变焦透镜和具有该变焦透镜的图像拾取设备的制作方法

专利名称：变焦透镜和具有该变焦透镜的图像拾取设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种变焦透镜和包括该变焦透镜的图像拾取设备；该变焦透镜可以适合作为摄影光学系统用于例如单镜头反光照相机、数字静态照相机、数字摄像机、TV照相机或监视照相机等中。
背景技术：
日益地需要能够高精度地、高速地执行自动聚焦(AF)的诸如单镜头反光照相机或摄像机等之类的图像拾取设备。传统上，相差自动聚焦已经被广泛地用作用于拍摄静态图像的自动聚焦方法。另一方面，在近来的单镜头反光照相机中，已经需要拍摄运动图像和在拍摄运动图像期间进行自动聚焦的功能。作为用于在拍摄运动图像中使用的自动聚焦方法，反差型自动聚焦(contrast type autofocusing)已经被广泛地使用。在反差型自动聚 焦中，通过检测拍摄的图像信号的高频成分来评估摄影光学系统的聚焦状态。在使用反差型自动聚焦方法的图像拾取设备中，通过在光轴方向上高速地振动聚焦透镜单元(以下被称为“摆动(wobbling)”)来检测从聚焦状态偏移的方向。接下来，在摆动之后，从图像传感器的输出信号通过检测图像区域的特定频带的信号成分来计算聚焦透镜单元的最佳位置，即，聚焦状态。其后，将聚焦透镜单元移动到最佳位置，从而完成聚焦。在拍摄运动图像的情况中，为了减少聚焦时间，需要高速地驱动聚焦透镜单元。另夕卜，需要尽可能快地驱动聚焦透镜单元，使得电机的驱动声音不能被记录。因此，为了使电机的负荷最小化，已经需要小的重量轻的聚焦透镜单元。在使用相差自动聚焦方法的图像拾取设备中，还需要使用小又轻的聚焦透镜单元。已知有这样的变焦透镜，该变焦透镜通过在构成该变焦透镜的所有透镜单元中部分地采用小又轻的透镜单元来执行聚焦。例如，美国专利No. 7，184, 221论述了一种变焦透镜，在该变焦透镜中，负透镜单元和正透镜单元依次放置在像侧，并且通过小又轻的负透镜单元来执行聚焦。美国专利申请公开No. 2010/0091170论述了一种从物侧到像侧依次包括分别具有正折光力、负折光力、负折光力、正折光力和正折光力的第一至第五透镜单元的变焦透镜，其中通过第三透镜单元来执行聚焦。美国专利申请公开No. 2010/0091171论述了一种包括分别具有正折光力、负折光力、正折光力、正折光力和正折光力的第一至第五透镜单元的五单元变焦透镜，其中通过使用第三透镜单元来执行聚焦。美国专利申请公开No. 2011/0116174论述了一种包括分别具有正折光力、负折光力、正折光力和正折光力的第一至第四透镜单元的四单元变焦透镜，其中通过使用第二透镜单元来执行聚焦。为了提高自动聚焦速度，使用由少量的透镜构成的小又轻的透镜单元作为聚焦透镜单元是有用的。另外，为了减少聚焦期间的移动量，使用具有强折光力的透镜单元作为聚焦透镜单元是有用的。一般来说，在通过使用少量的透镜配置聚焦透镜单元的情况下，如果聚焦透镜单元的光焦度(power)(折光力)被增强，则聚焦透镜单元的残余像差增加，因而伴随有由于聚焦而引起的像差的变化。因此，聚焦透镜单元的光焦度不能被过量地增强。
另一方面，如果聚焦透镜单元的光焦度被削弱，则聚焦期间的移动量增加。结果，聚焦透镜单元移动的空间增大了，从而不能确保可以移动变焦透镜单元的充分的空间。因此，在保持高光学性能的同时允许整个变焦透镜容纳在小的尺寸中是困难的。在美国专利申请公开No. 2010/0091170中，具有负折光力的第三透镜单元被配置为聚焦透镜单元，以及在美国专利申请公开No. 2010/0091171中，具有正折光力的第三透镜单元被配置为聚焦透镜单元。在这些变焦透镜中，为了允许减小聚焦透 镜单元的移动量，美国专利申请公开No. 2010/0091170中的第二透镜单元的负光焦度或者美国专利申请公开No. 2010/0091171中的第四透镜单元的正光焦度被削弱到增强聚焦透镜单元的光焦度的程度。因此，在美国专利申请公开No. 2010/0091170中，在第二透镜单元和第三透镜单元的合成透镜单元被配置为具有负折光力的透镜单元的情况下，主点位置相对于具有负折光力的第二透镜单元大大地偏移到像侧。另外，在美国专利申请公开No. 2010/0091171中，在第三透镜单元和第四透镜单元的合成透镜单元被配置为具有正折光力的透镜单元的情况下，主点位置相对于具有正折光力的第三透镜单元大大地偏移到物侧。结果，适当地设置每一个透镜单元的光焦度来校正变焦期间的像差的变化是困难的，从而往往难以实现高性能并允许整个变焦透镜具有小尺寸。

发明内容
根据本发明的一个方面，一种变焦透镜包括孔径光阑和在变焦期间移动的多个透镜单元，其中，多个透镜单元在孔径光阑的物侧包括具有正折光力的正透镜单元Lp以及与正透镜单元Lp的像侧相邻放置的具有负折光力的负透镜单元Ln，其中，正透镜单元Lp和负透镜单元Ln中的至少一个包括在聚焦期间移动的两个或更少的透镜，以及其中，当正透镜单元Lp和负透镜单元Ln的焦距分别由Fp和Fn表示时，满足下面的条件O. 5 < Fp/Fn <2.0。本发明的另一个方面针对一种具有该变焦透镜的图像拾取设备。有利地，变焦透镜被设计为具有小尺寸、轻重量，并且它能够以预定的光焦强(optical power)高速地执行聚焦。根据下面参照附图的对示例性实施例的详细描述，本发明的进一步的特征和方面将变得显而易见。


