变焦透镜的制作方法

专利名称：变焦透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种提供小尺寸、高放大率以及高质量的透镜结构作为民用摄像机的变焦透镜的技术。
民用摄像机的传统的四组内焦点变焦透镜采用比较高的6倍或以上的放大率，并包含最少数量的透镜，实际上有一个9-透镜的变焦透镜。也就是，如

图1所示，9-透镜的变焦透镜“a”包括一个第一透镜组GR1，具有一个由为凹弯月形透镜的第一透镜L1和一个为凸透镜的第二透镜L2组成的胶合透镜以及一个为凸弯月形透镜的第三透镜L3；一个第二透镜组GR2，具有一个为凹弯月形透镜的第四透镜L4以及一个为凹透镜的第五透镜L5和为凸透镜的第六透镜L6组成的胶合透镜；一个第三透镜组GR3，具有一个为单凸透镜的第七透镜L7；和一个第四透镜组GR4，具有一个由为凹透镜的第八透镜L8和为凸透镜的第九透镜L9组成的胶合透镜。
在前述的传统变焦透镜“a”中，第三透镜组GR3不是所谓的消色差透镜，并且第三透镜组GR3中产生的色差可以通过在第四透镜组GR4中过度地执行色差校正而补偿。
但是还存在一个问题，即第一透镜组GR1在放大时产生的象差波动如色差和球差可以通过在第二透镜组GR2中产生的反象差消除，但由第四透镜组GR4位移产生的色差和球差所致的弯曲不能消除。
第四透镜组GR4应由这种材料制成，即作为凹透镜的第八透镜L8的阿贝数和作为凸透镜的第九透镜L9的阿贝数之差尽可能地大。另外，还要限制第八透镜L8和第九透镜L9之间接合面的曲率，因为色差被校正到一个允许广角端的范围，并且第八透镜L8和第九透镜L9之间的折射率分布依据色差决定。
因此，由第四透镜组GR4的位移产生的球差的颜色的扭曲由第八透镜L8和第九透镜L9的材料、折射率分布和接合面曲率决定。因而，校正几乎没有自由度。
传统的变焦透镜“a”，即一个由九个透镜组成的透镜系统在放大率低、不需要小尺寸并且F数可以小的时候可以在实际当中使用，但当要求放大率高、尺寸小并且图象质量高时就不能使用。
为增大变焦透镜“a”的放大率，当进行全折射率分布使得第四透镜组GR4的位置在广角端和无限远点的远端几乎一样时，处于中等焦距位置的第四透镜组GR4的位移量变得很大，色差的波动也变得显著，并且因为第四透镜组GR4如上所述设计式样的限制此色差不能被校正。
另外，为了使变焦透镜“a”的尺寸小些，最好每个透镜有大的折射率并且可移动透镜组的位移较小。但是，当第二透镜组GR2有很大的折射率时，主要的Petzval的和是一个负的大值，致使校正过度，使得校正图象表面的弯曲很困难。当透镜组的每个透镜都有很大的折射率时，如球差，尤其是抵有第一透镜组GR1和第二透镜组GR2之间产生的象差变大，并且变得难以得到整个变焦区域的优良性能。
为了解决这些问题，传统上，为了减小在第一透镜组中产生的球差，增大身为凸透镜的第三透镜L3的折射率。但是，在第一组GR1中身为凸透镜的第三透镜L3的折射率中，增大折射率使得全部的Petzval和为负。也就是不可能同时获得抑制第一透镜组GR1固有象差的产生和使每个透镜的折射率较大以减小透镜尺寸。
另外，在变焦透镜“a”的第四透镜组GR4中，当通过玻璃熔融来实现一个非球面时，因为易于熔融，所以只需在身为凸透镜的第九透镜上形成非球面。例如，当利用一种紫外线固化树脂形成一个合成球面时，可以只在第九透镜L9的表面上形成，因为用作第八透镜L8的材料不能透过紫外线。这限制了设计式样并且不可能增大由一个非球面构成的表面的数量，而非球面表面可有效地改善图象质量。
因此，本发明的一个目的在于提供一种高放大率、小尺寸和高图象质量的用于民用摄像机的变焦透镜的透镜结构。
为了实现上述目的，本发明提供了一种变焦透镜，包括一个具有正折射率并且位置固定的第一透镜组，一个具有负折射率并且主要用于放大的可移动的第二透镜组，一个具有正折射率并且位置固定的第三透镜组，和一个具有正折射率并且主要为放大和聚焦校正焦点位置而可移动的第四透镜组，其中从物体一侧看，第一透镜组包括一个由第一透镜和第二透镜组成的胶合透镜以及一个第三透镜，其中第一透镜是一个具有面向物体一侧的凸面的凹弯月形透镜，第二透镜是一个凸透镜，第三透镜是一个具有面向物体一侧的凸面的凸弯月形透镜；从物体一侧看，第二透镜组包括一个第四透镜以及由第五透镜和第六透镜组成的胶合透镜，其中第四透镜是一个具有面向物体一侧的凸面的凹弯月形透镜，第五透镜是一个双凸透镜，第六透镜是一个凸透镜；第三透镜组包括一个为凸透镜的第七透镜；从物体一侧看，第四透镜组包括一个由第八透镜、第九透镜和第十透镜组成的胶合透镜，其中第八透镜是一个具有面向物体一侧的凸面的凸透镜，第九透镜是一个凹透镜，第十透镜是一个凸透镜，并且其中第三透镜组包括至少一个由非球面构成的表面，在第四透镜组中至少在物体一侧的表面由一个非球面构成。因此，在本发明中，用于在第三透镜组和第四透镜组中消色差的第九透镜的折射率由色差状况决定，并且具有类似于前述传统实例中第九透镜的特性。但是，在本发明中，第九透镜被凸透镜夹在中间，这样能够获得更大的第九透镜的曲率自由度。虽然为凸透镜的第十透镜具有与传统实例中方式相同的面向物体一侧的凸面，但它的曲率可以设计得比传统实例的更为平坦。这样显著地改善了此表面产生的球差的颜色造成的弯曲。
图1表示一个常规变焦透镜的透镜结构实例。
图2和图3至图5表示根据本发明的变焦透镜的第一实例。
图3表示在广角端的象差。
