CN1057612C - 袖珍变焦镜头系统 - Google Patents

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Abstract

一种包括总折射本领为正的第一透镜组和总折射本领为负的第二透镜组的袖珍变焦镜头系统，满足条件0.59＜fI/fW＜0.67，袖珍变焦镜头系统的放大率可通过改变第一透镜组和第二透镜组之间的距离而改变。

Description

袖珍变焦镜头系统
本发明涉及一种袖珍变焦镜头系统。尤其涉及一种具有广角、高变倍比和低远摄率的袖珍变焦镜头系统。
近来，叶片快门型照相机中的摄影镜头越来越多地采用变焦镜头系统。除了非球面透镜之外，大大加强了对变焦镜头系统的研制，以使制造的照相机尺寸更小，重量更轻。
在日本公开专利92-93810、94-34884和94-14678中公开了一些传统的袖珍变焦镜头系统。具有两个透镜组的传统的变焦镜头系统存在的问题是，它们一般具有大约为1.6的低变倍比。当把这些变焦镜头设计成具有2以上的变倍比时，在广角位置时校正像差就变得困难，并且在远摄位置时入射到镜头的光线将受到限制。传统变焦镜头系统的另一问题是，因为像屏的尺寸固定在大于62度的广角范围内，故焦距的长度相对缩短。此外，还有一个问题，在广角拍摄时，远摄率小于1，导致像差性能不良。
本发明的一个重要优点在于提供一种结构，可以避免现有技术的结构中这样或那样的局限和缺点。尤其是本发明提出的袖珍变焦镜头系统具有广角、高变倍比和低远摄率。
通过以下的描述或实施本发明，本发明的其它特点及优点将部分地变得显而易见。本发明的目的和其它优点可通过说明书、权利要求书及附图所描述的装置实现。
本发明的袖珍变焦镜头系统包括第一透镜组和第二透镜组，第一透镜组的总折射本领为正，第二透镜组的总折射本领为负。第一透镜组包括第一透镜单元，它为一个向物方凸出的弯月透镜，相对于物方有正折射本领。第一透镜组还具有相对于物方有负折射本领的第二透镜单元。第一透镜组还包括第三透镜单元，它为相对于物方有正折射本领的双凸透镜。此外，第一透镜组还包括第四透镜单元，它为一个相对于物方有正折射本领的双凸透镜。
第二透镜组包括第五透镜单元，它为一弯月透镜，该透镜向像方凸出，相对于物方有正折射本领。第二透镜组中还包括向像方凸出的第六透镜单元。第二透镜组还包括第七透镜单元，它为一个向像方凸出的弯月透镜，相对于物方有负折射本领。
根据本发明，系统的放大率可通过改变第一透镜组和第二透镜组之间的距离而改变。本发明满足下列条件：
                    0.59＜fI/fw＜0.67
                    0.17＜D3/fw＜0.22
                    -0.63＜fII/fw＜-0.55
fI代表第一透镜组的焦距；
fII代表第二透镜组的焦距；
D3代表在调焦期间第一透镜组从广角位置向远摄位置移动的距离；
fw代表在广角位置时系统的焦距。
说明书中的所有描述均应理解为举例性和解释性的，目的是为了对本发明作深入解释。
附图示出了本发明的实施例，它与说明书一起对本发明的目的、优点和原理进行解释。图中：
图1是根据本发明实施例中在广角位置时袖珍变焦镜头系统的截面图；
图2是根据本发明实施例在远摄位置时袖珍变焦镜头系统的截面图；
图3A至3C是根据本发明第一实施例在广角位置时袖珍变焦镜头系统的像差曲线；
图4A至4C是根据本发明第一实施例在远摄位置时袖珍变焦镜头系统的像差曲线；
图5A至5C是根据本发明第二实施例在广角位置时袖珍变焦镜头系统的像差曲线；
图6A至6C是根据本发明第二实施例在远摄位置时袖珍变焦镜头系统的像差曲线；
图7A至7C是根据本发明第三实施例在广角位置时袖珍变焦镜头系统的像差曲线；
图8A至8C是根据本发明第三实施例在远摄位置时袖珍变焦镜头系统的像差曲线；
图9A至9C是根据本发明第四实施例在广角位置时袖珍变焦镜头系统的像差曲线；
图10A至10C是根据本发明第四实施例在远摄位置时袖珍变焦镜头系统的像差曲线；
图11A至11C是根据本发明第五实施例在广角位置时袖珍变焦镜头系统的像差曲线；
图12A至12C是根据本发明第五实施例在远摄位置时袖珍变焦镜头系统的像差曲线。
以下将参考附图对本发明的实施例进行描述。
如图1和图2所示，本发明的实施例提供了一种袖珍变焦镜头系统。从变焦镜头系统的物方一侧起(即从图的左侧起)，第一透镜组I形成一个物方的像，并将像提供给第二透镜组II。
总折射本领为正的第一透镜组I包括四个透镜。第一透镜单元1是一个向物方一侧凸出的具有正折射本领的弯月透镜。具有负折射本领的第二透镜单元2胶合到第三透镜3单元上，而第三透镜单元3是一个具有正折射本领的双凸透镜。第四透镜单元4也是双凸透镜，它具有正折射本领。
总折射本领为负的第二透镜组II包括三个透镜。第五透镜单元5是向像方(即图的右侧)凸出的具有正折射本领的弯月透镜。第六透镜单元6也是一个向像方凸出的透镜，但具有负折射本领。第七透镜单元7是一个向像方凸出的弯月透镜，具有负折射本领。
袖珍变焦镜头系统的放大率可通过改变第一透镜组I和第二透镜组II之间的距离而改变。根据本发明的优选实施例，袖珍变焦镜头系统满足下列条件：
                 0.59＜fI/fw＜0.67             (1)
                 0.17＜D3/fw＜0.22             (2)
                 -0.63＜fII/fw＜-0.55          (3)
                 0.90＜f1/fw＜1.2              (4)
                 0.26＜fbw/fw＜0.31            (5)
fI代表第一透镜组I的焦距；
fII代表第二透镜组II的焦距；
D3代表在调焦期间第一透镜组I从广角位置向远摄位置移动的距离；
fw代表全镜头系统在广角位置时的焦距；
