专利名称：变焦镜头和成像设备的制作方法
技术领域：
本公开涉及变焦镜头(zoom lens)和成像设备。更具体地，本公开涉及用在摄像机、数字相机等中由此实现小型化、促进高图像质量和促进高放大倍数的变焦镜头和使用该变焦镜头的成像设备。
背景技术：
近年来，使用如像电荷耦合器(CXD)或互补型金属氧化物半导体(CM0Q的成像元件来代替银盐胶片的数字相机已迅速得到广泛使用。按这样的方式，随着数字相机的普及，特别地，用户对镜头集成的数字相机的促进低成本、小型化、促进高放大倍数的需求已经增加。此外，在成像元件中的像素数量也有逐年增加的趋势。同样，用户对促进高图像质量的需求也已增加。为了促进上述低成本和高图像质量的目的，提出了一种光学系统，其中，采用了具有负折射能力(refractive power)、正折射能力和正折射能力(负、正、正)的三透镜组结构，并分别将塑料透镜布置在三个透镜组之中。例如在日本专利公开No. 2000167009、 2008-233871和2009-251568(以下将它们分别称为专利文献1、2和幻中描述了这样的光学系统。
发明内容
在专利文献1和2所述的每个光学系统中，为了成像元件的尺寸和可变放大率，在广角侧的光学总长度长。因此，还没有实现促进足够高的放大倍数和小型化。此外，在专利文献3所述的光学系统中，采用了一种结构以使得性能由于温度改变和湿度改变而很大程度恶化的塑料透镜具有强反射率。因此，采用了其中难以在保持促进高图像质量和小型化时实现促进高放大倍数的反射率布置。已经做出本公开以便解决上述问题，因此希望提供变焦镜头和成像设备，在其每个之中，实现小型化、促进高图像质量和促进高放大倍数，同时实现降低制造成本。为了达到上述期望，根据本公开的一个实施例，提供了变焦镜头，其中，从物体侧到图像侧按顺序布置具有负折射能力的第一透镜组、具有正折射能力的第二透镜组和具有正折射能力的第三透镜组；当变焦状态从广角端状态改变到远视端状态时，至少第一透镜组和第二透镜组可以移动；第一透镜组按这样的方式构成从物体侧到图像侧按顺序布置具有负折射能力的玻璃透镜和具有正折射能力的塑料透镜；第二透镜组按这样的方式构成从物体侧到图像侧按顺序布置由具有正折射能力并位于物体侧的玻璃透镜和具有负折射能力并位于图像侧的玻璃透镜组成的粘合透镜以及具有负折射能力的塑料透镜；第三透镜组具有至少一个具有正折射能力的塑料透镜；满足条件表达式(1)、(2)和(3)(1) Lw/ (fw · tan ω w) < 9. 0(2) |f2/(fw ‘ ft)1/21 < 1. 0(3) 1. 2 < fl/(fw · ft)1/2 < 1. 4
其中Lw是广角端的光学总长度，fw是广角端的整个透镜系统的焦距，是广角端的半视场角，f2是所述第二透镜组的焦距，ft是远视端的整个透镜系统的焦距，Π是所述第一透镜组的焦距。因此，在该变焦镜头中，缩短了总长度，并通过适应化折射能力提高了光学性能。在上述的变焦镜头中，优选满足条件表达式(4)和(5)(4) |fPl/fl I > 2. 1(5) I fP2/f2 I > 4. 0其中fPl是第一透镜组的具有正折射能力的塑料透镜的焦距，fP2是第二透镜组的具有负折射能力的塑料透镜的焦距。变焦镜头满足条件表达式(4)和( ，由此适应化第一透镜组和第二透镜组的塑料透镜的折射能力。在上述的变焦镜头中，优选满足条件表达式(6)(6) 0. 9 ^ Lw/Lt ^ 1. 05其中Lt是远视端的光学总长度。变焦镜头满足条件表达式(6)，由此缩短了光学总长度。在上述的变焦镜头中，优选满足条件表达式(7)和(8)(7) 1. 55 彡 nl 彡 1. 