可变焦距透镜系统和图像捕获设备的制作方法

专利名称：可变焦距透镜系统和图像捕获设备的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及一种可变焦距透镜系统和包括可变焦距透镜系统的图像捕获设备，并且特别地涉及一种变焦比大于10的可变焦距透镜系统和包括可变焦距透镜系统的图像捕获设备，比如摄像机或数字静态相机。
背景技术：
为了记录相机中的主题图像，已知一种用于通过利用包括光电变换器(比如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS))的图像拾取设备将主题图像的光强度转换为电输出以记录主题图像的方法。
近年来，微型制造技术已经被广泛开发。由此，中央处理单元(CPU)的速度已经增加并且记录介质的密度已经增加。因此，以前不能处理的大量的图像数据现在可以高速处理。此外，光接收元件的密度已经增加，同时光接收元件的尺寸减小。光接收元件增加的密度允许相机记录高空间频率的图像。光接收元件降低的尺寸允许相机体部尺寸减小。
但是，光接收元件增加的密度和降低的尺寸使每个光电变换器的光接收区域减小，并且因此，电输出的强度减小。因此，电输出上的噪声影响增加。为了降低噪声影响，通过增加光学系统的孔径比或紧接在每个光接收元件之前安装微透镜元件，形成所谓的“微透镜阵列”来增加由光接收元件接收的光量。尽管微透镜阵列将相邻光接收元件之间的光线引导到光接收元件，但是微透镜阵列约束了透镜系统出射光瞳的位置。当透镜系统出射光瞳的位置靠近光接收元件时，即是，当光线和到达光接收元件的主光线的光轴之间的角度较大时，朝着屏幕外围传播的轴外光线和光轴之间的角度变得较大。结果，轴外光线没有达到光接收元件，并且因此，未接收到足够的光量。
近年来，随着数码相机变得越来越广泛使用，要求数码相机满足广泛的用户需要。
可变放大比大于10的变焦透镜允许相机捕获主题显著放大的图像。特别地，由于固定透镜相机的用户不能交换透镜，一些用户要求高可变放大比的透镜系统，即使增加了相机体部的尺寸。
例如，日本未审查专利申请公开No.2005-215385、日本未审查专利申请公开No.2003-295059和日本未审查专利申请公开No.2005-128186描述了可变放大比大于10的变焦透镜。
在日本未审查专利申请公开No.2005-215385和2003-295059中描述的变焦透镜包括从对象侧起按以下顺序的具有正折光力的第一透镜组、具有负折光力的第二透镜组、具有正折光力的第三透镜组、和具有正折光力的第四透镜组。当透镜变焦位置从广角位置变化到长焦位置时，第一透镜组朝对象侧移动，第二透镜组朝图像平面侧移动，第三透镜组暂时朝对象侧移动并接着朝对象侧移动，并且第四透镜组暂时朝对象侧移动并接着朝图像平面侧移动。此外，在日本未审查专利申请公开No.2005-215385描述的变焦透镜中，可独立地从其它透镜组移动位于第二透镜组和第三透镜组之间的孔径光阑。
日本未审查专利申请公开No.2005-128186中描述的变焦透镜包括从对象侧起按以下顺序的具有正折光力的第一透镜组、具有负折光力的第二透镜组、具有正折光力的第三透镜组、和具有正折光力的第四透镜组。当透镜位置从广角位置变化到长焦位置时，第一和第三透镜组在光轴方向上静止，第二透镜组朝图像平面侧移动，并且第四透镜组移动以便补偿由于第二透镜组的移动所引起的图像平面位置的变化。

发明内容
但是，在已知的变焦透镜中，只有第二透镜组负责放大操作，这是有问题的。
为此，对照透镜变焦位置的变化，在第二透镜组中出现的轴外象差的变化是显著的。由此，同时达到高可变放大率和高性能是困难的。
此外，在已知变焦透镜中，只有第三透镜组负责校正大部分象差的操作，这是有问题的。
这是因为，尽管第三透镜组具有强的正折光力，但是第三透镜组需要包括具有正折光力的正分组和具有负折光力的负分组。
为了会聚从第二透镜组输出的强发散光束，第三透镜组具有强折光力。同时，因为只有第二透镜组具有负折光力，所以第三透镜组包括具有正折光力的正分组和具有负折光力的负分组，以便充分校正趋于出现在广角位置的负失真。
因此，布置在第三透镜组中的正分组具有强折光力。同时，由于负分组和正分组变为偏心的，所以性能显著恶化。
由此，本发明提供了一种可同时提供高性能和高可变放大率的可变焦距透镜系统和包括可变焦距透镜系统的图像捕获设备。
根据本发明的一个实施例，可变焦距透镜系统包括从对象侧到图像平面侧按以下顺序设置的具有正折光力的第一透镜组、具有负折光力的第二透镜组、具有正折光力的第三透镜组、具有正折光力的第四透镜组、以及第五透镜组。当透镜变焦位置从可变焦距透镜系统的焦距最短的广角位置变化到所述焦距最长的长焦位置时，至少第一到第四透镜组是可移动的，并且第二透镜组朝图像平面侧移动且第三透镜组朝对象侧移动，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离增加，以及第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小，并且第四透镜组沿着光轴方向移动以便补偿由每个透镜组的移动所引起的图像平面的位置变化。第五透镜组包括具有负折光力的负分组和位于负分组的图像平面侧处并具有正折光力的正分组，并满足下面的条件表达式(1)0.5＜(β2t/β2w)/Z＜0.85 ... (1)其中β2t＝第二透镜组在长焦位置处的横向放大率，β2w＝第二透镜组在广角位置处的横向放大率，和Z＝变焦比。
根据本发明的另一个实施例，一种图像捕获设备包括上述的可变焦距透镜系统和用于将通过可变焦距透镜系统形成的光学图像转换为电信号的图像传感器。
根据本发明，实现了可同时提供高光学性能和高可变放大率的可变焦距透镜系统和包括可变焦距透镜系统的图像捕获设备。


