CN113031237A

CN113031237A - 变焦透镜和图像拾取装置

Info

Publication number: CN113031237A
Application number: CN202011526938.9A
Authority: CN
Inventors: 宫泽伸幸
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2040-12-22
Also published as: JP7387423B2; JP2021103208A; US11314065B2; US20210199938A1; CN113031237B

Abstract

本发明涉及变焦透镜和图像拾取装置。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、具有正折光力的一个或两个中间透镜单元、以及具有正折光力的最后透镜单元。各对相邻透镜单元之间的距离在从广角端到望远端的变焦中变化。所述一个或两个中间透镜单元包括三个或四个透镜。所述一个或两个中间透镜单元包括具有正折光力且最接近像侧的单一透镜。最后透镜单元包括三个或四个透镜。变焦透镜满足规定的条件表达式。

Description

变焦透镜和图像拾取装置

技术领域

本发明涉及变焦透镜和图像拾取装置。

背景技术

近来显示单元的清晰度已变得越来越高，并且，用于诸如数字照相机、视频照相机和TV照相机的图像拾取装置中的变焦透镜的图像质量因此变得越来越高。将来，为了进一步普及，将需要廉价且紧凑的变焦透镜。

常规上，可以有效地保证倍率变化比的紧凑变焦透镜是已知的。日本专利公开No.(“JP”)2015-55722公开了倍率为约20倍的变焦透镜，其从物侧到像侧依次包括具有正、负、正和正折光力的透镜单元，其中，第一透镜单元在倍率变化期间固定。JP 2012-88618公开了倍率为约10倍的变焦透镜，其从物侧到像侧依次包括具有正、负、正、正和正折光力的透镜单元，其中，第一、第三和第五透镜单元在倍率变化期间固定。

在JP 2015-55722中公开的变焦透镜具有长的整体光学长度。在JP 2012-88618中公开的变焦透镜难以同时实现紧凑的结构和高的倍率。

发明内容

实施例的某个方面提供例如在紧凑性、高的倍率和高的光学性能方面有益的变焦透镜。

根据本发明的一个方面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、具有正折光力的一个或两个中间透镜单元、以及具有正折光力的最后透镜单元。各对相邻透镜单元之间的距离在从广角端到望远端的变焦中变化。所述一个或两个中间透镜单元包括三个或四个透镜。所述一个或两个中间透镜单元包括具有正折光力且最接近像侧的单一透镜。最后透镜单元包括三个或四个透镜。满足以下条件表达式：

0.50<LDt/ft<1.00

-1.40<Dpow/f2<-0.27

这里，LDt是望远端处变焦透镜的总光学长度，ft是望远端处变焦透镜的焦距，Dpow是广角端处邻近所述单一透镜的物侧的空气间隔长度，并且f2是第二透镜单元的焦距。

根据另一方面的图像拾取装置包括以上的变焦透镜和被配置为捕获由变焦透镜形成的图像的图像拾取元件。

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。

附图说明

图1是示例1中的光学系统的截面图。

图2是示例1中的光学系统的广角端处的像差图。

图3是示例1中的光学系统的中间焦距处的像差图。

图4是示例1中的光学系统的望远端处的像差图。

图5是示例2中的光学系统的截面图。

图6是示例2中的光学系统的广角端处的像差图。

图7是示例2中的光学系统的中间焦距处的像差图。

图8是示例2中的光学系统的望远端处的像差图。

图9是示例3中的光学系统的截面图。

图10是示例3中的广角端处的像差图。

图11是示例3中的中间焦距处的像差图。

图12是示例3中的望远端处的像差图。

图13是示例4中的光学系统的截面图。

图14是示例4中的广角端处的像差图。

图15是示例4中的中间焦距处的像差图。

图16是示例4中的望远端处的像差图。

图17是示例5中的光学系统的截面图。

图18是示例5中的广角端处的像差图。

图19是示例5中的中间焦距处的像差图。

图20是示例5中的望远端处的像差图。

图21是各示例中的图像拾取装置的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图对根据本发明的实施例进行详细描述。

现在将对根据各例子的变焦透镜的轮廓进行描述。根据各示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、具有正折光力与一个或两个透镜单元的中间透镜单元、以及具有正折光力的最后透镜单元。在从广角端到望远端的变焦期间，相邻透镜单元之间的距离变化。由此，根据各示例的变焦透镜具有适于高倍率变焦的配置。所述一个或两个中间透镜单元包括三个或四个透镜。最后透镜单元包括三个或四个透镜。由此，能够在减少变焦透镜中的透镜的数量的同时获得紧凑的尺寸和良好的光学性能。中间透镜单元具有单一透镜Gpmi，该透镜Gpmi最接近像面且具有正折射率。由此，可以校正球面像差和彗差。

