專利名稱：變焦透鏡和裝備有變焦透鏡的圖像拾取設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于諸如數(shù)字靜物照相機(jī)、攝像機(jī)和TV照相機(jī)之類的圖像拾取設(shè)備的變焦透鏡。
背景技術(shù)：
作為用于圖像拾取設(shè)備的拍攝光學(xué)系統(tǒng)，需要具有覆蓋廣角的變焦范圍、高的光學(xué)性能和短的總體長度且具有高變焦比的小變焦透鏡。當(dāng)被用在使用固態(tài)圖像拾取元件的照相機(jī)中時(shí)，要求變焦透鏡具有較長的后焦距(back focus)，因?yàn)樵谶@種照相機(jī)中諸如低通濾波器和顏色校正濾波器之類的各種光學(xué)部件被設(shè)置在透鏡的后端和圖像拾取元件之間。此外，當(dāng)被用在使用用于彩色圖像的圖像拾取元件的圖像拾取設(shè)備中時(shí)，期望變焦透鏡在像側(cè)具有良好的遠(yuǎn)心特性(telecentricity)，以防止顏色陰影(color shading)。作為總體尺寸小且具有長的后焦距和在像側(cè)具有良好的遠(yuǎn)心特性的變焦透鏡，具有負(fù)折光力的透鏡單元被放置為最靠近物側(cè)的負(fù)先導(dǎo)型(negative-lead)變焦透鏡是已知的。存在已知的三單元、負(fù)先導(dǎo)型變焦透鏡，該變焦透鏡從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有負(fù)折光力的第一透鏡單元、具有正折光力的第二透鏡單元和具有正折光力的第三透鏡單元。存在已知的這種類型的三單元變焦透鏡，其在像側(cè)是遠(yuǎn)心的，并且具有長的后焦距和廣的場角(field angle)(如在例如美國專利No. 7，920，334和美國專利申請 No. 2010/0091381 中所公開的)。在三單元變焦透鏡中，為了在使系統(tǒng)的總體尺寸小的同時(shí)在整個變焦范圍上實(shí)現(xiàn)高的光學(xué)性能，適當(dāng)?shù)夭贾猛哥R單元的折光力和透鏡配置是重要的。特別地，為了在整個變焦范圍上在減小的像場彎曲的情況下實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的光學(xué)性能，適當(dāng)?shù)剡x擇用于變焦透鏡系統(tǒng)中的第一透鏡單元的折光力、正透鏡和負(fù)透鏡的折光力與材料是重要的。例如，為了在整個變焦范圍上實(shí)現(xiàn)平坦的像場，使Petzval和(Petzval sum)小是重要的。為此，有效的是將多個正透鏡布置為有助于整個系統(tǒng)的正折光力以及使用每一個都由具有高折射率的材料制成的正透鏡。在美國專利No. 7，920，334中公開的實(shí)施例中，整個系統(tǒng)中的正透鏡的材料的折射率的平均值在1.65到1.71的范圍中。在美國專利申請No. 2010/0091381的情況下，正透鏡的材料的折射率的平均值在1. 70到1. 77或更小的范圍中。如果以減少總體尺寸的角度來看在這些文獻(xiàn)中所公開的透鏡系統(tǒng)中折光力增大而正透鏡的數(shù)目沒有增加，則將導(dǎo)致 Petzval和的增大，從而導(dǎo)致強(qiáng)的像場彎曲。特別地，如果要實(shí)現(xiàn)高的變焦比和小的總體尺寸，則在整個變焦范圍上實(shí)現(xiàn)平坦的像場將是非常困難的。本發(fā)明的一個目的是，提供一種總體尺寸小且在整個變焦范圍上具有高的光學(xué)性能的變焦透鏡，并且，提供一種裝備有這樣的變焦透鏡的圖像拾取設(shè)備
發(fā)明內(nèi)容
一種變焦透鏡，從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有負(fù)折光力的第一透鏡單元；具有正折光力的第二透鏡單元；以及具有正折光力的第三透鏡單元，其中，在從廣角端到望遠(yuǎn)端變焦時(shí)，透鏡單元以這樣的方式移動，使得第一透鏡單元和第二透鏡單元之間的距離減小并且第二透鏡單元和第三透鏡單元之間的距離增大，并且，變焦透鏡滿足下述條件0. 35 < I Π I /ft < 0· 55，以及1. 80 < Npa,其中，ft是整個系統(tǒng)在望遠(yuǎn)端處的焦距，Π是第一透鏡單元的焦距，并且，Npa是整個系統(tǒng)中的所有正透鏡的材料的折射率的平均值。根據(jù)下面參照附圖的示例性實(shí)施例的描述，本發(fā)明的進(jìn)一步的特征將變得清晰。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的數(shù)值實(shí)施例1的變焦透鏡的橫截面圖。圖2Α、2Β和2C是本發(fā)明的數(shù)值實(shí)施例1分別在廣角端、中間變焦位置和望遠(yuǎn)端處的像差圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的數(shù)值實(shí)施例2的變焦透鏡的橫截面圖。