变焦镜头、成像设备和信息设备的制作方法

专利名称：变焦镜头、成像设备和信息设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过改变焦距以改变张角而具有变焦功能的透镜，特别地，优选用于数字相机、摄影机等通过使用固态图像拾取设备获取目标的数字图像数据的变焦镜头、具有这种变焦镜头作为照相光学系统的成像设备、以及具有这种照相功能的信息设备。
背景技术：
最近，在广泛使用的数字相机中，有各种类型的需求，尤其是进一步要求高性能和小尺寸，并且由此也需要安装在数字相机中作为照相透镜的高性能和小尺寸变焦镜头。在变焦镜头中，为了减少尺寸，需要减少使用的整个长度(从最对象侧透镜表面到成像平面的距离)。并且减少尺寸是重要的，从而通过减少每个透镜组的厚度以折叠状态(collapsed state)减少整个长度。作为高性能的变焦镜头，对于整个变焦范围需要与图像拾取设备相对应的精度，该图像拾取设备需要具有最少1千万至1千5百万像素。此外，许多用户需要照相透镜的更广的张角(field angle)，并且在广角端的变焦镜头的半张角优选地为38度或更大。在使用具有35mm宽度的银盐胶卷(所谓的莱卡胶卷)的银盐照相机的情况下，38度的半张角对应于^mm的焦距。此外，也需要高放大率。具有与在35mm银盐照相机转换(大约7. 1倍)中观到 200mm相对应的焦距的变焦镜头能够进行所有通用的照相。作为用于数码相机的变焦镜头，可以使用各种类型的变焦镜头。作为具有高放大率或大直径的变焦镜头，存在一种变焦镜头，该变焦镜头包括从对象侧顺序布置的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个透镜组。在该变焦镜头中，当将放大率从短焦端改变为长焦端， 增加了第一透镜组和第二透镜组之间的间隔，减少了第二透镜组和第三透镜组之间的间隔以及改变了第三透镜组和第四透镜组之间的间隔。作为这种类型的变焦镜头，当改变放大率时，第一透镜组固定或者往复运动并且以在图像侧凸起的弧形运动。在这种类型中，如果尝试主要确保主要分享放大操作的功能的第二透镜组的运动量，即使当变焦镜头处于短焦端，在第三透镜组的周围提供的孔径光阑远离第一透镜组。由此，当需要广角变焦镜头时，需要第一透镜组为大的以实现高放大率。由此，为了实现广角、高放大率和小尺寸的变焦镜头，优选地移动第一透镜组以被定位在长焦端，至短焦端的位置的对象侧的位置。将在广角端的变焦镜头的整个长度减少为小于在远距端的变焦镜头的整个长度， 使得防止第一透镜的尺寸的增大并可以实现充足的广角。另一方面，在通过增加放大率和焦距已经发生的色差的校正中，使用公知的具有反常色散属性的透镜是有效的。日本专利公开号No. H08-248317和2008-(^6837以及日本专利号No. 3391342和 4405747中公开了使用反常色散属性的变焦镜头，作为包括从对象侧顺序布置的具有正焦距的第一透镜组、具有负焦距的第二透镜组、具有正焦距的第三透镜组和具有正焦距的第四透镜组的变焦镜头。其中当改变放大率由短焦端至长焦端时，增加了第一透镜组和第二透镜组之间的间隔，减少了第二透镜组和第三透镜组之间的间隔以及改变了第三透镜组和第四透镜组之间的间隔。在这些文件中，在日本专利申请公开号NO.H08-M8317中公开的变焦镜头中，当改变放大率时固定第一透镜组并且在短焦端的半张角是25度并且广角不足够。在日本专利No. 3391342中公开的变焦镜头包括具有正-负-正-正透镜组(见例子1、2和6)的四透镜组配置，并且变焦镜头在短焦端具有大约四到32度张角，使得没有充分地实现广角。在日本专利No. 4405747中公开的变焦镜头具有广角，即，在广角端大约37度的半张角。然而，透镜配置包括许多透镜，即，14个透镜，并且由此很难实现折叠状态中减少的整个长度以及低成本。在日本专利申请公开No. 2008-026837中公开的变焦镜头具有相对少数目的透镜，即9到11个透镜，使得以简单的配置实现广角和高放大率。然而，还存在小尺寸改善的空间，因为在远距端的整个长度稍大。

发明内容
本发明用于解决上述问题，并且本发明的目的在于提供一种变焦镜头，该变焦镜头具有充分广的张角，即，在短焦端38度或更大的半张角以及8倍或更高的放大率。该变焦镜头还实现具有大约10个透镜配置的小尺寸以及对应于具有一千万到一千五百万像素的图像拾取设备的精度。根据本发明的实施例的变焦镜头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，以及具有正折光力的第四透镜组，所述第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组从对象侧到图像侧顺序布置，并且孔径光阑布置在第二和第三透镜组之间。当从短焦端到长焦端改变变焦镜头的放大率时，第一透镜组和第二透镜组之间的间隔增大，第二透镜组和第三透镜组之间的间隔减小，并且第三透镜组和第四透镜组之间的间隔增大。移动第一和第三透镜组以使得第一和第三透镜组位于相对于短焦端的位置的长焦端的对象侧位置。第三透镜组具有两个正透镜，包括从对象侧顺序布置的第一正透镜1^_ 1和第二正透镜L_p2。