CN108732730A - 变焦镜头、包括变焦镜头的摄像装置和摄像系统 - Google Patents

变焦镜头、包括变焦镜头的摄像装置和摄像系统 Download PDF

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CN108732730A CN201810338599.8A CN201810338599A CN108732730A CN 108732730 A CN108732730 A CN 108732730A CN 201810338599 A CN201810338599 A CN 201810338599A CN 108732730 A CN108732730 A CN 108732730A
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Abstract

本发明涉及变焦镜头、包括变焦镜头的摄像装置和摄像系统。该变焦镜头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和至少包括一个透镜单元的后单元，其中，第二透镜单元被构造为在变焦期间移动，各对相邻透镜单元之间的间隔在变焦期间改变，后单元在整个变焦范围上具有正折光力，并且第一透镜单元包括在彼此接合的两个光学元件的接合面处形成的衍射面。适当地设置第一透镜单元的焦距、第二透镜单元在从广角端到远摄端的变焦期间的移动量和在广角端的后焦距。

Description

变焦镜头、包括变焦镜头的摄像装置和摄像系统
技术领域
本发明涉及适用于摄像光学系统(诸如数字照相机、摄像机、广播照相机、监视照相机或者卤化银胶片照相机等)的变焦镜头和包括该变焦镜头的摄像装置。
背景技术
在摄像装置中使用的摄像光学系统需要是总镜头长度短、整体尺寸小和变焦比高的变焦镜头。此外，期望摄像光学系统例如在整个变焦范围上具有高光学性能。已知所谓的正导型变焦镜头作为具有高变焦比和小整体尺寸的变焦镜头，其从物侧到像侧依次包括具有正折光力的第一透镜单元和具有负折光力的第二透镜单元。第二透镜单元用作主变倍透镜单元。
当正导型变焦镜头在变焦镜头整体尺寸减小的同时增大变焦比时，在第一透镜单元中引起大量的轴向色差。特别是在远摄端产生大量的轴向色差。已知如下变焦镜头，其在光路中使用衍射光学元件，以减少在这种变焦镜头中出现诸如轴向色差和横向色差等的色差(日本特开平9-211329号公报和日本特开平10-148757号公报)。
在日本特开平9-211329号公报中，公开了一种变焦镜头，该变焦镜头从物侧到像侧依次包括具有正、负和正折光力的第一至第三透镜单元。在变焦镜头中，第一透镜单元或第二透镜单元包括衍射光学元件。在日本特开平10-148757号公报中，公开了一种正导型变焦镜头，其从物侧到像侧依次包括具有正、负、正和正折光力的第一至第四透镜单元，或具有正、负、正、负和正折光力的第一至第五透镜单元。在正导型变焦镜头中，第一透镜单元或第二透镜单元包括衍射光学元件。
当在正导型变焦镜头中使用衍射光学元件时，变得易于在减小变焦镜头的整个系统的尺寸的同时，获得高变焦比和高光学性能。然而，为了获得这些效果，重要的是适当地设置例如变焦类型、布置了衍射光学元件的透镜单元、衍射光学元件的焦度(power)(焦距的倒数)和各个透镜单元的折光力和透镜构造。
特别地，在上述正导型变焦镜头中，为了在减小变焦镜头的整个系统的尺寸和增大变焦比的同时令人满意地校正色差，重要的是适当地设置第一透镜单元的折光力。例如，适当地设置用作主变倍透镜单元的第二透镜单元的折光力、变焦期间第二透镜单元的移动量以及衍射光学元件的构造也是重要的。
例如，当将衍射光学元件应用于第一透镜单元以减小远摄端的色差，并且在变焦期间将第一透镜单元朝物侧大幅移动以实现高变焦比时，远摄端的总镜头长度增加，并且变焦镜头的整体尺寸增大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种整体尺寸小、变焦比高、能够在整个变焦范围上令人满意地校正色差且光学性能高的变焦镜头和包括该变焦镜头的摄像装置。
根据本发明的变焦镜头从物侧到像侧依次包括：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；以及后单元，其包括至少一个透镜单元，其中，第二透镜单元被构造为在变焦期间移动，各对相邻透镜单元之间的间隔在变焦期间改变，后单元在整个变焦范围上具有正折光力，第一透镜单元包括在彼此接合的两个光学元件的接合面处形成的衍射面，并且，满足下面的条件式：
1.00<f1/m2<1.75；且
0.05<BFw/f1<0.15，
其中，f1表示第一透镜单元的焦距，m2表示第二透镜单元在从广角端到远摄端的变焦期间的移动量，并且，BFw表示在广角端的后焦距。
通过下面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是当本发明的示例1的变焦镜头聚焦于无限远时在广角端的镜头横截面图。
图2是当示例1的变焦镜头聚焦于无限远时在广角端、中间变焦位置和远摄端的像差图。
图3是当本发明的示例2的变焦镜头聚焦于无限远时在广角端的镜头横截面图。
图4是当示例2的变焦镜头聚焦于无限远时在广角端、中间变焦位置和远摄端的像差图。
