CN104204894A - 变倍光学系统和摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实现一种不仅维持良好的性能、并且在望远端也明亮的变倍光学系统。该变倍光学系统从物体侧依次由相对于成像面被固定并具有正光焦度的第1透镜群(G1)、具有负光焦度的第2透镜群(G2)、相对于成像面被固定并具有正光焦度的第3透镜群(G3)、具有正光焦度的第4透镜群(G4)构成，使第2透镜群(G2)移动而进行变倍，使第4透镜群(G4)移动而进行聚焦，其中，第1透镜群(G1)从物体侧依次由正透镜(L11)、正胶合透镜(L1c)构成，第3透镜群(G3)在最靠物体侧具备孔径光阑(St)，第4透镜群(G4)从物体侧依次由正透镜(L41)、负透镜(L42)、正透镜(L43)构成且至少在1面具有非球面，该变倍光学系统满足规定的条件式。

Description

变倍光学系统和摄像装置
技术领域
本发明涉及从广角端至望远端使开放F值能够维持得明亮的变倍光学系统和具备该变倍光学系统的摄像装置。
背景技术
作为面向能够在可视域和近红外域这两方使用、不仅白天且夜间也可以进行拍摄的监控摄像机规格的CCTV(闭路电视：Closed-circuitTelevision)用变焦透镜(变倍光学系统)，具有正负正正的光焦度的4群结构的变焦透镜过去提出多个(专利文献1～3等)。具有该正负正正的光焦度的4群结构的变焦透镜，镜体·变倍机构的简单且容易处理等优点多，是一直以来被大量采用的结构。
还有，这样的变焦透镜除了CCTV用以外，也被充分供给以CCD(Charge Coupled Device)和CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)等的摄像元件作为记录媒体的摄影机和电子静态照相机等的摄像装置用。
【先行技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】特开2011-118372号公报
【专利文献2】特开平06-230317号公报
【专利文献3】特开2011-158630号公报
通常，就变焦透镜而言，其望远端的明亮度相比广角端，变暗的倾向强烈。这是由于，一般的变焦透镜的情况下，变倍时入射光瞳直径要乘以变焦比。为了消除这一问题，若按照摄取对应于所扩大的入射光瞳直径的光束的方式构成，则这样会使前透镜直径变大而损害小型性，成本也变高，除此以外望远端的像差校正困难，需要增加透镜构成片数，或使用反常色散玻璃，也成为成本进一步提高的要因。
例如，专利文献1所述的变焦透镜，广角端的明亮度为F1.4级，相对于此，望远端的明亮度是F2.5级，望远端的明亮度不足。
另外，专利文献2所述的变焦透镜，虽然望远端的明亮度与广角端的明亮度同等，但因为前透镜直径大，所以镜体(lens barrel)直径扩大化。
另外，专利文献3所述的变焦透镜，因为外径最大的第1透镜群在变倍时移动，所以镜体直径进一步扩大化，另外机械结构也复杂化。
但是近年来，对于在能够放大辨认的望远端下更明亮的变焦透镜的要求强烈。
发明内容
本发明鉴于上述情况而形成，其目的在于，提供一种不仅维持良好的性能、并且在望远端也明亮的变倍光学系统和具备该变倍光学系统的摄像装置。
本发明的变倍光学系统，从物体侧依次由相对于成像面被固定并具有正光焦度的第1透镜群、具有负光焦度的第2透镜群、相对于成像面被固定度并具有正光焦度的第3透镜群、具有正光焦度的第4透镜群构成，使第2透镜群移动而进行变倍，使第4透镜群移动而进行聚焦，其特征在于，第1透镜群，从物体侧依次由正透镜L1p、使负透镜和正透镜接合的并具有正光焦度的胶合透镜L1c构成，第3透镜群在最靠物体侧具有光阑，第4透镜群，从物体侧依次由正透镜、负透镜、正透镜构成且至少在1面具有非球面，满足下述条件式。
3.1＜f1/fw＜8.0…(1)
0.4＜f1p/f1c＜2.0…(2)
0.3＜R1c/fw＜0.7…(3)
1.0≤FNt/FNw＜1.4…(4)
1.5＜FNt＜2.3…(5)
其中，f1：第1透镜群的焦距，fw：全系统的在广角端的焦距，f1p：正透镜L1p的焦距，f1c：胶合透镜L1c的焦距，R1c：胶合透镜L1c的接合面的曲率半径，FNt：全系统的在望远端的开放F值，FNw：全系统的在广角端的开放F值。
这种情况下，优选满足下述条件式。
3.5＜f1/fw＜5.0…(1-1)
0.8＜f1p/f1c＜1.9…(2-1)
0.35＜R1c/fw＜0.5…(3-1)
1.0≤FNt/FNw＜1.3…(4-1)
1.6＜FNt＜2.0…(5-1)
另外，第3透镜群，优选从物体侧依次至少含有：光阑；使双凸的正透镜与物体侧面为凹且该物体侧面的曲率半径的绝对值比像侧面小的负透镜接合后的胶合透镜L3c、物体侧面为凹且该物体侧面的曲率半径的绝对值比像侧面小的负透镜L3n，并满足下述条件式。
2.2＜f3/fw＜5.0…(6)
0.3＜f3c/f3＜2.0…(7)
-2.5＜f3n/f3＜-0.4…(8)
50＜vdn≤vdp…(9)
其中，f3：第3透镜群的焦距，f3c：胶合透镜L3c的焦距，f3n：负透镜L3n的焦距，vdp：胶合透镜L3c中的正透镜的阿贝数，vdn：胶合透镜L3c中的负透镜的阿贝数。
这种情况下，优选满足下述条件式。
2.5＜f3/fw＜4.0…(6-1)
0.4＜f3c/f3＜1.5…(7-1)
-2.0＜f3n/f3＜-0.5…(8-1)
60＜vdn≤vdp…(9-1)
另外，第2透镜群，优选从物体侧依次由负透镜L2n、使双凹的负透镜与正透镜接合后的胶合透镜L2c构成，满足下述条件式。
0.8＜|f2|/fw＜1.4…(10)
-0.7＜β2w＜-0.3…(11)
0.1＜D12w/fw＜0.7…(12)
