CN1977205A - 变焦透镜系统、成像装置和拍摄设备 - Google Patents

变焦透镜系统、成像装置和拍摄设备 Download PDF

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CN1977205A
CN1977205A CNA2005800218848A CN200580021884A CN1977205A CN 1977205 A CN1977205 A CN 1977205A CN A2005800218848 A CNA2005800218848 A CN A2005800218848A CN 200580021884 A CN200580021884 A CN 200580021884A CN 1977205 A CN1977205 A CN 1977205A
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lens
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lens system
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吉次庆记
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B15/00—Optical objectives with means for varying the magnification
    • G02B15/14—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective
    • G02B15/143—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective having three groups only
    • G02B15/1435—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective having three groups only the first group being negative
    • G02B15/143507—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective having three groups only the first group being negative arranged -++

Abstract

本发明的目的是提供一种在拍摄和不拍摄时都有短总长度和高分辨率的变焦透镜系统；采用该变焦透镜系统的成像装置；以及包括该成像装置的拍摄。该变焦透镜系统用来以可变的放大率形成物体的光学图像，并且从物方侧依次包括：负光焦度的第一透镜单元(G1)，正光焦度的第二透镜单元(G2)和正光焦度的第三透镜单元(G3)。这些透镜单元各自沿着光轴移动，从而使放大率随着这些透镜单元之间的距离的改变而变化。第二透镜单元(G2)由至少三个透镜元件构成，包括第二透镜单元的物方侧透镜元件，该物方侧透镜元件为设置在最靠近物方侧并且强曲率表面朝向物方侧的正透镜元件，和第二透镜单元的像方侧透镜元件，该像方侧透镜元件为设置在最靠近像方侧并且凸面朝向物方侧的正透镜元件。

Description

变焦透镜系统、成像装置和拍摄设备
                            技术领域
本发明涉及变焦透镜系统、成像装置和拍摄设备，尤其是涉及对于数码照相机，数码摄像机等设备的性能稳定的高图像质量和尺寸小的变焦透镜系统、包括该变焦透镜系统的成像装置以及包括该成像装置的拍摄设备。
                            背景技术
在采用诸如CCD(电耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)的固态图像传感器的数码照相机中，为了诸如光学低通滤波器的构件应该被设置在透镜元件的最后面部分与固态图像传感器之间，必须一种具有相对长的后焦距的透镜系统。另外，在数码照相机的拍摄光学系统中，为了避免造成图像表面周边光量减小的阴影，需要满意的远心特性。
在可以考虑的很多类型的数码照相机中，有一款类型是紧凑型。作为适合于这种紧凑型数码照相机的变焦的透镜系统，在先有技术中已经提出了三单元变焦透镜系统，该系统从物方侧开始的顺序包括：具有负光焦度的第一透镜单元，具有正光焦度的第二透镜单元和具有正光焦度的第三透镜单元。本申请的发明者已经提出一种适合于紧凑型的数码照相机的三单元变焦透镜系统(见专利文件1)。
[专利文件1]国际公报第03/085440册。
                            发明内容
本发明要解决的问题
虽然专利文件1中揭示的变焦透镜系统有令人满意的光学性能，但是有关在拍摄期间和不拍摄期间(也称为缩回期间)的总长度方面还有改进的可能。如果将专利文件1中揭示的变焦透镜系统的总长直接变短，则整个透镜系统的像差平衡将会降低。因此不能保持光学性能。
本发明的目标之一是：提供一种在拍摄和不拍摄期间有短总长和高分辨率的变焦透镜系统；以及采用这种变焦透镜系统的成像装置。另外，本发明还有一个目标是提供包括该成像装置的拍摄设备。
解决问题的手段
下面的变焦透镜系统可以实现上面描述的目标之一。该变焦透镜系统能通过可变的放大率形成物体的光学图像。该变焦透镜系统从物方侧到像方侧依次包括：
负光焦度的第一透镜单元，正光焦度的第二透镜单元和正光焦度的第三透镜单元，其中，
这些透镜单元分别沿着光轴移动，使放大率随着各个透镜单元之间的距离的改变而变化，
第一透镜单元从物方侧到像方侧依次包括：第一透镜元件，该第一透镜元件具有强曲率表面朝向像方侧的负弯月形；和第二透镜元件，该第二透镜元件为强曲率表面朝向物方侧的正透镜元件，
所述第二透镜单元包括至少三个透镜元件，包括第二透镜单元的物方侧透镜元件，该物方侧透镜元件为设置在最靠近物方侧并且强曲率表面朝向物方侧的正透镜元件；和第二透镜单元的像方侧透镜元件，该像方侧透镜元件为设置在最靠近像方侧并且凸面朝向物方侧的正透镜元件，
第三透镜单元仅包括一个正透镜元件，
在从广角极限到摄远极限的放大率变化的过程中，所述第一透镜单元以凸向像方侧的轨迹移动，同时所述第二透镜单元单调地向物方侧移动，且
满足以下条件：
                |LW-LT|/LW＜0.1··(1)
                 (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
LW为在广角极限下的总体光学长度，
LT为在摄远极限下的总体光学长度，
fT为在摄远极限下整个透镜系统的焦距，以及
fW为在广角极限下整个透镜系统的焦距。
较好的是，第二透镜单元从物方侧到像方侧依次包括第三透镜元件，该第三透镜元件为强曲率表面朝向物方侧的正透镜元件；为正透镜元件的第四透镜元件；为负透镜元件的第五透镜元件；和第六透镜元件，该第六透镜元件为凸面朝向物方侧的正透镜元件。
较好的是，所述第二透镜单元从物方侧到像方侧依次包括第三透镜元件，该第三透镜元件为强曲率表面朝向物方侧的正透镜元件；为负透镜元件的第四透镜元件；和第五透镜元件，该第五透镜元件为凸面朝向物方侧的正透镜元件。
较好的是，满足以下条件：
                  1.9＜fG2/fW＜2.4··(2)
                   (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
fG2为第二透镜单元的焦距，
fT为在摄远极限下的整个透镜系统的焦距，以及
fW为在广角极限下的整个透镜系统的焦距。
较好的是，满足以下条件：
                  3.2＜fG3/fW＜4.0··(3)
                   (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
fG3为第三透镜单元的焦距，
fT为在摄远极限下的整个透镜系统的焦距，以及
fW为在广角极限条件下的整个透镜系统的焦距。
较好的是，满足以下条件：
                  0.4＜fF/fG2＜1.1··(4)
其中，
fG2为第二透镜单元的焦距，以及
fF第二透镜单元中最靠近物方侧的透镜元件的焦距。
较好的是，满足以下条件：
                  0.9＜fR/fG2＜1.5··(5)
其中，
fG2为第二透镜单元的焦距，以及
fR为第二透镜单元中最靠近像方侧的透镜元件的焦距。
较好的是，满足以下条件：
                  3＜r1F/fW＜10··(6)
                  (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
r1F为第一透镜元件的物方侧表面的曲率，
fW为在广角极限下整个透镜系统的焦距，以及
fT为在摄远极限下整个透镜系统的焦距。
较好的是，满足以下条件：
                  2.0＜r2R/fW＜3.8··(7)
                  (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
r2R为第二透镜元件的像方侧表面的曲率，
fW为在广角极限下整个透镜系统的焦距，以及
fT为在摄远极限下整个透镜系统的焦距。
较好的是，满足以下条件：
                  0.20＜dR/fG2×LW/fW＜0.29··(8)
                  (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
dR为第二透镜元件的最靠近像方侧的透镜元件和与其相邻的物方侧的透镜表面之间的轴向距离，
fG2为第二透镜单元的焦距，
LW为在广角极限下的总光学长度，以及
fW为在广角极限下的整个透镜系统的焦距。
较好的是，满足以下条件：
                  1.0＜rRF/fG2＜4.0··(9)
其中，
fG2为第二透镜单元的焦距，以及
rRF为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的物方侧表面的曲率半径。较好的是，满足以下条件：
-1.8＜(|rRF|-|rRR|)/fW＜-0.2··(10)
        (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
rRR为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的像方侧表面的曲率半径，
rRF为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的物方侧表面的曲率半径，
fW为在广角极限下的整个透镜系统的焦距，以及
fT为在摄远极限下的整个透镜系统的焦距。
较好的是，满足以下条件：
                   2＜rRF/fW＜5··(11)
                   (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
rRF为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的物方侧表面的曲率半径，
fW为在广角极限下的整个透镜系统的焦距，以及
fT为在摄远极限下的整个透镜系统的焦距。
较好的是，满足以下条件：
0.01＜(rRR+rRF)/(rRR-rRF)＜0.3··(12)
其中，
rRR为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的像方侧表面的曲率半径，以及
rRF为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的物方侧表面的曲率半径。
较好的是，满足以下条件：
1.2＜(rRF+rNR)/(rRF-rNR)＜1.8··(13)
