CN1967310A - 变焦透镜 - Google Patents
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Abstract
提供一种更加小型化结构并且发挥高成像性能的变焦透镜。该变焦透镜，是一种从物体侧顺次具备负的第1透镜(G1)、正的第2透镜(G2)、孔径光阑(St)、负的第3透镜(G3)、正的第4透镜(G4)的4块结构的变焦透镜。按照通过使上述第1透镜(G1)～第4透镜(G4)的各个相互间隔变化来进行变焦动作并且完全满足规定的条件式(1)～(4)的方式构成。满足条件式(1)，可谋求整体小型化和轴外光射出角适宜化的相兼容。满足条件式(2)，可较好地矫正诸像差并且使后焦距适宜化。满足条件式(3)，可使后焦距及轴外射出光的射出角适宜化。满足条件式(4)，可谋求轴上色差的降低。
Description
技术领域
本发明涉及适于搭载到采用了CCD(Charge Coupled Device：电荷耦合元件)和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor：互补型金属氧化半导体)等摄像元件的电子静物照相机和便携终端用照相机组件(camera module)等上的变焦透镜。
背景技术
现有，采用了CCD(Charge Coupled Device：电荷耦合元件)和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等摄像元件的电子静物照相机(也称为数字静物照相机)或电子摄像机、或者便携终端用照相机组件等电子摄像装置一直处于开发中。近年来，个人计算机也普及到一般家庭，能够将拍摄的风景和人物像等图像信息输入个人计算机中简单便捷地进行加工和分配等，因此，这些电子摄像装置的市场正急剧扩大。
在这种状况下，对于搭载在电子摄像装置上的摄像透镜(特别是变焦透镜)来说，越来越强烈地要求在性能、成本以及大小这些方面取得很好的平衡。作为现有的变焦透镜，已知专利文献1及2所公布的装置。这些专利文献1及2所述的变焦透镜，均采用4块结构。具体地说，专利文献1的变焦透镜，包括由负的单透镜构成的第1组、正透镜及负透镜的2块构成的第2组和由正的单透镜构成的第3组，变焦时使第3组保持固定而第1组及第2组可动。另一方面，专利文献2的变焦透镜，其构成为：从物体侧顺次具备具有正透镜和负透镜各一块的负的第1透镜组、具有正透镜和负透镜各一块的正的第2透镜组，变焦时使第1透镜组及第2透镜组的相互间隔发生变化。
另外，作为具有与上述摄像用的变焦透镜类似结构的装置，能够举出搭载在实像式光学变焦取景器(以下，只称作取景器)上的物镜系统(例如，参照专利文献3)。专利文献3所述的取景器，具备分别在规定位置设置遮光装置的4块结构的物镜系统和目镜系统等，不仅谋求小型化并且实现对成为杂散光(flare)成因的有害光束的遮光。这种取景器中，通常，物镜系统采用变焦结构，在该物镜系统与目镜系统之间设置正像棱镜系统。正像棱镜系统从成本降低的观点来看，往往不为玻璃制而为塑料制，在反射面上没有反射涂层的情况较多。从而，按照使入射到正像棱镜系统的光束成为远心的方式构成物镜系统
专利文献1：日本特开2003-177315号公报
专利文献2：日本特开2005-004020号公报
专利文献3：日本特开平9-211547号公报
不过，在如专利文献3那样的取景器中的物镜系统中，不设置决定亮度的固定孔径。这是因为使用取景器的观察者本身的瞳孔直径成为固定孔径。另外，由于从物镜系统射出而入射到正像棱镜系统的光束为远心的，因此变焦时通常物镜系统内各透镜位置及口径发生变化。与之相对地，在摄像用变焦透镜中孔径光阑就成为必需的。从而，若把取景器的物镜系统保持原样直接用作摄像用变焦透镜，则随着光束的入射高度不同而在成像性能上出现影响。另外，取景器中如上所述配置正像棱镜系统，因而必须确保与其相当的比较大的后焦距，由此存在欠缺小型性的倾向。例如，采用专利文献3的取景器的情况下，后焦距相对于由入射视场角推算的在物镜系统成像面上的图像对角尺寸之比为2.12(空气换算)。还有，这种取景器中，依赖于观察者肉眼调节能力的部分较多，因而不得不说当把物镜系统取作摄像用的变焦透镜时，在畸变、球差及色差等性能方面是不够的。还有，专利文献3中，作为第1透镜组L1的构成材料，使用阿贝数30.0的高色散材料，不过，这起因于相当于固定孔径的瞳孔位于目镜系统一侧。
