专利名称：变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置，更特别地，涉及适于在诸 如视频照相机、卤化银胶片照相机、数字照相机、电视照相机和监视照相机的图像拾取装置 中使用的变焦透镜。
背景技术：
近年来，诸如视频照相机和数字静物照相机的图像拾取装置的成像光学系统需要 具有宽的场角、高的变焦比、以及在整个变焦范围上的高的光学性能。为了满足这些需求， 提出由从物侧到像侧依次包含具有正折光力的第一透镜组、具有负折光力的第二透镜组、 具有正折光力的第三透镜组和具有正折光力的第四透镜组的四组透镜构成的变焦透镜。放 置要成像的物体的透镜的一侧被称为透镜的物侧或前侧；形成图像的透镜的一侧被称为透 镜的像侧或后侧。例如，美国专利No. 5963378,No. 6166864和No. 7193787公开了移动第二透镜组以 执行变焦并且第四透镜组执行聚焦且移动以校正由变焦导致的像面变动的后聚焦型四组 变焦透镜。包括美国专利申请公开No. 2008/0043344和美国专利No. 7466496的其它例子 公开了具有约20X的高变焦比的四组变焦透镜。一般地，为了增加变焦比，用于变焦的透镜组的折光力增加并且用于变焦的行进 距离增加。但是，在这种变焦透镜中，在变焦中出现的像差变动大，这使得变焦透镜难以在 整个变焦范围上实现高的光学性能。因此，为了在增加场角和变焦比的同时在整个变焦范围上实现高的光学性能，适 当地设定变焦类型、各透镜组的折光力和各透镜组的透镜配置是重要的。特别地，在上述的 后聚焦型四组变焦透镜中，适当地设定主要执行变焦的第二透镜组的配置是重要的。
发明内容
本发明的变焦透镜从物侧到像侧依次包含具有正折光力的第一透镜组；具有负 折光力的第二透镜组；具有正折光力的第三透镜组；和具有正折光力的第四透镜组。第一 到第四透镜组是形成变焦透镜的光学系统的一部分并且沿光学系统的光轴被配置。至少第 二透镜组和第四透镜组在变焦中沿光轴移动。第二透镜组从物侧到像侧依次包含三个负透 镜和一个正透镜，并且满足0.54 < |f2|/ V (fwft) < 0.66，这里，f2是第二透镜组的焦 距，fw和ft分别是整个光学系统在广角端的焦距和在望远端的焦距。本发明提供具有宽的场角、高的变焦比、以及在整个变焦范围上的高的光学性能 的变焦透镜。通过参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本领域技术人员将容易理解本发明 的其它特征。
图1是根据第一实施例的变焦透镜的广角端的截面图。图2A 2C是根据第一实施例的变焦透镜的像差图。图3是根据第二实施例的变焦透镜的广角端的截面图。图4A 4C是根据第二实施例的变焦透镜的像差图。图5是根据第三实施例的变焦透镜的广角端的截面图。图6A 6C是根据第三实施例的变焦透镜的像差图。图7是根据第四实施例的变焦透镜的广角端的截面图。图8A 8C是根据第四实施例的变焦透镜的像差图。图9是根据第五实施例的变焦透镜的广角端的截面图。图IOA IOC是根据第五实施例的变焦透镜的像差图。图11是根据第六实施例的变焦透镜的广角端的截面图。图12A 12C是根据第六实施例的变焦透镜的像差图。图13是根据第七实施例的变焦透镜的广角端的截面图。图14A 14C是根据第七实施例的变焦透镜的像差图。图15是根据第八实施例的变焦透镜的广角端的截面图。图16A 16C是根据第八实施例的变焦透镜的像差图。图17是根据本发明的实施例的图像拾取装置的相关部分的示意图。