其中，f2：第2透镜群的焦距，β2w：第2透镜群的在广角端的成像倍率，D12w：在广角端的第1透镜群与第2透镜群的光轴上的间隔。
这种情况下，优选满足下述条件式。
0.9＜|f2|/fw＜1.2…(10-1)
-0.6＜β2w＜-0.4…(11-1)
0.2＜D12w/fw＜0.6…(12-1)
另外，第4透镜群，优选从物体侧依次由双凸的正透镜、像侧面为凹且该像侧面的曲率半径的绝对值比物体侧面小的负透镜、正透镜构成，满足下述条件式。
1.2＜f4/fw＜2.6…(13)
其中，f4：第4透镜群的焦距。
这种情况下，优选满足下述条件式。
1.5＜f4/fw＜2.2…(13-1)
本发明的变倍光学系统，其特征在于，满足上述记述的本发明的变倍光学系统。
本发明的变倍光学系统，从物体侧依次由相对于成像面被固定并具有正光焦度的第1透镜群、具有负光焦度的第2透镜群、相对于成像面被固定并具有正光焦度的第3透镜群、具有正光焦度的第4透镜群构成，使第2透镜群移动而进行变倍，使第4透镜群移动而进行聚焦，其中，第1透镜群，从物体侧依次由正透镜L1p、使负透镜和正透镜接合并具有正光焦度的胶合透镜L1c构成，第3透镜群在最靠物体侧具备光阑，第4透镜群，从物体侧依次由正透镜、负透镜、正透镜构成且至少在1面具有非球面，满足下述条件式，因此可以实现不仅维持良好的性能、并且在望远端也明亮的变倍光学系统。
3.1＜f1/fw＜8.0…(1)
0.4＜f1p/f1c＜2.0…(2)
0.3＜R1c/fw＜0.7…(3)
1.0≤FNt/FNw＜1.4…(4)
1.5＜FNt＜2.3…(5)
另外，本发明的摄像装置，因为具备本发明的变倍光学系统，所以望远端也明亮，另外能够得到高画质的影像。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的变倍光学系统(与实施例1共通)的透镜构成的剖面图
图2是表示本发明的实施例2的变倍光学系统的透镜构成的剖面图
图3是表示本发明的实施例3的变倍光学系统的透镜构成的剖面图
图4是表示本发明的实施例4的变倍光学系统的透镜构成的剖面图
图5是表示本发明的实施例5的变倍光学系统的透镜构成的剖面图
图6是表示本发明的实施例6的变倍光学系统的透镜构成的剖面图
图7是表示本发明的实施例7的变倍光学系统的透镜构成的剖面图
图8是表示本发明的实施例8的变倍光学系统的透镜构成的剖面图
图9是本发明的实施例1的变倍光学系统的各像差图(A～I)
图10是本发明的实施例2的变倍光学系统的各像差图(A～I)
图11是本发明的实施例3的变倍光学系统的各像差图(A～I)
图12是本发明的实施例4的变倍光学系统的各像差图(A～I)
图13是本发明的实施例5的变倍光学系统的各像差图(A～I)
图14是本发明的实施例6的变倍光学系统的各像差图(A～I)
图15是本发明的实施例7的变倍光学系统的各像差图(A～I)
图16是本发明的实施例8的变倍光学系统的各像差图(A～I)
图17是本发明的实施方式的摄像装置的概略构成图
具体实施方式
以下，参照附图，对于本发明的实施方式详细地说明。图1是本发明的一个实施方式的变倍光学系统(与实施例1共通)的透镜构成的剖面图。图1所示的构成例，与后述的实施例1的变倍光学系统的构成共通。在图1中，左侧是物体侧，右侧是像侧。
该变倍光学系统，沿着光轴Z从物体侧依次，由相对于成像面被固定并具有正光焦度的第1透镜群G1、具有负光焦度的第2透镜群G2、相对于成像面被固定并具有正光焦度的第3透镜群G3、具有正光焦度的第4透镜群G4构成，使第2透镜群G2移动而进行变倍，使第4透镜群G4移动而进行聚焦。还有，图1所示的孔径光阑St不一定表示其大小和形状、而表示其在光轴Z上的位置。
将该变倍光学系统应用于摄像装置时，优选根据装配镜头的照相机侧的构成，在光学系统与像面Sim之间配置保护玻璃、棱镜、红外线截止滤光片和低通滤光片等的各种滤光片，因此在图1中，表示的是将这些的假设下的平行平板状的光学构件PP配置在第4透镜群G4与像面Sim之间的例子。还有，关于光学构件PP的厚度和特性，可根据要求性能考虑，对于位置和厚度以及特性没有限定。另外，也可以不配置光学构件PP。
第1透镜群G1，从物体侧依次由正透镜L11(权利要求中的L1p)、使负透镜L12和正透镜L13接合的并具有正光焦度的胶合透镜L1c构成。
另外，第2透镜群G2，从物体侧依次由负透镜L21(权利要求中的L2n)、使双凹的负透镜L22和正透镜L23接合的胶合透镜L2c构成。
另外，第3透镜群G3，从物体侧依次由孔径光阑St、使双凸的正透镜L31与物体侧面为凹且物体侧面的曲率半径的绝对值比像侧面小的负透镜L32接合后的胶合透镜L3c、物体侧面为凹且该物体侧面的曲率半径的绝对值比像侧面小的负透镜L33(权利要求中的L3n)构成。
另外，第4透镜群G4，从物体侧依次由双凸正透镜L41、像侧面为凹且该像侧面的曲率半径的绝对值比物体侧面小的负透镜L42、正透镜L43构成，此外，第4透镜群G4的最靠物体侧的正透镜L41为非球面透镜。
在本发明中，在从可视域至近红外域的比通常宽的波长范围，特别是需要良好地校正轴上色像差，因此无法避免反常色散玻璃的使用。反常色散玻璃种类，无论是材料还是加工，成本都很高，需要考虑尽可能减小外径、中心厚度。
因此，通过第1透镜群G1采用上述的构成，与现有的负透镜先行的负正正的3片结构的第1透镜群比较，使得中心光束的在光阑位置的直径更小，能够充裕地使望远端的明亮度变亮。
另外，本发明这样的4群结构的变倍光学系统，大体上从第1透镜群G1～第3透镜群G3承担变倍无焦系统的作用，第4透镜群承担主透镜群的作用，全系统的焦距是使第4透镜群的焦距乘以变倍无焦系统的倍率。
因此其构成方式为，在一边确保需要的后截距，一边将支配左右着镜体实体的外径的光阑直径和第3透镜群G3的外径抑制在所需最低限的程度下，缩短第4透镜群G4的焦距，将变倍无焦系统倍率从广角端以规定量加大而向靠望远侧偏移，能够得到期望的焦距。