另外，专利文献1的变焦透镜，主要是搭载在便携终端用照相机组件上的电子摄像元件用的变焦透镜，透镜全长短而小型化，但是后焦距过短，难于确保凸缘衬圈(flange back)。还有，广角端的射出角增大为20°左右，由此作为通用的摄像元件用变焦透镜难以对应。另一方面，专利文献2的变焦透镜，由于第1透镜组及第2透镜组中分别成对地形成正透镜和负透镜，因而可抑制第1透镜组及第2透镜组的各个内部发生的诸像差。可是，相反的一方面是不太能增加各透镜组的折射本领。从而，在维持良好的光学性能并且使变焦比增大到3倍左右的情况下，各透镜组的移动量增大。其结果导致全长增大或透镜直径大型化。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而作成的，其目的在于提供一种更小型化结构并且发挥高成像性能的变焦透镜。
本发明的变焦透镜，是从物体侧顺次具备负的第1透镜、正的第2透镜、孔径光阑、负的第3透镜和正的第4透镜的4块结构的变焦透镜。通过使第1透镜至第4透镜的各个相互间隔变化来进行变焦动作，并且按照完全满足以下的条件式(1)～(4)的方式构成。其中，f2为第2透镜的焦距，f4为第4透镜的焦距，dt为广角端的第2透镜与第3透镜在光轴上的间隔，dw为望远端的第2透镜与第3透镜在光轴上的间隔，fw为望远端的整个系统的焦距，νd1为第1透镜相对于d线的阿贝数。在此，所谓第1透镜至第4透镜的各个相互间隔，是指第1透镜和第2透镜的间隔、第2透镜和第3透镜的间隔及第3透镜和第4透镜的间隔。
0.35＜f2/f4＜0.70 (1)
0.04＜(dt-dw)/fw＜0.40 (2)
1.65＜f4/fw＜2.20 (3)
50＜νd1 (4)
本发明的透镜中，配置4块这样较少块数的透镜，使它们的相互间隔各自变化。从而，可确保变焦比同时实现小型化，并且可确保良好的成像性能。在此，第2透镜的焦距和第4透镜的焦距之比满足条件式(1)，从而谋求整体的小型化和轴外光的射出角适宜化相兼容。还有，由于采用满足条件式(2)的构成，因此，可很好地矫正诸像差同时谋求后焦距的适宜化。还有，由于满足条件式(3)，因此后焦距及轴外射出光的射出角可适宜化。还有，由于满足条件式(4)，因此轴上色差降低。
本发明的变焦透镜中，例如至少使第2透镜及第3透镜在光轴上移动从而使第1透镜至第4透镜的各个相互间隔变化。另外，也可以至少在变焦动作时保持第4透镜和成像面的距离为一定，也可以按照使第1透镜和第4透镜成为一体的方式在光轴上移动，或者也可以使第1透镜和成像面的距离保持一定。
本发明的变焦透镜中，其构成优选通过第3透镜在光轴上移动来进行对焦动作。在把第3透镜组作为聚焦组的情况下，对焦动作时较小的移动量就够了，且难于发生由场曲等造成的图像劣化。另外，本发明的变焦透镜，在至少第1透镜及第2透镜由有机材料构成的情况下，有利于降低成本及轻量化。
本发明的变焦透镜中还可以包括：测定周围温度的温度检测部；控制部，根据来自温度检测部的温度信息算出焦点位置矫正量；和驱动部，根据来自控制部的控制信号使第1透镜至第4透镜中的至少1个按照焦点位置矫正量移动。
本发明的变焦透镜中，也可采用以下构成：至少第3透镜沿光轴连续地移动，而使变焦动作和对焦动作交替地进行。
本发明的变焦透镜中，用以构成折射光学系统的反射面，可以设置在第1透镜或其前后上。
发明的效果
根据本发明的变焦透镜，从物体侧顺次具备负的第1透镜、正的第2透镜、孔径光阑、负的第3透镜和正的第4透镜，通过使第1透镜至第4透镜的各个相互间隔变化来进行变焦动作，并且完全满足以下的条件式(1)～(4)，因此，能够确保足够的变焦比并实现小型化且发挥较高的成像性能。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的变焦透镜的第1构成例、与实施例1对应的剖视图。
图2是表示本发明的一实施方式的变焦透镜的第2构成例、与实施例2对应的剖视图。
图3是表示本发明的一实施方式的变焦透镜的第3构成例、与实施例3对应的剖视图。
图4是表示本发明的一实施方式的变焦透镜的第4构成例、与实施例4对应的剖视图。
图5是对图1所示的变焦透镜的焦点补偿机构的结构进行说明的说明图。
图6是例示图2所示的变焦透镜中各透镜从广角端到望远端的移动轨迹的示意图。
图7是表示实施例1的变焦透镜的基本透镜数据的说明图。
图8是表示实施例2的变焦透镜的基本透镜数据的说明图。
图9是表示实施例3的变焦透镜的基本透镜数据的说明图。
图10是表示实施例4的变焦透镜的基本透镜数据的说明图。