图1说明根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统的折光力布置；图2说明根据本发明的第一示例实施例的可变焦距透镜系统的示例透镜结构；图3说明根据第一数字实施例的象差曲线图(在广角位置处的球面象差、象散、失真和横向象差)，其中将特定值应用到根据第一示例实施例的可变焦距透镜系统；图4说明根据第一数字实施例的在中间聚焦位置处的球面象差曲线图、象散曲线图、失真曲线图和横向象差曲线图；图5说明根据第一数字实施例的在长焦位置处的球面象差曲线图、象散曲线图、失真曲线图和横向象差曲线图；图6说明根据本发明的第二示例实施例的可变焦距透镜系统的示例透镜结构；图7说明根据第二数字实施例的象差曲线图(在广角位置处的球面象差、象散、失真和横向象差)，其中将特定值应用到根据第二示例实施例的可变焦距透镜系统；图8说明根据第二数字实施例的在中间聚焦位置处的球面象差曲线图、象散曲线图、失真曲线图和横向象差曲线图；图9说明根据第二数字实施例的在长焦位置处的球面象差曲线图、象散曲线图、失真曲线图和横向象差曲线图；图10说明根据本发明的第三示例实施例的可变焦距透镜系统的示例透镜结构；图11说明根据第三数字实施例的象差曲线图(在广角位置处的球面象差、象散、失真和横向象差)，其中将特定值应用到根据第三示例实施例的可变焦距透镜系统；
图12说明根据第三数字实施例的在中间聚焦位置处的球面象差曲线图、象散曲线图、失真曲线图和横向象差曲线图；图13说明根据第一数字实施例的在长焦位置处的球面象差曲线图、象散曲线图、失真曲线图和横向象差曲线图；图14说明图示了出射光瞳的位置的光路图；和图15是根据本发明的示例实施例的图像捕获设备的框图。
具体实施例方式
下面参考附图描述根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统和图像捕获设备。
通过下面第一到第六实施例来实现本发明的可变焦距透镜系统。
第一示例实施例根据第一示例实施例的变焦透镜包括从对象侧按以下顺序设置的具有正折光力的第一透镜组、具有负折光力的第二透镜组、具有正折光力的第三透镜组、具有正折光力的第四透镜组、以及第五透镜组。当透镜变焦位置从焦距最小的广角位置变化到所述焦距最大的长焦位置时，至少第一到第四透镜组是可移动的。第二透镜组朝图像平面侧移动且第三透镜组朝对象侧移动，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离增加，以及第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小。第四透镜组沿着光轴方向移动以便补偿由透镜组的移动所引起的图像平面的位置变化。第五透镜组包括具有负折光力的负分组和位于负分组的图像平面侧处并具有正折光力的正分组。此外，满足下面的条件表达式0.5＜(β2t/β2w)/Z＜0.85 ... (1)其中β2t＝第二透镜组在长焦位置处的横向放大率，β2w＝第二透镜组在广角位置处的横向放大率，和Z＝变焦比。
因此，根据本示例实施例，可变焦距透镜系统通过在执行可变放大时降低作用于第二透镜组的响应性水平来同时提供高可变放大率和高性能。
第二示例实施例根据第二示例实施例，可变焦距透镜系统类似于根据第一示例实施例的可变焦距透镜系统。让f5n表示包括在第五透镜组中的负分组的焦距，并且fw表示广角位置处整个透镜系统的焦距。那么，可变焦距透镜系统还满足下面的条件表达式2.5＜|f5n|/fw＜5 ... (2)因此，可进一步增加性能。
第三示例实施例根据第三示例实施例，可变焦距透镜系统类似于根据第一实施例或第二实施例的可变焦距透镜系统。但是，第五透镜组在光轴方向上是静止的，与透镜变焦位置无关。因此，简化了透镜镜筒结构。
第四示例实施例根据第四示例实施例，可变焦距透镜系统类似于根据第一实施例或第二实施例的可变焦距透镜系统。但是，孔径光阑位于第三透镜分组附近。让Dsw表示在广角位置处孔径光阑和图像平面之间的距离，并且TLw表示在广角位置处透镜系统的总长度。那么，可变焦距透镜系统进一步满足下面的条件表达式0.3＜Dsw/TLw＜0.4 ...(3)因此，可同时实现透镜直径的降低和高性能。
第五示例实施例根据第五示例实施例，可变焦距透镜系统类似于根据第一实施例或第二实施例的可变焦距透镜系统。但是，可变焦距透镜系统进一步满足下面的条件表达式0.25＜1/|β2t|＜0.45 ... (4)因此，可进一步增加性能。
第六示例实施例根据第六示例实施例，可变焦距透镜系统类似于根据第一实施例或第二实施例的可变焦距透镜系统。但是，让R5n表示包括在第五透镜组的负透镜分组中并最靠近图像平面的透镜的透镜表面的曲率半径，并且Bf表示包括在第五透镜组的正透镜分组中并最靠近图像平面的透镜和图像平面之间的距离。那么，可变焦距透镜系统进一步满足下面的条件表达式
0.8＜R5n/Bf＜1.5 ...(5)因此，可进一步增加性能。
可通过下面第七到第八示例实施例来实现本发明的图像捕获设备。
第七示例实施例根据第七示例实施例，图像捕获设备包括可变焦距透镜系统和用于将由可变焦距透镜系统形成的光学图像转换为电信号的图像拾取设备。可变焦距透镜系统包括从对象侧按以下顺序设置的具有正折光力的第一透镜组、具有负折光力的第二透镜组、具有正折光力的第三透镜组、和具有正折光力的第四透镜组、以及第五透镜组。当透镜变焦位置从焦距最小的广角位置变化到所述焦距最大的长焦位置时，至少第一到第四透镜组是可移动的。第二透镜组朝图像平面侧移动且第三透镜组朝对象侧移动，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离增加，以及第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小。第四透镜组沿着光轴方向移动以便补偿由透镜组的移动所引起的图像平面的位置变化。第五透镜组包括具有负折光力的负分组和位于负分组的图像平面侧处并具有正折光力的正分组。此外，满足下面的条件表达式0.5＜(β2t/β2w)/Z＜0.85 ... (1)其中β2t＝第二透镜组在长焦位置处的横向放大率，β2w＝第二透镜组在广角位置处的横向放大率，和Z＝变焦比。
