变焦透镜和包括变焦透镜的图像拾取装置的制作方法

本发明涉及变焦透镜和包括变焦透镜的图像拾取装置，并且可有利地应用于使用图像拾取元件的图像拾取装置，诸如摄像机，电子静态照相机，广播照相机，或监视照相机，或诸如卤化银胶片照相机的图像拾取装置。

背景技术：

期望用于在图像拾取装置中使用的变焦透镜紧凑、具有高变焦比并且在整个变焦范围上具有高分辨力。作为用于实现高变焦比的变焦透镜，正引导型变焦透镜是已知的，其中具有正折光力的透镜单元被放置在最靠近物体的位置处。

日本专利申请公开no.h07-270684公开了一种四单元变焦透镜，按照从物侧到像侧的顺序包括分别具有正、负、正以及正的折光力的第一到第四透镜单元。

日本专利申请公开no.2007-178598公开了一种五单元变焦透镜，按照从物侧到像侧的顺序包括分别具有正、负、正、正以及正的折光力的第一至第五透镜单元。日本专利申请公开no.2012-128116公开了一种五单元变焦透镜，按照从物侧到像侧的顺序包括分别具有正、负、正、正以及负的折光力的第一至第五透镜单元。

同时，日本专利申请公开no.2007-248952以及no.2010-48855各自公开了一种变焦透镜，其中被配置为使变焦透镜的光轴弯曲的反射构件被放置在光路上，其目的是减少图像拾取装置的厚度。

对于具有这样的反射构件的变焦透镜，重要的是适当地设置透镜配置、反射构件的位置等。

例如，将反射构件放置在透镜系统的前部中减少了透镜系统的深度尺寸。然而，在这种情况下，在反射构件的像侧需要大的空间，以放置在与透镜系统上的入射光的光轴垂直的方向上移动以变焦的多个透镜单元，照相机的宽度尺寸趋于增大以创建这样的大的空间。由于也需要在高度方向上创建空间，所以不仅照相机的宽度尺寸，而且照相机的高度尺寸趋于增大。

技术实现要素：

本发明的变焦透镜按照从物侧到像侧的顺序包含：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、具有正折光力的第三透镜单元、具有正折光力的第四透镜单元以及第五透镜单元。第五透镜单元不为变焦而移动，并且至少第二透镜单元和第四透镜单元在变焦期间移动，以改变第三透镜单元和第四透镜单元之间的间隔，以及第四透镜单元和第五透镜单元之间的间隔，使得在望远端处的第一透镜单元和第二透镜单元之间的间隔大于在广角端处的第一透镜单元和第二透镜单元之间的该间隔，以及在望远端处的第二透镜单元和第三透镜单元之间的间隔小于在广角端处的第二透镜单元和第三透镜单元之间的该间隔。第五透镜单元按照从物侧到像侧的顺序包括：具有负折光力的第一透镜子单元、使光路弯曲的反射器以及具有正折光力的第二透镜子单元。该变焦透镜满足以下条件表达式：

0.40＜-d5ab/f5a＜1.00

其中f5a是第一透镜子单元的焦距，d5ab是第一透镜子单元和第二透镜子单元之间的间隔的光学距离。

本发明的进一步的特征将通过参照附图对示例性实施例的以下描述而变得清晰。

附图说明

图1是根据本发明的实施例1的变焦透镜在广角端处的透镜截面图。

图2a是示出根据本发明的实施例1的变焦透镜在广角端处的像差的图。

图2b是示出根据本发明的实施例1的变焦透镜在中间变焦位置处的像差的图。

图2c是示出根据本发明的实施例1的变焦透镜在望远端处的像差的图。

图3是根据本发明的实施例2的变焦透镜在广角端处的透镜截面图。

图4a是示出根据本发明的实施例2的变焦透镜在广角端处的像差的图。

图4b是示出根据本发明的实施例2的变焦透镜在中间变焦位置处的像差的图。

图4c是示出根据本发明的实施例2的变焦透镜在望远端处的像差的图。

图5是根据本发明的实施例3的变焦透镜在广角端处的透镜截面图。

图6a是示出根据本发明的实施例3的变焦透镜在广角端处的像差的图。

图6b是示出根据本发明的实施例3的变焦透镜在中间变焦位置处的像差的图。

图6c是示出根据本发明的实施例3的变焦透镜在望远端处的像差的图。

图7是根据本发明的实施例4的变焦透镜在广角端处的透镜截面图。

图8a是示出根据本发明的实施例4的变焦透镜在广角端处的像差的图。

图8b是示出根据本发明的实施例4的变焦透镜在中间变焦位置处的像差的图。

图8c是示出根据本发明的实施例4的变焦透镜在望远端处的像差的图。

图9是根据本发明的实施例5的变焦透镜在广角端处的透镜截面图。

图10a是示出根据本发明的实施例5的变焦透镜在广角端处的像差的图。

图10b是示出根据本发明的实施例5的变焦透镜在中间变焦位置处的像差的图。

图10c是示出根据本发明的实施例5的变焦透镜在望远端处的像差的图。

图11是根据本发明的实施例1的变焦透镜在广角端处的透镜截面图。

图12是示出本发明的图像拾取装置的主要部分的示意图。

具体实施方式

现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。

在下文中描述变焦透镜和包括变焦透镜的图像拾取装置。本发明的变焦透镜按照从物侧到像侧的顺序包括：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、具有正折光力的第三透镜单元、具有正折光力的第四透镜单元以及第五透镜单元。第五透镜单元不为变焦而移动。至少第二透镜单元和第四透镜单元在变焦期间移动。

