CN1157621C

CN1157621C - 调焦镜头与使用调焦镜头的拍摄装置

Info

Publication number: CN1157621C
Application number: CNB01137277XA
Authority: CN
Inventors: Ӣ�Ѳ��; 难波则广
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2001-11-02
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2021-11-02
Also published as: CN1352402A; JP2002139671A; JP3564057B2; CN1515921A; US6844986B2; MY126881A; US20020122262A1; CN1307454C

Abstract

为了提供具有良好光学性能、采用少量组成透镜的小型配置的调焦镜头，根据本发明的调焦镜头包括、从物镜侧顺序排列的：具有负光焦度的第一透镜单元、具有正光焦度的第二透镜单元以及具有正光焦度的第三透镜单元，其中在从广角端到远摄端的调焦过程中第一透镜单元与第二透镜单元之间的气隙减小，第二透镜单元与第三透镜单元之间的间隔增大，第三透镜单元具有通过胶合正透镜与负透镜形成的胶合透镜，并且在调焦时第三透镜单元沿光轴移动，设Nli是组成第i透镜单元的透镜数，它们满足条件：NL3＜NL2≤NL1。

Description

调焦镜头与使用调焦镜头的拍摄装置

技术领域

本发明涉及静物摄像机、视频摄像机、静物数字摄像机等，更具体地说，本发明涉及用于静物摄影机、视频摄像机、数码相机等的调焦镜头，该调焦镜头具有三个包括位于其它类型的透镜单元之前的负光焦度透镜单元(在本说明书中，光焦度等于焦距的倒数)在内的透镜单元，特别是，该调焦镜头对这些透镜单元排列进行优化从而减小了整个透镜系统的大小。

背景技术

随着诸如视频摄像机、数码相机以及采用诸如固体图像采集元件的光电转换元件的电子静物摄像机的摄像机(光学器件)性能的提高，要求它们所使用的光学系统具有更高光学性能并且更小型化。

在这种类型的摄像机中，需要将诸如低通滤光片和彩色校正滤光片的各种光学部件设置到最终透镜部分与图像采集元件之间。因此，对于此用途的光学系统，要求透镜系统在光学上具有较长的后焦点焦距。此外，在采用彩色图像采集元件的摄像机中，为了避免色斑，要求用于此摄像机的光学系统在像面侧显示良好焦阑性。

根据惯例已经建议了多种所谓短焦镜头的透镜，它们分别包括两个透镜单元，即具有负光焦度的第一透镜单元和具有正光焦度的第二透镜单元，并通过改变这两个透镜单元的焦距，用于进行调焦或改变放大率。在这种短焦光学系统中，系统通过移动具有正光焦度的第二透镜单元进行调焦，并通过移动具有负光焦度的第一透镜单元进行调焦来校正像点。在由这样两个透镜单元构成的透镜配置中，缩放比约为2x。在第7-3507号日本专利出版物(对应于USP 4,810,072)、第6-40170号日本专利出版物(对应于USP 4,647,160)等中披露了两种三单元调焦镜头，它们分别在成像侧具有3个正光焦度透镜单元或负光焦度透镜单元对高缩放比引起的像差进行校正，从而从整体上获得小型结构，同时可以保证高缩放比。

由于这种三单元调焦镜头主要用于35mm胶片照相，所以不能说这种调焦镜头可以实现采用固体图像采集元件的光学系统要求的后焦点焦距和良好的焦阑特性。

第63-135913号日本未决专利申请(对应于USP 4,838,666)、第7-261083号日本未决专利申请等披露了两种三单元调焦镜头系统，它们分别包括3个分别具有负光焦度、正光焦度和正光焦度的透镜单元，它们均可以满足后焦点要求和焦阑特性要求。在第3-288113号日本未决专利申请(对应于USP 5,270,863)中披露了一种光学系统，这种光学系统通过将具有负光焦度、正光焦度和负光焦度的三单元调焦镜头中具有负光焦度的第一单元固定，并移动具有正光焦度的第二单元和第三单元来进行透镜。

本申请人在第2000-111798号日本未决专利申请中披露了一种采用具有负光焦度、正光焦度和正光焦度的三单元配置的拍摄镜头。根据此拍摄镜头实现的调焦镜头的缩放比为2或更大，并且通过将总焦距降低到最小实现了小型结构，同时保证透镜背后的长度足以在像面侧插入滤光片等，并且可以实现固体图像采集元件所要求的焦阑特性。

USP 4,969,878披露了一种具有从物镜侧到成像侧顺序排列的负光焦度、正光焦度和正光焦度的三单元调焦镜头，在这种三单元调焦镜头中，在调焦过程中，第三单元沿光轴、在物镜侧、以凸形轨迹往复运动。

在第63-135913号日本未决专利申请、第7-261083号日本未决专利申请以及第3-288113号日本未决专利申请中披露的三单元调焦镜头中，构成各透镜单元的透镜数较多，因此总焦距长。

在第7-261083号日本未决专利申请披露的光学系统中，因为通过移动具有负光焦度的第一单元而固定具有正光焦度的第三单元，可以聚焦到近物上，所以机械结构会由于在调焦过程中透镜单元也发生移动而趋于复杂。

USP 4,999,007披露了一种具有负光焦度、正光焦度和正光焦度的三单元调焦镜头，在这种三单元调焦镜头中，第一单元和第二单元均由单个透镜构成。

然而，USP 4,999,007所披露的调焦镜头在广角端的总焦距较长。此外，由于在广角端第一单元远离孔径光阑，所以离轴光线的入射高度高，并且构成第一单元的透镜的直径大。因此，整个透镜系统的尺寸趋于增大。此外，由于第一单元和第二单元均由一个透镜构成，所以在各透镜单元内对像差的校正不够。尤其是在调焦过程中，在离轴光线的高度变化大的第一单元，色像差放大现象往往会发生变化。由于第一单元由一个负透镜构成，所以在此透镜单元内不能对像差进行充分校正。因此，在整个系统中，色像差放大现象的变化会增大。