图5是当本发明的示例3的变焦镜头聚焦于无限远时在广角端的镜头横截面图。
图6是当示例3的变焦镜头聚焦于无限远时在广角端、中间变焦位置和远摄端的像差图。
图7是当本发明的示例4的变焦镜头聚焦于无限远时在广角端的镜头横截面图。
图8是当示例4的变焦镜头聚焦于无限远时在广角端、中间变焦位置和远摄端的像差图。
图9是当本发明的示例5的变焦镜头聚焦于无限远时在广角端的镜头横截面图。
图10是当示例5的变焦镜头聚焦于无限远时在广角端、中间变焦位置和远摄端的像差图。
图11是当本发明的示例6的变焦镜头聚焦于无限远时在广角端的镜头横截面图。
图12是当示例6的变焦镜头聚焦于无限远时在广角端、中间变焦位置和远摄端的像差图。
图13是根据本发明的实施例的摄像装置的主要部分的示意图。
图14是根据本发明的另一实施例的摄像装置的主要部分的示意图。
具体实施方式
现在，参照附图通过示例描述根据本发明的实施例的变焦镜头和包括变焦镜头的摄像装置。根据本实施例的变焦镜头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和包括至少一个透镜单元的后单元(rear unit)。第二透镜单元被构造为在变焦期间沿着光轴方向移动，并且在变焦期间各对相邻透镜单元之间的间隔改变。
图1是当本发明的示例1的变焦镜头聚焦于无限远处的物体上时，变焦镜头在广角端(短焦距端)的镜头横截面图。图2从上方起依次是当示例1的变焦镜头聚焦于无限远处的物体上时，变焦镜头在广角端、中间变焦位置和远摄端(长焦距端)的纵向像差图。示例1表示变焦比为19.09并且F数为2.06至4.12的变焦镜头。
图3是当本发明的示例2的变焦镜头聚焦于无限远处的物体上时，变焦镜头在广角端的镜头横截面图。图4从上方起依次是当示例2的变焦镜头聚焦于无限远处的物体上时，变焦镜头在广角端、中间变焦位置和远摄端的纵向像差图。示例2表示变焦比为30.0并且F数为1.90至4.90的变焦镜头。
图5是当本发明的示例3的变焦镜头聚焦于无限远处的物体上时，变焦镜头在广角端的镜头横截面图。图6从上方起依次是当示例3的变焦镜头聚焦于无限远处的物体上时，变焦镜头在广角端、中间变焦位置和远摄端的纵向像差图。示例3表示变焦比为26.00并且F数为2.06至4.30的变焦镜头。
图7是当本发明的示例4的变焦镜头聚焦于无限远处的物体上时，变焦镜头在广角端的镜头横截面图。图8从上方起依次是当示例4的变焦镜头聚焦于无限远处的物体上时，变焦镜头在广角端、中间变焦位置和远摄端的纵向像差图。示例4表示变焦比为18.01并且F数为2.20至4.60的变焦镜头。
图9是当本发明的示例5的变焦镜头聚焦于无限远处的物体上时，变焦镜头在广角端的镜头横截面图。图10从上方起依次是当示例5的变焦镜头聚焦于无限远处的物体上时，变焦镜头在广角端、中间变焦位置和远摄端的纵向像差图。示例5表示变焦比为39.58并且F数为1.65至4.93的变焦镜头。
图11是当本发明的示例6的变焦镜头聚焦于无限远处的物体上时，变焦镜头在广角端的镜头横截面图。图12从上方起依次是当示例6的变焦镜头聚焦于无限远处的物体上时，变焦镜头在广角端、中间变焦位置和远摄端的纵向像差图。示例6表示变焦比为64.27并且F数为1.65至6.50的变焦镜头。
图13和图14各自是根据本发明的实施例的摄像装置的主要部分的示意图。
本实施例的变焦镜头是在诸如数字照相机、摄像机、广播照相机、监视照相机和卤化银胶片照相机等的摄像装置中使用的变焦镜头。本实施例的变焦镜头还可以用作投影装置(投影仪)的投影光学系统。
在镜头横截面图中，左侧是物侧(前侧)，右侧是像侧(后侧)。在各个镜头横截面图中示出了变焦镜头L0。当从物侧起透镜单元的顺序用“i”表示时，第i透镜单元由Li表示。后单元LR包括至少一个透镜单元。变焦镜头还包括孔径光阑SP。光学块GB对应于例如光学滤波器、面板、低通滤波器或红外截止滤波器。
当变焦镜头用作数字照相机、摄像机等的摄像装置时，像面IP与诸如CCD传感器或CMOS传感器等的固态摄像元件(光电转换元件)的摄像面相对应。当变焦镜头用作卤化银胶片照相机的摄像装置时，像面IP对应于胶片面。在从广角端到远摄端的变焦期间各个透镜单元的移动轨迹由箭头表示。
在各个示例中，第四透镜单元L4被构造为移动以校正由变倍引起的像面变化并进行聚焦。与第四透镜单元L4相关的实线曲线4a和虚线曲线4b分别是用于校正当聚焦在无限远处的物体上和近距离处的物体上时由变倍引起的像面变化的移动轨迹。此外，在从无限远处的物体到近距离处的物体的聚焦期间，第四透镜单元L4如箭头4c所示朝像侧移动。不仅可以用第四透镜单元L4进行聚焦，还可以用一个或多个其他透镜单元进行聚焦。
在像差图中，符号Fno表示F数。符号“ω”表示半视角(度)。此外，在球面像差图中，实线“d”表示d线(波长为587.6nm)，双点划线“g”表示g线(波长为435.8nm)。在像散图中，虚线M表示d线中的子午像面，实线S表示d线中的弧矢像面。针对d线示出畸变图。在横向色差图中，双点划线“g”表示g线。当稍后给出的数值数据以毫米为单位表示时，在纵向像差图中，以0.2mm的比例绘制球面像差，以0.2mm的比例绘制像散，以10％的比例绘制畸变，以0.1mm的比例绘制横向色差。
