专利名称：变焦透镜系统和包括变焦透镜系统的照相机的制作方法
技术领域：
本发明涉及变焦透镜系统。更具体地说，本发明涉及适于用作在比如摄像机、监控照相机、数字静态照相机、广播照相机和卤化银胶卷照相机之类的照相机中包括的成像透镜的变焦透镜系统。
背景技术：
近年来，包括固态图像拾取装置的比如摄像机、数字静态照相机、广播照相机和卤化银胶卷照相机之类的照相机已变得更小，而功能增多。因此，对供照相机的成像光学系统之用的长度小的小型、高变焦比变焦透镜系统的需求已增长。作为符合上述需求的变焦透镜系统，已知一种四单元变焦透镜系统，其包括从物侧到像侧依次排列的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，和具有正折光力的第四透镜单元。四单元变焦透镜系统的例子是所谓的后对焦(rear-focus)变焦透镜系统，其中通过移动第二透镜单元改变放大率，改变放大率时造成的像面变化由第四透镜单元补偿(例如，参见日本专利No. 2002-182109，曰本专利特开No. 2002-287027,日本专利 No. 2000-89116(对应于美国专利No. 6118593)，和日本专利特开No. 2000-227548)。在后对焦变焦透镜系统中，与在其中通过移动第一透镜单元进行聚焦的变焦透镜系统中相比，第一透镜单元的有效直径通常是小的。于是，能够减小整个透镜系统的尺寸。 但是，在聚焦过程中发生大的像差变化，难以在从无限远的物体到近距离的物体的整个物距上获得高的光学性能。于是，为了获得具有高变焦比的变焦透镜系统，重要的是恰当地设置变焦类型、每个透镜单元的折光力和每个透镜单元的透镜结构。特别地，在上述四单元后对焦变焦透镜系统中，重要的是恰当设置第三透镜单元的透镜结构和整个系统的后焦距(back focus)。
发明内容
本发明提供一种具有新结构的小型变焦透镜系统，所述系统具有高的变焦比，并且在整个变焦范围内提供高的光学性能。按照本发明的一个方面的变焦透镜系统包括具有正光焦度的第一透镜单元；具有负光焦度的第二透镜单元，第二透镜单元在变焦过程中移动；具有正光焦度的第三透镜单元，其中第三透镜单元为了变焦而不移动；和具有正光焦度的第四透镜单元，第四透镜单元在变焦过程中移动，其中第一透镜单元、第二透镜单元、第三透镜单元和第四透镜单元从物侧到像侧依次排列。变焦透镜系统满足下述条件10. 0 < f3/fw < 26. 01. 2 < bft/fw < 3. 5其中fw是在广角端的变焦透镜系统的焦距，f3是在广角端的第三透镜单元的焦距，bft是在远摄端的后焦距的等效空气距离。根据参考附图对下面的示例性实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。
图1是按照第一实施例的变焦透镜系统在广角端的截面视图。图2图解说明按照第一实施例的变焦透镜系统在广角端的像差图。图3图解说明按照第一实施例的变焦透镜系统在中间变焦位置的像差图。图4图解说明按照第一实施例的变焦透镜系统在远摄端的像差图。图5是按照第二实施例的变焦透镜系统在广角端的截面视图。图6图解说明按照第二实施例的变焦透镜系统在广角端的像差图。图7图解说明按照第二实施例的变焦透镜系统在中间变焦位置的像差图。图8图解说明按照第二实施例的变焦透镜系统在远摄端的像差图。图9是按照第三实施例的变焦透镜系统在广角端的截面视图。图10图解说明按照第三实施例的变焦透镜系统在广角端的像差图。图11图解说明按照第三实施例的变焦透镜系统在中间变焦位置的像差图。图12图解说明按照第三实施例的变焦透镜系统在远摄端的像差图。图13是按照第四实施例的变焦透镜系统在广角端的截面视图。图14图解说明按照第四实施例的变焦透镜系统在广角端的像差图。图15图解说明按照第四实施例的变焦透镜系统在中间变焦位置的像差图。图16图解说明按照第四实施例的变焦透镜系统在远摄端的像差图。图17是图解说明包括按照本发明的至少一个实施例的变焦透镜系统的数字照相机的主要部分的示意图。图18是图解说明包括按照本发明的至少一个实施例的变焦透镜系统的摄像机的主要部分的示意图。
