CN112835188B - 变焦透镜及其控制设备以及图像拾取装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及变焦透镜及其控制设备、以及图像拾取装置。一种变焦透镜，从物侧到像侧依次包括：具有正折光力的第一透镜单元、具有负折光力的第二透镜单元、以及具有正折光力的第三透镜单元。在变焦期间，第一透镜单元不移动，并且第二透镜单元和第三透镜单元按相互不同的轨迹移动。满足如下条件表达式：0.05<|f2/m2|<0.59，和0.20<|f3/m3|<1.95，其中f2是第二透镜单元的焦距，f3是第三透镜单元的焦距，m2是第二透镜单元在广角端到望远端的变焦期间的移动量，并且m3是第三透镜单元在广角端到望远端的变焦期间的移动量。

Description

变焦透镜及其控制设备以及图像拾取装置
本申请是申请号为201711289539.3、申请日为2017年12月8日、发明名称为“变焦透镜及其控制设备以及图像拾取装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及变焦透镜、包含变焦透镜的图像拾取装置以及用于变焦透镜的控制设备，并且适用于例如诸如数字静物相机、摄像机、监控相机、广播相机之类的包括图像拾取器件的图像拾取装置或者诸如卤化银胶片相机之类的图像拾取装置。
背景技术
最近的包含固态图像拾取器件的图像拾取装置(诸如监控相机和摄像机)在其总尺寸小的同时具有改善的功能。用于这种装置的变焦透镜被期望具有小的尺寸、高的变焦比和好的光学性能。
为了满足此要求，已知这样的变焦透镜：该变焦透镜从物侧到像侧依次包括具有正折光力的透镜单元、具有负折光力的透镜单元和具有正折光力的透镜单元。
日本专利公开No.2013-88782公开了这样的变焦透镜：在该变焦透镜中，第三透镜单元的焦距被适当地设置，以提高对于在从可见范围到近红外范围的宽波长范围中的光的成像性能。
在日本专利公开No.2013-88782公开的变焦透镜中，从减小整个系统的尺寸和增大整个系统的变焦比的视角来看，不能说第二透镜单元和第三透镜单元的结构和移动轨迹是适当的。为了实现透镜单元的尺寸的进一步减小和变焦比的进一步增大，重要的是适当地设置第二透镜单元和第三透镜单元的结构和移动轨迹。
发明内容
本发明提供了变焦透镜、包含变焦透镜的图像拾取装置、以及用于变焦透镜的控制设备，该变焦透镜的整个系统小且具有高变焦比，该变焦透镜在整个变焦范围中具有高光学性能。
本发明提供了一种变焦透镜，该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；具有负折光力的第二透镜单元；以及具有正折光力的第三透镜单元。在变焦期间，第一透镜单元不移动，并且第二透镜单元和第三透镜单元按相互不同的轨迹移动。满足如下条件表达式：
0.05<|f2/m2|<0.59，和
0.20<|f3/m3|<1.95，
其中f2是第二透镜单元的焦距，f3是第三透镜单元的焦距，m2是第二透镜单元在从广角端到望远端的变焦期间的移动量，并且m3是第三透镜单元在从广角端到望远端的变焦期间的移动量。
参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1是根据实施例1的变焦透镜的截面图。
图2提供了根据实施例1的变焦透镜的像差图。
图3是根据实施例2的变焦透镜的截面图。
图4提供了根据实施例2的变焦透镜的像差图。
图5是根据实施例3的变焦透镜的截面图。
图6提供了根据实施例3的变焦透镜的像差图。
图7是根据实施例4的变焦透镜的截面图。
图8提供了根据实施例4的变焦透镜的像差图。
图9是根据实施例5的变焦透镜的截面图。
图10提供了根据实施例5的变焦透镜的像差图。
图11是根据实施例6的变焦透镜的截面图。
图12提供了根据实施例6的变焦透镜的像差图。
图13是根据实施例7的变焦透镜的截面图。
图14提供了根据实施例7的变焦透镜的像差图。
图15是根据实施例8的变焦透镜的截面图。
图16提供了根据实施例8的变焦透镜的像差图。
图17是根据实施例9的变焦透镜的截面图。
图18提供了根据实施例9的变焦透镜的像差图。
图19是根据实施例10的变焦透镜的截面图。
图20提供了根据实施例10的变焦透镜的像差图。
图21是根据实施例11的变焦透镜的截面图。
图22提供了根据实施例11的变焦透镜的像差图。
图23是根据实施例12的变焦透镜的截面图。
图24提供了根据实施例12的变焦透镜的像差图。
图25是根据实施例13的变焦透镜的截面图。
图26提供了根据实施例13的变焦透镜的像差图。
图27是例示了包括根据实施例1至13中的任一实施例的变焦透镜的图像拾取装置的主要部分。
具体实施方式
下面参照附图详细描述根据本发明的每个实施例的变焦透镜、包含变焦透镜的图像拾取装置以及用于变焦透镜的控制设备。根据本发明的任一实施例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、具有负折光力的第二透镜单元和具有正折光力的第三透镜单元。在这种情况下，透镜单元仅需要包括作为在变焦期间一体地移动的透镜元件的至少一个透镜。透镜单元不需要一定包括多个透镜。每幅图中的变焦透镜的截面图是在广角端。另外，每幅图中的像差图从上侧依次例示了在广角端的像差、在中间变焦位置的像差和在望远端的像差。
