CN116661096A - 变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置和图像拾取系统 - Google Patents

变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置和图像拾取系统 Download PDF

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Abstract

本公开涉及变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置和图像拾取系统。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、具有正折光力的第三透镜单元、具有正折光力的第四透镜单元和具有负折光力的第五透镜单元。在变焦期间，相邻的透镜单元之间的各个距离改变。在从广角端到望远端变焦期间，第一透镜单元朝着物侧移动，第三透镜单元与第四透镜单元之间的距离减小，并且第四透镜单元与第五透镜单元之间的距离减小。第一透镜单元中各自具有折光力的光学元件的数量为两个或更少。满足预定条件。

Description

变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置和图像拾取系统
技术领域
实施例的方面涉及适于数码摄像机、数码静态相机、广播相机、卤化银胶片相机、监视相机等的变焦透镜。
背景技术
要求在图像拾取装置中使用的变焦透镜具有高光学性能，确保大变焦比，减少变焦期间的像差波动并且具有小尺寸和轻重量。作为满足这些要求的变焦透镜，已知其中在最靠近物体的透镜单元(第一透镜单元)中各自具有折光力的光学元件的数量为两个或更少的变焦透镜。
作为包括由两个透镜组成的第一透镜单元的变焦透镜，日本专利申请公开No.(“JP”)2021-117351(示例7)公开了一种从物侧到像侧依次包括具有正折光力、负折光力、正折光力、正折光力和负折光力的第一透镜单元至第五透镜单元的变焦透镜。此外，JP2021-081660(示例2)公开了一种从物侧到像侧依次包括具有正折光力、负折光力、正折光力、正折光力、负折光力和负折光力的第一透镜单元至第六透镜单元的变焦透镜。
但是，在JP 2021-117351中公开的变焦透镜中，第一透镜单元的折光力太弱。因此，要增加第三透镜单元的折光力以提供大的变焦比，并且因此，第三透镜单元中透镜的数量增加，使得难以减轻重量。在JP 2021-081660中公开的变焦透镜中，在从广角端(wide-angle end)到望远端(telephoto end)变焦期间，第三透镜单元和第四透镜单元之间的距离的改变量相对于第四透镜单元和第五透镜单元之间的距离的改变量太大。因此，需要增加第三透镜单元和第四透镜单元中的透镜的数量以减小变焦期间的像差波动，这使得难以减轻重量。
一般而言，为了具有大的变焦比，变焦透镜需要具有在从广角端到望远端变焦期间各个透镜单元的每单位移动量的增加的横向倍率变化量。因此，需要增加各个透镜单元的折光力，但这使得各个透镜单元难以校正像差。为此，如果在变焦期间各个透镜单元移动太多，那么像差波动增加并且不能在整个变焦范围内实现高光学性能。为了减少变焦期间的像差波动，可以通过增加各个透镜单元中的透镜的数量来校正各个透镜单元中的像差，但是这使得难以减轻重量。因此，在具有少量透镜的变焦透镜中，重要的是优化各个透镜单元的折光力和变焦期间各个透镜单元的移动量。
发明内容
本公开提供了一种在整个变焦范围内具有高光学性能并且能够实现大变焦比、小尺寸和小重量的变焦透镜，以及具有该变焦透镜的图像拾取装置和图像拾取系统。
根据实施例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、具有正折光力的第三透镜单元、具有正折光力的第四透镜单元和具有负折光力的第五透镜单元。在变焦期间，相邻的透镜单元之间的各个距离改变。在从广角端到望远端变焦期间，第一透镜单元朝着物侧移动，第三透镜单元与第四透镜单元之间的距离减小，并且第四透镜单元与第五透镜单元之间的距离减小。第一透镜单元中各自具有折光力的光学元件的数量为两个或更少。满足预定条件。
包括变焦透镜的图像拾取装置也构成实施例的另一方面。
本公开的其它特征将从以下参考附图对示例性实施例的描述中变得清楚。
附图说明
图1A和图1B是根据示例1的变焦透镜在广角端(图1A)和望远端(图1B)处的截面图。
图2A和图2B是根据示例1的变焦透镜在广角端(图2A)和望远端(图2B)处的纵向像差图。
图3A和图3B是根据示例1的变焦透镜在广角端(图3A)和望远端(图3B)处的横向像差图。
图4A和图4B是根据示例2的变焦透镜在广角端(图4A)和望远端(图4B)处的截面图。
图5A和图5B是根据示例2的变焦透镜在广角端(图5A)和望远端(图5B)处的纵向像差图。
图6A和图6B是根据示例2的变焦透镜在广角端(图6A)和望远端(图6B)处的横向像差图。
图7A和图7B是根据示例3的变焦透镜在广角端(图7A)和望远端(图7B)处的截面图。
图8A和图8B是根据示例3的变焦透镜在广角端(图8A)和望远端(图8B)处的纵向像差图。
图9A和图9B是根据示例3的变焦透镜在广角端(图9A)和望远端(图9B)处的横向像差图。