其中，
rNR为第二透镜单元中与最靠近像方侧的透镜元件相邻的物方侧的透镜表面的曲率半径，以及
rRF为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的物方侧表面的曲率半径。
较好的是，第二透镜单元沿着垂直于光轴的方向移动，使由于变焦透镜系统振动产生的图像模糊可以得到补偿，并且满足以下条件：
              1.7＜(1-mG2T)mG3T＜2.1··(14)
其中，
mG2T为当拍摄距离为无穷大时在广角极限下第二透镜单元的放大率，以及
mG3T为当拍摄距离为无穷大时在广角极限下第三透镜单元的放大率。
下面的成像装置可以实现上面提出的目标之一。能够将被拍摄物体的光学图像转换成电图像信号然后输出该信号的成像装置包括：
以可变放大率形成被拍摄物体的光学图像的变焦透镜系统；和
将由变焦透镜系统形成的被拍摄物体的光学图像转换成电图像信号的图像传感器，其中，
该变焦透镜系统从物方侧到像方侧依次包括：
负光焦度的第一透镜单元，正光焦度的第二透镜单元和正光焦度的第三透镜单元，其中，
这些透镜单元分别沿着光轴移动，使放大率随着各个透镜单元之间的距离的改变而变化，
第一透镜单元从物方侧到像方侧依次包括：第一透镜元件，该第一透镜元件具有强曲率表面朝向像方侧的负弯月形；和第二透镜元件，该第二透镜元件为强曲率表面朝向物方侧的正透镜元件，
所述第二透镜单元包括至少三个透镜元件，包括第二透镜单元的物方侧透镜元件，该物方侧透镜元件为设置在最靠近物方侧并且强曲率表面朝向物方侧的正透镜元件；和第二透镜单元的像方侧透镜元件，该像方侧透镜元件为设置在最靠近像方侧并且凸面朝向物方侧的正透镜元件，
第三透镜单元仅包括一个正透镜元件，
在从广角极限到摄远极限的放大率变化的过程中，所述第一透镜单元以凸向像方侧的轨迹移动，同时所述第二透镜单元单调地向物方侧移动，且
满足上述条件(1)。
下面的拍摄设备可以实现上面提出的目标之一。能够拍摄被拍摄物体的图像并作为电图像信号将其输出的拍摄设备包括：
包括以可变放大率形成被拍摄物体的光学图像的变焦透镜系统和将由变焦透镜系统形成的光学图像转换成电图像信号的图像传感器的成像装置，其中，
变焦透镜系统从物方侧到像方侧依次包括：
负光焦度的第一透镜单元，正光焦度的第二透镜单元和正光焦度的第三透镜单元，其中，
这些透镜单元分别沿着光轴移动，使放大率随着各个透镜单元之间的距离的改变而变化，
第一透镜单元从物方侧到像方侧依次包括：第一透镜元件，该第一透镜元件具有强曲率表面朝向像方侧的负弯月形；和第二透镜元件，该第二透镜元件为强曲率表面朝向物方侧的正透镜元件，
所述第二透镜单元包括至少三个透镜元件，包括第二透镜单元的物方侧透镜元件，该物方侧透镜元件为设置在最靠近物方侧并且强曲率表面朝向物方侧的正透镜元件；和第二透镜单元的像方侧透镜元件，该像方侧透镜元件为设置在最靠近像方侧并且凸面朝向物方侧的正透镜元件，
第三透镜单元仅包括一个正透镜元件，
在从广角极限到摄远极限的放大率变化的过程中，所述第一透镜单元以凸向像方侧的轨迹移动，同时所述第二透镜单元单调地向物方侧移动，且
满足上述条件(1)。
本发明的效果
本发明能够提供具有在拍摄和不拍摄期间的短总体长度以及高分辨率的变焦透镜系统；和采用该变焦透镜系统的成像装置。另外，本发明能够提供包括该成像装置的拍摄设备。
                            附图说明
[图1A]图1A是根据实施例1(例1)的变焦透镜系统的结构图；
[图1B]图1B是根据实施例1(例1)的变焦透镜系统的结构图；
[图1C]图1C是根据实施例1(例1)的变焦透镜系统的结构图；
[图2A]图2A是根据例1的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图2B]图2B是根据例1的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图2C]图2C是根据例1的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图2D]图2D是根据例1的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图2E]图2E是根据例1的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图2F]图2F是根据例1的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图2G]图2G是根据例1的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图2H]图2H是根据例1的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图2I]图2I是根据例1的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图3A]图3A是根据实施例2(例2)的变焦透镜系统的结构图；
[图3B]图3B是根据实施例2(例2)的变焦透镜系统的结构图；
[图3C]图3C是根据实施例2(例2)的变焦透镜系统的结构图；
[图4A]图4A是根据例2的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图4B]图4B是根据例2的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图4C]图4C是根据例2的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图4D]图4D是根据例2的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图4E]图4E是根据例2的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图4F]图4F是根据例2的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图4G]图4G是根据例2的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图4H]图4H是根据例2的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图4I]图4I是根据例2的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图5A]图5A是根据实施例3(例3)的变焦透镜系统的结构图；
[图5B]图5B是根据实施例3(例3)的变焦透镜系统的结构图；
[图5C]图5C是根据实施例3(例3)的变焦透镜系统的结构图；
[图6A]图6A是根据例3的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图6B]图6B是根据例3的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图6C]图6C是根据例3的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图6D]图6D是根据例3的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图6E]图6E是根据例3的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图6F]图6F是根据例3的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图6G]图6G是根据例3的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图6H]图6H是根据例3的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图6I]图6I是根据例3的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图7A]图7A是根据实施例4(例4)的变焦透镜系统的结构图；
[图7B]图7B是根据实施例4(例4)的变焦透镜系统的结构图；
[图7C]图7C是根据实施例4(例4)的变焦透镜系统的结构图；
[图8A]图8A是根据例4的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图8B]图8B是根据例4的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图8C]图8C是根据例4的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图8D]图8D是根据例4的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图8E]图8E是根据例4的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图8F]图8F是根据例4的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图8G]图8G是根据例4的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图8H]图8H是根据例4的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图8I]图8I是根据例4的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图9A]图9A是根据实施例5(例5)的变焦透镜系统的结构图；
[图9B]图9B是根据实施例5(例5)的变焦透镜系统的结构图；
[图9C]图9C是根据实施例5(例5)的变焦透镜系统的结构图；
[图10A]图10A是根据例5的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图10B]图10B是根据例5的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图10C]图10C是根据例5的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图10D]图10D是根据例5的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图10E]图10E是根据例5的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图10F]图10F是根据例5的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图10G]图10G是根据例5的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图10H]图10H是根据例5的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图10I]图10I是根据例5的变焦透镜系统的纵向像差图；
[图11A]图11A是根据例1的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图11B]图11B是根据例1的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图11C]图11C是根据例1的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图11D]图11D是根据例1的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图11E]图11E是根据例1的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；.