图1是根据实施例1的变焦透镜的截面图。图2提供了根据实施例1的变焦透镜的像差图。根据实施例1的变焦透镜具有5.35的变焦比和大约1.44至2.58的F数。图3是根据实施例2的变焦透镜的截面图。图4提供了根据实施例2的变焦透镜的像差图。根据实施例2的变焦透镜具有5.36的变焦比和大约1.44至2.58的F数。
图5是根据实施例3的变焦透镜的截面图。图6提供了根据实施例3的变焦透镜的像差图。根据实施例3的变焦透镜具有5.28的变焦比和大约1.44至2.41的F数。图7是根据实施例4的变焦透镜的截面图。图8提供了根据实施例4的变焦透镜的像差图。根据实施例4的变焦透镜具有5.35的变焦比和大约1.42至2.57的F数。
图9是根据实施例5的变焦透镜的截面图。图10提供了根据实施例5的变焦透镜的像差图。根据实施例5的变焦透镜具有5.05的变焦比和大约1.44至2.57的F数。图11是根据实施例6的变焦透镜的截面图。图12提供了根据实施例6的变焦透镜的像差图。根据实施例6的变焦透镜具有5.92的变焦比和大约1.44至2.54的F数。
图13是根据实施例7的变焦透镜的截面图。图14提供了根据实施例7的变焦透镜的像差图。根据实施例7的变焦透镜具有5.92的变焦比和大约1.44至2.54的F数。
图15是根据实施例8的变焦透镜的截面图。图16提供了根据实施例8的变焦透镜的像差图。根据实施例8的变焦透镜具有5.35的变焦比和大约1.42至2.57的F数。图17是根据实施例9的变焦透镜的截面图。图18提供了根据实施例9的变焦透镜的像差图。根据实施例9的变焦透镜具有5.05的变焦比和大约1.44至2.57的F数。
图19是根据实施例10的变焦透镜的截面图。图20提供了根据实施例10的变焦透镜的像差图。根据实施例10的变焦透镜具有5.92的变焦比和大约1.44至2.54的F数。图21是根据实施例11的变焦透镜的截面图。图22提供了根据实施例11的变焦透镜的像差图。根据实施例11的变焦透镜具有4.83的变焦比和大约1.44至2.39的F数。
图23是根据实施例12的变焦透镜的截面图。图24提供了根据实施例12的变焦透镜的像差图。根据实施例12的变焦透镜具有5.12的变焦比和大约1.44至2.51的F数。
图25是根据实施例13的变焦透镜的截面图。图26提供了根据实施例13的变焦透镜的像差图。根据实施例13的变焦透镜具有6.00的变焦比和大约1.44至2.56的F数。
图27是例示了包含根据本发明的实施例1至13的变焦透镜中的任一个的监控相机(图像拾取装置)的主要部分的截面图。根据各实施例中的任一实施例的变焦透镜是被用于诸如数字静物相机、摄像机、监控相机或广播相机之类的图像拾取装置的图像拾取透镜系统。在每幅变焦透镜的截面图中，左侧对应于物侧，而右侧对应于像侧。假设“i”表示每幅截面图中从物侧到像侧的透镜单元的顺序位置，“Li”表示第i透镜单元。
在每个实施例中，孔径光阑被表示为SP。在每个实施例中，孔径光阑SP被设置在第二透镜单元L2和第三透镜单元L3之间。在每个实施例中，孔径光阑SP在变焦期间不移动。这简化了保持变焦透镜的镜筒的结构。
光学块GB对应于滤光器、面板、低通滤波器、红外截止滤波器等中的任一个。像面被表示为IP。如果变焦透镜被用作摄像机或监控相机的图像拾取光学系统，则像面IP对应于固态图像拾取器件(光电转换器件)，诸如电荷耦合器件(CCD)传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。如果变焦透镜被用作卤化银胶片相机的图像拾取光学系统，则像面IP对应于胶片表面。
在每幅球面像差图中，Fno表示F数，并且示出了关于d线(在587.6nm的波长处)的球面像差和关于g线(在435.8nm的波长处)的球面像差。在每幅像散图中，S表示弧矢像面，并且M表示子午像面。畸变是关于d线的。每幅横向色差图示出了关于g线的色差(chromaticaberration)。另外，ω表示所拾取的图像的半视角。
在各个实施例中，如每幅截面图中示出的箭头所代表的，在从广角端到望远端的变焦期间，透镜单元移动，并且透镜单元中的相邻透镜单元之间的距离改变。更具体地，在根据各实施例的每个变焦透镜中，在从广角端到望远端的变焦期间第一透镜单元L1不移动。第二透镜单元L2在从广角端到望远端的变焦期间朝着像侧移动。第三透镜单元L3朝着物侧移动。
另外，在根据实施例1和2的每个变焦透镜中，第二透镜单元L2充当聚焦单元。为了在望远端改变从无穷远处物体到近处物体的聚焦，如对应的截面图中示出的箭头2c所代表的，第二透镜单元L2朝着物侧被移动。每幅截面图中示出的实线箭头2a和虚线箭头2b分别代表当聚焦在无穷远处物体和聚焦在近处物体时用于校正在从广角端到望远端的变焦期间可能发生的像面变化的移动轨迹。
在根据实施例3至13中的任一实施例的变焦透镜中，第二透镜单元L2和第三透镜单元L3充当聚焦单元。为了在望远端改变从无穷远处物体到近处物体的聚焦，如对应的截面图中示出的箭头2c和3c所代表的，第二透镜单元L2和第三透镜单元L3朝着物侧被移动。每幅截面图中示出的实线箭头2a和实线箭头3a代表当聚焦在无穷远处物体时用于校正在从广角端到望远端的变焦期间可能发生的像面变化的移动轨迹。每幅截面图中示出的虚线箭头2b和虚线箭头3b代表当聚焦在近处物体时用于校正在从广角端到望远端的变焦期间可能发生的像面变化的移动轨迹。
通过在聚焦期间移动多个透镜单元，每个透镜单元在聚焦期间的移动量可以被减小。结果，聚焦期间的像差变化可以被有效地减小。