在变焦期间改变第三透镜单元和第四透镜单元之间的间隔以及第四透镜单元和第五透镜单元之间的间隔，使得在望远端(长焦距端)处的第一透镜单元和第二透镜单元之间的间隔大于在广角端(短焦距端)处的第一透镜单元和第二透镜单元之间的间隔，以及在望远端处的第二透镜单元和第三透镜单元之间的间隔小于在广角端处的第二透镜单元和第三透镜单元之间的间隔。第五透镜单元按照从物侧到像侧的顺序包括：具有负折光力的第一透镜子单元、使光路弯曲的反射器以及具有正折光力的第二透镜子单元。

图1是根据本发明的实施例1的变焦透镜在广角端处的透镜截面图。图2a、2b以及2c是分别示出根据实施例1的变焦透镜在广角端处、中间变焦位置处以及望远端处的像差的图。实施例1的变焦透镜具有29.38的变焦比和1.65～4.70的f数。

图3是根据本发明的实施例2的变焦透镜在广角端处的透镜截面图。图4a、4b以及4c是分别示出根据实施例2的变焦透镜在广角端处、中间变焦位置处以及望远端处的像差的图。实施例2的变焦透镜具有34.93的变焦比和1.65～4.90的f数。图5是根据本发明的实施例3的变焦透镜在广角端处的透镜截面图。图6a、6b以及6c是分别示出根据实施例3的变焦透镜在广角端处、中间变焦位置处以及望远端处的像差的图。实施例3的变焦透镜具有25.01的变焦比和1.60～2.80的f数。

图7是根据本发明的实施例4的变焦透镜在广角端处的透镜截面图。图8a、8b以及8c是分别示出根据实施例4的变焦透镜在广角端处、中间变焦位置处以及望远端处的像差的图。实施例4的变焦透镜具有25.00的变焦比和1.60～2.50的f数。图9是根据本发明的实施例5的变焦透镜在广角端处的透镜截面图。图10a、10b以及10c是分别示出根据实施例5的变焦透镜在广角端处、中间变焦位置处以及望远端处的像差的图。实施例5的变焦透镜具有50.01的变焦比和1.80～5.40的f数。

在实施例1～3以及5中，使用内反射棱镜pr作为反射器并且在设置在棱镜内的内反射表面处该内反射棱镜pr将光路弯曲90°。然而，为了方便起见，透镜截面图将棱镜例示为玻璃块pr，其中光路被拉直。在实施例4中，使用反射镜ur作为反射器，并且在其相对于光轴以45°的角度被放置在光路上的反射表面处该反射镜ur将光路弯曲90°。然而，为了方便起见，透镜截面图利用虚线ur例示出反射镜的位置，其中光路被拉直。

图11是根据本发明的实施例1的变焦透镜在广角端处的透镜截面图。图11中的透镜截面图例示在反射器(棱镜)的内反射表面处弯曲90°的光路。图12是示意性地示出包括本发明的变焦透镜的照相机(图像拾取装置)的主要部分的图。根据每个实施例的变焦透镜是用于在诸如摄像机、数字照相机或卤化银胶片照相机的图像拾取装置(照相机)中使用的成像透镜系统。

在透镜截面图中，左侧是被摄体(物)侧(即前侧)，右侧是像侧(即后侧)。在透镜截面图中，每个透镜单元用li表示，其中“i”是从物侧开始的透镜单元的序号。“sp”指示限制f数光的孔径光阑。当反射器是使光路弯曲90°或基本上90°(例如，±10°)的棱镜时，用“pr”指示该反射器，而当反射器是使光路弯曲90°或基本上90°(例如，±10°)的反射镜表面时，用“ur”指示该反射器。“g”指示光学块，诸如光学滤波器、面板、石英低通滤波器或红外截止滤波器。

“ip”指示像平面。当变焦透镜被用作摄像机或数字静态照相机的图像拾取光学系统时，诸如ccd传感器或cmos传感器的固态图像拾取元件(光电转换元件)的图像拾取表面被放置在像平面ip处。当变焦透镜被用作卤化银胶片照相机的图像拾取光学系统时，等同于胶片平面的感光表面被放置在像平面ip处。在每个像差图中示出球面像差的部分中，实线“d”指示d线(波长587.6nm)，双点划线“g”指示g线(波长435.8nm)。在示出像散的部分中，虚线“△m”指示d线的子午像面，实线“δs”指示d线的弧矢像面。

横向色差由g线表示。“fno”指示f数，“ω”指示半视角)(所成像的角的一半)(度)。在以下实施例中，广角端和望远端是指机械可实现的变焦范围的端部，在变焦范围中，用于变焦的透镜单元可在光轴上移动。

本发明的变焦透镜按照从物侧到像侧的顺序包括：具有正折光力的第一透镜单元l1、具有负折光力的第二透镜单元l2、具有正折光力的第三透镜单元l3、具有正折光力的第四透镜单元l4以及第五透镜单元l5。

第五透镜单元l5按照从物侧到像侧的顺序包括：具有负折光力的第一透镜子单元l5a、使光路弯曲的反射器以及具有正折光力的第二透镜子单元l5b。本发明的变焦透镜采用反远距(retrofocus)配置，其中，处于广角端处时，后焦距(按照光学长度)长于整个系统的焦距fw。在此配置中，第五透镜单元l5的主点在第五透镜单元l5具有正折光力时被大幅度地朝向像侧移位，而在第五透镜单元l5具有负折光力时被大幅度地朝向物侧移位，以便增加第五透镜单元l5的横向倍率β5，并有助于具有长的后焦距。

在从广角端变焦至望远端期间，至少第二透镜单元l2和第四透镜单元l4如用箭头所示的那样移动：第二透镜单元l2向像侧移动，第四透镜单元l4非线性地移动。实曲线4a和虚曲线4b是第四透镜单元l4为校正由变焦引起的像平面变化而移动的轨迹，第四透镜单元l4在焦点在无限远处时沿实曲线4a移动，而在焦点在近距离处时沿虚曲线4b移动。第四透镜单元l4在光轴上移动以聚焦。为了在望远端处从无限远聚焦到近距离，第四透镜单元l4向前移动(向物侧)，如用箭头4c所示。