图10A和图10B是根据示例4的变焦透镜在广角端(图10A)和望远端(图10B)处的截面图。
图11A和图11B是根据示例4的变焦透镜在广角端(图11A)和望远端(图11B)处的纵向像差图。
图12A和图12B是根据示例4的变焦透镜在广角端(图12A)和望远端(图12B)处的横向像差图。
图13A和图13B是根据示例5的变焦透镜在广角端(图13A)和望远端(图13B)处的截面图。
图14A和图14B是根据示例5的变焦透镜在广角端(图14A)和望远端(图14B)处的纵向像差图。
图15A和图15B是根据示例5的变焦透镜在广角端(图15A)和望远端(图15B)处的横向像差图。
图16是图像拾取装置的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图给出对本公开的变焦透镜以及具有该变焦透镜的图像拾取装置和图像拾取系统的实施例的描述。
图1A、图4A、图7A、图10A和图13A分别是根据示例1至示例5的变焦透镜L0在广角端处的截面图。图1B、图4B、图7B、图10B和图13B分别是根据示例1至示例5的变焦透镜L0在望远端处的截面图。根据各个示例的变焦透镜L0用在诸如数码摄像机、数码静态相机、广播相机、卤化银胶片相机、监视相机等的图像拾取装置中。
在各个透镜截面图中，左侧是物侧并且右侧是像侧。根据各个示例的变焦透镜L0包括多个透镜单元。在各个示例中，透镜单元是在变焦期间作为整体一体地移动或在变焦期间不移动的一组透镜。即，在根据各个示例的变焦透镜L0中，在从广角端到望远端变焦期间，相邻的透镜单元之间的各个距离改变。透镜单元可以由一个透镜组成或者可以包括多个透镜。此外，透镜单元可以包括孔径光阑。
在各个透镜截面图中，Li表示变焦透镜L0中包括的透镜单元当中从物侧数起的第i个(i是自然数)透镜单元。
SP表示孔径光阑。IP表示像平面，并且在将根据各个示例的变焦透镜L0用作数码静态相机或数码摄像机的成像光学系统的情况下，诸如CCD传感器和CMOS传感器之类的固态图像传感器(光电转换元件)的图像拾取平面部署在像平面IP上。在将根据各个示例的变焦透镜L0用作卤化银胶片相机的成像光学系统的情况下，与胶片表面对应的光敏表面部署在像平面IP上。
在根据各个示例的变焦透镜L0中，在从广角端到望远端变焦期间，各个透镜单元如图1A、图4A、图7A、图10A和图13A中的各个截面图中的实线箭头所指示的那样移动。在从无限远距离处的物体向最近距离处的物体聚焦期间，各个透镜单元如图1A、图4A、图7A、图10A和图13A中的各个截面图中的虚线箭头所指示的那样移动。
图2A、图5A、图8A、图11A和图14A分别是根据示例1至示例5的变焦透镜L0在广角端处的纵向像差图。图2B、图5B、图8B、图11B和图14B分别是根据示例1至示例5的变焦透镜L0在望远端处的纵向像差图。
在各个球面像差图中，FNO表示F数，并且关于d线(波长587.56nm)和g线(波长435.835nm)绘制球面像差的量。在各个像散图中，S表示弧矢像平面上的像散量，M表示子午像平面上的像散量。各个畸变(distortion)图例示关于d线的畸变量。各个色差图例示关于g线的横向色差量。ω表示通过近轴计算获得的图像拾取半视角(°)。
图3A、图6A、图9A、图12A和图15A分别是根据示例1至示例5的变焦透镜L0在广角端处的横向像差图。图3B、图6B、图9B、图12B和图15B分别是根据示例1至示例5的变焦透镜L0在望远端处的横向像差图。各个图包括在从上到下依次为图像高度100％、图像高度80％、图像高度70％、图像高度50％，以及中心处的相对于d线和g线的像差图。虚线S(d)表示d线处的弧矢像平面，实线M(d)表示d线处的子午像平面，并且双点划线M(g)表示g线处的子午像平面。
接下来，给出根据各个示例的变焦透镜L0的特征配置的描述。
根据各个示例的变焦透镜L0从物侧到像侧依次包括具有正折光力的第一透镜单元L1、具有负折光力的第二透镜单元L2、具有正折光力的第三透镜单元L3、具有正折光力的第四透镜单元L4和具有负折光力的第五透镜单元L5。在根据各个示例的变焦透镜L0中，相邻的透镜单元之间的各个距离在变焦期间改变。这种配置促进变焦透镜L0的尺寸减小。通过将一个或多个透镜单元放置在第五透镜单元L5的像侧，可以获得类似的效果。
在根据各个示例的变焦透镜L0中，在从广角端到望远端变焦期间，第一透镜单元L1向物侧移动。这缩短了广角端处的总透镜长度，从而促进尺寸的减小。在从广角端到望远端变焦期间，第三透镜单元L3与第四透镜单元L4之间的距离减小，并且在从广角端到望远端变焦期间，第四透镜单元L4与第五透镜单元L5之间的距离减小。这指示根据各个示例的变焦透镜L0在望远端处具有望远型光焦度布置，这促进缩短总透镜长度。第一透镜单元L1中各自具有折光力的光学元件的数量为两个或更少。这促进变焦透镜L0的重量减轻。
根据各个示例的变焦透镜L0满足以下不等式(1)。
0.50 < f1/f3 < 2.70 (1)
f1表示第一透镜单元L1的焦距，并且f3表示第三透镜单元L3的焦距。