图11是表示实施例1的变焦透镜中的与非球面有关的数据的说明图。
图12是表示实施例2的变焦透镜中的与非球面有关的数据的说明图。
图13是表示实施例3的变焦透镜中的与非球面有关的数据的说明图。
图14是表示实施例4的变焦透镜中的与非球面有关的数据的说明图。
图15是表示实施例1的变焦透镜中的其他数据的说明图。
图16是表示实施例2的变焦透镜中的其他数据的说明图。
图17是表示实施例3的变焦透镜中的其他数据的说明图。
图18是表示实施例4的变焦透镜中的其他数据的说明图。
图19是表示实施例1～4的变焦透镜中的对应于条件式(1)～(4)的数值的说明图。
图20是表示实施例1的变焦透镜中的与温度补偿有关的数据的说明图。
图21是表示实施例2的变焦透镜中的与温度补偿有关的数据的说明图。
图22是表示实施例3的变焦透镜中的与温度补偿有关的数据的说明图。
图23是表示实施例4的变焦透镜中的与温度补偿有关的数据的说明图。
图24是表示实施例1的变焦透镜的广角端的球差、场曲、畸变及放大率色差的像差图。
图25是表示实施例1的变焦透镜的中间区域的球差、场曲、畸变及放大率色差的像差图。
图26是表示实施例1的变焦透镜的望远端的球差、场曲、畸变及放大率色差的像差图。
图27是表示实施例2的变焦透镜的广角端的球差、场曲、畸变及放大率色差的像差图。
图28是表示实施例2的变焦透镜的中间区域的球差、场曲、畸变及放大率色差的像差图。
图29是表示实施例2的变焦透镜的望远端的球差、场曲、畸变及放大率色差的像差图。
图30是表示实施例3的变焦透镜的广角端的球差、场曲、畸变及放大率色差的像差图。
图31是表示实施例3的变焦透镜的中间区域的球差、场曲、畸变及放大率色差的像差图。
图32是表示实施例3的变焦透镜的望远端的球差、场曲、畸变及放大率色差的像差图。
图33是表示实施例4的变焦透镜的广角端的球差、场曲、畸变及放大率色差的像差图。
图34是表示实施例4的变焦透镜的中间区域的球差、场曲、畸变及放大率色差的像差图。
图35是表示实施例4的变焦透镜的望远端的球差、场曲、畸变及放大率色差的像差图。
图36是表示实施例2的变焦透镜中的各透镜从广角端到望远端的移动轨迹的说明图。
图37是对应于图36的数值数据。
图38是表示实施例2的变焦透镜中进行温度补偿后各透镜从广角端到望远端的移动轨迹的说明图。
图39是对应于图38的数值数据。
图40是图4所示的变焦透镜变形例的剖视图。
图中，G1～G4-第1透镜～第4透镜，St-孔径光阑，GC-防护玻璃，Si-从物体侧开始的第i号透镜面，Ri-从物体侧开始的第i号透镜面的曲率半径，Di-从物体侧开始的第i号和第(i+1)号透镜面的面间隔，Z1-光轴，1-温度信息，2-控制信号，3-被摄物体距离信息，10-温度检测部，20-控制部，30-驱动部，40-焦点补偿机构，50-测距部。
实施发明的最佳方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1表示作为本发明一实施方式的变焦透镜的第1构成例。该构成例，与后述的第1数值实施例(图7、图11)的透镜构成相对应。另外，图2～图4分别表示本实施方式的变焦透镜的第2～第4构成例。第2构成例，与后述的第2数值实施例(图8、图12)的透镜构成相对应，第3构成例，与后述的第3数值实施例(图9、图13)的透镜构成相对应，第4构成例，与后述的第4数值实施例(图10、图14)的透镜构成相对应。图1～图4中，符号Si，表示按照以最靠物体侧的构成要素的面作为第1号，随着向像侧(成像侧)顺次增加的方式附以符号的第i面。符号Ri，表示面Si的曲率半径。符号Di表示第i面Si和第i+1面Si+1的光轴Z1上的面间隔。还有，各构成例其基本构成均相同，因此以下，以图1所示的变焦透镜的构成为基本进行说明，根据必要关于图2～图4的构成例也进行说明。
该变焦透镜例如搭载在采用了CCD和CMOS等摄像元件的数码相机等上使用。该变焦透镜，采用沿光轴Z1从物体侧顺次配置第1透镜G1、第2透镜G2、第3透镜G3和第4透镜G4的构成。该变焦透镜的成像面(摄像面)Simg上配置CCD等摄像元件(没有图示)。在第4透镜G4和摄像面Simg之间，配置有用以保护摄像面Simg的防护玻璃GC。除防护玻璃GC外，还可以配置红外截止滤波器和低通滤波器等其他光学部件。
第1透镜G1具有负的折射本领，例如在近轴附近形成凹凸形状(第1构成例)。或者，也可以在近轴附近形成两凹形状(第2～第4构成例)。另外，还使物体侧的面S1具有比像侧的面S2绝对值大的曲率。再有，优选面S1及面S2中至少一方为非球面，特别作为更优选的是两面S1、S2为非球面。