图4表示广角端和远摄端之间的中间焦点位置的象差。
图5表示在远摄端的象差。
图6和图7至图9表示根据本发明的变焦透镜的第二实例。
图7表示在广角端的象差。
图8表示广角端和远摄端之间的中间焦点位置的象差。
图9表示在远摄端的象差。
图10和图11至图13表示根据本发明的变焦透镜的第三实例图11表示在广角端的象差。
图12表示广角端和远摄端之间的中间焦点位置的象差。
图13表示在远摄端的象差。
图14和图15至图17表示根据本发明的变焦透镜的第四实例图15表示在广角端的象差。
图16表示广角端和远摄端之间的中间焦点位置的象差。
图17表示在远摄端的象差。
图18和图19至图21表示根据本发明的变焦透镜的第五实例。图19表示在广角端的象差。图20表示广角端和远摄端之间的中间焦点位置的象差。图21表示在远摄端的象差。图22和图23至图25表示根据本发明的变焦透镜的第六实例。图23表示在广角端的象差。图24表示广角端和远摄端之间的中间焦点位置的象差。图25表示在远摄端的象差。图26和图27至图29表示根据本发明的变焦透镜的第七实例。图27表示在广角端的象差。图28表示广角端和远摄端之间的中间焦点位置的象差。图29表示在远摄端的象差。图30和图31至图33表示根据本发明的变焦透镜的第八实例。图31表示在广角端的象差。图32表示广角端和远摄端之间的中间焦点位置的象差。图33表示在远摄端的象差。图34和图35至图37表示根据本发明的变焦透镜的第九实例。图35表示在广角端的象差。图36表示广角端和远摄端之间的中间焦点位置的象差。图37表示在远摄端的象差。
根据本发明的变焦透镜，从物体一侧看，包括一个第一透镜组GR1，一个第二透镜组GR2，一个第三透镜组GR3，和一个第四透镜组GR4。第一透镜组GR1具有一个正折射率并且其位置固定。第二透镜组GR2具有一个负折射率并且可移动放大。第三透镜组GR3具有一个正折射率并且其位置固定。第四透镜组GR4具有一个正折射率并可为焦点的校正及聚焦而移动。
另外，在根据本发明的变焦透镜中，从物体一侧看，第一透镜组GR1为由第一透镜L1和第二透镜L2组成的胶合透镜和一个第三透镜L3，其中第一透镜L1为一个凸面朝向物体的凹弯月形透镜、第二透镜L2为一个凸透镜、和第三透镜L3为一个凸面朝向物体的凸弯月形透镜；从物体一侧看，第二透镜组GR2，由第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6组成的胶合透镜，其中第四透镜L4为一个凸面朝向物体的凹弯月形透镜、第五透镜L5为两侧均为凹面的凹透镜、以及第六透镜L6为凸透镜；第三透镜组GR3，为一个凸透镜的第七透镜L7；和一个第四透镜组GR4，从物体一侧看，由第八透镜L8、第九透镜L9和第十透镜L10组成的胶合透镜，其中第八透镜L8为凸面朝向物体的凸透镜、第九透镜L9为凹透镜、和第十透镜L10为凸透镜。第三透镜组GR3包括至少一个非球面以及第四透镜组GR4在物体一侧至少包括一个非球面。
根据本发明的变焦透镜最好满足1.8＜n9(条件等式1)此处n9为第九透镜d线处的折射率。
条件等式1限定了为凹透镜的第九透镜L9的材料。即，通过增加第九透镜的折射率，以便降低为凸透镜的第八透镜和第十透镜的曲率，就有可能抑制由于第四透镜组GR4的移动造成的色球差和由于球差色彩造成的弯曲波动以及将Petzval的和校正到正侧。这将有利于对图象表面的扭曲进行校正。
在变焦透镜放大率为10倍并期望较小尺寸和较高图象质量的情况下，光阑IR排列在第三透镜组GR3和第四透镜组GR4之间，最靠近图象的第四透镜组GR4的表面由非球面组成，并且最好满足下列条件1.1＜f3/f4＜1.4(条件等式2)1.0｜f2/fw｜＜1.3(条件等式3)其中f2是第二透镜组GR2的焦距；f3为第三透镜组GR3的焦距；f4为第四透镜组GR4的焦距；和fw为整个透镜系统在广角端的焦距。
条件等式2限定了第三透镜组GR3和第四透镜组GR4焦点之间的关系。
即，当f3/f4值变得等于或小于低限1.1时，将很难抑制球差的波动并且第四透镜组GR4的移动变大，由此增加了整个透镜系统(变焦系统)的长度。另一方面，在f3/f4值变得等于或大于高限1.4的情况下，由于第四透镜组GR4的制造误差产生的象差降低将变得十分显著，此种情况不是最好的。
条件等式3限定了在广角端第二透镜组GR2的焦点和整个透镜系统在广角端的焦点之间的关系。
即，当｜f2/fw｜值变得等于或小于低限1.0时，由于在制造第二透镜组GR2时的不规则性造成的象差降低将变得十分显著。另一方面，在｜f2/fw｜值变得等于或大于高限1.3的情况下，用于放大第二透镜组GR2的位移变大，这对于减小变焦透镜的尺寸不利。
然而，通过在第三透镜组GR3和第四透镜组GR4之间安放光阑IR，有可能减小在远端第二透镜组GR2和第三透镜组GR3之间的间隔并且当第三透镜组GR3高度较低时来自第二透镜组GR2的边缘光可照射到第三透镜组GR3，由此可减小整个变焦透镜的长度。
在其整个长度降低为小于远端处焦距值的25倍的高放大率变焦透镜情况下，第三透镜组GR3由为凹面朝向物体的凸透镜的第七透镜L7构成，并最好满足以下条件8.5＜dz/fw＜10(条件等式4)1.0＜f3/f4＜1.45(条件等式5)其中fw为透镜系统在广角端的焦距；dz为第二透镜组GR2用于放大的位移量；f3为第三透镜组GR3的焦距；和f4为第四透镜组GR4的焦距。
