变焦透镜和包括该变焦透镜的图像拾取装置 【技术领域】
本发明涉及变焦透镜和包括该变焦透镜的图像拾取装置。例如， 该变焦透镜适用 于诸如视频照相机、 电子静物照相机、 广播照相机和监视照相机的使用固态图像传感器的 图像拾取装置或诸如使用卤化银胶片的照相机的图像拾取装置。背景技术
近年来， 在诸如视频照相机、 数字静物照相机、 广播照相机和监视照相机的使用固 态图像传感器的图像拾取装置的功能以及在使用卤化银胶片的照相机的功能中已存在明 显的提高。因此， 作为在其中使用的照相光学系统， 已存在对于具有高的变焦比 ( 高变倍 (magnification variation) 比 ) 并在整个变焦范围上具有高分辨率的变焦透镜的需求。 作为满足这种需求的变焦透镜， 已知这样的正引导型变焦透镜， 该正引导型变焦透镜从物 侧到像侧依次包含如下 ： 分别具有正折光力、 负折光力和正或负折光力的第一、 第二和第三 透镜单元以及随后的具有一个或多个透镜单元的后透镜组。
作为正引导型变焦透镜， 已知从物侧到像侧依次包含分别具有正折光力、 负折光 力、 正折光力和正折光力的四个透镜单元的变焦透镜 ( 美国专利 No.7206137)。并且， 已知 从物侧到像侧依次包含分别具有正折光力、 负折光力、 负折光力、 正折光力和正折光力的五 个透镜单元的变焦透镜 ( 美国专利 No.6278559 和美国专利 No.7672062)。此外， 还已知从 物侧到像侧依次包含分别具有正折光力、 负折光力、 正折光力、 负折光力和正折光力的五个 透镜单元的变焦透镜 ( 美国专利 No.7864443)。
美国专利 No.6278559 讨论了这样的高性能变焦透镜， 该高性能变焦透镜使用具 有高折射率和相对低的色散 (dispersion) 的玻璃材料以形成第二透镜单元的负透镜， 使 得在整个变焦范围上令人满意地校正色差、 像场弯曲和像散。美国专利 No.7672062 和美 国专利 No.7864443 讨论了这样的高性能变焦透镜， 该高性能变焦透镜使用具有低折射率 和低色散的玻璃材料以形成第二透镜单元的负透镜， 使得在整个变焦范围上校正倍率色差 (chromatic aberration of magnification)( 横向色差 )。
近年来， 具有极多像素的图像传感器变得可用 ； 并且可被有利地用于诸如 TV 照相 机、 视频照相机或数字静物照相机的图像拾取装置。但是， 为了优化这种图像传感器的益 处， 需要可给出高的图像质量的变焦透镜。 因此， 在各种图像拾取装置中存在对于具有高的 光学性能的变焦透镜的需求。 具体来说， 在正引导型变焦透镜中， 适当地设定透镜单元中的 每一个的变焦类型或透镜配置以由此在确保宽视角和高变焦比的情况下在整个变焦范围 上获得高的光学性能是重要的。
一般地， 在整个变焦范围上令人满意地校正各种像差以由此在整个变焦范围上获 得高的光学性能变得越来越重要。特别地， 令人满意地校正倍率色差是重要的。这里， 作为 倍率色差的校正， 重要的是， 在广角端区域令人满意地不仅基于 d 线校正 C 线和 F 线之间的 倍率色差的量而且校正 g 线和 F 线之间的倍率色差的量。
在正引导型变焦透镜中， 尤其适当地设定用于变倍的第二透镜单元的透镜配置以在确保高的变焦比的情况下在整个变焦范围上令人满意地校正倍率色差是重要的。 如果用 于变倍的第二透镜单元的透镜配置未被适当地设定， 那么难以获得在确保宽的视角和高的 变焦比的情况下在整个变焦范围上具有高的光学性能的变焦透镜。 发明内容 本发明针对具有宽的视角和高的变焦比并在整个变焦范围上具有高的光学性能 的变焦透镜和包括该变焦透镜的图像拾取装置。
根据本发明的一个方面， 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 ； 具有负折光力的第二透镜单元 ； 具有正折光力或负折光力的第三透镜单元 ； 以 及包含一个或多个透镜单元的后透镜组， 其中， 在从广角端到望远端的变焦期间， 第二透镜 单元沿光轴移动， 使得第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离增加， 孔径光阑被设置在 第二透镜单元的像侧， 并且， 当包含于第二透镜单元中的负透镜的材料的相对异常部分色 散 ΔθgF 之和由 SUM(ΔθgF2N) 表示， 由这样的材料形成的负透镜的光焦度之和由 表示， 该材料的相对异常部分色散 ΔθgF 大于等于包含于第二透镜单元中的负透镜的材 料的相对异常部分色散 ΔθgF 的平均值， 并且第二透镜单元的光焦度由 表示时， 满足以 下的条件式 ：
0.065 ＜ SUM(ΔθgF2N) ＜ 0.200参照附图从示例性实施例的以下详细描述， 本发明的其它特征和方面将变得清晰。 附图说明
并入说明书中并且构成其一部分的附图示出本发明的示例性实施例、 特征和方 面， 并与描述一起用于解释本发明的原理。
图 1 是根据第一示例性实施例的物体距离无限远时的变焦透镜的截面图。
图 2A 和图 2B 分别是根据第一示例性实施例的物体距离无限远时的广角端和望远 端的像差图。
图 3 是根据第二示例性实施例的物体距离无限远时的变焦透镜的截面图。
图 4A 和图 4B 分别是根据第二示例性实施例的物体距离无限远时的广角端和望远 端的像差图。
图 5 是根据第三示例性实施例的物体距离无限远时的变焦透镜的截面图。
图 6A 和图 6B 分别是根据第三示例性实施例的物体距离无限远时的广角端和望远 端的像差图。
