专利名称：变焦透镜光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及适用于利用固态成像器件的照相机的变焦透镜光学系统，尤其涉及可被制造成紧凑的、能够校正色差的、能够确保高的变焦比的以及具有低的制造成本的变焦透镜光学系统。
背景技术：
使用固态成像器件例如电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)的电子静物照相机和视频摄像机正在快速地变为更流行。这种照相机的成本不断降低，重量不断降低，并且更加紧凑。因而，也要求在这些照相机中使用的变焦透镜光学系统的成本较低，重量较轻和体积较小。
日本专利申请公开2004-109653(2004年4月8日)披露了一种4组变焦透镜光学系统。这种变焦透镜光学系统包括具有正的折射能力的第一透镜组，具有负的折射能力的第二透镜组，具有正的折射能力的第三透镜组和具有正的折射能力的第四透镜组，它们从对象按照顺序排列。变焦透镜光学系统借助于移动第一到第四透镜组进行变焦。第一透镜组和第三透镜组当处于其范围的摄远位置时比当处于其范围的广角位置时更加靠近对象。因为第一透镜组具有单个透镜，由第一透镜组进行色差补偿是困难的。因为这种变焦透镜光学系统长，产值减小。
日本专利申请公开2001-356269(2001年12月26日)披露了一种4组变焦透镜光学系统。这种变焦透镜光学系统包括具有单一正透镜的第一透镜组，具有至少一个负透镜和一个正透镜的第二透镜组，具有一个负透镜和两个正透镜的第三透镜组，以及具有至少一个正透镜的第四透镜组，它们从对象按照顺序排列。这种变焦透镜光学系统通过移动第一到第三透镜组进行变焦。这种变焦透镜光学系统的缺点在于，因为第一透镜组具有单一透镜，进行色差补偿是困难的。此外，因为第四透镜组具有两个或多个透镜，透镜的数量增加，使得增加生产成本，并需要大的接收空间。
美国专利公开No.2003/0002171A1(2003年1月2日)披露了一种4组变焦透镜光学系统。这种变焦透镜光学系统包括从对象按顺序排列的第一到第四透镜组。这种变焦透镜光学系统通过操作第一到第四透镜组并引起在第一透镜组和第二透镜组之间的空间的改变来进行变焦。这种变焦透镜光学系统的优点在于，因为第一透镜组具有3个透镜，其色差可被容易地校正。不过，第三透镜组具有4个或更多的透镜，因而使得生产成本增加。此外，第三透镜组和第四透镜组的非球面材料是不兼容的，因而该系统昂贵并且难于制造。
日本专利公开No.2003-177317(2003年6月7日)披露了一种4组变焦透镜光学系统，其通过操作第一、第三和第四透镜组进行变焦。第一透镜组具有三个透镜，第二透镜组具有四个透镜，第三透镜组具有两个正透镜和一个负透镜，第四透镜组具有三个透镜。因为第一透镜组和第四透镜组的每一个具有三个透镜，色差被减小，但是由于透镜数量的增加而使得这种变焦透镜光学系统难于成为成本低并且紧凑的。
日本专利申请公开2002-107629(2002年4月10日)披露了一种4组变焦透镜光学系统，其操作所有的第一到第四透镜组。第一透镜组具有三个透镜，第二透镜组具有四个透镜，第三透镜组具有两个正透镜和一个负透镜，第四透镜组具有五个透镜。在这种情况下，因为第一透镜组具有三个透镜，可以校正色差和像散场弯曲(astigmaticfield curvature)。不过，因为透镜数量增加，自动聚焦是困难的，并且变焦透镜光学系统的尺寸和成本增加。
发明内容
本发明提供一种变焦透镜光学系统，其可以适用于利用固态成像器件的照相机，可以被制造成紧凑的，可以校正像差，确保高的变焦比，并具有低的制造成本。
按照本发明的一个方面，提供一种变焦透镜光学系统，包括具有正折射能力的第一透镜组；具有负折射能力的第二透镜组；具有正折射能力的第三透镜组；以及具有正折射能力的第四透镜组，其中所述第一到第四透镜组从对象按顺序排列，通过移动第一到第三透镜组以使得在第一透镜组和第二透镜组之间的距离增加，在第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小，以及在第三透镜组和第四透镜组之间的距离增加，从而从广角位置到摄远位置进行变焦，并且第一到第四透镜组满足6≤LWFW+LtFt≤8]]>其中LW表示当处于广角位置时在第一透镜组的对象侧透镜的第一表面和像面之间的距离，Lt表示当处于摄远位置时在第一透镜组的对象侧透镜的第一表面和像面之间的距离，FW表示当处于广角位置时的总的焦距，Ft表示当处于摄远位置时的总的焦距。