包含在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出本发明的示例性实施例、特征和方面，并且与本描述一起起到解释本发明的原理的作用。图I是图示根据本发明第一示例性实施例的变焦透镜在广角端处的横截面图。图2A和2B是当根据第一示例性实施例的变焦透镜聚焦在无限远物体上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图。图3A和3B是当根据第一示例性实施例的变焦透镜聚焦在420mm的物距处的物体上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图，其以mm为单位表示。图4是图示根据本发明第二示例性实施例的变焦透镜在广角端处的横截面图。
图5A和5B是当根据第二示例性实施例的变焦透镜聚焦在无限远物体上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图。图6A和6B是当根据第二示例性实施例的变焦透镜聚焦在300mm的物距处的物体上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图，其以mm为单位表示。图7是图示根据本发明第三示例性实施例的变焦透镜在广角端处的横截面图。图8A和SB是当根据第三示例性实施例的变焦透镜聚焦在无限远物体上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图。图9A和9B是当根据第三示例性实施例的变焦透镜聚焦在390mm的物距处的物体上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图，其以mm为单位表示。
图10是图示根据本发明第四示例性实施例的变焦透镜在广角端处的横截面图。图IlA和IlB是当根据第四示例性实施例的变焦透镜聚焦在无限远物体上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图。图12A和12B是当根据第四示例性实施例的变焦透镜聚焦在420mm的物距处的物体上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图，其以mm为单位表示。图13是图示根据本发明第五示例性实施例的变焦透镜在广角端处的横截面图。图14A和14B是当根据第五示例性实施例的变焦透镜聚焦在无限远物体上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图。图15A和15B是当根据第五示例性实施例的变焦透镜聚焦在420mm的物距处的物体上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图，其以mm为单位表示。图16是图示根据本发明第六示例性实施例的变焦透镜在广角端处的横截面图。图17A和17B是当根据第六示例性实施例的变焦透镜聚焦在无限远物体上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图。图18A和18B是当根据第六示例性实施例的变焦透镜聚焦在420mm的物距处的物体上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图，其以mm为单位表示。图19是图示根据本发明示例性实施例的图像拾取设备的主要部件的示意图。
具体实施例方式下面将参照附图详细地描述本发明的各种示例性实施例、特征和方面。根据本发明的示例性实施例的变焦透镜包括孔径光阑和在聚焦期间移动的多个透镜单元。在孔径光阑SP的物侧包括具有正折光力的正透镜单元Lp以及与正透镜单元Lp的像侧相邻的具有负折光力的负透镜单元Ln。其中的至少一个透镜单元包括在聚焦期间移动的两个或更少的透镜。图I是图示根据本发明第一示例性实施例的变焦透镜在广角端(短焦距端)处的透镜横截面图。图2A和2B是当根据第一示例性实施例的变焦透镜聚焦在无限远物体上时该变焦透镜在广角端和望远端(长焦距端)处的像差图。图3A和3B是当根据第一示例性实施例的变焦透镜聚焦在近距离物体(摄影距离420mm)上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图。图4是图示根据本发明第二示例性实施例的变焦透镜在广角端处的透镜横截面图。图5A和5B是当根据第二示例性实施例的变焦透镜聚焦在无限远物体上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图。图6A和6B是当根据第二示例性实施例的变焦透镜聚焦在近距离物体(摄影距离300mm)上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图。图7是图示根据本发明第三示例性实施例的变焦透镜在广角端处的透镜横截面图。图8A和SB是当根据第三示例性实施例的变焦透镜聚焦在无限远物体上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图。图9A和9B是当根据第三示例性实施例的变焦透镜聚焦在近距离物体(摄影距离390mm)上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图。图10是图示根据本发明第四示例性实施例的变焦透镜在广角端处的透镜横截面图。图IlA和IlB是当根据第四示例性实施例的变焦透镜聚焦在无限远物体上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图。图12A和12B是当根据第四示例性实施例的变焦透镜聚焦在近距离物体(摄影距离420mm)上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图。图13是图示根据本发明第五示例性实施例的变焦透镜在广角端处的透镜横截面图。图14A和14B是当根据第五示例性实施例的变焦透镜聚焦在无限远物体上时该变焦透 镜在广角端和望远端处的像差图。