CN105652424B - 变焦透镜和包括变焦透镜的摄像装置 - Google Patents

变焦透镜和包括变焦透镜的摄像装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种变焦透镜和包括变焦透镜的摄像装置。所述变焦透镜从物体侧到像侧依次包括：正的第一透镜单元；负的第二透镜单元；正的第三透镜单元；以及后透镜组，所述后透镜组包括至少一个透镜单元，其中，在变焦期间，所述第一透镜单元被构造为不移动，并且所述第二透镜单元、所述第三透镜单元以及在所述后透镜组中包括的至少一个透镜单元被构造为移动，使得在变焦期间，相邻透镜单元的间隔被改变。适当地设置所述第二透镜单元在广角端的横向倍率、所述第二透镜单元在远摄端的横向倍率、在从所述广角端到所述远摄端的变焦期间所述第三透镜单元的移动量以及所述变焦透镜的总长度。

Description

变焦透镜和包括变焦透镜的摄像装置
技术领域
本发明涉及一种变焦透镜和包括变焦透镜的摄像装置，该变焦透镜和该摄像装置适合于使用固态摄像元件的摄像装置(例如摄像机、电子静态照相机、广播摄像机或监控摄像机)、或者诸如卤化银胶片照相机的摄像装置。
背景技术
近年来，作为要在使用固态摄像元件的摄像装置中使用的摄像光学系统，要求变焦透镜具有短的总长度，是紧凑(小尺寸)的，并且具有高变焦比以及高分辨率。作为满足这些要求的变焦透镜，已知具有正折光力的透镜单元被布置在物体侧的正导型(positive-lead type)变焦透镜。作为正导型变焦透镜，已知从整体上包括4个透镜单元或5个透镜单元的变焦透镜。
在日本特开2013-120326号公报中，描述了一种具有四单元结构的变焦透镜，所述四单元结构从物体侧到像侧依次包括具有正、负、正及正折光力的第一透镜单元至第四透镜单元。第二透镜单元和第四透镜单元被构造为在变焦期间移动，并且第四透镜单元被构造为在聚焦期间移动。
在日本特开2012-88603号公报中，描述了一种具有四单元结构的变焦透镜，所述四单元结构从物体侧到像侧依次包括具有正、负、正及正折光力的第一透镜单元至第四透镜单元。第二、第三及第四透镜单元被构造为在变焦期间移动，并且第四透镜单元被构造为在聚焦期间移动。
在日本特开2007-328306号公报中，描述了一种五单元变焦透镜，该五单元变焦透镜从物体侧到像侧依次包括具有正、负、正、正及负折光力的第一透镜单元至第五透镜单元。第二透镜单元及第四透镜单元被构造为在变焦期间移动，并且第四透镜单元被构造为在聚焦期间移动。
近年来，要在摄像装置中使用的变焦透镜被强烈期望具有高变焦比，并且作为整个系统是小尺寸的以适应摄像装置的小型化。上述正导型变焦透镜作为整个系统相对容易实现小型化以及高变焦比。然而，在上述正导型变焦透镜中，为了实现高变焦比，同时进一步使整个系统小型化，适当地设置各透镜单元的横向倍率是重要的。
例如，为了实现高变焦比，同时使整个系统小型化，适当地设置主要变倍的第二透镜单元在广角端和远摄端的横向倍率是重要的。当第二透镜单元在广角端和远摄端的横向倍率不适当时，变得难以在使整个系统小型化的同时实现高变焦比。
此外，在实现高变焦比时，当由第二透镜单元在变倍时保持的横向倍率被不适当地设置时，在远摄端附近，针对第二透镜单元在光轴方向上的移动量的、后焦点的改变的影响增加，即，所谓的聚焦灵敏度增大。结果，变得难以通过移动远摄端附近的各透镜单元来控制变焦。例如，在被要求实现高变焦比的用于监控摄像机的变焦透镜中，重要的是，适当地设置在变倍期间由第二透镜单元保持的横向倍率，并且减小第二透镜单元在远摄端的聚焦灵敏度。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种变焦透镜，所述变焦透镜从物体侧到像侧依次包括：
第一透镜单元，其具有正折光力；
第二透镜单元，其具有负折光力；
第三透镜单元，其具有正折光力；以及
后透镜组，其包括至少一个透镜单元，
其中，在变焦期间，所述第一透镜单元被构造为不移动，并且所述第二透镜单元、所述第三透镜单元以及所述后透镜组中包括的至少一个透镜单元被构造为移动，使得在变焦期间，相邻透镜单元的间隔被改变，并且
其中，满足以下条件式：
20.0<β2t/β2w<150.0；以及
0.01<M3t/TD<0.20，
其中，β2w表示所述第二透镜单元在广角端的横向倍率，β2t表示所述第二透镜单元在远摄端的横向倍率，M3t表示在从所述广角端到所述远摄端的变焦期间所述第三透镜单元的移动量，并且TD表示所述变焦透镜的总长度。
此外，根据本发明的另一实施例，提供了一种变焦透镜，所述变焦透镜从物体侧到像侧依次包括：
第一透镜单元，其具有正折光力；
第二透镜单元，其具有负折光力；
第三透镜单元，其具有正折光力；以及
后透镜组，其包括至少一个透镜单元，
其中，所述第一透镜单元被构造为不移动进行变焦，并且所述第二透镜单元、所述第三透镜单元以及在所述后透镜组中包括的至少一个透镜单元被构造为在变焦期间移动，使得在变焦期间，相邻透镜单元的间隔被改变，
其中，所述第三透镜单元包括至少两个透镜部件，并且定义在满足以下条件式的变焦范围内的、所述第三透镜单元位于最接近所述物体侧的变焦位置，作为中间变焦位置：
0.2×M2t<M2m<0.5×M2t，
其中，M2t表示在从广角端到远摄端的变焦期间所述第二透镜单元的移动量，并且M2m表示所述第二透镜单元从所述广角端的移动量，并且
其中，满足以下条件式：
24.0<β2t/β2w<150.0；以及
0.035<M3m/TD<0.200，