圖4Α、4Β和4C是本發(fā)明的數(shù)值實(shí)施例2分別在廣角端、中間變焦位置和望遠(yuǎn)端處的像差圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的數(shù)值實(shí)施例3的變焦透鏡的橫截面圖。圖6Α、6Β和6C是本發(fā)明的數(shù)值實(shí)施例3分別在廣角端、中間變焦位置和望遠(yuǎn)端處的像差圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明的數(shù)值實(shí)施例4的變焦透鏡的橫截面圖。圖8Α、8Β和8C是本發(fā)明的數(shù)值實(shí)施例4分別在廣角端、中間變焦位置和望遠(yuǎn)端處的像差圖。圖9是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的圖像拾取設(shè)備的相關(guān)部分的透視圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將根據(jù)附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明的變焦透鏡從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有負(fù)折光力的第一透鏡單元、具有正折光力的第二透鏡單元和具有正折光力的第三透鏡單元。在從廣角端到望遠(yuǎn)端變焦時(shí)，透鏡單元以這樣的方式移動，使得第一透鏡單元和第二透鏡單元之間的距離減小，并且第二透鏡單元和第三透鏡單元之間的距離增大。圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的變焦透鏡在變焦范圍的廣角端處(即，在最短焦距處)的橫截面圖。圖2Α、2Β和2C分別示出根據(jù)第一實(shí)施例的變焦透鏡在廣角端處、在中間變焦位置處和在望遠(yuǎn)端處(即，在最長焦距處)的像差。根據(jù)第一實(shí)施例的變焦透鏡具有4. 75的變焦比和2. 88到6. 09的孔徑比(F數(shù))。圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的變焦透鏡在廣角端處的橫截面圖。圖4Α、4Β和4C分別示出根據(jù)第二實(shí)施例的變焦透鏡在廣角端處、在中間變焦位置處和在望遠(yuǎn)端處的像差。根據(jù)第二實(shí)施例的變焦透鏡具有6. 20的變焦比和2. 73到6. 96的孔徑比。圖5是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的變焦透鏡在廣角端處的橫截面圖。圖6Α、6Β和6C分別示出根據(jù)第三實(shí)施例的變焦透鏡在廣角端處、在中間變焦位置
4處和在望遠(yuǎn)端處的像差。根據(jù)第三實(shí)施例的變焦透鏡具有4. 82的變焦比和2. 84到6. 08 的孔徑比。圖7是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的變焦透鏡在廣角端處的橫截面圖。圖8A、8B和 8C分別示出根據(jù)第四實(shí)施例的變焦透鏡在廣角端處、在中間變焦位置處和在望遠(yuǎn)端處的像差。根據(jù)第四實(shí)施例的變焦透鏡具有4. 74的變焦比和2. 66到6. 01的孔徑比。圖9是示出裝備有根據(jù)本發(fā)明的變焦透鏡的數(shù)字照相機(jī)的相關(guān)部分的示意圖。根據(jù)實(shí)施例的變焦透鏡是用于圖像拾取設(shè)備中的拍攝透鏡系統(tǒng)。在變焦透鏡的橫截面圖中，左側(cè)是物側(cè)(或前側(cè))，右側(cè)是像側(cè)(或后側(cè))。在橫截面圖中，構(gòu)成每個透鏡單元的透鏡的分組(grouping)由Li(i = 1、2和3，按照從物側(cè)到像側(cè)的順序)表示。下面將描述根據(jù)第一實(shí)施例至第四實(shí)施例的變焦透鏡。在圖1、3、5和7的橫截面圖中所示的變焦透鏡均具備具有負(fù)折光力的第一透鏡單元Li、具有正折光力的第二透鏡單元L2和具有正折光力的第三透鏡單元L3。這里，折光力是指等于焦距的倒數(shù)的光焦度。根據(jù)實(shí)施例的變焦透鏡中的每一個都具有F數(shù)確定構(gòu)件SP (在下文中將也被稱為 “孔徑光闌”)，該F數(shù)確定構(gòu)件SP充當(dāng)限定(或約束)開放F數(shù)光束(open F-number beam) 或者全孔徑處的光束的孔徑光闌?？讖焦怅@SP被設(shè)置在第二透鏡單元L2的像側(cè)。根據(jù)實(shí)施例的變焦透鏡中的每一個都具有諸如濾光器、面板、石英低通濾波器和/或紅外截止濾波器的光學(xué)塊G。