在这种情况下，部分色散率Pg,F由以下公式定义Pg,F= (ng-nF) / (nF-nc)其中ng，nF和是分别用于g线、F线和C线的正透镜的折射率，满足下面的条件3. 1 < pl_nd+p2_nd < 3. 4(1)60 < pl_ vd < 80(2)60 < ρ2_ ν d < 80(3)0. 008 < pl_Pg,F-(-0. 001802Xpl_ vd+0. 6483) < 0. 050 (4)0. 008 < p2_Pg,F-(-0. 001802Xp2_ vd+0. 6483) < 0. 050 (5)，其中，pl_nd是第一正透镜L_pl的折射率，p2_nd是第二正透镜L_p2的折射率，pl_ ν d是第一正透镜L_pl的阿贝数，ρ2_ ν d是第二正透镜L_p2的阿贝数，pl_Pg,F是第一正透镜L_pl的部分色散率，并且p2_Pg,F是第二正透镜L_p2的部分色散率。


图1 (a)是根据本发明第一实施例的示例1的变焦镜头的光学系统沿光轴在短焦 (广角或“Wide”)端的示意性截面图；图1 (b)是根据本发明第一实施例的示例1的变焦镜头的光学系统沿光轴在短焦端和中间焦点位置之间的焦距位置(广角-中间)的示意性截面图；图1 (c)是根据本发明第一实施例的示例1的变焦镜头的光学系统沿光轴在中间焦点位置(中间)的示意性截面图；图1 (d)是根据本发明第一实施例的示例1的变焦镜头的光学系统沿光轴在中间焦点位置和长焦(远距，“Tele”)端之间的焦距位置(中间-远距)的示意性截面图；图1 (e)是根据本发明第一实施例的示例1的变焦镜头的光学系统沿光轴在长焦端的示意性截面图；图2是示出根据示例1的变焦镜头中球面像差、散光、失真、和慧形像差在短焦端的像差曲线的视图；图3是示出根据示例1的变焦镜头中球面像差、散光、失真、和慧形像差在中间焦点位置的像差曲线的视图；图4是示出根据示例1的变焦镜头中球面像差、散光、失真、和慧形像差在长焦端的像差曲线的视图；图5是示出了在根据示例1的变焦镜头中在短焦端和长焦端的轴色像差特性曲线的视图；图6是示出了在根据示例1的变焦镜头中在短焦端和长焦端的放大率的色像差的特性曲线的视图；图7(a)是根据本发明第一实施例的示例2的变焦镜头的光学系统沿光轴在短焦 (广角或“Wide”)端的示意性截面图；图7(b)是根据本发明第一实施例的示例2的变焦镜头的光学系统沿光轴在短焦端和中间焦点位置之间的焦距位置(广角-中间)的示意性截面图；图7(c)是根据本发明第一实施例的示例2的变焦镜头的光学系统沿光轴在中间焦点位置(中间)的示意性截面图；图7(d)是根据本发明第一实施例的示例2的变焦镜头的光学系统沿光轴在中间焦点位置和长焦(远距，“Tele”)端之间的焦距位置(中间-远距)的示意性截面图；图7(e)是根据本发明第一实施例的示例2的变焦镜头的光学系统沿光轴在长焦端的示意性截面图；图8是示出根据示例2的变焦镜头中球面像差、散光、失真、和慧形像差在短焦端的像差曲线的视图；图9是示出根据示例2的变焦镜头中球面像差、散光、失真、和慧形像差在中间焦点位置的像差曲线的视图；图10是示出根据示例2的变焦镜头中球面像差、散光、失真、和慧形像差在长焦端的像差曲线的视图；图11是示出了在根据示例2的变焦镜头中在短焦端和长焦端的轴色像差特性曲线的视图；图12是示出了在根据示例2的变焦镜头中在短焦端和长焦端的放大率的色像差的特性曲线的视图；图13 (a)是根据本发明第一实施例的示例3的变焦镜头的光学系统沿光轴在短焦 (广角或“Wide”)端的示意性截面图；图13 (b)是根据本发明第一实施例的示例3的变焦镜头的光学系统沿光轴在短焦端和中间焦点位置之间的焦距位置(广角-中间)的示意性截面图；图13(c)是根据本发明第一实施例的示例3的变焦镜头的光学系统沿光轴在中间焦点位置(中间)的示意性截面图；图13(d)是根据本发明第一实施例的示例3的变焦镜头的光学系统沿光轴在中间焦点位置和长焦(远距，“Tele”)端之间的焦距位置(中间-远距)的示意性截面图；图13 (e)是根据本发明第一实施例的示例3的变焦镜头的光学系统沿光轴在长焦端的示意性截面图；图14是示出根据示例3的变焦镜头中球面像差、散光、失真、和慧形像差在短焦端的像差曲线的视图；图15是示出根据示例3的变焦镜头中球面像差、散光、失真、和慧形像差在中间焦点位置的像差曲线的视图；图16是示出根据示例3的变焦镜头中球面像差、散光、失真、和慧形像差在长焦端的像差曲线的视图；图17是示出了在根据示例3的变焦镜头中在短焦端和长焦端的轴色像差特性曲线的视图；图18是示出了在根据示例3的变焦镜头中在短焦端和长焦端的放大率的色像差的特性曲线的视图；图19 (a)是根据本发明第一实施例的示例4的变焦镜头的光学系统沿光轴在短焦 (广角或“Wide”)端的示意性截面图；图19 (b)是根据本发明第一实施例的示例4的变焦镜头的光学系统沿光轴在短焦端和中间焦点位置之间的焦距位置(广角-中间)的示意性截面图；图19(c)是根据本发明第一实施例的示例4的变焦镜头的光学系统沿光轴在中间焦点位置(中间)的示意性截面图；图19(d)是根据本发明第一实施例的示例4的变焦镜头的光学系统沿光轴在中间焦点位置和长焦(远距，“Tele”)端之间的焦距位置(中间-远距)的示意性截面图；图19 (e)是根据本发明第一实施例的示例4的变焦镜头的光学系统沿光轴在长焦端的示意性截面图；图20是示出根据示例4的变焦镜头中球面像差、散光、失真、和慧形像差在短焦端的像差曲线的视图；图21是示出根据示例4的变焦镜头中球面像差、散光、失真、和慧形像差在中间焦点位置的像差曲线的视图；图22是示出根据示例4的变焦镜头中球面像差、散光、失真、和慧形像差在长焦端的像差曲线的视图23是示出了在根据示例4的变焦镜头中在短焦端和长焦端的轴色像差特性曲线的视图；图M是示出了在根据示例4的变焦镜头中在短焦端和长焦端的放大率的色像差的特性曲线的视图；图25是示意性示出从对象侧观察的作为根据本发明的第二实施例的成像装置的数码相机的外部外观配置透视图；图沈是示意性示出从拍摄者侧观察的图25中数码相机的外部外观配置透视图；图27是示意性示出图25中数码相机的功能配置的方框图；图观是示出通过使用本发明的实施例中使用的图像处理来说明误差的电校正的成像场的示意图。
具体实施例方式下文中将参考附图详细解释根据本发明的变焦镜头、成像装置和信息设备的优选实施例。首先，在解释具体实例之前先解释本发明的基本实施例。根据本发明的第一实施例的变焦镜头包括从对象侧至图像侧顺序布置的具有正折光力(refractive power)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以及具有正折光力的第四透镜组。当改变从短焦端(广角端)到长焦端(远距端)的变焦镜头的放大率时，增大了第一透镜组和第二透镜组之间的间隔，减少了第二透镜组和第三透镜组之间的间隔，增大了第三透镜组和第四透镜组之间的间隔。第一透镜组和第三透镜组移动以使其位于相对于短焦端位置的长焦端的对象侧位置。 此外，根据本发明的第一实施例的变焦镜头具有以下特征。 首先，孔径光阑置于第二和第三透镜组之间，第三透镜组有两个正透镜，并满足下
列条件。3. 1 < pl_nd+p2_nd < 3. 4(1)60 < pl_ vd < 80(2)60 < ρ2_ ν d < 80(3)0. 008 < pl_Pg,F-(-0. 001802Xpl_ vd+0. 6483) < 0. 050 (4)0. 008 < p2_Pg,F-(-0. 001802Xp2_ vd+0. 6483) < 0. 050 (5)，在此，该第三透镜组的两个正透镜为从对象侧顺序布置的第一正透镜L_pl和第二正透镜L_p2。在上面条件中，pl_nd是第一正透镜L_pl的折射率，p2_nd是第二正透镜 L_p2的折射率，pl_vd是第一正透镜L_pl的阿贝数，p2_vd是第二正透镜L_p2的阿贝数， pl_Pg,F是第一正透镜L_pl的部分色散率，p2_Pg,F是第二正透镜L_p2的部分色散率。部分色散率Pg, F由以下公式定义Pg,F= (ng-nF) / (nF-nc)其中ng，nF和nc是分别用于g线、F线和C线的正透镜的折射率。其次，根据本发明的第一实施例的变焦镜头可以具有以下特征。即，第一正透镜L_ Pl被布置在第三透镜组中最对象侧且第二正透镜L_p2与第一正透镜相邻布置。根据本发明的第一实施例的变焦镜头可以具有以下特征。即，满足下面条件1. 0 < fl_3/fw <1.8(10)
其中fl_3是在第三透镜组中最对象侧布置的第一正透镜的焦距，fw是在短焦端的整个变焦镜头的焦距。根据本发明的第一实施例的变焦镜头可以具有以下特征。即，满足下面条件0. 5 < fl_3/f2_3 < 1. 5(11)其中f 1_3是第三透镜组中第一正透镜L_pl的焦距，并且f2_3是第三透镜组中第二正透镜L_p2的焦距。根据本发明的第一实施例的变焦镜头可以具有以下特征。即，第三透镜组包括负透镜，并满足下面条件1. 60 < n_nd < 1. 90(12)
28. 0 < η_ ν d < 45. 0 (13)-0. 01 < n_Pg,F-(-0. 001802Xn_ ν d+0. 6483) < 0. 008 (14)其中n_nd是第三透镜组中该负透镜的折射率，n_ ν d是第三透镜组中该负透镜的阿贝数，n_Pg,F是第三透镜组中该负透镜的部分色散率。根据本发明的第一实施例的变焦镜头可以具有以下特征。即，第三透镜组包括负透镜，并满足下面条件-1. 0 < fn_3/fw < —0. 4(15)其中fn_3是第三透镜组中该负透镜的焦距，fw是短焦端的整个变焦镜头的焦距。根据本发明的第一实施例的变焦镜头可以具有以下特征。即，第三透镜组包括从对象侧顺序布置的正透镜、正透镜和负透镜，并满足下面条件0. 15 < (Φ_ρ1-Φη2)/ 3 < 0. 3(16)其中Φ_ρ1是第三透镜组中最对象侧的正透镜的对象侧表面的光通量有效直径， Φη2是第三透镜组中负透镜的图像侧表面的光通量有效直径，D3是第三透镜组在光轴上的厚度。根据本发明的第一实施例的变焦镜头可以具有以下特征。即，第三透镜组中最对象侧布置并满足上述条件的第一正透镜L_pl具有非球面表面。作为本发明的第一实施例，在具有包括正-负-正-正透镜组的四个透镜组的变焦镜头中，通常地，第二透镜组被配置为具有主放大功能的“变焦镜头(variator)”。