图15A和15B是当根据第五示例性实施例的变焦透镜聚焦在近距离物体(摄影距离420mm)上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图。图16是图示根据本发明第六示例性实施例的变焦透镜在广角端处的透镜横截面图。图17A和17B是当根据第六示例性实施例的变焦透镜聚焦在无限远物体上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图。图18A和18B是当根据第六示例性实施例的变焦透镜聚焦在近距离物体(摄影距离420mm)上时该变焦透镜在广角端和望远端处的像差图。图19是图示根据本发明示例性实施例的包括变焦透镜的单镜头反光照相机(图像拾取设备)的主要部件的示意图。根据每一个示例性实施例的变焦透镜是用于诸如摄像机、数字照相机或卤化银胶片照相机之类的图像拾取设备的摄影透镜系统(光学系统)。在每一个横截面图中，左侧是变焦透镜的物侧(或前侧)，以及右侧是变焦透镜的像侧(或后侧)。在每一个横截面图中，附图标记“i”表示从物侧向像侧观看的透镜单元的顺序。因此，附图标记“Li”表示第i个透镜单元。附图标记“SP”表示孔径光阑。附图标记“IP”表示像平面。在变焦透镜用作摄像机或数字静态照相机的摄影光学系统的情况中，像平面IP对应于诸如电荷耦合器件(CCD)传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器之类的固态图像传感器(光电转换元件)的成像表面。另外，在变焦透镜用于卤化银胶片照相机时，像平面IP对应于胶片表面。每一个箭头指示在从广角端到望远端的变焦期间的每一个透镜单元的移动轨迹。在每一个球差图中，关于夫琅和费d线和g线的球差分别由实线和虚线指示。在每一个像散图中，虚线指示关于d线的子午像表面的偏离量AM，以及实线指示关于d线的弧矢像表面的偏离量AS。另外，在每一个畸变图中，图示关于d线的畸变。色差图表示关于g线的倍率色差。附图标记“Fno”表示F数，附图标记“ω”表示半视角。在以下描述的每一个示例性实施例中，广角端和望远端分别表示在倍率变化透镜单元位于光轴上的可移动范围内的各个机械末端处时的变焦位置。为了更好地图示在本文公开的各种实施例中公开的变焦透镜的优点，将描述对根据本发明示例性实施例的变焦透镜和现有技术中的变焦透镜之间的显著差异的讨论。如美国专利申请公开No. 2011/0116174中所论述的，在通过整个第二透镜单元执行聚焦的四单元变焦透镜中，聚焦透镜单元具有非常大的尺寸。相反，容易增强在聚焦期间移动的透镜单元的光焦度，并且可以减少移动范围，从而具有允许整个变焦透镜具有小的尺寸的优点。另一方面，在通过使用少量的透镜配置聚焦透镜单元的变焦透镜中，如果聚焦透镜单元的光焦度被增强太多，则聚焦透镜单元的剩余像差增加。因此，由于物距变化而引起的像差的变化大大地增大。由于这种原因，如果同时意欲聚焦透镜单元的小型化和像差变化的减少，则增大焦点移动量，从而减少透镜单元为了变焦而移动的空间。另外，在美国专利申请公开No. 2010/0091170中论述的变焦透镜中，如果意欲通过增强作为聚焦透镜单元的第三透镜单元的光焦度来抑制焦点移动量，则将第二和第三透镜单元的具有负折光力的合成透镜单元的前 主点位置移动到第三透镜单元侧。这表示，在包括具有正折光力、负折光力、正折光力和正折光力的透镜单元的四单元变焦透镜的广角端处，作为变化器的第二透镜单元和第一透镜单元之间的距离变宽。因此，使视角变宽是非常困难的。另外，在美国专利申请公开No. 2010/0091170中，在变焦期间，作为聚焦透镜单元的第三透镜单元在广角端处被移动到第二透镜单元侧，并且在望远端处被移动到第四透镜单元侧，以缩小距离。因此，获得倍率变化的效果。但是，需要确保第二透镜单元和第三透镜单元之间的距离与聚焦透镜单元的移动量成比例。因此，第二透镜单元向第四透镜单元侧的移动被限制。这样，与上述的四单元变焦透镜相比，倍率变化的效果被大幅地减少。在美国专利申请公开No. 2010/0091171中论述的变焦透镜中，第四透镜单元的正光焦度(折光力)被分配给作为聚焦透镜单元的第三透镜单元侧。因此，第三和第四透镜单元的主点位置被移动到第三透镜单元侧，从而确保在广角端处的长后焦点(long backfocus)是困难的。另外，在从广角端到望远端的变焦期间，第三透镜单元变得靠近第二透镜单元侧。因此，第四透镜单元变得不能与作为聚焦透镜单元的第三透镜单元的移动量成比例地靠近第二透镜单元侧。这样，与上述的四单元变焦透镜相比，失去了倍率变化的效果。因此，如上所述，根据本发明的示例性实施例的变焦透镜使用这样的聚焦方法，其中，包括正透镜单元Lp和负透镜单元Ln的合成透镜单元被插入在光路中，并且通过使用其透镜单元中的一个或两个来执行聚焦。有利地，包括正透镜单元Lp和负透镜单元Ln的合成透镜单元基本上无光焦度。如本文中所使用的，术语“基本上无光焦度”是指合成透镜单元整体上基本不具有光焦强；即，透镜单元Lp和透镜单元Ln的光焦强的组合导致基本上零的光焦强。因此，可以校正由于变焦而引起的像差，而不影响原始变焦透镜单元的光焦度布置。另外，正透镜单元Lp和负透镜单元Ln的光焦度都被增强，从而可以在保持合成透镜单元的无光焦度的状态下减少聚焦透镜单元的移动量。另外，正透镜单元Lp和负透镜单元Ln从物侧依次放置在孔径光阑的物侧的发散光通束(light flux)内。因此，允许正透镜单元Lp和负透镜单元Ln在其间具有远焦的关系，从而，可以减少在聚焦期间的轴向光束高度的变化。另外，正透镜单元Lp和负透镜单元Ln被连续地放置，并且在透镜单元的位置处的轴外主光束高度也变得相互靠近，从而允许其间发生的轴外像差有效地相互抵消。相反，在美国专利No. 