CN1239938C

CN1239938C - 变焦距透镜系统和有该系统的摄像装置

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Publication number: CN1239938C
Application number: CNB031450849A
Authority: CN
Inventors: 伊藤良纪
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2003-07-02
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2023-07-02
Also published as: CN1469153A; US6836375B1; JP2004037700A

Abstract

提供一种变焦距透镜系统，从前方到后方依次备有负的光焦度的第1透镜单元，孔径光阑，正的光焦度的第2透镜单元，正的光焦度的第3透镜单元，在变焦距之际，第1透镜单元与第2透镜单元的间隔变化。而且，第2透镜单元从前方到后方依次由正透镜元件、与它留出间隔配置的负透镜元件构成，进而把短焦距端与长焦距端处的第2透镜单元与第3透镜单元的间隔设定成适当的值，借此不增加构成透镜个数，而具有优良的光学性能。

Description

变焦距透镜系统和有该系统的摄像装置

技术领域

本发明涉及用CCD传感器或CMOS传感器等固体摄像元件的数字静像照相机、视频摄像机等摄影光学系统中适用的变焦距透镜系统。

背景技术

最近，随着用CCD传感器或CMOS传感器等固体摄像元件的视频摄像机、数字静像照相机、电子静像照相机的小型化和高功能化，对用它们的光学系统要求高的光学性能和小型化。

一般来说，作为用CCD传感器摄影静止画面的静像照相机用的摄影光学系统中所采用的变焦距透镜，希望透镜全长极短，此外，静止画面的特性上，是大视场角，进而具有比动态的视频摄像机用的摄影光学系统中所采用的变焦距透镜更高的光学性能的光学系统。

在特公平7-52256号公报中提出了有负、正、正的折射率的透镜组的三个透镜组，从广角端到望远端的变焦距过程中，第2透镜组与第3透镜组的间隔加大的变焦距透镜。

在美国专利第5,434,710号中，公开了有负、正、正的折射率的透镜组的三个透镜组，从广角端到望远端的变焦距过程中，第2透镜组与第3透镜组的间隔减小的变焦距透镜。

在美国专利第4,465,343号、特开平11-84243号公报(对应USP6,191,896)、特开2000-284177号公报(对应USP6,351,337)、特开2000-137164号公报(对应USP6,234,213)中，提出了有负、正、正的折射率的透镜组，在变焦距之际，使第1透镜组与第2透镜组的间隔，第2透镜组与第3透镜组的间隔变化的变焦距透镜。

在特开2000-9997号公报(对应USP6,124,987)中，提出了有负、正的折射率的透镜组，第2透镜组由正的折射率的第2a组、正的折射率的第2b组组成，用第2b组进行聚焦的变焦距透镜。

在特开2000-009999号公报(对应USP6,172,818)、特开平10-213745号公报、特开平9-258103号公报(对应UPS5,872,660)、特开平11-52237号公报(对应USP6,081,389)中提出了有负、正、正的折射率的透镜组，用正、负两个透镜构成第2透镜组的变焦距透镜。

虽然在现有例中所公开的，从物体侧依次配置负、正、正的折射率的透镜组的三组变焦距透镜适用于大视场角用的变焦距透镜，但是随着大视场角化存在变焦距过程中的像差变动增加的倾向。

发明内容

本发明根据这些现有例中所公开的变焦距透镜，目的在于提供一种不增加构成透镜个数，有优良的光学特性的变焦距透镜。

为了实现上述目的，本发明的一个形态的变焦距透镜系统中，从前方(如果是照相机则物体侧)到后方(如果是照相机则像侧)依次备有负的光焦度(焦距的倒数)的第1透镜单元、孔径光阑、正的光焦度的第2透镜单元、正的光焦度的第3透镜单元，其特征在于，在变焦距之际，第1透镜单元与第2透镜单元的间隔变化。而且，从前方到后方依次由正透镜元件、与它留出间隔配置的负透镜元件来构成第2透镜单元，把短焦距端(所谓广角端)与长焦距端(所谓望远端)处的第2透镜单元与第3透镜单元的间隔设定成适当的值。

