变焦透镜.pdf

提供了一种即使在制造时也能够实现稳定光学性能的变焦透镜。该变焦透镜包括具有正折射的第一透镜组，具有负折射的第二透镜组，具有正折射的第三透镜组，以及具有正折射的第四透镜组，每个透镜组从物侧起依次排列，其中：当放大率从具有最短焦距的广角端状态向具有最长焦距的远焦端状态改变时，第一透镜组和第三透镜组相对于光轴方向固定在预定位置；第二透镜组向像侧移动；第四透镜组移动以补偿在第二透镜组移动之后产生的像面位置的变动。

1.  一种变焦透镜，包括从物侧起依次排列的：
具有正折射的第一透镜组，
具有负折射的第二透镜组，
具有正折射的第三透镜组，以及
具有正折射的第四透镜组，
其中当透镜位置状况从广角端状态向远焦端状态改变时，第一透镜组和第三透镜组固定在光轴方向上的预定位置，当第二透镜组向像侧移动时，在第二透镜组移动之后产生的像的位置变动由第四透镜组的移动来补偿；
其中当透镜位置状况改变时，沿光轴方向设置的孔径光阑配置在第三透镜组的物侧；并且
其中第三透镜组由从物侧起依次排列的胶合透镜和正透镜组成，该胶合透镜包括凸面面向物侧的正透镜和凹面面向像侧的负透镜。

2.  根据权利要求1的变焦透镜，其中：
满足下面的条件式(1)
(1)4＜(R3a+R3b)/fw·Fnow＜7
其中R3a是第三透镜组最接近物侧的透镜表面的曲率半径，R3b是第三透镜组最接近像侧的透镜表面的曲率半径，fw是整个透镜系统在广角端状态的焦距，Fnow是在广角端状态的孔径比。

3.  根据权利要求1的变焦透镜，其中：
满足下面的条件式(2)
(2)1.1＜D3a＜fw
其中D3a是第三透镜组中设置的胶合透镜的中心厚度。

4.  根据权利要求2的变焦透镜，其中：
满足下面条件式(2)
(2)1.1＜D3a＜fw。

5.  根据权利要求1的变焦透镜，其中：
第三透镜组中最接近像侧的透镜表面，其中该透镜表面的凸面面向物侧；以及
满足下面的条件式(3)
(3)1＜|R3b|/Db＜10
其中R3b是第三透镜组中最接近像侧的透镜表面的曲率半径，Db是从孔径光阑到第三透镜组中最接近像侧的透镜表面的轴上距离。

6.  根据权利要求2的变焦透镜，其中：
第三透镜组中最接近像侧的透镜表面，其中该透镜表面的凸面面向物侧；以及
满足下面的条件式(3)
(3)1＜|R3b|/Db＜10。

7.  根据权利要求3的变焦透镜，其中：
第三透镜组中最接近像侧的透镜表面，其中该透镜表面的凸面面向物侧；以及
满足下面的条件式(3)
(3)1＜|R3b|/Db＜10。

8.  根据权利要求4的变焦透镜，其中：
第三透镜组中最接近像侧的透镜表面，其中该透镜表面的凸面面向物侧；以及
满足下面的条件式(3)
(3)1＜|R3b|/Db＜10。

9.  根据权利要求1的变焦透镜，其中满足下面条件式(4)
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3。
其中f3是第三透镜组的焦距，ft是整个透镜系统在远焦端状态的焦距。

10.  根据权利要求2的变焦透镜，其中满足下面条件式(4)
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3。

11.  根据权利要求3的变焦透镜，其中满足下面条件式(4)
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3。

12.  根据权利要求4的变焦透镜，其中满足下面条件式(4)
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3。

13.  根据权利要求5的变焦透镜，其中满足下面条件式(4)
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3。

14.  根据权利要求6的变焦透镜，其中满足下面条件式(4)
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3。

15.  根据权利要求7的变焦透镜，其中满足下面条件式(4)
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3。

16.  根据权利要求8的变焦透镜，其中满足下面条件式(4)
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3。

17.  根据权利要求1的变焦透镜，其中第三透镜组的胶合透镜和正透镜彼此之间具有空气隙，并且在有效光通量的通过范围之外的透镜边缘处接触。

18.  根据权利要求17的变焦透镜，其中满足下面的条件式(1)
(1)4＜(R3a+R3b)/fw·Fnow＜7
其中R3a是第三透镜组中最接近物侧的透镜表面的曲率半径，R3b是第三透镜组中最接近像侧的透镜表面的曲率半径，fw是整个透镜系统在广角端状态的焦距，Fnow是在广角端状态的孔径比。

19.  根据权利要求17的变焦透镜，其中满足下面条件式(2)
(2)1.1＜D3a＜fw
其中D3a是第三透镜组中设置的胶合透镜的中心厚度。

20.  根据权利要求18的变焦透镜，其中满足下面条件式(2)
(2)1.1＜D3a＜fw。

21.  根据权利要求17的变焦透镜，其中：
第三透镜组中最接近像侧的透镜表面，其中该透镜表面的凸面面向物侧；以及
满足下面的条件式(3)
(3)1＜|R3b|/Db＜10
其中R3b是第三透镜组中最接近像侧的透镜表面的曲率半径，Db是从孔径光阑到第三透镜组中最接近像侧的透镜表面的轴上距离。

22.  根据权利要求18的变焦透镜，其中：
第三透镜组中最接近像侧的透镜表面，其中该透镜表面的凸面面向物侧；以及
满足下面的条件式(3)
(3)1＜|R3b|/Db＜10。

23.  根据权利要求19的变焦透镜，其中：
第三透镜组中最接近像侧的透镜表面，其中该透镜表面的凸面面向物侧；以及
满足下面的条件式(3)
(3)1＜|R3b|/Db＜10。

24.  根据权利要求20的变焦透镜，其中：
第三透镜组中最接近像侧的透镜表面，其中该透镜表面的凸面面向物侧；以及
满足下面的条件方程式(3)
(3)1＜|R3b|/Db＜10。

25.  根据权利要求17的变焦透镜，其中：
满足下面的条件式(4)
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3
其中f3是第三透镜组的焦距，ft是整个透镜系统在远焦端状态的焦距。