7，184，221中，负透镜单元和正透镜单元从物侧到像侧依次放置在孔径光阑的像侧的会聚光通束内，并且通过使用负透镜单元来执行聚焦。在本文描述的聚焦方法中，允许负透镜单元和正透镜单元在其间具有远焦关系，从而可以减少由于聚焦引起的轴向光束高度的变化。但是，最初，在广角端处，负光焦度放置在物侧，强的正光焦度放置在像侧。因此，在美国专利No. 7，184，221中，虽然通过有效地放置后主点来意欲视角变宽、整个变焦透镜的小型化和高性能的实现，但是，由于强负透镜单元放置在像侧，所以扩大了整个透镜单元。另外，在美国专利No. 7，184，221中，通过在孔径光阑的像侧的具有强折光力的负透镜单元来增大轴外主光束高度。结果，当在聚焦期间移动负透镜单元时，大大地改变了通过像侧的正透镜单元的轴外主光束高度，从而也增大了轴外像差的物距的变化。在根据本发明的示例性实施例的变焦透镜中，在从广角端到望远端的变焦期间，移动具有正折光力的正透镜单元Lp和具有负折光力的负透镜单元Ln，以增大其间的距离，从而可以获得倍率变化的效果。另外，它用于倍率的变化而没有浪费在聚焦透镜单元的聚焦期间的驱动的空间。因此，可以实现小尺寸、轻重量的聚焦机构，在整个变焦范围和整个聚焦范围内获得良好的光学性能，并且使整个变焦透镜小型化。接下来，将描述根据本发明的示例性实施例的变焦透镜的特征。根据每一个示例性实施例的变焦透镜包括孔径光阑SP和在聚焦期间移动的多个透镜单元。另外，在孔径光阑SP的物侧包括具有正折光力的正透镜单元Lp以及与正透镜单元Lp的像侧相邻的具有负折光力的负透镜单元Ln。移动其中的至少一个透镜单元来聚焦。在每一个示例性实施例中，正透镜单元Lp的焦距和负透镜单元Ln的焦距分别由Fp和Fn指示。在这种情况下，满足下面的条件O. 5 < I Fp/Fn | <2.0(I)。条件⑴涉及正透镜单元Lp的焦距和负透镜单元Ln的焦距之比。正透镜单元Lp和负透镜单元Ln从物侧到像侧依次放置在其中轴向光束发散的孔径光阑的物侧，从而在透镜单元之间通过的轴向光束被配置为处于远焦的状态。因此，可以减少由于聚焦而引起的轴向光束高度的变化。另外，正透镜单元Lp和负透镜单元Ln被连续地放置，并且在透镜单元的位置处的轴外主光束高度也变得相互靠近，从而允许其间发生的轴外像差有效地相互抵消。另外，由于正透镜单元Lp和负透镜单元Ln构成一对正折光力和负折光力，所以可以将其合成光焦度保持为基本上无光焦度或保持为无光焦度，并且可以增强互光焦度(mutual power)。因此，可以使用透镜单元中的至少一个来减少聚焦期间的焦点移动量。因此，虽然正透镜单元Lp或者负透镜单元Ln包括少量(两个或更少)的透镜，但是可以减少焦点移动量，提高变焦期间的倍率变化的效果，并且减少由于聚焦引起的像差的变化。如果超出条件(I)的范围，则失去透镜单元之间的像差抵消的关系，增大由于聚焦引起的像差的变化，并且失去其他透镜单元的光焦度布置(折光力布置)，从而增大变焦期间的像差的变化。更有用的是，条件(I)的数值范围可以被定义如下O. 6 < Fp/Fn < I. 7(la)。关于每一个示例性实施例的变焦透镜，满足以下条件中的至少一个是更有用的。在广角端和望远端处负透镜单元Ln的横向倍率分别由i3nw和βη 表示。在广角端和望远端处正透镜单元Lp的横向倍率分别由βρ 和β pt表示。在广角端和望远端处放置在正透镜单元Lp的物侧的透镜单元的合成焦距分别由Ffw和Fft表示。在广角端和望远端处放置在负透镜单元Ln的像侧的透镜单元的合成焦距分别由Frw和Frt表示。、
从负透镜单元Ln的最像侧(most image-side)表面到像平面(距离)的距离由Dnw表示，以及在广角端处的整个变焦透镜的焦距由fw表示。在聚焦期间的望远端处的正透镜单元Lp和负透镜单元Ln中的在聚焦期间移动的一个透镜单元的移动量由Mft (从物侧到像侧的移动量被定义为正的)表示。在从广角端到望远端的变焦期间所述在聚焦期间移动的一个透镜单元相对于另一个透镜单元的相对移动量由Mz (从物侧到像侧的移动量被定义为正的)表示。在这种情况下，满足以下条件中的至少一个是有用的^nw| < I. O(2)βη | < I. O(3)O. 3 < I Ffw/Fp | < 2. O(4) O. 3 < I Fft/Fp | < 2. O(5)O. 5 < β pwX β nw < I. 6(6)0. 5 < ^ptX βη < I. 6(7)O. 4 < I Frw/Fn | < O. 95(8)O. 4 < Frt/Fn < O. 95(9)2. 5 < Dnw/fw < 6. 0(10)0. 3 < |Mz/Mft| < I. 0(11)。接下来，将描述前述条件中的每一个的技术含义。条件⑵涉及负透镜单元Ln的广角端横向倍率。条件(2)用于通过允许正透镜单元Lp和负透镜单元Ln在远焦状态中相互靠近来减少聚焦期间的轴向像差的变化。如果超出条件(2)的范围，则失去正透镜单元Lp和负透镜单元Ln之间的远焦性(afocality)，并且在聚焦期间轴向光束高度大大地改变，从而球差或者轴向色差的变化增大。更有用的是，条件(2)的数值范围可以被定义如下I β nw I < O. 5(2a)。另外，在望远端处，类似于广角端，负透镜单元Ln满足条件(3)是有用的。Ιβη Ι <1.0(3)条件(3)涉及负透镜单元的望远端横向倍率。条件(3)用于通过在望远端以及广角端处允许正透镜单元Lp和负透镜单元Ln在远焦状态中相互靠近来减少聚焦期间的轴向像差的变化。更有用的是，条件(3)的数值范围可以被定义如下I β nt I < O. 5(3a)。接下来，将描述用于允许正透镜单元Lp和负透镜单元Ln在其间具有远焦关系的每一个透镜单元的条件。放置在负透镜单元Ln的像侧的透镜单元的广角端合成焦距可以被定义为正的，并且放置在正透镜单元Lp的物侧的透镜单元的广角端合成焦距可以被定义为负的。