變焦透鏡和包括變焦透鏡的圖像拾取裝置的製作方法

2023-05-14 12:33:51

本發明涉及變焦透鏡和包括變焦透鏡的圖像拾取裝置，並且可有利地應用於使用圖像拾取元件的圖像拾取裝置，諸如攝像機，電子靜態照相機，廣播照相機，或監視照相機，或諸如滷化銀膠片照相機的圖像拾取裝置。

背景技術：

期望用於在圖像拾取裝置中使用的變焦透鏡緊湊、具有高變焦比並且在整個變焦範圍上具有高分辨力。作為用於實現高變焦比的變焦透鏡，正引導型變焦透鏡是已知的，其中具有正折光力的透鏡單元被放置在最靠近物體的位置處。

日本專利申請公開no.h07-270684公開了一種四單元變焦透鏡，按照從物側到像側的順序包括分別具有正、負、正以及正的折光力的第一到第四透鏡單元。

日本專利申請公開no.2007-178598公開了一種五單元變焦透鏡，按照從物側到像側的順序包括分別具有正、負、正、正以及正的折光力的第一至第五透鏡單元。日本專利申請公開no.2012-128116公開了一種五單元變焦透鏡，按照從物側到像側的順序包括分別具有正、負、正、正以及負的折光力的第一至第五透鏡單元。

同時，日本專利申請公開no.2007-248952以及no.2010-48855各自公開了一種變焦透鏡，其中被配置為使變焦透鏡的光軸彎曲的反射構件被放置在光路上，其目的是減少圖像拾取裝置的厚度。

對於具有這樣的反射構件的變焦透鏡，重要的是適當地設置透鏡配置、反射構件的位置等。

例如，將反射構件放置在透鏡系統的前部中減少了透鏡系統的深度尺寸。然而，在這種情況下，在反射構件的像側需要大的空間，以放置在與透鏡系統上的入射光的光軸垂直的方向上移動以變焦的多個透鏡單元，照相機的寬度尺寸趨於增大以創建這樣的大的空間。由於也需要在高度方向上創建空間，所以不僅照相機的寬度尺寸，而且照相機的高度尺寸趨於增大。

技術實現要素：

本發明的變焦透鏡按照從物側到像側的順序包含：具有正折光力的第一透鏡單元、具有負折光力的第二透鏡單元、具有正折光力的第三透鏡單元、具有正折光力的第四透鏡單元以及第五透鏡單元。第五透鏡單元不為變焦而移動，並且至少第二透鏡單元和第四透鏡單元在變焦期間移動，以改變第三透鏡單元和第四透鏡單元之間的間隔，以及第四透鏡單元和第五透鏡單元之間的間隔，使得在望遠端處的第一透鏡單元和第二透鏡單元之間的間隔大於在廣角端處的第一透鏡單元和第二透鏡單元之間的該間隔，以及在望遠端處的第二透鏡單元和第三透鏡單元之間的間隔小於在廣角端處的第二透鏡單元和第三透鏡單元之間的該間隔。第五透鏡單元按照從物側到像側的順序包括：具有負折光力的第一透鏡子單元、使光路彎曲的反射器以及具有正折光力的第二透鏡子單元。該變焦透鏡滿足以下條件表達式：

0.40＜-d5ab/f5a＜1.00

其中f5a是第一透鏡子單元的焦距，d5ab是第一透鏡子單元和第二透鏡子單元之間的間隔的光學距離。

本發明的進一步的特徵將通過參照附圖對示例性實施例的以下描述而變得清晰。

附圖說明

圖1是根據本發明的實施例1的變焦透鏡在廣角端處的透鏡截面圖。

圖2a是示出根據本發明的實施例1的變焦透鏡在廣角端處的像差的圖。

圖2b是示出根據本發明的實施例1的變焦透鏡在中間變焦位置處的像差的圖。

圖2c是示出根據本發明的實施例1的變焦透鏡在望遠端處的像差的圖。

圖3是根據本發明的實施例2的變焦透鏡在廣角端處的透鏡截面圖。

圖4a是示出根據本發明的實施例2的變焦透鏡在廣角端處的像差的圖。

圖4b是示出根據本發明的實施例2的變焦透鏡在中間變焦位置處的像差的圖。

圖4c是示出根據本發明的實施例2的變焦透鏡在望遠端處的像差的圖。

圖5是根據本發明的實施例3的變焦透鏡在廣角端處的透鏡截面圖。

圖6a是示出根據本發明的實施例3的變焦透鏡在廣角端處的像差的圖。

圖6b是示出根據本發明的實施例3的變焦透鏡在中間變焦位置處的像差的圖。

圖6c是示出根據本發明的實施例3的變焦透鏡在望遠端處的像差的圖。

圖7是根據本發明的實施例4的變焦透鏡在廣角端處的透鏡截面圖。

圖8a是示出根據本發明的實施例4的變焦透鏡在廣角端處的像差的圖。

圖8b是示出根據本發明的實施例4的變焦透鏡在中間變焦位置處的像差的圖。

圖8c是示出根據本發明的實施例4的變焦透鏡在望遠端處的像差的圖。

圖9是根據本發明的實施例5的變焦透鏡在廣角端處的透鏡截面圖。

圖10a是示出根據本發明的實施例5的變焦透鏡在廣角端處的像差的圖。

圖10b是示出根據本發明的實施例5的變焦透鏡在中間變焦位置處的像差的圖。

圖10c是示出根據本發明的實施例5的變焦透鏡在望遠端處的像差的圖。

圖11是根據本發明的實施例1的變焦透鏡在廣角端處的透鏡截面圖。

圖12是示出本發明的圖像拾取裝置的主要部分的示意圖。

具體實施方式

現在將根據附圖詳細描述本發明的優選實施例。

在下文中描述變焦透鏡和包括變焦透鏡的圖像拾取裝置。本發明的變焦透鏡按照從物側到像側的順序包括：具有正折光力的第一透鏡單元、具有負折光力的第二透鏡單元、具有正折光力的第三透鏡單元、具有正折光力的第四透鏡單元以及第五透鏡單元。第五透鏡單元不為變焦而移動。至少第二透鏡單元和第四透鏡單元在變焦期間移動。

