CN103492925A - 变焦镜头和成像设备 - Google Patents

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Abstract

[目的]为在变焦镜头中获得高性能，高可变放大倍率，减小尺寸和降低成本并可获得极好的图像。[技术方案]一种变焦镜头(1)，由从物体侧顺序地布置的正的第一透镜组(G1)、负的第二透镜组(G2)、正的第三透镜组(G3)、和正的第四透镜组(G4)构成。当放大倍率从广角端改变到长焦端时，第一透镜组(G1)和第三透镜组(G3)固定，第二透镜组(G2)朝向图像侧移动，第四透镜组(G4)移动。第一透镜组(G1)包括从物体侧顺序地布置的由负透镜(L11)和正透镜(L12)构成的粘合透镜和两个正透镜。第三透镜组(G3)包括从物体侧顺序地布置的包括粘合透镜的负部分透镜组(G3N)和正部分透镜组(G3P)。负弯月透镜位于正部分透镜组(G3P)中最靠近图像侧的一侧，且负弯月透镜的凹表面面向图像侧。

Description

变焦镜头和成像设备
技术领域
本发明涉及一种变焦镜头和成像设备，并且具体地涉及一种适用于摄影机、广播照相机、监视照相机等的变焦镜头，以及一种包括所述变焦镜头的成像设备。
背景技术
通常，已知一种四组式镜头系统作为可在前述领域中使用的变焦镜头，在所述镜头系统中，正的第一透镜组、负的第二透镜组、正的第三透镜组和正的第四透镜组从物体侧顺序地布置。例如，专利文件1至3公开了一种四组式镜头系统，其中，当镜头的放大倍率从广角端向长焦端变化时，第一透镜组和第三透镜组固定，第二透镜组和第四透镜组移动。四组式变焦镜头是后焦式镜头系统，其中，由第四透镜组执行聚焦。专利文件1至3中公开的镜头系统被构造成使得通过使第三透镜组中的光学系统的一部分以具有垂直于光轴的分量的方式移动来校正要被成像的图像中的模糊。
相关技术文献
专利文件
专利文件1：
日本未审查专利公开号2006-047771
专利文件2：
日本未审查专利公开号2007-033553
专利文件3：
日本未审查专利公开号2007—127694
发明内容
近年来，电子成像设备被通常用作成像设备。在电子成像设备中，镜头系统和对由镜头系统形成的图像进行成像并输出电信号的诸如CCD(电荷耦合装置)的成像装置被组合。随着成像装置的分辨率变高，并且成像装置的尺寸变小，安装在电子成像设备上的变焦镜头需要具有高性能、小尺寸和高可变放大倍率。此外，降低成本也是强烈需要的。
同时，专利文件1中公开的整个变焦镜头的尺寸较小，但变焦镜头的可变放大倍率为约11至12，这不足以满足近年来对于高可变放大倍率的需求。专利文件2中公开的变焦镜头的可变放大倍率为大约20，其可被认为是高可变放大倍率，但变焦镜头的尺寸不被认为较小。专利文件3中公开的变焦镜头具有高可变放大倍率和小尺寸。然而，由于用于变焦镜头的材料的成本高，因此变焦镜头在成本方面是不利的。
考虑到前述情形，本发明的目的是提供一种具有高性能和高可变放大倍率的变焦镜头，并且变焦镜头的尺寸小，成本低，能够获得优秀的图像，并且还提供一种包括所述变焦镜头的成像设备。
本发明的第一种变焦镜头是包括下述的变焦镜头：
具有正折射屈光力的第一透镜组；
具有负折射屈光力的第二透镜组；
具有正折射屈光力的第三透镜组；和
具有正折射屈光力的第四透镜组，所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组合所述第四透镜组从物体侧顺序地布置，
其中当所述变焦镜头的放大倍率从广角端变化到长焦端时，所述第一透镜组和第三透镜组关于光轴方向相对于像面固定，所述第二透镜组沿光轴朝向图像侧移动，所述第四透镜组在光轴方向上移动，并且
其中所述第一透镜组由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力的第一透镜、具有正折射屈光力并粘合到所述第一透镜的第二透镜、具有正折射屈光力的第三透镜和具有正折射屈光力的第四透镜构成，并且
其中，所述第三透镜组由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力并且包括粘合透镜的负部分透镜组和具有正折射屈光力的正部分透镜组构成，并且
其中，所述正部分透镜组中最靠近图像侧的透镜为具有朝向所述图像侧指向的凹面的负弯月透镜。
本发明的第二种变焦镜头是包括下述的变焦镜头：
具有正折射屈光力的第一透镜组；
具有负折射屈光力的第二透镜组；
具有正折射屈光力的第三透镜组；和
具有正折射屈光力的第四透镜组，所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组合所述第四透镜组从物体侧顺序地布置，
其中当所述变焦镜头的放大倍率从广角端变化到长焦端时，所述第一透镜组和第三透镜组关于光轴方向相对于像面固定，所述第二透镜组沿光轴朝向图像侧移动，所述第四透镜组在光轴方向上移动，并且
其中所述第一透镜组由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力的第一透镜、具有正折射屈光力并粘合到所述第一透镜的第二透镜、具有正折射屈光力的第三透镜和具有正折射屈光力的第四透镜构成，并且
其中，所述第三透镜组由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力并且包括粘合透镜的负部分透镜组和具有正折射屈光力的正部分透镜组构成，并且
其中，满足以下公式(1)：
0.2<f3P／|f3N|<0.35…(1)，其中
f3P：正部分透镜组的焦距，以及
f3N：负部分透镜组的焦距。
本发明的第三种变焦镜头是包括下述的变焦镜头：