具体实施例方式以下将参照附图描述根据本发明的实施例的变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾 取装置。本发明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组、具有负折 光力的第二透镜组、具有正折光力的第三透镜组和具有正折光力的第四透镜组。在变焦中， 至少第二和第四透镜组沿光轴移动。图1是根据第一实施例的变焦透镜的广角端的截面图，图2A、图2B和图2C分别 是根据第一实施例的变焦透镜在无限远物体上聚焦时的广角端(短焦距端)、中间变焦位 置和望远端(长焦距端)处的像差图。图3是根据第二实施例的变焦透镜的广角端的截面 图，图4A、图4B和图4C分别是根据第二实施例的变焦透镜在无限远物体上聚焦时的广角 端、中间变焦位置和望远端的像差图。图5是根据第三实施例的变焦透镜的广角端的截面 图，图6A、图6B和图6C分别是根据第三实施例的变焦透镜在无限远物体上聚焦时的广角 端、中间变焦位置和望远端的像差图。图7是根据第四实施例的变焦透镜的广角端的截面 图，图8A、图8B和图8C分别是根据第四实施例的变焦透镜在无限远物体上聚焦时的广角 端、中间变焦位置和望远端的像差图。图9是根据第五实施例的变焦透镜的广角端的截面 图，图10A、图IOB和图IOC分别是根据第五实施例的变焦透镜在无限远物体上聚焦时的广 角端、中间变焦位置和望远端的像差图。图11是根据第六实施例的变焦透镜的广角端的截 面图，图12A、图12B和图12C分别是根据第六实施例的变焦透镜在无限远物体上聚焦时的 广角端、中间变焦位置和望远端的像差图。图13是根据第七实施例的变焦透镜的广角端的 截面图，图14A、图14B和图14C分别是根据第七实施例的变焦透镜在无限远物体上聚焦时 的广角端、中间变焦位置和望远端的像差图。图15是根据第八实施例的变焦透镜的广角端的截面图，图16A、图16B和图16C分别是根据第八实施例的变焦透镜在无限远物体上聚焦 时的广角端、中间变焦位置和望远端的像差图。图17是具有本发明的变焦透镜的视频照相 机(作为图像拾取装置的例子)的相关部分的示意图。在截面图中，Bl表示具有正折光力 (光焦度=焦距的倒数)的第一透镜组，B2表示具有负折光力的第二透镜组，B3表示具有 正折光力的第三透镜组，B4表示具有正折光力的第四透镜组。G表示与滤光器、面板等对应的光学块，并且在后面描述的数值实施例中被示为没 有折光力的第五透镜组。IP表示像面，当变焦透镜被用作视频照相机或数字静物照相机的 成像光学系统时，该像面与诸如CCD传感器或CMOS传感器的固态图像拾取元件(光电转换 元件)的图像拾取表面对应，并且，当变焦透镜与卤化银胶片照相机一起使用时，该像面与 胶片表面对应。SP表示被设置在第三透镜组B3的物侧的孔径光阑。在球面像差图中，实线 表示d线，2点链线表示g线。在像散图中，虚线表示子午像面，实线表示弧矢像面。横向色 差由g线表示。！^o表示F数，ω表示半场角。在以下描述的实施例中，广角端和望远端处 的变焦位置是用于变焦的透镜组(在实施例中，为第二透镜组Β2)分别位于它可在结构上 在光轴上移动的区域的一端和另一端处的位置。在实施例中，当执行从广角端向望远端的变焦时，至少第二透镜组Β2向像侧移动 以执行变焦，并且，第四透镜组Β4移动以具有向物侧凸起的轨迹的一部分，以校正由变焦 导致的像面变动。另外，采用沿光轴移动第四透镜组Β4以执行聚焦的后聚焦方法。远离第 二透镜组Β2延伸并指向像侧的实线箭头示出第二透镜组Β2在变焦中的移动路径。实线曲 线如和虚线曲线4b分别示出用于校正当在无限远物体和附近物体上聚焦时由从广角端向 望远端的变焦导致的像面变动的第四透镜组B4的移动轨迹。通过使得第四透镜组B4沿向 物侧凸起的轨迹移动，第三透镜组B3和第四透镜组B4之间的空间可被有效使用，由此有效 地减小透镜的总长。注意，第三透镜组B3不为了变焦或聚焦移动。在根据第一到第六实施 例的变焦透镜中，第一透镜组Bl不为了变焦或聚焦移动，并且，在根据第七和第八实施例 的变焦透镜中，第一透镜组Bl在变焦中沿向像侧凸起的轨迹移动。