其中，β2w表示所述第二透镜单元在广角端的横向倍率，β2t表示所述第二透镜单元在远摄端的横向倍率，M3m表示在从所述广角端到所述中间变焦位置的变焦期间所述第三透镜单元的移动量，并且TD表示所述变焦透镜的总长度。
通过以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。
附图说明
图1是根据本发明的实施例1的变焦透镜在广角端的透镜截面图。
图2A是用于示出根据实施例1的在广角端的各种像差的图。
图2B是用于示出根据实施例1的在第一中间变焦位置的各种像差的图。
图2C是用于示出根据实施例1的在第二中间变焦位置的各种像差的图。
图2D是用于示出根据实施例1的在远摄端的各种像差的图。
图3是根据本发明的实施例2的变焦透镜在广角端的透镜截面图。
图4A是用于示出根据实施例2的在广角端的各种像差的图。
图4B是用于示出根据实施例2的在第一中间变焦位置的各种像差的图。
图4C是用于示出根据实施例2的在第二中间变焦位置的各种像差的图。
图4D是用于示出根据实施例2的在远摄端的各种像差的图。
图5是根据本发明的实施例3的变焦透镜在广角端的透镜截面图。
图6A是用于示出根据实施例3的在广角端的各种像差的图。
图6B是用于示出根据实施例3的在第一中间变焦位置的各种像差的图。
图6C是用于示出根据实施例3的在第二中间变焦位置的各种像差的图。
图6D是用于示出根据实施例3的在远摄端的各种像差的图。
图7是根据本发明的实施例4的变焦透镜在广角端的透镜截面图。
图8A是用于示出根据实施例4的在广角端的各种像差的图。
图8B是用于示出根据实施例4的在第一中间变焦位置的各种像差的图。
图8C是用于示出根据实施例4的在第二中间变焦位置的各种像差的图。
图8D是用于示出根据实施例4的在远摄端的各种像差的图。
图9是根据本发明的实施例5的变焦透镜在广角端的透镜截面图。
图10A是用于示出根据实施例5的在广角端的各种像差的图。
图10B是用于示出根据实施例5的在第一中间变焦位置的各种像差的图。
图10C是用于示出根据实施例5的在第二中间变焦位置的各种像差的图。
图10D是用于示出根据实施例5的在远摄端的各种像差的图。
图11是根据本发明的实施例6的变焦透镜在广角端的透镜截面图。
图12A是用于示出根据实施例6的在广角端的各种像差的图。
图12B是用于示出根据实施例6的在第一中间变焦位置的各种像差的图。
图12C是用于示出根据实施例6的在第二中间变焦位置的各种像差的图。
图12D是用于示出根据实施例6的在远摄端的各种像差的图。
图13是根据本发明的摄像装置的主要部分的示意图。
图14是根据本发明的摄像装置的主要部分的示意图。
具体实施方式
在下文中，参照附图来详细描述本发明的实施例。根据本发明的变焦透镜从物体侧到像侧，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，以及包括至少一个透镜单元的后透镜组。然后，在变焦期间，第一透镜单元被构造为不移动，并且第二透镜单元、第三透镜单元以及在后透镜组中包括的至少一个透镜单元被构造为移动，使得相邻透镜单元的间隔被改变。
图1是当在与本发明的实施例1相对应的数值实施例1的广角端、焦点在无限远物体上时的透镜截面图。图2A、图2B、图2C及图2D分别是当在数值实施例1中的广角端(短焦距端)、第一中间变焦位置(中间变焦位置)、第二中间变焦位置及远摄端(长焦距端)、焦点在无限远物体上时的纵向像差图。在此所用的术语“第一中间变焦位置”是指基于后述的式A定义的变焦位置。与第一实施例相关的是具有变焦比38.00和F数1.60至4.90的变焦透镜。
图3是当在与本发明的实施例2相对应的数值实施例2的广角端、焦点在无限远物体上时的透镜截面图。图4A、图4B、图4C及图4D分别是当在数值实施例2中的广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置及远摄端、焦点在无限远物体上时的纵向像差图。与实施例2相关的是具有变焦比40.0和F数1.80至5.20的变焦透镜。
图5是当在与本发明的实施例3相对应的数值实施例3的广角端、焦点在无限远物体上时的透镜截面图。图6A、图6B、图6C及图6D分别是当在数值实施例3中的广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置及远摄端、焦点在无限远物体上时的纵向像差图。与实施例3相关的是具有变焦比49.99和F数1.80至5.60的变焦透镜。
图7是当在与本发明的实施例4相对应的数值实施例4的广角端、焦点在无限远物体上时的透镜截面图。图8A、图8B、图8C及图8D分别是当在数值实施例4中的广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置及远摄端、焦点在无限远物体上时的纵向像差图。与实施例4相关的是具有变焦比40.0和F数1.60至5.00的变焦透镜。
图9是当在与本发明的实施例5相对应的数值实施例5的广角端、焦点在无限远物体上时的透镜截面图。图10A、图10B、图10C及图10D分别是当在数值实施例5中的广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置及远摄端、焦点在无限远物体上时的纵向像差图。与实施例5相关的是具有变焦比81.05和F数2.40至8.00的变焦透镜。
图11是当在与本发明的实施例6相对应的数值实施例6的广角端、焦点在无限远物体上时的透镜截面图。图12A、图12B、图12C及图12D分别是当在数值实施例6中的广角端、第一中间变焦位置、第二中间变焦位置及远摄端、焦点在无限远物体上时的纵向像差图。与实施例6相关的是具有变焦比30.0和F数1.50至4.00的变焦透镜。图13及图14各自是根据本发明的摄像装置的实施例的主要部分的示意图。