USP 4,824,223披露了一种采用具有负光焦度、正光焦度和正光焦度的三单元配置的投影光学系统。在此光学系统中，第一单元由一个负透镜构成，因此，在此透镜单元内不能对像差进行充分校正，并且缩放比约为1.7x。即此光学系统不适于高缩放工作。

此外，在USP 4,838,666、第62-200316号日本未决专利申请、第2-118509号日本未决专利申请、USP 4,999,007、USP 5,835,287、第5-173073号日本未决专利申请(对应于USP 5,434,710)以及第60-42451号日本未决专利申请所披露的三单元调焦镜头中，分别具有从物镜侧开始顺序排列的负光焦度、正光焦度和正光焦度、并且所包括的第三单元含有多个包括负透镜和正透镜的透镜。

根据USP 4,838,666、第62-200316号日本未决专利申请、第2-118509号日本未决专利申请，由于在调焦期间第三单元是固定的，所以在高缩放过程中，它常常难于在整个调焦范围内保持良好的性能。

根据USP 4,999,007和USP 5,835,287，由于第一单元和第二单元的组成透镜的数目少至一个或两个，所以难于满足高缩放比的要求和高性能的要求。根据第5-173073号日本未决专利申请，由于第三单元由被气隙互相隔离的正透镜和负透镜构成，所以会因为这些透镜相对偏离中心而降低性能。

根据第60-42451号日本未决专利申请，由于第二单元的组成透镜的数目多至4至5个，所以会产生小型化问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种采用少量组成透镜、具有小型配置且性能良好的调焦镜头。

为了实现上述目的，根据本发明的调焦镜头包括从物镜侧到成像侧顺序排列的：负光焦度的第一透镜单元、正光焦度的第二透镜单元以及正光焦度的第三透镜单元，其中在从广角端到远摄端的调焦过程中，减小第一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔，而增大第二透镜单元与第三透镜单元之间的间隔。第三透镜单元具有通过将正透镜元件胶合到负透镜元件形成的胶合透镜，并且为了减小调焦，第三透镜单元沿光轴移动。假定NLi是第i个透镜单元的透镜数，它们满足条件：

NL3＜NL2≤NL1。

设f3n是所述第三透镜单元的胶合透镜的负透镜元件的焦距，f3是所述第三透镜单元的焦距，v3n是所述第三透镜单元的胶合透镜的负透镜元件的阿贝数，N3n是折射率，它们满足下列条件表达式：

0.8＜f3n/f3＜1.7

v3n＜40

1.7＜N3n

附图说明

图1示出根据第一实施例的调焦镜头的剖视图；

图2示出根据第一实施例、处于广角端的调焦镜头的像差图；

图3示出根据第一实施例、处于中间调焦位置的调焦镜头的像差图；

图4示出根据第一实施例、处于远摄端的调焦镜头的像差图；

图5示出根据第二实施例的调焦镜头的剖视图；

图6示出根据第二实施例、处于广角端的调焦镜头的像差图；

图7示出根据第二实施例、处于中间调焦位置的调焦镜头的像差图；

图8示出根据第二实施例、处于远摄端的调焦镜头的像差图；

图9示出根据第三实施例的调焦镜头的剖视图；

图10示出根据第三实施例、处于广角端的调焦镜头的像差图；

图11示出根据第三实施例、处于中间调焦位置的调焦镜头的像差图；

图12示出根据第三实施例、处于远摄端的调焦镜头的像差图；

图13示出根据第四实施例的调焦镜头的剖视图；

图14示出根据第四实施例、处于广角端的调焦镜头的像差图；

图15示出根据第四实施例、处于中间调焦位置的调焦镜头的像差图；

图16示出根据第四实施例、处于远摄端的调焦镜头的像差图；

图17示出根据第五实施例的调焦镜头的剖视图；

图18示出根据第五实施例、处于广角端的调焦镜头的像差图；

图19示出根据第五实施例、处于中间调焦位置的调焦镜头的像差图；

图20示出根据第五实施例、处于远摄端的调焦镜头的像差图；以及

图21示出数字照相机主要部分的简图。

具体实施方式

图1示出根据第一实施例的调焦镜头的各透镜的剖视图。图2至图4分别示出根据第一实施例、处于广角端、中间调焦位置以及远摄端的调焦镜头的像差图。

图5示出根据第二实施例的调焦镜头的各透镜的剖视图。图6至图8分别示出根据第二实施例、处于广角端、中间调焦位置以及远摄端的调焦镜头的像差图。

图9示出根据第三实施例的调焦镜头的各透镜的剖视图。图10至图12分别示出根据第三实施例、处于广角端、中间调焦位置以及远摄端的调焦镜头的像差图。

图13示出根据第四实施例的调焦镜头的各透镜的剖视图。图14至图16分别示出根据第四实施例、处于广角端、中间调焦位置以及远摄端的调焦镜头的像差图。

图17示出根据第五实施例的调焦镜头的各透镜的剖视图。图18至图20分别示出根据第五实施例、处于广角端、中间调焦位置以及远摄端的调焦镜头的像差图。

图21示出使用根据第一至第五实施例的各调焦镜头作为拍摄镜头的静物数码相机的主要部分的简图。

参考各实施例内的各透镜的剖视图，各调焦镜头包括：具有负光焦度的第一单元(第一透镜单元)L1、具有正光焦度的第二单元(第二透镜单元)L2、具有正光焦度的第三单元(第三透镜单元)L3、孔径光阑SP、图像平面IP以及相当于滤光片、分光棱镜等的玻璃块G。