第三和第四透镜组的每一个具有非球表面，并且满足58.8≤Vd3≤60.858.8≤Vd4≤60.8其中Vd3表示第三透镜组的非球面透镜的阿贝数，Vd4表示第四透镜组的非球面透镜的阿贝数。
通过结合附图详细描述本发明的示例的实施例，可以更清楚地看出本发明的上述的和其它的特征和优点，其中
图1A是用于说明按照本发明的一个实施例在广角位置的变焦透镜光学系统的光学配置的截面图；图1B是用于说明图1A的变焦透镜光学系统在中角位置的光学配置的截面图；图1C是用于说明图1A的变焦透镜光学系统在摄远位置的光学配置的截面图；图2A到图2C分别表示图1A的变焦透镜光学系统当处于广角位置时的球面像差、像散场弯曲和失真；图3A到图3C分别表示图1C的变焦透镜光学系统当处于摄远位置时的球面像差、像散场弯曲和失真；图4A是用于说明按照本发明的另一个实施例的变焦透镜光学系统处于广角位置时的光学配置的截面图；图4B是用于说明图4A的变焦透镜光学系统处于中角位置时的光学配置的截面图；图4C是用于说明图4A的变焦透镜光学系统在处于摄远位置时的光学配置的截面图；图5A到图5C分别说明图4A的变焦透镜光学系统处于摄远位置时的球面像差、像散场弯曲和失真；图6A到6C分别说明图4C的变焦透镜光学系统处于摄远位置时的球面像差、像散场弯曲和失真；图7A是用于说明按照本发明的另一个实施例的变焦透镜光学系统处于广角位置时的光学配置的截面图；图7B是用于说明图7A的变焦透镜光学系统处于中角位置时的光学配置的截面图；图7C是用于说明图7A的变焦透镜光学系统在处于摄远位置时的光学配置的截面图；图8A到图8C分别说明图7A的变焦透镜光学系统处于摄远位置时的球面像差、像散场弯曲和失真；以及图9A到9C分别说明图7C的变焦透镜光学系统处于摄远位置时的球面像差、像散场弯曲和失真。
具体实施例方式
现在参照表示本发明的实施例的附图详细说明本发明。
图1A，1B和1C分别表示按照本发明的一个实施例的变焦透镜光学系统在广角位置、中角位置和摄远位置的光学配置。
参见图1A，1B和1C，变焦透镜光学系统包括具有正折射能力的第一透镜组1，具有负折射能力的第二透镜组II，具有正折射能力的第三透镜组III和具有正折射能力的第四透镜组IV，它们从对象OBJ按顺序排列。和第三透镜组III一起移动的光阑(stop)ST被插在第二透镜组II和第三透镜组III之间。
通过沿着光轴移动第一到第三透镜组I，II和III来执行变焦，并通过移动第四透镜组IV来校正在变焦期间发生的聚焦位置的移动。
现在说明从广角位置(见图1A)通过中角位置(见图1B)到摄远位置(见图1C)变焦时透镜组I，II，III和IV的每一个的操作。
通过移动第一到第三透镜组I，II，III，以使得在第一透镜组I和第二透镜组II之间的距离增加、在第二透镜组II和第三透镜组III之间的距离减小以及在第三透镜组III和第四透镜组IV之间的距离增加，从而进行从广角位置(见图1A)到摄远位置(见图1C)的变焦。通过移动第四透镜组IV进行聚焦，聚焦即在变焦期间用于对要清楚地投影在像面上的对象OBJ进行的校正聚焦位置的处理。因为只使用第四透镜组IV进行聚焦，所以变焦透镜光学系统可被小型化。
因为第四透镜组IV具有正折射能力，第四透镜组IV具有由使用图像形成介质例如固态成像器件的相机所需的远心性。远心性表示使入射到拍摄器件上的主光线垂直于所述拍摄器件的能力。[应当理解为“使入射到透镜系统上的主光线垂直于图像平面的能力”？]现在详细说明第一到第四透镜组I，II，III和IV的透镜结构。
第一透镜组I具有包括负透镜L1和正透镜L2的两个透镜，它们从对象OBJ按顺序排列。两个透镜L1和L2相互组合以形成成对的器件(doublet)。正透镜L2可以由比负透镜L1较少色散的材料制成，如后所述，从而校正横向色差。