附图说明

图1是第1实施例的变焦距透镜的光学断面图。

图2是数值实施例1的变焦距透镜的广角端处的像差图。

图3是数值实施例1的变焦距透镜的中间的变焦距位置处的像差图。

图4是数值实施例1的变焦距透镜的望远端处的像差图。

图5是数值实施例2的变焦距透镜的光学断面图。

图6是数值实施例2的变焦距透镜的广角端处的像差图。

图7是数值实施例2的变焦距透镜的中间的变焦距位置处的像差图。

图8是数值实施例2的变焦距透镜的望远端处的像差图。

图9是数值实施例3的变焦距透镜的光学断面图。

图10是数值实施例3的变焦距透镜的广角端处的像差图。

图11是数值实施例3的变焦距透镜的中间的变焦距位置处的像差图。

图12是数值实施例3的变焦距透镜的望远端处的像差图。

图13是数值实施例4的变焦距透镜的光学断面图。

图14是数值实施例4的广角端处的像差图。

图15是数值实施例4的变焦距透镜的中间的变焦距位置处的像差图。

图16是数值实施例4的变焦距透镜的望远端处的像差图。

图17是数字静像照相机的概略图。

具体实施方式

下面，用附图就本发明的变焦距透镜系统和用它的摄像装置的

实施例进行说明。

图1是第1实施例的变焦距透镜的广角端的透镜断面图。图2～图4是第1实施例的变焦距透镜的广角端、中间的变焦距位置、望远端的像差图。

图5是第2实施例的变焦距透镜的广角端的透镜断面图。图6～图8是第2实施例的变焦距透镜的广角端、中间的变焦距位置、望远端的像差图。

图9是第3实施例的变焦距透镜的广角端的透镜断面图。图10～图12是第3实施例的变焦距透镜的广角端、中间的变焦距位置、望远端的像差图。

图13是第4实施例的变焦距透镜的广角端的透镜断面图。图14～图16是第4实施例的变焦距透镜的广角端、中间的变焦距位置、望远端的像差图。

在图1、5、9、13中所示的各实施例的变焦距透镜断面图中，左方是被摄物侧(前方)，右方是像面侧(后方)。此外，L1是负的折射率(光焦度＝焦距的倒数)的第1透镜组，L2是正的折射率的第2透镜组，L3是正的折射率的第3透镜组。SP是孔径光阑，配置于第2透镜组L2的物体侧。IP是像面，配置着CCD传感器或CMOS传感器等固体摄像元件的感光面。G是相当于滤色片或面板(face plate)等的玻璃块。在像差图中，d是d线、g是g线，ΔM是子午线像面，ΔS是赤道像面，倍率色差由g线表示。

在图1、5、9中所示的第1、2、3实施例中，在从广角端到望远端的变焦距之际，像箭头那样使第1透镜组L1在像侧有凸状的轨迹的一部分，而且，使第2透镜组L2与第3透镜组L3向物体侧移动，以便对广角端望远端处的第1透镜组L1与第2透镜组L2的间隔小，第2透镜组L2与第3透镜组L3的间隔大。

在图13中所示的第4实施例中，在从广角端到望远端的变焦距之际，像箭头那样使第1透镜组L1在像侧有凸状的轨迹的一部分，而且，使第2透镜组L2与第3透镜组L3整体地(没有间隔变化)向物体侧移动，以便第1透镜组L1与第2透镜组L2的间隔减小。

再者，在图13中所示的第4实施例中，也可以作为由负的折射率的前组(第1透镜组L1)与正的折射率的后组(第2透镜组L2和第3透镜组L3)的两个透镜组组成的变焦距透镜进行处理。

在第1～4实施例中，在变焦距之际，第1透镜组广角端处的透镜全长与望远端处的透镜全长相比变长地往复移动。孔径光阑SP在变焦距之际与第2透镜组L2整体地移动。

在各实施例的变焦距透镜中，使正的折射率的第2透镜组L2(在第3实施例中第2、第3透镜组L2、L3)移动，借此进行主要变焦，使负的折射率的第1透镜组L1移动，借此修正伴随变焦的像点(像面)的移动。正的折射率的第3透镜组L3分担伴随摄像元件的小型化的摄影透镜的折射率的增大，通过减小由第1、第2透镜组L1、L2所构成的短变焦距系统的折射率，特别是抑制构成第1透镜组L1的各透镜的像差的发生，实现良好的光学性能。

无论哪个实施例的变焦距透镜，聚焦都采用使小型轻量的第3透镜组L3移动而进行的所谓内聚焦式。借此，使迅速的聚焦容易，而且，通过适当地设定透镜构成，聚焦之际的像差变动减少。

