CN1323307C - 变焦透镜系统 - Google Patents

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CN1323307C CNB2004100741359A CN200410074135A CN1323307C CN 1323307 C CN1323307 C CN 1323307C CN B2004100741359 A CNB2004100741359 A CN B2004100741359A CN 200410074135 A CN200410074135 A CN 200410074135A CN 1323307 C CN1323307 C CN 1323307C
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Abstract

一种变焦透镜系统，从物体一侧顺次包括：负的第一透镜组、正的第二透镜组和正的第三透镜组。在从短焦距极点向长焦距极点变焦时，第一透镜组与所述第二透镜组之间的距离减小；第二透镜组与第三透镜组之间的距离增大。当进行变焦时，第三透镜组保持静止，第一透镜组和第二透镜组可以沿着变焦透镜系统的光轴移动；而且，变焦透镜系统满足如下条件：3.0＜f3/f2＜3.5 (1)；1.4＜|f1/fw|＜2.0 (2)；0.8＜f2/fw＜1.5 (3)；其中，f1表示第一透镜组的焦距；f2表示第二透镜组的焦距；f3表示第三透镜组的焦距；fw表示在短焦距极点整个变焦透镜系统的焦距。

Description

变焦透镜系统
技术领域
本发明涉及一种用于电子静态成像(数码像机)的变焦透镜系统，该系统具有宽视场(即在短焦距端具有较短焦距)，且其变焦倍率大约为3。
现有技术
近年来，数码像机不仅用于照像设备中，而且还设置在便携式数字设备(PDA：个人数字助手)和移动电话等之中。用于这样的数码像机上的成像设备(成像单元)诸如CCD和COMS必须非常小。因此通常使用有效成像区域相对小的成像设备，而且已经有许多光学系统由少量透镜单元构成的数码像机。
通常使用具有较少数量透镜、负导类型透镜系统(negative-lead typelens)的小尺寸变焦透镜系统。在这样的透镜系统中，至少有两个优点，即(i)可以使透镜系统的焦距在短焦距极点处较短；(ii)可以保持在成像侧远心。
例如，下面的日本待审专利申请(后面简称为JUPP)公开了一种三(和二)透镜组结构的负导类型透镜系统，后面将讨论它的缺点。
JUPP No.2002-82284，  JUPP No.2002-5 5278，
JUPP No.2002-14284，  JUPP No.平-11-237549，和
JUPP No.平-10-206732。
在JUPP No.2002-82284中，第二透镜组(变焦透镜组)由两个正透镜元件构成。因此该变焦透镜组不能校正色差。
在JUPP No.2002-55278中，第三透镜组具有较小的正折射光焦度(后面简称正光焦度)。然而，变焦主要是由第一透镜组和第二透镜组完成的。结果，第三透镜组对于变焦基本没有起作用，所以变焦透镜系统不够小型化。
在JUPP No.2002-14284中，第一透镜组由两个或者更多透镜元件构成。因此能够充分校正像差；然而，变焦透镜系统不够小型化。
在JUPP No.平-11-237549中，每个透镜组的光焦度都小，第二透镜组的光焦度特别小。因此，第一透镜组和第二透镜组之间的距离较长，所以变焦透镜系统的整体长度变长。
在JUPP No.平-10-206732中，第二透镜组由三个透镜元件构成，所以不能实现充分小。
如果试图使整个变焦透镜系统的长度较短，应该理解必须使每个透镜组的光焦度较大，以便透镜组的移动距离变短。然而，如果使透镜组的光焦度大，像差也变大。因此难以对整个变焦范围适当地校正像差。
发明概述
考虑到上述缺点，本发明提供一种尺寸小且质量高的变焦透镜系统，从物体一侧顺次具有负透镜组、正透镜组和正透镜组。
根据本发明的一个方面，提供一种变焦透镜系统，从物体一侧顺次包括：具有负光焦度的第一透镜组(后面简称为负的第一透镜组)、具有正光焦度的第二透镜组(后面简称为正的第二透镜组)和具有正光焦度的第三透镜组(后面简称为正的第三透镜组)。
在从短焦距极点向长焦距极点变焦时，负的第一透镜组与正的第二透镜组之间的距离减小、而正的第二透镜组与正的第三透镜组之间的距离增大。
当进行变焦时，正的第三透镜组保持静止，负的第一透镜组和正的第二透镜组可以沿着变焦透镜系统的光轴移动；变焦透镜系统满足如下条件：
3.0＜f3/f2＜3.5         (1)
1.4＜|f1/fw|＜2.0       (2)
0.8＜f2/fw＜1.5         (3)
其中，