7(8) ν 1 > 60其中nl是第一透镜组的具有负折射能力的玻璃透镜的折射率，ν 1是第一透镜组的具有负折射能力的玻璃透镜的阿贝数。变焦镜头满足条件表达式(7)和(8)，从而第一透镜组的玻璃透镜的折射率被适应化，并抑制了色差的产生。根据本公开的另一个实施例，提供了成像设备，包括变焦镜头；以及成像元件， 将由变焦镜头形成的光学图像转换为电信号，其中，该变焦镜头按这样的方式构成从物体侧到图像侧按顺序布置具有负折射能力的第一透镜组、具有正折射能力的第二透镜组、具有正折射能力的第三透镜组；当变焦状态从广角端状态改变到远视端状态时，至少所述第一透镜组和所述第二透镜组可以移动；第一透镜组按这样的方式构成从物体侧到图像侧按顺序布置具有负折射能力的玻璃透镜和具有正折射能力的塑料透镜；第二透镜组按这样的方式构成从物体侧到图像侧按顺序布置由具有正折射能力并位于物体侧的玻璃透镜和具有负折射能力并位于图像侧的玻璃透镜组成的粘合透镜以及具有负折射能力的塑料透镜；第三透镜组具有至少一个具有正折射能力的塑料透镜；以及满足条件表达式(1)、(2) 和⑶(l)Lw/(fw · tan ω w) < 9. 0(2) I f2/ (fw · ft)1/2 <1.0(3) 1. 2 < fl/(fw · ft)1/2 < 1. 4其中Lw是广角端的光学总长度，fw是广角端的整个透镜系统的焦距，是广角端的半视场角，f2是所述第二透镜组的焦距，ft是远视端的整个透镜系统的焦距，Π是所述第一透镜组的焦距。因此，在该成像设备中，缩短了变焦镜头中的总长度，并通过适应化折射能力提高了光学性能。如上所述，根据本公开，在变焦镜头和成像设备中，在降低制造成本之后，可以实现小型化、促进高图像质量和促进高放大倍数。
图1是示出根据本公开的第一实施例的变焦镜头的镜头结构的图；图2与图3和图4 一起是其中将具体数字值应用于第一实施例的变焦镜头的数值例子的像差图，并且也是示出在广角端状态下的球面像差、场曲率和失真像差的图；图3是示出在中间焦距状态下的球面像差、场曲率和失真像差的图；图4是示出在远视(telescopic)端状态下的球面像差、视场曲率和失真像差的图；图5是示出根据本公开的第二实施例的变焦镜头的镜头结构的图；图6与图7和图8 —起是其中将具体数字值应用于第二实施例的变焦镜头的数值例子的像差图，并且也是示出在广角端状态下的球面像差、视场曲率和失真像差的图；图7是示出在中间焦距状态下的球面像差、视场曲率和失真像差的图；图8是示出在远视端状态下的球面像差、视场曲率和失真像差的图；图9是示出根据本公开的第三实施例的变焦镜头的镜头结构的图；图10与图11和图12 —起是其中将具体数字值应用于第三实施例的变焦镜头的数值例子的像差图，并且也是示出在广角端状态下的球面像差、视场曲率和失真像差的图；图11是示出在中间焦距状态下的球面像差、场曲率和失真像差的图；图12是示出在远视端状态下的球面像差、场曲率和失真像差的图；以及图13是示出根据本公开的第四实施例的成像设备的结构的框图。
具体实施例方式以下将参照附图详细说明根据本公开的实施例的变焦镜头和成像设备。变焦镜头的结构本公开的变焦镜头按这样的方式构成从物体侧到图像侧按顺序布置具有负折射能力的第一透镜组、具有正折射能力的第二透镜组和具有正折射能力的第三透镜组。同样， 在变焦状态从广角端(wide angle end)状态改变为远视端(telescopic end)状态时，至少第一透镜组和第二透镜组是可以移动的。此外，在本公开的变焦镜头中，第一透镜组按这样的方式构成从物体侧到图像侧按顺序布置具有负折射能力的玻璃透镜和具有正折射能力的塑料透镜。第二透镜组按这样的方式构成从物体侧到图像侧按顺序布置由具有正折射能力并位于物体侧的玻璃透镜和具有负折射能力并位于图像侧的玻璃透镜组成的粘合透镜以及具有负折射能力的塑料透镜。同样，第三透镜组具有至少一个具有正折射能力的塑料透镜。此外，本公开的变焦镜头满足条件表达式(1)、(2)和(3)(1) Lw/ (fw · tan ω w) <9.0(2) I f2/ (fw · ft)1/2 <1.0