根据本发明的变焦透镜要被用于诸如数字照相机、视频摄像机或卤化银胶片照相机等的摄像装置中。在透镜截面图中，左侧是前侧(物体侧，放大侧)，并且右侧是后侧(像侧，缩小侧)。在透镜截面图中，从物体侧到像侧的各透镜单元的顺序用i来表示，并且第i个透镜单元用Li来表示。后透镜组LR包括至少一个透镜单元。
接下来，描述各实施例中的变焦透镜的特征。在各实施例的透镜截面图中，分别用L1、L2、L3、L4及L5，来表示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。用SP来表示充当孔径光阑的F数确定元件(以下又称为“孔径光阑”)，所述孔径光阑被构造为确定(限制)开放F数(Fno)光束。
光学块GB对应于光学滤波器、面板、水晶低通滤波器、红外截止滤波器等。当变焦透镜被用作摄像机或数字静态照相机的摄影光学系统时，像面IP对应于诸如CCD传感器及CMOS传感器等的摄像元件(光电转换元件)的摄像面。作为另一选择，当变焦透镜被用作卤化银胶片照相机的摄影光学系统时，像面IP对应于与胶片表面相对应的感光面。
在透镜截面图中，箭头表示在从广角端到远摄端的变焦期间的各透镜单元的移动轨迹。第二透镜单元L2、第三透镜单元L3及第四透镜单元L4被构造为在变焦期间移动。第四透镜单元L4被构造为在从无限远到近距离的聚焦期间移动。
在纵向像差图之中，在球面像差中，d线(波长：587.6nm)和g线(波长：435.8nm)分别用d和g来表示。在像散中，d线的经向(meridional)像面(虚线)和d线的径向(sagittal)像面(实线)分别用M和S来表示。此外，在用于示出失真的图中，示出了d线的失真。在横向色像差中，示出了相对于d线的g线的横向色像差。F数和摄影半视场角(度)分别用Fno和ω来表示。在纵向像差图，分别以0.2mm、0.2mm、10％及0.1mm的尺度，绘制了球面像差、像散、失真和横向色像差。
各实施例的变焦透镜从物体侧到像侧，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，以及包括至少一个透镜单元的后透镜组LR。在变焦期间，第一透镜单元L1被构造为不移动，并且第二透镜单元L2、第三透镜单元L3以及在后透镜组LR中包括的至少一个透镜单元被构造为移动，使得相邻透镜单元的间隔被改变。
具体而言，在从广角端到远摄端的变焦期间，第一透镜单元L1与第二透镜单元L2的间隔增大，第二透镜单元L2与第三透镜单元L3的间隔减小，并且第三透镜单元L3与后透镜组LR的间隔增大。第三透镜单元L3包括至少两个透镜部件。在此所用的术语“透镜部件”是指包括单个透镜或者胶合透镜的部件。第三透镜单元L3包括至少两个透镜部件，从而具有用于校正各种像差的大量透镜面。
在各实施例中，第三透镜单元L3被构造为在变焦期间移动，并且具有用于校正各种像差的大量透镜面，以减少在变焦期间的像差的变化。在广角端的第二透镜单元L2的横向倍率用β2w来表示。在远摄端的第二透镜单元L2的横向倍率用β2t来表示。
在从广角端到远摄端的变焦期间的第三透镜单元L3的移动量用M3t来表示，并且变焦透镜的总长度用TD来表示。在此所用的术语“变焦透镜的总长度”是指通过如下方式获得的值，即把从第一个透镜面到最后一个透镜面的距离，加上空气换算后焦点BF。此外，表述“在从广角端到远摄端的变焦期间的透镜单元的移动量”是指如下两个位置之差，其中一个位置是在广角端的透镜单元在光轴上的位置，另一位置是在远摄端的透镜单元在光轴上的位置。当与在广角端相比、在远摄端透镜单元位于更接近物体侧时，移动量的符号是正的，并且当与在广角端相比、在远摄端透镜单元位于更接近像侧时，移动量的符号是负的。
在这种情况下，满足以下条件式。
20.0<β2t/β2w<150.0 …(1)
0.01<M3t/TD<0.20 …(2)
接下来，描述上述各条件式的技术含义。
条件式(1)定义在广角端与远摄端的第二透镜单元L2的横向倍率之间的比率。当横向倍率之间的比率低于条件式(1)的下限值时，变得难以使第二透镜单元L2具有足够的变焦比，从而导致难以实现高变焦比。另一方面，当横向倍率之间的比率超过条件式(1)的上限值时，在远摄端，第二透镜单元L2的横向倍率变得过大，并且针对第二透镜单元L2向光轴方向的移动，第二透镜单元L2的图像形成位置的移动变得过大。换言之，第二透镜单元L2的聚焦灵敏度变得过高，因此，变得难以控制作为变焦透镜的第二透镜单元L2的驱动。
条件式(2)定义如下的比率，该比率的分子是在从广角端到远摄端的变焦期间的第三透镜单元L3的移动量，分母是变焦透镜的总长度。
当该比率低于条件式(2)的下限值、并且第三透镜单元L3在从广角端到远摄端的变焦期间的移动量变得过小时，第三透镜单元L3无法具有足够的横向倍率，因此，变得难以获得高变焦比。此外，当在实现高变焦比期间、该比率低于条件式(2)的下限值时，由第二透镜单元L2保持的横向倍率变得过大，结果，由第二透镜单元L2的移动导致的焦点位置的改变变为大的，因此，第二透镜单元L2的聚焦灵敏度变得过高，这不是优选的。
另一方面，当该比率超过条件式(2)的上限值、因此第三透镜单元L3在从广角端到远摄端的变焦期间的移动量变得过大时，变得难以确保作为主要变倍透镜单元的第二透镜单元L2的足够长的移动量。因此，变得难以在使整个系统小型化的同时实现高变焦比。
在各实施例中，采用上述结构以获得如下的变焦透镜，该变焦透镜作为整个系统是小尺寸的，具有高变焦比，并且减小了在远摄端的第二透镜单元L2的聚焦灵敏度。
