CN1162727C - 变焦镜头以及采用该变焦镜头的光学装置 - Google Patents

变焦镜头以及采用该变焦镜头的光学装置 Download PDF

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Abstract

变焦镜头，包括负-正-正光焦度的第一、第二和第三透镜单元。第二透镜单元包括相对单元中最大间距在物方的正光焦度第一透镜子单元和在象方的正光焦度第二透镜子单元。第一至第三透镜单元从物方至象方顺序排列。移动透镜单元使在摄远端第一与第二透镜单元间距离小于广角端且在摄远端第二与第三透镜单元间距离大于广角端以进行变焦。移动第二或第三透镜单元进行调焦。当在广角端对无限远物体调焦时，第一与第二透镜子单元间距离及在广角端整个系统焦距满足预定条件。

Description

变焦镜头以及采用该变焦镜头的光学装置
发明背景
发明领域
本发明涉及一种适用于数字静态相机、摄像机、卤化银相机等的变焦镜头，并且特别涉及其中可以实现照相视角增大和总镜头长度降低并具有高度便携性的变焦镜头。
相关背景技术
目前，随着采用固态图象传感器的相机(光学装置)例如摄像机、数字相机和电子静态相机的功能改进，需要其中所用光学系统的高光学性能与其尺寸的减小之间的兼容性。
另外，在这种类型的相机中，必须在镜头最后部与图象传感器之间设置各种光学部件，例如低通滤波器和彩色校正滤波器，从而其中所用光学系统需要具有较长后焦距的透镜系统。另外，在采用彩色图象传感器的相机的场合，其中所用光学系统需要具有令人满意的象方远心特性以防止颜色遮光(colorshade)。
在日本专利申请公开No.63-135913(对应于美国专利No.4,838,666)、日本专利申请公开No.7-261083等中已经提出了一种既满足后焦距也满足远心特性的包括以负—正—正光焦度排列的三个透镜单元的变焦透镜系统。
日本专利申请公开No.7-52256公开了一种变焦镜头，包括三个透镜单元，从物方起以负—正—正光焦度排列，在从广角端向摄远端变焦时第二与第三透镜单元之间的距离增大。
美国专利No.5434710的说明书中公开了一种变焦镜头，包括三个透镜单元，从物方起以负—正—正光焦度排列，在从广角端向摄远端变焦时第二与第三透镜单元之间的距离减小。
日本专利申请公开No.3-288113(对应于美国专利No.5,270,863)公开了一种含有变焦镜头的光学系统，其变焦镜头包括以负—正—正光焦度排列的三个透镜单元，其中负光焦度的第一透镜单元是静止的，移动正光焦度的第二和第三透镜单元以进行光焦度变化。
日本专利申请公开No.2000-147381(对应于美国专利No.6,243,213B)、日本专利申请公开No.2000-137164和美国专利No.4465343公开了一种变焦镜头，包括以负—正—正光焦度排列的三个透镜单元，利用第二单元进行聚焦。
日本专利申请公开No.2000-111798(对应于美国专利No.6,308,011B)公开了一种变焦镜头，包括三个透镜单元，从物方起以负—正—正光焦度排列。在该变焦镜头中，同时提供了固定在象平面一侧的用于插入滤波器等的必要长度透镜后焦距和用于固态图象传感器的必要远心特性，其中在保持2以上变焦比的同时尽可能多的减小总长度，以提供小型的变焦镜头。
日本专利申请公开No.60-31110(对应于美国专利No.4,687,302)公开了一种变焦镜头，包括四个透镜单元，从物方起以负—正—正—正光焦度排列，其中在从广角端向摄远端变焦时第二与第三透镜单元之间的距离减小，而第四透镜单元在变焦过程中静止。
日本专利申请公开No.4-14764(对应于美国专利No.4,687,302)公开了一种变焦镜头，包括四个透镜单元，以负—正—正—正光焦度排列，其中利用第三透镜单元进行聚焦。
现在的固态图象传感器具有大量象素，并且在特定的图象尺寸中象素尺寸有变得相当小的趋势。其结果是，照相镜头需要具有比相同图象尺寸的传统镜头更高的光学性能。
另外，需要一种变焦镜头，其中用于插入滤波器等的必要透镜后焦面固定在透镜系统之后，同时实现用于减少固态图象传感器遮光(shade)的必要远心特性，减小总长度以提供较高变焦比的小型变焦镜头。
例如，在日本专利申请公开No.2000-147381、日本专利申请公开No.2000-137164和美国专利No.4465343公开的三透镜单元变焦镜头中，在象平面附近的整个变焦范围内没有设置正透镜单元，从而难以确保足够长的出射光瞳以提供远心特性。为了确保足够长的出射光瞳，必须放松(relax)第一单元的光焦度，结果使得广角端的总透镜长度变得相当大。
在日本专利申请公开No.60-31110所公开的变焦镜头中，其透镜数目较多，使得透镜系统整体上变得相当大。
在日本专利申请公开No.4-14764公开的变焦镜头中，在广角端第二与第三透镜单元之间的空气间距较小，从而难以在广角范围确保足够长的出射光瞳。
发明概述
考虑到上述传统技术，本发明的目的在于提供一种新的小型变焦镜头，包括较少的透镜，并且具有优越的光学性能。
为了达到上述目的，根据本发明一个方面的变焦镜头，其特征在于包括：
一负光焦度的第一透镜单元；
一正光焦度的第二透镜单元，该第二透镜单元包括一相对该单元中最大间距设置在物方的正光焦度的第一透镜子单元，和一设置在象方的正光焦度的第二透镜子单元；和
一正光焦度的第三透镜单元，第一至第三透镜单元从物方至象方以上述顺序排列，
其中通过移动该透镜单元使在摄远端第一透镜单元与第二透镜单元之间的距离小于在广角端且在摄远端第二透镜单元与第三透镜单元之间的距离大于在广角端以进行变焦，
通过移动第二透镜子单元或第三透镜单元进行聚焦，并且
当在广角端对无限远处的物体进行聚焦时，假设第一透镜子单元与第二透镜子单元之间的距离为d2abw并且在广角端整个系统的焦距为fw，则满足下述条件：
0.2＜d2abw/fw＜1.0。
另外，根据本发明另一方面的变焦镜头，其特征在于包括：
一负光焦度的第一透镜单元；
一正光焦度的第二透镜单元，该第二透镜单元包括一相对该单元中最大间距设置在物方的正光焦度的第一透镜子单元，和一设置在象方的正光焦度的第二透镜子单元；和
一正光焦度的第三透镜单元，第一至第三透镜单元从物方至象方以上述顺序排列，
其中通过移动该透镜单元使在摄远端第一透镜单元与第二透镜单元之间的距离小于在广角端且在摄远端第二透镜单元与第三透镜单元之间的距离大于在广角端以进行变焦，
通过移动第二透镜子单元以进行聚焦，
在摄远端从第一透镜子单元出射的光束基本上是无焦的，并且
