CN108107558A - 变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置 - Google Patents

变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置。变焦透镜从物侧起依次包括不为了变焦而移动的具有正折光力的第一透镜单元、为了变焦而移动的分别具有负折光力的第二到第四透镜单元以及不为了变焦而移动的具有正折光力且被定位为最接近像侧的中继透镜单元。第二透镜单元从广角端到望远端向像侧移动。当由广角端处的变焦透镜的焦距fw和变焦比Z确定的焦距fx为fx＝fw×Z0.38时，变焦透镜满足0.05<L2min/L2w<0.98，这里，L2min是从广角端到焦距fx的变焦范围中的第二透镜单元与第三透镜单元之间的最小距离，并且L2w是广角端处的它们之间的距离。

Description

变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置
技术领域
本发明涉及有利地用于电视摄像机、视频摄像机、摄影照相机或数字照相机中的变焦透镜，并且涉及实现宽视角、高变焦比以及小型轻量化的变焦透镜。
背景技术
常规上，四单元变焦透镜由于相对容易实现宽视角、高变焦比以及小型轻量化而常常被用作用于电视摄像机的变焦透镜。这种四单元变焦透镜从物侧起依次包括不为了变焦而移动的具有正折光力的第一透镜单元、在变焦期间移动的具有负折光力的第二透镜单元、用于校正由变焦导致的像面的变动的第三透镜单元以及用于成像的具有正折光力的第四透镜单元。
近年，提出了包括三个、四个或更多个可动单元作为具有用作变化器和补偿器的功能的变焦单元的、用于电视摄像机的变焦透镜。
例如，日本专利No.5841270和日本专利申请公开No.2011-81063分别提出包括具有正折光力的第一透镜单元、在变焦期间移动的具有负折光力的第二透镜单元、在变焦期间移动的具有负折光力的第三透镜单元以及在变焦期间移动的具有负折光力的第四透镜单元的变焦透镜。
为了使得用于电视摄像机的常规的四单元变焦透镜同时实现宽视角、高变焦比以及进一步的小型轻量化，各单元的折光力需要增大，并且这导致像差的变化增大的问题。特别地，当在广角端和望远端处执行像差校正时，像差的变化在广角端与变焦中间位置(fw×Z0.5)之间的焦距范围(fw×Z0.05～fw×Z0.35)中增大，并且，在画面(field)周边出现大的性能劣化。
在日本专利No.5841270和日本专利申请公开No.2011-81063中，三个或四个变焦单元在从广角端到望远端的变焦期间沿不同的轨迹移动。但是，日本专利No.5841270或日本专利申请公开No.2011-81063没有公开用于像差增大的从广角端到变焦中间位置的焦距范围(fw×Z0.05～fw×Z0.35)的变焦轨迹，或者没有实现有效的像差校正。
发明内容
因此，本发明具有提供包括三个或更多个可动单元作为其变焦单元并且同时实现宽视角、高变焦比、小型轻量化、特别是从广角端到变焦中间位置的焦距范围内的高性能的变焦透镜的目的。本发明还意欲提供具有这种变焦透镜的图像拾取装置。
为了实现以上的目的，根据本发明的变焦透镜从物侧到像侧依次包括不为了变焦而移动的具有正折光力的第一透镜单元、在变焦期间移动的具有负折光力的第二透镜单元、在变焦期间移动的具有负折光力的第三透镜单元、在变焦期间移动的具有负折光力的第四透镜单元和不为了变焦而移动的具有正折光力并且被定位为最接近像侧的中继透镜单元。第二透镜单元从广角端到望远端向像侧移动。当基于广角端处的变焦透镜的焦距fw和变焦比Z确定的焦距fx为fx＝fw×Z0.38时，变焦透镜满足0.05<L2min/L2w<0.98，这里，L2min是从广角端到焦距fx的变焦范围中第二透镜单元与第三透镜单元之间的最小距离，L2w是广角端处第二透镜单元与第三透镜单元之间的距离。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。
通过适当地设定第二透镜单元与第三透镜单元的移动轨道和各单元的焦度配置，本发明可获得不仅实现有利的光学性能而且实现宽视角、高焦度、小型轻量化以及高性能的变焦透镜。