在各实施例中，更为优选的是满足下面提供的各条件中的至少一个。在广角端的第三透镜单元L3的横向倍率用β3w来表示，并且在远摄端的第三透镜单元L3的横向倍率用β3t来表示。第一透镜单元L1与第二透镜单元L2在广角端的光轴上的间隔用L1w来表示。第一透镜单元L1的焦距用f1来表示。第二透镜单元L2的焦距用f2来表示。第三透镜单元L3的焦距用f3来表示。
然后，优选满足以下条件式中的至少一个。
0.20<β3t/β3w<2.00 …(3)
0.001<L1w/TD<0.020 …(4)
-10.0<f1/f2<-5.0 …(5)
1.0<f1/f3<4.0 …(6)
接下来，描述上述各条件式的技术含义。
条件式(3)定义如下的比率，该比率的分子是在第三透镜单元L3在广角端的横向倍率，分母是第三透镜单元L3在远摄端的横向倍率。当横向倍率之间的比率低于条件式(3)的下限值时，变得难以使第三透镜单元L3具有足够的横向倍率，从而导致难以实现高变焦比。此外，当要在该比率低于条件式(3)的下限值的同时实现高变焦比时，由第二透镜单元L2保持的横向倍率变得过大，因此，第二透镜单元L2的聚焦灵敏度变得过高，这不是优选的。
另一方面，当横向倍率之间的比率超过条件式(3)的上限值时，第三透镜单元L3的横向倍率变得过大，并且作为主要变倍透镜单元的第二透镜单元L2的横向倍率变为小的，因此，变得难以在使整个系统小型化的同时实现高变焦比。
条件式(4)定义如下的比率，该比率的分子是第一透镜单元L1与第二透镜单元L2在广角端的光轴上的间隔，分母是变焦透镜的总长度。当该比率低于条件式(4)的下限值、因此第一透镜单元L1与第二透镜单元L2的间隔变得过短时，当在广角端从外部施加冲击时，第一透镜单元L1和第二透镜单元L2可能相互干涉，从而在透镜面上产生划痕。透镜面上的划痕导致重影及光斑，这不是优选的。
当该比率超过条件式(4)的上限值、因此第一透镜单元L1与第二透镜单元L2的间隔变得过长时，在第一透镜单元中，在广角端以最大像高形成图像的光束穿过远离光轴的位置，这不适宜地增大了第一透镜单元的尺寸。因此，变得难以使变焦透镜的整个系统小型化，这不是优选的。
条件式(5)定义第一透镜单元L1的焦距与第二透镜单元L2的焦距之间的比率。当该比率低于条件式(5)的下限值时，被构造为在变焦期间移动的第二透镜单元L2的负焦距的绝对值变得过小，亦即，负折光力的绝对值变得过大，这增加了在变焦期间的各种像差的变化。结果，变得难以在整个变焦范围内获得高的光学性能。
另一方面，当该比率超过上限值时，第一透镜单元L1的正焦距变得过小，亦即，正折光力变得过强，这要求在远摄端，第二透镜单元L2和后续透镜单元的合成横向倍率是大的，以便实现高变焦比。然后，在第一透镜单元L1中已出现的各种像差被显著放大，因此，变得难以在远摄端获得高的光学性能。
条件式(6)定义第一透镜单元L1的焦距与第三透镜单元L2的焦距之间的比率。当该比率低于条件式(6)的下限值、因此第一透镜单元L1的正焦距变得过短时，要求在远摄端，第二透镜单元L2和随后的透镜系统的合成横向倍率是大的，以便实现高变焦比。然后，在第一透镜单元L1中已出现的各种像差被显著放大，因此，变得难以在远摄端获得高的光学性能。
另一方面，当该比率超过上限值时，被构造为在变焦期间移动的第三透镜单元L3的正焦距变得过短，并且在变焦期间的各种像差的变化增加，因此，变得难以在整个变焦范围内获得高的光学性能。
同时，根据本发明的另一变焦透镜从物体侧到像侧，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，以及包括至少一个透镜单元的后透镜组。然后，在变焦期间，第一透镜单元被构造为不移动，并且第二透镜单元、第三透镜单元以及后透镜组中包括的至少一个透镜单元被构造为移动，使得相邻透镜单元的间隔被改变。
在各实施例中，第三透镜单元L3被构造为在变焦期间移动，并且具有用于校正各种像差的大量透镜面，以减少在变焦期间的像差的变化。一般而言，在具有宽视角的变焦透镜中，入射于第一透镜单元L1的光束具有大的入射角。特别是，对于正导型变焦透镜，在使第一透镜单元L1小型化时，具有相对较强的负折光力的第二透镜单元L2在光轴方向上的位置是重要的。
在相同焦距下进行比较，当从广角端到中间变焦位置、第二透镜单元L2在光轴方向上位于物体侧时，第一透镜单元变得容易小型化。为了使得从广角侧到中间变焦位置、第二透镜单元L2在光轴方向上位于物体侧，要求在从广角侧到中间变焦位置的变焦期间，使具有正折光力的第三透镜单元L3向物体侧移动。第三透镜单元L3通过被向物体侧移动，而增加了横向倍率，并且由第二透镜单元L2保持的变焦比可以被减小。结果，第二透镜单元L2可以位于物体侧。
换言之，即使当要实现广角化时，在正导型变焦透镜中尺寸最大的第一透镜单元L1也不增加尺寸，并且变得容易获得具有高变焦比的变焦透镜，同时使整个系统小型化。特别是，在第二透镜单元L2满足稍后提供的式(A)的变焦范围内，第三透镜单元L3被移动到位于最接近物体侧，从而获得减少第一透镜单元L1的尺寸增加的效果。在此所用的术语“第一中间变焦位置”被定义如下。
在从广角端到远摄端的变焦期间的第二透镜单元L2的移动量用M2t来表示，并且第二透镜单元L2从广角端的移动量用M2m来表示。此时，定义在满足下式的移动量M2m的变焦范围内的如下变焦位置，作为第一中间变焦位置，在该变焦位置，第三透镜单元L3位于最接近物体侧。
0.2×M2t<M2m<0.5×M2t …(A)
第二透镜单元L2在广角端的横向倍率用β2w来表示，并且第二透镜单元L2在远摄端的横向倍率用β2t来表示。