然而， 在根据本发明的第一实施例的变焦镜头中，第三透镜组也具有放大功能以减小第二透镜组的负担，使得可以确保像差校正的自由度，这在更广角和更高放大率的变焦镜头中是困难的。此外，如果从短焦端到长焦端改变变焦镜头的放大率时第一透镜组朝向对象侧移动，则降低了在短焦端通过第一透镜组的光束的高度。由此，配置变焦镜头使得防止第一透镜组的尺寸在更广角的变焦镜头中增长，并且在长焦端第一和第二透镜组之间确保足够的间隔以实现更长的焦距。当从短焦端到长焦端改变变焦镜头的放大率时，增大第一透镜组和第二透镜组之间的间隔并且减少第二透镜组和第三透镜组之间的间隔，使得增加了第二和第三透镜组的放大率(绝对值)以彼此共享透镜放大功能。然后，根据本发明的第一实施例的变焦镜头包括具有两个正透镜的第三透镜组并满足下面条件。3. 1 < pl_nd+p2_nd < 3. 4(1)
60 < pl_ vd < 80(2)60 < ρ2_ ν d < 80(3)0. 008 < pl_Pg,F-(-0. 001802Xpl_ vd+0. 6483) < 0. 050 (4)0. 008 < p2_Pg,F-(-0. 001802Xp2_ vd+0. 6483) < 0. 050 (5).其中，第三透镜组的两个正透镜为从对象侧顺序布置的第一正透镜L_pl和第二正透镜L_p2。pl_nd是第一正透镜L_pl的折射率，p2_nd是第二正透镜L_p2的折射率，pl_ vd是第一正透镜L_pl的阿贝数，p2_vd是第二正透镜L_p2的阿贝数，pl_Pg,F是第一正透镜L_pl的部分色散率，p2_Pg,F是第二正透镜L_p2的部分色散率。部分色散率Pg, F由以下公式定义PgjF= (ng-nF) / (nF-nc)其中ng，nF和是分别用于g线、F线和C线的正透镜的折射率。如果增大变焦镜头特别是在长焦端的焦距，则很难校正在远距端的轴色像差中的次级光谱。如果减小变焦镜头特别是在短焦端的焦距，即，增大短焦端的广角，很难校正在广角端的放大率的色像差的次级光谱。在本发明的实施例中，通过使用反常色散材料(具有大的反常色散属性的材料)来校正这些色像差。根据本发明的这一实施例的变焦镜头很大程度上具有已用部件和光学属性中的特征。通常，为了减少轴色像差中的次级光谱(secondary spectrum)，具有从光轴的大的光通量高度的透镜组中使用特别低色散玻璃以获得好的效果。第三透镜组具有在第一透镜组之后从光轴的光通量的第二高度，因而，通过使用反常色散玻璃，可以充分地减少轴色像差的次级光谱。在根据本发明的第一实施例的变焦镜头中，通过使用两个透镜校正色像差是可能的，光通量由不同方式通过该两个透镜。因此，可以充分减少轴色像差的次级光谱或放大率的色像差。然而，通常地，具有特别低色散特性的光学材料具有低的折射率，使得降低了单色像差的校正能力。由此，如果第三透镜组由数量很小的透镜组成并且平衡地减少了单色像差和色像差，即使使用特别低色散的光学材料也不是必然获得充分的效果。S卩，当条件⑴的值小于下限时，不能充分地校正单色像差，当条件(2)和(3)的值小于下限时，不能充分地校正色像差。当条件(4)和(5)的值小于下限时，不能充分地校正色像差中的次级光谱。另一方面，对于所有的条件(1)至(5)，不存在具有高于这些条件的上限的值的光学材料，或者即使存在，仅可能存在很少和高成本的材料可以具有高于上限的值，并且由此使用这些光学材料是不实际的。至于折射率，优选满足下列条件。1. 55 < pl_nd < 1. 7(6)1. 55 < p2_nd < 1. 7(7)通过满足条件(6)和(7)，可能允许两个正透镜共享校正像差以充分减少单色像差的校正功能。此外，至于色散，优选满足下列条件。130 < pl_ vd+p2_ vd < 150(8)通过满足条件(8)，可能充分减少轴色像差和放大率的色像差。此外，至于反常色散属性，优选满足下列条件。
0.025 < (pl_Pg,F+-p2_Pg,F)-(-0. 001802X (pl_ vd+p2_ vd)+0. 6483) < 0.070 (9)通过满足条件(9)，可能充分减少轴色像差中的次级光谱和放大率的色像差。为了进一步充分校正轴色像差中的次级光谱，优选将两个正透镜布置于第三透镜组中最对象侧，即，第一正透镜L_pl和第二正透镜L_p2满足上述条件(1)至(5)。S卩，特别低色散玻璃可以用于具有从光轴的大的光通量高度的透镜组以获得好的效果，并且第三透镜组中最对象侧的正透镜具有第三透镜组中最大的从光轴的光通量高度，以获得好的效果。为了进一步校正单色像差和色像差，优选满足下列条件。1. 0 < f l_3/fw <1.8(10)其中fl_3是布置在第三透镜组中最对象侧的第一正透镜的焦距，fw是短焦端的整个变焦镜头的焦距。在上述条件(10)中，如果条件(10)的值高于上限，反常色散材料透镜的折光力变小，因而反常色散特性的效果变小从而可能不能充分校正色像差。另一方面，如果条件(10) 的值低于下限，很难获得色像差和球面像差校正的平衡。此外，由于透镜的每个表面的曲率系数增大会使处理精度具有劣势。为了进一步校正单色像差和色像差，优选满足下列条件。0. 5 < fl_3/f2_3 < 1. 