此实施例具有三个从物镜侧到成像侧顺序排列的单元，即具有负(negative)光焦度的第一单元、具有正光焦度的第二单元以及具有正光焦度的第三单元。在从广角端到远摄端调焦过程中，第一单元在成像侧沿凸形轨迹往复运动或完成部分此运动，第二单元移动到物镜侧，第三单元沿凸形轨迹、在成像侧运动或完成部分此运动。

此实施例的调焦镜头构成主要采用具有负光焦度的第一单元和具有正光焦度的第二单元的所谓广角短焦镜头系统。此调焦镜头通过移动具有正光焦度的第二单元来改变放大率，然后通过往复运动具有正光焦度的第一单元对调焦时像点的运动进行校正。具有正光焦度的第三单元用于提高采用小型图像采集元件的拍摄镜头的光焦度，这样就可以降低由第一单元和第二单元构成的短焦镜头系统的的光焦度，因此尤其可以抑制第一单元的透镜产生像差，并可以获得良好的光学性能。此外，当将具有正光焦度的第三单元用作场透镜时，尤其可以实现，采用固体图像采集元件等的拍摄装置所要求的成像侧远心成像。不仅如此，由于在调焦期间通过移动第三单元，可以对入射到第三单元的离轴光线到光轴的高度进行控制，所以可以提高对各种离轴像差进行校正的能力，因此对于整个调焦范围可以实现良好的性能。

假定使用这样的调焦镜头，在该调焦镜头中，在从广角端到远摄端的调焦过程中，第一单元与第二单元之间的间隔减小，而第二单元与第三单元之间的间隔增加，并且第三单元具有通过将正透镜胶合到负透镜形成的胶合透镜。在此例中，假定NLi是第I单元的组成透镜数，它们满足：

NL3＜NL2≤NL1 ...(1)

通过以此方式利用满足条件表达式(1)数目的组成透镜产生各透镜单元，可以获得在整个调焦范围内具有小像差变化和高光学性能的调焦镜头，同时减少了整个透镜系统的组成透镜数。

根据本发明目的调焦镜头可以实现具有上述配置的初始目的。然而，为了在整个调焦范围内获得更高的光学性能，至少优先满足下列配置要求之一。

(A-1)第二单元优先包括从物镜侧到成像侧顺序排列的，通过胶合负透镜与正透镜形成的胶合透镜以及双凸面形的正透镜，第一单元优先包括3个或更多个包括其凹面对着成像侧的凹凸形负透镜和其凹面对着物镜侧的凹凸形正透镜的透镜。

(A-2)第二单元优先包括从物镜侧到成像侧顺序排列的，通过胶合正透镜与负透镜形成的胶合透镜以及双凹面形正透镜，并且第一单元优先包括其凹面对着成像侧的凹凸形负透镜和其凹面对着物镜侧的凹凸形正透镜。

(A-3)第二单元优先具有通过胶合正透镜与负透镜形成的胶合透镜以及双凹面形的正透镜并满足下列条件表达式：

0.7＜Rb/Ra＜1.2 ...(2)

-0.6＜(Rd+Rc)/(Rd-Rc)＜0.6 ...(3)

其中Ra是最靠近物镜侧的胶合透镜的透镜面的曲率半径，Rb是最靠近成像侧的胶合透镜的透镜面的曲率半径，Rc是位于物镜侧的双凹面形正透镜的透镜面的曲率半径，Rd是位于成像侧的正透镜的透镜面的曲率半径。

(A-4)最靠近物镜侧的第二单元的透镜面优先具有凸出到物镜侧的非球面凸形并用于降低从光轴向外的收敛作用。

(A-5)在从广角端到远摄端的调焦过程中，第三单元优先沿凸形轨迹移动移动到成像侧。

(A-6)假定d是第二单元的胶合透镜的厚度，fw是处于广角端时整个系统的焦距，它们优先满足：

0.3＜d/fw＜0.5 ...(4)

(A-7)在调焦过程中，第二单元和第三单元优先沿光轴移动，并且第二单元优先具有由正透镜和负透镜构成的胶合透镜。

(A-8)假定f3n是第三单元的胶合透镜的负透镜的焦距，f3是第三单元的焦距，v3n是用于第三单元胶合透镜的负透镜材料的阿贝数，N3n是折射率，它们优先满足：

0.8＜f3n/f3＜1.7 ...(5)

v3n＜40 ...(6)

1.7＜N3n ...(7)

(A-9)第一单元从物镜侧到成像侧顺序优先包括：其凸面对着物镜侧的正透镜、其凹面对着成像侧的凹凸形负透镜、负透镜以及其凸面对着成像侧的凹凸形正透镜。

(A-10)假定M1是第三单元最靠近成像侧时的调焦位置；x3w是在从广角端到调焦位置M1的调焦过程中，第三单元的移动距离；x3t是在从调焦位置M1到远摄端的调焦过程中，第三单元的移动距离，它们优先满足：

0.2＜x3w/x3t＜3.0 ...(8)

(A-11)假定β3t是处于远摄端时，第三单元的横向放大率，它优先满足：

0.6＜β3t＜0.8 ...(9)

(A-12)优先通过沿光轴移动第三单元实现聚焦。

(A-13)第二单元优先具有通过胶合正透镜与负透镜形成的胶合透镜和双凸面形的正透镜，并且满足下列条件表达式：

0.7＜Rb/Ra＜1.2 ...(2)

-0.6＜(Rd+Rc)/(Rd-Rc)＜0.6 ...(3)

0.3＜d/fw＜0.5 ...(4)

