜片组来聚焦，也可移动受光元件来聚焦。进一步按动快门键104完成摄影，而后实行上述处理。
按规定操作操作键108，在液晶显示器7上显示半导体存储装置115中保存的图象、或者用通信卡116等向外部发送该半导体存储装置115中的图象时，可将半导体存储装置115以及通信卡116等分别插入插槽109或通信卡插槽等专用或通用的插槽。
在上述数码相机等摄像装置或信息装置中能够利用既已描述了的第一实施方式所示的变焦镜头构成的摄影镜头101作为摄像用光学系统。为此，有望实现具备1000万～1500万像素或更多象素的受光元件的高画质小型摄像装置或信息装置。
进而，本发明的变焦镜头还可用于作为银盐照相机的变焦摄影镜头或投影机的头影镜头。

Claims (12)

1.一种变焦镜头，其中从被摄体一方开始向成像面一方依次设置具有正折射能力的第一镜片组、具有负折射能力的第二镜片组、具有正折射能力的第三镜片组、以及具有正折射能力的第四镜片组，在从广角向望远变倍时，该第一镜片组和该第二镜片组之间的距离增大，该第二镜片组和该第三镜片组之间的距离减小，该第三镜片组和该第四镜片组之间的距离增大，该第一镜片组以及该第三镜片组在望远时向比广角时更接近被摄体的位置移动，
其特征在于，在第二镜片组和第三镜片组之间设置光圈，该光圈在变倍时能够独立地在光轴方向上移动，而且满足以下条件式(1)，
1.0＜Lsw/|f12w|＜2.5      式(1)
在此，Lsw表示所述变焦镜头位于广角时所述第二镜片组和所述第三镜片组之间的距离，f12w表示所述变焦镜头位于广角时所述第一镜片组和所述第二镜片组的合成焦距。
2.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，满足以下条件式(2)，
0.05＜dSW/fT＜0.20        式(2)
在此，dSW表示该变焦镜头位于广角时所述光圈和所述第三镜片组中最接近被摄体的面之间的轴向间距，fT表示该变焦镜头位于望远时的整个系统的焦距。
3.根据权利要求1或2所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一镜片组中的所述正镜片满足以下条件式(3)和(4)，
60＜vdp＜95            式(3)
0.007＜ΔPg.Fp＜0.05   式(4)
在此，ΔPg.Fp＝Pg.Fp-(-0.001802×vdp+0.6483)，vdp表示所述第
一镜片组内的所述正镜片的分散，Pg.Fp表示该正镜片的部分分散比，其中，部分分散比Pg.Fp用下式定义，Pg.Fp(ng-nF)/(nF-nC)，在此ng，nF，nC分别表示g线、F线、C线的折射率。
4.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，满足以下式(5)，
5.0＜f1/fW＜8.0          式(5)
在此，f1表示第一镜片组的焦距，fW表示该变焦镜头位于广角时的焦距。
5.根据权利要求4所述的变焦镜头，其特征在于，所述第一镜片组内的所述正镜片中具有非球面。
6.根据权利要求5所述的变焦镜头，其特征在于，结合所述第一镜片组中的所述正镜片和所述负镜片。
7.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，在所述第三镜片组中最接近成像面一方设置负镜片，该负镜片中面向成像面的凹面具有较大的曲率，而且，满足以下条件式(6)，
0.5＜|r3R|/fW＜1.2     式(6)
在此，r3R表示所述第三镜片组中最接近成像面一方的面的曲率半径，fW表示该变焦镜头位于广角时的焦距。
8.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，从广角向望远变倍时所述第一镜片组的总移动量X1和该变焦镜头位于望远时的焦距fT之间满足以下条件式(7)，
0.10＜X1/fT＜0.35      式(7)。
9.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，从广角向望远变倍时所述第三镜片组的总移动量X3和该变焦镜头位于望远时的焦距fT之间满足以下条件式(8)，
0.10＜X3/fT＜0.30      式(8)
10.根据权利要求1所述的变焦镜头，其特征在于，所述第二镜片组的焦距f2和所述第三镜片组的焦距f3之间满足以下条件式(9)，
0.5＜|f2|/f3＜0.85     式(9)。
11.一种照相机，其特征在于，用权利要求1～10中任意一项所述的变焦镜头作为摄影用光学系统。
12.一种携带型信息终端装置，其特征在于用权利要求1～10中任意一项所述的变焦镜头作为照相机功能部的摄影用光学系统。
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