在變焦期間改變第三透鏡單元和第四透鏡單元之間的間隔以及第四透鏡單元和第五透鏡單元之間的間隔，使得在望遠端(長焦距端)處的第一透鏡單元和第二透鏡單元之間的間隔大於在廣角端(短焦距端)處的第一透鏡單元和第二透鏡單元之間的間隔，以及在望遠端處的第二透鏡單元和第三透鏡單元之間的間隔小於在廣角端處的第二透鏡單元和第三透鏡單元之間的間隔。第五透鏡單元按照從物側到像側的順序包括：具有負折光力的第一透鏡子單元、使光路彎曲的反射器以及具有正折光力的第二透鏡子單元。

圖1是根據本發明的實施例1的變焦透鏡在廣角端處的透鏡截面圖。圖2a、2b以及2c是分別示出根據實施例1的變焦透鏡在廣角端處、中間變焦位置處以及望遠端處的像差的圖。實施例1的變焦透鏡具有29.38的變焦比和1.65～4.70的f數。

圖3是根據本發明的實施例2的變焦透鏡在廣角端處的透鏡截面圖。圖4a、4b以及4c是分別示出根據實施例2的變焦透鏡在廣角端處、中間變焦位置處以及望遠端處的像差的圖。實施例2的變焦透鏡具有34.93的變焦比和1.65～4.90的f數。圖5是根據本發明的實施例3的變焦透鏡在廣角端處的透鏡截面圖。圖6a、6b以及6c是分別示出根據實施例3的變焦透鏡在廣角端處、中間變焦位置處以及望遠端處的像差的圖。實施例3的變焦透鏡具有25.01的變焦比和1.60～2.80的f數。

圖7是根據本發明的實施例4的變焦透鏡在廣角端處的透鏡截面圖。圖8a、8b以及8c是分別示出根據實施例4的變焦透鏡在廣角端處、中間變焦位置處以及望遠端處的像差的圖。實施例4的變焦透鏡具有25.00的變焦比和1.60～2.50的f數。圖9是根據本發明的實施例5的變焦透鏡在廣角端處的透鏡截面圖。圖10a、10b以及10c是分別示出根據實施例5的變焦透鏡在廣角端處、中間變焦位置處以及望遠端處的像差的圖。實施例5的變焦透鏡具有50.01的變焦比和1.80～5.40的f數。

在實施例1～3以及5中，使用內反射稜鏡pr作為反射器並且在設置在稜鏡內的內反射表面處該內反射稜鏡pr將光路彎曲90°。然而，為了方便起見，透鏡截面圖將稜鏡例示為玻璃塊pr，其中光路被拉直。在實施例4中，使用反射鏡ur作為反射器，並且在其相對於光軸以45°的角度被放置在光路上的反射表面處該反射鏡ur將光路彎曲90°。然而，為了方便起見，透鏡截面圖利用虛線ur例示出反射鏡的位置，其中光路被拉直。

圖11是根據本發明的實施例1的變焦透鏡在廣角端處的透鏡截面圖。圖11中的透鏡截面圖例示在反射器(稜鏡)的內反射表面處彎曲90°的光路。圖12是示意性地示出包括本發明的變焦透鏡的照相機(圖像拾取裝置)的主要部分的圖。根據每個實施例的變焦透鏡是用於在諸如攝像機、數位照相機或滷化銀膠片照相機的圖像拾取裝置(照相機)中使用的成像透鏡系統。

在透鏡截面圖中，左側是被攝體(物)側(即前側)，右側是像側(即後側)。在透鏡截面圖中，每個透鏡單元用li表示，其中「i」是從物側開始的透鏡單元的序號。「sp」指示限制f數光的孔徑光闌。當反射器是使光路彎曲90°或基本上90°(例如，±10°)的稜鏡時，用「pr」指示該反射器，而當反射器是使光路彎曲90°或基本上90°(例如，±10°)的反射鏡表面時，用「ur」指示該反射器。「g」指示光學塊，諸如光學濾波器、面板、石英低通濾波器或紅外截止濾波器。

「ip」指示像平面。當變焦透鏡被用作攝像機或數字靜態照相機的圖像拾取光學系統時，諸如ccd傳感器或cmos傳感器的固態圖像拾取元件(光電轉換元件)的圖像拾取表面被放置在像平面ip處。當變焦透鏡被用作滷化銀膠片照相機的圖像拾取光學系統時，等同於膠片平面的感光表面被放置在像平面ip處。在每個像差圖中示出球面像差的部分中，實線「d」指示d線(波長587.6nm)，雙點劃線「g」指示g線(波長435.8nm)。在示出像散的部分中，虛線「△m」指示d線的子午像面，實線「δs」指示d線的弧矢像面。

橫向色差由g線表示。「fno」指示f數，「ω」指示半視角)(所成像的角的一半)(度)。在以下實施例中，廣角端和望遠端是指機械可實現的變焦範圍的端部，在變焦範圍中，用於變焦的透鏡單元可在光軸上移動。

本發明的變焦透鏡按照從物側到像側的順序包括：具有正折光力的第一透鏡單元l1、具有負折光力的第二透鏡單元l2、具有正折光力的第三透鏡單元l3、具有正折光力的第四透鏡單元l4以及第五透鏡單元l5。

第五透鏡單元l5按照從物側到像側的順序包括：具有負折光力的第一透鏡子單元l5a、使光路彎曲的反射器以及具有正折光力的第二透鏡子單元l5b。本發明的變焦透鏡採用反遠距(retrofocus)配置，其中，處於廣角端處時，後焦距(按照光學長度)長於整個系統的焦距fw。在此配置中，第五透鏡單元l5的主點在第五透鏡單元l5具有正折光力時被大幅度地朝向像側移位，而在第五透鏡單元l5具有負折光力時被大幅度地朝向物側移位，以便增加第五透鏡單元l5的橫向倍率β5，並有助於具有長的後焦距。