图 7 是根据第四示例性实施例的物体距离无限远时的变焦透镜的截面图。
图 8A 和图 8B 分别是根据第四示例性实施例的物体距离无限远时的广角端和望远 端的像差图。
图 9 是根据第五示例性实施例的物体距离无限远时的变焦透镜的截面图。
图 10A 和图 10B 分别是根据第五示例性实施例的物体距离无限远时的广角端和望远端的像差图。
图 11 是根据本发明的示例性实施例的图像拾取装置的主要部件的示意图。 具体实施方式
以下将参照附图详细描述本发明的各示例性实施例、 特征和方面。
以下， 将描述根据本发明的示例性实施例的变焦透镜和包括该变焦透镜的图像拾 取装置。首先， 本发明针对具有宽的视角和高的变焦比并且在整个变焦范围上获得高的光 学性能的变焦透镜以及包括该变焦透镜的图像拾取装置。因此， 根据本发明的示例性实 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 ； 具有负折光力的 第二透镜单元 ； 具有正或负折光力的第三透镜单元 ； 和包含一个或多个透镜单元的后透镜 组。 在从广角端到望远端的变焦期间， 第二透镜单元沿光轴移动， 使得第一透镜单元和第二 透镜单元之间的距离增加。
图 1 是根据本发明的第一示例性实施例的变焦透镜处于广角端 ( 短焦距端 ) 时的 透镜的截面图。图 2A 和图 2B 分别是根据第一示例性实施例的变焦透镜处于广角端和望远 端 ( 长焦距端 ) 时的像差图。图 3 是根据本发明的第二示例性实施例的变焦透镜处于广角 端时的透镜的截面图。图 4A 和图 4B 分别是根据第二示例性实施例的变焦透镜处于广角端 和望远端时的像差图。图 5 是根据本发明的第三示例性实施例的变焦透镜处于广角端时的 透镜的截面图。图 6A 和图 6B 分别是根据第三示例性实施例的变焦透镜处于广角端和望远 端时的像差图。
图 7 是根据本发明的第四示例性实施例的变焦透镜处于广角端时的透镜的截面 图。图 8A 和图 8B 分别是根据第四示例性实施例的变焦透镜处于广角端和望远端时的像差 图。图 9 是根据本发明的第五示例性实施例的变焦透镜处于广角端时的透镜的截面图。图 10A 和图 10B 分别是根据第五示例性实施例的变焦透镜处于广角端和望远端时的像差图。 图 11 是包括根据本发明的示例性实施例的变焦透镜的 TV 照相机 ( 图像拾取装置 ) 的主要 部件的示意图。各示例性实施例中的变焦透镜与用于诸如 TV 照相机、 视频照相机、 数字静 物照相机和卤化银胶片照相机的图像拾取装置中的照相透镜系统对应。
在透镜的截面图中， 左侧表示被照体侧 ( 物侧 )( 前侧 )， 右侧表示像侧 ( 后侧 )。 在透镜的截面图中， L0 表示变焦透镜。并且， i 表示从物侧起的透镜单元的次序， 并且， Li 表示第 i 个透镜单元。Lr 表示包含一个或多个透镜单元的后透镜组。SP 表示孔径光阑。G 表示与滤光器、 面板、 晶体低通滤波器或红外截止滤波器对应的光学块。
IP 表示像面， 这里， 像面在应用于 TV 照相机、 视频照相机和数字静物照相机的情 况下被设置在接收图像的诸如 CCD 传感器或 CMOS 传感器的图像传感器 ( 光电转换元件 ) 的成像面上， 或者， 在应用于卤化银胶片照相机的情况下被设置在与胶片表面对应的感光 面上。在透镜的截面图中， 箭头表示从广角端到望远端的变焦期间的各透镜单元的移动轨 迹， 并且还表示从无限远物体到最近物体的聚焦期间的移动方向。
在像差图中， d 和 g 分别表示 d 线和 d 线。M 和 S 表示子午像面和弧矢像面， 并且， 倍率色差由 g 线表示。Fno 表示 F 数， ω 表示半视角。在以下描述的数值例子 1 ～ 5 中， 数 值的单位为 mm， 在所有的像差图中， 球面像差由 0.2mm 的标度 (scale) 表示， 像散由 0.2mm 的标度表示， 畸变由 5％的标度表示， 并且， 倍率色差由 0.02mm 的标度表示。 并且， 以下的示例性实施例中的广角端和望远端表示为了变倍而移动的透镜单元沿机构的光轴位于可动 范围的两端时的变焦位置。
将描述每一个示例性实施例中的变焦透镜的技术特征。在现有技术中， 作为正引 导型变焦透镜， 已知从物侧到像侧依次包含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、 第三透镜单元、 和包含在其上面成像的一个或多个透镜单元的后透镜组 的变焦透镜。 在该变焦透镜中， 在从广角端到望远端的变焦期间第二透镜单元沿光轴移动， 使得第一透镜单元和第二透镜单元之间的距离增加。
在具有这种配置的变焦透镜中， 需要主要在广角端令人满意地校正倍率色差、 像 场弯曲和像散， 以获得高的图像质量。在倍率色差的校正中， 特别地在广角端， 即使当基于 d 线校正 C 线和 F 线之间的倍率色差时， 仍可能在 g 线和 F 线之间残留倍率色差。因此， 难 以在整个图像区域和整个变焦范围中获得高的分辨率。
并且， 在像场弯曲或像散中， 特别地在广角端在图像高度高的区域中， 子午像面和 弧矢像面之间的差变得较大， 并且难以在整个图像区域和整个变焦范围中获得高的分辨 率。