条件等式4限定了第二透镜组GR2从广角端到远摄端的位移量与整个透镜系统在广角端的焦距之间的关系。
即，当dz/fw值变得等于或小于低限8.5时，为了得到25倍或以上的高放大率，第二透镜组GR2应具有强折射率，这将导致对于Petzval的和过度校正到负侧，并使得不可能只通过选择透镜材料来校正整个透镜系统的图象扭曲。相反，在dz/fw值变得等于或大于高限10的情况下，变焦透镜的整个长度变长并很难移动第二透镜组GR2而不导致偏心并且不实用。
当限定了第三透镜组GR3和第四透镜组GR4焦点之间关系的上述条件等式2应用于变焦率大约为25倍的变焦透镜时，条件等式5表示了最优的范围。
即，当f3/f4值变得等于或小于低限1.2时，第三透镜组GR3的折射率变得过强而第四透镜组GR4的折射率变得过弱。当第三透镜组GR3的折射率变得过强时，在广角端的球差的校正变得不足并且在中间焦距区域中调焦时校正球差波动变得困难。而且，当第四透镜组GR4的折射率变得过弱时，第四透镜组GR4在调焦时的位移量变得很大，增加了象差波动，并且后焦点变得比必需的要长，这对于变焦透镜尺寸降低是不利的。相反，在f3/f4值变得等于或大于高限1.45的情况下，第三透镜组GR3的折射率变得太弱而第四透镜组GR4的折射率变得过强。当第三透镜组GR3的折射率变得过弱时，在广角端的球差的校正变得过量并且不好。而且，当第四透镜组GR4的折射率变得过强时，在广角端的球差的校正变得不足并且不好。
在具有较小摄象元件的25倍高放大率变焦透镜导致其整个长度长于远摄端焦距的情况下，第三透镜组GR3由为凸面朝向物体的凸透镜的第七透镜L7构成，并最好满足以下条件8.5＜dz/fw＜11(条件等式6)1.8＜Lz/Lf＜2.2(条件等式7)其中fw为整个透镜系统在广角端的焦距；dz为第二透镜组GR2在放大的位移量；Lz为在远摄端处的整个透镜系统的物体侧到第二透镜组GR2图象侧的距离；和Lf为从第三透镜组GR3的图象侧表面到整个透镜系统的图象侧的距离。
类似于前述的条件等式4，条件等式6限定了第二透镜组GR2从广角端到远摄端的位移量与整个透镜系统在广角端的焦距之间的关系。
即，当dz/fw值超过低限8.5或上限11时，造成条件等式4所述的缺点。既使是当摄象元件尺寸降低时，由于制造条件所限，不可能与摄象尺寸的降低成比例地减少凹透镜的厚度和凸透镜的边缘厚度。因此，为了满足摄象尺寸的降低和透镜元件不能被制造得更薄的限制，最好根据条件等式4的上限由10增加到11的条件等式6来确定第二透镜组GR2折射率的设置。
条件等式7减少了不必要的空间以实现小尺寸，同时保持了25倍的高放大率并限定第二透镜组GR2位移量的条件和平衡了调焦时第四透镜组GR4放大率和位移量。
即，当Lz/Lf值变得等于或小于低限1.8时，有必要根据第四透镜组GR4位移量降低第二透镜组GR2位移量并必然提出了要加大第二透镜组GR2折射率。为此，Petzval的和过度校正为负值并且只通过选择透镜材料不可能校正整个透镜系统的图象扭曲。相反，在Lz/Lf值变得等于或大于上限2.2的情况下，根据第四透镜组GR4位移量第二透镜组GR2位移量变大，变焦透镜的整个长度变得过长并且前透镜系统变得太大而不能在实际中应用。
在整个长度和前透镜系统大小对应于小尺寸摄象元件而降低的大约10倍放大率的变焦透镜情况下光阑IR放置在第三透镜组GR3和第四透镜组GR4之间；第三透镜组GR3由凸面朝向物体的第七透镜构成；在构成第一透镜组GR1的表面中，至少有一个面为非球面的；并最好满足以下条件1.58＜n3＜1.7(条件等式8)
2.5＜dz/fw＜5(条件等式9)1.2＜f3/f4＜1.8(条件等式10)其中n3为第三透镜L3的d线处的折射率；fw为整个透镜系统在广角端的焦距；dz为放大时第二透镜组GR2的位移量；f3为第三透镜组GR3的焦距；以及f4为第四透镜组GR4的焦距。
条件等式8限定的条件使得同时满足两个条件。第一个条件阻止由于尺寸的降低而过度校正Petzval的和为负值。第二个条件最好校正第一透镜组GR1固有的球差。
为了解决各个透镜组具有较大折射率并且Petzval的和负值变大的问题，有效的办法是降低凸透镜的折射率和增加凹透镜的折射率。在第一透镜组GR1中，有可能降低在胶合透镜中是凹透镜的第二透镜L2的折射率，而不影响其他象差校正。但是，在为凸透镜的第三透镜L3的折射率降低的情况下，校正由第一透镜组GR1产生的球差是困难的并且尤其困难的是在远距照相端校正球差。
为此，通常增加第三透镜L3的折射率，以防止在远距照相端的图象质量下降。然而，增加第三透镜L3的折射率，则意味着使得Petzval的和为负值。为防止这种情况，有必要降低各个透镜组的折射率。即，不可能同时满足Petzval的和以及尺寸的减小。
为解决这个问题，为校正Petzval的和，使得第三透镜L3的折射率n3等于或小于1.7以及伴随的球差的降低可通过在第一透镜组GR1引入非球面来解决。然而，在折射率小于低限如1.58或更小的情况下，第三透镜L3有很强的参考球面曲率并校正甚至具有非球面表面的球差也很困难。