第2透镜G2具有正的折射本领，例如在近轴附近形成两凸形状。另外，在像侧的面位置设有孔径光阑St。该孔径光阑St以始终与第2透镜G2一体的方式移动。再有，优选面S3及面S4中至少一方为非球面，特别作为更优选的是两面S3、S4为非球面。该第2透镜G2对变焦动作贡献最大。
第3透镜G3具有负的折射本领，例如在近轴附近形成两凹形状(第1、第4构成例)。或者，也可以形成凹凸形状(第2、第3构成例)。另外，还使物体侧的面S6具有比像侧的面S7绝对值大的曲率。再有，优选面S6及面S7中至少一方为非球面，特别作为更优选的是两面S6、S7为非球面。
第4透镜G4具有正的折射本领，例如在近轴附近形成两凸形状(第1～第3构成例)。或者，也可以形成凹凸形状(第4构成例)。
另外，从满足轻量化及低成本化和抑制随着周围温度变化而造成的焦点位置变动双方的观点而言，优选第1透镜G1及第2透镜G2均由有机材料构成。此外，更优选在第3透镜G3也由有机材料构成的情况下，就容易抑制成像性能的劣化。
还有，本实施方式中，近轴附近的透镜形状，例如由后述的非球面式(ASP)中系数K涉及的部分(除去系数An涉及的多项式部分的部分)表示。
再有，该变焦透镜，其构成完全满足以下的条件式(1)～(4)。其中，f2为第2透镜的焦距，f4为第4透镜的焦距，dt为广角端的第2透镜与第3透镜在光轴上的间隔，dw为望远端的第2透镜与第3透镜在光轴上的间隔，fw为望远端的整个系统的焦距，νd1为第1透镜相对于d线的阿贝数。
0.35＜f2/f4＜0.70 (1)
0.04＜(dt-dw)/fw＜0.40 (2)
1.65＜f4/fw＜2.20 (3)
50＜νd1 (4)
再有，该变焦透镜如图5所示，具备包括温度检测10、控制部20和驱动部30的焦点补偿机构40。温度检测部10，例如具有测定变焦透镜周边环境温度的温度传感器11和将基于该测定值的温度信息1供给到控制部20的温度检测回路12。控制部20根据来自温度检测回路12的温度信息1算出焦点位置矫正量，向驱动部30发出控制信号2。驱动部30，其功能是根据来自控制部20的控制信号2，使第3透镜G3在光轴Z1上只移动与焦点位置矫正量对应的距离量。驱动部30，例如其构成为：安装有第3透镜G3的载物台31、作为驱动该载物台31的驱动源的电动机32、和向载物台31传递由电动机32产生的驱动力的轴33。驱动部30在变焦动作时与第3透镜G3同时移动。
下面，对如以上构成的本实施方式的变焦透镜的作用及效果进行说明。
该变焦透镜，在变焦动作时，第1透镜G1～第4透镜G4的各个相互间隔发生变化。即，通过使面间隔D2、D5、D7全部变化来进行变焦。第1～第4构成例，任意一个均采用主要利用第2透镜G2在光轴Z1上的移动来进行变焦，其他透镜对于变焦动作发挥辅助功能的构成。第2透镜G2，是第1透镜G1～第4透镜G4中正的折射本领最大且轴上光束的光线高度最高的。因而，是决定全系统的焦距及后焦距的重要因素。其中，第1构成例中，以成像面Simg为基准时使第1透镜G1～第4透镜G4全部移动，但也可以如第2构成例(图2)那样，固定第4透镜G4，使第4透镜G4与成像面Simg的距离(面间隔D9～D11的和、即后焦距)保持一定。或者，也能如第3构成例(图3)那样，使第1透镜G1和第4透镜G4为一体、即以保持面间隔D2～D7的和为一定的方式在光轴Z1上移动，进行变焦动作。另外，还如第4构成例(图4)，也可以在保持第1透镜G1与成像面Simg的距离为一定的状态下(即、保持固定第1透镜G1的状态)下，使第2透镜G2～第4透镜G4在光轴Z1上移动来进行变焦动作。
关于对焦动作，主要利用第3透镜G3在光轴Z1上移动而进行。第3透镜G3，当从无限远向较近侧对焦时在光轴Z1上朝像侧移动。该变焦透镜中，以第3透镜G3作为聚焦组，从而与使其他透镜移动的情况相比，不仅移动量变小而且像面变动比较轻微，容易矫正。特别是，不仅被摄物体距离为极近情况的性能劣化较小，而且也容易与由制造误差和温湿度变化造成的焦点偏移的矫正对应。