在根据各实施例中的任一实施例的变焦透镜中，图像模糊可以通过移动某个透镜单元或某个透镜以具有与其光轴垂直的方向上的分量而得到校正。
在根据实施例1至6中的任一实施例的变焦透镜中，满足如下条件表达式：
0.05<|f2/m2|<0.59...(1)，和
0.20<|f3/m3|<1.95...(2)。
在条件表达式中，f2是第二透镜单元L2的焦距，f3是第三透镜单元L3的焦距，m2是第二透镜单元L2在从广角端到望远端的变焦期间的移动量，并且m3是第三透镜单元L3在从广角端到望远端的变焦期间的移动量。移动量指示在广角端位置和望远端位置之间的每个透镜单元在光轴上的位置差异。
条件表达式(1)限定了第二透镜单元L2的焦距f2与第二透镜单元L2在从广角端到望远端的变焦期间的移动量的比值。如果第二透镜单元L2的焦距f2减小并且该比值变得小于条件表达式(1)的下限值，则第二透镜单元L2的折光力变得过强。结果，在变焦期间横向色差的变化增大，因此这是不期望的。如果第二透镜单元L2的焦距f2增大并且该比值变得大于条件表达式(1)的上限值，则第二透镜单元L2的折光力变得过弱。结果，难以充分地增大变焦比，因此这是不期望的。
条件表达式(2)限定了第三透镜单元L3的焦距f3与第三透镜单元L3在从广角端到望远端的变焦期间的移动量的比值。如果第三透镜单元L3的焦距f3减小并且该比值变得小于条件表达式(2)的下限值，则第三透镜单元L3的折光力变得过强。结果，在变焦期间像场弯曲(field curvature)的变化增大，因此这是不期望的。如果第三透镜单元L3的焦距f3增大并且该比值变得大于条件表达式(2)的上限值，则第三透镜单元L3的折光力变得过弱。结果，难以充分地增大变焦比和适当地校正横向色差，因此这是不期望的。
如上所述，在实施例1至6中，适当地设置各要素使得满足条件表达式(1)和(2)。于是，可以获得变焦透镜的整个系统小、具有高变焦比并且在整个变焦范围具有高光学性能的变焦透镜。
在实施例1至6中的任一实施例中，条件表达式(1)和(2)的数值范围可以优选地如下设置：
0.25<|f2/m2|<0.57...(1a)，和
0.55<|f3/m3|<1.90...(2a)。
条件表达式(1)和(2)的数值范围可以更优选地如下设置：
0.45<|f2/m2|<0.55...(1b)，和
0.90<|f3/m3|<1.85...(2b)。
此外，在实施例1至6中的任一实施例中，可以进一步优选地满足以下条件表达式中的至少一个：
0.40<|f2/f3|<1.20...(3)，
4.00<|f1/f2|<20.00...(4)，
1.70<nd2n<2.30...(5)，
60.00<νd3p<98.00...(6)，和
0.030<d23t/TLt<0.100...(7)。
在条件表达式中，f1是第一透镜单元L1的焦距，nd2n是第二透镜单元L2中所包括的负透镜的材料的折射率的平均值，并且νd3p是具有第三透镜单元L3中所包括的正透镜的材料的阿贝数(Abbe number)当中的最大阿贝数的材料的阿贝数。此外，d23t是在望远端第二透镜单元L2与第三透镜单元L3之间的光轴上的距离，并且TLt是在望远端变焦透镜的总长度。
条件表达式(3)限定了第二透镜单元L2的焦距f2与第三透镜单元L3的焦距f3的比值。如果第三透镜单元L3的焦距f3增大并且该比值变得小于条件表达式(3)的下限值，则第三透镜单元L3的折光力变得过弱。结果，第三透镜单元L3在变焦期间的移动量增大并且难以充分地减小变焦透镜的尺寸。因此这是不期望的。如果第三透镜单元L3的焦距f3减小并且该比值变得大于条件表达式(3)的上限值，则第三透镜单元L3的折光力变得过强。结果，球面像差大量产生，因此这是不期望的。
条件表达式(4)限定了第一透镜单元L1的焦距f1与第二透镜单元L2的焦距f2的比值。如果第一透镜单元L1的焦距f1减小并且该比值变得小于条件表达式(4)的下限值，则第一透镜单元L1的折光力变得过强。结果，纵向色差被过度校正，因此这是不期望的。如果第一透镜单元L1的焦距f1增大并且该比值变得大于条件表达式(4)的上限值，则第一透镜单元L1的折光力变得过弱。结果，难以充分地校正纵向色差，因此这是不期望的。
条件表达式(5)限定了第二透镜单元L2中所包括的负透镜的材料的折射率的平均值nd2n。如果平均值nd2n变得小于条件表达式(5)的下限值，则需要减小第二透镜单元L2的每个透镜表面的曲率半径，以保持第二透镜单元L2的负折光力。结果，在望远端球面像差和彗形像差(coma aberration)被过度校正，因此这是不期望的。如果平均值nd2n变得大于条件表达式(5)的上限值，则需要增大第二透镜单元L2的每个透镜表面的曲率半径以使第二透镜单元L2的负折光力落在适当的范围内。结果，在望远端难以充分地校正球面像差和彗形像差，因此这是不期望的。
条件表达式(6)限定了具有第三透镜单元L3中所包括的正透镜的材料的阿贝数当中的最大阿贝数的材料的阿贝数νd3p。如果阿贝数νd3p小于上限值，则难以充分地校正横向色差，因此这是不期望的。如果阿贝数νd3p大于上限值，则横向色差被过度校正，因此这是不期望的。
