CN103837969B - 变焦透镜和图像拾取设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及变焦透镜和图像拾取设备。一种变焦透镜包括：具有负折光力的多个透镜单元之中的位于最物侧的透镜单元Lv；位于透镜单元Lv的像侧的具有正折光力的透镜单元之中的位于最物侧的透镜单元Lp；以及位于透镜单元Lp的像侧的分别具有正和负折光力的透镜单元Fp和Fn，透镜单元Fp和Fn被配置为在聚焦期间移动。在从无限远到最小物距的聚焦期间，在广角范围中透镜单元Fp和透镜单元Fn在相同的方向上移动，并且在望远范围中透镜单元Fp向物侧移动且透镜单元Fn向像侧移动。

Description

变焦透镜和图像拾取设备
技术领域
本发明涉及变焦透镜和包括变焦透镜的图像拾取设备。例如，它们适用于数字静止照相机和数字摄像机。
背景技术
近来，需要单镜头反光照相机具有视频记录功能和在记录视频期间执行自动聚焦。通过检测图像拾取信号中的高频分量来评价图像拾取光学系统的聚焦状态的对比系统被广泛地用作在记录视频期间的自动聚焦系统。
重要的是适当地选择变焦类型和聚焦透镜单元的数量以便获取变焦透镜，该变焦透镜在聚焦期间具有小的像差变化且在一般的物距之上具有高的光学性能，并且，可以执行高速聚焦。
日本专利公开No.11-202203公开了一种变焦透镜，该变焦透镜从物侧到像侧依次包括具有正折光力的第一透镜单元、具有负折光力的第二透镜单元、具有负折光力的第三透镜单元、具有正折光力的第四透镜单元以及具有负折光力的第五透镜单元，并且，在聚焦期间移动第一透镜单元。但是，当为了聚焦而移动在所有的透镜单元中具有最长有效直径且最重的第一透镜单元时，聚焦速度变慢，并且，聚焦透镜单元的驱动噪声变响亮（louder）。
美国专利No.8068281公开了一种变焦透镜，该变焦透镜从物侧到像侧依次包括具有正折光力的第一透镜单元、具有负折光力的第二透镜单元、具有负折光力的第三透镜单元、具有正折光力的第四透镜单元、具有负折光力的第五透镜单元和具有正折光力的第六透镜单元，并且，在聚焦期间移动第五透镜单元。但是，由于在聚焦期间只有一个透镜单元移动，所以由聚焦引起的光学性能的变化变大，尤其是，当聚焦到近距离物体时，光学性能倾向于下降。另外，在望远侧，聚焦透镜的移动量变大，结果，聚焦速度倾向于变慢。
日本专利公开No.2000-047107公开了一种变焦透镜，该变焦透镜从物侧到像侧依次包括具有正折光力的第一透镜单元、具有负折光力的第二透镜单元、具有正折光力的第三透镜单元、具有负折光力的第四透镜单元、具有正折光力的第五透镜单元和具有负折光力的第六透镜单元，并且，在聚焦期间移动第四透镜单元和第六透镜单元。但是，在望远侧，光学性能根据物距变化，并且，聚焦透镜单元的移动量倾向于变大。
发明内容
本发明提供一种变焦透镜和包括该变焦透镜的图像拾取设备，它们在一般的物距之上具有高的光学性能并可以执行高速聚焦。
作为本发明的一个方面的变焦透镜包括具有负折光力的多个透镜单元，并且在变焦期间改变相邻的透镜单元之间的距离。该变焦透镜包括：具有负折光力的所述多个透镜单元之中的位于最物侧的透镜单元Lv；位于透镜单元Lv的像侧的具有正折光力的透镜单元之中的位于最物侧的透镜单元Lp；位于透镜单元Lp的像侧的具有正折光力的透镜单元Fp，透镜单元Fp被配置为在聚焦期间移动；以及位于透镜单元Lp的像侧的具有负折光力的透镜单元Fn，透镜单元Fn被配置为在聚焦期间移动。在从无限远到最小物距的聚焦期间在第一变焦范围中透镜单元Fp和透镜单元Fn在相同的方向上移动，以及，在从无限远到最小物距的聚焦期间在第二变焦范围中透镜单元Fp向物侧移动并且透镜单元Fn向像侧移动，第二变焦范围相对于第一变焦范围位于望远侧。
根据下面参照附图的示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得清晰。
附图说明
图1A和1B是根据本发明的第一实施例的变焦透镜在广角端和望远端处的截面图。
图2A和2B是本发明的数值例1的在聚焦于无限远处时在广角端和望远端处的像差图。
图3A和3B是本发明的数值例1的在聚焦于最小物距上时在广角端和望远端处的像差图。
图4A和4B是根据本发明的第二实施例的变焦透镜在广角端和望远端处的截面图。
图5A和5B是本发明的数值例2的在聚焦于无限远处时在广角端和望远端处的像差图。
图6A和6B是本发明的数值例2的在聚焦于最小物距上时在广角端和望远端处的像差图。
图7A和7B是根据本发明的第三实施例的变焦透镜在广角端和望远端处的截面图。
图8A和8B是本发明的数值例3的在聚焦于无限远处时在广角端和望远端处的像差图。
图9A和9B是本发明的数值例3的在聚焦于最小物距上时在广角端和望远端处的像差图。
图10A和10B是根据本发明的第四实施例的变焦透镜在广角端和望远端处的截面图。
图11A和11B是本发明的数值例4的在聚焦于无限远处时在广角端和望远端处的像差图。
图12A和12B是本发明的数值例4的在聚焦于最小物距上时在广角端和望远端处的像差图。
