CN103576300A - 可变焦距镜头系统和图像拾取单元 - Google Patents
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Abstract
提供了可变焦距镜头系统和图像拾取单元。该可变焦距镜头系统包括：交替地具有负和正屈光力的第一到第四透镜组；以及孔径光阑；布置第一到第四透镜组以允许减少第一和第二透镜组之间的间隔，并且改变第二和第三透镜组之间以及第三和第四透镜组之间的间隔，从而实现镜头系统从广角端状态到远摄端状态的转变，第三透镜组移动以允许补偿由被摄体位置变化导致的像平面位置变化，并满足下列条件表达式，0.05<Da/R3a<0.5……（1）其中Da是在广角端状态下第三透镜组中从孔径光阑S到最图像侧透镜表面的距离，并且R3a是第三透镜组中最图像侧透镜表面的曲率半径。
Description
技术领域
本公开涉及例如适用于数字摄像机、数字相机等的可变焦距镜头系统，以及涉及使用这种可变焦距镜头系统的图像拾取单元。具体地，本公开适用于一种可变焦距镜头系统，所述可变焦距镜头系统在广角端状态下在35mm转换中具有覆盖从大约14mm到大约16mm的视角的视角，具有从大约2.8到大约4的打开F-值以及大约2的变焦比。
背景技术
作为在相机中使用的记录方法，已知在使用例如CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）之类的光电转换器件的图像拾取设备的平面上形成被摄体图像，并且由每个光电转换器件将被摄体图像的光量转换为电输出以便记录的方法。
另一方面，根据微细加工技术的最新进展，已实现中央处理单元（CPU）的高速度、记录介质的高集成度等。因此，已允许以高速处理曾经不能处理的高容量图像数据。此外，在光电转换器件中还实现了高集成度和尺寸减小。光电转换器件的高集成度允许以更高的间隔频率进行记录，并且光电转换器件的尺寸减小导致相机整体的尺寸减小。
然而，由于上面描述的高集成度和尺寸减小，单个光电转换器件的光接收区域变得更小，其导致噪声的影响根据减小的电输出变得更大的问题。为了防止这个问题，通过增加光学系统的孔径比（aperture ratio）增加了到达光电转换器件的光量。此外，在每个光电转换器件的正前方布置了精细的镜头设备（所谓的微透镜阵列）。这个微透镜阵列将在相邻器件之间到达的光通量引导到所述器件上。然而，替代这种方法，微透镜阵列限制了镜头系统的出射光瞳的位置。当镜头系统的出射光瞳的位置变得更接近光电转换器件时，换句话说，当由光轴和到达光电转换器件的主光束形成的角度变大时，向着屏幕外围移动的离轴光通量形成相对于光轴的大的角度。作为结果，离轴光通量没有到达光电转换器件，这导致光量不足。
在覆盖广视角范围的变焦镜头中，通常在最对象侧（most-object-sided）位置处布置具有负屈光力的透镜组。更具体地，已知所谓的负-正两组变焦透镜，其从物平面依次包括具有负屈光力的第一透镜组和具有正屈光力的第二透镜组（例如，参见日本未审查专利申请公布No.2004-21223）。此外，已知所谓的负-正-负-正四组变焦透镜，其从物平面依次包括具有负屈光力的第一透镜组，具有正屈光力的第二透镜组，具有负屈光力的第三透镜组，和具有正屈光力的第四透镜组（例如，参见日本未审查专利申请公布No.2010-249959、2006-39531和2004-240038）。
发明内容
然而，在负-正两组变焦透镜中，可移动透镜组的数量小，从而，第一透镜组的透镜直径可能大。另一方面，在负-正-负-正四组变焦透镜中，可移动透镜组的数量更大，从而，允许第一透镜组的透镜直径小。然而，例如，如在上面描述的日本未审查专利申请公布No.2010-249959中，在负-正-负-正四组变焦透镜中，第一透镜组被分为两个模块，并且当被摄体距离变化时，在第一透镜组中被布置为更接近像平面的透镜模块作为对焦透镜移动。因此，对焦透镜的透镜直径大，这使得难以驱动对焦透镜。此外，由于在对焦透镜的像平面侧和在物平面侧上提供用于对焦透镜移动的间隔，因此对焦透镜的透镜直径可能很大。
希望提供能够减小尺寸同时覆盖广视角范围的可变焦距镜头系统和图像拾取单元。
根据本公开的实施例，提供一种可变焦距镜头系统，包括：具有负屈光力的第一透镜组；具有正屈光力的第二透镜组；具有负屈光力的第三透镜组；具有正屈光力的第四透镜组；以及在第一透镜组和像平面之间布置的孔径光阑；所述第一到第四透镜组以所提及的顺序从物平面向着像平面布置，并且配置为移动以允许减小所述第一和第二透镜组之间的间隔，以允许改变所述第二和第三透镜组之间的间隔，以及以允许改变所述第三和第四透镜组之间的间隔，从而实现可变焦距镜头系统从广角端状态到远摄端状态的转变，所述第三透镜组移动以允许补偿由被摄体位置变化导致的像平面位置变化，并满足下列条件表达式，
0.05<Da/R3a<0.5……（1）
其中Da是在广角端状态下从孔径光阑到第三透镜组中的最图像侧透镜表面的距离，并且R3a是第三透镜组中最图像侧透镜表面的曲率半径。
根据本发明的实施例，提供具有可变焦距镜头系统和基于由所述可变焦距镜头系统形成的光学图像输出图像拾取信号的图像拾取设备的图像拾取单元，所述可变焦距镜头系统包括：具有负屈光力的第一透镜组；具有正屈光力的第二透镜组；具有负屈光力的第三透镜组；具有正屈光力的第四透镜组；以及在所述第一透镜组和像平面之间布置的孔径光阑；所述第一到第四透镜组以所提及的顺序从物平面向着像平面布置，并且配置为移动以允许减小所述第一和第二透镜组之间的间隔，以允许改变所述第二和第三透镜组之间的间隔，以及以允许改变所述第三和第四透镜组之间的间隔，从而实现可变焦距镜头系统从广角端状态到远摄端状态的转变，所述第三透镜组移动以允许补偿由被摄体位置变化导致的像平面位置变化，并满足下列条件表达式，
