專利名稱：可變焦距透鏡系統(tǒng)和圖像捕獲設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及一種可變焦距透鏡系統(tǒng)和包括可變焦距透鏡系統(tǒng)的圖像捕獲設(shè)備，并且特別地涉及一種變焦比大于10的可變焦距透鏡系統(tǒng)和包括可變焦距透鏡系統(tǒng)的圖像捕獲設(shè)備，比如攝像機(jī)或數(shù)字靜態(tài)相機(jī)。
背景技術(shù)：
為了記錄相機(jī)中的主題圖像，已知一種用于通過(guò)利用包括光電變換器(比如電荷耦合器件(CCD)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS))的圖像拾取設(shè)備將主題圖像的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電輸出以記錄主題圖像的方法。
近年來(lái)，微型制造技術(shù)已經(jīng)被廣泛開(kāi)發(fā)。由此，中央處理單元(CPU)的速度已經(jīng)增加并且記錄介質(zhì)的密度已經(jīng)增加。因此，以前不能處理的大量的圖像數(shù)據(jù)現(xiàn)在可以高速處理。此外，光接收元件的密度已經(jīng)增加，同時(shí)光接收元件的尺寸減小。光接收元件增加的密度允許相機(jī)記錄高空間頻率的圖像。光接收元件降低的尺寸允許相機(jī)體部尺寸減小。
但是，光接收元件增加的密度和降低的尺寸使每個(gè)光電變換器的光接收區(qū)域減小，并且因此，電輸出的強(qiáng)度減小。因此，電輸出上的噪聲影響增加。為了降低噪聲影響，通過(guò)增加光學(xué)系統(tǒng)的孔徑比或緊接在每個(gè)光接收元件之前安裝微透鏡元件，形成所謂的“微透鏡陣列”來(lái)增加由光接收元件接收的光量。盡管微透鏡陣列將相鄰光接收元件之間的光線引導(dǎo)到光接收元件，但是微透鏡陣列約束了透鏡系統(tǒng)出射光瞳的位置。當(dāng)透鏡系統(tǒng)出射光瞳的位置靠近光接收元件時(shí)，即是，當(dāng)光線和到達(dá)光接收元件的主光線的光軸之間的角度較大時(shí)，朝著屏幕外圍傳播的軸外光線和光軸之間的角度變得較大。結(jié)果，軸外光線沒(méi)有達(dá)到光接收元件，并且因此，未接收到足夠的光量。
近年來(lái)，隨著數(shù)碼相機(jī)變得越來(lái)越廣泛使用，要求數(shù)碼相機(jī)滿足廣泛的用戶需要。
可變放大比大于10的變焦透鏡允許相機(jī)捕獲主題顯著放大的圖像。特別地，由于固定透鏡相機(jī)的用戶不能交換透鏡，一些用戶要求高可變放大比的透鏡系統(tǒng)，即使增加了相機(jī)體部的尺寸。
例如，日本未審查專利申請(qǐng)公開(kāi)No.2005-215385、日本未審查專利申請(qǐng)公開(kāi)No.2003-295059和日本未審查專利申請(qǐng)公開(kāi)No.2005-128186描述了可變放大比大于10的變焦透鏡。
在日本未審查專利申請(qǐng)公開(kāi)No.2005-215385和2003-295059中描述的變焦透鏡包括從對(duì)象側(cè)起按以下順序的具有正折光力的第一透鏡組、具有負(fù)折光力的第二透鏡組、具有正折光力的第三透鏡組、和具有正折光力的第四透鏡組。當(dāng)透鏡變焦位置從廣角位置變化到長(zhǎng)焦位置時(shí)，第一透鏡組朝對(duì)象側(cè)移動(dòng)，第二透鏡組朝圖像平面?zhèn)纫苿?dòng)，第三透鏡組暫時(shí)朝對(duì)象側(cè)移動(dòng)并接著朝對(duì)象側(cè)移動(dòng)，并且第四透鏡組暫時(shí)朝對(duì)象側(cè)移動(dòng)并接著朝圖像平面?zhèn)纫苿?dòng)。此外，在日本未審查專利申請(qǐng)公開(kāi)No.2005-215385描述的變焦透鏡中，可獨(dú)立地從其它透鏡組移動(dòng)位于第二透鏡組和第三透鏡組之間的孔徑光闌。
日本未審查專利申請(qǐng)公開(kāi)No.2005-128186中描述的變焦透鏡包括從對(duì)象側(cè)起按以下順序的具有正折光力的第一透鏡組、具有負(fù)折光力的第二透鏡組、具有正折光力的第三透鏡組、和具有正折光力的第四透鏡組。當(dāng)透鏡位置從廣角位置變化到長(zhǎng)焦位置時(shí)，第一和第三透鏡組在光軸方向上靜止，第二透鏡組朝圖像平面?zhèn)纫苿?dòng)，并且第四透鏡組移動(dòng)以便補(bǔ)償由于第二透鏡組的移動(dòng)所引起的圖像平面位置的變化。

發(fā)明內(nèi)容
但是，在已知的變焦透鏡中，只有第二透鏡組負(fù)責(zé)放大操作，這是有問(wèn)題的。
為此，對(duì)照透鏡變焦位置的變化，在第二透鏡組中出現(xiàn)的軸外象差的變化是顯著的。由此，同時(shí)達(dá)到高可變放大率和高性能是困難的。
此外，在已知變焦透鏡中，只有第三透鏡組負(fù)責(zé)校正大部分象差的操作，這是有問(wèn)題的。
這是因?yàn)?，盡管第三透鏡組具有強(qiáng)的正折光力，但是第三透鏡組需要包括具有正折光力的正分組和具有負(fù)折光力的負(fù)分組。
為了會(huì)聚從第二透鏡組輸出的強(qiáng)發(fā)散光束，第三透鏡組具有強(qiáng)折光力。同時(shí)，因?yàn)橹挥械诙哥R組具有負(fù)折光力，所以第三透鏡組包括具有正折光力的正分組和具有負(fù)折光力的負(fù)分組，以便充分校正趨于出現(xiàn)在廣角位置的負(fù)失真。
因此，布置在第三透鏡組中的正分組具有強(qiáng)折光力。同時(shí)，由于負(fù)分組和正分組變?yōu)槠牡?，所以性能顯著惡化。
由此，本發(fā)明提供了一種可同時(shí)提供高性能和高可變放大率的可變焦距透鏡系統(tǒng)和包括可變焦距透鏡系統(tǒng)的圖像捕獲設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可變焦距透鏡系統(tǒng)包括從對(duì)象側(cè)到圖像平面?zhèn)劝匆韵马樞蛟O(shè)置的具有正折光力的第一透鏡組、具有負(fù)折光力的第二透鏡組、具有正折光力的第三透鏡組、具有正折光力的第四透鏡組、以及第五透鏡組。當(dāng)透鏡變焦位置從可變焦距透鏡系統(tǒng)的焦距最短的廣角位置變化到所述焦距最長(zhǎng)的長(zhǎng)焦位置時(shí)，至少第一到第四透鏡組是可移動(dòng)的，并且第二透鏡組朝圖像平面?zhèn)纫苿?dòng)且第三透鏡組朝對(duì)象側(cè)移動(dòng)，使得第一透鏡組和第二透鏡組之間的距離增加，以及第二透鏡組和第三透鏡組之間的距離減小，并且第四透鏡組沿著光軸方向移動(dòng)以便補(bǔ)償由每個(gè)透鏡組的移動(dòng)所引起的圖像平面的位置變化。第五透鏡組包括具有負(fù)折光力的負(fù)分組和位于負(fù)分組的圖像平面?zhèn)忍幉⒕哂姓酃饬Φ恼纸M，并滿足下面的條件表達(dá)式(1)0.5＜(β2t/β2w)/Z＜0.85 ... (1)其中β2t＝第二透鏡組在長(zhǎng)焦位置處的橫向放大率，β2w＝第二透鏡組在廣角位置處的橫向放大率，和Z＝變焦比。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，一種圖像捕獲設(shè)備包括上述的可變焦距透鏡系統(tǒng)和用于將通過(guò)可變焦距透鏡系統(tǒng)形成的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的圖像傳感器。
根據(jù)本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了可同時(shí)提供高光學(xué)性能和高可變放大率的可變焦距透鏡系統(tǒng)和包括可變焦距透鏡系統(tǒng)的圖像捕獲設(shè)備。