图13A和13B是根据本发明的第五实施例的变焦透镜在广角端和望远端处的截面图。
图14A和14B是本发明的数值例5的在聚焦于无限远处时在广角端和望远端处的像差图。
图15A和15B是本发明的数值例5的在聚焦于最小物距上时在广角端和望远端处的像差图。
图16A和16B是根据本发明的第六实施例的变焦透镜在广角端和望远端处的截面图。
图17A和17B是本发明的数值例6的在聚焦于无限远处时在广角端和望远端处的像差图。
图18A和18B是本发明的数值例6的在聚焦于最小物距上时在广角端和望远端处的像差图。
图19是本发明的图像拾取设备的主要部件的示意图。
具体实施方式
在下文中，描述本发明的变焦透镜和包括该变焦透镜的图像拾取设备的实施例。本发明的变焦透镜包括多个具有负折光力的透镜单元，并且在变焦期间改变相邻的透镜单元之间的距离。
透镜单元Lv是具有负折光力的多个透镜单元之中的位于最物侧的透镜单元，并且透镜单元Lp是位于透镜单元Lv的像侧的具有正折光力的透镜单元之中的位于最物侧的透镜单元。位于透镜单元Lp的像侧的具有正折光力的透镜单元Fp和具有负折光力的透镜单元Fn在聚焦期间移动。在从无限远到最小物距的聚焦期间，在第一变焦范围中透镜单元Fp和透镜单元Fn在相同的方向上移动，并且在第二变焦范围中透镜单元Fp向物侧移动且透镜单元Fn向像侧移动，第二变焦范围相对于第一变焦范围位于望远侧。
图1A和1B是根据本发明的第一实施例的变焦透镜在广角端（短焦距端）和望远端（长焦距端）处的截面图。图2A和2B分别是数值例1的在聚焦于无限远处时在广角端和望远端处的像差图。图3A和3B分别是数值例1的在聚焦于最小物距（1.2m的物距）上时在广角端和望远端处的像差图。
图4A和4B是根据本发明的第二实施例的变焦透镜在广角端和望远端处的截面图。图5A和5B分别是数值例2的在聚焦于无限远处时在广角端和望远端处的像差图。图6A和6B分别是数值例2的在聚焦于最小物距（1.2m的物距）上时在广角端和望远端处的像差图。
图7A和7B是根据本发明的第三实施例的变焦透镜在广角端和望远端处的截面图。图8A和8B分别是数值例3的在聚焦于无限远处时在广角端和望远端处的像差图。图9A和9B分别是数值例3的在聚焦于最小物距（1.2m的物距）上时在广角端和望远端处的像差图。
图10A和10B是根据本发明的第四实施例的变焦透镜在广角端和望远端处的截面图。图11A和11B分别是数值例4的在聚焦于无限远处时在广角端和望远端处的像差图。图12A和12B分别是数值例4的在聚焦于最小物距（1.2m的物距）上时在广角端和望远端处的像差图。
图13A和13B是根据本发明的第五实施例的变焦透镜在广角端和望远端处的截面图。图14A和14B分别是数值例5的在聚焦于无限远处时在广角端和望远端处的像差图。图15A和15B分别是数值例5的在聚焦于最小物距（1.9m的物距）上时在广角端和望远端处的像差图。
图16A和16B是根据本发明的第六实施例的变焦透镜在广角端和望远端处的截面图。图17A和17B分别是数值例6的在聚焦于无限远处时在广角端和望远端处的像差图。图18A和18B分别是数值例6的在聚焦于最小物距（1.9m的物距）上时在广角端和望远端处的像差图。
图19是具有本发明的变焦透镜的本发明的图像拾取设备的主要部件的示意图。
每一个实施例的变焦透镜是用于诸如摄像机、数字照相机和卤化银胶片照相机的图像拾取设备的图像拾取光学系统。在透镜的截面图中，左侧是物侧（前方），右侧是像侧（后侧）。在透镜的截面图中，i表示从物侧算起的变焦透镜单元的次序，Li表示第i个透镜单元。
SP表示孔径光阑。IP表示像平面，并且，在用作摄像机和数字照相机的图像拾取光学系统时对应于诸如CCD传感器和CMOS传感器的固态图像拾取元件（光电转换元件）的图像拾取平面，或者，在用作卤化银胶片照相机时对应于胶片平面。箭头示出在从广角端到望远端的变焦期间的移动轨迹。并且，粗箭头示出在从无限远到最小物距的聚焦期间的移动方向。
在球面像差图中，实线表示d线，虚线表示g线。在像散图中，虚线表示d线的子午像面，实线表示d线的弧矢像面。另外，在示出畸变的图中，示出d线的畸变。在示出倍率色差的图中，示出g线的倍率色差。Fno表示f数，ω表示图像拾取的半视角。在下面的实施例中，广角端和望远端是在系统中可变倍率透镜单元能够在光轴上移动的范围的两端。
在图1、10和13中分别示出的第一、第四和第五实施例的变焦透镜从物侧到像侧依次包括：具有正折光力的第一透镜单元L1；具有负折光力的第二透镜单元L2；具有正折光力的第三透镜单元L3；具有负折光力的第四透镜单元L4；具有正折光力的第五透镜单元L5；具有负折光力的第六透镜单元L6；以及具有正折光力的第七透镜单元L7。这里，第五透镜单元L5对应于透镜单元Fp，第六透镜单元L6对应于透镜单元Fn。
在图4和7中分别示出的第二和第三实施例的变焦透镜从物侧到像侧依次包括：具有正折光力的第一透镜单元L1；具有负折光力的第二透镜单元L2；具有正折光力的第三透镜单元L3；具有正折光力的第四透镜单元L4；具有负折光力的第五透镜单元L5；以及具有正折光力的第六透镜单元L6。这里，第四透镜单元L4对应于透镜单元Fp，第五透镜单元L5对应于透镜单元Fn。