作为像平面的位置的位移量与第四透镜单元l4在光轴方向上的位移量的比的位置灵敏度es4，由使用第四透镜单元l4的横向倍率β4和第五透镜单元l5的横向倍率β5的以下式子(a)表达。

es4＝(1-(β4)²)×(β5)²…(a)

位置灵敏度es4越大，第四透镜单元l4为了变焦和聚焦所必须移动得越少。因此可以有助于减少总透镜长度。

在每个实施例中，第五透镜单元l5按照从物侧到像侧的顺序包括：具有负折光力的第一透镜子单元l5a和具有正折光力的第二透镜子单元l5b。这允许第五透镜单元l5具有1或更大的横向倍率β5，而不管其折光力的符号如何。

第一透镜子单元l5a和第二透镜子单元l5b之间的间隔的光学距离d5ab越大，第五透镜单元l5的旁轴像面向后偏移得越多，从而允许横向倍率β5越大。这里，当光学构件(例如棱镜)被放置在第一透镜子单元l5a和第二透镜子单元l5b之间的间隔中时，使用光学构件的长度除以光学构件材料的折射率来计算该间隔的光学距离d5ab。材料的折射率被定义为d线的折射率。当在该间隔中没有光学构件时，即，当该间隔中仅有空气时，光学距离等于空气间隔的值。

如所述，第五透镜单元l5具有：具有负折光力的第一透镜子单元l5a和具有正折光力的第二透镜子单元l5b，并且这些子单元在其间具有长光学距离d5ab的间隔，以增大位置灵敏度es4。位置灵敏度es4的增大因而减小总透镜长度。此外，通过插入使光路弯曲90°或大致90°(90°±10°)的反射器，具有长光学距离d5ab的第一透镜子单元l5a和第二透镜子单元l5b之间的空间被有效地使用。插入反射器使得能够减少变焦透镜在入射光的光轴方向上的大小。

作为反射器，具有内反射表面的棱镜pr、镜ur等被使用。第二透镜子单元l5b被放置在反射器的像侧，使得光轴在与进入变焦透镜l0的光的光轴la垂直或基本垂直的方向上延展。另外，放置图像拾取元件，使得其像平面的法线垂直或基本垂直于入射光的光轴la。这些构件具有相对小的有效直径，有利地减小变焦透镜在光轴方向的空间。

与进入变焦透镜l0的光的光轴la垂直或基本垂直的方向上的光路长度等于第二透镜子单元l5b在光轴方向上的厚度加上在第二透镜子单元l5b前面和后面的空间，如在图11中所示。因此在反射器之后不需要扩展空间。在具有五个单元的变焦透镜中(如本发明的一个变焦透镜)，透镜镜筒的外径往往基本上由具有最大有效直径的最前面的第一透镜单元l1的直径确定，透镜镜筒在与进入变焦透镜l0的光的光轴la垂直的方向上的突出容易地通过反射器之后的非扩展空间保持为小。

与没有反射器的变焦透镜相比，本发明的变焦透镜可以容易地实现减小包括整个透镜系统和用于保持透镜的保持构件的透镜镜筒的大小。作为结果，可以对变焦透镜单元给出足够空间以在变焦期间移动，这有助于实现高的变焦比。此外，以上配置不要求每个透镜单元的折光力的不必要的增大，这有助于利用更少的校正像差所需的透镜来实现高光学性能。

在每个实施例中，至少第二透镜单元l2和第四透镜单元l4为了变焦移动，以改变第三透镜单元l3和第四透镜单元l4之间的间隔以及第四透镜单元l4和第五透镜单元l5之间的间隔，使得望远端处的第一透镜单元l1和第二透镜单元l2之间的间隔大于广角端处的第一透镜单元l1和第二透镜单元l2之间的间隔，并且望远端处的第二透镜单元l2和第三透镜单元l3之间的间隔小于广角端处的第二透镜单元l2和第三透镜单元l3之间的间隔。

第五透镜单元l5不为变焦而移动。由于第五透镜单元l5的具有正折光力的第二透镜子单元l5b被放置在反射器的像平面侧，所以进入图像拾取平面的光的远心度被提高。第一透镜子单元l5a的焦距f5a以及第一透镜子单元l5a和第二透镜子单元l5b之间的间隔的光学距离d5ab满足以下条件表达式：

0.40＜-d5ab/f5a＜1.00…(1)

下面描述这个条件表达式的技术含义。条件表达式(1)定义第一透镜子单元l5a和第二透镜子单元l5b之间的间隔(光学距离)与第一透镜子单元l5a的焦距之间的比。如上所述，因为间隔d5ab影响第五透镜单元l5的横向倍率并因而影响式(a)的值，所以间隔d5ab与第四透镜单元l4的聚焦行程(stroke)的长度相关。间隔d5ab越大，该聚焦行程可以越短。

如果间隔d5ab太长，使条件表达式(1)的比超过其中定义的上限，则间隔d5ab的超出部分抵消了第四透镜单元l4的聚焦行程减小的效果，增大了总透镜长度。另外，如果第一透镜子单元l5a的负折光力太强(或绝对值太大)，使得条件表达式(1)的比超过其中定义的上限，则出现太多诸如横向色差和像散的离轴像差。

于是对于第二透镜子单元l5b，难以校正这样的像差。此外，具有这样的强折光力的第一透镜子单元l5a将通过它的离轴光线发散得太多，要求反射器和第二透镜子单元l5b具有更大的有效直径，并因此妨碍减少整个系统的大小。