在从广角端到第一中间变焦位置的变焦期间第三透镜单元L3的移动量用M3m来表示，并且变焦透镜的总长度用TD来表示。在此所用的术语“变焦透镜总长度”是指通过如下方式获得的值，即把从第一个透镜面到最后一个透镜面的距离，加上空气换算后焦点BF。此外，表述“在从广角端到远摄端的变焦期间的透镜单元的移动量”是指如下两个位置之差，其中一个位置是在广角端的透镜单元在光轴上的位置，另一位置是在远摄端的透镜单元在光轴上的位置。
此外，表述“在从广角端到第一中间变焦位置的变焦期间的透镜单元的移动量”是指如下两个位置之差，其中一个位置是在广角端的透镜单元在光轴上的位置，另一位置是在第一中间变焦位置的透镜单元在光轴上的位置。当与在广角端相比、在远摄端透镜单元位于更接近物体侧时，移动量的符号是正的，并且当与在广角端相比、在远摄端透镜单元位于更接近像侧时，移动量的符号是负的。
在根据本发明的另一变焦透镜中，满足以下条件式。
24.0<β2t/β2w<150.0 …(7)
0.035<M3m/TD<0.200 …(8)
接下来，描述上述各条件式的技术含义。
条件式(7)定义第二透镜单元L2在广角端与远摄端的横向倍率之间的比率。当横向倍率之间的比率低于条件式(7)的下限值时，变得难以使第二透镜单元L2具有足够的变焦比，从而导致难以实现高变焦比。另一方面，当横向倍率之间的比率超过条件式(7)的上限值时，在远摄端，第二透镜单元L2的横向倍率变得过大，因此，针对第二透镜单元L2向光轴方向的移动，第二透镜单元L2的图像形成位置的移动变得过大。换言之，第二透镜单元L2的聚焦灵敏度变得过高，因此，变得难以控制作为变焦透镜的第二透镜单元L2的驱动。
条件式(8)定义在从广角端到第一中间变焦位置的变焦期间第三透镜单元L3的移动量与变焦透镜的总长度的比率。当该比率低于条件式(8)的下限值，并因此第三透镜单元L3在从广角端到第一中间变焦位置的变焦期间的移动量变得过小时，第三透镜单元L3在第一中间变焦位置无法具有足够的变焦比。然后，第二透镜单元L2被不利地向像侧延伸，这增大了第一透镜单元L1的尺寸。
当该比率超过条件式(8)的上限值并因此第三透镜单元L3在从广角端到第一中间变焦位置的变焦期间的移动量变得过大时，透镜单元的总长度被增大以确保移动量。然后，变得难以在使整个系统小型化的同时实现高变焦比。
在各实施例中，采用上述结构以获得实现高变焦比和广视角化的同时使整个系统小型化的变焦透镜。
在各实施例中，更为优选的是满足下面提供的各条件中的至少一个。
0.001<L1w/TD<0.020 …(4)
-10.0<f1/f2<-5.0 …(5)
1.0<f1/f3<4.0 …(6)
1.0<(β3m×βRm)/β2m<4.0 …(9)
在此，第二透镜单元L2在第一中间变焦位置的横向倍率用β2m来表示，并且第三透镜单元L3在第一中间变焦位置的横向倍率用β3m来表示。在后透镜组中包括的、并且被构造为在变焦期间移动的至少一个透镜单元之中，最接近物体侧布置的透镜单元在第一中间变焦位置的横向倍率用βRm来表示。
当该比率低于条件式(9)的下限值时，第三透镜单元L3与如下透镜单元的横向倍率之积变得过小，所述透镜单元是后透镜组LR的、被构造为在变焦期间移动的至少一个透镜单元中的，并且被布置为最接近物体侧。然后，当在第一中间变焦位置要获得某一焦距时，由第二透镜单元L2保持的变焦比变得相对大，因此，第二透镜单元L2在变焦期间的移动量变得过大。然后，变得难以使第一透镜单元L1小型化。
当该比率超过条件式(9)的上限值时，第三透镜单元L3的变焦比变得过大，并且在变焦期间的第三透镜单元L3的移动量需要是大的。然后，变得难以在使整个系统小型化的同时实现高变焦比。
请注意，进一步优选将条件式(1)至(9)的数值范围设置如下。
24.0<β2t/β2w<120.0 …(1a)
0.02<M3t/TD<0.15 …(2a)
0.30<β3t/β3w<1.70 …(3a)
0.002<L1w/TD<0.015 …(4a)
-9.5<f1/f2<-5.5 …(5a)
1.2<f1/f3<3.0 …(6a)
24.0<β2t/β2w<120.0 …(7a)
0.035<M3m/TD<0.150 …(8a)
1.2<(β3m×βRm)/β2m<3.5 …(9a)
还进一步优选将条件式(1a)至(9a)的数值范围设置如下。
24.5<β2t/β2w<100.0 …(1b)
0.03<M3t/TD<0.10 …(2b)
0.30<β3t/β3w<1.50 …(3b)
0.003<L1w/TD<0.010 …(4b)
-9.0<f1/f2<-6.0 …(5b)
1.30<f1/f3<2.60 …(6b)
24.5<β2t/β2w<100.0 …(7b)
0.0355<M3m/TD<0.1000 …(8b)
1.7<(β3m×βRm)/β2m<3.0 …(9b)
接下来，描述根据本发明的第一至实施例6的变焦透镜的透镜结构的特征。在以下的描述中，各透镜单元的透镜结构从物体侧到像侧被依次布置，除非另有说明。
[实施例1]
实施例1的变焦透镜从物体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、以及后透镜组LR。后透镜组LR由具有正折光力的第四透镜单元L4组成。在从广角端到远摄端的变焦期间，第二透镜单元L2被构造为向像侧移动，以进行主要变倍，并且第三透镜单元L3被构造为沿凸状的轨迹向物体侧移动，以进行变倍。
第四透镜单元L4被构造为沿凸状的轨迹向物体侧移动，以主要校正伴随变倍的像面变化。第四透镜单元L4被构造为沿凸状的轨迹向物体侧移动，以有效地利用第三透镜单元L3与第四透镜单元L4的间隔，以及第四透镜单元L4与玻璃块GB的间隔。