这件事能够通过如下方式达成，在具有正光焦度的第1透镜群G1、具有负光焦度的第2透镜群G2、具有正光焦度的第3透镜群G3为止的大致无焦的构成中，从广角端将第1透镜群G1和第2透镜群G2的间隔分离，使第2透镜群G2靠近孔径光阑St，将在广角端的轴外光线高度和在望远端的中心光束的边缘光线高度抑制得小。
这一情况下，在广角侧使轴外光束向外侧扩展，但通过调整广角端和望远端的视场角范围，能够使之与在望远端的中心光束直径等同。另外，上述无焦倍率的大的偏移，带来第2透镜群G2靠近孔径光阑，也会使第2透镜群G2的透镜的有效径、孔径光阑直径减少。反言之就是也成为能够使望远端变亮的要因。
另外，通过使第4透镜群G4成为上述的构成，能够一边成为简易的构成，一边在全域维持明亮度以达成在广角侧F值为F1.5～F1.8左右、在望远侧也为F1.7～F1.9左右，能够跨越画面全域得到均匀而高性能的画质。
作为本发明的主要目的，即为了在望远端确保明亮的F值的性能上的考虑，重要的是第1透镜群G1相对于全系统的光焦度分配、且在望远端中心光束直径最大的第1透镜群G1内的透镜构成所对应的光焦度分配。在本发明中，其构成为，从物体侧依次由正透镜L11(权利要求中的L1p)、使负透镜L12和正透镜L13接合的并具有正光焦度的胶合透镜L1c构成，还以满足下述条件式(1)～(5)的方式构成。
3.1＜f1/fw＜8.0…(1)
0.4＜f1p/f1c＜2.0…(2)
0.3＜R1c/fw＜0.7…(3)
1.0≤FNt/FNw＜1.4…(4)
1.5＜FNt＜2.3…(5)
其中，f1：第1透镜群G1的焦距，fw：全系统的在广角端的焦距，f1p：正透镜L11(L1p)的焦距，f1c：胶合透镜L1c的焦距，R1c：胶合透镜L1c的接合面的曲率半径，FNt：全系统的在望远端的开放F值，FNw：全系统的在广角端的开放F值。
条件式(1)规定的是第1透镜群G1相对于全系统的光焦度分配。若低于该条件式(1)的下限，则第1透镜群G1的光焦度增加，虽然可以按能减小孔径光阑直径的量(分)使望远侧的明亮度变明，但全系统的焦距变短，并且发生过剩的球面像差和像面歪斜。这时在广角侧。比球面像差更过剩的像面歪斜的影响强烈，相反在望远侧，过剩的球面像差的影响胜出，不能均匀且良好地维持整个画面区域的成像性能。另外，若高于条件式(1)的上限，则第1透镜群G1的光焦度变弱，开口F值变暗。另外，特别是在望远端发生校正不足的球面像差和像面弯曲，同样不能使全域的成像性能均匀化。
条件式(2)涉及构成第1透镜群G1的物体侧的正透镜L11(L1p)和像侧的胶合透镜L1c的光焦度分配。为了在望远端使开口F值明亮，在像差校正上，期望正透镜L11(L1p)、胶合透镜L1c各自的光焦度在一定程度上均等化。若低于该条件式(2)的下限，则物体侧正透镜L11(L1p)的光焦度变得过强，特别是在望远侧使球面像差以及像面歪斜都校正不足，性能劣化显著。为了消除这一问题，就要使后续的正胶合透镜L1c的接合面的负光焦度加强，进一步使负透镜L12与正透镜L13的折射率差加大，或使接合面分离，而成本也会变高，或需要组装上高精度，因此不为优选。另外，若高于条件式(2)的上限，则反之会使校正过剩的球面像差、像面弯曲发生，特别在望远侧的成像性能恶化。
条件式(3)表示胶合透镜L1c的接合面的曲率半径R1c与广角端的全系统焦距fw的关系。若低于该条件式(3)的下限，则该接合面的负光焦度过剩，特别在望远侧使球面像差、像面弯曲、色像差劣化。另外曲率半径与透镜外径相比过小，透镜加工困难。另外，若高于条件式(3)的上限，则反之该接合面的负光焦度不足，二级光谱变得过大，渗色、倍率色像差都变大，特别对望远侧的成像性能造成不利影响。
条件式(4)规定的是作为本发明的目的、即望远端的明亮度以开放F值(maximum aperture F-number)计不要变得过暗。本发明这样的第1透镜群G1和第3透镜群G3固定式的变倍构成的情况下，如果是小光阑，则不论变倍，规定明亮度的F值都大体上一定。光阑开放时之所以F值变暗，是由于透镜系统内的一部分有效直径小而无法覆盖尽。在本发明这样的构成中，第3透镜群G3和第4透镜群G4之间大约是无焦的，包含孔径光阑St在内的第3透镜群G3相对于像面固定，因此即使变倍，中心光束直径也几乎不变，后截距没什么变化，因此F值也差不多一定。可是，在第1透镜群G1和第2透镜群G2中，伴随用于变倍的第2透镜群G2的移动，入射光瞳直径也发生变化，因此有效直径也变化。中心光束直径在望远端大，在广角侧轴外光线的有效直径大，一般来说，透镜外径由在广角侧的轴外光线的有效直径和在广角端的中心光束的有效直径规定。历来，望远端的F值，依存于在广角端的有效直径而决定的情况多。还有，一直以来，虽然也有由可变光阑实现明亮度一定的变焦透镜被开发的情况，但因为机构复杂，另外透镜系统也大型化，所以无法视为与成本相称的规格。
在本发明中采用以下构成，即考虑广角侧和望远侧的视场角变化，即使在望远端开放F值也不会变化得有差异(差程)。条件式(4)规定这一效果，若低于条件式(4)的下限，则望远端的明亮度F值比广角端的明亮，但第1透镜群G1的透镜有效直径变得过大，成为成像性能恶化的问题。另外，也可以相比望远侧，在广角端使开放F值变暗，如此由光阑机构进行控制，无论在性能上还是周边光量上都没有特殊的必要性，无关紧要。另外，若高于条件式(4)的上限，则出现望远端的F值过暗，或广角端的周边光过少等的问题。
条件式(5)共同规定在望远端开放F值处于目标的规格范围内。若低于该条件式(5)的下限，则望远端的开放F值过度明亮，产生出为了维持成像性能而增加构成片数的需要，透镜系统变得大型化、高成本。另外，若高于条件式(5)的上限，则不能满足来自市场的要求规格，成为广角端稍微暗的变倍光学系统。