因此，根据本示例实施例，利用高放大比可捕获高质量的图像。
第八示例实施例根据第八示例实施例，图像捕获设备类似于根据第七示例实施例的图像捕获设备。但是让f5n表示包括在第五透镜组中的负分组的焦距，并且fw表示广角位置处整个透镜系统的焦距。那么，满足下面的条件表达式2.5＜|f5n|/fw＜5 ... (2)因此，可进一步增加图像捕获设备的性能。
尽管已经结合上述的示例实施例描述了根据本发明的可变焦距透镜系统和图像捕获设备，但是会理解，它们不旨在将本发明限制于这些实施例。相反，本发明旨在覆盖可包括在本发明的精神和范围内的替换、修改和等效物。
接下来更详细地描述可变焦距透镜系统。
根据本发明的示例实施例，可变焦距透镜系统包括从对象侧按以下顺序设置的具有正折光力的第一透镜组、具有负折光力的第二透镜组、具有正折光力的第三透镜组、具有正折光力的第四透镜组、以及第五透镜组。
当变焦透镜位置从焦距最小的广角位置变化到所述焦距最大的长焦位置时，至少第一到第四透镜组是可移动的。第二透镜组朝图像平面侧移动且第三透镜组朝对象侧移动，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离增加，以及第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小。第四透镜组沿着光轴方向移动以便补偿由透镜组的移动所引起的图像平面的位置变化。
此外，第五透镜组包括具有负折光力的负分组和位于负分组的图像平面侧处并具有正折光力的正分组。此外，满足下面的条件表达式0.5＜(β2t/β2w)/Z＜0.85 ... (1)其中β2t＝第二透镜组在长焦位置处的横向放大率，β2w＝第二透镜组在广角位置处的横向放大率，和Z＝变焦比。
根据本发明的示例实施例，通过利用下面的结构，可变焦距透镜系统可同时提供高放大比和高性能。接下来详细描述该结构。
根据本发明的示例实施例，可变焦距透镜系统可通过实现下面两点来同时提供高放大比和高性能(1)当透镜变焦位置从广角位置变化到长焦位置时第三透镜组朝对象侧移动；和(2)第五透镜组包括具有负折光力的负分组和具有正折光力的正分组。
根据本发明的示例实施例，为了可变焦距透镜系统同时提供高放大比和高性能，在执行可变放大中分配给第二透镜组的响应性水平降低。术语“在执行可变放大中分配给第二透镜组的响应性水平”是指β2t/β2w，其是第二透镜组在长焦位置处的横向放大率β2t与第二透镜组在广角位置处的横向放大率β2w的比率。这里，比率β2t/β2w降低。
随着比率β2t/β2w增加，当透镜变焦位置变化时第二透镜组的横向放大率变化较大。即是，依照可变焦距透镜系统放大率的变化，各种象差的变化容易出现。特别地，随着放大比变高，比率β2t/β2w变得更高且第一透镜组和第二透镜组之间的距离上的变化变得更大。由此，整个透镜系统的尺寸增加。为此，随着放大比增加，第二透镜组的折光力增加。因此，同时提供高放大比和高性能是困难的。
因此，根据本发明的示例实施例，当透镜变焦位置从广角位置变化到长焦位置时，可变焦距透镜系统通过将第三透镜组朝对象侧移动来有效地改变第二透镜组和第三透镜组之间的距离。即是，通过显著地改变第三透镜组的横向放大率来解决该问题。
当将第三透镜组朝对象侧移动时，比率β3t/β3w增加，其中β3w表示第三透镜组在广角位置处的横向放大率并且β3t表示第三透镜组在长焦位置处的横向放大率。由此，比率β2t/β2w减小，并且因此，第二透镜组的负折光力可减小。通过这种方式，当透镜变焦位置变化时所出现的各种象差变化可被显著地校正。
当考虑另一方面时，在已知的变焦透镜中，只有第三透镜组校正大部分的各种象差，这是有问题的。
但是，在根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统中，由于第五透镜组位于第四组的图像平面侧上，可简化第三透镜组的透镜结构。因此，可变焦距透镜系统可同时提供高放大比和高性能。
接下来描述第五透镜组的结构。
通常，轴外光线朝光学系统的末端(对象侧上或图像平面侧上的末端)移动地更远离轴。
根据本发明的示例实施例，在这个现象的基础上，可变焦距透镜系统通过将第五透镜组放置在第四透镜组的图像平面侧上来在校正象差时降低第三透镜组的负载。特别地，当可变焦距透镜系统包括第五透镜组，该第五透镜组包括具有负折光力的负分组和位于负分组的图像平面侧处并具有正折光力的正分组时，可变焦距透镜系统可在校正象差时降低第三透镜组的负载。因此，可变焦距透镜系统可同时提供高放大比和可靠的光学质量。
根据本发明的示例实施例，可变焦距透镜系统的第五透镜组具有以下两个特征。
一个特征是调整出射光瞳的位置。出射光瞳的位置和图像平面之间的距离可通过在具有负折光力的负分组和位于负分组的图像平面侧处并具有正折光力的正分组之间放置一个空隙来增加。即是，主光线可到达图像平面，其传播方向基本上与光轴平行。
另一个特征是校正失真。易于在广角位置上出现的负失真可通过将具有负折光力的负分组的透镜强凹面指向图像平面侧而被充分地校正。
