变焦镜头和成像设备的制作方法

专利名称：变焦镜头和成像设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及变焦镜头和成像设备，并特别涉及这样的变焦镜头和成像设备的技术 领域，其优选在数字摄像机、数字相机、和其他电子相机中使用，并且其特征在于具有紧凑 尺寸、高变倍比(variable power ratio)、和高性能。
背景技术：
最近几年，使用CXD (电荷耦合器件),CMOS (互补金属氧化物半导体)器件或任何 其他固态成像器件的数字摄像机、数字相机、和其他类似设备已经被迅速广泛使用。随着这 样的数字相机和其他类似设备已经被广泛使用，特别存在对于适于大量像素的广角高变倍 比变焦镜头的强烈需求。还存在对于尺寸降低(尤其是厚度降低)的强烈需求。根据上述需求，在最接近物体的位置处的位于光学系统中的第一透镜组中安排 棱镜，使得沿着光轴方向降低第一透镜组的尺寸和厚度(例如，见JP-A-2005-195757和 JP-A-2007-3598)。JP-A-2005-195757中描述的变焦镜头由分别具有正、负、正、正、负和正折射率的 六个透镜组形成，按照从物侧朝向像侧的顺序排列具有正折射率的第一透镜组、具有负折 射率的第二透镜组、具有正折射率的第三透镜组、具有正折射率的第四透镜组、具有负折射 率的第五透镜组、和具有正折射率的第六透镜组。在JP-A-2005-195757中描述的变焦镜头中，通过移动第二、第四和第六透镜组以 执行变焦，而实现最大大约为五的高变倍比。JP-A-2007-3598中描述的变焦镜头由分别具有正、负、正、负和正折射率的五个透 镜组形成，按照从物侧朝向像侧的顺序排列具有正折射率的第一透镜组、具有负折射率的 第二透镜组、具有正折射率的第三透镜组、具有负折射率的第四透镜组、和具有正折射率的 第五透镜组。在JP-A-2007-3598中描述的变焦镜头中，通过移动第二、第三和第五透镜组以执 行变焦，而实现大约为三的变倍比。

发明内容
然而，在JP-A-2005-195757中描述的变焦镜头中，在变焦操作期间朝向物侧移动 的第六透镜组对放大率改变贡献不大，并且第二透镜组承担改变放大率的相对大的担子。 增加第二透镜组的移动量以进一步增加变倍比促使第一透镜组上入射的轴外光线可能在 广角端远离光轴偏移，这导致降低第一透镜组中的透镜直径的难度，并由此没有降低变焦 镜头的尺寸。此外，为了扩大视角，广角端的视角大约为60度的事实不可避免地导致第一 透镜组的尺寸增加。在其中第二和第三透镜组主要负责放大率改变的JP-A-2007-3598中描述的变焦 镜头中，为了进一步增加该较高变倍比，必须增加第二和第三透镜组的移动量，这导致降低 光学系统的尺寸的难度。此外，为了在使得变焦镜头尺寸保持紧凑的同时增加变倍比，必须增加第二和第三透镜组的折射率，这导致降低在变焦操作中引入的像差的改变量的难度， 并且为了进一步增大视角，难以校正广角端的轴外像差。所以，期望提供一种变焦镜头和成像设备，其解决上述问题，并在确保宽视角的同 时，实现尺寸降低、变倍比增加和性能增强。根据本发明的实施例，提供了一种变焦镜头，包括第一透镜组，包括将光径偏转 90度的反射组件，并具有正折射率；第二透镜组，具有负折射率；第三透镜组，具有正折射 率；以及作为第四透镜组和随后透镜组安排的具有负折射率的至少一个透镜组和具有正折 射率的至少一个透镜组。所述第一到第三透镜组以及第四和随后透镜组按照从物侧朝向像 侧的顺序排列。该变焦镜头进一步包括在该第三透镜组附近安排的孔径光阑，并且当从广 角端向望远端执行变焦时，上述透镜组如下移动第一透镜组固定；第二透镜组朝向像侧 移动；而第四透镜组朝向物侧移动。该变焦镜头满足以下条件方程(1)(1)1 < (R1B+R21A)/(R1B-R21A) < 20其中RlB代表第一透镜组中与像平面最接近的表面的曲率半径，而R21A代表第二 透镜组中与物平面最接近的表面的曲率半径。该变焦镜头所以在孔径光阑的物侧和像侧分别包括具有正折射率的至少一个透 镜组和具有负折射率的至少一个透镜组。当变焦镜头满足条件方程(1)时，广角端的第一和第二透镜组之间的空气透镜的 形状具有适当形状。在上述变焦镜头中，期望第一透镜组由按照从物侧朝向像侧排列的具有面对物侧 的突出表面的负凹凸透镜、反射组件、和正透镜形成。通过如上所述配置第一透镜组，入射光瞳(entrance pupil)位置变得更靠近光所 入射到的第一透镜组的表面。在上述变焦镜头中，期望第二透镜组由按照从物侧朝向像侧的顺序排列的第一部 分组和第二部分组形成。还期望第一部分组由负双凹透镜形成，而第二部分组由包括正透 镜的一个或两个透镜形成。通过如上所述配置第二部分组，抑制了第二透镜组中引入的像差，并且第二透镜 组沿着光轴方向的厚度具有适当值。期望上述变焦镜头满足以下条件方程O)(2)-10 < (R21B+R22A) / (R21B-R22A) <0其中R21B代表第二透镜组的第一部分组中与像平面最接近的表面的曲率半径， 而R22A代表第二透镜组的第二部分组中与物平面最接近的表面的曲率半径。当变焦镜头满足条件方程O)时，第二透镜组中的第一和第二部分组之间的空气 透镜的形状具有适当形状。期望上述变焦镜头满足以下条件方程(3)(3)0 < D12t/ft < 0. 4其中D12t代表在望远端从第一透镜组中与像平面最接近的表面的顶点到第二透 镜组中与物平面最接近的表面的顶点的距离，而ft代表在望远端整个透镜系统的焦距。当变焦镜头满足条件方程(3)时，望远端的第一和第二透镜组之间的距离具有适当值。