在图6中示出的第六实施例的变焦透镜从物侧到像侧依次包括：具有正折光力的第一透镜单元L1；具有负折光力的第二透镜单元L2；具有正折光力的第三透镜单元L3；具有正折光力的第四透镜单元L4；以及具有负折光力的第五透镜单元L5。这里，第四透镜单元L4对应于透镜单元Fp，并且，第五透镜单元L5对应于透镜单元Fn。另外，在每一个实施例中，第二透镜单元L2对应于透镜单元Lv，第三透镜单元L3对应于透镜单元Lp。
通过与上述的每一篇专利文献的变焦透镜比较来解释本发明的变焦透镜的特征。
日本专利公开No.11-202203公开了一种变焦透镜，该变焦透镜从物侧到像侧依次包括具有正折光力的第一透镜单元、具有负折光力的第二透镜单元、具有负折光力的第三透镜单元、具有正折光力的第四透镜单元以及具有负折光力的第五透镜单元，并且，在聚焦期间移动第一透镜单元。光学性能根据物距的变化可以通过优化第一透镜单元的透镜形状来变得相对小，因为通常在通过移动第一透镜单元聚焦时从第一透镜单元的像侧到第二透镜单元的光高度几乎不变。但是，在图像拾取光学系统中第一透镜单元的有效直径变成最大，并且第一透镜单元的重量变重，因为在广角端处离轴主光的入射高度和离轴光的入射高度是最大的。因此，作为用于记录视频的图像拾取透镜，日本专利公开No.11-202203的变焦透镜不是优选的，因为当通过移动第一透镜单元来聚焦时致动器的负荷变大并且驱动噪声变响亮，例如，在记录视频时驱动噪声被记录。另外，因为在自动聚焦期间驱动速度变慢，所以日本专利公开No.11-202203的变焦透镜不是优选的。
美国专利No.8068281公开了一种变焦透镜，该变焦透镜包括具有正折光力的第一透镜单元、具有负折光力的第二透镜单元、具有负折光力的第三透镜单元、具有正折光力的第四透镜单元、具有负折光力的第五透镜单元和具有正折光力的第六透镜单元，并且，在聚焦期间移动第五透镜单元。但是，在聚焦期间移动量变大，并且自动聚焦倾向于变慢，因为离轴光的入射高度在望远端处变小，并且在第五透镜单元中聚焦灵敏度变小。另外，当在聚焦期间移动第五透镜单元时，到第五透镜单元的光的入射高度改变，并且进一步地，在第五透镜单元的物侧的所有透镜单元的入射高度改变。尤其是，在望远型变焦透镜中，在广角端处入射到第一透镜单元的离轴主光的入射高度和在望远端处入射到第一透镜单元的离轴光的入射高度变大。因此，当光的入射高度改变时，与入射高度有关的像差的变化变大。特别地，在广角侧的像场弯曲和在望远侧的球面像差变大。
日本专利公开No.2000-047107公开了一种变焦透镜，该变焦透镜包括具有正折光力的第一透镜单元、具有负折光力的第二透镜单元、具有正折光力的第三透镜单元、具有负折光力的第四透镜单元、具有正折光力的第五透镜单元和具有负折光力的第六透镜单元，并且，在聚焦期间移动第四透镜单元和第六透镜单元。特别地，在从无限远到最小物距的聚焦期间第六透镜单元向像侧移动以主要实现聚焦效果，并且，在从无限远到最小物距的聚焦期间第四透镜单元向物侧移动，以在广角侧使离轴主光的入射高度的变化和像场弯曲的变化小。
难以通过移动第四透镜单元来校正在望远侧的球面像差的变化。另外，在聚焦期间第六透镜单元的移动量变大，并且，自动聚焦倾向于变慢，因为第四透镜单元移动以消除（negate）第六透镜单元的聚焦效果。
在本发明的变焦透镜中，在聚焦期间多个透镜单元移动，以解决广角侧和望远侧的每个问题。
首先，当多个透镜单元在聚焦期间移动时，具有小的有效直径且轻的两个透镜单元用作本发明的变焦透镜中的聚焦透镜单元，因为致动器的负荷变大并且驱动噪声变响亮。特别地，两个聚焦透镜单元被定位于光通过具有正折光力的透镜单元Lp会聚于像侧的位置处，该透镜单元Lp位于可变倍率透镜单元（变倍组（variator））Lv的像侧。结果，可以实现小而轻的两个聚焦透镜单元。
接下来，为了使在广角侧聚焦期间的驱动量小，在将两个聚焦透镜单元的聚焦灵敏度相加的方向上移动两个聚焦透镜单元是最有效的。换句话说，在会聚光的位置（该位置是相对于透镜单元Lp的像侧）处，在从无限远到最小物距的聚焦期间，具有正折光力的透镜单元向物侧移动，并且，具有负折光力的透镜单元向像侧移动。例如，在日本专利公开No.2000-047107中，具有负折光力的第六透镜单元向像侧移动，并且，具有负折光力的第四透镜单元向像侧移动，以将两个聚焦透镜单元的聚焦灵敏度相加。此外，关于两个聚焦透镜单元，当具有正折光力的透镜单元和具有负折光力的透镜单元组合时，因为它们的合成折光力变弱，所以对其它透镜单元的光焦度布置的影响小。另外，因为两个聚焦透镜单元的光焦度同时增加并且聚焦灵敏度协同地增加，所以聚焦透镜单元的延伸量（extendingamount）变小并且容易执行高速聚焦。