结果，根据本发明的示例实施例，可变焦距透镜系统可增加透镜系统在第五透镜组的对象侧上放置的出射光瞳的位置的范围。特别地，可自由确定离开第三透镜组的主光线和光轴之间的角度。此外，第三透镜组不需要校正负失真，并且因此，第三透镜组可仅由正分组构成。因此，可简化第三透镜组的结构。
根据上述两个特征，可变焦距透镜系统可同时提供高放大比和高性能。
根据本发明的示例实施例，可变焦距透镜系统需要满足上述条件表达式(1)0.5＜(β2t/β2w)/Z＜0.85。该条件表达式(1)定义了当透镜变焦位置变化时第二透镜组的横向放大比的变化范围。
如果(β2t/β2w)/Z超过条件表达式(1)的上限，则当透镜变焦位置变化时第二透镜组的横向放大比的变化太大。由此，可变焦距透镜系统不能根据透镜变焦位置的变化来校正由第三透镜组引起的轴外象差的变化。
相反，如果(β2t/β2w)/Z低于条件表达式(1)的下限，则当透镜变焦位置变化时第三透镜组的横向放大比的变化较大。由此，可变焦距透镜系统不能根据透镜变焦位置的变化来校正由第三透镜组引起的轴上象差的变化。
根据本发明的示例实施例，为了进一步增加性能，所期望的是可变焦距透镜系统满足下面的条件表达式
2.5＜|f5n|/fw＜5 ... (2)其中f5n＝包括在第五透镜组中的负分组的焦距，和fw＝在广角位置处整个变焦透镜的焦距。
条件表达式(2)定义了位于第五透镜组中的负分组的焦距的范围。
如果|f5n|超过条件表达式(2)的上限，则可变焦距透镜系统难以充分校正在广角位置处出现的负失真。相反，如果|f5n|低于条件表达式(2)的下限，则负分组可显著地发散光线。由此，出射光瞳的位置是正的。即是，如图14所示，由于到达图像平面的主光线靠近光轴，穿过第五透镜组的轴外光线从光轴分离，并且因此，可变焦距透镜系统难以充分校正在屏幕的外围部分处出现的彗形象差。
为了进一步减小可变焦距透镜系统的长度，所期望的是条件表达式(2)的下限是3。
此外，为了减少可移动透镜组的数量并简化可变焦距透镜系统的透镜镜筒结构，所期望的是第五透镜组在光轴方向上是静止的，与透镜变焦位置无关。
此外，为了达到透镜直径降低和高性能之间的良好平衡，所期望的是，可变焦距透镜系统的孔径光阑位于第三透镜分组附近。
通常，当透镜放置地离孔径光阑越远，轴外光线穿过透镜的位置离光轴就越远。因此，所期望的是，孔径光阑精确位于透镜系统的中心点或在中心点附近。此外，为了充分校正当透镜变焦位置变化时出现的轴外象差的变化，当透镜变焦位置变化时需要显著地改变轴外光线穿过每个透镜组的高度。
特别地，如果至少一个可移动透镜组放置在对象侧和孔径光阑的图像平面侧上，使得每个透镜组和孔径光阑之间的距离改变，则可充分校正当透镜变焦位置变化时出现的轴外象差的变化。
在根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统中，由于孔径光阑位于第三分组附近，当可变焦距透镜系统的透镜变焦位置从广角位置变化到长焦位置时，光轴和穿过第二透镜组的轴外光线之间的距离减小。因此，穿过第一和第四透镜组的轴外光线的高度变化，并且因此，可提高可变焦距透镜系统的性能。
特别地，根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统可通过满足下面的条件表达式来减小透镜的直径并提高其性能0.3＜Dsw/TLw＜0.4 ... (3)其中Dsw＝在广角位置处孔径光阑和图像平面之间的距离，和TLw＝在广角位置处透镜系统的总长度。
条件表达式(3)确定在广角位置处孔径光阑的位置。
如果Dsw/TLw低于条件表达式(3)的下限，则在广角位置处孔径光阑的位置朝图像平面侧改变。由此，穿过第一透镜组的轴外光线远离光轴，并且因此，透镜直径不能充分减小。
相反，如果值Dsw/TLw超过条件表达式(3)的上限，则孔径光阑和第二透镜组之间的距离减小。由此，第二透镜的折光力太强。结果，难以充分校正由视场角的变化引起的慧形象差的变化，并且因此，性能不能充分提高。
在根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统中，孔径光阑与第三透镜组一起移动。因此，简化了透镜镜筒的结构。
此外，为了实现高的光学性能和透镜直径的降低，所期望的是当将对象聚焦在离可变焦距透镜系统非常短的距离时第四透镜组在光轴方向上移动。
当移动第二透镜组以便将对象聚焦在离可变焦距透镜系统非常短的距离时，第二透镜组的横向放大率应当在-1和0的范围内，而与透镜变焦位置无关。这是因为可变焦距透镜系统不能在透镜变焦位置将对象聚焦在离可变焦距透镜系统非常短的距离，在透镜变焦位置处第二透镜组的横向放大率是-1，并且如果第二透镜组的横向放大率小于-1，则使移动方向反向。
因此，当变焦比越高时，广角位置处的第二透镜组的横向放大率越接近零。即是，由于第二透镜组的折光力增加，所以难以充分校正由视场角在广角位置处的变化所引起的轴外象差的变化。
但是，根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统当将对象聚焦在离可变焦距透镜系统非常短的距离时移动第四透镜组。因此，移除了对第二透镜组的横向放大率的约束。第二透镜组的横向放大率的范围在广角位置处为-1到0之间并且在长焦位置处小于或等于-1。因此，图像与实物大小一样的位置(即放大率为-1)存在于广角位置和长焦位置之间。
结果，为了将对象的图像平面的位置维持在有限的常数，在广角位置处的第四透镜组的移动方向与长焦位置处相反。因此，在长焦位置处，第三透镜组和第四透镜组之间的距离增加。
当利用第四透镜组来执行将对象聚焦在离可变焦距透镜系统非常短的距离时，在长焦位置处的第四透镜组的移动距离显著地大于广角位置处的移动距离。由此，通过在第三透镜组和第四透镜组之间维持较大距离并将第四透镜组维持在长焦位置，当在长焦位置处将对象聚焦在离可变焦距透镜系统非常短的距离时，可增加空间的使用效率。此外，由于可减小第四透镜组的移动范围(即是，补偿透镜变焦位置变化和对象位置变化所要求的范围)，因此可简化第四透镜组的驱动机构。
