CN1256607C - 变焦透镜系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于采用固态成象装置的图象采集系统的变焦透镜系统，具有大约为三的变焦比，较小的透镜总长度和优越的光学性能。根据本发明的一个方面，变焦透镜系统从物方依次包括，具有负折射光焦度的第一透镜组G1，具有正折射光焦度的第二透镜组G2，和具有正折射光焦度的第三透镜组G3。通过改变相邻透镜组之间的距离来进行变焦。第一透镜组G1包括两个负透镜元件L11、L12和一个正透镜元件L13。第二透镜组G2包括三个透镜元件，由第一正透镜元件L21、第二正透镜元件L22和负透镜元件L23组成。第三透镜组G3包括至少一个正透镜元件L31。满足既定的条件式。

Description

变焦透镜系统
技术领域
本发明涉及一种小型变焦透镜系统，具体地说，涉及一种为适用于比如数字静态相机而使其整个光学系统专门设计成小型的变焦透镜系统。
背景技术
在采用固态成象装置的图象采集系统中，为了设置低通滤波器或彩色校正滤波器，需要具有较长后焦距的透镜系统。另外，需要在象方具有良好远心特性的透镜系统。近来，在满足这些要求之外透镜系统还需要小型化和低成本。
在日本专利申请公开No.10-293253中已提出一种三透镜组变焦透镜系统，从物方依次具有一个具有负折射光焦度的第一透镜组，一个具有正折射光焦度的第二透镜组，和一个具有正折射光焦度的第三透镜组，其中通过移动第一透镜组和第二透镜组来实现从广角端状态至摄远端状态的变焦。然而，日本专利申请公开No.10-293253中提出的变焦透镜系统具有如下缺点，例如构成各透镜组的较大量的透镜元件，较大的透镜总长度，和较高的制造成本。
另外，日本专利申请公开No.2001-13408公开了一种光学系统，其中构成第一透镜组的透镜元件数量得以减少。然而，在具有负折射光焦度的第一透镜组的最靠近物方设置有一个正透镜元件，使得其具有如下缺点，即当使透镜系统具有更宽的视角时透镜系统的直径不可避免地变大。
另外，由于第一透镜组在广角端状态与孔径光阑之间间隔较大，使得入射在第一透镜组上的离轴光线高度变大，从而构成第一透镜组的各透镜直径变大。其结果是，透镜系统具有整个光学系统变大的缺点。
发明内容
本发明是考虑了上述问题而作出的，目的在于提供一种适用于采用固态成象装置的图象采集系统的变焦透镜系统，具有大约为三的变焦比，较小的透镜总长度和优越的光学性能。
根据本发明的一个方面，一种变焦透镜系统，从物方依次包括，一个具有负折射光焦度的第一透镜组，一个具有正折射光焦度的第二透镜组，和一个具有正折射光焦度的第三透镜组。通过改变相邻透镜组之间的距离来实现变焦。第一透镜组包括两个负透镜元件和一个正透镜元件。第二透镜组包括三个透镜元件，由一个第一正透镜元件、一个第二正透镜元件和一个负透镜元件构成。第三透镜组包括至少一个正透镜元件。满足下述条件式(1)：
2.5＜TL/(ft×fw)1/2＜4.5    (1)
其中TL表示变焦透镜系统最靠近物方的透镜表面与象平面之间的距离，fw表示变焦透镜系统在广角端状态的焦距，而ft表示变焦透镜系统在摄远端状态的焦距。
本发明涉及一种变焦透镜系统，从物方依次包括，一个具有负折射光焦度的第一透镜组；一个具有正折射光焦度的第二透镜组；和一个具有正折射光焦度的第三透镜组；通过改变相邻透镜组之间的距离来进行变焦；其中，第一透镜组包括两个负透镜元件和一个正透镜元件，第二透镜组包括三个透镜元件，由一个第一正透镜元件、一个具有双凸形状的第二正透镜元件和一个负透镜元件构成，以及第三透镜组包括至少一个正透镜元件；并且在透镜组位置状态从广角端状态至摄远端状态移动时第三透镜组固定，其中至少在整个变焦范围内的广角端状态和摄远端状态下都满足下述条件式：