f1代表第一透镜组I中的第一透镜单元的焦距；
fbw代表全透镜系统在广角位置时的后焦距。
以下将根据本发明实施例对袖珍变焦镜头系统的原理进行描述。变焦镜头系统包括两个透镜组I和II。相对于物方，第一透镜组I具有正折射本领，而第二透镜组II具有负折射本领。两个透镜组这样布置，使得广角大于60度时正畸变增加。
另外，因为本发明的第二透镜组II包括两个或三个透镜，第二透镜组II中的正畸变很类似于第一透镜组I中发生的畸变。为了补偿这种畸变，必须使第一透镜组I产生负畸变像差。为此，使第二透镜单元2具有负折射本领，使第三透镜单元3具有正折射本领，从而在第一透镜组I中有效地产生负畸变。
为使第二透镜单元2具有负折射本领，可使用双凹型透镜，因为这种类型的透镜有很强的负折射本领。这种类型的透镜还能够通过使用透镜的非球形表面补偿像差。因此，当这种类型的透镜与第三透镜胶合时，系统光轴上的色差和球差均能得到有效地补偿。尤其是当从广角位置向远摄位置调焦时，放大率色差通过凹向像方的第二透镜单元2和向物方凸出的第三透镜单元3得以补偿。因第一透镜单元1为正折射本领相对较弱的弯月透镜，像差可得以补偿。
条件(1)和第一透镜组I的折射本领有关。如果fI/fw的比率不超出条件(1)的上限，则补偿像差将非常容易。然而，全系统的焦距随着第一透镜组I和第二透镜组II之间距离的变化而变小。
如果fI/fw的比率小于条件(1)的下限，则折射本领将增强，导致在焦距变化期间(即变焦期间)球差和彗差变化的增加，但可缩短光学系统的长度。
条件(2)和光学系统的折射本领和长度有关。如果D3/fw比率不超过条件(2)的上限，则补偿像差较容易。但在变焦期间和距离变化有关的焦距变化将减小。另外，因全光学系统的长度增加，远摄率增加。
如果D3/fw比率小于条件(2)的下限，由于变焦期间距离变化的减小，使得小型化更为容易实现。但第二透镜单元2的折射本领将增强，使得球差、彗差和畸变也变大，透镜的制造变得困难。
与条件(1)一道，条件(3)按比例地决定第二透镜系统II的焦距，以使变焦镜头系统小型化。为了缩短变焦镜头系统在广角位置时的总长度，第二透镜组II必须有一个大的放大率。因此，条件(3)决定了获得期望的Petzval和、补偿像散和场曲的条件。
如果fII/fw的比率超过条件(3)的上限，则第二透镜组II的折射本领减小，并且Petzval和正值增加。在这种情况下，补偿像散和场曲将变得困难。
如果fII/fw比率小于条件(3)的下限，则第二透镜组II的折射本领增加，并且Petzval和负值增加。在这种情况下，补偿具有大球差和畸变的像散和场曲将变得困难。
条件(4)确定了在广角位置时第一透镜组I的第一透镜单元的焦距以补偿像差。如果f1/fw的比率超过条件(4)的上限，则在第一透镜组I中正折射本领的增加将导致彗差和像散的增加。
如果f1/fw的比率小于条件(4)的下限，则由于像散的增加将难以获得理想成像性能。
条件(5)确定了使镜头系统小型化所需要的后焦距。如果fbw/fw的比率超出条件(5)的上限，则镜头的总长度将增加。这使得透镜系统的小型化变得困难。
如果fbw/fw的比率小于条件(5)的下限，则在广角位置时有负折射本领的第二透镜组II的弯月透镜接近胶片表面。这使有效的光瞳尺寸增大，并导致整个镜筒的尺寸增加。
根据本发明，第一透镜组I和第二透镜组II分别包括各自的胶合透镜，胶合透镜的表面具有绝对值相同的曲率半径，所以制造成本降低，可得到质高价廉的光学系统。特别地，第五表面和第六表面曲率半径r4和r5相同，这提高了透镜的制作效率，并降低了生产成本。
满足上述条件的数值列于下面的表中，其中长度的单位均为毫米。表中包括下列变量：
ri(i＝1至14)代表折射表面的曲率半径；
di(i＝1至14)代表透镜的厚度或透镜间的距离；
nd代表每个透镜对钠d线的折射率；
v代表每个透镜的阿贝数；
m代表整个镜头系统的放大率；
w代表半视场角。
另外，在下列表中描述的每一个实施例中，袖珍镜头系统的焦距f取值范围为28.8mm至58.206mm，半视角范围为16.5至30.9度。
本发明第一优选实施例的数值列于表1，其中后焦距fbw的范围在8.1266mm至35.7398mm。
                           表1表面序号     曲率半径(ri)  厚度(d1)   折射率(nd)    阿贝数(v)1           12.21783        1.6000      1.60362       38.012           36.05031        0.67283           -12.88986       1.6631      1.80610       40.734           11.81147        3.8063      1.48749       70.445           -11.81147       0.85786           29.47880        1.8500      1.60311       60.697           -17.25729       1.20008           孔径            7.8053
                         至2.10009           -31.18947       2.1000      1.80610       33.2710           -12.68006       1.280811           -12.68006       0.8400      1.78590       43.9312           -146.78099      2.660313           -9.60336        0.9303      1.75700       47.7114           -20.57875