26.  根据权利要求18的变焦透镜，其中满足下面的条件式(4)
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3。

27.  根据权利要求19的变焦透镜，其中满足下面的条件式(4)
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3。

28.  根据权利要求20的变焦透镜，其中满足下面的条件式(4)
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3。

29.  根据权利要求21的变焦透镜，其中满足下面的条件式(4)
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3。

30.  根据权利要求22的变焦透镜，其中满足下面的条件式(4)
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3。

31.  根据权利要求23的变焦透镜，其中满足下面的条件式(4)
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3。

32.  根据权利要求24的变焦透镜，其中满足下面的条件式(4)
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3。

变焦透镜
相关申请的交叉参考
本发明要求于2003年10月29日在日本专利局提交的优先权文件号2003-369089的优先权，该文件的全部内容在此引入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种新型变焦透镜，特别涉及一种适用于照相机(如摄像机和数字静物照相机)的变焦透镜，该照相机通过图像拾取元件接收入射光。
背景技术
作为照相机中的记录装置，已知一种常规的方法为利用如CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)的光电转换元件，将图像拾取元件表面上形成的物像在每一图像拾取元件上的一定量光转换为图像拾取元件的电输出并加以记录。
随着近年来精细加工技术的进步，已经制造出高速的中央处理单元(CPU)和大存储密度的记录媒体，因此实现以超过目前处理的高速来处理巨大量的成像数据。此外，关于光接收元件，已经实现大存储密度和小型化，因此大存储密度使得以更高空间频率来记录成为可能，小型化使得照相机可能称为一个较小的整体。
但是，通过上述大存储密度和小型化，存在一个问题，即每个光电转换元件的光接收表面区域变得很窄，因此在电输出减小时噪声增大。为了防止这一问题，通过增大光学系统的孔径比来增加到达光接收元件上的光量，并且在每个元件之前直接设置微小透镜元件(所谓的微透镜阵列)。上述微透镜阵列不是用于将到达相邻元件之间的光学通量引导到这些元件上，而是限制透镜系统的入射光瞳的位置。也就是说，这是因为当到达光接收元件的主光线相对于光轴所成的角度变大时，朝向像面边缘的离轴光通量与轴成一个很大的角度，导致不能到达光接收元件上，并且引起光量的缺乏。
关于适合于照相机的变焦透镜的发明已经提出多种建议，所述照相机通过这些光电转换元件记录物体的像。
作为用于摄像机的变焦透镜，其主流产品是所谓的正-负-正-正四组变焦透镜，这种变焦透镜从物侧起依次由正透镜组，负透镜组，正透镜组和正透镜组四组透镜组构成。特别是，关于可变的放大率，在主流产品中使用这样一种变焦类型，其中第一透镜组和第三透镜组相对于光轴方向设置，第二透镜组起变换器的作用，第四透镜组起补偿器的作用。明确地，例如已知专利文件1中列出的变焦透镜。
随着近来光接收元件的存储密度更大，透镜系统在其光学性能提高时已经制造得紧凑。特别是，为了提供紧凑和更高性能的系统，适当地校正随透镜位置状况的状态改变(从广角端状态到远焦端状态)而引起的多种像差波动是必需的。
在正-负-正-正的四组变焦透镜中，仅仅存在一个具有负折射的透镜组，因此产生难以校正广角端状态的负畸变像差的问题。特别是，由于变换器属于第二透镜组，因此难以使第二透镜组的折射变弱，因为必须得到可变放大率的预置比率，这样，需要通过其他透镜组来校正负的畸变像差。因此，第三透镜组通常包括一组正折射部分(具有正折射的部分)和一组负折射部分(具有负折射的部分)，从而能够适当地校正易于在广角端状态出现的负的畸变像差。同时，由于第三透镜组使第二透镜组发散的光通量会聚，因此该透镜组具有很强的正折射。出于上述原因，第三透镜组的结构很重要。
明确地，例如，在专利文件2中描述的变焦透镜中，第三透镜组由凸透镜，凸透镜和凹透镜组成。在专利文件3描述的变焦透镜中，通过由包括双凸透镜，凸透镜和凹透镜的胶合透镜构成第三透镜组，该透镜组设计成抑制由于制造时在第三透镜组内产生的相互偏心而引起的性能退化。
此外，在专利文件4中描述的变焦透镜中，第三透镜组由凸透镜和凹透镜组成，第四透镜组由正透镜组成。
[专利文件1]
日本公开专利号昭和62-206516
[专利文件2]
日本公开专利号平6-308388
[专利文件3]
日本公开专利号平9-281392
[专利文件4]
日本公开专利号平5-107473
[专利文件5]
日本公开专利号平4-361214
[专利文件6]
日本公开专利号平4-43311
发明内容
尽管如此，常规的变焦透镜没有完全地解决第三透镜组的透镜结构的问题。因为第三透镜组具有很强的正折射，并由该组的正折射部分和该组的负折射部分组成，且在该组的正折射部分及其物侧之间具有空气隙，因此存在这样一个问题，即使在制造时产生微小的相互偏心，也会大大退化其光学性能。
例如，如专利文件5所述的变焦透镜所示，有一种用双凸透镜和凸面面向物侧的负透镜构成第三透镜组的方法。但是，存在这样一个问题，即构成第四透镜组的透镜数量变大，从而在改变放大率时增大了所需的工作负荷(＝重量×移动量)。或者，在专利文件6中，公开了一种变焦透镜，其第三透镜组包括双凸透镜，双凹透镜和双凸透镜。但是，最接近物侧设置的正透镜(双凸透镜)物侧的透镜表面在朝向物侧的方向上显示出较强地凸度，同时第三透镜组中设置的双凹透镜像侧的透镜表面在朝向像侧的方向上显示出的较强的凹度。因此，出现了因制造时在第三透镜组中产生相互偏心而引起的性能显著退化。
因此，鉴于上述问题，本发明的一个待解决的问题是提供一种即使在制造时也能实现稳定的光学性能的变焦透镜。
为了完成上述问题，根据本发明实施方式的变焦透镜包括具有正折射的第一透镜组G1，具有负折射的第二透镜组G2，具有正折射的第三透镜组G3，以及具有正折射的第四透镜组G4，每个透镜组从物侧起依次排列，其中：