在從廣角端變焦至望遠端期間，至少第二透鏡單元l2和第四透鏡單元l4如用箭頭所示的那樣移動：第二透鏡單元l2向像側移動，第四透鏡單元l4非線性地移動。實曲線4a和虛曲線4b是第四透鏡單元l4為校正由變焦引起的像平面變化而移動的軌跡，第四透鏡單元l4在焦點在無限遠處時沿實曲線4a移動，而在焦點在近距離處時沿虛曲線4b移動。第四透鏡單元l4在光軸上移動以聚焦。為了在望遠端處從無限遠聚焦到近距離，第四透鏡單元l4向前移動(向物側)，如用箭頭4c所示。

作為像平面的位置的位移量與第四透鏡單元l4在光軸方向上的位移量的比的位置靈敏度es4，由使用第四透鏡單元l4的橫向倍率β4和第五透鏡單元l5的橫向倍率β5的以下式子(a)表達。

es4＝(1-(β4)2)×(β5)2…(a)

位置靈敏度es4越大，第四透鏡單元l4為了變焦和聚焦所必須移動得越少。因此可以有助於減少總透鏡長度。

在每個實施例中，第五透鏡單元l5按照從物側到像側的順序包括：具有負折光力的第一透鏡子單元l5a和具有正折光力的第二透鏡子單元l5b。這允許第五透鏡單元l5具有1或更大的橫向倍率β5，而不管其折光力的符號如何。

第一透鏡子單元l5a和第二透鏡子單元l5b之間的間隔的光學距離d5ab越大，第五透鏡單元l5的旁軸像面向後偏移得越多，從而允許橫向倍率β5越大。這裡，當光學構件(例如稜鏡)被放置在第一透鏡子單元l5a和第二透鏡子單元l5b之間的間隔中時，使用光學構件的長度除以光學構件材料的折射率來計算該間隔的光學距離d5ab。材料的折射率被定義為d線的折射率。當在該間隔中沒有光學構件時，即，當該間隔中僅有空氣時，光學距離等於空氣間隔的值。

如所述，第五透鏡單元l5具有：具有負折光力的第一透鏡子單元l5a和具有正折光力的第二透鏡子單元l5b，並且這些子單元在其間具有長光學距離d5ab的間隔，以增大位置靈敏度es4。位置靈敏度es4的增大因而減小總透鏡長度。此外，通過插入使光路彎曲90°或大致90°(90°±10°)的反射器，具有長光學距離d5ab的第一透鏡子單元l5a和第二透鏡子單元l5b之間的空間被有效地使用。插入反射器使得能夠減少變焦透鏡在入射光的光軸方向上的大小。

作為反射器，具有內反射表面的稜鏡pr、鏡ur等被使用。第二透鏡子單元l5b被放置在反射器的像側，使得光軸在與進入變焦透鏡l0的光的光軸la垂直或基本垂直的方向上延展。另外，放置圖像拾取元件，使得其像平面的法線垂直或基本垂直於入射光的光軸la。這些構件具有相對小的有效直徑，有利地減小變焦透鏡在光軸方向的空間。

與進入變焦透鏡l0的光的光軸la垂直或基本垂直的方向上的光路長度等於第二透鏡子單元l5b在光軸方向上的厚度加上在第二透鏡子單元l5b前面和後面的空間，如在圖11中所示。因此在反射器之後不需要擴展空間。在具有五個單元的變焦透鏡中(如本發明的一個變焦透鏡)，透鏡鏡筒的外逕往往基本上由具有最大有效直徑的最前面的第一透鏡單元l1的直徑確定，透鏡鏡筒在與進入變焦透鏡l0的光的光軸la垂直的方向上的突出容易地通過反射器之後的非擴展空間保持為小。

與沒有反射器的變焦透鏡相比，本發明的變焦透鏡可以容易地實現減小包括整個透鏡系統和用於保持透鏡的保持構件的透鏡鏡筒的大小。作為結果，可以對變焦透鏡單元給出足夠空間以在變焦期間移動，這有助於實現高的變焦比。此外，以上配置不要求每個透鏡單元的折光力的不必要的增大，這有助於利用更少的校正像差所需的透鏡來實現高光學性能。

在每個實施例中，至少第二透鏡單元l2和第四透鏡單元l4為了變焦移動，以改變第三透鏡單元l3和第四透鏡單元l4之間的間隔以及第四透鏡單元l4和第五透鏡單元l5之間的間隔，使得望遠端處的第一透鏡單元l1和第二透鏡單元l2之間的間隔大於廣角端處的第一透鏡單元l1和第二透鏡單元l2之間的間隔，並且望遠端處的第二透鏡單元l2和第三透鏡單元l3之間的間隔小於廣角端處的第二透鏡單元l2和第三透鏡單元l3之間的間隔。

第五透鏡單元l5不為變焦而移動。由於第五透鏡單元l5的具有正折光力的第二透鏡子單元l5b被放置在反射器的像平面側，所以進入圖像拾取平面的光的遠心度被提高。第一透鏡子單元l5a的焦距f5a以及第一透鏡子單元l5a和第二透鏡子單元l5b之間的間隔的光學距離d5ab滿足以下條件表達式：

0.40＜-d5ab/f5a＜1.00…(1)

下面描述這個條件表達式的技術含義。條件表達式(1)定義第一透鏡子單元l5a和第二透鏡子單元l5b之間的間隔(光學距離)與第一透鏡子單元l5a的焦距之間的比。如上所述，因為間隔d5ab影響第五透鏡單元l5的橫向倍率並因而影響式(a)的值，所以間隔d5ab與第四透鏡單元l4的聚焦行程(stroke)的長度相關。間隔d5ab越大，該聚焦行程可以越短。

如果間隔d5ab太長，使條件表達式(1)的比超過其中定義的上限，則間隔d5ab的超出部分抵消了第四透鏡單元l4的聚焦行程減小的效果，增大了總透鏡長度。另外，如果第一透鏡子單元l5a的負折光力太強(或絕對值太大)，使得條件表達式(1)的比超過其中定義的上限，則出現太多諸如橫向色差和像散的離軸像差。

