CN1153912A - 快速广角变焦透镜系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于袖珍摄影机的快速广角变焦透镜系统，该系统包括一个负折射率的第一透镜组；一个正折射率的第二透镜组；和一个负折射率的第三透镜组。将透镜从广角位置移向远摄位置时，第一、第二和第三透镜组均向物体移动，使第一和第二透镜组间的距离及第二和第三透镜组间的距离发生变化。

Description

快速广角变焦透镜系统
本发明涉及一种快速广角变焦透镜系统，尤其是用于具有三个透镜组，图像放大率为2、F值为2.8的袖珍摄影机的小尺寸、性能优良的快速广角变焦透镜系统。
近年来，专业摄影师对性能优良的自动袖珍摄影机提出了新的需求。然而，传统的袖珍摄影机却不能满足这种需求，因为传统的快速透镜焦距短且变焦透镜需要3.5或更大的F值。另一方面，对诸如全景摄影机这样一种广角摄影机，则一种大孔径透镜是必不可少的。
用于袖珍摄影机的变焦透镜一般分为两种：两组的变焦镜头和三组的变焦镜头。如果透镜孔径大，则两组的变焦镜头在像差校正如球差和彗差校正方面就有困难。因此两组的变焦透镜类型用在放大率为2倍时，在广角位置需要3.5或更大的F值的摄影机中。
三组的变焦透镜类型有两种。在第一种类型中，从物体一侧看，变焦透镜系统有一负折射率的第一透镜组，一正折射率的第二透镜组和一负折射率的第三透镜组。第一种类型的例子公开在专利号为JP90-238416和JP90-37317的日本专利中，其优点是具有大孔径和高倍放大率。然而，其缺点在于，对于袖珍摄影机来说整个透镜系统太长。
在第二种类型中，从物体一侧看，变焦透镜系统有一正折射率的第一透镜组，一正折射率的第二透镜组和一负折射率的第三透镜组。第二种类型的例子公开在专利号为U.S.4,854,682和U.S.4,978,204及U.S.5,148,321的美国专利中，其优点是结构紧凑和具有高倍放大率。然而其缺点是，F值为3.5或更大，不适合于专业人员使用。
考虑到上述现有技术，在发明的一个目的在于提供一种快速广角变焦透镜系统，该系统包括三个透镜组，其透镜的配置能够使系统的尺寸小型化且性能优良。
为实现本发明的各种目的，公开一种快速广角变焦透镜系统。在本发明的这种系统中，从物体一侧看，包括一负折射率的第一透镜组，一正折射率的第二透镜组和一个负折射率的第三透镜组。
当从广角位置向远摄位置移动镜头时，第一、第二和第三透镜组均向物体移动，从而改变第一和第二透镜组之间的距离及第二和第三透镜之间的距离。变焦透镜系统满足下列条件：
2＜|f1|/fw＜20         (1)
0.30＜s1/fw＜0.70，    (2)此处f1是第一透镜组的焦距，s1是在透镜移动期间第一透镜组的移动量，fw是在广角位置整个变焦镜头的焦距。
通过参考附图对实施例的描述，本发明的上述目的和特点将变得更为明确。
图1(a)和1(b)分别表示本发明第一实施例中处于广角位置和远摄位置时的透镜结构。
图2(a)是本发明第一实施例中处于广角位置时的透镜像差。
图2(b)是本发明第一实施例中处于远摄位置时的透镜像差。
图3(a)和3(b)分别表示本发明第二实施例中处于广角位置和远摄位置时的透镜结构。
图4(a)是本发明第二实施例中处于广角位置时的透镜像差。
图4(b)是本发明第二实施例中处于远摄位置时的透镜像差。
图5(a)和5(b)分别表示本发明第三实施例中处于广角位置和远摄位置时的透镜结构。
图6(a)是本发明第三实施例中处于广角位置时的透镜像差。
图6(b)是本发明第三实施例中处于远摄位置时的透镜像差。
图7(a)和7(b)分别表示本发明第四实施例中处于广角位置和远摄位置时的透镜结构。
图8(a)是本发明第四实施例中处于广角位置时的透镜像差。
图8(b)是本发明第四实施例中处于远摄位置时的透镜像差。
下面，将参考附图和数据对本发明进行描述。
本发明的快速广角变焦透镜系统满足下列条件：
2＜|f1|/fw＜20         (1)
0.30＜s1/fw＜0.70，    (2)
0.5＜|f3|/fw＜0.9，    (3)
0.5＜f2/fw＜0.8        (4)
0.65＜D2/fw＜0.90，    (5)此处，f1是第一透镜组的焦距，s1是在透镜移动期间第一透镜组的移动量，fw是处于广角位置时整个变焦透镜的焦距，f3是第三透镜组的焦距，f2是第二透镜组的焦距，D2是第二透镜组的厚度。
变焦透镜系统还满足下列条件：
10＜|f1|×(N1P-N1N)＜80      (6)
-50＜|f1|/(V1P-V1N)＜0，     (7)
-4.0＜f2×(N2P-N2N)＜-1.0    (8)
0.3＜f2/(V2P-V2N)＜1.5，     (9)
0.5＜|f3|×(N3P-N3N)＜1.5    (10)