具有正折射屈光力的第一透镜组；
具有负折射屈光力的第二透镜组；
具有正折射屈光力的第三透镜组；和
具有正折射屈光力的第四透镜组，所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组合所述第四透镜组从物体侧顺序地布置，
其中当所述变焦镜头的放大倍率从广角端变化到长焦端变化时，所述第一透镜组和第三透镜组关于光轴方向相对于像面固定，所述第二透镜组沿光轴朝向图像侧移动，所述第四透镜组在光轴方向上移动，并且
其中所述第一透镜组由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力的第一透镜、具有正折射屈光力并粘合到所述第一透镜的第二透镜、具有正折射屈光力的第三透镜和具有正折射屈光力的第四透镜构成，并且
其中所述第三透镜组由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力并且包括粘合透镜的负部分透镜组和具有正折射屈光力的正部分透镜组构成，并且
其中，满足以下公式(2)：
60.0<v1p<70.0…(2)，其中
v1p：第一透镜组中具有正折射屈光力的透镜关于d线的阿贝数的平均值。
本发明的第四种变焦镜头是包括下述的变焦镜头：
具有正折射屈光力的第一透镜组；
具有负折射屈光力的第二透镜组；
具有正折射屈光力的第三透镜组；和
具有正折射屈光力的第四透镜组，所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组和所述第四透镜组从物体侧顺序地布置，
其中当所述变焦镜头的放大倍率从广角端变化到长焦端时，所述第一透镜组和第三透镜组关于光轴方向相对于像面固定，所述第二透镜组沿光轴朝向图像侧移动，所述第四透镜组在光轴方向上移动，并且
其中所述第一透镜组由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力的第一透镜、具有正折射屈光力并粘合到所述第一透镜的第二透镜、具有正折射屈光力的第三透镜和具有正折射屈光力的第四透镜构成，并且
其中所述第三透镜组由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力并且包括粘合透镜的负部分透镜组和具有正折射屈光力的正部分透镜组构成，并且
其中，满足以下公式(3)：
0.560<f3P／fG1<0.637…(3)，其中
f3P：正部分透镜组的焦距，以及
fG1：第一透镜组的焦距。
在本发明的第一至第四变焦镜头中，理想的是，当所述变焦镜头振动时导致的图像的位移通过使所述正部分透镜组在垂直于所述光轴的方向上移动而被校正。
在本发明的第一至第四变焦镜头中，理想的是，满足以下公式(4)：
2.0≤|f3N|／fG3<7.5…(4)，其中
f3N：负部分透镜组的焦距，以及
fG3：第三透镜组的焦距。
在本发明的第一至第四变焦镜头中，理想的是，满足以下公式(5)：
3.6<|f3N|／fG4<10.0…(5)，其中
f3N：负部分透镜组的焦距，以及
fG4：第四透镜组的焦距。
在本发明的第一至第四变焦镜头中，理想的是，满足以下公式(6)：
18.0<|f3N|／fw<60.0…(6)，其中
f3N：负部分透镜组的焦距，以及
fw：整个系统在广角端处的焦距。
在本发明的第一至第四变焦镜头中，所述正部分透镜组包括粘合透镜。
这里，术语“透镜组”并不表示由多个透镜构成的透镜组，而是也可以是仅由一个透镜构成的透镜组。此外，所使用的术语“由……构成”用于表示基本上由……构成。因此，除了所列举的构成元件之外，还可以额外地包括基本上没有屈光力的透镜，诸如光阑、玻璃罩和滤波器等非透镜的光学元件、透镜法兰、透镜镜筒、成像装置、诸如手抖模糊校正机构等的各种机构等。
在本发明的变焦镜头中，当透镜具有非球面表面时，在近轴区域内考虑透镜表面的形状的符号和折射屈光力的符号。
本发明的一种成像设备包括下述的成像设备：
本发明的第一至第四变焦镜头中的任一种；和
成像装置，所述成像装置对由变焦镜头形成的光学图像进行成像并输出电信号。
本发明的第一变焦镜头包括从物体侧顺序地布置的正的第一透镜组、负的第二透镜组、正的第三透镜组、和正的第四透镜组，并且当变焦镜头的放大倍率改变时，第二透镜组和第四透镜组在光轴方向上移动。在变焦镜头中，第一透镜组的透镜结构被适当地设定。此外，第三透镜组由从物体侧顺序地布置的包括粘合透镜的负透镜组和正透镜组构成，并且正透镜组中最靠近图像侧的透镜的结构被适当地设定。因此，能够获得高性能、高可变放大倍率，小尺寸和低成本，并且能够获得极好的图像。
本发明的第二变焦镜头包括从物体侧顺序地布置的正的第一透镜组、负的第二透镜组、正的第三透镜组、和正的第四透镜组，并且当变焦镜头的放大倍率改变时，第二透镜组和第四透镜组在光轴方向上移动。在变焦镜头中，第一透镜组的透镜结构被适当地设定。此外，第三透镜组由从物体侧顺序地布置的包括粘合透镜的负透镜组和正透镜组构成，并且负透镜组的折射屈光力的大小和正透镜组的折射屈光力的大小被适当地设定以满足公式(1)。因此，能够获得高性能、高可变放大倍率，小尺寸和低成本，并且能够获得极好的图像。
本发明的第三变焦镜头包括从物体侧顺序地布置的正的第一透镜组、负的第二透镜组、正的第三透镜组、和正的第四透镜组，并且当变焦镜头的放大倍率改变时，第二透镜组和第四透镜组在光轴方向上移动。在变焦镜头中，第一透镜组的透镜结构被适当地设定。特别地，第一透镜组中的正透镜的材料被适当地选择以满足公式(2)。此外，第三透镜组由从物体侧顺序地布置的包括粘合透镜的负透镜组和正透镜组构成。因此，能够获得高性能、高可变放大倍率，小尺寸和低成本，并且能够获得极好的图像。