因此，在广角端处，正透镜单元Lp和负透镜单元Ln可以放置在发散光通束内，从而可以容易地允许两个透镜单元远焦地、有效地相互靠近。另外，类似地，放置在负透镜单元Ln的像侧的透镜单元的望远端合成焦距可以被定义为正的，并且放置在正透镜单元Lp的物侧的透镜单元的望远端合成焦距可以被定义为负的。因此，类似于广角端，在望远端处，正透镜单元Lp和负透镜单元Ln也可以放置在发散光通束内，从而可以容易地允许两个透镜单元有效地在其间具有远焦关系。接下来，将描述用于更有效地允许正透镜单元Lp和负透镜单元Ln在其间具有远焦的关系并使整个变焦透镜小型化的透镜单元的光焦度之间的关系。在广角端和望远端处可以分别满足条件⑷和(5)。条件⑷和(5)分别涉及在正透镜单元Lp的物侧的透镜单元的广角端和望远端合成焦距。如果超出条件(4)和(5)的上限，则来自正透镜单元Lp的像侧的光通束变成会聚光通束。另外，如果超出其下限，则来自正透镜单元Lp的像侧的光通束变成发散光通束。结果，轴向光束高度在聚焦期间改变，从而球差或轴向色差的变化大大地增大。更有用的是，条件(4)和(5)的数值范围可以被定义如下O. 35 < Ffw/Fp < I. 7(4a)O. 35 < Fft/Fp | < I. 7(5a)。条件(6)涉及正透镜单元Lp和负透镜单元Ln的广角端横向倍率之积。条件(6)用于通过允许减少正透镜单元Lp和负透镜单元Ln的合成透镜单元的倍率的变化而使用另一个透镜单元来容易地校正像差。如果超出条件￠)的上限，则增强正透镜单元Lp和负透镜单元Ln的合成透镜单元的正光焦度。结果，位于负透镜单元Ln的像侧的合成透镜单元·的正主点位置向物侧移动，从而难以获得预定长度的后焦点。如果超出条件(6)的下限，则增强正透镜单元Lp和负透镜单元Ln的合成透镜单元的负光焦度。结果，位于正透镜单元Lp的物侧的合成透镜单元的负主点位置向像侧移动，从而难以使视角变宽。更有用的是，条件￠)的数值范围可以被定义如下O. 6 < β pw X β nw < 1.5(6a)。另外，在望远端以及广角端处正透镜单元Lp和负透镜单元Ln满足条件(7)是有用的。O. 5 < ^ptX ^nt < I. 6(7)条件(J)涉及正透镜单元和负透镜单元的广角端横向倍率之积。条件(7)用于通过允许在望远端以及广角端处减少正透镜单元Lp和负透镜单元Ln的合成透镜单元的倍率的变化而使用另一个透镜单元来容易地校正像差。更有用的是，条件⑵的数值范围可以被定义如下O. 6 < β pt X β nt < 1.5(7a)。条件(8)和(9)用于通过负透镜单元Ln将远焦光通束转换为发散光通束，并在这之后允许光通束再次有效地会聚到像平面。条件(8)和(9)分别涉及在负透镜单元Ln的像侧的透镜单元的广角端和望远端合成焦距。条件(8)和(9)分别是用于在广角端和望远端处在通过正光焦度将允许通过负透镜单元Ln的负光焦度发散的光通束聚焦在像平面上时，允许整个变焦透镜不被扩大并保持良好的光学性能的条件。如果超出条件(8)和(9)的上限，则发散能力太弱，从而整个变焦透镜扩大。如果超出其下限，则发散能力太强，从而球差增大。更有用的是，条件(8)和(9)的数值范围可以被定义如下O. 5 < I Frw/Fn < O. 9(8a)O. 5 < Frt/Fn < O. 9(9a)。条件(10)用于通过在广角端处适当地设置正透镜单元Lp和负透镜单元Ln在光轴上的位置来使整个变焦透镜小型化并获得高的光学性能。一般来说，为了通过减少整个变焦透镜的焦距来使视角变宽并使整个变焦透镜小型化，最有效的配置是反焦型配置，在反焦型配置中，负光焦度(折光力)放置在物侧，并且正光焦度放置在像侧。因此，在广角端处将具有负光焦度的负透镜单元Ln放置在与像平面分开的物侧的位置是有用的。条件(10)涉及在广角端处从负透镜单元Ln的最像侧透镜表面到像平面的距离。如果超出条件(10)的下限，则负透镜单元Ln变得靠近像侧，从而失去反焦型光焦度布置。因此，使视角变宽是困难的。如果超出条件(10)的上限，则不必要地增大总长度，这不是希望的。更有用的是，条件(10)的数值范围可以被定义如下3. O < Dnw/fw < 5. 5(IOa)。
在根据示例性实施例的光学系统中，有用的是，在聚焦期间仅仅移动正透镜单元Lp和负透镜单元Ln中的一个透镜单元，因为驱动机构可以被简化。另外，在这种情况下，有用的是，在聚焦期间移动其光焦度(折光力)的绝对值大的透镜单元(所述一个透镜单元)，并且移动该透镜单元使得相对于另一个透镜单元的相对位置在变焦期间改变。因此，该配置是有用的，因为可以减少用于聚焦移动的空间，并且可以有效地获得倍率变化的效果。另外，在这种情况下，为了使整个变焦透镜小型化，有用的是，在正透镜单元Lp和负透镜单元Ln中的在聚焦期间不移动的透镜单元(所述另一个透镜单元)也被配置为包括少量(两个或更少)的透镜。条件(11)涉及其光焦度的绝对值大的透镜单元的望远端焦点移动量Mft与从广角端到望远端的其光焦度大的透镜单元相对于所述一个透镜单元的相对移动量Mz之比。这里，移动量Mft的符号和相对移动量Mz的符号被定义为使得从物侧到像侧的移动为正的。如果超出条件(11)的上限，则正透镜单元Lp和负透镜单元Ln之间的距离相对于望远端聚焦驱动量不必要地宽，从而整个变焦透镜扩大。如果超出条件(11)的下限，则变焦期间的移动量减小，并且用于变焦的透镜单元的倍率变化的负荷增大，从而难以获得高的光学性能。更有用的是，条件(11)的数值范围可以被定义如下O. 35 < |Mz/Mft| < O. 90(11a)。另外，每一个示例性实施例中的透镜单元为如下透镜单元表示放置在从光学系统的前透镜表面或者由于倍率变化或聚焦而改变与前向方向上相邻的透镜一起的变焦的表面到光学系统的最后透镜表面或者在变焦或聚焦期间改变相对于后向方向上相邻的透镜的距离的表面的范围中的透镜单元。