0.8＜f3n/f3＜1.7 ...(5)

v3n＜40 ...(6)

1.7＜N3n ...(7)

其中Ra是最靠近物镜侧的第二单元的胶合透镜的透镜面的曲率半径，Rb是最靠近成像侧的第二单元的胶合透镜的透镜面的曲率半径，Rc是位于物镜侧的双凸面形正透镜的透镜面的曲率半径，Rd是位于成像侧的正透镜的透镜面的曲率半径，d是第二单元的胶合透镜的厚度，fw是处于广角端时整个系统的焦距，f3n是第三单元的胶合透镜的负透镜的焦距，f3是第三单元的焦距，v3n是用于第三单元胶合透镜的负透镜材料的阿贝数，N3n是折射率。

(A-14)假定M1是第三单元最靠近成像侧时的调焦位置，x3w是在从广角端到调焦位置M1的调焦过程中第三单元的移动距离，x3t是在从调焦位置M1到远摄端的调焦过程中第三单元的移动距离，β3t是位于远摄端时第三单元的横向放大率，它们优先满足：

0.2＜x3w/x3t＜3.0 ...(8)

0.6＜β3t＜0.8 ...(9)

接着，将对调焦镜头满足配置要求(A-1)至(A-14)时获得的光学性能特性进行一般说明。

在第二单元的物镜侧设置孔径光阑以缩短入射光瞳与广角端第一单元之间的距离，从而抑制了第一单元各透镜有效直径的增大。此外，位于设置在具有正光焦度的第二单元的物镜侧的孔径光阑两侧的第一单元和第三单元消除各种离轴像差以获得良好的光学性能，而无需增加组成透镜的数目。

在第一、第二、第三和第五实施例中，具有负光焦度的第一单元包括从物镜侧开始顺序排列的：正透镜11；其凹面对着成像侧的凹凸形负透镜12；负(negative)透镜13；以及其凸面对着物镜侧的正凹凸透镜14。具有正光焦度的第二单元包括从物镜侧到成像侧顺序排列的：胶合透镜，由其凸面对着物镜侧的正透镜21与其凹面对着成像侧的负透镜22构成；和双凹面形的正透镜23。具有正光焦度的第三单元由包括正透镜31和负透镜32的胶合透镜构成。

在第一单元中，利用正透镜11与负透镜12之间的空气透镜可以对主要发生在广角端的桶形畸变进行校正。利用第一单元的非球面可以校正畸变。然而，在此例中，由于第一单元的透镜直径大于其它单元的透镜直径，所以在利用玻璃造型过程制造非球形透镜时，造型透镜所需的时间出奇的长。

请注意，为了抑制由于离轴主光线的折射产生的离轴像差，构成第一单元的负透镜12和正透镜14几乎是以孔径光阑中心为中心的同心球面。即，负透镜12是凹凸形的，并且其凹面对着成像侧；正透镜14是凹凸形的，并且其凸面对着物镜侧。

将示于图13的根据第四实施例的配置省略正透镜11作为第一单元的另一种配置。在此例中，尽管降低了上述畸变校正能力，但是如果畸变为应用所允许，则不会产生问题。

第二单元包括3个透镜。通常，第二单元由包括3个透镜(即正透镜、负透镜和正透镜)的三合透镜构成。所以该单元会由于物镜侧的正透镜和负透镜相对偏心产生非常大的畸变。这是因为在两个透镜之间形成的空气透镜的灵敏度特别高。根据本发明，正透镜21与负透镜22胶合在一起构成胶合透镜，这样可以将由于制造误差引起的畸变降低到最小。

在正透镜22与负透镜23之间对离轴慧形像差进行适当校正。

为了适当校正球形像差，正透镜21的物镜侧透镜面优先成型为非球面，并且其凸形透镜面对着物镜侧，从而降低从光轴向外的收敛作用。

请注意，正透镜23可以是由负透镜和正透镜构成的胶合透镜。这样可以提高色像差校正能力。

利用上述配置，第二透镜获得良好光学性能并实现具有非常少量透镜的小型结构。

第三单元由包括正透镜和负透镜的胶合透镜构成，并尤其可以在整个调焦范围内对色像差放大现象进行适当校正。在第一单元中，在调焦期间，色像差放大现象发生变化。然而，如果第三单元由胶合透镜构成，则通过特别考虑对变化量进行校正选择第一单元的玻璃材料，以及通过特别考虑对绝对量进行校正选择第三单元的玻璃材料，可以对整个调焦范围实现良好像差校正。

如果第三单元由一个正透镜构成，则必须选择低色散玻璃材料以抑制出现色像差放大现象。由于低色散玻璃具有较低的折射率，所以在正透镜方向，珀兹伐和会增加，并导致像场弯曲受到校正。为此，根据本发明，第三单元由胶合透镜构成以允许使用较高折射率的玻璃材料，因此可以对色像差放大现象和像场弯曲进行校正。

根据此实施例，当希望聚焦近物体时，采用一起移动第三单元的后聚焦方法。这样可以防止因为聚焦而增加前元件的直径，并可以通过减小最小图像采集距离来实现轻型聚焦单元。

如果由具有负光焦度、正光焦度和正光焦度的透镜单元构成的三单元调焦镜头的第三单元被用作聚焦透镜，则在接近远摄端时，常常会增加伸长量。当第三单元从广角端到远摄端向着物镜侧移动时，第三单元需要调焦过程的移动量与在远摄端的伸长量之和。结果，第三单元的移动距离增加，因此增加了用于沿光轴驱动第三单元的轴的长度。这样会对调焦镜头的小型化产生不利影响。