本发明的第四变焦镜头包括从物体侧顺序地布置的正的第一透镜组、负的第二透镜组、正的第三透镜组、和正的第四透镜组，并且当变焦镜头的放大倍率改变时，第二透镜组和第四透镜组在光轴方向上移动。在变焦镜头中，第一透镜组的透镜结构被适当地设定。此外，第三透镜组由从物体侧顺序地布置的包括粘合透镜的负透镜组和正透镜组构成，并且正透镜组的折射屈光力的大小和第一透镜组的折射屈光力的大小被适当地设定以满足公式(3)。因此，能够获得高性能、高可变放大倍率，小尺寸和低成本，并且能够获得极好的图像。
本发明的成像设备包括本发明的变焦镜头。因此，成像设备可以以小尺寸和低成本被构造而成。此外，能够以在高可变放大倍率获得高质量的图像。
附图说明
图1是描绘了本发明的示例1中的变焦镜头的透镜结构的剖视图；
图2是描绘了本发明的示例2中的变焦镜头的透镜结构的剖视图；
图3是描绘了本发明的示例3中的变焦镜头的透镜结构的剖视图；
图4是描绘了本发明的示例4中的变焦镜头的透镜结构的剖视图；
图5是描绘了本发明的示例5中的变焦镜头的透镜结构的剖视图；
图6(A)至图6(L)是本发明的示例1中的变焦镜头的像差图；
图7(A)至图7(L)是本发明的示例2中的变焦镜头的像差图；
图8(A)至图8(L)是本发明的示例3中的变焦镜头的像差图；
图9(A)至图9(L)是本发明的示例4中的变焦镜头的像差图；
图10(A)至图10(L)是本发明的示例5中的变焦镜头的像差图；以及
图11是描绘了根据本发明的一个实施例的成像设备的结构的示意图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。图1是描绘了根据本发明的一个实施例的变焦镜头的结构的一个示例的剖视图，并且对应于随后将要描述的示例1的变焦镜头。图2至图5是描绘了根据本发明的一个实施例的变焦镜头的结构的其它示例的剖视图，并且分别对应于随后将要描述的示例2至5的变焦镜头。在图1至图5中描绘的示例中，基本结构类似，示意性方法也类似。因此，根据本发明的一个实施例的变焦镜头将主要结合图1加以描述。
在图1中，左侧为物体侧，右侧为图像侧。在根据本发明的变焦镜头中，具有正折射屈光力的第一透镜组G1、具有负折射屈光力的第二透镜组G2、具有正折射屈光力的第三透镜组G3、和具有正折射屈光力的第四透镜组G4从物体侧顺序地布置。
图1描绘了其中平行平板状光学元件PP1和PP2被布置在第四透镜组G4和像面Sim之间的示例。近年来，一些成像设备采用3CCD方法，所述方法为每种颜色都使用CCD以改善图像质量。诸如分色棱镜的分色光学系统插入镜头系统和像面之间以处理3CCD方法。此外，当变焦镜头被应用于成像设备时，理想的是基于安装有透镜的照相机的结构，将玻璃罩、各种滤波器(诸如红外线切断滤波器和低通滤波器)等布置在光学系统和像面Sim之间。光学元件PP1、PP2假定为这种分色光学系统、玻璃罩、各种滤波器等。
该变焦镜头被构造成使得当变焦镜头的放大倍率从广角端朝向长焦端变化时，第一透镜组G1和第三透镜组G3关于光轴方向相对于像面Sim固定，第二透镜组G2沿光轴Z朝图像侧移动，并且第四透镜组G4在光轴方向上移动。在图1描绘的示例中，孔径光阑St在放大倍率变化期间固定。在图1中，第二透镜组G2和第四透镜组G4下方的实线箭头分别示意性地描绘了当放大倍率从广角端朝向长焦端变化时第二透镜组G2和第四透镜组G4的移动路径。
本发明的实施例中的变焦镜头采用了后焦方法，并且第四透镜组G4具有用作用于在放大倍率改变时或当与物体的距离变动时校正像面的波动的聚焦组的作用。第四透镜组G4下方的两个实线箭头中的物体侧箭头示意性地描绘了当变焦镜头聚焦于短距离处的物体时第四透镜组G4的移动路径，而两个实线箭头中的图像侧箭头示意性地描绘了当变焦镜头聚焦于无穷远处的物体时第四透镜组G4的移动路径。当在长焦端处焦点从无限远处的物体调整到短距离处的物体时，第四透镜组G4朝向物体侧移动，如两个实线箭头的头部处描绘的虚线箭头所示。
在图1描绘的示例中，孔径光阑St被布置在第二透镜组G2和第三透镜组G3之间。在本发明的实施例的变焦镜头中，正透镜组、负透镜组、正透镜组和正透镜组从物体侧顺序地布置。此外，当放大倍率变化时，第二透镜组G2和第四透镜组G4移动，而第一透镜组G1和第三透镜组G3固定。在这种类型的变焦镜头中，理想的是，孔径光阑St被布置在镜头系统的中间处或靠近镜头系统的之间，如图1所描绘的示例所示。换言之，理想的是，孔径光阑St被布置在第三透镜组G3的物体侧，以减小变焦镜头在直径方向上的尺寸。在图1中，孔径光阑St不需要表示孔径光阑St的尺寸或形状，而是表示在光轴Z上的位置。
第一透镜组G1由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力的第一透镜L11、具有正折射屈光力并且粘合到第一透镜L11的第二透镜L12、具有正折射屈光力的第三透镜L13和具有正折射屈光力的第四透镜L14构成。当试图获得具有高性能和高可变放大倍率的变焦镜头时，第一透镜组G1可能需要包括三个或更多个正透镜的四个或更多个透镜。当第一透镜组G1具有由透镜L11至L14构成的三组四元结构时，如上所述，可以获得高性能和高可变放大倍率，同时通过使透镜数量最小化而降低了尺寸和成本。
例如，第二透镜组G2可以由从物体侧顺序地布置的负弯月透镜L21、双凹透镜L22、双凸透镜L23和具有负折射屈光力并且粘合到透镜L23的透镜L24构成，如图1中的示例所示。当主要负责可变放大倍率功能的第二透镜组G2具有三组四元结构时，如上所述，可以容易地获得高性能和高可变放大倍率，同时变焦镜头以小尺寸被够造而成。