[图11F]图11F是根据例1的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图12A]图12A是根据例2的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图12B]图12B是根据例2的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图12C]图12C是根据例2的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图12D]图12D是根据例2的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图12E]图12E是根据例2的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图12F]图12F是根据例2的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图13A]图13A是根据例3的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图13B]图13B是根据例3的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图13C]图13C是根据例3的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图13D]图13D是根据例3的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图13E]图13E是根据例3的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图13F]图13F是根据例3的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图14A]图14A是根据例4的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图14B]图14B是根据例4的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图14C]图14C是根据例4的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图14D]图14D是根据例4的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图14E]图14E是根据例4的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图14F]图14F是根据例4的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图15A]图15A是根据例5的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图15B]图15B是根据例5的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图15C]图15C是根据例5的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图15D]图15D是根据例5的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图15E]图15E是根据例5的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图15F]图15F是根据例5的变焦透镜系统在摄远极限下的横向像差图；
[图16]图16是根据实施例6的数码照相机的横截面结构图。
附图标号说明：
G1    第一透镜单元
G2    第二透镜单元
G3    第三透镜单元
L1    第一透镜
L2    第二透镜
L3    第三透镜
L4    第四透镜
L5    第五透镜
L6    第六透镜
L7    第七透镜
A     光阑
P     平面平行板
S     像表面
1     变焦透镜系统
2     固态图像传感器
3     液晶显示监视器
4     主体
5     主镜筒
6     移动镜筒
7     圆柱形凸轮
                        具体实施方式
(实施例1到5)
图1A到图1C是根据实施例1的变焦透镜系统的结构图。图3A到图3C是根据实施例2的变焦透镜系统的结构图。图5A到图5C是根据实施例3的变焦透镜系统的结构图。图7A到图7C是根据实施例4的变焦透镜系统的结构图。图9A到图9C是根据实施例5的变焦透镜系统的结构图。每一幅图都显示了在无穷远聚焦条件下的变焦透镜系统。图1A，3A，5A，7A和9A显示了在广角极限(最短焦距条件：焦距为fW)下的透镜结构。图1B，3B，5B，7B和9B显示了在中间位置(中间焦距条件：焦距fM＝(fW*fT)))的透镜结构。图1C，3C，5C，7C和9C显示了在摄远极限(最长焦距条件：焦距fT)下的透镜结构。
根据实施例1到5的每个变焦透镜系统从物方侧到像方侧依次包括负光焦度的第一透镜单元G1，光阑A，正光焦度的第二透镜单元G2和正光焦度的第三透镜单元G3。在根据实施例1到5的变焦距透镜系统中，在从广角极限到摄远极限的放大率变化的过程中，第一透镜单元以凸向像方侧的轨迹移动，同时第二透镜单元和光阑单调地向物方侧移动，第三透镜单元以凸向或凹向像方侧移动的轨迹移动。这里，在每幅图中，图中最左边所示的直线表示图像表面S的位置。在其物方侧设置诸如光学低通滤波器或图像传感器的面板的平面平行板P。在根据实施例1到5的变焦距透镜系统中，这些透镜单元按所要求的光焦度结构排列，这样整个透镜系统在维持系统的光学性能的状态下实现尺寸的减小。
在根据实施例1到5的在变焦透镜系统中，以从物方侧开始的顺序，第一透镜单元G1包括第一透镜元件L1，L1具有带有朝向像方侧的强曲率表面的负弯月形状和第二透镜元件L2，L2为带有朝向物方侧的强曲率表面的正透镜元件。另外，在根据实施例1到5的变焦透镜系统中，第二透镜单元G2包括至少三个透镜元件，包括第二透镜单元的物方侧透镜元件，该物方侧透镜元件为设置在最靠近物方侧并且带有朝向物方侧的强曲率表面的正透镜元件，和第二透镜单元的像方侧透镜元件，该像方侧透镜元件为设置在靠近物方侧并且带有朝向物方侧的凸面的正透镜元件。由于根据实施例1到5的变焦透镜系统具有上述结构，就实现了一个光学系统，在该光学系统中，每个透镜单元都由少量透镜元件组成，并且在不用的时候该系统可以被紧凑地收容。
尤其是，在根据实施例1到4的变焦透镜系统中，第二透镜单元G2从物方侧到像方侧依次包括：第三透镜元件L3(即第二透镜单元的最靠近物方侧的透镜元件)，L3为带有朝向物方侧的强曲率表面的正透镜元件；第四透镜元件L4，L4为正透镜元件，第五透镜元件L5，L5为负透镜元件，和第六透镜元件L6(第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件)，L6为带有朝向物方侧的凸面的正透镜元件。
在根据实施例1到4的变焦透镜系统中，当第二透镜单元G2如上所述地构造时，像差能够得到充分补偿。尤其是由于第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件由凸面朝向物方侧的正透镜元件构成，第二透镜单元G2的总体长度能够减小。
在根据实施例5的变焦透镜系统中，第二透镜单元G2从物方侧到像方侧依次包括第三透镜元件L3，L3为带有朝向物方侧的强曲率面的正透镜元件；第四透镜元件L4，L4为负透镜元件，和第五透镜元件L5，L5为带有朝向物方侧的凸面的正透镜元件。
在根据实施例5的变焦透镜系统中，当第二透镜单元G2如上所述地构造时，像差能够得到充分补偿。尤其是，由于第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件由凸面朝向物方侧的正透镜元件构成，第二透镜单元G2的总体长度能被减小。另外，和根据实施例1到4的变焦透镜系统相比，在根据实施例5的变焦透镜系统中，构成第二透镜单元G2的透镜个数可以减少。这样就减少了透镜组装过程中产生偏心像差的原因，实现能容易装配和调节的变焦透镜系统。
另外，在根据实施例1到5的变焦透镜系统中，第三透镜单元G3仅由一个双凸正透镜元件组成(在实施例1到4中的第七透镜元件L7和实施例5中的第六透镜元件L6)。每个实施例的变焦透镜系统都具有以上的结构，从而实现在缩回过程中尺寸的减小。另外，在每个实施例的变焦透镜系统中，第三透镜单元G3沿着光轴移动，从而实现从无限远对焦条件到接近物体对焦条件的聚焦过程。
下文将叙述由根据每个实施例的变焦透镜系统满足的条件。这里提出了多个由根据每个实施例的变焦透镜系统满足的条件。这样，满足所有条件的变焦透镜系统的结构是最理想的。但是，当满足某一个条件时也可以得到实现相应功能的变焦透镜系统。
每个实施例的变焦透镜系统满足下列条件(1)：
                |LW-LT|/LW＜0.1··(1)
                 (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
LW为在广角极限下的总体光学长度，
LT为在摄远极限下的总体光学长度，
fT为在摄远极限下整个透镜系统的焦距，以及
fW为在广角极限下整个透镜系统的焦距。
条件(1)是用来减小使用期间的总光学长度的最大值同时确保令人满意的成像特性的条件。当在使用过程中的总光学长度的最大值减小时，理想的是使在广角极限下的总光学长度和摄远极限下的总光学长度相等。然而，如果意欲使广角极限下的总光学长度和摄远极限下的总光学长度严格相等，在某些情况下成像特性将会降低。条件(1)就是考虑到这种情况得到的条件。当条件(1)不满足时，难以减小使用过程中的总光学长度，同时也不能确保满意的成像特性。
在每个实施例的变焦透镜系统中，最好满足下列条件(2)
                1.9＜fG2/fW＜2.4··(2)
                 (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
fG2为第二透镜单元的焦距，
fT为在摄远极限下的整个透镜系统的焦距，以及
fW为在广角极限下的整个透镜系统的焦距。
