CN1190745A - 高变焦比的两透镜组变焦镜头系统 - Google Patents

高变焦比的两透镜组变焦镜头系统 Download PDF

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CN1190745A CN98104123A CN98104123A CN1190745A CN 1190745 A CN1190745 A CN 1190745A CN 98104123 A CN98104123 A CN 98104123A CN 98104123 A CN98104123 A CN 98104123A CN 1190745 A CN1190745 A CN 1190745A
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Abstract

一种有两组透镜的变焦镜头系统,包括有四个透镜的正光焦度的第一透镜组和有三个透镜的负光焦度的第二透镜组。第二透镜组包括一个非球面透镜表面。并满足下列条件:0.22< fI/ft< 0.30;2.45< ft/fw;0.74< LI1/(ft－fw)< 0.85;0.75< I/Y< 1.10,其中I是第一透镜组的焦距;ft是整个变焦镜头系统在远摄位置的焦距;fw是整个变焦镜头系统在广角位置的焦距;LI1是在变焦时第一透镜组的移动距离;2Y是像平面对角线的长度。

Description

高变焦比的两透镜 组变焦镜头系统
本发明涉及一种用于照相机的变焦镜头系统，特别是，涉及一种变焦透镜系统，其第一透镜组有四个透镜，第二透镜组有二个透镜，而且上述一个透镜组有非球面透镜。
通常，用于小型照相机的变焦镜头系统分为两种类型：一类是有两个透镜组和另一类是有三个透镜组。两透镜组型的体积小重量轻，但由于没有采用非球面透镜而不能提供比2.0高的变焦比。
采用一个非球面透镜，其变焦比可达2.4。为了获得比2.4高的变焦比，需要增加透镜的数量或降低透镜的有效直径以得到高的成像质量。如果变焦镜头系统有较多的透镜，则系统的总长度就要增加以致于系统的远摄比也将增加并大于1.0。这样使变焦镜头系统的小型化非常困难。
由于用于小型照相机的两组透镜型变焦镜头系统通常其焦距为35-39mm，对通常leica尺寸的像平面(24×36mm)的视角约为63.4-59.0度。当视角增加时，校正整个变焦镜头系统的像差非常困难。
为了克服上述不足，日本专利申请平3-260610，平4-93810，平7-234363和昭52-52111中公开了有两组透镜的变焦镜头系统。在现在技术文献中公开的变焦镜头系统由正光焦度的第一透镜组和负光焦度的第二透镜组组成。系统的焦距由第一镜头组和第二镜头组之间的距离确定。每一现有技术的变焦镜头系统其变焦比小于2.4并且采用了一个或多个非球面透镜。
平7-234363公开的变焦镜头系统有大于70度的超广角视角，而其它变焦镜头系统的视角小于65度。
这些现有技术焦镜头系统的远摄比大于1.0。
因此，有高变焦比和大视角的变焦镜头系统的透镜数量多于那些变焦比小于2.4和视角小于70度的变焦镜头系统。由于该原因，很难使系统小型化，也很难获得1.0以下的远摄比。
根据上述的现有技术，本发明的目的在于提供一种由两组透镜组成的其变焦比大于2.4，视角大于70度和远摄比约为1.0的变焦镜头系统。
本发明的另一目的是提供一种具有能在整个变焦范围内校正像差的光学特性的变焦镜头系统。
为达到这些和其它目的，这里大致并概括地描述本发明，本发明包括：
正光焦度的第一透镜组，其包括凸面朝向物体的弯月形正光焦度的第一透镜，双面凹形负光焦度的第二透镜，双面凸形正光焦度的第三透镜，和双面凸形正光焦度的第四透镜。
负光焦度的第二透镜，其包括凸面朝向像平面的弯月形正光焦度的第五透镜，凸面朝向像平面的弯月形负光焦度的第六透镜，凸面朝向像平面的弯月形负光焦度的第七透镜。
第二透镜组包括一非球面透镜表面。按照本发明的变焦镜头系统满足下列条件：
0.22＜fI/ft＜0.30
2.45＜ft/fw
0.74＜LI1/(ft-fw)＜0.85
0.75＜fI/Y＜1.10其中fI是第一透镜组的焦距；
ft是整个变焦镜头系统在远摄位置的焦距；
fw是整个变焦镜头系统在广角位置的焦距；
LI1是在变焦时第一透镜组的移动距离；
2Y是像平面对角线的长度。
前面一般性地概述和后面详细的描述都是示范性的，以进一步解释如权利要求所述的本发明。
参照附图进一步理解本发明，并和详细的描述一起解释本发明的原理。其中(θ为半视角)，