第2透镜组L2从物体侧依次由独立的正透镜元件(在本说明书中把单个透镜称为透镜元件)和负透镜元件来构成。

此外，本发明的变焦距透镜在令聚焦于无限远物体时的该第2透镜组L2与该第3透镜组L3的广角端与望远端处的间隔分别为d23W、d23T，令广角端处的整个系统的焦距为fw，令从第2透镜组L2的正透镜元件的像侧的透镜面到第2透镜组L2的负透镜元件的像侧的透镜面的距离为D2a，令第2透镜组L2的正透镜元件的材料的阿贝数为νp，令第2透镜组L2的负透镜元件的材料的阿贝数为νn时，最好是满足以下的条件式之一：

0.2＜d23W/fw＜1.0 (1)

0.2＜d23T/fw＜1.0 (2)

0.1＜D2a/fw＜0.3 (3)

15＜νp-νn (4)

第1～4实施例的变焦距满足所有的条件式。

下面就各条件式的含义进行说明。

条件式(1)、(2)是把广角端和望远端处的第2透镜组L2与第3透镜组L3的间隔d23W、d23T用广角端的焦距fw标准化者，主要为了良好地进行像差修正，并谋求透镜系统总体的小型化。

如果过分加大广角端和望远端处的第2透镜组L2与第3透镜组L3的间隔而超过条件式(1)、(2)的上限值，则第2透镜组L2总体大型化，透镜整个系统因为大型化所以不良。

如果过分减小第2透镜组L2与第3透镜组L3的间隔而超出条件式(1)的下限值，则由于在广角端射出孔位置过分变短，所以由于阴影的影响加大而不良。

如果过分减小第2透镜组L2与第3透镜组L3的间隔而超出条件式(2)的下限值，则由于在用第3透镜组L3进行聚焦之际，第2透镜组L2与第3透镜组L3因近距离物体机械上干涉而不良。

条件式(3)是关于从第2透镜组L2中的正透镜元件的像侧的透镜面到第2透镜组L2的负透镜元件的像侧的透镜面(非球面)的距离D2a者，如果过分减小距离D2a而超出条件式(3)的下限值，则广角域中的画面周围的慧差的修正变得困难。

如果过分加大距离D2a，超过条件式(3)的上限值，则由于第2透镜组L2总体的轴上厚度变大，所以由于伸缩厚度变大而不良。

条件式(4)是在第2透镜组L2中，通过在正透镜元件的材料中使用高折射率、低色散透镜，在负透镜元件的材料中使用高折射率、低色散透镜，良好地修正全变焦距域中的轴上色差用的，超出条件式(4)的轴上色差的修正变得不充分。

再者，在各实施例中更好是可以如下设定条件式(1)～(4)的数值范围。

0.3＜d23w/fw＜0.6 (1)′

0.3＜d23w/fw＜0.8 (2)′

0.15＜D2a/fw＜0.25 (3)′

20＜νp-νn (4)′

在各实施例中第1透镜组L1由折射率的绝对值与物体侧相比像侧的透镜面处大，在包含非球面的把凸面朝向物体侧的弯月面形状的负透镜元件，和把凸面朝向物体侧的弯月面形状的正透镜元件来构成。

第2透镜组L2的正透镜元件由折射率的绝对值与像侧相比物体侧的透镜面大的形状组成，此外负透镜由折射率的绝对值与物体侧相比像侧的透镜面处大的形状组成。

第2透镜组L2的正透镜元件与负透镜元件分别有非球面。第3透镜组L3由单一的正透镜元件组成。

以上，示出分别对应于第1～4实施例的数值实施例1～4。在各数值实施例中，i表示从物体侧的面的顺序号，Ri表示第i面的曲率半径，Di表示第i面与第i+1面之间的构件壁厚或空气间隔，Ni、νi分别表示对d线的折射率、阿贝数。此外，最像侧的两个平面相当于与水晶低通滤光片、截红外光滤光片等相当的玻璃块G。令离开光轴的高度H的位置上的光轴方向的位移以面顶点为基准时为X的场合，非球面形状由下式表示，