假设在摄远端对无限远处物体进行聚焦时第二透镜子单元的成象放大率为β2bt，则满足下述条件：
-0.30＜β2bt＜0.55。
附图的简要说明
图1A、1B和1C为根据数字实施例1的变焦镜头的剖面图；
图2为表示数字实施例1的变焦镜头在广角端的象差曲线；
图3为表示数字实施例1的变焦镜头在中间变焦位置的象差曲线；
图4为表示数字实施例1的变焦镜头在摄远端的象差曲线；
图5A、5B和5C为根据数字实施例2的变焦镜头的剖面图；
图6为表示数字实施例2的变焦镜头在广角端的象差曲线；
图7为表示数字实施例2的变焦镜头在中间变焦位置的象差曲线；
图8为表示数字实施例2的变焦镜头在摄远端的象差曲线；
图9A、9B和9C为根据数字实施例3的变焦镜头的剖面图；
图10为表示数字实施例3的变焦镜头在广角端的象差曲线；
图11为表示数字实施例3的变焦镜头在中间变焦位置的象差曲线；
图12为表示数字实施例3的变焦镜头在摄远端的象差曲线；
图13A、13B和13C为根据数字实施例4的变焦镜头的剖面图；
图14为表示数字实施例4的变焦镜头在广角端的象差曲线；
图15为表示数字实施例4的变焦镜头在中间变焦位置的象差曲线；
图16为表示数字实施例4的变焦镜头在摄远端的象差曲线；
图17A、17B和17C为根据数字实施例5的变焦镜头的剖面图；
图18为表示数字实施例5的变焦镜头在广角端的象差曲线；
图19为表示数字实施例5的变焦镜头在中间变焦位置的象差曲线；
图20为表示数字实施例5的变焦镜头在摄远端的象差曲线；
图21A、21B和21C为根据数字实施例6的变焦镜头的剖面图；
图22为表示数字实施例6的变焦镜头在广角端的象差曲线；
图23为表示数字实施例6的变焦镜头在中间变焦位置的象差曲线；
图24为表示数字实施例6的变焦镜头在摄远端的象差曲线；
图25A、25B和25C为根据数字实施例7的变焦镜头的剖面图；
图26为表示数字实施例7的变焦镜头在广角端的象差曲线；
图27为表示数字实施例7的变焦镜头在中间变焦位置的象差曲线；
图28为表示数字实施例7的变焦镜头在摄远端的象差曲线；
图29A、29B和29C为根据数字实施例8的变焦镜头的剖面图；
图30为表示数字实施例8的变焦镜头在广角端的象差曲线；
图31为表示数字实施例8的变焦镜头在中间变焦位置的象差曲线；
图32为表示数字实施例8的变焦镜头在摄远端的象差曲线；以及
图33为表示数字相机的示意图。
优选实施例的描述
下面参照附图说明本发明的变焦镜头以及采用该变焦镜头的光学装置的实施例。
(第一实施例)
图1A、1B和1C为根据下面所述数字实施例1的变焦镜头的剖面图。图2至图4为分别表示数字实施例1的变焦镜头在广角端、中间变焦位置和摄远端的象差曲线。
图5A、5B和5C为根据下面所述数字实施例2的变焦镜头的剖面图。图6至图8为分别表示数字实施例2的变焦镜头在广角端、中间变焦位置和摄远端的象差曲线。
图9A、9B和9C为根据下面所述数字实施例3的变焦镜头的剖面图。图10至图12为分别表示数字实施例3的变焦镜头在广角端、中间变焦位置和摄远端的象差曲线。
图13A、13B和13C为根据下面所述数字实施例4的变焦镜头的剖面图。图14至图16为分别表示数字实施例4的变焦镜头在广角端、中间变焦位置和摄远端的象差曲线。
在图1、5、9和13中所示的各数字实施例变焦镜头的剖面图中，标记L1表示负光焦度(光焦度为焦距的倒数)的第一透镜单元，标记L2表示正光焦度的第二透镜单元，标记L3表示正光焦度的第三透镜单元，标记SP表示孔径光阑(光圈)，以及标记IP表示象平面，此处设置有固态图象传感器例如CCD或CMOS。标记G表示一玻璃块，其对应于滤波器、分色棱镜等。
第二透镜单元L2包括正光焦度的第一透镜子单元L2a和正光焦度的第二透镜子单元L2b，其间间隔以在该第二透镜单元L2中为最大的空气间隙，第二透镜子单元L2b沿光轴方向移动以进行从无限远处物体向有限距离处物体的聚焦。
实施例1的变焦镜头具有负光焦度的第一透镜单元L1，正光焦度的第二透镜单元L2，和正光焦度的第三透镜单元L3，从物方以上述顺序排列，移动这些透镜单元使第一透镜单元L1与第二透镜单元L2之间的距离在摄远端小于在广角端，并且第二透镜单元L2与第三透镜单元L3之间的距离在摄远端大于在广角端，以进行变焦。然后，假设在广角端对无限远处物体实现聚焦时第一透镜子单元L2a与第二透镜子单元L2b之间的距离为d2abw，整个系统在广角端的焦距为fw，满足下述条件：
0.2＜d2abw/fw＜1.0              …(1)
另外，假设在摄远端从第一透镜子单元L2a出射的光束基本上是无焦的，且在摄远端对无限远处物体实现聚焦时第二透镜子单元L2b的成象放大率为β2bt，则满足下述条件：
-0.30＜β2bt＜0.55              …(2)
当称所述光束基本上是无焦的时候，指的是第一透镜单元L1和第一透镜子单元L2a的组合焦距f12a大致为满足如下条件的幅值：
20×fw＜|f12a|
在实施例1的变焦透镜中，通过移动正光焦度的第二透镜单元L2进行主要光焦度的变化，通过负光焦度的第一透镜单元L1的大致往复移动来校正由于光焦度变化引起的象点位移。当变焦过程中正光焦度的第三透镜单元L3静止时，它对光焦度的变化没有影响。然而，它参与了由图象传感器尺寸减小引起的照相镜头光焦度的增大，并且减小了由第一和第二透镜单元构成的短变焦系统的光焦度，因而限制了构成特别是第一透镜单元L1的各透镜中象差的产生，从而实现令人满意的光学性能。另外，通过使正光焦度的第三透镜单元L3用作向场透镜(a field lens)，可以实现特别是采用固态图象传感器的照相设备中所需的象方远心成象。
另外，考虑到聚焦，采用了所谓的其中使小而轻的第二透镜子单元L2b移动的内聚焦系统，从而可以方便地实现快速聚焦。另外，通过适当设置透镜结构，可以消除聚焦时象差的波动。
另外，在变焦和聚焦时使第三透镜单元L3静止，从而简化镜筒结构。
虽然在实施例1变焦镜头的所有数字实施例中第三透镜单元L3在变焦时是静止的，但是该透镜单元也可以是可移动的。这使得镜筒结构复杂化，但是可以方便地进一步消除变焦时象差的波动。
在实施例1中，第一和第二透镜子单元L2a和L2b置于同一个凸轮上，在变焦过程中通过与第二透镜单元L2可操作连接的驱动器来驱动各目标距离相对于第一透镜子单元L2a的差动变化，从而实现机械结构的简化。
下面说明各条件表达式的含义。
在条件式(1)中，第一和第二透镜子单元L2a和L2b在广角端其间的距离d2abw由广角端的焦距fw标准化。当超出条件式(1)的上限值时，第一和第二透镜子单元L2a和L2b之间的距离变得太大，使得用于驱动第二透镜子单元L2b的驱动机构尺寸不利地变大。