於是對於第二透鏡子單元l5b，難以校正這樣的像差。此外，具有這樣的強折光力的第一透鏡子單元l5a將通過它的離軸光線發散得太多，要求反射器和第二透鏡子單元l5b具有更大的有效直徑，並因此妨礙減少整個系統的大小。

相反地，如果間隔d5ab太短，使條件表達式(1)的比下降到低於其中定義的下限，那麼第四透鏡單元l4的聚焦行程的長度增大得太多並超過了間隔d5ab減小的量，因而增大了總透鏡長度。另外，如果第一透鏡子單元l5a的負折光力太弱(或絕對值太小)，使條件表達式(1)的比下降到低於其中定義的下限，則難以具有預定長度的後焦距。

優選地，條件表達式(1)中的數字可被如下設置：

0.44＜-d5ab/f5a＜0.90…(1a)

更優選地，條件表達式(1a)中的數字可被如下設置，以確保上述的有益效果。

0.48＜-d5ab/f5a＜0.80…(1b)

如上配置的本發明的變焦透鏡整體上緊湊，具有高變焦比，並提供高光學性能。

再更優選的是每個實施例滿足以下條件表達式中的至少一個。

7.0＜-f1/f2＜10.0…(2)

-2.0＜(r5ar+r5af)/(r5ar-r5af)＜-0.9…(3)

0.3＜|f5a/f5b|＜1.2…(4)

1.30＜β5＜2.00…(5)

0.22＜d5i/d15w＜0.40…(6)

65.0＜vd1p＜90.0…(7)

13.0＜β2t/β2w＜60.0…(8)

1.90＜nd2a＜2.10…(9)

4.8＜f3/fw＜8.0…(10)

0.04＜f4/ft＜0.18…(11)

在上述條件表達式中，「f1」表示第一透鏡單元l1的焦距，「f2」表示第二透鏡單元l2的焦距。「r5af」和「r5ar」分別表示單獨地構成第一透鏡子單元l5a的負透鏡g5an的物側透鏡表面以及像側透鏡表面的曲率半徑。「f5b」表示第二透鏡子單元l5b的焦距。「β5」表示第五透鏡單元l5的橫向倍率。

「d5i」是空氣中的後焦距與從第五透鏡單元l5的最靠近物體的透鏡表面到第五透鏡單元l5的最靠近像的透鏡表面的光軸上的距離的距離和。「d15w」是廣角端處從第一透鏡單元l1的最靠近物體的透鏡表面到第五透鏡單元l5的最靠近像的透鏡表面的距離。

「νd1p」表示構成第一透鏡單元l1的多個正透鏡的材料的d線的平均阿貝數(abbenumber)。「β2w」和「β2t」分別表示第二透鏡單元l2在廣角端處和望遠端處的橫向倍率。「nd2a」表示構成第二透鏡單元l2的多個透鏡的材料的d線的平均折射率。「f3」表示第三透鏡單元l3的焦距，「fw」表示整個系統在廣角端處的焦距。「f4」表示第四透鏡單元l4的焦距，「ft」表示整個系統在望遠端處的焦距。

接著，描述以上條件表達式的技術含義。條件表達式(2)定義第一透鏡單元l1的焦距(折光力)與第二透鏡單元l2的焦距的比。如果最負責變焦的第二透鏡單元l2具有比第一透鏡單元l1短得多的焦距(或強得多的負折光力)，使得條件表達式(2)的比超過其中定義的上限，則諸如橫向色差和像散的離軸像差在變焦中變化太多，使得難以在整個變焦範圍上提供高光學性能。

相反地，如果第一透鏡單元l1具有比第二透鏡單元l2短得多的焦距(或強得多的正折光力)，使得條件表達式(2)的比下降到低於其中定義的下限，則難以在望遠端處校正軸向色差，在望遠端處這樣的像差在具有高變焦比的變焦透鏡中趨向於有問題。條件表達式(3)定義形成第一透鏡子單元l5a的負透鏡g5an的形狀。當條件表達式(3)的比在從0至-1.0的範圍中時，負透鏡g5an是雙凹的，其像側透鏡表面具有大曲率(曲率半徑的倒數)。當條件表達式(3)的比為-1.0時，負透鏡g5an是平凹的，它的物側透鏡表面是平坦的。當條件表達式(3)的比小於-1.0時，負透鏡g5an是具有面向物側的凸表面的彎月透鏡。

如果物側凹表面的曲率太大，使得條件表達式(3)的比超過其中定義的上限，那麼靠通過具有正折光力的第三透鏡單元l3以及通過具有正折光力的第四透鏡單元l4被會聚的軸向光線以大的入射角進入第一透鏡子單元l5a。作為結果，第一透鏡子單元l5a引起大的球面像差。這樣的球面像差不能被第二透鏡子單元l5b充分校正，使得難以提供高光學性能。

相反地，如果彎月透鏡的物側凸表面和像側凹表面的曲率太大，使得條件表達式(3)的比下降到低於其中定義的下限，那麼在光軸上需要太多的空間以放置第一透鏡子單元l5a，這妨礙減小整個系統的大小。此外，靠通過第一透鏡子單元l5a的像側透鏡表面被發散的離軸光線以某一角度被發射，該角度如此大以至於第一透鏡子單元l5a引起大的離軸像差，諸如橫向色差和像散。然後，第二透鏡子單元l5b難以校正這樣的像差，使得難以提供高光學性能。

條件表達式(4)定義第一透鏡子單元l5a的焦距與第二透鏡子單元l5b的焦距的比。如果第二透鏡子單元l5b具有在絕對值上比第一透鏡子單元l5a小得多的焦距(或強得多的折光力)，使得條件表達式(4)的比超過其中定義的上限，那麼由於離軸光線在高位置處通過第二透鏡子l5b，所以第二透鏡子單元l5b引起大的橫向色差和像散。另一個透鏡單元然後難以校正這樣的像差。