根据各示例的变焦透镜满足以下条件表达式(1)和(2)：

0.50<LDt/ft<1.00 (1)

-1.40<Dpow/f2<-0.27 (2)

这里，LDt是望远端处变焦透镜的总光学长度，ft是望远端处变焦透镜的焦距，Dpow是单一透镜Gpmi的广角端处的物侧的相邻空气间隔，并且f2是第二透镜单元的焦距。总光学长度是通过将反焦(backfocus)加在变焦透镜的总长度上得到的长度。如果在反焦中存在玻璃块等，则还加算由玻璃块等延伸的反焦。

条件表达式(1)规定望远端的总光学长度与望远端的焦距之间的比率。如果该值高于条件表达式(1)的上限，则总光学长度不利地变长。另一方面，当该值低于条件表达式(1)的下限时，就变得难以校正望远端的球面像差和轴向色差。

条件表达式(2)规定中间透镜单元中的最接近像面的单一正透镜Gpmi的广角端处的物侧的相邻空气间隔与第二透镜单元的焦距的比率。如果该值高于条件表达式(2)的上限，则变焦透镜的总长度不利地变长或变得难以校正各波长的球面像差的差异。另一方面，当该值低于条件表达式(2)的下限时，变得难以校正变焦期间的像场弯曲的波动。

根据各示例的变焦透镜可以满足以下条件表达式(3)。

Dpot-Dpow≤0.00 (3)

这里，Dpot是望远端处的中间透镜单元中的最接近像面的单一正透镜Gpmi的物侧的相邻空气间隔。条件表达式(3)规定望远端处的单一透镜Gpmi的物侧的相邻空气间隔与广角端处的单一透镜Gpmi的相邻物侧的相邻空气间隔的比率。如果该值高于条件表达式(3)的上限，则变得难以有效地获得倍率变化比。

在根据各实施例的变焦透镜中，至少第二透镜单元和最后透镜单元可以在变焦(倍率变化)期间移动。移动第二透镜单元可以有效地保证倍率比。最后透镜单元可以校正由于变焦而引起的像面移动，并且还可以校正变焦期间的横向色差的波动。

根据各示例的变焦透镜可以满足以下条件表达式(4)。

0.23<M2/LDt<0.43 (4)

这里，M2是第二透镜单元从广角端到望远端的移动量。当第二透镜单元在望远端处比在广角端处更接近像面时，移动量M2具有正符号。条件表达式(4)规定第二透镜单元从广角端到望远端的移动量与望远端处的总光学长度的比率。如果该值高于条件表达式(4)的上限，则前透镜直径不利地变大。另一方面，如果该值低于条件表达式(4)的下限，则总长度不利地变长。

根据各示例的变焦透镜可以满足以下条件表达式(5)。

0.22<M2/ft<0.34 (5)

条件表达式(5)规定第二透镜单元从广角端到望远端的移动量与望远端处的焦距的比率。如果该值高于条件表达式(5)的上限，则前透镜直径不利地变大。另一方面，当该值低于条件表达式(5)的下限时，则变得难以校正变焦期间的像场弯曲的波动。

根据各示例的变焦透镜可以满足以下条件表达式(6)。

0.06<Dpow/f3<0.50 (6)

这里，f3是一个或两个中间透镜单元中的物侧的中间透镜单元(第三透镜单元)的焦距。条件表达式(6)规定望远端处的中间透镜单元中的最接近像面的单一正透镜Gpmi的物侧的相邻空气间隔与第三透镜单元的焦距的比率。如果该值高于条件表达式(6)的上限，则变得难以校正广角端处的像散和畸变。另一方面，如果该值低于条件表达式(6)的下限，则变得难以校正各波长的球面像差的差异。

根据各示例的变焦透镜可以满足以下条件表达式(7)。

-0.38<M3/M2<-0.21 (7)

这里，M3是所述一个或两个中间透镜单元中的物侧的中间透镜单元(第三透镜单元)从广角端到望远端的移动量。当第三透镜单元在望远端处比在广角端处更接近像面时，移动量M3具有正符号。条件表达式(7)规定第三透镜单元从广角端到望远端的移动量M3与第二透镜单元从广角端到望远端的移动量M2的比率。如果该值高于条件表达式(7)的上限，则前透镜直径不利地变大。另一方面，当该值低于条件表达式(7)的下限时，变得难以有效地保证倍率变化比。