当超出条件式(1)的下限值时，第一和第二透镜子单元L2a和L2b之间的距离变得太大，广角端的出射光瞳位置变得太短，使得遮光影响不利地变大。
更优选的是，条件式(1)的数值范围设定如下：
0.3＜d2abw/fw＜0.7            …(1a)
下面说明条件式(2)的技术含义。
在实施例1的变焦镜头中，通过第二透镜单元L2的第二透镜子单元L2b进行聚焦。必须简单地设置机械结构并且适当地设置摄远端第二透镜子单元L2b的聚焦灵敏度以限制由聚焦导致的各种象差波动。
假定在摄远端第二透镜子单元L2b和第三透镜单元L3的相应成象放大率是β2bt和β3t，第二透镜子单元L2b的聚焦灵敏度可以如下表示：
(1-β2bt2)×β3t2。
为了保持适当的灵敏度，在摄远端从第一透镜子单元L2a发出的光束必须基本上是无焦的，并且对无限远处物体实现聚焦时第二透镜子单元L2b的成象放大率必须设定得足够低。
条件式(2)即是基于上述要求的。
当超出条件式(2)的上限值并且第二透镜子单元L2b的成象放大率变得太大时，第二透镜子单元L2b的聚焦灵敏度降低，并且离焦量增大。因此，当对远摄区域的近处物体实现聚焦时，第二和第一透镜子单元L2b和L2a相互干扰，使得难以缩短靠拢距离。
另一方面，当超出条件式(2)的下限值并且第二透镜子单元L2b的成象放大率变得太小时，从第一透镜子单元L2a出射的光束呈现较强发散并且在远摄区域由聚焦导致的场曲波动不利地增大。
更优选的是，条件式(2)的设置范围设定如下：
-0.10＜β2bt＜0.52               …(2a)
通过上述结构，该实施例的变焦镜头可以实现本发明的基本目的。然而，为了在整个可调光焦度范围和整个象平面获得较高的光学性能，需要满足一个或多个下述要求。
(A-1)假定对无限远处物体实现聚焦时第一和第二透镜子单元L2a和L2b之间在广角端和摄远端的距离分别为d2abw和d2abt，对距离为500×fw处物体实现聚焦时第一和第二透镜子单元L2a和L2b之间在广角端和摄远端的距离分别为d2abw#fo和d2abt#fo，满足下述条件：
(d2abt-d2abt#fo)＞(d2abw-d2abw#fo)                    …(3)
条件式(3)用以适当地设置聚焦时当第二透镜子单元L2b展开时第一和第二透镜子单元L2a和L2b之间的距离。当条件式(3)不能满足时，透镜系统的整体尺寸不利地增大。
(A-2)当从广角端向摄远端进行变焦时，第一和第二透镜子单元L2a和L2b之间的距离应当改变。
当从广角端向摄远端变焦时通过如此改变第一和第二透镜子单元L2a和L2b之间的距离，可以以更令人满意的方式校正由光焦度变化导致的象差波动。
并且在实施例1中，变焦镜头被认为是包括三个透镜单元。然而，在数字实施例1、2和3的变焦镜头情况下，当变焦过程中第一和第二透镜子单元L2a和L2b之间的距离改变时，变焦镜头可以认为是包括以负—正—正—正光焦度排列的四个透镜单元。
(A-3)应当设置一个光阑SP，用以与第一透镜子单元L2a一体移动。
(A-4)光阑SP应当设置在第一透镜子单元L2a的物方。上述(A-3)和(A-4)是用于实现前透镜直径减小并且满意地进行象差校正的条件。
(A-5)第一透镜单元L1应当只是由一个具有非球面的负透镜元件和一个正透镜元件构成的两个透镜元件形成。这使得易于减小第一透镜单元的厚度以实现尺寸的降低同时校正在广角区域的畸变。
(A-6)第一透镜子单元L2a应当包括至少一个由一正透镜元件和一负透镜元件胶合在一起的胶合透镜。校正轴向色差所需的正和负透镜是高度灵敏的，因而最好将其胶合在一起以防止制造过程中性能的恶化。
(A-7)第一透镜子单元L2a应当包括至少两个正透镜元件。这使得可以前移第一透镜子单元的主点，从而可以防止在远摄区域与第一透镜单元的物理干扰。
(A-8)第二透镜子单元L2b应当由单透镜元件或胶合透镜构成的单一透镜组元单独形成。通过使第二透镜子单元的透镜结构最小化，可以容易地实现整个系统尺寸的减小。
(A-9)第三透镜单元L3应当由单透镜元件形成。通过使第三透镜单元最小化，可以防止在广角端与第二透镜子单元的干扰并实现尺寸的减小。
(A-10)第三透镜单元L3在变焦过程中应当是静止的。这使得可以用简单的机械结构制作镜筒。
下面具体说明数字实施例1至4的变焦镜头的镜头结构。
在数字实施例1至4中，第一透镜单元L1由两个透镜构成：设置在物方的负弯月透镜，在物方呈凸表面并且在象方呈非球面；和正弯月透镜，在物方呈凸表面。
在数字实施例1中，第一透镜子单元L2a由三个透镜构成：一个正透镜，和一个胶合透镜，其中胶合透镜整体上具有正的光焦度，并且通过一在两方都具有凸表面的正透镜和一在两方都具有凹表面的负透镜胶合而成。
在数字实施例2至4中，第一透镜子单元L2a由三个透镜构成：一个在物方曲率大于(其曲率半径小于)在象方曲率的正透镜，其两方形成凸表面；和一个胶合透镜，通过将一个其两方形成凸表面的正透镜和一个其两方形成凹表面的负透镜胶合在一起而成，整体上具有负的光焦度。
在数字实施例1至4中，在第二透镜单元L2的物方设有一个光阑SP，在变焦过程中光阑SP与第二透镜单元L2一体移动。
在数字实施例1至4中，在第一透镜子单元L2a中胶合透镜物方一侧的正透镜的物方一侧设有非球面。
在数字实施例1、2和4中，第二透镜子单元L2b由一个胶合透镜构成，通过将一个在物方具有凸表面的负透镜和一个在两方都具有凸表面的正透镜胶合在一起而成。
在数字实施例3中，第二透镜子单元L2b由一个其两侧都是凸表面的单个正透镜构成。
在数字实施例1至4中，第三透镜子单元L3由一个单正透镜构成。
在数字实施例3中，第三透镜单元L3的正透镜在物方具有非球面。
在变焦过程中，在数字实施例1至4中，第一透镜单元L1以往复运动轨迹移动，第一透镜单元L1在广角端和在摄远端的位置基本相同，在中间区域沿着凸向象方的轨迹进行移动。
在数字实施例1至4中，第一和第二透镜子单元L2a和L2b在变焦过程中移向物方。在数字实施例1和2中，第一和第二透镜子单元L2a和L2b之间的距离在从广角端至摄远端的变焦过程中降低在数字实施例3中，第一和第二透镜子单元L2a和L2b之间的距离在从广角端至摄远端的变焦过程中首先增加，然后降低此距离在摄远端比在广角端要大一些。在数字实施例4中，第一和第二透镜子单元L2a和L2b之间的距离在从广角端至摄远端的变焦过程中不变。
