变焦透镜光学系统.pdf

一种适用于使用固态摄影设备的照相机，并提供出色色差校正，高变焦比和聚焦远心的紧凑变焦透镜光学系统。该变焦透镜光学系统包括第一透镜组，具有正折光力，且包括两个透镜；第二透镜组，具有负折光力；第三透镜组，具有正折光力；第四透镜组，具有正折光力；和第五透镜组，具有正折光力。将第一至第五透镜组从物侧按顺序设置，在从广角位置到远摄位置的变焦期间，移动第一透镜组。

1.  一种变焦透镜光学系统，包括：
第一透镜组，具有正折光力，且包括两个透镜；
第二透镜组，具有负折光力；
第三透镜组，具有正折光力；
第四透镜组，具有正折光力；和
第五透镜组，具有正折光力，
其中，第一至第五透镜组从物侧按顺序设置，在从广角位置到远摄位置的变焦期间移动第一透镜组。

2.  根据权利要求1的变焦透镜光学系统，其中，第一透镜组包括具有负折光力的第一透镜和具有正折光力的第二透镜。

3.  根据权利要求2的变焦透镜光学系统，其中，将第一透镜和第二透镜粘合在一起以形成双合透镜。

4.  根据权利要求2的变焦透镜光学系统，其中，第二透镜的折射率N_{I_L2}满足1.65＜N_{I_L2}＜1.8。

5.  根据权利要求1的变焦透镜光学系统，其中，在从广角位置到远摄位置的变焦期间，第一与第二透镜组之间的距离增大，第二与第三透镜组之间的距离减小，第四与第五透镜组之间的距离增大。

6.  根据权利要求1的变焦透镜光学系统，其中，第三透镜组包括具有正折光力的第一正透镜，由具有正折光力的第二正透镜和具有负折光力的负透镜组成的正/负双合透镜，和具有正折光力的第三正透镜，这些透镜从物侧按顺序设置。

7.  根据权利要求6的变焦透镜光学系统，其中，第一正透镜为双凸透镜，第二正透镜具有朝向物侧OBJ的凸面，负透镜具有朝向像平面IMG的凹面。

8.  根据权利要求6的变焦透镜光学系统，其中，在第三透镜组中的第二正透镜的折射率N_{III_L8}满足N_{III_L8}＜1.5，该第二正透镜的阿贝数γ_{III_L8}满足γ_{III_L8}＞80。

9.  根据权利要求1的变焦透镜光学系统，其中，在从广角位置到远摄位置的变焦期间，移动第一至第五透镜组中的每一个。

10.  根据权利要求1的变焦透镜光学系统，其中，第五透镜组包括单个透镜。

11.  根据权利要求10的变焦透镜光学系统，其中，在从广角位置到远摄位置的变焦期间，第五透镜组中凸地朝物侧OBJ移动。

12.  根据权利要求1的变焦透镜光学系统，其中，当f_W和f_IV分别为广角位置处的总焦距和第四透镜组IV的焦距时，第四透镜组满足0＜f_W/f_IV＜0.20。

13.  根据权利要求1的变焦透镜光学系统，其中，当f_W和f_II分别为广角位置处的总焦距和第二透镜组II的焦距时，第二透镜组满足-0.90＜f_W/f_II＜-0.50。

14.  一种变焦透镜光学系统，包括：
第一透镜组，具有正折光力；
第二透镜组，具有负折光力；
第三透镜组，具有正折光力，且包括具有正折光力的第一正透镜，由具有正折光力的第二正透镜和具有负折光力的负透镜组成的正/负双合透镜，和具有正折光力的第三正透镜，这些透镜从物侧按顺序设置；
第四透镜组，具有正折光力；和
第五透镜组，具有正折光力，
其中，将第一至第五透镜组从物侧按顺序设置，
且其中，第一至第五透镜组被如此移动，使得在从广角位置到远摄位置的变焦期间，第一与第二透镜组之间的距离增大，第二与第三透镜组之间的距离减小，第三和第四透镜组朝物侧移动，第三与第四透镜组之间的距离发生改变，第四与第五透镜组之间的距离增大。