第三透镜组G3由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力并包括粘合透镜的负部分透镜组G3N和具有正折射屈光力的正部分透镜组G3P构成。正部分透镜组G3P可在与光轴Z垂直的方向上移动，并且用作防振透镜组。
在具有高可变放大倍率并且作为本发明的实施例的目标变焦镜头的光学系统中，即使轻微的手抖动也将往往会产生大的图像振动。因此，理想的是，变焦镜头具有防振功能。因此，理想的是，变焦镜头被构造成使得当变焦镜头已经振动时，正部分透镜组G3P在垂直于光轴Z的方向上移动以校正图像的位移。当通过在垂直于光轴Z的方向上偏心地移动依此方式执行防振时，对于用于成像的镜头系统的一部分，将不再需要专用于防振的额外的光学系统，。
与用于仅使用一个成像装置的1CCD方法的镜头系统相比，在用于使用三个成像装置的3CCD方法的镜头系统中，需要用于插入分色光学系统的长的后焦距。通常，在作为本发明的实施例中的变焦镜头的这种类型的光学系统中，第三透镜组G3的折射屈光力变弱，并且第三透镜组G3在垂直于光轴的方向上的偏心灵敏度变小，以获得长的后焦距。如果整个第三透镜组G3在垂直于光轴的方向上偏心地移动以执行防振，则第三透镜组G3的移动量变大，并且第三透镜组G3中的透镜的有效孔径变大。因此，镜头系统的尺寸和设备的尺寸将变大。
因此，第三透镜组G3被分成负部分透镜组G3N和正部分透镜组G3P。随后，强正折射屈光力被赋予正部分透镜组G3P，并且仅正部分透镜组G3P在垂直于光轴的方向上偏心地移动以执行防振。因此，可以抑制正部分透镜组G3P的移动量和镜头系统及设备的尺寸。此外，如果负部分透镜组G3N的折射屈光力被适当地设定以抵消正部分透镜组G3P的强正折射屈光力，则可以获得长的后焦距。
此外，负部分透镜组G3N与正部分透镜组G3P在第三透镜组G3中的从物体侧的这种布置也有助于长后焦距，这是因为负部分透镜组G3N能够立即将从负的第二透镜组G2输出的光朝向远离光轴的方向引导。
如果正部分透镜组G3P被用作用于防振的透镜组，则需要用于驱动正部分透镜组G3P的驱动机构的空间。因此，理想的是，正部分透镜组G3P被定位为远离孔径光阑St。由于孔径光阑St往往布置在第三透镜组G3的物体侧，如上所述，因此理想的是将正部分透镜组G3P定位在第三透镜组G3的图像侧。因此，出于该原因，第三透镜组G3中的前述布置是合适的。
理想的是包括于负部分透镜组G3N中的粘合透镜由粘合在一起的正透镜和负透镜构成。这可以有助于色像差矫正与尺寸减小之间的极好的平衡。例如，负部分透镜组G3N可以仅由粘合透镜组成，该粘合透镜由从物体侧顺序地布置并粘合在一起的的具有正折射屈光力的透镜L31和具有负折射屈光力的透镜L32构成，如图1中所示。当透镜的数量依此方式被最小化时，可以减小尺寸和降低成本。
透镜L31可以是平凸透镜或双凸透镜。理想的是，透镜L32是双凹透镜，使得确保负部分透镜组G3N所需的负折射屈光力。
理想的是，正部分透镜组G3P中最靠近图像侧的透镜是负弯月透镜，所述负弯月透镜具有朝向图像侧指向的凹表面。在具有正折射屈光力的正部分透镜组G3P中将具有这种形状的透镜布置在最靠近图像侧有利于矫正横向色像差，并且可以获得高分辨率。此外，理想的是，负弯月透镜是单透镜而不是粘合透镜，以用于像差校正的目的。
理想的是，正部分透镜组G3P包括至少一个负透镜。当正部分透镜组具有一个或多个负透镜时，可以减少因正部分透镜组G3P单独产生的像差的量。因此，当正部分透镜组G3P被用作用于防振的透镜组，并且在垂直于光轴Z的方向上偏心地移动时，可以容易地校正偏心移动产生的各种像差的波动。
正部分透镜组G3P可采用两组二元结构，其中，两个简单的透镜，即，双凸透镜L33和负弯月透镜L34从物体侧顺序地布置，例如，如图1中所示。该结构能够限制透镜的数量，并减小尺寸和降低成本。此外，当正部分透镜组G3P被用作用于防振的透镜组时，可以通过以这种方式使透镜数量最小化而减小尺寸和重量。此外，可以限制驱动系统上的载荷。
可替换地，正部分透镜组G3P可以包括粘合透镜，并且这有利于色像差的极好校正。当正部分透镜组G3P被用作用于防振的透镜组时，如果正部分透镜组G3P包括粘合透镜，则可以减小正部分透镜组G3P在垂直于光轴Z的方向上偏心地移动时产生的色向像差的波动。
当正部分透镜组G3P包括粘合透镜时，正部分透镜组G3P可采用两组三元结构，例如，如图2所示。该结构可以由从物体侧顺序地设置的双凸透镜L33、粘合到透镜L33的负弯月透镜L34、和作为单透镜的负弯月透镜L35构成。
理想的是，正部分透镜组G3P包括至少一个非球面表面。这可以进行像差的极好校正。当正部分透镜组G3P被用作用于防振的透镜组时，如果正部分透镜组G3P包括一个或多个非球面表面，则可以容易极好地校正在防振期间产生的偏心像差。
当正部分透镜组G3P具有两组二元结构时，如上所述，理想的是在物体侧的双凸透镜为非球面透镜。这有利于球面像差的极好校正。当正部分透镜组G3P具有两组三元结构时，如上所述，理想的是最靠近图像侧的负弯月透镜为非球面透镜。这有利于极好地校正像面弯曲。
第四透镜组G4可以具有例如由具有正折射屈光力的两个透镜和具有负折射屈光力的一个透镜构成的三元结构。例如，在图1描绘的示例中，第四透镜组G4由从物体侧顺序地布置的正透镜L41、负透镜L42和正透镜L43构成。
此外，理想的是，根据本发明的实施例的变焦镜头适当地满足下述公式(1)至(6)。作为理想的模式，下述公式之一可以被满足。可替换地，也可以满足多个公式的组合。
0.2<f3P／|f3N|<0.35    …(1)
60.0<v1p<70.0    …(2)
0.560<f3P／fG1<0.637    …(3)
2.0≤|f3N|／fG3<7.5    …(4)
3.6<|f3N|／fG4<10.0    …(5)