当透镜位置状况从广角端状态向远焦端状态改变时，第一透镜组G1和第三透镜组G3相对于光轴方向固定在预定位置；当第二透镜组G2向像侧移动时，在第二透镜组G2移动之后产生的像面位置变动由第四透镜组G4的移动来补偿；当透镜位置状况改变时，沿光轴方向固定的孔径光阑设置在第三透镜组G3的物侧；第三透镜组G3包括一胶合透镜和一正透镜，该胶合透镜包括凸面面向物侧的正透镜和凹面面向像侧的负透镜，每一个都从物侧起依次排列。
因此，根据本发明实施方式的变焦透镜能够抑制因第三透镜组G3内产生的相互偏心而引起的性能退化。
在第三透镜组中，该组的正折射部分和负折射部分按照惯例作为单独的元件存在，且各个部分装入透镜筒中时，在根据本发明实施方式的变焦透镜中，包括凸面面向物侧的正透镜和凹面面向像侧的负透镜的胶合透镜设置为最接近物侧，从而使正透镜物侧的透镜表面起该组中正折射部分的作用，而负透镜物侧的透镜表面起该组中负折射部分的作用，由此能够使起不同作用的各部分作为一个元件结合到透镜筒中，并且使得通过抑制在制造时可能产生的两部分的相互偏心来确保稳定的光学性能成为可能。
此外，根据本发明的该实施方式，在上述变焦透镜中，设置在第三透镜组G3中的胶合透镜和正透镜之间具有空气隙，并且该两透镜构成为在光线有效通量的通过范围之外的透镜边缘处接触，为此可以抑制在制造时可能产生的胶合透镜与正透镜之间的相互偏心，因此保证进一步稳定的光学性能。
根据本发明的实施方式，适当地校正畸变像差和彗差是可能的，因为满足下面的条件式(1)
(1)4＜(R3a+R3b)/fw·Fnow＜7
其中R3a是第三透镜组G3最接近物侧的透镜表面的曲率半径，R3b是第三透镜组G3最接近像侧的透镜表面的曲率半径，fw是整个透镜系统在广角端状态的焦距，Fnow是在广角端状态的孔径比。
根据本发明的实施方式，因为满足下面的条件式(2)
(2)1.1＜D3a＜fw
其中D3a是放置于第三透镜组G3中的胶合透镜的中心厚度，所以适当地校正负的球差是可能的。
根据本发明的实施方式，第三透镜组G3中最接近像侧且其凸面面向物侧的透镜表面满足下面的条件式(3)
(3)1＜|R3b|Db＜10
其中R3b是第三透镜组G3中最接近像侧的透镜表面的曲率半径，Db是从孔径光阑到第三透镜组G3中最接近像侧的透镜表面的轴上距离，这样减少了像面周边彗差的产生，并且使得抑制因第三透镜组G3和第四透镜组G4之间相对偏心引起的性能退化成为可能。
根据本发明的实施方式，满足下面的条件式(4)
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3
其中f3是第三透镜组G3的焦距，ft是整个透镜系统在远焦端状态的焦距，因此能够实现进一步小型化，并且能够适当地校正在像面周边产生的慧差。
附图说明
本发明的上述和其他目的，特征和优点将从下面接合附图对本发明目前优选的示范性实施方式的描述中更加显而易见，其中：
图1是示出根据本发明实施方式的变焦透镜中每个透镜组的折射排列图；
图2与图3至图5一起示出根据本发明实施方式的变焦透镜的实施例1，该图示出透镜结构；
图3是示出广角端状态的无穷远聚焦状态时的球差，像散，畸变以及慧差的图；
图4是示出中间焦距状态的无穷远聚焦状态时的球差，像散，畸变以及慧差的图，该中间焦距状态处于广角端和远焦端之间；
图5是示出远焦端状态的无穷远聚焦状态时的球差，像散，畸变以及慧差的图；
图6与图7至图9一起示出根据本发明的变焦透镜的实施例2，该图示出透镜结构；
图7是示出广角端状态的无穷远聚焦状态时的球差，像散，畸变以及慧差的图；
图8是示出中间焦距状态的无穷远聚焦状态时的球差，像散，畸变以及慧差的图，该中间焦距状态位于广角端和远焦端之间；
图9是示出远焦端状态的无穷远聚焦状态时的球差，像散，畸变以及慧差的图；
图10与图11至图13一起示出根据本发明的变焦透镜的实施例3，该图示出透镜结构；
图11是示出广角端状态的无穷远聚焦状态时的球差，像散，畸变以及慧差的图；
图12是示出中间焦距状态的无穷远聚焦状态时的球差，像散，畸变以及慧差的图，该中间焦距状态位于广角端和远焦端之间；
图13是示出远焦端状态的无穷远聚焦状态时的球差，像散，畸变以及慧差的图；
图14与图15至图17一起示出根据本发明的变焦透镜的实施例4，该图示出透镜结构；
图15是示出广角端状态的无穷远聚焦状态时的球差，像散，畸变以及慧差的图；
图16是示出中间焦距状态的无穷远聚焦状态时的球差，像散，畸变以及慧差的图，该中间焦距状态位于广角端和远焦端之间；
图17是示出远焦端状态的无穷远聚焦状态时的球差，像散，畸变以及慧差的图。
具体实施方式
下面将参考附图对本发明的优选实施方式进行说明。
根据本发明实施方式的变焦透镜，像任何常规的变焦透镜一样，包括具有正折射的第一透镜组G1，具有负折射的第二透镜组G2，具有正折射的第三透镜组G3，以及具有正折射的第四透镜组G4，每个透镜组从物侧起按照上述顺序进行排列，其中：当放大率从具有最短焦距的广角端状态向具有最长焦距的远焦端状态改变时，第一透镜组G1和第三透镜组G3相对于光轴方向固定在预定位置；第二透镜组G2向像侧移动；第四透镜组G4移动以补偿在第二透镜组G2移动之后产生的像面位置变动。
基于本发明实施方式的上述结构，(I)第三透镜组G3包括从物侧起依次排列的胶合透镜和正透镜，其中胶合透镜包括凸面面向物侧的正透镜和凹面面向像侧的负透镜；(II)当透镜位置状况改变时，孔径光阑设置在第二透镜组G2和第三透镜组G3之间并且设置在光轴方向上，因此即使在制造时也能实现稳定的光学性能。
由从物侧起依次排列的正，负，正和正折射的四个透镜组构成的四组变焦透镜具有常规的一些问题，即，该变焦透镜只有一个负透镜组，因此具有在广角端状态产生负的畸变像差的倾向，并且整个透镜长度(透镜系统中从最接近物侧的透镜表面到像面的沿光轴长度)变得很长。为了解决上述问题，通过使第三透镜组由该透镜组的正折射部分和该透镜组的负折射部分构成，可以适当地校正广角端状态负的畸变像差，并且可以缩短整个透镜长度。但是，由于在第三透镜组中该透镜组的正折射部分和该透镜组的负折射部分是独立的透镜，因此如果在制造时出现相互偏心，尽管很微小，也会存在使其光学性能显著恶化的问题。
因此，在本发明中，第三透镜组的结构是这样的，将胶合透镜设置在最接近第三透镜组G3的物侧，该胶合透镜包括凸面面向物侧的正透镜和凹面面向像侧的负透镜，从而使该正透镜物侧的透镜表面起到该透镜组的正折射部分的作用，该负透镜像侧的透镜表面起到该透镜组的负折射部分的作用。