条件表达式(7)限定了在望远端第二透镜单元L2和第三透镜单元L3之间的光轴上的距离d23t与在望远端变焦透镜的总长度TLt的比值。如果在望远端第二透镜单元L2和第三透镜单元L3之间的光轴上的距离d23t减小，并且该比值变得小于条件表达式(7)的下限值，则难以充分地保证用于布置孔径光阑SP的空间，因此这是不期望的。如果在望远端第二透镜单元L2和第三透镜单元L3之间的光轴上的距离d23t增大，并且该比值变得大于条件表达式(7)的上限值，则难以充分地保证第二透镜单元L2和第三透镜单元L3在变焦期间的移动量，因此这是不期望的。结果，难以充分地增大变焦比，因此这是不期望的。
优选地，条件表达式(3)至(7)的数值范围可以如下设置：
0.50<|f2/f3|<1.00...(3a)，
4.50<|f1/f2|<12.00...(4a)，
1.75<nd2n<2.20...(5a)，
65.00<νd3p<93.00...(6a)，和
0.040<d23t/TLt<0.090...(7a)。
更优选地，条件表达式(3)至(7)的数值范围可以如下设置：
0.60<|f2/f3|<0.80...(3b)，
5.00<|f1/f2|<9.00...(4b)，
1.80<nd2n<2.10...(5b)，
70.00<νd3p<88.00...(6b)，和
0.050<d23t/TLt<0.080...(7b)。
在根据实施例1至3和7至12中的任一实施例的变焦透镜中，满足如下条件表达式：
7.00<f1/fw<30.00...(8)。
在本条件表达式中，f1是第一透镜单元L1的焦距，fw是在广角端变焦透镜的焦距。
条件表达式(8)限定了第一透镜单元L1的焦距f1与在广角端变焦透镜的焦距fw的比值。为了增大变焦比，增大第一透镜单元L1的折光力是有效的。在根据实施例1至3和7至12中的任一实施例的变焦透镜中，某个正折光力被施加于第一透镜单元L1。
如果第一透镜单元L1的焦距f1减小并且比值变得小于条件表达式(8)的下限值，则第一透镜单元L1的折光力变得过强。结果，在望远端大量产生像场弯曲和彗形像差，因此这是不期望的。如果第一透镜单元L1的焦距f1增大并且比值变得大于条件表达式(8)的上限值，则第一透镜单元L1的折光力变得过弱。结果，难以充分地增大变焦透镜的变焦比，因此这是不期望的。
另外，第一透镜单元L1从物侧到像侧依次包括正透镜和负透镜。通过在第一透镜单元L1中布置正透镜和负透镜，色差被适当地校正。特别地，通过在第一透镜单元的最物侧布置正透镜并且在正透镜的像侧布置负透镜，可以增大轴外光线在负透镜上的入射角。于是，横向色差可以被适当地校正。
在根据实施例1至3和7至12中的任一实施例的变焦透镜中，第一透镜单元L1包括单个正透镜和单个负透镜。该变焦透镜可以有效地校正色差而不增加透镜的数量。于是，变焦透镜的尺寸减小和色差的校正可以都实现。
如实施例1至3和7至12中所述，第一透镜单元L1的结构被适当地设置，使得满足条件表达式(8)。于是，可以获得变焦透镜的整个系统小、具有高变焦比并且在整个变焦范围具有高光学性能的变焦透镜。
在实施例1至3和7至12中的任一实施例中，条件表达式(8)的数值范围可以优选地如下设置：
8.00<f1/fw<25.00...(8a)。
条件表达式(8)的数值范围可以更优选地如下设置：
10.00<f1/fw<20.00...(8b)。
此外，在实施例1至3和7至12中的任一实施例中，可以进一步优选地满足以下条件表达式中的至少一个：
2.00<f1/L12t<5.00...(9)，
1.75<(Ndp+Ndn)/2<2.30...(10)，和
-1.00<(r1+r2)/(r1-r2)<0.50...(11)。
在条件表达式中，f2是第二透镜单元L2的焦距，L12t是在望远端从第一透镜单元L1的最像侧的透镜表面顶点到第二透镜单元L2的最物侧的透镜表面顶点的长度，并且Ndp是第一透镜单元L1中所包括的正透镜关于d线的折射率。此外，Ndn是第一透镜单元L1中所包括的负透镜关于d线的折射率，r1是第一透镜单元L1中所包括的正透镜的物侧的透镜表面的曲率半径，并且r2是像侧的透镜表面的曲率半径。
条件表达式(9)限定了第一透镜单元L1的焦距f1与在望远端从第一透镜单元L1的最像侧的透镜表面顶点到第二透镜单元L2的最物侧的透镜表面顶点的长度L12t的比值。如果第一透镜单元L1的焦距f1减小并且比值变得小于条件表达式(9)的下限值，则第一透镜单元L1的折光力变得过强。结果，纵向色差被过度校正，因此这是不期望的。如果第一透镜单元L1的焦距f1增大并且比值变得大于条件表达式(9)的上限值，则第一透镜单元L1的折光力变得过弱。结果，难以充分地增大变焦透镜的变焦比，因此这是不期望的。
条件表达式(10)限定了第一透镜单元L1中所包括的透镜的材料的折射率。如果折射率变得小于条件表达式(10)的下限值，则需要减小第一透镜单元L1中所包括的正透镜的每个透镜表面的曲率半径，以保持第一透镜单元L1的正折光力。结果，在望远端大量产生球面像差和彗形像差，因此这是不期望的。如果折射率变得小于条件表达式(10)的上限值，则需要增大第一透镜单元L1中所包括的正透镜的每个透镜表面的曲率半径，以使第一透镜单元L1的正折光力落在适当的范围内。结果，在望远端大量产生像差弯曲和彗形像差，因此这是不期望的。
条件表达式(11)限定了第一透镜单元L1中所包括的正透镜的形状。如果形状小于条件表达式(11)的下限值，则第一透镜单元L1中所包括的正透镜的像侧的透镜表面的近轴曲率半径过大。结果，难以适当地校正在广角端的横向色差，因此这是不期望的。如果形状大于条件表达式(11)的上限值，则第一透镜单元L1中所包括的正透镜的像侧的透镜表面的近轴曲率半径过小。结果，在广角端的横向色差被过度校正，因此这是不期望的。