不等式(1)指定第一透镜单元L1的焦距f1与第三透镜单元L3的焦距f3之间的比率。相对于第三透镜单元L3的焦距f3适当地设置第一透镜单元L1的焦距f1可以增加第二透镜单元L2的变焦分担比(倍率变化的份额)的绝对值|β2wt|与变焦比的比率。这使得可以在不增加各个透镜单元中透镜的数量的情况下充分增加变焦比。如果第一透镜单元L1的焦距f1太长以至于该值大于不等式(1)的上限值，那么第二透镜单元L2的变焦分担比的绝对值|β2wt|与变焦比的比率如此小，以至于难以在减轻重量的同时提供大的变焦比。此外，难以缩短广角端处的总透镜长度。如果第三透镜单元L3的焦距f3太短以至于该值大于不等式(1)的上限值，那么第三透镜单元L3中的透镜的数量增加使得变焦期间的像差波动减小，这使得难以减轻变焦透镜L0的重量。如果第一透镜单元L1的焦距f1太短以至于该值小于不等式(1)的下限值，那么难以校正第一透镜单元L1中出现的各种像差，诸如球面像差。如果为了校正那些像差而增加第一透镜单元L1中的透镜的数量，那么难以减轻变焦透镜L0的重量。如果第三透镜单元L3的焦距f3太长以至于该值小于不等式(1)的下限值，那么总透镜长度增加并且变焦透镜L0变大。
根据各个示例的变焦透镜L0还满足以下不等式(2)。
0.18 < |M34/M45| < 0.70 (2)
M34是在从广角端到望远端变焦中第三透镜单元L3与第四透镜单元L4之间的距离的改变量(下文中也称为“距离改变量”)。M45是在从广角端到望远端变焦中第四透镜单元L4与第五透镜单元L5之间的距离的改变量。M34和M45是由以下等式定义的量，其中M3、M4和M5分别表示在从广角端到望远端变焦中第三透镜单元L3、第四透镜单元L4和第五透镜单元L5的移动量。
M34＝M4-M3
M45＝M5-M4
移动量M3、M4和M5的起始点分别是第三透镜单元L3、第四透镜单元L4和第五透镜单元L5中最靠近物体的表面顶点在广角端处的位置。移动量M3、M4和M5中的每一个的符号在透镜单元位于起始点的物侧时为负。
不等式(2)指定第三透镜单元L3与第四透镜单元L4之间的距离的改变量M34与第四透镜单元L4与第五透镜单元L5之间的距离的改变量M45之间的比率的绝对值。当相对于距离改变量M45适当地设置距离改变量M34时，在第三透镜单元L3中的透镜的数量减少的同时，容易减少变焦期间的像差波动。如果第三透镜单元L3与第四透镜单元L4之间的距离的改变量M34的绝对值太大以至于该值大于不等式(2)的上限值，那么变焦期间的像差波动大。如果第四透镜单元L4与第五透镜单元L5之间的距离的改变量M45太小以至于该值大于不等式(2)的上限值，那么难以获取期望的变焦比，因此，要通过增加第四透镜单元L4和第五透镜单元L5中的透镜的数量来增强折光力。这使得难以减轻变焦透镜L0的重量。如果第三透镜单元L3与第四透镜单元L4之间的距离的改变量M34的绝对值太小以至于该值小于不等式(2)的下限值，那么第三透镜单元L3与第四透镜单元L4之间的距离的改变难以校正在变焦期间出现的像差波动。如果第四透镜单元L4与第五透镜单元L5之间的距离的改变量M45太大以至于该值小于不等式(2)的下限值，那么第五透镜单元L5的广角端处的位置离孔径光阑SP太远。这增加了第五透镜单元L5的有效直径，使得难以减轻变焦透镜L0的重量。
不等式(1)和(2)的数值范围可以是以下不等式(1a)和(2a)的数值范围。
0.80<f1/f3<2.65(1a)
0.19<|M34/M45|<0.68(2a)
不等式(1)和(2)的数值范围可以是以下不等式(1b)和(2b)的数值范围。
0.90<f1/f3<2.60(1b)
0.20<|M34/M45|<0.67(2b)
通过上述配置，可以实现具有在整个变焦范围内的高光学性能和大变焦比的小而轻的变焦透镜。
接下来，给出根据各个示例的变焦透镜L0中可以满足的配置的描述。
具有正折光力的光学元件可以部署在第一透镜单元L1的最靠近像平面的位置上。这使得容易减小变焦透镜L0的尺寸和重量并且实现其中色差和其它像差被良好校正的变焦透镜。
孔径光阑SP可以部署在第二透镜单元L2与第三透镜单元L3之间。由此，可以减小部署在孔径光阑SP的像侧的透镜单元的有效直径，从而促进变焦透镜L0的重量减轻。
在从广角端到望远端变焦期间，第二透镜单元L2可以相对于像平面IP不移动。这使得用于保持第二透镜单元L2的机构简单，这促进第二透镜单元L2和变焦透镜L0的尺寸减小。
第三透镜单元L3或第四透镜单元L4中的透镜的数量可以是两个或更少。这使得可以减轻第三透镜单元L3或第四透镜单元L4的重量，从而促进变焦透镜L0的重量减轻。
第三透镜单元L3和第四透镜单元L4中的透镜表面当中的至少一个透镜表面可以是非球面表面。这使得可以减少第三透镜单元L3或第四透镜单元L4中的透镜的数量，从而在减轻变焦透镜L0的重量的同时减少变焦期间的像差波动。
在从无限远距离处的物体到最近距离处的物体聚焦期间，第五透镜单元L5可以移动。即，可以通过第五透镜单元L5执行从无限远距离处的物体到最近距离处的物体的聚焦。在孔径光阑SP的像侧的透镜单元中，光束的有效直径可能小。因此，如果将孔径光阑SP的像侧的透镜单元用作聚焦透镜单元，那么可以使其保持机构和驱动机构简单，并且可以减小整个系统的透镜有效直径，这促进变焦透镜L0的重量减轻。此外，在孔径光阑SP的像侧，变焦效果相对小，因此在从无限远距离处的物体到最近距离处的物体聚焦期间可以减小图像倍率变化。在这方面，可以减少所谓的呼吸(breathing)，使得变焦透镜L0适于运动图像捕获，呼吸是当聚焦透镜单元从无限远距离处的物体向最近距离处的物体移动时视角的变化。特别地，通过将第五透镜单元L5用作聚焦透镜单元，可以很好地增加聚焦灵敏度并且可以减少第五透镜单元L5在聚焦期间的移动量，从而促进变焦透镜L0的尺寸减小。