各个示例的变焦镜头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以及至少包括一个透镜单元的后单元LR。后单元LR在整个变焦范围上具有正折光力。第一透镜单元L1包括衍射光学元件Ldoe。衍射光学元件Ldoe被接合在光学元件A和光学元件B之间。第二透镜单元L2被构造为在变焦期间沿着光轴方向移动。第一透镜单元L1的焦距由f1表示，在从广角端到远摄端的变焦期间第二透镜单元L2的移动量由m2表示，并且在广角端的后焦距由BFw表示。
此时，各个示例的变焦镜头满足以下条件式：
1.00<f1/m2<1.75…(1)；且
0.05<BFw/f1<0.15…(2)。
后焦距BF是从最后的透镜面到像面的空气等效值。在这种情况下，在从广角端到远摄端的变焦期间，透镜单元的移动量与透镜单元在广角端和远摄端处的、在光轴上的位置差相对应。与广角端相比，当透镜单元位于远摄端处的像侧时，透镜单元的移动量的符号为正，并且与广角端相比，当透镜单元位于远摄端的物侧时透镜单元的移动量的符号为负。
第一透镜单元L1中的衍射光学元件Ldoe的衍射面以夹在光学元件A和光学元件B之间的形式接合。通常使用紫外线固化树脂形成衍射光学元件Ldoe的衍射面。当在衍射面暴露于外部的状态下使用衍射光学元件Ldoe时，衍射效率由于长期变化而降低，因此光学性能劣化。具体而言，衍射面的焦度和形状由于吸水而变化，因此衍射效率降低。鉴于此，衍射光学元件Ldoe的衍射面被夹在两个光学元件A和B之间，从而抑制由吸水引起的衍射效率的降低。接下来，描述条件式(1)和(2)的技术含义。
条件式(1)定义了在变焦期间第一透镜单元L1的焦距与第二透镜单元L2的移动量的比值。当该比值低于条件式(1)的下限值并且第一透镜单元L1的焦距变得太短时，各种像差增加并且光学性能降低。或者，当第二透镜单元L2的移动量变得太大时，变得难以减小变焦镜头的整个系统的尺寸。另一方面，当该比值超过条件式(1)的上限值并且第一透镜单元L1的焦距变得太长时，变得难以减小变焦镜头的整个系统的尺寸。或者，当第二透镜单元L2的移动量变得太小时，变得难以实现高变焦比。
条件式(2)定义了广角端的后焦距与第一透镜单元L1的焦距的比值。当该比值低于条件式(2)的下限值并且第一透镜单元L1的焦距变得太长时，变得难以在减小变焦镜头的整个系统的尺寸的同时实现高变焦比。另一方面，当该比值超过条件式(2)的上限值并且后焦距变得太长时，变得难以减小变焦镜头的整个系统的尺寸。或者，当第一透镜单元L1的焦距变得太短时，各种像差增加并且变得难以获得高光学性能。
更优选的是如下设置条件式(1)和(2)的数值范围：
1.35<f1/m2<1.65…(1a)；且
0.05<BFw/f1<0.13…(2a)。
在各个示例中，如上所述构造变焦镜头以容易地获得变焦比高和整体尺寸小的变焦镜头，同时在整个变焦范围上减小轴向色差和横向色差以实现高光学性能。
在各个示例中，进一步优选地满足以下各种条件式中的至少一个。第二透镜单元L2的焦距由f2表示。广角端的总镜头长度由TDw表示，并且远摄端的总镜头长度由TDt表示。在这种情况下，总镜头长度对应于通过将后焦距BF的空气等效值与从最靠近物侧的透镜面到最后的透镜面的距离相加而获得的值。衍射光学元件Ldoe的衍射面的焦距由“fdoe”表示。第一透镜单元L1包括多个正透镜，并且多个正透镜的材料的折射率当中的最小值由nd1p表示。
变焦镜头的整个系统在广角端的焦距由“fw”表示。变焦镜头的整个系统在远摄端的焦距由“ft”表示。在包括本实施例的变焦镜头和固态摄像元件(该固态摄像元件被构造为接收由变焦镜头形成的像的光)的摄像装置中，被指定为固态摄像元件的对角线长度一半的最大像高用Y表示。在这种情况下，衍射面的焦距“fdoe”表示如下。
衍射面的衍射光栅的相位形状ψ可以由以下多项式表示：
ψ(h,m)＝{2π/(m×λ0)}(C1×h2+C2×h4+C3×h6+…)…(1X)，
其中“h”表示相对于光轴的垂直高度，“m”表示衍射光的衍射级，λ0表示设计波长，并且Ci表示相位系数(i＝1,2,3，...)。
此时，关于自由选择的波长λ和自由选择的衍射级“m”的、作为衍射面的焦距的倒数的焦度可以使用相位系数C1被表示如下：
在表达式(2X)中，例如当衍射级“m”被设置为1，并且针对相位系数选择负值时，衍射面可以具有正焦度。此时，从表达式(2X)可以看出，在λ>λ0的波长范围内，随着波长变长，正焦度相对于波长的变化线性地增大。相反，在λ<λ0的波长范围内，随着波长变短，正焦度相对于波长的变化线性地减小。
当基于表达式(2X)将衍射级“m”设置为1时，衍射面的焦距“fdoe”可以表示如下：
fdoe＝-1/(2×C1)(λ/λ0)…(3X)。
此时，优选满足以下条件式中的至少一个：
-9.0<f1/f2<-3.0…(3)；
0.95<TDt/TDw<1.20…(4)；
20.0<fdoe/f1<500.0…(5)；
nd1p>1.55…(6)；
-3.0<f2/fw<-0.4…(7)；
0.1<f1/ft<1.5…(8)；和
0.015<Y/TDt<0.100…(9)。