相反地，如果第一透鏡子單元l5a具有在絕對值上比第二透鏡子單元l5b小得多的焦距(或強得多的折光力)，使得條件表達式(4)的比下降到低於其中定義的下限，則第一透鏡子單元l5a發散離軸光線太強烈。因而反射器與第二透鏡子單元l5b需要大的有效直徑，以允許已經通過第一透鏡子單元l5a並被該第一透鏡子單元l5a發散的離軸光線通過其中而不漸暈。這樣的有效直徑的增大妨礙減小整個透鏡系統的大小。

條件表達式(5)定義第五透鏡單元l5的橫向倍率。如果第五透鏡單元l5的橫向倍率太大，超過在條件表達式(5)中定義的上限，則第一透鏡子單元l5a和第二透鏡子單元l5b之間的間隔增大太多，這繼而增大透鏡系統的大小。相反地，如果第五透鏡單元l5的橫向倍率太小，下降到低於在條件表達式(5)中定義的下限，則位置靈敏度es4變得太小，該位置靈敏度es4是像平面的位置的位移量與第四透鏡單元l4在光軸方向上的位移量的比並且是使用式子(a)獲得的。作為結果，必須擴展第四透鏡單元l4和第五透鏡單元l5之間的間隔以創建第四透鏡單元l4的聚焦行程所需要的空間。這因而增大總透鏡長度。

條件表達式(6)定義從像平面到作為第五透鏡單元l5的最靠近物體的透鏡表面的基準表面的距離與從該基準表面到第一透鏡單元l1的最靠近物體的透鏡表面的距離的比。如果從像平面到第五透鏡單元l5的最靠近物側的透鏡表面的距離太長，使得條件表達式(6)的比超過其中定義的上限，則在與入射光的光軸垂直的方向上被反射器彎曲之後的光路在長度上增大太多，引起透鏡系統的大小增大。

相反地，如果從第五透鏡單元l5的最靠近物體的透鏡表面到第一透鏡單元l1的最靠近物體的透鏡表面的距離太長，使得條件表達式(6)的比下降到低於其中定義的下限，則這樣的配置有助於實現高的變焦比，但在入射光的光軸方向上使透鏡長度增大太多，阻礙總透鏡長度的減小。

條件表達式(7)定義在第一透鏡單元l1中的所有正透鏡的材料的平均阿貝數。如果對於在第一透鏡單元l1中的正透鏡的材料的d線的平均阿貝數νd1p太大，超過在條件表達式(7)中定義的上限，則容易在望遠端處校正軸向色差，但是對於典型的光學材料，折射率太小。

作為結果，正透鏡的透鏡表面需要具有大的曲率，這使得難以在望遠端處校正球面像差，增大透鏡厚度，增大總透鏡長度，並且增大最前面透鏡的有效直徑。相反地，如果平均阿貝數νd1p太小，下降到低於在條件表達式(7)中定義的下限，那么正透鏡的材料引起太多的色散，使得難以在望遠端處校正軸向色差。

條件表達式(8)定義第二透鏡單元l2的倍率比。如果第二透鏡單元l2的倍率比太大，超過在條件表達式(8)中定義的上限，則第二透鏡單元l2的變焦行程的長度增加，這繼而增大總透鏡長度。相反地，如果第二透鏡單元l2的倍率比太小，下降到低於在條件表達式(8)中定義的下限，則難以實現高變焦比。

條件表達式(9)定義構成第二透鏡單元l2的透鏡的材料的平均折射率。如果構成第二透鏡單元l2的透鏡的平均折射率太大，超過在條件表達式(9)中定義的上限，則對於具有強的負折光力的第二透鏡單元l2負珀茲伐(petzval)和變得太小。然後，對於整個透鏡系統的珀茲伐和朝向正過度地增加。

作為結果，大的負場曲出現，降低整個變焦範圍上的畫面周邊的光學性能。相反地，如果平均折射率太小，下降到低於在條件表達式(9)中定義的下限，那麼構成第二透鏡單元l2的負透鏡需要具有過度小的曲率半徑，因為第二透鏡單元l2是最負責變焦的並因此需要強的負折光力。具有這樣的大曲率的第二透鏡單元l2產生大的場曲和像散，這些像差在變焦中變化非常大。

條件表達式(10)定義第三透鏡單元l3的正折光力。如果第三透鏡單元l3的焦距太長(或第三透鏡單元l3的正折光力太弱)，使得條件表達式(10)的比超過其中定義的上限，則第三透鏡單元l3不能充分地會聚已通過具有強的負折光力的第二透鏡單元l2並且被該第二透鏡單元l2發散的光線。這要求被放置在第三透鏡單元l3的像側的第四透鏡單元l4和第五透鏡單元l5的有效直徑的過度增大，並因而妨礙減小整個透鏡系統的大小。

相反地，如果第三透鏡單元l3的焦距太短(或第三透鏡單元l3的正折光力太強)，使得條件表達式(10)的比下降到低於其中定義的下限，則第三透鏡單元l3引起如此多的諸如軸向色差、球面像差以及像散的像差，以至於難以校正它們。

條件表達式(11)定義第四透鏡單元l4的正折光力。如果第四透鏡單元l4的焦距太長(或第四透鏡單元l4的正折光力太弱)，使得條件表達式(11)的比超過其中定義的上限，則第四透鏡單元l4的橫向倍率β4減小，這引起位置靈敏度es4的過度減少，該位置靈敏度es4是像平面的位置的位移量與第四透鏡單元l4在光軸方向上的位移量的比並且是使用式子(a)獲得的。小的位置靈敏度es4因而要求第四透鏡單元l4移動更長以聚焦和變焦，這阻礙減小整個透鏡系統的大小。

相反地，如果第四透鏡單元l4的焦距太短(或第四透鏡單元l4的正折光力太強)，使得條件表達式(11)的比下降到低於其中定義的下限，則第四透鏡單元l4引起大的像差，諸如橫向色差、場曲以及像散。然後，這些像差在聚焦中變化如此多以至於難以維持高光學性能。

更優選地，條件表達式(2)～(11)中的數字可如下設置。

7.2＜-f1/f2＜9.2…(2a)

-1.9(r5ar+r5af)/(r5ar-r5af)＜-1.0…(3a)