(3) 1. 2 < I fl/(fw · ft)1/21 <1.4其中Lw是广角端的光学总长度，fw是广角端的整个透镜系统的焦距，是广角端上的半视场角，f2是第二透镜组的焦距，ft是远视端上的整个透镜系统的焦距，fl是第一透镜组的焦距。如上所述，在本公开的变焦镜头中，在具有负折射能力、正折射能力和正折射能力 (负、正和正)的三透镜组结构中，在各透镜组中分别使用塑料透镜，从而使得能够降低制造成本。此外，第一透镜组由两块透镜组成。同样，玻璃透镜用作物体侧的负透镜，并且塑料透镜用作图像侧的正透镜，由此，通常可以将具有小折射率(refractive index)的塑料透镜有效地布置在整体上具有负折射能力的第一透镜组中。这就是说，与将塑料透镜用作负透镜的情况相比，使用塑料透镜作为第一透镜组的正透镜得到的是，可以抑制塑料透镜的折射能力，并且当产生温度改变或湿度改变时可以制性能恶化。此外，不将塑料透镜用作第一透镜组的物体侧的负透镜，将塑料透镜用作正透镜， 从而，可以减小塑料透镜的外径，并可以实现确保镜头的强度以及增强可塑性。此外，按正透镜的形式来构成第一透镜组的塑料透镜，并按塑料透镜的形式来构造第二透镜组的负透镜。因此，在产生温度改变或湿度改变时后焦点(back focus)的波动可以通过对于第一透镜组的塑料透镜的后焦点的波动的第二透镜组的塑料透镜的后焦点的波动来消除。结果，可以实现光学性能的增强。除此之外，通常，当减少第一透镜组的构成块数以便实现小型化时，需要按非球面透镜的形式来构成第一透镜组的透镜，以便抑制像差的产生。然而，在本公开的变焦镜头中，将塑料透镜用作第一透镜组的透镜，并按非球面透镜的形式来构成该塑料透镜。因此， 不需要在玻璃透镜中形成非球面表面。这样，在确保降低制造成本之后，可以实现小型化并确保极佳的像差校正功能。如上所述，本公开的变焦镜头采用这样的结构使得通过分别在第一到第三透镜组中使用塑料透镜以实现降低制造成本之后，满足如以下将描述的条件表达式(1)、(2)和 (3)，从而实现小型化，促进高图像质量和促进高放大倍数。条件表达式(1)是用来调整在广角端的光学总长度和广角端的整个透镜系统的焦距和视场角之间的关系的表达式。当超过条件表达式(1)的上限时，即使能够实现促进高放大倍数，变焦镜头的总长度也会变得太长而导致增加规模。因此，变焦镜头满足条件表达式(1)，从而使得能够实现促进高放大倍数和小型化。条件表达式( 是用来调整第二透镜组的折射能力的表达式。当超过条件表达式O)的上限时，在希望实现变焦镜头的促进高放大倍数的情况下，主要起着改变放大倍数的作用的第二透镜组的移动距离变得太长。结果，变焦镜头的总长度变得太长而导致增加规模。因此，变焦镜头满足条件表达式( ，从而使得能够实现促进高放大倍数和小型化。条件表达式( 是用来调整第一透镜组的折射能力的表达式。