下面说明数字实施例1至4中的数据。在这些数字实施例中，符号i表示从物方起此表面的顺序数，符号Ri表示各表面的曲率半径，符号Di表示第i和第i+1表面之间的元件厚度或空气间距，以及Ni和νi分别表示针对d-线的折射率和阿贝常数。最靠近象方的两个表面构成玻璃块G，对应于晶体低通滤波器、红外截止滤波器等。假定在从光轴测量高度为H处沿光轴方向的位移为x，以表面顶点作为基准，则非球面结构可以表示如下：
[方程1]
X = ( 1 / R ) H 2 1 + 1 - ( 1 + K ) ( H / R ) 2 + AH 2 + BH 4 + CH 6 + DH 8 + EH 10
其中R为曲率半径，K为圆锥常数，A、B、C、D和E为非球面系数。
另外，[e-X]表示[×10-X]。
表1表示上述条件式与数字实施例1至4中不同值之间的关系。
   数字实施例1
   f＝6.70～19.10        Fno＝2.88～5.00        2ω＝68.4～26.8
   R1＝95.655            D1＝1.50      N1＝1.802380      ν1＝40.8
#  R2＝5.705             D2＝2.18
   R3＝10.647            D3＝2.05      N2＝1.846659      ν2＝23.8
   R4＝31.989            D4＝可变
   R5＝光阑              D5＝0.80
#  R6＝6.035             D6＝2.24      N3＝1.743300      ν3＝49.2
   R7＝-14.355           D7＝0.70      N4＝1.674788      ν4＝34.4
   R8＝5.311             D8＝0.68
   R9＝24.734            D9＝1.20      N5＝1.847000      ν5＝23.8
   R10＝-6224.560        D10＝可变
   R11＝19.837           D11＝0.60     N6＝1.846659      ν6＝23.8
   R12＝9.564            D12＝1.80     N7＝1.487490      ν7＝70.2
   R13＝-23.098          D13＝可变
   R14＝16.000           D14＝1.65     N8＝1.487000      ν8＝70.4
   R15＝-383.541         D15＝1.50
   R16＝∞               D16＝3.10     N9＝1.516330      ν9＝64.2
   R17＝∞
Figure C0114591500141
6.70        2.86         19.10
D4               17.15       5.30         1.12
D10              3.05        2.77         2.50
D13              3.44        11.72        19.99
非球面系数
第二表面：k＝1.30000e+00 A＝0 B＝3.91358e-04  C＝2.47171e-07 D＝-3.57102e-08 E＝4.67101e-10
第六表面：k＝6.85202e-03 A＝0 B＝-2.83480e-04 C＝3.66671e-06 D＝-1.22280e-06 E＝4.61961e-08
   数字实施例2
   f＝6.75～47.62        Fno＝2.88～4.90        2ω＝68.0～29.0
   R1＝48.560            D1＝1.50      N1＝1.802380      ν1＝40.8
#  R2＝5.255             D2＝2.20
   R3＝9.202             D3＝2.14      N2＝1.846659      ν2＝23.8
   R4＝20.208            D4＝可变
   R5＝光阑              D5＝0.80
   R6＝6.781             D6＝2.00      N3＝1.603112      ν3＝60.7
   R7＝-42.006           D7＝0.20
#  R8＝10.553            D8＝2.31      N4＝1.740130      ν4＝49.2
   R9＝-7.122            D9＝0.70      N5＝1.749497      ν5＝35.3
   R10＝4.926            D10＝可变
   R11＝41.969           D11＝0.60     N6＝1.698947      ν6＝30.1
   R12＝16.946           D12＝1.74     N7＝1.696797      ν7＝55.5
   R13＝-68.041          D13＝可变
   R14＝18.000           D14＝2.00     N8＝1.487490      ν8＝70.2
   R15＝-54.148          D15＝1.50
   R16＝∞               D16＝3.23     N9＝1.516330      ν9＝64.2
   R17＝∞
Figure C0114591500151
6.75        12.16       17.62
D4             15.16        5.98        2.46
D10            4.09         3.80        3.55
D13            1.62         8.02        14.39
非球面系数
第二表面：k＝-1.05670e+00 A＝0 B＝4.30431e-04  C＝1.54471e-06  D＝5.01190e-03  E＝-9.58836e-10
第八表面：k＝1.9778e+00   A＝0 B＝-5.99304e-04 C＝-8.60711e-06 D＝-1.23239e-06 E＝4.79022e-08
   数字实施例3
   f＝4.49～8.61        Fno＝2.88～4.02        2ω＝73.5～42.5