此外，在橫截面圖中還示出像面IP，當(dāng)變焦透鏡用作攝像機(jī)或數(shù)字靜物照相機(jī)的拍攝光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，諸如CCD傳感器或CMOS傳感器的固態(tài)圖像拾取元件(光電轉(zhuǎn)換元件)的圖像拾取表面被置于該像面IP中。當(dāng)變焦透鏡用作膠片照相機(jī)的拍攝光學(xué)系統(tǒng)時(shí)， 膠片的感光表面被置于像面中。在示出球面像差的像差圖中，實(shí)線表示關(guān)于d線的球面像差，雙點(diǎn)劃線表示關(guān)于g 線的球面像差。在示出像散的像差圖中，實(shí)線是關(guān)于子午像表面的，虛線是關(guān)于弧矢像表面的。示出色差的像差圖是關(guān)于g線的。在根據(jù)實(shí)施例的變焦透鏡中的每一個中，在從廣角端到望遠(yuǎn)端變焦時(shí)，第一透鏡單元Ll沿著向像側(cè)凸起的軌跡往復(fù)移動，第二透鏡單元L2向物側(cè)移動，第三透鏡單元L3 向像側(cè)移動。在變焦時(shí)，透鏡單元以這樣的方式移動，使得第一透鏡單元Ll和第二透鏡單元L2之間的距離在望遠(yuǎn)端處比在廣角端處小，并且第二透鏡單元L2和第三透鏡單元L3之間的距離在望遠(yuǎn)端處比在廣角端處大。在根據(jù)實(shí)施例的變焦透鏡中的每一個中，主要通過移位第二透鏡單元L2來改變倍率，并且，通過使第一透鏡單元Ll向前或向后移位來補(bǔ)償像點(diǎn)隨著倍率變化的移位。根據(jù)實(shí)施例的變焦透鏡具有其中第一透鏡單元Ll具有負(fù)折光力的負(fù)先導(dǎo)型折光力布置。通過該折光力布置，將在提供所需的后焦距的長度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)廣的場角和小的前透鏡直徑。第三透鏡單元L3具有正折光力，以在出射光瞳和像面之間提供足夠大的距離并使固態(tài)圖像拾取元件上的光線的入射角小。結(jié)果，可以使得固態(tài)圖像拾取元件上的陰影小。 從無限遠(yuǎn)處的物體到近距離處的物體的聚焦操作通過使第三透鏡單元L3向著物側(cè)移位來執(zhí)行。可替換地，聚焦操作可以通過使第一透鏡單元Ll移位來執(zhí)行。F數(shù)確定構(gòu)件SP關(guān)于光軸的方向被設(shè)置在第二透鏡單元L2的像側(cè)。以這樣的方式設(shè)置孔徑光闌SP允許減小在望遠(yuǎn)端處的第一透鏡單元Ll和第二透鏡單元L2之間的距離。結(jié)果，第二透鏡單元L2可以向著物側(cè)在足夠大的距離上移動，以便變焦。因此，將在實(shí)現(xiàn)高的變焦比的同時(shí)防止變焦透鏡總體長度的增加。
在每一個實(shí)施例中，滿足下述條件0. 35 < |fl I/ft < 0. 55 (1)，以及1. 80 < Npa(2)，其中，Π是第一透鏡單元Ll的焦距，ft是整個系統(tǒng)在望遠(yuǎn)端處的焦距，并且，Npa 是整個系統(tǒng)中的具有正折光力的所有透鏡(所有正透鏡)的材料的折射率的平均值。條件(1)涉及第一透鏡單元Ll的焦距。如果第一透鏡單元Ll的焦距如此大以至于超出了條件(1)的上限，換句話說，如果第一透鏡單元Ll的折光力如此低以至于超出了條件(1)的上限，則使離軸光束彎曲的效果將在廣角端處變?nèi)酢Ｓ捎诘谝煌哥R單元Ll的有效光學(xué)直徑在廣角端處由離軸光束確定，所以在廣角端處使離軸光束彎曲的效果的弱化將導(dǎo)致第一透鏡單元Ll的透鏡直徑的增大。于是，將難以減小系統(tǒng)的總體尺寸。如果第一透鏡單元Ll的焦距如此小以至于沒有達(dá)到條件(1)的下限，換句話說， 如果第一透鏡單元Ll的折光力如此高以至于沒有達(dá)到條件(1)的下限，則在變焦范圍的廣角端處在第一透鏡單元Ll中將不希望地產(chǎn)生大的諸如像場彎曲、畸變和橫向色差的像差。條件(2)涉及整個系統(tǒng)中的所有正透鏡的材料的折射率的平均值。Petzval和被定義為透鏡的折光力除以相應(yīng)透鏡的折射率所得的值的和。為了在整個變焦范圍上使像場彎曲小，使Petzval和小是有效的。為了在不增加透鏡的數(shù)目的情況下使Petzval和小，使用每一個由具有高折射率的材料制成的正透鏡將是有效的。如果正透鏡的材料的折射率的平均值如此小以至于沒有達(dá)到條件O)的下限，則Petzval和將過大。這將不希望地導(dǎo)致高的像場彎曲。更加希望的是，條件(1)和O)的數(shù)值范圍被設(shè)置如下0. 38 < |fl I/ft < 0. 54 (la)，以及1. 810 < Npa(2a)。如上所述，根據(jù)實(shí)施例，通過適當(dāng)?shù)剡x擇整個系統(tǒng)中的正透鏡的材料的折射率和第一透鏡單元Ll的焦距，獲得總體尺寸小的具有廣的場角和被良好地校正的像差的變焦透鏡。在實(shí)施例中，更加優(yōu)選的是，進(jìn)一步滿足下述條件中的一個或多個3. 