在包括与光轴正交的方向的分量的方向上驱动任何透镜单元的整体或一部分可以提供减少由图像模糊(抖动)造成的图像质量劣化的效果。特别地，在图像稳定中，第二透镜单元L2可以在包括与光轴正交的方向的分量的方向上被驱动。使用第二透镜单元L2作为图像稳定透镜单元可以减少图像稳定期间透镜单元的移动量，同时简化图像稳定机构，从而促进变焦透镜L0的尺寸减小。第二透镜单元L2通过在包括与光轴正交的方向的分量的方向上移动来执行图像稳定，因此在通过在包括绕某个点的旋转分量的方向上的移动来执行图像稳定的情况下(即，在通过旋转执行图像稳定的情况下)，可以获取相同的效果。
给出根据各个示例的变焦透镜L0可以满足的条件的描述。根据各个示例的变焦透镜L0可以满足以下不等式(3)至(9)中的一个或多个。
0.50 < TTLt/ft < 1.00 (3)
0.90 < |β2wt/βRwt| < 10.00 (4)
2.0 < |M1/M3| < 4.0 (5)
0.3 < f1/ft < 0.7 (6)
0.18 < f3/ft < 0.70 (7)
0.10 < f4/ft < 0.30 (8)
-0.22 < f5/ft < -0.10 (9)
TTLt表示从在望远端处的变焦透镜L0的最靠近物体的表面到像平面IP的光轴上的距离(总透镜长度)。ft表示变焦透镜L0在望远端处的焦距。β2wt表示第二透镜单元L2在从广角端到望远端变焦中的变焦分担比(zooming sharing ratio)。βRwt表示在从广角端到望远端变焦中从第四透镜单元L4到部署在最靠近像平面的位置上的透镜单元的组合透镜单元的变焦分担比。M1表示第一透镜单元L1在从广角端到望远端变焦中的移动量。M3表示第三透镜单元L3在从广角端到望远端变焦中的移动量。f4表示第四透镜单元L4的焦距。f5表示第五透镜单元L5的焦距。
移动量M1的起始点是第一透镜单元L1中最靠近物体的表面顶点在广角端处的位置。当第一透镜单元位于起始点的物侧时，移动量M1的符号为负。移动量M3的起始点是第三透镜单元L3中最靠近物体的表面顶点在广角端处的位置，当第三透镜单元L3在起始点的物侧时，移动量M3的符号为负。变焦分担比β2wt和βRwt是如下定义的量。
β2wt＝β2t/β2w
βRwt＝βRt/βRw
β2w表示第二透镜单元L2在广角端处的横向倍率。β2t表示第二透镜单元L2在望远端处的横向倍率。βRw表示从第四透镜单元到最靠近像平面的透镜单元的透镜单元的组合透镜单元在广角端处的组合横向倍率。βRt表示从第四透镜单元到最靠近像侧定位的透镜单元的透镜单元的组合透镜单元在望远端处的组合横向倍率。
组合横向倍率βRw是由从第四透镜单元L4到最靠近像侧的透镜单元的所有透镜单元在广角端处的横向倍率的无限乘积(infinite product)所表达的量，并且组合横向倍率βRt是由从第四透镜单元L4到最靠近像侧的透镜单元的所有透镜单元在望远端处的横向倍率的无限乘积所表达的量。
不等式(3)指定从在望远端处的变焦透镜L0中的最靠近物侧的表面到像平面IP的光轴上的距离TTLt与变焦透镜L0在望远端处的焦距ft之间的比率。适当地设置距离TTLt促进变焦透镜L0的尺寸和重量的减小。如果距离TTLt的值相对于变焦透镜L0的焦距ft太小以至于该值小于不等式(3)的下限值，那么变焦透镜L0中各个透镜单元的折光力太强。在这种情况下，要增加各个透镜单元中的透镜的数量以便校正各个透镜单元中出现的像差，这使得难以减轻变焦透镜L0的重量。如果距离TTLt的值相对于焦距ft太大以至于该值大于不等式(3)的上限值，那么第一透镜单元L1在望远端处的直径大，这使得难以减轻变焦透镜L0的重量。此外，变焦透镜L0在广角端处的总透镜长度变长。
不等式(4)指定第二透镜单元L2的变焦分担比β2wt与从第四透镜单元L4到最靠近像平面的透镜单元的组合透镜单元的变焦分担比βRwt之间的比率的绝对值。相对于变焦分担比βRwt适当地设置变焦分担比β2wt的值使得容易实现大变焦比和短的总长度两者。如果变焦分担比β2wt的绝对值相对于变焦分担比βRwt的绝对值太小以至于该值小于不等式(4)的下限值，那么指派给第四透镜单元L4或者在第四透镜单元L4像侧、在变焦期间移动量小的透镜单元的变焦比增加。因此，为了获取大变焦比，第四透镜单元L4或在第四透镜单元L4像侧的透镜单元的折光力要增加。因此，第四透镜单元L4或在第四透镜单元L4像侧的透镜单元中的透镜的数量增加，使得难以减轻变焦透镜L0的重量。如果变焦分担比β2wt的绝对值相对于变焦分担比βRwt的绝对值太大以至于该值大于不等式(4)的上限值，那么第一透镜单元L1的折光力太大以至于第一透镜单元L1中的透镜的数量增加。因此，变得难以减轻变焦透镜L0的重量。
不等式(5)指定在从广角端到望远端变焦期间第一透镜单元L1的移动量M1与第三透镜单元L3的移动量M3之间的比率的绝对值。相对于移动量M3适当地设置移动量M1的值使得容易在获取大变焦比的同时减小变焦透镜L0的尺寸和重量。如果第一透镜单元L1的移动量M1的绝对值太小以至于该值小于不等式(5)的下限值，那么广角端处的总透镜长度长，这使得难以减小变焦透镜L0的尺寸。如果第三透镜单元L3的移动量M3的绝对值太大以至于该值小于不等式(5)的下限值，那么变焦期间的像差波动增加，并且为了校正像差波动，第三透镜单元L3中的透镜的数量增加。因此，变得难以减轻变焦透镜L0的重量。如果第一透镜单元L1的移动量M1的绝对值太大以至于该值大于不等式(5)的上限值，那么变焦期间的像差波动增加。为了减小像差波动，要增加第一透镜单元L1中的透镜的数量，这使得难以减轻变焦透镜L0的重量。如果第三透镜单元L3的移动量M3的绝对值太小以至于该值大于不等式(5)的上限值，那么难以获得足够的变焦比。