条件(2)是用来尽可能减小使用时的总光学长度，同时采用令人满意的平衡来补偿各种像差发生的条件。当条件式的值超过上限时，第二透镜单元G2的物像距离将变大，从而使用期间的总光学长度也会变长。在这种情况下，当第三透镜单元G3的放大率减小时，总光学长度将会变小。然而，由于第三透镜单元G3的光焦度变大，使第三透镜单元G3中产生的场曲变小。这样场曲很难由第一透镜单元G1和第二透镜单元G2补偿。相反，当条件式的值低于下限时，尽管使用中的总光学长度变小，在摄远极限条件下很难确保允许在第一透镜单元G1和第二透镜单元G2之间设置光阑的空气间隔。
这里，在每个实施例的变焦透镜系统中，当条件(2)的范围如下设置时，上面提到的效果将可以更成功地实现。
                    1.95＜fG2/fW··(2)’
                    fG2/fW＜2.2··(2)”
在每个实施例的变焦透镜系统中，最好满足下列条件(3)
                  3.2＜fG3/fW＜4.0··(3)
                  (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
fG3为第三透镜单元的焦距，
fT为在摄远极限下的整个透镜系统的焦距，以及
fW为在广角极限条件下的整个透镜系统的焦距。
条件(3)是用来减小在最大图像高度入射到固态图像传感器上的主光线的倾斜角即实现令人满意的远心特性以及用来减小场曲的条件。当条件式的值低于下限时，尽管能得到令人满意的远心特性，但是整个透镜系统的场曲不能得到补偿。相反，当条件式的值超过上限时，虽然场曲减小，但远心特性不足。
这里，在每个实施例的变焦透镜系统中，当条件(3)的范围如下设置时，上面提到的效果将可以更成功地实现。
                    3.5＜fG3/fW··(3)’
                    fG3/fW＜3.7··(3)”
在每个实施例的变焦透镜系统中，最好满足下列条件(4)
                    0.4＜fF/fG2＜1.1··(4)
其中，
fG2为第二透镜单元的焦距，以及
fF第二透镜单元中最靠近物方侧的透镜元件的焦距。
条件(4)是用于采用令人满意的平衡来补偿第二透镜单元G2中产生的各种像差，同时也用于减小整个透镜系统的使用中的总光学长度的条件。当条件式的值超过上限时，第二透镜单元G2的物方侧主点朝向物方侧的偏离不够。因此，在摄远极限下，如果使从第一透镜单元G1的像方侧主点到第二透镜单元G2的物方侧主点之间的间隔成为所要求的满意的长度，则用于在第一透镜单元G1和第二透镜单元G2之间设置光阑的空间将不能确保。相反，当条件式的值低于下限时，第二透镜单元G2的物方侧主点朝向物方侧的偏离充足。这样，在摄远极限下，就能确保用于在第一透镜单元G1和第二透镜单元G2之间设置光阑的空间，同时，在使用过程中的总光学长度可以减小。然而，与第二透镜单元的最靠近物方侧的透镜元件相邻设置的透镜元件的光焦度变得过大。因此，这些透镜元件中产生的球差和彗差将很难由其它透镜通过满意的平衡来补偿。
这里，在每个实施例的变焦透镜系统中，当条件(4)的范围如下设置时，上面提到的效果将可以更成功地实现。
                    0.5＜fF/fG2··(4)’
                    fF/fG2＜0.8··(4)”
在每个实施例的变焦系统中，最好满足下列条件(5)
                  0.9＜fR/fG2＜1.5··(5)
其中，
fG2为第二透镜单元的焦距，以及
fR为第二透镜单元中最靠近像方侧的透镜元件的焦距。
条件(5)也是用于采用令人满意的平衡来补偿在第二透镜单元G2中产生的各种像差，同时也用来减小使用过程中整个透镜系统的总光学长度的条件。当条件式的值低于下限时，第二透镜单元G2的物方侧主点朝向物方侧的偏离不够。因此，在摄远极限下，如果使从第一透镜单元G1的像方侧主点到第二透镜单元G2的物方侧主点的间隔成为所要求的长度，则用于在第一透镜单元G1和第二透镜单元G2之间设置光阑的空间将不能确保。相反，当条件式的值超过上限时，第二透镜单元G2的物方侧主点朝向物方侧的偏离充足。这样，在摄远极限下，就能确保用于在第一透镜单元G1和第二透镜单元G2之间设置光阑的空间，同时，使用过程中的总光学长度也可以减小。然而，与第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件相邻设置的透镜元件的光焦度将会过大。因此，这些透镜元件中产生的球差和彗差将很难由其它透镜通过满意的平衡来补偿。
这里，在每个实施例的变焦透镜系统中，当条件(5)的范围如下设置时，上面提到的效果将可以更成功地实现。
                    1.1＜fR/fG2··(5)’
                    fR/fG2＜1.3··(5)”
在每个实施例的变焦透镜系统中，最好满足下列条件(6)
                    3＜r1F/fW＜10··(6)
                    (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
r1F为第一透镜元件的物方侧表面的曲率，
fW为在广角极限下整个透镜系统的焦距，以及
fT为在摄远极限下整个透镜系统的焦距。
条件(6)是用来限制第一透镜元件L1的物方侧表面的曲率半径从而减小在广角极限下的负畸变的条件。当条件式的值低于下限时，广角极限下的负畸变变小。然而，彗差和像散将过量。这样，将不能使拍摄的图像的周边部分的成像特性令人满意。相反，当条件式的值超过上限时，对于广角极限下的负畸变将不能通过后面的透镜表面减小。
这里，在每个实施例的变焦透镜系统中，当条件(6)的范围如下设置时，上面提到的效果将可以更成功地实现。
                    6＜r1F/fW··(6)’
                    r1F/fW＜7··(6)”
在每个实施例的变焦透镜系统中，最好满足下列条件(7)
                 2.0＜r2R/fW＜3.8··(7)
                  (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
r2R为第二透镜元件的像方侧表面的曲率，
fW为在广角极限下整个透镜系统的焦距，以及
fT为在摄远极限下整个透镜系统的焦距。
条件(7)用来限制第二透镜元件L2的像方侧表面的曲率半径从而减小在广角极限下的负畸变的条件。当条件式的值低于下限时，广角极限下的畸变的绝对值变小。然而，彗差和像散将过量。这样，不能使拍摄的图像的周边部分的成像特性令人满意。相反，当条件式的值超过上限时，对于广角极限下的负畸变不能通过后面的透镜表面减小。
这里，在每个实施例的变焦透镜系统中，当条件(7)的范围如下设置时，上面提到的效果将可以更成功地实现。
                    2.8＜r2R/fW··(7)’
在每个实施例的变焦透镜系统中，最好满足下列条件(8)
             0.20＜dR/fG2×LW/fW＜0.29··(8)
                 (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
dR为第二透镜元件的最靠近像方侧的透镜元件和与其相邻的物方侧的透镜表面之间的轴向距离，
fG2为第二透镜单元的焦距，
LW为在广角极限下的总光学长度，以及
fW为在广角极限下的整个透镜系统的焦距。
条件(8)是为了达到总长度和第二透镜单元G2的像差补偿之间的平衡的条件。当条件式的值低于下限时，透镜单元G2中产生的球差和彗差将很难由其他透镜利用满意的平衡来补偿。相反，当条件式的值超过上限时，第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件与物方侧上邻近于该最靠近像方侧透镜元件的透镜表面之间的轴向表面距离将变大。从而在使用和不使用过程中的总光学长度都不能得到减小。
这里，在每个实施例的变焦透镜系统中，当条件(8)的范围如下设置时，上面提到的效果将可以更成功地实现。
              0.25＜dR/fG2×LW/fW··(8)’
              dR/fG2×LW/fW＜0.27··(8)”
在每个实施例的变焦透镜系统中，最好满足下列条件(9)
                1.0＜rRF/fG2＜4.0··(9)
其中，
fG2为第二透镜单元的焦距，以及
rRF为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的物方侧表面的曲率半径。
条件(9)也是为了达到总长度和第二透镜单元G2的像差补偿之间的平衡的条件。当条件式的值低于下限时，透镜单元G2中产生的球差和彗差将很难由其他透镜利用满意的平衡来补偿。相反，当条件式的值超过上限时，第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件与物方侧上邻近于该最靠近像方侧透镜元件的透镜表面之间的轴向表面距离将变大。从而在使用和不使用时的总光学长度都不能得到减小。
这里，在每个实施例的变焦透镜系统中，当条件(9)的范围如下设置时，上面提到的效果将可以更成功地实现。
                    1.5＜rRF/fG2··(9)’
                    rRF/fG2＜1.7··(9)”
在每个实施例的变焦透镜系统中，最好满足下列条件(10)
       -1.8＜(|rRF|-|rRR|)/fW＜-0.2··(10)
              (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
rRR为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的像方侧表面的曲率半径，
rRF为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的物方侧表面的曲率半径，
fW为在广角极限下的整个透镜系统的焦距，以及
fT为在摄远极限下的整个透镜系统的焦距。
条件(10)也是为了达到总长度和第二透镜单元G2的像差补偿之间的平衡的条件。当条件式的值低于下限时，透镜单元G2中产生的球差和彗差将很难由其他透镜利用满意的平衡来补偿。相反，当条件式的值超过上限时，第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件与物方侧上邻近于该最像方侧透镜元件的透镜表面之间的轴向表面距离将变大。从而在使用和不使用时的总光学长度都不能得到减小。