在实施例中，在望远端变焦位置处，例如，当从无限远物体向附近物体执行聚焦 时，如箭头如所示，第四透镜组B4向前移动。在实施例中，第三透镜组B3中的透镜中的一 些或全部移动以具有与光轴垂直的分量，以使图像形成位置偏移，由此校正当整个光学系 统抖动时出现的图像模糊。根据实施例的变焦透镜具有从物侧到像侧依次具有正折光力、负折光力、正折光 力和正折光力的透镜组，以在确保广角端处的宽场角(摄影场角)的同时实现高的倍率比 (高的变焦比)。通过在从广角端向望远端的变焦中至少移动第二透镜组B2和第四透镜组 B4，实现具有高的变焦比和高的性能的变焦透镜。另外，通过移动少量的透镜组，实现高的 变焦比。特别地，通过增加用于变焦的第二透镜组B2的负折光力，以短的行进距离实现高 的变焦比。虽然第二透镜组B2的增加的负折光力使得第二透镜组B2内的像差校正困难， 但是，通过在第二透镜组B2中使用三个负透镜，第二透镜组B2的折光力被调整到适当的水 平。因此，实现高的变焦比和高的性能。以下将描述第二透镜组B2的透镜配置的技术意义。第二透镜组B2从物侧到像侧依 次包含负透镜(具有负折光力的透镜)、负透镜、负透镜和正透镜。如果第二透镜组B2的负 折光力增加以实现更高的变焦比，那么Petzval和沿负方向增加，增加像场弯曲。并且，在从广角端向望远端的变焦中，出现明显的彗形像差和像散的变动，并且，像差校正是困难的。因 此，通过在第二透镜组B2中使用三个负透镜以减少各透镜的焦度，Petzval和减小。另外，通 过在物侧设置三个负透镜，第二透镜组B2的主点(principal point)更接近物侧，由此减小 第一透镜组Bl的主点和第二透镜组B2的主点之间的距离。结果，第一透镜组Bl可接近孔 径光阑SP，使得能够减小轴外光线距穿过第一透镜组Bl的光轴的高度，这限定第一透镜组Bl 的有效直径。因此，在增加广角端处的场角的同时，第一透镜组Bl的尺寸减小。优选的，第二 透镜组B2包含一个或更多个非球面以校正像差。该配置使得容易地有效校正在从广角端向 望远端的变焦中出现的像散的变动和当增加场角时可能增加的广角端处的畸变。在实施例中，第一透镜组Bl从物侧到像侧依次包含负透镜、正透镜、正透镜和正 透镜。更特别地，第一透镜组Bl从物侧到像侧依次包含负透镜、双凸正透镜、在物侧具有凸 面的正透镜和在物侧具有凸面的弯月正透镜。通过移动第三透镜组B3中的透镜中的一些 或全部以具有与光轴垂直的分量，由此偏移物体图像的图像形成位置，校正当图像拾取装 置抖动时出现的图像模糊。由于第三透镜组B3在变焦中关于像面被固定，因此容易安装用 于移动第三透镜组B3中的透镜中的一些或全部以具有与光轴垂直的分量的机构。第三透 镜组B3包含一个或更多个非球面。在第三透镜组B3中，尤其是在广角端，轴上光线在高的 位置处穿过，从而导致明显的球面像差和彗形像差。通过采用非球面，更有效的像差校正变 得容易。第三透镜组B3包含在两侧具有非球面的透镜。在第三透镜组B3中，在中间变焦 区域中，轴外光线在高的位置处穿过，从而导致明显的像散和像场弯曲。通过采用非球面， 更有效的像差校正变得容易。并且，通过在两侧设置非球面，可以在不增加非球面透镜的数 量的情况下容易地同时执行广角端处的像差校正和中间变焦区域中的像差校正。第四透镜组B4从物侧到像侧依次包含正透镜以及由负透镜和正透镜构成的胶合 透镜。第四透镜组B4包含一个或更多个非球面并执行聚焦动作。该透镜配置使得能够有 效地校正在聚焦动作中出现的像差变动。第四透镜组B4包含在两侧具有非球面的透镜。 在第四透镜组B4中，在望远端处，轴外光线在高的位置处穿过，从而导致明显的像散和像 场弯曲。通过采用非球面，更有效的像差校正变得容易。