15.  根据权利要求14的变焦透镜光学系统，其中，第一透镜组包括具有负折光力的第一透镜和具有正折光力的第二透镜。

16.  根据权利要求15的变焦透镜光学系统，其中，第二透镜的折射率N_{I_L2}满足1.65＜N_{I_L2}＜1.8。

17.  根据权利要求14的变焦透镜光学系统，其中，在第三透镜组中的第二正透镜的折射率N_{III_L8}满足N_{III_L8}＜1.5，该第二正透镜的阿贝数γ_{III_L8}满足γ_{III_L8}＞80。

18.  根据权利要求14的变焦透镜光学系统，其中，当f_W和f_IV分别为广角位置处的总焦距和第四透镜组IV的焦距时，第四透镜组满足0＜f_W/f_IV＜0.20。

19.  根据权利要求14的变焦透镜光学系统，其中，当f_W和f_II分别为广角位置处的总焦距和第二透镜组II的焦距时，第二透镜组满足-0.90＜f_W/f_II＜-0.50。

20.  一种变焦透镜光学系统，包括：
第一透镜组，具有正折光力，且包括具有负折光力的第一透镜和具有正折光力的第二透镜；
第二透镜组，具有负折光力；
第三透镜组，具有正折光力，且包括具有正折光力的第一正透镜，由具有正折光力的第二正透镜和具有负折光力的负透镜组成的正/负双合透镜，和具有正折光力的第三正透镜，这些透镜从物侧按顺序设置；
第四透镜组，具有正折光力；和
第五透镜组，具有正折光力，
其中，将第一至第五透镜组从物侧按顺序设置，
且其中，第一至第五透镜组被如此移动，使得在从广角位置到远摄位置的变焦期间，第一与第二透镜组之间的距离增大，第二与第三透镜组之间的距离减小，第三和第四透镜组朝物侧移动，第三与第四透镜组之间的距离发生改变，第四与第五透镜组之间的距离增大。

21.  根据权利要求20的变焦透镜光学系统，其中，第二透镜的折射率N_{I_L2}满足1.65＜N_{I_L2}＜1.8。

22.  根据权利要求20的变焦透镜光学系统，其中，当f_W和f_IV分别为广角位置处的总焦距和第四透镜组IV的焦距时，第四透镜组满足0＜f_W/f_IV＜0.20。

23.  根据权利要求20的变焦透镜光学系统，其中，当f_W和f_II分别为广角位置处的总焦距和第二透镜组II的焦距时，第二透镜组满足-0.90＜f_W/f_II＜-0.50。