00 < fpa/fw < 4. 00 (3)，1. 80 < Nna(4)，-0. 30 < fna/ft < —0. 10 (5)，0. 30 < f2/ft < 0. 55(6)，0. 80 < f3/ft < 1. 30(7)，0. 70 < M2/ft < 1. 10(8)，35. 0 < vpa < 43. 0(9)，以及30. 0 < vna < 33. 0(10)，其中，fpa是整個系統(tǒng)中的所有正透鏡的焦距的平均值，vpa是整個系統(tǒng)中的所有正透鏡的材料的阿貝常數(shù)，Nna是整個系統(tǒng)中的所有負(fù)透鏡的材料的折射率的平均值，vna 是整個系統(tǒng)中的所有負(fù)透鏡的材料的阿貝常數(shù)，fna是整個系統(tǒng)中的所有負(fù)透鏡的焦距的平均值，f2是第二透鏡單元L2的焦距，f3是第三透鏡單元L3的焦距，fw是整個系統(tǒng)在廣角端處的焦距，M2是在從廣角端到望遠(yuǎn)端變焦時(shí)第二透鏡單元L2的移位量(或者，移位距離)(M2是正值)。條件(3)涉及整個系統(tǒng)中的正透鏡的焦距的平均值。如果焦距的平均值如此大以至于超出了條件⑶的上限，則正透鏡的折光力平均地是低的。于是，將難以實(shí)現(xiàn)廣的視角和總體尺寸的緊湊。如果焦距的平均值如此小以至于沒有達(dá)到條件(3)的下限，則正透鏡的折光力平均地是高的。于是，即使在正透鏡中使用具有高折射率的材料，也將難以使得 Petzval和小，從而不希望地導(dǎo)致大的像場彎曲。條件(4)涉及整個系統(tǒng)中的所有負(fù)透鏡的材料的平均折射率。為了通過增大第一透鏡單元Ll的折光力來實(shí)現(xiàn)前透鏡的有效直徑的減小，需要增大第一透鏡單元Ll中的負(fù)透鏡的折光力。這將導(dǎo)致在廣角變焦范圍中由負(fù)透鏡產(chǎn)生的高階像場彎曲的增大以及在望遠(yuǎn)變焦范圍中由負(fù)透鏡產(chǎn)生的球面像差的增大。為了通過具有高折光力的第二透鏡單元在使變焦透鏡的總體長度短的同時(shí)實(shí)現(xiàn)消色差(achromatism)(即，色差的校正)，需要第二透鏡單元L2中的負(fù)透鏡具有有些高的折光力。如果第二透鏡單元中的負(fù)透鏡的折光力高， 則將在整個變焦范圍上產(chǎn)生大的球面像差和彗差(coma)。為了消除這些缺點(diǎn)，需要整個系統(tǒng)中的負(fù)透鏡由具有較高的平均折射率的材料制成。如果沒有達(dá)到條件的下限，則將難以在使系統(tǒng)的總體尺寸小的同時(shí)令人滿意地校正廣角變焦范圍中的高階像場彎曲、球面像差和彗差。條件(5)涉及整個系統(tǒng)中的所有負(fù)透鏡的平均焦距。由于透鏡系統(tǒng)整體上具有正的折光力，所以Petzval和趨向于為正。增大負(fù)透鏡的折光力可以使Petzval和向著負(fù)側(cè)改變。如果負(fù)透鏡的平均折光力如此低以至于沒有達(dá)到條件(5)的下限，則將難以使Petzval 和向著負(fù)側(cè)改變或者減小Petzval和，并且，像場彎曲將變高。如果負(fù)透鏡的平均折光力如此高以至于超出了條件(5)的上限，則在廣角變焦范圍中第一透鏡單元Ll和第二透鏡單元 L2將產(chǎn)生大的高階像場彎曲、球面像差和彗差，并且，將難以令人滿意地校正這些像差。條件(6)涉及第二透鏡單元L2的焦距。如果第二透鏡單元L2的焦距如此長以至于超出了條件(6)的上限，換句話說，如果第二透鏡單元L2的折光力如此低以至于超出了條件(6)的上限，則第二透鏡單元L2為了實(shí)現(xiàn)高變焦比而需要移動的距離將變大。于是， 在望遠(yuǎn)端處系統(tǒng)的總體光學(xué)長度將變大，并且，將難以使總體尺寸小。另一方面，如果第二透鏡單元L2的焦距如此短以至于沒有達(dá)到條件(6)的下限，換句話說，如果第二透鏡單元 L2的折光力如此高以至于沒有達(dá)到條件(6)的下限，則即使使用具有高折射率的材料，也將難以使Petzval和小。特別地，在系統(tǒng)由少量透鏡構(gòu)成的情況下，將難以使系統(tǒng)的總體尺寸小和實(shí)現(xiàn)像場彎曲的校正。條件(7)涉及第三透鏡單元L3的焦距。如果第三透鏡單元L3的焦距如此長以至于超出了條件(7)的上限，換句話說，如果第三透鏡單元L3的折光力如此低以至于超出了條件(7)的上限，則使出射光瞳移位離開像面的效果將降低。因此，在與固態(tài)圖像拾取元件一起使用變焦透鏡時(shí)，將出現(xiàn)顯著程度的陰影。另外，在通過使第三透鏡單元L3移位來執(zhí)行聚焦操作的情況下，用于聚焦的第三透鏡單元L3的移位量將變大，從而難以使系統(tǒng)的總體尺寸減小。如果第三透鏡單元L3的焦距如此短以至于沒有達(dá)到條件(7)的下限，換句話說，如果第三透鏡單元L3的折光力如此高以至于沒有達(dá)到條件(7)的下限，則Petzval和將變大，從而導(dǎo)致像場彎曲的不希望的增大。