fl表示负的第一透镜组的焦距；
f2表示正的第二透镜组的焦距；
f3表示正的第三透镜组的焦距；
fw表示在短焦距极点处整个变焦透镜系统的焦距。
本发明的变焦透镜系统优选满足如下条件：
1.0＜T2/ymax＜2.0    (4)
其中：T2表示从正的第二透镜组最靠近物方表面到最靠近像方表面的距离；
ymax表示最大像高。
负的第一透镜组优选包括凹面朝向像方的单个负弯月透镜单元。
正的第二透镜组优选包括正透镜单元和负透镜单元。
正的第三透镜组优选包括单个正透镜单元。
在本发明的变焦透镜系统中，如果负的第一透镜组在短焦距极点的位置设置成与在长焦距极点的位置相同，仅通过向正的第二透镜组移动范围内的任何一端移动正的第二透镜组，就可以实现在两个焦距之间切换的透镜系统。
根据本发明的另一个方面，提供一种变焦透镜系统，从物体一侧顺次包括：负的第一透镜组、正的第二透镜组和正的第三透镜组。
在从短焦距极点向长焦距极点变焦时，负的第一透镜组与正的第二透镜组之间的距离减小、正的第二透镜组与正的第三透镜组之间的距离增大。当进行变焦时，正的第三透镜组保持静止，负的第一透镜组和正的第二透镜组可以沿着变焦透镜系统的光轴移动；变焦透镜系统满足如下条件：
1.0＜T2/ymax＜2.0    (4)
其中：T2表示从正的第二透镜组最靠近物方表面到最靠近像方表面的距离；
ymax表示最大像高。
附图简要说明
下面将结合附图详细讨论本发明，其中：
图1是根据本发明第一实施方案的变焦透镜系统在短焦距极点的透镜结构；
图2A、2B、2C、2D和2E示出图1所示透镜结构产生的像差；
图3是图1所示的变焦透镜系统在长焦距极点的透镜结构；
图4A、4B、4C、4D和4E示出图3所示透镜结构产生的像差；
图5是根据本发明第二实施方案的变焦透镜系统在短焦距极点的透镜结构；
图6A、6B、6C、6D和6E示出图5所示透镜结构产生的像差；
图7是图5所示的变焦透镜系统在长焦距极点的透镜结构；
图8A、8B、8C、8D和8E示出图7所示透镜结构产生的像差；
图9是根据本发明第三实施方案的变焦透镜系统在短焦距极点的透镜结构；
图10A、10B、10C、10D和10E示出图9所示透镜结构产生的像差；
图11是图9所示的变焦透镜系统在长焦距极点的透镜结构；
图12A、12B、12C、12D和12E示出图11所示透镜结构产生的像差；以及
图13示出根据本发明的变焦透镜系统在变焦时透镜组的移动路径。
优选实施方案
本发明的变焦透镜系统如图13的透镜组移动路径所示，从物体一侧顺次包括：负的第一透镜组10、正的第二透镜组20和正的第三透镜组30。
在从短焦距极点(W)向长焦距极点(T)变焦时，负的第一透镜组10向像方移动，然后返回向物方移动；正的第二透镜组20向物方移动；正的第三透镜组30保持静止。结果，负的第一透镜组与正的第二透镜组之间的距离减小；正的第二透镜组与正的第三透镜组之间的距离增大。
在图13中，字母“I”表示像平面；在数码像机中，滤光片组在像平面I的前面紧邻设置。
光圈S设置在负的第一透镜组10与正的第二透镜组20之间，在变焦时与正的第二透镜组20一起移动。
通过移动负的第二透镜组10、正的第二透镜组20和正的第三透镜组30至少之一实现聚焦。
在变焦透镜系统作为两个焦距透镜系统使用时，负的第一透镜组10在短焦距极点的位置设置成与在长焦距极点的位置相同。换句话说，在短焦距极点和长焦距极点两种情况下，从负的第一透镜组10的最靠近像方表面到像平面I之间的距离不变。由于这种结构，只通过向正的第二透镜组20的移动范围内的任何一端移动正的第二透镜组20就可以获得两个焦距，即长焦距和短焦距。
由于上述负的第一透镜组10的上述结构，变焦透镜系统可以作为所谓的两焦距切换透镜系统使用，因为只通过向正的第二透镜组20的移动范围两端之间移动正的第二透镜组20就可以获得长焦距和短焦距。
负的第一透镜组10优选由凹面朝向像方的单个负弯月透镜单元构成，目的是为了使变焦透镜系统最小。
正的第二透镜组20最优选由正透镜单元和负透镜单元构成，原因是：(i)设定正的第二透镜组20具有最大变焦功能，因此需要设置一个正透镜和一个负透镜，以消除变焦时产生的像差；(ii)应该理解，透镜元件数目越少，越能够实现变焦透镜系统小型化。
正的第三透镜组30优选由单个正的双凸透镜单元构成。
条件(1)规定正的第三透镜组30的焦距与正的第二透镜组20的焦距之比，目的是：(i)确保远心；(ii)适合于在整个变焦范围(或者在每个焦距极点)校正像差，(iii)进一步使变焦透镜系统最小，而在变焦时正的第三透镜组30保持静止。
如果f3/f2超过条件(1)的上限，正的第三透镜组30的光焦度变小。因此，大部分变焦功能施加在正的第二透镜组20上，所以变焦时像差变化变大。如果试图减小变焦时像差的变化，必须提高正的第二透镜组20的厚度。结果，不能达到进一步使变焦透镜系统最小的目的。