当第三单元从广角端到远摄端向着成像侧移动时，调焦过程的移动范围覆盖了在远摄端时到物镜侧的伸长量。因此，缩短了第三单元本身的移动行程，产生对小型化有利的效果。在此例中，从广角端到远摄端，出射光瞳的变化会增大。总之，在诸如CCD的固体图像采集元件中，通过利用微透镜阵列将光线尽可能聚集到有效像素部分，可以提高敏感度。微透镜阵列用于将位于特定出射光瞳的光束聚集功率增加到最大。超出此出射光瞳的容许量后，亮度阴影和色彩阴影变得更加明显。因此，如果出射光瞳的变化非常大，则在整个调焦范围、在容许量之内难于减小阴影。为此，优先减小出射光瞳。当孔径光阑与第二单元一起移动时，则从广角端到远摄端，出射光瞳变到减色端。当第三单元向着成像侧移动时，此变化会增加。

如果在广角端和远摄端，第三单元位于光轴上的相同位置，则可以减小移动行程并可以降低出射光瞳的变化。如果进一步提高缩放比，则难于通过移动第一单元和第二单元删除整个调焦过程中的各种像差。在此例中，通过非线性移动第三单元可以产生有利效果。

此方法的一个例子是，在从广角端到远摄端时，第三单元沿凸形轨迹向物镜侧移动，否则沿凸形轨迹向成像侧移动的方法。已知一种所谓伸缩套管配置，在这种配置中，各透镜单元进一步向着成像侧移动超过不进行拍摄时的正常移动范围，这样就可以降低总透镜长度。根据这种伸缩套管配置，如果尽可能禁止第三单元向物镜侧移动，则可以缩短伸缩套管末端的移动行程。这样就可以减小驱动第三单元的轴的长度，因此产生对小型化有利的效果。

此外，如果第三单元沿凸形轨迹向物镜侧移动，则此凸形轨迹将第三单元向物镜侧移动时的凸形轨迹缓和。因此，如果利用一种将旋转运动转换为直线运动的装置来驱动第一单元，则由于减小凸轮角度，所以会减小由旋转运动向直线运动转换时产生的应力。这样就允许使用小驱动力矩的电机。

由于上述原因，根据本发明的调焦镜头用于从广角端到远摄端沿凸形轨迹向成像侧移动第三单元。

接着，将对上述给定的条件表达式的技术含义进行说明。

条件表达式(2)是用于定义位于物镜侧的第二单元的胶合透镜的透镜面的曲率半径与位于成像侧的透镜面的曲率半径之比。

由于与超过上限的曲率半径Ra比较，曲率半径Rb明显减小，所以降低了曲率半径为Rb的表面的光焦度。由于曲率半径为Rb的表面是用于校正第二单元的珀兹伐值的主面，所以最后产生不合要求的被校正图像平面。如果与低于下限的曲率半径Ra比较，曲率半径Rb明显减小，则入射到曲率半径为Rb的表面的离轴光线的一条边缘光线的入射角会变小，而其它边缘光线的入射角会变大。特别是大入射角侧的光线变成闪光，因此降低了成像性能。

条件表达式(3)用于定义第二单元的正透镜的形状因数。

较远焦点同轴光线入射到正透镜。如果在上限之上增加成像侧透镜面的曲率以致接近平凸透镜的曲率，则在成像侧表面会提高同轴光线的收敛效果的共享比例，因此不能充分校正球形像差。此外，如果在下限之下提高物镜侧透镜面的曲率并接近平凸透镜的曲率，则由于离轴主光线在物镜侧透镜面上的入射角增大，会导致出现过量像散现象。

如果与广角端焦距比较，胶合透镜的厚度增加到超过条件表达式(4)定义的上限，则第二单元的尺寸沿光轴方向不合乎需要地增加，因此对小型化产生不利影响。如果厚度降低到低于下限，则在胶合透镜难于对球形像差和慧形像差进行校正。

条件表达式(5)用于定义第三单元的胶合透镜的负透镜的光焦度。如果在上限之上降低光焦度，即使利用高色散玻璃材料也不能对色像差放大现象进行充分校正。如果在下限之下增加光焦度，则由于胶合面曲率的增加而增加胶合透镜的正透镜的中心部分的厚度，这样会增加第三单元的厚度。因此，这不是小型化所希望的。

条件表达式(6)用于定义第三单元胶合透镜负透镜所使用的材料的阿贝数。如果在上限之上降低色散，则不能对色像差放大现象进行充分校正。

条件表达式(7)用于定义第三单元胶合透镜负透镜所使用的材料的折射率。如果将折射率降低到下限之下，则在正透镜方向，珀兹伐和会增加，并导致像场弯曲受到校正。

条件表达式(8)用于定义第三单元的轨迹。假定第三单元沿凸形轨迹向成像侧移动。在此例中，如果不等式(8)小于1，则第三单元在远摄端时比在广角端时更靠近成像侧。与此相反，如果不等式(8)等于1或更大，则第三单元在远摄端时比在广角端时更靠近物镜侧。

如果超过条件表达式(8)定义的上限，则移动行程太长，因此用于沿光轴移动第三单元的驱动轴会变得太长。因此，此结构不适于伸缩套管配置。如果低于下限，则出射光瞳变化大，并在CCD内产生过量阴影。

条件表达式(9)用于定义位于远摄端时第三单元的放大率。远摄端时，第三单元的聚集灵敏度由下式给出：

1-β3t²

当β3t增加时，聚集灵敏度会降低，并且在聚集调节过程必须保证大移动量。如果超过条件表达式(9)定义的上限，则由于明显降低了第三单元的聚集敏感度，所以必须增加第三单元的移动范围，产生了小型化问题。