另外，因为聚焦透镜单元的移动量变小，所以球面像差的变化容易变小，结果，通过两个聚焦透镜单元的离轴光的入射高度h的变化变小。而且，在广角端处，通过使具有正折光力和负折光力的两个聚焦透镜单元的任意一个移动方向反转，两个聚焦透镜单元的每一个移动方向变成相同，结果，其它透镜单元的像场弯曲的变化可以被有效地校正。本发明的变焦透镜实现对广角端处的像场弯曲的变化的校正以及对望远端处的聚焦透镜单元的延伸量的减少和球面像差的校正。
接下来，描述本发明的变焦透镜的最佳透镜构成。本发明的变焦透镜包含多个具有负折光力的透镜单元，并且在变焦期间改变相邻的透镜单元之间的距离。透镜单元Lv是具有负折光力的多个透镜单元之中的位于最物侧的透镜单元，透镜单元Lp是位于透镜单元Lv的像侧的具有正折光力的透镜单元之中的位于最物侧的透镜单元。fw表示整个系统在广角端处的焦距，ft表示整个系统在望远端处的焦距。并且，整个系统在广角范围处的焦距fwa和整个系统在望远范围处的焦距fta满足下述条件：
Fw≤fwa<(0.8×fw+0.2×ft) ···(1)
(0.8×fw+0.2×ft)<fta≦ft ···(2)
这里，第一变焦范围是广角范围的至少一部分。第二变焦范围是望远范围的至少一部分。于是，位于透镜单元Lp的像侧的具有正折光力的透镜单元Fp和具有负折光力的透镜单元Fn在聚焦期间移动。在从无限远到最小物距的聚焦期间，在作为广角范围的至少一部分的第一变焦范围中，透镜单元Fp和透镜单元Fn在相同的方向上移动。
在作为望远范围的至少一部分的第二变焦范围中，透镜单元Fp向物侧移动，并且，透镜单元Fn向像侧移动。
在每一个实施例中，在第一变焦范围中，通过在聚焦期间在相同的方向上移动透镜单元Fp和透镜单元Fn，由移动一个透镜单元而引起的像场弯曲的变化通过另一个透镜单元被有效地校正。于是，将聚焦灵敏度相减，但是，即使移动量稍微增加，对自动聚焦期间的聚焦速度的影响也小，因为在广角端处聚焦的移动量完全小于在望远端处聚焦的移动量。
另外，在第二变焦范围中，在从无限远到最小物距的聚焦期间，透镜单元Fp向物侧移动并且透镜单元Fn向像侧移动。因为两个聚焦透镜单元的聚焦灵敏度可以被相加，所以聚焦的移动量变小并且在自动聚焦期间聚焦速度增大。而且，因为透镜单元Fn的移动量变小，并且结果，离轴光的入射高度的变化变小，所以在望远范围中球面像差的变化变小。
主聚焦单元是透镜单元Fp和透镜单元Fn中的在第一变焦范围和第二变焦范围中聚焦时具有相同移动方向的透镜单元，浮动（floating）单元是透镜单元Fp和透镜单元Fn中的在第一变焦范围和第二变焦范围中聚焦时具有不同移动方向的透镜单元。
在望远型变焦透镜的后对焦（rear focus）中，通过主聚焦单元的驱动，在广角范围像场弯曲的变化变大，在望远范围球面像差的变化和聚焦驱动量变大。另一方面，在广角范围中，在广角范围球面像差的变化和聚焦驱动量变小，在望远范围像场弯曲的变化变小。因此，在中间变焦范围中，它们全部在可允许的程度上部分地变小。如果在它们的平衡变成最佳的变焦位置处浮动透镜单元的驱动量为零，则在广角侧和望远侧之间的变焦位置处浮动单元的驱动方向可以被反转。
在每一个实施例中，通过具有上述构成，实现这样的变焦透镜，该变焦透镜能够使由移动聚焦透镜单元而产生的声音更小、容易地执行高速自动聚焦、并在所有的变焦范围和所有的物距中具有高的光学性能。
接下来，在每一个实施例的变焦透镜被构造时，描述优选的构成。在第一变焦范围中透镜单元Fp和透镜单元Fn可以向像侧移动，在第二变焦范围中透镜单元Fp可以向物侧移动并且透镜单元Fn可以向像侧移动。用于聚焦的两个透镜单元的透镜单元Fp和透镜单元Fn可以从物侧到像侧依次被布置。
具有强负折光力的透镜单元被布置在像侧，并且主点位置优选地向物侧移动，以在望远侧有效地获取长焦距。如果透镜单元Fn和透镜单元Fp从物侧到像侧依次布置，则透镜单元Fn和透镜单元Fp的合成主点位置靠近像侧。因此，其它透镜单元的负荷增加，光焦度布置是效率低下的，并且难以校正变焦期间的像差变化，以使整个系统在望远侧的焦距接近物侧。同时，容易通过使用每一个实施例的聚焦类型来减少聚焦的像差变化。
接下来，描述优选条件。其中，βFpt表示透镜单元Fp在望远端处的横向倍率。Dfmw表示在广角端处当从无限远到最小物距进行聚焦时主要透镜单元的移动量，dflw表示在广角端处当从无限远到最小物距进行聚焦时浮动单元的移动量。Dfmt表示在望远端处当从无限远到最小物距进行聚焦时主要透镜单元的移动量，dflt表示在望远端处当从无限远到最小物距进行聚焦时浮动单元的移动量。fLv表示透镜单元Lv的焦距，fLp表示透镜单元Lp的焦距，fFp表示透镜单元Fp的焦距，fFn表示透镜单元Fn的焦距。
此时，优选的是满足至少一个下述条件：
-0.5<βFpt<0.8 ···(3)
0.8<Dfmw/Dflw<2.0 ···(4)
-4.00<Dfmt/Dflt<-0.25 ···(5)
0.3<|fFp/fFn|<3.0 ···(6)
0.05<|fLv/ft|<0.20 ···(7)
0.06<fLp/ft<0.25 ···(8)
0.08<fFp/ft<0.30 ···(9)
0.05<|fFn/ft|<0.40 ···(10)
这里，从物侧到像侧的移动量被定义为正的。