5(11)其中fl_3是第三透镜组中第一正透镜的焦距，f2_3是第三透镜组中第二正透镜的焦距。如果第三透镜组的两个正透镜具有折光力的很好的平衡，可能共享单色像差和色像差的校正。在条件(11)中，如果值高于上限或低于下限，不能以好的平衡校正像差所以很难减小单色像差和色像差。为了进一步主要减小色像差，第三透镜组优选包括一个负透镜并优选满足下列条件。1. 60 < n_nd < 1. 90(12)28. 0 < η_ ν d < 45. 0(13)-0· 01 < n_Pg,F-(-0. 001802Xn_ vd+0. 6483) < 0· 008 (14)其中n_nd是第三透镜组中该负透镜的折射率，n_ ν d是第三透镜组中该负透镜的阿贝数，n_Pg,F是第三透镜组中该负透镜的部分色散率。如果满足条件(1 至(14)，可能获得第三透镜组的两个正透镜的好的平衡。从而，可能在减少单色像差时充分减少轴色像差和放大率的色像差。如果条件(1 至(14) 的值高于上限或低于下限，不能以好的平衡校正像差，并且很难在减少单色像差时减少轴色像差和放大率的色像差。为了进一步校正单色像差和色像差，优选满足下列条件。-1. 0 < fn_3/fw < —0. 4(15)其中fn_3是第三透镜组中负透镜的焦距，fw是短焦端的整个变焦镜头的焦距。如果满足条件(15)，可能获得第三透镜组中两个正透镜的好的平衡，因而可能在减少单色像差时充分减少轴色像差和放大率的色像差。如果值高于上限或低于下限，不能以好的平衡校正像差，并且很难在减少单色像差时充分减少轴色像差和放大率的色像差。为了进一步校正单色像差和色像差，第三透镜组可以包括从对象侧顺序布置的正透镜-正透镜-负透镜，并优选满足下列条件。0. 15 < (Φ_ρ1-Φ_η2)/ 3 < 0. 3(16)其中Φ_ρ1是第三透镜组中最对象侧正透镜的对象侧表面的光通量有效直径， Φ_η2是第三透镜组中负透镜的图像侧表面的光通量有效直径，D3是第三透镜组在光轴上的厚度。为了获得小尺寸和低非球面像差，布置于最对象侧并满足条件(1)至(5)的第一正透镜L_pl和第二正透镜L_p2优选为非球面透镜。即，这样的用于校正非球面像差的非球面表面优选用于靠近孔径光阑的位置。在条件(16)中，如果值高于上限，很难校正第三透镜组的每一像差。此外，厚度变化和/或第三透镜组中透镜间隔的影响变大使得处理和装配(assembling)变难。在条件 (16)中，如果值低于下限，第三透镜组厚度增加。从而，必须减小其他透镜组的厚度以获得小尺寸，因而很难校正其他透镜组中的每个像差。孔径光阑和第三透镜组之间的间隔优选地在短焦端比在长焦端设置得更大。艮口， 使用反常色散材料的第三透镜组在短焦端与孔径光阑远离并且在长焦端与孔径光阑接近， 由此，反常色散属性有效地校正在短焦端的放大率的色像差中的次级光谱，并且有效地校正在长焦端轴色像差中的次级光谱。由此，可以获得在放大率的整个范围内对色像差的适当校正。此外，可以在短焦端将孔径光阑布置得靠近第一透镜组并进一步减少经过第一透镜组的光通量的高度。从而，可以获得第一透镜组的尺寸的进一步减小。如上所述，如果孔径光阑和第三透镜组之间的间隔在短焦端比在长焦端有所增加，对于孔径光阑和第三透镜组之间的间隔优选地满足下面的条件0. 05 < dSff/fT < 0. 20(17)其中dsw是在光轴上孔径光阑和在短焦端的第三透镜组的最对象侧表面之间的间隔，fx是变焦镜头在长焦端整个变焦镜头的焦距。在条件(17)中，如果值低于下限，减少在短焦端通过第三透镜组的光通量的高度，使得不能有效地减少放大率的色像差中的次级光谱。另外，相似地，增加在短焦端经过第一透镜组的光通量的高度使得需要大尺寸的第一透镜组。另一方面，在条件(17)中，如果值高于上限，增加在短焦端经过第三透镜组的光通量的高度，使得在正侧生成场曲率或使桶形失真变大。从而，很难确保特别在广角范围的良好性能。通过把长焦端的孔径光阑的开口的直径增大得大于在短焦端的孔径光阑的开口的直径，可以减小改变放大率时F值的变化。如果必须减少到达图像平面的光量，优选地使用具有小的直径的孔径光阑，或更优选地不改变孔径光阑的直径，插入ND滤光器(中间集中滤光器)等以减少光量从而可以抑制由于衍射现象引起的分辨能力的恶化。此外，可以通过整体延伸(extending)透镜可以执行聚焦操作，但优选地通过只移动第四透镜组执行聚焦操作。在上述描述中，解释了根据本发明的第一实施例的变焦镜头的基本配置。基于参考附图1至M随后描述的特别的数值实例，将解释根据本发明的第一实施例的变焦镜头的详细配置。