通过这种方式的结构，尽管在制造时按照惯例需要作为分离的元件置于透镜筒中(该透镜组的正折射部分和该透镜组的负折射部分)，但是作为单个元件(胶合透镜)也是可能的，从而能够通过抑制在制造时产生的相互偏心来获得稳定的光学性能。
顺便提及，孔径光阑在变焦透镜中的位置是很重要的。
在本发明中，孔径光阑布置在第二透镜组G2和第三透镜组G3之间，从而当透镜位置状况从广角端状态向远焦端状态改变时，第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的间隔增大，而第二透镜组G2和第三透镜组G3之间的间隔减小。这使得通过第一透镜组G1的离轴光通量偏离光轴，同时，使通过第二透镜组G2的另一个离轴光通量接近光轴，由此适当地校正在透镜位置状况改变时产生的离轴像差的波动。
此外，当透镜位置状况改变时，第四透镜组G4按这样一种方式移动，以改变第四透镜组G4和孔径光阑之间的间隔，由此适当地校正透镜位置状况改变时产生的轴外像差的波动。
通过将第三透镜组G3和孔径光阑设置得非常接近以使通过第三透镜组G3的离轴光通量通过光轴附近，第三透镜组G3适当地校正轴向像差。
根据本发明的实施方式，优选满足下面的条件式(1)以获得更高的性能：
(1)4＜(R3a+R3b)/fw·Fnow＜7
其中R3a是第三透镜组G3最接近物侧的透镜表面的曲率半径，R3b是第三透镜组G3最接近像侧的透镜表面的曲率半径，fw是整个透镜系统在广角端状态的焦距，Fnow是在广角端状态的孔径比。条件式(1)限定了第三透镜组G3中设置的胶合透镜的形状。
如果超过条件式(1)的上限，那么胶合透镜两侧的透镜表面的折射变弱，从而更适当地校正在广角端状态产生的负畸变像差变得很困难。相反地，如果没有达到条件式(1)的下限，那么在广角端状态通过胶合透镜像侧的透镜表面的离轴光通量接近光轴，从而不可能更适当地校正像面周边产生的彗差。
应该注意，在条件式(1)中，广角端状态时的孔径比越大，则光通量的直径变得越大，从而使负的球差容易产生。因此，用广角端状态时的孔径比Fnow与第三透镜组G3中设置的胶合透镜在物侧和像侧两个表面的曲率半径之和(R3a+R3b)相乘。
根据本发明的实施方式，希望将条件式(1)的下限设置为4.5以更适当地校正负的球差，并获得更高的性能。还希望将条件式(1)的上限设置为6.7以更适当地校正在广角端状态产生的负的球差，并获得更高的性能。
此外，根据本发明的实施方式，关于第三透镜组G3中负的球差的校正，优选满足下面的条件式(2)
(2)1.1＜D3a＜fw
其中D3a是设置在第三透镜组中的胶合透镜的中心厚度。该条件式(2)限定了第三透镜组G3中胶合透镜中心厚度的比率。
如果没有达到条件式(2)的下限，那么胶合透镜物侧的透镜表面的折射在正折射一侧变得非常强，从而将光通量强烈折射，因此不可能适当地校正负的球差。
根据本发明的实施方式，通过将正透镜放置在最接近第三透镜组G3的像侧，并且设置为使得该正透镜像侧的透镜表面为凸面，这样设计可抑制因第三透镜组G3和第四透镜组G4之间产生的相互偏心而引起的性能退化。
为了校正在广角端状态产生的负畸变像差，按照惯例，第三透镜组G3最接近像侧的透镜表面经常设置为使其凹面面向像侧。特别地，作为试图在小型化和高性能之间达到平衡的结果，凹面的曲率增大以强烈地发散离轴光通量。由于凹面的发散作用与第四透镜组G4的会聚作用相反，因此存在因相互偏心而引起的显著的性能退化。
现在，根据本发明的实施方式，通过使第三透镜组G3中最接近像侧的正透镜像侧的透镜表面设置为其凸面面向像侧，对第三透镜组G3发出的轴向光通量施加的发散作用变弱，由此抑制因第三透镜组G3和第四透镜组G4的相互偏心引起的性能退化。
此外，根据本发明实施方式的变焦透镜优选满足下面的条件式(3)：
(3)1＜|R3b|Db＜10
其中R3b是第三透镜组G3中最接近像侧的透镜表面的曲率半径，Db是从孔径光阑到第三透镜组G3中最接近像侧的透镜表面的轴上距离。条件式(3)是限定第三透镜组G3中最接近像侧的透镜表面形状的条件式。
如果没有达到条件式(3)的下限，那么因为通过最接近像侧的透镜表面的离轴光通量离开光轴，因此在像面周边产生大量的彗差。
相反，如果超过条件式(3)的上限，那么因为从第三透镜组G3发射的离轴光通量强烈地发散，所以第三透镜组G3和第四透镜组G4之间相对偏心引起的性能退化增加。
此外，根据本发明实施方式的变焦透镜优选满足下面条件式(4)：
(4)0.9＜f3/(fw·ft)^1/2＜1.3
其中f3是第三透镜组G3的焦距，ft是整个透镜系统在远焦端状态的焦距。条件式(4)是限定第三透镜组G3的焦距的条件式。
如果没有达到条件式(4)的下限，那么在改变放大率时第四透镜组G4的所需移动量增加，从而迫使第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的间隔加宽，不可能实现进一步的小型化。
相反，如果超过条件式(4)的上限，那么因为第四透镜组G4强烈地会聚离轴光通量，因此不能更适当地校正像面周边产生的彗差，并且不能获得更高的性能。
根据本发明的实施方式，如上所述，通过设计构造第三透镜组G3的方式，可能抑制因第三透镜组G3中透镜之间的偏心而引起的性能退化。为了实现制造时稳定的光学性能，需要构成为在有效光通量通过的范围之外，使得构成第三透镜组G3的胶合透镜和设置在其像侧的正透镜彼此直接邻接。
应该注意，有效光通量表示从物体发出，受孔径光阑，杂散光光阑(flarediaphragm)，透镜外径等限制，到达有效像面的光通量。
此外，根据本发明的实施方式，由于构成胶合透镜负透镜像侧的透镜表面的凹面面向像侧，所以希望在切割透镜边缘Lm(参考图2，图6，图10和图14)的形状时，按照将正透镜从后推进的方式将该胶合透镜和正透镜放置于透镜筒内。通过以这种方式进行设置，构成胶合透镜的负透镜像侧的透镜表面和正透镜物侧的透镜表面和边缘LM接触，因此，抑制两个透镜之间的偏心成为可能，从而能够在制造时实现稳定的光学性能。
应该注意，根据本发明的实施方式，使用非球面透镜可以实现更高的光学性能。特别是，通过将第三透镜组G3最接近物侧的透镜表面制成非球面透镜，可能赋予中心性能更高的性能。此外，通过对第二透镜组G2使用非球面透镜，可能适当地校正在广角端状态因视角产生的彗差的波动。通过对第四透镜组G4使用非球面透镜，可能更适当地校正在远焦端状态因视角引起的彗差的波动。
此外，为了获得更高的性能，希望在一个光学系统中优选使用多个非球面。
根据本发明的实施方式，通过沿着与光轴大致垂直的方向移动构成透镜系统的多个透镜组中的一个透镜组或一个透镜组的一部分，可能使像移动，而通过结合检测人工引起照相机的无意振动的检测系统，用于移动上述透镜组的驱动系统以及用于在检测系统的输出之后向驱动系统提供移动量的控制系统，可能使系统起到抗振光学系统的作用。