在上述变焦镜头中，期望在最接近像平面的位置处安排的透镜组具有正折射率。当在最接近像平面的位置处安排的透镜组具有正折射率时，出射光瞳位置远离像 平面偏移。在上述变焦镜头中，期望在最接近该物平面的位置处在第三透镜组中安排双凸透
^Mi ο当在最接近该物平面的位置处在第三透镜组中安排双凸透镜时，按照令人满意的 方式校正整个变焦区域上的球面像差。在上述变焦镜头中，期望该第四透镜组由单一透镜或成对透镜形成。当第四透镜组由单一透镜或成对透镜形成时，作为可移动组的第四透镜组的尺寸 降低。在上述变焦镜头中，期望在变焦操作期间沿着光轴方向移动除了第四透镜组之外 的、第三透镜组的下游透镜组中的任一个。当在变焦操作期间沿着光轴方向移动除了第四透镜组之外的、第三透镜组的下游 透镜组中的任一个时，三个可移动透镜组分担改变放大率的担子。期望上述变焦镜头满足以下条件方程(4)0. 1 < f21/(fwXft)1/2 <1.5其中f21代表第二透镜组中的第一部分组的焦距，fw代表广角端的整个透镜系统 的焦距，而ft代表望远端的整个透镜系统的焦距。当变焦镜头满足条件方程(4)时，第二透镜组中的第一部分组的折射率具有适当值。期望上述变焦镜头满足以下条件方程(5)(5)0. 1 < fl2/(fwXft)1/2 <1.5其中Π2代表第一透镜组中安排在该反射组件的像侧的正透镜的焦距，fw代表广 角端的整个透镜系统的焦距，而ft代表望远端的整个透镜系统的焦距。当变焦镜头满足条件方程(5)时，第一透镜组中的在反射组件的像侧安排的正透 镜的折射率具有适当值。期望上述变焦镜头满足以下条件方程(6)(6)0. 5 < |Π1/ (fw X ft)1/21 <2.0其中fll代表第一透镜组中安排在该反射组件的物侧的负凹凸透镜的焦距，fw代 表广角端的整个透镜系统的焦距，而ft代表望远端的整个透镜系统的焦距。当变焦镜头满足条件方程(6)时，第一透镜组中的在反射组件的物侧安排的负凹 凸透镜的折射率具有适当值。根据本发明的另一实施例，提供了一种成像设备，包括变焦镜头和用于将该变焦 镜头所形成的光学图像变换为电信号的成像装置。该变焦镜头包括包括将光径偏转90度 的反射组件并具有正折射率的第一透镜组、具有负折射率的第二透镜组、具有正折射率的 第三透镜组、作为第四透镜组和随后透镜组安排的具有负折射率的至少一个透镜组和具有 正折射率的至少一个透镜组，所述第一到第三透镜组以及第四和随后透镜组按照从物侧朝 向像侧的顺序排列。该变焦镜头进一步包括在该第三透镜组附近安排的孔径光阑。当从广 角端状态向望远端状态执行变焦时，上述透镜组如下移动第一透镜组固定；第二透镜组朝向像侧移动；而第四透镜组朝向物侧移动。该变焦镜头满足以下条件方程(1)(1)1 < (R1B+R21A)/(R1B-R21A) < 20其中RlB代表第一透镜组中与像平面最接近的表面的曲率半径，而R21A代表第二 透镜组中与物平面最接近的表面的曲率半径。该成像设备所以在孔径光阑的物侧和像侧分别包括具有正折射率的至少一个透 镜组和具有负折射率的至少一个透镜组。当成像设备中的变焦镜头满足条件方程(1)时，第一和第二透镜组之间的空气透 镜的形状具有适当形状。根据本发明实施例的变焦镜头和成像设备在确保宽视角的同时，实现了尺寸降 低、变倍比增加、和性能增强。


图1示出了根据本发明第一示例的变焦镜头的透镜配置；图2示出了其中在第一示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了广角 端状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；图3示出了其中在第一示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了中间 焦距状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；图4示出了其中在第一示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了望远 