圖1說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)的折光力布置；圖2說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的第一示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)的示例透鏡結(jié)構(gòu)；圖3說(shuō)明根據(jù)第一數(shù)字實(shí)施例的象差曲線圖(在廣角位置處的球面象差、象散、失真和橫向象差)，其中將特定值應(yīng)用到根據(jù)第一示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)；圖4說(shuō)明根據(jù)第一數(shù)字實(shí)施例的在中間聚焦位置處的球面象差曲線圖、象散曲線圖、失真曲線圖和橫向象差曲線圖；圖5說(shuō)明根據(jù)第一數(shù)字實(shí)施例的在長(zhǎng)焦位置處的球面象差曲線圖、象散曲線圖、失真曲線圖和橫向象差曲線圖；圖6說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的第二示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)的示例透鏡結(jié)構(gòu)；圖7說(shuō)明根據(jù)第二數(shù)字實(shí)施例的象差曲線圖(在廣角位置處的球面象差、象散、失真和橫向象差)，其中將特定值應(yīng)用到根據(jù)第二示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)；圖8說(shuō)明根據(jù)第二數(shù)字實(shí)施例的在中間聚焦位置處的球面象差曲線圖、象散曲線圖、失真曲線圖和橫向象差曲線圖；圖9說(shuō)明根據(jù)第二數(shù)字實(shí)施例的在長(zhǎng)焦位置處的球面象差曲線圖、象散曲線圖、失真曲線圖和橫向象差曲線圖；圖10說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的第三示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)的示例透鏡結(jié)構(gòu)；圖11說(shuō)明根據(jù)第三數(shù)字實(shí)施例的象差曲線圖(在廣角位置處的球面象差、象散、失真和橫向象差)，其中將特定值應(yīng)用到根據(jù)第三示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)；
圖12說(shuō)明根據(jù)第三數(shù)字實(shí)施例的在中間聚焦位置處的球面象差曲線圖、象散曲線圖、失真曲線圖和橫向象差曲線圖；圖13說(shuō)明根據(jù)第一數(shù)字實(shí)施例的在長(zhǎng)焦位置處的球面象差曲線圖、象散曲線圖、失真曲線圖和橫向象差曲線圖；圖14說(shuō)明圖示了出射光瞳的位置的光路圖；和圖15是根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的圖像捕獲設(shè)備的框圖。
具體實(shí)施例方式
下面參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)和圖像捕獲設(shè)備。
通過(guò)下面第一到第六實(shí)施例來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的可變焦距透鏡系統(tǒng)。
第一示例實(shí)施例根據(jù)第一示例實(shí)施例的變焦透鏡包括從對(duì)象側(cè)按以下順序設(shè)置的具有正折光力的第一透鏡組、具有負(fù)折光力的第二透鏡組、具有正折光力的第三透鏡組、具有正折光力的第四透鏡組、以及第五透鏡組。當(dāng)透鏡變焦位置從焦距最小的廣角位置變化到所述焦距最大的長(zhǎng)焦位置時(shí)，至少第一到第四透鏡組是可移動(dòng)的。第二透鏡組朝圖像平面?zhèn)纫苿?dòng)且第三透鏡組朝對(duì)象側(cè)移動(dòng)，使得第一透鏡組和第二透鏡組之間的距離增加，以及第二透鏡組和第三透鏡組之間的距離減小。第四透鏡組沿著光軸方向移動(dòng)以便補(bǔ)償由透鏡組的移動(dòng)所引起的圖像平面的位置變化。第五透鏡組包括具有負(fù)折光力的負(fù)分組和位于負(fù)分組的圖像平面?zhèn)忍幉⒕哂姓酃饬Φ恼纸M。此外，滿足下面的條件表達(dá)式0.5＜(β2t/β2w)/Z＜0.85 ... (1)其中β2t＝第二透鏡組在長(zhǎng)焦位置處的橫向放大率，β2w＝第二透鏡組在廣角位置處的橫向放大率，和Z＝變焦比。
因此，根據(jù)本示例實(shí)施例，可變焦距透鏡系統(tǒng)通過(guò)在執(zhí)行可變放大時(shí)降低作用于第二透鏡組的響應(yīng)性水平來(lái)同時(shí)提供高可變放大率和高性能。
第二示例實(shí)施例根據(jù)第二示例實(shí)施例，可變焦距透鏡系統(tǒng)類似于根據(jù)第一示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)。讓f5n表示包括在第五透鏡組中的負(fù)分組的焦距，并且fw表示廣角位置處整個(gè)透鏡系統(tǒng)的焦距。那么，可變焦距透鏡系統(tǒng)還滿足下面的條件表達(dá)式2.5＜|f5n|/fw＜5 ... (2)因此，可進(jìn)一步增加性能。
第三示例實(shí)施例根據(jù)第三示例實(shí)施例，可變焦距透鏡系統(tǒng)類似于根據(jù)第一實(shí)施例或第二實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)。但是，第五透鏡組在光軸方向上是靜止的，與透鏡變焦位置無(wú)關(guān)。因此，簡(jiǎn)化了透鏡鏡筒結(jié)構(gòu)。
第四示例實(shí)施例根據(jù)第四示例實(shí)施例，可變焦距透鏡系統(tǒng)類似于根據(jù)第一實(shí)施例或第二實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)。但是，孔徑光闌位于第三透鏡分組附近。讓Dsw表示在廣角位置處孔徑光闌和圖像平面之間的距離，并且TLw表示在廣角位置處透鏡系統(tǒng)的總長(zhǎng)度。那么，可變焦距透鏡系統(tǒng)進(jìn)一步滿足下面的條件表達(dá)式0.3＜Dsw/TLw＜0.4 ...(3)因此，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)透鏡直徑的降低和高性能。
第五示例實(shí)施例根據(jù)第五示例實(shí)施例，可變焦距透鏡系統(tǒng)類似于根據(jù)第一實(shí)施例或第二實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)。但是，可變焦距透鏡系統(tǒng)進(jìn)一步滿足下面的條件表達(dá)式0.25＜1/|β2t|＜0.45 ... (4)因此，可進(jìn)一步增加性能。
第六示例實(shí)施例根據(jù)第六示例實(shí)施例，可變焦距透鏡系統(tǒng)類似于根據(jù)第一實(shí)施例或第二實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)。但是，讓R5n表示包括在第五透鏡組的負(fù)透鏡分組中并最靠近圖像平面的透鏡的透鏡表面的曲率半徑，并且Bf表示包括在第五透鏡組的正透鏡分組中并最靠近圖像平面的透鏡和圖像平面之間的距離。那么，可變焦距透鏡系統(tǒng)進(jìn)一步滿足下面的條件表達(dá)式
0.8＜R5n/Bf＜1.5 ...(5)因此，可進(jìn)一步增加性能。
可通過(guò)下面第七到第八示例實(shí)施例來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的圖像捕獲設(shè)備。