图1A和1B是按照本发明第一，第三，第四和第五实施例变焦镜头系统分别在广角位置和远摄位置的剖视图；
图2A，2B和2C是按照本发明第一优选实施例变焦镜头系统在广角位置的像差的特性曲线；
图3A，3B和3C是按照本发明第一优选实施例变焦镜头系统在远摄位置的像差的特性曲线；
图4A和4B是按照本发明第二优选实施例变焦镜头系统分别在广角位置和远摄位置的剖视图；
图5A，5B和5C是按照本发明第二优选实施例变焦镜头系统在广角位置的像差的特性曲线；
图6A，6B和6C是按照本发明第二优选实施例变焦镜头系统在远摄位置的像差的特性曲线；
图7A，7B和7C是按照本发明第三优选实施例变焦镜头系统在广角位置的像差的特性曲线；
图8A，8B和8C是按照本发明第三优选实施例变焦镜头系统在远摄位置的像差的特性曲线；
图9A，9B和9C是按照本发明第四优选实施例变焦镜头系统在广角位置的像差的特性曲线；
图10A，10B和10C是按照本发明第四优选实施例变焦镜头系统在远摄位置的像差的特性曲线；
图11A，11B和11C是按照本发明第五优选实施例变焦镜头系统在广角位置的像差的特性曲线；
图12A，12B和12C是按照本发明第五优选实施例变焦镜头系统在远摄位置的像差的特性曲线；
参考附图将详细描述本发明的变焦镜头系统。
如图1A-1B和4A-4B所示为依本发明提出的变焦镜头系统的优选实施例。在如图1A-1B所示的第一，第三，第四和第五优选实施例中，变焦镜头系统包括第一透镜组I和第二透镜II及设在第一和第二透镜组之间的光阑r9。在如图4A-4B所示的第二优选实施例中，变焦镜头系统包括第一透镜组I和第二透镜组II及设在第一和第二透镜组之间的光阑r8。
正光焦度的第一透镜I包括四个透镜。第一透镜1是正光焦度，它是一凸面朝向物体的弯月形透镜，双面凹形的第二透镜2为负光焦度，而第三透镜3和第四透镜为正光焦度，是双面凸透镜。
负光焦度的第二透镜组II包括三个透镜。第五透镜5是正光焦度，它是一凸面朝向像平面的弯月形透镜。第六透镜6和第七透镜7是凸面朝向像平面的弯月形透镜，它们每一个都是负光焦度。第二透镜组II的透镜5到7中的一个有一非球面透镜表面。
当变焦时，在第一，第三，第四和第五优选实施例中第一透镜组I与光阑r9一起移动或在第二实施例中与r8一起移动，以使变焦镜头系统的整个长度缩短。根据本发明的系统其视角大于70度，当变焦比大于2.4时可以校正像差，因此在整个变焦范围内具有高质量的光学特性。
为了获得这样的光学特性，第一透镜组I的第一透镜1有一个凸形朝向物体的凸形表面，第一透镜组I的第二透镜2具有双面凹形表面。在第二透镜组II中也设有一个非球面形表面。
按照本发明的变焦镜头系统满足下列条件：
(1)0.22＜fI/ft＜0.30
(2)2.45＜ft/fw
(3)0.74＜LI1/(ft-fw)＜0.85
(4)0.75＜fI/Y＜1.10
(5)1.30＜Lw/fw＜1.50
(6)2.30＜fI/fbw＜2.60
(7)0.67＜fI/fw＜0.73
(8)2.50＜ft/f5＜3.10
(9)3.3＜βt＜4.0
(10)0.90＜Lt/ft＜1.10其中
ft是整个变焦镜头系统在远摄位置的焦距；
fw是整个变焦镜头系统在广角位置的焦距；
fI是第一透镜组I的焦距；
LI1是在变焦时第一透镜组的移动距离；
2Y是像平面对角线的长度；
Lw是在广角位置时第一透镜1的入射表面到像平面沿光轴方向的距离；
βt是第二透镜II在远摄位置的横向放大率；
Lt是在远摄位置时第一透镜1的入射表面到像平面在光轴上的距离；
fbw是整个变焦镜头系统在广角位置时的后焦距；
f5是第五透镜5的焦距。
条件(1)涉及第一透镜组I的焦距和整个变焦镜头系统的焦距。
如果超过条件(1)的上限，则在变焦时第一透镜组I的移动距离增加。其结果增加了变焦镜头系统的尺寸及很难使变焦镜头系统小型化。如果低于条件(1)的下限，则依据第一透镜组I的位置增加像平面的偏离。这需要以高精度组合透镜。
条件(2)与变焦比有关。为获得高的变焦比在条件(2)中最大增大ft/fw的数值。增加整个变焦镜头系统的焦距从而可得到条件(2)中高的ft/fw数值。整个变焦镜头系统的焦距通常表示为：
f＝fI×mII其中f是整个镜头系统的焦距；
fI是第一透镜组的焦距；
mII是第二透镜组的横向放大率。
如上述公式表示，增加fI和mII两者或其中之一以使整个镜头系统的焦距加长。当fI增加时，第一透镜组I的光焦度减小，这样很难获得小型的变焦镜头系统。当mII增加时，变焦镜头系统的负光焦度也增加，它使校正像差困难。