为了进一步增加根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统的性能，所期望的是可变焦距透镜系统满足下面的条件表达式0.25＜1/|β2t|＜0.45 ... (4)。
条件表达式(4)确定第二透镜组在长焦位置处的横向放大率。
如果1/|β2t|的值低于条件表达式(4)的下限，则第一透镜组的正折光力增加。由此，在长焦位置处从光轴分离穿过第一透镜组的轴外光线，并且因此，显著的彗形象差出现在屏幕的外围部分。为此，难以进一步提高可变焦距透镜系统的性能。
相反，如果1/|β2t|的值超过条件表达式(4)的上限，由视场角的变化引起的彗形象差变化在广角位置较大。为此，难以进一步提高可变焦距透镜系统的性能。
对于根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统，为了减小第一透镜组的透镜直径，所期望的是条件表达式(4)的下限是0.31。
对于根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统，为了进一步提高性能，所期望的是满足下面的条件表达式0.8＜R5n/Bf＜1.5 ... (5)其中R5n＝包括在第五透镜组的负透镜分组中并最靠近图像平面的透镜的透镜表面的曲率半径，和
Bf ＝包括在第五透镜组的正透镜分组中并最靠近图像平面的透镜和图像平面之间的距离。
条件表达式(5)确定包括在第五透镜组的负透镜分组中并最靠近图像平面的透镜的透镜表面的曲率半径。
如果R5n/Bf的值低于条件表达式(5)的下限，由于负分组和正分组变得离心，因此性能显著恶化。相反，如果R5n/Bf的值超过条件表达式(5)的上限，则难以有效地校正在广角位置处出现的负失真。这是因为，当负分组的主点越靠近图像平面时，校正失真的效果就越强。但是，如果R5n/Bf的值超过上限，则负分组的主点远离图像平面，并且因此，校正失真的效果降低。
为了进一步提高根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统的性能，所期望的是第一透镜组包括从对象侧到图像平面侧按如下顺序设置的以下三个透镜形成胶合透镜的负透镜和正透镜以及正透镜。
由于具有较大直径的轴外光线入射到第一透镜组，特别地在长焦位置处，因此负球面象差易于出现。此外，由于远离光轴的轴外光线入射到第一透镜组，因此轴外象差易于出现。
在根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统中，因为由负透镜和正透镜形成的胶合透镜位于离第一透镜组中的对象最近的位置，因此可充分校正负球面象差和轴向象差。放置在胶合透镜中图像平面侧上的正透镜可首先并充分地校正由视场角的变化引起的慧形象差的变化。以这种方式，通过清楚地定义每个透镜的功能，可实现高的光学性能。
对于根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统，为了充分校正在第二透镜组中出现的各种象差并提供高的光学性能，所期望的是第二透镜组由从对象侧按如下顺序设置的以下三个透镜构成在图像平面侧具有凹面的负凹凸透镜、负透镜、和正透镜。
由于第二透镜组负责可变放大，所以重要的是，在第二透镜组中出现的各种象差被充分校正以便改善性能。在根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统中，在图像平面侧具有凹面并最靠近第二透镜组中对象放置的负凹凸透镜充分校正在广角位置由视场角的变化引起的慧形象差的变化。此外，放置在负凹凸透镜的图像平面侧上的偶对透镜充分校正轴向象差。由此，每个透镜对于象差校正的功能被清楚地定义，并且因此，可提供卓越的图像形成性能。
对于根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统，为了充分校正对象位置的变化所引起的各种象差变化，所期望的是第四透镜组由从对象侧按如下顺序设置的以下透镜构成在对象侧具有凸面的正透镜和在图像平面侧具有凹面的负透镜。
具有偶对结构的第四透镜组可同时校正轴外象差和轴向象差，并且因此，可充分校正在透镜变焦位置变化时出现的各种象差的变化。
对于根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统，为了充分降低象差的出现，所期望的是第一透镜组由具有异常高的色散特性的透镜材料构成。
特别地，当第一透镜组中的胶合透镜的正透镜具有异常高的色散特性时，可充分校正在长焦位置处屏幕中心部分上出现的二阶色散。
对于根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统，当使用非球面透镜时，可进一步提高光学性能。特别地，当第五透镜组包括非球面透镜时，屏幕中心部分的光学性能可进一步提高。此外，当第二透镜组包括非球面透镜时，可充分校正在广角位置处由视场角引起的慧形象差的变化。
进一步，如果应用多个非球面，则光学性能可进一步提高。
又进一步，低通滤光器可布置用来防止在透镜系统的图像平面侧上出现莫尔干涉条纹。此外，红外截止滤光器可依照光接收元件的光谱灵敏度特性来放置。
接下来参考图1到13和表1到2来描述上述的示例实施例和应用特定数字到这些示例实施例的数字实施例。
利用下面的等式定义在数字实施例中应用的非球面x＝cy2/(1+(1-(1+κ)c2y2)1/2)+Ay4+By6+ ...