这里，在每个实施例的变焦透镜系统中，当条件(10)的范围如下设置时，上面提到的效果将可以更成功地实现。
          -1＜(|rRF|-|rRR|)/fW  ··(10)’
          (|rRF|-|rRR|)/fW＜-0.5··(10)”
在每个实施例的变焦透镜系统中，最好满足下列条件(11)
                2＜rRF/fW＜5··(11)
                (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
rRF为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的物方侧表面的曲率半径，
fW为在广角极限下的整个透镜系统的焦距，以及
fT为在摄远极限下的整个透镜系统的焦距。
条件(11)也是为了达到总长度和第二透镜单元G2的像差补偿之间的平衡的条件。当条件式的值低于下限时，透镜单元G2中产生的球差和彗差将很难由其他透镜利用满意的平和来补偿。相反，当条件式的值超过上限时，第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件与物方侧上邻近于该最靠近像方侧透镜元件的透镜表面之间的轴向表面距离将变大。从而在使用和不使用时的总长度都不能减小。
这里，在每个实施例的变焦透镜系统中，当条件(11)的范围如下设置时，上面提到的效果将可以更成功地实现。
                        3＜rRF/fW··(11)’
                        rRF/fW＜4··(11)”
在每个实施例的变焦透镜系统中，最好满足下列条件(12)
      0.01＜(rRR+rRF)/(rRR-rRF)＜0.3··(12)
其中，
rRR为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的像方侧表面的曲率半径，以及
rRF为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的物方侧表面的曲率半径。
条件(12)也是为了达到总长度和第二透镜单元G2的像差补偿之间的平衡的条件。当条件式的值低于下限时，透镜单元G2中产生的球差和彗差将很难由其他透镜利用满意的平衡来补偿。相反，当条件式的值超过上限时，第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件与物方侧上邻近于该最靠近像方侧透镜元件的透镜表面之间的轴向表面距离将变大。从而在使用时和不使用时的总光学长度都不能减小。
这里，在每个实施例的变焦透镜系统中，当条件(12)的范围如下设置时，上面提到的效果将可以更成功地实现。
          (rRR+rRF)/(rRR-rRF)＜0.2··(12)’
在每个实施例的变焦透镜系统中，最好满足下列条件(13)
      1.2＜(rRF+rNR)/(rRF-rNR)＜1.8··(13)
其中，
rNR为第二透镜单元中与最靠近像方侧的透镜元件相邻的物方侧的透镜表面的曲率半径，以及
rRF为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的物方侧表面的曲率半径。
条件(13)也是为了达到总长度和第二透镜单元G2的像差补偿之间的平衡的条件。当条件式的值低于下限时，透镜单元G2中产生的球差和彗差将很难由其他透镜利用满意的平衡来补偿。相反，当条件式的值超过上限时，第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件与物方侧上邻近于该最靠近像方侧透镜元件的透镜表面之间的轴向表面距离将变大。从而在使用时和不使用时的总光学长度都不能减小。
在每个实施例的变焦透镜系统中，最好第二透镜单元在垂直于光轴的方向移动，这样，由于变焦透镜系统的振动产生的图像模糊可以得到补偿，以及最好满足下列条件(14)
              1.7＜(1-mG2T)mG3T＜2.1··(14)
其中，
mG2T和mG3T分别为当拍摄距离为无穷大时在广角极限下第二透镜单元和第三透镜单元的放大率。
条件(14)是为了在图像模糊补偿过程中得到令人满意的图像特性的条件式。当条件式的值低于下限时，第二透镜单元G2的造成图像中偏心预定数量必须的偏心过量。这样，由于第二透镜单元G2的平行移动产生的像差波动将变大，从而图像周边部分的成像特性变差。相反，当条件式的值超过上限时，第二透镜单元G2的造成图像中偏心预定数量必须的偏心极小。这样，用于第二透镜单元G2的高精确度的平行移动的处理很难进行。结果，拍摄过程中像素的偏差不能充分减小。因此，在图像模糊补偿过程中难以得到令人满意的成像特性。
这里，为了得到更令人满意的成像特性，条件(14)的范围可以如下设置。从而上面的效果可以更成功地实现。
                 1.8＜(1-mG2T)mG3T··(14)’
                 (1-mG2T)mG3T＜2.0··(14)”
这里，组成各个实施例的透镜单元仅由通过折射偏转入射光的折射型透镜(即，偏转在每一种都有不一样的折射率的介质的界面上实现的类型的透镜)构成。然而，本发明不限于此。例如，每个透镜单元可以由通过衍射偏转入射光的衍射透镜；通过衍射和折射的组合偏转入射光的折射衍射混合型透镜；或者通过在介质中的折射系数分布偏转入射光的梯度折射率型透镜构成。
另外，在根据每个实施例的变焦透镜系统中，可以在光路中设置折射表面，这样光路可以在变焦透镜系统前、后或者中间弯曲。光路弯曲的位置可以根据需要任意设定。当光路被适当弯曲时，可以实现照相机外观厚度减小。
另外，在每个实施例中可以给出一种结构，该结构中设置一块板，该板包括设置在变焦透镜系统的最后表面和图像传感器之间的光学低通滤波器。该低通滤波器可以是由例如其预定晶向被调节的晶体构成的双折射型的低通滤波器，或者是通过衍射效应实现光截止频率的所要求特性的相位型低通滤波器。另外，在每个实施例中，取决于接收光学图像的固态图像传感器的特性，在变焦透镜系统中低通滤波器可以省略。
(实施例6)
图16是根据实施例6的数码照相机的剖视结构图。在图16中，数码照相机由以下装置组成：包括变焦透镜系统1和CCD固态图像传感器2的成像装置；液晶显示监视器3；主体4等。采用的变焦透镜系统1是根据实施例1的变焦透镜系统。在图16中，变焦透镜系统包括：第一透镜单元G1，第二透镜单元G2，光阑A和第三透镜单元G3。在主体4中，变焦透镜系统1设置在主体的前侧，而CCD固态图像传感器2设置在变焦透镜系统1的后侧。液晶显示监视器3设置在主体4的后侧。通过变焦透镜系统1获得的被拍摄物体的光学图像在图像表面S上形成。
固态图像传感器2具有水平2304×垂直1728的记录像素数(大约4百万个像素)，水平2.5微米×垂直2.5微米的像素间距，和水平5.76亳米×垂直4.32毫米(对角线7.2毫米)的记录屏尺寸。每个像素含有一个显微正透镜。
镜筒包括主镜筒5，移动镜筒6和圆柱形凸轮7。当圆柱形凸轮7旋转时，第一透镜单元G1，第二透镜单元G2和第三透镜单元G3相对于固态图像传感器2朝向预定位置移动，这样，放大率可在从广角极限到摄远极限的范围内变化。第三透镜单元框架G3可通过电动机在光轴方向移动，用于焦点调节。
这样，当在数码照相机中采用实施例1的变焦透镜系统时，数码照相机可以设置成具有大约3倍的变焦率，在广角极限下65度等的视场角，高分辨率，以及不用时在深度方向的薄尺寸。这里，在图16所示的数码照相机中，例2到5中的任何一个变焦透镜系统都可以用来替代例1的变焦透镜系统。另外，图16所示的数码照相机的光学系统可以用在用于活动图像的数码摄像机中。在这种情况下，除了得到静止图像，还可以得到分辨率高的活动图像。
包括上述实施例1到5的变焦透镜系统和诸如CCD或CMOS的图像传感器的成像装置可以应用到手机，PDA(个人数字助理)，监视系统中的监视摄像机，网络摄像机以及车载摄像机等。
另外，当在上述数码照相机中安装图形模糊补偿功能时，可以添加用于在垂直于光轴方向移动第二透镜单元G2的机构和图像模糊补偿电动机等，然后图像模糊补偿电动机可以通过图像模糊补偿信号控制。图像模糊补偿信号可以通过众所周知的方法产生，诸如从通过众所周知的角速度传感器对数码照相机的振动探测的结果产生的方法，或者从固态图像传感器中形成的图像信号通过图像处理产生的方法。
另外，在上述数码照相机中可以安装数码变焦功能，在数码变焦过程中，通过信号处理电路将形成在固态图像传感器中心部分的图像放大到整个屏幕。当使用数码变焦功能时，如下所述可以得到模糊补偿功能带来的显著效果。
在变焦透镜因图像模糊而倾斜的情况下图像模糊不清晰程度可以通过使用图像偏心量和固态图像传感器对角线长度的比值(图像偏心率)评估。当不考虑拍摄图像信号的打印尺寸时该比率是常数。在不使用数码变焦功能的情况下拍摄图像的对角线长度和固态图像传感器的有效面积的对角线长度相等。相反，在使用数码变焦功能的情况下拍摄图像的对角线长度小于固态图像传感器的对角线长度。这样，在图像偏心值为常数的情况下，当使用数码变焦功能时，图像偏心率变大，因此图像模糊不清楚的程度增大。
当使用图像模糊补偿功能时，图像偏心量将显著变小。这样，即使在使用数码变焦功能时，图像偏心率也变小，从而图像模糊不清晰程度将会有显著的改进。
在如图16所示的数码照相机中，即使当第二透镜G2的平行移动量相同时，在取决于第二透镜单元G2的方向的某些情况下，成像特性也会有不同。在这种情况下，当在固态图像传感器中调节倾斜时，图像特性的差异将会减小。
另外，在如图16所示的数码照相机中，实施例2到5中的任何一个变焦透镜系统都可以用来替代实施例1的变焦透镜系统。另外，替代上述4百万象素的固态图像传感器，可以采用具有水平2560×垂直1920(大约5百万象素)记录像素，水平2.2微米×垂直2.2微米的象素间距，水平5.623毫米×垂直4.224毫米(对角线7.04毫米)的记录屏尺寸的固态图像传感器。
另外，图16所示的数码照相机的结构可以用于活动图像的摄像机中。这种情况下，在活动图像外还可以得到高分辨率的静止图像。
下文将叙述根据实施例1到5的变焦透镜系统的实际实施的若干实例。在该若干实例中，表格中的长度单位都是mm(毫米)。另外，在该若干实例中，r为曲率半径；d为轴向距离；nd是d线的折射率；νd为Abbe数。在该若干实例中，标有*的表面是非球面，并且非球面的形状通过下面的表达式来定义：
Z = h 2 / r 1 + 1 - ( 1 + κ ) ( h / r ) 2 + Dh 4 + Eh 6 + Fh 8 + Gh 10 + Hh 12 + Ih 14 + Jh 16