18.0<|f3N|／fw<60.0    …(6)，其中：
f3P：正部分透镜组G3P的焦距，
f3N：负部分透镜组G3N的焦距，
v1p：第一透镜组G1中的具有正折射屈光力的透镜关于d线的阿贝数的平均值，
fG1：第一透镜组G1的焦距，
fG3：第三透镜组G3的焦距，
fG4：第四透镜组G4的焦距，和
fw：整个系统在广角端处的焦距。
接下来，将描述上述每个公式的作用和效果。公式(1)与构成第三透镜组G3的负部分透镜组G3N与正部分透镜组G3P的折射屈光力的大小之间的比值有关。当该值超过公式(1)的上限时，像面在长焦端校正不足，并且性能恶化。此外，当该值超过公式(1)的上限时，正部分透镜组G3P的折射屈光力变弱。因此，当正部分透镜组G3P被用作用于防振的透镜组时，正部分透镜组G3P的移动量变大。因此，设备的尺寸变大。
当所述值低于公式(1)的下限时，像面弯曲校正不足。此外，负部分透镜组G3N的折射屈光力变弱，并且后焦距变短。因此，难以确保插入分色光学系统所需的空间。
因此，更理想的是满足下述公式(1—1)而不是公式(1)：
0.3<f3P／|f3N|<0.35…(1—1)。
公式(2)与包括在第一透镜组G1中的正透镜的阿贝数的平均值有关。如上所述，第一透镜组G1可能需要包括三个或更多个正透镜的四个或更多个透镜以获得具有高可变放大倍率的高性能变焦镜头。此外，即使当需要更高的性能时，具有异常色散特性的材料科用在第一透镜组G1中以校正在长焦端处的色像差。然而，这种材料的成本通常很高。此外，与其它透镜组的有效直径相比，第一透镜组G1的有效直径大。因此，第一透镜组G1的成本的影响在整个镜头系统中是最高的。
当所述值超过公式(2)的上限时，具有异常色散特性的高成本材料被使用。因此，镜头系统的成本变高。相反，当所述值低于公式(2)的下限时，长焦端处的色像差增加，并且色像差的校正变得困难。尤其是，纵向色像差的校正变得困难。
因此，更理想的是满足下面的公式(2—1)而不是公式(2)：
64.0<v1p<69.0…(2—1)。
公式(3)与正部分透镜组G3P的折射屈光力与第一透镜组G1的折射屈光力之间的比值有关。当该值超出公式(3)的上限时，广角端处的纵向色像差和横向色像差增加，并且性能恶化。相反，当该值小于公式(3)的下限时，像面在广角端处校正不足，并且在长焦端处纵向色像差变得更差。因此，性能恶化。
因此，更理想的是满足下面的公式(3—1)而不是公式(3)：
0.580<f3P／fG1<0.635…(3—1)。
公式(4)与向第三透镜组G3中的负部分透镜组G3N分配的折射屈光力有关。当该值超过公式(4)的上限时，负部分透镜组G3N的折射屈光力变弱，并且后焦距变短。因此，变得不可能确保插入分色光学系统所需的空间。相反，如果该值低于公式(4)的下限，则负部分透镜组G3N的折射屈光力变强，引导光线朝向远离光轴Z的方向的负部分透镜组G3N的发散作用变强。因此，位于负部分透镜组G3N的图像侧的正部分透镜组G3P的有效直径变大。因此，重量和成本增加。
因此，更理想的是满足下面的公式(4—1)而不是公式(4)：
2.0≤|f3N|／fG3<4.0…(4—1)。
公示(5)与负部分透镜组G3N与第四透镜组G4的折射屈光力的大小之间的比值有关。当该值超出公式(5)的上限时，在广角端处的纵向色差像和横向色像差变得更差，并且性能恶化。相反，当该值低于公式(5)的下限时，在长焦端处的横向色像差增加。
因此，更理想的是满足下面的公式(5—1)而不是公式(5)：
3.8<|f3N|／fG4<7.5…(5—1)。
公式(6)与向整个系统中的负部分透镜组G3N分配的折射屈光力有关。当该值超出公式(6)的上限时，负部分透镜组G3N的折射屈光力变弱，并将变得不可能确保插入分色光学系统所需的空间。此外，像面弯曲校正不足，并且性能恶化。
当该值低于公式(6)的下限时，负部分透镜组G3N的折射屈光力变强。因此，重量和成本增加，真是因为正部分透镜组G3P的有效直径变大。此外，当该值小于公式(6)的下限时，如果正部分透镜组G3P被用作用于防振的透镜组并且移动，则像面弯曲变得更差。
因此，更理想的是满足下面的公式(6—1)而不是公式(6)。此外，进一步理想的是是满足下面的公式(6-2)：
18.0<|f3N|／fw<35.0...(6—1)；和
20.0<|f3N|／fw<35.0…(6—2)。
根据本发明的实施例的变焦镜头，通过适当地采用前述结构，可以提供具有例如约20倍的高可变放大倍率的高性能的变焦镜头，并且其尺寸和成本被降低。因此，可获得极好的图像。
这里，当本发明的实施例中的变焦镜头需要耐环境特性时，理想的是，整个系统中布置在最靠近物体侧的透镜由玻璃材料制成。当变焦镜头在户外用于监视照相机等时，布置在最靠近物体侧的透镜持续地暴露于阳光之下。因此，如果布置在最靠近物体侧的透镜为塑料透镜，则可能出现质量的恶化和改变。
当根据本发明的实施例中的变焦镜头被用于恶劣条件下时，理想的是，可以涂敷多层保护涂层。除了保护涂层之外，也可以涂敷用于在使用期间减少鬼光等的抗反射涂层。
在图1描绘的示例中，光学元件PP1、PP2被布置在镜头系统和成像平面之间。代替布置诸如低通滤波器和切断特定波长带的滤波器的各种滤波器，各种滤波器也可以被布置在透镜之间。可替换地，与各种滤波器具有类似作用的涂层可以被涂敷到其中一个透镜的透镜表面上。
接下来将描述本发明中的变焦镜头的数值示例。图1至图5分别描绘了示例1至5中的变焦镜头的透镜剖视图。
表1给出了示例1的变焦镜头的基本透镜数据，表2给出了变焦数据，表3给出了非球面表面数据。类似地，表4至表15给出了示例2至示例5的变焦镜头的基本透镜数据、变焦数据和非球面表面数据。接下来，将以示例1的表为例，描述各表中的符号的含义。示例2至示例5的表中的符号的含义基本上类似。