2.5＜TL/(ft×fw)1/2＜4.2
其中TL表示该变焦透镜系统最靠近物方的透镜表面与象平面之间的距离，fw表示该变焦透镜系统在广角端状态的焦距，而ft表示该变焦透镜系统在摄远端状态的焦距。
本发明还涉及一种变焦透镜系统，从物方依次包括，一个具有负折射光焦度的第一透镜组；一个具有正折射光焦度的第二透镜组；和一个具有正折射光焦度的第三透镜组；通过改变相邻透镜组之间的距离来进行变焦；其中，第一透镜组包括两个负透镜元件和一个正透镜元件，第二透镜组包括三个透镜元件，由一个第一正透镜元件、一个第二正透镜元件和一个负透镜元件构成，以及第三透镜组包括至少一个具有双凸形状的正透镜元件；并且在透镜组位置状态从广角端状态至摄远端状态移动时第三透镜组固定，其中至少在整个变焦范围内的广角端状态和摄远端状态下都满足下述条件式：
2.5＜TL/(ft×fw)1/2＜4.2
其中TL表示该变焦透镜系统最靠近物方的透镜表面与象平面之间的距离，fw表示该变焦透镜系统在广角端状态的焦距，而ft表示该变焦透镜系统在摄远端状态的焦距。
附图说明
图1为根据本发明实例1的变焦透镜系统的剖面图。
图2A至2E为表示根据实例1的变焦透镜系统在广角端状态的各种象差的曲线图。
图3A至3E为表示根据实例1的变焦透镜系统在中间焦距状态的各种象差的曲线图。
图4A至4E为表示根据实例1的变焦透镜系统在摄远端状态的各种象差的曲线图。
图5为根据本发明实例2的变焦透镜系统的剖面图。
图6A至6E为表示根据实例2的变焦透镜系统在广角端状态的各种象差的曲线图。
图7A至7E为表示根据实例2的变焦透镜系统在中间焦距状态的各种象差的曲线图。
图8A至8E为表示根据实例2的变焦透镜系统在摄远端状态的各种象差的曲线图。
图9为根据本发明实例3的变焦透镜系统的剖面图。
图10A至10E为表示根据实例3的变焦透镜系统在广角端状态的各种象差的曲线图。
图11A至11E为表示根据实例3的变焦透镜系统在中间焦距状态的各种象差的曲线图。
图12A至12E为表示根据实例3的变焦透镜系统在摄远端状态的各种象差的曲线图。
具体实施方式
下面说明根据本发明的各优选实施例。
条件式(1)限定了透镜总长度相对于变焦透镜系统焦距的尺寸。如果比值TL/(ft×fw)1/2超过条件式(1)的上限，则变焦透镜系统的透镜总长度变得太长，以致于变焦透镜系统不能小型化。另一方面，如果该比值落入条件式(1)的下限之下，则构成根据本发明变焦透镜系统的诸多透镜元件不能设置。优选在从广角端状态至摄远端状态的整个变焦范围中满足条件式(1)。
另外，所述上限和下限之一或者两者分别满足4.2和3.0则更为优选。
在本发明中，优选第一透镜组由一个由具有朝向象方凹表面的负弯月透镜构成的第一负透镜元件、一个第二负透镜元件、和一个由具有朝向物方凸表面的正弯月透镜构成的正透镜元件所组成；第二透镜组由一个第一正透镜元件、和一个由具有双凸形状的第二正透镜元件与一个负透镜元件胶合而构成的胶合透镜所组成；以及第三透镜组仅由一个正透镜元件所组成。
另外，更优选第二透镜组的最靠近物方透镜具有一个朝向物方的凸表面，第二透镜组的最靠近象方透镜具有一个朝向象方的凹表面，并且满足下面的条件式(2)：
-3.0＜(G2r1+G2r2)/(G2r2-G2r1)＜-1.8    (2)
其中G2r1表示第二透镜组最靠近物方表面的曲率半径，G2r2表示第二透镜组最靠近象方表面的曲率半径。
条件式(2)限定了第二透镜组的透镜形状。如果比值(G2r1+G2r2)/(G2r2-G2r1)落入条件式(2)的下限以下，则由最靠近物方设置的正透镜元件所产生的球差在负方向变得过大，使得难于校正变焦透镜系统整个透镜元件的球差。另一方面，如果该比值超过了条件式(2)的上限，则由最靠近象方设置的负透镜元件所产生的球差在正方向变得过大，使得难于校正变焦透镜系统整个透镜元件的球差。
