CN1167268A - 变焦距透镜光学系统 - Google Patents

变焦距透镜光学系统 Download PDF

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Abstract

一个变焦距透镜光学系统包括：一个具有正放大率且焦距为F1的用来对景物聚焦的第一透镜组；一个具有负放大率且焦距为F2的第二透镜组，通过沿光轴移动来改变由第一透镜组聚焦的图象大小；一个具有正放大率且焦距为F3的第三透镜组，用于传输经第二透镜组改变的图象；以及一个具有正放大率且焦距为F4的第四透镜组，通过沿光轴移动来对应景物距离的变化进行聚焦，同时，还对随第二透镜组位置而变的象点位移进行补偿。

Description

变焦距透镜光学系统
本发明涉及一种适用于静物照相机和视频摄象机的变焦距透镜光学系统，尤其涉及一种光学性能经改善的，即具有高变焦比性能且透镜长度显著减小的可变焦距透镜光学系统。
一般来说，凡适用于静物照相机和视频摄象机的变焦距透镜光学系统均要求有良好的光学性能，如大孔径，高变焦比，且尺寸要小。具有这样一种结构的变焦透镜必须使多组透镜同时沿一确定轨道移动进行调焦，因而变焦距透镜光学系统的结构就难免变得复杂。同时，在要求高调焦比及大孔径情况下，用以校正象差所需的透镜数目增多，因而其小型化就变得非常困难。
为解决上述的某些问题，本申请人曾在韩国专利申请Nos.93-29590、93-29591和93-29592中披露过“一种采用非球面透镜的光学系统”。该项发明通过固定某些选用的透镜组来实现变焦透镜的小型化，部分地解决了前述的某些问题。然而，由于与其结构相关的问题，小型化限于构成一种性能较低的变焦透镜光学系统。
因此，本发明旨在克服采用前面披露的非球面透镜所成光学系统的限制。本发明的目的在于提供一种小型化的、且具有高调焦比和大孔径等优良光学性能的变焦距透镜光学系统。为达到上述目的，这里提供的一种变焦距透镜光学系统包括：一个具有正放大率且焦距为F1的第一透镜组，用来对景物聚焦；一个具有负放大率且焦距为F2的第二透镜组，该透镜组为移动式装配，通过沿与第一透镜组相同的光轴移动来改变由第一透镜组聚焦的图象大小；一个具有正放大率且焦距为F3的第三透镜组，该透镜组固定安装，以传输经第二透镜组改变的图象；一个具有正放大率且焦距为F4的第四透镜组，该透镜组沿光轴移动式装配，以便对应景物距离的变化进行聚焦，同时，还通过沿光轴的移动，对随第二透镜组位置而变的象点位移进行补偿，并满足下述条件：1.0＜｜F2/FW｜＜1.50.9＜｜F1/F3｜＜1.52.5＜｜F4/F2｜＜3.515.4＜TL/FW＜18.4其中，FW是在广角位置的变焦距透镜组的焦距，TL是第一透镜组的第一个透镜表面与象场间的距离。
在上述变焦距透镜光学系统中，优选的透镜组合是：第一透镜组有三个凸透镜，第二透镜组有二个凸透镜和一个凹透镜，第三透镜组有一个凸透镜和一个凹透镜，第四透镜组有二个凸透镜。
这里，参照附图详述一个优选的实施方式，则本发明的上述目的和优点将变得更为清晰。在附图中：
图1是根据本发明的一个变焦距透镜光学系统在广角位置的光学装置剖面图；
图2是根据本发明的一个变焦距透镜光学系统在中角位置的光学装置剖面图；
图3是根据本发明的一个变焦距透镜光学系统在远距照相位置的光学装置剖面图；
图4-图8是图1所示在广角位置的变焦距透镜光学系统的象差图解；
图9-图13是图2所示在中角位置的变焦距透镜光学系统的象差图解；
图12-图18是图3所示在远距照相位置的变焦距透镜光学系统的象差图解；以及
图19是解释图1-图3所示第12和第17个透镜面的非球面系数的图示。
参照图1-图3，本变焦距透镜光学系统由一个第一透镜组1、一个第二透镜组2、一个第三透镜组3和一个第四透镜组4依次排列构成，其中第一透镜组最接近景物。
第一透镜组1由三个凸透镜构成，且在预置角度下对会聚的入射光具有正放大率。
第二透镜组2沿与第一透镜组1相同的光轴移动式装配，以用来改变入射图象的大小。该透镜组具有负放大率，并由二个凸透镜和一个凹透镜组成。
第三透镜组3固定安装，以传输经第二透镜组2改变的图象，它至少由一个凸透镜和一个凹透镜构成，并具有正放大率。
第四透镜组4由二个凸透镜组成并具有正放大率，该透镜组用来补偿当图象通过第三透镜组时由于变焦操作产生的象点位移，并通过沿光轴的移动随景物距离的变化进行聚焦。
表1中给出构成上述透镜组的每个透镜的曲率丰径、相邻透镜表面间沿光轴的距离(图1-图3中所示)、折射率和色散：
                                 表1
  曲率半径(R)   透镜间距(D)     折射率(N)      色散(V)
  R1＝54.3509     D1＝0.9     ND1＝1.805     VD1＝25.5
  R2＝22.6448     D2＝6.0     ND2＝1.603     VD2＝60.7
  R3＝-99.6975     D3＝0.4     ND3＝空气
  R4＝19.8603     D4＝3.6     ND4＝1.623     VD4＝56.9
  R5＝64.203     D5＝A     ND5＝空气
  R6＝53.4308     D6＝0.8     ND6＝1.694     VD6＝53.3
  R7＝5.9161     D7＝2.5454     ND7＝空气