第二透镜组II具有带有凸的对象侧表面的凹凸负透镜L3，双凹负透镜L4，以及带有凸的对象侧表面的凹凸正透镜L5，它们从第一透镜组I按顺序排列。双凹负透镜L4具有相对低的色散值，其是阿贝数Vd的倒数，凹凸正透镜L5具有相对高的色散值，从而校正色差。因为第二透镜组II减少在变焦期间的焦距改变，在以高的放大倍数进行变焦期间变焦透镜光学系统的总的焦距的改变也可被减小。
第三透镜组III具有多个透镜，多个透镜中的至少两个被相互组合。第三透镜组III可以具有至少一个非球面透镜。
例如，第三透镜组III可以具有3个透镜，包括具有非球表面的正非球面透镜L6、正透镜L7和负透镜L8。正透镜L7的光出射表面和负透镜L8的光进入表面可以互相组合而形成一个成对器件。
因而，正非球面透镜L6可以使得球面像差最小。因为具有高的色散值和具有低的色散值的透镜被组合，所以在以高的放大率进行变焦期间引起的色差可被减小。
第四透镜组IV可以具有单一的透镜。所述透镜的至少一个表面可以是非球面。第四透镜组IV校正失真像差和像散场弯曲。
第四透镜组IV可以具有单一的正非球面透镜。当由对象OBJ的移动引起的像面的移动通过使用第四透镜组IV被校正时，通过使第四透镜组IV的焦距最小并在朝向对象OBJ的凸出的轨迹上移动第四透镜组IV，可以使第四透镜组IV的移动最小。因而，这种变焦透镜光学系统可容易地被制造成小型的。
按照本实施例的变焦透镜光学系统可以满足以下的公式1到3。
6≤LWFW+LtFt≤8---(1)]]>其中LW表示当处于广角位置时在第一透镜组I的对象侧透镜的第一表面和像面之间的距离，Lt表示当处于摄远位置时在第一透镜组I的对象侧透镜的第一表面和像面之间的距离，FW表示当处于广角位置时的总的焦距，Ft表示当处于摄远位置时的总的焦距。
公式1确定当处于广角位置和处于摄远位置时焦距对变焦透镜光学系统的总长度的比。如果这些比的和超过公式1的上限，则变焦透镜光学系统的总长度大，使得难于制成紧凑的变焦透镜光学系统。如果这些比的和低于下限，则第二透镜组II和第三透镜组III的折射能力增加，因而使得难于校正球面像差和横向色差。
58.8≤Vd3≤60.858.8≤Vd4≤60.8 (2)在公式2中，Vd3表示第三透镜组III的非球面透镜的阿贝数，Vd4表示第四透镜组IV的非球面透镜的阿贝数。因为非球面透镜由具有中等阿贝数的材料制成，当设计非球面透镜的结构时用来校正色差的负担可被减小。因为存在多种合适的材料，可以稳定地提供非球面透镜，并且可以降低透镜制造成本。合适的材料的例子包括由Matsushita生产的CSK120，由Hoya生产的BaCD12，由Ohara生产的L-BAL42等。
1.75≤FtFIV≤2---(3)]]>其中Ft表示当处于摄远位置时的总焦距，FIV表示第四透镜组IV的焦距。
公式3确定当处于摄远位置时第四透镜组IV的焦距对总焦距的比。如果这个比超过上限，则需要具有高的折射率的材料，使得难于廉价地生产变焦透镜光学系统。如果这个比低于下限，则用于补偿像面的移动所需的第四透镜组IV的移动增加，使得难于制造紧凑的变焦透镜光学系统。
构成图1A到图1C所示的变焦透镜光学系统的每个透镜的曲率半径、厚度或透镜之间的距离、折射系数和阿贝数示于表1到表3。
表1
表2
表3
图2A到图2C分别表示当图1A的变焦透镜光学系统处于广角位置时的球面像差、像散场弯曲和失真。图3A到图3C分别表示当图1C的变焦透镜光学系统处于摄远位置时的球面像差、像散场弯曲和失真。
图2A和3A表示沿光学系统的切线方向(即水平方向)具有各种波长的光的球面像差。即，图2A和图3A表示相对于0.25场，0.50场，0.75场和1.00场具有波长486.13nm，587.56nm和656.28nm的光的像差。图2B和3B表示像散场弯曲，即切线场弯曲T和径向场弯曲S。图2C和3C表示失真率。