接下来，描述上述条件式的技术含义。条件式(3)定义了第一透镜单元L1的焦距与第二透镜单元L2的焦距的比值。当该比值低于条件式(3)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太小。在这种情况下，变焦期间各种像差的变化增大，并且变得难以在整个变焦区域上获得高光学性能。另一方面，当该比值超过条件式(3)的上限值并且第一透镜单元L1的焦距变得太短时，第一透镜单元L1在远摄侧极大地引起球面像差和彗形像差(coma)，并且变得难以校正变焦期间的像差变化。
条件式(4)定义了在远摄端与在广角端从最靠近物侧的透镜面到像面在光轴上的距离(总镜头长度)的比值。当该比值低于条件式(4)的下限值时，变得难以实现高变焦比。另一方面，当该比值超过条件式(4)的上限值时，远摄端的总镜头长度增加，并且变得难以减小变焦镜头的整个系统的尺寸。
条件式(5)定义了衍射光学元件Ldoe的衍射面的焦距与第一透镜单元L1的焦距的比值。当该比值低于条件式(5)的下限值并且衍射光学元件Ldoe的衍射面的焦距变得太短时，轴向色差在远摄端被不利地过校正。
此外，当该比值低于条件式(5)的下限值并且第一透镜单元L1的焦距变得太长时，变焦镜头的整体尺寸不利地增大。另一方面，当该比值超过条件式(5)的上限值并且衍射光学元件Ldoe的衍射面的焦距变得太长时，轴向色差在远摄端不利地校正不足。此外，当该比值超过条件式(5)的上限值并且第一透镜单元L1的焦距变得太短时，远摄侧的第一透镜单元L1引起大量的球面像差和彗形像差，并且变得难以校正变焦期间各种像差的变化。
条件式(6)定义了第一透镜单元L1中包括的正透镜当中具有最低材料折射率的正透镜的材料的折射率。当该值低于条件式(6)的下限值时，诸如球面像差等的各种像差在远摄端增加，并且变得难以获得高光学性能。
条件式(7)定义了在广角端第二透镜单元L2的焦距与变焦镜头的整个系统的焦距的比值。当该比值低于条件式(7)的下限值并且第二透镜单元L2的负焦距变得太长(绝对值变得太大)时，变倍用第二透镜单元L2的移动行程增加，并且总镜头长度增加。另一方面，当该比值超过条件式(7)的上限值并且第二透镜单元L2的负焦距变得太短(绝对值变得太小)时，场曲(field curvature)和横向色差的变化在整个变焦范围上不利地增加。
条件式(8)定义了在远摄端第一透镜单元L1的焦距与变焦镜头的整个系统的焦距的比值。当该比值超过条件式(8)的上限值并且第一透镜单元L1的焦距变得太长时，总镜头长度不利地增加。另一方面，当该比值低于条件式(8)的下限值并且第一透镜单元L1的焦距变得太短时，第一透镜单元L1在远摄侧大大地引起球面像差和慧形像差并且变得难以校正变焦期间各种像差的变化。
条件式(9)定义了最大像高与远摄端的总镜头长度的比值。当该比值低于条件式(9)的下限值时，在远摄端总镜头长度增加太多，并且变得难以减小变焦镜头的整个系统的尺寸。另一方面，当该比值超过条件式(9)的上限值并且总镜头长度变得太短时，各个透镜单元的焦距减小，并且各种像差增加。因此，难以获得高光学性能。
进一步优选地，如下设置条件式(3)至(9)的数值范围。
-8.0<f1/f2<-5.4…(3a)
0.97<TDt/TDw<1.10…(4a)
40.0<fdoe/f1<150.0…(5a)
nd1p>1.59…(6a)
-2.4<f2/fw<-0.8…(7a)
0.25<f1/ft<0.40…(8a)
0.025<Y/TDt<0.065…(9a)
在各个示例中，优选地第一透镜单元L1从物侧到像侧依次包括通过接合负透镜G11和正透镜G12而获得的接合透镜，以及正透镜G13。在这种情况下，光学元件A对应于负透镜G11，并且光学元件B对应于正透镜G12。
即，衍射光学元件的衍射面在负透镜G11与正透镜G12之间被接合。优选地，后单元LR从物侧到像侧依次包括具有正折光力的第三透镜单元L3、第四透镜单元L4和第五透镜单元L5。此外，第三透镜单元L3和第四透镜单元L4优选地沿着光轴方向移动以进行从广角端到远摄端的变倍，并且随着变倍来对像面位置进行校正。
接下来，描述各个示例的变焦镜头的透镜构造。
[示例1]
示例1的变焦镜头从物侧到像侧依次包括以下透镜单元：具有正折光力的第一透镜单元L1，其包括衍射光学元件Ldoe；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；和具有正折光力的第五透镜单元L5。后单元LR由第三透镜单元L3至第五透镜单元L5形成。
第一透镜单元L1被构造为在从广角端到远摄端的变焦期间沿着凸向像侧的轨迹移动。第二透镜单元L2被构造为朝像侧移动以主要进行变倍。第三透镜单元L3被构造为移动以进行变倍。第四透镜单元L4被构造为移动以校正伴随变倍的像面变化。第五透镜单元L5被构造为不移动。
此外，孔径光阑SP布置在第二透镜单元L2与第三透镜单元L3之间。与广角端相比，在远摄端，孔径光阑SP被构造为移动到像侧的位置。随着孔径光阑SP的移动，第一透镜单元L1中的光线高度在广角端减小，使得在广角端的横向色差被令人满意地校正。
第一透镜单元L1从物侧到像侧依次包括通过接合负透镜G11和正透镜G12而获得的接合透镜以及正透镜G13。通过接合负透镜G11和正透镜G12获得的接合透镜形成衍射光学元件Ldoe。衍射面是层压型衍射面。