24.  根据权利要求20的变焦透镜光学系统，其中，将第一和第二透镜粘合在一起构成双合透镜。

25.  一种数字照相机，具有根据权利要求1的变焦透镜光学系统。

26.  一种数字照相机，具有根据权利要求14的变焦透镜光学系统。

27.  一种数字照相机，具有根据权利要求20的变焦透镜光学系统。

变焦透镜光学系统
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2005年10月31日向韩国知识产权局递交的韩国专利申请10-2005-0103257的优先权，其全部内容在此引作参考。
技术领域
本发明涉及用于诸如标准或视频照相机之类的摄影设备的变焦透镜光学系统，更具体而言，涉及具有五个透镜组、设计成实现超广角和高变焦比的变焦透镜光学系统。
背景技术
目前，数字静止图像照相机(DSC)作为摄影设备引起人们极大关注。随着技术的发展，DSC趋于提供更宽的视角，更高的变焦比和更紧凑的设计。为实现这些特征，DSC通常使用在广角位置处具有32°半视场角并且具有3X变焦比的三组变焦透镜。变焦透镜包括分别具有负，正和负折光力(refractive power)的三个透镜组。
在使用35mm胶卷的传统单透镜反射式(SLR)照相机中，由于竞相发展功能得以加强的标准变焦透镜，使得焦距(视角)从具有37°半视场角的28mm缩至广角位置处具有约42°半视场角的24mm，使变焦比从具有28-200mm焦距的约7X增至具有约24-200mm焦距的约8X。
为了使数字照相机也获得更宽的视角和更高的变焦比，已提出包括具有正，负，正，正和正折光力的五个透镜组的变焦透镜。在日本未审公开专利申请No.2002-98893，2005-17915，2005-55625和2005-70437中披露了五组变焦透镜的示例。
在日本未审公开专利申请No.2002-98893中提出的变焦透镜光学系统具有从7X至10X的高变焦比和广角位置处约37°的半视场角。该变焦透镜光学系统提供了较宽的视角和高变焦比；然而，该变焦透镜光学系统并不提供足够宽的视角。
在日本未审公开专利申请No.2002-17915中披露的变焦透镜光学系统的另一示例具有约为5X的变焦比和广角位置处约39°的半视场角。该变焦透镜光学系统提供了较宽的视角；然而，该变焦透镜光学系统并不提供足够宽的视角和高变焦比。
在日本未审公开专利申请No.2002-55625中披露的变焦透镜光学系统的另一示例具有宽视角，这是由于在广角位置处的半视场角约为39°，但具有3.9X的低变焦比。
在日本未审公开专利申请No.2002-70437中给出的变焦透镜光学系统的另一示例具有广角位置处约40°的半视场角和7X的变焦比。该变焦透镜光学系统与以上引述的参考文献所提出的变焦透镜光学系统相比具有更宽的视角和更高的变焦比，但鉴于当前更宽视角和更高变焦比的趋势，并不能提供令人满意的宽视角和变焦比。
发明内容
本发明提供了一种具有广角位置处约43°的半视场角和约8X的高变焦比的紧凑变焦透镜光学系统，它可用于诸如具有小像素间距的电荷耦合器件(CCD)之类的固态摄影设备。
根据本发明的一方面，提供一种变焦透镜光学系统，包括：第一透镜组，具有正折光力，且包括两个透镜；第二透镜组，具有负折光力；第三透镜组，具有正折光力；第四透镜组，具有正折光力；和第五透镜组，具有正折光力。第一至第五透镜组从物侧按顺序设置，在从广角位置到远摄位置的变焦期间移动第一透镜组。
第一透镜组包括具有负折光力的第一透镜和具有正折光力的第二透镜，第二透镜的折射率N_{I_L2}满足1.65＜N_{I_L2}＜1.8。
在从广角位置到远摄位置的变焦期间，第一与第二透镜组之间的距离以及第四与第五透镜组之间的距离增大，而第二与第三透镜组之间的距离减小。