0.05<Da/R3a<0.5……（1）
其中Da是在广角端状态下从孔径光阑到第三透镜组中的最图像侧透镜表面的距离，并且R3a是第三透镜组中最图像侧透镜表面的曲率半径。
在根据本公开的实施例的可变焦距镜头系统和图像拾取单元中，优化每个透镜组的配置，并且第三透镜组移动以允许在整个四组变焦透镜配置中校正根据被摄体的位置变化的像平面的位置变化。
根据本公开的实施例的可变焦距镜头系统和图像拾取单元，整个镜头系统具有四组变焦透镜配置，并且在优化每个透镜组的配置的同时使用第三透镜组执行对焦。因此，在覆盖广视角范围的同时，实现了尺寸减小。
应理解上述概括描述和下列详细描述都是示例性的，并意图提供如权利要求的本技术的进一步说明。
附图说明
包括附图以便提供本公开的进一步理解，并且所述附图合并在这个说明书中并构成所述说明书的部分。与说明书一起，所述附图图示实施例并用于解释本技术的原理。
图1是图示根据本公开的实施例的可变焦距镜头系统中相应的透镜组的屈光力布置以及当放大倍率变化时相应的透镜组的移动状态的说明图；
图2图示根据本公开的实施例的可变焦距镜头系统的第一配置示例，并且是与数值示例1对应的透镜剖视图；
图3是图示当在广角端状态下对焦无穷远处的对象时与数值示例1对应的可变焦距镜头系统的球面象差、像散、畸变和横向象差的象差图；
图4是图示当在中间焦距状态下对焦无穷远处的对象时与数值示例1对应的可变焦距镜头系统的球面象差、像散、畸变和横向象差的象差图；
图5是图示当在远摄端状态下对焦无穷远处的对象时与数值示例1对应的可变焦距镜头系统的球面象差、像散、畸变和横向象差的象差图；
图6图示可变焦距镜头系统的第二配置示例，并且是与数值示例2对应的透镜剖视图；
图7是图示当在广角端状态下对焦无穷远处的对象时与数值示例2对应的可变焦距镜头系统的球面象差、像散、畸变和横向象差的象差图；
图8是图示当在中间焦距状态下对焦无穷远处的对象时与数值示例2对应的可变焦距镜头系统的球面象差、像散、畸变和横向象差的象差图；
图9是图示当在远摄端状态下对焦无穷远处的对象时与数值示例2对应的可变焦距镜头系统的球面象差、像散、畸变和横向象差的象差图；
图10图示可变焦距镜头系统的第三配置示例，并且是与数值示例3对应的透镜剖视图；
图11是图示当在广角端状态下对焦无穷远处的对象时与数值示例3对应的可变焦距镜头系统的球面象差、像散、畸变和横向象差的象差图；
图12是图示当在中间焦距状态下对焦无穷远处的对象时与数值示例3对应的可变焦距镜头系统的球面象差、像散、畸变和横向象差的象差图；
图13是图示当在远摄端状态下对焦无穷远处的对象时与数值示例3对应的可变焦距镜头系统的球面象差、像散、畸变和横向象差的象差图；
图14图示可变焦距镜头系统的第四配置示例，并且是与数值示例4对应的透镜剖视图；
图15是图示当在广角端状态下对焦无穷远处的对象时与数值示例4对应的可变焦距镜头系统的球面象差、像散、畸变和横向象差的象差图；
图16是图示当在中间焦距状态下对焦无穷远处的对象时与数值示例4对应的可变焦距镜头系统的球面象差、像散、畸变和横向象差的象差图；
图17是图示当在远摄端状态下对焦无穷远处的对象时与数值示例4对应的可变焦距镜头系统的球面象差、像散、畸变和横向象差的象差图；
图18是图示图像拾取单元的配置示例的框图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本公开的实施例。将按下列顺序给出描述。
1.镜头的基本配置
2.每个透镜组的功能
3.条件表达式的描述
4.每个透镜组的期望配置
5.对图像拾取单元的应用的示例
6.镜头的数值示例
7.其他实施例
[1.镜头的基本配置]
图2图示根据本公开的实施例的可变焦距镜头系统的第一配置示例。本配置示例与将稍后描述的数值示例1中的镜头配置对应。图2与在广角端状态下对焦无穷远处的情况下的镜头布置对应。类似地，分别在图6、图10和图14中图示与将稍后描述的数值示例2到4中的镜头配置对应的第二、第三、和第四配置示例的剖面配置。在图2、图6、图10和图14中，符号Simg表示像平面。D7、D11和D13表示根据放大倍率的变化而变化的部分中表面之间的间隔。Bf表示后焦距（从最后的透镜表面到像平面Simg的距离）。Z1表示光轴。
根据本实施例的可变焦距镜头系统实质上具有四个透镜组配置，其中从物平面沿光轴Z1依次布置具有负屈光力的第一透镜组G1，具有正屈光力的第二透镜组G2，具有负屈光力的第三透镜组G3和具有正屈光力的第四透镜组G4。
在所述第一透镜组G1和像平面之间布置孔径光阑S。具体地，在根据第一配置示例的可变焦距镜头系统1（图2）中、在根据第二配置示例的可变焦距镜头系统2（图6）中、和在根据第三配置示例的可变焦距镜头系统3（图10）中在所述第二透镜组G2和所述第三透镜组G3之间布置孔径光阑S。在图14中示出的根据第四配置示例的可变焦距镜头系统4中，在第二透镜组G2的物平面侧上布置孔径光阑S。
图1图示相应的透镜组的屈光力布置以及当放大倍率变化时相应的透镜组的移动状态。当透镜位置状态从焦距最短的广角端状态（W）变化为焦距最长的远摄端状态（T）时，所有透镜组移动，使得减少第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的间隔D7、改变第二透镜组G2和第三透镜组G3之间的间隔D11、并且改变第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的间隔D13。此外，第三透镜组G3沿光轴移动，使得补偿根据主体的位置变化的像平面的位置变化。