0.4＜|f5a/f5b|＜1.1…(4a)

1.35＜β5＜1.80…(5a)

0.24＜d5i/d15w＜0.35…(6a)

66.0＜vd1p＜85.0…(7a)

15.0＜β2t/β2w＜55.0…(8a)

1.93＜nd2a＜2.05…(9a)

5.0＜f3/fw＜7.5…(10a)

0.06＜f4/ft＜0.16…(11a)

再更優選地，在條件表達式(2a)～(11a)中的數字可如下設置，以確保有益效果被這些條件表達式實現。

7.3＜-f1/f2＜8.8…(2b)

-1.85＜(r5ar+r5af)/(r5ar-r5af)＜-1.10…(3b)

0.5＜|f5a/f5b|＜1.0…(4b)

1.40＜β5＜1.70…(5b)

0.25＜d5i/d15w＜0.30…(6b)

67.0＜vd1p＜82.0…(7b)

6.0＜β2t/β2w＜50.0…(8b)

1.95＜nd2a＜2.00…(9b)

5.2＜f3/fw＜7.0…(10b)

0.08＜f4/ft＜0.15…(11b)

在每個實施例中，第二透鏡子單元l5b優選由單個正透鏡組件組成。這裡，透鏡組件指由單個透鏡形成的透鏡，以及通過接合至少一個正透鏡和至少一個負透鏡形成的膠合透鏡。第二透鏡子單元l5b的這樣的配置有助於減小整個透鏡單元的大小和重量。

優選地，第三透鏡單元l3包括至少一個正透鏡和至少一個負透鏡。這種配置有助於校正第三透鏡單元l3中的色差並實現具有高變焦比的高光學性能。另外，第二透鏡單元l2優選包括至少三個負透鏡和至少一個正透鏡。該配置有助於對諸如橫向色差、場曲以及像散的像差的良好校正，允許減少這些像差在變焦中的變化。

當被配置為滿足以上給出的條件表達式時，每個實施例的變焦透鏡可容易地提供具有緊湊的透鏡系統和高的變焦比的高光學性能。

在實施例1～3中，第一透鏡單元l1和第三透鏡單元l3不為變焦而移動，並且在從廣角端變焦至望遠端期間，第二透鏡單元l2朝向像側移動，第四透鏡單元l4沿著向物側凸起的軌跡移動。換句話說，在從廣角端變焦至望遠端期間，第四透鏡單元l4朝向物側移動並然後朝向像側移動。在實施例4中，第三透鏡單元l3不為變焦而移動，並且在從廣角端變焦至望遠端期間，第一透鏡單元l1朝向物側移動，第二透鏡單元l2朝向像側移動，並且第四透鏡單元沿著向物側凸起的軌跡移動。換句話說，在從廣角端變焦至望遠端期間，第四透鏡單元l4朝向物側移動並然後朝向像側移動。

在實施例5中，第一透鏡單元l1不為變焦而移動，而第三透鏡單元l3在變焦期間移動。在從廣角端變焦至望遠端期間，第二透鏡單元l2朝向像側移動，並且第四透鏡單元l4沿著向物側凸起的軌跡移動。換句話說，在從廣角端變焦至望遠端期間，第四透鏡單元l4朝向物側移動，然後朝向像側移動。

接下來，描述每個實施例的變焦透鏡的具體配置。除非另外指明，否則透鏡按照從物側到像側的順序被布置。在實施例1中，在從廣角端變焦至望遠端期間，第二透鏡單元l2朝向像側移動以執行變焦，並且第四透鏡單元l4移動以執行聚焦以及校正由變焦引起的像平面變化。第一透鏡單元l1不為變焦而移動。第一透鏡單元l1的不為變焦而移動的該配置簡化了變焦機構。

第三透鏡單元l3不為變焦而移動。第三透鏡單元l3的不為變焦而移動的該配置簡化了變焦機構。第五透鏡單元l5不為變焦而移動。孔徑光闌sp被放置在第三透鏡單元l3的物側。孔徑光闌sp不為變焦而移動。孔徑光闌sp的孔徑直徑在變焦期間是可變化的，使得可以在從中間變焦位置到望遠端的範圍中阻擋不想要的耀斑光，以維持用於高變焦比的良好的光學性能。

實施例2具有與實施例1相同的變焦機構和聚焦機構。孔徑光闌sp的用於變焦的移動條件表達式與實施例1中的相同。實施例3具有與實施例1相同的變焦機構和聚焦機構。孔徑光闌sp的用於變焦的移動條件與在實施例1中的相同。

實施例4與實施例1不同在於，第一透鏡單元l1在變焦期間以使得第一透鏡單元l1在望遠端處比在廣角端處位於更靠近物側的方式移動。其他透鏡單元的用於變焦和聚焦的移動條件與在實施例1中的相同。孔徑光闌sp的用於變焦的移動條件與在實施例1中的相同。

在實施例4中，第一透鏡單元l1在變焦期間移動以縮短為獲得充足的變焦所需的第二透鏡單元l2的變焦行程的長度，以及由此有助於在廣角端處減小總透鏡長度。作為結果，可以減少其有效直徑由廣角端處的光線確定的最前面透鏡(即，第一透鏡單元l1)和第二透鏡單元l2的直徑，以有助於減小整個透鏡系統的大小。

實施例5與實施例1的不同在於，第三透鏡單元l3移動以變焦。其它透鏡單元的用於變焦和聚焦的移動條件與在實施例1中的相同。孔徑光闌sp與第三透鏡單元l3一體地(沿相同軌跡地)移動以變焦。在實施例5中，移動以變焦的第三透鏡單元l3的配置增大了用於像差校正的自由度的數目，使得可以良好地校正由變焦引起的像差(諸如色差、場曲以及像散)的變化。第三透鏡單元l3的上述配置還有助於為第四透鏡單元l4的聚焦行程創建空間。