附图说明
图1是在广角端处聚焦于无限远的根据本发明的数值实施例1的变焦透镜的透镜截面图。
图2A是数值实施例1的变焦透镜在广角端处的像差图。
图2B是数值实施例1的变焦透镜在焦距f＝25.7mm处的像差图。
图2C是数值实施例1的变焦透镜在望远端处的像差图。
图3是在广角端处聚焦于无限远的根据本发明的数值实施例2的变焦透镜的透镜截面图。
图4A是数值实施例2的变焦透镜在广角端处的像差图。
图4B是数值实施例2的变焦透镜在焦距f＝25.7mm处的像差图。
图4C是数值实施例2的变焦透镜在望远端处的像差图。
图5是在广角端处聚焦于无限远的根据本发明的数值实施例3的变焦透镜的透镜截面图。
图6A是数值实施例3的变焦透镜在广角端处的像差图。
图6B是数值实施例3的变焦透镜在焦距f＝25.7mm处的像差图。
图6C是数值实施例3的变焦透镜在望远端处的像差图。
图7是示出本发明的原理的示意图。
具体实施方式
现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。
本发明的变焦透镜从物侧到像侧依次包括不为了变焦而移动的具有正折光力的第一透镜单元U1、在变焦期间移动的具有负折光力的第二透镜单元U2、在变焦期间移动的具有负折光力的第三透镜单元U3以及在变焦期间移动的具有负折光力的第四透镜单元U4，并且还在最接近像侧的位置处包括不为了变焦而移动的具有正折光力的中继透镜单元UR。第二透镜单元U2从广角端到望远端向像侧移动。这里提到的透镜单元的边界由光学表面限定，所述光学表面中的每一个与其相邻的光学表面之间的距离在变焦时改变。
在常规的四单元变焦透镜中，为了图像点校正，唯一地确定第三透镜单元沿其移动的轨迹。具体而言，在从广角端到望远端的变焦期间，第三透镜单元沿凸向物侧的轨迹移动(首先向物侧移动，然后向像侧移动)，并且在第二透镜单元的成像倍率通过-1的变焦位置处被定位为最接近物侧。
由于本发明的变焦透镜包括三个或更多个可动单元作为其变焦单元，因此可对第二透镜单元U2和第三透镜单元U3设定任何移动轨迹。
具体而言，广角端与焦距fx(fw×Z0.38，这里，fw是广角端处的变焦透镜的焦距，Z是变焦比)之间的变焦范围包括第二透镜单元U2与第三透镜单元U3之间的距离比广角端处窄的变焦位置。因此，在广角端处增大的通过第二透镜单元U2的轴外光线与通过第三透镜单元U3的轴外光线之间的高度差在该变焦范围中(在广角端与焦距fx之间)减小。因此，在广角端与焦距fx之间的变焦范围中，沿欠校正方向(向物侧)改变的像场弯曲被有利地校正。
图7是示出本发明的实施例中的变焦轨迹的示图。图中的实线示出根据本发明的第二透镜单元U2、第三透镜单元U3和第四透镜单元U4从广角端到望远端移动所沿的轨迹。在本发明中，第二透镜单元U2与第三透镜单元U3之间的距离在所述变焦范围(在广角端与焦距fx之间)中比在广角端处窄。
焦距fx表达为：
fX＝fw×Z0.38…(1)
这里，fw是广角端处的变焦透镜的焦距，Z是变焦比，并且，本发明的变焦透镜满足以下的条件：
0.05<L2min/L2w<0.98…(2)
这里，L2min是广角端与焦距fx之间的变焦范围中的第二透镜单元U2与第三透镜单元U3之间的最小距离，L2w是广角端处第二透镜单元与第三透镜单元之间的距离。
条件式(2)限定第二透镜单元U2与第三透镜单元U3之间的最小距离与广角端处的两者之间的距离的比。式(1)限定从广角端开始的变焦范围的望远端侧，以将用于识别由条件式(2)限定的第二透镜单元U2与第三透镜单元U3之间的距离最小的变焦位置的范围确定为总体范围(population)。
如果条件式(2)的值超出其上限值，则难以有利地校正广角端与焦距fx之间的变焦范围中的像场弯曲。如果条件式(2)的值低于其下限值，那么第二透镜单元U2与第三透镜单元U3之间的距离在广角端处增大，并且为了补偿这一点，需要使第一透镜单元U1的主点处于像侧。结果，第一透镜单元U1中的各单个透镜的折光力增大，并且这反过来增大望远端处的球面像差的变化和广角端处的畸变的变化，使得难以实现高的焦度。
更优选式(1)被设定如下：
fx＝fw×Z0.35…(1a)