[2.每个透镜组的功能]
然后，将描述相应的透镜组的功能。根据本实施例的可变焦距镜头系统允许在广角端状态下第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的间隔D7更大，从而允许穿过第一透镜组G1的离轴光通量远离光轴Z1。因此，良好地校正根据视角的变化的慧形象差的变化。由于通过第一透镜组G1变宽的轴上光通量进入第二透镜组G2，因此第二透镜组G2主要具有校正负球面象差的职责。在第一透镜组G1和第三透镜组G3之间，即，在第二透镜组G2附近布置孔径光阑S，从而，离轴光通量穿过接近光轴Z1的位置。因此，离轴象差的发生量小。因此，在象差校正中第二透镜组G2的功能变得清楚，其实现了更高的性能。为了允许整个镜头系统的屈光力布置接近对称布置，第三透镜组G3具有负屈光力。通过第三透镜组G3的发散功能影响第四透镜组G4。因此，第四透镜组G4具有强的正屈光力并具有形成图像的职责。
在广角端状态下，通过布置第一透镜组G1和第二透镜组G2，使得第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的间隔D7大，允许穿过第一透镜组G1的离轴光通量远离光轴Z1。因此，良好地校正根据视角的变化的慧形象差的变化。通过当透镜位置状态从广角端状态变化为远摄端状态时减小间隔D7，改变穿过第一透镜组G1的离轴光通量的高度，从而，良好地校正根据透镜位置状态的变化的离轴象差的变化。
由于根据本实施例的可变焦距镜头系统覆盖广视角范围，为了实现更高的性能，校正根据透镜位置状态的变化的慧形象差的变化可能是重要的。因此，允许四个透镜组的每个都是可移动透镜组，并且改变第二透镜组G2和第三透镜组G3之间的间隔D11以及第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的间隔D13。
在基于上述配置的本实施例中，在短距离对焦时，移动第三透镜组G3。具体地，通过考虑第三透镜组G3的形状并减小第三透镜组G3的重量，实现自动对焦机制中更高的性能和简化（即，尺寸减小）。为了良好地校正在广角端状态中发生的负畸变，第三透镜组G3的最图像侧（most-image-sided）透镜表面可以优选地具有凹表面面向像平面的形状。然而，当第三透镜组G3中的最图像侧透镜表面是强的凹表面时，屏幕外围中发生的慧形象差变得过大。因此，必须允许第三透镜组G3中的最图像侧透镜表面具有适当的形状。
[3.条件表达式的描述]
然后，将给出根据本实施例的可变焦距镜头系统满足的条件表达式的描述。
根据本实施例的可变焦距镜头系统满足下列条件表达式（1），
0.05<Da/R3a<0.5……（1）
其中Da是在广角端状态下第三透镜组G3中从孔径光阑S到最图像侧透镜表面的距离（参见图2），并且R3a是第三透镜组G3中最图像侧透镜表面的曲率半径。
条件表达式（1）是定义第三透镜组G3的形状的条件表达式，并示出实现屏幕外围中负畸变和慧形象差之间的平衡的条件。当Da/R3a的值大于条件表达式（1）中的上限值时，在屏幕外围发生大量慧形象差，从而，没有获得预定的光学性能。相反，当Da/R3a的值小于条件表达式（1）中的下限值时，难以良好地校正负畸变。
注意，为了获得更好的光学性能，上述条件表达式（1）中的数值范围可以优选地设置为下列条件表达式（1）’中的。
0.05<Da/R3a<0.4……（1）’
在本实施例中，第一透镜组G1可以期望地由三个透镜构成，所述三个透镜从物平面依次包括具有面向像平面的凹表面的弯月形第一负透镜L11，具有面向像平面的凹表面的第二负透镜L12以及具有面向物平面的凸表面的正透镜L13。由于第一负透镜L11允许轴上光通量和离轴光通量穿过其而彼此分离，因此第一负透镜L11具有校正由于视角导致的慧形象差的变化的职责。此外，第二负透镜L12和正透镜L13主要具有校正轴上象差的职责。通过以这种方式使校正象差中的功能清楚，实现更高的性能和减小大小。
此外，第一透镜组G1的配置可以期望地满足下列条件表达式（2），
0.25<fw/|f1|<0.7……（2）
其中fw是在广角端状态下整个可变焦距镜头系统的焦距，并且f1是第一透镜组G1的焦距。
条件表达式（2）是定义第一透镜组G1的焦距的条件表达式。当fw/|f1|的值大于条件表达式（2）中的上限值时，穿过第一透镜组G1的离轴光通量变得接近光轴Z1。因此，难以良好地校正轴上象差和离轴象差，并且没有充分实现更高的性能。相反，当fw/|f1|的值小于条件表达式（2）中的下限值时，难以在广角端状态下确保预定的后聚焦。
在本实施例中，为了实现进一步减小尺寸，条件表达式（2）中的下限值可以被期望地设置为0.3。这样做的一个理由是允许在广角端状态下进入第一透镜组G1的光束接近光轴Z1，其减小透镜直径。
此外，为了获得更良好的光学性能，上述条件表达式（2）中的数值范围可以优选地设置为下列条件表达式（2A）’或（2B）’中的。
0.25<fw/|f1|<0.6……（2A）’
0.35<fw/|f1|<0.7……（2B）’
此外，更优选地设置为下列条件表达式（2）”中的。
0.35<fw/|f1|<0.6……（2）”
在本实施例中，为了在每个透镜组中实现适当的透镜直径，可以期望地在第一透镜组G1和像平面之间布置孔径光阑S。在这种情况下，可以期望地布置孔径光阑S以满足下列条件表达式（3），
2<Ds/Ymax<3……（3）
其中Ds是在广角端状态下从孔径光阑S到像平面的距离（参见图2），并且Ymax是最大图像高度。