第二透镜单元L2从物侧到像侧依次包括负透镜G21、负透镜G22、负透镜G23和正透镜G24。负透镜G22的两个面都具有非球面形状。当作为主变倍透镜单元的第二透镜单元L2中使用具有非球面形状的两个面的透镜时，在整个变焦范围上抑制场曲的变化。
第三透镜单元L3从物侧到像侧依次包括正透镜G31、正透镜G32、通过接合正透镜G33和负透镜G34获得的接合透镜和正透镜G35。正透镜G31和正透镜G35中的各个的两个面都具有非球面形状。以这种方式，令人满意地校正了球面像差和彗形像差。
第四透镜单元L4由通过接合从物侧到像侧依次布置的负透镜G41和正透镜G42而获得的接合透镜构成。使用接合透镜，令人满意地校正变焦期间的轴向色差和横向色差的变化。第五透镜单元L5由正透镜G51构成。
[示例2]
示例2的变焦镜头从物侧到像侧依次包括以下透镜单元：具有正折光力的第一透镜单元L1，其包括衍射光学元件Ldoe；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；和具有正折光力的第五透镜单元L5。后单元LR由第三透镜单元L3至第五透镜单元L5形成。
第一透镜单元L1被构造为在从广角端到远摄端的变焦期间不移动。第二透镜单元L2被构造为朝像侧移动以主要进行变倍。第三透镜单元L3被构造为移动以进行变倍。第四透镜单元L4被构造为移动以校正伴随变倍的像面变化。第五透镜单元L5被构造为不移动。此外，孔径光阑SP布置在第二透镜单元L2与第三透镜单元L3之间。与广角端相比，在远摄端，孔径光阑SP被构造为移动到像侧的位置。随着孔径光阑SP的移动，第一透镜单元L1中的光线高度在广角端减小，使得在广角端的横向色差被令人满意地校正。
第一透镜单元L1的透镜构造与示例1中的透镜构造相同。第二透镜单元L2从物侧到像侧依次包括负透镜G21、负透镜G22、负透镜G23和正透镜G24。第三透镜单元L3从物侧到像侧依次包括正透镜G31、正透镜G32、通过接合正透镜G33和负透镜G34而获得的接合透镜以及正透镜G35。正透镜G35的两个面都具有非球面形状。以这种方式，令人满意地校正了球面像差和彗形像差。第四透镜单元L4的透镜构造与示例1中的透镜构造相同。第五透镜单元L5的透镜构造与示例1中的透镜构造相同。
[示例3]
示例3的变焦镜头从物侧到像侧依次包括以下透镜单元：具有正折光力的第一透镜单元L1，其包括衍射光学元件Ldoe；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；和具有正折光力的第五透镜单元L5。后单元LR由第三透镜单元L3至第五透镜单元L5形成。
第一透镜单元L1被构造为在从广角端到远摄端的变焦期间沿着凸向像侧的轨迹移动。第二透镜单元L2被构造为朝像侧移动以主要进行变倍。第三透镜单元L3被构造为移动以进行变倍。第四透镜单元L4被构造为移动以校正伴随变倍的像面变化。第五透镜单元L5被构造为不移动。
此外，孔径光阑SP布置在第二透镜单元L2与第三透镜单元L3之间。与广角端相比，在远摄端，孔径光阑SP被构造为移动到像侧的位置。随着孔径光阑SP的移动，第一透镜单元L1中的光线高度在广角端处减小，使得在广角端处的横向色差被令人满意地校正。第一透镜单元L1至第五透镜单元L5的透镜构造与示例1中的透镜构造相同。
[示例4]
示例4的变焦镜头从物侧到像侧依次包括以下透镜单元：具有正折光力的第一透镜单元L1，其包括衍射光学元件Ldoe；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；和具有正折光力的第五透镜单元L5。后单元LR由第三透镜单元L3至第五透镜单元L5形成。
第一透镜单元L1被构造为在从广角端到远摄端的变焦期间不移动。第二透镜单元L2被构造为朝像侧移动以主要进行变倍。第三透镜单元L3被构造为移动以进行变倍。第四透镜单元L4被构造为移动以校正伴随变倍的像面变化。第五透镜单元L5被构造为不移动。
此外，孔径光阑SP布置在第二透镜单元L2与第三透镜单元L3之间。与广角端相比，在远摄端，孔径光阑SP被构造为移动到像侧的位置。随着孔径光阑SP的移动，第一透镜单元L1中的光线高度在广角端处减小，使得在广角端处的横向色差被令人满意地校正。第一透镜单元L1至第五透镜单元L5的透镜构造与示例1中的透镜构造相同。
[示例5]
示例5的变焦镜头从物侧到像侧依次包括以下透镜单元：具有正折光力的第一透镜单元L1，其包括衍射光学元件Ldoe；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；和具有正折光力的第五透镜单元L5。后单元LR由第三透镜单元L3至第五透镜单元L5形成。
第一透镜单元L1被构造为在从广角端到远摄端的变焦期间不移动。第二透镜单元L2被构造为朝像侧移动以主要进行变倍。第三透镜单元L3被构造为移动以进行变倍。第四透镜单元L4被构造为移动以校正伴随变倍的像面变化。第五透镜单元L5被构造为不移动。此外，孔径光阑SP布置在第二透镜单元L2与第三透镜单元L3之间。孔径光阑SP被构造为不移动。第一透镜单元L1的透镜构造与示例1中的透镜构造相同。
第二透镜单元L2从物侧到像侧依次包括负透镜G21、负透镜G22、负透镜G23和正透镜G24。第三透镜单元L3从物侧到像侧依次包括正透镜G31、通过接合负透镜G32和正透镜G33而获得的接合透镜以及正透镜G34。正透镜G31和正透镜G34中的各个的两个面都具有非球面形状。以这种方式，令人满意地校正了球面像差和彗形像差。第四透镜单元L4由负透镜G41构成。第五透镜单元L5由正透镜G51构成。