  R8＝-7.5942     D8＝0.8     ND8＝1.64     VD8＝60.2
  R9＝6.9415     D9＝2.3     ND9＝1.805     VD9＝25.5
  R10＝45.9523     D10＝B     ND10＝空气
  R11＝stop     D11＝1.2     ND11＝空气
  R12＝12.497(非球面1)     D12＝2.8     ND12＝1.589     VDl2＝61.2
  R13＝-56.6871     D13＝1     ND13＝1.805     VD13＝25.5
  R14＝334.4992     D14＝C     ND14＝空气
  R15＝11.6135     D15＝0.8     ND15＝1.805     VD15＝25.5
  R16＝6.7519     D16＝3.9     ND16＝1.589     VD16＝61.2
  R17＝-18.533(非球面2)     D17＝D     ND17＝空气
其中A、B、C和D表述如下：
A   广角位置     6.4000   C   广角位置   12.4696
    中角位置远距离位置     14.942023.4840     中角位置远距离位置     9.798311.1925
 B   广角位置中角位置远距离位置     21.800013.25804.7160  D     广角位置中角位置远距离位置     9.307111.978310.5841
为使变焦比的象差最小并使变焦透镜超小型化，要求变焦距透镜光学系统满足下述条件：1.0＜｜F2/FW｜＜1.5(1)0.9＜｜F1/F3｜＜1.5(2)2.5＜｜F4/F2｜＜3.5(3)15.4＜TL/FW＜18.4(4)其中，Fi(i＝1、2、3、4)是每个透镜组的焦距，FW是在广角位置的变焦透镜的焦距，TL是第一透镜组的第一个透镜表面和象场之间的距离。
公式(1)表明第二透镜组2的焦度条件，若其焦距低于下限，即聚焦变强，且对象场弯曲过补偿。如果其焦距超过上限，则为得到一定变焦范围而使第二透镜组2移动的范围增大，从而使整个光学系统较长而难以小型化。
公式(2)表示在空间固定安装的第一、第三透镜组1和3的焦距比，如该比值低于下限，第一透镜组1的聚焦对校正远距离照相的球象差变得太强。然而，倘若其比值高于上限，考虑到要移动第二透镜组2以满足变焦比，第一、第三透镜组1和3的间距变得过长，因而使变焦透镜难以小型化。
公式(3)表示第四、第二透镜组4和2的焦距比，若该比值低于下限，为校正在变焦位置的象差，第四透镜组4的聚焦变得太强。然而，如果其比值高于上限，则第四透镜组4的位移量增大，使变焦透镜系统的总体长度太长。
公式(4)表示对整个光学系统长度的限制，若其长度低于下限，难以获得高的变焦比。如果其长度超过上限，则从小型化看来整个光学系统显得太长。
既然组成第三透镜组3的凸透镜的光接收面和组成第四透镜组4的凸透镜的光出射面都不是球面，分别标记为非球面1和非球面2，相应的非球面系数AD、AE、AF和AG表述如下：
非球面1-非球面系数
    AD＝-0.1573915×10-4
    AE＝-0.3915265×10-7
    AF＝0
    AG＝0
    x＝-1.48981
非球面2-非球面系数
    AD＝0.1699549×10-3
    AE＝-0.6922904×10-8
    AF＝-0.1196519×10-6
    AG＝0.2441446×10-8
    x＝-0.90607图19表示一个非球面与一个球面的相对关系，其中XA表示沿光轴方向与一个标准园锥面的偏离量，即为非球面的弧矢 X A = Y 2 / R 2 1 + { 1 - Y 2 / R 2 } 1 / 2 + ADY 4 + AEY 6 + AEY 8 + AGY 10 式中R是透镜半径，Y是离光轴的高度。
这里，一个光阑R11(未予说明)将已穿过第一、第二透镜组1和2的象差所产生的非正常光线筛分掉。
变焦透镜的孔径可从F/2.4到F/1.4的范围内放大。
图4到图8的每一个图分别表明在广角位置的变焦透镜光学系统的象差。
图4说明光学系统相对不同波长的光的纵向(子午线方向)球象差，为更明确起见，图中给出0.50、0.71和1.00象场中相应于不同波长0.587μm、0.4861μm和0.6563μm的球象差5、6和7。
图5说明在纬向(弧矢线方向)的球象差8和9，即分别在0.50、0.71和1.00象场中的Z-纬度方向的球象差8和Y-纬度方向的球象差9。图6则说明相应于每一波长的纬向(弧矢线方向)球象差5、6和7。
图7说明象场弯曲，即子午象场和弧矢象场弯曲10和11。图8说明横向色象差12和畸变百分数13。
图9-图13分别表明图2所示在中角位置的变焦透镜光学系统的象差，图中象差的描述与图4-图8相同，且对同类象差采用相同的数字标记。
图14-图18分别表明图3所示远距照相位置的变焦透镜光线系统的象差，图中象差的描述与图4-图8相同，且对同类象差采用相同的数字标记。
因此，根据本发明之变焦透镜光学系统，因其具有14的高程变焦比而可使摄影范围展宽，且因其具有从F/2.4到F/1.4的大孔径，故可拍摄相当阴暗的景物。此外，它还有体积小、重量轻的优点；具有良好的象差补偿，并采用两个非球面透镜而使透镜数目减少；还因具有其结构类似于远心光路的光学系统，故而避免了CCD图象传感器上的色彩模糊。