在表1的基本透镜数据中，Si栏示出第i(i=1，2，3，…)个表面的表面编号。最靠近物体侧表面元件的表面编号是一，并且表面编号向着图像侧顺序地增加。Ri栏示出第i个表面的曲率半径。Di栏示出光轴Z上第i个表面和第(i+1)个表面之间的距离。曲率半径的符号在表面的形状向着物体侧凸起时为正而在表面的形状向着图像侧凸起时为负。
在基本透镜数据中，Ndj栏示出了当最靠近物体透镜为第一构成元件时第j(j＝1，2，3，…)个构成元件相对于d线(波长为587.6nm)的折射率，并且j的值朝向图像侧顺序地增加。此外，vdj栏示出了第j个构成元件相对于d线的阿贝数。基本透镜数据包括孔径光阑St。此外，符号“∞(孔径光阑)”被写在曲率半径栏中与孔径光阑对应的一排中。
在表1的基本透镜数据中，D7、D14、D22和D27为在放大倍率变化期间变化的距离。D7是第一透镜组G1与第二透镜组G2之间的距离，D14是第二透镜组G2与孔径光阑St之间的距离，D22是第三透镜组G3与第四透镜组G4之间的距离，D27是第四透镜组G4与光学元件PP1之间的距离。然而，在示例2中，D23和D28分别用于替代D22和D27。在示例3中，D23和D29被分别用于替代D22和D27。
表2中的变焦数据给出了当放大倍率在广角端、中间焦距位置、和长焦端的变化期间整个系统的焦距(f’)、F数(Fno.)、全视场角(2ω)以及变化的表面之间的距离。
在表1的透镜数据中，标记*附于非球面的表面编号。表示1给出了作为非球面表面的曲率半径的近轴曲率半径的数值。表3中的非球面数据给出了非球面表面的表面编号和关于非球面表面的非球面表面系数。在表3中的非球面表面数据的数值中，“E-n”(n为整数)表示“×10-n”。在下面的非球面表面公式中，非球面表面系数为系数KA，Am(m=3，4，5，...20)：
Zd=C·h2／{1+(1-K·C2·h2)1／2}+∑Am·hm，其中
其中：
Zd：非球面表面的深度(从非球面表面上高度h处的点到与非球面表面的顶点接触并垂直于光轴的平面的垂直长度)，
h：高度(从光轴至透镜表面的长度)，
C：近轴曲率，以及
Km，Am：非球面表面系数(m=4，6，8，10)。
下列表中给出了圆整到预定数位的数值。此外，下列表中的数据使用度作为角度的单位，并且使用毫米(mm)用作长度单位。然而，由于光学系统在使用时可以成比例地放大或缩小，因此其它适当的单位也可以使用。
[表1]
Figure BDA0000390781660000171
[表2]
示例1变焦数据
因子 广角端 中间 长焦端
f’ 4.677 27.782 91.205
Fno 1.66 2.72 3.40
2ω 69.4 12.6 3.8
D7 0.900 27.834 36.595
D14 37.859 10.924 2.163
D22 11.155 5.254 11.134
D27 8.948 14.848 8.968
[表3]
Figure BDA0000390781660000181
[表4]
Figure BDA0000390781660000191
[表5]
示例2变焦数据
因子 广角端 中间 长焦端
f’ 4.647 27.600 90.607
Fno 1.66 2.78 3.51
2ω 69.7 12.9 3.9
D7 0.900 30.235 40.395
D14 41.810 12.475 2.315
D23 11.301 5.134 10.112
D28 3.000 9.167 4.189
[表6]
Figure BDA0000390781660000201
[表7]
Figure BDA0000390781660000211
[表8]
示例3变焦数据
因子 广角端 中间 长焦端
f’ 4.685 27.827 91.352
Fno 1.66 2.79 3.51
2ω 69.7 12.4 3.8
D7 0.900 30.616 39.886
D14 41.363 11.648 2.377
D23 9.196 3.803 9.550
D29 3.000 8.393 2.646
[表9]
Figure BDA0000390781660000221
[表10]
Figure BDA0000390781660000231
[表11]
示例4变焦数据
因子 广角端 中间 长焦端
f’ 4.664 27.701 90.939
Fno 1.66 2.72 3.40
2ω 69.5 12.6 3.8
D7 0.900 27.611 36.336
D14 37.499 10.787 2.063
D22 10.970 5.202 11.228
D27 3.000 8.769 2.742
[表12]
Figure BDA0000390781660000241
[表13]
Figure BDA0000390781660000251
[表14]
示例5变焦数据
因子 广角端 中间 长焦端
f’ 4.693 27.876 91.514
Fno 1.66 2.72 3.41
2ω 69.1 12.5 3.8
D7 0.900 26.812 35.360
D14 36.275 10.364 1.815
D22 11.255 5.366 11.132
D27 3.000 8.889 3.123
[表15]
Figure BDA0000390781660000261