另外，在后续的各实施例中，追踪类似的变焦轨迹，以有效地利用第四透镜单元L4之前和之后的间隔。
通过将第四透镜单元L4向物体侧移动，来进行从无限远到近距离的聚焦。第一透镜单元L1包括通过使负透镜和正透镜胶合而形成的胶合透镜，以及两个正透镜。第二透镜单元L2包括两个负透镜，以及通过使正透镜和负透镜胶合而形成的胶合透镜。采用如下的透镜结构，即与其他可移动的透镜单元相比，进行主要变倍的第二透镜单元包括多得多的透镜，从而良好地校正在变焦期间的各像差的变化。特别是，良好地校正场曲的变化和色像差的变化。
第三透镜单元L3包括两个正透镜、以及负透镜。最接近物体侧的透镜在两透镜面上具有非球面形状，以良好地校正球面像差。第四透镜单元L4包括通过使正透镜和负透镜胶合而形成的胶合透镜。然后，正透镜的物体侧的透镜面具有非球面形状，以良好地校正球面像差以及由变焦导致的场曲变化。此外，胶合透镜用来良好地校正由变焦导致的轴向色像差和横向色像差变化。
孔径光阑SP被布置在第三透镜单元的物体侧，并且被构造为在变焦期间与第三透镜单元一起(沿与第三透镜单元L3相同的轨迹)移动。请注意，本实施例中的胶合透镜可以被替换为具有微小空气间隔的分离透镜。这属于对本发明的作为透镜形状的修改及变型，并且这同样适用于后续的全部实施例。
[实施例2]
在实施例2中，透镜单元的数量、各透镜单元的折光力的符号、在变焦期间的各透镜单元的移动条件等与实施例1中相同。聚焦系统与实施例1中相同。
第一透镜单元L1的透镜结构与实施例1类似。第二透镜单元L2的透镜结构与实施例1类似。第三透镜单元L3包括正透镜、负透镜及正透镜。最接近物体侧的透镜和最接近像侧的透镜各自的一个透镜面具有非球面形状，以良好地校正球面像差。第四透镜单元L4的透镜结构与实施例1类似。孔径光阑SP被布置在第三透镜单元L3的物体侧，并且被构造为在变焦期间不移动。
[实施例3]
在实施例3中，透镜单元的数量、各透镜单元的折光力的符号、在变焦期间的各透镜单元的移动条件等与实施例1中相同。聚焦系统与实施例1中相同。
第一透镜单元L1的透镜结构与实施例1类似。第二透镜单元L2的透镜结构与实施例1类似。第三透镜单元L3包括两个正透镜，以及负透镜和正透镜。最接近物体侧的透镜在两透镜面上具有非球面形状，以良好地校正球面像差。第四透镜单元L4的透镜结构与实施例1类似。孔径光阑SP被布置在第三透镜单元L3的物体侧，并且被构造为在变焦期间与第三透镜单元L3一起移动。
[实施例4]
实施例4的变焦透镜从物体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，以及后透镜组LR。后透镜组LR由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组成。在从广角端到远摄端的变焦期间，第二透镜单元L2被构造为向像侧单调地移动，以进行主要变倍，并且第三透镜单元L3被构造为沿凸状的轨迹向物体侧移动，以进行变倍。第四透镜单元L4被构造为沿凸状的轨迹向物体侧移动，以主要校正伴随变倍的像面变化。第五透镜单元L5被构造为在变焦期间不移动。
聚焦系统与实施例1中相同。第一透镜单元L1的透镜结构与实施例1类似。第二透镜单元L2的透镜结构与实施例1类似。第三透镜单元L3包括正透镜及负透镜。最接近物体侧的透镜在两透镜面上具有非球面形状，以良好地校正球面像差。第四透镜单元L4的透镜结构与实施例1类似。第五透镜单元L5包括一个负透镜。孔径光阑SP被布置在第三透镜单元L3的像侧，并且被构造为在变焦期间与第三透镜单元L3一起移动。
[实施例5]
在实施例5中，透镜单元的数量、各透镜单元的折光力的符号、在变焦期间的各透镜单元的移动条件等与实施例1中相同。聚焦系统与实施例1中相同。
第一透镜单元L1包括通过使负透镜和正透镜胶合而形成的胶合透镜、以及三个正透镜。第二透镜单元L2的透镜结构与实施例1类似。第三透镜单元L3包括正透镜及负透镜。最接近物体侧的透镜在两透镜面上具有非球面形状，以良好地校正球面像差。第四透镜单元L4的透镜结构与实施例1类似。孔径光阑SP被布置在第三透镜单元L3中，并且被构造为在变焦期间与第三透镜单元L3一起移动。
[实施例6]
在实施例6中，透镜单元的数量、各透镜单元的折光力的符号、在变焦期间的各透镜单元的移动条件等与实施例1中相同。聚焦系统与实施例1中相同。
第一透镜单元L1的透镜结构与实施例1类似。第二透镜单元L2的透镜结构与实施例1类似。第三透镜单元L3包括两个正透镜、以及负透镜。最接近物体侧的透镜在两透镜面上具有非球面形状，以良好地校正球面像差。第四透镜单元L4的透镜结构与实施例1类似。孔径光阑SP被布置在第三透镜单元L3的物体侧，并且被构造为在变焦期间与第三透镜单元L3一起移动。
如上所述，根据各实施例，可以获得适合于诸如数字照相机、视频摄像机或监控摄像机等的摄像装置的变焦透镜，该变焦透镜作为整个系统是小尺寸的，具有高变焦比，并且还减小了在远摄端的聚焦灵敏度。
接下来，参照图13，来描述作为数字视频摄像机的摄像装置的示例，所述数字视频摄像机使用根据本发明的变焦透镜作为摄像光学系统。在图13中，例示了摄像机主体10、以及由根据实施例1至6中的任何一个的变焦透镜形成的摄像光学系统11。诸如CCD传感器或CMOS传感器等的固态摄像元件(光电转换元件)12被包括在摄像机主体中，并且被构造为接收由摄像光学系统11形成的被摄体图像的光。显示单元13被构造为显示由固态摄像元件12获得的被摄体图像。