条件表达式(9)至(11)的数值范围可以优选地如下设置：
2.30<f1/L12t<4.50...(9a)，
1.80<(Ndp+Ndn)/2<2.10...(10a)，和
-0.90<(r1+r2)/(r1-r2)<0.10...(11a)。
条件表达式(9)至(11)的数值范围可以更优选地如下设置：
2.50<f1/L12t<4.00...(9b)，
1.86<(Ndp+Ndn)/2<1.90...(10b)，
-0.83<(r1+r2)/(r1-r2)<-0.02...(11b)。
在根据实施例1至3和7至12中的任一实施例的变焦透镜中，负透镜布置在第二透镜单元L2的最物侧。当R1是负透镜的物侧的透镜表面的曲率半径，R2是负透镜的像侧的透镜表面的曲率半径，并且nd2n是负透镜的材料关于d线的折射率时，满足如下条件表达式：
1.91<nd2n<2.40...(12)，和
-1.50<(R2+R1)/(R2-R1)<-0.10...(13)。
条件表达式(12)限定了第二透镜单元L2中所包括的、布置在最物侧的负透镜的材料的折射率nd2n。如果折射率nd2n小于条件表达式(12)的下限值，则负透镜的材料的折射率过低，并且难以充分地增大第二透镜单元L2的折光力。结果，难以充分地增大整个变焦透镜系统的变焦比，因此这是不期望的。折射率大于条件表达式(12)的上限值的材料具有非常小的阿贝数。如果这种材料被用于第二透镜单元L2中所包括的负透镜，则难以适当地校正第二透镜单元L2中的色差。
条件表达式(13)限定了负透镜的形状。如果代表条件表达式(13)的形状的值为0，则透镜是其中物侧的透镜表面的近轴曲率半径相当于像侧的透镜表面的近轴曲率半径的双凹透镜。如果条件表达式(13)的值为-1，则透镜是在物侧具有基本上平坦的透镜表面的平凹透镜。
如果代表形状的值小于条件表达式(13)的下限值，则负透镜的形状是其凸表面面向物侧的弯月形透镜，物侧的凸表面的折光力过强，并且难以充分地增大负透镜的负折光力。结果，难以充分地增大第二透镜单元L2的折光力，并且难以充分地增大整个变焦透镜的变焦比。因此，这是不期望的。如果代表形状的值大于条件表达式(13)的上限值，则负透镜的负折光力过强。结果，在第二透镜单元L2中大量产生畸变像差和像场弯曲，因此这是不期望的。
如在实施例1至3和7至13中所述，各要素被适当地设置，使得满足条件表达式(12)和(13)。于是，可以获得变焦透镜的整个系统小、具有高变焦比并且在整个变焦范围中具有高光学性能的变焦透镜。
在实施例1至3和7至12中的任一实施例中，条件表达式(12)和(13)的数值范围可以优选地如下设置：
1.92<nd2n<2.12...(12a)，和
-1.49<(R2+R1)/(R2-R1)<-0.30...(13a)。
条件表达式(12)和(13)的数值范围可以更优选地如下设置：
1.94<nd2n<2.08...(12b)，和
-1.48<(R2+R1)/(R2-R1)<-0.40...(13b)。
此外，在实施例1至3和7至12中的任一实施例中，可以进一步优选地满足以下条件表达式中的至少一个：
1.00<|f2/fw|<4.00...(14)，
1.50<f3/fw<5.00...(15)，和
7.00<f1/fw<30.00...(16)。
在这些条件表达式中，f1是第一透镜单元L1的焦距，f2是第二透镜单元L2的焦距，f3是第三透镜单元L3的焦距，并且fw是在广角端变焦透镜的焦距。
条件表达式(14)限定了第二透镜单元L2的焦距f2与在广角端变焦透镜的焦距fw的比值。如果第二透镜单元L2的焦距f2减小并且比值变得小于条件表达式(14)的下限值，则第二透镜单元L2的折光力变得过强。结果，在变焦期间像场弯曲和横向色差的变化增大，因此这是不期望的。如果第二透镜单元L2的焦距f2增大并且比值变得大于条件表达式(14)的上限值，则第二透镜单元L2的折光力变得过弱。结果，在变焦期间第二透镜单元L2的移动量增大，并且难以充分地减小变焦透镜的尺寸。因此，这是不期望的。
条件表达式(15)限定了第三透镜单元L3的焦距f3与在广角端变焦透镜的焦距fw的比值。如果第三透镜单元L3的焦距f3减小并且比值变得小于条件表达式(15)的下限值，则第三透镜单元L3的折光力变得过强。结果，在变焦期间像场弯曲的变化增大，因此这是不期望的。如果第三透镜单元L3的焦距f3增大并且比值大于条件表达式(15)的上限值，则第三透镜单元L3的折光力变得过弱。结果，在变焦期间第三透镜单元L3的移动量增大，并且难以充分地减小变焦透镜的尺寸。因此，这是不期望的。
条件表达式(16)限定了第一透镜单元L1的焦距f1与在广角端变焦透镜的焦距fw的比值。如果第一透镜单元L1的焦距f1减小并且比值变得小于条件表达式(16)的下限值，则第一透镜单元L1的折光力变得过强。结果，难以适当地校正在望远端的球面像差和彗形像差，因此这是不期望的。如果第一透镜单元L1的焦距f1增大并且比值变得大于条件表达式(16)的上限值，则第一透镜单元L1的折光力变得过弱。结果，难以适当地校正纵向色差，因此这是不期望的。
条件表达式(14)至(16)的数值范围可以优选地如下设置：
1.50<|f2/fw|<3.00...(14a)，
2.00<f3/fw<4.00...(15a)，和
9.00<f1/fw<25.00...(16a)。
条件表达式(14)至(16)的数值范围可以更优选地如下设置：