另外，在本发明中，优选满足下面的条件式(3)：
-2.0＜(G3r1+G3r2)/(G3r2-G3r1)＜-0.1    (3)
其中G3r1表示第三透镜组最靠近物方表面的曲率半径，G3r2表示第三透镜组最靠近象方表面的曲率半径。
条件式(3)限定了第三透镜组的透镜形状。如果比值(G3r1+G3r2)/(G3r2-G3r1)超过了条件式(3)的上限，则难于满意地校正象散和畸变。另一方面，如果该比值落入条件式(3)的下限以下，则难于满意地校正象散和畸变，因而是不利的。
另外，优选第二透镜组或第三透镜组具有至少一个非球面表面。
非球面表面由下式表示：
X(y)＝y2/[r·[1+(1-κ·y2/r2)1/2)]]+C4·y4+C6·y6+C8·y8+C10·y10
其中X(y)表示从非球面表面顶点的切平面至非球面表面高度y处的位置之间沿光轴的距离，r表示傍轴曲率半径，K表示圆锥系数，以及Ci表示第i级非球面系数。
在本发明中，当透镜组位置状态从广角端状态移动至摄远端状态时，优选移动第一透镜组，沿物方方向移动第二透镜组，并且第三透镜组固定。
另外，当从无限远至近物聚焦时，优选沿物方方向移动第三透镜组。通过采用上述结构，可以简化变焦机构，因而可以实现小型的变焦透镜系统。
下面参照附图说明根据本发明的数值例。
<实例1>
图1为根据本发明实例1的变焦透镜系统的剖面图。该变焦透镜系统从物方依次包括，具有负折射光焦度的第一透镜组G1，孔径光阑SP，具有正折射光焦度的第二透镜组G2，和具有正折射光焦度的第三透镜组G3。当透镜组位置状态从广角端状态至摄远端状态移动时，移动第一透镜组G1和第二透镜组G2并且固定第三透镜组G3，使得第一透镜组G1与第二透镜组G2之间的距离减小而第二透镜组G2与第三透镜组G3之间的距离增大。
第一透镜组G1从物方依次由一个由具有朝向象方凹表面的负弯月透镜构成的负透镜元件L11、一个具有双凹形状的负透镜元件L12、和一个由具有朝向物方凸表面的正弯月透镜构成的正透镜元件L13所组成。第二透镜组G2由一个具有双凸形状的正透镜元件L21、一个具有双凸形状的正透镜元件L22和一个具有双凹形状的负透镜元件L23组成，其中正透镜元件L22与负透镜元件L23胶合以形成一胶合透镜。另外，具有双凸形状的正透镜元件L21的物方表面是非球面表面。第三透镜组G3仅由一个具有双凸形状的正透镜元件L31组成，其物方表面是非球面表面。
通过沿物方方向移动第三透镜组G3进行从无限远至近物的聚焦。
与实例1有关的各种数值列在表1中。在[规格]中，f表示焦距，FNO表示f数，并且2ω表示视角。在[透镜数据]中，第一栏为从物方依次计数的表面数，第二栏“r”为透镜表面的曲率半径，第三栏“d”为相邻透镜表面之间的距离，第四栏“v”为阿贝数，以及第五栏“n”为对于d线(λ＝587.6nm)的折射率。在[可调距离数据]中，列出了广角端状态、中间焦距状态和摄远端状态的焦距和可调距离值。在[条件式之值]中，给出了各条件式中参数的值。下面各实例中的值以与实例1中相同的标记符号表示。
在不同数值的各个表中，普遍采用“mm”作为长度例如焦距、曲率半径、相邻表面之间距离的单位。然而，由于按比例放大或缩小其尺寸的光学系统可以获得类似的光学性能，所以其单位并不必须限制为“mm”，也可以采用任何其它适当的单位。
另外，尽管空气的折射率为1.00000，但是在各表中将该值省略。另外，在曲率半径栏中的标记符号“∞”表示平面。在非球面数据中标记符号“E-n”表示“×10-n”(其中n为整数。)
″×10-n″(where n is an integer.)