[示例6]
示例6的变焦镜头从物侧到像侧依次包括以下透镜单元：具有正折光力的第一透镜单元L1，其包括衍射光学元件Ldoe；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；和具有正折光力的第五透镜单元L5。后单元LR由第三透镜单元L3至第五透镜单元L5形成。
第一透镜单元L1被构造为在从广角端到远摄端的变焦期间不移动。第二透镜单元L2被构造为朝像侧移动以主要进行变倍。第三透镜单元L3被构造为移动以进行变倍。第四透镜单元L4被构造为移动以校正伴随变倍的像面变化。第五透镜单元L5被构造为不移动。此外，孔径光阑SP布置在第二透镜单元L2与第三透镜单元L3之间。孔径光阑SP被构造为不移动。
第一透镜单元L1的透镜构造与示例1中的透镜构造相同。第二透镜单元L2从物侧到像侧依次包括负透镜G21、负透镜G22、负透镜G23和正透镜G24。第三透镜单元L3从物侧到像侧依次包括正透镜G31、通过接合正透镜G32和负透镜G33而获得的接合透镜以及正透镜G34。正透镜G31和正透镜G34中的各个的两个面都具有非球面形状。以这种方式，令人满意地校正了球面像差和彗形像差。第四透镜单元L4由负透镜G41构成。第五透镜单元L5由正透镜G51构成。
在各个示例中，除了衍射光学元件Ldoe之外的接合透镜可以作为在其间具有小空气间隔的分离镜头而存在。此外，在变焦期间各个示例中的孔径光阑SP的孔径直径可以是可变的也可以是不变的。当光圈直径变化时，可以令人满意地减少特别是在远摄端大幅产生的、由离轴光通量引起的下线彗形光斑(lower ray coma flare)，因此可以容易地获得更令人满意的光学性能。
该变型包括在作为对本实施例的变焦镜头的透镜形状的变型和改变的假设之内，并且以上适用于所有示例。
接下来，参照图13描述根据本发明的实施例的、与使用本实施例的变焦镜头作为摄像光学系统的数字摄像机相对应的摄像装置。在图13中，示出照相机主体10和由示例1至6中的任一个示例的变焦镜头形成的摄像光学系统11。作为CCD传感器或CMOS传感器的固态摄像元件(光电转换元件)12例如被内置在照相机主体中，并且被构造为接收由摄像光学系统11形成的被摄体像的光。显示器13显示由固态摄像元件12获得的被摄体像。
接下来，参照图14描述根据本发明另一实施例的、与使用本实施例的变焦镜头作为摄像光学系统的监视照相机相对应的摄像装置。在图14中，示出了照相机主体20以及由示例1至6中的任一个示例的变焦镜头形成的摄像光学系统21。作为CCD传感器或CMOS传感器的固态摄像元件(光电转换元件)22例如被内置在照相机主体20中，并且被构造为接收由摄像光学系统21形成的被摄体像的光。当将本实施例的变焦镜头应用于摄像装置(例如，如上所述的数字摄像机或监视照相机)时，实现了具有高光学性能的紧凑型摄像装置。
各个示例的变焦镜头可以用作投影装置(投影仪)的投影光学系统。
上面描述了本发明的示例性实施例，但是本发明不限于本实施例，并且可以在其主旨的范围内进行各种变型和改变。
除了上述变焦镜头中的任何一个之外，本实施例的摄像装置还可以包括被构造为电校正畸变或横向色差中的至少一者的电路(校正器)。当如上所述采用能够允许变焦镜头的畸变或其他像差的构造时，可以减小变焦镜头的整个系统的透镜的数量，并且容易减小变焦镜头的尺寸。此外，横向色差的电学校正减少了拍摄图像的渗色并且有利于分辨率的提高。
这里，可以构造包括任何一个示例中的变焦镜头和控制变焦镜头的控制单元的摄像系统(监视照相机系统)。在这种情况下，控制单元可以控制变焦镜头，使得如上所述各个透镜单元在变焦期间移动。在这种情况下，控制单元并不总是必须与变焦镜头集成。因此，控制单元可以与变焦镜头分开地配设。例如，控制单元(控制装置)可以位于远离驱动变焦镜头中的各个透镜的驱动单元的位置，并且被构造为包括发送用于控制变焦镜头的控制信号(命令)的发送器。上述控制单元可以远程控制变焦镜头。
同时，通过给控制单元配设诸如控制器和按钮等的用于远程控制变焦镜头的操作单元，可以采用响应于从用户向操作单元的输入来控制变焦镜头的构造。例如，配设放大按钮和缩小按钮作为操作单元，以便从控制单元向变焦镜头的驱动单元发送信号，使得当用户按下放大按钮时变焦镜头的倍率增大，并且当用户按下缩小按钮时变焦镜头的倍率减小。
同时，摄像系统可以包括诸如液晶面板的显示单元以显示与变焦镜头的变焦(移动状态)有关的信息。与变焦镜头的变焦有关的信息的示例包括变焦倍率(变焦状态)和各个透镜单元的移动量(移动状态)。在这种情况下，用户可以在观看显示单元上显示的与变焦镜头的变焦有关的信息的同时，通过操作单元来远程控制变焦镜头。在这种情况下，例如，显示单元和操作单元可以通过采用触摸面板而集成在一起。
以下描述示例1至6的具体数值数据。在各数值数据中，“i”表示从物侧起的顺序，“ri”表示第i光学面(第i面)的曲率半径，“di”表示第i面与第(i+1)面之间的轴上间隔，“ndi”和“νdi”分别表示第i面和第(i+1)面之间的光学构件的材料相对于d线的折射率和阿贝数。当d线、C线、F线和t线的波长分别由λd、λC(波长为656.27nm)、λF和λt(波长为1013.98nm)表示时，与衍射面的d线相关的阿贝数“νddoe”和与衍射面的C线和t线相关的部分分散比θCtdoe由下式表示：