端状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；图5示出了根据本发明第二示例的变焦镜头的透镜配置；图6示出了其中在第二示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了广角 端状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；图7示出了其中在第二示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了中间 焦距状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；图8示出了其中在第二示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了望远 端状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；图9示出了根据本发明第三示例的变焦镜头的透镜配置；图10示出了其中在第三示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了广 角端状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；图11示出了其中在第三示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了中 间焦距状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；图12示出了其中在第三示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了望 远端状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；图13示出了根据本发明第四示例的变焦镜头的透镜配置；图14示出了其中在第四示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了广 角端状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；图15示出了其中在第四示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了中 间焦距状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；图16示出了其中在第四示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了望远端状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；图17示出了根据本发明第五示例的变焦镜头的透镜配置；图18示出了其中在第五示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了广 角端状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；图19示出了其中在第五示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了中 间焦距状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；图20示出了其中在第五示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了望 远端状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；图21示出了根据本发明第六示例的变焦镜头的透镜配置；图22示出了其中在第六示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了广 角端状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；图23示出了其中在第六示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了中 间焦距状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；图M示出了其中在第六示例中代入特定值的数值示例中的像差图，并示出了望 远端状态下的球面像差、像场弯曲和歪曲像差；和图25示出了根据本发明实施例的成像设备的框图。