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下面，将参考附图25至27解释作为根据本发明第二实施例的成像装置的数码相机，该数码相机具有作为照相光学系统的根据本发明第一实施例的变焦镜头。图25是示意性说明从作为对象侧的前侧(即目标(subject)侧)观察的数码相机的外部外观配置透视图。图沈是示意性说明图25中数码相机的从照相者侧I (即后侧)观察的外部外观配置透视图。图27是示意性说明图25中数码相机的功能配置的方框图。在此，尽管数码相机作为成像装置的实例作出解释，根据本发明的实施例的变焦镜头可以用于使用银盐胶卷作为传统图像记录介质的银盐照相机。具有照相机功能的例如所谓的PDA(个人数据助理) 或例如移动电话的便携式信息终端的信息设备已经广泛使用。尽管这样的信息设备和数码相机相比具有不同的外部外观，它可以具有与数码相机实质上类似的配置和功能。从而，根据本发明的实施例的变焦镜头可以用于这样的信息设备中的照相光学系统。如图25和沈所示，数码相机包括照相透镜101，光学取景器102，频闪观测器(闪光)103，快门按钮104，照相机身105，电源开关106，液晶监视器107，操作按钮108，存储卡槽109，和变焦开关110等。如图27所示，数码相机包括中央处理单元(CPU) 111，图像处理器112，光接受设备113，信号处理器114，半导体存储器115和通信卡等。数码相机具有作为照相光学系统的照相透镜101，配置为使用CMOS(互补金属氧化物半导体)图像拾取设备、CCD(电荷耦合装置)图像提取设备等的图像传感器的光接收设备113，用于通过光接收设备113读取通过照相透镜101成像的光学目标图像。作为照相透镜101，使用上面所述第一实施例中解释的根据本发明的实施例的变焦镜头。由中央处理单元(CPU)Ill控制的信号处理器114来处理来自光接收设备113的输出并且该处理后的输出转化为数字图像信息。即，这样的数码相机包括用于将拍摄的图像(目标图像)转化为数字图像信息的设备。该设备实质上配置有光接收设备113，信号处理器114和控制这些设备的CPUlll等。在由CPU控制的图像处理器112中执行对由信号处理器114数字化的数字图像信息的预先确定的图像处理，并且然后处理过的数字图像存储于例如非易失性存储器等的半导体存储器115。在这种情况下，半导体存储器115可以是安装在存储卡槽109中的存储卡或在板上照相机身内建的半导体存储器。在液晶监视器107上可以显示照相过程中的图像和存储于半导体存储器115中的图像。存储于半导体存储器115中的图像可以通过装载于未示出的通信卡槽的通信卡116传输至外部设备。当携带照相机时，照相透镜101的对象侧表面覆盖有未示出的透镜挡板 (barrier) 0当用户通过操作电源开关106开启电源时，透镜挡板打开以暴露出对象侧表面。这时，在照相透镜筒中，每个光学组的光学系统被布置在例如短焦端(广角端)的位置。 通过操作变焦开关110，改变每个光学组的光学系统的位置以经由中间焦距位置改变至长焦端(远距端)的放大率。此外，优选地与照相透镜101的张角变化一同改变光学取景器 102的光学系统的放大率。在很多情况下，通过半按压快门按钮104操作来执行聚焦。根据本发明的实施例的变焦镜头的聚焦可以通过移动光学组的光学系统的至少一部分来执行，该光学组由变焦镜头或光接收设备组成。当完全按下快门按钮104时，执行了照相并且然后执行上述处理。当存储于半导体存储器115中的图像被显示在液晶监视器107上或经由通信卡 116被传输至外部设备，如预先确定地操作操作按钮108。半导体存储器115、通信卡116被
13装载于要被使用的例如存储卡槽109，通信卡槽等的专用或通用槽。在上述数码相机(成像装置)或信息设备中，配置有根据本发明的第一实施例的变焦镜头的照相透镜101可以用于照相光学系统。从而，可以获得使用一千万至一千五百万像素或更多的光接收设备的高图像质量小尺寸的数码相机或信息设备。(示例1)然后，将具体解释根据本发明的第一实施例的特定的变焦镜头的示例。示例1至 4示出根据本发明的第一实施例的变焦镜头的具有特定数值实例的特定配置。如上所述，示例1至4中每一个示出了具有正-负-正-正四组透镜组的变焦镜头，并且在示例1至4中最大图像高度是4. 05mm。在示例1至4中的附图标记“FM”指示在第四透镜组的图像侧提供的平行板光学元件，并且可以是例如光学低通滤光器、红外截止滤光器等各种类型的光学滤光器中的一个，或者可以是用于例如CMOS图像传感器、CCD传感器等图像拾取设备的覆盖玻璃(密封玻璃)。对于构成示例1至4中的变焦镜头中的透镜的材料，除了在示例2中的变焦镜头中第四透镜组的正透镜的材料是光学塑料之外，使用光学玻璃。在示例1至4中，在第二透镜组中最对象侧的透镜的双侧表面，在第三透镜组中最对象侧的透镜的双侧表面，和在第四透镜组中最对象侧的表面中的每一表面都是非球面。 示例1至4中的非球面表面解释为每一透镜的表面是直接形成为非球面表面的，但是在球面透镜的透镜表面提供薄树脂层以形成非球面表面，即，形成混合非球面表面以获得非球面透镜。在示例1至4中，充分校正了像差因此可以使用一千万至一千五百万像素甚至更高像素数的光接收设备。按照本发明的第一实施例的变焦镜头的配置，通过示例1至4会清楚地发现，在保证高成像性能的同时充分获得了小尺寸。在示例1至4中的变焦镜头中，如上所述，通过图像处理校正失真。S卩，在示例1 至4中的变焦镜头中，如附图观所示，TF是光接收设备的成像范围(在中间焦点位置和长焦端(远距端)的成像范围)并且WF是在短焦端(广角端)的成像范围，在短焦端的光接收设备的矩形光接收表面TF上生成由成像范围WF示出的桶形失真。另一方面，在中间焦点位置或其周围或在长焦端抑制失真的生成。为了电力地校正失真，有效成像范围是在短焦端的桶形范围(WF)，并且是在中间焦点位置和长焦端的矩形范围(TF)。在短焦端的有效成像范围(WF)上执行图像处理以形成具有减少了失真的矩形形状的图像信息。因此，在示例1至4中，在短焦端的图像高度设置为相对于在中间焦点位置和长焦端的图像高度减少。在示例1至4中共同地使用下面的附图标记。f 变焦镜头的整个系统的焦距F :F 值(F 数值)ω 半张角R 曲率半径D 表面间隔 折射率
