專利名稱：變焦透鏡系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于電子靜態成像(數碼像機)的變焦透鏡系統，該系統具有寬視場(即在短焦距端具有較短焦距)，且其變焦倍率大約為3。
現有技術近年來，數碼像機不僅用于照像設備中，而且還設置在便攜式數字設備(PDA個人數字助手)和移動電話等之中。用于這樣的數碼像機上的成像設備(成像單元)諸如CCD和COMS必須非常小。因此通常使用有效成像區域相對小的成像設備，而且已經有許多光學系統由少量透鏡單元構成的數碼像機。
通常使用具有較少數量透鏡、負導類型透鏡系統(negative-lead typelens)的小尺寸變焦透鏡系統。在這樣的透鏡系統中，至少有兩個優點，即(i)可以使透鏡系統的焦距在短焦距極點處較短；(ii)可以保持在成像側遠心。
例如，下面的日本待審專利申請(后面簡稱為JUPP)公開了一種三(和二)透鏡組結構的負導類型透鏡系統，后面將討論它的缺點。
JUPP No.2002-82284， JUPP No.2002-55278，JUPP No.2002-14284， JUPP No.平-11-237549，和JUPP No.平-10-206732。
在JUPP No.2002-82284中，第二透鏡組(變焦透鏡組)由兩個正透鏡元件構成。因此該變焦透鏡組不能校正色差。
在JUPP No.2002-55278中，第三透鏡組具有較小的正折射光焦度(后面簡稱正光焦度)。然而，變焦主要是由第一透鏡組和第二透鏡組完成的。結果，第三透鏡組對于變焦基本沒有起作用，所以變焦透鏡系統不夠小型化。
在JUPP No.2002-14284中，第一透鏡組由兩個或者更多透鏡元件構成。因此能夠充分校正像差；然而，變焦透鏡系統不夠小型化。
在JUPP No.平-11-237549中，每個透鏡組的光焦度都小，第二透鏡組的光焦度特別小。因此，第一透鏡組和第二透鏡組之間的距離較長，所以變焦透鏡系統的整體長度變長。
在JUPP No.平-10-206732中，第二透鏡組由三個透鏡元件構成，所以不能實現充分小。
如果試圖使整個變焦透鏡系統的長度較短，應該理解必須使每個透鏡組的光焦度較大，以便透鏡組的移動距離變短。然而，如果使透鏡組的光焦度大，像差也變大。因此難以對整個變焦范圍適當地校正像差。
發明概述考慮到上述缺點，本發明提供一種尺寸小且質量高的變焦透鏡系統，從物體一側順次具有負透鏡組、正透鏡組和正透鏡組。
根據本發明的一個方面，提供一種變焦透鏡系統，從物體一側順次包括具有負光焦度的第一透鏡組(后面簡稱為負的第一透鏡組)、具有正光焦度的第二透鏡組(后面簡稱為正的第二透鏡組)和具有正光焦度的第三透鏡組(后面簡稱為正的第三透鏡組)。
在從短焦距極點向長焦距極點變焦時，負的第一透鏡組與正的第二透鏡組之間的距離減小、而正的第二透鏡組與正的第三透鏡組之間的距離增大。
當進行變焦時，正的第三透鏡組保持靜止，負的第一透鏡組和正的第二透鏡組可以沿著變焦透鏡系統的光軸移動；變焦透鏡系統滿足如下條件3.0＜f3/f2＜3.5 (1)1.4＜|f1/fw|＜2.0 (2)0.8＜f2/fw＜1.5(3)其中，f1表示負的第一透鏡組的焦距；f2表示正的第二透鏡組的焦距；f3表示正的第三透鏡組的焦距；
fw表不在短焦距極點處整個變焦透鏡系統的焦距。
本發明的變焦透鏡系統優選滿足如下條件1.0＜T2/ymax＜2.0(4)其中T2表示從正的第二透鏡組最靠近物方表面到最靠近像方表面的距離；ymax表示最大像高。
負的第一透鏡組優選包括凹面朝向像方的單個負彎月透鏡單元。
正的第二透鏡組優選包括正透鏡單元和負透鏡單元。
正的第三透鏡組優選包括單個正透鏡單元。
在本發明的變焦透鏡系統中，如果負的第一透鏡組在短焦距極點的位置設置成與在長焦距極點的位置相同，僅通過向正的第二透鏡組移動范圍內的任何一端移動正的第二透鏡組，就可以實現在兩個焦距之間切換的透鏡系統。