-2.0＜|f3|/(V3P-V3N)＜-0.3， (11)此处，N1P、N2P和N3P分别是第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组中正折射率透镜的平均折射率；N1N、N2N和N3N分别是第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组中负折射率透镜的平均折射率；V1P、V2P、V3P分别是第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组中正折射率透镜的平均阿贝数；V1N、V2N和V3N分别是第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组中负折射率透镜的平均阿贝数。
本发明的快速广角透镜系统还满足下列条件：
N2A＞1.7                (12)
0.05＜f11/f1＜0.25      (13)
0.05＜f12/f1＜0.35，    (14)此处，N2A是在第三透镜组中非球面透镜的平均折射指率，f11是第一透镜组中第一透镜的焦距；f12是第一透镜组中第二透镜的焦距。
按照本发明的实施例，在第一透镜组和第二透镜组之间或在第二透镜组中设置一个光阑。另外，第二透镜组至少包括一个非球面镜。
条件(1)和第一透镜组的折射率有关。如果下限不能被满足，则第一透镜组的折射率将很大，导致在透镜移动中像差校正质量较差。如果上限不能被满足，则第一透镜组的折射率将很小，导致在透镜移动时每个透镜组的移动量增大。
条件(2)和第一透镜组的长度有关。如果条件(2)的下限不能被满足，则第一透镜组的移动量可减小。然而，每个透镜组的折射率将变大，使校正像差很困难。如果条件(2)的上限不能满足，则像差将被减少，但这将很难实现小型化。
如果条件(3)的下限不能被满足，则第三透镜组的折射率将很大，使透镜系统的总长度缩短。但这将使象差难以校正，尤其是对于像差的上部曲线的校正。另外，如果上限不能满足，则透镜系统的总长度将增加。
条件(4)和(5)和第二透镜组的折射率和长度有关。如果条件(4)的下限不能满足，则第二透镜组的折射率将很大，导致在透镜移动中像差校正质量不好。如果上限不能满足，则第一透镜组的折射率将很小，导致在移动透镜或聚焦时每个透镜组的移动量增大。
如果条件(5)的下限不能满足，则第二透镜组的长度将很短。但第二透镜组的每个透镜的折射率将较大，使得像差校正很困难。另外透镜中央和边缘的薄厚不均使透镜的制造很困难。如果条件(5)的上限不能满足，则周围的亮度将减弱。
条件(6)和(7)和第一透镜组的折射率和材料有关。如果条件(6)、(7)的下限不能满足，则后焦距将很长，使得系统的工作很容易实现。但是第一透镜组的折射率将变大，这将使球差的校正很困难。相反地，如果条件(6)和(7)的上限不能满足，则透镜系统的总长度将很长，色差变大。
条件(8)和(9)和第二透镜组的折射率和材料有关。如果条件(8)、(9)的下限不能满足，则在聚焦期间第二透镜组的移动量将很小。但第二透镜组的折射率将变大，这使得在移动透镜期间校正像差很困难。相反地，如果条件(8)和(9)的上限不能满足，则畸变和色差将增大。
条件(10)和(11)和第三透镜组的折射率和材料有关。如果条件(8)和(9)的下限不能满足，则放大透镜的色差将变大。如果条件(10)和(11)的上限不能满足，则彗差将增大，在移动透镜期间第三透镜组的移动量增大。
图1(a)和1(b)分别表示本发明第一实施例中处于广角位置和远摄位置时的透镜结构。图2(a)和2(b)分别表示第一实施例处于广角位置和远摄位置时的透镜像差。在此实施例和其它实施例中，物体在透镜系统的左侧，图像在右侧。
表1示出了满足条件(1)-(15)的第一实施例的数据。其中参考符号f表示焦距，fB表示后焦距，ri(i＝1-21)表示曲率半径，di(i＝1-20)表示透镜厚度或透镜间距，n表示每个透镜对钠的d线的折射率，v表示透镜的阿贝数，m表示整个透镜系统的放大率，w表示半视角。
在表1中，透镜从广角位置移动到远摄位置，第4表面和第5表面之间的距离z1从6.9158变化到1.0000，第15表面和第16表面之间的距离z2从6.4594变化到1.1000。另外，第8表面和第15表面是非球面，由下列方程(q)给出。对第一实施例，方程(q)的球面系数列于表2。 ( q ) z = c S 2 1 + √ ( 1 - ( K + 1 ) c 2 S 2 ) + A 4 S 4 + A 6 S 6 + A 8 S 8 + A 10 S 10 C＝1/R，S2＝X2+Y2
图3(a)和3(b)分别表示本发明第二实施例中处于广角位置和远摄位置时的透镜结构。图4(a)和4(b)分别是本发明第二实施例中处于广角位置和远摄位置时透镜的像差。
本发明第二实施例的数据列于表3。
在表3中，透镜从广角位置向远摄位置移动时，第4表面和第5表面之间的间距z1在8.7178至8.6421之间变化，第15表面和第16表面之间的距离在1.5000至1.1785之间变化。另外，第8表面和第15表面是由方程(q)描述的非球面。第二实施例的方程(q)的非球面系数见表4。