相反地，如果间隔d5ab太短，使条件表达式(1)的比下降到低于其中定义的下限，那么第四透镜单元l4的聚焦行程的长度增大得太多并超过了间隔d5ab减小的量，因而增大了总透镜长度。另外，如果第一透镜子单元l5a的负折光力太弱(或绝对值太小)，使条件表达式(1)的比下降到低于其中定义的下限，则难以具有预定长度的后焦距。

优选地，条件表达式(1)中的数字可被如下设置：

0.44＜-d5ab/f5a＜0.90…(1a)

更优选地，条件表达式(1a)中的数字可被如下设置，以确保上述的有益效果。

0.48＜-d5ab/f5a＜0.80…(1b)

如上配置的本发明的变焦透镜整体上紧凑，具有高变焦比，并提供高光学性能。

再更优选的是每个实施例满足以下条件表达式中的至少一个。

7.0＜-f1/f2＜10.0…(2)

-2.0＜(r5ar+r5af)/(r5ar-r5af)＜-0.9…(3)

0.3＜|f5a/f5b|＜1.2…(4)

1.30＜β5＜2.00…(5)

0.22＜d5i/d15w＜0.40…(6)

65.0＜vd1p＜90.0…(7)

13.0＜β2t/β2w＜60.0…(8)

1.90＜nd2a＜2.10…(9)

4.8＜f3/fw＜8.0…(10)

0.04＜f4/ft＜0.18…(11)

在上述条件表达式中，“f1”表示第一透镜单元l1的焦距，“f2”表示第二透镜单元l2的焦距。“r5af”和“r5ar”分别表示单独地构成第一透镜子单元l5a的负透镜g5an的物侧透镜表面以及像侧透镜表面的曲率半径。“f5b”表示第二透镜子单元l5b的焦距。“β5”表示第五透镜单元l5的横向倍率。

“d5i”是空气中的后焦距与从第五透镜单元l5的最靠近物体的透镜表面到第五透镜单元l5的最靠近像的透镜表面的光轴上的距离的距离和。“d15w”是广角端处从第一透镜单元l1的最靠近物体的透镜表面到第五透镜单元l5的最靠近像的透镜表面的距离。

“νd1p”表示构成第一透镜单元l1的多个正透镜的材料的d线的平均阿贝数(abbenumber)。“β2w”和“β2t”分别表示第二透镜单元l2在广角端处和望远端处的横向倍率。“nd2a”表示构成第二透镜单元l2的多个透镜的材料的d线的平均折射率。“f3”表示第三透镜单元l3的焦距，“fw”表示整个系统在广角端处的焦距。“f4”表示第四透镜单元l4的焦距，“ft”表示整个系统在望远端处的焦距。

接着，描述以上条件表达式的技术含义。条件表达式(2)定义第一透镜单元l1的焦距(折光力)与第二透镜单元l2的焦距的比。如果最负责变焦的第二透镜单元l2具有比第一透镜单元l1短得多的焦距(或强得多的负折光力)，使得条件表达式(2)的比超过其中定义的上限，则诸如横向色差和像散的离轴像差在变焦中变化太多，使得难以在整个变焦范围上提供高光学性能。

相反地，如果第一透镜单元l1具有比第二透镜单元l2短得多的焦距(或强得多的正折光力)，使得条件表达式(2)的比下降到低于其中定义的下限，则难以在望远端处校正轴向色差，在望远端处这样的像差在具有高变焦比的变焦透镜中趋向于有问题。条件表达式(3)定义形成第一透镜子单元l5a的负透镜g5an的形状。当条件表达式(3)的比在从0至-1.0的范围中时，负透镜g5an是双凹的，其像侧透镜表面具有大曲率(曲率半径的倒数)。当条件表达式(3)的比为-1.0时，负透镜g5an是平凹的，它的物侧透镜表面是平坦的。当条件表达式(3)的比小于-1.0时，负透镜g5an是具有面向物侧的凸表面的弯月透镜。

如果物侧凹表面的曲率太大，使得条件表达式(3)的比超过其中定义的上限，那么靠通过具有正折光力的第三透镜单元l3以及通过具有正折光力的第四透镜单元l4被会聚的轴向光线以大的入射角进入第一透镜子单元l5a。作为结果，第一透镜子单元l5a引起大的球面像差。这样的球面像差不能被第二透镜子单元l5b充分校正，使得难以提供高光学性能。

相反地，如果弯月透镜的物侧凸表面和像侧凹表面的曲率太大，使得条件表达式(3)的比下降到低于其中定义的下限，那么在光轴上需要太多的空间以放置第一透镜子单元l5a，这妨碍减小整个系统的大小。此外，靠通过第一透镜子单元l5a的像侧透镜表面被发散的离轴光线以某一角度被发射，该角度如此大以至于第一透镜子单元l5a引起大的离轴像差，诸如横向色差和像散。然后，第二透镜子单元l5b难以校正这样的像差，使得难以提供高光学性能。

条件表达式(4)定义第一透镜子单元l5a的焦距与第二透镜子单元l5b的焦距的比。如果第二透镜子单元l5b具有在绝对值上比第一透镜子单元l5a小得多的焦距(或强得多的折光力)，使得条件表达式(4)的比超过其中定义的上限，那么由于离轴光线在高位置处通过第二透镜子l5b，所以第二透镜子单元l5b引起大的横向色差和像散。另一个透镜单元然后难以校正这样的像差。

相反地，如果第一透镜子单元l5a具有在绝对值上比第二透镜子单元l5b小得多的焦距(或强得多的折光力)，使得条件表达式(4)的比下降到低于其中定义的下限，则第一透镜子单元l5a发散离轴光线太强烈。因而反射器与第二透镜子单元l5b需要大的有效直径，以允许已经通过第一透镜子单元l5a并被该第一透镜子单元l5a发散的离轴光线通过其中而不渐晕。这样的有效直径的增大妨碍减小整个透镜系统的大小。