并且，通过在两侧设置非球面，可 以容易地同时执行在聚焦动作中出现的像差变动的校正和望远端处的像差校正。特别地， 第四透镜组B4包含物侧的正透镜和像侧的由负透镜和正透镜构成的胶合透镜。更特别地， 第四透镜组B4从物侧到像侧依次包含双凸正透镜和由在像侧具有凹面的弯月负透镜和在 物侧具有凸面的正透镜构成的胶合透镜。该配置减少在聚焦中出现的像差变动。在实施例 中，满足下式0. 54 < I f2 I /V (fw ‘ ft) < 0. 66 (1)这里，f2是第二透镜组B2的焦距，fw和ft分别是整个光学系统在广角端处的焦 距和在望远端处的焦距。条件式(1)涉及变焦中的第二透镜组B2的变焦力和像差校正作用。如果该值小 于条件式(1)的下限，那么整个变焦范围上的像面变动和横向色差的变动变得明显，使得 难以维持高的光学性能。并且，如果该值超过上限，那么变焦中的第二透镜组B2的行进距 离增加，使得难以实现小型化。为了在实现高变焦比(高倍率比)的同时更有效地抑制由 从广角端到望远端的变焦导致的像面变动，更优选的，条件式(1)的数值范围满足以下的 条件式(Ia)。
0. 545 < I f2 | /V (fw ‘ ft) < 0. 650 (la)通过上述的配置，可以获得具有宽的场角、高的变焦比、以及在整个变焦范围上的 高的光学性能的变焦透镜。在实施例中，更优选的，满足以下条件中的至少一个1. 85 < N2N (2)v2P < 22(3)0. 7 < fl/ft <1.0 (4)65 < VIA < 75 (5)70 < VlB(6)这里，N2N是第二透镜组B2中的一个负透镜的材料的折射率，v2P是第二透镜组 B2中的一个正透镜的材料的阿贝(Abbe)数，fl是第一透镜组Bl的焦距，ft是整个光学系 统在望远端处的焦距，VlA是第一透镜组Bl中的一个正透镜的材料的阿贝数，VlB是第一透 镜组Bl中的另一正透镜的材料的阿贝数。条件式O)限定第二透镜组B2中的负透镜的透镜材料的折射率的优选范围。如 果该值低于由条件式( 规定的范围，那么第二透镜组B2中的负透镜的透镜材料的折射率 减小。为了获得与透镜材料的减小的折射率等同的折光力，需要减小曲率半径。如果减小 负透镜的曲率半径，那么透镜的包含其边缘的体积增加，导致重量增加。由于第二透镜组B2 在变焦中沿光轴方向移动，因此，从变焦速度、对于变焦动作的响应性(responsiveness) 和操作感觉的观点看，希望尽可能地减轻重量。并且，为了增加第二透镜组B2中的负透镜 的曲率半径以减轻重量，更优选的，条件式O)的数值范围满足以下的条件式Ca)。1. 95 < N2N (2a)通过满足条件式( )，在第二透镜组B2中具有最大体积的第二透镜组B2中的最 物侧的透镜的曲率可增加，这在减小体积和减轻重量方面是更优选的。条件式(3)规定第二透镜组B2中的正透镜的透镜材料的阿贝数的优选范围。如 果该值超过由条件式C3)规定的范围，那么广角端处的横向色差增加。望远端处的纵向色 差也增加，使得难以实现高的性能。另外，为了减小广角端处的横向色差和望远端处的纵向 色差，更优选的，条件式(3)的数值范围满足以下的条件式(3a)。v2P < 21 (3a)为了在维持高的性能的同时实现高的变焦比，优选的，第一透镜组Bl具有四透镜 配置负透镜、正透镜、正透镜和正透镜。优选的，第一透镜组Bl的焦距Π满足条件式(4)。条件式(4)规定第一透镜组Bl的焦度(折光力)相对于望远端处的整个光学系 统的焦距的优选范围。如果该值低于条件式的下限，那么第一透镜组Bl的焦度太强， 从而在第一透镜组Bl中导致明显的像差，特别是像场弯曲和像散。为了有效地校正这些像 差，需要增加透镜的数量，或者需要添加非球面。相反，如果该值超过条件式(4)的上限，那 么校正像差是有利的。但是，第一透镜组Bl的有效直径增加，这是不希望的。