该变焦透镜中，特别采用利用第3透镜G3沿光轴Z1连续移动从而交替地进行变焦动作和对焦动作的构成。图6是例示各透镜从广角端到望远端的移动轨迹的示意图。纵轴表示从成像面Simg的位置到各透镜为止的距离。另一方的横轴表示各透镜的位置即第1透镜G1～第4透镜G4的配置状态。具体地说，W.INF表示被摄物体距离为无限远时的广角端的位置，W.极近表示被摄物体距离为极近(例如，0.2m)情况下在广角端的位置。同样，M.INF表示被摄物体距离为无限远情况下在中间的位置，M.极近表示被摄物体距离为极近情况下在中间的位置。T.INF表示被摄物体距离为无限远情况下在望远端的位置，T.极近表示被摄物体距离为极近情况下在望远端的位置。
图6中，从W.INF到W.极近的区域、从M.INF到M.极近的区域、从T.INF到T.极近的区域是进行调焦的对焦区域，从W.极近到M.INF的区域、从M.极近到T.INF的区域是进行变焦动作的变焦区域。图6中示出了第1透镜G1～第3透镜G3分别在光轴Z1上移动而另一方面第4透镜G4固定的例子。在此，关于第1透镜G1及第2透镜G2，距成像面Simg的距离只在变焦区域变化，在对焦区域不变化。与之相对，关于第3透镜G3，其构成是距成像面Simg的距离在变焦区域及对焦区域双方中都变化。特别是，第3透镜G3，通过从广角端到望远端为止的一系列的移动来交替地进行变焦动作和对焦动作，因此，例如利用1个驱动源驱动第3透镜G3的1个凸轮机构，从而可以实施该变焦透镜的变焦动作及对焦动作双方。因此，不仅缩短按下快门按钮到进行摄影为止的时间，而且实现更简约的构成。从而，有助于摄影动作的应答速度优异且实现小型的照相机。还有，在此使第4透镜G4固定，但也可以使距成像面Simg的距离在变焦区域内变化。再有，本实施方式的变焦透镜，没有禁止对焦区域中第1透镜G1、第2透镜G2及第4透镜G4在光轴上的移动，为了矫正诸像差也可以对各透镜适宜进行微调。再有，图6中，从广角端向着望远端时，按照W.INF→W.极近→M.INF→M.极近→T.INF→T.极近这样的顺序变化位置，而与之相反，也可以采用按照W.极近→W.INF→M.极近→M.INF→T.极近→T.INF这样的顺序变化位置的构成。
再有，该变焦透镜中，利用焦点补偿机构40微调第3透镜G3的位置，从而进行随着周围环境温度变化而产生的焦点偏移的矫正。以下，参照图5关于焦点矫正动作进行说明。温度检测部10利用温度传感器11对变焦透镜的环境温度进行时时监控，利用温度检测回路12向控制部20断续地发送温度信息1。在此，在按下快门按钮开始摄像准备动作的情况下，从测距部50向控制部20发送被摄物体距离信息3。在控制部20中，对温度信息1和对应于被摄物体距离信息3的基准数据进行比较，算出焦点位置矫正量后，根据控制信号2指示第3透镜G3的移动动作。所谓焦点位置矫正量，相当于基准温度下对应于被摄物体距离3的焦点位置(基准位置)与某环境温度下的焦点位置的偏移量。若对驱动部30输入控制信号2，则依靠电动机32使轴33旋转，载物台31与第3透镜G3一起沿光轴Z1上开始移动。电动机32，在第3透镜G3仅移动对应于焦点位置补正量的距离量的时刻停止。这样，通过预先测定环境温度，算出由温度变化产生的焦点位置的偏移量，在对焦动作中对第3透镜G3的焦点位置进行矫正，因此，能够迅速且高精度地进行由温度引起的矫正。从而，开始摄影准备动作后可在更短时间内进行摄影。
另外，该变焦透镜中，当变焦动作时孔径光阑始终与第2透镜G2以一体化方式移动，从而，不仅可使朝向成像面Simg的轴外光束的射出角度适宜，并且在横跨整个变焦区域内维持足够的亮度。例如，在第1透镜G1附近配置孔径光阑时，除对应于变焦比亮度变动且在望远端变暗外，压低了轴外光束的射出角度就限制了透镜移动量，因此，不能获得足够的变焦比。另一方面，在第3透镜G3及第4透镜G4的像侧配置孔径光阑时，产生轴外光束的射出角度过大而不得不增大第1透镜G1的透镜外径的不合理现象。本实施方式中，按照始终与第2透镜G2的面S4接触的方式设置孔径光阑，因此可以保证作为变焦透镜充分发挥功能且小型化。
再有，该变焦透镜中，第4透镜G4是控制朝向成像面Simg的轴外光束的射出角度的重要因素。即，第4透镜G4，由于轴上光束的光线高度低而轴外光束的光线高度高，利用其折射本领的变化，从而具有在使全系统的焦距没有太大变化的情况下调节轴外光束的射出角度的功能。
条件式(1)规定第2透镜G2的焦距f2和第4透镜G4的焦距f4的比率，表示用以谋求整体构成小型化和朝向成像面Simg的轴外光束的射出角度适宜化两全的条件。在此，若不足条件式(1)的下限，则虽然能够缩短透镜全长，但是也使广角端的后焦距过短，或轴外光束的射出角度过大。即，摄像元件的周缘部的阴影(shading)增大，容易发生噪声，很难确保动态范围。另一方面，若超过条件式(1)的上限，则第4透镜G4的折射本领增强从而能使广角端的射出角足够小，但是，第2透镜G2的折射本领过弱，除变焦动作时的透镜移动量增大外，后焦距也变长等，由此很难实现整体构成的小型化。