所有示例1至5中，每个系统都由从物体侧顺序地布置的正的第一透镜组G1、负的第二透镜组G2、正的第三透镜组G3、和正的第四透镜组G4构成。此外，当放大倍率从广角端朝向长焦端变化时，第一透镜组G1和第三透镜组G3关于光轴方向相对于像面固定，第二透镜组G2沿光轴Z朝图像侧移动，第四透镜组G4在光轴方向上移动。通过这种方式，由放大倍率变化导致的像面的波动或到物体的距离的波动被校正。此外，在所有示例1至5中，第三透镜组G3由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力的负部分透镜组G3N和具有正折射屈光力的正部分透镜组G3P构成，并且当变焦镜头振动时，正部分透镜组G3P在垂直于光轴Z的方向上移动以校正图像的位移。
表16给出了与示例1至5的变焦镜头中与公式(1)至(6)对应的数值。表16给出了d线的数值。
[表16]
公式 示例1 示例2 示例3 示例4 示例5
(1)f3P／|f3N| 0.31 0.22 0.24 0.32 0.34
(2)v1p 64.8 64.8 84.1 64.8 68.8
(3)f3P/fG1 0.623 0.631 0.595 0.596 0.586
(4)|f3N|／fG3 2.2 3.0 3.1 2.0 2.5
(5)|f3N|／fG4 4.2 6.8 5.7 4.2 4.0
(6)|f3N|/fw 21.8 34.8 29.3 20.1 18.9
图6(A)至图6(D)分别描绘了示例1的变焦镜头处于广角端的球面像差、像散、畸变(畸变像差)、和横向色像差(放大倍率的色像差)。图6(E)至图6(H)分别描绘了示例1的变焦镜头处于中间焦距位置的球面像差、像散、失真畸变(畸变像差)、和横向色像差(放大倍率的色像差)。图6(I)至图6(L)分别示出了示例1的变焦镜头处于长焦端的球面像差、像散、畸变(畸变像差)、和横向色像差(放大倍率的色像差)。
每个像差图使用d线作为参照。此外，球面像差图还描绘了关于g线(波长436nm)和c线(波长和656.3nm)的像差。此外，横向色像差图还描绘了关于g线和c线的像差。在像散的曲线图中，径向方向上的像差由实线表示，切线方向上的像差虚线表示。在球面像差的图中，Fno.表示F-数，并且在其它像差图中，ω表示视场角的一半。
类似地，图7(A)至图7(L)描绘了示例2的变焦镜头分别处于广角端、中间焦距位置、和长焦端时的像差图。图8(A)至图8(L)描绘了示例3的变焦镜头分别处于广角端、中间焦距位置、和长焦端时的像差图。图9(A)至图9(L)描绘了示例4的变焦镜头分别处于广角端、中间焦距位置、和长焦端时的像差图。图10(A)至图10(L)描绘了示例5的变焦镜头分别处于广角端、中间焦距位置、和长焦端时的像差图。
接下来将描述根据本发明实施例的成像设备。图11是作为根据本发明实施例的成像设备的一个示例的使用了根据本发明实施例的变焦镜头1的成像设备10的结构示意图。该成像设备例如是监视照相机、摄影机、电子静态式照相机等。
图11中描绘的成像设备10包括变焦镜头1、滤波器2、成像装置3、信号处理单元4、可变放大倍率控制单元5、和聚焦控制单元6。滤波器2被布置在变焦镜头1的图像侧。成像装置3对由变焦镜头1形成的物体的图像进行成像。信号处理单元4对成像装置3输出的输出信号执行操作处理。可变放大倍率控制单元5改变变焦镜头1的放大倍率。聚焦控制单元6调节聚焦。
变焦镜头1包括：正的第一透镜组G1，其在改变放大倍率的期间保持固定；负的第二透镜组G2，其在改变放大倍率的期间沿光轴Z移动；孔径光阑St；正的第三透镜组G3，其在改变放大倍率的期间保持固定；和第四透镜组，其在改变放大倍率期间或到物体的距离波动的期间沿光轴Z移动以调节聚焦。在图11中，每个透镜组被示意性地描绘。成像装置3对由变焦镜头1形成的光学图像进行成像，并输出电信号。成像装置3的成像表面被布置成与变焦镜头1的像面匹配。例如，CCD，CMOS等可用作成像装置3。
尽管图11中未描绘，但是成像设备10还可包括模糊校正控制单元。模糊校正控制单元在与光轴Z垂直的方向上移动具有正折射屈光力并构成第三透镜组G3的一部分的正部分透镜组G3P，以校正待被成像的图像中由于振动和手抖而导致的模糊。
至此，已经通过使用实施例和示例描述了本发明。然而，本发明不仅限于前述实施例或示例，各种修改都是可能的。例如，每个透镜元件的诸如曲率半径、表面之间的距离、折射率、阿贝数和非球面表面系数的值都不仅限于前述数值示例中的值，也可以是其它值。

Claims (17)

1.一种变焦镜头，包括：
具有正折射屈光力的第一透镜组；
具有负折射屈光力的第二透镜组；
具有正折射屈光力的第三透镜组；和
具有正折射屈光力的第四透镜组，所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组、和所述第四透镜组从物体侧顺序地布置，
其中当所述变焦镜头的放大倍率从广角端变化到长焦端时，所述第一透镜组和第三透镜组关于光轴方向相对于像面固定，所述第二透镜组沿光轴朝向图像侧移动，所述第四透镜组在光轴方向上移动，并且
其中所述第一透镜组由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力的第一透镜、具有正折射屈光力并粘合到所述第一透镜的第二透镜、具有正折射屈光力的第三透镜和具有正折射屈光力的第四透镜构成，以及
其中所述第三透镜组由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力并包括粘合透镜的负部分透镜组和具有正折射屈光力的正部分透镜组构成，以及
其中所述正部分透镜组中最靠近图像侧的透镜为具有朝向所述图像侧指向的凹面的负弯月透镜。
2.一种变焦镜头，包括
具有正折射屈光力的第一透镜组；
具有负折射屈光力的第二透镜组；
具有正折射屈光力的第三透镜组；和