第七示例實(shí)施例根據(jù)第七示例實(shí)施例，圖像捕獲設(shè)備包括可變焦距透鏡系統(tǒng)和用于將由可變焦距透鏡系統(tǒng)形成的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的圖像拾取設(shè)備?？勺兘咕嗤哥R系統(tǒng)包括從對(duì)象側(cè)按以下順序設(shè)置的具有正折光力的第一透鏡組、具有負(fù)折光力的第二透鏡組、具有正折光力的第三透鏡組、和具有正折光力的第四透鏡組、以及第五透鏡組。當(dāng)透鏡變焦位置從焦距最小的廣角位置變化到所述焦距最大的長(zhǎng)焦位置時(shí)，至少第一到第四透鏡組是可移動(dòng)的。第二透鏡組朝圖像平面?zhèn)纫苿?dòng)且第三透鏡組朝對(duì)象側(cè)移動(dòng)，使得第一透鏡組和第二透鏡組之間的距離增加，以及第二透鏡組和第三透鏡組之間的距離減小。第四透鏡組沿著光軸方向移動(dòng)以便補(bǔ)償由透鏡組的移動(dòng)所引起的圖像平面的位置變化。第五透鏡組包括具有負(fù)折光力的負(fù)分組和位于負(fù)分組的圖像平面?zhèn)忍幉⒕哂姓酃饬Φ恼纸M。此外，滿足下面的條件表達(dá)式0.5＜(β2t/β2w)/Z＜0.85 ... (1)其中β2t＝第二透鏡組在長(zhǎng)焦位置處的橫向放大率，β2w＝第二透鏡組在廣角位置處的橫向放大率，和Z＝變焦比。
因此，根據(jù)本示例實(shí)施例，利用高放大比可捕獲高質(zhì)量的圖像。
第八示例實(shí)施例根據(jù)第八示例實(shí)施例，圖像捕獲設(shè)備類似于根據(jù)第七示例實(shí)施例的圖像捕獲設(shè)備。但是讓f5n表示包括在第五透鏡組中的負(fù)分組的焦距，并且fw表示廣角位置處整個(gè)透鏡系統(tǒng)的焦距。那么，滿足下面的條件表達(dá)式2.5＜|f5n|/fw＜5 ... (2)因此，可進(jìn)一步增加圖像捕獲設(shè)備的性能。
盡管已經(jīng)結(jié)合上述的示例實(shí)施例描述了根據(jù)本發(fā)明的可變焦距透鏡系統(tǒng)和圖像捕獲設(shè)備，但是會(huì)理解，它們不旨在將本發(fā)明限制于這些實(shí)施例。相反，本發(fā)明旨在覆蓋可包括在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的替換、修改和等效物。
接下來(lái)更詳細(xì)地描述可變焦距透鏡系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，可變焦距透鏡系統(tǒng)包括從對(duì)象側(cè)按以下順序設(shè)置的具有正折光力的第一透鏡組、具有負(fù)折光力的第二透鏡組、具有正折光力的第三透鏡組、具有正折光力的第四透鏡組、以及第五透鏡組。
當(dāng)變焦透鏡位置從焦距最小的廣角位置變化到所述焦距最大的長(zhǎng)焦位置時(shí)，至少第一到第四透鏡組是可移動(dòng)的。第二透鏡組朝圖像平面?zhèn)纫苿?dòng)且第三透鏡組朝對(duì)象側(cè)移動(dòng)，使得第一透鏡組和第二透鏡組之間的距離增加，以及第二透鏡組和第三透鏡組之間的距離減小。第四透鏡組沿著光軸方向移動(dòng)以便補(bǔ)償由透鏡組的移動(dòng)所引起的圖像平面的位置變化。
此外，第五透鏡組包括具有負(fù)折光力的負(fù)分組和位于負(fù)分組的圖像平面?zhèn)忍幉⒕哂姓酃饬Φ恼纸M。此外，滿足下面的條件表達(dá)式0.5＜(β2t/β2w)/Z＜0.85 ... (1)其中β2t＝第二透鏡組在長(zhǎng)焦位置處的橫向放大率，β2w＝第二透鏡組在廣角位置處的橫向放大率，和Z＝變焦比。
根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，通過(guò)利用下面的結(jié)構(gòu)，可變焦距透鏡系統(tǒng)可同時(shí)提供高放大比和高性能。接下來(lái)詳細(xì)描述該結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，可變焦距透鏡系統(tǒng)可通過(guò)實(shí)現(xiàn)下面兩點(diǎn)來(lái)同時(shí)提供高放大比和高性能(1)當(dāng)透鏡變焦位置從廣角位置變化到長(zhǎng)焦位置時(shí)第三透鏡組朝對(duì)象側(cè)移動(dòng)；和(2)第五透鏡組包括具有負(fù)折光力的負(fù)分組和具有正折光力的正分組。
根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，為了可變焦距透鏡系統(tǒng)同時(shí)提供高放大比和高性能，在執(zhí)行可變放大中分配給第二透鏡組的響應(yīng)性水平降低。術(shù)語(yǔ)“在執(zhí)行可變放大中分配給第二透鏡組的響應(yīng)性水平”是指β2t/β2w，其是第二透鏡組在長(zhǎng)焦位置處的橫向放大率β2t與第二透鏡組在廣角位置處的橫向放大率β2w的比率。這里，比率β2t/β2w降低。
隨著比率β2t/β2w增加，當(dāng)透鏡變焦位置變化時(shí)第二透鏡組的橫向放大率變化較大。即是，依照可變焦距透鏡系統(tǒng)放大率的變化，各種象差的變化容易出現(xiàn)。特別地，隨著放大比變高，比率β2t/β2w變得更高且第一透鏡組和第二透鏡組之間的距離上的變化變得更大。由此，整個(gè)透鏡系統(tǒng)的尺寸增加。為此，隨著放大比增加，第二透鏡組的折光力增加。因此，同時(shí)提供高放大比和高性能是困難的。
因此，根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，當(dāng)透鏡變焦位置從廣角位置變化到長(zhǎng)焦位置時(shí)，可變焦距透鏡系統(tǒng)通過(guò)將第三透鏡組朝對(duì)象側(cè)移動(dòng)來(lái)有效地改變第二透鏡組和第三透鏡組之間的距離。即是，通過(guò)顯著地改變第三透鏡組的橫向放大率來(lái)解決該問(wèn)題。
當(dāng)將第三透鏡組朝對(duì)象側(cè)移動(dòng)時(shí)，比率β3t/β3w增加，其中β3w表示第三透鏡組在廣角位置處的橫向放大率并且β3t表示第三透鏡組在長(zhǎng)焦位置處的橫向放大率。由此，比率β2t/β2w減小，并且因此，第二透鏡組的負(fù)折光力可減小。通過(guò)這種方式，當(dāng)透鏡變焦位置變化時(shí)所出現(xiàn)的各種象差變化可被顯著地校正。
當(dāng)考慮另一方面時(shí)，在已知的變焦透鏡中，只有第三透鏡組校正大部分的各種象差，這是有問(wèn)題的。
但是，在根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)中，由于第五透鏡組位于第四組的圖像平面?zhèn)壬?，可?jiǎn)化第三透鏡組的透鏡結(jié)構(gòu)。因此，可變焦距透鏡系統(tǒng)可同時(shí)提供高放大比和高性能。
接下來(lái)描述第五透鏡組的結(jié)構(gòu)。
通常，軸外光線朝光學(xué)系統(tǒng)的末端(對(duì)象側(cè)上或圖像平面?zhèn)壬系哪┒?移動(dòng)地更遠(yuǎn)離軸。
根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，在這個(gè)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，可變焦距透鏡系統(tǒng)通過(guò)將第五透鏡組放置在第四透鏡組的圖像平面?zhèn)壬蟻?lái)在校正象差時(shí)降低第三透鏡組的負(fù)載。特別地，當(dāng)可變焦距透鏡系統(tǒng)包括第五透鏡組，該第五透鏡組包括具有負(fù)折光力的負(fù)分組和位于負(fù)分組的圖像平面?zhèn)忍幉⒕哂姓酃饬Φ恼纸M時(shí)，可變焦距透鏡系統(tǒng)可在校正象差時(shí)降低第三透鏡組的負(fù)載。因此，可變焦距透鏡系統(tǒng)可同時(shí)提供高放大比和可靠的光學(xué)質(zhì)量。