特别是，根据本发明的实施方式，通过在与光轴大致垂直的方向上移动第三透镜组G3的一部分或其整体，可能使移动像同时的像差波动很小。当第三透镜组G3配置在孔径光阑附近时，离轴光通量在光轴附近通过，这是因为在移动时产生彗差的小波动。应该注意，在本发明中，优选在短距离聚焦时使构成透镜系统的多个透镜组中的一个透镜组移动，或者优选移动一个透镜组的该透镜组中的一部分。特别地，由于第四透镜组G4具有小的透镜直径，因此可以实现具有小工作量(＝重量×移动量)的短距离聚焦，并且优选移动第四透镜组G4。
此外，很自然，可以在透镜系统的像侧放置低通滤波器以防止产生莫阿干涉条纹，或者放置相应于光接收元件光谱响应特性的红外线截止滤波器。
根据本发明实施方式的变焦透镜还可适用于焦距条件不连续的变焦距缩放透镜。
下面将描述根据本发明实施方式的变焦透镜的每个实施例。在每个实施例中，非球面由下面(Math 1)方程式来表示。
(Math 1)      x＝cy²/(1+(1-(1+k)c²y²)^1/2)+C₄y⁴+C₆y⁶+……
其中x是驰垂度，c是曲率，k是圆锥常数，C₄，C₆，……是非球面系数。
图1示出在根据本发明实施方式的变焦透镜的每个实施例中焦距透镜系统的每个透镜组的折射分布。即，两端(上和下)点箭头指向相反方向的纵线表示具有正折射的透镜组的位置，而两端(上和下)点箭头指向彼此的纵线表示具有负折射的透镜组的位置。由W示出的横线表示在广角端状态下每个透镜组的位置，而由T示出的横线表示在远焦端状态下每个透镜组的位置。同样，横线W和横线T之间的虚线表示该位置在改变放大率时不变，实线表示移动的位置。
根据本发明实施方式的变焦透镜包括具有正折射的第一透镜组G1，具有负折射的第二透镜组G2，具有正折射的第三透镜组G3，以及具有正折射的第四透镜组G4，每个透镜组从物侧起依次排列，其中：第二透镜组向像侧移动，从而放大率在从广角端状态向远焦端状态改变时，第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的空气隙增大，第二透镜组G2和第三透镜组G3之间的空气隙减小。同时，第一透镜组G1和第三透镜组G3固定，而第四透镜组G4移动以便校正第二透镜组移动之后像面位置的变动。
应该注意，在每个实施例中，在最接近像侧的位置提供防护玻璃LPF。
[实施例1]
图2是示出根据本发明实施例1的变焦透镜的透镜结构图。第一透镜组G1包括一胶合透镜L11和凸面面向物侧的正透镜L12，该胶合透镜包括凸面面向物侧的弯月形负透镜和凸面面向物侧的正透镜；第二透镜组G2包括凹面面向像侧的负透镜L21和一胶合透镜L22，该胶合透镜L22包括一个双凹负透镜和凸面面向物侧的正透镜；第三透镜组G3包括一胶合透镜L31和凸面面向物侧的正透镜L32，该胶合透镜包括凸面面向物侧的正透镜和凹面面向像侧的负透镜；第四透镜组G4包括凸面面向物侧的正透镜L41。
在实施例1中，孔径光阑S设置于第二透镜组G2和第三透镜组G3之间，该位置在透镜位置状况改变时不变。
下面的表1列出根据本发明实施例1的变焦透镜的技术规格值。在表1中，f是整个透镜系统的焦距，FNO是F数，2ω是视角，折射率是相对于d线(λ＝587.6nm)的值。注意在表1中曲率半径为0表示一平面。
(表1)
f       100～409～9.10
FNO     1.85   ～   2.12        ～    2.71
2ω           63.78  ～   15.04       ～    6.63°
平面号  曲率半径    平面间隔    折射率     阿贝数
1：     11.5708     0.145       1.84666    23.8
2：     3.5732      0.636       1.65160    58.4
3：     -70.9054    0.036
4：     3.8962      0.458       1.88300    40.8
5：     18.9049     (D5)
6：     18.9049     0.073       1.88300    40.8
7：     1.4342      0.315
8：     -1.5150     0.073       1.83500    43.0
9：     1.9086      0.315       1.92286    20.9
10：    -5.7958     (D10)
11：    0.0000      0.364                          (孔径光阑)
12：    1.6403      1.364       1.80610    40.7
13：    -18.1133    0.185       1.84666    23.8
14：    1.3301      0.091
15：    1.7547      0.367       148749     70.4
16：    -8.9227     (D16)
17：    1.6700      0.467       1.48749    70.4
18：    -6.6899     (D18)
19：    0.0000      0.374       1.55671    58.6    (防护玻璃)
20：    0.0000      (Bf)
根据实施例1的变焦透镜的第12和第17个面是非球面，这些面的非球面系数如表2中所示。
(表2)
[第12个面]
k＝1.082736   C₄＝+0.123738×10^-1    C₆＝+0.175719×10^-2
              C₈＝+0.361262×10^-3
[第17个面]
k＝+0.220865    C₄＝-0.410063×10^-1    C₆＝-0.991149×10^-2
                C₈＝+0.374162×10^-2
在实施例1中，当透镜位置状况改变时，第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的轴上表面间隔D5，第二透镜组G2和孔径光阑S之间的轴上表面间隔D10，第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的轴上表面间隔D16，以及第四透镜组G4和防护玻璃LPF之间的轴上表面间隔D18发生变化。这些可变的面间隔D5，D10，D16，和D18在广角端状态(F.L.＝1.000)，远焦端状态(F.L.＝9.100)以及广角端状态和远焦端状态之间的中间焦距状态(F.L.＝4.091)中的每种状态的值示于下面表3中。注意“F.L”表示无穷远聚焦状态的焦距。
