变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置。该变焦透镜包含具有正折光力并被布置为最接近物侧的第一透镜单元。满足0.50<Ym5/Yw30<1.00，这里，Yw30表示在广角端提供0.3的相对照度的像高，Ym5表示在除广角端和望远端以外的预定变焦位置处提供0.05的相对照度的像高。
【专利说明】变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置
[0001] 本申请是申请号为201210126346. 7、申请日为2010年4月26日、发明名称为"变 焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置"的发明专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0002] 本发明涉及变焦透镜和具有该变焦透镜的图像拾取装置。
【背景技术】
[0003] -种常规的小型、高变倍（magnification varying)的变焦透镜是包括被 布置为最接近物侧的具有正折光力的透镜单元的变焦透镜。例如，日本专利公开 No. ( "JP")2〇〇9_3342提出从物侧起依次布置正单元、负单元、正单元和正单元的四单元变 焦透镜。JP 2009-164847公开了被配置用于用光学变焦实现电子变焦并使得能够以高的变 焦比观察被照体图像的图像拾取装置。
[0004] 在大多数的包括被布置为最接近物侧的具有正折光力的透镜单元的变焦透镜中， 如在JP 2009-3342中公开的那样，前透镜直径由除广角端和望远端以外的位于变焦透镜 的光轴上的位置（中间焦距）处的离轴光线确定。通常，从广角端到望远端利用在中间焦 距可得的图像拾取元件的范围。
[0005] 对于具有小的前透镜直径的图像拾取元件的宽的工作范围，中间焦距处的最小必 要光量是有效的，但是，即使该配置也不能使广角变焦透镜中的前透镜直径保持小。虽然JP 2〇〇9_3342对于第一透镜单元提供了四个透镜并且抑制了由广角配置导致的前透镜直径的 大的尺寸，但是该配置不足以减小前透镜直径。在JP 2009-164847中公开的常规的电子变 焦没有限制图像拾取装置中的变焦透镜，或者没有提出用于减小广角变焦透镜的前透镜直 径的手段。
【发明内容】
[0006]本发明提供了具有小的前透镜直径的广角、高变倍变焦透镜、以及具有该变焦透 镜的图像拾取装置。
[0007] 根据本发明的变焦透镜包含具有正折光力并被布置为最接近物侧的第一透镜单 元。满足以下的条件式：0. 50<Ym5/Yw30<l. 00。
[0008] Yw30表示在广角端提供〇· 3的相对照度的像高，Ym5表示在除广角端和望远端之 外的预定变焦位置处提供0. 05的相对照度的像高。
[0009]参照附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1是根据数值例1的光学系统的透镜截面图。
[0011] 图2是根据数值例2的光学系统的透镜截面图。
[0012]图3是根据数值例3的光学系统的透镜截面图。
[0013] 图4是根据数值例4的光学系统的透镜截面图。
[0014] 图5A?5C是根据数值例1的广角端、中间焦距和望远端处的像差图。
[0015] 图6A?6C是根据数值例2的广角端、中间焦距和望远端处的像差图。
[0016] 图7A?7C是根据数值例3的广角端、中间焦距和望远端处的像差图。
[0017] 图8A?8C是根据数值例4的广角端、中间焦距和望远端处的像差图。
[0018] 图9是比较数值例1和2与常规的例子的曲线图。
[0019] 图10是根据本实施例的图像拾取装置的透视图。
【具体实施方式】
[0020] 为了高变倍，本实施例的变焦透镜包括被布置为最接近物侧的具有正折光力的第 一透镜。为了实现小型化，本实施例满足以下的条件式。
[0021] 0. 50<Ym5/Yw30<l. 00 (1)
[0022] Yw30表示在广角端提供0· 3的相对照度的像高。Ym5表示在除广角端和望远端以 外的变焦位置（变倍位置）（中间焦距）处提供〇· 05的相对照度的像高。本实施例需要提 供Ym5并满足条件式1的变焦位置（中间焦距）。