在现有技术的许多正引导型变焦透镜中， 具有负折光力的第二透镜单元的透镜配 置被适当地设定， 以解决上述的问题。在美国专利 No.6278559 中所讨论的变焦透镜中， 第 二透镜单元的负透镜由具有高的折射率的玻璃材料形成， 以减少广角端的像场弯曲或像 散。因此， 通过抑制整个变焦透镜中的匹兹阀和 (Petzval sum) 的劣化， 减小广角端的像场 弯曲或像散。并且， 由于广角端附近的倍率色差与望远端的附近相比很容易劣化， 因此， 第 二透镜单元的负透镜由具有比较低的色散的玻璃材料形成。 因此， C 线和 F 线之间的倍率色差的变化减小。在美国专利 No.6278559 中讨论的 变焦透镜中， 没有讨论用于透镜的玻璃材料的异常部分色散特性。当从在其中讨论的折射 率和阿贝数估计该特性时， 相对异常部分色散 ΔθgF 的值变为负值， 并且， 广角端的 g 线和 F 线之间的倍率色差的校正方向被反转， 使得难以获得高的图像质量。
即使在美国专利 No.7672062 或美国专利 No.7864443 中所讨论的变焦透镜中， 也 没有讨论用于透镜的玻璃材料的异常色散特性。 当从在其中讨论的折射率和阿贝数估计该 特性时， 第二透镜单元的负透镜由具有低的色散和异常部分色散特性的玻璃材料形成。这 样， 在广角端， 不仅执行 C 线和 F 线之间的倍率色差的校正， 而且 g 线和 F 线之间的倍率色 差量减小。但是， 在美国专利 No.7672062 或美国专利 No.7864443 中假定使用的异常部分 色散量中， 倍率色差的校正不一定是足够的。
此外， 当以这种方式在负透镜中使用具有低折射率的玻璃材料时， 匹兹阀和劣化。 特别地， 由于在美国专利 No.7672062 或美国专利 No.7864443 中讨论的透镜在正透镜中使 用具有高的折射率的玻璃材料， 因此匹兹阀和进一步劣化。为了获得捕获的图像的更高的 图像质量， 关于倍率色差的校正， 重要的是， 除了 C 线和 F 线之间的倍率色差的校正以外还 令人满意地执行 g 线和 F 线之间的倍率色差的校正。如果即使当执行在广角端的区域处的 倍率色差的校正时在望远端倍率色差仍劣化， 那么难以在整个变焦区域中获得高的图像质 量。
因此， 根据本发明的示例性实施例的变焦透镜基于第二透镜单元具有如下表面的 事实令人满意地在整个变焦范围中校正倍率色差， 即在各变焦区域在该表面中光束穿过位
置改变。 具体地， 第二透镜单元中使用如下光学特性， 其中轴外主光线在广角端附近穿过透 镜的周边并且轴外主光线在望远端附近穿过透镜的中心部分。 第二透镜单元的负透镜由具 有相对异常部分色散 ΔθgF 变为正并且其值比较大的特性的玻璃材料形成， 并被使用以 具有强的焦度。因此， 整个第二透镜单元具有非常大的异常色散特性。
在本发明的示例性实施例中， 这样， 在不大大影响在望远端区域的倍率色差的情 况下， 在广角端区域的 C 线和 F 线之间的倍率色差以及 g 线和 F 线之间的倍率色差被令人 满意地校正。
这里， 材料的阿贝数 νd、 相对部分色散 θgF 和相对异常部分色散 ΔθgF 如下。 现 在， 假定对于 g 线 (435.8nm)、 F 线 (486.1nm)、 d 线 (587.6nm)、 C 线 (656.3nm) 的材料的折 射率分别由 Ng、 NF、 Nd 和 NC 表示。此时， 阿贝数 νd、 相对部分色散 θgF 和相对异常部分 色散 ΔθgF 是被如下表达的数值。
νd ＝ (Nd-1)/(NF-NC)
θgF ＝ (Ng-NF)/(NF-NC)
ΔθgF ＝ θgF-(-1.61783×10-3×νd+0.64146)
为了通过上述的方法有效地校正倍率色差， 使用具有低的折射率和低的色散的玻 璃材料， 这里， 玻璃材料的相对异常部分色散 ΔθgF 具有比较大的正值。如上所述， 由于匹 兹阀和劣化， 因此， 难以主要在广角端区域减少像场弯曲和像散。 因此， 在本发明的示例性实施例中， 如上所述， 第二透镜单元具有如下特性， 即轴 外主光线在广角端附近穿过透镜的周边并且轴外主光线在望远端的附近穿过透镜的中心 部分， 并且第二透镜单元具有至少一个具有非球面形状的透镜表面。 以这种方式， 当如下这 样的透镜表面形成为非球面形状时， 在广角端附近校正像场弯曲或像散并且在望远端附近 校正球面像差或彗形像差， 在各变焦范围在该透镜表面中的光束穿过位置改变。
下面将描述每一个示例性实施例的变焦透镜的特性。变焦透镜 L0 从物侧到像侧 依次包含具有正折光力的第一透镜单元 L1、 具有负折光力的第二透镜单元 L2、 具有正或负 折光力的第三透镜单元 L3、 和包含一个或多个透镜单元的后透镜组。在从广角端到望远端 的变焦期间， 第二透镜单元 L2 沿光轴移动， 使得第一透镜单元 L1 和第二透镜单元 L2 之间 的距离增加。
孔径光阑 SP 被设置在第二透镜单元 L2 的像侧。第二透镜单元 L2 包含一个或多 个具有非球面形状的透镜表面。包含于第二透镜单元 L2 中的负透镜的材料的相对异常部 分色散 ΔθgF 的总和 ( 合计 ) 由 SUM(ΔθgF2N) 表示。由如下材料形成的负透镜的焦度的
总和由表示， 该材料的相对异常部分色散 ΔθgF 大于等于包含于第二透镜单元 L2 表中的负透镜的材料的相对异常部分色散 ΔθgF 的平均值。 第二透镜单元 L2 的焦度由 示。此时， 满足以下的条件式 ：
0.065 ＜ SUM(ΔθgF2N) ＜ 0.200 (1)
下面， 将描述上述的条件式中的每一个的技术意义。条件式 (1) 涉及第二透镜单 元 L2 的负透镜的材料中的相对异常部分色散。如上所述， 当在第二透镜单元 L2 的负透镜 的材料中使用由相对异常部分色散 ΔθgF 为正的材料形成的负透镜时， 倍率色差可以容