然而，如果增加第三透鏡單元L3中的正透鏡的數(shù)目以減小Petzval和，則使系統(tǒng)的總體尺寸小將變得困難。條件(8)涉及在從廣角端到望遠(yuǎn)端變焦時(shí)第二透鏡單元L2的移位量。如果該移位量如此大以至于超出了條件(8)的上限，則在望遠(yuǎn)端處的總體光學(xué)長度將是大的，并且，將難以使系統(tǒng)的總體尺寸小。如果該移位量如此小以至于沒有達(dá)到條件(8)的下限，則將需要使第二透鏡單元L2具有高的折光力，以便實(shí)現(xiàn)期望的變焦比。于是，第二透鏡單元L2 將產(chǎn)生大的諸如球面像差、彗差和像場彎曲的像差。如果第二透鏡單元L2中的透鏡的數(shù)目被增大以校正這些像差，則使系統(tǒng)的總體尺寸小將變得困難。如果條件(6)和⑶都被滿足，則提供總體尺寸小的且具有高變焦比的系統(tǒng)將是容易的。條件(9)涉及整個系統(tǒng)中的所有正透鏡的材料的平均阿貝常數(shù)?，F(xiàn)有的具有高折射率的低色散光學(xué)材料很少。如果正透鏡的材料的平均阿貝常數(shù)如此大以至于超出了條件 (9)的上限，換句話說，如果正透鏡的材料平均地表現(xiàn)出低色散，則使它們具有高的折射率將是困難的。于是，將難以使Petzval和小。特別地，在透鏡單元的折光力被設(shè)計(jì)為高以使系統(tǒng)的總體尺寸小的情況下，用少量的透鏡優(yōu)異地校正像場彎曲將是困難的。如果正透鏡的材料的平均阿貝常數(shù)如此小以至于沒有達(dá)到條件(9)的下限，換句話說，如果正透鏡的材料平均地表現(xiàn)出高色散，則將產(chǎn)生大的色差。例如，第二透鏡單元L2將產(chǎn)生軸向色差，并且，第三透鏡單元L3將產(chǎn)生橫向色差。條件(10)涉及整個系統(tǒng)中的所有負(fù)透鏡的材料的平均阿貝常數(shù)。如果負(fù)透鏡的材料的平均阿貝常數(shù)如此大以至于超出了條件(10)的上限，換句話說，如果負(fù)透鏡的材料平均地具有低色散，則由第二透鏡單元L2中的負(fù)透鏡產(chǎn)生的消色差的效果將變低，從而導(dǎo)致在整個變焦范圍上對軸向色差的校正不足。現(xiàn)有的具有高折射率的低色散光學(xué)材料很少。因此，如果第一透鏡單元Ll中的負(fù)透鏡的材料具有顯著低的色散，則為了減小系統(tǒng)的總體尺寸而增大折光力將導(dǎo)致廣角變焦范圍中的大的像場彎曲和望遠(yuǎn)變焦范圍中的大的球面像差。另一方面，如果負(fù)透鏡的平均阿貝常數(shù)如此小以至于沒有達(dá)到條件(10)的下限，則第二透鏡單元L2中的負(fù)透鏡的材料將具有高的色散，從而產(chǎn)生大的二次光譜。高色散材料一般地具有高的相對部分色散。因此，如果使用高色散材料，則在短波長范圍中消色差是過度校正的，從而趨于導(dǎo)致藍(lán)色區(qū)中或其附近的彩色邊緣效應(yīng)(color fringing)。此外，如果第一透鏡單元Ll中的負(fù)透鏡的材料具有顯著高的色散，則將產(chǎn)生大的橫向色差。更加優(yōu)選的是，條件(3) (10)的數(shù)值范圍被進(jìn)一步限制如下3. 10 < fpa/fw < 3. 85(3a)，1. 81 < Nna(4a),-0· 27 < fna/ft < _0· 15 (5a)，0. 35 < f2/ft < 0. 53(6a)，0. 85 < f3/ft < 1. 25(7a)，0. 80 < M2/ft < 1. 00(8a)，36. 0 < vpa < 42. 8(9a)，以及31. 0 < vna < 32. 9(IOa)。根據(jù)上述的實(shí)施例，可以提供這樣的變焦透鏡所述變焦透鏡總體尺寸小，具有 4. 7或更高的高變焦比，并且在整個變焦范圍上在小的像場彎曲的情況下具有優(yōu)異的光學(xué)性能。下面將描述實(shí)施例中的透鏡配置。在所有的實(shí)施例中，第一透鏡單元Ll從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有面向像側(cè)的凹表面的負(fù)透鏡G11，和具有面向物側(cè)的凸表面的正透鏡G12。通過這種配置，使得前透鏡的有效直徑小，并且優(yōu)異地校正色差。負(fù)透鏡Gll和正透鏡G12均由具有高折射率的材料制成。通過使用具有高折光力的材料，在實(shí)現(xiàn)期望的折光力的同時(shí)，可以使透鏡表面的曲率較低，從而減少廣角變焦范圍中的諸如像場彎曲的像差和望遠(yuǎn)變焦范圍中的球面像差。另外，正透鏡G12由具有小的阿貝常數(shù)的高色散材料制成， 使得負(fù)透鏡Gll和正透鏡G12之間的阿貝常數(shù)之差是大的。因此，在折光力不那么高的情況下校正色差。此外，負(fù)透鏡Gll的兩個表面都是非球面表面，從而在實(shí)現(xiàn)廣的場角和小的總體尺寸的同時(shí)優(yōu)異地校正廣角變焦范圍中的像場彎曲和像散。