(表3)
F.L.    1.000    4.091    9.100
D5      0.145    2.155    2.941
D10     2.942    0.932    0.145
D16     0.928    0.218    1.100
D18     1.067    1.777    0.895
Bf      0.567    0.567    0.567
上述条件式(1)至(4)的每个值以及实施例1中变焦透镜的第三透镜组G3的焦距f3示于表4中。
(表4)
f3＝+3.2633
(1)(R3a+R3b)/fw·Fnow＝5.495
(2)D3a/fw＝1.549
(3)|R3b|/Db＝3.619
(4)f3/(fw·ft)^1/2＝1.082
图3至图5分别示出在根据本发明实施例1的变焦透镜的无穷远聚焦状态时的多种像差图。图3示出在广角端状态(f＝1.000)的多种像差图，图4示出在中间焦距状态(f＝4.091)的多种像差图，图5示出在远焦端状态(f＝9.100)的多种像差图。
在这些多种像差图的每一个中，球差图中的实线表示球差，虚线表示符号情况，y表示像高，像散图中的实线表示弧矢像面，虚线表示子午像面。彗差图示出像高y＝0，0.269，0.377，和0.539处的彗差，而A分别示出了视角。
从每个像差图中显而易见，在根据实施例1的变焦透镜中对多种像差进行了适当地校正，使该变焦透镜具有极好的成像性能。
【实施例2】
图6是示出根据本发明实施例2的变焦透镜的透镜结构图：第一透镜组G1包括一胶合透镜L11和凸面面向物侧的正透镜L12，该胶合透镜包括凸面面向物侧的弯月形负透镜和凸面面向物侧的正透镜；第二透镜组G2包括凹面面向像侧的负透镜L21和一胶合透镜L22，该胶合透镜包括一个双凹负透镜和凸面面向物侧的正透镜；第三透镜组G3包括一胶合透镜L31和凸面面向物侧的正透镜L32，该胶合透镜包括凸面面向物侧的正透镜和凹面面向像侧的负透镜；第四透镜组G4包括凸面面向物侧的正透镜L41。
在实施例2中，孔径光阑S设置于第二透镜组G2和第三透镜组G3之间，并且该孔径光阑在透镜位置状况改变时位置不变。
下面的表5列出根据本发明实施例2的变焦透镜的技术规格值。在表5中，f是焦距，FNO是F数，2ω是视角，折射率是相对于d线(λ＝587.6nm)的值。
注意在表5中曲率半径为0表示一平面。
(表5)
f       1.00    ～    4.09     ～      9.10
FNO     1.85    ～    2.18     ～      2.90
2ω           66.42   ～    15.80    ～      6.67°
平面号  曲率半径   平面间隔    折射率    阿贝数
1：     9.8578     0.145       1.92286   20.9
2：     3.9941     0.536       1.75500   52.3
3：     104.0376   0.036
4：     4.0910     0.411       1.88300   40.8
5：     15.0472    (D5)
6：     15.0472    0.073       1.88300   40.8
7：     1.4333     0.315
8：     -1.4974    0.073       1.83500   43.0
9：     1.8748    0.304    1.92286     20.9
10：    -5.5186   (D10)
11：    0.0000    0.364                         (孔径光阑)
12：    1.6731    1.273    1.80610     40.7
13：    0.0000    0.158    1.84666     23.8
14：    1.4057    0.091
15：    1.9999    0.340    1.49700     81.5
16：    -10.1546  (D16)
17：    1.7656    0.551    1.48749     70.4
18：    -5.3089   (D18)
19：    0.0000    0.373    1.55671     58.6     (防护玻璃)
20：    0.0000    (Bf)
根据实施例2的变焦透镜的第12和第17个面是非球面，这些面的非球面系数如表6中所示。
(表6)
[第12个面]
k＝-1.082736    C₄＝+0.123738×10^-1    C₆＝+0.175719×10^-2
                C₈＝+0.361262×10^-3
[第17个面]
k＝+0.220865    C₄＝-0.410063×10^-1    C₆＝-0.991149×10^-2
                C₈＝+0.374162×10^-2
在根据实施例2的变焦透镜中，当透镜位置状况改变时，第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的轴上表面间隔D5，第一透镜组G1和孔径光阑S之间的轴上表面间隔D10，第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的轴上表面间隔D16，以及第四透镜组G4和防护玻璃LPF之间的轴上表面间隔D18发生变化。这些可变的面间隔D5，D10，D16，和D18在广角端状态(F.L.＝1.000)，远焦端状态(F.L.＝9.100)以及广角端状态和远焦端状态之间的中间焦距状态(F.L.＝4.091)中的每种状态的值示于下面表7中。注意“F.L.”代表无穷远聚焦状态的焦距。
(表7)
F.L.    1.000     4.091    9.100
D5      0.145     2.199    3.026
D10     3.026     0.973    0.145
D16     0.984     0.257    1.085
D18     1.126     1.853    1.026
Bf      0.567     0.567    0.567