条件表达式(5)定义第五透镜单元l5的横向倍率。如果第五透镜单元l5的横向倍率太大，超过在条件表达式(5)中定义的上限，则第一透镜子单元l5a和第二透镜子单元l5b之间的间隔增大太多，这继而增大透镜系统的大小。相反地，如果第五透镜单元l5的横向倍率太小，下降到低于在条件表达式(5)中定义的下限，则位置灵敏度es4变得太小，该位置灵敏度es4是像平面的位置的位移量与第四透镜单元l4在光轴方向上的位移量的比并且是使用式子(a)获得的。作为结果，必须扩展第四透镜单元l4和第五透镜单元l5之间的间隔以创建第四透镜单元l4的聚焦行程所需要的空间。这因而增大总透镜长度。

条件表达式(6)定义从像平面到作为第五透镜单元l5的最靠近物体的透镜表面的基准表面的距离与从该基准表面到第一透镜单元l1的最靠近物体的透镜表面的距离的比。如果从像平面到第五透镜单元l5的最靠近物侧的透镜表面的距离太长，使得条件表达式(6)的比超过其中定义的上限，则在与入射光的光轴垂直的方向上被反射器弯曲之后的光路在长度上增大太多，引起透镜系统的大小增大。

相反地，如果从第五透镜单元l5的最靠近物体的透镜表面到第一透镜单元l1的最靠近物体的透镜表面的距离太长，使得条件表达式(6)的比下降到低于其中定义的下限，则这样的配置有助于实现高的变焦比，但在入射光的光轴方向上使透镜长度增大太多，阻碍总透镜长度的减小。

条件表达式(7)定义在第一透镜单元l1中的所有正透镜的材料的平均阿贝数。如果对于在第一透镜单元l1中的正透镜的材料的d线的平均阿贝数νd1p太大，超过在条件表达式(7)中定义的上限，则容易在望远端处校正轴向色差，但是对于典型的光学材料，折射率太小。

作为结果，正透镜的透镜表面需要具有大的曲率，这使得难以在望远端处校正球面像差，增大透镜厚度，增大总透镜长度，并且增大最前面透镜的有效直径。相反地，如果平均阿贝数νd1p太小，下降到低于在条件表达式(7)中定义的下限，那么正透镜的材料引起太多的色散，使得难以在望远端处校正轴向色差。

条件表达式(8)定义第二透镜单元l2的倍率比。如果第二透镜单元l2的倍率比太大，超过在条件表达式(8)中定义的上限，则第二透镜单元l2的变焦行程的长度增加，这继而增大总透镜长度。相反地，如果第二透镜单元l2的倍率比太小，下降到低于在条件表达式(8)中定义的下限，则难以实现高变焦比。

条件表达式(9)定义构成第二透镜单元l2的透镜的材料的平均折射率。如果构成第二透镜单元l2的透镜的平均折射率太大，超过在条件表达式(9)中定义的上限，则对于具有强的负折光力的第二透镜单元l2负珀兹伐(petzval)和变得太小。然后，对于整个透镜系统的珀兹伐和朝向正过度地增加。

作为结果，大的负场曲出现，降低整个变焦范围上的画面周边的光学性能。相反地，如果平均折射率太小，下降到低于在条件表达式(9)中定义的下限，那么构成第二透镜单元l2的负透镜需要具有过度小的曲率半径，因为第二透镜单元l2是最负责变焦的并因此需要强的负折光力。具有这样的大曲率的第二透镜单元l2产生大的场曲和像散，这些像差在变焦中变化非常大。

条件表达式(10)定义第三透镜单元l3的正折光力。如果第三透镜单元l3的焦距太长(或第三透镜单元l3的正折光力太弱)，使得条件表达式(10)的比超过其中定义的上限，则第三透镜单元l3不能充分地会聚已通过具有强的负折光力的第二透镜单元l2并且被该第二透镜单元l2发散的光线。这要求被放置在第三透镜单元l3的像侧的第四透镜单元l4和第五透镜单元l5的有效直径的过度增大，并因而妨碍减小整个透镜系统的大小。

相反地，如果第三透镜单元l3的焦距太短(或第三透镜单元l3的正折光力太强)，使得条件表达式(10)的比下降到低于其中定义的下限，则第三透镜单元l3引起如此多的诸如轴向色差、球面像差以及像散的像差，以至于难以校正它们。

条件表达式(11)定义第四透镜单元l4的正折光力。如果第四透镜单元l4的焦距太长(或第四透镜单元l4的正折光力太弱)，使得条件表达式(11)的比超过其中定义的上限，则第四透镜单元l4的横向倍率β4减小，这引起位置灵敏度es4的过度减少，该位置灵敏度es4是像平面的位置的位移量与第四透镜单元l4在光轴方向上的位移量的比并且是使用式子(a)获得的。小的位置灵敏度es4因而要求第四透镜单元l4移动更长以聚焦和变焦，这阻碍减小整个透镜系统的大小。

相反地，如果第四透镜单元l4的焦距太短(或第四透镜单元l4的正折光力太强)，使得条件表达式(11)的比下降到低于其中定义的下限，则第四透镜单元l4引起大的像差，诸如横向色差、场曲以及像散。然后，这些像差在聚焦中变化如此多以至于难以维持高光学性能。

更优选地，条件表达式(2)～(11)中的数字可如下设置。

7.2＜-f1/f2＜9.2…(2a)

-1.9(r5ar+r5af)/(r5ar-r5af)＜-1.0…(3a)

0.4＜|f5a/f5b|＜1.1…(4a)

1.35＜β5＜1.80…(5a)

0.24＜d5i/d15w＜0.35…(6a)