不等式(6)指定第一透镜单元L1的焦距f1与变焦透镜L0在望远端处的焦距ft之间的比率。相对于望远端处的焦距ft适当地设置第一透镜单元L1的焦距f1使得容易缩短变焦透镜L0的总长度，同时维持高光学性能。如果第一透镜单元L1的焦距f1相对于望远端处的焦距ft太短以至于该值小于不等式(6)的下限值，那么第一透镜单元L1中的透镜的数量增加，以便校正诸如球面像差之类的各种像差。这使得难以减轻变焦透镜L0的重量。如果第一透镜单元L1的焦距f1太长以至于该值大于不等式(6)的上限值，那么总透镜长度变长，这使得难以减小变焦透镜L0的尺寸。
不等式(7)指定第三透镜单元L3的焦距f3与变焦透镜L0在望远端处的焦距ft之间的比率。相对于望远端处的焦距ft适当地设置第三透镜单元L3的焦距f3使得容易实现透镜数量的减少和大变焦比二者。如果第三透镜单元L3的焦距f3相对于望远端处的焦距ft太短以至于该值小于不等式(7)的下限值，那么第三透镜单元L3中的透镜的数量增加以便减小变焦期间各种像差(诸如彗差)的波动。这使得难以减轻变焦透镜L0的重量。如果第三透镜单元L3的焦距f3太长以至于该值大于不等式(7)的上限值，那么难以获得期望的变焦比。
不等式(8)指定第四透镜单元L4的焦距f4与变焦透镜L0在望远端处的焦距ft之间的比率。相对于望远端处的焦距ft适当地设置第四透镜单元L4的焦距f4使得容易实现透镜数量的减少和大变焦比两者。如果第四透镜单元L4的焦距f4相对于望远端处的焦距ft太短以至于该值小于不等式(8)的下限值，那么第四透镜单元L4中的透镜的数量增加以便减小变焦期间各种像差(诸如慧差)的波动。这使得难以减轻变焦透镜L0的重量。如果第四透镜单元L4的焦距f4太长以至于该值大于不等式(8)的上限值，那么难以获得期望的变焦比。
不等式(9)指定第五透镜单元L5的焦距f5与变焦透镜L0在望远端处的焦距ft之间的比率。相对于望远端处的焦距ft适当地设置第五透镜单元L5的焦距f5使得容易实现透镜数量的减少和大变焦比两者。此外，如果变焦透镜L0满足不等式(9)，那么在第五透镜单元L5用于从无限远距离处的物体向最近距离处的物体聚焦的情况下，容易实现聚焦透镜单元的重量减轻和良好的聚焦灵敏度两者。如果第五透镜单元L5的焦距f5相对于望远端处的焦距ft太短以至于该值小于不等式(9)的下限值，那么第五透镜单元L5中的透镜的数量增加以便减小在变焦期间的各种像差(诸如场曲)的波动。这使得难以减轻变焦透镜L0的重量。如果该值小于不等式(9)的下限值，那么在第五透镜单元L5用作聚焦透镜单元的情况下，聚焦灵敏度太高，因此使用致动器控制聚焦透镜单元变得困难。如果第五透镜单元L5的焦距f5太长以至于该值大于不等式(9)的上限值，那么难以获取期望的变焦比。而且，如果超过不等式(9)的上限值，那么在第五透镜单元用作聚焦透镜单元的情况下，聚焦透镜单元在聚焦期间的移动量太大，使得难以减小变焦透镜L0的尺寸。
不等式(3)至(9)的数值范围可以是以下不等式(3a)至(9a)的数值范围。
0.70<TTLt/ft<0.80(3a)
0.92<|β2wt/βRwt|<9.00(4a)
2.1<|M1/M3|<3.8(5a)
0.4<f1/ft<0.6(6a)
0.20<f3/ft<0.60(7a)
0.11<f4/ft<0.25(8a)
-0.20<f5/ft<-0.11(9a)
不等式(3)至(9)的数值范围可以是以下不等式(3b)至(9b)的数值范围。
0.74<TTLt/ft<0.77(3b)
0.93<|β2wt/βRwt|<8.40(4b)
2.2<|M1/M3|<3.5(5b)
0.50<f1/ft<0.58(6b)
0.22<f3/ft<0.52(7b)
0.12<f4/ft<0.21(8b)
-0.19<f5/ft<-0.12(9b)
接下来，给出根据各个示例的变焦透镜L0的详细描述。
给出根据示例1至示例3的变焦透镜L0的透镜配置的描述。图1A和图1B、图4A和图4B以及图7A和图7B分别例示了根据示例1至示例3的变焦透镜L0的透镜截面。根据示例1至示例3中的每一个的变焦透镜L0包括第一透镜单元至第五透镜单元。L1表示具有正折光力的第一透镜单元，L2表示具有负折光力的第二透镜单元，L3表示具有正折光力的第三透镜单元，L4表示具有正折光力的第四透镜单元，并且L5表示具有负折光力的第五透镜单元。通过朝着像侧移动，第五透镜单元L5可以执行从无限远距离处的物体到最近距离处的物体的聚焦。通过在包括与光轴正交的方向的分量的方向上驱动，第二透镜单元L2可以提供减少由图像模糊(抖动)造成的图像质量劣化的效果。