具体实施例方式下面将描述用于执行本发明以及根据其实施例提供变焦镜头和成像设备的最佳 方式。[变焦镜头的配置]根据本发明实施例的变焦镜头包括第一透镜组，其包括使得光径偏转90度的反 射组件并具有正折射率；第二透镜组，具有负折射率；第三透镜组，具有正折射率；以及被 安排为第四透镜组和随后透镜组的具有负折射率的至少一个透镜组和具有正折射率的至 少一个透镜组。按照从物侧朝向像侧的顺序来排列第一到第三透镜组以及第四和随后透镜组。根据本发明实施例的变焦镜头进一步包括在第三透镜组附近安排的孔径光阑，并 且当从广角端状态向望远端状态执行变焦时，上述透镜组如下移动第一透镜组固定；第 二透镜组朝向像侧移动；而第四透镜组朝向物侧移动。根据本发明实施例的由此配置的变焦镜头提供了以下有利效果。首先，在第三透镜组附近安排孔径光阑，并且安排正第一透镜组、负第二透镜组、 正第三透镜组、以及作为第四和随后透镜组的具有负折射率的至少一个透镜组和具有正折 射率的至少一个透镜组。所以可以在孔径光阑的物体和像侧分别安排至少一个正透镜组和 至少一个负透镜组。结果，折射率的排列基本上相对于孔径光阑对称，并且可按照令人满意 的方式来校正往往在广角端发生的负歪曲像差。所以可以在广角端实现更宽的视角(例 如，75度或更大)。第二，当从广角端状态向望远端状态执行变焦时，第二透镜组朝向像侧移动而第 四透镜组朝向物侧移动，由此第二和第四透镜组能够承担按照充分平衡(well balanced) 的方式改变放大率的担子，并且可适当地设置每一可移动透镜组的移动量。由此可降低光学系统的尺寸。第三，在变焦期间固定的第一透镜组提供防水和防尘能力，并允许简化圆筒 (barrel)配置。第四，由于在广角端状态下视角大，所以穿过第一和第二透镜组的轴外光通量 (flux)远离光轴。通过安排彼此接近的第一和第二透镜组，可使得穿过第一透镜组的轴外 光通量不太发散(divergent)。第五，当在广角端状态朝着望远端状态改变的同时改变透镜位置设置时，视角变 小，并且穿过第一和第二透镜组的轴外光通量朝向光轴偏移，因为第二透镜组和孔径光阑 之间的距离减小。可使用穿过第一和第二透镜组的轴外光通量的高度的改变，来按照令人 满意的方式降低当改变透镜位置设置时发生的轴外像差的改变量。根据本发明实施例的变焦镜头满足以下条件方程(1)(1)1 < (R1B+R21A)/(R1B-R21A) < 20其中RlB代表第一透镜组中与像平面最接近的表面的曲率半径，而R21A代表第二 透镜组中与物平面最接近的表面的曲率半径。条件方程(1)定义了第一和第二透镜组之间的空气透镜的优选形状，使得在广角 端提供预定光学性能。当条件方程(1)的值小于其下限时，第一透镜组中与像平面最接近的表面的曲率 半径增加。在该情况下，广角端的歪曲像差沿着负方向增加，并且难以按照令人满意的方式 校正望远端的像散和其他轴外像差。相反，当条件方程(1)的值大于其上限时，第一透镜组中与像平面最接近的表面 的曲率半径和第二透镜组中与物平面最接近的表面的曲率半径之间的差变得太小，并且 难以按照令人满意的方式校正广角端的像散和其他轴外像差以及望远端的球面和彗星 (comatic)像差。当变焦镜头满足条件方程(1)时，可以按照令人满意的方式校正广角端的轴外像 差以及望远端的球面和彗星像差。条件方程(1)的下限和上限更优选地分别为2和10。根据本发明的实施例的这样配置的变焦镜头可提供广角端状态下从大约75到 85度的视角、从大约5到8的变倍比、以及广角端状态下从大约3. 4到3. 7的光圈数 (f-number)，由此可在确保宽视角的同时实现紧凑尺寸、高变倍比、和高性能。在根据本发明实施例的变焦镜头中，期望第一透镜组由按照从物侧朝向像侧的顺 序排列的具有面对物侧的突出表面的负凹凸透镜、上述反射组件、和正透镜形成。当在第一透镜组中安排使光径偏转的反射组件时，入射光瞳往往安排在远离光所 入射到的第一透镜组的表面的位置，这不利地导致第一透镜组的尺寸增加。通过按照上述 从物侧朝向像侧的顺序排列负凹凸透镜、反射组件、和正透镜来配置第一透镜组，入射光瞳 位置可靠近光所入射到的第一透镜组的表面，由此穿过反射组件的主要(principal)光线 相对于光轴的角度减小，并且第一透镜组的尺寸相应降低。在根据本发明实施例的变焦镜头中，期望第二透镜组由按照从物侧朝向像侧的顺 序排列的第一部分组和第二部分组形成。还期望第一部分组由负双凹透镜形成，而第二部 分组由包括正透镜的一个或两个透镜形成。