如果低于下限，则不能保证产生足以插入滤光片的大后焦点。

以下是第一至第五实施例的数字数据。在各实施例中，设i是到物镜侧的透镜面的序数，Ri是第i个透镜面的曲率半径，Di是第i个透镜面与第(i+1)个透镜面之间的光学部件或空气间隔的厚度，Ni和vi分别是d光线的折射率和阿贝数。最靠近成像侧的两个透镜面是等效于石英低通滤光片、红外截止滤光片等的光学部件。此外，B、C、D和E是非球面系数。设x是在光轴方向、在距离光轴的H高度位置相对于面顶点的位移，非球面形被表示为：

x = \frac{{(1 / R) H}^{2}}{1 + \sqrt{1 - {(1 + K) (H / R)}^{2}}} + {BH}^{4} + {CH}^{6} + {DH}^{8} + {EH}^{10}

其中R是曲率半径，K是锥形常数。

此外，“e-X”表示“x10^-x”。

表1示出上述给出的条件表达式与各实施例中的各种数值之间的关系。

第一实施例，请注意，在所有实施例中，中间位置是第三单元最靠近成像侧的位置。

以下示出透镜数据。

f＝1至3.00 Fno＝2.79 至 4.80 2ω＝61.9° 至 22.6°

R1＝6.069 D1＝0.41 N1＝1.772499 v1＝49.6

R2＝-75.425 D2＝0.07

R3＝4.051 D3＝0.15 N2＝1.712995 v2＝53.9

R4＝1.721 D4＝0.49

R5＝-5.831 D5＝0.15 N3＝1.743997 v3＝44.8

R6＝1.548 D6＝0.32

R7＝1.892 D7＝0.33 N4＝1.846660 v4＝23.9

R8＝4.061 D8＝可变的

R9＝孔径光阑 D9＝0.13

R10＝0.832 D10＝0.40 N5＝1.743300 v5＝49.3

R11＝2.148 D11＝0.09 N6＝1.805181 v6＝25.4

R12＝0.758 D12＝0.15

R13＝3.359 D13＝0.25 N7＝1.772499 v7＝49.6

R14＝-3.390 D14＝可变的

R15＝13.442 D15＝0.30 N8＝1.772499 v8＝49.6

R16＝-2.616 D16＝0.09 N9＝1.846660 v9＝23.9

R17＝-4.542 D17＝可变的

R18＝∞ D18＝0.55 N10＝1.516330 v10＝64.1

R19＝∞

焦距 1.00 1.97 3.00

可变范围

D8 3.09 1.23 0.43

D14 0.72 2.16 3.25

D17 0.73 0.54 0.71

非球面系数

R10 k＝1.83870e-01 B＝-1.23425e-01 C＝-1.41170e-01

D＝-1.16649e-01 E＝-5.80479e-01

第二实施例

f＝1至3.00 Fno＝2.77 至4.90 2ω＝52.4°至18.6°

R1＝4.174 D1＝0.34 N1＝1.696797 v1＝55.5

R2＝-27.819 D2＝0.03

R3＝2.440 D3＝0.12 N2＝1.712995 v2＝53.9

R4＝1.450 D4＝0.41

R5＝-3.954 D5＝0.12 N3＝1.743997 v3＝44.8

R6＝1.198 D6＝0.22

R7＝1.390 D7＝0.27 N4＝1.846660 v4＝23.9

R8＝2.677 D8＝可变的

R9＝孔径光阑 D9＝0.10

R10＝0.690 D10＝0.31 N5＝1.743300 v5＝49.3

R11＝1.620 D11＝0.07 N6＝1.805181 v6＝25.4

R12＝0.634 D12＝0.12

R13＝2.777 D13＝0.21 N7＝1.772499 v7＝49.6

R14＝-3.050 D14＝可变

R15＝8.577 D15＝0.07 N8＝1.761821 v8＝26.5

R16＝2.619 D16＝0.25 N9＝1.719995 v9＝50.2

R17＝-4.376 D17＝可变

R18＝∞ D18＝0.45 N10＝1.516330 v10＝64.1

R19＝∞

焦距 1.00 2.17 3.00

可变范围

D8 2.48 0.85 0.37

D14 0.64 2.19 2.99

D17 0.67 0.44 0.53

非球面系数

R10 k＝1.37419e-01 B＝-1.93961e-01 C＝-3.35111e-01

D＝-1.88952e-01 E＝-3.10932e+00

第三实施例

f＝1至3.00 Fno＝2.80 至5.20 2ω＝61.9°至22.6°

R1＝5.629 D1＝0.44 N1＝1.772499 v1＝49.6

R2＝-69.260 D2＝0.04

R3＝3.085 D3＝0.15 N2＝1.712995 v2＝53.9

R4＝1.526 D4＝0.62

R5＝-3.760 D5＝0.15 N3＝1.785896 v3＝44.2

R6＝1.563 D6＝0.27

R7＝1.855 D7＝0.29 N4＝1.846660 v4＝23.9

R8＝4.519 D8＝可变的

R9＝孔径光阑 D9＝0.13

R10＝0.835 D10＝0.40 N5＝1.583126 v5＝59.4

R11＝2.191 D11＝0.09 N6＝1.761821 v6＝26.5

R12＝0.909 D12＝0.13

R13＝6.364 D13＝0.25 N7＝1.712995 v7＝53.9

R14＝-2.070 D14＝可变的

R15＝19.250 D15＝0.30 N8＝1.772499 v8＝49.6

R16＝-2.573 D16＝0.09 N9＝1.846660 v9＝23.9

R17＝-4.634 D17＝可变的

R18＝∞ D18＝0.55 N10＝1.516330 v10＝64.1

R19＝∞

焦距 1.00 1.71 3.00

可变范围

D8 2.86 1.43 0.41