具有正折射屈光力的第四透镜组，所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组和所述第四透镜组从物体侧顺序地布置，
其中当所述变焦镜头的放大倍率从广角端变化到长焦端时，所述第一透镜组和第三透镜组关于光轴方向相对于像面固定，所述第二透镜组沿光轴朝向图像侧移动，所述第四透镜组在光轴方向上移动，并且
其中所述第一透镜组由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力的第一透镜、具有正折射屈光力并粘合到所述第一透镜的第二透镜、具有正折射屈光力的第三透镜和具有正折射屈光力的第四透镜构成，以及
其中，所述第三透镜组由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力并包括粘合透镜的负部分透镜组和具有正折射屈光力的正部分透镜组构成，并且
其中，满足以下公式(1)：
0.2<f3P／|f3N|<0.35…(1)，其中
f3P：正部分透镜组的焦距，以及
f3N：负部分透镜组的焦距。
3.根据权利要求2所述的变焦镜头，其中，满足以下公式(1—1)：
0.3<f3P／|f3N|<0.35…(1—1)。
4.一种变焦镜头，包括
具有正折射屈光力的第一透镜组；
具有负折射屈光力的第二透镜组；
具有正折射屈光力的第三透镜组；和
具有正折射屈光力的第四透镜组，所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组和所述第四透镜组从物体侧顺序地布置，
其中当所述变焦镜头的放大倍率从广角端变化到长焦端时，所述第一透镜组和第三透镜组关于光轴方向相对于像面固定，所述第二透镜组沿光轴朝向图像侧移动，所述第四透镜组在光轴方向上移动，并且
其中所述第一透镜组由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力的第一透镜、具有正折射屈光力并粘合到所述第一透镜的第二透镜、具有正折射屈光力的第三透镜和具有正折射屈光力的第四透镜构成，并且
其中所述第三透镜组由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力并包括粘合透镜的负部分透镜组和具有正折射屈光力的正部分透镜组构成，并且
其中，满足以下公式(2)：
60.0<v1p<70.0…(2)，其中
v1p：第一透镜组中具有正折射屈光力的透镜关于d线的阿贝数的平均值。
5.根据权利要求4所述的变焦镜头，其中，满足以下公式(2—1)：
64.0<v1p<69.0…(2—1)。
6.一种变焦镜头，包括
具有正折射屈光力的第一透镜组；
具有负折射屈光力的第二透镜组；
具有正折射屈光力的第三透镜组；和
具有正折射屈光力的第四透镜组，所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组和所述第四透镜组从物体侧顺序地布置，
其中当所述变焦镜头的放大倍率从广角端变化到长焦端时，所述第一透镜组和第三透镜组关于光轴方向相对于像面固定，所述第二透镜组沿光轴朝向图像侧移动，所述第四透镜组在光轴方向上移动，并且
其中所述第一透镜组由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力的第一透镜、具有正折射屈光力并粘合到所述第一透镜的第二透镜、具有正折射屈光力的第三透镜和具有正折射屈光力的第四透镜构成，并且
其中所述第三透镜组由从物体侧顺序地布置的具有负折射屈光力并且包括粘合透镜的负部分透镜组和具有正折射屈光力的正部分透镜组构成，并且
其中，满足以下公式(3)：
0.560<f3P／fG1<0.637…(3)，其中
f3P：正部分透镜组的焦距，以及
fG1：第一透镜组的焦距。
7.根据权利要求6所述的变焦镜头，其中，满足以下公式(3—1)：
0.580<f3P／fG1<0.635…(3-1)。
8.根据权利要求1—7中任一项所述的变焦镜头，其中，当所述变焦镜头振动时导致的图像的位移通过使所述正部分透镜组在垂直于所述光轴的方向上移动而被校正。
9.根据权利要求1—8中任一项所述的变焦镜头，其中，满足以下公式(4)：
2.0≤|f3N|／fG3<7.5…(4)，其中
f3N：负部分透镜组的焦距，以及
fG3：第三透镜组的焦距。
10.根据权利要求9所述的变焦镜头，其中，满足以下公式(4—1)：
2.0≤|f3N|／fG3<4.0…(4—1)。
11.根据权利要求1—10中任一项所述的变焦镜头，其中，满足以下公式(5)：
3.6<|f3N|／fG4<10.0…(5)，其中
f3N：负部分透镜组的焦距，以及
fG4：第四透镜组的焦距。
12.根据权利要求11所述的变焦镜头，其中，满足以下公式(5—1)：
3.8<|f3N|／fG4<7.5…(5—1)。
13.根据权利要求1—12中任一项所述的变焦镜头，其中，满足以下公式(6)：
18.0<|f3N|／fw<60.0…(6)，其中
f3N：负部分透镜组的焦距，以及
fw：整个系统在广角端处的焦距。
14.根据权利要求13所述的变焦镜头，其中，满足以下公式(6-1)：
18.0<|f3N|／fw<35.0…(6—1)。
15.根据权利要求13所述的变焦镜头，其中，满足以下公式(6—2)：
20.0<|f3N|／fw<35.0…(6—2)。
16.根据权利要求1、2和4—15中任一项所述的变焦镜头，其中，所述正部分透镜组包括粘合透镜。
17.一种成像设备，包括：
权利要求1—16中任一项所述的变焦镜头；和
成像装置，所述成像装置对由所述变焦镜头形成的光学图像进行成像并输出电信号。
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