为了增加当前变焦镜头中的变倍比，必须增加第二透镜组的负折射率。为此，第一 部分组由上述负双凹透镜形成，使得负透镜的两个表面分担产生负折射率的担子，由此即 使当第二透镜组具有高折射率时，也能按照令人满意的方式校正像差。此外，由于在广角端状态下第一部分组被设置为远离孔径光阑，所以穿过第一部 分组的每一光线的高度随着视角改变而显著改变，由此能够按照令人满意的方式校正整个 变焦区域上的歪曲像差、像散、和其他轴外像差。此外，安排在孔径光阑附近的第二部分组主要起到校正球面像差的作用。安排在 第二部分组中的正透镜可取消在第一部分组中的负透镜中引入的几类像差，并抑制在第二 部分组中引入的像差。为了减轻第一部分组中的负透镜的校正像差的担子，期望第二部分组由单一正透 镜和单一负透镜形成。当第二部分组由一个或两个透镜形成时，可降低沿着光轴方向的第 二透镜组的厚度，并可将第二透镜组移动足够距离以增加变倍比。期望根据本发明实施例的变焦镜头满足以下条件方程O)(2)-10 < (R21B+R22A) / (R21B-R22A) <0其中R21B代表第二透镜组的第一部分组中与像平面最接近的表面的曲率半径， 而R22A代表第二透镜组的第二部分组中与物平面最接近的表面的曲率半径。条件方程( 定义了第二透镜组中第一和第二部分组之间的空气透镜的优选形 状，从而提供预定光学性能。当条件方程O)的值小于其下限时，第二透镜组中第二部分组中的物侧表面具有 朝向像侧显著突出的凹面形状，并且所以难以校正整个变焦区域上的第二透镜组中引入的 像散和其他轴外像差。通过变焦操作引入的像差所以显著改变，这不利地导致广角端和望 远端两者的轴外像差量的增加。相反，当条件方程O)的值大于其上限时，第二透镜组中第二部分组的物侧表面 具有朝向物侧显著突出的凸面形状，并且所以难以按照令人满意的方式校正在望远端引入 的像散和彗星像差。当变焦镜头满足条件方程O)时，可降低变焦操作引入的像差改变量，并可按照 令人满意的方式校正像散、彗星像差和其他轴外像差，由此可增强变焦镜头的性能。条件方程O)的下限和上限更优选分别为-4和-0. 5。期望根据本发明实施例的变焦镜头满足以下条件方程(3)(3)0 < D12t/ft < 0. 4其中D12t代表在望远端从第一透镜组中与像平面最接近的表面的顶点到第二透 镜组中与物平面最接近的表面的顶点的距离，而ft代表在望远端整个透镜系统的焦距。条件方程C3)定义了在望远端从第一透镜组中与像平面最接近的表面的顶点到 第二透镜组中与物平面最接近的表面的顶点的距离、与在望远端整个透镜系统的焦距的比率。当条件方程(3)的值小于其下限时，第二透镜组的横向放大率不发生显著变化， 并且第二透镜组的改变放大率的担子减轻。然而其他透镜组的改变放大率的担子增加太 多，并所以难以提供预定光学性能。相反，当条件方程(3)的值大于其上限时，第二透镜组的横向放大率发生显著变化。结果，当第二透镜组具有上述简化配置时，通过变焦操作引入的轴外像差量显著改变。当变焦镜头满足条件方程(3)时，第二透镜组的横向放大率适当变化，并且按照 令人满意的方式校正轴外像差，由此可增强变焦镜头的性能。条件方程(3)的下限和上限更优选分别为0. 2和0. 34。在根据本发明实施例的变焦镜头中，期望安排在与像平面最接近的位置处的透镜 组具有正折射率。将安排在与像平面最接近的位置处的透镜组配置为具有正折射率允许出射光瞳 位置远离像平面偏移，从而变焦镜头成为远心(telecentric)系统，由此可降低周边光量 的减少，并提供其他有利效果。在根据本发明实施例的变焦镜头中，期望在与物平面最接近的位置处在第三透镜 组中安排双凸透镜。为了增加当前变焦镜头中的变倍比，必须增加第三透镜组的正折射率。为此，在与 物平面最接近的位置处在第三透镜组中安排双凸透镜，使得透镜的两个表面分担产生正折 射率的担子，由此即使当第三透镜组具有高折射率时，也能按照令人满意的方式校正整个 变焦区域中的球面像差。在根据本发明实施例的变焦镜头中，期望第四透镜组由单一透镜或成对透镜 (doublet)形成。由于第四透镜组是可移动组，所以可通过形成具有单一透镜的第四透镜组，来使 得驱动机构上移动第四透镜组的负担最小化。作为选择，可通过配置具有成对透镜的第四 透镜组来使得色像差的量最小化。也期望使用如上所述尺寸小的第四透镜组来执行聚焦，从而以更高速度执行自动聚焦。在根据本发明实施例的变焦镜头中，期望在变焦操作期间沿着光轴方向移动除了 第四透镜组之外的第三透镜组的透镜组下游中的任何一个。当除了第二和第四透镜组之外的另一可移动组被配置为沿着光轴方向移动使得 可移动组的数目为三时，这三组可承担按照充分平衡的方式改变放大率的担子，并可适当 设置每一组的移动量，由此可降低光学系统的尺寸。根据本发明实施例的变焦镜头满足以下条件方程(4)0. 1 < f21/(fwXft)1/2 <1.5其中f21代表第二透镜组中的第一部分组的焦距，fw代表广角端的整个透镜系统 的焦距，而ft代表望远端的整个透镜系统的焦距。条件方程(4)定义了第二透镜组中的第一部分组的焦距和与整个透镜系统相关 的焦距的比率。当条件方程的值小于其下限时，第二透镜组中的第一部分组的折射率变得太 高。在该情况下，难以校正广角端的像散、彗星像差和其他轴外像差，并且变焦镜头的性能 对于当装配第一和第二部分组时产生的误差更敏感，这导致制造步骤中的性能降低。相反，当条件方程的值大于其上限时，第二透镜组中的第一部分组的折射率 变得太小。在该情况下，穿过第二透镜组中的第一部分组和第一透镜组的轴外光通量不利 地远离广角端的光轴偏移，这导致透镜直径的增加和轴外像差量的增加。