更优选条件式(2)被设定如下：
0.08<L2min/L2w<0.97…(2a)
通过满足以上的构成，本发明的各数值实施例的图像拾取光学系统不仅实现有利的光学性能，而且实现宽视角、高焦度以及小型轻量化。
作为本发明的附加方式，以下的条件式(3)限定第二透镜单元U2的焦距f2与第三透镜单元U3的焦距f3的比：
0.1<|f2/f3|<4.0…(3)
如果条件式(3)的值低于其下限值，那么第三透镜单元U3的折光力相对于第二透镜单元U2的折光力太弱，并且第二透镜单元U2与第三透镜单元U3之间的距离的变化增大。结果，第二透镜单元U2与第三透镜单元U3之间的距离在广角端处增大，并且这反过来增大望远端处的球面像差的变化和广角端处的畸变的变化，使得难以实现高的焦度。如果条件式(3)的值超出其上限值，那么第三透镜单元U3的折光力相对于第二透镜单元U2的折光力太强，于是，第三透镜单元U3对于制造误差的敏感度在望远端处增大。特别地，像场弯曲和慧形像差增大，从而降低生产率。
更优选条件式(3)被设定如下：
0.15<|f2/f3|<3.0…(3a)
作为本发明的附加方式，以下的条件式(4)限定第一透镜单元U1的焦距f1与第二透镜单元U2的焦距f2的比：
1.2<|f1/f2|<7.0…(4)
如果条件式(4)的值超出其上限值，那么第二透镜单元U2的折光力相对于第一透镜单元U1的折光力太强，并且这增大像差的变化，使得难以校正它们。如果条件式(4)的值低于其下限值，那么第二透镜单元U2的折光力相对于第一透镜单元U1的折光力太弱，并且第二透镜单元U2必须在变焦期间移动更长，使得难以实现高的焦度。
更优选条件式(4)被设定如下：
1.5<|f1/f2|<6.0…(4a)
下面，描述各数值实施例的特性。
[实施例1]
本发明的数值实施例1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U1、具有负折光力的用于变焦的第二透镜单元U2、具有负折光力的用于变焦的第三透镜单元U3、具有负折光力的用于变焦的第四透镜单元U4、孔径光阑SP和具有正折光力的用于图像形成的中继透镜单元UR。当从广角端到望远端变焦时，第二透镜单元向像侧移动。
图1是在广角端处聚焦于无限远的根据本发明的数值实施例1的变焦透镜的透镜截面图。各实施例的变焦透镜是用于图像拾取装置中的图像拾取光学系统。在各透镜截面图中，左侧是被照体(物)侧，右侧是像侧。图2A、图2B和图2C分别是数值实施例1的变焦透镜的广角端、焦距f＝25.7mm和望远端处的像差图。注意，焦距f＝25.7mm是第二透镜单元U2与第三透镜单元U3之间的距离最小时的焦距。在数值实施例1～3的像差图中，球面像差由e线和g线表达，像散由e线的子午像面(△M)和e线的弧矢像面(△S)表达，横向色差由g线表达。球面像差和像散的表达分别为0.2mm的量级，畸变为5％的量级，横向色差为0.05mm的量级。“Fno”表示f数，“ω”表示半视角。并且，广角端和望远端是作为用于变焦的第二透镜单元U2可在机械光轴上移动的可用变焦范围的端部的变焦位置。
第一透镜单元U1具有正折光力并且不为了变焦而移动。对于从无限远到有限距离的焦点调整，第一透镜单元U1的一部分从像侧向物侧移动。第二透镜单元U2是具有负折光力并且在从广角端(短焦距端)到望远端(长焦距端)的变焦期间向像侧移动的用于变焦的变化器透镜单元。第三透镜单元U3和第四透镜单元U4具有负折光力并且在变焦期间移动。“SP”表示孔径光阑。中继透镜单元RU不为了变焦而移动。“IP”是像面，并且对应于接收呈现由透镜装置形成的图像的光的图像拾取元件(诸如CCD或CMOS的光电转换元件)的图像拾取面。
下面，描述数值实施例1中的各单元的透镜构成。以下假定从物侧到像侧依次配置各透镜。第一透镜单元U1包含负透镜和四个正透镜。第二透镜单元U2包含负透镜、负透镜和正透镜。第三透镜单元U3包含负透镜。第四透镜单元U4包含负透镜和正透镜的胶合透镜。中继透镜单元UR包含正透镜、正透镜、正透镜和负透镜的胶合透镜、正透镜和负透镜的胶合透镜、正透镜、负透镜和正透镜的胶合透镜、正透镜和负透镜的胶合透镜、以及正透镜。