νddoe＝λd/(λF-λC)；和
θCtdoe＝(λC-λt)/(λF-λC)。
以这种方式，阿贝数“νddoe”和部分分散比θCtdoe分别变为-3.45和2.10。衍射面的阿贝数具有负值，因此衍射面提供与普通光学材料相反的作用。非球面形状由以下式表示。
在该式中，X轴表示光轴方向，H轴表示垂直于光轴的方向上的轴，光的行进方向为正，R表示近轴曲率半径，K表示圆锥常数，A4、A6、A8和A10分别表示非球面系数。
星号(*)表示具有非球面形状的面。符号“e-x”表示10-x。BF表示空气等效后焦距。总镜头长度是通过将后焦距BF加到从第一透镜面到最后透镜面的距离上而获得的值。焦距、F数和半视角均是当焦点位于无限远物体上时而获得的值。此外，表1中示出了上述条件式和数值示例之间的关系。
数值数据1
单位：mm
面数据
非球面数据
第二面(衍射面)
A2＝-1.63156e-004 A4＝7.33797e-008 A6＝-1.13068e-010
A8＝-9.63136e-014 A10＝9.97824e-016
第八面
K＝-4.47637e+000 A5＝1.46851e-005 A7＝7.39012e-008
A9＝-4.58297e-009
第九面
K＝-1.97936e+000 A4＝5.13211e-005 A6＝5.02218e-006
A8＝-6.95625e-008
第十五面
K＝-2.55124e-002 A4＝3.49920e-006
第十六面
K＝-1.93738e+000 A4＝4.32679e-005
第二十二面
K＝8.18784e-001 A4＝-1.39872e-004 A6＝-4.46451e-007
A8＝-3.37644e-008
第二十三面
K＝-3.48068e+001 A4＝-1.83963e-004 A6＝8.18669e-006
A8＝-1.80381e-007 A10＝2.33486e-009
各种数据
变焦镜头单元数据
数值数据2
单位：mm
面数据
非球面数据
第二面(衍射面)
A2＝-1.09192e-004
第二十二面
K＝-3.40940e-001 A4＝-2.84570e-005
第二十三面
K＝-5.83413e-001 A4＝3.95747e-005
各种数据
变焦镜头单元数据
数值数据3
单位：mm
面数据
非球面数据
第二面(衍射面)
A2＝-1.14561e-004 A4＝2.27130e-008 A6＝-1.40452e-012A8＝-6.27990e-014 A10＝1.29981e-016
第八面
K＝1.35569e+001 A4＝1.59876e-005
第九面
K＝2.01446e+000 A4＝-1.85010e-005
第十五面
K＝3.28120e-001 A4＝2.24614e-005
第十六面
K＝-1.20517e+000 A4＝7.48060e-005
第二十二面
K＝6.77110e-001 A4＝-9.70170e-005 A6＝-8.09418e-007
A8＝-2.96278e-008
第二十三面
K＝-3.85767e+001 A4＝-1.74290e-004 A6＝8.18809e-006
A8＝-1.80674e-007 A10＝2.44688e-009
各种数据
变焦镜头单元数据
数值数据4
单位：mm
面数据
非球面数据
第二面(衍射面)
A2＝-1.84525e-004 A4＝5.32083e-008 A6＝2.23509e-010
A8＝-1.41399e-012 A10＝2.92039e-015
第八面
K＝1.98933e+001 A4＝-4.81993e-005
第九面
K＝-2.06983e+001 A4＝1.33845e-004
第十五面
K＝1.79500e-001 A4＝2.05089e-005
第十六面
K＝-1.21136e+000 A4＝7.63723e-005
第二十二面
K＝5.91566e-001 A4＝-1.04855e-004 A6＝-2.47074e-007
A8＝-1.83333e-008
第二十三面
K＝-1.40289e+001 A4＝-1.09200e-004 A6＝3.84256e-006
A8＝-6.61160e-008 A10＝6.78061e-010
各种数据
变焦镜头单元数据
数值数据5
单位：mm
面数据
衍射面数据
第二面(衍射面)
C2＝-1.10388e-004 C4＝6.25615e-008 C6＝-6.95772e-011
C8＝1.48193e-014
非球面数据
第十五面
K＝-1.66800e+000 A4＝1.08233e-004 A6＝-2.32732e-007
A8＝3.89330e-009 A10＝-2.28046e-011
第十六面
K＝0.00000e+000 A4＝2.37556e-005 A6＝1.67969e-008
第二十面
K＝0.00000e+000 A4＝-1.85236e-004 A6＝-1.31069e-006