表1
[规格]
  广角   摄远
  f＝FNO＝2ω＝   5.972.8764.2°   16.885.2223.3°
[透镜数据]
  r   d   v   n
  1)2)3)4)5)6)7)8)9)10)11)12)13)14)15)16)   19.18287.3466-143.67810.544310.4893120.8022∞9.692-22.14327.4756-9.45173.898825.703-13.609∞∞   1.11.7510.82.3(d6)0.420.12.550.9(d12)2.50.62.17   37.1746.5825.4359.6246.5830.1359.6264.14   1.8341.8041.80518孔径光阑1.583131.8041.698951.583131.51633
[非球面数据]
表面数＝8
κ   ＝-0.9643
C4   ＝-4.44320E-5
C6   ＝-1.03700E-5
C8   ＝1.33750E-6
C10  ＝-8.95360E-8
表面数＝13
κ    ＝16.8196
C4    ＝-4.51730E-4
C6    ＝2.27170E-5
C8    ＝-1.52580E-6
C10   ＝3.30560E-8
[可调距离数据]
  广角   中焦   摄远
  fd6d12TL   5.9713.4515.07838.84   10.006.2239.65536.19   16.881.85317.47439.64
[条件式之值]
(1)TL/(ft×fw)1/2＝3.87(广角端状态)
            ＝3.6(中间焦距状态)
            ＝3.95(摄远端状态)
(2)(G2r1+G2r2)/(G2r2-G2r1)＝-2.35
(3)(G3r1+G3r2)/(G3r2-G3r1)＝-0.31
图2至4分别表示根据本发明实例1在广角端状态、中间焦距状态和摄远端状态的各种象差曲线图。图6至8分别表示根据本发明后面所述实例2在广角端状态、中间焦距状态和摄远端状态的各种象差曲线图。图10至12分别表示根据本发明后面所述实例3在广角端状态、中间焦距状态和摄远端状态的各种象差曲线图。
在各图的不同象差曲线中，FNO表示f数，Y表示象高。在表示球差的曲线图中，FNO的值为相对于最大孔径的f数。在表示象散和畸变的曲线图中，Y值表示最大象高。在表示彗差的曲线图中，Y值表示各图象的象高。标记符号d表示d线(λ＝587.6nm)，g表示g线(λ＝435.6nm)。在表示象散的曲线图中，实线表示弧矢象面，虚线表示子午象面。
从各曲线图中可以看到，根据各实例的变焦透镜系统由于对各种象差的良好校正而表现出优越的光学性能。
<实例2>
图5为根据本发明实例2的变焦透镜系统的剖面图。该变焦透镜系统从物方依次包括，具有负折射光焦度的第一透镜组G1，孔径光阑SP，具有正折射光焦度的第二透镜组G2，和具有正折射光焦度的第三透镜组G3。当透镜组位置状态从广角端状态至摄远端状态移动时，移动第一透镜组G1和第二透镜组G2并且固定第三透镜组G3，使得第一透镜组G1与第二透镜组G2之间的距离减小而第二透镜组G2与第三透镜组G3之间的距离增大。
第一透镜组G1从物方依次由一个由具有朝向象方凹表面的负弯月透镜构成的负透镜元件L11、一个由具有朝向象方凹表面的负弯月透镜构成的负透镜元件L12、和一个由具有朝向物方凸表面的正弯月透镜构成的正透镜元件L13所组成。第二透镜组G2由一个具有双凸形状的正透镜元件L21、一个具有双凸形状的正透镜元件L22和一个具有双凹形状的负透镜元件L23组成，其中正透镜元件L22与负透镜元件L23胶合以形成一胶合透镜。另外，具有双凸形状的正透镜元件L21的物方表面是非球面表面。第三透镜组G3仅由一个由具有朝向象方凸表面的正弯月透镜构成的正透镜元件L31组成，其物方表面是非球面表面。
通过沿物方方向移动第三透镜组G3进行从无限远至近物的聚焦。
与实例2有关的各种数值列在表2中。
表2
[规格]
  广角   摄远
  f＝FNO＝   5.802.84   16.244.94
  2ω＝   65.7°   23.7°
[透镜数据]
  r   d   v   n