D14 0.87 1.98 3.48

D17 0.81 0.71 1.00

非球面系数

R10 k＝1.61455e-01 B＝-1.62311e-01 C＝-1.79179e-01

D＝4.87115e-02 E＝-8.62775e-01

第四实施例

f＝1至3.00 Fno＝3.23至5.60 2ω＝61.9° 至 22.6°

R1＝11.353 D1＝0.15 N1＝1.487490 v1＝70.2

R2＝1.953 D2＝0.49

R3＝-3.809 D3＝0.15 N2＝1.516330 v2＝64.1

R4＝2.862 D4＝0.28

R5＝2.969 D5＝0.33 N3＝1.846660 v3＝23.9

R6＝5.113 D6＝可变的

R7＝孔径光阑 D7＝0.13

R8＝0.855 D8＝0.40 N4＝1.743300 v4＝49.3

R9＝1.879 D9＝0.09 N5＝1.805181 v5＝25.4

R10＝0.772 D10＝0.14

R11＝2.655 D11＝0.25 N6＝1.772499 v6＝49.6

R12＝-4.791 D12＝可变的

R13＝15.428 D13＝0.30 N7＝1.69 6797 v7＝55.5

R14＝-2.134 D14＝0.09 N9＝1.805181 v8＝25.4

R15＝-3.823 D15＝可变的

R16＝∞ D16＝0.55 N9＝1.516330 v9＝64.1

R17＝∞

焦距 1.00 1.98 3.00

可变范围

D6 3.06 1.19 0.40

D12 0.74 2.25 3.40

D15 0.80 0.61 0.78

非球面系数

R8 k＝1.71792e-01 B＝-1.03820e-01 C＝-1.10914e-01

D＝-1.70712e-01 E＝-1.19265e-01

第五实施例

f＝1至3.00 Fno＝2.74至4.80 2ω＝61.9°至22.6°

R1＝4.930 D1＝0.44 N1＝1.603112 v1＝60.6

R2＝-52.251 D2＝0.04

R3＝4.310 D3＝0.15 N2＝1.712995 v2＝53.9

R4＝1.641 D4＝0.50

R5＝-7.359 D5＝0.15 N3＝1.743997 v3＝44.8

R6＝1.494 D6＝0.31

R7＝1.793 D7＝0.33 N4＝1.846660 v4＝23.9

R8＝3.652 D8＝可变的

R9＝孔径光阑 D9＝0.13

R10＝0.792 D10＝0.40 N5＝1.806100 v5＝40.7

R11＝2.392 D11＝0.09 N6＝1.846660 v6＝23.9

R12＝0.673 D12＝0.16

R13＝2.182 D13＝0.25 N7＝1.804000 v7＝46.6

R14＝-5.890 D14＝可变的

R15＝14.950 D15＝0.30 N8＝1.772499 v8＝49.6

R16＝-2.034 D16＝0.09 N9＝1.846660 v9＝23.9

R17＝-4.270 D17＝可变的

R18＝∞ D18＝0.55 N10＝1.516330 v10＝64.1

R19＝∞

焦距 1.00 1.99 3.00

可变范围

D8 2.88 1.16 0.44

D14 0.76 2.18 3.26

D17 0.63 0.45 0.61

非球面系数

R10 k＝1.19329e-01 B＝-1.10868e-01 C＝-1.53042e-01

D＝1.64718e-02 E＝-9.83342e-01

表1

	数值实施例
	数值实施例						1	2	3	4	5
条件表达式 (2)	0.91	0.92	1.09	0.90	0.85		1	2	3	4	5
条件表达式 (2)	0.91	0.92	1.09	0.90	0.85	条件表达式 (3)	0.01	0.05	-0.51	0.29	0.46
条件表达式 (4)	0.49	0.39	0.49	0.49	0.49	条件表达式 (3)	0.01	0.05	-0.51	0.29	0.46
条件表达式 (4)	0.49	0.39	0.49	0.49	0.49	条件表达式 (5)	1.59	1.17	1.35	1.25	0.99
条件表达式 (6)	23.9	26.5	23.9	25.4	23.9	条件表达式 (5)	1.59	1.17	1.35	1.25	0.99
条件表达式 (6)	23.9	26.5	23.9	25.4	23.9	条件表达式 (7)	1.847	1.762	1.847	1.805	1.847
条件表达式 (8)	0.90	0.36	2.78	0.90	0.90	条件表达式 (7)	1.847	1.762	1.847	1.805	1.847
条件表达式 (8)	0.90	0.36	2.78	0.90	0.90	条件表达式 (9)	0.71	0.75	0.69	0.72	0.74

接着，将参考图21对采用本发明调焦镜头作为拍摄光学系统的静物数码相机实施例(图像采集装置)进行说明。

参考图21，此实施例包括：照相机主体10；拍摄光学系统11，由根据本发明的调焦镜头构成；以及寻像器12，用于观测目标图像。

通过光学低通滤光片或红外截止滤光片，拍摄光学系统11将目标图像成像在诸如CCD或CMOS的固体图像采集元件上。

此实施例还包括电子闪光装置13、测光窗口14、用于通知照相机的操作过程的液晶显示窗口15、释放按钮16以及用于转换各种模式的扫描转换开关17。

通过将根据本发明的调焦镜头应用于诸如数字照相机的光学装置，可以实现具有高光学性能的小型光学装置。

根据上述实施例，可以实现光学性能良好且具有少量组成透镜的小型调焦镜头。

此外，可以实现由具有负光焦度、正光焦度和正光焦度的透镜单元组成的三单元调焦镜头，该调焦镜头的制造灵敏度低、成本低、在调焦过程中出射光瞳变化小，并且在整个调焦范围内表现出良好的光学性能(包括与色像差放大现象有关的性能)。