具体实施例方式下面将说明按照本发明的实施例的变焦透镜系统，和包括按照至少一个实施例的变焦透镜系统的照相机(图像拾取设备、图像捕获装置)。按照本发明的实施例的每个变焦透镜系统从物侧到像侧依次包括具有正折光力 (即，光焦度，其为焦距的倒数)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，和具有正折光力的第四透镜单元。第二和第四透镜单元在变焦过程中(为了变焦)移动。第三透镜单元为了变焦不移动。图1是按照本发明的第一实施例的变焦透镜系统在广角端(短焦距端)的截面视图。图2、3和4分别图解说明按照第一实施例的变焦透镜系统在广角端、中间变焦位置和远摄端(长焦距端)的像差图。图5是按照本发明的第二实施例的变焦透镜系统在广角端的截面视图。图6、7和 8分别图解说明按照第二实施例的变焦透镜系统在广角端、中间变焦位置和远摄端的像差图。图9是按照本发明的第三实施例的变焦透镜系统在广角端的截面视图。图10、11 和12分别图解说明按照第三实施例的变焦透镜系统在广角端、中间变焦位置和远摄端的
像差图。图13是按照本发明的第四实施例的变焦透镜系统在广角端的截面视图。图14、 15和16分别图解说明按照第四实施例的变焦透镜系统在广角端、中间变焦位置和远摄端的像差图。图17是图解说明包括按照本发明的一个实施例的变焦透镜的数字照相机的主要部分的示意图。图18是图解说明包括按照本发明的一个实施例的变焦透镜的摄像机的主要部分的示意图。按照每个实施例的变焦透镜系统是用在照相机中的成像透镜系统。在每个变焦透镜系统的截面视图中，左侧表示物侧(前侧)，右侧表示像侧(后侧)。参见这些截面视图，每个变焦透镜系统包括具有正折光力的第一透镜单元Li，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，和具有正折光力的第四透镜单元L4。SP表示孔径光阑，它被放置在第三透镜单元L3的物侧。G表示对应于例如滤光器、面板等的光学块。IP表示像面。在按照每个实施例的变焦透镜系统用作摄像机或者数字照相机的成像光学系统的情况下，诸如CCD传感器和CMOS传感器之类的固态图像拾取装置(光电转换元件)的图像拾取平面对应于像面IP。在变焦透镜系统用作卤化银胶卷照相机的成像光学系统的情况下，胶卷表面对应于像面IP。在像差图中，d和g分别表示d线和g线，ΔΜ和AS分别表示子午像面和弧矢像面。另外，F表示F数，ω表示成像半场角。在每个实施例中，广角端和远摄端是与放大率改变透镜单元(第二透镜单元)位于沿光轴可机械移动的范围的一端和另一端的状态对应的变焦位置。在每个实施例中，在从广角端到远摄端的变焦过程中，通过朝着像侧移动第二透镜单元L2改变放大率，通过沿朝着像侧凸起的轨迹移动第四透镜单元L4，补偿当改变放大率时造成的像面变化。另外，变焦透镜系统是其中通过沿光轴移动第四透镜单元L4来进行聚焦的后对焦变焦透镜系统。每个截面视图中的实线如和虚线4b分别表示为了补偿当无限远的物体焦点对准的情况下和近距离的物体焦点对准的情况下的放大率变化造成的像面变化而移动第四透镜单元L4的轨迹。从而，第四透镜单元L4是沿朝着像侧凸起的轨迹移动的。于是，能够有效地使用第三透镜单元L3和第四透镜单元L4之间的空气，能够有效地减小整个透镜长度。