即使負(fù)透鏡Gll的僅像側(cè)透鏡表面是非球面表面，也將獲得相同的效果。在第一實(shí)施例至第三實(shí)施例中，第二透鏡單元L2從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有面向物側(cè)的凸表面的正透鏡G21，由正透鏡G22和負(fù)透鏡G23構(gòu)成的具有負(fù)折光力的膠合透鏡，以及正透鏡G24。在第四實(shí)施例中，第二透鏡單元L2從物側(cè)到像側(cè)依次包括由正透鏡 G21和負(fù)透鏡G22構(gòu)成的具有正折光力的膠合透鏡，以及正透鏡G23。在所有的實(shí)施例中， 第二透鏡單元L2中的正透鏡均由具有高折射率的材料制成。通過使用具有高折射率的材料，可以使透鏡細(xì)長，并且可以使Petzval和小。因此，可以優(yōu)異地校正像場彎曲。為了實(shí)現(xiàn)高的變焦比，需要第二透鏡單元L2具有高的折光力。每一個由具有高折射率的材料制成的正透鏡便于實(shí)現(xiàn)平坦的場。此外，第二透鏡單元L2中的負(fù)透鏡也由具有高折射率的材料制成。因此，優(yōu)異地校正了球面像差和彗差。在所有的實(shí)施例中，第三透鏡單元L3包含正透鏡G31。由于第三透鏡單元L3由一個透鏡構(gòu)成，所以它重量輕且容易驅(qū)動。這能夠?qū)崿F(xiàn)快速的聚焦操作。第三透鏡單元L3中的正透鏡G31由具有高折射率的材料制成。通過使用具有高折射率的材料，可以使透鏡細(xì)長，并且可以使Petzval和小。在根據(jù)實(shí)施例的變焦透鏡中，可以使透鏡單元中的任何一個在垂直于光學(xué)系統(tǒng)的方向上移動，以使成像位置移位，從而在照相機(jī)抖動時(shí)使圖像穩(wěn)定。下面將描述對應(yīng)于本發(fā)明的第一實(shí)施例至第四實(shí)施例的數(shù)值實(shí)施例1至4。在數(shù)值實(shí)施例中，呈現(xiàn)了從物側(cè)算起的光學(xué)表面的表面編號i、從物側(cè)算起的第i透鏡表面的曲率半徑ri、第i光學(xué)表面和第(i+Ι)光學(xué)表面之間的透鏡厚度或空氣距離di、第i光學(xué)表面和第(i+Ι)光學(xué)表面之間的材料的關(guān)于d線的折射率ndi、第i光學(xué)表面和第(i+Ι)光學(xué)表面之間的材料的阿貝常數(shù)vdi。在表1中，對于所有的數(shù)值實(shí)施例，呈現(xiàn)了與上述條件相關(guān)的值。在具有沿著光軸方向而取的其正方向被定向在光線的傳播方向上的X軸和沿著垂直于光軸的方向而取的H軸的坐標(biāo)系中，非球面表面形狀由以下公式表達(dá)
(HR)H2^ =-1--
1 +小-(1 + K)(H/R)2+A4xH4 +A6xH6 +ASxHs +AlOxHw +AUxH12,其中，R是旁軸曲率半徑，K是圓錐(conic)常數(shù)，A4、A6、A8、AlO和A12是非球面系數(shù)。在數(shù)值實(shí)施例的數(shù)據(jù)中，像“e+X”和“e_X”那樣的表達(dá)式分別代表“ 10+x”和“ 10_x”。 后焦距BF是以等效空氣長度表達(dá)的從最后一個透鏡表面到旁軸像面的距離。總體透鏡長度(OLL)是從最前的透鏡表面到最后一個透鏡表面的距離與后焦距BF之和。非球面表面用作為表面編號的后綴的星號標(biāo)記。[數(shù)值實(shí)施例1]下表中的長度以毫米為單位。
表面數(shù)據(jù)
表面編號r d ndvd
1*-70.070 1.00 1.84954 40.1
2*6.688 1.91
310.5031.53 1.94595 18.0
420 .495(可變)
5*6.820 1.60 1.85135 40.1
6222 .2330.20
78.0561.25 1.80400 46 .6
844.5560.50 1.80809 22.8
93.9250.95
10*317.377 1.30 1.76802 49.2
11*-18.077 0.50
12(光闌)》 (可變)
1332 .3561.50 1.71300 53.9
14-30.223(可變)
15 0.80 1.51633 64.1
16“(可變) 像面OO非球面表面數(shù)據(jù)第一表面K = -3. 87519e+001A4 = 1.00832e_005 A6 = 2. 70500e_006A8 = -5. 94864e-008AlO = 2. 56058e_010 A12 = 1.73400e_012第二表面K = -1. 39145e+000A4 = 3. 56819e_004 A6 = 7. 55304e_006A8 = -1. 43040e-007AlO = 2. 05905e_009 A12 = -4. 52444e_011第五表面K = -2. 27089e-001A4 = -3. 07024e_004 A6 = -6. 29064e_006A8 = 2.04588e-007AlO = -2. 35144e_008第十表面K = 4. 87266e+002A4 = 4. 43585e_004 A6 = 3. 53534e_005A8 = -7. 59402e-006AlO = 5. 32148e_007第^^一表面K = O. 00000e+000A8 = -6. 73754e_006