图4A-4C分别表示按照本发明的另一个实施例的变焦透镜光学系统在广角位置、中角位置和摄远位置的光学配置。参见图4A-4C，变焦透镜光学系统包括具有正折射能力的第一透镜组I，具有负折射能力的第二透镜组II，具有正折射能力的第三透镜组III，以及具有正折射能力的第四透镜组IV，它们从对象OBJ按顺序排列。和第三透镜组III一道运动的孔径光阑ST被插在第二透镜组II和第三透镜组III之间。图4A-4C所示的变焦透镜光学系统中每个透镜组的变焦操作、构成每个透镜组的透镜的数量和透镜的变焦操作与图1A-1C所示的变焦透镜光学系统的相同。构成本实施例的变焦透镜光学系统的透镜组的每个透镜的透镜数据，即，曲率半径、厚度或透镜间的距离、折射系数以及阿贝数示于表4-表6。
表4
表5
表6
图5A-5C分别表示图4A的变焦透镜光学系统当处于广角位置时的球面像差、像散场弯曲和失真。图6A-6C分别表示图4C的变焦透镜光学系统当处于摄远位置时的球面像差、像散场弯曲和失真。
图7A-7C分别表示按照本发明的另一个实施例的变焦透镜光学系统在广角位置、中角位置和摄远位置的光学配置。参见图7A-7C，变焦透镜光学系统包括具有正折射能力的第一透镜组I，具有负折射能力的第二透镜组II，具有正折射能力的第三透镜组III，以及具有正折射能力的第四透镜组IV，它们从OBJ按顺序排列。和第三透镜组III一道运动的光阑ST被插在第二透镜组II和第三透镜组III之间。
图7A-7C所示的变焦透镜光学系统中每个透镜组的变焦操作以及构成每个透镜组的透镜的数量和变焦操作与图1A-1C所示的变焦透镜光学系统的相同。透镜数据，即，构成本实施例的变焦透镜光学系统的透镜组的每个透镜的曲率半径、厚度或透镜间的距离、折射系数和阿贝数示于表7-表9。
表7
表8
表9
图8A-8C分别表示图7A的变焦透镜光学系统当处于广角位置时的球面像差、像散场弯曲和失真。图9A-9C分别表示图7A的变焦透镜光学系统当处于摄远位置时的球面像差、像散场弯曲和失真。
在上述实施例中，非球面形状1到6满足下面的非球面公式4x=c′y21+1-(K+1)c′2y2+Ay4+By6+Cy8+Dy10---(4)]]>其中x表示沿平行于光轴的方向从透镜的顶点到透镜的平面的深度，y表示沿垂直于光轴的方向的高度，c’(＝1/R)表示在透镜的顶点曲率半径R的倒数，K表示锥形常数，A，B，C，D表示非球面系数。
表10表示在图1A，4A和7A所示的每个实施例中公式1到3的值，这些实施例在表中分别被称为实施例1，实施例2和实施例3。
表10
如上所述，因为变焦透镜光学系统包括第一到第四透镜组，满足公式1到公式3，并从广角位置到摄远位置进行变焦，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离可以被增加，在第二透镜组和第三透镜组之间的距离可被减小，在第三透镜组和第四透镜组之间的距离可被增加，所以这种变焦透镜光学系统可被制造成紧凑的，并且可以有效地校正色差，例如球面像差、像散场弯曲和失真率。此外，可以确保高的变焦比，并且可以降低成本。
虽然参照本发明的示例的实施例具体地表示和说明了本发明，本领域的技术人员应当理解，不脱离由下面的权利要求限定的本发明的构思和范围，可以在形式和细节上作出许多改变。
权利要求
1.一种变焦透镜光学系统，包括具有正折射能力的第一透镜组；具有负折射能力的第二透镜组；具有正折射能力的第三透镜组；以及具有正折射能力的第四透镜组，其中所述第一到第四透镜组从对象按顺序排列，从广角位置到摄远位置这样进行变焦使在第一透镜组和第二透镜组之间的距离增加，在第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小，以及在第三透镜组和第四透镜组之间的距离增加，并且第一到第四透镜组满足6≤LWFW+LtFt≤8]]>其中LW表示当处于广角位置时在第一透镜组的对象侧透镜的第一表面和像面之间的距离，Lt表示当处于摄远位置时在第一透镜组的对象侧透镜的第一表面和像面之间的距离，FW表示当处于广角位置时的总的焦距，Ft表示当处于摄远位置时的总的焦距。
2.如权利要求1所述的变焦透镜光学系统，其中第三和第四透镜组的每一个具有非球表面，并且满足58.8≤Vd3≤60.858.8≤Vd4≤60.8其中Vd3表示第三透镜组的非球面透镜的阿贝数，Vd4表示第四透镜组的非球面透镜的阿贝数。
3.如权利要求1所述的变焦透镜光学系统，满足1.75≤FtFW≤2]]>其中Ft表示当处于摄远位置时的总焦距，FIV表示第四透镜组的焦距。