如果f3/f2超过条件(1)的下限，正的第二透镜组20的光焦度变小。因此，变焦时正的第二透镜组20的移动距离变长，不能达到进一步使变焦透镜系统最小的目的。
条件(2)规定负的第一透镜组10的焦距，目的是适当校正像差，同时使每个透镜在变焦时的移动距离短。
如果|fl/fw|超过条件(2)的上限，负的第一透镜组10的光焦度变小。因此，变焦时负的第一透镜组的移动距离变长，这不利于进一步使变焦透镜系统最小。
如果|f1/fw|超过条件(2)的下限，负的第一透镜组10的光焦度变得过大。结果，像差校正变得困难，虽然由于负的第一透镜组10的光焦度变得很大(即移动距离很短)，有利于进一步使变焦透镜系统最小。
更好的是满足如下条件，代替条件(2)：
1.6＜|f1/fw|＜1.8    (2’)
条件(3)规定正的第二透镜组20的焦距，目的是使每个透镜组在变焦时的移动距离短，适合于校正像差。
如果f2/fw超过条件(2)的上限，正的第二透镜组20的光焦度变小。因此，变焦时正的第二透镜组20的移动距离变长，这不利于进一步使变焦透镜系统最小。
如果f2/fw超过条件(2)的下限，正的第二透镜组20的光焦度变得过大。结果，像差校正变得困难，虽然由于正的第二透镜组20的光焦度变得很大(即移动距离很短)，有利于进一步使变焦透镜系统最小。
更好的是满足如下条件，代替条件(3)：
0.8＜f2/fw＜1.2    (3’)
设定条件(4)的目的是校正像差和进一步使变焦透镜系统最小可以兼得。
如果T2/ymax超过条件(4)的上限，正的第二透镜组20的厚度变大，不能充分地实现进一步使变焦透镜系统最小。
如果T2/ymax超过条件(4)的下限，像差校正不足。而且，透镜单元变得太薄，这样薄的透镜单元难以制造。
条件(4)可以独立适用于不满足条件(1)至(3)的变焦透镜系统，其中：(i)从物体一侧顺次包括负的第一透镜组、正的第二透镜组和正的第三透镜组；(ii)在从短焦距极点向长焦距极点变焦时，负的第一透镜组与正的第二透镜组之间的距离减小，正的第二透镜组与正的第三透镜组之间的距离增大；(iii)当进行变焦时，正的第三透镜组组保持静止，负的第一透镜和正的第二透镜组可以沿着变焦透镜系统的光轴移动。
即使在条件(4)独立适用于上述变焦透镜系统中时，也能够在一定程度上实现校正像差和进一步使变焦透镜系统小型化。
后面将详细描述实施方案的具体参数。
在示出球面像差和正弦条件的图中，SA表示球面像差，SC表示正弦条件。
在用球面像差表示的色差(轴上色差)的图中，实线和两种类型虚线分别表示对于d线、g线和c线的球面像差。
在横向色差中，两种类型虚线分别表示对于g线和c线的放大倍率；然而，d线作为基线与坐标轴一致。
在象散图中，S表示弧矢像，M表示子午像。
在表中，FNO表示f数，f表示整个变焦透镜系统的焦距，fB表示后截距(从玻璃盖CG的最靠近像方表面到成像器件(CCD)的像平面之间沿着光轴的等效空气厚度)，W表示半视场角(°)，r表示曲率半径，d表示透镜单元的厚度或者各单元之间的距离，Nd表示d线折射率，v表示阿贝数。
除了以上所述，关于光轴对称的非球面表示为：
x＝cy2/(1+[1-{1+K}c2y2]1/2)+A4y4+A6y6+A8y8+A10y10…
其中：
c表示非球面顶点的曲率半径(1/r)；
y表示距离光轴的距离；
K表示二次曲线系数；
A4表示四次非球面系数；
A6表示六次非球面系数；
A8表示八次非球面系数；
A10表示十次非球面系数。
实施方案1
图1示出变焦透镜系统在短焦距极点的透镜结构；图2A至2E示出图1所示透镜结构产生的像差；图3是图1所示的变焦透镜系统在长焦距极点的透镜结构；图4A至4E示出图3所示透镜结构产生的像差；表1示出第一实施方案的数据。
负的第一透镜组10由凹面朝向像方的单个负弯月透镜单元构成。
正的第二透镜组20从物方开始顺次由正双凸透镜单元和凹面朝向像方的负弯月透镜单元构成。
正的第三透镜组30单个正双凸透镜单元构成。
在第三透镜组30与CCD之间设置玻璃盖(滤光片组)CG。CCD的尺寸是1/7英寸(对角线(最大像高)＝1.4mm)。光圈S设置在第二透镜组20(第3面)的前方(靠近物方)0.20mm处。
表1
FNO.＝1∶2.8-4.3
f＝2.00-4.00
W＝37.1-18.9
fB＝0.36-0.36
面序号     r           d               Nd         v
1          73.462      0.70            1.48749    70.2
2*         1.609       2.08-0.62
3*         0.940       1.04            1.48749    70.2