图5(a)和5(b)分别表示本发明第三实施例中处于广角位置和远摄位置时的透镜结构。图6(a)和6(b)分别表示本发明第三实施例中处于广角位置和远摄位置时透镜的像差。
本发明第三实施例的数据列于表5。
在表5中，透镜从广角位置向远摄位置的移动时，第4表面和第5表面之间的距离z1在7.3238至1.0000之间变化，第15表面和16表面之间的距离z2在8.9902至1.4935之间变化。另外，第7表面和第15表面是由方程(q)描述的非球面。第三实施例中方程(q)的非球面系数列于表6。
图7(a)和7(b)分别表示第四实施例中透镜处于广角位置和远摄位置时的结构。图8(a)和8(b)分别是第四实施例中处于广角位置和远摄位置时透镜的像差。
本发明第四实施例的数据列于表7。
在表7中，透镜从广角位置向远摄位置的移动时，第4表面和第5表面之间的距离在5.7535至6.8599之间变化，第15表面和第16表面之间的距离在1.0000至1.3037之间变化。另外，第1、第7和第15表面是由方程(q)描述的非球面。第四实施例的方程(q)的非球面系数列于表8。
如上所述，有可能得到一种用于袖珍摄影机的快速广角变焦透镜系统，这种透镜系统包括两个透镜组，放大率为2，F值为2.8。
上面已对本发明的优选实施例进行了描述。本领域的技术人员容易看出，在不脱离由本发明的权利要求书限定的范围和精神的前提下，可以作出多种变化和改进。
表1F数＝2.90-5.54               f＝24.657-48.859mmW＝42.18°-23.98°                        fB＝6.477-31.065mm表面序号    ri      di      n          v
1       ∞      1.50    1.73400    51.05
2     21.471    3.60
3     44.360    4.31    1.84666    23.78
4     -177.735  z1
5     孔径      1.24
6     19.399    6.74    1.56907    71.30
7     -10.661   0.80    1.81474    37.03
8     29.196    0.71
9     -43.933   1.16    1.79950    42.34
10    -98.728   0.30
11    -39.354   1.75    1.75700    47.71
12    -15.907   0.10
13    66.193    1.00    1.84666    23.78
14    23.204    7.88    1.74400    44.90
15    -15.849   z2
16    -41.877   2.50    1.84666    23.78
17    -20.670   0.10
18    -48.546   1.50    1.83500    42.98
19    52.874    6.57
20    -11.942   1.50    1.77250    49.62
21    -34.501
表2
        第8表面               第15表面K     -0.5063335320150E+2     0.0000000000000A4   0.3146318551797E -3     0.1298628131540E-4A6   -0.5967783187191E-5    -01756483082906E-6A8   0.1260235154036E -6     0.1366696885687E-8A10  -0.1304992173681E-8    -0.8671899517115E-11
表3F数＝2.90-5.64               f＝29.984-57.567mmW＝37.31°-20.69°                        fB＝6.521-35.865mm表面序号    ri      di        n          v
1    -472.291   1.76    1.70200    40.20
2    24.34 1    3.60
3    33.837     2.52    1.84666    23.78
4    1469.995   z1
5    孔径       2.67
6    22.527     4.50    1.58913    61.25
7    -13.461    3.53    1.81474    37.03
8    32.067     0.85
9    -47.523    1.11    1.80518    25.46
10   -140.900   0.29
11   -53.073    1.77    1.71300    53.94