易地被校正。因此， 在整个第二透镜单元 L2 中， 第二透镜单元 L2 的负透镜的材料的相对异 常部分色散 ΔθgF 具有正值， 并且， 其它的要素可被适当地调整。
但是， 当超出条件式 (1) 的上限值时， 在第二透镜单元 L2 的整个系统中， 负透镜的 材料的异常色散特性增加过多， 使得倍率色差被过度校正。另一方面， 当超出条件式 (1) 的 下限值时， 由于残留倍率色差， 因此这不是所希望的。更希望设定条件式 (1) 如下。
0.070 ＜ SUM(ΔθgF2N) ＜ 0.200 (1a)
条件式 (2) 涉及第二透镜单元 L2 的负透镜的焦度。 如上所述， 为了校正倍率色差， 可以使用由其的相对异常部分色散 ΔθgF 为正的材料形成的负透镜。此时， 当负透镜不具 有比较强的焦度时， 难以高度有效地校正倍率色差。但是， 当负透镜具有过大的焦度时， 透 镜表面的曲率变得较大， 并且， 除了色差以外像场弯曲或彗形像差频繁出现。
因此， 在本发明的示例性实施例中， 给出了对于负透镜合适的焦度。 当超出条件式 (2) 的上限值时， 由大于等于第二透镜单元 L2 中的相对异常部分色散 ΔθgF 的平均值的 材料形成的负透镜的焦度增加得过多， 并且， 倍率色差被过度校正。并且， 出于不能实现与 像场弯曲或彗形像差的平衡的原因， 超出上限的焦度不是所希望的。 另一方面， 当超出条件 式 (2) 的下限值时， 由于倍率色差被不充分地校正， 因此不是所希望的。更希望设定条件式 (2) 如下。
更希望设定条件式 (2a) 如下。根据以上的示例性实施例， 能够提供如下这样的变焦透镜， 该变焦透镜在整个变 焦范围上令人满意地校正倍率色差的同时在整个画面中给出了高的图像质量。
在示例性实施例中， 更希望满足以下描述的条件式中的至少一个， 从而可容易地 获得更高的光学性能。 包含于第二透镜单元 L2 中的至少一个负透镜的材料的阿贝数由 ν2N 表示。包含于第一透镜单元 L1 中的正透镜的材料的相对异常部分色散 ΔθgF 的总和由 SUM(ΔθgF1P) 表示。第一透镜单元 L1 的焦距由 f1 表示、 第二透镜单元 L2 的焦距由 f2 表 示、 第三透镜单元 L3 的焦距由 f3 表示、 整个变焦透镜的在广角端的焦距由 fw 表示， 并且整 个变焦透镜的在望远端的焦距由 ft 表示。
包含于第二透镜单元 L2 中的正透镜中的至少一个正透镜的材料的相对异常部分 色散由 ΔθgF2P 表示， 并且包含于第二透镜单元 L2 中的正透镜中的至少一个正透镜的材料 的折射率由 N2P 表示。此时， 希望满足以下的条件式中的一个或更多个。
70 ＜ ν2N ＜ 100 (3)
0.030 ＜ SUM(ΔθgF1P) ＜ 0.300 (4)
2.0 ＜ f1/ √ (fw×ft) ＜ 10.0 (5)
-1.5 ＜ f2/ √ (fw×ft) ＜ -0.5 (6)
-10.0 ＜ f1/f2 ＜ -1.0 (7)
0.05 ＜ |f2/f3| ＜ 0.60 (8)
-0.050 ＜ ΔθgF2P ＜ 0.017 (9)
1.40 ＜ N2P ＜ 1.70 (10)
下面， 将描述上述的条件式中的每一个的技术意义。条件式 (3) 涉及包含于第二 透镜单元 L2 中的至少一个负透镜的材料的阿贝数。即， 希望具有一个或多个满足条件式 (3) 的负透镜。当超出条件式 (3) 的上限值时， 包含于第二透镜单元 L2 中的负透镜的材料 具有过低的色散。出于这种原因， 为了积极校正色差， 负透镜需要具有强的焦度。然后， 透 镜表面的曲率半径变得较小， 使得难以校正像场弯曲。
另一方面， 当超出条件式 (3) 的下限值时， 由于存在具有相对高的折射率的玻璃 材料， 因此， 可容易地校正色差以外的诸如像场弯曲的像差。但是， 由于该区域中的玻璃材 料一般具有不足的异常色散特性， 因此， 难以令人满意地校正 C 线和 F 线之间的倍率色差以 及 g 线和 F 线之间的倍率色差。更希望设定条件式 (3) 如下。
75 ＜ ν2N ＜ 98 (3a)
条件式 (4) 涉及包含于第一透镜单元 L1 中的正透镜的材料的异常色散特性。 在示 例性实施例的条件式 (1) 中， 第二透镜单元 L2 的负透镜由相对异常部分色散 ΔθgF 为正 并且其值比较大的材料形成， 由此广角端附近的倍率色差被校正。但是， 在这种情况下， 可 能残留与广角端附近的倍率色差的校正相反的望远端附近的 g 线和 F 线之间的倍率色差。
因此， 为了校正望远端附近残留的倍率色差， 第一透镜单元 L1 的轴外主光线穿 过望远端附近的透镜的周边的透镜配置被适当地设定。希望通过使用相对异常部分色散 ΔθgF 的值为正并且值比较大的材料作为第一透镜单元 L1 的正透镜的材料， 校正望远端 附近的 g 线和 F 线之间的倍率色差。但是， 当超出条件式 (4) 的上限值时， 由于望远端附近 的 g 线和 F 线之间的倍率色差被过度校正， 因此这是不希望的。
另一方面， 当超出条件式 (4) 的下限值时， 这是不希望的， 因为望远端附近的 g 线 和 F 线之间的倍率色差被不充分地校正并且望远端附近的 g 线和 F 线之间的轴向色差被不 充分地校正。更希望设定条件式 (4) 如下。
0.035 ＜ SUM(ΔθgF1P) ＜ 0.300 (4a)