[0023] 孔径比被定义为离轴入射光瞳面积与轴向入射光瞳面积的比。相对照度是通过将 孔径比乘以余弦四次方定律和畸变成分而计算的亮度比。余弦四次方定律满足以下的关 系，这里，Θ是入射到透镜的光相对于光轴的入射角，I是光的入射后（p 0St-incidence)亮 度，1〇是光的入射前（pre-incidence)亮度。
[0024] I = locos4 Θ
[0025] 相对照度是表达为预定像高上的明度（brightness)与在成像表面上的中心处的 明度的比，并在预定像高的明度等于中心的明度时为1。
[0026] 条件式（1)确定从广角端和中间焦距到达成像面的光的范围。一般地，为了避免 图像周围的阴影，至少约〇· 3的相对照度是必需的。因此，常规上，在提供0. 3的相对照度 的广角端的像高，在整个变焦区域中确保约0. 3的相对照度。在同一变焦位置，提供0. 05 的相对照度的像高比提供〇· 3的相对照度的像高高。由此，常规的配置中的值超出条件式 (1)的上限值。
[0027] 本实施例通过使在中间焦距到达成像面的光的范围变窄来减小前透镜直径，原因 是该范围确定前透镜直径。因此，本实施例的值不超出条件式（1)的上限值。此时，在包括 诸如CCD的固态图像拾取元件的图像拾取装置中，与广角端相比，对于中间焦距使用更少 数量的像素。由于它是从广角端图像拾取范围变窄的方向，因此，输出图像可被高质量地适 当地变焦，这是因为近年来的固态图像拾取元件具有大量的像素。
[0028] 但是，即使当到达成像面的光的范围在中间焦距变窄使得该值超出条件式（1)的 下限值时，由于前透镜直径由广角端和望远端确定，因此前透镜直径也没有充分减小。
[0029] 条件式⑴可被以下的条件式（la)替代。
[0030] 0. 70<Ym5/Yw30<0. 95 ... (la)
[0031] 虽然条件式（1)依赖于提供〇. 3的相对照度的广角端的像高，但是，对于在预设的 范围中偏移的相对照度或基准焦距仍展现出本实施例的效果。
[0032] 本实施例的变焦透镜在光阑的物侧依次包括具有正折光力的第一透镜单元和具 有负折光力的第二透镜单元，并且通过改变第一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔实现 变焦。本实施例的变焦透镜可满足以下的条件式：
[0033] 0· 20<S1<0_ 50 …（2)
[0034] 0· 00 彡 S2/SK0· 17 …（3)
[0035] 以下，S1表示第一变焦位置的在第一像高上的第一相对照度。S2表示第二变焦位 置的在第一像高上的第二相对照度。根据本实施例，在第一透镜单元与第二透镜单元之间 的间隔改变乘以0?0. 1的从广角端到望远端的变化量的区间中存在第一变焦位置。在第 一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔改变乘以0. 3?0. 8的从广角端到望远端的变化量 的区间中存在第二变焦位置。
[0036] 条件式（2)确定计算S2的像高。当相对照度太高以至于该值超出条件式（2)的 上限值时，广角端和中间焦距具有相似的相对照度，并且，不能确定提供本实施例的效果的 像高。但是，这不禁止图像拾取装置的相对照度超出上限值。相对照度太低以至于该值超 出条件式（2)的下限值的像高不适于图像拾取装置。
[0037] 条件式⑵可被以下的条件式（2a)替代。
[0038] 0· 30〈S1<0. 50 …（2a)
[0039]条件式（3)确定在由条件式（2)确定的像高上广角端与中间焦距之间的相对照度 的比。当该值超出条件式（3)的上限值时，由于取得中间焦距的大的相对照度，因此，前透 镜直径增加。条件式（ 3)的下限值意味着在中间焦距相对照度变为零，因此，该值决不会超 出下限值。
[0040]在包括以上的变焦透镜的图像拾取装置中，本实施例提供了被布置为最接近物侧 的具有正折光力的第一透镜单元，并且满足以下的条件式：
[0041] Sm<Sw …（4)
[0042] SW是在广角端以及广角端的最大像高上的相对照度。本实施例确定，存在满足条 件式（4)的位于变焦透镜的光路上的除广角端和望远端之外的变焦位置（中间焦距）。Sm 是在中间焦距以及广角端的所述最大像高上的相对照度。
[0043]在广角端的该最大像高位于用于形成输出图像的图像拾取元件的工作范围中，并 且，在被配置为通过偏移工作范围使图像稳定化的图像拾取装置中，它是将图像稳定化功 能设为不活动时的工作范围。