接下来，描述每一个条件的技术含义。
条件（3）是适当地获取透镜单元Fp的聚焦灵敏度并使透镜单元Fp和透镜单元Fn的聚焦的移动量都更小的条件。优选的是，不管透镜单元Fp是主聚焦单元还是浮动单元，都满足条件（3）。如果偏离条件（3）的上限，则透镜单元Fp的聚焦灵敏度变小，并且透镜单元Fp和透镜单元Fn的移动量变大，因为横向倍率接近相同的倍率。
如果偏离条件（3）的下限，则光学性能劣化，因为透镜单元Fp的正折光力太强，结果，变倍组（可变倍率透镜单元）的折光力需要强，以便在望远端处获取长的焦距。进一步优选的是，条件（3）满足下述条件（3a）。
-0.4<βFpt<0.6 ···(3a)
条件（4）涉及透镜单元Fp和透镜单元Fn的聚焦驱动的关系，并且用于在广角端处成功地校正像场弯曲。如果偏离条件（4）的上限，则这不是优选的，因为与主聚焦单元的移动相比浮动单元的移动太小，并且像场弯曲的校正效果变弱。
如果偏离条件（4）的下限，则这不是优选的，因为与主聚焦单元的移动相比浮动单元的移动太大，两个聚焦透镜单元的合成聚焦灵敏度变小，并且移动量变大。进一步优选的是，条件（4）满足下述条件（4a）。
0.9<Dfmw/Dflw<1.8 ···(4a)
条件（5）涉及透镜单元Fp和透镜单元Fn的聚焦驱动的关系，并且用于成功地使聚焦的移动量小。如果偏离条件（5）的上限，则这不是优选的，因为主聚焦单元的移动变小，而浮动单元的移动变得太大。如果偏离条件（5）的下限，则这不是优选的，因为主聚焦单元的移动变大。进一步优选的是，条件（5）满足下述条件（5a）。
-3.0<Dfmt/Dflt<-0.3 ···(5a)
条件（6）规定透镜单元Fp和透镜单元Fn的焦距之比。条件（6）是用于适当地设置透镜单元Fp和透镜单元Fn的折光力布置、适当地保持透镜单元Lv之后的合成折光力、并且有效地获取透镜单元Fp和透镜单元Fn的聚焦灵敏度的条件。如果偏离条件（6）的下限，则聚焦驱动量变大，因为透镜单元Fn的折光力太弱，或者，后单元的正折光力变强，因为透镜单元Fp的折光力太强。因此，光学性能劣化，因为尽管在望远端处焦距变长，但是变倍组的折光力需要强。
如果偏离条件（6）的上限，则透镜单元Fn的聚焦驱动量变大，因为透镜单元Fp的折光力太弱，或者，后单元的负折光力变强，因为透镜单元Fn的折光力太强。因此，难以缩短在广角端处的焦距。进一步优选的是，条件（6）满足下述条件（6a）。
0.4<|fFp/fFn|<2.5 ···(6a)
条件（7）、（8）、（9）和（10）是实现通过变焦引起的像差变化的减少和整个系统的小型化的条件。如果偏离条件（7）、（8）、（9）和（10）的上限，则整个系统的尺寸增大，并且，如果偏离条件（7）、（8）、（9）和（10）的下限，则通过变焦引起的像差变化变大，因为每一个透镜单元的折光力太强。进一步优选的是，条件（7）、（8）、（9）和（10）满足下述条件（7a）、（8a）、（9a）和（10a）。
0.07<|fLv/ft|<0.18 ···(7a)
0.08<fLp/ft<0.22 ···(8a)
0.09<fFp/ft<0.25 ···(9a)
0.07<|fFn/ft|<0.30 ···(10a)
在每一个实施例中，优选的是，具有负折光力的透镜单元Fn可以不仅通过聚焦来移动，而且可以通过变焦来移动。
特别地，在广角端处，透镜单元Fn可以被布置在像侧以接近整个系统的主点位置，并且在望远端处，透镜单元Fn可以被布置在物侧以增大聚焦灵敏度。因此，在从广角端到望远端的变焦期间，透镜单元Fn可以向物侧移动。
接下来，具有正折光力的透镜单元Fp可以不仅通过聚焦来移动，而且可以通过变焦来移动。特别地，在从广角端到望远端的变焦期间透镜单元Fp也可以向物侧移动，以通过将透镜单元Fn向物侧移动来补偿球面像差的变化。
接下来，优选的是，透镜单元Fp和具有负折光力的透镜单元Fn可以具有不多于两个的透镜，以变成轻的透镜单元。另外，在每一个实施例中，在聚焦期间移动的透镜单元可以只是透镜单元Fp和透镜单元Fn。结果，对用于聚焦驱动的致动器的负荷被减少，并且有助于静音和高速聚焦。
接下来，例如，每一个实施例的变焦透镜从物侧依次包括具有正折光力、负折光力、正折光力、正折光力和负折光力的透镜单元，第四透镜单元可以变成透镜单元Fp，并且第五透镜单元可以变成透镜单元Fn。另外，变焦透镜从物侧依次包括具有正折光力、负折光力、正折光力、负折光力、正折光力和负折光力的透镜单元，第五透镜单元可以变成透镜单元Fp，并且第六透镜单元可以变成透镜单元Fn。每一个实施例的变焦透镜从通过变焦或聚焦而改变离最前面（foreground）或前方相邻的透镜的距离的表面到从通过变焦或聚焦而改变离最后面（background）或后方相邻的透镜的距离的表面。
在下文中，描述每一个实施例的透镜构成。第一实施例的变焦透镜从物侧到像侧依次包括：具有正折光力的第一透镜单元L1；具有负折光力的第二透镜单元L2；具有孔径光阑SP和正折光力的第三透镜单元L3；以及具有负折光力的第四透镜单元L4。此外，该变焦透镜包括具有正折光力的第五透镜单元L5、具有负折光力的第六透镜单元L6和具有正折光力的第七透镜单元L7。