12   -19.074    0.10
13   106.317    3.00    1.84666    23.78
14   38.450     5.00    1.74400    44.90
15   -18.784    z2
16   -64.742    2.91    1.84666    23.78
17   -25.928    0.12
18   -65.354    1.76    1.79950    42.34
19   58.260     7.27
20   -13.725    1.76    1.80420    46.50
21   -40.624
表4
        第8表面                第15表面K     -0.4172557500508E +2    0.0000000000000A4   0.21492729946 96E -3    -0.8013642300737E-5A6   -0.2477580347496E -5    -0.9849692443143E-7A8   0.3917726083874E  -7    -0.4016660534087E-9A10  -0.2825440769875E -9    -0.1653245428305E-11表5F数＝2.90-5.67                f＝29.016-57.577mmW＝37.28°-20.66°                          fB＝6.517-35.367mm表面序号    ri        di       n         v
1    -1700.958    1.50    1.69968    34.92
2    22.085       1.94
3    31.806       3.09    1.84666    23.78
4    -529.687     z1
5    24.852       4.50    1.58913    61.25
6    -12.191      2.46    1.80610    40.73
7    32.887       1.50
8    孔径         1.38
9    -40.560      1.16    1.80518    25.46
10   -68.710      0.13
11   -62.244      1.49    1.70200    40.20
12   -19.435      0.52
13   90.203       2.00    1.84666    23.78
14   30.681       4.97    1.72916    54.67
15   -19.461      z2
16   -64.563      2.50    1.84666    23.78
17   -26.336      0.77
18   -67.388      1.50    1.80450    39.64
19   53.230       6.07
20   -14.130      1.56    1.80420    46.50
21   -43.836
表6
             第7表面                 第15表面
K     -0.5327816498608E +2    -0.4107735281963E +1
A4   0.2242320729734E  -3    -0.6445807480540E -4
A6   -0.3550688514092E -5    0.5146262421728E  -7
AB   0.6184551245830E  -7    0.3 599939226604E -9
A10  -0.5402275794954E -9    0.9369256125103E  -12
表7
F数＝2.90-5.45                f＝24.71 9-48.069mm
W＝41.76°-24.42°                          fB＝6.609-30.366mm表面序号    ri       di      n         v
1    138.734    1.50    1.66892    44.91
2    16.052     2.43
3    32.416     2.85    1.84666    23.78
4    -530.419   z1
5    22.305     3.49    1.59240    66.67
6    -11.099    1.50    1.79950    42.34
7    28.922     1.53
8    孔径       1.30
9    -48.839    1.23    1.80518    25.46