条件等式9限定了与前述的条件等式4和6类似的条件。然而，为减小大约为10倍的放大率的尺寸，降低dz/fw值的低限，以使第二透镜组GR2的位移量变小。可是在dz/fw值等于或小于低限2.5的情况下，与条件等式4相同，为了得到大约为10倍的放大率，有必要增加第二透镜组GR2的折射率，这将导致过度校Petzval的和为负值并且不可能只通过选择透镜材料来校正整个透镜系统的图象表面扭曲。相反，在dz/fw值等于或大于高限5的情况下，与条件等式4相同，变焦透镜的整个长度变得过长并且很难移动第二透镜组GR2而不造成偏心。这是不实用的。
与前述的条件等式5相同，条件等式10调整由条件等式2所限定的条件，以在大约10倍的放大率和尺寸减少之间进行平衡。与条件等式5相同，当f3/f4值变得等于或小于低限1.2时，第三透镜组GR3的折射率过强而第四透镜组GR4的折射率过弱。当第三透镜组GR3的折射率变得过强时，在广角端的球差的校正变得不足并在中间焦距区中调焦时校正球差波动变得困难。而且，当第四透镜组GR4的折射率过弱时，第四透镜组GR4在调焦时的位移量变得很大，象差波同样增加。并且，后焦距变得比必需的要长，这不利于变焦透镜尺寸的降低。相反，在f3/f4值变得等于或大于高限1.8的情况下，与条件等式5相同，第三透镜组GR3的折射率变得太弱而第四透镜组GR4的折射率变得过强。当第三透镜组GR3的折射率过弱时，在广角端的球差的过量校正，这是不好的。而且，当第四透镜组GR4的折射率过强时，在广角端的球差的校正变得不足，这是不好的。
下面，参考附图解释实例1至9作为根据本发明的变焦透镜的特例。
应对下面的解释作一注解。“ri”表示从物体计数的第i表面和其曲率半径；“di”表示从物体计数的第i表面和在第i表面和第i+1表面之间的间隔(透镜厚度或空气间隔)；“ni”表示第i透镜的d线处的折射率；vi表示第i透镜的d线处的阿贝数；“f”表示整个透镜系统的焦距；“FNo”表示打开的F值；“ω”表示半图象角(“nFL”和“vFL”分别表示后述的滤光器的折射率和阿贝数)在实例中使用的透镜中，同样有非球面透镜表面的透镜。非球面结构假定由下式定义X=(C·Y2)/{1+(1-C2·Y2)1/2}+A4·Y4+A6·Y6+A8·Y8+A10·Y10，其中“X”表示非球面在光轴方向的坐标，“C”表示近轴曲率，和“Y”表示离光轴的距离。这里，A4、A6、A8和A10为各个放大率(4、6、8和10倍)的非球面系数。
根据第一和第二实例的变焦透镜1和2是为了大约10倍的放大率和尺寸的减小，并如图2和图6所示，从物体一侧看，包括一个具有正折射率且其位置固定的第一透镜组GR1；一个具有负折射率且用来放大的可移动的第二透镜组GR2；一个具有正折射率且其位置固定的第三透镜组GR3；一个为校正由于放大和聚焦的焦点的可移动的第四透镜组GR4；一个位于第三透镜组GR3和第四透镜组GR4之间的光阑IR。应当指出的是，在第四透镜组GR4和图象面IMG之间放置了一个滤光器FL如低通滤光器。
然而，在变焦透镜1和2中，从物体一端看，第一透镜组GR1包括由第一透镜L1和第二透镜L2组成的胶合透镜、和一个第三透镜L3，其中第一透镜L1为一个凸面朝向物体的凹弯月形透镜、第二透镜L2为一4凸透镜、和第三透镜L3为一个凸面朝向物体的凸弯月形透镜；从物体一端看，第二透镜组GR2包括第四透镜L4、以及由第五透镜L5和第六透镜L6组成的胶合透镜，其中第四透镜L4为一个凸面朝向物体的凸弯月形透镜、第五透镜L5为一个双凹面透镜、第六透镜L6为一个凸透镜；第三透镜组GR3包括一个为凸透镜的第七透镜L7；和第四透镜组GR4，从物体一端看，包括一个由第八透镜L8、第九透镜L9、和第十透镜L10组成的胶合透镜，其中第八透镜L8为凸面朝向物体的凸透镜、第九透镜L9为凹透镜、和第十透镜L10为凸透镜。在物体端第三透镜组面r11、物体端的第四透镜组GR4面r14、和图象面IMG端的第四透镜组GR4的面r17由非球面组成。
另外，变焦透镜1和2设计成满足前述的条件等式1、2和3。
表1表示变焦透镜1的数值。[表1]
如表1所示，在变焦透镜l中，表面间隔d5、d10、d13、和d17对于变焦和对焦是可变的。因此，表2表示变焦时在广角端(f=1.00)、广角端和远摄端之间的中间焦距位置(f=4.72)、和远摄端(f=9.73)的面间隔d5、d10、d14、和d17，以及FNo.和f。[表2]
另外，在物体侧的第三透镜组GR3的第七透镜L7的面r11、在物体侧的第四透镜组GR4的第八透镜的面r17、在图象面IMG侧的第十透镜L10的面r17形成了非球面。表3表示前述面r11、r14、和r17的4、6、8、10放大倍数的非球面系数A4、A6、A8、和A10。[表3]
图3至图5分别表示广角端、广角端和远摄端之间的中间焦点位置、和远摄端处的球差、象散、和畸变。值得指出的是，球差图中的实线表示d线(波长587.6nm)、虚线表示g线(波长435.8nm)象散图中的实线表示弧矢图象面和虚线表示子午图象面上的值(同图7至图9)。
表4表示变焦透镜4的数值。[表4］
如表4所示，在变焦透镜2中，表面间隔d5、d10、d14、和d17对于变焦和对焦是可变的。因此，下面的表5表示在广角端(f=1.00)、广角端和远摄端之间的中间焦距位置(f=4.07)、和远摄端(f=9.56)的面间隔d5、d10、d13、和d17，以及FNo.和f。[表5]
另外，在物体侧的第三透镜组GR3的第七透镜L7的面r11、在图象面IMG侧的第四透镜组GR4的第八透镜的面r17和第十透镜L10的面r17形成了非球面。表6表示前述面r11、r14、和r17的4、6、8、l0放大倍数的非球面系数A4、A6、A8、和A10。[表6]