其中y表示从光轴起的高度，x表示表面的垂度，c表示曲率半径，κ表示圆锥常数，并且A、B、...表示非球面系数。
图1说明根据本发明的示例实施例的可变焦距透镜系统中折光力的分配。每个可变焦距透镜系统包括从对象侧到图像平面侧按以下顺序设置的具有正折光力的第一透镜组G1、具有负折光力的第二透镜组G2、具有正折光力的第三透镜组G3、具有正折光力的第四透镜组G4、以及第五透镜组G5。当执行可变放大时(改变透镜变焦位置)，移动第一到第四透镜组，使得第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的空隙增加，以及第二透镜组G2和第三透镜组G3之间的空隙减小。同时，第一透镜组G1暂时朝图像平面侧移动并接着朝对象侧移动。第二透镜组G2朝图像平面侧移动。第三透镜组G3朝对象侧移动。第五透镜组G5静止。移动第四透镜组G4以便补偿由每个透镜组的移动所引起的图像平面的位置变化。此外，当将对象聚焦在离可变焦距透镜系统非常短的距离时第四透镜组G4朝对象侧移动。
图2说明根据本发明的第一示例实施例的可变焦距透镜系统的透镜结构。第一透镜组G1包括胶合透镜L11，其由在对象侧具有凸面的负凹凸透镜和在对象侧具有凸面的正透镜构成，并包括在对象侧具有凸面的正透镜L12。第二透镜组G2包括在图像表面侧具有凹面的负凹凸透镜L21、具有两个凹面的负透镜L22、和在对象侧具有凸面的正凹凸透镜L23。第三透镜组G3包括在对象侧具有非球面凸面的正凹凸透镜L3。第四透镜组G4包括胶合透镜L4，其由具有两个凸面的正透镜和在对象侧具有凹面的负凹凸透镜构成。第五透镜组G5包括在图像表面侧具有凹面的负凹凸透镜L51和胶合透镜L52，胶合透镜L52由具有在对象侧上其中之一是非球面的两个凸面的正透镜和在对象侧具有凹面的负凹凸透镜构成。
此外，在第五透镜组G5中，负凹凸透镜L51形成负分组，而胶合透镜L52形成正分组。孔径光阑S靠近第三透镜组G3的对象侧放置。当执行可变放大时，孔径光阑S与第三透镜组G3一起移动。此外，低通滤光器LPF布置在第五透镜组G5和图像平面IMG之间。
表1是将特定值应用到第一示例实施例的第一数字实施例的规范表。在下面包括表1的规范表中，术语“表面编号”是指从对象侧起的第i个表面。术语“曲率半径”是指表面的曲率轴半径。术语“表面-表面的距离”是指在光轴上第i个表面和第(i+1)个表面之间的距离。术语“折射率”是指表面对于d行(λ＝587.6nm)的折射率。术语“色散系数”是指表面对于d行的色散系数。符号“f”表示焦距。符号“FNO”表示F编号。符号“2ω”表述视场角。此外，术语“0曲率半径的表面”是指平面。
表1f 1.00～3.01～14.10FNO2.86～3.77～4.032ω73.37～8.89～6.22°

根据本发明的第一示例实施例，第13表面和第20表面是非球面。由此，第13和第20表面的四阶非球面系数A、六阶非球面系数B、八阶非球面系数C、十阶非球面系数D、和圆锥常数κ如表2所示。在表2和下面包括非球面系数的表中，符号“E-i”表示十进制指数，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在第一示例实施例中，当透镜变焦位置从广角位置变化到长焦位置时，第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的表面一表面的距离D5、第二透镜组G2和孔径光阑S之间的表面一表面的距离D11、第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的表面一表面的距离D14、以及第四透镜组G4和第五透镜组G5之间的表面一表面的距离D17变化。根据第一数字实施例，表3示出广角位置(f＝1.000)、中间焦距位置(f＝3.104)和长焦位置(f＝14.100)处的这些表面一表面的距离和后焦点Bf。
表3(可变距离表)

表4根据第一数字实施例示出对应于上述条件表达式(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图3到图5是当透镜系统根据第一数字实施例聚焦到无穷大时的象差曲线图，其中圈3说明广角位置(f＝1.000)处的象差曲线图，图4说明中间焦距位置(f＝3.104)处的象差曲线图，并且图5说明长焦位置(f＝14.100)处的象差曲线图。
在图3到5中所示的象差曲线图中，球面象差曲线图中的实线指明球面象差。在象散曲线图中，实线指明弧矢图像平面而虚线指明子午图像平面。在横向象差曲线图中，符号“A”指明视场角。符号“y”指明图像高度。
从这些象差曲线图中可以看到，根据第一数字实施例，可充分校正各种象差，并且可变焦距透镜系统具有卓越的图像形成性能。
图6说明根据本发明的第二示例实施例的可变焦距透镜系统的透镜结构。第一透镜组G1包括胶合透镜L11，其由在对象侧具有凸面的负凹凸透镜和在对象侧具有凸面的正透镜构成，并包括在对象侧具有凸面的正透镜L12。第二透镜组G2包括在图像表面侧具有凹面的负凹凸透镜L21、具有两个凹面的负透镜L22、和在对象侧具有凸面的正凹凸透镜L23。第三透镜组G3包括在对象侧具有非球面凸面的正凹凸透镜L3。第四透镜组G4包括胶合透镜L4，其由具有在对象侧上其中之一是非球面的两个凸面的正透镜和在对象侧具有凹面的负凹凸透镜构成。第五透镜组G5包括在图像表面侧具有凹面的负凹凸透镜L51和胶合透镜L52，胶合透镜L52由具有两个凸面的正透镜和在对象侧具有凹面的负凹凸透镜构成。
此外，在第五透镜组G5中，负凹凸透镜L51形成负分组，而胶合透镜L52形成正分组。孔径光阑S靠近第三透镜组G3的对象侧放置。当执行可变放大时，孔径光阑S与第三透镜组G3一起移动。此外，低通滤光器LPF布置在第五透镜组G5和图像平面IMG之间。
表5是将特定值应用到第二示例实施例的第二数字实施例的规范表。
表5
