CN1295537C - 变焦镜头和成像装置 - Google Patents

Abstract

本文公开一种变焦镜头和成像装置，该多焦镜头从物体侧起依次包括：第一透镜组，具有负折光力的第一透镜组，当变焦比改变时，其可沿光轴来回移动，具有正折光力的第二透镜组，当变焦比从广角端到远摄端改变时，其可沿光轴朝物体侧移动，和具有正折光力的第三透镜组，可沿光轴来回移动。在这种变焦镜头中，第二透镜组从物体侧起包括：光阑，一片至少朝向物体侧的表面为非球面的会聚透镜，和粘合的三片透镜。

Description

变焦镜头和成像装置

                  相关申请交叉引用

本申请要求于2003年04月28日向日本专利局提交的日本优先权文件No.2003-123088的优先权，该文件在此引作参考。

技术领域

本发明涉及变焦镜头和成像装置，特别涉及一种变焦镜头，该镜头具有亮度(brightness)约为2.8的F数，变焦比约为3倍，缩回时总长较短，适合数字照相机、视频摄像机等，和使用这种变焦镜头的成像装置。

背景技术

近年来，应用固态图像传感器件的视频摄像机和数字照相机已经快速、广泛地传播开来，并且特别需要这种装置具有高分辨率以及进一步小型化。专利文件1和专利文件2中公开了传统技术的变焦镜头，其具有从物体侧起依次为负、正、正型的变焦镜头结构，第一透镜组具有较少数量透镜例如两片凹透镜和凸透镜。

专利文件1：日本专利公开No.2001-296475

专利文件2：日本专利公开No.2002-372667

可是，因为使镜头小型化比较困难，所以运用这些传统技术很难得到500万像素级的变焦镜头，另外，在使成像装置的图像尺寸小型化的同时，很难满足对高分辨率的需求。还有，由于追求镜头的小型化和高分辨率，由于第二透镜组的透镜片之间的偏心对聚焦性能产生的影响变大，因而很难提高可靠性。

发明内容

本发明用于解决上述问题。换句话说，根据本发明，变焦镜头从物体侧起依次包括：具有负折光力的第一透镜组，当变焦比改变时其可沿光轴来回移动；具有正折光力的第二透镜组，当变焦比从广角端到远摄端改变时其可沿光轴朝物体侧移动；和具有正折光力的第三透镜组，可沿光轴来回移动；其中第二透镜组从物体侧起包括光阑、一片在物体侧为非球面的会聚透镜、和粘合的三片透镜；所述第二透镜组分担的变集比的比率满足以下条件：2.0＜(β2t·β3w)/(β2w·β3t)＜2.6，其中β2w是在广角端时所述第二透镜组的变焦比，β3w是在广角端时所述第三透镜组的变焦比，β2t是在远摄端时所述第二透镜组的变焦比，β3t是在远摄端时所述第三透镜组的变焦比，并且所述第三透镜组满足以下条件：2.2＜f3/fw＜3.0，其中f3是所述第三透镜组的焦距，fw是在远摄端时的焦距。此外，在上述变焦镜头中，第一透镜组包括朝向像面的表面为复合非球面的发散弯月形透镜(凹凸透镜)和会聚透镜。另外，第三透镜组包括一片至少朝物体侧的表面为非球面的会聚透镜。本发明还涉及一种具有上述变焦镜头的成像装置。

根据本发明，在具有从物体侧起依次为负、正、正型的第一到第三透镜组的变焦镜头中，第二透镜组能够被配置成从物体侧起依次具有光阑、一片至少朝物体侧的表面为非球面的会聚透镜和粘合的三片透镜，以使它能够借助于具有非球面的那片会聚透镜有效地进行像差校正。另外，与包含双粘合透镜和单透镜的传统变焦镜头相比，能提高三片透镜的定位精度，在小型化的同时抑止偏心灵敏度的增大，从而形成组装简单的镜头系统。