在根据各示例的变焦透镜中，至少第一透镜单元可以在变焦期间固定(第一透镜单元可以在变焦期间不移动)。第一透镜单元具有大的质量，并且，由于致动器变大且机构变得复杂，因此移动第一透镜单元是不利的。在变焦期间，孔径光阑可以相对于像面固定。如果孔径光阑在变焦期间在沿光轴OA的方向(光轴方向)上移动，则机构变得复杂并且透镜单元的直径变大。当要聚焦的物体从长距离变到短距离时，最后透镜单元可以从像侧向物侧移动。将最后透镜单元设定为聚焦单元可以限制光学性能在从广角端到望远端的整个范围内在从长距离到短距离的聚焦期间变化。倍率变化比为18倍或更大。当倍率变化比小时，变得难以获得各示例的效果。

可以分别如以下条件表达式(1a)～(7a)那样设定条件表达式(1)～(7)的数值范围中的至少一个。

0.55<LDt/ft<1.00 (1a)

-1.25<Dpow/f2<-0.27 (2a)

-12.00<Dpot-Dpow≤0.00 (3a)

0.24<M2/LDt<0.42 (4a)

0.23<M2/ft<0.33 (5a)

0.07<Dpow/f3<0.40 (6a)

-0.37<M3/M2<-0.22 (7a)

可以分别如以下条件表达式(1b)～(7b)那样设定条件表达式(1a)～(7a)的数值范围中的至少一个。

0.59<LDt/ft<1.00 (1b)

-1.11<Dpow/f2<-0.27 (2b)

-10.52<Dpot-Dpow≤0.00 (3b)

0.24<M2/LDt<0.41 (4b)

0.23<M2/ft<0.32 (5b)

0.07<Dpow/f3<0.34 (6b)

-0.36<M3/M2<-0.22 (7b)

现在将参考图1～20描述根据各实施例的变焦透镜。图1、图5、图9、图13和图17分别是根据示例1～5的变焦透镜(光学系统)1a～1e的截面图。图2、图6、图10、图14和图18是根据示例1～5的变焦透镜中的每一个的广角端处的像差图。图3、图7、图11、图15和图19是根据示例1～5的变焦透镜的中间焦距处的像差图。图4、图8、图12、图16和图20是根据示例1～5的变焦透镜中的每一个的望远端处的像差图。在各像差图中，d和g分别代表d线和g线，M和S分别代表子午像面和弧矢像面。倍率的色差由g线表示。

在图1、图5、图9、图13和图17所示的变焦透镜的截面图中，L1是第一透镜单元，L2是第二透镜单元，L3是第三透镜单元，L4是第四透镜单元。L5是第五透镜单元。SP是光圈(孔径光阑)，P是诸如面板或低通滤波器的玻璃块，I是像面。在各示例中的变焦透镜中，在从广角端到望远端的变焦期间，各透镜单元如图1、图5、图9、图13和图17中的箭头所示的那样移动。各图形中的实线箭头和虚线箭头分别是聚焦于无限远物体和近距离物体期间的运动轨迹。

在图1(示例1)和图17(示例5)中，中间透镜单元是包括三个透镜的第三透镜单元L3，最后透镜单元是第四透镜单元L4。在图5(示例2)、图9(示例3)和图13(示例4)中，中间透镜单元包括第三透镜单元L3和第四透镜单元L4，最后透镜单元是第五透镜单元L5。在图5和图13中，中间透镜单元总共具有三个透镜。在图9中，中间透镜单元总共具有四个透镜。

现在将描述对应于示例1～5的数值示例1～5。在各数值示例中，ri是从物侧算起的第i表面的曲率半径，di是第i表面和第(i+1)表面之间的距离(透镜厚度或空气间隔)，并且ndi和νdi分别是第i透镜的材料的折射率和Abbe数。Abbe数νd表示为νd＝(Nd-1)/(NF-NC)，这里，Nd、NF和NC是Fraunhofer线中的d线(587.6nm)、F线(486.1nm)和C线(656.3nm)的折射率。

在各数值示例中，“d”、焦距(mm)、F数和半视角(度)均具有当根据各示例的光学系统(变焦透镜)聚焦于无穷远物体时的值。BF(反焦)由从最后透镜表面(最接近像面的透镜表面)到旁轴像面的光轴上的距离的空气转换长度表示，该空气转换长度不包括玻璃块。“总透镜长度”是通过将反焦加上从变焦透镜的最前面表面(最接近物体的透镜表面)到最后表面的光轴上的距离获得的长度。“透镜单元”不限于多个透镜，并且可以仅包括单个透镜。

当光学表面为非球面时，在表面号的右侧添加符号*。非球面形状由以下表达式(A)表示。

这里，X轴被设定为光轴方向，h轴被设定为与光轴正交的方向，光行进方向被设定为正，R为旁轴曲率半径，并且k为圆锥常数，A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10和A11为非球面系数。