条件式(2)主要表示用以维持良好色差的条件。通过使(dt-dw)/fw的值适宜化而与广角侧相比望远侧的放大率色差矫正过剩，因此，抵消掉第1透镜G1上存在的望远侧的矫正不足。而且，望远侧的后焦距保持适度的长度而抑制望远侧的透镜全长增大。在此，若超过条件式(2)的上限，则望远侧的后焦距过小，或望远侧的放大率色差过于过剩。再有，广角端的间隔dt与望远端的dw之差过宽，即使第2透镜G2及第3透镜G3的各透镜面非球面化，也很难在横跨整个变焦区内对轴上色像差及放大率色差以平衡良好的方式进行矫正。另一方面，若不足条件式(2)的下限，则望远端的放大率色差的矫正有点不足，是个问题。为了避免这个，在通过减弱第4透镜G4的折射本领来进行矫正的情况下，就必须增大第2透镜G2的折射本领。此时，其结果是脱离条件(1)的范围，因此如上述专利文献1那样广角端的后焦距不足。
条件式(3)规定广角端的第4透镜G4的焦距f4相对于全系统的焦距fw的比率。在此，若不足条件式(3)的下限，则第4透镜G4的折射本领增强，轴外光束的射出角小从而对摄像元件的适应性好，但是为了维持广角端的焦距fw而使第2透镜G2的折射本领过小，不能抑制轴上光束在途中的光线高度，后焦距变长，导致全长增大。另一方面，若超过条件式(3)的上限，则广角端的后焦距过小，且轴外光束的射出角度过大。
条件式(4)规定第1透镜G1相对于光学材料中的d线的阿贝数νd1的适宜范围，是用以使全系统的色差保持良好的条件。阿贝数νd1明显显示出与实像式变焦取景器中的物镜的不同。本实施方式的变焦透镜，采用各透镜以独立方式移动的构成，因此，抑制色差变动特别重要。满足条件式(4)，就可较好地矫正轴上色像差及放大率色差，而若不足其下线，则在广角端放大率色差增大，在望远端轴上色差增大。
这样，根据本实施方式的变焦透镜，在如上所述那样构成第1～第4透镜G1～G4，并且完全满足各条件式(1)～(4)的情况下，能够不仅实现小型化并且能够确保高成像性能。
特别是，在第1透镜G1及第2透镜G2均由有机材料构成的情况下，能够使轻量化及低成本化和抑制随着周围温度变化造成的焦点位置变动两全。此时，如果第3透镜G3也由有机材料构成，则能够更简便地矫正随着温度变化产生的焦点位置变动。
另外，如第2构成例(图2)，在变焦时及对焦时固定第4透镜G4并且保持后焦距为一定的情况下，只要以第1透镜G1至第3透镜G3作为移动组即可，因此能够谋求机械上的结构简约化。还有，在使第4透镜G4作为焦距组进行移动的情况下，只要在机械上使变焦机构和对焦机构分离即可。
另外，如第3构成例(图3)，在变焦动作时保持第1透镜G1和第4透镜G4的相互间隔为一定的情况下，移动组实际上是第1透镜G1及第4透镜G4、第2透镜G2、第3透镜G3这三个组，因此，能够谋求机械上的结构简约化。
另外，如第4构成例(图4)，在保持第1透镜G1与成像面Simg的距离为一定的状态下进行变焦动作的情况，有利于整体构成的小型化。
下面，对本实施方式涉及的成像透镜的具体数值实施例进行说明。
以下，概括说明第1～第4实施例的数值实施例(实施例1～4)。在此，图7～图10分别示出与图1～图4所示的第1～第4构成例的变焦透镜对应的具体的基本透镜数据(实施例1～4)。还有，图11～图14分别示出对应于第1～第4构成例的变焦透镜与非球面形状有关的数据部分。
在图7～图10所示的基本透镜数据的面编号Si栏中，关于各实施例的摄像透镜，与图1～图4分别所示的符号Si相对应，示出了按照包括光阑St及防护玻璃GC并将最靠物体侧的构成要素的面作为第1号且随着向像侧行进顺次增加的方式附以符号的第i(i＝1～11)面的编号。在曲率半径Ri栏中，与图1～图4所示的符号Ri相对应，示出了从物体侧开始的第i面的曲率半径值。关于面间隔Di栏，也与图1～图4中附以的符号相对应，示出了从物体侧开始的第i面Si和第i+1面Si+1的光轴上的间隔。曲率半径Ri及面间隔Di之值的单位为毫米(mm)。Ndj、νdj栏表示也包括防护玻璃GC的、从物体侧开始的第j(j＝1～5)透镜要素的相对于d线(587.6nm)的折射率及阿贝数之值。还有，防护玻璃GC的两面的曲率半径R10、R11的值为0，其表示是平面。该防护玻璃GC通常相对于成像面(摄像面)Simg固定在一定的位置，而在此为了方便而使其与第4透镜G4以一体化方式移动。