附图说明

图1是说明本实施方案涉及的变焦镜头示意图；

图2是表示第一实例涉及的变焦镜头的结构示意图；

图3是第一实例涉及的变焦镜头在广角端时的像差示意图；

图4是第一实例涉及的变焦镜头在中焦距时的像差示意图；

图5是第一实例涉及的变焦镜头在远摄端时的像差示意图；

图6是表示第一实例涉及的变焦镜头的具体参数表；

图7是表示第二实例涉及的变焦镜头的结构示意图；

图8是第二实例涉及的变焦镜头在广角端时的像差示意图；

图9是第二实例涉及的变焦镜头在中焦距时的像差示意图；

图10是第二实例涉及的变焦镜头在远摄端时的像差示意图；

图11是表示第二实例涉及的变焦镜头的具体参数表；

图12是表示在每个实例中与条件方程1～4相应的举例的数值表。

具体实施方式

下面基于附图，对本发明的优选实施例进行详细描述。图1是说明本发明的变焦镜头的一个实施方案的示意图。该变焦镜头主要用于成像装置比如数字照相机。首先，描述本实施方案的变焦镜头。

本实施方案的变焦镜头从物体侧起依次包括：具有负折光力的第一透镜组G1，当变焦比改变时其可沿光轴来回移动；具有正折光力的第二透镜组G2，当变焦比从广角端到远摄端改变时其可沿光轴朝物体侧移动；和具有正折光力的第三透镜组G3，可沿光轴来回移动。

在该实施方案的这组变焦镜头中，第二透镜组G2被配置成从物体侧起包括光阑S、一片至少朝物体侧的表面为非球面的会聚透镜L4、和粘合的三片透镜L5、L6和L7。

另外，第一透镜组G1被配置成包括在像平面侧为复合非球面的负弯月形透镜L1和L2，和会聚透镜L3。还有，第三透镜组G3包括一片具有至少一个或多个非球面的会聚透镜L8。此外又有，如果第三透镜组G3的会聚透镜L8满足下述条件式，就能够有更理想的变焦镜头。

n＞1.5和4.5＜v＜70    …1

n：用于第三透镜组的原始透镜的玻璃原材料的D线折射率。

v：用于第三透镜组的原始透镜的玻璃原材料的阿贝数。

现在，详细描述本实施方案。当变焦镜头的变焦比改变时，各个透镜组按图1中箭头所示方向移动，可是，具有正折光力的第二透镜组G2主要分担大部分变焦比。在这种情况，通过从广角端W到远摄端T沿光轴来回移动负的第一透镜组G1，并通过相对像平面IMG沿光轴来回移动正的第三透镜组G3，来补偿焦点的移动。

根据本发明的变焦镜头的第一透镜组G1有大量的轴外主光线折射，特别在广角端W，结果经常出现大的像散和畸变像差。因此，根据本发明，将其设计成在凹透镜前面具有一凹凸结构，用于实现镜头系统的小型化，和在负透镜的像平面侧的树脂非球面，即，形成所谓的复合非球面。

通过在这部分设置这种复合非球面，能够增加可选玻璃材料的类型，以及很好地补偿像散和畸变像差，同时保持低成本的优点。结果，第一透镜组G1能够被配置成具有两片透镜的简单结构，并能够实现透镜系统整体小型化。

更特别地，当通过使用紫外硬化技术的方法制造复合非球面透镜时，用于第一透镜组G1的玻璃材料要求对紫外线具有高透射率。例如，对于透射率特性来说，希望5％透射率的紫外线波长，即波长(λ5％)小于350nm。

λ5％＜350nm    …2

此外，在第二透镜组G2的最靠近物体侧设置的会聚透镜L4(凸透镜)中，理想的是至少在其物方侧设置非球面。在变焦透镜前面是负透镜组的情况下，从第一透镜组G1中出射的光通量变成发散的光通量，结果，最密的光通量有效地穿过位于光阑S附近的会聚透镜L4，其中光阑S安置在第二透镜组G2的最靠近物体侧。因此，利用这里所述的非球面能够有效地实现球差校正。此外，理想的是该会聚透镜L4相对光阑S的一面是凸面。因为如果会聚透镜L4具有凹面，则光通量进一步发散，这导致第二透镜组G2的直径增大。

此外，光阑S的位置位于在第二透镜组G2的最靠近物体侧的原因是，因为最好使成像装置的入射角比较窄，所以光阑S最好远离像平面IMG放置，以及，因为与光阑S位于第二透镜组G2的透镜之间的情况相比，从光阑S开始的物体侧空间由透镜组之间的间距分担，所以能够实现小型化。而且，通过使入瞳(incident pupil)的位置在靠近物体侧的广角端，可有效地抑止第一透镜组G1的透镜外径增大。