从无限远的物体到近距离物体的聚焦操作是通过如箭头F所示，向前移动第四透镜单元L4来执行的。第一透镜单元Ll不为了变焦或聚焦沿光轴移动。但是，在需要时可移动第一透镜单元Ll以校正像差。根据需要，可在第一透镜单元Ll的物侧和/或第四透镜单元L4的像侧布置具有折光力的透镜单元。在每个实施例中，下述条件被满足10. 0 < f3/fw < 26. 0... (1)1. 2 < bft/fw < 3. 5... (2)在上面的表达式中，fw是在广角端的整个系统的焦距，f3是第三透镜单元的焦距，bft是当无限远的物体在远摄端焦点对准时的后焦距。后焦距bft是当无折光力的比如玻璃块G之类的光学元件被除去时最后的透镜表面和像面之间的等效空气距离。为了获得具有高变焦比的小型变焦透镜，设置条件表达式(1)和(2)。如果第三透镜单元L3的焦距太大并且条件表达式(1)的值大于其上限，那么第三透镜单元L3的正折光力的负担被降低，能够充分校正像差。但是，变得必须增大(增强)第四透镜单元L4的折光力，以防止整个透镜长度(第一透镜表面和像面之间的距离)增大。 从而，难以抑制整个变焦范围上的像差变化。另外，如果第三透镜单元L3的焦距被增大，那么第四透镜单元L4的有效透镜直径增大，并且整个系统的尺寸相应增大。另外，移动第四透镜单元L4以便聚焦的致动器的负担增大。如果第三透镜单元L3的焦距太小并且条件表达式(1)的值小于其下限，那么正折光力的负担增大，并且难以获得良好的光学性能。特别地，在广角端产生大的球面像差。另外，难以均衡地校正整个变焦范围上的像差。为了适当地设置后焦距，提供了条件表达式(2)。在高变焦比后对焦变焦透镜系统中，第四透镜单元被布置成在远摄端最接近像侧。于是，必须把远摄端的后焦距设为所需的长度。如果后焦距太大并且条件表达式(2)的值大于其上限，那么第一透镜单元Ll和像面之间的距离增大，并且第一透镜单元Ll的有效直径相应增大。于是，变得难以减小整个系统的尺寸。
另外，从第三透镜单元L3到第四透镜单元L4的光发散增大，第四透镜单元L4的有效直径相应增大。于是，在变焦、像差校正和聚焦操作中，致动器的负担增大。另外，当第四透镜单元L4被移动时，产生大的像差变化。如果条件表达式O)的值小于其下限，那么后焦距变得太短，并且变得难以提供放置滤光器等的空间。条件表达式⑴和⑵的数值范围也可被设置成如下所示10. 5 < f3/fw < 23. 0— (la)1. 5 < bft/fw < 2. 5…Oa)在每个实施例中，由于上述透镜结构，获得高的变焦比(约40)。另外，获得在整个变焦范围上像差被充分校正并且具有大的孔径比以致F数约为1.65的后对焦变焦透镜系
通过采用上述结构，获得按照本发明的每个实施例的变焦透镜系统。此外，为了在获得高变焦比的同时保持令人满意的光学性能，至少一个下述条件可被满足。S卩，第三透镜单元L3可包括具有非球面表面的正透镜元件G3p。另外，当f3asp是正透镜元件G3p的焦距时，下述条件可被满足8. 0 < f3asp/fw < 30. 0.....(3)另外，第一透镜单元Ll可包括三个或者更多的正透镜元件。当vdl是包括在第一透镜单元Ll中的正透镜元件的材料的阿贝数的平均值时，下述条件可被满足58 < vdl.....(4)另外，第二透镜单元L2可包括负透镜元件G2n。当nd2是负透镜元件G2n的材料的折射率时，下述条件可被满足1. 9 < nd2.....(5)另外，第四透镜单元L4可包括具有非球面表面的正透镜元件G4p。另外，当f4asp 是正透镜元件G4p的焦距时，下述条件可被满足4. 5 < f4asp/fw <10.....(6)另外，当ft是在远摄端的整个系统的焦距，f2是第二透镜单元L2的焦距时，下述条件可被满足