图3A至图3C和图4A至图4C示出了第一优选实施例分别在广角位置和远摄位置时的像差特性曲线。
本发明第二优选实施例的数值列于表2，其中后焦距fbw范围为8.355mm至35.9538mm。
                           表2表面序号     曲率半径(ri)   厚度(d1)   折射率(nd)     阿贝数(v)1            12.44271         1.6000      1.59551        39.222            39.37728         0.67283            -12.55900        1.8349      1.79950        42.344            11.70069         4.0000      1.49700        81.615            -11.70069        0.49236            26.76242         1.8500      1.56883        56.047            -17.26274        1.2000 8         孔径         7.6687
                  至2.10009      -32.06340       2.1000     1.80610     33.2710      -12.55929       1.221011      -12.55929       0.8400     1.79950     42.3412      -140.07187      2.625613      -9.54305        0.9300     1.74330     49.2214      -21.09756
图5A至图5C和图6A至图6C示出了第二优选实施例分别在广角位置和远摄位置时的像差特性曲线。
本发明第三优选实施例的数值列于表3，其中后焦距fbw范围为8.2909mm至35.9094mm。
                           表3表面序号   曲率半径(ri)   厚度(di)   折射率(nd)   阿贝数(v)1         12.50402         1.6000      1.59551      39.222         39.47031         0.67283         -12.54398        1.8953      1.79950      42.344         11.74414         4.0000      1.49700      81.615         -11.74414        0.43196         26.35391         1.8500      1.56883      56.047         -17.31383        1.20008         孔径             7.6640
                        至2.10009         -30.14944        2.1000      1.80610      33.2710         -12.55929        1.293911         -12.55929        0.8400      1.79950      42.3412         -127.16002       2.664013         -9.48691         0.9300      1.72000      50.3414         -20.94965
图7A至图7C和图8A至图8C示出了第三优选实施例分别在广角位置和远摄位置时的像差特性曲线。
本发明第四优选实施例的数值列于表4，其中后焦距fbw范围为8.0293mm至35.6636mm。
                           表4表面序号   曲率半径(ri)   厚度(di)   折射率(nd)    阿贝数(v)1         12.15860         1.6000      1.60342       38.012         35.79931         0.67283         -12.92341        1.4922      1.80610       40.734         11.72785         4.0000      1.48749       70.445         -11.72785        0.83506         28.84426         1.8500      1.60311       60.697         -17.65413        1.20008         孔径             7.7288
                        至2.10009         -28.68800        2.1000      1.80610       33.2710         -12.52768        1.413911         -12.15864        0.8400      1.78590       43.9312         -138.21939       2.689913         -9.66387         0.9300      1.78800       47.4914         -18.51970
图9A至图9C和图10A至图10C示出了第四优选实施例分别在广角位置和远摄位置时的像差特性曲线。
本发明第五优选实施例的数值列于表5，其中后焦距长度fbw范围为7.9909mm至35.522mm。