10
各種數(shù)據(jù)
變焦比 4.75
廣角中間望遠(yuǎn)
焦距5 . 11 12 . 7624.25
F 數(shù)2.88 4.886.09
場角37.74 17.239.13
像高3-33 3.883.88
OLL36.91 33.7942.83
BF3.94 3.933.93
d415.76 4.170.50
dl24.97 13 .4526.17
dl43.00 3.002.99
dl60.41 0.410.41變焦透鏡單元數(shù)據(jù)
單元第一表面焦距
11-11.77
2510.46
31322.14
415 [數(shù)值實(shí)施例2]下表中的長度以毫米為單位。表面編號r d ndvd
1*-44.832 1.00 1.85135 40.1
2*5.532 1.71
39.1871.70 2.14352 17.8
415.592 (可變)
5*5.840 1.50 1.84954 40.1
639.4350.20
77.6351.30 1.80400 46.6
8-24.4430.40 2.00069 25.5
94.418O.81
1030.8281.00 1.77250 49.6
11-12.9820.50
12(光闌)“ (可變)
13*-57.286 1.60 1.85135 40.1
14-15.718(可變)
15 0.80 1.51633 64.1
16“(可變)
像面《非球面表面數(shù)據(jù)第一表面K = 2. 85740e+001A4 = 4. 88252e_005 A6 = 2. 26281e_006A8 = -2. 20405e-008AlO = 3. 86222e_011 A12 = 6. 15933e_013第二表面K = -2. 12045e+000A4 = 1.13127e_003 A6 = -1. 43808e_005A8 = 5. 91585e-007AlO = -6. 99870e_009 A12 = -9. 44669e_011第五表面K = -1. 87340e-001A4 =-2. 68563e_004 A6 =-6. 31462e_006A8 = 1.13177e-007AlO = -1. 92335e_008第十三表面K = -8. 69856e+001A4 = -3. 21620e-005 A6 = -9. 74850e-006A8 = 4. 74513e-007AlO = -8. 69199e_009各種數(shù)據(jù)廣角中間望遠(yuǎn)
焦距3.71 11.3 823 . 00
F 數(shù)2 . 73 4 . 726 . 96
場角48.40 19.369.65
像高2·98 3.883.88
OLL35.48 31.4641.55
BF4.10 4.023.90
d416.43 3.590.45
dl23.24 12,1425.49
dl43.18 3.102.97
dl60.40 0.400.40變焦透鏡單元數(shù)據(jù)
單元第一表面焦距
11-9.24
259.03
31325.00
415 [數(shù)值實(shí)施例3]下表中的長度以毫米為單位。表面數(shù)據(jù)
▲面編號r d ndvd
1*-46.123 1.00 1.85135 40.1
2*5.587 1.72
39.0051.60 2.14352 17.8
415.203 (可變)
5*5.879 1.30 1.88300 40.8
647.0190.20
77.4841.30 1.80400 46.6
8-19.7260.40 2.00069 25.5
94.2230.54
1026.1141.00 1.88300 40.8
11-18.9470.50
12(光闌)》 (可變)
13*-98.523 1.60 1.85135 40.1
14-14.626 (可變)
15 0.80 1.51633 64.1
16 (可變)