vd:阿贝数Φ 光通量有效直径K 非球面表面的圆锥常数A4:第四阶非球面系数A6:第六阶非球面系数A8:第八阶非球面系数Altl 第十阶非球面系数通过下面的公式(18)定义在下面的示例中使用的非球面形状
CH2X=-——^^―——————(1 8)
1 +V Il- (1 + K) Cb H' }+A4 . H4 +A6 · H6 +A8 · H8 +A1 0 . H1 0其中C是近轴曲率半径(近轴曲率)的逆，H是从光轴的光通量高度。附图1示出了根据本发明第一实施例的示例1的变焦镜头的光学系统的沿光轴的如下示意截面图(a)在短焦距(广角或“Wide”)端，(b)在短焦端和中间焦点位置之间的焦距位置(广角-中间)，(c)在中间焦点位置(中间)，⑷在中间焦点位置和长焦(远距，“Tele”)端之间的焦距位置(中间-远距)，和(e)在长焦端。在示出了示例1的透镜组的附图1中，在图左侧指示出对象侧(目标侧)。图1所示变焦镜头沿光轴包括从对象侧顺序布置的具有正折光力的第一透镜组 G1、具有负折光力的第二透镜组G2、具有正折光力的第三透镜组G3以及具有正折光力的第四透镜组G4，并且孔径光阑AD布置在第二透镜组G2和第三透镜组G3之间。第一透镜组Gl 包括第一透镜Ll 1，第二透镜L12和第三透镜L13，第二透镜组G2包括第一透镜L21，第二透镜L22和第三透镜L23，第三透镜组G3包括第一透镜L31，第二透镜L32和第三透镜L33，并且第四透镜组G4包括单个透镜L40。第一至第四透镜组Gl至G4中的每一个通过共同的支撑框架等恰当地共同支撑， 并当变焦时，每个透镜组整体地操作并且孔径光阑AD独立于每个透镜组操作。在图1中， 示出了光学表面的表面标记。此外，为了简单每一示例中独立地使用相同的附图标记，并因此由相同的附图标记所指示的配置并不总是相同的配置。当从广角端(短焦端)到远距端(长焦端)改变变焦镜头的放大率时，所有第一至第四透镜组Gl至G4移动以使得第一透镜组Gl和第二透镜组G2之间的间隔增大，第二透镜组G2和第三透镜组G3之间的间隔减小，并第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的间隔增大。移动第一透镜组Gl和第三透镜组G3使之位于相对于短焦端位置的长焦端的对象侧位置。第一透镜组Gl具有从对象侧顺序布置的由在对象侧具有凸出表面的负凹凸透镜构成的第一透镜(负透镜)L11，由在对象侧具有较大凸出表面的双凸正透镜构成的第二透镜(第一正透镜)L12，和由在对象侧具有凸出表面的正凹凸透镜构成的第三透镜(第二正透镜)L13。第一透镜Lll和第二透镜L12接近地粘贴并彼此接合在一起以构成由两个透镜构成的接合透镜。第二透镜组G2具有从对象侧顺序布置的由在图像侧具有较大凹陷表面、双面都是非球面的非球面双凹负透镜构成的第一透镜(第一负透镜)L21，由在对象侧具有平表面并在图像侧具有凹表面的平凹的负透镜构成的第二透镜(第二负透镜)L22，和由在对象侧具有凸出表面的正凹凸透镜构成的第三透镜(正透镜)L23。孔径光阑AD布置在第二和第三透镜组G2和G3之间。第三透镜组G3具有从对象侧顺序布置的由在对象侧具有较大凸起表面、双面都是非球面的非球面双凸正透镜构成的第一透镜(第一正透镜)L31，由在图像侧具有较大凸起表面的双凸正透镜构成的第二透镜(第二正透镜)L32，和由在图像侧具有较大凹陷表面的双凹负透镜构成的第三透镜(负透镜)L33。第二透镜L32和第三透镜L33接近地粘贴并彼此接合在一起以构成由两个透镜构成的接合镜。第四透镜组G4只具有由在对象侧具有较大凸起表面的双凸正透镜构成的单个正透镜L40，该单个正透镜L40是在对象侧具有非球面表面的非球面透镜。如上所述，第三透镜组G3由从对象侧顺序布置的正透镜L31、正透镜L32、负透镜 L33配置，以使第三透镜组G3的基本点(principle point)可以设置于对象侧并因此可以有利地改变第三透镜组的放大率。在第三透镜组G3的最对象侧的正透镜L31中的从光轴的光通量高度在第三透镜组G3中增加得最多，使得对于轴色像差有很大优势。经过第三透镜组的正透镜L32的离轴光通量经过的路径与经过正透镜L31的离轴光通量的不同。从而，正透镜L31和正透镜L32 共享校正以使有效地减少放大率的色像差的次级光谱。在示例1中，整个光学系统的焦距f，F值F，半张角ω分别在f = 5. 04至51. 98， F = 3. 67至5. 69，和ω = 39. 99至4. 42的范围内变化。如下是每个光学元件的光学属性。表1.光学属性
权利要求