更优选的，条 件式的数值范围满足以下的条件式Ga)。0. 75 < fl/ft < 0. 95 (4a)条件式(5)和(6)规定第一透镜组Bl中的正透镜中的一个的透镜材料的阿贝数 的优选范围。如果这些值低于条件式(5)和(6)的下限，那么难以有效地校正望远端处的 横向色差和纵向色差。如果使用超过这些条件式( 和(6)的低色散透镜材料，那么折射7率也减小，使得难以校正球面像差。更优选的，条件式(5)和(6)的数值范围满足以下的条件式(5a)和(6a)。67 < VIA < 72 (5a)70. 1 < VlB(6a)在实施例中，通过采用上述的配置，实现具有宽的场角即广角端处的场角2ω为 71.2° 73°并具有18Χ 20Χ的高变焦比的高性能变焦透镜。在实施例中，可以在第 一透镜组Bl的物侧或在第四透镜组Β4的像侧添加具有小的折光力的透镜组。另外，可以在 物侧或像侧设置增距透镜(teleconverter lens)或宽的转换焦距透镜(converter lens)。以下将示出与第一到第八实施例对应的第一到第八数值实施例。在数值实施例 中，i表示从物侧数起的表面的序号，ri表示第i个(第i个表面的)曲率半径，di表示第 i个表面和第i+Ι个表面之间的距离，ndi和vdi分别表示第i个光学部件的材料的对于d 线的折射率和阿贝数。在第一到第八数值实施例中，最像侧的六个表面是与光学块对应的 平面。非球面的形状由下式表达
权利要求
1.一种变焦透镜，该变焦透镜从物侧到像侧依次包含 具有正折光力的第一透镜组；具有负折光力的第二透镜组； 具有正折光力的第三透镜组；和具有正折光力的第四透镜组，至少第二和第四透镜组在变焦中沿光轴移动，并且， 其中，第二透镜组从物侧到像侧依次包含三个负透镜和一个正透镜，并且满足0.54 < I f2 I / V (fw · ft) < 0. 66这里，f2是第二透镜组的焦距，fw和ft分别是整个光学系统在广角端的焦距和在望远 端的焦距。
2.根据权利要求1的变焦透镜，满足1.85 < N2N v2P < 22这里，N2N是第二透镜组中的一个负透镜的材料的折射率，v2P是第二透镜组中的一个 正透镜的材料的阿贝数。
3.根据权利要求1的变焦透镜，其中，第一透镜组从物侧到像侧依次包含负透镜、正透镜、正透镜和正透镜，并且满足0. 7 < fl/ft < 1. 0 65 < VIA < 75 70 < VlB这里，Π是第一透镜组的焦距，ft是整个光学系统在望远端的焦距，VIA是第一透镜组 中的一个正透镜的材料的阿贝数，VlB是另一正透镜的材料的阿贝数。
4.根据权利要求1的变焦透镜，其中，第四透镜组从物侧到像侧依次包含正透镜以及由负透镜和正透镜构成的胶合透镜。
5.根据权利要求1的变焦透镜，其中，第三透镜组中的透镜中的一些或全部移动以具有与光轴方向垂直的分量，由此 使图像形成位置偏移。
6.一种图像拾取装置，该图像拾取装置包括根据权利要求1 5中任一项的变焦透镜 和接收由变焦透镜形成的图像的图像拾取元件。
全文摘要
本申请涉及变焦透镜和具有变焦透镜的图像拾取装置。该变焦透镜从物侧到像侧包含具有正折光力的第一透镜组；具有负折光力的第二透镜组；具有正折光力的第三透镜组；和具有正折光力的第四透镜组。至少第二和第四透镜组在变焦中沿光轴移动。第二透镜组从物侧到像侧包含三个负透镜和一个正透镜，并且满足0.54＜|f2|/√(fw·ft)＜0.66，这里，f2是第二透镜组的焦距，fw和ft分别是整个光学系统在广角端的焦距和在望远端的焦距。
文档编号H04N5/225GK102043236SQ201010505710
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月13日 优先权日2009年10月14日
发明者萩原泰明 申请人:佳能株式会社