                            表5表面序号    曲率半径(ri)   厚度(di)    折射率(nd)    阿贝数(v)1           12.24585         1.6000       1.61293       36.962           35.22768         0.67283           -13.00177        1.4684       1.80610       40.734           11.32046         4.0000       1.48749       70.445           -11.86918        0.8588 6            26.95237      1.8500      1.58913      61.257            -16.97195     1.20008            孔径          7.5849
                        至2.10009            -25.12827     2.1000      1.80610      33.2710            -12.19576     1.470811            -11.97528     0.8800      1.78590      43.9312            -106.94220    2.812213            -9.29281      0.8800      1.74330      49.2214            -17.63340
图11A至图11C和图12A至图12C示出了第五优选实施例分别在广角位置和远摄位置时的像差特性曲线。
在本发明第一至第五实施例中，条件(1)至(5)中每一个比率见表6。
                              表6
条件式      实施例1         实施例2         实施例3            实施例4          实施例5
fI/fw     0.646           0.639           0.638              0.642            0.635
D3/fw     0.198           0.193           0.193              0.195            0.190
fII/fw    -0.607          -0.599          -0.599             -0.603           -0.594
f1/fw     1.037           1.038           1.044              1.033            1.036
fbw/fw    0.282           0.290           0.288              0.279            0.277
第一透镜组  r4＝11.811     r4＝11.701     r4＝11.774        r4＝11.728
的曲率半径  r5＝-11.811    r5＝-11.701    r5＝-11.774       r5＝-11.728
第一透镜组                  r3＝-12.559                       r1＝12.159
的曲率半径                  r10＝-12.559                      r11＝-12.159
第二透镜组  r10＝-12.680   r10＝-12.559   r10＝-12.559
的曲率半径  r11＝-12.680   r11＝-12.559   r11＝-12.559
根据本发明的实施例，本发明提供了一种用于小型照相机的袖珍变焦镜头系统，系统有大于62度的宽视场角，变倍比大于2，远摄率低于1。
通过阅读本发明的说明书，本领域的普通技术人员将对本发明的其它实施例会有清楚的理解。本说明书和实施例仅仅是给出一个范例，本发明的真正的构思和范围由所附权利要求书界定。

Claims (3)

1、一种袖珍变焦镜头系统，从物方依次包括：
总折射本领为正的第一透镜组，第一透镜组包括：第一透镜单元，其为向物方凸出的透镜，相对于物方有正折射本领；一个相对于物方有负折射本领的第二透镜单元；第三透镜单元，其为相对于物方有正折射本领的双凸透镜，并且固定于第二透镜单元上；第四透镜单元，其为相对于物方有正折射本领的双凸透镜；
总折射本领为负的第二透镜组，第二透镜组包括：第五透镜单元，其为向像方凸出的弯月透镜，相对于物方有正折射本领；向像方凸出的第六透镜单元；第七透镜单元，其为向像方凸出的弯月透镜，相对于物方有负折射本领；
其中，系统的放大率可通过改变第一透镜组和第二透镜组之间的距离而改变，满足下列条件：
0.59＜fI/fw＜0.67
0.17＜D3/fw＜0.22
-0.63＜fII/fw＜-0.55这里，fI表示第一透镜组的焦距；fII表示第二透镜组的焦距；D3表示在变焦期间第一透镜组从广角位置向远摄位置移动的距离；fw表示在广角位置时系统的焦距。
2、根据权利要求1所述的袖珍变焦镜头系统，其满足下列条件：
                    0.90＜F1/fw＜1.2
这里，f1表示第一透镜组中第一透镜单元的焦距。
3、根据权利要求1所述的袖珍变焦镜头系统，其满足下列条件：
                    0.26＜fbw/fw＜0.31
这里，fbw表示在广角位置时系统的后焦距。
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