根據本發明的另一個方面，提供一種變焦透鏡系統，從物體一側順次包括負的第一透鏡組、正的第二透鏡組和正的第三透鏡組。
在從短焦距極點向長焦距極點變焦時，負的第一透鏡組與正的第二透鏡組之間的距離減小、正的第二透鏡組與正的第三透鏡組之間的距離增大。當進行變焦時，正的第三透鏡組保持靜止，負的第一透鏡組和正的第二透鏡組可以沿著變焦透鏡系統的光軸移動；變焦透鏡系統滿足如下條件1.0＜T2/ymax＜2.0(4)其中T2表示從正的第二透鏡組最靠近物方表面到最靠近像方表面的距離；ymax表示最大像高。
附圖簡要說明下面將結合附圖詳細討論本發明，其中
圖1是根據本發明第一實施方案的變焦透鏡系統在短焦距極點的透鏡結構；圖2A、2B、2C、2D和2E示出圖1所示透鏡結構產生的像差；圖3是圖1所示的變焦透鏡系統在長焦距極點的透鏡結構；
圖4A、4B、4C、4D和4E示出圖3所示透鏡結構產生的像差；圖5是根據本發明第二實施方案的變焦透鏡系統在短焦距極點的透鏡結構；圖6A、6B、6C、6D和6E示出圖5所示透鏡結構產生的像差；圖7是圖5所示的變焦透鏡系統在長焦距極點的透鏡結構；圖8A、8B、8C、8D和8E示出圖7所示透鏡結構產生的像差；圖9是根據本發明第三實施方案的變焦透鏡系統在短焦距極點的透鏡結構；圖10A、10B、10C、10D和10E示出圖9所示透鏡結構產生的像差；圖11是圖9所示的變焦透鏡系統在長焦距極點的透鏡結構；圖12A、12B、12C、12D和12E示出圖11所示透鏡結構產生的像差；以及圖13示出根據本發明的變焦透鏡系統在變焦時透鏡組的移動路徑。
優選實施方案本發明的變焦透鏡系統如圖13的透鏡組移動路徑所示，從物體一側順次包括負的第一透鏡組10、正的第二透鏡組20和正的第三透鏡組30。
在從短焦距極點(W)向長焦距極點(T)變焦時，負的第一透鏡組10向像方移動，然后返回向物方移動；正的第二透鏡組20向物方移動；正的第三透鏡組30保持靜止。結果，負的第一透鏡組與正的第二透鏡組之間的距離減小；正的第二透鏡組與正的第三透鏡組之間的距離增大。
在圖13中，字母“I”表示像平面；在數碼像機中，濾光片組在像平面I的前面緊鄰設置。
光圈S設置在負的第一透鏡組10與正的第二透鏡組20之間，在變焦時與正的第二透鏡組20一起移動。
通過移動負的第二透鏡組10、正的第二透鏡組20和正的第三透鏡組30至少之一實現聚焦。
在變焦透鏡系統作為兩個焦距透鏡系統使用時，負的第一透鏡組10在短焦距極點的位置設置成與在長焦距極點的位置相同。換句話說，在短焦距極點和長焦距極點兩種情況下，從負的第一透鏡組10的最靠近像方表面到像平面I之間的距離不變。由于這種結構，只通過向正的第二透鏡組20的移動范圍內的任何一端移動正的第二透鏡組20就可以獲得兩個焦距，即長焦距和短焦距。
由于上述負的第一透鏡組10的上述結構，變焦透鏡系統可以作為所謂的兩焦距切換透鏡系統使用，因為只通過向正的第二透鏡組20的移動范圍兩端之間移動正的第二透鏡組20就可以獲得長焦距和短焦距。
負的第一透鏡組10優選由凹面朝向像方的單個負彎月透鏡單元構成，目的是為了使變焦透鏡系統最小。
正的第二透鏡組20最優選由正透鏡單元和負透鏡單元構成，原因是(i)設定正的第二透鏡組20具有最大變焦功能，因此需要設置一個正透鏡和一個負透鏡，以消除變焦時產生的像差；(ii)應該理解，透鏡元件數目越少，越能夠實現變焦透鏡系統小型化。
正的第三透鏡組30優選由單個正的雙凸透鏡單元構成。
條件(1)規定正的第三透鏡組30的焦距與正的第二透鏡組20的焦距之比，目的是(i)確保遠心；(ii)適合于在整個變焦范圍(或者在每個焦距極點)校正像差，(iii)進一步使變焦透鏡系統最小， 而在變焦時正的第三透鏡組30保持靜止。