1.90<|f2/fw|<2.40...(14b)，
2.80<f3/fw<3.50...(15b)，和
10.0<f1/fw<20.00...(16b)。
实施例7至13可以如实施例1至6那样期望地满足条件表达式(4)。
接下来描述透镜单元的结构。在根据每个实施例的变焦透镜中，第一透镜单元L1包括其中正透镜和负透镜相接合的接合透镜(cemented lens)。第一透镜单元中所包括的负透镜相邻地布置在正透镜的像侧。接合透镜的接合表面具有其凸表面面向像侧的形状。于是，可以增大离轴光线在负透镜上的入射角，结果，可以适当地校正横向色差。
另外，在根据实施例1和3至13中的任一实施例的变焦透镜中，第二透镜单元L2从物侧到像侧依次包括负透镜、负透镜和正透镜。在根据实施例2的变焦透镜中，第二透镜单元L2从物侧到像侧依次包括负透镜、负透镜和其中正透镜和负透镜相接合的接合透镜。通过在第二透镜单元L2中布置至少两个负透镜并且将负折光力分配给多个负透镜，可以减小每个负透镜的折光力。结果，可以减少在望远端的球面像差和彗形像差的出现。通过在第二透镜单元L2中除了两个负透镜以外还布置正透镜，可以适当地校正色差。
在根据实施例1和3至13中的任一实施例的变焦透镜中，第三透镜单元L3从物侧到像侧依次包括正透镜、其中正透镜和负透镜相接合的接合透镜。在根据实施例2的变焦透镜中，第三透镜单元L3从物侧到像侧依次包括正透镜、负透镜和正透镜。
下面给出了根据数值例1至13的透镜数据，数值例1至13分别与本发明的实施例1至13对应。在数值例1至13的每个中，i表示自物侧起的光学表面的顺序位置。ri表示第i个光学表面(第i表面)的曲率半径，di表示第i表面和第i+1表面之间的距离，并且νdi和ndi分别表示形成第i个光学部件的材料的阿贝数和关于d线的折射率。
令离心率为K，非球面系数为A4、A6、A8、A10和A12；并且在距离光轴的高度为h处表面顶点在光轴方向上的位移为x，非球面形状被表示如下：
x＝(h2/r)/[1+[1-(1+K)(h/r)2]1/2]+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10+A12h12
其中，r表示近轴曲率半径。“e-Z”表示“10-z”。
在数值例1至13的每个中，后焦距(BF)对应于通过对从透镜系统的最像侧的表面到像面的距离进行空气换算而获得的长度。表1示出了根据数值例1至6的与上述条件表达式的对应性。表2和3示出了根据数值例1至3和7至12的与上述条件表达式的对应性。表4和5示出了根据数值例1至3和7至12的与上述条件表达式的对应性。
[数值例1]
单位：mm
关于表面的数据
Figure BDA0002911007690000161
Figure BDA0002911007690000171
关于非球面的数据
第11表面
K＝0.00000e+000 A4＝-1.29709e-003 A6＝1.32144e-005 A8＝-1.02709e-005A10＝6.43379e-007 A12＝-4.25073e-008
第12表面
K＝0.00000e+000 A4＝4.56386e-004 A6＝5.69296e-006 A8＝-5.33974e-006
其它数据
Figure BDA0002911007690000172
Figure BDA0002911007690000181
[数值例2]
单位：mm
关于表面的数据
Figure BDA0002911007690000182
Figure BDA0002911007690000191
关于非球面的数据
第12表面
K＝0.00000e+000 A4＝-1.21833e-003 A6＝-1.82858e-005 A8＝-3.28373e-006A10＝1.59061e-007 A12＝-1.52620e-008
第13表面
K＝0.00000e+000 A4＝7.27797e-004 A6＝-7.71658e-006 A8＝-5.59710e-007
其它数据
Figure BDA0002911007690000192
[数值例3]
单位：mm
关于表面的数据
Figure BDA0002911007690000201
关于非球面的数据
第11表面
K＝0.00000e+000 A4＝-1.24402e-003 A6＝-4.03182e-005 A8＝8.84866e-007A10＝-1.32893e-007 A12＝-4.32778e-009
第12表面
K＝0.00000e+000 A4＝8.10344e-004
其它数据
Figure BDA0002911007690000202
Figure BDA0002911007690000211
[数值例4]
单位：mm
关于表面的数据
Figure BDA0002911007690000212
Figure BDA0002911007690000221
关于非球面的数据
第11表面
K＝0.00000e+000 A4＝-9.52184e-004 A6＝-2.14554e-005 A8＝9.10370e-007A10＝-1.04537e-007 A12＝1.13956e-009
第12表面
K＝0.00000e+000 A4＝6.01782e-004
其它数据
Figure BDA0002911007690000222
[数值例5]
单位：mm
关于表面的数据
Figure BDA0002911007690000231