还有，通过满足下述条件式(1-1)～(5-1)，能够成为更高性能的变倍光学系统。
3.5＜f1/fw＜5.0…(1-1)
0.8＜f1p/f1c＜1.9…(2-1)
0.35＜R1c/fw＜0.5…(3-1)
1.0≤FNt/FNw＜1.3…(4-1)
1.6＜FNt＜2.0…(5-1)
另外，本实施方式的变倍光学系统，优选满足下述条件式(6)～(9)。
2.2＜f3/fw＜5.0…(6)
0.3＜f3c/f3＜2.0…(7)
-2.5＜f3n/f3＜-0.4…(8)
50＜vdn≤vdp…(9)
其中，f3：第3透镜群G3的焦距，f3c：胶合透镜L3c的焦距，f3n：负透镜L33(L3n)的焦距，vdp：胶合透镜L3c中的正透镜L31的阿贝数，vdn：胶合透镜L3c中的负透镜L32的阿贝数。
条件式(6)规定的是第3透镜群G3相对于全系统的光焦度分配。如前述在本发明这样的4群结构的变倍光学系统中，具有正光焦度的第1透镜群G1、具有负光焦度的第2透镜群G2、具有正光焦度的第3透镜群G3为止以大体上无焦的构成为基本。因此，如果使相对于成像面被固定的第3透镜群G3的光焦度改变，则第1透镜群G1和第2透镜群G2的光焦度也发生变化。如果第3透镜群G3的光焦度变大，则需要第1透镜群G1和第2透镜群G2的光焦度其绝对值也变大。若低于该条件式(6)的下限，则第3透镜群G3的光焦度变大，需要加大第1透镜群G1和第2透镜群G2的光焦度的绝对值，第2透镜群G2的变倍时的移动量变小而对光学系统整体的小型化有效，但变倍时的像差变动过大，不能在全变倍域维持良好的成像性能。另外，若高于条件式(6)的上限，则虽然成像性能良好，但第2透镜群G2的变倍域的移动量变大，光学系统整体大型化，全长变大，或透镜系统大直径化，损害小型性。
条件式(7)规定的是正胶合透镜L3c相对于第3透镜群G3的光焦度分配，主要用于将球面像差和轴上色像差通过全系统而得以共同良好地维持的条件。若低于该条件式(7)的下限，则正胶合透镜L3c的光焦度变得过大，为了维持第3群的光焦度，负透镜L33(L3n)的负光焦度其绝对值也变大，作为第3透镜群G3成为望远比小的透镜系统，从而使全系统的后截距过小，或助长轴外光的发散作用而在画面整体使像面弯曲的平坦性变差，弊病很大。另外，若高于条件式(7)的上限，则正胶合透镜L3c的正光焦度过弱，使全系统的后截距过度加大，或轴外周边光束在第4透镜群G4的光线高度更大，其结局是使第3透镜群G3和第4透镜群G4的透镜有效直径过度增大而损害光学系统全体的小型化，或不能在望远端维持明亮的开放F值。
条件式(8)规定的是负透镜L33(L3n)相对于第3透镜群G3的光焦度分配。若高于该条件式(8)的上限，则形成的问题是，负透镜L33(L3n)的负光焦度过强，必须加大正胶合透镜L3c的正光焦度，第3透镜群G3的望远比更小，前述这样的弊病产生。另外，若低于条件式(8)的下限，则必须减小正胶合透镜L3c的正光焦度，存在与上述同样的弊病。
条件式(9)是关于在胶合透镜L3c上使用的、正负透镜玻璃材的阿贝数。若低于该条件式(9)的下限，则成为在近红外域的部分色散比的差大的材料的组合，成为近红外域与可视域的轴上色像差不能允许的量。另外，若高于条件式(9)的上限，则不满足消色差条件。这种情况下，需要反转接合面的曲率半径的方向，但这时在第3透镜群G3中成为负透镜先行的构成，全系统的球面像差过剩，使性能的平衡恶化，对后续的透镜系统造成影响，因此不为优选。
还有，通过满足下述条件式(6-1)～(9-1)，能够成为更高性能的变倍光学系统。
2.5＜f3/fw＜4.0…(6-1)
0.4＜f3c/f3＜1.5…(7-1)
-2.0＜f3n/f3＜-0.5…(8-1)
60＜vdn≤vdp…(9-1)
在本发明的变倍光学系统中，从可视域到近红外域，对于轴上色像差、以及轴外的倍率色像差和各波长下的彗形像差(也称慧差)的偏移等，优选在全变倍域极力压制其变动。此外为了在望远端使开口F值达到一定水准的明亮度，需要成为从广角端靠向望远侧的成像倍率。
因此，在本发明中，优选使第2透镜群G2构成为，从物体侧依次由负透镜L21(权利要求中的L2n)、使双凹的负透镜L22和正透镜L23接合后的胶合透镜L2c构成，再满足下述条件式(10)～(12)。
0.8＜|f2|/fw＜1.4…(10)
-0.7＜β2w＜-0.3…(11)
0.1＜D12w/fw＜0.7…(12)
其中，f2：第2透镜群G2的焦距，β2w：第2透镜群G2的在广角端的成像倍率，D12w：在广角端的第1透镜群G1と第2透镜群G2的光轴上的间隔。
条件式(10)是关于第2透镜群G2的负光焦度对全系统造成的影响给予限制，若低于条件式(10)的下限，则对于规定的变倍比，第2透镜群G2的移动量变小，因此能够缩短光学系统的总长，且能够减小第1透镜群G1的透镜外径等，对光学系统的小型化有效，但第1透镜群G1和第3透镜群G3的正光焦度增大，像差变动变得过大，不能平衡且良好地维持变倍全域的成像性能。另外，若高于条件式(10)的上限，则广角端至望远端的移动量变得过大，光学系统的总长变大，或第1透镜群G1的透镜大直径化，因此不为优选。在第2透镜群G2的透镜构成中，如果在条件式(10)的范围内，则不会损害小型性，球面像差、像面弯曲、色像差等变动受到限制，可跨越画面全域大体维持均匀的性能。
条件式(11)是关于在广角端的第2透镜群G2相对于第1透镜群G1的成像倍率的条件。如前述，本发明为了使望远端的开放F值明亮，就使第1透镜群G1至第3透镜群G3成为大体无焦的构成，靠近望远侧。将这一事项作为条件式。若低于该条件式(11)的下限，则成像倍率变大，可知能够以第4透镜群G4的焦距的减小的量变明亮，但从第1透镜群G1至第3透镜群G3的各自的光焦度变大，像差变动变大，不能均匀且良好地校正全系统的成像性能。另外，若高于条件式(11)的上限，成像倍率变小，必须加大第4透镜群G4的焦距，因此孔径光阑直径进一步变大，光学系统大型化，因此不为优选。