[0044]条件式（4)确定在用于图像拾取装置的像高上广角端与中间焦距之间的相对照 度的比。当条件式（4)不被满足时，由于取得更大的在中间焦距的相对照度，因此前透镜直 径增加。
[0045]当在广角端的相对照度和在中间焦距的相对照度两者都增加时，不满足条件式 (4)。在这种情况下，可通过增加最大像高以保持广角端的场角宽，并且，安装的变焦透镜没 有被完全利用。
[0046] 本实施例可进一步满足以下的条件式：
[0047] -0. 8<fw/f2<-0. 4 ... (5)
[0048]这里，fw表示在广角端的整个系统的焦距，f2表示第二透镜单元的焦距。
[0049]条件式（5)确定广角端的焦距与第二透镜单元的焦距之间的比。当该值超出条件 式（5)的上限值时，难以校正广角端的像场弯曲。作为替代地，第一透镜单元和第二透镜单 元之间的间隔的变化量增加，以获得预定的变焦比，并且，总长因此增加。当该值超出条件 式（5)的下限值时，广角端的场角变窄并且不能完全获得本实施例的效果。
[0050] 条件式⑶可被以下的条件式（5a)替代。
[0051] -0· 75<fw/f2〈-0. 42 …（5a)
[0052] 本实施例可进一步满足以下的条件式：
[0053] 0. 05<fw/fl<0. 14 ... (6)
[0054]这里，fw表示在广角端的整个系统的焦距，并且，fl表示第一透镜单元的焦距。 [0055]条件式⑹确定广角端的焦距与第一透镜单元的焦距之间的比。当该值超出条件 式（6)的上限值时，广角端的场角变窄，并且，不能完全获得本实施例的效果。作为替代地， 球面像差或彗形像差的校正在望远端变得困难。
[0056]当该值超出条件式（6)的下限值时，像场弯曲的校正在广角端变得困难，或者第 一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔的变化量增加以获得预定的变焦比，总长因此增 加。
[0057] 条件式（6)可被以下的条件式（6a)替代。
[0058] 0· 06<fw/n〈0_ 12 …（6a)
[0059] 本实施例可进一步满足以下的条件式：
[0060] 31。<tan_1 (Yw/fw) <48° …（7)
[0061] Yw是在广角端的最大像尚，fw是在广角端的整个系统的焦距。如上所述，在广角 端的最大像高是用于形成输出图像的图像拾取元件的工作范围，并且，在被配置为通过偏 移工作范围使图像稳定化的图像拾取装置中，它是将图像稳定化功能设为不活动时的工作 范围。
[0062] 条件式C7)确定在广角端的场角。当该值超出条件式（7)的上限值时，第一透镜 单元中的透镜的数量增加以适当地校正广角端的像场弯曲和横向色差。作为结果，小型化 和广角配置变得困难。当该值超出条件式（7)的下限值时，广角端的场角变窄，并且，不能 完全获得本实施例的效果。
[0063] 条件式（7)可被以下的条件式（7a)替代。
[0064] 33°〈tan-1 (Yw/fw) <41。 ...(7a)
[0065] 本实施例配置了在变焦期间可沿光轴方向移动的三个或更少的透镜单元，并且， 光阑SP可在变焦期间沿光轴方向被固定。 ^
[0066] 当存在多于三个的在变焦期间可沿光轴方向移动的透镜单元时，存在通过使用各 透镜单元的移动轨迹减小前透镜直径并保持广角配置的方案。但是，可移动单元的数量增 加导致大的镜筒机构，由此，变得难减小整个透镜单元的尺寸。
[0067]另外，随着透镜单元移动机构的数量的增加，成本也增加。当光阑被配置为可动 时，柔性印刷电路（"FPC"）变长并且增加成本。
[0068] 变焦透镜还可包含沿光路布置于第二透镜单元的像侧的第三透镜单元，并具有正 折光力或负折光力。在这种情况下，第一透镜单元和第三透镜单元可在变焦期间沿光轴方 向被固定。
[0069] 在当在图像拾取中擦拭前透镜时施加的压力增加的情况下，可动的第一透镜单元 是不利的，或者拍摄图像由于第一透镜单元被驱动时的第一透镜单元的倾斜而抖动。
[0070] 第三透镜单元接近光阑，并且当它是具有高的F数的透镜时可能具有大的直径。 由此，当第三透镜是具有高的F数的可动透镜时，镜筒的外径在整个可动范围中增加。
[0071] 可以在光阑SP的物侧布置9个或更少的透镜。随着光阑的物侧的透镜的数量增 加，广角端的入射光瞳位置可向物侧移动，并且，前透镜直径在广角配置中减小。但是，透镜 的数量增加使得总长变长并使镜筒变重。