如果f3/f2超過條件(1)的上限，正的第三透鏡組30的光焦度變小。因此，大部分變焦功能施加在正的第二透鏡組20上，所以變焦時像差變化變大。如果試圖減小變焦時像差的變化，必須提高正的第二透鏡組20的厚度。結果，不能達到進一步使變焦透鏡系統最小的目的。
如果f3/f2超過條件(1)的下限，正的第二透鏡組20的光焦度變小。因此，變焦時正的第二透鏡組20的移動距離變長，不能達到進一步使變焦透鏡系統最小的目的。
條件(2)規定負的第一透鏡組10的焦距，目的是適當校正像差，同時使每個透鏡在變焦時的移動距離短。
如果|f1/fw|超過條件(2)的上限，負的第一透鏡組10的光焦度變小。因此，變焦時負的第一透鏡組的移動距離變長，這不利于進一步使變焦透鏡系統最小。
如果|f1/fw|超過條件(2)的下限，負的第一透鏡組10的光焦度變得過大。結果，像差校正變得困難，雖然由于負的第一透鏡組10的光焦度變得很大(即移動距離很短)，有利于進一步使變焦透鏡系統最小。
更好的是滿足如下條件，代替條件(2)1.6＜|f1/fw|＜1.8(2’)條件(3)規定正的第二透鏡組20的焦距，目的是使每個透鏡組在變焦時的移動距離短，適合于校正像差。
如果f2/fw超過條件(2)的上限，正的第二透鏡組20的光焦度變小。因此，變焦時正的第二透鏡組20的移動距離變長，這不利于進一步使變焦透鏡系統最小。
如果f2/fw超過條件(2)的下限，正的第二透鏡組20的光焦度變得過大。結果，像差校正變得困難，雖然由于正的第二透鏡組20的光焦度變得很大(即移動距離很短)，有利于進一步使變焦透鏡系統最小。
更好的是滿足如下條件，代替條件(3)0.8＜f2/fw＜1.2(3’)設定條件(4)的目的是校正像差和進一步使變焦透鏡系統最小可以兼得。
如果T2/ymax超過條件(4)的上限，正的第二透鏡組20的厚度變大，不能充分地實現進一步使變焦透鏡系統最小。
如果T2/ymax超過條件(4)的下限，像差校正不足。而且，透鏡單元變得太薄，這樣薄的透鏡單元難以制造。
條件(4)可以獨立適用于不滿足條件(1)至(3)的變焦透鏡系統，其中(i)從物體一側順次包括負的第一透鏡組、正的第二透鏡組和正的第三透鏡組；(ii)在從短焦距極點向長焦距極點變焦時，負的第一透鏡組與正的第二透鏡組之間的距離減小，正的第二透鏡組與正的第三透鏡組之間的距離增大；(iii)當進行變焦時，正的第三透鏡組組保持靜止，負的第一透鏡和正的第二透鏡組可以沿著變焦透鏡系統的光軸移動。
即使在條件(4)獨立適用于上述變焦透鏡系統中時，也能夠在一定程度上實現校正像差和進一步使變焦透鏡系統小型化。
后面將詳細描述實施方案的具體參數。
在示出球面像差和正弦條件的圖中，SA表示球面像差，SC表示正弦條件。
在用球面像差表示的色差(軸上色差)的圖中，實線和兩種類型虛線分別表示對于d線、g線和c線的球面像差。
在橫向色差中，兩種類型虛線分別表示對于g線和c線的放大倍率；然而，d線作為基線與坐標軸一致。
在象散圖中，S表示弧矢像，M表示子午像。
在表中，FNO表示f數，f表示整個變焦透鏡系統的焦距，fB表示后截距(從玻璃蓋CG的最靠近像方表面到成像器件(CCD)的像平面之間沿著光軸的等效空氣厚度)，W表示半視場角(°)，r表示曲率半徑，d表示透鏡單元的厚度或者各單元之間的距離，Nd表示d線折射率，ν表示阿貝數。
除了以上所述，關于光軸對稱的非球面表示為x＝cy2/(1+[1-{1+K}c2y2]1/2)+A4y4+A6y6+A8y8+A10y10…其中c表示非球面頂點的曲率半徑(1/r)；y表示距離光軸的距離；K表示二次曲線系數；A4表示四次非球面系數；A6表示六次非球面系數；A8表示八次非球面系數；A10表示十次非球面系數。
實施方案1圖1示出變焦透鏡系統在短焦距極點的透鏡結構；圖2A至2E示出圖1所示透鏡結構產生的像差；圖3是圖1所示的變焦透鏡系統在長焦距極點的透鏡結構；圖4A至4E示出圖3所示透鏡結構產生的像差；表1示出第一實施方案的數據。