给出根据示例4的变焦透镜L0的透镜配置的描述。图10A和图10B例示了根据示例4的变焦透镜L0的透镜截面。根据示例4的变焦透镜L0包括第一透镜单元至第六透镜单元。L1表示具有正折光力的第一透镜单元，L2表示具有负折光力的第二透镜单元，L3表示具有正折光力的第三透镜单元，L4表示具有正折光力的第四透镜单元，L5表示具有负折光力的第五透镜单元，并且L6表示具有负折光力的第六透镜单元。通过朝着像侧移动，第五透镜单元L5可以执行从无限远距离处的物体到最近距离处的物体的聚焦。通过在包括与光轴正交的方向的分量的方向上驱动，第二透镜单元L2可以提供减少由图像模糊(抖动)造成的图像质量劣化的效果。
给出根据示例5的变焦透镜L0的透镜配置的描述。图13A和图13B例示了根据示例5的变焦透镜L0的透镜截面。根据示例5的变焦透镜L0包括第一透镜单元至第六透镜单元。L1表示具有正折光力的第一透镜单元，L2表示具有负折光力的第二透镜单元，L3表示具有正折光力的第三透镜单元，L4表示具有正折光力的第四透镜单元，L5表示具有负折光力的第五透镜单元，并且L6表示具有正折光力的第六透镜单元。通过朝着像侧移动，第五透镜单元L5可以执行从无限远距离处的物体到最近距离处的物体的聚焦。通过在包括与光轴正交的方向的分量的方向上驱动，第二透镜单元L2可以提供减少由图像模糊(抖动)造成的图像质量劣化的效果。
下面提供分别与示例1至示例5对应的数值示例1至数值示例5。
在各个数值示例的表面数据中，r(mm)表示各个光学表面的曲率半径，并且d(mm)表示从第m个表面到第(m+1)个表面的轴上距离(光轴上的距离)。m是从光入射侧算起的表面编号。nd表示各个光学构件相对于d线的折射率，并且νd表示光学构件的阿贝数。某种材料的阿贝数νd由下式表达，其中Nd、NF和NC表示相对于夫琅和费(Fraunhofer)线的d线(587.56nm)、F线(486.13nm)和C线(656.27nm)的折射率。
νd＝(Nd-1)/(NF-NC)
在各个数值示例中，通过近轴计算获得的d(mm)、焦距(mm)、F数、半视角(°)都是在根据各个示例的变焦透镜L0聚焦在无限远距离处的物体上的状态下获得的值。后焦距BF是从最终透镜表面(最接近像平面的透镜表面)到近轴像平面的光轴上的距离，以空气转换长度(air conversion length)表达。总透镜长度是通过将后焦距加到从第一透镜表面(最靠近物体的透镜表面)到最终透镜表面的光轴上的距离上而获取的长度。透镜单元不限于包括多个透镜的透镜单元并且可以由单个透镜构成。
在光学表面是非球面表面的情况下，符号*附在表面编号的右侧。非球面表面的形状由下式表达，其中X表示在光轴方向上距表面顶点的位移量，h表示在与光轴正交的方向上距光轴的高度，R表示近轴曲率半径，K表示圆锥常数，并且A4、A6、A8、A10和A12表示相应阶的非球面表面系数。
x＝(h2/R)/[1+{1-(1+K)(h/R)2}1/2]+A4×h4+A6×h6+A8×h8+A10×h10+A12×h12
各个非球面表面系数中的“e±XX”表示“×10±XX”。
[数值示例1]
单位mm
表面数据
非球面表面数据
第15表面
K＝0.00000e+00A4＝5.54876e-05A6＝1.06102e-07A8＝-1.28230e-09
A10＝2.87863e-11A12＝-3.23250e-14
各种数据
变焦透镜单元数据
[数值示例2]
单位mm
表面数据
非球面表面数据
第15表面
K＝0.00000e+00A4＝6.52836e-05A6＝1.80332e-07A8＝-2.40292e-09
A10＝3.90789e-11A12＝-1.26282e-13
各种数据
变焦透镜单元数据
[数值示例3]
单位mm
表面数据
非球面表面数据
第15表面
K＝0.00000e+00A4＝4.11714e-05A6＝9.36576e-08A8＝-3.25755e-09
A10＝1.24523e-10A12＝-1.30291e-12
各种数据
变焦透镜单元数据
[数值示例4]单位mm表面数据
非球面表面数据
第15表面
K＝0.00000e+00A4＝2.95366e-05A6＝1.01448e-07A8＝-4.38121e-09
A10＝1.20732e-10A12＝-1.07166e-12
各种数据
变焦透镜单元数据
[数值示例5]单位mm表面数据
非球面表面数据
第11表面
K＝0.00000e+00A4＝1.89753e-07A6＝-1.83776e-08A8＝1.98799e-10
第15表面
K＝0.00000e+00A 4＝4.67419e-05A 6＝1.45817e-07A 8＝-7.40629e-09
A10＝2.95336e-10A12＝-3.48988e-12
各种数据
变焦透镜单元数据
在表1和表2中总结各个数值示例的各种值。
表1
示例1 示例2 示例3 示例4 示例5
fw 55.724 55.700 55.700 51.472 49.711
ft 202.991 203.699 200.000 210.871 201.948
TTLt 154.013 152.604 153.100 160.371 154.276
β2w -0.477 -0.551 -0.490 -0.432 -0.403
β3w 15.672 2.108 -2.243 -6.802 -8.360
β4w -0.032 -0.227 0.239 0.084 0.069
β5w 2.136 1.952 1.839 1.619 2.164
β6w - - - 1.089 0.852