当|fl/(fw -ft)172的值落在条件表达式(3)的下限以下时，由于第一透镜组的折射能力变得太强，第一透镜组的偏心(decentering)灵敏度变高，并且制造的难度级变高。 此外，需要对第一透镜组的塑料透镜给予强的正折射能力，以便校正像差。但是，如果In/ (fwft)172的值落在条件表达式(3)的下限以下，则当产生温度改变或湿度改变时，由于塑料透镜的形状改变和折射率改变引起的性能恶化变得显著。与此相反，当超过条件表达式(3)的上限时，因为在第一透镜组的折射能力弱时第二透镜组的移动量增加，因此，在广角端状态下，变焦镜头的总长度变得太长。因此，变焦镜头满足条件表达式(3)，由此，能够实现降低制造难度级以及由于性能增强引起的促进高图像质量、促进高放大倍数和小型化。在根据本公开的一个实施例的变焦镜头中，优选满足条件表达式(4)和(5)(4) |fPl/fl I > 2. 1(5) I fP2/f2 I >4.0其中fPl是第一透镜组的具有正折射能力的塑料透镜的焦距，fP2是第二透镜组的具有负折射能力的塑料透镜的焦距。条件表达式(4)和( 分别是用于调整在第一透镜组和第二透镜组中布置的塑料透镜的折射能力的表达式。当|fPl/fl|或|fP2/f2|的值落在条件表达式(4)或(5)的下限以下时，在希望实现小型化和促进高放大倍数的情况下，塑料透镜的折射能力变得太强。结果，在第一到第三透镜组的每个之中的偏心灵敏度变高，并且配合特性变差。此外，引起在产生温度改变或湿度改变时的性能恶化。因此，变焦镜头满足条件表达式(4)或( ，从而，分别布置在第一透镜组和第二透镜组中的塑料透镜的折射能力得到适应化。结果，由于抑制了相对偏心的灵敏度，能够实现增强配合特性，并且还能够在产生温度改变或湿度改变时抑制性能恶化。要注意，在本公开中，优选将条件表达式(4)或(5)的数值范围分别设置在条件表达式⑷‘和(5)‘的范围之中(4) ‘ fPl/fl I > 2. 5(5)' fP2/f21 > 6. 0变焦镜头满足条件表达式(4)'或(5)‘，由此，由于进一步地抑制了相对偏心灵敏度，能够实现配合特性的进一步增强，并且还能够在产生温度改变或湿度改变时进一步抑制性能恶化。在根据本公开的一个实施例的变焦镜头中，优选满足条件表达式(6)(6) 0. 9 ^ Lw/Lt ^ 1. 05其中Lt是远视端中的光学总长度。条件表达式(6)是用于调整在广角端的光学总长度和远视端的光学总长度之间的比率的表达式，也是使变焦镜头小型化所需的表达式。当Lw/Lt的值超过条件表达式(6)的上限或落在其下限以下时，广角端的或远视端的任意一个的光学总长度变得太长。因此，变焦镜头满足条件表达式(6)，由此，在广角端和远视端上的光学总长度不会变得太长，从而使得能够实现小型化。
要注意，在本公开中，优选将条件表达式(6)的数值范围设置在条件表达式(6)‘ 的范围之中(6) ‘ 0. 97 彡 Lw/Lt 彡 1. 05变焦镜头满足条件表达式(6)‘，从而使得能够实现进一步的小型化。在根据本公开的一个实施例的变焦镜头中，优选满足条件表达式(7)和(8)(7) 1. 55 彡 nl 彡 1. 7(8) ν 1 > 60其中nl是第一透镜组的具有负折射能力的玻璃透镜的折射率，ν 1是第一透镜组的具有负折射能力的玻璃透镜的阿贝数。条件表达式(7)和(8)分别是用于调整第一透镜组的玻璃透镜的折射率和阿贝数的表达式。同样，条件表达式(7)和(8)是用于通过实现促进高放大倍数和促进广角两者来抑制在产生温度改变或湿度改变时的性能恶化并抑制第一透镜组的塑料透镜的折射能力的表达式。当折射率nl落在条件表达式(7)的下限以下时，为了加强第一透镜组的负折射能力，需要在物体侧形成具有负折射能力的玻璃透镜的表面，作为具有小的曲率半径的凹面。 结果，可能不能实现总长度的小型化。另一方面，当折射率nl超过条件表达式(7)的上限时，为了进行极好的像差校正， 需要加强具有正折射能力的塑料透镜的折射能力。结果，引起在产生温度改变或湿度改变时的性能恶化。此外，由于偏心灵敏度增加，引起制造上的困难。在阿贝数ν 1落在条件表达式(8)的下限以下时，变得容易产生色差，并且光学性能恶化。