負的第一透鏡組10由凹面朝向像方的單個負彎月透鏡單元構成。
正的第二透鏡組20從物方開始順次由正雙凸透鏡單元和凹面朝向像方的負彎月透鏡單元構成。
正的第三透鏡組30單個正雙凸透鏡單元構成。
在第三透鏡組30與CCD之間設置玻璃蓋(濾光片組)CG。CCD的尺寸是1/7英寸(對角線(最大像高)＝1.4mm)。光圈S設置在第二透鏡組20(第3面)的前方(靠近物方)0.20mm處。
表1FNO.＝1∶2.8-4.3f＝2.00-4.00W＝37.1-18.9fB＝0.36-0.36面序號r dNd ν173.462 0.70 1.4874970.22*1.609 2.08-0.623*0.940 1.04 1.4874970.24*-11.2440.16512.746 0.70 1.6200436.362.374 0.30-1.717*19.388 0.96 1.4917657.48*-3.845 0.209無窮遠 0.50 1.5163364.110 無窮遠 -*表示關于光軸回轉對稱的非球面；非球面數據(沒有表示的非球面數據為零(0.00))面序號 K A4 A6 A820.00-0.59022×10-230.00-0.46124×10-10.18269×10-0-0.34874×10-040.000.34242×10-00.61481×10-070.00-0.19727×10-10.12566×10-180.00-0.17928×10-10.79744×10-2
實施方案2圖5示出變焦透鏡系統在短焦距極點的透鏡結構；圖6A至6E示出圖5所示透鏡結構產生的像差；圖7是圖5所示的變焦透鏡系統在長焦距極點的透鏡結構；圖8A至8E示出圖7所示透鏡結構產生的像差。表2示出第二實施方案的數據。
第二實施方案的基本透鏡結構與第一實施方案的相同。光圈S設置在第二透鏡組20(第三面)的前方(靠近物方)0.20mm處。
表2FNO.＝1∶2.8-4.3f＝2.00-4.00W＝36.8-18.8fB＝0.50-0.50面序號r d Ndν1 132.171 0.701.49176 57.42*1.641 2.09-0.643*0.944 1.011.48749 70.24*-10.097 0.165 12.304 0.701.62004 36.36 2.253 0.30-1.747*16.346 0.941.49176 57.48*-3.851 0.109 無窮遠 0.501.51633 64.110無窮遠 -*表示關于光軸回轉對稱的非球面；非球面數據(沒有表示的非球面數據為零(0.00))面序號K A4 A6A82 0.00 -0.35237×10-23 0.00 -0.45808×10-10.20903×10-0-0.36172×10-04 0.00 0.35063×10-00.65559×10-07 0.00 -0.80078×10-20.81083×10-2
80.00 -0.10610×10-10.70980×10-2實施方案3圖9示出變焦透鏡系統在短焦距極點的透鏡結構；圖10A至10E示出圖9所示透鏡結構產生的像差；圖11是圖9所示的變焦透鏡系統在長焦距極點的透鏡結構；圖12A至12E示出圖11所示透鏡結構產生的像差。表3示出第三實施方案的數據。
除了負的第一透鏡組10是由單個雙凹透鏡單元所組成之外，第三實施方案的基本透鏡結構與第一實施方案的相同。光圈S設置在第二透鏡組20(第三面)的前方(靠近物方)0.20mm處。
表3FNO.＝1∶2.8-4.3f＝2.00-4.00W＝36.8-18.9fB＝0.50-0.50面序號r d Ndν1 -116.226 0.70 1.48749 70.22*1.685 2.11-0.673*0.950 1.01 1.49700 81.64*-8.7610.165 9.147 0.70 1.75520 27.56 2.140 0.30-1.737*19.9770.92 1.49176 57.48*-3.5120.109 無窮遠0.50 1.51633 64.110無窮遠-*表示關于光軸回轉對稱的非球面；非球面數據(沒有表示的非球面數據為零(0.00))面序號KA4A6A8