[0072] 图1、图2、图3和图4是根据将在后面描述的数值例1?4的透镜截面图。图5A? 8C是根据各数值实施例的球面像差、像散、畸变和横向色差的像差图。具体而言，图5A、图 6A、图7A和图8A是广角端的像差图，图5B、图6B、图7B和图8B是在中间焦距的像差图，图 5C、图6C、图7C和图8C是在望远端的像差图。在球面像差图中，实线表示d线，交替一长两 短虚线表示g线。在像散图中，实线表示弧矢截面AS，虚线表示子午截面ΔΜ。在畸变图 中，实线表示d线。在横向色差图中，交替一长两短虚线表示g线。Fno表示F数。
[0073] 在图1?4中，L1至L5表示第一到第五透镜单元。SP表示光阑（或光圈）。P表 示诸如CCD面板和低通滤波器的玻璃块。I表示像面。光阑SP沿光路被布置于具有正折光 力的第一透镜单元L1和具有负折光力的第二透镜单元L2的像侧。换句话说，第一透镜单 元L1和第二透镜单元L2被布置于光阑SP的物侧，并且，沿光路从物侧起被依次布置。
[0074] 本实施例在从广角端到望远端的变焦期间如图1?4中的箭头所示的那样移动各 单元。第四透镜单元在聚焦中移动。
[0075] 在数值例中，Ri表示从物侧起的第i个表面的曲率半径，Di表示第i个表面与第 (i+Ι)个表面之间的间隔（透镜厚度或空气间隔），Ni和vi是第i个透镜的材料的折射率 和阿贝（Abbe)数。
[0076] 非球面形状被表达如下，这里，光轴方向被设为X轴，与光轴垂直的方向被设为h 轴，并且，光传播方向被设为正。R是旁轴曲率半径，1^、六3、六4、六5、八6、六7、六8、人9、八10和八11 表示非球面系数：
【权利要求】
1. 一种变焦透镜，从物侧到像侧依次包括具有正折光力的第一透镜单元、具有负折光 力的第二透镜单元和光阑，第一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔在变焦期间改变， 其特征在于，满足以下的条件式： 0· 20〈S1<0· 50 ;以及 0. 00 ^ S2/SK0. 17, 这里，S1表示在第一变焦位置和第一像高处的相对照度,该第一变焦位置存在于第一 透镜单元与第二透镜单元之间的间隔以乘以0?0· 1的从广角端到望远端的变化量改变的 区间中，并且S2表示在第二变焦位置和第一像高处的相对照度，该第二变焦位置存在于第 一透镜单元与第二透镜单元之间的间隔以乘以0· 3?0· 8的从广角端到望远端的变化量改 变的区间中。
2. 根据权利要求1的变焦透镜，满足以下的条件式： -0.8<fw/f2<-0. 4 这里，fw表示在广角端的整个变焦透镜的焦距，f2表示第二透镜单元的焦距。
3. 根据权利要求1或2的变焦透镜，包括在变焦期间沿光轴方向能够移动的三个或更 少的透镜单元，其中，光阑在变焦期间沿光轴方向被固定。
4. 根据权利要求1或2的变焦透镜，进一步包括在所述第二透镜单元的像侧的具有正 折光力或负折光力的第三透镜单元，其中所述第一透镜单元和第三透镜单元在变焦期间固 定。
5·根据权利要求1或2的变焦透镜，其中，在所述光阑的物侧布置九个或更少的透镜。 6·根据权利要求1的变焦透镜，其中，满足以下的条件式： 0. 05<fw/f K0. 14 这里，fw表示在广角端的整个变焦透镜的焦距，并且，Π表示第一透镜单元的焦距。
7. 根据权利要求1的变焦透镜，其中，满足以下的条件式： 31°〈tan-VYw/f^XAS。 这里，Yw是在广角端的最大像高，fw是在广角端的整个变焦透镜的焦距。
8. 根据权利要求2的变焦透镜，其中，满足以下的条件式： 0. 05<fw/f K0. 14 这里，Π表示第一透镜单元的焦距。
9·根据权利要求2的变焦透镜，其中，满足以下的条件式： 31。〈tarfHYw/fwXdS。 这里，Yw是在广角端的最大像高。
10. 根据权利要求1或2的变焦透镜，其中，满足以下的条件式： Sm<Sw 这里，Sw是在广角端和广角端的最大像高处的相对照度，并且Sm是在除广角端和望远 端以外的预定变焦位置和所述广角端的所述最大像高处的相对照度。
11. 一种图像拾取装置，包含 根据权利要求卜10中任一项的变焦透镜，以及 图像拾取元件，被配置用于接收通过所述变焦透镜形成的图像。
【文档编号】G02B15/16GK104142568SQ201410377421
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2012年4月26日 优先权日:2011年4月26日
【发明者】宮沢伸幸 申请人:佳能株式会社