1.一种变焦镜头，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，从对象侧到图像侧顺序布置所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组和所述第四透镜组；以及孔径光阑布置在所述第二透镜组和所述第三透镜组之间，其中当从短焦端到长焦端改变变焦镜头的放大率时，所述第一透镜组和所述第二透镜组之间的间隔增大，所述第二透镜组和所述第三透镜组之间的间隔减小，并且所述第三透镜组和所述第四透镜组之间的间隔增大；移动所述第一透镜组和所述第三透镜组以使得所述第一透镜组和所述第三透镜组位于相对于短焦端的位置的长焦端的对象侧位置；所述第三透镜组具有两个正透镜，包括从对象侧顺序布置的第一正透镜L_pl和第二正透镜L_p2 ；并且在部分色散率Pg, F由以下公式定义的情况下 Pg, ρ = (ng-nF) / (nF-nc)其中ng，nF和η。是分别用于g线、F线和C线的正透镜的折射率，满足下面的条件·3. 1 < pl_nd+p2_nd < 3. 4(1)60 < pl_ vd < 80(2)60 < ρ2_ ν d < 80(3)0. 008 < pl_Pg,F-(-0. 001802Xpl_ vd+0. 6483) < 0.050 (4)0.008 < p2_PgjF-(-0. 001802Xp2_ vd+0. 6483) < 0.050 (5)，其中，pl_nd是第一正透镜L_pl的折射率，p2_nd是第二正透镜L_p2的折射率，pl_ ν d 是第一正透镜L_pl的阿贝数，ρ2_ ν d是第二正透镜L_p2的阿贝数，pl_Pg, F是第一正透镜 L_pl的部分色散率，并且p2_Pg,F是第二正透镜L_p2的部分色散率。
2.根据权利要求1所述的变焦镜头，其中，第一正透镜布置在所述第三透镜组中的最对象侧，并且第二正透镜布置为与第一正透镜相邻。
3.根据权利要求2所述的变焦镜头，其中，满足如下条件·1.0 < fl_3/fw <1.8(10)其中fl_3是在所述第三透镜组中最对象侧布置的第一正透镜的焦距，fw是在短焦端的整个变焦镜头的焦距。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的变焦镜头，其中，满足下面条件0.5 < fl_3/f2_3 < 1. 5(11)其中fl_3是所述第三透镜组中第一正透镜的焦距，并且f2_3是所述第三透镜组中第二正透镜的焦距。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的变焦镜头，其中，所述第三透镜组包括负透镜，并且满足下面条件·1.60 < n_nd < 1. 90(12) 28. 0 < n_ vd < 45. 0 (13) -0. 01 < n_PgjF-(-0. 001802Xn_ vd+0. 6483) < 0.008 (14)其中n_nd是所述第三透镜组中所述负透镜的折射率，n_ ν d是所述第三透镜组中所述负透镜的阿贝数，n_Pg,F是所述第三透镜组中所述负透镜的部分色散率。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的变焦镜头， 所述第三透镜组包括负透镜，并且满足下面条件-1. 0 < fn_3/fw < -0. 4(15)其中fn_3是所述第三透镜组中所述负透镜的焦距，并且fw是短焦端处整个变焦镜头的焦距。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的变焦镜头，其中，所述第三透镜组包括从对象侧顺序布置的正透镜、正透镜和负透镜；并且满足下面条件0. 15 < (Φ_ρ1-Φ_ρ2)/ 3 < 0. 3(16)其中Φ_ρ1是所述第三透镜组中最对象侧的正透镜的对象侧表面的光通量有效直径， Φ_η2是所述第三透镜组中负透镜的图像侧表面的光通量有效直径，并且D3是所述第三透镜组在光轴上的厚度。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的变焦镜头，其中，第一正透镜具有非球面表面。
9.一种成像设备，包括根据权利要求1至3中任一项所述的变焦镜头作为照相光学系统。
10.一种信息设备，具有照相功能，包括根据权利要求1至3中任一项所述的变焦镜头作为照相光学系统。
全文摘要
本发明涉及变焦镜头、成像设备和信息设备。变焦镜头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，以及具有正折光力的第四透镜组，所述第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组从对象侧到图像侧顺序布置，并且孔径光阑布置在第二和第三透镜组之间。当从短焦端到长焦端改变变焦镜头的放大率时，第一透镜组和第二透镜组之间的间隔增大，第二透镜组和第三透镜组之间的间隔减小，并且第三透镜组和第四透镜组之间的间隔增大。移动第一和第三透镜组以使其相对于短焦端的位置位于长焦端的对象侧位置。第三透镜组具有两个正透镜。满足第三透镜组的正透镜的预定条件。
文档编号G02B3/02GK102193171SQ20111007049
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月16日 优先权日2010年3月18日
发明者须藤芳文 申请人:株式会社理光