因此，变焦镜头满足条件表达式(7)和⑶，由此在抑制第一透镜组的塑料透镜的正折射能力时可以抑制色差。此外，也可以抑制在产生温度改变或湿度改变时的性能恶化。 同样，抑制了偏心灵敏度，由此使得能够减少制造上的困难。 第一到第三实施例的变焦镜头下面，将参照附图和表1到13来详细说明根据本公开的第一到第三实施例的变焦镜头，以及通过将具体数字值应用到根据本公开的第一到第三实施例的变焦镜头而得到的数值例子。要注意，下文中将在表1到13和描述中示出的符号的意义等如下。“表面号”表示从物体侧到图像侧计数的第i个表面(在图中表示为Ri)，“曲率半径”表示第i个表面的曲率的半径。“表面间隔”表示在第i个表面和第(i+Ι)个表面之间的轴上的表面间隔(透镜中心的厚度或空气间隔)，“折射率”表示以第i个表面开始的透镜等的d线(λ = 587. 6nm)中的折射率。同样，“阿贝数”表示以第i个表面开始的透镜等的d线中的阿贝数。关于“表面号”，“ASP”表示关注的表面是非球面。关于“曲率半径”，“0.0000”表
示关注的表面是平面。同样，关于“表面间隔”，“Di”表示可变间隔。“K” 表示二次曲线常数(conic constant)，“A4”、“A6”、“A8” 和 “A10” 分别表示 4级、6级、8级和10级非球面系数。“f ”表示整个透镜系统的焦距，“FN0”表示F数(开放F值)，“ ω ”表示半视场角。
注意，在下面的示出了非球面表面系数的表1到13中，‘ -η”表示以10为基数的指数表达式，即 “10-η”。例如，“0. 12345Ε-05” 表示 “0. 12345 X 10_5”。在第一到第三实施例中使用的某些变焦镜头中，以非球面的形式形成透镜表面。 非球面形状由表达式(1)定义
CV2X = ~( , \ 2 2y2+A4y4+A6y6+...(1)
1 + \[-(\ + φ2γ2)其中χ是在光轴方向上的、与透镜表面顶点的距离，y是在与光轴正交的方向上的高度，c是在透镜顶点上的曲率的傍轴半径(paraxial radius)。第一实施例的变焦镜头图1示出了根据本公开的第一实施例的变焦镜头1的镜头结构。在变焦镜头1中，将可变放大率设置为3. 76的放大倍数。在将塑料透镜分别用在透镜组中以实现3. 76的放大倍数作为可变放大率之后，变焦镜头1抑制了塑料透镜的折射能力。变焦镜头1以这样的方式构成从物体侧到图像侧按顺序布置具有负折射能力的第一透镜组Gl、具有正折射能力的第二透镜组G2和具有正折射能力的第三透镜组G3。在变焦镜头1中，当变焦状态从广角端状态改变到远视端状态时，在光轴方向上移动第一透镜组Gl、第二透镜组G2和第三透镜组G3。第一透镜组Gl以这样的方式构成从物体侧到图像侧按顺序布置第一透镜Ll和第二透镜L2，第一透镜Ll具有双凹面形状，作为具有负折射能力的玻璃透镜，第二透镜L2 具有弯月形状并具有指向物体侧的凸面，作为具有正折射能力的塑料透镜。第二透镜组G2以这样的方式构成从物体侧到图像侧按顺序布置粘合透镜和第五透镜，该第五透镜具有指向物体侧的凸面并具有指向图像侧的凹面，作为具有负折射能力的塑料透镜。在此情况下，将第三透镜L3和第四透镜L4彼此接合起来，从而得到粘合透镜，该第三透镜L3具有双凸面形状，作为具有正折射能力的玻璃透镜，第四透镜L4具有双凹面形状，作为具有负折射能力的玻璃透镜。第三透镜组G3由作为具有正折射能力的塑料透镜的具有双凸面形状的第六透镜 L6组成。孔径光阑S布置在物体侧的第二透镜组G2的位置中的第三透镜L3附近。 在第三透镜组G3和图像表面IMG之间从物体侧到图像侧按顺序布置滤光器FL和
覆盖玻璃CG。表1示出了在将具体数字值应用于第一实施例的变焦镜头1的数值例子1中的透镜数据，其中，。表权利要求