当变焦镜头满足条件方程时，提供以下有利效果可按照令人满意的方式校 正轴外像差；可降低组装步骤中对误差的敏感度；并可降低变焦镜头的尺寸。条件方程(4)的下限和上限更优选地分别为0. 2和0. 7。期望根据本发明实施例的变焦镜头满足以下条件方程(5)(5)0. 1 < fl2/(fwXft)1/2 <1.5其中fl2代表第一透镜组中安排在反射组件的像侧的正透镜的焦距，fw代表广角 端的整个透镜系统的焦距，而ft代表望远端的整个透镜系统的焦距。条件方程(5)定义了第一透镜组中安排在反射组件的像侧的正透镜的焦距和与 整个透镜系统相关的焦距的比率。当条件方程(5)的值小于其下限时，正透镜的折射率变得太高。同时，像散在广角 端增加，并且难以按照令人满意的方式校正望远端的像散和彗星像差。相反，当条件方程(5)的值大于其上限时，光线不充分地覆盖反射组件的像侧。在 该情况下，穿过第一透镜组的轴外光通量不利地远离广角端的光轴偏移，这不利地导致透 镜直径的增加。当变焦镜头满足条件方程(5)时，可降低变焦镜头的尺寸并可按照令人满意的方 式校正像散和其他轴外像差。条件方程(5)的下限和上限更优选地分别为0. 7和0. 96。期望根据本发明实施例的变焦镜头满足以下条件方程(6)(6)0. 5 < lfll/ (fwX ft)1/21 <2.0其中fll代表第一透镜组中安排在反射组件的物侧的负凹凸透镜的焦距，fw代表 广角端的整个透镜系统的焦距，而ft代表望远端的整个透镜系统的焦距。方程(6)定义了第一透镜组中安排在反射组件的物侧的负凹凸透镜的焦距和与 整个透镜系统相关的焦距的比率。当条件方程(6)的值小于其下限时，负凹凸透镜的折射率变得太高。在该情况下， 难以校正广角端的歪曲像差，并且必须增加安排在反射组件的像侧的透镜的正折射率，以 使得第一透镜组具有正折射率。结果，变焦镜头的性能变得对于装配步骤中的误差更敏感， 这导致制造步骤中的难度增加。相反，当条件方程(6)的值大于其上限时，入射光瞳位置远离光所入射到的第一 透镜组的表面偏移。在该情况下，将视角增加到例如大约80度典型地需要增加第一透镜组 的尺寸。当变焦镜头满足条件方程(6)时，可按照令人满意的方式校正广角端的歪曲像 差，并且可容易地制造变焦镜头并减小尺寸。条件方程(6)的下限和上限更优选地分别为0. 95和1. 6。在根据本发明实施例的变焦镜头中，期望如下配置透镜组，以便确保令人满意的 光学性能并实现宽视角、高变倍比和紧凑尺寸。期望第一透镜组由按照从物侧朝向像侧的顺序排列的具有面对物侧的突起表面 的负凹凸透镜、将光径偏转90度的反射组件、和双凸透镜形成。当将矩形棱镜用作反射组件时，驱动机构需要承担在变焦操作期间移动很重的反 射组件的大担子。所以期望第一透镜组在变焦操作期间相对于像平面固定。
期望第一透镜组中的反射组件例如是具有从大约1. 8到2. 0的高折射率的矩形棱 镜。反射组件的较高的折射率容易地允许进一步减小尺寸并实现更高变倍比。在第一透镜组中，具体来说，由于在望远端在其上入射了大直径的轴上光通量，所 以往往发生球面像差。此外，在远离光轴的位置处入射在第一透镜组上的轴外光通量往往 引入彗星像差、像散和其他轴外像差。所以从像差校正的角度出发，期望形成第一透镜组的 表面中的至少一个是非球面表面。期望第二透镜组由第一和第二部分组形成。由第一和第二部分组形成第二透镜组 允许按照令人满意的方式校正第二透镜组中引入的几类像差，由此实现更高光学性能。具体来说，期望第一部分组由负双凹透镜形成，而第二部分组由包括正透镜的一 个或两个透镜形成。由于第一部分组远离孔径光阑，所以每一光线穿过第一部分组的高度 随着视角的改变而显著改变，由此在整个变焦区域中按照令人满意的方式校正歪曲像差、 像散和其他轴外像差。此外，用非球面表面形成第一部分组中的负透镜的表面的至少一个 允许按照更令人满意的方式校正轴外像差。期望第二部分组由至少单一正透镜组成。通过安排在孔径光阑附近，第二部分组 主要起到校正球面像差的作用。此外，期望第二部分组由单一正透镜和单一负透镜形成，以便降低第一部分组中 的负透镜的校正像差的担子。还可能将正和负透镜联结(bond)为成对透镜，以便简化第二 部分组的结构。期望第三透镜组在与物平面最接近的位置处具有正双凸透镜。在与物平面最接近的位置处安排第三透镜组中的正双凸透镜允许即使当第三透 镜组具有高折射率时，也按照令人满意的方式校正球面像差。此外，利用非球面表面形成正 透镜的至少一个表面允许按照更令人满意的方式来校正球面像差。期望第四透镜组由单一透镜或成对透镜形成并用于执行聚焦。形成具有单一透镜或成对透镜的第四透镜组使得驱动机制移动第四透镜组的担 子最小化。此外，利用非球面表面形成形成第四透镜组的表面的至少一个允许按照令人满 意的方式来校正由聚焦操作引入的几类像差的改变量。