由于第一透镜组G1具有负屈光力，第二透镜组G2到第四透镜组G4的组合屈光力是正屈光力。因此，当在接近第一透镜组G1的位置处布置孔径光阑S时，穿过第四透镜组G4的离轴光通量过分远离光轴Z1。相反，当在接近第四透镜组G4的位置处布置孔径光阑S时，穿过第一透镜组G1的离轴光通量过分远离光轴Z1。通过布置孔径光阑S以满足条件表达式（3），适当地设置每个透镜组中的透镜直径，从而实现更高的性能。
为了实现进一步地更高的性能，可以优选地如下列条件表达式（3）’中设置上述条件表达式（3）中的数值范围。
2.3<Ds/Ymax<3……（3）’
在本实施例中，为了良好地校正在广角端状态下可能在屏幕外围发生的慧形象差，可以期望地在第四透镜组G4中在最对象侧位置布置双凸形正透镜L41。在这种情况下，可能希望满足下列条件表达式（4），
-1.3<R4b/Db<-0.4……（4）
其中R4b是在第四透镜组G4中在最对象侧位置处布置的正透镜L41的图像侧透镜表面的曲率半径，并且Db是在广角端状态下从孔径光阑S到正透镜L41的图像侧透镜表面的距离（参见图2）。
在本实施例中，为了良好地校正第四透镜组G4中的慧形象差，可以希望穿过第四透镜组G4的轴上光通量和离轴光通量远离彼此。然而，在向像平面引导光束时，当轴上光通量和离轴光通量过分远离彼此时，在安装部分中发生渐晕（vignetting）。因此，可能希望在第四透镜组G4中在最对象侧位置处布置正透镜L41从而会聚离轴光通量。具体地，通过考虑正透镜L41的形状，允许改进广角端状态下屏幕外围的性能。当R4b/Db的值低于条件表达式（4）中的下限值时，穿过最后的透镜的离轴光通量远离光轴Z1。因此，在连接镜头和相机体的安装位置处阻塞光通量，从而，没有获得预定量的外围光。当R4b/Db的值大于条件表达式（4）中的上限值时，在屏幕外围发生大量慧形象差，从而没有实现进一步地更高的性能。
为了实现进一步地更高的性能，可以优选地如下列条件表达式（4A）’或（4B）’中设置上述条件表达式（4）的数值范围。
-1.2<R4b/Db<-0.4……（4A）’
-1.3<R4b/Db<-0.55……（4B）’
此外，可以优选地如下列条件表达式（4）”设置。
-1.2<R4b/Db<-0.55……（4）”
注意，在本实施例中，为了更好地校正球面象差以便实现更高的性能，可以期望满足下列条件表达式（5），
0.35<fw/f2<0.55……（5）
其中f2是第二透镜组G2的焦距。
条件表达式（5）是定义第二透镜组G2的焦距的条件表达式。当fw/f2的值大于条件表达式（5）中的上限值时，难以良好地校正在第二透镜组G2中发生的负球面象差，从而没有实现进一步地更高的性能。相反，当fw/f2的值小于条件表达式（5）中的下限值时，镜头的整个长度变得过大，这违背了镜头系统的大小减小。
为了实现进一步地更高的性能，可以优选地如下列条件表达式（5A）’或（5B）’设置上述条件表达式（5）的数值范围。
0.4<fw/f2<0.55……（5A）’
0.35<fw/f2<0.5……（5B）’
此外，可以优选地如下列条件表达式（5）”设置。
0.4<fw/f2<0.5……（5）”
如上所述，根据本实施例，整个镜头系统具有四组变焦透镜配置，并且在优化每个透镜组的配置的同时，由第三透镜组G3执行对焦。因此，在覆盖广视角范围的同时，允许减小镜头系统的尺寸。
[4.每个透镜组的期望配置]
在本实施例中，为了简化透镜筒结构，当透镜位置状态变化时，可能希望第二透镜组G2和第四透镜组G4彼此一起移动。
在本实施例中，通过考虑第三透镜组G3，实现即使在短距离对焦时也具有较少性能变化的光学系统。具体地，通过使用单透镜模块来配置第三透镜组G3，减少了对焦透镜的重量并简化了透镜筒的结构，从而，允许减小整个透镜筒的尺寸。如在这里使用的，术语“单透镜模块”指的是单个透镜或包括凸透镜和凹透镜的粘合透镜。
此外，为了实现高光学性能和减小尺寸，可能希望如下配置每个透镜组。
第二透镜组G2可以期望地由粘合透镜L2构成，所述粘合透镜L2包括具有面向像平面的凹表面的负透镜和具有面向物平面的凸表面的正透镜。因此，良好地校正轴上色象差和负球面象差，从而，获得良好的光学性能。
通过配置单个双凹透镜L3的第三透镜组G3，可以进一步减少重量，其对于实现更高速度的自动对焦是最佳的。
第四透镜组G4可以期望地由三个透镜构成，所述三个透镜从物平面依次包括双凸形正透镜L41、双凹透镜L42和具有面向像平面的凸表面的正透镜L43。通过允许第四透镜组G4具有三个一组的配置，同时校正轴上象差和离轴象差，从而实现更高的性能。
在本实施例中，通过如上所述地配置第一透镜组G1，进一步地，通过非球面透镜配置第一负透镜L11和第二负透镜L12中的每一个，实现进一步地更高的性能和减小尺寸。此外，通过将非球面透镜引入第三透镜组G3中，允许良好地校正根据距离变化的球面象差的变化。此外，通过将非球面透镜引入在第四透镜组G4中在最对象侧位置处布置的正透镜L41中，良好地校正慧形象差，并实现进一步地更高的性能。此外，不言而喻，通过使用多个非球面透镜获得更高的光学性能。
在本实施例中，为了良好地校正广角端状态下的色象差，可能希望在第四透镜组G4中使用具有高反常色散的玻璃材料。
在根据本实施例的可变焦距镜头系统中，在基本上垂直于光轴Z1的方向上通过将一个透镜组移出构成镜头系统的透镜组或通过将透镜组件的部分移出一个透镜组，允许移位图像的位置。具体地，当在基本上垂直于光轴Z1的方向上移位第二透镜组G2时，象差的变化小。