接下来，参照图14，来描述作为监控摄像机的摄像装置的示例，所述监控摄像机使用根据本发明的变焦透镜作为摄像光学系统。在图14中，例示了摄像机主体20、以及由根据实施例1至6中的任何一个的变焦透镜形成的摄像光学系统21。诸如CCD传感器或CMOS传感器等的固态摄像元件(光电转换元件)22被包括在摄像机主体中，并且被构造为接收由摄像光学系统21形成的被摄体图像的光。如上所述，根据本发明的变焦透镜被应用于诸如数字视频摄像机或监控摄像机等的摄像装置，以实现小尺寸并且具有高的光学性能的摄像装置。
请注意，可以使用根据各实施例的变焦透镜，作为用于投影设备(投影仪)的投影光学系统。
以上描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不限定于这些实施例，并且可以在本发明的要旨的范围内进行各种变型及改变。
接下来，描述分别与本发明的实施例1至6相对应的数值实施例1至6。在各数值实施例中，符号i表示从物体侧起的表面的顺序。符号ri从物体侧起依次表示第i面的曲率半径，符号di从物体侧起依次表示第i面与第(i+1)面的间隔，并且符号ndi和νdi分别表示第i面与第(i+1)面之间的光学元件的材料的折射率和阿贝(Abbe)常数。各种数据示出了在广角端(广角)、第二中间变焦位置、远摄端(远摄)和第一中间变焦位置(中间变焦位置)的数值，所述第一中间变焦位置是通过使用式A而确定的。
焦距、F数和半视场角表示当焦点在无限远物体上时的值。后焦点BF是从最后透镜面到像面的距离的空气换算值。请注意，当光轴方向上的坐标用x来表示，与光轴垂直的方向上的坐标用y来表示，基准(参照球面)的曲率半径用r来表示，圆锥常数用k来表示，并且n阶非球面系数用An来表示时，非球面形状由下式来表示。然而，“e-x”是指“×10-x”。请注意，在各表格中的面编号的右侧，具有非球面形状的透镜面被标注了星号(*)。
x＝(y2/r)/{1+(1-k·y2/r2)0.5}+A4·y4+A6·y6+A8·y8
此外，各实施例中的第三透镜单元的轨迹由下面提供的式(B)来表示，并且在数值实施例1至6中，在上述第一中间变焦位置处的透镜布置被记载为第一中间变焦位置。
请注意，式(B)中的m2是通过利用在从广角端到远摄端的变焦期间的移动量，对第二透镜单元L2从广角端的移动量进行标准化而获得的值，该值在广角端是0，并且在远摄端是1。第三透镜单元L3从广角端的移动量用m3来表示。n阶的移动量系数用Bn来表示。
m3＝B1·m2+B2·m22+B3·m23+B4·m24+B5·m25+B6·m26 …(B)
在表1中，示出了各实施例与上述各条件式之间的对应关系。
数值实施例1
单位mm
面数据
非球面数据
第16面
K＝-2.67885e-001 A4＝-2.56132e-005 A6＝-5.61175e-008
A8＝-7.34706e-010
第17面
K＝-2.00000e+000 A4＝2.76080e-005 A6＝-8.85679e-008
第22面
K＝-2.03476e+000 A4＝2.60795e-005 A6＝-8.48223e-008
各种数据
变焦透镜单元数据
变焦轨迹数据
B1＝-42.809 B2＝87.283 B3＝-46.821
B4＝-20.817 B5＝-8.771 B6＝25.422
数值实施例2
单位mm
面数据
非球面数据
第16面
K＝-1.94831e+000 A4＝9.03636e-005 A6＝-1.63379e-007
第20面
K＝4.20170e-001 A4＝-1.15300e-004 A6＝-7.75317e-007
第22面
K＝-1.44647e+000 A4＝-6.01637e-007 A6＝-2.42151e-007
各种数据
变焦透镜单元数据
变焦轨迹数据
B1＝-26.046 B2＝56.876 B3＝-44.254
B4＝-8.731 B5＝37.324 B6＝-22.312
数值实施例3
单位mm
面数据
非球面数据
第16面
K＝-2.67885e-001 A4＝3.13810e-006 A6＝-1.61502e-007
A8＝-1.78081e-009
第17面
K＝-1.97044e+000 A4＝4.37150e-005 A6＝-3.95984e-007
第24面
K＝-2.24477e+000 A4＝3.33214e-005 A6＝-4.39373e-008
各种数据
变焦透镜单元数据
变焦轨迹数据
B1＝-52.045 B2＝103.027 B3＝-45.679
B4＝-26.896 B5＝-15.052 B6＝28.646
数值实施例4
单位mm
面数据
非球面数据
第15面
K＝-2.67885e-001 A4＝-3.58308e-005 A6＝-7.82696e-008
A8＝-9.17088e-010
第16面
K＝-1.98824e+000 A4＝4.28658e-005 A6＝-1.29362e-007
第20面
K＝-3.20117e+000 A4＝5.14241e-005 A6＝-3.01652e-007
各种数据
变焦透镜单元数据
变焦轨迹数据
B1＝-43.918 B2＝87.752 B3＝-45.813
B4＝-19.759 B5＝-8.017 B6＝25.828
数值实施例5
单位mm
面数据
非球面数据
第17面
K＝-2.67885e-001 A4＝1.89521e-005 A6＝-2.11711e-006
A8＝-2.06948e-008
第18面
K＝3.11262e+000 A4＝9.08108e-005 A6＝-3.24308e-006
第22面