第二透镜单元L2和第七透镜单元L7是固定的，并且第一透镜单元L1和第三透镜单元L3至第六透镜单元L6在从广角端到望远端的变焦期间向物侧移动。另外，第二透镜单元L2和第三透镜单元L3分别对应于透镜单元Lv和透镜单元Lp，并且位于它们的像侧的第五透镜单元L5和第六透镜单元L6分别对应于透镜单元Fp和透镜单元Fn。透镜单元Fn是主聚焦单元，并且，透镜单元Fp是浮动单元。
在从无限远到最小物距的聚焦期间，在广角范围和望远范围的整个范围中透镜单元Fn向像侧移动。在整个广角范围中透镜单元Fp向像侧移动，并且在整个望远范围中透镜单元Fp向物侧移动。因此，在从广角端到望远端的整个变焦范围中且从无限远到1.2m的物距（在描述数值例时使用单位“mm”，这同样适用于以下）的整个物距中实现高性能。
在望远端处透镜单元Fp的横向倍率满足条件（3），结果，在望远端处透镜单元Fp的聚焦灵敏度被适当地获取，并且透镜单元Fp和透镜单元Fn的聚焦的移动量都减小。另外，在广角端处透镜单元Fp和透镜单元Fn的聚焦的移动量满足条件（4），因此，在广角端处在物距上的像场弯曲的变化被降低。
另外，在望远侧透镜单元Fp和透镜单元Fn的聚焦的移动量满足条件（5），因此，透镜单元Fp和透镜单元Fn的聚焦的移动量都被降低。而且，可以实现自动聚焦期间的高速移动，并且通过物距引起的球面像差的变化也减少。
透镜单元Fp和透镜单元Fn的焦距之比满足条件（6），结果，相对于透镜单元Lp位于像侧的复合透镜单元的光焦度被适当地保持，并且透镜单元Fp和透镜单元Fn的聚焦灵敏度被有效地获取。另外，透镜单元Fp和透镜单元Fn都具有一个透镜，结果，对致动器的负荷被减少，并且有助于静音和高速聚焦。而且，透镜单元Lv、透镜单元Lp、透镜单元Fn和透镜单元Fp分别满足条件（7）、（8）、（9）和（10），以实现通过整个系统的变焦引起的像差变化的减小和整个系统的小型化。
第二实施例的变焦透镜从物侧到像侧依次包括：具有正折光力的第一透镜单元L1；具有负折光力的第二透镜单元L2；具有孔径光阑SP和正折光力的第三透镜单元L3；以及具有负折光力的第四透镜单元L4。此外，变焦透镜包括具有负折光力的第五透镜单元L5和具有正折光力的第六透镜单元L6。第二透镜单元L2和第六透镜单元L6是固定的，并且第三透镜单元L3至第五透镜单元L5在从广角端到望远端的变焦期间向物侧移动。
另外，第二透镜单元L2和第三透镜单元L3分别对应于透镜单元Lv和透镜单元Lp，并且位于它们的像侧的第四透镜单元L4和第五透镜单元L5分别对应于透镜单元Fp和透镜单元Fn。透镜单元Fn是主聚焦单元，并且透镜单元Fp是浮动单元。
在从无限远到最小物距的聚焦期间，在广角范围和望远范围的整个范围中透镜单元Fn向像侧移动。在整个广角范围中透镜单元Fp向像侧移动，并且在整个望远范围中透镜单元Fp向物侧移动。因此，在从广角端到望远端的整个变焦范围中且从无限远到1.2m的物距的整个物距中实现高性能。
每一个透镜单元的操作与第一透镜单元相同。第三实施例的每一个透镜单元的光学操作、聚焦类型和变焦类型与第二实施例相同。第四实施例的变焦类型与第一实施例相同。第四实施例的聚焦类型与第一实施例不同。第二透镜单元L2和第三透镜单元L3分别对应于透镜单元Lv和透镜单元Lp，并且位于它们的像侧的第五透镜单元L5和第六透镜单元L6分别对应于透镜单元Fp和透镜单元Fn。透镜单元Fp是主聚焦单元，并且透镜单元Fn是浮动单元。
在从无限远到最小物距的聚焦期间，在广角范围和望远范围的整个范围中透镜单元Fp向物侧移动。在整个广角范围中透镜单元Fn向物侧移动，并且在整个望远范围中透镜单元Fn向像侧移动。因此，在从广角端到望远端的整个变焦范围中且从无限远到1.2m的物距的整个物距中实现高性能。
与第一实施例的不同之处在于，改变主聚焦单元和浮动单元并且使驱动方向反转。本发明可以被应用于上述的变焦透镜。每一个透镜单元的效果与第一实施例相同。每一个透镜单元的光学操作、聚焦类型和变焦类型与第一实施例相同。
在本实施例中，在从无限远到最小物距的聚焦期间，在广角范围和望远范围的整个范围中透镜单元Fp向像侧移动。在整个广角范围中透镜单元Fn向像侧移动，并且在整个望远范围中透镜单元Fn向物侧移动。因此，在从广角端到望远端的整个变焦范围中且从无限远到1.9m的物距的整个物距中实现高性能。
第六实施例的变焦透镜从物侧到像侧依次包括：具有正折光力的第一透镜单元L1；具有负折光力的第二透镜单元L2；具有孔径光阑SP和正折光力的第三透镜单元L3；具有负折光力的第四透镜单元L4；以及具有负折光力的第五透镜单元L5。第二透镜单元L2是固定的，并且第一透镜单元L1和第三透镜单元L3至第五透镜单元L5在从广角端到望远端的变焦期间向物侧移动。
另外，第二透镜单元L2和第三透镜单元L3分别对应于透镜单元Lv和透镜单元Lp，并且位于它们的像侧的第四透镜单元L4和第五透镜单元L5分别对应于透镜单元Fp和透镜单元Fn。透镜单元Fp是主聚焦单元，并且透镜单元Fn是浮动单元。