可以结合检测系统、计算系统和驱动系统使用能够移位图像的该可变焦距镜头系统，并且所述可变焦距镜头系统可以用作补偿在释放快门时发生的由手的抖动等导致的图像模糊的图像模糊补偿相机。检测系统检测相机的移位角度并输出图像模糊信息。计算系统输出基于图像模糊信息补偿图像模糊所需的透镜位置信息。能够移位图像的镜头系统能够在基本上垂直于光轴Z1的方向上移位构成镜头系统的一个透镜组或一个透镜组的部分作为移动透镜组。能够移位图像的镜头系统也是校正后的镜头系统，以在将移位透镜组移位时减少性能变化。驱动系统基于透镜位置信息向移位透镜组提供驱动量。
此外，不言而喻，可以布置低通滤波器以便防止在镜头系统的像平面侧上发生莫尔条纹，或可以根据光接收设备的光谱灵敏度特性来布置红外截止滤光片。
[5.对图像拾取单元的应用的示例]
图18图示应用根据本实施例的可变焦距镜头系统的图像拾取单元100的配置示例。例如，图像拾取单元100可以是数字相机，并且可以包括相机模块10、相机信号处理部件20、图像处理部件30、LCD（液晶显示器）40、R-W（读取器-写入器）50、CPU（中央处理单元）60和输入部件70。
相机模块10具有图像拾取功能。相机模块10包括作为图像拾取透镜包括镜头系统11（例如，图2中示出的可变焦距镜头系统1）的光学系统，并包括例如CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补氧化物半导体）的图像拾取设备12。图像拾取设备12将通过镜头系统11形成的光学图像转换为电信号，从而输出基于光学图像的图像拾取信号（图像信号）。
相机信号处理部件20对从图像拾取设备12输出的图像信号执行各种类型的信号处理，例如模数转换、噪声移除、图像质量校正以及到亮度和色差信号的转换。
图像处理部件30执行图像信号的记录和再现处理。图像处理部件30执行例如基于预定图像数据格式的图像信号的压缩编码和扩展解码处理的处理，和例如分辨率的数据规范的转换处理。
LCD40具有显示例如用户关于输入部件70的操作状态和拍摄的图像的各种数据的功能。R-W50向存储卡1000中写入由图像处理部件30编码的图像数据，并读取在存储卡1000中记录的图像数据。例如，存储卡1000可以是可附于连接到R-W50的插槽并可从所述插槽拆卸的半导体存储器。
CPU60用作控制在图像拾取单元100中提供的每个电路模块的控制处理部件。例如，CPU60可以基于来自输入部件70的指令输入信号等控制每个电路模块。例如，输入部件70可以由各种开关等构成，由用户以该开关执行必要的操作。例如，输入部件70可以由用于执行快门操作的快门释放按钮、用于选择操作模式的选择开关等构成，并向CPU60输出根据用户的操作的指令输入信号。镜头驱动控制部件80控制在相机模块10中布置的镜头的驱动，并基于来自CPU60的控制信号控制组件，例如驱动镜头系统11中的每个透镜的未示出的马达。
该图像拾取单元100可以具有检测由手的抖动导致的单元的抖动的抖动检测部件，未示出所述抖动检测部件。
下面将给出图像拾取单元100中的操作的描述。在等待拍摄的状态中，在CPU60的控制之下，通过相机信号处理部件20向LCD40输出相机模块10中拍摄的图像信号，并且所述图像信号显示为相机通过图像（camera-through image）。此外，例如，当从输入部件70向CPU60输入用于变焦或对焦的指令输入信号时，CPU60向镜头驱动控制部件80输出控制信号，并且镜头系统11中预定的透镜基于镜头驱动控制部件80的控制而移动。
当相机模块10中未示出的快门根据来自输入部件70的指令输入信号操作时，从相机信号处理部件20向图像处理部件30输出拍摄图像信号，并且所述拍摄图像信号被压缩编码并被转换为具有预定的数据格式的数字信号。向R-W50输出转换后的数据并向存储卡1000中写入所述转换后的数据。
注意，例如，当中途按下输入部件70中的快门释放按钮时，当全部按下快门释放按钮用于记录（拍摄）时等，镜头驱动控制部件80基于来自CPU60的控制信号允许镜头系统11中的预定透镜，从而执行对焦。
在再现在存储卡1000中记录的图像数据时，R-W50根据关于输入部件70的操作从存储卡1000读取预定的图像数据，并且图像处理部件30对预定的图像数据执行扩展解码处理。其后，向LCD40输出再现的图像信号并且在LCD40上显示所再现的图像。
此外，CPU60可以允许镜头驱动控制部件80基于从未示出的抖动检测部件输出的信号操作，从而允许根据抖动量在基本上垂直于光轴Z1的方向上移动用于图像模糊补偿的透镜组。
注意，在上述实施例中，描述将图像拾取单元应用于数字相机的示例。然而，图像拾取单元的应用范围不限于数字相机，并且各种其他电子单元可以是图像拾取单元100的具体目标。例如，诸如可更换镜头相机、数字摄像机、其中组装了数字摄像机等的移动电话、和PDA（个人数字助理）的各种其他电子单元可以是图像拾取单元100的具体目标。
[示例]
[6.镜头的数值示例]
然后，将给出根据本实施例的可变焦距镜头系统的具体数值示例的描述。表中的符号等和下面的描述表示如下。“表面编号”表示第i个表面的编号，其中最对象侧组件的表面被计为第一表面，并且顺序将数字附于组件的表面，使得随着组件的表面变得接近于像平面而数字变得越大。“曲率半径”表示第i个表面的曲率半径的值（mm）。“表面间隔”表示在第i个表面和第（i+1）个表面之间光轴上的间隔的值（mm）。“屈光率”表示具有第i个表面的光学组件的材料的d线（具有587.6nm的波长）的屈光率的值。“阿贝数”表示具有第i个表面的光学组件的材料的d线的阿贝数的值。Bf表示后聚焦（从最后的透镜表面到像平面Simg的距离）。f1、f2、f3和f4分别表示第一透镜组G1、第二透镜组G2、第三透镜组G3和第四透镜组G4的焦距。