条件式 (5) 涉及第一透镜单元 L1 的焦距。当超出条件式 (5) 的上限值时， 第一透 镜单元 L1 的焦距变得远比整个变焦透镜的焦距长。从而， 总长变长， 使得整个变焦透镜的 尺寸增加。另一方面， 当超出条件式 (5) 的下限值时， 第一透镜单元 L1 的焦距变得远比整 个变焦透镜的焦距短。从而， 难以在广角端区域和望远端区域两者均令人满意地校正彗形 像差和像场弯曲。更希望设定条件式 (5) 如下。
2.5 ＜ f1/ √ (fw×ft) ＜ 8.0 (5a)
条件式 (6) 涉及第二透镜单元 L2 的焦距。当超出条件式 (6) 的上限值时， 第二透 镜单元 L2 的焦度变强， 并且， 难以令人满意地在整个变焦范围中校正像场弯曲。另一方面， 当超出条件式 (6) 的下限值时， 第二透镜单元 L2 的焦度变弱， 变焦期间的第二透镜单元 L2 的移动量增加， 并且， 整个变焦透镜的尺寸增加。更希望设定条件式 (6) 如下。
-1.3 ＜ f2/ √ (fw×ft) ＜ -0.9 (6a)
条件式 (7) 涉及第一透镜单元 L1 和第二透镜单元 L2 的焦距之间的比。当超出条 件式 (7) 的上限值或下限值时， 难以令人满意地在广角端区域和望远端区域两者中校正色 差、 彗形像差和像场弯曲。更希望设定条件式 (7) 如下。
-7.0 ＜ f1/f2 ＜ -2.0 (7a)条件式 (8) 涉及第二透镜单元 L2 和第三透镜单元 L3 的焦距之间的比。当超出条 件式 (8) 的上限值或下限值时， 难以校正主要在广角端的像场弯曲。 更希望设定条件式 (8) 如下。
0.07 ＜ |f2/f3| ＜ 0.45 (8a)
更希望设定条件式 (8a) 如下。
0.10 ＜ |f2/f3| ＜ 0.40 (8b)
条件式 (9) 涉及包含于第二透镜单元 L2 中的正透镜的材料的相对异常部分色散。 当超出条件式 (9) 的上限值时， 主要在广角端的 g 线和 F 线之间的倍率色差仍然存在。另 一方面， 当超出条件式 (9) 的下限值时， 主要在广角端的 g 线和 F 线之间的倍率色差被过度 校正。更希望设定条件式 (9) 如下。
-0.050 ＜ ΔθgF2P ＜ 0.010 (9a)
条件式 (10) 涉及包含于第二透镜单元 L2 中的正透镜的材料的折射率。当超出条 件式 (10) 的上限值时， 匹兹阀和劣化， 并且难以减小主要在广角端的像场弯曲。另一方面， 当超出条件式 (10) 的下限值时， 折射率变得较小， 并且， 需要使得透镜表面的曲率半径较 小以保持焦度。从而， 这不是所希望的， 因为难以校正基准波长的诸如彗形像差的像差。更 希望设定条件式 (10) 如下。 1.45 ＜ N2P ＜ 1.67 (10a)
以下， 将描述除在示例性实施例中描述的配置以外的希望的配置。后透镜组 Lr 在 最接近物侧 (most object side) 包含具有正折光力的第四透镜单元。在变焦中， 希望至少 第二透镜单元 L2、 第三透镜单元 L3 和第四透镜单元 L4 沿光轴移动。 特别地， 在从广角端到 望远端的变焦期间， 希望第二透镜单元 L2 单调地向像侧移动， 第三透镜单元 L3 移动， 使得 第三透镜单元 L3 和第二透镜单元 L2 之间的距离改变， 并且， 第四透镜单元 L4 移动， 使得第 四透镜单元 L4 和第三透镜单元 L3 之间的距离改变。
特别地， 在从广角端到望远端的变焦期间， 希望第二透镜单元 L2 单调地向像侧移 动。从而， 希望第三透镜单元 L3 沿凸形的轨迹向物侧移动， 使得第三透镜单元 L3 和第二透 镜单元 L2 之间的距离改变， 并且， 第四透镜单元 L4 移动， 使得第四透镜单元 L4 和第三透镜 单元 L3 之间的距离改变。以这种方式， 可通过移动透镜单元中的每一个在整个变焦范围上 令人满意地校正像场弯曲。
然后， 在第二透镜单元 L2 中， 希望从物侧到像侧依次定位具有面向像侧的凹面的 负透镜和具有面向像侧的凹面的负透镜。然后， 像侧不按特定的次序地具有两个或更多个 负透镜和一个或多个正透镜。
这样， 在通过使用最前两个负透镜校正倍率色差的同时校正像场弯曲。 然后， 当至 少两个负透镜被设置在像侧时， 第二透镜单元 L2 内的负透镜的焦度被分散， 从而防止透镜 表面的曲率由于负透镜的材料的低折射率而变得较大。 此外， 当设置至少一个正透镜时， 校 正在负透镜中出现的像场弯曲或彗形像差。
具体地， 希望第二透镜单元从物侧到像侧依次包含具有面向像侧的凹面的负透 镜、 具有面向像侧的凹面的负透镜、 通过胶合正透镜和负透镜获得的胶合透镜、 以及通过胶 合正透镜和负透镜获得的胶合透镜。作为替代方案， 希望第二透镜单元从物侧到像侧依次 包含具有面向像侧的凹面的负透镜、 具有面向像侧的凹面的负透镜、 负透镜、 负透镜和正透
镜。 如上所述， 根据示例性实施例， 获得在整个画面中校正色差并且具有高的光学性能的变 焦透镜。
下面将描述示例性实施例的透镜配置的特性。 由附图标记表示的透镜分别与上述 的由该附图标记表示的透镜对应。图 1 中的第一示例性实施例中的变焦透镜 L0 从物侧到 像侧依次包含具有正折光力的第一透镜单元 L1、 具有负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 和后透镜组 Lr。 后透镜组 Lr 包含具有正折光力的第四透镜单元 L4。在从广角端到望远端的变焦期间， 第二透镜单元 L2、 第三透镜单元 L3 和第四透镜单元 L4 独立地移动。