条件(3)涉及第一透镜组I的变焦行程。变焦行程指的是透镜组从广角位置到远摄位置的移动距离。如果超过条件(3)的上限，第一透镜组I的变焦行程太长。它使第一透镜1和像平面之间的距离在远摄位置变长。如果低于条件(3)的下限，第一透镜组I的光焦度变得太大。这样，在变焦时将会增大像差。
条件(4)定义了第一透镜组I的适当的焦距。本发明由于减少了第一透镜组I的焦距而在广角位置时其焦距更短。如果超过条件(4)的上限，很难获得比70度大的视角。为了使第一透镜组I的焦距和第二透镜组II的组合焦距较短，第一透镜组I和第二透镜组II之间的距离要加长。其结果使后焦距太短并需要增加第二透镜组II的直径。这样也增大了透镜架的大小。如果低于条件(4)的下限，其组合焦距变短以使它可获得较长的后焦距。但是，需要增加第一透镜组I的光焦度。其结果校正像差比较困难，因此很难获得高质量的图像。
条件(5)涉及在广角位置时第一透镜1和像平面之间的距离与系统焦距的比值。条件(5)可用于获得小型的系统和高品质的光学特性。如果超过条件(5)的上限，第一透镜1和像平面之间的距离增加，这样，很难获得小型的变焦镜头系统。如果低于条件(5)的下限，第一透镜和像平面之间的距离减小，使其容易获得小型的变焦镜头系统。但是，镜头组I和II的光焦度增加，使其很难校正像差。
条件(6)涉及第一透镜组I的折射率和在整个变焦系统中像差的校正。如果超过条件(6)的上限，第一透镜组I的光焦度减小，使第一透镜组I的后焦距在广角位置时变短，这就引起第二透镜组II的直径增加。如果小于条件(6)的下限，第一透镜组I的光焦度增加。它将在变焦时增大像差的变化，特别是球面像差和慧差的变化。
条件(7)涉及第一透镜组I的光焦度。如果超过条件(7)的上限，第一透镜组I的光焦度减小(即第一透镜组的焦距增大)，使变焦时第一透镜组I的移动距离增加。其结果很难获得小型的变焦镜头系统。如果小于条件(7)的下限，第一透镜组I的光焦度变得太大以使依照第一透镜I位置的像平面的偏差增加，这样就需要高精度的透镜架安装。
条件(8)涉及第二透镜组II的第五透镜5的折射率。如果超过条件(8)的上限，该折射率变得太大，使其误差范围增加。如果第五透镜5设为非球面透镜，那么透镜的加工需要高精度。如果低于条件(8)的下限，则光焦度下降。运将引起第二透镜组II的光焦度降低，使得第二透镜组II的像差校正困难。这样，很难校正整个变焦镜头系统的像差。
条件(9)与第二透镜组II的最佳放大率有关。如果超过条件(9)的上限，第一透镜组I的焦距变得太短以致不能校正像差。如果低于条件(9)的下限，第一透镜组I的后焦距变得太短并且增加了第二透镜组II的透镜直径。
条件(10)涉及在远摄位置时的远摄率，并用此获得小型的变焦镜头系统。如果超过条件(10)的上限，容易校正像差。但是，很难获得小型的变焦镜头系统。如果低于条件(10)的下限，它可容易地获得小型的变焦镜头系统，但是由于第二透镜组II的光焦度增加使校正像差困难。
下表为依本发明优选实施例满足上述条件(1)到(10)的数据。在下表中，所有长度单位为毫米，所用变量如下：
ri(i＝1到15)表示折射表面的曲率半径；
di(i＝1至15)表示透镜的厚度或透镜间的距离；
nd表示透镜的d-线折射率；
v表示透镜的阿贝数值。
表1为本发明(图1A和1B)的第一优选实施例的数据，其中视角是72度。F数(Fno)的范围是从4.17到11.14及焦距f的范围从29.0mm到77.5mm。
表1
表面序号   曲率半径(r)   距离(d)  折射率(nd)  阿贝数(v)
  1   11.89149   1.4500   1.65664   32.32
  2   19.70220   1.1168
  3   -16.15493   2.7500   1.83500   42.98
  4   8.60360   0.0347
  5   8.60360   3.2000   1.49700   81.61
  6   -14.75095   1.9000
  7   25.68888   3.2000   1.56778   53.08
  8   -13.57956   0.8000
  9     光阑     D1
10 -52.37345 2.7500 1.77473 35.63
  11   -15.28631   1.9751
  12*   -11.86457   0.8000   1.85000   41.64
  13   -26.48354   1.4152