“曲率半径”的值是0的部分指示平坦表面或孔径光阑表面。具有伴随“*”的表面编号的表面是非球形表面。非球形表面具有由下列表达式表示的形状。在非球形表面系数的数据中，符号“E”指示符号“E”之后的数值是具有10作为底数的“幂的指数”，并且由10作为底数的指数函数表示的数值乘以“E”之前的数值。为了给出示例，“1.0E-05”表示“1.0×10-5”。
（非球形表面的表达式）
x=cy2/(1+(1-(1+k)c2y2)1/2)+Ay4+By6+……
y是离光轴Z1的高度，x是下垂量，c是曲率，k是圆锥常数，并且A、B等是非球形表面系数。
[各个数值示例共同的配置]
根据下面的各个数值示例的可变焦距镜头系统1到4中的每一个实质上由四个透镜组构成，其中从物平面依次沿光轴Z1布置具有负屈光力的第一透镜组G1，具有正屈光力的第二透镜组G2，具有负屈光力的第三透镜组G3以及具有正屈光力的第四透镜组G4。此外，第三透镜组G3沿光轴移动，以便根据被摄体位置的变化校正像平面位置的变化。第一透镜组G1由三个透镜构成，所述三个透镜从物平面依次包括具有面向像平面的凹表面的弯月形第一负透镜L11，具有面向像平面的凹表面的第二负透镜L12以及具有面向物平面的凸表面的正透镜L13。第二透镜组G2由粘合透镜L2构成，所述粘合透镜L2包括具有面向像平面的凹表面的弯月形负透镜和双凸形正透镜。第三透镜组G3由单个双凸透镜L3构成。第四透镜组G4由三个透镜构成，所述三个透镜从物平面依次包括双凸形正透镜L41、双凹形透镜L42和双凸形正透镜L43。
[数值示例1]
表1到表3示出与根据图2中示出的第一配置示例的可变焦距镜头系统1对应的具体镜头数据。具体地，表1示出其基本镜头数据，并且表2示出关于非球形表面的数据。表3示出其他数据。在根据数值示例1的可变焦距镜头系统1中，第一到第四透镜组中的每一个根据放大倍率的变化移动。因此，在每个透镜组的物平面侧和像平面侧上的表面间隔的值是可变的。表3中示出可变表面间隔的数据。表3还示出在每个放大倍率变化范围中整个系统的焦距的值、半视角的值以及F数。
在数值示例1中，在第二透镜组G2和第三透镜组G3之间布置孔径光阑S，并且当透镜位置状态根据放大倍率的变化而变化时，孔径光阑S与第二透镜组G2一起移动。
在数值示例1中，第一表面、第五表面、第十三表面和第十五表面是非球形表面。注意，在数值示例1中，负透镜L12具有由薄树脂制成的非球形表面附于玻璃透镜上的形状。然而，不言而喻，负透镜L12可以是玻璃非球面透镜。
表4示出与上述条件表达式中的每一个有关的值。如从表4中可以看出，根据数值示例1的可变焦距镜头系统1满足每个条件表达式中的值。
[表1]
（*：非球形表面）
[表2]
[表3]
[表4]
| 条件表达式 | 示例1 |
| f1 | -19.111 |
| f2 | +22.978 |
| f3 | -53.531 |
| f4 | +37.306 |
| (I)Da/R3a | 0.089 |
| (2)fw/|fl| | 0.539 |
| (3)Ds/Ymax | 2.597 |
| (4)R4b/Db | -0.801 |
| (5)fw/f2 | 0.448 |
[数值示例2]
表5到表7示出与根据图6中示出的第二配置示例的可变焦距镜头系统2对应的具体镜头数据。具体地，表5示出其基本镜头数据，并且表6示出关于非球形表面的数据。表7示出其他数据。在根据数值示例2的可变焦距镜头系统2中，第一到第四透镜组中的每一个根据放大倍率的变化移动。因此，在每个透镜组的物平面侧和像平面侧上的表面间隔的值是可变的。表7中示出可变表面间隔的数据。表7还示出在每个放大倍率变化范围中整个系统的焦距的值、半视角的值、以及F数。
在数值示例2中，在第二透镜组G2和第三透镜组G3之间布置孔径光阑S，并且当透镜位置状态根据放大倍率的变化而变化时，孔径光阑S与第二透镜组G2一起移动。
在数值示例2中，第一表面、第五表面、第十三表面和第十五表面是非球形表面。注意，在数值示例2中，负透镜L12具有由薄树脂制成的非球形表面附于玻璃透镜上的形状。然而，不言而喻，负透镜L12可以是玻璃非球面透镜。
表8示出与上述条件表达式中的每一个有关的值。如从表8中可以看出，根据数值示例2的可变焦距镜头系统2满足每个条件表达式中的值。
[表5]
（*：非球形表面）
[表6]
[Table7]
[表8]
| 条件表达式 | 示例2 |
| f1 | -18.647 |
| f2 | +22.082 |
| f3 | -50.000 |
| f4 | +35.350 |
| (I)Da/R3a | 0.081 |
| (2)fw/|fl| | 0.552 |
| (3)Ds/Ymax | 2.492 |
| (4)R4b/Db | -0.919 |
| (5)fw/f2 | 0.466 |
[数值示例3]
表9到表11示出与根据图10中示出的第三配置示例的可变焦距镜头系统3对应的具体镜头数据。具体地，表9示出其基本镜头数据，并且表10示出关于非球形表面的数据。表11示出其他数据。在根据数值示例3的可变焦距镜头系统3中，第一到第四透镜组中的每一个根据放大倍率的变化移动。因此，在每个透镜组的物平面侧和像平面侧上的表面间隔的值是可变的。表11中示出可变表面间隔的数据。表11还示出在每个放大倍率变化范围中整个系统的焦距的值、半视角的值以及F数。
在数值示例3中，在第二透镜组G2和第三透镜组G3之间布置孔径光阑S，并且当透镜位置状态根据放大倍率的变化而变化时，孔径光阑S与第二透镜组G2一起移动。