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

式中R是近轴曲率半径，k是圆锥常数，A、B、C、D、E是非球面系数。

此外，〔e-X〕意味着“×10^-X”。f表示焦距，Fno表示F数，ω表示半画角。此外前述的各条件式与数值实施例中的诸数值的关系示于表1。

数值实施例1

f＝5.43～10.34 Fno＝2.88～3.73 2ω＝63.3～35.9

R1＝116.419 D1＝1.20 N1＝1.802380 ν1＝40.8

R2＝4.201 D2＝1.44

R3＝7.675 D3＝1.60 N2＝1.846660 ν2＝23.9

R4＝28.541 D4＝可变

R5＝光阑 D5＝0.70R6＝4.413 D6＝2.00 N3＝1.743300 ν3＝49.3

R7＝-25.261 D7＝0.20

R8＝273.988 D8＝0.70 N4＝1.832430 ν4＝23.9

R9＝4.671 D9＝可变

R10＝70.604 D10＝1.20 N5＝1.603112 ν5＝60.6

R11＝-8.797 D11＝可变

R12＝∞ D12＝2.50 N6＝1.516330 ν6＝64.1

R13＝∞

非球面系数

2面：k＝-2.26263e+00 B＝2.59377e-03 C＝-5.89036e-05 D＝1.17539e-06 E＝-4.95432e-09

6面：k＝-4.58915e-02 B＝-2.60002e-04 C＝-1.54880e-05 D＝-6.27980e-06 E＝4.30500e-07

9面：k＝0.00000e+00 B＝2.34845e-03 C＝3.50345e-04 D＝-9.80826e-05 E＝1.42504e-05

数值实施例2

f＝5.43～10.34 Fno＝2.88～3.87 2ω＝63.3～35.9

R1＝154.287 D1＝1.20 N1＝1.802380 ν1＝40.8

R2＝3.866 D2＝1.40

R3＝7.306 D3＝1.60 N2＝1.846660 ν2＝23.9

R4＝28.371 D4＝可变

R5＝光阑 D5＝0.70

R6＝4.025 D6＝2.00 N3＝1.743300 ν3＝49.3

R7＝-20.592 D7＝0.20

R8＝593.715 D8＝0.70 N4＝1.832430 ν4＝23.9

R9＝4.239 D9＝可变

R10＝33.231 D10＝1.40 N5＝1.603112 ν5＝60.6

R11＝-10.531 D11＝可变

R12＝∞ D12＝2.50 N6＝1.516330 ν6＝64.1

R13＝∞

非球面系数

2面：k＝-1.69447e+00 B＝2.01718e-03 C＝-1.34866e-05 D＝-7.72533e-07 E＝3.04415e-08

6面：k＝2.14569e-01 B＝-1.00681e-03 C＝-4.46865e-05 D＝-7.87034e-06 E＝-3.05187e-07

9面：k＝0.00000e+00 B＝3.04818e-03 C＝4.91291e-04 D＝-5.84486e-05 E＝7.22716e-06

数值实施例3

f＝4.41～8.42 Fno＝2.88～3.86 2ω＝74.4～43.4

R1＝150.907 D1＝1.20 N1＝1.802380 ν1＝40.8

R2＝3.480 D2＝1.50

R3＝7.119 D3＝1.60 N2＝1.846660 ν2＝23.9

R4＝28.495 D4＝可变

R5＝光阑 D5＝0.70

R6＝3.706 D6＝2.00 N3＝1.743300 ν3＝49.3

R7＝-14.268 D7＝0.20

R8＝-99.475 D8＝0.70 N4＝1.832430 ν4＝23.9

R9＝3.907 D9＝可变

R10＝24.465 D10＝1.40 N5＝1.487490 ν5＝70.2

R11＝-7.584 D11＝可变

R12＝∞ D12＝2.50 N6＝1.516330 ν6＝64.1

R13＝∞

非球面系数

2面：k＝-1.96126e+00 B＝3.35138e-03 C＝-7.71219e-05 D＝9.68668e-07 E＝1.66840e-08

6面：k＝-1.07763e-02 B＝-6.66938e-04 C＝-9.94110e-05 D＝-7.73302e-06 E＝7.39438e-08

9面：k＝0.00000e+00 B＝5.49272e-03 C＝3.91100e-04 D＝-6.17978e-05 E＝2.81159e-05

数值实施例4

f＝6.15～11.70 Fno＝2.88～3.82 2ω＝57.1～32.0

R1＝165.919 D1＝1.20 N1＝1.802380 ν1＝40.8