   R1＝80.453           D1＝1.30      N1＝1.802380      ν1＝40.8
#  R2＝3.144            D2＝1.39
   R3＝6.364            D3＝2.00      N2＝1.846659      ν2＝23.8
   R4＝22.763           D4＝可变
   R5＝光阑             D5＝0.59
   R6＝5.387            D6＝1.84      N3＝1.696797      ν3＝55.5
   R7＝-24.511          D7＝0.59
#  R8＝42.292           D8＝1.64      N4＝1.743300      ν4＝49.2
   R9＝-5.476           D9＝0.66      N5＝1.698947      ν5＝30.1
   R10＝4.702           D10＝可变
   R11＝16.441          D11＝1.94     N6＝1.487490      ν6＝70.2
   R12＝-10.475         D12＝可变
   R13＝13.248          D13＝1.50     N7＝1.487490      ν7＝70.2
   R14＝-89.455         D14＝1.10
   R15＝∞              D15＝2.30     N8＝1.516330      ν8＝64.2
   R16＝∞
Figure C0114591500161
4.49        6.14        8.61
D4               8.32        4.96        1.98
D10              1.99        3.18        2.84
D12              1.59        3.57        7.08
非球面系数
第二表面：k＝-1.26671e100  A＝0 B＝1.98495e-03  C＝1.78263e-05 D＝-3.89544e-06 E＝1.54685e-07
第八表面：k＝6.85202e-03   A＝0 B＝-1.94477e-03 C＝3.27632e-05 D＝-3.11268e-05 E＝3.51825e-06
第十三表面：k＝0.00000e+00 A＝0 B＝3.36681e-05  C＝8.26694e-06 D＝-1.04884e-06 E＝3.52403e-08
   数字实施例4
   f＝6.75～17.62        Fno＝2.88～4.90        2ω＝68.0～29.0
   R1＝48.471            D1＝1.50      N1＝1.802380      ν1＝40.8
#  R2＝5.270             D2＝2.21
   R3＝9.214             D3＝2.14      N2＝1.846659      ν2＝23.8
   R4＝20.234            D4＝可变
   R5＝光阑              D5＝0.80
   R6＝6.788             D6＝2.00      N3＝1.603112      ν3＝60.7
   R7＝-40.782           D7＝0.20
#  R8＝10.555            D8＝2.32      N4＝1.740130      ν4＝49.2
   R9＝-6.963            D9＝0.70      N5＝1.749497      ν5＝35.3
   R10＝4.919            D10＝4.10
   R11＝41.659           D11＝0.60     N6＝1.698947      ν6＝30.1
   R12＝17.413           D12＝1.75     N7＝1.696797      ν7＝55.5
   R13＝-70.421          D13＝可变
   R14＝18.000           D14＝2.00     N8＝1.487490      ν8＝70.2
   R15＝-54.405          D15＝1.50
   R16＝∞               D16＝3.23     N9＝1.516330      ν9＝64.2
   R17＝∞
Figure C0114591500171
6.75        12.19        17.62
D4              15.22        6.00        2.46
D13             1.66         7.85        14.04
非球面系数
第二表面：k＝1.04670e+00 A＝0 B＝4.09984e-04  C＝1.40934e-06  D＝7.47025e-08  E＝-1.55583e-09
第八表面：k＝1.13413e+00 A＝0 B＝-6.00015e-04 C＝-8.91980e-06 D＝-1.20969e-06 E＝4.79022e-08
表1
条件式                                   数字实施例
 1  2  3  4
(1) d2abw/fw  0.46  0.60  0.44  0.61
(2) β2bt  0.13  0.37  -0.04  0.51
(3) d2abt-d2abt#fo  0.04  0.04  0.02  0.05
d2abw-d2abw#fo  0.11  0.17  0.05  0.20
(第二实施例)
图17A至17C为表示根据下面所述数字实施例5的变焦镜头的剖面图。图18至图20为数字实施例5的变焦镜头在广角端、中间变焦位置和摄远端的象差曲线。
图21A至21C为表示根据下面所述数字实施例6的变焦镜头的剖面图。图22至图24为数字实施例6的变焦镜头在广角端、中间变焦位置和摄远端的象差曲线。
图25A至25C为表示根据下面所述数字实施例7的变焦镜头的剖面图。图26至图28为数字实施例7的变焦镜头在广角端、中间变焦位置和摄远端的象差曲线。