在从无限远到最小物距的聚焦期间，在广角范围和望远范围的整个范围中透镜单元Fp向物侧移动。在整个广角范围中透镜单元Fn向物侧移动，并且在整个望远范围中透镜单元Fn向像侧移动。因此，在从广角端到望远端的整个变焦范围中且从无限远到1.9m的物距的整个物距中实现高性能。
接下来，参照图19描述将第一实施例至第六实施例中示出的变焦透镜应用于图像拾取设备的实施例。本发明的图像拾取设备包括包含变焦透镜的可更换镜头设备以及照相机主体，该照相机主体通过照相机架（mount）与可更换镜头可拆卸地耦接并包括图像拾取元件，该图像拾取元件接收由变焦透镜形成的光学图像并转换成电图像信号。
图19是单镜头反光照相机的主要部分的示意图。在图19中，附图标记10表示包括第一实施例至第六实施例的变焦透镜的图像拾取透镜。变焦透镜1由作为保持部件的透镜筒2保持。附图标记20表示照相机主体，并且照相机主体20包括将来自图像拾取透镜10的光向上反射的快速返回镜3和布置在图像拾取透镜10的图像形成位置中的聚焦屏幕4。此外，照相机主体20包括：五棱镜5，该五棱镜5将在聚焦屏幕4上形成的倒立图像转换为正立图像；目镜6，用于观看正立图像。
附图标记7表示感光表面，并且接收由变焦透镜形成的图像的诸如CCD传感器和CMOS传感器的固态图像拾取元件（光电转换元件）和卤化银胶片被布置在感光表面7中。快速返回镜3在拍摄图像时从光路撤退，并且通过图像拾取透镜10在感光表面7上形成图像。实施例中公开的图像拾取设备享有从第一实施例至第六实施例中描述的效果。另外，本发明的变焦透镜也能够被应用于不具有快速返回镜的无反射镜照相机。此外，本发明的变焦透镜能够被应用于用于投影仪的图像投影光学系统。
在下文中，对应于第一实施例至第六实施例的数值例1至6被指出。在每一个数值例中，i表示从物侧算起的光学表面编号。在数值例中，ri表示从物侧依次起的第i个透镜表面的曲率半径，di表示从物侧依次起的第i个透镜表面的空气间隙和第i个透镜厚度。ndi和νdi分别表示从物侧依次起的第i个透镜材料的折射率和阿贝（Abbe）数。BF表示后焦距。
另外，除了诸如焦距和F数的规格以外，像高是决定半视角的最大像高，并且透镜的整个长度是从第一透镜表面到像表面的距离。后焦距BF指示从最后一个表面到像表面的距离。另外，每一个透镜单元的数据表示每一个透镜单元的焦距、光轴上的长度、前侧主点位置和后侧主点位置。而且，在变焦期间其中每一个光学表面的间隙d可变的部分改变，并且，在另一个表中写出了根据焦距的表面间隔（separation）。在表1中写出了基于下述的数值例1至6的透镜数据的每一个条件的计算结果。
（数值例1）
单位mm
表面数据
各种数据
变焦比 4.24
变焦透镜单元数据
（数值例2）
单位mm
表面数据
各种数据
变焦比 4.24
变焦透镜单元数据
（数值例3）
单位mm
表面数据
各种数据
变焦比 4.24
变焦透镜单元数据
（数值例4）
单位mm
表面数据
各种数据
变焦比 4.24
变焦透镜单元数据
（数值例5）
单位mm
表面数据
各种数据
变焦比 3.73
变焦透镜单元数据
（数值例6）
单位mm
表面数据
各种数据
变焦比 3.70
变焦透镜单元数据
[表1]
虽然针对示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应该遵循最宽泛的解释，以涵盖所有的这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (18)

1.一种变焦透镜，包括具有负折光力的多个透镜单元，并且在变焦期间改变相邻的透镜单元之间的距离，所述变焦透镜包括：
具有负折光力的所述多个透镜单元之中的位于最物侧的透镜单元Lv；
位于透镜单元Lv的像侧的具有正折光力的透镜单元之中的位于最物侧的透镜单元Lp；
位于透镜单元Lp的像侧的具有正折光力的透镜单元Fp，透镜单元Fp被配置为在聚焦期间移动；以及
位于透镜单元Lp的像侧的具有负折光力的透镜单元Fn，透镜单元Fn被配置为在聚焦期间移动，
其中，透镜单元Fp和透镜单元Fn被配置为在从无限远到最小物距的聚焦期间在第一变焦范围中在相同的方向上移动，以及
其中，透镜单元Fp还被配置为在从无限远到最小物距的聚焦期间在第二变焦范围中向物侧移动，并且透镜单元Fn还被配置为在从无限远到最小物距的聚焦期间在所述第二变焦范围中向像侧移动，所述第二变焦范围相对于第一变焦范围位于望远侧，
其中从物侧到像侧依次布置透镜单元Fp和透镜单元Fn。
2.根据权利要求1所述的变焦透镜，
其中，满足以下条件：
fw≤fwa＜(0.8×fw+0.2×ft)
(0.8×fw+0.2×ft)＜fta≤ft
其中，fw表示整个系统在广角端处的焦距，ft表示整个系统在望远端处的焦距，fwa表示整个系统在广角范围处的焦距，fta表示整个系统在望远范围处的焦距，
其中，第一变焦范围是广角范围中的至少一部分，以及
其中，第二变焦范围是望远范围中的至少一部分。
3.根据权利要求1所述的变焦透镜，