关于非球面的数据
第11表面
K＝0.00000e+000 A4＝-9.59138e-004 A6＝-2.19822e-005 A8＝8.83253e-007A10＝-1.14950e-007 A12＝1.31146e-009
第12表面
K＝0.00000e+000 A4＝7.23489e-004
其它数据
Figure BDA0002911007690000241
[数值例6]
单位：mm
关于表面的数据
Figure BDA0002911007690000242
Figure BDA0002911007690000251
关于非球面的数据
第11表面
K＝0.00000e+000 A4＝-8.50359e-004 A6＝-2.41097e-006 A8＝-1.36176e-006A10＝8.44797e-008 A12＝-3.34219e-009
第12表面
K＝0.00000e+000 A4＝7.83595e-004
其它数据
Figure BDA0002911007690000252
[数值例7]
单位：mm
关于表面的数据
Figure BDA0002911007690000261
关于非球面的数据
第11表面
K＝0.00000e+000 A4＝-8.54095e-004 A6＝-7.35954e-006 A8＝-5.82646e-007A10＝2.51813e-008 A12＝-1.76367e-009
第12表面
K＝0.00000e+000 A4＝7.89520e-004
其它数据
Figure BDA0002911007690000271
[数值例8]
单位：mm
关于表面的数据
Figure BDA0002911007690000272
Figure BDA0002911007690000281
关于非球面的数据
第11表面
K＝0.00000e+000 A4＝-9.52184e-004 A6＝-2.14554e-005 A8＝9.10370e-007A10＝-1.04537e-007 A12＝1.13956e-009
第12表面
K＝0.00000e+000 A4＝6.01782e-004
其它数据
Figure BDA0002911007690000282
[数值例9]
单位：mm
关于表面的数据
Figure BDA0002911007690000291
关于非球面的数据
第11表面
K＝0.00000e+000 A4＝-9.59138e-004 A6＝-2.19822e-005 A8＝8.83253e-007A10＝-1.14950e-007 A12＝1.31146e-009
第12表面
K＝0.00000e+000 A4＝7.23489e-004
其它数据
Figure BDA0002911007690000301
[数值例10]
单位：mm
关于表面的数据
Figure BDA0002911007690000302
Figure BDA0002911007690000311
关于非球面的数据
第11表面
K＝0.00000e+000 A4＝-8.50359e-004 A6＝-2.41097e-006 A8＝-1.36176e-006A10＝8.44797e-008 A12＝-3.34219e-009
第12表面
K＝0.00000e+000 A4＝7.83595e-004
其它数据
Figure BDA0002911007690000312
[数值例11]
单位：mm
关于表面的数据
Figure BDA0002911007690000321
关于非球面的数据
第11表面
K＝0.00000e+000 A4＝-9.20439e-004 A6＝-1.83244e-005 A8＝1.20367e-006A10＝-1.28650e-007 A12＝2.41800e-009
第12表面
K＝0.00000e+000 A4＝8.51021e-004
其它数据
Figure BDA0002911007690000331
[数值例12]
单位：mm
关于表面的数据
Figure BDA0002911007690000332
Figure BDA0002911007690000341
关于非球面的数据
第11表面
K＝0.00000e+000 A4＝-5.71270e-004 A6＝-2.66400e-007 A8＝-1.42974e-006A10＝8.83596e-008 A12＝-2.67530e-009
第12表面
K＝0.00000e+000 A4＝4.11553e-004
其它数据
Figure BDA0002911007690000342
Figure BDA0002911007690000351
[数值例13]
单位：mm
关于表面的数据
Figure BDA0002911007690000352
关于非球面的数据
第11表面
K＝0.00000e+000 A4＝-7.98794e-004 A6＝-1.88755e-005 A8＝1.06394e-006A10＝-1.28564e-007 A12＝2.76670e-009
第12表面
K＝0.00000e+000 A4＝6.97932e-004
其它数据
Figure BDA0002911007690000361
表1
Figure BDA0002911007690000362
表2
Figure BDA0002911007690000363