图29A至29C为表示根据下面所述数字实施例8的变焦镜头的剖面图。图30至图32为数字实施例8的变焦镜头在广角端、中间变焦位置和摄远端的象差曲线。
在剖面图17、21、25和29中所示数字实施例的各变焦镜头中，与实施例1中具有相同标记所表示的部件具有与实施例1中部件相同的功能。实施例2与实施例1之间最大的不同在于，在实施例2中，从无限远处物体至有限远处物体的调焦是通过移动第三透镜单元L3进行的。
以此方式，通过采用所谓的后焦距系统，其中聚焦是通过移动小且轻的第三透镜单元L3进行的，使得易于进行快速调焦，并且通过适当地设置透镜结构，减小了调焦时的象差波动。
也可以在变焦时移动第三透镜单元L3。这使得易于减小变焦时的象差波动。
另外，与实施例1中一样，假设在广角端第一透镜子单元L2a与第二透镜子单元L2b之间的距离为d2abw，整个系统在广角端的焦距为fw，则该实施例的变焦镜头满足如下条件：
0.2＜d2abw/fw＜1.0           …(1)
另外，假设第二透镜子单元L2b和第三透镜单元L3的焦距分别为f2b和f3，则该实施例满足如下条件：
f2b＜f3                      …(4)
条件式(4)涉及第二透镜子单元L2b与第三透镜单元L3之间焦距的关系。通过如条件式(4)所示将焦距f3设定得大于焦距f2b，可以容易地获得总长度进一步减小的系统。
另外，最好f2b和f3满足如下条件：
1.1＜f3/f2b＜2.0           …(5)
如果f3为超过条件式(5)上限值的较大值，则第三透镜单元L3的光焦度变得太弱，从而增加了聚焦时第三透镜单元L3的移动量(离焦量)，结果使得整个系统的尺寸不利地增大。另一方面，如果f2b为超过条件式(5)下限值的较大值，则第二透镜子单元L2b的光焦度变得太弱，使得变焦时出射光瞳位置的波动不利地增大。
下面具体说明数字实施例5至8的变焦镜头结构。
在数字实施例5至8中，第一透镜单元L1由两个透镜构成，以下述顺序从物方设置：在物方呈凸表面并且在象方呈非球面的负弯月透镜；和在物方呈凸表面的正弯月透镜。
在数字实施例5、6和8中，第一透镜子单元L2a由一个透镜组件构成，通过将一在其两侧都具有凸表面的正透镜和一在其两侧都具有凹表面的负透镜胶合在一起成为一个整体。
在数字实施例7中，第一透镜子单元L2a在物方是凸表面的单个正透镜构成。
在数字实施例5至8中，在第一透镜子单元L2a的物方设有一个孔径光阑SP，在变焦过程中孔径光阑SP与第一透镜子单元L2a一体移动。
在数字实施例5至8中，在第一透镜子单元L2a最靠近物方的表面设有非球面。
在数字实施例5至8中，第二透镜子单元L2b由一个透镜构成，通过将一个在物方具有凸表面的负透镜和一个在其两侧都具有凸表面的正透镜胶合在一起而成。
在数字实施例5至8中，第三透镜子单元L3由一个单正透镜构成。
在数字实施例6和7中，非球面设置在第三透镜单元L3的正透镜的物方一侧。
在变焦过程中，第一透镜单元L1以往复运动轨迹移动，第一透镜单元L1的位置在广角端和在摄远端基本相同，该单元沿着凸向象方的轨迹进行移动。
另外，在所有数字实施例中，在从广角端至摄远端的光焦度变化中第一和第二透镜子单元L2a和L2b向物方移动。在数字实施例5至7中，进行移动时减小第一和第二透镜子单元L2a和L2b之间的距离，而在数字实施例8中，进行移动时不改变第一和第二透镜子单元L2a和L2b之间的距离。
下面说明数字实施例5至8中的数据。
另外，表2表示上述条件式与数字实施例5至8中不同值之间的关系。
   数字实施例5
   f＝6.69～19.09        Fno＝2.88～5.00        2ω＝68.4～26.8
   R1＝184.449           D1＝1.50      N1＝1.802380      ν1＝40.8
#  R2＝5.841             D2＝2.19
   R3＝10.532            D3＝2.00      N2＝1.846659      ν2＝23.8
#  R4＝32.426            D4＝可变
   R5＝光阑              D5＝0.80
#  R6＝5.862             D6＝2.30      N3＝1.802330      ν3＝40.8
   R7＝-16.990           D7＝0.70      N4＝1.713765      ν4＝33.3
   R8＝5.139             D8＝可变
   R9＝11.058            D9＝0.60      N5＝1.860320      ν5＝28.6
   R10＝6.247            D10＝2.15     N6＝1.494054      ν6＝69.5
   R11＝-17.178          D11＝可变
   R12＝22.395           D12＝1.65     N7＝1487490       ν7＝70.2
   R13＝-69.404          D13＝可变
   R14＝∞               D14＝3.10     N8＝1.516330      ν8＝64.2
   R15＝∞
6.69        13.43        19.09
D4             18.17        6.12         2.42
D8             2.52         1.59         2.40
D11            3.13         13.15        21.44
D13            3.00         3.00         3.00
非球面系数
第二表面：k＝-2.13513e+00 A＝0 B＝8.30712e-04  C＝-9.70575e-06 D＝7.05621e-08  E＝-5.14318e-10
第四表面：k＝0.00000e+00  A＝0 B＝3.88722e-05  C＝-1.01833e-06 D＝5.82592e-08  E＝-3 53652e-10
第八表面：k＝-2.15316e-01 A＝0 B＝-1.56419e-04 C＝1.37232e-07  D＝-3.99679e-07 E＝1.44205e-08
   数字实施例6
   f＝4.49～8.61        Fno＝2.88～4.06        2ω＝73.5～42.5