  14   -14.59937   0.8000   1.83500   42.98
  15   -184.08599     D2
其中*表示非球表面。在变焦时可变距离D1和D2的范围分别是11.00mm到2.1858mm和8.1527mm到54.3600mm。
按照本发明的第一优选实施例，第十二透镜表面的非球面系数如表2中非球面系数所示。
表2
 第十二表面的非球面系数
  A0  -0.9988127812981E-1
  A1   0.3119895859718E-4
  A2  -0.1913783299728E-6
  A3   0.9522636568739E-9
  A4   0.5660784551904E-11
图2A到2C和3A到3C分别表示在广角位置和远摄位置第一优选实施例的像差特性(色差，像散，畸变)。
表3为本发明(如图4A和4B)的第二优选实施例的数据，其中视角是72度。F数(Fno)的范围是从4.17到11.14及焦距f的范围从29.0mm到77.5mm。第一透镜组I的第二透镜2固定到第一透镜组I的第三透镜。
表3
表面序号   曲率半径(r)   距离(d)  折射率(nd)  阿贝数(v)
  1   11.57596   1.4500   1.63200   34.14
  2   19.13213   1.1161
  3   -15.96130   2.7500   1.83500   42.98
  4   9.19032   3.2000   1.49700   81.61
  5   -14.82112   1.9000
  6   24.54854   3.2000   1.57140   51.70
  7   -14.09705   0.8000
  8     光阑     D1
  9   -52.01237   2.7500   1.79062   29.51
  10   -14.90590   1.7941
  11*   -11.64993   0.8000   1.85000   31.29
  12   -26.47213   1.4372
  13   -14.44162   0.8000   1.83500   42.98
  14   -189.84079     D2
其中*表示非球面表面，在变焦时可变距离D1和D2的范围分别是10.935mm到2.1859mm和8.1515mm到54.2913mm。
按照本发明的第二优选实施例，第十一透镜表面的非球面系数如表4中非球面系数所示。
表4
 第十一表面的非球面系数
  A0 -0.1081161036346E 0
  A1 0.3532647762897E-4
  A2 -0.2919501416924E-6
  A3 0.2930782487008E-8
  A4 -0.6681419507414E-11
图5A到5C和6A到6C分别表示在广角位置和远摄位置第一优选实施例的像差特性(色差，像散，畸变)。
表5为本发明(如图1A和1B)的第三优选实施例的数据，其中视角是72度。F数(Fno)的范围是从4.18到11.17及焦距f的范围从29.0mm到77.5mm。
表5
表面序号   曲率半径(r)   距离(d)  折射率(nd)  阿贝数(v)
  1   11.82961   1.4500   1.68200   30.61
  2   19.19428   1.1129
  3   -16.30584   2.7502   1.83500   42.98
  4   8.74664   0.0278
  5   8.74664   3.2112   1.49700   81.61
  6   -14.05729   2.0000
  7   24.79135   3.4000   1.55500   56.75
  8   -13.77877   0.7000
  9     光阑     D1
  10   -48.27016   2.7500   1.73361   34.15
  11   -14.31991   1.9421
  12*   -11.29668   0.8000   1.83500   42.98
  13   -24.27405   1.4120
  14   -13.75348   0.8000   1.83500   42.98
  15   -150.32928     D2
其中*表示非球面。在变焦时可变距离D1和D2的范围分别是10.4871mm到2.1896mm和8.1549mm到54.0880mm。