表1示出用于数值实施例1的条件式的值。数值实施例1满足条件式(2)～(4)。因此，本发明获得不仅实现有利的光学性能而且实现宽视角、高焦度以及小型轻量化的图像拾取光学系统。
[实施例2]
数值实施例2的变焦透镜具有与实施例1相同的构成，并且具体地从物侧到像侧依次包括具有正折光力的第一透镜单元U1、具有负折光力的用于变焦的第二透镜单元U2、具有负折光力的用于变焦的第三透镜单元U3、具有负折光力的用于变焦的第四透镜单元U4、孔径光阑SP和具有正折光力的用于图像形成的中继透镜单元UR。
图3是在广角端处聚焦于无限远的本发明的数值实施例2的变焦透镜的透镜截面图。
图4A、图4B和图4C分别是数值实施例2的变焦透镜的广角端、焦距f＝25.7mm和望远端处的像差图。注意，焦距f＝25.7mm是第二透镜单元U2与第三透镜单元U3之间的距离最小时的焦距。
数值实施例2中的各单元的透镜构成与数值实施例1中的各单元的透镜构成相同。具体而言，各单元构成如下。
第一透镜单元U1具有正折光力，并且不为了变焦而移动。对于从无限远到有限距离的焦点调整，第一透镜单元U1的一部分从像侧向物侧移动。第二透镜单元U2是具有负折光力并且在从广角端(短焦距端)到望远端(长焦距端)的变焦期间向像侧移动的用于变焦的变化器透镜单元。第三透镜单元U3和第四透镜单元U4具有负折光力并且在变焦期间移动。中继透镜单元UR不为了变焦而移动。
描述数值实施例2中的各单元的透镜构成。以下假定从物侧到像侧依次配置透镜。第一透镜单元U1包含负透镜和4个正透镜。第二透镜单元U2包含负透镜、负透镜和正透镜。第三透镜单元U3包含负透镜。第四透镜单元U4包含负透镜和正透镜的胶合透镜。中继透镜单元UR包含正透镜、正透镜、正透镜和负透镜的胶合透镜、正透镜和负透镜的胶合透镜、正透镜、负透镜和正透镜的胶合透镜、正透镜和负透镜的胶合透镜、以及正透镜。
表1示出用于数值实施例2的条件式的值。数值实施例2满足条件式(2)～(4)。因此，本发明获得不仅实现有利的光学性能而且实现宽视角、高焦度以及小型轻量化的图像拾取光学系统。
[实施例3]
数值实施例3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U1、具有负折光力的用于变焦的第二透镜单元U2、具有负折光力的用于变焦的第三透镜单元U3、具有负折光力的用于变焦的第四透镜单元U4、具有正折光力并且与第二透镜单元U2结合移动以校正由变焦导致的像面的变化的第五透镜单元U5、孔径光阑SP、具有正折光力的用于图像形成的中继透镜单元UR。
图5是在广角端处聚焦于无限远的本发明的数值实施例3的变焦透镜的透镜截面图。
图6A、图6B和图6C分别是数值实施例3的变焦透镜的广角端、焦距f＝25.7mm和望远端处的像差图。注意，焦距f＝25.7mm是第二透镜单元U2与第三透镜单元U3之间的距离最小时的焦距。
接下来，描述数值实施例3中的各单元的透镜构成。第一透镜单元U1包含负透镜和4个正透镜。第二透镜单元U2包含负透镜、负透镜和正透镜。第三透镜单元U3包含负透镜。第四透镜单元U4包含负透镜和正透镜的胶合透镜。第五透镜单元U5包含正透镜和正透镜。中继透镜单元UR包含正透镜和负透镜的胶合透镜、正透镜和负透镜的胶合透镜、正透镜、负透镜和正透镜的胶合透镜、正透镜和负透镜的胶合透镜、以及正透镜。
表1示出用于数值实施例3的条件式的值。数值实施例3满足条件式(2)～(4)。因此，本发明获得不仅实现有利的光学性能而且实现宽视角、高焦度以及小型轻量化的图像拾取光学系统。
本发明的附加方面限定：当从广角端到望远端变焦时，第三透镜单元U3仅向像侧移动。如果第三透镜单元U3沿指向物侧的轨迹移动，那么该变焦范围中的像差的变化增大到难以校正它们的极端程度。当第三透镜单元U3在整个变焦范围中保持到第二透镜单元U2的适当的距离时，可在整个变焦范围中有利地校正像差。
本发明的附加方式限定第二透镜单元U2包含一个或更多个负透镜以及一个或更多个正透镜。这使得能够有利地校正望远端处的色差。
本发明的附加实施例限定第三透镜单元U3为单个负透镜。这使得能够减小在变焦期间移动的单元的重量，从而使得驱动机构能够执行适当的变焦操作。