其中，在从无限远到最小物距的聚焦期间在第一变焦范围中透镜单元Fp和透镜单元Fn向像侧移动，以及
其中，在从无限远到最小物距的聚焦期间在第二变焦范围中透镜单元Fp向物侧移动并且透镜单元Fn向像侧移动。
4.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中满足以下条件：
-0.5＜βFpt＜0.8
其中，βFpt表示透镜单元Fp在望远端处的横向倍率。
5.根据权利要求1所述的变焦透镜，
其中，主聚焦单元是透镜单元Fp和透镜单元Fn中的在第一变焦范围和第二变焦范围中当从无限远到最小物距进行聚焦时具有同一移动方向的透镜单元，
其中，浮动单元是透镜单元Fp和透镜单元Fn中的在第一变焦范围和第二变焦范围中当从无限远到最小物距进行聚焦时具有不同移动方向的透镜单元，以及
其中，满足以下条件：
0.8＜Dfmw/Dflw＜2.0
其中，Dfmw表示在广角端处当从无限远到最小物距进行聚焦时主聚焦单元的移动量，Dflw表示在广角端处当从无限远到最小物距进行聚焦时浮动单元的移动量。
6.根据权利要求1所述的变焦透镜，
其中，主聚焦单元是透镜单元Fp和透镜单元Fn中的在第一变焦范围和第二变焦范围中当从无限远到最小物距进行聚焦时具有同一移动方向的透镜单元，
其中，浮动单元是透镜单元Fp和透镜单元Fn中的在第一变焦范围和第二变焦范围中当从无限远到最小物距进行聚焦时具有不同移动方向的透镜单元，以及
其中，满足以下条件：
-4.00＜Dfmt/Dflt＜-0.25
其中，Dfmt表示在望远端处当从无限远到最小物距进行聚焦时主聚焦单元的移动量，Dflt表示在望远端处当从无限远到最小物距进行聚焦时浮动单元的移动量。
7.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中满足以下条件：
0.3＜|fFp/fFn|＜3.0
其中，fFp表示透镜单元Fp的焦距，fFn表示透镜单元Fn的焦距。
8.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中透镜单元Fp和透镜单元Fn只在聚焦期间移动。
9.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中透镜单元Fn在变焦期间移动。
10.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，透镜单元Fn向物侧移动。
11.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，透镜单元Fp向物侧移动。
12.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中透镜单元Fn具有不多于两个的透镜。
13.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中透镜单元Fp具有不多于两个的透镜。
14.根据权利要求1所述的变焦透镜，所述变焦透镜从物侧到像侧依次包括：
具有正折光力的第一透镜单元；
具有负折光力的第二透镜单元；
具有正折光力的第三透镜单元；
具有正折光力的第四透镜单元；
具有负折光力的第五透镜单元；以及
具有正折光力的第六透镜单元；
其中，透镜单元Fp是第四透镜单元，以及
其中，透镜单元Fn是第五透镜单元。
15.根据权利要求1所述的变焦透镜，所述变焦透镜从物侧到像侧依次包括：
具有正折光力的第一透镜单元；
具有负折光力的第二透镜单元；
具有正折光力的第三透镜单元；
具有负折光力的第四透镜单元；
具有正折光力的第五透镜单元；
具有负折光力的第六透镜单元；以及
具有正折光力的第七透镜单元；
其中，透镜单元Fp是第五透镜单元，以及
其中，透镜单元Fn是第六透镜单元。
16.根据权利要求1所述的变焦透镜，所述变焦透镜从物侧到像侧依次包括：
具有正折光力的第一透镜单元；
具有负折光力的第二透镜单元；
具有正折光力的第三透镜单元；
具有正折光力的第四透镜单元；以及
具有负折光力的第五透镜单元；以及
其中，透镜单元Fp是第四透镜单元，以及
其中，透镜单元Fn是第五透镜单元。
17.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中满足以下条件：
0.05＜|fLv/ft|＜0.20
0.06＜fLp/ft＜0.25
0.08＜fFp/ft＜0.30
0.05＜|fFn/ft|＜0.40
其中fLv表示透镜单元Lv的焦距，fLp表示透镜单元Lp的焦距，fFp表示透镜单元Fp的焦距，fFn表示透镜单元Fn的焦距，ft表示整个系统在望远端处的焦距。
18.一种图像拾取设备，包括：
根据权利要求1至17中的任意一项所述的变焦透镜；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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