条件式(12)也同样，若低于下限，则在广角端的成像倍率的绝对值变小，变倍无焦系统的倍率变小，必须加大第4透镜群G4的焦距，因此孔径光阑直径变大，孔径光阑直径、第3透镜群G3、第4透镜群G4等大型化。另外，若高于条件式(12)的上限，则能够按使变倍无焦系统的倍率能够变大的量使开放F值明亮，但像差变动大，全系统的成像性能恶化。
还有，通过满足下述条件式(10-1)～(12-1)，能够成为更高性能的变倍光学系统。
0.9＜|f2|/fw＜1.2…(10-1)
-0.6＜β2w＜-0.4…(11-1)
0.2＜D12w/fw＜0.6…(12-1)
另外，本实施方式的变倍光学系统，优选满足下述条件式(13)。
1.2＜f4/fw＜2.6…(13)
其中，f4：第4透镜群G4的焦距。
条件式(13)规定的是第4透镜群G4对于全系统的光焦度分配。若低于该条件式(13)的下限，则必须使第1透镜群G1至第3透镜群G3的无焦变倍系统向更大的一方移动，必须分别加大各透镜群的光焦度，如前述这样不能跨越全系统而均匀且良好地维持成像性能。此外，全系统的后截距变短，不能经由第4透镜群G4的构成进行应对。另外，若高于条件式(13)的上限，则第4透镜群G4的光焦度变弱，因此优选，但光阑孔径也变大，使开放F值变暗，或必须使透镜系统大型化，就不符合发明的目的。
还有，通过满足下述条件式(13-1)，能够成为更高性能的变倍光学系统。
1.5＜f4/fw＜2.2…(13-1)
在本变倍光学系统中，作为配置在最靠物体侧的材料，具体来说优选使用玻璃，或者也可以使用透明的陶瓷。
另外，本变倍光学系统在严酷的环境下使用时，优选实施保护用的多层膜涂层。此外，除了保护用涂层以外，也可以实施用于减少使用时的重影等的防反射涂层。
另外，在图1所示的例子中，展示的是在变倍光学系统和像面Sim之间配置有光学构件PP的例子，但也可以取代低通滤光片和截止特定的波长范围的各种滤光片等的配置，而在各透镜之间配置此各种滤光片，或者对于任意一个透镜的透镜面实施与各种滤光片具有同样的作用的涂层，或实施保护用的多层膜涂层。
接下来，对于本发明的变倍光学系统的数值实施例进行说明。实施例1的变倍光学系统的透镜构成的剖面图示出在图1中，实施例2的变倍光学系统的透镜构成的剖面图示出在图2中，实施例3的变倍光学系统的透镜构成的剖面图示出在图3中，实施例4的变倍光学系统的透镜构成的剖面图示出在图4中，实施例5的变倍光学系统的透镜构成的剖面图示出在图5中，实施例6的变倍光学系统的透镜构成的剖面图示出在图6中，实施例7的变倍光学系统的透镜构成的剖面图示出在图7中，实施例8的变倍光学系统的透镜构成的剖面图示出在图8中。
还有，在图1～图8中，也一并示出光学构件PP，左侧是物体侧，右侧是像侧，图示的孔径光阑St和光束控制面F不一定表示其大小和形状，而表示在光轴Z上的位置。
实施例1的变倍光学系统的透镜数据示出在表1中，关于移动面的间隔的数据示出在表2中，关于诸要素的数据示出在表3中，关于非球面的数据示出在表4中。另外，实施例2的变倍光学系统的透镜数据示出在表5中，关于移动面的间隔的数据示出在表6中，关于诸要素的数据示出在表7，关于非球面的数据示出在表8中。另外，实施例3的变倍光学系统的透镜数据示出在表9中，关于移动面的间隔的数据示出在表10中，关于诸要素的数据示出在表11中，关于非球面的数据示出在表12中。另外，实施例4的变倍光学系统的透镜数据示出在表13中，关于移动面的间隔的数据示出在表14中，关于诸要素的数据示出在表15，关于非球面的数据示出在表16中。另外，实施例5的变倍光学系统的透镜数据示出在表17中，关于移动面的间隔的数据示出在表18中，关于诸要素的数据示出在表19，关于非球面的数据示出在表20中。另外，实施例6的变倍光学系统的透镜数据示出在表21中，关于移动面的间隔的数据示出在表22中，关于诸要素的数据示出在表23，关于非球面的数据示出在表24中。另外，实施例7的变倍光学系统的透镜数据示出在表25中，关于移动面的间隔的数据示出在表26中，关于诸要素的数据示出在表27，关于非球面的数据示出在表28中。另外，实施例8的变倍光学系统的透镜数据示出在表29中，关于移动面的间隔的数据示出在表30中，关于诸要素的数据示出在表31中，关于非球面的数据示出在表32中。
以下，对于表中的标记的意思，以实施例1的为例进行说明，但在实施例2～8中也基本同样。
在表1的透镜数据中，Si一栏中表示最靠物体侧的构成要素的面为第1号而随着朝向像侧依次增加的第i号(i＝1、2、3、…)的面编号，Ri一栏中表示第i号面的曲率半径，Di一栏中表示第i号面和第i+1号面的光轴Z上的面间隔。另外，Ndj一栏中表示第i号面和第i+1号面之间的介质的对d线(波长587.6nm)的折射率，vdj一栏中表示以最靠物体侧的光学零件作为第1号而随着朝向像侧依次增加的第j号(j＝1、2、3、…)的光学零件的对d线的阿贝数。
还有，就曲率半径的符号而言，面形状向物体侧凸时为正，向像侧凸时为负。透镜数据中，也包含孔径光阑St、光学构件PP、像面在内示出。在相当于孔径光阑St的面的面编号一栏中，与面编号一起还记述有(光阑)这样的词语，同样，在相当于像面的面的面编号一栏中，与面编号还记述有(像面)这样的标记。另外，在表1的透镜数据中，变倍和聚焦时间隔发生变化的面间隔一栏中分别记述为dn(n为面编号)。
在表2的关于移动面的间隔的数据中，示出在广角端(W)、中间视场角(M)、望远端(T)各自的面间隔dn(n为面编号)的值。
在表3的关于诸要素的数据中，示出在广角端(W)、中间视场角(M)、望远端(T)各自的焦距f′、F数FNO和全视场角2ω的值。