β2t -1.628 -2.040 -1.571 -1.745 -1.569
β3t -4.806 4.689 -1.267 -1.610 -2.097
β4t 0.076 -0.068 0.308 0.221 0.190
β5t 3.073 2.894 2.828 2.595 3.200
β6t - - - 1.105 0.870
f1 110.763 108.034 115.333 118.164 116.231
f2 -29.028 -30.574 -29.993 -33.180 -30.970
f3 61.517 105.185 44.521 57.055 55.343
f4 28.175 26.230 40.101 39.029 37.297
f5 -29.404 -31.130 -32.288 -39.956 -24.913
M1 -43.060 -40.452 -42.140 -57.855 -57.146
M2 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
M3 -16.689 -18.039 -17.141 -16.537 -16.349
M4 -20.303 -19.956 -23.044 -25.196 -18.214
M5 -27.534 -29.321 -31.950 -39.830 -26.442
M12 43.060 40.452 42.140 57.855 57.146
M23 -16.689 -18.039 -17.141 -16.537 -16.349
M34 -3.614 -1.917 -5.903 -8.660 -1.865
M45 -7.231 -9.365 -8.907 -14.633 -8.228
表2
不等式 示例1 示例2 示例3 示例4 示例5
(1)f1/f3 1.801 1.027 2.591 2.071 2.100
(2)|M34/M45| 0.500 0.205 0.663 0.592 0.227
(3)TLt/ft 0.759 0.749 0.766 0.761 0.764
(4)|β2wt/βRwt| 0.982 8.319 1.618 0.959 0.937
(5)|M1/M3| 2.580 2.242 2.458 3.499 3.495
(6)f1/ft 0.546 0.530 0.577 0.560 0.576
(7)f3/ft 0.303 0.516 0.223 0.271 0.274
(8)f4/ft 0.139 0.129 0.201 0.185 0.185
(9)f5/ft -0.145 -0.153 -0.161 -0.189 -0.123
图像拾取装置
接下来，参考图16，给出使用本公开的变焦透镜L0作为成像光学系统的数码静态相机(图像拾取装置)10的实施例的描述。在图16中，附图标记13表示相机主体，并且附图标记11表示包括根据示例1至示例5的变焦透镜L0中的任何一个的成像光学系统。附图标记12表示固态图像传感器(光电转换元件)，诸如CCD传感器和CMOS传感器，其内置于相机主体13中并且接收且光电转换由成像光学系统11形成的光学图像。相机主体13可以是具有快速返回镜(quick return mirror)的所谓的单透镜反光相机(single-lens reflex camera)，或者是没有快速返回镜的所谓的无反光镜相机(mirrorless camera)。
如上所述，通过将本公开的变焦透镜L0应用于诸如数码静态相机之类的图像拾取装置，可以获取具有小透镜的图像拾取装置。
图像拾取系统
图像拾取系统(监视相机系统)可以被配置为包括根据任何示例的变焦透镜L0和控制变焦透镜L0的控制单元。在这种情况下，控制单元可以控制变焦透镜，使得各个透镜单元在变焦、聚焦或图像稳定期间如上所述移动。此时，控制单元不需要与变焦透镜L0集成，并且控制器可以与变焦透镜LO分开配置。例如，配置可以使得远离驱动变焦透镜L0的各个透镜的驱动单元定位的控制单元(控制装置)包括传输单元，该传输单元传输用于控制变焦透镜L0的控制信号(指令)。利用这种控制单元，可以远程控制变焦透镜L0。
此外，配置可以使得控制单元设置有用于远程操作变焦透镜L0的诸如控制器和按钮之类的操作单元，并且根据用户对操作单元的输入来控制变焦透镜。例如，提供放大按钮和缩小按钮作为操作单元。在这种情况下，配置可以使得从控制单元向变焦透镜L0的驱动单元传输信号，使得当用户按下放大按钮时，变焦透镜的倍率增加，并且当用户按下缩小按钮时，变焦透镜的倍率减小。
图像拾取系统可以包括诸如液晶面板之类的显示单元，其显示关于变焦透镜L0的变焦的信息(移动状态)。关于变焦透镜L0的变焦的信息是例如各个透镜单元的变焦倍率(变焦状态)和移动量(移动状态)。在这种情况下，用户可以在查看显示单元上显示的关于变焦透镜L0的变焦的信息的同时经由操作单元远程操作变焦透镜L0。此时，显示单元和操作单元可以通过采用触摸面板等而一体配置。
根据上述实施例，可以提供具有在整个变焦范围内的高光学性能和大变焦比的小而轻的变焦透镜。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被给予最广泛的解释，以便涵盖所有此类修改以及等同的结构和功能。

Claims (19)

1.一种变焦透镜，从物侧到像侧依次包括：