Figure BDA0002911007690000371
表3
Figure BDA0002911007690000372
表4
Figure BDA0002911007690000373
表5
Figure BDA0002911007690000381
现在参照图27，将描述作为另一实施例的数字静物相机(图像拾取装置)，在该数字静物相机(图像拾取装置)中，根据实施例1至13中的任一实施例的变焦透镜充当成像光学系统。图27中所示的数字静物相机包括相机主体10、与根据实施例1至13中的任一实施例的变焦透镜对应的成像光学系统11、诸如CCD传感器或CMOS传感器之类的固态图像拾取器件(光电转换器件)12、存储器13和网络电缆14，其中固态图像拾取器件(光电转换器件)12设在相机主体10中并且接收由成像光学系统11形成的被摄体的光学图像，存储器13存储与通过固态图像拾取器件12执行的光电转换而获得的被摄体的光学图像有关的信息，并且网络电缆14传送被存储在存储器13中的信息。
如果根据本发明的实施例1至13中的任一实施例的变焦透镜被应用于诸如数字静物相机之类的图像拾取装置，则可以提供变焦透镜的整个系统小、具有高变焦比、并且在整个变焦范围具有高光学性能的图像拾取装置。
可以提供包含根据本发明的实施例1至13中的任一实施例的变焦透镜和对该变焦透镜进行控制的控制单元的图像拾取系统(监控相机系统)。在这种情况下，控制单元可以对变焦透镜进行控制以使得满足上面描述的条件表达式。此时，控制单元不需要与变焦透镜一体化地形成。例如，部署在远程位置的控制设备中的控制单元可以向驱动变焦透镜的各个透镜的驱动单元发送命令(信号)，因此变焦透镜可被远程操作。
另外，控制设备可以包括操作单元，诸如用于操作变焦透镜的控制器和按钮，因此可以根据用户在操作单元上的输入来控制变焦透镜。例如，操作单元可以包括放大按钮和缩小按钮，并且控制设备可以向驱动单元发送信号，使得当用户按压放大按钮时，变焦透镜的倍率被增大，并且当用户按压缩小按钮时，变焦透镜的倍率被减小。
控制设备还可以包括显示与变焦透镜的变焦有关的信息(移动状态)的显示单元，诸如液晶面板。与变焦透镜的变焦有关的信息例如包括变焦倍率(变焦状态)和每个透镜单元的移动量(移动状态)。在这种情况下，用户可以在看着显示单元上显示的与变焦透镜的变焦有关的信息的同时通过使用操作单元来对变焦透镜进行远程操作。此时，显示单元和操作单元可以通过利用例如触摸板来一体化地形成。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是应理解本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求书的范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有此类修改和等同的结构及功能。

Claims (10)

1.一种变焦透镜，从物侧和像侧依次包括：
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；以及
具有正折光力的第三透镜单元，
其中，在从广角端到望远端的变焦期间，每对相邻的透镜单元之间的距离被改变，使得第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离增大并且第二透镜单元和第三透镜单元之间的距离减小，
其中，按照从物侧到像侧的次序，第一透镜单元由正透镜和负透镜组成，
其中，第二透镜单元包括两个负透镜，并且
其中，满足如下条件表达式：
7.00<f1/fw<30.00，
其中f1是第一透镜单元的焦距，并且fw是在广角端所述变焦透镜的焦距。
2.根据权利要求1所述变焦透镜，其中，第一透镜单元由所述正透镜和所述负透镜相互接合的接合透镜组成，并且该接合透镜的接合表面具有其凸表面面向像侧的形状。
3.根据权利要求1所述变焦透镜，还包括布置在第二透镜单元和第三透镜单元之间的孔径光阑，该孔径光阑被配置为在变焦期间不移动。
4.根据权利要求1所述变焦透镜，
其中，满足如下条件表达式：
2.00<f1/L12t<5.00，
其中，L12t是在望远端从第一透镜单元的最像侧的透镜表面顶点到第二透镜单元的最物侧的透镜表面顶点的距离。
5.根据权利要求1所述变焦透镜，
其中，满足如下条件表达式：
1.75<(Ndp+Ndn)/2<2.30，
其中Ndp是第一透镜单元中所包括的所述正透镜关于d线的折射率，并且Ndn是第一透镜单元中所包括的所述负透镜关于d线的折射率。
6.根据权利要求1所述变焦透镜，
其中，满足如下条件表达式：
-1.00<(r1+r2)/(r1-r2)<0.50，
其中r1是第一透镜单元中所包括的所述正透镜的物侧的透镜表面的曲率半径，并且r2是第一透镜单元中所包括的所述正透镜的像侧的透镜表面的曲率半径。
7.一种图像拾取装置，包括：
根据权利要求1-6中任一项所述的变焦透镜；以及
被配置为从所述变焦透镜接收光的图像拾取设备。
8.一种系统，包括：
根据权利要求1-6中任一项所述的变焦透镜；以及
被配置为控制所述变焦透镜的控制单元。
9.根据权利要求8所述的系统，还包括被配置为操作所述变焦透镜的操作单元。
10.根据权利要求8所述的系统，还包括被配置为显示与所述变焦透镜的变焦有关的信息的显示单元。
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