66.0＜vd1p＜85.0…(7a)

15.0＜β2t/β2w＜55.0…(8a)

1.93＜nd2a＜2.05…(9a)

5.0＜f3/fw＜7.5…(10a)

0.06＜f4/ft＜0.16…(11a)

再更优选地，在条件表达式(2a)～(11a)中的数字可如下设置，以确保有益效果被这些条件表达式实现。

7.3＜-f1/f2＜8.8…(2b)

-1.85＜(r5ar+r5af)/(r5ar-r5af)＜-1.10…(3b)

0.5＜|f5a/f5b|＜1.0…(4b)

1.40＜β5＜1.70…(5b)

0.25＜d5i/d15w＜0.30…(6b)

67.0＜vd1p＜82.0…(7b)

6.0＜β2t/β2w＜50.0…(8b)

1.95＜nd2a＜2.00…(9b)

5.2＜f3/fw＜7.0…(10b)

0.08＜f4/ft＜0.15…(11b)

在每个实施例中，第二透镜子单元l5b优选由单个正透镜组件组成。这里，透镜组件指由单个透镜形成的透镜，以及通过接合至少一个正透镜和至少一个负透镜形成的胶合透镜。第二透镜子单元l5b的这样的配置有助于减小整个透镜单元的大小和重量。

优选地，第三透镜单元l3包括至少一个正透镜和至少一个负透镜。这种配置有助于校正第三透镜单元l3中的色差并实现具有高变焦比的高光学性能。另外，第二透镜单元l2优选包括至少三个负透镜和至少一个正透镜。该配置有助于对诸如横向色差、场曲以及像散的像差的良好校正，允许减少这些像差在变焦中的变化。

当被配置为满足以上给出的条件表达式时，每个实施例的变焦透镜可容易地提供具有紧凑的透镜系统和高的变焦比的高光学性能。

在实施例1～3中，第一透镜单元l1和第三透镜单元l3不为变焦而移动，并且在从广角端变焦至望远端期间，第二透镜单元l2朝向像侧移动，第四透镜单元l4沿着向物侧凸起的轨迹移动。换句话说，在从广角端变焦至望远端期间，第四透镜单元l4朝向物侧移动并然后朝向像侧移动。在实施例4中，第三透镜单元l3不为变焦而移动，并且在从广角端变焦至望远端期间，第一透镜单元l1朝向物侧移动，第二透镜单元l2朝向像侧移动，并且第四透镜单元沿着向物侧凸起的轨迹移动。换句话说，在从广角端变焦至望远端期间，第四透镜单元l4朝向物侧移动并然后朝向像侧移动。

在实施例5中，第一透镜单元l1不为变焦而移动，而第三透镜单元l3在变焦期间移动。在从广角端变焦至望远端期间，第二透镜单元l2朝向像侧移动，并且第四透镜单元l4沿着向物侧凸起的轨迹移动。换句话说，在从广角端变焦至望远端期间，第四透镜单元l4朝向物侧移动，然后朝向像侧移动。

接下来，描述每个实施例的变焦透镜的具体配置。除非另外指明，否则透镜按照从物侧到像侧的顺序被布置。在实施例1中，在从广角端变焦至望远端期间，第二透镜单元l2朝向像侧移动以执行变焦，并且第四透镜单元l4移动以执行聚焦以及校正由变焦引起的像平面变化。第一透镜单元l1不为变焦而移动。第一透镜单元l1的不为变焦而移动的该配置简化了变焦机构。

第三透镜单元l3不为变焦而移动。第三透镜单元l3的不为变焦而移动的该配置简化了变焦机构。第五透镜单元l5不为变焦而移动。孔径光阑sp被放置在第三透镜单元l3的物侧。孔径光阑sp不为变焦而移动。孔径光阑sp的孔径直径在变焦期间是可变化的，使得可以在从中间变焦位置到望远端的范围中阻挡不想要的耀斑光，以维持用于高变焦比的良好的光学性能。

实施例2具有与实施例1相同的变焦机构和聚焦机构。孔径光阑sp的用于变焦的移动条件表达式与实施例1中的相同。实施例3具有与实施例1相同的变焦机构和聚焦机构。孔径光阑sp的用于变焦的移动条件与在实施例1中的相同。

实施例4与实施例1不同在于，第一透镜单元l1在变焦期间以使得第一透镜单元l1在望远端处比在广角端处位于更靠近物侧的方式移动。其他透镜单元的用于变焦和聚焦的移动条件与在实施例1中的相同。孔径光阑sp的用于变焦的移动条件与在实施例1中的相同。

在实施例4中，第一透镜单元l1在变焦期间移动以缩短为获得充足的变焦所需的第二透镜单元l2的变焦行程的长度，以及由此有助于在广角端处减小总透镜长度。作为结果，可以减少其有效直径由广角端处的光线确定的最前面透镜(即，第一透镜单元l1)和第二透镜单元l2的直径，以有助于减小整个透镜系统的大小。

实施例5与实施例1的不同在于，第三透镜单元l3移动以变焦。其它透镜单元的用于变焦和聚焦的移动条件与在实施例1中的相同。孔径光阑sp与第三透镜单元l3一体地(沿相同轨迹地)移动以变焦。在实施例5中，移动以变焦的第三透镜单元l3的配置增大了用于像差校正的自由度的数目，使得可以良好地校正由变焦引起的像差(诸如色差、场曲以及像散)的变化。第三透镜单元l3的上述配置还有助于为第四透镜单元l4的聚焦行程创建空间。