f 1.00～3.20～14.10FNO2.87～3.61～4.032ω42.89～23.52～5.39°

根据第二示例实施例，第13表面和第15表面是非球面。由此，第13和第15表面的四阶非球面系数A、六阶非球面系数B、八阶非球面系数C、十阶非球面系数D、和圆锥常数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
在第二示例实施例中，当透镜变焦位置从广角位置变化到长焦位置时，第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的表面-表面的距离D5、第二透镜组G2和孔径光阑S之间的表面-表面的距离D11、第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的表面-表面的距离D14、以及第四透镜组G4和第五透镜组G5之间的表面-表面的距离D17变化。根据第二数字实施例，表7示出广角位置(f＝1.000)、中间焦距位置(f＝3.197)和长焦位置(f＝14.097)处的这些表面-表面的距离和后焦点Bf。
表7(可变距离表)

表8根据第二数字实施例示出对应于上述条件表达式(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图7到图9是当透镜系统根据第二数字实施例聚焦到无穷大时的象差曲线图，其中图7说明广角位置(f＝1.000)处的象差曲线图，图8说明中间焦距位置(f＝3.197)处的象差曲线图，并且图9说明长焦位置(f＝14.097)处的象差曲线图。
在图7到9中所示的象差曲线图中，球面象差曲线图中的实线指明球面象差。在象散曲线图中，实线指明弧矢图像平面而虚线指明子午图像平面。在横向象差曲线图中，符号“A”指明视场角。符号“y”指明图像高度。
从这些象差曲线图中可以看到，根据第二数字实施例，可充分校正各种象差，并且可变焦距透镜系统具有卓越的图像形成性能。
图10说明根据本发明的第三示例实施例的可变焦距透镜系统的透镜结构。第一透镜组G1包括胶合透镜L11，其由在对象侧具有凸面的负凹凸透镜和在对象侧具有凸面的正透镜构成，并包括在对象侧具有凸面的正透镜L12。第二透镜组G2包括在图像表面侧具有凹面的负凹凸透镜L21、具有两个凹面的负透镜L22、和具有两个凸面的透镜L23。第三透镜组G3包括具有在对象侧上其中之一是非球面的两个凸面的正透镜L3。第四透镜组G4包括胶合透镜L4，其由在对象侧具有非球面并在图像平面侧具有凸面的正凹凸透镜构成。第五透镜组G5包括在对象侧具有凸面的负凹凸透镜L51和胶合透镜L52，胶合透镜L52由具有在对象侧上其中之一是非球面的两个凸面的正透镜和在对象侧具有凹面的负凹凸透镜构成。
此外，在第五透镜组G5中，负凹凸透镜L51形成负分组，而胶合透镜L52形成正分组。孔径光阑S靠近第三透镜组G3的对象侧放置。当执行可变放大时，孔径光阑S与第三透镜组G3一起移动。此外，低通滤光器LPF布置在第五透镜组G5和图像平面IMG之间。
表9是将特定值应用到第三示例实施例的第三数字实施例的规范表。
表9
f 1.00～2.83～14.09FNO2.86～3.61～4.032ω70.74～25.34～5.14°

根据第三示例实施例，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表面的四阶非球面系数A、六阶非球面系数B、八阶非球面系数C、十阶非球面系数D、和圆锥常数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在第三示例实施例中，当透镜变焦位置从广角位置变化到长焦位置时，第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的表面-表面的距离D5、第二透镜组G2和孔径光阑S之间的表面-表面的距离D11、第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的表面-表面的距离D14、以及第四透镜组G4和第五透镜组G5之间的表面-表面的距离D17变化。根据第三数字实施例，表11示出广角位置(f＝1.000)、中间焦距位置(f＝2.825)和长焦位置(f＝14.093)处的这些表面-表面的距离和后焦点Bf。
表11(可变距离表)

表12根据第三数字实施例示出对应于上述条件表达式(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图11到图13是当透镜系统根据第三数字实施例聚焦到无穷大时的象差曲线图，其中图11说明广角位置(f＝1.000)处的象差曲线图，图12说明中间焦距位置(f＝2.825)处的象差曲线图，并且图13说明长焦位置(f＝14.093)处的象差曲线图。
在图11到13中所示的象差曲线图中，球面象差曲线图中的实线指明球面象差。在象散曲线图中，实线指明弧矢图像平面而虚线指明子午图像平面。在横向象差曲线图中，符号“A”指明视场角。符号“y”指明图像高度。
从这些象差曲线图中可以看到，根据第三数字实施例，可充分校正各种象差，并且可变焦距透镜系统具有卓越的图像形成性能。
图15示出根据本发明的实施例的图像捕获设备。
图像捕获设备10包括可变焦距透镜系统20。图像捕获设备10还包括用于将通过可变焦距透镜系统20形成的光学图像转换为电信号的图像传感器30。图像传感器30的例子包括光电变换器，比如电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)。根据上述实施例的可变焦距透镜系统可被用作为可变焦距透镜系统20。在图15中，根据第一示例实施例的图1所示的可变焦距透镜系统1中的每个透镜组被简化为单个透镜。代替根据第一示例实施例的可变焦距透镜系统1，可使用根据第二和第三示例实施例的可变焦距透镜系统2和3的每一个。此外，可使用根据另一实施例的可变焦距透镜系统。