本发明可以应用于具有上述变焦透镜的各种光学设备(例如，图像拾取设备、图像投影设备等)。在下文中，将描述每一个示例性实施例中的透镜配置。根据第一示例性实施例的变焦透镜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 ;具有负折光力的第四透镜单元L4 ;具有正折光力并包含孔径光阑SP的第五透镜单元L5 ;以及具有正折光力的第六透镜单元L6。另外，变焦透镜被配置为使得在从广角端到望远端的变焦期间，第一透镜单元LI和第三透镜单元L3至第六透镜单元L6向物侧移动，并且第二透镜单元L2按照向像侧凸起的轨迹移动。根据第一示例性实施例的变焦透镜是具有7. O的变焦比的正先导型六单元变焦透镜。第三透镜单元L3对应于正透镜单元Lp ;第四透镜单元L4对应于负透镜单元Ln ;并且通过负透镜单元Ln执行聚焦。负透镜单元Ln包含一个透镜，从而可以允许聚焦透镜单元具有小的尺寸和轻的重量。另外，正透镜单元Lp也由一个正透镜配置，从而可以允许整个变焦透镜具有小的尺寸和轻的重量。另外，正透镜单元Lp和负透镜单元Ln满足条件(I)，从而合成光焦度(折光力)被削弱。另外，分别在广角端和望远端处满足条件(6)和(7)，从而合成倍率的变化也被减少。因此，可以获得高的性能而不影响不同倍率变化透镜单元的光焦度布置。另外，由于正透镜单元Lp和负透镜单元Ln作为一对构成无光焦度透镜单元(具有零的折光力的透镜单元)，所以正透镜单元Lp和负透镜单元Ln的光焦度都可以被增强，从而可以减少负透镜单元 Ln 的聚焦驱动量(focus driving amount)。根据第一示例性实施例的变焦透镜满足条件(2)和(3)。另外，第一透镜单元LI和第二透镜单元L2的广角端和望远端合成焦距是负的，并且满足条件(4)和(5)。因此，在 广角端以及望远端处，允许正透镜单元Lp和负透镜单元Ln在其间有效地具有远焦关系，从而可以减少在聚焦期间透镜单元Ln的球差和轴向色差的变化并实现小型化和高性能。另外，第五透镜单元L5和第六透镜单元L6的广角端和望远端合成焦距是负的，并且满足条件(8)和(9)。因此，在将远焦光通束通过负透镜单元Ln转换为发散光通束之后，允许该光通束再次会聚到像平面，从而可以有效地实现小型化和高性能。另外，负透镜单元Ln在光轴上的位置满足条件(10)，从而可以同时有效地使视角变宽并实现小型化，而没有失去反焦型光焦度布置。在从广角端到望远端的变焦期间，负透镜单元Ln相对于正透镜单元Lp相对地向像侧移动。根据本示例性实施例的变焦透镜可以被认为是这样的变焦透镜，其中，正透镜单元Lp和负透镜单元Ln被插入在四单元变焦透镜的第二透镜单元和第三透镜单元之间，该四单元变焦透镜包含具有正折光力、负折光力、正折光力和正折光力的透镜单元。在这种情况下，需要确保正透镜单元Lp和负透镜单元Ln之间的空距离正好与正透镜单元Lp和负透镜单元Ln的厚度以及其聚焦驱动空间成比例。因此，与四单元变焦透镜的第二透镜单元和第三透镜单元相比，在根据本示例性实施例的第二透镜单元L2和第五透镜单元L5中，失去了倍率变化的效果。但是，具有相对强的折光力的负透镜单元Ln从广角端到望远端相对于正透镜单元Lp向像侧与失去的量成比例地移动，从而获得倍率变化的等同效果。更具体地说，满足条件(11)，使得可以给倍率变化有效地分配负透镜单元Ln的聚焦驱动空间。根据第二示例性实施例的变焦透镜从物侧到像侧依次包括具有负折光力的第一透镜单元LI ;具有正折光力的第二透镜单元L2 ;具有负折光力的第三透镜单元L3 ;具有正折光力并包含孔径光阑SP的第四透镜单元L4 ;以及具有正折光力的第五透镜单元L5。另夕卜，变焦透镜被配置为使得在从广角端到望远端的变焦期间，第一透镜单元LI按照向像侧凸起的轨迹移动，并且第二透镜单元L2至第五透镜单元L5向物侧移动。根据第二示例性实施例的变焦透镜是具有2. 4的变焦比的负先导型五单元变焦透镜。第二透镜单元L2对应于正透镜单元Lp ;第三透镜单元L3对应于负透镜单元Ln ;并且通过负透镜单元Ln执行聚焦。负透镜单元Ln包含一个透镜，从而可以允许聚焦透镜单元具有小的尺寸和轻的重量。另外，正透镜单元Lp也由一个正透镜配置，从而可以允许整个变焦透镜具有小的尺寸和轻的重量。正透镜单元Lp、负透镜单元Ln、物侧透镜单元和像侧透镜单元的光学功能与第一示例性实施例的那些相同。根据第三示例性实施例的变焦透镜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 ;具有负折光力的第四透镜单元L4 ;具有正折光力并包含孔径光阑SP的第五透镜单元L5 ;以及具有正折光力的第六透镜单元L6。另外，变焦透镜被配置为使得在从广角端到望远端的变焦期间，第一透镜单元LI、第三透镜单元L3、第五透镜单元L5和第六透镜单元L6向物侧移动，并且第二透镜单元L2和第四透镜单元L4按照向像侧凸起的轨迹移动。根据第三示例性实施例的变焦透镜是具有7. O的变焦比的正先导型六单元变焦透镜。第三透镜单元L3对应于正透镜单元Lp ;第四透镜单元L4对应于负透镜单元Ln ;并且通过正透镜单元Lp执行聚焦。正透镜单元Lp包含一个透镜，从而可以允许聚焦透镜单元具有小的尺寸和轻的重量。另外，负透镜单元Ln也由一个负透镜配置，从而可以允许整个变焦透镜具有小的尺寸和轻的重量。除了以下点以外，正透镜单元Lp、负透镜单元Ln、物侧透镜单元和像侧透镜单元的光学功能几乎与第一示例性实施例的那些相同。 在从广角端到望远端的变焦期间，正透镜单元Lp相对于负透镜单元Ln相对地向物侧移动。根据第三示例性实施例的变焦透镜可以被认为是这样的变焦透镜，其中，正透镜单元Lp和负透镜单元Ln被插入在四单元变焦透镜的第二透镜单元和第三透镜单元之间，该四单元变焦透镜包含具有正折光力、负折光力、正折光力和正折光力的透镜单元。