2 0.00 -0.12835×10-23 0.00 -0.57036×10-10.22879×10-0-0.27586×10-04 0.00 0.34433×10-00.12837×107 0.00 -0.11801×10-10.10174×10-18 0.00 -0.10632×10-10.92579×10-2表4中示出每個實施方案對每個條件的數據值。
表4實施方案1實施方案2實施方案3條件(1) 3.4763.1573.046條件(2，2’) 1.6701.6931.701條件(3，3’) 1.0141.0201.010條件(4) 1.35 1.34 1.34表4可以看出每個實施方案都滿足各個條件。而且，很好地校正了各種像差。
根據上面的描述，可以提供尺寸小和質量高的變焦透鏡系統，從物方一側順次包括負的第一透鏡組、正的第二透鏡組和正的第三透鏡組。
權利要求
1.一種變焦透鏡系統，從物體一側順次包括負的第一透鏡組、正的第二透鏡組和正的第三透鏡組；其中，在從短焦距極點向長焦距極點變焦時，所述負的第一透鏡組與所述正的第二透鏡組之間的距離減小；所述正的第二透鏡組與所述正的第三透鏡組之間的距離增加；當進行變焦時，所述正的第三透鏡組保持靜止，所述負的第一透鏡組和所述正的第二透鏡組可以沿著變焦透鏡系統的光軸移動；而且，所述變焦透鏡系統滿足如下條件3.0＜f3/f2＜3.51.4＜|f1/fw|＜2.00.8＜f2/fw＜1.5其中，f1表示所述負的第一透鏡組的焦距；f2表示所述正的第二透鏡組的焦距；f3表示所述正的第三透鏡組的焦距；fw表示在短焦距極點整個變焦透鏡系統的焦距。
2.根據權利要求1所述的變焦透鏡系統，更進一步滿足如下條件1.0＜T2/ymax＜2.0其中T2表示從正的第二透鏡組最靠近物方表面到最靠近像方表面的距離；ymax表示最大像高。
3.根據權利要求1所述的變焦透鏡系統，其中所述負的第一透鏡組包括凹面朝向像方的單個負彎月透鏡單元。
4.根據權利要求1所述的變焦透鏡系統，其中所述正的第二透鏡組從所述物體一側順次包括正透鏡單元和負透鏡單元。
5.根據權利要求1所述的變焦透鏡系統，其中所述正的第三透鏡組包括單個正透鏡單元。
6.根據權利要求1所述的變焦透鏡系統，其中所述負的第一透鏡組相對于像平面在短焦距極點的位置設置成與在長焦距極點的位置相同。
7.一種變焦透鏡系統，從物體一側順次包括負的第一透鏡組、正的第二透鏡組和正的第三透鏡組；其中在從短焦距極點向長焦距極點變焦時，所述負的第一透鏡組與所述正的第二透鏡組之間的距離減小，所述正的第二透鏡組與所述正的第三透鏡組之間的距離增大；當進行變焦時，所述正的第三透鏡組保持靜止，所述負的第一透鏡組和所述正的第二透鏡組可以沿著變焦透鏡系統的光軸移動；而且，所述變焦透鏡系統滿足如下條件1.0＜T2/ymax＜2.0其中T2表示從正的第二透鏡組最靠近物方表面到最靠近像方表面的距離；ymax表示最大像高。
全文摘要
一種變焦透鏡系統，從物體一側順次包括負的第一透鏡組、正的第二透鏡組和正的第三透鏡組。在從短焦距極點向長焦距極點變焦時，第一透鏡組與所述第二透鏡組之間的距離減小；第二透鏡組與第三透鏡組之間的距離增大。當進行變焦時，第三透鏡組保持靜止，第一透鏡組和第二透鏡組可以沿著變焦透鏡系統的光軸移動；而且，變焦透鏡系統滿足如下條件3.0＜f1.4＜|f0.8＜f其中，f
文檔編號G02B13/00GK1591075SQ20041007413
公開日2005年3月9日 申請日期2004年8月31日 優先權日2003年9月1日
發明者小織雅和 申請人:賓得株式會社