根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，可變焦距透鏡系統(tǒng)的第五透鏡組具有以下兩個(gè)特征。
一個(gè)特征是調(diào)整出射光瞳的位置。出射光瞳的位置和圖像平面之間的距離可通過(guò)在具有負(fù)折光力的負(fù)分組和位于負(fù)分組的圖像平面?zhèn)忍幉⒕哂姓酃饬Φ恼纸M之間放置一個(gè)空隙來(lái)增加。即是，主光線可到達(dá)圖像平面，其傳播方向基本上與光軸平行。
另一個(gè)特征是校正失真。易于在廣角位置上出現(xiàn)的負(fù)失真可通過(guò)將具有負(fù)折光力的負(fù)分組的透鏡強(qiáng)凹面指向圖像平面?zhèn)榷怀浞值匦Ｕ?br> 結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，可變焦距透鏡系統(tǒng)可增加透鏡系統(tǒng)在第五透鏡組的對(duì)象側(cè)上放置的出射光瞳的位置的范圍。特別地，可自由確定離開(kāi)第三透鏡組的主光線和光軸之間的角度。此外，第三透鏡組不需要校正負(fù)失真，并且因此，第三透鏡組可僅由正分組構(gòu)成。因此，可簡(jiǎn)化第三透鏡組的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)上述兩個(gè)特征，可變焦距透鏡系統(tǒng)可同時(shí)提供高放大比和高性能。
根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，可變焦距透鏡系統(tǒng)需要滿足上述條件表達(dá)式(1)0.5＜(β2t/β2w)/Z＜0.85。該條件表達(dá)式(1)定義了當(dāng)透鏡變焦位置變化時(shí)第二透鏡組的橫向放大比的變化范圍。
如果(β2t/β2w)/Z超過(guò)條件表達(dá)式(1)的上限，則當(dāng)透鏡變焦位置變化時(shí)第二透鏡組的橫向放大比的變化太大。由此，可變焦距透鏡系統(tǒng)不能根據(jù)透鏡變焦位置的變化來(lái)校正由第三透鏡組引起的軸外象差的變化。
相反，如果(β2t/β2w)/Z低于條件表達(dá)式(1)的下限，則當(dāng)透鏡變焦位置變化時(shí)第三透鏡組的橫向放大比的變化較大。由此，可變焦距透鏡系統(tǒng)不能根據(jù)透鏡變焦位置的變化來(lái)校正由第三透鏡組引起的軸上象差的變化。
根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，為了進(jìn)一步增加性能，所期望的是可變焦距透鏡系統(tǒng)滿足下面的條件表達(dá)式
2.5＜|f5n|/fw＜5 ... (2)其中f5n＝包括在第五透鏡組中的負(fù)分組的焦距，和fw＝在廣角位置處整個(gè)變焦透鏡的焦距。
條件表達(dá)式(2)定義了位于第五透鏡組中的負(fù)分組的焦距的范圍。
如果|f5n|超過(guò)條件表達(dá)式(2)的上限，則可變焦距透鏡系統(tǒng)難以充分校正在廣角位置處出現(xiàn)的負(fù)失真。相反，如果|f5n|低于條件表達(dá)式(2)的下限，則負(fù)分組可顯著地發(fā)散光線。由此，出射光瞳的位置是正的。即是，如圖14所示，由于到達(dá)圖像平面的主光線靠近光軸，穿過(guò)第五透鏡組的軸外光線從光軸分離，并且因此，可變焦距透鏡系統(tǒng)難以充分校正在屏幕的外圍部分處出現(xiàn)的彗形象差。
為了進(jìn)一步減小可變焦距透鏡系統(tǒng)的長(zhǎng)度，所期望的是條件表達(dá)式(2)的下限是3。
此外，為了減少可移動(dòng)透鏡組的數(shù)量并簡(jiǎn)化可變焦距透鏡系統(tǒng)的透鏡鏡筒結(jié)構(gòu)，所期望的是第五透鏡組在光軸方向上是靜止的，與透鏡變焦位置無(wú)關(guān)。
此外，為了達(dá)到透鏡直徑降低和高性能之間的良好平衡，所期望的是，可變焦距透鏡系統(tǒng)的孔徑光闌位于第三透鏡分組附近。
通常，當(dāng)透鏡放置地離孔徑光闌越遠(yuǎn)，軸外光線穿過(guò)透鏡的位置離光軸就越遠(yuǎn)。因此，所期望的是，孔徑光闌精確位于透鏡系統(tǒng)的中心點(diǎn)或在中心點(diǎn)附近。此外，為了充分校正當(dāng)透鏡變焦位置變化時(shí)出現(xiàn)的軸外象差的變化，當(dāng)透鏡變焦位置變化時(shí)需要顯著地改變軸外光線穿過(guò)每個(gè)透鏡組的高度。
特別地，如果至少一個(gè)可移動(dòng)透鏡組放置在對(duì)象側(cè)和孔徑光闌的圖像平面?zhèn)壬?，使得每個(gè)透鏡組和孔徑光闌之間的距離改變，則可充分校正當(dāng)透鏡變焦位置變化時(shí)出現(xiàn)的軸外象差的變化。
在根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)中，由于孔徑光闌位于第三分組附近，當(dāng)可變焦距透鏡系統(tǒng)的透鏡變焦位置從廣角位置變化到長(zhǎng)焦位置時(shí)，光軸和穿過(guò)第二透鏡組的軸外光線之間的距離減小。因此，穿過(guò)第一和第四透鏡組的軸外光線的高度變化，并且因此，可提高可變焦距透鏡系統(tǒng)的性能。
特別地，根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)可通過(guò)滿足下面的條件表達(dá)式來(lái)減小透鏡的直徑并提高其性能0.3＜Dsw/TLw＜0.4 ... (3)其中Dsw＝在廣角位置處孔徑光闌和圖像平面之間的距離，和TLw＝在廣角位置處透鏡系統(tǒng)的總長(zhǎng)度。
條件表達(dá)式(3)確定在廣角位置處孔徑光闌的位置。
如果Dsw/TLw低于條件表達(dá)式(3)的下限，則在廣角位置處孔徑光闌的位置朝圖像平面?zhèn)雀淖儭Ｓ纱?，穿過(guò)第一透鏡組的軸外光線遠(yuǎn)離光軸，并且因此，透鏡直徑不能充分減小。
相反，如果值Dsw/TLw超過(guò)條件表達(dá)式(3)的上限，則孔徑光闌和第二透鏡組之間的距離減小。由此，第二透鏡的折光力太強(qiáng)。結(jié)果，難以充分校正由視場(chǎng)角的變化引起的慧形象差的變化，并且因此，性能不能充分提高。
在根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)中，孔徑光闌與第三透鏡組一起移動(dòng)。因此，簡(jiǎn)化了透鏡鏡筒的結(jié)構(gòu)。
此外，為了實(shí)現(xiàn)高的光學(xué)性能和透鏡直徑的降低，所期望的是當(dāng)將對(duì)象聚焦在離可變焦距透鏡系統(tǒng)非常短的距離時(shí)第四透鏡組在光軸方向上移動(dòng)。
當(dāng)移動(dòng)第二透鏡組以便將對(duì)象聚焦在離可變焦距透鏡系統(tǒng)非常短的距離時(shí)，第二透鏡組的橫向放大率應(yīng)當(dāng)在-1和0的范圍內(nèi)，而與透鏡變焦位置無(wú)關(guān)。這是因?yàn)榭勺兘咕嗤哥R系統(tǒng)不能在透鏡變焦位置將對(duì)象聚焦在離可變焦距透鏡系統(tǒng)非常短的距離，在透鏡變焦位置處第二透鏡組的橫向放大率是-1，并且如果第二透鏡組的橫向放大率小于-1，則使移動(dòng)方向反向。
因此，當(dāng)變焦比越高時(shí)，廣角位置處的第二透鏡組的橫向放大率越接近零。即是，由于第二透鏡組的折光力增加，所以難以充分校正由視場(chǎng)角在廣角位置處的變化所引起的軸外象差的變化。
但是，根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)當(dāng)將對(duì)象聚焦在離可變焦距透鏡系統(tǒng)非常短的距離時(shí)移動(dòng)第四透鏡組。因此，移除了對(duì)第二透鏡組的橫向放大率的約束。第二透鏡組的橫向放大率的范圍在廣角位置處為-1到0之間并且在長(zhǎng)焦位置處小于或等于-1。因此，圖像與實(shí)物大小一樣的位置(即放大率為-1)存在于廣角位置和長(zhǎng)焦位置之間。