在这种情况下，需要确保正透镜单元Lp和负透镜单元Ln之间的空距离正好与正透镜单元Lp和负透镜单元Ln的厚度以及其聚焦驱动空间成比例。因此，与四单元变焦透镜的第二透镜单元和第三透镜单元相比，在根据本示例性实施例的第二透镜单元L2和第五透镜单元L5中，失去了倍率变化的效果。但是，具有相对强的折光力的正透镜单元Lp从广角端到望远端相对于负透镜单元Ln向物侧与失去的量成比例地移动，从而获得倍率变化的等同效果。更具体地说，满足条件(11)，使得可以给倍率变化有效地分配正透镜单元Lp的聚焦驱动空间。根据第四示例性实施例的变焦透镜从物侧到像侧依次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 ;具有负折光力的第四透镜单元L4 ;以及具有正折光力并包含孔径光阑SP的第五透镜单元L5。另夕卜，变焦透镜被配置为使得在从广角端到望远端的变焦期间，第一透镜单元LI和第三透镜单元L3至第五透镜单元L5向物侧移动，并且第二透镜单元L2按照向像侧凸起的轨迹移动。根据第四示例性实施例的变焦透镜是具有5. 6的变焦比的正先导型五单元变焦透镜。第三透镜单元L3对应于正透镜单元Lp ;第四透镜单元L4对应于负透镜单元Ln ;并且通过负透镜单元Ln执行聚焦。负透镜单元Ln包含一个透镜，从而可以允许聚焦透镜单元具有小的尺寸和轻的重量。另外，正透镜单元Lp也由一个正透镜配置，从而可以允许整个变焦透镜具有小的尺寸和轻的重量。正透镜单元Lp、负透镜单元Ln、物侧透镜单元和像侧透镜单元的光学功能与第一示例性实施例的那些相同。根据第五示例性实施例的变焦透镜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 ;具有负折光力的第四透镜单元L4 ;具有正折光力并包含孔径光阑SP的第五透镜单元L5 ;以及具有正折光力的第六透镜单元L6。另外，变焦透镜被配置为使得在从广角端到望远端的变焦期间，第一透镜单元LI、第三透镜单元L3至第六透镜单元L6向物侧移动，并且第二透镜单元L2按照向像侧凸起的轨迹移动。根据第五示例性实施例的变焦透镜是具有6. 5的变焦比的正先导型六单元变焦透镜。第三透镜单元L3对应于正透镜单元Lp ;第四透镜单元L4对应于负透镜单元Ln ；并且通过负透镜单元Ln执行聚焦。负透镜单元Ln包含两个透镜，从而可以允许聚焦透镜单元具有小的尺寸和轻的重量。另外，正透镜单元Lp包含一个透镜，从而可以允许整个变焦透镜具有小的尺寸和轻的重量。正透镜单元L p、负透镜单元Ln、物侧透镜单元和像侧透镜单元的光学功能与第一示例性实施例的那些相同。根据第六示例性实施例的变焦透镜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 ;具有负折光力的第四透镜单元L4 ;具有正折光力并包含孔径光阑SP的第五透镜单元L5 ;以及具有正折光力的第六透镜单元L6。另外，变焦透镜被配置为使得在从广角端到望远端的变焦期间，第一透镜单元LI和第三透镜单元L3至第六透镜单元L6向物侧移动，并且第二透镜单元L2按照向像侧凸起的轨迹移动。根据第六示例性实施例的变焦透镜是具有7. O的变焦比的正先导型六单元变焦透镜。第三透镜单元L3对应于正透镜单元Lp ;第四透镜单元L4对应于负透镜单元Ln ;并且通过正透镜单元Lp和负透镜单元Ln执行聚焦。正透镜单元Lp和负透镜单元Ln中的每一个都包含一个透镜，从而可以允许聚焦透镜单元具有小的尺寸和轻的重量。除了驱动正透镜单元Lp和负透镜单元Ln来聚焦以外，正透镜单元Lp、负透镜单元Ln、物侧透镜单元和像侧透镜单元的光学功能几乎与第一和第三示例性实施例的那些相同。因此，虽然机械配置变得复杂，但是可以进一步减少由于聚焦而引起的像差的变化。在下文中，将描述对应于第一至第六示例性实施例的数值例子I至6。在每一个数值例子中，从物侧算起的表面的序号由“i”(其中“i”是正整数)表示。在可应用的情况中，第i个非球面是通过与表面编号紧接地添加的星号(“*”)来表示的。在每一个数值例子中，按照从物侧算起的顺序的第i个透镜表面的曲率半径由“ri”表示。按照从物侧算起的顺序的第i个透镜厚度或空气距离由“di”表示。按照从物侧算起的顺序的第i个透镜的材料的折射率和阿贝数分别由ndi和vdi表示。后焦点由“BF”表示。当光轴的方向被定义为X轴、与光轴垂直的方向被定义为H轴、从物侧到像侧的光的传播方向被定义为正的、旁轴曲率半径由“r”表示、以及非球面系数分别由A4、A6、AS、AlO和A12表示时，非球面形状可以由以下方程表达
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O在每一个非球面系数中，“e-x”表示“10_χ”。除了焦距、F数等的规格以外，视角表示整个变焦透镜的半视角；像高表示确定半视角的最大像高；以及，总透镜长度表示从第一透镜表面到最后透镜表面的距离。后焦点BF表示从最后透镜表面到像平面的距离。另夕卜，每一个透镜单元的数据表示每一个透镜单元的焦距、光轴上的长度、前主点位置和后主点位置。另外，由于用(可变的)指示每一个光学表面的距离d的一部分在变焦期间改变，
所以在不同的表中列出了与焦距相对应的各表面之间的距离。另外，基于下文中描述的数值例子I至6的透镜数据的条件的计算结果在表I中列出。(数值例子I)单位mm
权利要求
1.一种变焦透镜，包括 孔径光阑；以及 在变焦期间移动的多个透镜单元， 其中，所述多个透镜单元在所述孔径光阑的物侧包括具有正折光力的正透镜单元Lp以及与所述正透镜单元Lp的像侧相邻放置的具有负折光力的负透镜单元Ln， 其中，所述正透镜单元Lp和所述负透镜单元Ln中的至少一个包括在聚焦期间移动的两个或更少的透镜，以及 其中，当所述正透镜单元Lp和所述负透镜单元Ln的焦距分别由Fp和Fn表示时，满足下面的条件· 0. 5 < I Fp/Fn I < 2. O。