由图像传感器30生成的电信号被视频信号分离电路40分离为用于控制聚焦的信号和视频信号。用于控制聚焦的信号被传输到控制电路50。视频信号被传输到视频信号处理电路。视频信号处理电路将视频信号处理为适合后续处理的格式，比如由显示单元显示、在记录介质上记录、和由通信单元传输。
控制电路50外部接收操作信号，比如来自变焦按钮的操作信号，并根据操作信号来执行各种处理。例如，当控制电路50接收来自变焦按钮的变焦指令时，控制电路50控制驱动器电路60对驱动单元61到64进行驱动。驱动单元61到64将透镜组G1、G2、G3和G4分别移动到预定位置，以便达到指示的焦距。传感器71到74检测有关透镜组G1、G2、G3和G4的位置信息并将位置信息输入到控制电路50。当控制电路50输出指令信号到驱动器电路60时控制电路50参考位置信息。此外，控制电路50根据由视频信号分离电路40传输的信号来确定聚焦状态。随后，控制电路50经由驱动器电路60控制驱动单元64。驱动单元64控制第四透镜组G4的位置以便获得最佳聚焦状态。
图像捕获设备10作为最终产品可以有各种形式。例如，图像捕获设备10可广泛用作为数字输入/输出设备的相机单元，比如数字静态相机、数字摄像机、包括相机的手机、或个人数字助理(PDA)。
本领域技术人员应当理解，可根据设计要求和其它目前的因素来进行各种修改、组合、子组合和替换，只要它们在所附权利要求或其等效物的范围内。
权利要求
1.一种可变焦距透镜系统，包括从对象侧到图像平面侧按以下顺序设置的具有正折光力的第一透镜组、具有负折光力的第二透镜组、具有正折光力的第三透镜组、具有正折光力的第四透镜组、以及第五透镜组；其中，当透镜变焦位置从可变焦距透镜系统的焦距最短的广角位置变化到所述焦距最长的长焦位置时，至少第一到第四透镜组是可移动的，并且第二透镜组朝图像平面侧移动且第三透镜组朝对象侧移动，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离增加，以及第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小，并且第四透镜组沿着光轴方向移动以便补偿由每个透镜组的移动所引起的图像平面的位置变化，并且其中第五透镜组包括具有负折光力的负分组和位于负分组的图像平面侧处并具有正折光力的正分组，并且其中满足下面的条件表达式(1)0.5＜(β2t/β2w)/Z＜0.85...(1)其中β2t＝第二透镜组在长焦位置处的横向放大率，β2w＝第二透镜组在广角位置处的横向放大率，和Z＝变焦比。
2.根据权利要求1的可变焦距透镜系统，其中满足下面的条件表达式(2)2.5＜|f5n|/fw＜5...(2)其中f5n＝包括在第五透镜组中的负分组的焦距，和fw＝在广角位置处整个可变焦距透镜系统的焦距。
3.根据权利要求1或2的可变焦距透镜系统，其中第五透镜组在光轴方向上是静止的，与透镜变焦位置无关。
4.根据权利要求1或2的可变焦距透镜系统，其中孔径光阑位于第三透镜分组附近并且其中满足下面的条件表达式(3)0.3＜Dsw/TLw＜0.4...(3)其中Dsw＝在广角位置处孔径光阑和图像平面之间的距离，和TLw＝在广角位置处可变焦距透镜系统的总长度。
5.根据权利要求1或2的可变焦距透镜系统，其中满足下面的条件表达式(4)0.25＜1/|β2t|＜0.45... (4)。
6.根据权利要求1或2的可变焦距透镜系统，其中满足下面的条件表达式(5)0.8＜R5n/Bf＜1.5...(5)其中R5n ＝包括在第五透镜组的负透镜分组中并最靠近图像平面的透镜的透镜表面的曲率半径，和Bf＝包括在第五透镜组的正透镜分组中并最靠近图像平面的透镜和图像平面之间的距离。
7.一种图像捕获设备，包括可变焦距透镜系统，其包括从对象侧到图像平面侧按以下顺序设置的具有正折光力的第一透镜组、具有负折光力的第二透镜组、具有正折光力的第三透镜组、具有正折光力的第四透镜组、以及第五透镜组；和用于将通过可变焦距透镜系统形成的光学图像转换为电信号的图像传感器；其中，当透镜变焦位置从可变焦距透镜系统的焦距最短的广角位置变化到所述焦距最长的长焦位置时，至少第一到第四透镜组是可移动的，并且第二透镜组朝图像平面侧移动且第三透镜组朝对象侧移动，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离增加，以及第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小，并且第四透镜组沿着光轴方向移动以便补偿由每个透镜组的移动所引起的图像平面的位置变化，并且其中第五透镜组包括具有负折光力的负分组和位于负分组的图像平面侧处并具有正折光力的正分组，并且其中满足下面的条件表达式(1)0.5＜(β2t/β2w)/Z＜0.85...(1)其中β2t＝第二透镜组在长焦位置处的横向放大率，β2w＝第二透镜组在广角位置处的横向放大率，和Z＝变焦比。
8.根据权利要求7的图像捕获设备，其中满足下面的条件表达式(2)2.5＜|f5n|/fw＜5... (2)其中f5n ＝包括在第五透镜组中的负分组的焦距，和fw＝在广角位置处整个可变焦距透镜系统的焦距。
全文摘要
一种可变焦距透镜系统包括从对象侧按以下顺序设置的分别具有正、负、正和正折光力的第一到第四透镜组，以及第五透镜组。当透镜变焦位置从广角变化到长焦时，第一到第四组是可移动的，并且第二组朝图像平面侧移动且第三组朝对象侧移动，使得第一和第二组之间的距离增加，以及第二和第三组之间的距离减小，并且第四组沿着光轴方向移动以便补偿图像平面的位置变化。第五组包括具有负折光力的负分组和位于负分组的图像侧处并具有正折光力的正分组，并且满足预定条件。
文档编号H04N5/225GK101021608SQ200710005709
公开日2007年8月22日 申请日期2007年2月13日 优先权日2006年2月13日
发明者大竹基之 申请人:索尼株式会社