Claims (2)

1.一个变焦距透镜光学系统包括：
一个具有正放大率且焦距为F1的第一透镜组，用来对景物聚焦；
一个具有负放大率且焦距为F2的第二透镜组，该透镜组为移动式装配，通过沿与第一透镜组相同的光轴移动来改变由所述第一透镜组聚焦的图象大小；
一个具有正放大率且焦距为F3的第三透镜组，该透镜组固定安装，以传输经所述第二透镜组改变的图象；以及
一个具有正放大率且焦距为F4的第四透镜组，该透镜组沿光轴移动式装配，以便对应景物距离的变化进行聚焦，同时，还通过沿光轴的移动，对随所述第二透镜组位置而变的象点位移进行补偿，并满足下述条件：1.0＜｜F2/Fw｜＜1.50.9＜｜F1/F3｜＜1.52.5＜｜F4/F2｜＜3.515.4＜TL/Fw＜18.4其中，FW是在广角位置的变焦距透镜组的焦距，TL是所述第一透镜组的第一个透镜表面与象场间的距离。
2.一个如权利要求1所述的变焦透镜光学系统，在那里所述的第一透镜组具有三个凸透镜，所述的第二透镜组有二个凸透镜和一个凹透镜，所述的第三透镜组有一个凸透镜和一个凹透镜，所述的第四透镜组有二个凸透镜。
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