图7至图9分别表示广角端、广角端和远摄端之间的中间焦点位置、和远摄端处的变焦透镜2的球差、象散、畸变。
因此，变焦透镜1和2具有大约1.8的FNo.和大约10倍的高放大率，并且它们同时有在整个放大率区间校正最好的象差。即，变焦透镜1和2为对于静止照相机和摄像机具有极好光学特性的小尺寸小重量的变焦透镜。
如图10至14所示，第三和第四实例中的变焦透镜3和4用于较好校正采用25倍或更少量数目透镜的象差，包括一个具有正折射率且其位置固定的第一透镜组GR1、—个具有负折射率且可移动放大的第二透镜组GR2、一个具有正折射率且其位置固定的第三透镜组GR3、和—个具有正折射率并且可为放大和聚焦校正焦点位置而移动的第四透镜组GR4。从物体—侧看，第—透镜组GR1包括—个由第一透镜L1和第二透镜L2组成的胶合透镜和一个第三透镜L3，其中第一透镜L1为凸面面向物体—侧、和第二透镜L2为一个凸透镜、和第三透镜L3为一个凸面面向物体—侧的凸弯月形透镜；从物体—侧看，第二透镜组GR2包括—个由第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6组成的胶合透镜，其中第四透镜L4为凸面面向物体一侧的凹弯月形透镜、第五透镜L5为一个双面凹透镜、和第六透镜L6为一个凸透镜；第三透镜组GR3包括一个为凸透镜的第七透镜L7，具有面向物体一侧的凸面；以及从物体一侧看，第四透镜组GR4包括由第八透镜L8、第九透镜L9、和第十透镜L10组成的胶合透镜，其中第八透镜L8为一个凸面面向物体一侧的凸透镜、第九透镜L9为一个凹透镜、和第十透镜L10为一个凸透镜。
而且，在变焦透镜3和4中，通过移动第二透镜组GR2和第四透镜组GR4进行变焦。当从广角端到远摄端进行变焦时，第二透镜组GR2从物体侧向图象侧移动并且移动第四透镜组GR4以保持图象位置。在变焦透镜3和4中，通过移动第四透镜组GR4调焦。
应当指出的是，在第二透镜组GR2和第三透镜组GR3之间放置一个光阑IR，在第四透镜组GR4和图象面IMG之间放置一个滤光器FL如低通滤光器。
另外，变焦透镜3和4设计成满足前述的条件等式1、4和5。
图10表示根据第三实例的变焦透镜3。
表7表示变焦透镜3的数值。[表7]
如上表7所示，面间隔d5、d10、d13、和d17对于变焦和对焦是可变的。因此，下表8表示在广角端(f=3.7995)、广角端和远摄端之间的中间焦距位置(f=34.7895)、和远摄端(F=95.6720)的FNo.、d5、d10、d13和d17。[表8]
而且，在第三透镜组GR3和第四透镜组GR4中，物体—侧的第七透镜L7的面r12和物体—侧的第八透镜L8的面r14形成了非球面。表9表示面r12和r14的4、6、8、l0放大倍数的非球面系数A4、A6、A8、和A10。[表9]
应该指出的是，上表9中的“E”表示以10为底的指数(在下面的表中同样用于非球面系数)。
图11至图13分别表示变焦透镜3在广角端、广角端和远摄端之间的中间焦点位置、和远摄端处的球差、象散、和畸变。值得指出的是，象散图中的实线表示弧矢图象面上的数值，和虚线表示子午图象面上的数值(同样用于图15至图17)。
图14表示第四实例的变焦透镜4。
表10表示变焦透镜4的数值。[表10]
如上表10所示，面间隔d5、d10、d13、和d17对于变焦和对焦是司变的。因此，下表11表示在广角端(f=3.8000)、广角端和远摄端之间的中间焦距位置(f=33.4884)、和远摄端(f=90.8307)的FNo.、d5、d10、d13和d17。[表11]
而且，在第三透镜组GR3和第四透镜组GR4中，图象—侧的第七透镜L7的面r13和物体—侧的第八透镜L8的面r14形成了非球面。表12表示前述的面r13和r14的4、6、8、10放大倍数的非球面系数A4、A6、A8、和A10。[表12]
图15至图17分别表示广角端、广角端和远摄端之间的中间焦点位置、和远摄端处的变焦透镜4的球差、象散、和畸变。
下表13表示前述的第三和第四实例中变焦透镜3和4的条件等式4和5的数值。
在前述的第3和4实例中的变焦透镜3和4满足等式1、4和5，并采用四组变焦的6组10个透镜的透镜系统，有可能得到适用于视频摄像机的变焦透镜，其中在变焦透镜中较好地校正少量数目透镜的象差和得到25倍或以上高的放大率。
如图18至22和26所示，第五、第六和第七实例中的变焦透镜5、6和7用于25倍或更高倍数的高放大率并用来很好校正一些少量数目透镜的象差，从物体一侧看，包括一个具有正折射率且其位置固定的第一透镜组GR1、一个具有负折射率且可移动放大的第二透镜组GR2、一个具有正折射率且其位置固定的第三透镜组GR3、和一个具有正折射率并且可为放大和聚焦校正焦点位置而移动的第四透镜组GR4。从物体—侧看，第—透镜组GR1包括一个由第一透镜L1和第二透镜L2组成的胶合透镜和一个第三透镜L3，其中第一透镜L1为凸面面向物体—侧的凹弯月形透镜、第二透镜L2为一个凸透镜、和第三透镜L3为一个凸面面向物体一侧的凸弯月形透镜。从物体一侧看，第二透镜组GR2包括一个第四透镜L4和一个第五透镜L5和第六透镜L6组成的胶合透镜，其中第四透镜L4为凸面面向物体—侧的凹弯月形透镜、第五透镜L5为一个双面凹透镜、和第六透镜L6为一个凸透镜。第三透镜组GR3包括一个第七透镜L7，其中第七透镜L7为凸面面向物体一侧的凸透镜。从物体一侧看，第四透镜组GR4包括由一个第八透镜L8、第九透镜L9和第十透镜L10组成的胶合透镜，其中第八透镜L8为凸面面向物体一侧、第九透镜L9为一个凹透镜、和第十透镜L10为一个凸透镜。