具体地， 第二透镜单元 L2 沿光轴向像侧移动， 并且， 第三透镜单元 L3 和第四透镜 单元 L4 沿如下轨迹移动， 在该轨迹中它们一度向物侧移动并且向像侧返回， 并且该轨迹具 有向物侧凸起的形状。孔径光阑 SP 被设置在第三透镜单元 L3 和第四透镜单元 L4 之间， 并 且在变焦期间与第四透镜单元 L4 一起移动。第二透镜单元 L2 的最接近物侧的负透镜的物 侧透镜表面、 第二负透镜的物侧透镜表面、 第二正透镜的物侧透镜表面和第四透镜单元 L4 的最接近物侧的透镜的物侧透镜表面具有非球面形状。
通过向像侧移动第一透镜单元 L1 的部分组 L1F( 从最接近物侧起的第五透镜到第 七透镜 )， 执行从无限远物体到最近物体的聚焦。 图 3 中的第二示例性实施例的变焦透镜 L0 包含具有正折光力的第一透镜单元 L1、 具有负折光力的第二透镜单元 L2 和具有负折光力的第三透镜单元 L3。作为后透镜组 Lr， 第三透镜单元 L3 的像侧具有具有正折光力的第四透镜单元 L4、 具有正折光力的第五透镜 单元 L5 和具有正折光力的第六透镜单元 L6。
第二示例性实施例针对包含六个透镜单元的六单元变焦透镜。 在从广角端到望远 端的变焦期间， 第二透镜单元 L2 到第六透镜单元 L6 独立地移动。 具体地， 第二透镜单元 L2 沿光轴向像侧移动， 并且， 第三透镜单元 L3 和第四透镜单元 L4 沿如下轨迹移动， 在该轨迹 中它们一度向物侧移动并且向像侧返回， 并且该轨迹具有向物侧凸起的形状。 此外， 第五透 镜单元 L5 向物侧移动， 使得各透镜单元之间的距离改变。第六透镜单元 L6 沿向物侧凸起 的轨迹移动。
孔径光阑 SP 被设置在第三透镜单元 L3 和第四透镜单元 L4 之间， 并且在变焦期间 与第四透镜单元 L4 一起移动。 第二透镜单元 L2 的最接近物侧的负透镜的物侧透镜表面、 第 二负透镜的物侧透镜表面、 第二正透镜的物侧透镜表面和第四透镜单元 L4 的最接近物侧 的透镜的物侧透镜表面具有非球面形状。通过向像侧移动第一透镜单元 L1 的部分组 ( 从 最接近物侧起的第五透镜到第七透镜 )， 执行从无限远物体到最近物体的聚焦。
图 5 中的第三示例性实施例的变焦透镜 L0 包含具有正折光力的第一透镜单元 L1、 具有负折光力的第二透镜单元 L2 和具有负折光力的第三透镜单元 L3。作为后透镜组 Lr， 第三透镜单元 L3 的像侧具有具有正折光力的第四透镜单元 L4、 具有正折光力的第五透镜 单元 L5 和具有正折光力的第六透镜单元 L6。第三示例性实施例针对包含六个透镜单元的 六单元变焦透镜。在从广角端到望远端的变焦期间， 第二透镜单元 L2 到第五透镜单元 L5 独立地移动。
具体地， 第二透镜单元 L2 沿光轴向像侧移动， 并且， 第三透镜单元 L3 和第四透镜 单元 L4 沿如下轨迹移动， 在该轨迹中它们一度向物侧移动并且向像侧返回， 并且该轨迹具
有向物侧凸起的形状。此外， 第五透镜单元 L5 向物侧移动。孔径光阑 SP 被设置在第三透 镜单元 L3 和第四透镜单元 L4 之间， 并且在变焦期间与第四透镜单元 L4 一起移动。
第二透镜单元 L2 的最接近物侧的负透镜的物侧透镜表面、 第二负透镜的物侧透 镜表面、 第二正透镜的物侧透镜表面和第四透镜单元 L4 的最接近物侧的透镜的物侧透镜 表面具有非球面形状。通过向像侧移动第一透镜单元 L1 的部分组 ( 从最接近物侧起的第 五透镜到第七透镜 )， 执行从无限远物体到最近物体的聚焦。
图 7 中的第四示例性实施例的变焦透镜 L0 包含具有正折光力的第一透镜单元 L1、 具有负折光力的第二透镜单元 L2 和具有正折光力的第三透镜单元 L3。作为后透镜组 Lr， 第三透镜单元 L3 的像侧具有具有正折光力的第四透镜单元 L4 和具有正折光力的第五透镜 单元 L5。在从广角端到望远端的变焦期间， 第二透镜单元 L2 到第五透镜单元 L5 独立地移 动。具体地， 第二透镜单元 L2 沿光轴向像侧移动， 并且， 第三透镜单元 L3 沿如下轨迹移动， 在该轨迹中该第三透镜单元 L3 一度向物侧移动并且向像侧返回， 并且该轨迹具有向物侧 凸起的形状。
此外， 第四透镜单元 L4 和第五透镜单元 L5 沿具有向物侧凸起的形状的轨迹移动， 使得各透镜单元之间的距离改变。孔径光阑 SP 被设置在第二透镜单元 L2 和第三透镜单元 L3 之间， 并且在变焦期间与第三透镜单元 L3 一起移动。第二透镜单元 L2 的最接近物侧的 负透镜的物侧透镜表面、 第三透镜单元 L3 的最接近物侧的透镜的物侧透镜表面和第五透 镜单元 L5 的从物侧起的第二透镜的像侧透镜表面具有非球面形状。 通过向像侧移动第一透镜单元 L1 的部分组 ( 从最接近物侧起的第五透镜到第七 透镜 )， 执行从无限远物体到最近物体的聚焦。
图 9 中的第五示例性实施例的变焦透镜 L0 包含具有正折光力的第一透镜单元 L1、 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 和后透镜组 Lr。后透 镜组 Lr 包含具有正折光力的第四透镜单元 L4。 在从广角端到望远端的变焦期间， 第一透镜 单元 L1 到第四透镜单元 L4 独立地移动。具体地， 第一透镜单元 L1 沿光轴向像侧移动。
第二透镜单元 L2 沿光轴向像侧移动， 并且， 第三透镜单元 L3 沿具有向物侧凸起的 形状的轨迹移动。然后， 第四透镜单元 L4 在广角端和中间变焦位置之间向像侧移动， 并且 在中间变焦位置和望远端之间向物侧移动。即， 第四透镜单元 L4 沿具有向像侧凸起的形状 的轨迹移动。孔径光阑 SP 被设置在第三透镜单元 L3 内， 并且在变焦期间与第三透镜单元 L3 一起移动。