K＝3.39379e+000 A4＝-3.28828e-005 A6＝-7.93695e-007
各种数据
变焦透镜单元数据
变焦轨迹数据
B1＝-61.837 B2＝89.251 B3＝-27.473
B4＝6.7 B5＝5.666 B6＝-22.523
数值实施例6
单位mm
面数据
非球面数据
第16面
K＝-2.67885e-001 A4＝-4.34584e-005 A6＝-3.63169e-008
A8＝-8.40707e-010
第17面
K＝1.89767e+000 A4＝4.53309e-005 A6＝-1.54397e-008
第22面
K＝-3.60972e+000 A4＝2.53831e-004 A6＝-7.90455e-007
各种数据
变焦透镜单元数据
变焦轨迹数据
B1＝-26.322 B2＝68.55 B3＝-46.375
B4＝-11.548 B5＝-4.241 B6＝17.011
[表1]
虽然参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不限定于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应当被赋予最宽的解释，以便涵盖所有这些变型例以及等同的结构和功能。

Claims (12)

1.一种变焦透镜，所述变焦透镜从物体侧到像侧依次包括：
第一透镜单元，其具有正折光力；
第二透镜单元，其具有负折光力；
第三透镜单元，其具有正折光力；以及
后透镜组，其包括至少一个透镜单元，
其中，在变焦期间，所述第一透镜单元不移动，并且所述第二透镜单元、所述第三透镜单元以及所述后透镜组中包括的至少一个透镜单元移动，使得在变焦期间，相邻透镜单元的间隔被改变，并且
其中，满足以下条件式：
20.0<β2t/β2w<150.0；
0.01<M3t/TD≤0.075；以及
0.47≤β3t/β3w<2.00，
其中，β2w表示所述第二透镜单元在广角端的横向倍率，β2t表示所述第二透镜单元在远摄端的横向倍率，M3t表示在从所述广角端到所述远摄端的变焦期间所述第三透镜单元的移动量，TD表示所述变焦透镜的总长度，β3w表示所述第三透镜单元在所述广角端的横向倍率，并且β3t表示所述第三透镜单元在所述远摄端的横向倍率。
2.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，所述第三透镜单元包括负透镜和至少两个正透镜。
3.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，满足以下条件式：
0.001<L1w/TD<0.020，
其中，L1w表示所述第一透镜单元与所述第二透镜单元在所述广角端的光轴上的间隔。
4.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，满足以下条件式：
-10.0<f1/f2<-5.0，
其中，f1表示所述第一透镜单元的焦距，f2表示所述第二透镜单元的焦距。
5.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，满足以下条件式：
1.0<f1/f3<4.0，
其中，f1表示所述第一透镜单元的焦距，f3表示所述第三透镜单元的焦距。
6.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，在从所述广角端到所述远摄端的变焦期间，所述第二透镜单元向所述像侧单调地移动，并且所述第三透镜单元向所述物体侧移动，然后向所述像侧移动。
7.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，所述后透镜组由具有正折光力的第四透镜单元组成。
8.根据权利要求1所述的变焦透镜，
其中，所述后透镜组从所述物体侧到所述像侧依次由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组成，并且
其中，在变焦期间，所述第四透镜单元移动，所述第五透镜单元不移动。
9.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，定义在满足以下条件式的变焦范围内、所述第三透镜单元位于最接近所述物体侧的变焦位置，作为中间变焦位置：
0.2×M2t<M2m<0.5×M2t，
其中，M2t表示在从所述广角端到所述远摄端的变焦期间所述第二透镜单元的移动量，并且M2m表示所述第二透镜单元从所述广角端的移动量，并且
其中，满足以下条件式：
0.035<M3m/TD<0.200，
其中，M3m表示在从所述广角端到所述中间变焦位置的变焦期间所述第三透镜单元的移动量。
10.根据权利要求9所述的变焦透镜，其中，满足以下条件式：
1.0<(β3m×βRm)/β2m<4.0，
其中，β2m表示所述第二透镜单元在所述中间变焦位置的横向倍率，β3m表示所述第三透镜单元在所述中间变焦位置的横向倍率，并且βRm表示在所述后透镜组中包括的并且在变焦期间移动的所述至少一个透镜单元之中的、被布置为最接近所述物体侧的透镜单元在所述中间变焦位置的横向倍率。
11.一种摄像装置，所述摄像装置包括：
权利要求1至8中任一项的变焦透镜；以及
固态摄像元件，其被构造为接收由所述变焦透镜形成的图像的光。
12.一种摄像装置，所述摄像装置包括：
权利要求9或10的变焦透镜；以及
固态摄像元件，其被构造为接收由所述变焦透镜形成的图像的光。
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