孔径光阑sp可以可替代地独立于第三透镜单元l3(沿不同的轨迹)移动以变焦。该配置使得能够减小光阑的直径以及在中间变焦位置处良好地阻挡离轴耀斑光。

接下来，描述在每个实施例中的透镜单元的配置。在实施例1中，第一透镜单元l1按照从物侧到像侧的顺序包括：通过将具有面向物侧的凸表面的负弯月透镜与具有面向物侧的凸表面的正透镜接合而形成的胶合透镜，以及每个均具有面向物侧的凸表面的两个正弯月透镜。第一透镜单元l1的包括一个负透镜和三个正透镜的该配置使得能够良好地校当在尝试高变焦比时在望远端处增大的像差(诸如球面像差、轴向色差以及横向色差)。

第二透镜单元l2按照从物侧到像侧的顺序包括：具有面向像侧的凹表面的负透镜、负双凹透镜组件以及通过将正的双凸透镜和负透镜接合而形成的并整体上具有正折光力的胶合透镜。在实施例1中，负的双凹透镜组件由单个负透镜组成。负透镜组件的由单个负透镜组成的该配置实现了重量的减少。第三透镜单元l3按照从物侧到像侧的顺序包括：具有非球面的正双凸透镜以及具有面向物侧的凸表面的负弯月透镜。第三透镜单元l3的包括两个透镜的该配置实现了总透镜长度的减小。

第四透镜单元l4包括胶合透镜，该胶合透镜由正双凸透镜和具有面向像侧的凸表面的负弯月透镜形成并整体上具有正折光力。第四透镜单元l4的该配置减少了由变焦和聚焦引起的像差(诸如色差、场曲以及像散)的变化。另外，第四透镜单元l4的由通过将正透镜和负透镜胶合在一起形成的单个透镜组件组成的配置实现了第四透镜单元l4的可组装性和厚度减小，有助于减小整个系统的大小。此外，由于第四透镜单元l4的最靠近物体的透镜表面是非球面的，所以由变焦和聚焦引起的场曲和像散的变化被减少。

第五透镜单元l5按照从物侧到像侧的的顺序包括：具有负折光力的第一透镜子单元l5a、使光路弯曲的反射器以及具有正折光力的第二透镜子单元l5b。第一透镜子单元l5a由具有面向物侧的凸表面的负弯月透镜组成。第二透镜子单元l5b由单个正透镜组成。使光路弯曲的反射器由具有内反射表面的棱镜形成。棱镜的光入射表面和光发射表面可以形成为具有折光力的球形表面或非球形表面。这样的配置增加了对于像差校正的自由度的数目。

在实施例2中，第一透镜单元l1、第二透镜单元l2、第四透镜单元l4以及第五透镜单元l5具有与实施例1中的透镜配置相同的透镜配置。在实施例2中，第三透镜单元l3按照从物侧到像侧的顺序包括：具有非球面的正双凸透镜、具有面向物侧的凸表面的负弯月透镜以及具有面向像侧的凸表面的正透镜。第三透镜单元l3的该三透镜配置有助于良好地校正球面像差和场曲，并且因此在整个变焦范围上提供具有高变焦比的高光学性能。

在实施例3中，第一透镜单元l1、第三透镜单元l3、第四透镜单元l4以及第五透镜单元l5具有与实施例1中的透镜配置相同的透镜配置。在实施例3中，第二透镜单元l2按照从物侧到像侧的顺序包括：具有面向像侧的凹表面的负透镜、负双凹透镜组件以及通过将正双凸透镜和负透镜接合而形成的并在整体上具有正折光力的胶合透镜。

在实施例3中，第二透镜单元l2中的负双凹透镜组件是通过将具有面向物侧的凹表面的正弯月透镜与具有面向物侧的凹表面的负透镜接合而形成的胶合透镜。负透镜组件由胶合透镜形成的该配置增加了对于色差校正的自由度的数目，并且有助于减少变焦中横向色差的变化。

在实施例4中，第一透镜单元l1、第三透镜单元l3以及第四透镜单元l4具有与实施例1中的透镜配置相同的透镜配置。在实施例4中，第二透镜单元l2按照从物侧到像侧的顺序包括：具有面向像侧的凹表面的负透镜、负双凹透镜组件以及通过将正双凸透镜和负透镜接合而形成的并在整体上具有正折光力的胶合透镜。

在实施例4中，第二透镜单元l2中的负双凹透镜组件是通过将具有面向物侧的凹表面的正弯月透镜与具有面向物侧的凹表面的负透镜接合而形成的胶合透镜。负透镜组件的由胶合透镜形成的该配置增加了对于校正色差的自由度的数目，并有助于减少变焦中横向色差的变化。

在实施例4中，第一透镜子单元l5a具有与实施例1中的透镜配置相同的透镜配置，但是第二透镜子单元l5b是通过将负透镜和正透镜接合而形成的并在整体上具有正折光力的胶合透镜。利用胶合透镜形成第二透镜子单元l5b减少了变焦中横向色差的变化。另外，在实施例4中，使得透镜表面中的一个被制成非球面，以有效地校正在变焦中场曲和像散的变化。

在实施例5中，第一透镜单元l1、第二透镜单元l2、第三透镜单元l3、第四透镜单元l4以及第五透镜单元l5具有与实施例1中的透镜配置相同的透镜配置。在实施例5中，第二透镜单元l2的至少一个透镜表面是非球面的，以便良好地校正由变焦引起的场曲和像散的变化。

以上已经给出了本发明的优选实施例。然而，本发明不限于这些实施例，并且可以在不脱离其主旨的情况下进行各种修改和改变。

接下来，使用图12描述使用本发明的变焦透镜的摄像机(图像拾取装置)的实施例。

在图12中，“10”指示摄像机主体，“11”指示由实施例1～5中任一个的变焦透镜形成的图像拾取光学系统，“12”指示固态图像拾取元件(光电转换元件)，诸如ccd传感器或cmos传感器，其被并入在摄像机主体10中并且被配置为接收由图像拾取光学系统11形成的被摄体图像，“13”指示由液晶面板等形成的用于观察由固态图像拾取元件12光电转换的被摄体图像的监视器。当本发明的变焦透镜应用于图像拾取装置时，可以实现小型且提供高光学性能的诸如摄像机的图像拾取装置。