1.一种变焦镜头，其中从物体侧到图像侧按顺序布置具有负折射能力的第一透镜组、 具有正折射能力的第二透镜组和具有正折射能力的第三透镜组；当变焦状态从广角端状态改变到远视端状态时，至少所述第一透镜组和所述第二透镜组可以移动；所述第一透镜组按这样的方式构成从物体侧到图像侧按顺序布置具有负折射能力的玻璃透镜和具有正折射能力的塑料透镜；所述第二透镜组按这样的方式构成从物体侧到图像侧按顺序布置由具有正折射能力并位于物体侧的玻璃透镜和具有负折射能力并位于图像侧的玻璃透镜组成的粘合透镜以及具有负折射能力的塑料透镜；所述第三透镜组具有至少一个具有正折射能力的塑料透镜；以及满足条件表达式⑴、⑵和⑶(1)Lw/(fw· tan ω w) < 9. 0(2)f2/ (fw · ft)1/2 < 1. 0(3)1.2< fl/(fw ‘ ft)1/2 <1.4其中Lw是广角端的光学总长度，fw是广角端的整个透镜系统的焦距，《w是广角端的半视场角，f2是所述第二透镜组的焦距，ft是远视端的整个透镜系统的焦距，Π是所述第一透镜组的焦距。
2.根据权利要求1的变焦镜头，其中，满足条件表达式⑷和(5)(4)fPl/fl I > 2. 1(5)I fP2/f2 I >4.0其中fPl是所述第一透镜组的具有正折射能力的所述塑料透镜的焦距，fP2是所述第二透镜组的具有负折射能力的所述塑料透镜的焦距。
3.根据权利要求1的变焦镜头，其中，满足条件表达式(6)(6)0.9 彡 Lw/Lt 彡 1. 05其中Lt是远视端的光学总长度。
4.根据权利要求1的变焦镜头，其中，满足条件表达式(7)和(8)(7)1. 55 彡 nl 彡 1. 7(8)vl > 60其中nl是所述第一透镜组的具有负折射能力的所述玻璃透镜的折射率，vl是所述第一透镜组的具有负折射能力的所述玻璃透镜的阿贝数。
5.一种成像设备，包括变焦镜头；成像元件，将由所述变焦镜头形成的光学图像转换为电信号，其中，所述变焦镜头按这样的方式构成从物体侧到图像侧按顺序布置具有负折射能力的第一透镜组、具有正折射能力的第二透镜组、具有正折射能力的第三透镜组；当变焦状态从广角端状态改变到远视端状态时，至少所述第一透镜组和所述第二透镜组可以移动；所述第一透镜组按这样的方式构成从物体侧到图像侧按顺序布置具有负折射能力的玻璃透镜和具有正折射能力的塑料透镜；所述第二透镜组按这样的方式构成从物体侧到图像侧按顺序布置由具有正折射能力并位于物体侧的玻璃透镜和具有负折射能力并位于图像侧的玻璃透镜组成的粘合透镜以及具有负折射能力的塑料透镜；所述第三透镜组具有至少一个具有正折射能力的塑料透镜；以及满足条件表达式⑴、⑵和⑶(1)Lw/(fw· tan ω w) < 9. 0(2)f2/ (fw · ft)1/2 < 1. 0(3)1.2< fl/(fw ‘ ft)1/2 <1.4其中Lw是广角端的光学总长度，fw是广角端的整个透镜系统的焦距，《w是广角端的半视场角，f2是所述第二透镜组的焦距，ft是远视端的整个透镜系统的焦距，Π是所述第一透镜组的焦距。
全文摘要
本公开提供了变焦镜头，其中，从物体侧到图像侧按顺序布置具有负折射能力的第一透镜组、具有正折射能力的第二透镜组和具有正折射能力的第三透镜组；当变焦状态从广角端状态改变到远视端状态时，至少第一透镜组和第二透镜组可以移动。
文档编号G02B15/177GK102375225SQ20111023084
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月12日 优先权日2010年8月20日
发明者加藤卓也, 大畑笃 申请人:索尼公司