第一透镜单元，具有正折光力；
第二透镜单元，具有负折光力；
第三透镜单元，具有正折光力；
第四透镜单元，具有正折光力；以及
第五透镜单元，具有负折光力，
其中在变焦期间，相邻的透镜单元之间的各个距离改变，
其中，在从广角端到望远端变焦期间，第一透镜单元朝着物侧移动，第三透镜单元与第四透镜单元之间的距离减小，并且第四透镜单元与第五透镜单元之间的距离减小，
其中第一透镜单元中各自具有折光力的光学元件的数量为两个或更少，以及
其中满足以下不等式：
0.50<f1/f3<2.70
0.18<|M34/M45|<0.70
其中f1表示第一透镜单元的焦距，f3表示第三透镜单元的焦距，M34表示在从广角端到望远端变焦期间第三透镜单元与第四透镜单元之间的距离的改变量，并且M45表示在从广角端到望远端变焦期间第四透镜单元与第五透镜单元之间的距离的改变量。
2.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中满足以下不等式：
0.50<TTLt/ft<1.00
其中TTLt表示在望远端处从变焦透镜中最靠近物体的表面到像平面的光轴上的距离，并且ft表示变焦透镜在望远端处的焦距。
3.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中满足以下不等式：
0.90<|β2wt/βRwt|<10.00
其中β2wt表示第二透镜单元在从广角端到望远端变焦期间的变焦分担比，并且βRwt表示从第四透镜单元到最靠近像平面的透镜单元的透镜单元的组合透镜单元在从广角端到望远端变焦期间的变焦分担比。
4.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中满足以下不等式：
2.0<|M1/M3|<4.0
其中M1表示第一透镜单元在从广角端到望远端变焦期间的移动量，并且M3表示第三透镜单元在从广角端到望远端变焦期间的移动量。
5.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中满足以下不等式：
0.3<f1/ft<0.7
其中ft表示变焦透镜在望远端处的焦距。
6.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中满足以下不等式：
0.18<f3/ft<0.70
其中f3表示第三透镜单元的焦距，ft表示变焦透镜在望远端处的焦距。
7.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中满足以下不等式：
0.10<f4/ft<0.30
其中f4表示第四透镜单元的焦距，并且ft表示变焦透镜在望远端处的焦距。
8.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中满足以下不等式：
-0.22<f5/ft<-0.10
其中f5表示第五透镜单元的焦距，并且ft表示变焦透镜在望远端处的焦距。
9.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中具有正折光力的光学元件部署在第一透镜单元中最靠近像平面的位置处。
10.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中孔径光阑部署在第二透镜单元与第三透镜单元之间。
11.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中在从广角端到望远端变焦期间，第二透镜单元相对于像平面不移动。
12.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中第三透镜单元中的透镜的数量为两个或更少。
13.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中第四透镜单元中的透镜的数量为两个或更少。
14.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中在第三透镜单元和第四透镜单元的透镜表面当中，至少一个透镜表面是非球面表面。
15.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中在从无限远距离处的物体向最近距离处的物体聚焦期间，第五透镜单元移动。
16.根据权利要求1所述的变焦透镜，其中在图像稳定期间，第二透镜单元在包括与光轴正交的方向的分量的方向上移动。
17.根据权利要求1至16中的任一项所述的变焦透镜，其中变焦透镜包括多个透镜单元，并且其中所述多个透镜单元从物侧到像侧依次由第一透镜单元、第二透镜单元、第三透镜单元、第四透镜单元和第五透镜单元构成。
18.根据权利要求1至16中的任一项所述的变焦透镜，其中变焦透镜包括多个透镜单元，并且其中所述多个透镜单元从物侧到像侧依次由所述第一透镜单元、所述第二透镜单元、所述第三透镜单元、所述第四透镜单元、所述第五透镜单元和第六透镜单元构成。
19.一种图像拾取装置，包括：
根据权利要求1至18中的任一项所述的变焦透镜；以及
图像传感器，被配置为接收由变焦透镜形成的图像的光。
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