4*         -11.244     0.16
5          12.746      0.70            1.62004    36.3
6          2.374       0.30-1.71
7*         19.388      0.96            1.49176    57.4
8*         -3.845      0.20
9          无穷远      0.50            1.51633    64.1
10         无穷远      -
*表示关于光轴回转对称的非球面；
非球面数据(没有表示的非球面数据为零(0.00))：
面序号    K         A4                 A6                A8
2         0.00                         -0.59022×10-2
3         0.00      -0.46124×10-1     0.18269×10-0     -0.34874×10-0
4         0.00      0.34242×10-0                        0.61481×10-0
7         0.00      -0.19727×10-1                       0.12566×10-1
8         0.00      -0.17928×10-1                       0.79744×10-2
实施方案2
图5示出变焦透镜系统在短焦距极点的透镜结构；图6A至6E示出图5所示透镜结构产生的像差；图7是图5所示的变焦透镜系统在长焦距极点的透镜结构；图8A至8E示出图7所示透镜结构产生的像差。表2示出第二实施方案的数据。
第二实施方案的基本透镜结构与第一实施方案的相同。光圈S设置在第二透镜组20(第三面)的前方(靠近物方)0.20mm处。
表2
FNO.＝1∶2.8-4.3
f＝2.00-4.00
W＝36.8-18.8
fB＝0.50-0.50
面序号      r            d             Nd         v
1           132.171      0.70          1.49176    57.4
2*          1.641        2.09-0.64
3*          0.944        1.01          1.48749    70.2
4*          -10.097      0.16
5           12.304       0.70          1.62004    36.3
6           2.253        0.30-1.74
7*          16.346       0.94          1.49176    57.4
8*          -3.851       0.10
9           无穷远       0.50          1.51633    64.1
10          无穷远       -
*表示关于光轴回转对称的非球面；
非球面数据(没有表示的非球面数据为零(0.00))：
面序号  K       A4               A6                 A8
2       0.00                     -0.35237×10-2
3       0.00    -0.45808×10-1   0.20903×10-0     -0.36172×10-0
4       0.00    0.35063×10-0                      0.65559×10-0
7       0.00    -0.80078×10-2                     0.81083×10-2
8      0.00        -0.10610×10-1          0.70980×10-2
实施方案3
图9示出变焦透镜系统在短焦距极点的透镜结构；图10A至10E示出图9所示透镜结构产生的像差；图11是图9所示的变焦透镜系统在长焦距极点的透镜结构；图12A至12E示出图11所示透镜结构产生的像差。表3示出第三实施方案的数据。
除了负的第一透镜组10是由单个双凹透镜单元所组成之外，第三实施方案的基本透镜结构与第一实施方案的相同。光圈S设置在第二透镜组20(第三面)的前方(靠近物方)0.20mm处。
表3
FNO.＝1∶2.8-4.3