在透镜数据、关于移动面的间隔的数据和关于诸要素的数据中，作为角度的单位使用度，作为长度的单位使用mm，但光学系统按比例放大或按比例缩小也可以使用，因此也能够使用其他适当的单位。
另外，有表1的透镜数据中，对非球面的面编号附加＊号，作为非球面的曲率半径，示出近轴的曲率半径的数值。表4的非球面数据中，示出非球面的面编号、和关于这些非球面的非球面系数。非球面系数是由以下的式(A)所表示的非球面式中的各系数κ、Am(m＝4、6、8、10、12、14、16、18)的值。
Zd＝C·h2/{1+(1-κ·C2·h2)1/2}+∑Am·hm…(A)
其中，
Zd：非球面深度(从高度h的非球面上的点下垂到非球面顶点相切的与光轴垂直的平面的垂线的长度)
h：高度(从光轴至透镜面的距离)
C：近轴曲率半径的倒数
κ、Am：非球面系数(m＝4、6、8、10、12、14、16、18)
【表1】
实施例1·透镜数据(n，v：d线)
【表2】
实施例1·间隔数据
【表3】
实施例1·诸要素(d线)
W M T
f’ 12.460 24.920 48.844
FNO 1.57 1.67 1.85
2ω 41.35 20.37 10.25
【表4】
实施例1·非球面数据
面编号 κ A4 A6 A8 A10 A12
17* -2.91184 1.990E-04 -1.421E-06 1.859E-08 -2.184E-10 -2.083E-13
18* 4.85492 1.172E-04 4.463E-07 -7.668E-09 -1.707E-12 -7.955E-17
【表5】
实施例2·透镜数据(n，v：d线)
【表6】
实施例2·间隔数据
W M T
d5 5.685 17.378 1.436
d10 22.046 10.353 4.223
d16 4.554 2.994 8.331
d22 8.000 9.560 0.303
【表7】
实施例2·诸要素(d线)
W M T
f’ 12.499 24.997 48.495
FNO 1.56 1.66 1.84
2ω 40.89 20.21 10.30
【表8】
实施例2·非球面数据
面编号 κ A4 A6 A8 A10 A12
17* 1.02879 -1.968E-05 -2.533E-07 4.861E-09 -1.032E-10 -7.857E-14
18* 4.84403 1.282E-04 5.017E-08 -1.304E-09 -5.418E-13 -1.148E-16
面编号 A14 A16 A18
17* -3.591E-17 -1.300E-20 -4.125E-24
18* -1.113E-20 2.487E-24 1.792E-27
【表9】
实施例3·透镜数据(n，v：d线)
【表10】
实施例3·间隔数据
W M T
d5 4.246 15.812 24.770
d10 22.013 10.449 1.491
d16 4.436 2.948 4.478
d22 8.000 9.488 7.958
【表11】
实施例3·诸要素(d线)
W M T
f’ 12.463 24.925 48.854
FNO 1.64 1.67 1.86
2ω 41.28 20.32 10.23
【表12】
实施例3·非球面数据
面编号 κ A4 A6 A8 A10 A12
17* 0.07785 3.346E-05 1.879E-07 -4.190E-09 -9.648E-12 -5.507E-15
18* 3.54973 1.175E-04 -3.138E-07 -1.718E-09 -2.353E-14 1.553E-16
面编号 A14 A16 A18
17* -2.160E-18 -7.084E-22 -2.097E-25
18* 7.225E-20 2.332E-23 6.424E-27
【表13】
实施例4·透镜数据(n，v：d线)
【表14】
实施例4·间隔数据
W M T
d5 4.211 14.840 22.435
d10 20.790 10.161 2.566
d18 4.432 3.505 5.805
d24 8.000 8.927 6.627
【表15】
实施例4·诸要素(d线)
W M T
f’ 12.453 24.906 47.819
FNO 1.54 1.58 1.70
2ω 39.94 20.08 10.35
【表16】
实施例4·非球面数据
面编号 κ A4 A6 A8 A10 A12
15* 8.8651507 1.610E-04 -3.513E-07 -1.498E-10 -1.125E-13 0.000E+00
16* 0.1270171 2.176E-04 2.332E-07 9.571E-11 4.595E-14 0.000E+00
19* -1.2132294 1.079E-04 5.172E-08 1.500E-09 2.423E-12 8.360E-16
20* 2.8710917 1.306E-04 4.214E-07 4.836E-09 -6.877E-14 -4.303E-16
面编号 A14 A16 A18
15* 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00
16* 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00
19* 1.970E-19 4.039E-23 8.451E-27
20* -1.864E-19 -5.894E-23 -1.629E-26
【表17】
实施例5·透镜数据(n，v：d线)
【表18】
实施例5·间隔数据
W M T
d5 5.719 17.543 26.557
d10 22.294 10.470 1.456
d16 5.254 3.688 4.880