在数值示例3中，第五表面、第十二表面、第十四表面和第十五表面是非球形表面。注意，在数值示例3中，负透镜L12具有由薄树脂制成的非球形表面附于玻璃透镜上的形状。然而，不言而喻，负透镜L12可以是玻璃非球面透镜。
表12示出与上述条件表达式中的每一个有关的值。如从表12中可以看出，根据数值示例3的可变焦距镜头系统3满足每个条件表达式中的值。
[表9]
（*：非球形表面）
[表10]
[表11]
[表12]
| 条件表达式 | 示例3 |
| f1 | -27.353 |
| f2 | +25.245 |
| f3 | -66.708 |
| f4 | +47.095 |
| (I)Da/R3a | 0.122 |
| (2)fw/|fl| | 0.414 |
| (3)Ds/Ymax | 2.558 |
| (4)R4b/Db | -0.999 |
| (5)fw/f2 | 0.449 |
[数值示例4]
表13到表16示出与根据图14中示出的第四配置示例的可变焦距镜头系统4对应的具体镜头数据。具体地，表13示出其基本镜头数据，并且表14示出关于非球形表面的数据。表15示出其他数据。在根据数值示例4的可变焦距镜头系统4中，第一到第四透镜组中的每一个根据放大倍率的变化移动。因此，在每个透镜组的物平面侧和像平面侧上的表面间隔的值是可变的。表15中示出可变表面间隔的数据。表15还示出在每个放大倍率变化范围中整个系统的焦距的值、半视角的值以及F数。
在数值示例4中，在第二透镜组G2和第三透镜组G3之间布置孔径光阑S，并且当透镜位置状态根据放大倍率的变化而变化时，孔径光阑S与第二透镜组G2一起移动。
在数值示例4中，第五表面、第十二表面、第十四表面和第十五表面是非球形表面。注意，在数值示例4中，负透镜L12具有由薄树脂制成的非球形表面附于玻璃透镜上的形状。然而，不言而喻，负透镜L12可以是玻璃非球面透镜。
表16示出与上述条件表达式中的每一个有关的值。如从表16中可以看出，根据数值示例4的可变焦距镜头系统4满足每个条件表达式中的值。
[表13]
（*：非球形表面）
[表14]
[表15]
[表16]
| 条件表达式 | 示例4 |
| f1 | -27.353 |
| f2 | +25.245 |
| f3 | -66.708 |
| f4 | +47.095 |
| (I)Da/R3a | 0.345 |
| (2)fw/|f1| | 0.414 |
| (3)Ds/Ymax | 2.961 |
| (4)R4b/Db | -0.718 |
| (5)fw/f2 | 0.449 |
[象差性能]
图3到图5中示出根据数值示例1的可变焦距镜头系统1的象差性能。此外，图7到图9中示出根据数值示例2的可变焦距镜头系统2的象差性能。此外，图11到图13中示出根据数值示例3的可变焦距镜头系统3的象差性能。此外，图15到图17中示出根据数值示例4的可变焦距镜头系统4的象差性能。
每个象差在对焦无穷远的状态下。图3、图7、图11和图15每个图示广角端状态下的象差。图4、图8、图12和图16每个图示中间焦距处的象差。图5、图9、图13和图17每个图示远摄端状态下的象差。
上述附图图示象差图中的球面象差、像散、畸变和横向象差。象差图中的每一个，利用d线（具有587.6nm的波长）作为基准波长图示象差。在像散图中，实线示出径向方向上的象差，并且虚线示出经向方向上的象差。在横向象差中，A表示视角，并且y表示图像高度。
如从上述各个象差图中可以看出，在每个示例中，良好地校正各种类型的象差，并且实现出众的成像性能。
[7.其他实施例]
根据本公开的技术不限于上面的实施例和示例中的描述，并且可以对所述技术进行各种修改。例如，在上述数值示例中的每一个中示出的每个部件的形状和数值仅是本技术的具体实施例的示例，并且不应基于其限制性地解释本技术的技术范围。
此外，在上述实施例和示例中，描述了实质上由四个透镜组构成的配置。然而，可以采用还包括实质上没有屈光力的透镜的配置。
可以根据本公开的上述示例实施例实现至少下列配置。
（1）一种可变焦距镜头系统，包括：
具有负屈光力的第一透镜组；
具有正屈光力的第二透镜组；
具有负屈光力的第三透镜组；
具有正屈光力的第四透镜组；以及
在所述第一透镜组和像平面之间布置的孔径光阑；
所述第一到第四透镜组以所提及的顺序从物平面向着像平面布置，并且被配置为移动以允许减小第一和第二透镜组之间的间隔，以允许改变第二和第三透镜组之间的间隔，并且以允许改变第三和第四透镜组之间的间隔，从而实现可变焦距镜头系统从广角端状态到远摄端状态的转变，
第三透镜组移动以允许补偿由被摄体位置变化导致的像平面位置变化并满足下列条件表达式，
0.05<Da/R3a<0.5……（1）
其中Da是在广角端状态下第三透镜组中从孔径光阑到最图像侧透镜表面的距离，以及
R3a是第三透镜组中最图像侧透镜表面的曲率半径。
（2）根据（1）的可变焦距镜头系统，其中，满足下列条件表达式，
0.25<fw/|f1|<0.7……（2）
其中fw是在广角端状态下可变焦距镜头系统的总焦距，以及
f1是第一透镜组的焦距。
（3）根据（1）或（2）的可变焦距镜头系统，其中，第一透镜组由三个透镜构成，所述三个透镜包括：具有面向像平面的凹表面的弯月形第一负透镜，具有面向像平面的凹表面的第二负透镜以及具有面向物平面的凸表面的正透镜，所述三个透镜以所提及的顺序从物平面向着像平面布置。
（4）根据（1）到（3）中的任何一项的可变焦距镜头系统，其中，满足下列条件表达式，
2<Ds/Ymax<3……（3）
其中Ds是在广角端状态下从孔径光阑S到像平面的距离，以及
Ymax是最大图像高度。