A8＝-8.89070e-008 A10＝1.06936e-009
第二十一面
K＝0.00000e+000 A4＝1.78207e-004 A6＝-1.32686e-006
各种数据
变焦镜头单元数据
数值数据6
单位：mm
面数据
衍射面数据
第二面(衍射面)
A2＝-7.65163e-005 A4＝2.62734e-008 A6＝-2.37848e-011
A8＝1.48193e-014
非球面数据
第十五面
K＝-1.32628e+000 A4＝7.80039e-005 A6＝1.42926e-007
A8＝-8.50572e-011 A10＝1.30037e-011
第十六面
K＝0.00000e+000 A4＝2.04044e-005 A6＝8.58515e-008
第二十面
K＝0.00000e+000 A4＝-1.95337e-004 A6＝-1.56355e-006
A8＝5.75894e-008 A10＝-1.48501e-009
第二十一面
K＝0.00000e+000 A4＝2.34513e-004 A6＝7.89634e-007
各种数据
变焦镜头单元数据
表1
虽然已经参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。应当对权利要求的范围给予最宽的解释，以使其涵盖所有这些变型例以及等同的结构及功能。

Claims (18)

1.一种变焦镜头，该变焦镜头从物侧到像侧依次包括：
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；以及
后单元，其包括至少一个透镜单元，
其中，第二透镜单元被构造为在变焦期间移动，
其中，各对相邻透镜单元之间的间隔在变焦期间改变，
其中，后单元在整个变焦范围上具有正折光力，
其中，第一透镜单元包括在彼此接合的两个光学元件的接合面处形成的衍射面，并且
其中，满足下面的条件式：
1.00<f1/m2<1.75；且
0.05<BFw/f1<0.15，
其中，f1表示第一透镜单元的焦距，m2表示第二透镜单元在从广角端到远摄端的变焦期间的移动量，并且，BFw表示在广角端的后焦距。
2.根据权利要求1所述的变焦镜头，其中，满足下面的条件式：
-9.0<f1/f2<-3.0，
其中，f2表示第二透镜单元的焦距。
3.根据权利要求1所述的变焦镜头，其中，满足下面的条件式：
0.95<TDt/TDw<1.20，
其中，TDw表示在广角端的总镜头长度，并且TDt表示在远摄端的总镜头长度。
4.根据权利要求1所述的变焦镜头，其中，满足下面的条件式：
20.0<fdoe/f1<500.0，
其中，fdoe表示衍射面的焦距。
5.根据权利要求1所述的变焦镜头，
其中，第一透镜单元从物侧到像侧依次包括：彼此接合的负透镜G11和正透镜G12、和正透镜G13，并且
其中，在负透镜G11与正透镜G12的接合面处形成衍射面。
6.根据权利要求1所述的变焦镜头，
其中，第一透镜单元包括多个正透镜，并且
其中，满足下面的条件式：
nd1p>1.55，
其中，nd1p表示所述多个正透镜的材料的折射率当中的最小值。
7.根据权利要求1所述的变焦镜头，
其中，后单元从物侧到像侧依次包括：具有正折光力的第三透镜单元、第四透镜单元和第五透镜单元，
其中，第三透镜单元被构造为在从广角端到远摄端的变焦期间移动，并且
其中，第四透镜单元被构造为移动以随着变焦来校正像面位置。
8.根据权利要求1所述的变焦镜头，其中，满足下面的条件式：
-3.0<f2/fw<-0.4，
其中，f2表示第二透镜单元的焦距，并且fw表示变焦镜头的整个系统在广角端的焦距。
9.根据权利要求1所述的变焦镜头，其中，满足下面的条件式：
0.1<f1/ft<1.5，
其中，ft表示变焦镜头的整个系统在远摄端的焦距。
10.根据权利要求1所述的变焦镜头，其中，满足下面的条件式：
1.35<f1/m2<1.65。
11.根据权利要求1所述的变焦镜头，其中，满足下面的条件式：
0.05<BFw/f1<0.13。
12.一种摄像装置，所述摄像装置包括：
根据权利要求1至11中的任一项所述的变焦镜头；以及
摄像元件，其被构造为接收由变焦镜头形成的像的光。
13.根据权利要求12所述的摄像装置，其中，满足下面的条件式；
0.015<Y/TDt<0.100，
其中，TDt表示在远摄端的总镜头长度，并且Y表示最大像高。
14.根据权利要求12所述的摄像装置，所述摄像装置还包括：
校正器，其被构造为对变焦镜头的像差进行电校正。
15.一种摄像系统，所述摄像系统包括：
根据权利要求1至11中的任一项所述的变焦镜头；以及
控制单元，其被构造为在变焦期间控制变焦镜头。
16.根据权利要求15所述的摄像系统，其中，控制单元被形成为与变焦镜头分开的构件，并且
其中，所述摄像系统还包括被构造为发送用于控制变焦镜头的控制信号的发送器。
17.根据权利要求15所述的摄像系统，
其中，控制单元被形成为与变焦镜头分开的构件，并且
其中，所述摄像系统还包括用来操作变焦镜头的操作单元。
18.根据权利要求15所述的摄像系统，所述摄像系统还包括：
显示器，其被构造为显示与变焦镜头的变焦有关的信息。
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