第三透镜组包括具有正折光力的第一正透镜，由具有正折光力的第二正透镜和具有负折光力的负透镜组成的正/负双合透镜，和具有正折光力的第三正透镜，这些透镜从物侧按顺序设置。第二正透镜的折射率N_{III_L8}满足N_{III_L8}＜1.5，第二正透镜的阿贝数(Abbenumber)γ_{III_L8}满足γ_{III_L8}＞80。
当f_W，f_IV和f_II分别为广角位置处总焦距，第四透镜组IV的焦距和第二透镜组II的焦距时，第四和第二透镜组满足0＜f_W/f_IV＜0.20和-0.90＜f_W/f_II＜-0.50。
附图说明
图1A是表示根据本发明的实施例的变焦透镜光学系统的光学布局的截面图；
图1B是表示图1A所示变焦透镜光学系统分别在广角位置，中角位置和远摄位置处的光学布局的截面图；
图2A-2D分别图解了根据图1A和1B所示实施例的变焦透镜光学系统在广角位置处的纵向球面像差，散光像场弯曲，畸变和横向色差；
图3A-3D分别图解了根据图1A和1B所示实施例的变焦透镜光学系统在中角位置处的纵向球面像差，散光像场弯曲，畸变和横向色差；
图4A-4D分别图解了根据图1A和1B所示实施例的变焦透镜光学系统在远摄位置处的纵向球面像差，散光像场弯曲，畸变和横向色差；
图5A是表示根据本发明的另一实施例的变焦透镜光学系统的光学布局的截面图；
图5B是表示图5A所示变焦透镜光学系统分别在广角位置，中角位置和远摄位置处的光学布局的截面图；
图6A-6D分别图解了根据图5A和5B所示实施例的变焦透镜光学系统在广角位置处的纵向球面像差，散光像场弯曲，畸变和横向色差；
图7A-7D分别图解了根据图5A和5B所示实施例的变焦透镜光学系统在中角位置处的纵向球面像差，散光像场弯曲，畸变和横向色差；
图8A-8D分别图解了根据图5A和5B所示实施例的变焦透镜光学系统在远摄位置处的纵向球面像差，散光像场弯曲，畸变和横向色差；
图9A是表示根据本发明的另一实施例的变焦透镜光学系统的光学布局的截面图；
图9B是表示图9A所示变焦透镜光学系统分别在广角位置，中角位置和远摄位置处的光学布局的截面图；
图10A-10D分别图解了根据图9A和9B所示实施例的变焦透镜光学系统在广角位置处的纵向球面像差，散光像场弯曲，畸变和横向色差；
图11A-11D分别图解了根据图9A和9B所示实施例的变焦透镜光学系统在中角位置处的纵向球面像差，散光像场弯曲，畸变和横向色差；
图12A-12D分别图解了根据图9A和9B所示实施例的变焦透镜光学系统在远摄位置处的纵向球面像差，散光像场弯曲，畸变和横向色差；
图13A是表示根据本发明的另一实施例的变焦透镜光学系统的光学布局的截面图；
图13B是表示图13A所示变焦透镜光学系统分别在广角位置，中角位置和远摄位置处的光学布局的截面图；
图14A-14D分别图解了根据图13A和13B所示实施例的变焦透镜光学系统在广角位置处的纵向球面像差，散光像场弯曲，畸变和横向色差；
图15A-15D分别图解了根据图13A和13B所示实施例的变焦透镜光学系统在中角位置处的纵向球面像差，散光像场弯曲，畸变和横向色差；以及
图16A-16D分别图解了根据图13A和13B所示实施例的变焦透镜光学系统在远摄位置处的纵向球面像差，散光像场弯曲，畸变和横向色差。
具体实施方式
图1A是表示根据本发明的实施例的变焦透镜光学系统的光学布局的截面图，图1B是表示图1A所示变焦透镜光学系统分别在广角位置，中角位置和远摄位置处的光学布局的截面图。
参照图1A和图1B，变焦透镜光学系统从物侧(OBJ)按顺序包括：具有正折光力的第一透镜组I，具有负折光力的第二透镜组II，具有正折光力的第三透镜组III，具有正折光力的第四透镜组IV，和具有正折光力的第五透镜组V。变焦透镜光学系统还包括设置在第二与第三透镜组II与III之间并与第三透镜组III一起移动的孔径光阑S。
根据该实施例的变焦透镜光学系统包括五个透镜组I至V，从而，抑制因广视角和高变焦比导致的像差。