10   -71.071    0.15
11   -58.244    1.49    1.72000    50.34
12   -17.960    0.74
13   59.422     2.67    1.84666    23.78
14   23.482     5.00    1.69350    53.54
15   -16.732    z2
16   -48.609    2.50    1.84666    23.78
17   -21.333    0.12
18   -61.962    1.51    1.80450    39.64
19   45.574     5.93
20   -11.720    1.50    1.80420    46.50
21   -36.823
表8
            第1表面                第7表面                 第15表面K         0.5438329344742E  +2    -0.2912981417094E +2    -0.6170735905985E +1A4       -0.6562234374127E -5    0.1928969611912E  -3    -0.1468424522712E -3A6       0.7219504244675E  -7    -0.1724756285323E -5    0.1126824383675E  -5A8       -0.4088911196167E -9    0.1133262480951E  -7    -0.9569454336483E -8A10      0.7407278977319E -12    0.1048614616561E  -9    0.4169232591678E -10

Claims (10)

1、一种快速广角变焦透镜系统，从物体一侧看，它包括：
具有负折射率的第一透镜单元；
具有正折射率的第二透镜单元；
具有负折射率的第三透镜单元；
其特征在于，当透镜从广角位置向远摄位置移动时，第一、第二、第三透镜单元均向物体移动，使第一透镜单元和第二透镜单元间的距离及第二透镜单元和第三透镜单元间的距离发生变化，
上述变焦透镜系统满足下列条件：
2＜|f1|/fw＜20
0.30＜S1/fw＜0.70，此处，f1是第一透镜单元的焦距；
  s1是变焦期间第一透镜单元的移动量；
  fw是在广角位置时整个变焦透镜的焦距。
2、根据权利要求1所述的快速广角变焦透镜系统，其特征是，还满足下列条件：
0.5＜|f3|/fw＜0.9，此处，f3是第三透镜单元的焦距。
3、根据权利要求1所述的快速广角变焦透镜系统，其特征是，还满足下列条件：
0.5＜f2/fw＜0.8
0.65＜D2/fw＜0.90，此处，f2是第二透镜单元的焦距；
d2是第二透镜单元的厚度。
4、根据权利要求1所述的快速广角变焦透镜系统，其特征是，还满足下列条件：
10＜|f1|×(N1P-N1N)＜80
-50＜|f1|/(V1P-V1N)＜0此处，N1P是第一透镜单元正折射透镜的平均折射率；
N1N是第一透镜单元负折射透镜的平均折射率；
V1P是第一透镜单元正折射透镜的平均阿贝数；
V1N是第一透镜单元负折射透镜的平均阿贝数。
5、根据权利要求1所述的快速广角变焦透镜系统，其特征是，还满足下列条件：
-4.0＜f2×(N2P-N2N)＜-1.0
0.3＜f2/(V2P-V2N)＜1.5，此处，N2P是第二透镜单元正折射透镜的平均折射率；
N2N是第二透镜单元负折射透镜的平均折射率；
V2P是第二透镜单元正折射透镜的平均阿贝数；
V2N是第二透镜单元负折射透镜的平均阿贝数。
6、根据权利要求1所述的快速广角变焦透镜系统，其特征是，还满足下列条件：
0.5＜|f3|×(N3P-N3N)＜1.5
-2.0＜|f3|/(V3P-V3N)＜-0.3，此处，N3P是第三透镜单元正折射透镜的平均折射率；
N3N是第三透镜单元负折射透镜的平均折射率；
V3P是第三透镜单元正折射透镜的平均阿贝数；
V3N是第三透镜单元负折射透镜的平均阿贝数。
7、根据权利要求1所述的快速广角变焦透镜系统，其特征是，一孔径光阑设置于第一透镜单元和第二透镜单元之间，或设置于第二透镜单元之内。
8、根据权利要求1所述的快速广角变焦透镜系统，其特征是，第二透镜单元至少包括一个非球面透镜。
9、根据权利要求8所述的快速广角变焦透镜系统，其特征是，还满足下列条件：
N2A＞1.7，此处，N2A是第三透镜单元非球面透镜的平均折射率。
10、根据权利要求8所述的快速广角变焦透镜系统，其特征是，第一透镜单元至少包括两个满足下列条件的透镜：
0.05＜f11/f1＜0.25
0.05＜f12/f1＜0.35，此处，f11是第一透镜单元的第一透镜之焦距；
f12是第一透镜单元的第二透镜之焦距。
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