結(jié)果，為了將對(duì)象的圖像平面的位置維持在有限的常數(shù)，在廣角位置處的第四透鏡組的移動(dòng)方向與長(zhǎng)焦位置處相反。因此，在長(zhǎng)焦位置處，第三透鏡組和第四透鏡組之間的距離增加。
當(dāng)利用第四透鏡組來(lái)執(zhí)行將對(duì)象聚焦在離可變焦距透鏡系統(tǒng)非常短的距離時(shí)，在長(zhǎng)焦位置處的第四透鏡組的移動(dòng)距離顯著地大于廣角位置處的移動(dòng)距離。由此，通過(guò)在第三透鏡組和第四透鏡組之間維持較大距離并將第四透鏡組維持在長(zhǎng)焦位置，當(dāng)在長(zhǎng)焦位置處將對(duì)象聚焦在離可變焦距透鏡系統(tǒng)非常短的距離時(shí)，可增加空間的使用效率。此外，由于可減小第四透鏡組的移動(dòng)范圍(即是，補(bǔ)償透鏡變焦位置變化和對(duì)象位置變化所要求的范圍)，因此可簡(jiǎn)化第四透鏡組的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
為了進(jìn)一步增加根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)的性能，所期望的是可變焦距透鏡系統(tǒng)滿足下面的條件表達(dá)式0.25＜1/|β2t|＜0.45 ... (4)。
條件表達(dá)式(4)確定第二透鏡組在長(zhǎng)焦位置處的橫向放大率。
如果1/|β2t|的值低于條件表達(dá)式(4)的下限，則第一透鏡組的正折光力增加。由此，在長(zhǎng)焦位置處從光軸分離穿過(guò)第一透鏡組的軸外光線，并且因此，顯著的彗形象差出現(xiàn)在屏幕的外圍部分。為此，難以進(jìn)一步提高可變焦距透鏡系統(tǒng)的性能。
相反，如果1/|β2t|的值超過(guò)條件表達(dá)式(4)的上限，由視場(chǎng)角的變化引起的彗形象差變化在廣角位置較大。為此，難以進(jìn)一步提高可變焦距透鏡系統(tǒng)的性能。
對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)，為了減小第一透鏡組的透鏡直徑，所期望的是條件表達(dá)式(4)的下限是0.31。
對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)，為了進(jìn)一步提高性能，所期望的是滿足下面的條件表達(dá)式0.8＜R5n/Bf＜1.5 ... (5)其中R5n＝包括在第五透鏡組的負(fù)透鏡分組中并最靠近圖像平面的透鏡的透鏡表面的曲率半徑，和
Bf ＝包括在第五透鏡組的正透鏡分組中并最靠近圖像平面的透鏡和圖像平面之間的距離。
條件表達(dá)式(5)確定包括在第五透鏡組的負(fù)透鏡分組中并最靠近圖像平面的透鏡的透鏡表面的曲率半徑。
如果R5n/Bf的值低于條件表達(dá)式(5)的下限，由于負(fù)分組和正分組變得離心，因此性能顯著惡化。相反，如果R5n/Bf的值超過(guò)條件表達(dá)式(5)的上限，則難以有效地校正在廣角位置處出現(xiàn)的負(fù)失真。這是因?yàn)?，?dāng)負(fù)分組的主點(diǎn)越靠近圖像平面時(shí)，校正失真的效果就越強(qiáng)。但是，如果R5n/Bf的值超過(guò)上限，則負(fù)分組的主點(diǎn)遠(yuǎn)離圖像平面，并且因此，校正失真的效果降低。
為了進(jìn)一步提高根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)的性能，所期望的是第一透鏡組包括從對(duì)象側(cè)到圖像平面?zhèn)劝慈缦马樞蛟O(shè)置的以下三個(gè)透鏡形成膠合透鏡的負(fù)透鏡和正透鏡以及正透鏡。
由于具有較大直徑的軸外光線入射到第一透鏡組，特別地在長(zhǎng)焦位置處，因此負(fù)球面象差易于出現(xiàn)。此外，由于遠(yuǎn)離光軸的軸外光線入射到第一透鏡組，因此軸外象差易于出現(xiàn)。
在根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)中，因?yàn)橛韶?fù)透鏡和正透鏡形成的膠合透鏡位于離第一透鏡組中的對(duì)象最近的位置，因此可充分校正負(fù)球面象差和軸向象差。放置在膠合透鏡中圖像平面?zhèn)壬系恼哥R可首先并充分地校正由視場(chǎng)角的變化引起的慧形象差的變化。以這種方式，通過(guò)清楚地定義每個(gè)透鏡的功能，可實(shí)現(xiàn)高的光學(xué)性能。
對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)，為了充分校正在第二透鏡組中出現(xiàn)的各種象差并提供高的光學(xué)性能，所期望的是第二透鏡組由從對(duì)象側(cè)按如下順序設(shè)置的以下三個(gè)透鏡構(gòu)成在圖像平面?zhèn)染哂邪济娴呢?fù)凹凸透鏡、負(fù)透鏡、和正透鏡。
由于第二透鏡組負(fù)責(zé)可變放大，所以重要的是，在第二透鏡組中出現(xiàn)的各種象差被充分校正以便改善性能。在根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)中，在圖像平面?zhèn)染哂邪济娌⒆羁拷诙哥R組中對(duì)象放置的負(fù)凹凸透鏡充分校正在廣角位置由視場(chǎng)角的變化引起的慧形象差的變化。此外，放置在負(fù)凹凸透鏡的圖像平面?zhèn)壬系呐紝?duì)透鏡充分校正軸向象差。由此，每個(gè)透鏡對(duì)于象差校正的功能被清楚地定義，并且因此，可提供卓越的圖像形成性能。
對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)，為了充分校正對(duì)象位置的變化所引起的各種象差變化，所期望的是第四透鏡組由從對(duì)象側(cè)按如下順序設(shè)置的以下透鏡構(gòu)成在對(duì)象側(cè)具有凸面的正透鏡和在圖像平面?zhèn)染哂邪济娴呢?fù)透鏡。
具有偶對(duì)結(jié)構(gòu)的第四透鏡組可同時(shí)校正軸外象差和軸向象差，并且因此，可充分校正在透鏡變焦位置變化時(shí)出現(xiàn)的各種象差的變化。
對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)，為了充分降低象差的出現(xiàn)，所期望的是第一透鏡組由具有異常高的色散特性的透鏡材料構(gòu)成。
特別地，當(dāng)?shù)谝煌哥R組中的膠合透鏡的正透鏡具有異常高的色散特性時(shí)，可充分校正在長(zhǎng)焦位置處屏幕中心部分上出現(xiàn)的二階色散。
對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)，當(dāng)使用非球面透鏡時(shí)，可進(jìn)一步提高光學(xué)性能。特別地，當(dāng)?shù)谖逋哥R組包括非球面透鏡時(shí)，屏幕中心部分的光學(xué)性能可進(jìn)一步提高。此外，當(dāng)?shù)诙哥R組包括非球面透鏡時(shí)，可充分校正在廣角位置處由視場(chǎng)角引起的慧形象差的變化。
進(jìn)一步，如果應(yīng)用多個(gè)非球面，則光學(xué)性能可進(jìn)一步提高。
又進(jìn)一步，低通濾光器可布置用來(lái)防止在透鏡系統(tǒng)的圖像平面?zhèn)壬铣霈F(xiàn)莫爾干涉條紋。此外，紅外截止濾光器可依照光接收元件的光譜靈敏度特性來(lái)放置。
接下來(lái)參考圖1到13和表1到2來(lái)描述上述的示例實(shí)施例和應(yīng)用特定數(shù)字到這些示例實(shí)施例的數(shù)字實(shí)施例。
利用下面的等式定義在數(shù)字實(shí)施例中應(yīng)用的非球面x＝cy2/(1+(1-(1+κ)c2y2)1/2)+Ay4+By6+ ...