而且，在变焦透镜5、6和7中，通过移动第二透镜组GR2和第四透镜组GR4进行变焦。当从广角端到远摄端进行变焦时，第二透镜组GR2从物体侧向图象侧移动并且移动第四透镜组GR4以保持图象位置。通过移动第四透镜组GR4进行变焦透镜5、6和7的调焦。
应当指出的是，在第二透镜组GR2和第三透镜组GR3之间，或第三透镜组GR3和第四透镜组GR4之间放置一个光阑IR，在第四透镜组GR4和图象面IMG之间放置一个滤光器FL如低通滤光器。
另外，变焦透镜5、6和7包括至少在第三透镜组GR3中有一个非球面，并在物体一侧的第四透镜组GR4的面也为非球面，上述设计以满足前述的条件等式1、6和7。
图18表示第十五实例中的变焦透镜5。
下表14表示变焦透镜5的数值。[表14]
如上表14所示，面间隔d5、d10、d13、和d17对于变焦和对焦是可变的。因此，下表15表示在广角端(f=1.00)、广角端和远摄端之间的中间焦距位置(f=12.48)、和远摄端(f=24.92)的FNo.、d5、d10、d13和d17的数值。[表15]
而且，在第三透镜组GR3和第四透镜组GR4中，物体—侧的第七透镜L7的面r12和物体—侧的第八透镜L8的面f14形成了非球面。表16表示前述的面r12和f14的4、6、8、10放大倍数的非球面系数A4、A6、A8、和A10。[表16]
图19至图21分别表示广角端、广角端和远摄端之间的中间焦点位置、和远摄端处的变焦透镜5的球差、象散、和畸变。值得指出的是，象散图中的实线表示弧矢图象面上的数值，和虚线表示子午图象面上的数值(同样用于图23至25、和图27至29)。
图22表示第六实例中的变焦透镜6。
下表17表示变焦透镜6的数值。[表17]
如上表17所示，面间隔d5、d10、d13、和d17对于变焦和对焦是可变的。因此，下表18表示在广角端(f=1.00)、广角端和远摄端之间的中间焦距位置(f=12.45)、和远摄端(f=24.84)的FNo.、d5、d10、d13和d17的数值。[表18]
而且，在第三透镜组GR3和第四透镜组GR4中，物体—侧的第七透镜L7的面r12和物体—侧的第八透镜L8的面r14形成了非球面。表19表示前述的面r12和r14的4、6、8、10放大倍数的非球面系数A4、A6、A8、和A10。[表19]
图23至图25分别表示广角端、广角端和远摄端之间的中间焦点位置、和远端处的变焦透镜6的球差、象散、和畸变。
图26表示第七实例中的变焦透镜7。
下表20表示变焦透镜7的数值。[表20]
如上表20所示，面间隔d5、d10、d13、和d17对于变焦和对焦是可变的。因此，下表21表示在广角端(f=1.0000)、广角端和远摄端之间的中间焦距位置(f=12.4771)、和远摄端(f=24.9113)的FNo.、d5、d10、d13和d17的数值。[表21]
而且，在第三透镜组GR3和第四透镜组GR4中，物体—侧的第七透镜L7的面r12和物体—侧的第八透镜L8的面r14形成了非球面。表22表示前述的面r12和r14的4、6、8、10放大倍数的非球面系数A4、A6、A8、和A10。[表22]
图27至图29分别表示广角端、广角端和远摄端之间的中间焦点位置、和远摄端处的变焦透镜7的球差、象散、和畸变。
下表23表示第五实例、第六实例、和第七实例中所示的变焦透镜5、6和7的条件等式6和7的数值。[表23]
在第五实例、第六实例、和第七实例中的变焦透镜5、6和7满足条件等式1、6和7，并采用四组变焦的6组10个透镜的透镜系统，有可能得到适用于视频摄像机的变焦透镜，其中在变焦透镜中有可能得到较好校正了少量数目透镜的象差和获得25倍或以上高放大率。
如图30和34所示，第八和第九实例中的变焦透镜8和9用于10倍或更高倍数的高放大率和减少尺寸，从物体—侧看，包括一个具有正折射率且其位置固定的第一透镜组GR1、一个具有负折射率且可移动主要用以放大的第二透镜组GR2、—个具有正折射率且其位置固定的第三透镜组GR3、和—个具有正折射率并且可为放大和聚焦校正焦点位置而移动的第四透镜组GR4。从物体一侧看，第—透镜组GR1包括—个由第一透镜L1和第二透镜L2组成的胶合透镜和—个第三透镜L3，其中第一透镜L1为凸面面向物体—侧的凹弯月形透镜、第二透镜L2为一个凸透镜、和第三透镜L3为一个凸面面向物体—侧的凸弯月形透镜。从物体一侧看，第二透镜组GR2包括—个第四透镜L4、和一个由第五透镜L5和第六透镜L6组成的胶合透镜，其中第四透镜L4为凸面面向物体—侧的凹弯月形透镜、第五透镜L5为一个双面凹透镜、和第六透镜L6为一个凸透镜。第三透镜组GR3包括一个第七透镜L7，其中第七透镜L7为凸面面向物体一侧的凸透镜。从物体一侧看，第四透镜组GR4包括由第八透镜L8、第九透镜L9、和第十透镜L10组成的胶合透镜，其中第八透镜L8为一个凸面面向物体一侧的凸透镜、第九透镜L9为一个凹透镜、和第十透镜L10为一个凸透镜。
而且，在变焦透镜8和9中，通过移动第二透镜组GR2和第四透镜组GR4进行变焦。当从广角端到远摄端进行变焦时，第二透镜组GR2从物体侧向图象侧移动并且移动第四透镜组GR4以保持图象位置。通过移动第四透镜组GR4进行变焦透镜8和9的调焦。