孔徑光闌sp可以可替代地獨立於第三透鏡單元l3(沿不同的軌跡)移動以變焦。該配置使得能夠減小光闌的直徑以及在中間變焦位置處良好地阻擋離軸耀斑光。

接下來，描述在每個實施例中的透鏡單元的配置。在實施例1中，第一透鏡單元l1按照從物側到像側的順序包括：通過將具有面向物側的凸表面的負彎月透鏡與具有面向物側的凸表面的正透鏡接合而形成的膠合透鏡，以及每個均具有面向物側的凸表面的兩個正彎月透鏡。第一透鏡單元l1的包括一個負透鏡和三個正透鏡的該配置使得能夠良好地校當在嘗試高變焦比時在望遠端處增大的像差(諸如球面像差、軸向色差以及橫向色差)。

第二透鏡單元l2按照從物側到像側的順序包括：具有面向像側的凹表面的負透鏡、負雙凹透鏡組件以及通過將正的雙凸透鏡和負透鏡接合而形成的並整體上具有正折光力的膠合透鏡。在實施例1中，負的雙凹透鏡組件由單個負透鏡組成。負透鏡組件的由單個負透鏡組成的該配置實現了重量的減少。第三透鏡單元l3按照從物側到像側的順序包括：具有非球面的正雙凸透鏡以及具有面向物側的凸表面的負彎月透鏡。第三透鏡單元l3的包括兩個透鏡的該配置實現了總透鏡長度的減小。

第四透鏡單元l4包括膠合透鏡，該膠合透鏡由正雙凸透鏡和具有面向像側的凸表面的負彎月透鏡形成並整體上具有正折光力。第四透鏡單元l4的該配置減少了由變焦和聚焦引起的像差(諸如色差、場曲以及像散)的變化。另外，第四透鏡單元l4的由通過將正透鏡和負透鏡膠合在一起形成的單個透鏡組件組成的配置實現了第四透鏡單元l4的可組裝性和厚度減小，有助於減小整個系統的大小。此外，由於第四透鏡單元l4的最靠近物體的透鏡表面是非球面的，所以由變焦和聚焦引起的場曲和像散的變化被減少。

第五透鏡單元l5按照從物側到像側的的順序包括：具有負折光力的第一透鏡子單元l5a、使光路彎曲的反射器以及具有正折光力的第二透鏡子單元l5b。第一透鏡子單元l5a由具有面向物側的凸表面的負彎月透鏡組成。第二透鏡子單元l5b由單個正透鏡組成。使光路彎曲的反射器由具有內反射表面的稜鏡形成。稜鏡的光入射表面和光發射表面可以形成為具有折光力的球形表面或非球形表面。這樣的配置增加了對於像差校正的自由度的數目。

在實施例2中，第一透鏡單元l1、第二透鏡單元l2、第四透鏡單元l4以及第五透鏡單元l5具有與實施例1中的透鏡配置相同的透鏡配置。在實施例2中，第三透鏡單元l3按照從物側到像側的順序包括：具有非球面的正雙凸透鏡、具有面向物側的凸表面的負彎月透鏡以及具有面向像側的凸表面的正透鏡。第三透鏡單元l3的該三透鏡配置有助於良好地校正球面像差和場曲，並且因此在整個變焦範圍上提供具有高變焦比的高光學性能。

在實施例3中，第一透鏡單元l1、第三透鏡單元l3、第四透鏡單元l4以及第五透鏡單元l5具有與實施例1中的透鏡配置相同的透鏡配置。在實施例3中，第二透鏡單元l2按照從物側到像側的順序包括：具有面向像側的凹表面的負透鏡、負雙凹透鏡組件以及通過將正雙凸透鏡和負透鏡接合而形成的並在整體上具有正折光力的膠合透鏡。

在實施例3中，第二透鏡單元l2中的負雙凹透鏡組件是通過將具有面向物側的凹表面的正彎月透鏡與具有面向物側的凹表面的負透鏡接合而形成的膠合透鏡。負透鏡組件由膠合透鏡形成的該配置增加了對於色差校正的自由度的數目，並且有助於減少變焦中橫向色差的變化。

在實施例4中，第一透鏡單元l1、第三透鏡單元l3以及第四透鏡單元l4具有與實施例1中的透鏡配置相同的透鏡配置。在實施例4中，第二透鏡單元l2按照從物側到像側的順序包括：具有面向像側的凹表面的負透鏡、負雙凹透鏡組件以及通過將正雙凸透鏡和負透鏡接合而形成的並在整體上具有正折光力的膠合透鏡。

在實施例4中，第二透鏡單元l2中的負雙凹透鏡組件是通過將具有面向物側的凹表面的正彎月透鏡與具有面向物側的凹表面的負透鏡接合而形成的膠合透鏡。負透鏡組件的由膠合透鏡形成的該配置增加了對於校正色差的自由度的數目，並有助於減少變焦中橫向色差的變化。

在實施例4中，第一透鏡子單元l5a具有與實施例1中的透鏡配置相同的透鏡配置，但是第二透鏡子單元l5b是通過將負透鏡和正透鏡接合而形成的並在整體上具有正折光力的膠合透鏡。利用膠合透鏡形成第二透鏡子單元l5b減少了變焦中橫向色差的變化。另外，在實施例4中，使得透鏡表面中的一個被製成非球面，以有效地校正在變焦中場曲和像散的變化。

在實施例5中，第一透鏡單元l1、第二透鏡單元l2、第三透鏡單元l3、第四透鏡單元l4以及第五透鏡單元l5具有與實施例1中的透鏡配置相同的透鏡配置。在實施例5中，第二透鏡單元l2的至少一個透鏡表面是非球面的，以便良好地校正由變焦引起的場曲和像散的變化。

以上已經給出了本發明的優選實施例。然而，本發明不限於這些實施例，並且可以在不脫離其主旨的情況下進行各種修改和改變。

接下來，使用圖12描述使用本發明的變焦透鏡的攝像機(圖像拾取裝置)的實施例。

在圖12中，「10」指示攝像機主體，「11」指示由實施例1～5中任一個的變焦透鏡形成的圖像拾取光學系統，「12」指示固態圖像拾取元件(光電轉換元件)，諸如ccd傳感器或cmos傳感器，其被併入在攝像機主體10中並且被配置為接收由圖像拾取光學系統11形成的被攝體圖像，「13」指示由液晶面板等形成的用於觀察由固態圖像拾取元件12光電轉換的被攝體圖像的監視器。當本發明的變焦透鏡應用於圖像拾取裝置時，可以實現小型且提供高光學性能的諸如攝像機的圖像拾取裝置。