图7～图10中，附在面编号Si左侧的记号「*」，表示其透镜面为非球面形状。各实施例都是第1透镜G1及第2透镜G2的两面S1～S4为非球面。基本透镜数据中，作为这些非球面的曲率半径，示出了光轴附近(近轴附近)的曲率半径的数值。
图11～图14的各非球面数据的数值中，记号“E”表示其之后的数值是以10为底的“幂指数”，表示由以10为底的指数函数所表示的数值与“E”前的数值相乘。例如若为「1.0E-02」，则表示「1.0×10-2」。
各非球面数据，记为由以下式(ASP)表示的非球面形状的式中的各系统数Ai、K的值。Z，更详细地说，表示从距光轴具有高度h的位置上的非球面上的点垂下至非球面顶点的切向平面(与光轴垂直的平面)的垂线的长度(mm)。
Z＝C·h2/{1+(1-K·C2·h2)1/2}+∑(An·hn) (ASP)
其中
Z：非球面的深度(mm)
h：从光轴到透镜面的距离(高度)(mm)
K：离心率
C：近轴曲率＝1/R
(R：近轴曲率半径)
An：第n次(n＝3～16)的非球面系统数
实施例1中，如图11所示，第1透镜G1的两面的非球面形状，不仅是非球面系数为偶数次的系数A4、A6、A8、A10，而且也有效利用了奇数次的非球面系数A3、A5、A7、A9。
该实施例1～4涉及的各变焦透镜，随着变焦动作第1透镜G1～第4透镜G4的各个相互间隔发生变化，因此面间隔D2、D5、D7及D11的值可变。其中，只有实施例2第4透镜G4不移动，因此面间隔D11不变。还有，各实施例中，第4透镜G4与防护玻璃GC的面间隔为一定。图15～图18，针对各实施例，示出了这些面间隔D2、D5、D7及D11在广角端、中间区域及望远端之值。图15～图18中，还对广角端、中间区域及望远端的全系统的焦距、后焦距(空气换算)、F值(FNO.)及视场角2ω的各值进行了表示。全系统的焦距及后焦距(空气换算)的单位均为毫米(mm)。
图19针对各实施例概括表示对应于上述各条件式(1)～(4)的值。如图19所示，各实施例的值皆在各条件式(1)～(4)的数值范围内。
图20～图23，对各实施例将与温度补偿有关的数据进行归纳。图20～图23，分别针对广角端及望远端示出了被摄物体距离0.2m的焦距量(mm)、上升30℃时的焦点移动量A(mm)、焦点移动灵敏度B、上升30℃时的矫正量-A/B(mm)。所谓被摄物体距离0.2m的焦距量是指从对无限远被摄物体距离进行对焦的状态、至对0.2mm被摄物体距离进行对焦时所需要的聚焦组(即、第3透镜G3)的移动量。各实施例中，以第3透镜G3作为聚焦组从而形成比较小的移动量。另外，所谓「上升30℃时的焦点移动量」表示环境温度上升30℃时产生的焦点位置(距基准位置的光轴上的)的偏移量。所谓「焦点移动灵敏度」，定义为焦点位置变化量相对于聚焦组沿光轴方向移动量之比例。因而，焦点移动灵敏度越小对焦时的聚焦组移动量也就越小。各实施例中，以第3透镜G3作为聚焦组从而能够把该焦点移动灵敏度降到最低。所谓「上升30℃时的矫正量」是指用以矫正环境温度上升30℃时产生的焦点位置偏移所需要的第3透镜G3的移动量，根据「上升30℃时的焦点移动量」和「焦点移动灵敏度」之比求得。还有，图20～图23，关于各数值，按照从物体向像侧移动的方向为正的方式进行表示。
图24(A)～(D)表示实施例1的变焦透镜的广角端的球差、场曲、畸变及放大率色差。图25(A)～(D)表示中间区域的相同的各像差。图26(A)～(D)表示望远端的相同的各像差。虽然各像差图示出以d线为基准波长的像差，但是球差图及场曲图中，还示出关于g线(波长435.8nm)及C线(波长656.3nm)的像差。场曲图中，实线表示径向方向的像差而虚线表示切向方向的像差。另外，FNO.表示F值，H表示像高。
同样，实施例2的诸像差，关于广角端在图27(A)～(D)中示出，关于中间区域在图28(A)～(D)中示出，关于望远端在图29(A)～(D)中示出。实施例3的诸像差，关于广角端在图30(A)～(D)中示出，关于中间区域在图31(A)～(D)中示出，关于望远端在图32(A)～(D)中示出。实施例4的诸像差，关于广角端在图33(A)～(D)中示出，关于中间区域在图34(A)～(D)中示出，关于望远端在图35(A)～(D)中示出。
如以上的各透镜数据及各像差图所表明那样，关于各实施例，发挥了极好的像差性能并且还实现了全长的小型化。