应当指出的是，在第三透镜组GR3和第四透镜组GR4之间放置一个光阑IR，在第四透镜组GR4和图象面IMG之间放置一个滤光器FL如低通滤光器。
另外，变焦透镜8和9中，第一透镜组GR1和第三透镜组GR3每个包括至少一个非球面，并在物体一侧的第四透镜组GR4的面也同样形成为非球面，并且满足前述的条件等式1、8、9和10。
图30表示第八实例中的变焦透镜8。
下表24表示变焦透镜8的数值。[表24]
如上表24中，面间隔d5、d10、d13、和d17对于变焦和对焦是可变的。因此，下表25表示在广角端(f=2.3706)、广角端和远摄端之间的中间焦距位置(f=15.180)、和远摄端(f=22.4075)的FNo.、d5、d10、d13和d17的数值。[表25]
而且，在第—透镜组GR1、第三透镜组GR3、和第四透镜组GR4中，物体一侧的第三透镜L3的面r4、物体—侧的第七透镜L7的面r11、和物体—侧的第八透镜L8的面r14形成了非球面。表26表示前述的面r4、r11和r14的4、6、8、10放大倍数的非球面系数A4、A6、A8、和A10。[表26]
图31至图33分别表示在广角端、广角端和远摄端之间的中间焦点位置、和远摄端处的变焦透镜8的球差、象散、和畸变。值得指出的是，象散图中的实线表示弧矢图象面上的数值，和虚线表示子午图象面上的数值(同样用于图35至37)。
图34表示第九实例中的变焦透镜9。
下表27表示变焦透镜9的数值。[表27]
在表27中，面间隔d5、d10、d13、和d17对于变焦和对焦是可变的。因此，下表28表示在广角端(f=2.2550)、广角端和远摄端之间的中间焦距位置(f=14.6362)、和远摄端(f=21.3154)的FNo.、d5、d10、d13和d17的数值。[表28]
而且，在第—透镜组GR1、第三透镜组GR3、和第四透镜组GR4中，物体—侧的第三透镜L3的面r4、物体—侧的第七透镜L7的面r11、和物体一侧的第八透镜L8的面r14形成了非球面。表29表示前述的面r4、r11和r14的4、6、8、10放大倍数的非球面系数A4、A6、A8、和A10。[表29]
图35至图37分别表示在广角端、广角端和远摄端之间的中间焦点位置、和远摄端处的变焦透镜9的球差、象散、和畸变。
下表30表示第八实例和第九实例中所示的变焦透镜8和9的条件等式9和10的数值。[表30]
在第八实例和第九实例中的变焦透镜8和9满足等式1、7、8和9，并采用四组变焦的6组10个透镜的透镜系统，有可能得到适用于视频摄像机的变焦透镜，其中在变焦透镜中有可能得到校好校正少量数目透镜的象差和得到10倍或以上高放大率。
因此，根据本发明的变焦透镜，在第三透镜组GR3和第四透镜组GR4中用于色差的消除的凹透镜的第九透镜L9由消色差条件确定折射率，并因此具有与传统实例的第九透镜L9类似的特征。然而，在本发明中，第九透镜L9由第八透镜L8和凸透镜的第十透镜L10夹在中间，以组成一个胶合透镜。这使得对第九透镜L9的曲率可提供更大的自由度。与凸透镜的第十透镜L10的结合面具有如传统的实例的面向物体—侧的凸表面，但其曲率可设计成比传统的实例更平缓。这将极大改进由该面产生的球差的色彩造成的扭曲。
应指出的是，在前述的实施例中各个分量的特定构造和结构只是本发明的实例，并且本发明的技术范围不限于这些实例。
如上所述，根据本发明的变焦透镜，包括一个具有正折射率且其位置固定的第一透镜组、一个具有负折射率且可移动主要用以放大的第二透镜组、一个具有正折射率且其位置固定的第三透镜组、和一个可为放大和聚焦校正焦点位置而移动的第四透镜组。从物体一侧看，第一透镜组包括一个由第一透镜和第二透镜组成的胶合透镜、和一个第三透镜，其中第一透镜为凸面面向物体一侧的凹弯月形透镜、第二透镜为一个凸透镜、和第三透镜为一个凸面面向物体一侧的凸弯月形透镜。从物体一侧看，第二透镜组包括一个第四透镜、由第五透镜和第六透镜组成的胶合透镜，其中第四透镜为凸面面向物体一侧的凹弯月形透镜、第五透镜为双面凸透镜和第六透镜为凸透镜。第三透镜组包括一个第七透镜。从物体一侧看，第四透镜组包括由第八透镜、第九透镜、和第十透镜组成的胶合透镜，其中第八透镜为一个凸面面向物体一侧的凸透镜、第九透镜为一个凹透镜、和第十透镜为一个凸透镜。第三透镜组包括至少一个由非球面组成的面以及第四透镜组具有在物体一侧由非球面组成的面。因此，有可能自由设置凹透镜的第九透镜的曲率，并有可能显著改进由于从第九透镜产生的球差的色彩造成的扭曲。
根据本发明的变焦透镜，满足下列条件1.8＜n9，其中n9表示第九透镜的d线处的折射率。因此，有可能使得第九透镜和凸透镜之间的结合面的曲率平缓，这将有利于抑制和校正象差。
在根据本发明的变焦透镜中，光阑放置在第三透镜组和第四透镜组之间，在物体一侧的第四透镜组的面由非球面组成，并满足下列条件1.1＜f3/f4＜1.4和1.0＜｜f2/fw｜＜1.3，其中f2是第二透镜组的焦距，f3为第三透镜组的焦距，f4为第四透镜组的焦距，和fw为整个透镜系统在广角端的焦距。因此，有可能得到大约10倍放大率并且象差最佳校正的小尺寸变焦透镜。
在根据本发明的变焦透镜中，第三透镜组包括一个凸面朝向物体的凸透镜的第七透镜，并满足以下条件8.5＜dz/fw＜10和1.2＜f3/f4＜1.45，其中fw为透镜系统在广角端的焦距，dz为第二透镜组用于放大的位移量，f3为第三透镜组的焦距，和f4为第四透镜组的焦距。因此，有可能得到大约25倍高放大率、整个长度减少、和象差最佳校正的变焦透镜。