在實施例3～5中，在廣角端附近引起大的負畸變，使得圖像拾取元件在廣角端處比在其他變焦位置處具有更小的圖像拾取範圍。換句話說，實施例3～5的變焦透鏡在廣角端處或附近比在其它變焦位置(望遠端)處具有更小的有效圖像直徑(圖像高度)。當在圖像拾取裝置中使用實施例3～5中任一個的變焦透鏡時，可以採用處理由圖像拾取元件獲得的圖像數據的信號處理電路來電校正由圖像拾取裝置獲得的圖像信息中的畸變，使得輸出圖像可以包含更少的畸變。

當如上所述被配置時，每個實施例的變焦透鏡可以具有緊湊的光學系統，具有高的變焦比，並且在整個變焦範圍上提供高光學性能。另外，如圖11所示，通過在第一透鏡子單元l5a和第二透鏡子單元l5b之間包括反射器，以使來自物側的光彎曲，每個實施例的變焦透鏡有助於減小照相機在其厚度方向上的大小。

接下來，論證分別對應於本發明的實施例1～5的數值數據1～5。在每個數值數據中，「i」表示從物側開始的光學表面的序號，「ri」表示第i個光學表面(或簡單地，第i表面)的曲率半徑，「di」表示第i表面和第(i+1)表面之間的間隔，ndi和νdi分別表示第i表面和第(i+1)表面之間的光學構件的材料的d線的折射率和阿貝數。

另外，利用「k」表示偏心率，「a4」、「a6」、「a8」、「a10」表示非球面係數，「x」表示在距光軸高度h處的沿著光軸的距表面頂點的位移，非球面形狀被如下表達：

x＝(h2/r)/[1+[1-(1+k)(h/r)2]1/2]+a4h4+a6h6+a8h8+a10h10

其中r表示旁軸曲率半徑。

例如，「e-z」指示「10-z」。另外，數值數據1中的r25和r26、數值數據2中的r27和r28、數值數據3中的r26和r27以及數值數據5中的r25和r26分別是反射器的入射表面和發射表面。在數值數據1至5中，最後兩個表面是諸如濾光器或面板的光學塊的表面。

在每個實施例中，後焦距(bf)表示從最後面的透鏡表面到旁軸像平面的在空氣中的距離。總透鏡長度是後焦距bf和從最靠近物體的透鏡表面到最後面的透鏡表面的距離的總距離。表1示出條件表達式(1)～(11)和數值數據1～5之間的對應關係。

[數值數據1]

[單位:mm]

表面數據

非球面數據

第16表面

k＝-5.92505e-001

a4＝-2.62511e-005

a6＝1.63395e-007

a8＝-1.05446e-009

第17表面

k＝-4.09575e+000

a4＝8.04077e-005

a6＝-2.94823e-007

第20表面

k＝-2.21757e+000

a4＝5.45268e-005

a6＝-1.17004e-006

各種數據

變焦透鏡單元數據

第5透鏡單元數據

單元開始表面焦距

5a23-13.73

5b2726.55

[數值數據2]

[單位:mm]

表面數據

非球面數據

第16表面

k＝-5.70653e-001

a4＝-1.19024e-005

a6＝-5.25474e-008

a8＝1.89021e-009

第17表面

k＝-2.76204e+002

a4＝5.71529e-006

a6＝1.42548e-007

第22表面

k＝-1.66727e+000

a4＝2.80706e-005

a6＝-4.99735e-007

各種數據

變焦透鏡單元數據

第5透鏡單元數據

單元開始表面焦距

5a25-9.08

5b2912.12

[數值數據3]

[單位:mm]

表面數據

非球面數據

第17表面

k＝-5.60023e-001

a4＝-1.74736e-005

a6＝7.47031e-008

a8＝4.61435e-010

a10＝3.61807e-012

第18表面

k＝-1.02773e+001

a4＝4.96465e-005

a6＝-1.58566e-008

第21表面

k＝-2.12509e+000

a4＝9.38800e-005

a6＝-4.21590e-007

各種數據

變焦透鏡單元數據

第5透鏡單元數據

單元開始表面焦距

5a24-12.31

5b2818.96

[數值數據4]

[單位:mm]

表面數據

非球面數據

第17表面

k＝-6.85314e-001

a4＝4.88600e-007

a6＝1.75062e-008

a8＝6.87319e-010

a10＝-6.78625e-012

第18表面

k＝-2.56380e+001

a4＝4.34115e-005

a6＝-1.62230e-007

第21表面

k＝-9.99808e-001

a4＝6.77253e-006

a6＝-3.01779e-008

a8＝1.66360e-009

第28表面

k＝-1.57848e+000

a4＝-5.19192e-005

a6＝4.40893e-007

各種數據

變焦透鏡單元數據

第5透鏡單元數據

單元開始表面焦距

5a24-14.82

5b2615.56

[數值數據5]

[單位:mm]

表面數據

非球面數據

第9表面

k＝-1.46424e-001

a6＝-7.57898e-007

a8＝2.90676e-008

第16表面

k＝-9.40436e-001

a4＝3.75799e-005

a6＝-3.80078e-007

a8＝1.13048e-008

第17表面

k＝-2.48207e+002

a4＝-3.08650e-005

a6＝9.95002e-007

第20表面

k＝2.35209e+000

a4＝-1.94932e-004

a6＝-4.64176e-006

各種數據

變焦透鏡單元數據

第5透鏡單元數據

單元開始表面焦距

5a23-11.17

5b2715.12

表1

雖然已經參照示例性實施例描述了本發明，但是應該理解本發明不限於公開的示例性實施例。所附權利要求的範圍應被賦予最寬泛的解釋以包括所有這樣的變更方式以及等同的結構及功能。