期望在最接近像平面的位置处安排的透镜组具有正折射率。在最接近像平面的位置处安排具有正折射率的透镜组作为该透镜组允许该变焦 镜头是远心系统。此外，穿过在最接近像平面的位置处安排的透镜组的轴外光通量远离光 轴。所以可能通过用非球面表面形成形成在最接近像平面的位置处安排的透镜组的表面的 至少一个，按照更令人满意的方式来校正歪曲像差、像散和其他轴外像差。在根据本发明实施例的变焦镜头中，通过沿着与光轴基本垂直的方向偏移第一到 第五透镜组之一或透镜组之一中的部分透镜，可偏移图像的位置。具体来说，沿着与光轴基本垂直的方向偏移在变焦操作期间固定的透镜组或该透 镜组中的部分透镜允许降低像差改变量并简化圆筒结构。此外，组合能够偏移图像位置的变焦镜头以及检测图像移动的检测系统、偏移透 镜组的驱动系统、和基于来自检测系统的输出来向驱动系统提供偏移量的控制系统允许该 变焦镜头起到校正手抖和图像模糊的抗振动光学系统的功能。还可能安排透镜系统的像侧的防止产生叠栅条纹(moire fringe)的低通滤波器、和根据光接收装置的谱敏感特性的红外吸收滤波器。在根据本发明实施例的变焦镜头中，由于在光入射平面中安排具有高折射率的负 透镜，并且光线在广角端远离光轴的位置处穿过形成第二透镜组中的第一部分组的负双凹 透镜，所以圆筒形状歪曲像差往往在广角端发生。为了解决该问题，期望允许用户在使用用 于处理所捕获的图像数据的功能来校正由于光学系统中引入的歪曲像差导致的图像变形 以改变图像变形之后、浏览图像。此外，即使当视角大时，通过有意引入圆筒形状歪曲像差， 广角端的每一入射光线的高度也变得更低。结果，可降低第一透镜组的直径和第一透镜组 中的反射组件的尺寸，由此可进一步降低变焦镜头的尺寸。[变焦镜头的数值示例1下面将参考图和表格来描述根据本发明实施例的变焦镜头的特定示例以及其中 将特定值代入这些特定示例的数值示例。以下表格和描述中示出的符号的含义和其他信息如下。附图标记“Di”表示第i表面和第(i+Ι)表面之间的轴上可变距离。附图标记“f” 表示焦距。附图标记“而0”表示光圈数。附图标记“ω”表示视角的一半。在表面编号(r) 的领域中，“ASP”指示该表面是非球面表面，而在曲率半径的领域中，“-，，指示该表面是平 面表面。折射率和Abbe数目基于d线(λ = 587. 6nm)。每一数值示例中使用的一些透镜具有非球面透镜表面。非球面表面由以下方程定 义X =---2 2 1/2 +Ay4+ By6 +Cy8 +Dy10其中附图标记“X”表示沿着光轴方向与透镜表面的顶点的距离(下沉(sag)量)， 附图标记“y”表示沿着与光轴方向垂直的方向的高度(图像高度)，附图标记“C”表示透镜 顶点处的近轴曲率(曲率半径的倒数)，附图标记“k”表示圆锥常数，而附图标记“A”、“B”、 “C”、和“D”分别表示第四、第六、第八和第十非球面系数。图1、5、9、13、17和21示出了本发明第一到第六示例中的变焦镜头1到6的透镜配置。在每一图中，上部示出了广角端状态下的透镜位置，中部示出了中间焦距状态下 的透镜位置，而下部示出了望远端状态下的透镜位置。当广角端的焦距改变到望远端的焦 距时，可移动透镜改变箭头示出的它们的位置。实线箭头指示在变焦操作期间移动正讨论 的透镜，而虚线箭头指示正讨论的透镜在变焦操作期间是不动的。〈第一示例〉图1示出了根据本发明第一示例的变焦镜头1的透镜配置.变焦镜头1包括按照从物侧朝向像侧的顺序排列的具有正折射率的第一透镜组 GR1、具有负折射率的第二透镜组GR2、具有正折射率的第三透镜组GR3、具有负折射率的第 四透镜组GR4、和具有正折射率的第五透镜组GR5。变焦镜头具有5. 5的变倍比。第一透镜组GRl由按照从物侧朝向像侧的顺序排列的具有面对物侧的突出表面 的负凹凸透镜G1、用作用于将光径偏转90度的反射组件的矩形棱镜G2、和正双凸透镜G3形成。第二透镜组GR2由按照从物侧朝向像侧的顺序排列的负双凹透镜G4、和通过联结 具有面对像侧的突出表面的正凹凸透镜G5与具有面对物侧的凹陷表面的负凹凸透镜G6而 获得的成对透镜形成。第三透镜组GR3由按照从物侧朝向像侧的顺序排列的正双凸透镜G7、具有面对物 侧的突出表面的负凹凸透镜G8、以及正双凸透镜G9形成。第四透镜组GR4由负双凹透镜GlO形成。第五透镜组GR5由按照从物侧朝向像侧的顺序排列的具有面对像侧的凹陷表面 的负透镜Gl 1、以及正双凸透镜G12形成。在第五透镜组GR5和像平面IMG之间安排滤波器FL。孔径光阑S被安排在第三透镜组GR3的附近和物侧，并与第三透镜组GR3整体移动。在变焦操作中，第二透镜组GR2、第三透镜组GR3和第四透镜组GR4是可移动透镜 组，而第一透镜组GRl和第五透镜组GR5是固定透镜组。表格1示出了其中将特定值代入第一示例中的变焦镜头1中的数值示例1中的透 镜数据。表格权利要求