这里，κ为圆锥常数，同时D，E，F，G，H，I和J分别为四次，六次，八次，十次，十二次，十四次，十六次非球面系数。
(例1)
例1的变焦透镜系统对应于图1A到1C中显示的实施例1。表1显示例1的变焦透镜系统的透镜数据。表2显示非球面数据。表3显示拍摄距离为无穷大时的焦距，F数，视场角，总光学长度以及可变轴向距离数据。
表1
  透镜单元   透镜元件   表面   r   d   nd   νd
  G1   L1   1   41.370   1.300 1.80470 40.97
  2   5.089          *   1.700
  L2   3   8.630   1.400 1.84666 23.78
  4   21.558   可变
  光阑   5   ∞   0.900
  G2   L3   6   4.905          *   1.350 1.80431 40.87
  7   37.490   0.300
  L4   8   17.166   0.900   1.69680   55.48
  L5   9   -258.388   0.400 1.80518 25.46
  10   4.024   0.491
  L6   11   18.693   1.200 1.72916 54.66
  12   -21.749   可变
  G3   L7   13   14.894         *   1.500 1.60602 57.44
  14   -92.171   可变
  P   15   ∞   0.900 1.51680 64.20
  16   ∞
表2
  轴向距离   广角极限   中间位置   摄远极限
  d4   14.046   6.681   1.372
  d12   4.484   10.535   18.188
  d14   4.089   2.746   2.061
  f   5.95   10.05   17.34
  F   2.87   3.77   5.17
  2ω   63.39   39.55   23.26
  L   35.857   33.189   34.827
表3
  表面   κ   D   E   F   G
  2   -3.23771E-01   -2.71367E-04   -7.36449E-06   6.64887E-08   -1.04739E-08
  6   -4.29404E-01   6.07130E-06   -9.25169E-06   1.68485E-06   -8.85496E-08
  13   0.00000E+00   -2.08234E-04   2.88562E-05   -1.86680E-06   4.45764E-08
(例2)
例2的变焦透镜系统对应于图3A到3C中显示的实施例2。表4显示例2的变焦透镜系统的透镜数据。表5显示非球面数据。表6显示拍摄距离为无穷大时的焦距，F数，视场角，总光学长度以及可变轴向距离数据。
表4
  透镜单元   透镜元件   表面   r   d   nd   νd
  G1   L1   1   40.710   1.300 1.80470 40.97
  2   5.082          *   1.700
  L2   3   8.639   1.350 1.84666 23.78
  4   21.603   可变
  光阑   5   ∞   0.900
  G2   L3   6   4.908          *   1.350 1.80431 40.87
  7   37.616   0.300
  L4   8   17.169   0.900   1.69680   55.48
  L5   9   -259.359   0.400 1.80518 25.46
  10   4.023   0.491
  L6   11   18.361   1.200   1.72916   54.66
12 -22.195 可变
  G3   L7   13   15.375         *   1.500 1.60602 57.44
  14   -92.171   可变
  P   15   ∞   1.700 1.51680 64.20
  16   ∞
表5
  轴向距离   广角极限   中间位置   摄远极限
  d4   14.012   6.724   1.372
  d12   4.134   10.332   18.007
  d14   3.573   2.130   1.452
  f   5.95   10.04   17.35
  F   2.88   3.79   5.19
  2ω   63.40   39.58   23.26
  L   35.931   33.392   35.017
表6
  表面   κ   D   E   F   G
  2   -3.30774E-01   -2.62911E-04   -7.62645E-06   9.85542E-08   -1.10157E-08
  6   -4.26592E-01   6.37515E-06   -9.09813E-06   1.63787E-06   -8.66525E-08
  13   0.00000E+00   -2.18482E-04   3.25922E-05   -2.31617E-06   6.00396E-08
(例3)
例3的变焦透镜系统对应于图5A到5C中显示的实施例3。表7显示例3的变焦透镜系统的透镜数据。表8显示非球面数据。表9显示拍摄距离为无穷大时的焦距，F数，视场角，总光学长度以及可变轴向距离数据。
表7
  透镜单元   透镜元件   表面   r   d   nd   νd
  G1   L1   1   41.644   1.350 1.75016 45.05
  2   4.924     *   1.700
  L2   3   8.464   1.350 1.84666 23.78
  4   18.924   可变
  光阑   5   ∞   0.900
  G2   L3   6   5.113     *   1.250 1.80431 40.87
  7   9.677   0.300
  L4   8   7.409   1.000   1.72916   54.66
  L5   9   19.573   0.500 1.84666 23.78
  10   4.303   0.500
  L6   11   18.981   0.800 1.77250 49.65
12 -20.696 可变
  G3   L7   13   14.734    *   1.450 1.66547 55.18
14 ∞ 可变
  P   15   ∞   2.040 1.51680 64.20
  16   ∞
表8
  轴向距离   广角极限   中间位置   摄远极限
  d4   13.936   5.938   1.417
  d12   4.456   9.702   18.884
  d14   3.653   3.175   1.523
  f   5.95   10.04   17.35
  F   2.88   3.67   5.18
  2ω   63.43   39.79   23.24
  L   36.303   33.074   36.065
表9
  表面   κ   D   E   F   G
  2   -5.80250E-01   -6.08937E-05   2.71922E-06   -2.04421E-07   2.41794E-09
  6   -4.59131E-01   8.20384E-05   -1.42292E-06   7.67524E-07   -2.13672E-08
  13   0.00000E+00   -1.88297E-04   2.18481E-05   -1.33504E-06   3.12118E-08
(例4)
例4的变焦透镜系统对应于图7A到7C中显示的实施例4。表10显示例4的变焦透镜系统的透镜数据。表11显示非球面数据。表12显示拍摄距离为无穷大时的焦距，F数，视场角，总光学长度以及可变轴向距离数据。
表10
  透镜单元   透镜元件   表面   r   d   nd   νd
  G1   L1   1   37.743   1.220   1.75016   45.05
  2   4.896          *   1.700
  L2   3   8.112   1.350   1.84666   23.78
4 16.474 可变
  光阑   5   ∞   0.900
  G2   L3   6   5.075          *   1.250   1.80431   40.87
  7   15.000   0.300
  L4   8   8.701   1.000   1.72916   54.66
  L5   9   21.624   0.400   1.84666   23.78
  10   4.080   0.500
  L6   11   17.789   1.200 1.77250 49.65
  12   -27.903   可变
  G3   L7   13   16.588         *   1.450   1.66547   55.18
14 -94.091 可变
  P   15   ∞   1.800 1.51680 64.20
  16   ∞
表11
  轴向距离   广角极限   中间位置   摄远极限
  d4   13.752   6.381   1.498
  d12   4.436   10.126   18.382
  d14   3.519   2.635   1.847
  f   5.95   10.03   17.35
  F   2.87   3.73   5.17
  2ω   63.44   39.60   23.23
  L   35.892   33.320   35.877
表12
  表面   κ   D   E   F   G
  2   -5.68539E-01   -2.20900E-05   1.75179E-06   -1.40480E-07   1.50825E-09