第二透镜单元 L2 的最接近物侧的负透镜的物侧透镜表面、 第二负透镜的像侧透 镜表面和从物侧起的第二正透镜 ( 从物侧起的第五透镜 ) 的物侧透镜表面具有非球面形 状。并且， 第三透镜单元 L3 的最接近物侧的透镜的物侧透镜表面和第四透镜单元 L4 的最 接近像侧的透镜的像侧透镜表面具有非球面形状。通过向物侧移动第四透镜单元 L4 的后 焦点类型执行从无限远物体向最近物体的聚焦。
第四透镜单元 L4 的实线曲线 4a 和虚线曲线 4b 分别表示用于在聚焦于无限远物 体和最近物体上期间校正由于变倍导致的像面变化的移动轨迹。 在望远端处执行从无限远 物体到最近物体的聚焦期间， 如图 9 中的箭头 4c 所示， 第四透镜单元 L4 向前 ( 向物侧 ) 移 动。
虽然已经描述了本发明的示例性实施例， 但是， 本发明不限于这些示例性实施例。
在本发明的范围和精神中， 可以以各种形式修改和改变具有聚焦功能或光学图像稳定化功 能的透镜的位置。 这样， 当根据第一到第五实施例的光学系统被应用于广播电视照相机、 视 频照相机和静物照相机时， 可以实现具有高的光学性能的变焦透镜。
以下， 示出与本发明的第一到第五示例性实施例对应的数值例子 1 ～ 5。 在数值例 子中， i( 这里， i ＝ 1、 2、 3...) 表示表面的从物侧起的次序， ri 表示从物侧起的第 i 表面的 曲率半径， di 表示从物侧起的第 i 表面和第 i+1 表面之间的距离， 并且， ndi 和 νdi 分别表 示第 i 光学部件的折射率和阿贝数。 θgF 表示相对部分色散， 并且 ΔθgF 表示相对异常部 分色散。f、 Fno 和 2ω 分别表示在聚焦于无限远物体上时的整个变焦透镜的焦距、 其F数 及其视角 ( 度 )。当光轴的方向表示 X 轴时， 与光轴垂直的方向表示 H 轴， 光束前进方向表 示正方向， R 表示旁轴曲率半径， k 表示偏心率， 并且 A4、 A6、 A8、 A10 和 A12 分别表示非球面 系数。由 X 表达的给定表面的非球面形状可由下式表示。
此外， 在非球面系数的值中， 科学记数法 “e-Z” 等同于指数记数法 “10-Z” 。通过 以上限定的参数， 在表 1 中示出上述的条件式中的每一个与数值例子的各种数值之间的关 系。后焦距表示从光块的最接近像侧表面到焦平面的距离。
数值例子 1
f ＝ 10.26 ～ 117.82mm
Fno ＝ 1.84 ～ 1.97
2ω ＝ 75.9 ～ 7.76
第二透镜单元的负透镜的平均 ΔθgF ＝ 0.03349 非球面数据第 21 表面 k ＝ -1.07833e+002 A8 ＝ -1.42258e-012 第 23 表面 k ＝ -1.16441e+012 A8 ＝ 1.00768e-011 第 28 表面 k ＝ -1.37233e+001 A8 ＝ -2.37693e-012 第 35 表面 k ＝ -9.25857e+000 A8 ＝ 4.52599e-013 各种类型的数据A4 ＝ 3.60350e-006 A6 ＝ -7.00622e-010 A10 ＝ 2.58562e-015 A12 ＝ -9.84999e-019 A4 ＝ -1.24941e-005 A10 ＝ 3.02421e-015 A6 ＝ -1.03691e-008A4 ＝ 6.53390e-006 A6 ＝ 5.79236e-009 A10 ＝ -8.63406e-015 A12 ＝ 7.76432e-018 A4 ＝ 1.86882e-006 A6 ＝ -1.59493e-009 A10 ＝ 8.55681e-016 A12 ＝ -9.64587e-019
变焦透镜单元数据
单个透镜数据
数值例子 2 f ＝ 10.26 ～ 118.00mm Fno ＝ 1.84 ～ 2.05 2ω ＝ 75.88 ～ 7.76
第二透镜单元的负透镜的平均 ΔθgF ＝ 0.01919 非球面数据 第 21 表面 k ＝ -5.34894e+001 A4 ＝ 3.11630e-006 A6 ＝ 1.37440e-009 A8 ＝ -5.49735e-012 A10 ＝ 8.10530e-015 A12 ＝ -4.29400e-018 第 23 表面 k ＝ -9.42642e+011 A4 ＝ -1.55957e-005 A6 ＝ -8.86145e-009 A8 ＝ 1.41958e-011 A10 ＝ 5.92689e-015 第 28 表面 k ＝ -4.65785e+001 A4 ＝ 7.12735e-006 A6 ＝ 7.08669e-009A8 ＝ -1.39051e-011 A10 ＝ 6.71270e-015 A12 ＝ -3.12588e-018 第 35 表面 k ＝ -8.66826e+000 A4 ＝ 1.64749e-006 A6 ＝ -1.50285e-009 A8 ＝ 5.90584e-013 A10 ＝ 3.20965e-016 A12 ＝ -4.34636e-019 各种类型的数据
变焦透镜单元数据
单个透镜数据
数值例子 3 f ＝ 10.24 ～ 117.54mm Fno ＝ 1.84 ～ 2.04 2ω ＝ 75.98 ～ 7.78°