1.一种变焦镜头，包括第一透镜组，包括将光径偏转90度的反射组件，并具有正折射率； 第二透镜组，具有负折射率； 第三透镜组，具有正折射率；作为第四透镜组和随后透镜组安排的具有负折射率的至少一个透镜组和具有正折射 率的至少一个透镜组，所述第一到第三透镜组以及第四和随后透镜组按照从物侧朝向像侧的顺序排列；和 在该第三透镜组附近安排的孔径光阑，其中当从广角端向望远端执行变焦时，第一透镜组固定，第二透镜组朝向像侧移动，而 第四透镜组朝向物侧移动，并且该变焦镜头满足以下条件方程(1)(1)1< (R1B+R21A)/(R1B-R21A) < 20其中RlB代表第一透镜组中与像平面最接近的表面的曲率半径，而R21A代表第二透镜 组中与物平面最接近的表面的曲率半径。
2.根据权利要求1的变焦镜头，其中该第一透镜组由按照从物侧朝向像侧的顺序排列的具有面对物侧的突出表面的 负凹凸透镜、反射组件、和正透镜形成。
3.根据权利要求1的变焦镜头，其中该第二透镜组由按照从物侧朝向像侧的顺序排列的第一部分组和第二部分组形成，该第一部分组由负双凹透镜形成，并且 该第二部分组由包括正透镜的一个或两个透镜形成。
4.根据权利要求3的变焦镜头， 其中该变焦镜头满足以下条件方程O)(2)-10< (R21B+R22A)/(R21B-R22A) < 0其中R21B代表第二透镜组中的第一部分组中的与像平面最接近的表面的曲率半径， 而R22A代表第二透镜组中的第二部分组中的与物平面最接近的表面的曲率半径。
5.根据权利要求1的变焦镜头， 其中该变焦镜头满足以下条件方程(3)(3)0< D12t/ft < 0. 4其中D12t代表在望远端从第一透镜组中与像平面最接近的表面的顶点到第二透镜组 中与物平面最接近的表面的顶点的距离，而ft代表在望远端整个透镜系统的焦距。
6.根据权利要求1的变焦镜头，其中在最接近该像平面的位置处安排的透镜组具有正折射率。
7.根据权利要求1的变焦镜头，其中在最接近该物平面的位置处在第三透镜组中安排双凸透镜。
8.根据权利要求1的变焦镜头，其中该第四透镜组由单一透镜或成对透镜形成。
9.根据权利要求1的变焦镜头，其中在变焦操作期间沿着光轴方向移动除了第四透镜组之外的、第三透镜组的下游透 镜组之一。
10.根据权利要求3的变焦镜头， 其中该变焦镜头满足以下条件方程(4)0.1 < f21/(fwXft)1/2 <1.5其中f21代表第二透镜组中的第一部分组的焦距，fw代表广角端的整个透镜系统的焦 距，而ft代表望远端的整个透镜系统的焦距。
11.根据权利要求2的变焦镜头， 其中该变焦镜头满足以下条件方程(5)(5)0.1 < fl2/(fwXft)1/2 < 1. 5其中Π2代表第一透镜组中安排在该反射组件的像侧的正透镜的焦距，fw代表广角端 的整个透镜系统的焦距，而ft代表望远端的整个透镜系统的焦距。
12.根据权利要求2的变焦镜头， 其中该变焦镜头满足以下条件方程(6)(6)0.5 < fll/(fwXft)1/2 <2.0其中Π1代表第一透镜组中安排在该反射组件的物侧的负凹凸透镜的焦距，fw代表广 角端的整个透镜系统的焦距，而ft代表望远端的整个透镜系统的焦距。
13.一种成像设备，包括 变焦镜头；和成像装置，用于将该变焦镜头所形成的光学图像变换为电信号， 其中该变焦镜头包括包括将光径偏转90度的反射组件并具有正折射率的第一透镜 组、具有负折射率的第二透镜组、具有正折射率的第三透镜组、作为第四透镜组和随后透镜 组安排的具有负折射率的至少一个透镜组和具有正折射率的至少一个透镜组，所述第一到 第三透镜组以及第四和随后透镜组按照从物侧朝向像侧的顺序排列， 该变焦镜头进一步包括在该第三透镜组附近安排的孔径光阑， 当从广角端状态向望远端状态执行变焦时，第一透镜组固定，第二透镜组朝向像侧移 动，而第四透镜组朝向物侧移动，并且 该变焦镜头满足以下条件方程(1) (1)1 < (R1B+R21A)/(R1B-R21A) < 20其中RlB代表第一透镜组中与像平面最接近的表面的曲率半径，而R21A代表第二透镜 组中与物平面最接近的表面的曲率半径。
全文摘要
一种变焦镜头包括第一透镜组，包括将光径偏转90度的反射组件，并具有正折射率；第二透镜组，具有负折射率；第三透镜组，具有正折射率；作为第四透镜组和随后透镜组安排的具有负折射率的至少一个透镜组和具有正折射率的至少一个透镜组，所述第一到第三透镜组以及第四和随后透镜组按照从物侧朝向像侧的顺序排列；和在该第三透镜组附近安排的孔径光阑，其中当从广角端向望远端执行变焦时，第一透镜组固定，第二透镜组朝向像侧移动，而第四透镜组朝向物侧移动，并且该变焦镜头满足以下条件方程1＜(R1B+R21A)/(R1B-R21A)＜20。
文档编号G02B15/20GK102147520SQ20111003172
公开日2011年8月10日 申请日期2011年1月28日 优先权日2010年2月5日
发明者金高文和 申请人:索尼公司