（5）根据（1）到（4）中的任何一项的可变焦距镜头系统，其中，在可变焦距镜头系统从广角端状态到远摄端状态的转变中所述第二和第四透镜组彼此一起移动。
（6）根据（1）到（5）中的任何一项的可变焦距镜头系统，其中
所述第四透镜组包括在最对象侧位置布置的双凸正透镜，以及
满足下列条件表达式，
-1.3<R4b/Db<-0.4……（4）
其中R4b是所述双凸正透镜的图像侧透镜表面的曲率半径，以及
Db是在广角端状态下从孔径光阑S到所述双凸正透镜的图像侧透镜表面的距离。
（7）根据（1）到（6）中的任何一项的可变焦距镜头系统，其中，所述第三透镜组由单个透镜模块构成。
（8）根据（1）到（7）中的任何一项的可变焦距镜头系统，进一步包括实质上没有屈光力的透镜。
（9）一种图像拾取单元，具有可变焦距镜头系统和基于由所述可变焦距镜头系统形成的光学图像来输出图像拾取信号的图像拾取设备，所述可变焦距镜头系统包括：
具有负屈光力的第一透镜组；
具有正屈光力的第二透镜组；
具有负屈光力的第三透镜组；
具有正屈光力的第四透镜组；以及
在所述第一透镜组和像平面之间布置的孔径光阑；
所述第一到第四透镜组以所提及的顺序从物平面向着像平面布置，并且被配置为移动以允许减小所述第一和第二透镜组之间的间隔，以允许改变所述第二和第三透镜组之间的间隔，以及以允许改变所述第三和第四透镜组之间的间隔，从而实现所述可变焦距镜头系统从广角端状态到远摄端状态的转变，
所述第三透镜组移动以允许补偿由被摄体位置变化导致的像平面位置变化，并满足下列条件表达式，
0.05<Da/R3a<0.5……（1）
其中Da是在广角端状态下第三透镜组中从孔径光阑到最图像侧透镜表面的距离，以及
R3a是第三透镜组中最图像侧透镜表面的曲率半径。
（10）根据（9）的图像拾取单元，其中，所述可变焦距镜头系统还包括实质上没有屈光力的透镜。
本申请包含与于2012年7月27日在日本专利局提交的日本优先权专利申请JP2012-167440中公开的主题有关的主题，其全部内容通过引用合并于此。
本领域技术人员应理解，只要在所附权利要求或其等效物的范围内，取决于设计需求和其他因素，可以发生各种修改、组合、部分组合和改变。
Claims (8)
1.一种可变焦距镜头系统，包括：
具有负屈光力的第一透镜组；
具有正屈光力的第二透镜组；
具有负屈光力的第三透镜组；
具有正屈光力的第四透镜组；以及
在所述第一透镜组和像平面之间布置的孔径光阑；
所述第一到第四透镜组以所提及的顺序从物平面向着像平面布置，并且被配置为移动以允许减少所述第一和第二透镜组之间的间隔，以允许改变所述第二和第三透镜组之间的间隔，并且以允许改变所述第三和第四透镜组之间的间隔，从而实现所述可变焦距镜头系统从广角端状态到远摄端状态的转变，
所述第三透镜组移动，以允许补偿由被摄体位置变化导致的像平面位置变化，并满足下列条件表达式，
0.05<Da/R3a<0.5……（1）
其中Da是在所述广角端状态下从所述孔径光阑到所述第三透镜组中的最图像侧透镜表面的距离，以及
R3a是所述第三透镜组中所述最图像侧透镜表面的曲率半径。
2.如权利要求1所述的可变焦距镜头系统，其中，满足下列条件表达式，
0.25<fw/|f1|<0.7……（2）
其中fw是在所述广角端状态下所述可变焦距镜头系统的总焦距，以及
f1是所述第一透镜组的焦距。
3.如权利要求1所述的可变焦距镜头系统，其中，所述第一透镜组由三个透镜构成，所述三个透镜包括具有面向所述像平面的凹表面的弯月形第一负透镜、具有面向所述像平面的凹表面的第二负透镜以及具有面向所述物平面的凸表面的正透镜，所述三个透镜以所提及的顺序从所述物平面向着所述像平面布置。
4.如权利要求1所述的可变焦距镜头系统，其中，满足下列条件表达式，
2<Ds/Ymax<3……（3）
其中Ds是在所述广角端状态下从所述孔径光阑S到所述像平面的距离，以及
Ymax是最大图像高度。
5.如权利要求1所述的可变焦距镜头系统，其中，在所述可变焦距镜头系统从所述广角端状态到所述远摄端状态的转变中所述第二和第四透镜组彼此一起移动。
6.如权利要求1所述的可变焦距镜头系统，其中
所述第四透镜组包括在最对象侧位置布置的双凸正透镜，以及
满足下列条件表达式，
-1.3<R4b/Db<-0.4……（4）
其中R4b是所述双凸正透镜的图像侧透镜表面的曲率半径，以及
Db是在所述广角端状态下从所述孔径光阑S到所述双凸正透镜的图像侧透镜表面的距离。
7.如权利要求1所述的可变焦距镜头系统，其中，所述第三透镜组由单个透镜模块构成。
8.一种图像拾取单元，具有可变焦距镜头系统和基于由所述可变焦距镜头系统形成的光学图像来输出图像拾取信号的图像拾取设备，所述可变焦距镜头系统包括：
具有负屈光力的第一透镜组；
具有正屈光力的第二透镜组；
具有负屈光力的第三透镜组；
具有正屈光力的第四透镜组；以及
在所述第一透镜组和像平面之间布置的孔径光阑；
所述第一到第四透镜组以所提及的顺序从物平面向着所述像平面布置，并且被配置为移动以允许减小所述第一和第二透镜组之间的间隔，以允许改变所述第二和第三透镜组之间的间隔以及以允许改变所述第三和第四透镜组之间的间隔，从而实现所述可变焦距镜头系统从广角端状态到远摄端状态的转变，
所述第三透镜组移动以允许补偿由被摄体位置变化导致的像平面位置变化，并满足下列条件表达式，
0.05<Da/R3a<0.5……（1）
其中Da是在所述广角端状态下从所述孔径光阑到所述第三透镜组中的最图像侧透镜表面的距离，以及
R3a是所述第三透镜组中所述最图像侧透镜表面的曲率半径。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140212 |