上述条件式(1)至(4)的每个值以及实施例2中变焦透镜的第三透镜组G3的焦距f3示于表8中。
(表8)
f3＝+3.4818
(1)(R3a+R3b)/fw·Fnow＝5.700
(2)D3a/fw＝1.431
(3)|R3b|/Db＝5.410
(4)f3/(fw·ft)^1/2＝1.154
图7至图9分别示出在根据本发明实施例2的变焦透镜的无穷远聚焦状态时的多种像差图。图7示出在广角端状态(f＝1.000)的多种像差图，图8示出在中间焦距状态(f＝4.091)的多种像差图，图9示出在远焦端状态(f＝9.100)的多种像差图。
在这些多种像差图的每一个中，球差图中的实线表示球差，虚线表示符号情况，y表示像高，像散图中的实线表示弧矢像面，虚线表示子午像面。彗差图示出像高y＝0，0.269，0.377，和0.539处的彗差，而A分别示出了视角。
从每个像差图中显而易见，在根据实施例2的变焦透镜中对多种像差进行了适当地校正，使该变焦透镜具有极好的成像性能。
【实施例3】
图10是示出根据本发明实施例3的变焦透镜的透镜结构图：第一透镜组G1包括一胶合透镜L11和凸面面向物侧的正透镜L12，该胶合透镜包括凸面面向物侧的弯月形负透镜和凹面面向物侧的正透镜；第二透镜组G2包括凹面面向像侧的负透镜L21和一胶合透镜L22，该胶合透镜包括一个双凹负透镜和凸面面向物侧的正透镜；第三透镜组G3包括一胶合透镜L31和凸面面向物侧的正透镜L32，该胶合透镜包括凸面面向物侧的正透镜和凹面面向像侧的负透镜；第四透镜组G4包括凸面面向物侧的正透镜L41。
在实施例3中，孔径光阑S设置于第二透镜组G2和第三透镜组G3之间，该孔径光阑在透镜位置状况改变时位置不变。
下面的表9列出根据本发明实施例3的变焦透镜的各个规格的值。在表9中，f是焦距，FNO是F数，2ω是视角，折射率是相对于d线(λ＝587.6nm)的值。注意在表9中曲率半径为0表示一平面。
(表9)
f       1.00     ～    4.09      ～     9.10
FNO     1.85     ～    2.15      ～     2.90
2ω           66.32    ～    15.38     ～     6.65°
平面号  曲率半径    平面间隔   折射率     阿贝数
1：     9.8393      0.145      1.92286    20.9
2：     3.9683      0.540      1.75500    52.3
3：     193.0266    0.036
4：     4.0734      0.371      1.88300    40.8
5：     15.2897     (D5)
6：     15.2897     0.073      1.88300    40.8
7：     1.4562      0.313
8：     -1.5568     0.073      1.83500    43.0
9：     1.8963      0.300      1.92286    20.9
10：    -6.2812     (D10)
11：    0.0000      0.364                         (孔径光阑)
12：    1.6675      1.273      1.73077    40.5
13：    -8.9577     0.422      1.84666    23.8
14：    1.5995      0.091
15：    2.5491      0.333      1.48749    70.4
16：    4.6689      (D16)
17：    1.6582      0.509      1.48749    70.4
18：    -6.6035     1.148
19：    0.0000      0.373      1.55671    58.6    (防护玻璃)
20：    0.0000     (Bf)
根据实施例3的变焦透镜的第12和第17个面中每一个都是非球面，非球面系数如表10中所示。
(表10)
[第12个面]
k＝-1.05192    C₄＝+0.935283×10^-2    C₆＝-0.773237×10^-3
               C₈＝+0.174942×10^-2
[第17个面]
k＝1.04383     C₄＝-0.167729×10^-2    C₆＝+0.498549×10^-3
               C₈＝+0.121782×10^-2
在根据实施例3的变焦透镜中，当透镜位置状况改变时，第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的轴上表面间隔D5，第一透镜组G1和孔径光阑S之间的轴上表面间隔D10，第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的轴上表面间隔D16，以及第四透镜组G4和防护玻璃LPF之间的轴上表面间隔D18发生变化。这些可变的面间隔D5，D10，D16，和D18在广角端状态(F.L.＝1.000)，远焦端状态(F.L.＝9.100)以及位于广角端状态和远焦端状态之间的中间焦距状态(F.L.＝4.091)中的每种状态的值示于下面表11中。注意“F.L.”代表无穷远聚焦状态的焦距。
(表11)
F.L.    1.000    4.091    9.100
D5      0.145    2.180    2.968
D10     2.968    0.933    0.145
D16     0.868    0.219    1.114
D18     1.148    1.796    0.901
Bf      0.567    0.567    0.567
上述条件式(1)至(4)的每个值以及实施例3中变焦透镜的第三透镜组G3的焦距f3示于表12中。
(表12)
f3＝+3.5039
(1)(R3a+R3b)/fw·Fnow＝6.044
(2)D3a/fw＝1.695
(3)|R3b|/Db＝1.881
(4)f3/(fw·ft)^1/2＝1.162
图11至图13分别示出在根据本发明实施例3的变焦透镜的无穷远聚焦状态时的多种像差图。图11示出在广角端状态(f＝1.000)的多种像差图，图12示出在中间焦距状态(f＝4.091)的多种像差图，图13示出在远焦端状态(f＝9.100)的多种像差图。