本实施例的附加方式限定通过第一透镜单元U1中的透镜执行聚焦。因此，在任何焦距变焦位置处，聚焦时的延伸量都是恒定的，这允许简化驱动机构。
在以下的数值实施例中，“i”表示从物侧起的表面的序号，“ri”是从物侧起的第i表面的曲率半径，“di”是第i表面与第(i+1)表面之间的距离，以及“ndi”和“νdi”分别是第i表面与第(i+1)表面之间的光学部件对于d线(587.6nm)的折射率和阿贝(Abbe)数。注意，Abbe数νd由下式表达：
νd＝(nd-1)/(nF-nC)
这里，nd、nF和nC分别是对于d线、F线(486.1nm)和C线(656.3nm)的折射率。
在X轴为光轴方向、H轴与光轴垂直、光行进方向为正、“R”为旁轴曲率半径、“k”为圆锥常数并且“A3”、“A4”、“A5”、“A6”、“A7”、“A8”、“A9”、“A10”、“A11”、“A12”、“A13”、“A14”、“A15”和“A16”均是非球面系数的情况下，则非球面形状表达如下。
[式1]
并且，例如，“e-z”表示“×10-z”。非球面注上了星号。
各数值实施例示出广角端、焦距f＝25.7mm、焦距f＝40.0mm(fw×Z0.35)、焦距f＝44.7mm(fw×Z0.38)和望远端处的各透镜单元之间的距离。“Z”表示变焦比，fw表示广角端处的变焦透镜的焦距。焦距f＝25.7mm是第二透镜单元U2与第三透镜单元U3之间的距离最小时的焦距。
[数值实施例1]
[单位：mm]
表面数据
各种数据
变焦透镜单元数据
单个透镜数据
[数值实施例2]
[单位：mm]
表面数据
各种数据
变焦透镜单元数据
单个透镜数据
[数值实施例3]
[单位：mm]
表面数据
各种数据
变焦透镜单元数据
单个透镜数据
[表1]用于数值实施例1～3的条件式的值
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (8)

1.一种变焦透镜，其特征在于，从物侧到像侧依次包括：不为了变焦而移动的具有正折光力的第一透镜单元、在变焦期间移动的具有负折光力的第二透镜单元、在变焦期间移动的具有负折光力的第三透镜单元、在变焦期间移动的具有负折光力的第四透镜单元以及不为了变焦而移动的具有正折光力且被定位为最接近像侧的中继透镜单元，其中，
第二透镜单元从广角端到望远端向像侧移动，以及
当基于广角端处的变焦透镜的焦距fw和变焦比Z确定的焦距fx为fx＝fw×Z0.38时，变焦透镜满足以下的条件：
0.05<L2min/L2w<0.98
这里，L2min是从广角端到焦距fx的变焦范围中第二透镜单元与第三透镜单元之间的最小距离，并且L2w是广角端处第二透镜单元与第三透镜单元之间的距离。
2.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，
变焦透镜满足以下的条件：
0.1<|f2/f3|<4.0
这里，f2是第二透镜单元的焦距，并且f3是第三透镜单元的焦距。
3.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，
变焦透镜满足以下的条件：
1.2<|f1/f2|<7.0
这里，f1是第一透镜单元的焦距，并且f2是第二透镜单元的焦距。
4.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，
第三透镜单元从广角端到望远端仅向像侧移动。
5.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，
第二透镜单元包含负透镜和正透镜。
6.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，
第三透镜单元由单个负透镜构成。
7.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中，
通过包含于第一透镜单元中的透镜执行聚焦。
8.一种图像拾取装置，其特征在于，包括：
根据权利要求1～7中的任一项所述的变焦透镜；和
接收由变焦透镜形成的光图像的图像拾取元件。
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