更具体而言，第一透镜组I具有正折光力，并包括用于实现高变焦比的两个透镜。参照图1B，在从广角位置经过中角位置到远摄位置的变焦期间，移动第一透镜组I。可采用在变焦期间增加相距第二透镜组II的距离的方式移动第一透镜组I，以实现高变焦比。采用使第二与第三透镜组II与III之间距离减小并且增大第四与第五透镜组IV与V之间距离的方式，移动第一至第五透镜组I至V。特别是，移动第五透镜组V，形成凸向物侧OBJ的弯曲。
第三和第四透镜组III和IV被设计成具有正折光力。在变焦期间，改变第三与第四透镜组III与IV之间的距离，以补偿因增加角度而变差的散光像场弯曲。尤其是，由于在广角位置处导致显著量值的散光像场弯曲，在广角位置处第三与第四透镜组III与IV之间的距离可显著改变。
当光线倾斜入射在诸如电荷耦合器件(CCD)之类的摄影设备的像平面上时，由于光学系统的聚焦远心角(telecentricity angle)与摄影设备像平面中的微透镜组合不匹配，从而出现黑框(或渐晕)。为防止出现黑框，应调节光学系统的聚焦远心角，以便光能够垂直入射到像平面。在变焦期间还可移动第五透镜组V，以调节光学系统的聚焦远心角。当光学系统的光路受到透镜镜筒遮挡时会出现黑框，从而使部分入射光不会入射到摄影设备上。例如，取景器受透镜镜筒部分遮挡会导致图像中的暗角。
第一透镜组I可包括两个透镜的双合透镜，以提供超广角(约43°的半视场角)，同时抑制透镜直径的增加。双合透镜由粘合在一起的具有负折光力的第一透镜L₁和具有正折光力的第二透镜L₂组成。由于第一透镜组I以这种方式包括两个透镜的单个双合透镜，可抑制第一透镜组I厚度的增大，防止透镜直径随半视场角增大，并缩减了透镜的总长度。
第二透镜L₂的折射率N_{I_L2}可满足公式(1)：
1.65＜N_{I_L2}＜1.8                        (1)
通过将第二透镜L₂的折射率N_{I_L2}设置成高值，可抑制在远摄位置处的球面像差和慧差。当第二透镜L₂的折射率N_{I_L2}小于最小限制时，双合透镜的透镜曲率半径减小以保持焦距，从而增大在每个透镜表面的球面像差或慧差。相反，当第二透镜L₂的折射率N_{I_L2}超过最大限制时，能够仅使用高色散玻璃。这样，不能使色差降低。
为了使用通过减小在广角位置处第一与第二透镜组I与II之间距离而实现的焦点后移透镜结构来获得超广角，第二透镜组II可具有如公式(2)所定义的强负折光力：
-0.90＜f_W/f_II＜-0.50                    (2)
其中，f_W和f_II分别表示在广角位置处的总焦距和第二透镜组II的焦距。
当该比率超过最大限制从而使第二透镜组II的折光力降低时，使在广角位置处焦点后移透镜结构的效应减弱，且没有提供空间来将滤镜设置在像平面IMG前面。相反地，当该比率小于最小限制从而使第二透镜组II的负折光力变得过高时，不能将整个透镜系统的佩兹伐(Petzval)条件保持在适当水平，且出现正球面像差，从而使整个透镜系统的球面像差得到过校正。
佩兹伐条件也称为佩兹伐和数，可通过公式(3)将其定义：
P z = P 1 n 1 + P 2 n 2 + . . . + P i n i - - - ( 3 ) ]]>
其中，P_z表示佩兹伐和数，P_i为第i个表面的折光力，n_i为第i个表面的折射率。通过将三阶散光像场弯曲的量展开，可获得公式(3)。大P_z表示大散光像场弯曲。
此外，由于次最接近物侧OBJ的第二透镜组II中的透镜L₄具有球形表面，可校正因更宽视角所导致的畸变。尽管最接近物侧OBJ的第二透镜组II中的透镜L₃通常有畸变校正的效果，但透镜L₃的直径往往变大，从而，当通过将加热来软化玻璃并压入模具中时，增大了制造成本。从而，将透镜L₄而不是透镜L3设计为具有非球面透镜，以校正畸变。
第三透镜组III可由四个透镜组成，用于当实现大放大倍率时校正像差，以便会聚从第二透镜组II发散的光通量。通过使用四个透镜来抑制当通过改变第三与第四透镜组III与IV之间距离而以小移动距离校正切像场弯曲时的大像差和偏轴所引起的像差变化的增大，使像差保持较小。