  1)2)3)4)5)6)7)8)9)10)11)12)13)14)15)16)   33.841610.7972879.0538.47029.931821.0498∞8.9099-22.98219.1096-6.95973.9539-150.82-7.8079∞∞   11.601111.34812.0681(d6)0.41.72630.12.13071.8562(d12)2.30.12.17   39.5958.9625.4359.6247.3832.1159.6264.2   1.80441.518231.80518孔径光阑1.583131.7881.67271.583131.5168
[非球面数据]
表面数＝8
κ    ＝-1.6093
C4    ＝-1.86340E-5
C6    ＝-6.64410E-6
C8    ＝-4.94360E-7
C10   ＝4.39150E-8
表面数＝13
κ    ＝54.8059
C4    ＝-1.04020E-3
C6    ＝4.89310E-5
C8    ＝-2.91910E-6
C10   ＝6.66510E-8
[可调距离数据]
  广角   中焦   摄远
  fd6d12TL   5.8015.5194.11139.94   10.446.0928.54334.95   16.241.88314.08336.28
[条件式之值]
(1)TL/(ft×fw)1/2＝4.12(广角端状态)
          ＝3.6(中间焦距状态)
          ＝3.74(摄远端状态)
(2)(G2r1+G2r2)/(G2r2-G2r1)＝-2.6
(3)(G3r1+G3r2)/(G3r2-G3r1)＝-1.11
<实例3>
图9为根据本发明实例3的变焦透镜系统的剖面图。该变焦透镜系统从物方依次包括，具有负折射光焦度的第一透镜组G1，孔径光阑SP，具有正折射光焦度的第二透镜组G2，和具有正折射光焦度的第三透镜组G3。当透镜组位置状态从广角端状态至摄远端状态移动时，移动第一透镜组G1和第二透镜组G2并且固定第三透镜组G3，使得第一透镜组G1与第二透镜组G2之间的距离减小而第二透镜组G2与第三透镜组G3之间的距离增大。
第一透镜组G1从物方依次由一个由具有朝向象方凹表面的负弯月透镜构成的负透镜元件L11、一个由具有朝向象方凹表面的负弯月透镜构成的负透镜元件L12、和一个由具有朝向物方凸表面的正弯月透镜构成的正透镜元件L13所组成。第二透镜组G2由一个具有双凸形状的正透镜元件L21、一个具有双凸形状的正透镜元件L22和一个具有双凹形状的负透镜元件L23组成，其中正透镜元件L22与负透镜元件L23胶合以形成一胶合透镜。另外，具有双凸形状的正透镜元件L21的物方表面是非球面表面。第三透镜组G3仅由一个具有朝向象方凸表面的正透镜元件L31组成，其物方表面是非球面表面。
通过沿物方方向移动第三透镜组G3进行从无限远至近物的聚焦。
与实例3有关的各种数值列在表3中。
表3
[规格]
  广角   摄远
  f＝FNO＝2ω＝   5.802.8465.6°   16.244.9323.7°
[透镜数据]
  r   d   v   n
  1)2)3)4)5)6)   26.0839.84171857.50318.53859.78920.6297   11.804211.16762.0846(d6)   39.5958.9625.43   1.80441.518231.80518
  7)8)9)10)11)12)13)14)15)16)   ∞11.2714-22.69047.6838-7.01463.929109.4427-8.9226∞∞   0.41.630.12.2181.666(d12)2.30.12.17 59.6247.3832.1159.6264.2   孔径光阑1.583131.7881.67271.583131.5168
[非球面数据]
表面数＝8
κ    ＝-1.8821
C4    ＝-6.84660E-5
C6    ＝-2.62290E-5
C8    ＝3.00390E-6
C10   ＝-1.75730E-7
表面数＝13
κ    ＝75.3961
C4    ＝-7.23310E-4
C6    ＝1.97710E-5
C8    ＝-1.04730E-6
C10   ＝2.46130E-8
[可调距离数据]
  广角   中焦   摄远
  fd6d12TL   5.8015.4324.35839.94   10.446.0608.88535.1   16.241.87614.54336.57
[条件式之值]
(1)TL/(ft×fw)1/2＝4.12(广角端状态)