在实施例3～5中，在广角端附近引起大的负畸变，使得图像拾取元件在广角端处比在其他变焦位置处具有更小的图像拾取范围。换句话说，实施例3～5的变焦透镜在广角端处或附近比在其它变焦位置(望远端)处具有更小的有效图像直径(图像高度)。当在图像拾取装置中使用实施例3～5中任一个的变焦透镜时，可以采用处理由图像拾取元件获得的图像数据的信号处理电路来电校正由图像拾取装置获得的图像信息中的畸变，使得输出图像可以包含更少的畸变。

当如上所述被配置时，每个实施例的变焦透镜可以具有紧凑的光学系统，具有高的变焦比，并且在整个变焦范围上提供高光学性能。另外，如图11所示，通过在第一透镜子单元l5a和第二透镜子单元l5b之间包括反射器，以使来自物侧的光弯曲，每个实施例的变焦透镜有助于减小照相机在其厚度方向上的大小。

接下来，论证分别对应于本发明的实施例1～5的数值数据1～5。在每个数值数据中，“i”表示从物侧开始的光学表面的序号，“ri”表示第i个光学表面(或简单地，第i表面)的曲率半径，“di”表示第i表面和第(i+1)表面之间的间隔，ndi和νdi分别表示第i表面和第(i+1)表面之间的光学构件的材料的d线的折射率和阿贝数。

另外，利用“k”表示偏心率，“a4”、“a6”、“a8”、“a10”表示非球面系数，“x”表示在距光轴高度h处的沿着光轴的距表面顶点的位移，非球面形状被如下表达：

x＝(h²/r)/[1+[1-(1+k)(h/r)²]^1/2]+a4h⁴+a6h⁶+a8h⁸+a10h¹⁰

其中r表示旁轴曲率半径。

例如，“e-z”指示“10^-z”。另外，数值数据1中的r25和r26、数值数据2中的r27和r28、数值数据3中的r26和r27以及数值数据5中的r25和r26分别是反射器的入射表面和发射表面。在数值数据1至5中，最后两个表面是诸如滤光器或面板的光学块的表面。

在每个实施例中，后焦距(bf)表示从最后面的透镜表面到旁轴像平面的在空气中的距离。总透镜长度是后焦距bf和从最靠近物体的透镜表面到最后面的透镜表面的距离的总距离。表1示出条件表达式(1)～(11)和数值数据1～5之间的对应关系。

[数值数据1]

[单位:mm]

表面数据

非球面数据

第16表面

k＝-5.92505e-001

a4＝-2.62511e-005

a6＝1.63395e-007

a8＝-1.05446e-009

第17表面

k＝-4.09575e+000

a4＝8.04077e-005

a6＝-2.94823e-007

第20表面

k＝-2.21757e+000

a4＝5.45268e-005

a6＝-1.17004e-006

各种数据

变焦透镜单元数据

第5透镜单元数据

单元开始表面焦距

5a23-13.73

5b2726.55

[数值数据2]

[单位:mm]

表面数据

非球面数据

第16表面

k＝-5.70653e-001

a4＝-1.19024e-005

a6＝-5.25474e-008

a8＝1.89021e-009

第17表面

k＝-2.76204e+002

a4＝5.71529e-006

a6＝1.42548e-007

第22表面

k＝-1.66727e+000

a4＝2.80706e-005

a6＝-4.99735e-007

各种数据

变焦透镜单元数据

第5透镜单元数据

单元开始表面焦距

5a25-9.08

5b2912.12

[数值数据3]

[单位:mm]

表面数据

非球面数据

第17表面

k＝-5.60023e-001

a4＝-1.74736e-005

a6＝7.47031e-008

a8＝4.61435e-010

a10＝3.61807e-012

第18表面

k＝-1.02773e+001

a4＝4.96465e-005

a6＝-1.58566e-008

第21表面

k＝-2.12509e+000

a4＝9.38800e-005

a6＝-4.21590e-007

各种数据

变焦透镜单元数据

第5透镜单元数据

单元开始表面焦距

5a24-12.31

5b2818.96

[数值数据4]

[单位:mm]

表面数据

非球面数据

第17表面

k＝-6.85314e-001

a4＝4.88600e-007

a6＝1.75062e-008

a8＝6.87319e-010

a10＝-6.78625e-012

第18表面

k＝-2.56380e+001

a4＝4.34115e-005

a6＝-1.62230e-007

第21表面

k＝-9.99808e-001

a4＝6.77253e-006

a6＝-3.01779e-008

a8＝1.66360e-009

第28表面

k＝-1.57848e+000

a4＝-5.19192e-005

a6＝4.40893e-007

各种数据

变焦透镜单元数据

第5透镜单元数据

单元开始表面焦距

5a24-14.82

5b2615.56

[数值数据5]

[单位:mm]

表面数据

非球面数据

第9表面

k＝-1.46424e-001

a6＝-7.57898e-007

a8＝2.90676e-008

第16表面

k＝-9.40436e-001

a4＝3.75799e-005

a6＝-3.80078e-007

a8＝1.13048e-008

第17表面

k＝-2.48207e+002

a4＝-3.08650e-005

a6＝9.95002e-007

第20表面

k＝2.35209e+000

a4＝-1.94932e-004

a6＝-4.64176e-006

各种数据

变焦透镜单元数据

第5透镜单元数据

单元开始表面焦距

5a23-11.17

5b2715.12

表1

虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是应该理解本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释以包括所有这样的变更方式以及等同的结构及功能。