在第二透透组G2中，三片透镜(粘合的三片透镜L5、L6和L7)设置在在前会聚透镜L4(凸透镜)的后面。在变焦镜头前面是负透镜组的情况下，在第一透镜组G1中，轴外光通量穿过光轴上方的较高位置，进入第二透镜组G2中，然后穿过光阑S附近区域中较低位置。之后，轴外光通量又穿过较高位置，通过第二透镜组G2到第三透镜组G3，结果通过使用三片透镜补偿了各种像差。

对光轴上的光通量的像差校正由第二透镜组G2中具有非球面的凸透镜承担，对轴外光通量的像差校正由第一透镜组G1的复合非球面和第二透镜组G2的三片透镜承担。可是，当应用三片透镜进行像差校正时，如果光学系统试图更小型化，则第二透镜组必须分担更多光焦度，因此，复合透镜的偏心灵敏度不可避免地增大。因此，在本发明的实施方案中。利用粘合的三片透镜L5、L6、L7进行测量，使用三片透镜是为了吸收透镜的机械安装误差。

第二透镜组G2分担的变焦比的比率最好满足下列条件：

2.0＜(β2t·β3w)/(β2w·β3t)＜2.6    …3

β2w：在广角端时第二透镜组的变焦比。

β3w：在广角端时第三透镜组的变焦比。

β2t：在远摄端时第二透镜组的变焦比。

β3t：在远摄端时第三透镜组的变焦比。

条件式3限定了对于第二透镜组G2和第三透镜组G3的放大倍率比的分担比例。如果分担比超出条件式3的下限，第三透镜组G3分担相对更多的放大倍率以致于当变焦比改变时，通过安装仅仅配置一片透镜的第三透镜组G3难于吸收像差偏移。此外，当依靠第三透镜组G3实现对焦是不理想的，因为通过拉长透镜，色差变得无法接受。

另一方面，当第二透镜组G2的放大倍率的分担比变大，超出条件式3的上限时，变焦比改变所必需的移动i增大，镜头不能小型化。当变焦比改变时，按条件式3算出应当向第三透镜组G3分配的放大倍率，能够优化第二透镜组G2和第三透镜组G3各自的折射率，简单地进行像差校正。

在根据本发明的变焦镜头中，第三透镜组G3由一片会聚透镜8(凸透镜)构成，当变焦比改变时通过沿光轴来回移动来校正由变焦比改变导致的像平面的错位。这使用上面所述的一片透镜配置，所以实际上缩短了可伸缩变焦镜头在缩回时所需的沿光轴长度，使对焦机构简化。

可是，如果第三透镜组G3用一片透镜形成，则难于校正在对焦时出现的放大倍率的色差和在上侧(over side)出现的场曲。这产生新问题，要求使像差或场曲在合适的范围内。因此，在本发明的一个实施方案中，在第三透镜组G3中的初始透镜L8被配置成使其满足条件式1。

此外，如果不满足条件式1，阿贝数变小，很难通过拉长镜头以使放大的色差在许可值范围以内，特别在远摄端对焦的情况下。

相反，如果不满足条件式1，阿贝数变大，对于色差来说是理想的。但在这种情况下，由于可购到的玻璃材料的折射率较小，第三透镜组G3的透镜曲率半径变小，特别是在远摄端时的场曲明显下降到下侧(under side)，结果变得难于用其它透镜组补偿。此外，理想的是满足条件式4。

2.2＜f3/fw＜3.0  …4

f3：第三透镜组G3的焦距。

fw：在远摄端时的焦距。

此外，如果第三透镜组G3的焦距变大，超出条件式4的上限，则当用第三透镜组G3实现对焦时，用于对焦所必须的移动距离增加，结果变得不理想，因为像差变化在短距离内增大。相反，当焦距变短，低于条件式4的下限时，也是不理想的，因为这使特别是第一透镜组变大，不利于光学系统的小型化。

现在，根据本发明的实施方案，作为变焦镜头的数值举例示出第一实例和第二实例。在每个实例中，用下面的方程式(1)表示非球面，其中沿光轴方向作为坐标系的X轴，垂直于光轴的方向的高为H，二次曲线常数为K，曲率半径为R，第四、第六、第八和第十非球面系数分别为A、B、C、D。

$X=\frac{\frac{h^2}{r}}{1+\sqrt{1-(1+k)\frac{h^2}{r^2}}}+{\mathrm{Ah}}^4+{\mathrm{Bh}}^6+C{h}^8+{\mathrm{Dh}}^{10}...\left(1\right)$