第二透镜单元的负透镜的平均 ΔθgF ＝ 0.01961 非球面数据 第 21 表面 k ＝ -5.42851e+001 A4 ＝ 6.10195e-007 A6 ＝ 1.33912e-009 A8 ＝ -3.46471e-012 A10 ＝ 2.25922e-015 A12 ＝ -1.16526e-018 第 23 表面 k ＝ -8.88662e+011 A4 ＝ -4.71106e-006 A6 ＝ -1.10397e-008 A8 ＝ 7.79524e-012 A10 ＝ 1.05223e-014 第 28 表面k ＝ -8.56471e+000 A4 ＝ 5.69819e-006 A6 ＝ 6.14121e-009 A8 ＝ -1.13450e-013 A10 ＝ -7.09504e-015 A12 ＝ 8.86924e-018 第 35 表面 k ＝ -6.91952e+000 A4 ＝ 1.57747e-006 A6 ＝ -1.27029e-009 A8 ＝ 9.23707e-013 A10 ＝ -7.26980e-016 A12 ＝ 3.81888e-019 各种类型的数据
变焦透镜单元数据
单个透镜数据
数值例子 4 f ＝ 10.17 ～ 118.50mm Fno ＝ 1.87 ～ 2.05 2ω ＝ 76.36 ～ 7.72°
第二透镜单元的负透镜的平均 ΔθgF ＝ 0.03064 非球面数据 第 21 表面 k ＝ -2.22986e+000 A4 ＝ -2.19298e-007 A6 ＝ -4.18697e-010 A8 ＝ -1.05182e-013 A10 ＝ 1.74620e-016 第 32 表面 k ＝ 1.05639e+001 A4 ＝ -1.08639e-006 A6 ＝ -7.33608e-011 A8 ＝ -1.34916e-013 A10 ＝ -1.15160e-016 第 45 表面 k ＝ 5.01453e+002 A4 ＝ 4.44844e-007 A6 ＝ 2.11058e-010 A8 ＝ 1.59689e-013 A10 ＝ 5.17543e-017 各种类型的数据
变焦透镜单元数据
单个透镜数据
数值例子 5 f ＝ 10.41 ～ 127.95mmFno ＝ 1.88 ～ 4.00 2ω ＝ 75.1 ～ 7.16°
第二透镜单元的负透镜的平均 ΔθgF ＝ 0.02908 非球面数据 第 8 表面 k ＝ 5.74945e+000 A4 ＝ 2.46947e-006 A6 ＝ -9.48170e-010 A8 ＝ 2.45691e-013 A10 ＝ -1.65534e-017 第 11 表面 k ＝ -1.12276e+000 A4 ＝ 2.39227e-006 A6 ＝ -1.39689e-009 A8 ＝ 4.08773e-012 A10 ＝ -7.37347e-015 第 15 表面 k ＝ 4.12997e+002 A4 ＝ 8.30323e-007 A6 ＝ -2.08567e-010 A8 ＝ 8.84953e-013 A10 ＝ -9.61624e-016 A12 ＝ 2.08342e-019 第 18 表面 k ＝ -7.25070e+000 A4 ＝ 1.17569e-006 A6 ＝ -9.05415e-010 A8 ＝ -5.70160e-013 A10 ＝ 1.14771e-015 A12 ＝ -6.28781e-019 第 36 表面 k ＝ 1.09749e+000 A4 ＝ 9.03254e-007 A6 ＝ 4.10726e-010 A8 ＝ -6.59253e-013 A10 ＝ 1.15222e-015 A12 ＝ -7.83324e-019 各种类型的数据
变焦透镜单元数据
单个透镜数据
表1图 11 是使用根据第一到第五示例性实施例中的任一个的变焦透镜作为照相光学 系统的图像拾取装置 ( 电视照相机系统 ) 的主要部件的示意图。根据第一到第五示例性实 施例中的任一个的变焦透镜 101 被配置为可拆卸地附接到照相机 124。 通过将变焦透镜 101 附接到照相机 124 来配置图像拾取装置 125。变焦透镜 101 包括包含第一到第三透镜单元 的前组 LF 和后透镜组 Lr。诸如螺旋面或凸轮的驱动机构 114 和 115 被设置用于沿光轴的 方向驱动每一个透镜单元。
马达 ( 驱动单元 )116 和 117 被设置用于电气驱动该驱动机构 114 和 115 以及孔径 光阑 ( 未示出 )。虽然图 11 中没有示出， 但是， 诸如编码器、 电势计或光传感器的检测器被 设置用于检测各透镜单元的沿光轴的位置或孔径光阑的孔径直径。照相机 124 包含与照相 机 124 内的滤光器或颜色分离棱镜对应的玻璃块 109、 以及被配置用于接收由变焦透镜 101 形成的物体图像的诸如 CCD 传感器或 CMOS 传感器的固态图像传感器 ( 光电转换元件 )110。
此外， CPU 111 和 122 被设置用于控制照相机 124 和变焦透镜 101 的各种驱动状 态。 这样， 通过将根据本发明的示例性实施例的变焦透镜应用于电视照相机， 实现了具有高 的光学性能的图像拾取装置。
这样， 根据本发明的示例性实施例， 能够获得具有宽的视角和高的变焦比并且在 整个变焦范围上具有高的光学性能的变焦透镜和包含该变焦透镜的图像拾取装置。
虽然已参照示例性实施例说明了本发明， 但应理解， 本发明不限于公开的示例性 实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式、 等同的结构 和功能。