其中y表示從光軸起的高度，x表示表面的垂度，c表示曲率半徑，κ表示圓錐常數(shù)，并且A、B、...表示非球面系數(shù)。
圖1說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)中折光力的分配。每個(gè)可變焦距透鏡系統(tǒng)包括從對(duì)象側(cè)到圖像平面?zhèn)劝匆韵马樞蛟O(shè)置的具有正折光力的第一透鏡組G1、具有負(fù)折光力的第二透鏡組G2、具有正折光力的第三透鏡組G3、具有正折光力的第四透鏡組G4、以及第五透鏡組G5。當(dāng)執(zhí)行可變放大時(shí)(改變透鏡變焦位置)，移動(dòng)第一到第四透鏡組，使得第一透鏡組G1和第二透鏡組G2之間的空隙增加，以及第二透鏡組G2和第三透鏡組G3之間的空隙減小。同時(shí)，第一透鏡組G1暫時(shí)朝圖像平面?zhèn)纫苿?dòng)并接著朝對(duì)象側(cè)移動(dòng)。第二透鏡組G2朝圖像平面?zhèn)纫苿?dòng)。第三透鏡組G3朝對(duì)象側(cè)移動(dòng)。第五透鏡組G5靜止。移動(dòng)第四透鏡組G4以便補(bǔ)償由每個(gè)透鏡組的移動(dòng)所引起的圖像平面的位置變化。此外，當(dāng)將對(duì)象聚焦在離可變焦距透鏡系統(tǒng)非常短的距離時(shí)第四透鏡組G4朝對(duì)象側(cè)移動(dòng)。
圖2說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的第一示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)。第一透鏡組G1包括膠合透鏡L11，其由在對(duì)象側(cè)具有凸面的負(fù)凹凸透鏡和在對(duì)象側(cè)具有凸面的正透鏡構(gòu)成，并包括在對(duì)象側(cè)具有凸面的正透鏡L12。第二透鏡組G2包括在圖像表面?zhèn)染哂邪济娴呢?fù)凹凸透鏡L21、具有兩個(gè)凹面的負(fù)透鏡L22、和在對(duì)象側(cè)具有凸面的正凹凸透鏡L23。第三透鏡組G3包括在對(duì)象側(cè)具有非球面凸面的正凹凸透鏡L3。第四透鏡組G4包括膠合透鏡L4，其由具有兩個(gè)凸面的正透鏡和在對(duì)象側(cè)具有凹面的負(fù)凹凸透鏡構(gòu)成。第五透鏡組G5包括在圖像表面?zhèn)染哂邪济娴呢?fù)凹凸透鏡L51和膠合透鏡L52，膠合透鏡L52由具有在對(duì)象側(cè)上其中之一是非球面的兩個(gè)凸面的正透鏡和在對(duì)象側(cè)具有凹面的負(fù)凹凸透鏡構(gòu)成。
此外，在第五透鏡組G5中，負(fù)凹凸透鏡L51形成負(fù)分組，而膠合透鏡L52形成正分組?？讖焦怅@S靠近第三透鏡組G3的對(duì)象側(cè)放置。當(dāng)執(zhí)行可變放大時(shí)，孔徑光闌S與第三透鏡組G3一起移動(dòng)。此外，低通濾光器LPF布置在第五透鏡組G5和圖像平面IMG之間。
表1是將特定值應(yīng)用到第一示例實(shí)施例的第一數(shù)字實(shí)施例的規(guī)范表。在下面包括表1的規(guī)范表中，術(shù)語(yǔ)“表面編號(hào)”是指從對(duì)象側(cè)起的第i個(gè)表面。術(shù)語(yǔ)“曲率半徑”是指表面的曲率軸半徑。術(shù)語(yǔ)“表面-表面的距離”是指在光軸上第i個(gè)表面和第(i+1)個(gè)表面之間的距離。術(shù)語(yǔ)“折射率”是指表面對(duì)于d行(λ＝587.6nm)的折射率。術(shù)語(yǔ)“色散系數(shù)”是指表面對(duì)于d行的色散系數(shù)。符號(hào)“f”表示焦距。符號(hào)“FNO”表示F編號(hào)。符號(hào)“2ω”表述視場(chǎng)角。此外，術(shù)語(yǔ)“0曲率半徑的表面”是指平面。
表1f 1.00～3.01～14.10FNO2.86～3.77～4.032ω73.37～8.89～6.22°

根據(jù)本發(fā)明的第一示例實(shí)施例，第13表面和第20表面是非球面。由此，第13和第20表面的四階非球面系數(shù)A、六階非球面系數(shù)B、八階非球面系數(shù)C、十階非球面系數(shù)D、和圓錐常數(shù)κ如表2所示。在表2和下面包括非球面系數(shù)的表中，符號(hào)“E-i”表示十進(jìn)制指數(shù)，即是“×10-i”。例如，“0.26029E-05”表示“0.26029×10-5”。
表2
第13表面 к＝0.00000 A＝-0.822452E-02 B＝+0.406029E-03 C＝0.755149E-03D＝-0.170743E-02第20表面 к＝0.00000 A＝-0.414312E-02 B＝-0.411830E-02 C＝+0.343414E-02D＝-0.100723E-02在第一示例實(shí)施例中，當(dāng)透鏡變焦位置從廣角位置變化到長(zhǎng)焦位置時(shí)，第一透鏡組G1和第二透鏡組G2之間的表面一表面的距離D5、第二透鏡組G2和孔徑光闌S之間的表面一表面的距離D11、第三透鏡組G3和第四透鏡組G4之間的表面一表面的距離D14、以及第四透鏡組G4和第五透鏡組G5之間的表面一表面的距離D17變化。根據(jù)第一數(shù)字實(shí)施例，表3示出廣角位置(f＝1.000)、中間焦距位置(f＝3.104)和長(zhǎng)焦位置(f＝14.100)處的這些表面一表面的距離和后焦點(diǎn)Bf。
表3(可變距離表)

表4根據(jù)第一數(shù)字實(shí)施例示出對(duì)應(yīng)于上述條件表達(dá)式(1)到(5)的值。
表4β2t＝-3.055β2w＝-0.278f5n＝-3.632(1)(β2t/β2w)/Z＝0.781(2)|f5n|/fw＝3.632(3)Dsw/TLw＝0.378(4)1/|β2t|＝0.327(5)R5n/Bf＝1.275圖3到圖5是當(dāng)透鏡系統(tǒng)根據(jù)第一數(shù)字實(shí)施例聚焦到無(wú)窮大時(shí)的象差曲線圖，其中圈3說(shuō)明廣角位置(f＝1.000)處的象差曲線圖，圖4說(shuō)明中間焦距位置(f＝3.104)處的象差曲線圖，并且圖5說(shuō)明長(zhǎng)焦位置(f＝14.100)處的象差曲線圖。
在圖3到5中所示的象差曲線圖中，球面象差曲線圖中的實(shí)線指明球面象差。在象散曲線圖中，實(shí)線指明弧矢圖像平面而虛線指明子午圖像平面。在橫向象差曲線圖中，符號(hào)“A”指明視場(chǎng)角。符號(hào)“y”指明圖像高度。
從這些象差曲線圖中可以看到，根據(jù)第一數(shù)字實(shí)施例，可充分校正各種象差，并且可變焦距透鏡系統(tǒng)具有卓越的圖像形成性能。
圖6說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的第二示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)。第一透鏡組G1包括膠合透鏡L11，其由在對(duì)象側(cè)具有凸面的負(fù)凹凸透鏡和在對(duì)象側(cè)具有凸面的正透鏡構(gòu)成，并包括在對(duì)象側(cè)具有凸面的正透鏡L12。第二透鏡組G2包括在圖像表面?zhèn)染哂邪济娴呢?fù)凹凸透鏡L21、具有兩個(gè)凹面的負(fù)透鏡L22、和在對(duì)象側(cè)具有凸面的正凹凸透鏡L23。第三透鏡組G3包括在對(duì)象側(cè)具有非球面凸面的正凹凸透鏡L3。第四透鏡組G4包括膠合透鏡L4，其由具有在對(duì)象側(cè)上其中之一是非球面的兩個(gè)凸面的正透鏡和在對(duì)象側(cè)具有凹面的負(fù)凹凸透鏡構(gòu)成。第五透鏡組G5包括在圖像表面?zhèn)染哂邪济娴呢?fù)凹凸透鏡L51和膠合透鏡L52，膠合透鏡L52由具有兩個(gè)凸面的正透鏡和在對(duì)象側(cè)具有凹面的負(fù)凹凸透鏡構(gòu)成。
此外，在第五透鏡組G5中，負(fù)凹凸透鏡L51形成負(fù)分組，而膠合透鏡L52形成正分組?？讖焦怅@S靠近第三透鏡組G3的對(duì)象側(cè)放置。當(dāng)執(zhí)行可變放大時(shí)，孔徑光闌S與第三透鏡組G3一起移動(dòng)。此外，低通濾光器LPF布置在第五透鏡組G5和圖像平面IMG之間。
表5是將特定值應(yīng)用到第二示例實(shí)施例的第二數(shù)字實(shí)施例的規(guī)范表。
表5
f 1.00～3.20～14.10FNO2.87～3.61～4.032ω42.89～23.52～5.39°