2.根据权利要求I所述的变焦透镜，其中，当在广角端处所述负透镜单元Ln的横向倍率由Pnw表示时，满足下面的条件 3 nw I < I. O0
3.根据权利要求I所述的变焦透镜，其中，当在望远端处所述负透镜单元Ln的横向倍率由Pnt表示时，满足下面的条件 I 3 nt I <1.0。
4.根据权利要求I所述的变焦透镜，其中，在广角端处放置在所述负透镜单元Ln的像侧的透镜单元的合成焦距是正的，以及在广角端处放置在所述正透镜单元Lp的物侧的透镜单元的合成焦距是负的。
5.根据权利要求I所述的变焦透镜，其中，在望远端处放置在所述负透镜单元Ln的像侧的透镜单元的合成焦距是正的，以及在望远端处放置在所述正透镜单元Lp的物侧的透镜单元的合成焦距是负的。
6.根据权利要求I所述的变焦透镜，其中，当在广角端处放置在所述正透镜单元Lp的物侧的透镜单元的合成焦距由Ffw表示时,满足下面的条件 · 0. 3 < Ffw/Fp < 2. O。
7.根据权利要求I所述的变焦透镜，其中，当在望远端处放置在所述正透镜单元Lp的物侧的透镜单元的合成焦距由Fft表示时,满足下面的条件 · 0. 3 < Fft/Fp < 2. O。
8.根据权利要求I所述的变焦透镜，其中，当在广角端处所述正透镜单元Lp的横向倍率由Ppw表示、以及在广角端处所述负透镜单元Ln的横向倍率由Pnw表示时，满足下面的条件 · 0. 5 < 3 pwX 3 nw < I. 6。
9.根据权利要求I所述的变焦透镜，其中，当在望远端处所述正透镜单元Lp的横向倍率由3 Pt表示、以及在望远端处所述负透镜单元Ln的横向倍率由3nt表示时，满足下面的条件 · 0. 5 < 3 pt X 3 nt < I. 6。
10.根据权利要求I所述的变焦透镜，其中，当在广角端处放置在所述负透镜单元Ln的像侧的透镜单元的合成焦距由Frw表示时,满足下面的条件 · 0. 4 < Frw/Fn <0.95。
11.根据权利要求I所述的变焦透镜，其中，当在望远端处放置在所述负透镜单元Ln的像侧的透镜单元的合成焦距由Frt表示时,满足下面的条件0. 4 < Frt/Fn <0.95。
12.根据权利要求I所述的变焦透镜，其中，当从所述负透镜单元Ln的最像侧表面到像平面的距离由Dnw表示、以及在广角端处整个变焦透镜的焦距由fw表示时，满足下面的条件2. 5 < Dnw/fw < 6. O。
13.根据权利要求I所述的变焦透镜，其中，所述正透镜单元Lp和所述负透镜单元Ln中的一个透镜单元在聚焦期间移动，并且所述一个透镜单元相对于另一个透镜单元的相对位置在变焦期间改变。
14.根据权利要求13所述的变焦透镜，其中，所述正透镜单元Lp和所述负透镜单元Ln 中的在聚焦期间移动的所述一个透镜单元的折光力的绝对值大于所述另一个透镜单元的折光力的绝对值。
15.根据权利要求13所述的变焦透镜，其中，所述正透镜单元Lp和所述负透镜单元Ln中的在聚焦期间不移动的所述另一个透镜单元包含两个或更少的透镜。
16.根据权利要求13所述的变焦透镜，其中，当在聚焦期间在望远端处所述正透镜单元Lp和所述负透镜单元Ln中的在聚焦期间移动的所述一个透镜单元的移动量由Mft表示、从所述物侧到所述像侧的移动量被定义为正的、以及在从广角端到望远端的变焦期间在聚焦期间移动的所述一个透镜单元相对于所述另一个透镜单元的相对移动量由Mz表示、从所述物侧到所述像侧的移动量被定义为正的时，满足下面的条件0. 3 < Mz/Mft < I. O。
17.根据权利要求I所述的变焦透镜，其中，所述多个透镜单元从所述物侧到所述像侧依次包括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、具有负折光力的第四透镜单元、具有正折光力的第五透镜单元以及具有正折光力的第六透镜单元，并且每一个透镜单元在变焦期间移动。
18.根据权利要求I所述的变焦透镜，其中，所述多个透镜单元从所述物侧到所述像侧依次包括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、具有负折光力的第四透镜单元以及具有正折光力的第五透镜单元，并且每一个透镜单元在变焦期间移动。
19.根据权利要求I所述的变焦透镜，其中，所述多个透镜单元从所述物侧到所述像侧依次包括具有负折光力的第一透镜单元、具有正折光力的第二透镜单元、具有负折光力的第三透镜单元、具有正折光力的第四透镜单元以及具有正折光力的第五透镜单元，并且每一个透镜单元在变焦期间移动。
20.根据权利要求I所述的变焦透镜，其中，所述具有正折光力的正透镜单元Lp和所述具有负折光力的负透镜单元Ln被配置为形成具有基本上零的光焦度的合成透镜单元。
21.—种光学设备,包括 根据权利要求I至19中的任何一项所述的变焦透镜；以及 被配置为接收由所述变焦透镜形成的图像的图像传感器。
全文摘要
本发明公开了变焦透镜和具有该变焦透镜的图像拾取设备。变焦透镜包括孔径光阑和在变焦期间移动的多个透镜单元。其中，多个透镜单元在孔径光阑的物侧包括具有正折光力的正透镜单元Lp以及与正透镜单元Lp的像侧相邻放置的具有负折光力的负透镜单元Ln。正透镜单元Lp和负透镜单元Ln中的至少一个包括在聚焦期间移动的两个或更少的透镜，并且基于预定的数学条件，适当地设置正透镜单元Lp的焦距Fp和负透镜单元Ln的焦距Fn。
文档编号G02B15/16GK102736227SQ20121010805
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月13日 优先权日2011年4月15日
发明者杉田茂宣 申请人:佳能株式会社