d22 8.000 9.566 8.374
【表19】
实施例5·诸要素(d线)
W M T
f’ 12.551 25.102 48.698
FNO 1.56 1.66 1.84
2ω 40.73 20.07 10.24
【表20】
实施例5·非球面数据
面编号 κ A4 A6 A8 A10 A12
17* 1.00000 -2.238E-05 -1.679E-08 2.215E-09 -1.033E-10 -6.140E-14
18* 1.00000 7.272E-05 2.657E-07 -1.444E-08 4.095E-11 2.470E-14
面编号 A14 A16 A18
17* -2.279E-17 -6.790E-21 -1.770E-24
18* 8.866E-18 2.549E-21 6.431E-25
【表21】
实施例6·透镜数据(n，v：d线)
【表22】
实施例6·间隔数据
W M T
d5 4.831 16.220 25.053
d10 22.563 11.174 2.341
d16 7.714 6.390 8.074
d22 8.000 9.324 7.640
【表23】
实施例6·诸要素(d线)
W M T
f’ 12.529 25.058 48.111
FNO 1.58 1.67 1.83
2ω 40.88 20.13 10.35
【表24】
实施例6·非球面数据
面编号 κ A4 A6 A8 A10 A12
17* 0.88489 -1.019E-05 8.530E-08 -3.145E-11 -9.779E-15 -1.489E-18
18* 1.09396 9.870E-05 -2.350E-07 -1.777E-11 4.694E-15 2.460E-18
面编号 A14 A16 A18
17* -8.572E-23 3.513E-26 1.906E-29
18* 7.589E-22 1.948E-25 4.604E-29
【表25】
实施例7·透镜数据(n，v：d线)
【表26】
实施例7·间隔数据
W M T
d5 5.719 17.531 26.555
d10 22.294 10.482 1.458
d16 5.254 3.683 4.877
d22 8.000 9.571 8.377
【表27】
实施例7·诸要素(d线)
W M T
f’ 12.577 25.154 48.799
FNO 1.58 1.68 1.85
2ω 40.65 20.04 10.22
【表28】
实施例7·非球面数据
面编号 κ A4 A6 A8 A10 A12
17* 1.00000 -2.238E-05 -1.679E-08 2.215E-09 -1.033E-10 -6.140E-14
18* 1.00000 7.272E-05 2.657E-07 -1.444E-08 4.095E-11 2.470E-14
面编号 A14 A16 A18
17* -2.279E-17 -6.790E-21 -1.770E-24
18* 8.866E-18 2.549E-21 6.431E-25
【表29】
实施例8·透镜数据(n，v：d线)
【表30】
实施例8·间隔数据
W M T
d5 5.719 17.483 26.546
d10 22.294 10.530 1.467
d16 5.254 3.566 4.845
d22 8.000 9.688 8.409
【表31】
实施例8·诸要素(d线)
W M T
f’ 13.052 26.104 50.643
FNO 1.81 1.82 1.92
2ω 39.18 19.35 9.87
【表32】
实施例8·非球面数据
面编号 κ A4 A6 A8 A10 A12
17* 1.00000 -2.238E-05 -1.679E-08 2.215E-09 -1.033E-10 -6.140E-14
18* 1.00000 7.272E-05 2.657E-07 -1.444E-08 4.095E-11 2.470E-14
面编号 A14 A16 A18
17* -2.279E-17 -6.790E-21 -1.770E-24
18* 8.866E-18 2.549E-21 6.431E-25
与实施例1～8的变倍光学系统的条件式(1)～(13)所对应的值示出在表33中。还有，全部实施例均以d线为基准波长，下述的表33所示的值是该基准波长下的值。
实施例1的摄像透镜的各像差图示出在图9(A)～(I)中。图9(A)～(C)分别表示广角端(W)的球面像差、像面弯曲、畸变，图9(D)～(F)分别表示中间视场角(M)的球面像差、像面弯曲、畸变，图9(G)～(I)分别表示望远端(T)的球面像差、像面弯曲、畸变。
在表示球面像差、像面弯曲、畸变的各像差图中，表示以d线(波长587.6nm)为基准波长的像差。在球面像差图中，分别由实线，点划线、虚线表示关于d线(波长587.6nm)、C线(波长656.3nm)，g线(波长435.8nm)的像差。在像面弯曲图中，分别以实线和虚线表示弧矢方向、子午方向的像差。
同样，实施例2的摄像透镜的各像差图示出在图10(A)～(I)中，实施例3的摄像透镜的各像差图示出在图11(A)～(I)中，实施例4的摄像透镜的各像差图示出在图12(A)～(I)中，实施例5的摄像透镜的各像差图示出在图13(A)～(I)中，实施例6的摄像透镜的各像差图示出在图14(A)～(I)中，实施例7的摄像透镜的各像差图示出在图15(A)～(I)中，实施例8的摄像透镜的各像差图示出在图16(A)～(I)中。
根据以上的数据可知，实施例1～8的变倍光学系统全部满足条件式(1)～(13)，是不仅可维持良好的性能、并且在望远端也明亮的变倍光学系统。