  6   -4.61647E-01   7.53395E-05   -2.09075E-06   7.17890E-07   -2.38277E-08
  13   0.00000E+00   -1.87866E-04   2.07145E-05   -1.30562E-06   3.21645E-08
(例5)
例5的变焦透镜系统对应于图9A到9C中显示的实施例5。表13显示例5的变焦透镜系统的透镜数据。表14显示非球面数据。表15显示拍摄距离为无穷大时的焦距，F数，视场角，总光学长度以及可变轴向距离数据。
表13
  透镜单元   透镜元件   表面   r   d   nd   νd
  G1   L1   1   29.600   1.220   1.75016   45.05
  2   4.975          *   1.700
  L2   3   8.020   1.350 1.84666 23.78
  4   15.523   可变
  光阑   5   ∞   0.900
  G2   L3   6   4.534          *   2.250   1.80431   40.87
  7   -140.533   0.400
  L4   8   3.918   0.500   1.80518   25.46
  L5   9   15.679   1.200   1.77250   49.65
10 -22.930 可变
  G3   L6   11   14.578         *   1.450   1.66547   55.18
12 -466.464 可变
  P   13   ∞   1.800 1.51680 64.20
  14   ∞
表14
  轴向距离   广角极限   中间位置   摄远极限
  d4   14.340   6.332   1.535
  d12   3.951   9.581   18.423
  d14   3.978   3.181   1.561
  f   2.87   3.73   5.17
  F   5.95   10.03   17.35
  2ω   63.44   39.60   23.23
  L   35.892   33.320   35.877
表15
  表面   κ   D   E   F   G
  2   -5.78473E-01   4.49113E-05   -8.66896E-07   1.95693E-07   -6.36070E-09
  6   -4.65891E-01   2.03271E-04   1.17108E-06   1.15298E-06   -2.31007E-08
  11   0.00000E+00   -1.97263E-04   2.58869E-05   -1.67202E-06   3.97910E-08
下列表16显示对应于例1到5中的条件式的值。
表16
  例1   例2   例3   例4   例5
  |LW-LT|/LW   0.028   0.025   0.007   0.000   0.000
  fG2/fW   1.939   1.940   1.973   1.932   1.993
  fG3/fW   3.575   3.674   3.723   3.583   3.577
  f3/fG2   0.597   0.597   1.023   0.786   0.464
  fR/fG2   1.210   1.209   1.102   1.238   1.031
  r1F/fW   6.954   6.843   7.003   6.348   4.978
  r2R/fW   3.623   3.631   3.182   2.771   2.611
  dR/fG2*LW/fW   0.256   0.257   0.260   0.263   0.255
  rRF/fG2   1.620   1.591   1.618   1.548   1.323
  (|rRF|-|rRR|)/fW   -0.514   -0.644   -0.288   -1.701   -1.220
  rRF/fW   3.142   3.086   3.192   2.992   2.637
  (rRR+rRF)/(rRR-rRF)   0.076   0.095   0.043   0.221   0.188
  (rRF+rNR)/(rRF-rNR)   1.549   1.561   1.586   1.595   1.666
  (1-mG2T)mG3T   1.929   1.927   1.920   1.940   1.853
图2A到2I是根据例1的变焦透镜系统的纵向像差图。图4A到4I是根据例2的变焦透镜系统的纵向像差图。图6A到6I是根据例3的变焦透镜系统的纵向像差图。图8A到8I是根据例4的变焦透镜系统的纵向像差图。图10A到10I是根据例5的变焦透镜系统的纵向像差图。
图2A到2C，4A到4C，6A到6C，8A到8C，10A到10C显示广角极限下的像差。图2D到2F，4D到4F，6D到6F，8D到8F，10D到10F显示中间位置时的像差。图2G到2I，4G到4I，6G到6I，8G到8I，10G到10I显示摄远极限下的像差。图2A，2D，2G，4A，4D，4G，6A，6D，6G，8A，8D，8G，10A，10D，10G显示非球面像差。图2B，2E，2H，4B，4E，4H，6B，6E，6H，8B，8E，8H，10B，10E，10H显示像散。图2C，2F，2I，4C，4F，4I，6C，6F，6I，8C，8F，8I，10C，10F，10I显示畸变。在球差图中，垂直轴表示F数。实线，短虚线，长虚线分别表示d线，F线，C线的特征。在像散图中，垂直轴表示半视场角。实线和虚线分别表示弧矢图像平面和子午图像平面的特性。在畸变图中，垂直轴表示半视场角。
图11A到11F为摄远极限下根据例1的变焦透镜系统的横向像差图。图12A到12F为摄远极限下根据例2的变焦透镜系统的横向像差图。图13A到13F为摄远极限下根据例3的变焦透镜系统的横向像差图。图14A到14F为摄远极限条件下根据例4的变焦透镜系统的横向像差图。图15A到15F为摄远极限条件下根据例5的变焦透镜系统的横向像差图。
图11A到11C，12A到12C，13A到13C，14A到14C，15A到15C为相应于没有进行图像模糊补偿的基态的摄远极限下的横向像差图。图11D到11F，12D到12F，13D到13F，14D到14F，15D到15F为对应于摄远极限下的图像模糊补偿状态的横向像差图，其中整个第二透镜单元以垂直于光轴的方向移动预定量。在这些基本状态的横向像差图中，图11A，12A，13A，14A，15A对应于最大图像高度的75％的像点处的横向像差。图11B，12B，13B，14B，15B对应于轴上像点处的横向像差。另外，图11C，12C，13C，14C，15C对应于最大图像高度的-75％的像点处的横向像差。在这些图像模糊补偿状态的横向像差图中，图11D，12D，13D，14D，15D对应于最大图像高度的75％的像点处的横向像差。图11E，12E，13E，14E，15E对应于轴上像点处的横向像差。另外，图11F，12F，13F，14F，15F对应于最大图像高度的-75％的像点处的横向像差。这里，在横向像差图中，子午图像平面被用作包含第一透镜单元G1和第二透镜单元G2的光轴的平面。
这里，在图像模糊补偿状态中第二透镜单元G2沿垂直于光轴的方向的移动量在例1中为0.094mm，例2中为0.094mm，例3中为0.095mm，例4中为0.094mm，例5中为0.098mm。这里，在摄远极限下拍摄距离为无穷大时变焦透镜系统倾斜0.6度的情况下图像偏心量与整个变焦透镜G2在垂直于光轴的方向平行移动每个上述数值的情况下的图像偏心量相等。
从横向像差图中可以看到，轴上像点处的横向像差中得到令人满意的对称性。另外，当+75％图像点以及-75％处图像点的横向像差在基态中互相比较时，都有较小程度的弯曲和在像差曲线中几乎相同的倾斜。从而，偏心彗差和偏心像散都小。这表明，即使在图像模糊补偿状态都可以得到充分的成像特性。另外，当变焦透镜系统的图像模糊补偿角相同时，图像模糊补偿所需要的平行移动量将随着整个透镜系统焦距的减小而减小。这样，在任意变焦位置，可以对于直至0.6度的图像模糊补偿角度进行充分的图像模糊补偿且不降低成像特性。
工业应用
根据本发明的变焦透镜系统适用于诸如数码照相机，数码摄像机，手机，PDA(个人数字助理)，监视系统中的监视摄像机，网络摄像机和车载摄像机的数码输入设备。本变焦透镜系统尤其适合于诸如对图像质量要求很高的数码照相机和数码摄像机的光学拍摄系统。

Claims (18)

1.一种变焦透镜系统，以可变放大率形成物体的光学图像，其特征在于，该变焦透镜系统从物方侧到像方侧依次包括：
负光焦度的第一透镜单元，正光焦度的第二透镜单元和正光焦度的第三透镜单元，其中，
这些透镜单元分别沿着光轴移动，使得放大率随着各个透镜单元之间的距离的改变而变化，
所述第一透镜单元从物方侧到像方侧依次包括：第一透镜元件，该第一透镜元件具有强曲率表面朝向像方侧的负弯月形；和第二透镜元件，该第二透镜元件为强曲率表面朝向物方侧的正透镜元件，
所述第二透镜单元包括至少三个透镜元件，包括第二透镜单元的物方侧透镜元件，该物方侧透镜元件为设置在最靠近物方侧并且强曲率表面朝向物方侧的正透镜元件；和第二透镜单元的像方侧透镜元件，该像方侧透镜元件为设置在最靠近像方侧并且凸面朝向物方侧的正透镜元件，
所述第三透镜单元仅包括一个正透镜元件，
在从广角极限到摄远极限的放大率变化的过程中，所述第一透镜单元以凸向像方侧的轨迹移动，同时所述第二透镜单元单调地向物方侧移动，且
满足以下条件：
           |LW-LT|/LW＜0.1··(1)
           (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
LW为在广角极限下的总体光学长度，
LT为在摄远极限下的总体光学长度，
fT为在摄远极限下整个透镜系统的焦距，以及
fW为在广角极限下整个透镜系统的焦距。
2.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，所述第二透镜单元从物方侧到像方侧依次包括第三透镜元件，该第三透镜元件为强曲率表面朝向物方侧的正透镜元件；为正透镜元件的第四透镜元件；为负透镜元件的第五透镜元件；和第六透镜元件，该第六透镜元件为凸面朝向物方侧的正透镜元件。