   R1＝19726.824        D1＝1.10      N1＝1.802380      ν1＝40.8
#  R2＝3.408            D2＝1.61
   R3＝7.398            D3＝1.31      N2＝1.846659      ν2＝23.8
   R4＝23.544           D4＝可变
   R5＝光阑             D5＝0.59
#  R6＝4.887            D6＝1.41      N3＝1.743300      ν3＝49.2
   R7＝-10.712          D7＝0.52      N4＝1.530098      ν4＝51.2
   R8＝5.082            D8＝可变
   R9＝9.625            D9＝0.44
   R10＝4.010           D10＝1.62
   R11＝-9.603          D11＝可变     N5＝1.846659      ν5＝23.8
#  R12＝11.040          D12＝1.28     N6＝1.500524      ν6＝62.6
   R13＝283.406         D13＝1.10
   R14＝∞              D14＝2.28     N7＝1.487000      ν7＝70.4
   R15＝∞
                                      N8＝1.516330      ν8＝64.2
4.49        6.53        8.61
D4              7.45        3.80        1.89
D10             1.93        1.74        1.55
D13             4.33        7.29        10.26
非球面系数
第二表面：k＝-1.30000e+00  A＝0 B＝1.21009e-03  C＝-6.02818e-06 D＝-1.41438e-06 E＝8.11980e-08
第六表面：k＝6.85202e-03   A＝0 B＝-1.11855e-03 C＝1.43075e-05  D＝-8.93001e-06 E＝7.60689e-07
第十四表面：k＝0.00000e+00 A＝0 B＝-5.15160e-04 C＝2.60423e-05  D＝-2.42357e-06 E＝1.05607e-07
   数字实施例7
   f＝4.49～8.62        Fno＝2.88～3.96        2ω＝73.5～42.5
   R1＝43.809           D1＝1.10      N1＝1.743300      ν1＝49.2
#  R2＝3.388            D2＝1.89
   R3＝7.510            D3＝1.40      N2＝1.846659      ν2＝23.8
   R4＝15.849           D4＝可变
   R5＝光阑             D5＝0.59
#  R6＝4.225            D6＝1.20      N3＝1.743300      ν3＝49.2
#  R7＝7.542            D7＝可变
   R8＝15.632           D8＝0.60      N4＝1.846659      ν4＝23.8
   R9＝4.095            D9＝2.88      N5＝1.570989      ν5＝50.8
   R10＝-10.469         D10＝可变
#  R11＝16.000          D11＝1.11     N6＝1.693500      ν6＝53.2
   R12＝96.804          D12＝1.10
   R13＝∞              D13＝2.28     N7＝1.516330      ν7＝64.2
   R14＝∞
4.49        6.54        8.62
D4              8.09        4.09        1.98
D7              2.12        1.90        1.68
D10             2.35        5.38        8.42
非球面系数
第二表面：k＝-1.26655e+00  A＝0 B＝1.36048e-03  C＝5.59113e-05  D＝-7.31206e-06 E＝3.07291e-07
第六表面：k＝-3.69906e-01  A＝0 B＝2.44272e-03  C＝2.466121e-04 D＝2.35434e-05  E＝1.61948e-06
第七表面：k＝0.00000e+00   A＝0 B＝4.48079e-03  C＝3.41112e-04  D＝7.09351e-05  E＝5.42141e-06
第十一表面：k＝0.00000e+00 A＝0 B＝-4.18680e-04 C＝3.37068e-05  D＝-4.97321e-06 E＝2.65887e-07
   数字实施例8
   f＝6.76～19.09        Fno＝2.88～5.00        2ω＝67.8～26.8
   R1＝140.621           D1＝1.50      N1＝1.802380      ν1＝40.8
#  R2＝5.801             D2＝2.20
   R3＝10.507            D3＝2.00      N2＝1.846659      ν2＝23.8
#  R4＝31.769            D4＝可变
   R5＝光阑              D5＝0.80
#  R6＝5.874             D6＝2.41      N3＝1.802380      ν3＝40.8
   R7＝-15.021           D7＝0.70      N4＝1.713765      ν4＝32.5
   R8＝4.991             D8＝2.52
   R9＝11.021            D9＝0.60      N5＝1.860320      ν5＝28.6