f＝2.00-4.00
W＝36.8-18.9
fB＝0.50-0.50
面序号   r             d               Nd         v
1        -116.226      0.70            1.48749    70.2
2*       1.685         2.11-0.67
3*       0.950         1.01            1.49700    81.6
4*       -8.761        0.16
5        9.147         0.70            1.75520    27.5
6        2.140         0.30-1.73
7*       19.977        0.92            1.49176    57.4
8*       -3.512        0.10
9        无穷远        0.50            1.51633    64.1
10       无穷远        -
*表示关于光轴回转对称的非球面；
非球面数据(没有表示的非球面数据为零(0.00))：
面序号     K       A4       A6      A8
2    0.00                       -0.12835×10-2
3    0.00     -0.57036×10-1     0.22879×10-0    -0.27586×10-0
4    0.00     0.34433×10-0                       0.12837×10
7    0.00     -0.11801×10-1                      0.10174×10-1
8    0.00     -0.10632×10-1                      0.92579×10-2
表4中示出每个实施方案对每个条件的数据值。
表4
               实施方案1     实施方案2    实施方案3
条件(1)        3.476         3.157        3.046
条件(2，2’)   1.670         1.693        1.701
条件(3，3’)   1.014         1.020        1.010
条件(4)        1.35          1.34         1.34
表4可以看出每个实施方案都满足各个条件。而且，很好地校正了各种像差。
根据上面的描述，可以提供尺寸小和质量高的变焦透镜系统，从物方一侧顺次包括负的第一透镜组、正的第二透镜组和正的第三透镜

Claims (6)

1.一种变焦透镜系统，从物体一侧顺次包括：负的第一透镜组、正的第二透镜组和正的第三透镜组；
其中，在从短焦距极点向长焦距极点变焦时，所述负的第一透镜组与所述正的第二透镜组之间的距离减小；所述正的第二透镜组与所述正的第三透镜组之间的距离增加；
当进行变焦时，所述正的第三透镜组保持静止，所述负的第一透镜组和所述正的第二透镜组可以沿着变焦透镜系统的光轴移动；
而且，所述变焦透镜系统满足如下条件：
3.0＜f3/f2＜3.5
1.4＜|f1/fw|＜2.0
0.8＜f2/fw＜1.5
其中，
f1表示所述负的第一透镜组的焦距；
f2表示所述正的第二透镜组的焦距；
f3表示所述正的第三透镜组的焦距；
fw表示在短焦距极点整个变焦透镜系统的焦距。
2.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，更进一步满足如下条件：
1.0＜T2/ymax＜2.0
其中：T2表示从正的第二透镜组最靠近物方表面到最靠近像方表面的距离；
ymax表示最大像高。
3.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其中所述负的第一透镜组包括凹面朝向像方的单个负弯月透镜。
4.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其中所述正的第二透镜组从所述物体一侧顺次包括：正透镜和负透镜。
5.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其中所述正的第三透镜组包括单个正透镜。
6.根据权利要求1所述的变焦透镜系统，其中所述负的第一透镜组相对于像平面在短焦距极点的位置设置成与在长焦距极点的位置相同。
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