在各数值示例中未列出的系数为零。例如，“e-Z”意味着“10^-Z”。半视角是通过光线跟踪获得的值。

数值示例1

单位mm

表面数据

非球面数据

第十四表面

K＝-3.46301e-001 A4＝-1.45222e-005

第十五表面

K＝0.00000e+000 A4＝2.23251e-005

各种数据

变焦透镜单元数据

数值示例2

单位mm

表面数据

非球面数据

第十六表面

K＝-5.16072e-001 A4＝-9.09293e-006

第十七表面

K＝0.00000e+000 A4＝1.27349e-005

各种数据

变焦透镜单元数据

数值示例3

单位mm

表面数据

非球面数据

第十六表面

K＝-5.26702e-001 A4＝-6.72646e-006

第十七表面

K＝0.00000e+000 A4＝9.13258e-006

各种数据

变焦透镜单元数据

数值示例4

单位mm

表面数据

非球面数据

第十四表面

K＝-4.74092e-001 A4＝-1.81897e-005

第十五表面

K＝0.00000e+000 A4＝2.30026e-005

各种数据

变焦透镜单元数据

数值示例5

单位mm

表面数据

非球面数据

第十四表面

K＝-4.38342e-001 A4＝-1.90277e-005

第十五表面

K＝0.00000e+000 A4＝1.61436e-005

各种数据

变焦透镜单元数据

表1示出各个数值实施例中的各个上述条件表达式与各种数值之间的关系。

[表1]

接下来，将参照图21描述使用各实施例的变焦透镜作为图像拾取光学系统的图像拾取装置。图21是各实施例的成像设备(视频照相机)100的示意图。在图21中，10是视频照相机主体，并且11是使用各实施例的变焦透镜的成像光学系统。附图标记12表示诸如CMOS传感器或CCD传感器的图像拾取元件(图像传感器)。图像拾取元件12光电转换经由图像拾取光学系统11形成的物体图像(光学图像)(获取由变焦透镜形成的图像)。附图标记13表示用于记录由图像拾取元件12捕获的物体图像的记录手段(存储器)。附图标记14表示用于观察在显示元件(未示出)上显示的物体图像的取景器。显示元件由液晶面板等组成，并且，显示在图像拾取元件12上形成的物体图像。

通过以这种方式将各实施例的变焦透镜应用于诸如视频照相机的成像设备，能够实现紧凑且具有高光学性能的成像设备。由于图像拾取元件12是诸如CCD传感器的电子图像传感器，因此能够通过电子校正像差进一步提高输出图像的图像质量。根据各实施例，例如，能够提供在小尺寸、高倍率和高光学性能方面有利的变焦透镜和成像设备。

虽然已参照示例性实施例说明了本发明，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

1.一种变焦透镜，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、具有正折光力的一个或两个中间透镜单元、以及具有正折光力的最后透镜单元，

其特征在于，各对相邻透镜单元之间的距离在从广角端到望远端的变焦中变化，

其中，所述一个或两个中间透镜单元包括三个或四个透镜，

其中，所述一个或两个中间透镜单元包括具有正折光力且最接近像侧的单一透镜，

其中，最后透镜单元包括三个或四个透镜，以及

其中，满足以下条件表达式：

0.50<LDt/ft<1.00

-1.40<Dpow/f2<-0.27

2.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，满足以下条件表达式：

Dpot-Dpow≤0.00

这里，Dpot是望远端处邻近所述单一透镜的物侧的空气间隔长度。

3.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，至少第二透镜单元和最后透镜单元在变焦中移动。

4.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，满足以下条件表达式：

0.23<M2/LDt<0.43，

这里，M2是第二透镜单元从广角端到望远端的移动量，并且在第二透镜单元在望远端处比在广角端处更接近像侧的情况下具有正符号。

5.根据权利要求4所述的变焦透镜，其特征在于，满足以下条件表达式：

0.22<M2/ft<0.34。

6.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，满足以下条件表达式：

0.06<Dpow/f3<0.50，

这里，f3是所述一个或两个中间透镜单元当中的位于物侧的一个的焦距。

7.根据权利要求4所述的变焦透镜，其特征在于，满足以下条件表达式：

-0.38<M3/M2<-0.21，

这里，M3是所述一个或两个中间透镜单元当中的位于物侧的一个从广角端到望远端的移动量，M3在所述一个或两个中间透镜单元当中的位于物侧的一个在望远端处比在广角端处更接近像侧的情况下具有正符号。

8.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，第一透镜单元对于变焦不移动。

9.一种图像拾取装置，其特征在于，包括：

根据权利要求1～8中的任一项所述的变焦透镜；以及

图像拾取元件，被配置为拾取由所述变焦透镜形成的图像。