4.如权利要求1所述的变焦透镜光学系统，其中第四透镜组是单一透镜。
5.如权利要求1所述的变焦透镜光学系统，其中第一透镜组包括两个透镜，所述两个透镜包括具有正折射能力的透镜。
6.如权利要求5所述的变焦透镜光学系统，其中第一透镜组的两个透镜被相互组合。
7.如权利要求1所述的变焦透镜光学系统，其中第三透镜组包括多个透镜，其中至少两个透镜被相互组合。
8.如权利要求1所述的变焦透镜光学系统，其中第三透镜组包括至少一个非球面透镜。
9.如权利要求1所述的变焦透镜光学系统，其中在第四透镜组中的透镜的至少一个表面是非球面。
10.如权利要求1所述的变焦透镜光学系统，其中当从广角位置到摄远位置变焦时，第四透镜组在朝向对象凸出的轨迹上移动。
11.如权利要求1所述的变焦透镜光学系统，其中当变焦时，至少第一和第三透镜组被移动。
12.如权利要求1所述的变焦透镜光学系统，其中当变焦时，至少第一到第三透镜组被移动。
13.如权利要求1所述的变焦透镜光学系统，其中当变焦时，第一到第四透镜组被移动。
14.如权利要求1所述的变焦透镜光学系统，还包括被插在第二透镜组和第三透镜组之间的孔径光阑。
15.一种变焦透镜光学系统，包括具有正折射能力的第一透镜组；具有负折射能力的第二透镜组；具有正折射能力的第三透镜组；以及具有正折射能力的第四透镜组，其中所述第一到第四透镜组从对象按顺序排列，第三和第四透镜组的每一个具有非球表面，从广角位置到摄远位置这样进行变焦使在第一透镜组和第二透镜组之间的距离增加，在第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小，以及在第三透镜组和第四透镜组之间的距离增加，并且第一到第四透镜组满足58.8≤Vd3≤60.858.8≤Vd4≤60.8其中Vd3表示第三透镜组的非球面透镜的阿贝数，Vd4表示第四透镜组的非球面透镜的阿贝数。
16.如权利要求15所述的变焦透镜光学系统，满足1.75≤FtFW≤2]]>其中Ft表示当处于摄远位置时的总焦距，FIV表示第四透镜组的焦距。
17.如权利要求15所述的变焦透镜光学系统，其中第四透镜组包括单一透镜。
18.如权利要求15所述的变焦透镜光学系统，其中第一透镜组包括两个透镜，所述两个透镜包括具有正折射能力的透镜。
19.如权利要求18所述的变焦透镜光学系统，其中第一透镜组的两个透镜被相互组合。
20.如权利要求15所述的变焦透镜光学系统，其中第三透镜组包括多个透镜，其中至少两个透镜被相互组合。
21.如权利要求15所述的变焦透镜光学系统，其中第三透镜组包括至少一个非球面透镜。
22.如权利要求15所述的变焦透镜光学系统，其中在第四透镜组中的一个透镜的至少一个表面是非球面。
23.如权利要求15所述的变焦透镜光学系统，其中当从广角位置到摄远位置变焦时，第四透镜组在朝向对象凸出的轨迹上移动。
24.如权利要求15所述的变焦透镜光学系统，其中当变焦时，至少第一和第三透镜组被移动。
25.如权利要求15所述的变焦透镜光学系统，其中当变焦时，至少第一到第三透镜组被移动。
26.如权利要求15所述的变焦透镜光学系统，其中当变焦时，第一到第四透镜组被移动。
27.如权利要求15所述的变焦透镜光学系统，还包括被插在第二透镜组和第三透镜组之间的孔径光阑。
28.一种具有如权利要求1所述的变焦透镜光学系统的照相机。
全文摘要
一种紧凑的变焦透镜光学系统，包括具有正折射能力的第一透镜组；具有负折射能力的第二透镜组；具有正折射能力的第三透镜组；具有正折射能力的第四透镜组，第一到第四透镜组从对象按顺序排列，从广角位置到摄远位置进行变焦以使第一透镜组和第二透镜组之间的距离增加，第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小，第三透镜组和第四透镜组之间的距离增加，第一到第四透镜组满足6≤L
文档编号G02B15/14GK1924630SQ20061000604
公开日2007年3月7日 申请日期2006年1月24日 优先权日2005年9月2日
发明者金镇祐, 金东佑 申请人:三星Techwin株式会社