更具体而言，第三透镜组III包括具有正折光力的第一正透镜L₇，由粘合在一起的具有正折光力的第二正透镜L₈和具有负折光力的负透镜L₉组成的正/负双合透镜，和具有正折光力的第三正透镜L₁₀。
第一正透镜L₇为双凸透镜，第二正透镜L8具有朝向物侧OBJ的凸面。负透镜L₉具有朝向像平面IMG的凹面。
特别是，用两个非球面将第一正透镜L₇构造为具有大的正折光力，以会聚从第二透镜组II发散的光线，同时校正因大的正折光力所导致的球面像差。这两个表面可为非球面的，以便在两个表面上分散非球面效应，从而与使用单个非球面表面的透镜相比增加了校正球面像差的效果。这还可降低第一正透镜L₇两个表面的偏轴敏感性。
偏轴敏感性是指当构成光学系统或整个光学系统的透镜或透镜组偏离光轴，例如，当其取向垂直于光轴方向时，对光学像差或透镜性能的影响。由于通过玻璃模造的透镜具有制造期间的模具对准问题，有益的是降低透镜的偏轴敏感性。
在正/负双合透镜中的第二正透镜L₈可由满足由公式(4)所表示的条件的材料制成：
N_{III_L8}＜1.5
γ_{III_L8}＞80                        (4)
其中，N_{III_L8}和γ_{III_L8}分别表示第三透镜组III中第二正透镜L₈的折射率和阿贝数。
公式(4)定义了选择低色散玻璃以提供出色色差校正的条件。当第二正透镜L₈满足该条件时，可防止在远摄位置处的色差加重，同时抑制在广角位置处的横向色差。
通过利用空气间隙使正/负双合透镜与第三正透镜L₁₀相隔离，正/负双合透镜中负透镜L₉朝向像侧IMG的表面作为强发散表面，从而提供出色的球面像差或慧差校正。
第四透镜组IV包括单个透镜L₁₁以校正散光像场弯曲。可使第四透镜组IV的折光力足够小，以满足以下公式(5)，从而消除偏轴敏感性的影响：
0＜f_W/f_IV＜0.20                    (5)
其中，f_W，f_IV分别表示在广角位置处的总焦距和第四透镜组IV的焦距。
如果由公式(5)所定义的比率小于最小限制，则第四透镜组IV的折光力变为负。第四透镜组IV作为增距镜(rear converter)，扩展第三透镜组III的范围，从而增加偏轴敏感性。增距镜是指具有负折光力的远摄增距镜，且其处于用于单透镜反射式(SLR)照相机的可互换透镜的后像平面上，象远摄透镜那样扩展焦距，同时增加像差量。
相反地，如果该比率超出了最大限制，则第四透镜组IV的正折光力变得过高，从而增加由具有单个透镜L₁₁的第四透镜组IV导致的像差量。第五透镜组V也可包括具有正折光力的单个透镜L₁₂。在广角位置与远摄位置之间的变焦期间，使第五透镜组V中凸地(convexly)朝物侧OBJ移动。通过在变焦期间以此方式移动第五透镜组V，易于调整聚焦远心角，从而防止出现黑框。
表1至3显示出，在根据如图1A和1B中所示实施例的变焦透镜光学系统中每个透镜的曲率半径，透镜厚度或透镜间距离，折射率，(非球面透镜的)非球面系数，色散，焦距和光圈数。R为曲率半径，D为透镜厚度或距离，N_d为d线(d-Line)的折射率，ν_d为将由以下公式(6)所定义的阿贝数，f为焦距，Fno为光圈数。
ν d = N d - 1 N F - N C - - - ( 6 ) ]]>
其中，N_F和N_C为对于F和C线的折射率。
在本发明的实施例中，每个非球面表面满足非球面公式(7)：
x = c ′ y 2 1 + 1 - ( K + 1 ) c ′ 2 y 2 + Ay 4 + By 6 + Cy 8 + Dy 10 - - - ( 7 ) ]]>
其中，x表示沿平行于光轴方向从透镜顶点到透镜平面的深度，y表示沿垂直光轴方向的高度，c’(＝1/R)表示在透镜顶点处曲率半径R的倒数，K表示二次曲线常数，以及A，B，C和D表示非球面系数。
                               表1