               ＝3.62(中间焦距状态)
               ＝3.77(摄远端状态)
(2)(G2r1+G2r2)/(G2r2-G2r1)＝-2.07
(3)(G3r1+G3r2)/(G3r2-G3r1)＝-0.85
如上所述，本发明使得可以提供一种适用于采用固态成象装置的图象采集系统的变焦透镜系统，具有大约为三的变焦比，较小的透镜总长度和优越的光学性能。
所属领域技术人员易于了解其它的优点和改型。因此，本发明就其更广泛的方面而言并不局限于此处所示和所述的具体细节和例示性装置。相应地，可以作出各种改型而不偏离由所附权利要求及其等同物所限定的本发明总的发明构思的精神或范围。

Claims (9)

1.一种变焦透镜系统，从物方依次包括，一个具有负折射光焦度的第一透镜组；一个具有正折射光焦度的第二透镜组；和一个具有正折射光焦度的第三透镜组；通过改变相邻透镜组之间的距离来进行变焦；
其中，
第一透镜组包括两个负透镜元件和一个正透镜元件，
第二透镜组包括三个透镜元件，由一个第一正透镜元件、一个具有双凸形状的第二正透镜元件和一个负透镜元件构成，以及
第三透镜组包括至少一个正透镜元件；并且
在透镜组位置状态从广角端状态至摄远端状态移动时第三透镜组固定，
其中至少在整个变焦范围内的广角端状态和摄远端状态下都满足下述条件式：
2.5＜TL/(ft×fw)1/2＜4.2
其中TL表示该变焦透镜系统最靠近物方的透镜表面与象平面之间的距离，fw表示该变焦透镜系统在广角端状态的焦距，而ft表示该变焦透镜系统在摄远端状态的焦距。
2.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其中第二透镜组包括至少一个非球面表面。
3.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，
第一透镜组由如下组成：
一个第一负透镜元件，由具有朝向象方凹表面的负弯月透镜构成，
一个第二负透镜元件，和
一个正透镜元件，由具有朝向物方凸表面的正弯月透镜构成；
第二透镜组由如下组成：
一个第一正透镜元件，和
一个胶合透镜，由一个具有双凸形状的第二正透镜元件与一个负透镜元件胶合构成；以及
第三透镜组仅由一个正透镜元件组成。
4.如权利要求3所述的变焦透镜系统，其中，
第二透镜组最靠近物方的透镜表面具有朝向物方的凸面形状，
第二透镜组最靠近象方的透镜表面具有朝向象方的凹面形状，并且
满足下述条件式：
-3.0＜(G2r1+G2r2)/(G2r2-G2r1)＜-1.8
其中G2r1表示第二透镜组最靠近物方透镜表面的曲率半径，G2r2表示第二透镜组最靠近象方透镜表面的曲率半径。
5.如权利要求3所述的变焦透镜系统，其中，
满足下述条件式：
-2.0＜(G3r1+G3r2)/(G3r2-G3r1)＜-0.1
其中G3r1表示第三透镜组最靠近物方透镜表面的曲率半径，G3r2表示第三透镜组最靠近象方透镜表面的曲率半径。
6.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其中组成第三透镜组的正透镜元件具有至少一个非球面表面。
7.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其中通过沿物方方向移动第三透镜组进行从无限远至近物的聚焦。
8.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其中第三透镜组包括至少一个具有双凸形状的正透镜元件。
9.一种变焦透镜系统，从物方依次包括，一个具有负折射光焦度的第一透镜组；一个具有正折射光焦度的第二透镜组；和一个具有正折射光焦度的第三透镜组；通过改变相邻透镜组之间的距离来进行变焦；
其中，
第一透镜组包括两个负透镜元件和一个正透镜元件，
第二透镜组包括三个透镜元件，由一个第一正透镜元件、一个第二正透镜元件和一个负透镜元件构成，以及
第三透镜组包括至少一个具有双凸形状的正透镜元件；并且在透镜组位置状态从广角端状态至摄远端状态移动时第三透镜组固定，
其中至少在整个变焦范围内的广角端状态和摄远端状态下都满足下述条件式：
2.5＜TL/(ft×fw)1/2＜4.2
其中TL表示该变焦透镜系统最靠近物方的透镜表面与象平面之间的距离，fw表示该变焦透镜系统在广角端状态的焦距，而ft表示该变焦透镜系统在摄远端状态的焦距。
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