R2＝4.640 D2＝1.77

R3＝8.644 D3＝1.60 N2＝1.846660 ν2＝23.9

R4＝28.423 D4＝可变

R5＝光阑 D5＝0.70

R6＝4.678 D6＝2.00 N3＝1.743300 ν3＝49.3

R7＝-23.270 D7＝0.20

R8＝50.188 D8＝0.70 N4＝1.832430 ν4＝23.9

R9＝4.903 D9＝2.23

R10＝-21.808 D10＝1.30 N5＝1.487490 ν5＝70.2

R11＝-6.667 D11＝可变

R12＝∞ D12＝2.50 N6＝1.516330 ν6＝64.1

R13＝∞

非球面系数

2面：k＝-2.53353e+00 B＝2.35200e-03 C＝-5.95169e-05 D＝1.51868e-06 E＝-1.98968e-08

6面：k＝-1.11463e-01 B＝-2.32037e-05 C＝-1.81360e-05 D＝-6.56670e-06 E＝3.46007e-07

9面：k＝0.00000e+00 B＝2.55172e-03 C＝3.35101e-04 D＝-1.01723e-04 E＝1.13252e-05

表-1

数值实施例	条件式
	条件式				(1)	(2)	(3)	(4)
	1	0.41	0.56	0.17	(1)	(2)	(3)	(4)	25.4
2	1	0.41	0.56	0.17	0.34	0.56	0.17	25.4	25.4
2	3	0.42	0.78	0.20	0.34	0.56	0.17	25.4	25.4
4	3	0.42	0.78	0.20	0.36	0.36	0.15	25.4	25.4

如果用以上说明的第1～4实施例的变焦距透镜系统，则有负、正、正的折射率的透镜组的三个透镜组，最佳地设定各透镜组的透镜构成，非球面的位置，变焦距之际的移动方法等，借此，不仅谋求透镜个数的减少，实现透镜全长的缩短化，而且可以实现既有2倍左右的变倍比，又显然具有高的光学性能，包含广角域的变焦距。

下面用图17说明把本发明的变焦距透镜用作摄影光学系统的数字静像照相机的实施例。

在图17中，20是照相机主体，21是由本发明的变焦距透镜所构成的摄影光学系统，22是内设于照相机主体中，接受由摄影光学系统所形成的被摄体像的光的CCD传感器或CMOS传感器等固体摄像元件(光电变换元件)，23是记录与由固体摄像元件22光电变换的被摄体像对应的信息的存储器，24是由液晶显示板等来构成，观察在固体摄像元件22上所形成的被摄体像用的取景器。

通过像这样把本发明的变焦距透镜运用于数字静像照相机等光学设备，实现小型而具有高的光学性能的光学设备。

Claims

1.一种变焦距透镜系统，从前方到后方依次备有：

负的光焦度的第1透镜单元；

孔径光阑；

正的光焦度的第2透镜单元，该第2透镜单元从前方到后方依次由正透镜元件、与它留出间隔配置的负透镜元件构成；以及

正的光焦度的第3透镜单元，

在变焦距之际，前述第1透镜单元与第2透镜单元的间隔变化，而且，满足以下条件，

0.2＜d23W/fw＜1.0

0.2＜d23T/fw＜1.0

式中，d23W是聚焦于无限远物体时的前述第2透镜单元与第3透镜单元的短焦距端处的间隔，d23T是聚焦于无限远物体时的前述第2透镜单元与第3透镜单元的长焦距端处的间隔，fw是短焦距端处的整个系统的焦距。

2.根据权利要求1所述的变焦距透镜系统，其中，

前述第1透镜单元由光焦度的绝对值与前方的透镜面相比后方的透镜面处大且至少一方的透镜面为非球面的负透镜元件、以及把凸面朝向前方的弯月形的正透镜元件组成。

3.根据权利要求1所述的变焦距透镜系统，其中，

前述第3透镜单元由一个正透镜元件组成。

4.根据权利要求1所述的变焦距透镜系统，其中，

前述第2透镜单元中的正透镜元件和负透镜元件分别具有非球面。

5.根据权利要求1所述的变焦距透镜系统，其中，

在聚焦之际，只有前述第3透镜单元移动。

6.根据权利要求1所述的变焦距透镜系统，其中，满足以下条件，

0.1＜D2a/fw＜0.3

式中，D2a是从前述第2透镜单元中的正透镜元件的后方的透镜面到前述第2透镜单元中的负透镜元件的后方的透镜面的距离。

7.根据权利要求1所述的变焦距透镜系统，其中，

各透镜组移动以便相对短焦距端，长焦距端处的前述第1透镜单元与第2透镜单元的间隔小，第2透镜单元与第3透镜单元的间隔恒定或变大。

8.根据权利要求1所述的变焦距透镜系统，其中，

满足以下条件，

15＜νp-νn

式中，νp是构成前述第2透镜单元中的正透镜元件的材料的阿贝数，νn是构成前述第2透镜单元中的负透镜元件的材料的阿贝数。

9.根据权利要求1所述的变焦距透镜系统，其中，

前述变焦距透镜在固体摄像元件的感光面上形成像。

10.一种摄像装置，备有：

权利要求1所述的变焦距透镜系统，

接受由该变焦距透镜系统所形成的像的光的固体摄像元件。