   R10＝6.718            D10＝2.15     N6＝1.494054      ν6＝69.5
   R11＝-18.053          D11＝可变
   R12＝20.893           D12＝1.65     N7＝1.487490      ν7＝70.2
   R13＝-111.058         D13＝可变
   R14＝∞               D14＝3.10     N8＝1.516330      ν8＝64.2
   R15＝∞
Figure C0114591500231
6.76         12.72        19.09
D4               18.17        6.77         2.42
D11              3.23         12.24        21.25
D13              3.00         3.00         3.00
非球面系数
第二表面：k＝-2.07337e+00 A＝0 B＝8.01568e-04  C＝-8.25158e-06 D＝8 57719e-08  E＝-1.48257e-09
第四表面：k＝0.00000e+00  A＝0 B＝4.66298e-05  C＝-1.38758e-06 D＝3.82302e-08  E＝4.40160e-10
第六表面：k＝-1.96956e-01 A＝0 B＝-1.64445e-04 C＝3.22940e-07  D＝-4.35061e-07 E＝1.44205e-08
表2
条件式                                    数字实施例
  5   6   7   8
  (1)   dabw/fw   0.46   0.28   0.47   0.37
(4)   f2b   20.9   18.4   23.4   19.8
  f3   34.9   23.6   27.5   36.2
  (5)   f3/f2b   1.67   1.28   1.18   1.83
(第三实施例)
下面参照图33说明采用实施例1和2的变焦镜头作为照相光学系统的数字相机的实施例。
在图33中，标记10表示相机主体，标记11表示由根据上述实施例1和2的变焦镜头形成的照相光学系统，标记12表示设在相机主体中的内置闪光灯，标记13表示外部型取景器，以及标记14表示快门按钮。在照相光学系统11中，物体图象形成在固态图象传感器(未画出)上并且作为电子信息被记录。
通过将本发明的变焦镜头如此应用于光学装置例如数字相机中，可以实现具有较高光学性能的小型光学装置。
根据上述实施例，可以实现由少量透镜构成并且具有较高光学性能的小型变焦镜头以及采用该变焦镜头的光学装置。
特别地，在具有负正正光焦度结构的三透镜单元的变焦镜头中，通过最佳设置各透镜单元的透镜结构，采用非球面时非球面的位置，变焦时透镜单元的移动方式，以及聚焦方法，可以实现如下的变焦镜头，其中整个系统的透镜数量得以减小以减小总透镜长度，具有近似为3的变焦比，具有明亮而且较高的光学性能，包括广角范围，适用于数字静态相机、摄像机等，以及采用该光学镜头的光学装置。

Claims (17)

1.一种变焦镜头，从物方至象方依次包括：
一负光焦度的第一透镜单元；
一正光焦度的第二透镜单元，该第二透镜单元包括相对该第二透镜单元中的一个最大间距设置在物方的正光焦度的一个第一透镜子单元，和相对该第二透镜单元中的最大间隙设置在象方的正光焦度的一个第二透镜子单元；和
一正光焦度的第三透镜单元，
其中通过移动上述透镜单元，使在摄远端第一透镜单元与第二透镜单元之间的距离小于在广角端的距离，且在摄远端第二透镜单元与第三透镜单元之阀的距离大于在广角端的距离，以进行变焦，
其中通过移动第二透镜子单元或第三透镜单元进行聚焦，并且
其中当在广角端对无限远处的物体进行聚焦时，假设第一透镜子单元与第二透镜子单元之间的距离为d2abw并且在广角端整个系统的焦距为fw，则满足下述条件：
0.2＜d2abw/fw＜1.0。
2.如权利要求1所述的变焦镜头，其中在摄远端从第一透镜子单元出射的光束基本上是无焦点的，并且
其中，假设在摄远端对无限远处的物体实现聚焦时，第二透镜子单元的成象放大率为β2bt，则满足下述条件：
-0.30＜β2bt＜0.55。
3.如权利要求1所述的变焦镜头，其中，假设对无限远处的物体实现聚焦时，第一透镜子单元和第二透镜子单元之间在广角端和摄远端的距离分别为d2abw和d2abt，并且对距离为500×fw处的物体实现聚焦时，第一和第二透镜子单元之间在广角端和摄远端的距离分别为d2abw#fo和d2abt#fo，则满足下述条件：
(d2abt-d2abt#fo)＞(d2abw-d2abw#fo)。
4.如权利要求1所述的变焦镜头，其中在从广角端至摄远端进行变焦时，第一透镜子单元与第二透镜子单元之间的距离改变。
5.如权利要求1所述的变焦镜头，还包括一个孔径光阑，适于在变焦过程中与第一透镜子单元一体移动。
6.如权利要求5所述的变焦镜头，其中所述孔径光阑设置在第一透镜子单元的物方。
7.如权利要求1所述的变焦镜头，其中第一透镜单元由一具有非球面的负透镜元件和一正透镜元件构成。
8.如权利要求1所述的变焦镜头，其中第一透镜子单元具有至少一个胶合透镜，其通过将一正透镜元件和一负透镜元件胶合在一起形成。
9.如权利要求1所述的变焦镜头，其中第一透镜子单元具有至少两个正透镜元件。
10.如权利要求1所述的变焦镜头，其中第二透镜子单元由单一透镜组元构成。
11.如权利要求10所述的变焦镜头，其中第二透镜子单元由一单透镜元件构成。
12.如权利要求10所述的变焦镜头，其中第二透镜子单元由一胶合透镜构成。
13.如权利要求1所述的变焦镜头，其中第三透镜单元由一单透镜元件构成。
14.如权利要求1所述的变焦镜头，其中第三透镜单元在变焦时并不移动。
15.如权利要求15所述的变焦镜头，其中，假设第二透镜子单元和第三透镜单元的焦距分别为f2b和f3，则满足如下条件：
f2b＜f3。
16.如权利要求15所述的变焦镜头，其中，假设第二透镜子单元和第三透镜单元的焦距分别为f2b和f3，则满足如下条件：
1.1＜f3/f2b＜2.0。
17.一种光学装置，包括：
一如权利要求1所述的变焦镜头；和
一固态图象传感器，用于接收由所述变焦镜头形成的象。
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