根據(jù)第二示例實(shí)施例，第13表面和第15表面是非球面。由此，第13和第15表面的四階非球面系數(shù)A、六階非球面系數(shù)B、八階非球面系數(shù)C、十階非球面系數(shù)D、和圓錐常數(shù)κ如表6所示。
表6第13表面 к＝0.000000 A＝-0.663762E-02 B＝+0.309178E-02 C＝-0.800163E-02D＝+0.553125E-02第15表面 к＝0.000000 A＝-0.142867E-01 B＝-0.522241E-02 C＝+0.511481E-02D＝-0.423492E-02
在第二示例實(shí)施例中，當(dāng)透鏡變焦位置從廣角位置變化到長(zhǎng)焦位置時(shí)，第一透鏡組G1和第二透鏡組G2之間的表面-表面的距離D5、第二透鏡組G2和孔徑光闌S之間的表面-表面的距離D11、第三透鏡組G3和第四透鏡組G4之間的表面-表面的距離D14、以及第四透鏡組G4和第五透鏡組G5之間的表面-表面的距離D17變化。根據(jù)第二數(shù)字實(shí)施例，表7示出廣角位置(f＝1.000)、中間焦距位置(f＝3.197)和長(zhǎng)焦位置(f＝14.097)處的這些表面-表面的距離和后焦點(diǎn)Bf。
表7(可變距離表)

表8根據(jù)第二數(shù)字實(shí)施例示出對(duì)應(yīng)于上述條件表達(dá)式(1)到(5)的值。
表8β2t＝-2.605β2w＝-0.281f5n＝-4.036(1)(β2t/β2w)/Z＝0.657(2)|f5n|/fw＝4.036(3)Dsw/TLw＝0.351(4)1/|β2t|＝0.384(5)R5n/Bf＝1.022圖7到圖9是當(dāng)透鏡系統(tǒng)根據(jù)第二數(shù)字實(shí)施例聚焦到無(wú)窮大時(shí)的象差曲線圖，其中圖7說(shuō)明廣角位置(f＝1.000)處的象差曲線圖，圖8說(shuō)明中間焦距位置(f＝3.197)處的象差曲線圖，并且圖9說(shuō)明長(zhǎng)焦位置(f＝14.097)處的象差曲線圖。
在圖7到9中所示的象差曲線圖中，球面象差曲線圖中的實(shí)線指明球面象差。在象散曲線圖中，實(shí)線指明弧矢圖像平面而虛線指明子午圖像平面。在橫向象差曲線圖中，符號(hào)“A”指明視場(chǎng)角。符號(hào)“y”指明圖像高度。
從這些象差曲線圖中可以看到，根據(jù)第二數(shù)字實(shí)施例，可充分校正各種象差，并且可變焦距透鏡系統(tǒng)具有卓越的圖像形成性能。
圖10說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的第三示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)的透鏡結(jié)構(gòu)。第一透鏡組G1包括膠合透鏡L11，其由在對(duì)象側(cè)具有凸面的負(fù)凹凸透鏡和在對(duì)象側(cè)具有凸面的正透鏡構(gòu)成，并包括在對(duì)象側(cè)具有凸面的正透鏡L12。第二透鏡組G2包括在圖像表面?zhèn)染哂邪济娴呢?fù)凹凸透鏡L21、具有兩個(gè)凹面的負(fù)透鏡L22、和具有兩個(gè)凸面的透鏡L23。第三透鏡組G3包括具有在對(duì)象側(cè)上其中之一是非球面的兩個(gè)凸面的正透鏡L3。第四透鏡組G4包括膠合透鏡L4，其由在對(duì)象側(cè)具有非球面并在圖像平面?zhèn)染哂型姑娴恼纪雇哥R構(gòu)成。第五透鏡組G5包括在對(duì)象側(cè)具有凸面的負(fù)凹凸透鏡L51和膠合透鏡L52，膠合透鏡L52由具有在對(duì)象側(cè)上其中之一是非球面的兩個(gè)凸面的正透鏡和在對(duì)象側(cè)具有凹面的負(fù)凹凸透鏡構(gòu)成。
此外，在第五透鏡組G5中，負(fù)凹凸透鏡L51形成負(fù)分組，而膠合透鏡L52形成正分組。孔徑光闌S靠近第三透鏡組G3的對(duì)象側(cè)放置。當(dāng)執(zhí)行可變放大時(shí)，孔徑光闌S與第三透鏡組G3一起移動(dòng)。此外，低通濾光器LPF布置在第五透鏡組G5和圖像平面IMG之間。
表9是將特定值應(yīng)用到第三示例實(shí)施例的第三數(shù)字實(shí)施例的規(guī)范表。
表9
f 1.00～2.83～14.09FNO2.86～3.61～4.032ω70.74～25.34～5.14°

根據(jù)第三示例實(shí)施例，第13表面、第15表面和第20表面是非球面。由此，第13、第15和第20表面的四階非球面系數(shù)A、六階非球面系數(shù)B、八階非球面系數(shù)C、十階非球面系數(shù)D、和圓錐常數(shù)κ如表10所示。
表10
第13表面 к＝+0.000000 A＝0.865064E-02 B＝+0.947240E-03 C＝-0.719388E-02D＝+0.650244E-02第15表面 к＝+0.000000 A＝-0.185485E-01 B＝-0.925019E-03 C＝-0.471264E-02D＝+0.233050E-02第20表面 к＝+0.000000 A＝-0.386382E-02 B＝+0.360042E-04 C＝0.841154E-03D＝+0.475501E-03在第三示例實(shí)施例中，當(dāng)透鏡變焦位置從廣角位置變化到長(zhǎng)焦位置時(shí)，第一透鏡組G1和第二透鏡組G2之間的表面-表面的距離D5、第二透鏡組G2和孔徑光闌S之間的表面-表面的距離D11、第三透鏡組G3和第四透鏡組G4之間的表面-表面的距離D14、以及第四透鏡組G4和第五透鏡組G5之間的表面-表面的距離D17變化。根據(jù)第三數(shù)字實(shí)施例，表11示出廣角位置(f＝1.000)、中間焦距位置(f＝2.825)和長(zhǎng)焦位置(f＝14.093)處的這些表面-表面的距離和后焦點(diǎn)Bf。
表11(可變距離表)

表12根據(jù)第三數(shù)字實(shí)施例示出對(duì)應(yīng)于上述條件表達(dá)式(1)到(5)的值。
表12β2t＝-2.818β2w＝-0.277f5n＝-3.650(1)(β2t/β2w)/Z＝0.721(2)|f5n|/fw＝3.650(3)Dsw/TLw＝0.374(4)1/|β2t|＝0.355(5)R5n/Bf＝1.049圖11到圖13是當(dāng)透鏡系統(tǒng)根據(jù)第三數(shù)字實(shí)施例聚焦到無(wú)窮大時(shí)的象差曲線圖，其中圖11說(shuō)明廣角位置(f＝1.000)處的象差曲線圖，圖12說(shuō)明中間焦距位置(f＝2.825)處的象差曲線圖，并且圖13說(shuō)明長(zhǎng)焦位置(f＝14.093)處的象差曲線圖。
在圖11到13中所示的象差曲線圖中，球面象差曲線圖中的實(shí)線指明球面象差。在象散曲線圖中，實(shí)線指明弧矢圖像平面而虛線指明子午圖像平面。在橫向象差曲線圖中，符號(hào)“A”指明視場(chǎng)角。符號(hào)“y”指明圖像高度。
從這些象差曲線圖中可以看到，根據(jù)第三數(shù)字實(shí)施例，可充分校正各種象差，并且可變焦距透鏡系統(tǒng)具有卓越的圖像形成性能。
圖15示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖像捕獲設(shè)備。
圖像捕獲設(shè)備10包括可變焦距透鏡系統(tǒng)20。圖像捕獲設(shè)備10還包括用于將通過(guò)可變焦距透鏡系統(tǒng)20形成的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的圖像傳感器30。圖像傳感器30的例子包括光電變換器，比如電荷耦合器件(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)。根據(jù)上述實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)可被用作為可變焦距透鏡系統(tǒng)20。在圖15中，根據(jù)第一示例實(shí)施例的圖1所示的可變焦距透鏡系統(tǒng)1中的每個(gè)透鏡組被簡(jiǎn)化為單個(gè)透鏡。代替根據(jù)第一示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)1，可使用根據(jù)第二和第三示例實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)2和3的每一個(gè)。此外，可使用根據(jù)另一實(shí)施例的可變焦距透鏡系統(tǒng)。