在根据本发明的变焦透镜中，第三透镜组包括一个凸面朝向物体的凸透镜的第七透镜，并满足以下条件8.5＜dz/fw＜11和1.8＜Lz/Lf＜2.2，其中fw为整个透镜系统在广角端的焦距，dz为第二透镜组用于放大的位移量，Lz为从整个透镜系统物体侧面到远摄端处的第二透镜组图象侧平面的距离，和Lf为从第三透镜组的物体侧表面到整个透镜系统的图象面的距离。因此，有可能得到大约25倍高放大率、象差最佳校正、并适于降低尺寸的摄取元件的变焦透镜。
在根据本发明的变焦透镜中，光阑放置在第三透镜组和第四透镜组之间；第三透镜组包括一个凸面朝向物体的凸透镜的第七透镜；组成第一透镜组的至少一个面由一个非球面构成，并满足以下条件1.58＜n3＜1.7，2.5＜dz/fw＜5，和1.2＜f3/f4＜1.8，其中n3为第三透镜的d线处的折射率，fw为整个透镜系统在广角端的焦距，dz为放大时第二透镜组的位移量，f3为第三透镜组的焦距，以及f4为第四透镜组的焦距。因此，有可能得到大约10倍放大率、整个系统降低长度、象差最佳校正、并适于降低尺寸的摄取元件的变焦透镜。
权利要求
1．一种变焦透镜，从物体一侧看，包括一个具有正折射率并且位置固定的第一透镜组、一个具有负折射率并且主要用于放大的可移动的第二透镜组、一个具有正折射率并且位置固定的第三透镜组、和一个具有正折射率并且主要用于放大和聚焦的校正焦点位置的可移动的第四透镜组，其中从物体一侧看，第一透镜组包括一个由第一透镜和第二透镜组成的胶合透镜，和一个第三透镜，其中第一透镜是一个具有凸面面向物体一侧的凹弯月形透镜，第二透镜是一个凸透镜，第三透镜是一个具有凸面面向物体一侧的凸弯月形透镜；从物体一侧看，第二透镜组包括一个第四透镜、由第五透镜和第六透镜组成的胶合透镜，其中第四透镜是一个具有凸面面向物体一侧的凹弯月形透镜，第五透镜是一个双凸透镜，第六透镜是一个凸透镜；第三透镜组包括一个为凸透镜的第七透镜；从物体一侧看，第四透镜组包括一个由第八透镜、第九透镜和第十透镜组成的胶合透镜，其中第八透镜是一个具有凸面面向物体一侧的凸透镜，第九透镜是一个凹透镜，第十透镜是一个凸透镜，并且其中第三透镜组包括至少一个由非球面构成的表面，和在第四透镜组中，至少有一个在物体一侧的表面由非球面构成。
2．如权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，该变焦透镜满足1.8＜n9，其中n9表示第九透镜在d线处的折射率。
3．如权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，一个光阑放置在第三透镜组和第四透镜组之间，在物体一侧的第四透镜组的表面由非球面构成，并满足下列条件1.1＜f3/f4＜1.41.0＜｜f2／fw｜＜1.3其中f2是第二透镜组的焦距，f3是第三透镜组的焦距，f4是第四透镜组的焦距，和fw是整个透镜系统在广角端的焦距。
4．如权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，第三透镜组包括一个第七透镜，该透镜为凸面朝向物体一侧的凸透镜，并满足以下条件8.5＜dz/fw＜101.2＜f3/f4＜1.45其中fw为整个透镜系统在广角端的焦距，dz为第二透镜组用于放大的位移量，f3为第三透镜组的焦距，和f4为第四透镜组的焦距。
5．如权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，第三透镜组包括一个第七透镜，该透镜为凸面朝向物体一侧的凸透镜，并满足以下条件8.5＜dz/fw＜111.8＜Lz/Lf＜2.2其中fw为整个透镜系统在广角端的焦距，dz为第二透镜组用于放大的位移量，Lz为从整个透镜系统在物体一侧的表面到远摄端处的第二透镜组在图象一侧的表面的距离，和Lf为从第三透镜组在物体一侧的表面到整个透镜系统的图象表面的距离。
6．如权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于一个光阑放置在第三透镜组和第四透镜组之间；第三透镜组包括一个第七透镜，该透镜为凸面朝向物体一侧的凸透镜；组成第一透镜组的至少一个表面由非球面构成，并且满足以下条件1.58＜n3＜1.72.5＜dz/fw＜51.2＜f3/f4＜1.8其中n3为第三透镜在d线处的折射率，fw为整个透镜系统在广角端的焦距，dz为用于放大的第二透镜组的位移量，f3为第三透镜组的焦距，和f4为第四透镜组的焦距。
全文摘要
一种变焦透镜,包括有正折射率固定的第一和第三透镜组,有负折射率用于放大的可移动第二透镜组,有正折射率用于放大聚焦的校正焦点位置的可移动第四透镜组。第一透镜组包括第一、二透镜组成的胶合透镜和第三透镜;第二透镜组包括第四、五和六透镜组成的胶合透镜;第三透镜组包括第七透镜;第四透镜组包括第八、九和十透镜组成的胶合透镜,其中第三透镜组包括至少一个非球面表面,第四组透镜中至少有一个在物体侧的表面为非球面。
文档编号G02B15/173GK1285523SQ0012031
公开日2001年2月28日 申请日期2000年4月29日 优先权日1999年4月30日
发明者中野雄一, 南条雄介, 凑笃郎, 菊地修一, 有田信一 申请人:索尼公司