图36表示实施例2的变焦透镜的各透镜从广角端到望远端的移动轨迹。纵轴表示从成像面Simg的位置到各透镜为止的距离。另一方面，横轴表示各透镜的位置。具体地说，W.INF表示被摄物体距离为无限远情况下在广角端的位置，W.0.2表示被摄物体距离为极近(0.2m)情况下在广角端的位置。同样，M.INF表示被摄物体距离为无限远情况下在中间的位置，M.0.2表示被摄物体距离为极近(0.2m)情况下在中间的位置，T.INF表示被摄物体距离为无限远情况下在望远端的位置，T.0.2表示被摄物体距离为极近(0.2m)情况下在望远端的位置。图37是与图36对应的数值数据。再有，图38表示考虑由环境温度变化产生的位置偏移而进行温度补偿时各透镜从广角端到望远端的移动轨迹。图39是与图38对应的数值数据。在此，对第3透镜G3的移动量加以矫正。
以上，举出实施方式及实施例说明了本发明，不过，本发明并不限定于上述实施方式及实施例，可以进行各种变形。例如，各透镜成分的曲率半径、面间隔及折射率之值，并不限于上述各数值实施例所示的值，也可以取其他值。
另外，也可以采用将用以构成折射光学系统的反射面配置在第1透镜或其前后的构成。图40是图4所示的变焦透镜变形例，作为第1透镜G1采用具有反射面RS的直角棱镜透镜。这样一来，能够构成由反射面RS使光路折射的折射类的变焦透镜，由此能够谋求整体薄型化。或者，取代采用直角棱镜透镜，也可以把平板上形成反射面的反光镜配置在第1透镜前后(物体侧或像侧)。还有，这种变形例中也可以第1透镜G1及第2透镜G2皆由有机材料构成。
另外，上述实施方式及实施例中，对由周围温度变化产生的焦点位置偏移进行了矫正，不过，除此之外更优选对随湿度变化产生的位置偏移进行矫正。那种情况下，例如只要图5所示的焦点补偿机构40上进一步设置湿度检测部并将湿度信息输入到控制部20即可。
另外，上述实施方式及实施例中，把孔径光阑配置在第2透镜的像侧的面位置上，不过，本发明并不限定于此。只要在第2透镜和第3透镜之间配置孔径光阑即可。
Claims (10)
1.一种变焦透镜，其特征在于其构成为：从物体侧顺次具备负的第1透镜、正的第2透镜、孔径光阑、负的第3透镜、正的第4透镜；
通过使上述第1透镜至第4透镜的各个相互间隔变化来进行变焦动作，并且完全满足以下的条件式(1)～(4)：
0.35＜f2/f4＜0.70 (1)
0.04＜(dt-dw)/fw＜0.40 (2)
1.65＜f4/fw＜2.20 (3)
50＜vd1(4)
其中，
f2：第2透镜的焦距，
f4：第4透镜的焦距，
dt：广角端的第2透镜与第3透镜在光轴上的间隔，
dw：望远端的第2透镜与第3透镜在光轴上的间隔，
fw：望远端的全系统的焦距，
vd1：第1透镜相对于d线的阿贝数。
2.根据权利要求1所述的变焦透镜，其特征在于，
按照至少使上述第2透镜及第3透镜在光轴上移动来进行变焦动作的方式构成。
3.根据权利要求1或2所述的变焦透镜，其特征在于，
至少在变焦动作时，保持上述第4透镜和成像面的距离为一定。
4.根据权利要求1或2所述的变焦透镜，其特征在于，
其构成为：通过使上述第1透镜及第4透镜成为一体的方式在光轴上移动来进行变焦动作。
5.根据权利要求1或2所述的变焦透镜，其特征在于，
保持上述第1透镜和成像面的距离为一定。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的变焦透镜，其特征在于，
按照上述第3透镜在光轴上移动来进行对焦动作的方式构成。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的变焦透镜，其特征在于，
至少上述第1透镜及第2透镜由有机材料构成。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的变焦透镜，其特征在于，
进一步具备：
测定周围温度的温度检测部；
控制部，根据来自上述温度检测部的温度信息算出焦点位置矫正量；和
驱动部，根据来自上述控制部的控制信号使上述第1透镜至第4透镜中的至少1个进行对应于上述焦点位置矫正量的距离量的移动。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的变焦透镜，其特征在于，
按照至少上述第3透镜沿光轴连续地移动来交替地进行变焦动作和对焦动作的方式构成。
10.根据权利要求1～9任意一项所述的变焦透镜，其特征在于，
用于构成折射光学系统的反射面设置在上述第1透镜或其前后上。
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