权利要求
1. 一种变焦透镜系统，包括 具有正光焦度的第一透镜单元；具有负光焦度的第二透镜单元，其中第二透镜单元在变焦过程中移动； 具有正光焦度的第三透镜单元，其中第三透镜单元为了变焦而不移动；和具有正光焦度的第四透镜单元，其中第四透镜单元在变焦过程中移动， 其中第一透镜单元、第二透镜单元、第三透镜单元和第四透镜单元从物侧到像侧依次排列，其中下述条件被满足 10. 0 < f3/fw < 26. 01.2 < bft/fw < 3. 5这里fV是在广角端的变焦透镜系统的焦距，f3是第三透镜单元的焦距，bft是在远摄端的后焦距的等效空气距离，其中第三透镜单元包括具有非球面表面的正透镜元件，并且其中下述条件被满足 8. 0 < f3asp/fw < 30. 0这里f3asp是包括在第三透镜单元中的该正透镜元件的焦距，其中第一透镜单元包括三个或者更多的正透镜元件，并且其中下述条件被满足58 < vdl这里vdl是包括在第一透镜单元中的正透镜元件的材料的阿贝数的平均值。
2.按照权利要求1所述的变焦透镜系统，其中第二透镜单元包括满足下述条件的负透镜元件1.9 < nd2这里nd2是该负透镜元件的材料的折射率。
3.按照权利要求1所述的变焦透镜系统，其中第四透镜单元包括具有非球面表面的正透镜元件，并且其中下述条件被满足4.5 < f4asp/fw < 10这里f^asp是包括在第四透镜单元中的该正透镜元件的焦距。
4.按照权利要求1所述的变焦透镜系统，其中下述条件被满足
5.按照权利要求1所述的变焦透镜系统，还包括 为了变焦而不移动的孔径光阑，其中第一透镜单元为了变焦而不移动， 其中下述条件被满足2.0 < OAL/OALs < 2. 8这里OAL是包括在变焦透镜系统中的透镜表面之中最接近物侧的一个透镜表面和像面之间的距离，OALs是孔径光阑和像面之间的距离。
6.按照权利要求1所述的变焦透镜系统，其中第一透镜单元由从物侧到像侧依次排列的以下部分组成包括在物侧凸起的负弯月透镜元件和正透镜元件的粘合透镜，在物侧凸起的正弯月透镜元件，和在物侧凸起的正弯月透镜元件，其中第二透镜单元由从物侧到像侧依次排列的以下部分组成在物侧凸起的负弯月透镜元件，和包括双凹负透镜元件及在物侧凸起的正透镜元件的粘合透镜，和其中第四透镜单元由从物侧到像侧依次排列的以下部分组成双凸正透镜元件，和包括在物侧凸起的负弯月透镜元件及双凸正透镜元件的粘合透镜。
7. 一种照相机，包括 按照权利要求1所述的变焦透镜系统；和接收由所述变焦透镜系统形成的图像的固态图像拾取装置。
全文摘要
本发明提供变焦透镜系统和包括变焦透镜系统的照相机。变焦透镜系统包括具有正光焦度的第一透镜单元，在变焦过程中移动的具有负光焦度的第二透镜单元，为了变焦而不移动的具有正光焦度的第三透镜单元，和在变焦过程中移动的具有正光焦度的第四透镜单元。第一透镜单元、第二透镜单元、第三透镜单元和第四透镜单元从物侧到像侧依次排列。变焦透镜系统的后焦距和第三透镜单元的焦距被恰当设置。并且，包括在第三透镜单元中的正透镜元件的焦距和包括在第一透镜单元中的正透镜元件的材料的阿贝数的平均值被恰当设置。
文档编号G03B17/12GK102540431SQ20121000545
公开日2012年7月4日 申请日期2009年2月12日 优先权日2008年2月12日
发明者山崎真司 申请人:佳能株式会社