由圖像傳感器30生成的電信號(hào)被視頻信號(hào)分離電路40分離為用于控制聚焦的信號(hào)和視頻信號(hào)。用于控制聚焦的信號(hào)被傳輸?shù)娇刂齐娐?0。視頻信號(hào)被傳輸?shù)揭曨l信號(hào)處理電路。視頻信號(hào)處理電路將視頻信號(hào)處理為適合后續(xù)處理的格式，比如由顯示單元顯示、在記錄介質(zhì)上記錄、和由通信單元傳輸。
控制電路50外部接收操作信號(hào)，比如來(lái)自變焦按鈕的操作信號(hào)，并根據(jù)操作信號(hào)來(lái)執(zhí)行各種處理。例如，當(dāng)控制電路50接收來(lái)自變焦按鈕的變焦指令時(shí)，控制電路50控制驅(qū)動(dòng)器電路60對(duì)驅(qū)動(dòng)單元61到64進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)單元61到64將透鏡組G1、G2、G3和G4分別移動(dòng)到預(yù)定位置，以便達(dá)到指示的焦距。傳感器71到74檢測(cè)有關(guān)透鏡組G1、G2、G3和G4的位置信息并將位置信息輸入到控制電路50。當(dāng)控制電路50輸出指令信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器電路60時(shí)控制電路50參考位置信息。此外，控制電路50根據(jù)由視頻信號(hào)分離電路40傳輸?shù)男盘?hào)來(lái)確定聚焦?fàn)顟B(tài)。隨后，控制電路50經(jīng)由驅(qū)動(dòng)器電路60控制驅(qū)動(dòng)單元64。驅(qū)動(dòng)單元64控制第四透鏡組G4的位置以便獲得最佳聚焦?fàn)顟B(tài)。
圖像捕獲設(shè)備10作為最終產(chǎn)品可以有各種形式。例如，圖像捕獲設(shè)備10可廣泛用作為數(shù)字輸入/輸出設(shè)備的相機(jī)單元，比如數(shù)字靜態(tài)相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、包括相機(jī)的手機(jī)、或個(gè)人數(shù)字助理(PDA)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求和其它目前的因素來(lái)進(jìn)行各種修改、組合、子組合和替換，只要它們?cè)谒綑?quán)利要求或其等效物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種可變焦距透鏡系統(tǒng)，包括從對(duì)象側(cè)到圖像平面?zhèn)劝匆韵马樞蛟O(shè)置的具有正折光力的第一透鏡組、具有負(fù)折光力的第二透鏡組、具有正折光力的第三透鏡組、具有正折光力的第四透鏡組、以及第五透鏡組；其中，當(dāng)透鏡變焦位置從可變焦距透鏡系統(tǒng)的焦距最短的廣角位置變化到所述焦距最長(zhǎng)的長(zhǎng)焦位置時(shí)，至少第一到第四透鏡組是可移動(dòng)的，并且第二透鏡組朝圖像平面?zhèn)纫苿?dòng)且第三透鏡組朝對(duì)象側(cè)移動(dòng)，使得第一透鏡組和第二透鏡組之間的距離增加，以及第二透鏡組和第三透鏡組之間的距離減小，并且第四透鏡組沿著光軸方向移動(dòng)以便補(bǔ)償由每個(gè)透鏡組的移動(dòng)所引起的圖像平面的位置變化，并且其中第五透鏡組包括具有負(fù)折光力的負(fù)分組和位于負(fù)分組的圖像平面?zhèn)忍幉⒕哂姓酃饬Φ恼纸M，并且其中滿足下面的條件表達(dá)式(1)0.5＜(β2t/β2w)/Z＜0.85...(1)其中β2t＝第二透鏡組在長(zhǎng)焦位置處的橫向放大率，β2w＝第二透鏡組在廣角位置處的橫向放大率，和Z＝變焦比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的可變焦距透鏡系統(tǒng)，其中滿足下面的條件表達(dá)式(2)2.5＜|f5n|/fw＜5...(2)其中f5n＝包括在第五透鏡組中的負(fù)分組的焦距，和fw＝在廣角位置處整個(gè)可變焦距透鏡系統(tǒng)的焦距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的可變焦距透鏡系統(tǒng)，其中第五透鏡組在光軸方向上是靜止的，與透鏡變焦位置無(wú)關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的可變焦距透鏡系統(tǒng)，其中孔徑光闌位于第三透鏡分組附近并且其中滿足下面的條件表達(dá)式(3)0.3＜Dsw/TLw＜0.4...(3)其中Dsw＝在廣角位置處孔徑光闌和圖像平面之間的距離，和TLw＝在廣角位置處可變焦距透鏡系統(tǒng)的總長(zhǎng)度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的可變焦距透鏡系統(tǒng)，其中滿足下面的條件表達(dá)式(4)0.25＜1/|β2t|＜0.45... (4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2的可變焦距透鏡系統(tǒng)，其中滿足下面的條件表達(dá)式(5)0.8＜R5n/Bf＜1.5...(5)其中R5n ＝包括在第五透鏡組的負(fù)透鏡分組中并最靠近圖像平面的透鏡的透鏡表面的曲率半徑，和Bf＝包括在第五透鏡組的正透鏡分組中并最靠近圖像平面的透鏡和圖像平面之間的距離。
7.一種圖像捕獲設(shè)備，包括可變焦距透鏡系統(tǒng)，其包括從對(duì)象側(cè)到圖像平面?zhèn)劝匆韵马樞蛟O(shè)置的具有正折光力的第一透鏡組、具有負(fù)折光力的第二透鏡組、具有正折光力的第三透鏡組、具有正折光力的第四透鏡組、以及第五透鏡組；和用于將通過(guò)可變焦距透鏡系統(tǒng)形成的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的圖像傳感器；其中，當(dāng)透鏡變焦位置從可變焦距透鏡系統(tǒng)的焦距最短的廣角位置變化到所述焦距最長(zhǎng)的長(zhǎng)焦位置時(shí)，至少第一到第四透鏡組是可移動(dòng)的，并且第二透鏡組朝圖像平面?zhèn)纫苿?dòng)且第三透鏡組朝對(duì)象側(cè)移動(dòng)，使得第一透鏡組和第二透鏡組之間的距離增加，以及第二透鏡組和第三透鏡組之間的距離減小，并且第四透鏡組沿著光軸方向移動(dòng)以便補(bǔ)償由每個(gè)透鏡組的移動(dòng)所引起的圖像平面的位置變化，并且其中第五透鏡組包括具有負(fù)折光力的負(fù)分組和位于負(fù)分組的圖像平面?zhèn)忍幉⒕哂姓酃饬Φ恼纸M，并且其中滿足下面的條件表達(dá)式(1)0.5＜(β2t/β2w)/Z＜0.85...(1)其中β2t＝第二透鏡組在長(zhǎng)焦位置處的橫向放大率，β2w＝第二透鏡組在廣角位置處的橫向放大率，和Z＝變焦比。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的圖像捕獲設(shè)備，其中滿足下面的條件表達(dá)式(2)2.5＜|f5n|/fw＜5... (2)其中f5n ＝包括在第五透鏡組中的負(fù)分組的焦距，和fw＝在廣角位置處整個(gè)可變焦距透鏡系統(tǒng)的焦距。
全文摘要
一種可變焦距透鏡系統(tǒng)包括從對(duì)象側(cè)按以下順序設(shè)置的分別具有正、負(fù)、正和正折光力的第一到第四透鏡組，以及第五透鏡組。當(dāng)透鏡變焦位置從廣角變化到長(zhǎng)焦時(shí)，第一到第四組是可移動(dòng)的，并且第二組朝圖像平面?zhèn)纫苿?dòng)且第三組朝對(duì)象側(cè)移動(dòng)，使得第一和第二組之間的距離增加，以及第二和第三組之間的距離減小，并且第四組沿著光軸方向移動(dòng)以便補(bǔ)償圖像平面的位置變化。第五組包括具有負(fù)折光力的負(fù)分組和位于負(fù)分組的圖像側(cè)處并具有正折光力的正分組，并且滿足預(yù)定條件。
文檔編號(hào)H04N5/225GK101021608SQ200710005709
公開(kāi)日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2007年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月13日
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