此外，还可以实现这样的调焦镜头，即其第二单元的组成透镜的数目减少，调焦过程中移动的各透镜单元的像差共享减小，从而抑制了因为制造误差使透镜单元等较偏心引起的性能恶化并且更便于生产。此外，通过在调焦过程中优化第三单元的移动轨迹，可以保证在中间调焦位置获得良好成像性能从而在整个调焦范围内获得良好性能。不仅如此，出射光瞳与图像平面充分分离，并且减小调焦时第一单元的移动距离，从而实现了适用机械凸轮的配置。

Claims

1.一种调焦镜头，该调焦镜头从物镜侧到成像侧顺序包括：

第一透镜单元，具有负光焦度；

第二透镜单元，具有正光焦度；以及

第三透镜单元，具有正光焦度，所述第三透镜单元具有通过胶合正透镜元件与负透镜元件形成的胶合透镜，并沿光轴移动以进行调焦，

其中在从广角端到远摄端的调焦过程中，所述第一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔减小，所述第二透镜单元与所述第三透镜单元之间的间隔增大，并且

设Nli是构成第i透镜单元的透镜元件数，它们满足下式定义的条件：

NL3＜NL2≤NL1

0.8＜f3n/f3＜1.7

v3n＜40

1.7＜N3n

2.根据权利要求1所述的调焦镜头，其中

所述第一透镜单元从物镜侧到成像侧具有：其凹面对着成像侧的凹凸形负透镜元件和其凸面对着物镜侧的凹凸形正透镜元件，并且具有不少于三个透镜元件，并且

所述第二透镜单元从物镜侧到成像侧顺序包括：通过胶合正透镜元件与负透镜元件形成的胶合透镜和双凸面正透镜元件。

3.根据权利要求2所述的调焦镜头，其中设d是所述第二透镜单元胶合透镜在光轴位置的厚度，fw是处于广角端时整个系统的焦距，它们满足条件表达式：

0.3＜d/fw＜0.5

4.根据权利要求1所述的调焦镜头，其中

所述第一透镜单元从物镜侧到成像侧具有：其凹面对着成像侧的凹凸形负透镜元件和其凸面对着物镜侧的凹凸形正透镜元件，并且

5.根据权利要求4所述的调焦镜头，其中设d是所述第二透镜单元胶合透镜在光轴位置的厚度，fw是处于广角端时整个系统的焦距，它们满足条件表达式：

0.3＜d/fw＜0.5

6.根据权利要求1所述的调焦镜头，其中

所述第二透镜单元从物镜侧到成像侧顺序具有：通过胶合正透镜元件与负透镜元件形成的胶合透镜和双凸面正透镜元件，并且

设Ra是所述第二透镜单元最靠近物镜侧的胶合透镜的透镜面的曲率半径，Rb是所述第二透镜单元最靠近成像侧的胶合透镜的透镜面的曲率半径，Rc是所述双凸面正透镜元件位于物镜侧的透镜面的曲率半径，Rd是所述双凸面正透镜元件位于成像侧的透镜面的曲率半径，它们满足下列条件表达式：

0.7＜Rb/Ra＜1.2

-0.6＜(Rd+Rc)/(Rd-Rc)＜0.6

7.根据权利要求6所述的调焦镜头，其中设d是所述第二透镜单元胶合透镜在光轴位置的厚度，fw是处于广角端时整个系统的焦距，它们满足条件表达式：

0.3＜d/fw＜0.5

8.根据权利要求1所述的调焦镜头，其中最靠近物镜侧的所述第二透镜单元的透镜面在物镜侧是凸形，还具有非球面形用于降低从光轴向外的收敛作用。

9.根据权利要求1所述的调焦镜头，其中在从广角端到远摄端的调焦过程中，所述第三透镜单元沿凸形轨迹移动到成像侧。

10.根据权利要求1所述的调焦镜头，其中

调焦时，所述第二透镜单元和所述第三透镜单元沿光轴移动，并且

所述第二透镜单元具有通过胶合正透镜元件与负透镜元件形成的胶合透镜。

11.根据权利要求1所述的调焦镜头，其中所述第一透镜单元从物镜侧到成像侧顺序包括：其凸面对着物镜侧的正透镜元件、其凹面对着成像侧的凹凸形负透镜元件、负透镜元件以及其凸面对着物镜侧的凹凸形正透镜元件。

12.根据权利要求1所述的调焦镜头，其中假定M1是所述第三透镜单元在整个调焦范围内最靠近成像侧时的调焦位置；x3w是所述第三透镜单元在从广角端到调焦位置M1的调焦过程中的移动距离；x3t是所述第三透镜单元在从调焦位置M1到远摄端的调焦过程中的移动距离，它们满足下列条件表达式：

0.2＜x3w/x3t＜3.0

13.根据权利要求1所述的调焦镜头，其中假定β3t是处于远摄端时，所述第三透镜单元的横向放大率，它满足如下条件表达式：

0.6＜β3t＜0.8

14.根据权利要求1所述的调焦镜头，其中聚焦时，所述第三透镜单元沿光轴移动。

15.根据权利要求12所述的调焦镜头，其中假定β3t是位于远摄端时所述第三透镜单元的横向放大率，它满足下列条件表达式：

0.6＜β3t＜0.8

16.根据权利要求1所述的调焦镜头，其中所述调焦镜头在光电转换元件上成像。

17.一种图像采集装置，该装置包括用于在光敏表面上形成拍摄对象的图像的拍摄镜头，所述拍摄镜头包括权利要求1定义的所述调焦镜头。

18.一种图像采集装置，该装置包括：

光电转换元件；以及

拍摄镜头，用于将拍摄对象的图像成像到光敏表面，所述拍摄镜头包括权利要求1定义的所述调焦镜头。