3.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，所述第二透镜单元从物方侧到像方侧依次包括第三透镜元件，该第三透镜元件为强曲率表面朝向物方侧的正透镜元件；为负透镜元件的第四透镜元件；和第五透镜元件，该第五透镜元件为凸面朝向物方侧的正透镜元件。
4.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，该变焦透镜系统满足以下条件：
             1.9＜fG2/fW＜2.4··(2)
             (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
fG2为第二透镜单元的焦距，
fT为在摄远极限下的整个透镜系统的焦距，以及
fW为在广角极限下的整个透镜系统的焦距。
5.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，该变焦透镜系统满足以下条件：
            3.2＜fG3/fW＜4.0··(3)
            (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
fG3为第三透镜单元的焦距，
fT为在摄远极限下的整个透镜系统的焦距，以及
fW为在广角极限条件下的整个透镜系统的焦距。
6.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，该变焦透镜系统满足以下条件：
            0.4＜fF/fG2＜1.1··(4)
其中，
fG2为第二透镜单元的焦距，以及
fF第二透镜单元中最靠近物方侧的透镜元件的焦距。
7.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，该变焦透镜系统满足以下条件：
              0.9＜fR/fG2＜1.5··(5)
其中，
fG2为第二透镜单元的焦距，以及
fR为第二透镜单元中最靠近像方侧的透镜元件的焦距。
8.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，该变焦透镜系统满足以下条件：
              3＜r1F/fW＜10··(6)
              (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
r1F为第一透镜元件的物方侧表面的曲率，
fW为在广角极限下整个透镜系统的焦距，以及
fT为在摄远极限下整个透镜系统的焦距。
9.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，该变焦透镜系统满足以下条件：
             2.0＜r2R/fW＜3.8··(7)
             (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
r2R为第二透镜元件的像方侧表面的曲率，
fW为在广角极限下整个透镜系统的焦距，以及
fT为在摄远极限下整个透镜系统的焦距。
10.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，该变焦透镜系统满足以下条件：
             0.20＜dR/fG2×LW/fW＜0.29··(8)
             (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
dR为第二透镜元件的最靠近像方侧的透镜元件和与其相邻的物方侧的透镜表面之间的轴向距离，
fG2为第二透镜单元的焦距，
LW为在广角极限下的总光学长度，以及
fW为在广角极限下的整个透镜系统的焦距。
11.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，该变焦透镜系统满足以下条件：
              1.0＜rRF/fG2＜4.0··(9)
其中，
fG2为第二透镜单元的焦距，以及
rRF为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的物方侧表面的曲率半径。
12.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，该变焦透镜系统满足以下条件：
              -1.8＜(|rRF|-|rRR|)/fW＜-0.2··(10)
              (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
rRR为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的像方侧表面的曲率半径，
rRF为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的物方侧表面的曲率半径，
fW为在广角极限下的整个透镜系统的焦距，以及
fT为在摄远极限下的整个透镜系统的焦距。
13.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，该变焦透镜系统满足以下条件：
               2＜rRF/fW＜5··(11)
               (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
rRF为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的物方侧表面的曲率半径，
fW为在广角极限下的整个透镜系统的焦距，以及
fT为在摄远极限下的整个透镜系统的焦距。
14.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，该变焦透镜系统满足以下条件：
           0.01＜(rRR+rRF)/(rRR-rRF)＜0.3··(12)
其中，
rRR为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的像方侧表面的曲率半径，以及
rRF为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的物方侧表面的曲率半径。
15.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，该变焦透镜系统满足以下条件：
          1.2＜(rRF+rNR)/(rRF-rNR)＜1.8··(13)
其中，
rNR为第二透镜单元中与最靠近像方侧的透镜元件相邻的物方侧的透镜表面的曲率半径，以及
rRF为第二透镜单元的最靠近像方侧的透镜元件的物方侧表面的曲率半径。
16.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于，所述第二透镜单元沿着垂直于光轴的方向移动，使由于变焦透镜系统振动产生的图像模糊可以得到补偿，且满足以下条件：
          1.7＜(1-mG2T)mG3T＜2.1··(14)
其中，
mG2T为当拍摄距离为无穷大时在广角极限下第二透镜单元的放大率，以及
mG3T为当拍摄距离为无穷大时在广角极限下第三透镜单元的放大率。
17.一种成像装置，能够将被拍摄物体的光学图像转换成电图像信号并且然后输出该信号，其特征在于，该成像装置包括：
以可变放大率形成被拍摄物体的光学图像的变焦透镜系统；和
将由变焦透镜系统形成的被拍摄物体的光学图像转换成电信号的图像传感器，
其中，该变焦透镜系统从物方侧到像方侧依次包括：
负光焦度的第一透镜单元，正光焦度的第二透镜单元和正光焦度的第三透镜单元，其中，
这些透镜单元分别沿着光轴移动，使放大率随着各个透镜单元之间的距离的改变而变化，
第一透镜单元从物方侧到像方侧依次包括第一透镜元件，该第一透镜元件具有强曲率表面朝向像方侧的负弯月形；和第二透镜元件，该第二透镜元件为强曲率表面朝向物方侧的正透镜元件，
第二透镜单元包括至少三个透镜元件，包括第二透镜单元的物方侧透镜元件，该物方侧透镜元件为设置在最靠近物方侧并且强曲率表面朝向物方侧的正透镜元件；和第二透镜单元的像方侧透镜元件，该像方侧透镜元件为设置在最靠近像方侧并且凸面朝向物方侧的正透镜元件，
第三透镜单元仅包括一个正透镜元件，
在从广角极限到摄远极限的放大率变化的过程中，第一透镜单元以凸向像方侧的轨迹移动，同时第二透镜单元单调地向物方侧移动，且
满足以下条件：
             |LW-LT|/LW＜0.1··(1)
             (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
LW为在广角极限下的总体光学长度，
LT为在摄远极限下的总体光学长度，
fT为在摄远极限下整个透镜系统的焦距，以及
fW为在广角极限下整个透镜系统的焦距。
18.一种拍摄设备，能够拍摄被拍摄物体的图像并将其作为电图像信号输出，其特征在于，该拍摄设备包括：
成像装置，该成像装置包括以可变放大率形成被拍摄物体的光学图像的变焦透镜系统；和将由变焦透镜系统形成的被拍摄物体的光学图像转换成电信号的图像传感器，
其中，该变焦透镜系统从物方侧到像方侧依次包括：
负光焦度的第一透镜单元，正光焦度的第二透镜单元和正光焦度的第三透镜单元，其中，
这些透镜单元分别沿着光轴移动，使放大率随着各个透镜单元之间的距离的改变而变化，
第一透镜单元从物方侧到像方侧依次包括第一透镜元件，该第一透镜元件具有强曲率表面朝向像方侧的负弯月形，和第二透镜元件，该第二透镜元件为强曲率表面朝向物方侧的正透镜元件，
第二透镜单元包括至少三个透镜元件，包括第二透镜单元的物方侧透镜元件，该物方侧透镜元件为设置在最靠近物方侧并且强曲率表面朝向物方侧的正透镜元件；和第二透镜单元的像方侧透镜元件，该像方侧透镜元件为设置在最靠近像方侧并且凸面朝向物方侧的正透镜元件，
第三透镜单元仅包括一个正透镜元件，
在从广角极限到摄远极限的放大率变化的过程中，第一透镜单元以凸向像方侧的轨迹移动，同时第二透镜单元单调地向物方侧移动，且
满足以下条件：
             |LW-LT|/LW＜0.1··(1)
             (这里，Z＝fT/fW＞2.5)
其中，
LW为在广角极限下的总体光学长度，
LT为在摄远极限下的总体光学长度，
fT为在摄远极限下整个透镜系统的焦距，以及
fW为在广角极限下整个透镜系统的焦距。
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