按照本发明的第三优选实施例，第十二透镜表面的非球面系数如表6中非球面系数所示。
表6
  第十二表面的非球面系数
  A0   -0.1757771908458E 0
  A1   0.3168662529001E-4
  A2   -0.2276086369473E-6
  A3   0.7881860683163E-9
  A4   0.8019071244886E-11
图7A到7C和8A到8C分别表示在广角位置和远摄位置第一优选实施例的像差特性(色差，像散，畸变)。
表7为本发明(图1A和1B)第四优选实施例的数据，其中视角是72度。F数(Fno)的范围是从4.30到10.75及焦距f的范围从28.0mm到70.0mm。
表7
表面序号   曲率半径(r)   距离(d)   折射率(nd)   阿贝数(v)
  1   11.48069   1.4500   1.71714   28.74
  2   17.59279   1.0651
  3   -15.93420   2.6327   1.83500   42.98
  4   8.18269   0.0721
  5   8.34719   3.2000   1.49700   81.61
  6   -13.71535   1.9000
  7   24.48134   3.2000   1.56707   59.45
  8   -13.04924   0.8000
  9   光阑   D1
  10   -51.17139   2.7500   1.71778   33.86
  11*   -13.89045   1.4899
  12   -12.86978   0.8000   1.85000   42.14
  13   -31.05753   1.9636
  14   -12.13531   0.8000   1.83500   42.98
  15   -86.92491     D2
其中*表示非球表面。在变焦时可变距离D1和D2的范围分别是9.6388mm到2.1909mm和8.1479mm到47.4168mm。
按照本发明的第四优选实施例，第十一透镜表面的非球面系数如表8中非球面系数所示。
表8
第十一表面的非球面系数
  A0 -0.1979760358459E 0
  A1 -0.3180115265419E-4
  A2 0.4918745693776E-6
  A3 -0.5888868149705E-8
  A4 0.3780920882816E-10
图9A到9C和10A到10C分别表示为在广角位置和远摄位置第一优选实施例的像差特性(色差，像散，畸变)。
表9为本发明(图1A和1B)第五优选实施例的数据，其中视角是72度。F数(Fno)的范围是从4.17到11.14及焦距f的范围从29.0mm到77.5mm。
表9
表面序号   曲率半径(r)   距离(d)  折射率(nd)  阿贝数(v)
  1   11.89700   1.4500   1.67369   31.34
  2   19.28079   1.1186
  3   -16.24711   2.7500   1.83500   42.98
  4   8.65286   0.0248
  5   8.65286   3.2000   1.49700   81.61
  6   -14.82913   1.9000
  7   25.29299   3.2000   1.56772   53.91
  8   -13.63071   0.8000
  9     光阑     D1
  10   -57.11338   2.7500   1.78278   35.69
  11*   -15.84022   1.9238
  12   -11.72657   0.8000   1.85000   42.14
  13   -25.74903   1.3969
  14   -14.46646   0.8000   1.83500   42.98
  15   -156.19748     D2
其中*表示非球表面。在变焦时可变距离D1和D2的范围分别是10.9868mm到2.1856mm和8.1519mm到54.4143mm。
按照本发明的第五优选实施例，第十一透镜表面的非球面系数如表10中非球面系数所示。
表10
第十一表面的非球面系数
  A0 -0.8526520691819E-1