在图3～图5中，FNo指F数，ω指半视场角。另外，表示球差的曲线图的垂直刻度为释放F值，水平刻度为焦距，d线波长为587.6nm，g线波长为435.8nm。此外，表示像散的曲线图的垂直刻度为像高，水平刻度为焦距，ΔS指弧矢像差(societal)，ΔM指成像子午面。另外，表示畸变的曲线图的垂直刻度为像高，水平刻度为％。

此外，图6中的表面序号是指图2中从物体侧数起的透镜表面的序号。R指曲率半径，D指透镜表面间的距离，Nd指相对d线的折射率，vd表示阿贝数。另外，表示非球面的参数K、A、B、C、D对应于方程式(1)中的各个参数。还有，在透镜组间隔A1、B2、C3中，A1表示第一透镜组和第二透镜组之间的距离(在透镜表面S5和光阑S之间的距离)，B2表示第二透镜组和第三透镜组之间的距离(在镜头表面S12和镜头表面S13之间的距离)，C3表示第三透镜组和FL之间的距离(在镜头表面S14和滤色镜表面S15之间的距离)。

Claims (8)

1.一种变焦镜头，从物体侧起依次包括：

具有负折光力的第一透镜组，当变焦比改变时，其可沿光轴来回移动；

具有正折光力的第二透镜组，当变焦比从广角端到远摄端改变时，其可沿光轴朝物体侧移动；和

具有正折光力的第三透镜组，可沿光轴来回移动；其中

所述第二透镜组从物体侧起依次包括：

光阑；

一片至少朝向物体侧的表面为非球面的会聚透镜；和

粘合的三片透镜，

所述第二透镜组分担的变集比的比率满足以下条件：

2.0＜(β2t·β3w)/(β2w·β3t)＜2.6，其中

β2w是在广角端时所述第二透镜组的变焦比，

β3w是在广角端时所述第三透镜组的变焦比，

β2t是在远摄端时所述第二透镜组的变焦比，

β3t是在远摄端时所述第三透镜组的变焦比，

并且所述第三透镜组满足以下条件：

2.2＜f3/fw＜3.0，其中

f3是所述第三透镜组的焦距，

fw是在远摄端时的焦距。

2.如权利要求1中所述的变焦镜头，其中：

所述第一透镜组包括：

在像平面侧的表面为复合非球面的弯月形负透镜；和

会聚透镜。

3.如权利要求1中所述的变焦镜头，其中：

所述第三透镜组包括：

一片具有至少一个或多个非球面的会聚透镜。

4.如权利要求3中所述的变焦镜头，其中：

第三透镜组的会聚透镜满足下列条件：

n＞1.5和4.5＜v＜70，其中：

n是第三透镜组的会聚透镜的玻璃材料的d线折射率；和

v是第三透镜组的会聚透镜的玻璃材料的阿贝数。

5.一种装有变焦镜头的成像装置，所述变焦镜头从物体侧起依次包括：

具有负折光力的第一透镜组，当变焦比改变时，其可沿光轴来回移动；

具有正折光力的第二透镜组，当变焦比从广角端到远摄端改变时，其可沿光轴朝物体侧移动；

和具有正折光力的第三透镜组，可沿光轴来回移动；其中

所述第二透镜组从物体侧起依次包括：

光阑；

一片至少朝向物体侧的表面为非球面的会聚透镜；和

粘合的三片透镜，

所述第二透镜组分担的变集比的比率满足以下条件：

2.0＜(β2t·β3w)/(β2w·β3t)＜2.6，其中

β2w是在广角端时所述第二透镜组的变焦比，

β3w是在广角端时所述第三透镜组的变焦比，

β2t是在远摄端时所述第二透镜组的变焦比，

β3t是在远摄端时所述第三透镜组的变焦比，

并且所述第三透镜组满足以下条件：

2.2＜f3/fw＜3.0，其中

f3是所述第三透镜组的焦距，

fw是在远摄端时的焦距。

6.如权利要求5中所述的成像装置，其中：

所述第一透镜组包括：

在像平面侧的表面为复合非球面的弯月形负透镜；和

会聚透镜。

7.如权利要求5中所述的成像装置，其中：

所述第三透镜组包括：

一片具有至少一个或多个非球面的会聚透镜。

8.如权利要求7中所述的成像装置，其中：

第三透镜组的会聚透镜满足下列条件：

n＞1.5和4.5＜v＜70，其中

n是第三透镜组的会聚透镜的玻璃材料的d线折射率；和

v是第三透镜组的会聚透镜的玻璃材料的阿贝数。

Images