像面《非球面表面數(shù)據(jù)第一表面K = 2.85563e+001A4 = 1.20740e_004 A6 = 1.53578e_006A8 = -3. 05476e-008AlO = 1.74873e_011 A12 = 2.69089e_012第二表面K = -2. 14357e+000A4 = 1.24873e_003 A6 =-9. 22520e_006A8 = 5. 07448e-007AlO = -1. 21724e_008 A12 = 2. 31457e_011第五表面K = -1. 00914e-001A4 = -2. 66821e_004 A6 = -3. 80277e_006A8 = -5. 18226e-007AlO = 5. 11737e_008第十三表面K = -4. 65118e+001A4 = -1. 09598e_004 A6 = -5. 43218e_006A8 = 3.22289e-007AlO = -6. 60458e_009各種數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1. 一種變焦透鏡，從物側(cè)到像側(cè)依次包括具有負(fù)折光力的第一透鏡單元；具有正折光力的第二透鏡單元；以及具有正折光力的第三透鏡單元，其中，在從廣角端到望遠(yuǎn)端變焦時(shí)，透鏡單元以這樣的方式移動使得第一透鏡單元和第二透鏡單元之間的距離減小并且第二透鏡單元和第三透鏡單元之間的距離增大，并且，所述變焦透鏡滿足下述條件0.35 < In Ι/ft < 0. 55，以及1.80 < Npa,其中，ft是整個系統(tǒng)在望遠(yuǎn)端處的焦距，Π是第一透鏡單元的焦距，并且，Npa是整個系統(tǒng)中的所有正透鏡的材料的折射率的平均值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡，其中，所述變焦透鏡滿足下述條件3.00 < fpa/fw < 4. 00，其中，fpa是整個系統(tǒng)中的所有正透鏡的焦距的平均值，并且，fw是整個系統(tǒng)在廣角端處的焦距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡，其中，所述變焦透鏡滿足下述條件 1. 80 < Nna,其中，Nna是整個系統(tǒng)中的所有負(fù)透鏡的材料的折射率的平均值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡，其中，所述變焦透鏡滿足下述條件 -0. 30 < fna/ft < -0. 10，其中，fna是整個系統(tǒng)中的所有負(fù)透鏡的焦距的平均值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡，其中，所述變焦透鏡滿足下述條件 0. 30 < f2/ft < 0. 55，其中，f2是第二透鏡單元的焦距。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡，其中，所述變焦透鏡滿足下述條件 0. 80 < f3/ft < 1. 30，其中，f3是第三透鏡單元的焦距。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡，其中，所述變焦透鏡滿足下述條件 0. 70 < M2/ft < 1. 10，其中，M2是在從廣角端到望遠(yuǎn)端的變焦期間第二透鏡單元的移位量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡，其中，所述變焦透鏡滿足下述條件 35. 0 < vpa < 43. 0，其中，vpa是整個系統(tǒng)中的所有正透鏡的材料的阿貝常數(shù)的平均值。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡，其中，所述變焦透鏡滿足下述條件 30. 0 < vna < 33. 0，其中，vna是整個系統(tǒng)中的所有負(fù)透鏡的材料的阿貝常數(shù)的平均值。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦透鏡，其中，在從無限遠(yuǎn)處的物體聚焦到近距離處的物體時(shí)，第三透鏡單元向著物側(cè)移動。
11.一種圖像拾取設(shè)備，包括根據(jù)權(quán)利要求1-10中的任何一項(xiàng)所述的變焦透鏡；以及光電轉(zhuǎn)換元件，所述光電轉(zhuǎn)換元件接收通過所述變焦透鏡形成的圖像。
全文摘要
本發(fā)明涉及變焦透鏡和裝備有變焦透鏡的圖像拾取設(shè)備。所述變焦透鏡從其物側(cè)起依次包括具有負(fù)折光力的第一透鏡單元；具有正折光力的第二透鏡單元；以及具有正折光力的第三透鏡單元。在從廣角端到望遠(yuǎn)端變焦時(shí)，透鏡單元以這樣的方式移動使得第一透鏡單元和第二透鏡單元之間的距離減小并且第二透鏡單元和第三透鏡單元之間的距離增大。所述變焦透鏡滿足條件“0.35＜|f1|/ft＜0.55”和“1.80＜Npa”，其中，ft是整個系統(tǒng)在望遠(yuǎn)端處的焦距，f1是第一透鏡單元的焦距，并且，Npa是整個系統(tǒng)中的所有正透鏡的材料的折射率的平均值。
文檔編號G02B15/177GK102540433SQ20111043391
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
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