  A1 -0.4176057886565E-4
  A2 0.3222316115856E-6
  A3 -0.5990036891049E-8
  A4 0.2499524715945E-10
图11A到11C和12A到12C分别表示为在广角位置和远摄位置第一优选实施例的像差特性(色差，像散，畸变)。
表11为上述实施例中条件(1)到(10)的参数。
表11
    参数   第一实施例  第二实施例   第三实施例   第四实施例  第五实施例
    fI/ft     0.267     0.266     0.263     0.275     0.267
    ft/fw     2.672     2.672     2.672     2.500     2.672
    LI1/(ft-fw)     0.771     0.771     0.755     0.758     0.772
    fI/Y     0.957     0.954     0.942     0.891     0.956
    Lw/fw     1.426     1.417     1.414     1.425     1.423
    fI/fbw     2.540     2.533     2.498     2.366     2.537
    fI/fw     0.714     0.712     0.702     0.689     0.713
    ft/f5     2.871     3.029     2.888     2.716     2.849
    βt     3.743     3.754     3.804     6.631     3.748
    Lt/ft     1.016     1.013     1.002     1.025     1.016
在没有脱离本发明的构思和范围内，本领域的技术人员可对本发明的系统进行各种变化和改进，本发明覆盖了包括在所附权利要求及等同物的范围内的该发明的各种变化和改进。

Claims (11)

1.一种相机用的变焦镜头系统，从物体一侧起数，它包括：
正光焦度的第一透镜组，其包括凸面朝向物体的弯月形正光焦度的第一透镜；双面凹形负光焦度的第二透镜；双面凸形正光焦度的第三透镜；和双面凸形正光焦度的第四透镜；
负光焦度的第二组透镜，其包括其凸面朝向像平面的弯月形正光焦度的第五透镜；凸面朝向像平面弯月形负光焦度的第六透镜；凸面朝向像平面的弯月形负光焦度的第七透镜；
其中，第二透镜组包括一非球面透镜表面，该变焦镜头系统满足下列条件：
0.22＜fI/ft＜0.30
2.45＜ft/fw
0.74＜LI1/(ft-fw)＜0.85
0.75＜fI/Y＜1.10其中
fI是第一透镜组的焦距；
ft是整个变焦镜头系统在远摄位置的焦距；
fw是整个变焦镜头系统在广角位置的焦距；
LI1是在变焦时第一透镜组的移动距离；
2Y是像平面对角线的长度。
2.根据权利要求1所述的变焦镜头系统，还满足下列条件：
1.30＜Lw/fw＜1.50
其中Lw是在广角位置时第一透镜的入射表面到像平面沿光轴方向的距离。
3.根据权利要求1所述的变焦镜头系统，还满足下列条件：
2.30＜fI/fbw＜2.60
其中fbw是整个变焦镜头系统在广角位置时的后焦距。
4.根据权利要求1所述的变焦镜头系统，还满足下列条件：
0.67＜fI/fw＜0.73
5.根据权利要求1所述的变焦镜头系统，还满足下列条件：
2.50＜ft/f5＜3.10
其中f5是第五透镜的焦距。
6.根据权利要求1所述的变焦镜头系统，还满足下列条件：
3.3＜βt＜4.0
其中βt是第二透镜组II在远摄位置的横向放大率。
7.根据权利要求1所述的变焦镜头系统，还满足下列条件：
0.90＜Lt/ft＜1.10
其中Lt是在远摄位置时第一透镜的入射表面到像平面在光轴上的距离。
8.根据权利要求1-7任一项所述的变焦镜头系统，还包括，在第一透镜组和第二透镜组之间的一光阑。
9.根据权利要求1-7任一项所述的变焦镜头系统，其中所述第二透镜和所述第三透镜固定在一起。
10.根据权利要求9所述的变焦镜头系统，还包括，在第一透镜组和第二透镜组之间的一光阑。
11.根据权利要求1所述的变焦镜头系统，还满足下列条件：
θ≥70°
其中θ是变焦镜头系统的视角的度数。
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