在这些多种像差图的每一个中，球差图中的实线表示球差，虚线表示符号情况，y表示像高，像散图中的实线表示弧矢像面，虚线表示子午像面。彗差图示出像高y＝0，0.269，0.377，和0.539处的彗差，而A分别示出了视角。
从每个像差图中显而易见，在根据实施例3的变焦透镜中对多种像差进行了适当地校正，使该变焦透镜具有极好的成像性能。
[实施例4]
图14是示出根据本发明实施例3的变焦透镜的透镜结构图。第一透镜组G1包括一胶合透镜L11和凸面面向物侧的正透镜L12，该胶合透镜包括凸面面向物侧的弯月形负透镜和凹面面向物侧的正透镜；第二透镜组G2包括凹面面向像侧的负透镜L21和一胶合透镜L22，该胶合透镜包括一个双凹负透镜和凸面面向物侧的正透镜；第三透镜组G3包括一胶合透镜L31和凸面面向物侧的正透镜L32，该胶合透镜包括凸面面向物侧的正透镜和凹面面向像侧的负透镜；第四透镜组G4包括凸面面向物侧的正透镜L41。
在实施例4中，孔径光阑S设置于第二透镜组G2和第三透镜组G3之间，该孔径光阑在透镜位置状况改变时位置不变。
下面的表13列出根据本发明实施例4的变焦透镜的技术规格值。在表13中，f是焦距，FNO是F数，2ω是视角，折射率是相对于d线(λ＝587.6nm)的值。注意在表13中曲率半径为0表示一平面。
(表13)
f       1.00    ～   4.09    ～     9.10
FNO     1.85    ～   2.15    ～     2.71
2ω           65.72   ～   15.01   ～     6.65°
平面号  曲率半径   平面间隔   折射率   阿贝数
1：    10.3075     0.145    1.92286  20.9
2：    4.0794      0.545    1.69680  55.5
3：    -72.8238    0.036
4：    3.9157      0.376    1.88300  40.8
5：    15.2199     (D5)
6：    15.2199     0.073    1.88300  40.8
7：    1.4668      0.305
8：    -1.5816     0.073    1.80420  46.5
9：    1.4531      0.320    1.84666  23.8
10：   -7.3405     (D10)
11：   0.0000      0.364                     (孔径光阑)
12：   1.5139      1.273    1.68893  31.2
13：   -6.5615     0.273    1.92286  20.9
14：   1.6000      0.120
15：   2.9631      0.331    1.62041  60.3
16：   -4.6916     (D16)
17：   1.7076      0.509    1.48749  70.4
18：   -6.6938     (D18)
19：   0.0000      0.373    1.55671  58.6    (防护玻璃)
20：   0.0000      (Bf)
根据实施例3的变焦透镜的第12和第17个面中每一个是非球面，非球面系数如表14中所示。
(表14)
[第12个面]
k＝0.13486    C₄＝0.180352×10^-1    C₆＝-0.54577×10^-2
              C₈＝0
[第17个面]
k＝0.21158    C₄＝0.339311×10^-1    C₆＝-0.406139×10^-2
              C₈＝0.23976×10^-2
在根据实施例4的变焦透镜中，当透镜位置状况改变时，在第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的轴上表面间隔D5，第一透镜组G1和孔径光阑S之间的轴上表面间隔D10，第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的轴上表面间隔D16，以及第四透镜组G4和防护玻璃LPF之间的轴上表面间隔D18发生变化。这些可变的面间隔D5，D10，D16，和D18在广角端状态(F.L.＝1.000)，远焦端状态(F.L.＝9.100)以及位于广角端状态和远焦端状态之间的中间焦距状态(F.L.＝4.091)中的每种状态的值示于下面表15中。注意“F.L.”代表无穷远聚焦状态的焦距。
(表15)
F.L.    1.000    4.091    9.100
D5      0.145    2.129    2.900
D10     2.900    0.919    0.145
D16     0.926    0.255    1.171
D18     1.092    1.763    0.848
Bf      0.704    0.704    0.704
上述条件式(1)至(4)的每个值以及实施例4中变焦透镜的第三透镜组G3的焦距f3示于表16中。
(表16)
f3＝+3.5396
(1)(R3a+R3b)/fw·Fnow＝5.761
(2)D3a/fw＝1.545
(3)|R3b|/Db＝1.988
(4)f3/(fw·ft)^1/2＝1.173
图15至图17分别示出在根据本发明实施例4的变焦透镜的无穷远聚焦状态时的多种像差图。图15示出在广角端状态(f＝1.000)的多种像差图，图16示出在中间焦距状态(f＝4.091)的多种像差图，图17示出在远焦端状态(f＝9.100)的多种像差图。
在这些多种像差图的每一个中，球差图中的实线表示球差，虚线表示符号情况，y表示像高，像散图中的实线表示弧矢像面，虚线表示子午像面。彗差图示出像高y＝0，0.269，0.377，和0.539处的彗差，而A分别示出了视角。
从每个像差图中显而易见，在根据实施例4的变焦透镜中对多种像差进行了适当地校正，使该变焦透镜具有极好的成像性能。
尽管在上述每个实施例中示出的结构和数值仅仅是实现根据本发明的变焦透镜时具体化的一个实施例，但是可以理解，本发明的技术范围决不会解释为受所描述内容的限制。
根据本发明的具体实施方式，不管透镜位置状况，都可以实现能够获得高光学性能的较高可变放大率的变焦透镜，从而可能适当地提供可应用于多种照相机的变焦透镜，特别是可用于利用在小型化和高清晰度方面有进展的图像拾取元件的数字静物照相机和数字摄像机。