其次，对于本发明的实施方式的摄像装置进行说明。图17中，作为本发明的实施方式的摄像装置的一例，示出使用了本发明的实施方式的变倍光学系统的摄像装置的概略构成图。还有，在图17中，概略地示出了变倍光学系统1具备的第1透镜群G1至第4透镜群G4。
就摄影机10而言，其具备变倍光学系统1、在变倍光学系统1的像侧所配置的具有低通滤光片和红外线截止滤光片等的功能的滤光片6、在滤光片6的像侧所配置的摄像元件7、信号处理电路8。摄像元件7将变倍光学系统1所形成的光学像转换成电信号，例如，作为摄像元件7，能够使用CCD(Charge Coupled Device)和CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)等。摄像元件7其配置方式为，使其摄像面与变倍光学系统1的像面一致。
可视域摄像和近红外域摄像的切换，通过滤光片6(红外线截止滤光片)的装卸来进行，摄像元件7一般不移动，因此在本实施方式的摄影机10中也是这种形态，以极力消除该波长域的轴上色像差的偏移的方式构成。
由变倍光学系统1拍摄的像被成像于摄像元件7的摄像面上，关于该像的来自摄像元件7的输出信号由信号处理电路8进行运算处理，像被显示在显示装置9上。
还有，在图17中，图示的是使用了1个摄像元件7的所谓单板方式的摄像装置，但作为本发明的摄像装置，也可以在变倍光学系统1与摄像元件7之间插入分为R(红)、G(绿)，B(蓝)等的各色的分色棱镜，使用与各色对应的3个摄像元件的所谓三板方式。
以上，列举实施方式和实施例说明了本发明，但本发明不受上述实施方式和实施例限定，而是可以进行各种变形。例如，各透镜成分的曲率半径、面间隔、折射率、阿贝数、非球面系数等的值，不限定为上述各数值实施例所示的值，也能够取其他的值。

Claims (9)

1.一种变倍光学系统，从物体侧依次由相对于成像面被固定并具有正光焦度的第1透镜群、具有负光焦度的第2透镜群、相对于成像面被固定并具有正光焦度的第3透镜群、具有正光焦度的第4透镜群构成，使所述第2透镜群移动而进行变倍，使所述第4透镜群移动而进行聚焦，其特征在于，
所述第1透镜群，从物体侧依次由正透镜L1p、使负透镜和正透镜接合的并具有正光焦度的胶合透镜L1c构成，
所述第3透镜群在最靠物体侧具备光阑，
所述第4透镜群，从物体侧依次由正透镜、负透镜、正透镜构成，且至少1面具有非球面，
所述变倍光学系统满足下述条件式，
3.1＜f1/fw＜8.0…(1)
0.4＜f1p/f1c＜2.0…(2)
0.3＜R1c/fw＜0.7…(3)
1.0≤FNt/FNw＜1.4…(4)
1.5＜FNt＜2.3…(5)
其中，
f1：所述第1透镜群的焦距，
fw：全系统的在广角端的焦距，
f1p：所述正透镜L1p的焦距，
f1c：所述胶合透镜L1c的焦距，
R1c：所述胶合透镜L1c的接合面的曲率半径，
FNt：全系统的在望远端的开放F值，
FNw：全系统的在广角端的开放F值。
2.根据权利要求1所述的变倍光学系统，其特征在于，
满足下述条件式，
3.5＜f1/fw＜5.0…(1-1)
0.8＜f1p/f1c＜1.9…(2-1)
0.35＜R1c/fw＜0.5…(3-1)
1.0≤FNt/FNw＜1.3…(4-1)
1.6＜FNt＜2.0…(5-1)。
3.根据权利要求1或2所述的变倍光学系统，其特征在于，
所述第3透镜群从物体侧依次至少含有：光阑、使双凸的正透镜与物体侧面为凹且该物体侧面的曲率半径的绝对值比像侧面小的负透镜接合后的胶合透镜L3c、物体侧面为凹且该物体侧面的曲率半径的绝对值比像侧面小的负透镜L3n，
满足下述条件式，
2.2＜f3/fw＜5.0…(6)
0.3＜f3c/f3＜2.0…(7)
-2.5＜f3n/f3＜-0.4…(8)
50＜vdn≤vdp…(9)
其中，
f3：所述第3透镜群的焦距，
f3c：所述胶合透镜L3c的焦距，
f3n：所述负透镜L3n的焦距，
vdp：所述胶合透镜L3c中的所述正透镜的阿贝数，
vdn：所述胶合透镜L3c中的所述负透镜的阿贝数。
4.根据权利要求3所述的变倍光学系统，其特征在于，
满足下述条件式，
2.5＜f3/fw＜4.0…(6-1)
0.4＜f3c/f3＜1.5…(7-1)
-2.0＜f3n/f3＜-0.5…(8-1)
60＜vdn≤vdp…(9-1)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的变倍光学系统，其特征在于，
所述第2透镜群，从物体侧依次由负透镜L2n、使双凹的负透镜与正透镜接合后的胶合透镜L2c构成，
满足下述条件式，
0.8＜|f2|/fw＜1.4…(10)
-0.7＜β2w＜-0.3…(11)
0.1＜D12w/fw＜0.7…(12)
其中，
f2：所述第2透镜群的焦距，
β2w：所述第2透镜群的在广角端的成像倍率，
D12w：在广角端的所述第1透镜群与所述第2透镜群的光轴上的间隔。
6.根据权利要求5所述的变倍光学系统，其特征在于，
满足下述条件式，
0.9＜|f2|/fw＜1.2…(10-1)
-0.6＜β2w＜-0.4…(11-1)
0.2＜D12w/fw＜0.6…(12-1)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的变倍光学系统，其特征在于，
所述第4透镜群，从物体侧依次由双凸的正透镜、像侧面为凹且该像侧面的曲率半径的绝对值比物体侧面小的负透镜、正透镜构成，
满足下述条件式，
1.2＜f4/fw＜2.6…(13)
其中，
f4：所述第4透镜群的焦距。
8.根据权利要求7所述的变倍光学系统，其特征在于，
满足下述条件式，
1.5＜f4/fw＜2.2…(13-1)。
9.一种摄像装置，其特征在于，具备权利要求1至8中任一项所述的变倍光学系统。
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